Курс лекций по дисциплине: «Теоретические основы технологии продовольственных продуктов» для специальности: «Технология продовольственных продуктов»
жүктеу/скачать 1,08 Mb.
|
| 3. СВЧ-обработка пищевых продуктов
Нагрев СВЧ-энергией является принципиально новым методом нагрева продукта в поле электромагнитного излучения. В отличие от всех других способов нагрева, при которых тепло воспринимается поверхностью продукта и проникает внутрь за счет теплопроводности, электромагнитное поле СВЧ способно проникать на значительную глубину, что позволяет осуществлять объемный нагрев независимо от теплопроводности. Взаимодействие электромагнитного излучения с продуктами Из общей физики, касающейся строения материи и теории электричества, известно, что у проводящих веществ часть носителей слабо связана со структурной решеткой. Эти так называемые свободные заряды могут неограниченно передвигаться в пределах данного тела под действием электрического поля, создавая электрический ток проводимости. У непроводящих веществ, так называемых диэлектриков, заряды связаны и могут перемещаться только в пределах атома, молекулы, кристаллической ячейки или неоднородного участка структуры вещества. Соответствует такому направленному перемещению ток смещения. В природе идеальные проводники, а также и абсолютно непроводящие диэлектрики не встречаются. Известно, что полные потери электромагнитной волны (Р) в веществе, вызывающие его нагрев, определяются уравнением: Р = ω [έ tg δε |E|2 + μ tg δ μ |H|2], 4π где ω - круговая частота колебаний электромагнитного поля, 1/с έ -диэлектрическая проницаемость среды при данной частоте; tg δε - тангенс угла диэлектрических потерь среды; Е - амплитуда напряженности электрического поля; Н - амплитуда напряженности магнитного поля; μ - магнитная проницаемость среды; tg δ μ - тангенс угла магнитных потерь среды. Так как продукты рассматриваются как диэлектрики, то принято пренебрегать вкладом в нагрев магнитной составляющей поля. В таком случае продукты характеризуются комплексной диэлектрической проницаемостью: ε* = έ – j ε'', ε* - комплексная диэлектрическая проницаемость; ε' - характеризует способность материала накапливать энергию; ε" — характеризует рассеяние энергии в продукте. tg δ = ε" , ε' tg δ определяет отношение мощности, расходуемой на нагрев, к мощности, запасенной за период электромагнит ных колебаний, и является мерой потерь в диэлектрике. Если ток проводимости пренебрежительно мал по cpaвнению с током смешения (то есть тангенс угла диэлектрических потерь — tg δ << 1), то вещество — диэлектрик, если же tg δ >> 1 - проводник. Мнимая часть в выражении диэлектрической проницаемости определяет потери в диэлектрике. Термин "потери" характеризует преобразование энергии в тепло при прохождении тока через вещество как некоторое отрицательное явление. Но в интересующей нас проблеме именно этими потерями, то есть преобразованиями энергии переменного поля в другой вид энергии (тепло), обусловлены положительные явления, лежащие в основе технических процессов, — нагрев, cyшка, химические превращения и прочие. Направленное перемещение связанных электрических зарядов под действием переменного электрического поля называется поляризацией. Основные виды поляризации - электронная, представляющая собой смещение электронных оболочек относительно ядер атомов; ионная — смещение ионов относительно их равновесных положений в кристалической решетке; дипольная — ориентация дипольных молекул в аморфных телах относительно направления поля. Главным видом поляризации для многих веществ, в том числе и для пищевых производств (мяса, рыбы и так далее), является дипольная поляризация, так как пищевые продукты содержат значительное количество воды. Полярность молекул воды вызвана несимметрией расположения атомов водорода относительно атома кислорода. Дипольные молекулы при отсутствии внешнего поля расположены хаотично, наложение поля заставляет их ориентироваться вдоль силовых линий — вещество поляризуется. Для неоднородных (гетерогенных) сред, какими являются, например, мясо и мясопродукты, кроме указанных видов поляризации характерна также макроструктурная, представляющая собой перемещение отдельных небольших областей материала, включающих вещества, находящиеся в твердой или жидкой фазе. Суммарное действие поля на заряды, находящиеся в такой области, проявляется в ее ориентации подобно диполю. Кроме того, некоторую роль лет еще электролитическая поляризация, связанная с изменением местоположения областей концентрации положительных и отрицательных ионов. В электрическом поле, переменном по величине и направлению, происходит переориентация диполей вещества. С ростом частоты ( f ) изменений поля этот процесс затрудняется и все большая часть энергии поля преобразуется в тепловую энергию, генерирующуюся в веществе. При этом за единицу времени выделяется мощность: Р = 0,566 ε' tg δ f • Е2 • 10-12 Вт/см3, где f — частота, Гц; Е — напряженность электрического поля, В/см; Р — удельная мощность (Вт/см3) Из уравнения видно, что вещество будет нагреваться тем сильнее, чем больше его диэлектрическая проницаемость, тангенс угла потерь, а также чем больше частота и напряженность поля. Однако увеличивать напряженность элкектрического поля произвольно нельзя, так как, начинания с некоторого уровня, возникает опасность образования электрического разряда, который оказывает вредное влияние на качество продукции. Поэтому единственно возможно путем увеличения удельной энергии преобразования (энергия преобразования в единице объема данного материала) является увеличение рабочей частоты. Для промышленных, научно-исследовательских и медицинских целей отведены следующие полосы частот:
