Лекция №5
Электрофизические методы обработки пищевых продуктов
План
1. Общая характеристика методов.
2. Обработка пищевых продуктов инфракрасным излучением
3. СВЧ-обработка пищевых продуктов
4. Высокочастотный метод обработки пищевых продуктов
4.1 Электростимуляция
4.2 Электроплазмолиз
5. Обработка пищевых продуктов в электростатическом поле
6. Электрофлотация.
Общая характеристика методов.
К электрофизическим методам обработки пищевых продуктов относят обработку переменным электрическим током, в электростатическом поле, электроконтактную, высокочастотную, сверхвысокочастотную, инфракрасным излучением. Применяют и комбинированные методы, то есть обрабатывают продукт последовательно или одновременно двумя электрофизическими методами, например, обработка мяса сверхчастотным методом на первых стадиях и инфракрасным излучением на завершающей стадии жаренья или одновременный нагрев путем конвекции горячего воздуха и инфракрасным излучением.
К наиболее важным преимуществам относятся высокая скорость процесса и компактность промышленных устройств, к недостаткам — относительная сложность и высокая стоимость промышленных устройств.
При использовании этих методов для обработки пищевых продуктов возникают серьезные трудности, обусловленные гетерогенностью состава продуктов и различной лабильностью отдельных составных частей. Например, в разных частях объема мясных продуктов даже на расстоянии нескольких миллиметров соотношение белок: жир: вода может различаться в несколько раз; два клубня сахарной свеклы, взятые с одного участка, могут различаться по массе и содержанию сахара в 2 раза и более и так далее. Если при традиционных методах обработки статистическое усреднение продукта почти всегда позволяет вести процессоптимальном режиме, то, как будет показано позднее, электрофизические методы обработки воздействуют неодинаково на части продукта, различающиеся по объему. Поэтому, если путем измельчения и механического перемешивания нельзя достичь однородности продукта, то использование электрофизического метода для обработки пищевых продуктов может быть весьма проблематичным. Электрофизические методы обработки пищевых продуктов основаны на использовании электромагнитной энергии излучения.
Отличие ИК-нагрева от диэлектрического заключается в механизме трансформации энергии излучения в тепло. ИК-поле проникает на небольшую глубину в продукт, вследствие чего такой вид нагрева является промежуточным между поверхностным и объемным.
Применение ИК-нагрева позволяет значительно сократить продолжительность процесса тепловой обработки, уменьшить металлоемкость и размеры аппаратов, автоматизировать производство, получить продукт высокого качества.
Обработка пищевых продуктов инфракрасным излучением
Инфракрасное излучение широко применяется в различных отраслях пищевой промышленности: кондитерской, хлебопекарной, мясной, молочной — как в технологических процессах, так и при выполнении различных качественных и количественных химических анализов.
Инфракрасное излучение используется главным образом для нагревания продукта. Сравнительно с традиционными источниками инфракрасное излучение имеет следующие особенности. Так же как и при кондуктивном нагреве, с помощью инфракрасного, излучения можно передавать продукту мощный поток тепла.
В отличие от кондуктивного нагрева, при нагреве инфракрасным излучением поверхность продукта остается открытой, с нее идет интенсивное испарение воды, вызывающее охлаждение поверхностных слоев. Это также дает возможность подводить к продукту интенсивный поток тепла до тех пор, пока поверхностные слои не будут чрезмерно обезвожены.
При конвективном нагреве в горячей газовой среде основной поток тепла воспринимается продуктом через теплоотдачу. Интенсификация процесса нагрева при конвективном способе достигается повышением температуры теплоносителя и скорости его движения. Для существенной интенсификации нагрева продукта необходимо значительно увеличить скорость движения теплоносителя, но при этом происходит быстрое обезвоживание поверхности продукта, что в большинстве случаев приводит или к порче продукта, или к чрезмерным потерям его массы.
Так что в ряде случаев использование инфракрасного излучения или другого способа, например, переменного электрического поля, является единственным путем интенсификации процесса.
Нагрев инфракрасным излучением осуществляется следующим образом. Направленный поток инфракрасного излучения взаимодействует с поверхностными слоями продукта, преобразуясь в теплоту. В зависимости от оптических свойств продукта и длины волны излучения, последняя проникает в поверхностные слои продукта. Такая мобильность инфракрасного излучения открывает широкие возможности для его использования.
Инфракрасному излучению в спектре электромагнитных волн соответствует диапазон длин волн 0,76—750 мкм, которые условно делятся на три группы: длинноволновая — 750—25 мкм; средневолновая — 25—2,5 мкм; коротковолновая — 2,5—0,76 мкм.
В общем случае поток излучения, произвольно падающий на поверхность материала, претерпевает ряд изменений: одна его часть отражается от поверхности материала, другая — поглощается материалом, а третья — проникает через материал:
При тепловой обработке большинства пищевых продуктов состояние их поверхности непостоянно: меняется степень шероховатости и прочее. При выборе излучателя учитывают целый ряд факторов— такие, как особенности технологического процесса, свойства материала, интенсивность излучения, возможность импульсного облучения, экономические требования и так далее.
В настоящее время в промышленности используются электрические и газовые ИК-излучатели. Среди них светлые и темные. Электрические и газовые излучатели имеют свои преимущества и недостатки. Светлые электрические излучатели имеют более коротковолновое излучение, их лучистая энергия имеет большую глубину проникновения. Газовые излучатели обычно дешевле и экономичнее в эксплуатации.
При выборе излучателя следует исходить из особенностей обрабатываемого материала. При этом особенное значение имеют оптические свойства обрабатываемого материала.
Под оптическими свойствами материала понимают его пропускательную, поглощательную и отражательную способность.
Оптические свойства материала зависят от многих факторов, в том числе от структуры, содержания в нем влаги, состояния и цвета поверхности продукта.
Пищевые продукты содержат большое количество влаги с разными формами связи, что неодинаково отражается на общем спектре поглощения материала.
Пищевые продукты в зависимости от химического состава и других показателей обладают выраженной селективностью к поглощению ИК-излучения в различных областях спектра. Поэтому источник излучения следует выбирать с учетом спектральных характеристик материала, КПД аппарата, интенсивности подвода теплоты, а также экономических показателей процесса.
Большое значение придается коэффициентам поглощения и отражения, от которых зависит глубина прогревания поверхностных слоев продукта.
Отличительной особенностью рационального подвода теплоты является прямолинейное распространение излучения. Это надо учитывать при размещении излучателей в аппарате. Они должны размещаться в соответствии с формой обрабатываемого изделия и особенностями технологического процесса.
Продукт с большой проницаемостью в инфракрасной области лучше размещать на горизонтальной конвейерной ленте, изготовленной из металла. Нагреваясь, лента в свою очередь передает тепло продукту.
Если допускает форма, то целесообразно облучать продукт со всех сторон.
Расположение излучателей с четырех сторон продукта приводит к увеличению потерь энергии за счет отражения от поверхности, однако при значительной шероховатости продукта в результате многократных отражений величина потерь несколько снижается.
Для обработки некоторых видов продуктов требуется применять разные режимы: например, варка и обжарка, запекание и копчение. В этом случае использование ИК- излучения, обеспечивающего интенсивный поверхностный нагрев, может быть особенно эффективным.
Практически во всех случаях ИК- обработки наблюдается повышение качества и выхода готовой продукции, снижение энергетических затрат, упрощение конструкции аппарата.
Нагрев продукта в оптимальных условиях, как правило, обеспечивает большой выход и лучшее качество. При этом обеспечиваются и более высокие технико-экономические показатели процесса.