В Албании, Болгарии, Венгрии, Польше, Румынии, Чехии, Словакии и РФ по п. 3 используется частота 2375 МГц. Сущность нагрева СВЧ-энергией можно объяснить следующим образом. Как известно, при действии электромагнитного поля (ЭМП) на среду, содержащую свободные заряды и дипольные молекулы, в ней происходят два основных процесса: релаксационные колебания дипольных молекул, вызывающие диэлектрические потери, и колебания свободных зарядов, вызывающие потери проводимости. Соотношение между этими видами потерь выражают тангенсом угла потерь: tg δ = χ , ω ·έ ·ε 0 где έ — относительная диэлектрическая проницаемость среды; χ— удельная проводимость; ε 0 — абсолютная диэлектрическая проницаемость для вакуума; ω — угловая частота. Поскольку tg δ зависит от частоты, одна и та же cpeда для различных частот будет обладать различной проводимостью, то есть имеет место дисперсия электропроводности. При облучении биосистем микроволнами достаточной интенсивности наиболее выраженным эффектом является тепловой. Причем в зависимости от глубины проникновения волн в ткани, а также толщины и электрических свойств тканей соотношение тепла, выделяемого на поверхности продукта и в более глубоких слоях, например в жировой мышечной ткани будет различным, что всегда следует иметь в виду при нагреве продуктов. Поглощение энергии микроволн в тканях зависит и от линейных размеров обрабатываемого продукта, вернее, от соотношения размеров продукта и длины волны облучения ( λ ). Кроме отмеченных факторов, глубина проникновения электромагнитного поля в продукт зависит от содержания влаги, жира, соли, температуры продукта и так далее. Излучение на частоте, значительно превышающей 3000 МГц, проникает на небольшую глубину и, следовавательно, может создавать лишь поверхностный нагрев. Вместе с тем на частотах менее 1000 МГц глубина проникновения может быть больше 2—3 см и излучение будет вызывать нагрев более глубинных слоев. Под глубиной проникновения поля подразумевают pacстояние от поверхности обрабатываемого продукта, на протяжении которого мощность поля электромагнитной волны уменьшается в е раз (е =2,7183). Для материалов с относительно малыми диэлектрическими потерями (тангенс угла диэлектрических потерь tg δ « 1} глубину проникновения приближенно можно найти по одной из формул: Δ = С π f √έ · tg δ Δ = 9,55 · 103 f √έ · tg δ (см), где С — скорость распространения света в вакууме; έ — диэлектрическая проницаемость; tg δ — тангенс угла диэлектрических потерь. Из данных формул следует, что проникновение электромагнитного поля в продукт уменьшается с ростом диэлектрической проницаемости (е'), потерь (tg δ) и частоты (f). При тепловой обработке в СВЧ-поле с увеличением температуры образца и глубины проникновения поля наружные слои могут перегреваться и технология тепловой обработки нарушается. Например, при СВЧ-нагреве (f = 2375 МГц) мышечной ткани говядины глубина проникновения поля в начальный момент составляет 11—13 мм с любой стороны образца. Эта величина через 2 мин возрастает до 16—20 мм, то есть передний фронт поля передвигается со скоростью 5—7 мм/мин. Для предупреждения перегрева наружных слоев и уменьшения продолжительности тепловой обработки толщину образца следует ограничить до 2,5—3,0 Δ. При малых размерах продукта в нем может поглощаться большая энергия, и скорость нагрева может возрасти до 10 С в секунду и более (как это имеет место при производстве сосисок без оболочки на СВЧ-линии). Таким образом, нагрев СВЧ-знергией по сравнению с традиционными методами значительно сокращает продолжительность тепловой обработки (в 5—10 раз), а в отдельных случаях в десятки раз и тем самым ускоряет весь технологический процесс приготовления пищевых продуктов, напримep, кулинарных изделий из мяса птицы. Кроме того, в отличие от традиционных способов, когда энергия передается нагреваемому объекту посредством лучеиспускания, конвекции или теплопередачи, при СВЧ-нагреве происходит генерация тепла внутри самого обращаемого объекта. Поджаривая мясо на газовой плите, расходуется тепло на нагрев сковороды и окружающего воздуха. В СВЧ-печи мясо можно приготовить в диэлектрической посуде (или в фарфоровой тарелке), которая нагревается лишь в небольшой степени — главным образом за счет передачи тепла от горячего мяса. Таким образом, , непроизводственные потери тепла существенно уменьшаются. Далее, проникновение СВЧ-поля внутрь вещества (с учетом поверхностного эффекта) дает возможность обспечивать достаточно равномерный нагрев по всему объему продукта (с учетом допустимых размеров). И если мясо на сковороде может подгореть или даже обуглиться снаружи, оставаясь внутри сырым, во избежание чего приходится расходовать масло, то в СВЧ-печи нагрев происходит в объме тела без образования корочки, поскольку поверхность тела, отдавая тепло окружающему воздуху, будет даже несколько холоднее. Конечно, однородность СВЧ-нагрева зависит от однородности электрических и теплофизических свойств обрабатываемого объекта. Очень важно также обеспечить равномерность распределения электромагнитного поля в зоне нагрева — выделение тепла будет максимальным в тех местах, где напряженность электрической составляющей больше. Таким образом, получить абсолютно равномерный нагрев реальных объектов, свойства которых в какой-то мере различны и изменяются в процессе обработки, практически невозможно. Задача осложняется еще и тем, что фактически происходит взаимодействие СВЧ-поля с обрабатываемым объектом, то есть не только воздействие поля на объект, но и обратное воздействие объекта на поле (eго пространственное распределение, соотношение амплитуд отдельных составляющих и так далее). Равномерность нагрева, кроме отмеченного выше, зависит от геометрических размеров обрабатываемого материала (продукта). В том случае, когда геометрические размеры продукта значительно превосходят глубину проникновения электромагнитных волн, по мере продвижения глубь продукта энергия затухает, поэтому поверхностные слои нагреваются сильнее, чем внутренние. При нагреве продуктов, размеры которых соизмеримы с глубиной проникновения Δ, из-за потерь тепла в окружающую среду температура периферийных слоев продукта меньше, чем центральных, при этом на его поверхности не образуется специальной корочки. По своим органолептическим свойствам продукт, доведенный до готовности в СВЧ - аппарате, приближается к продукту, полученному в результате припускания или варки. При СВЧ-нагреве в продуктах полнее сохраняются питательные вещества, исключается пригорание изделий, улучшаются вкусовые качества приготовленной пищи и санитарно-гигиенические условия труда обслуживающего персонала. СВЧ-нагрев дает возможность приготовить продукт в той упаковке, в которой он будет предъявлен для реализации или. заложен на хранение (за исключением металлической). Возможность приготовления продукта или блюда с небольшим количеством жира или совсем без жира в сочетании с особенностями органолептических свойств готового изделия делают использование СВЧ-приготовления блюд в диетическом питании особенно перспективным. Однако, несмотря на многие положительные стороны, применение СВЧ-нагрева ограничивается ввиду ряда обстоятельств. В ряде работ указывалось на трудности конструирования СВЧ-установок с учетом обратного влияния размеров, диэлектрических и теплофизических свойств объекта (изменяющихся в процессе обработки) на электромагнитное поле в пространстве взаимодействия и его источник — СВЧ генератор. Сильное искажение объектом структуры поля может нарушить нормальную работу установки и даже вывести из строя генератор. С этой точки зрения недопустимо введение в пространство взаимодействия металла или других хорошо проводящих материалов. Оболочка (или посуда), в которой может содержаться нагреваемое вещество, должна быть максимально прозрачной для излучения на рабочей длине волны. В противном случае обрабатываемый объект будет экранирован от электромагнитного поля, энергия которого станет бесполезно тратиться на нагрев оболочки. В отличие от традиционных способов, когда тепло подводится к объекту извне, при СВЧ-нагреве его внешняя поверхность имеет меньшую температуру, чем внутренние слои. Поэтому приготовленный с помощью СВЧ-поля продукт может иметь некоторые специфические особенности. Так, приготовленные в СВЧ-печи мясо, котлеты и так далее получатся без привычной для нас румяной, хрустящей корочки. Определенные затруднения на пути широкого внедрения СВЧ-технологических установок связаны также с особенными требованиями к технике безопасности. Сейчас уже можно сделать работу с СВЧ-установками совершенно безопасной, но это требует принятия специальных мер. Опасность СБЧ-облучения Облучение сильными источниками электромагнитной энергии может нанести ущерб здоровью. Если температура тела повышается более чем на 5—10°С, то происходят процессы денатурации макромолекул и возможны необратимые изменения. Особенно заслуживают внимания результаты, касающиеся воздействия на глаза и общего облучения тела. При интенсивности потока выше 100 мВт/см2 хрусталик глаза может вследствие тепловых изменений белков поражаться катарактой. Ely, Goldman и Hearon считают, что изменение в семенных протоках происходит уже при уровнях выше 10 мВт/см2. Предельно допустимый уровень облучения равен 0,01 мВт/см2 при облучении в течение не более 2 ч и 1 мВт/см2 при облучении в течение не более 20 мин за весь рабочий день. жүктеу/скачать 1,08 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|