ИК- и СВЧ- нагрев пищевых продуктов

В отличие от традиционного поверхностного нагрева, при котором энергия подводится к поверхности изделия, при в ИК-нагреве энергия проникает внутрь продукта на значительную глубину, а при СВЧ-нагрева – по всему его объему.

Как было показано в разделе 2.2 тепловой поток подводимой к изделию определяется тепловым потоком передаваемым внутрь, т. е. они должны быть равны в противном случае поверхность изделия может подгорать. Соответственно темп нагрева изделия определяется количеством энергии передаваемой внутрь.

В связи с тем, что теплопроводность и размеры изделия определяются его видом и химическим составом и являются величинами постоянными, то темп нагрева изделия при поверхностном нагреве будет ограничен температурой на его поверхности, которая определяется для каждого вида изделия температурой образования корочки. Так как теплопроводность изделий относительно мала, а разность температур между поверхностью и центром изделия не велика, особенно когда температура в его центре приближается к 100 ºС, период разогрева изделий значительных размеров занимает относительно много времени.

При использовании ИК- и особенно СВЧ-нагрева, за счет проникновения энергии в обрабатываемый продукт, возникает возможность существенно интенсифицировать тепловой поток в процессе нагрева, что позволяет значительно сократить время тепловой обработки пищевых продуктов.

Сокращение времени тепловой обработки приводит к повышению качества готовых изделий (лучше сохраняются витамины, минеральные и питательные вещества), снижению расхода энергии (т.е. повышению к.п.д.) и увеличению производительности.

В связи с тем, что в процессе тепловой кулинарной обработки не используется промежуточный теплоноситель (вода, жир), в изделиях полностью сохраняются водо- и жирорастворимые вещества. Кроме того, экономится жир и отсутствуют канцерогенные вещества, которые образуются при традиционной жарке с использованием жира. Соответственно изделия подвергшиеся тепловой кулинарной обработке в ИК- и СВЧ-аппаратах имеют меньшую себестоимость, более высокое качество и пригодны в пищу практически при любых диетах.

ИК-нагрев

В процессе ИК-обработки пищевых продуктов существенно изменяются их пропускательная, отражательная и поглощательная способности. В связи с чем возникает необходимость осуществлять тепловую кулинарную обработку с различной длиной волны максимального излучения (λ_max). Кроме того, по технологическим соображениям возникает необходимость изменять плотность теплового потока и глубину проникновения ИК-излучения в пищевые продукты.

Соответственно для интенсификации прогрева используют излучатели работающие в коротковолновой области излучения (0,76…2,6 мкм) для обеспечения глубинного прогрева, а для получения колера – в длинноволновой (2,6…4,0 мкм) для получения поверхностного нагрева. В отдельных случаях в процессе тепловой кулинарной обработки возникает необходимость в чередовании глубинного и поверхностного нагрева. Режимные параметры термообработки зависят от вида кулинарных изделий и требуемого вида обработки.

В ИК-аппаратах периодического действия обеспечение оптимального режима тепловой кулинарной обработки изделий осуществляется за счет размещения излучателей с разными спектральными характеристиками и отражателей в определенном порядке и на различном удалении от изделия. В аппаратах непрерывного действия – за счет движения изделий через соответствующие энергетические зоны аппарата.

Основные технико-экономические показатели процесса жарки по сравнению с традиционным способом значительно повышаются. Так, например, для мясных изделий (по данным кафедры торгово-техноло-гического оборудования РЭА им. Г.В. Плеханова) – продолжительность процесса сокращается на 30…50 %, удельный расход электроэнергии снижается на 20…40 %, а выход готовых изделий возрастает примерно на 10…15 %.

СВЧ-нагрев

Принцип действия СВЧ-печей основан на эффективном поглощении влагой, содержащейся в нагреваемом продукте, сверхвысокочастотной электромагнитной энергии, подводимой в рабочую камеру от генератора (магнетрона).

Удельная мощность внутренних источников теплоты при преобразовании СВЧ-энергии в единице объема продукта определяется по следующей формуле:

w = 0,556ּ10 ּε'ּtgδּfּE², (2.4)

где w_о – удельная мощность, Вт/см³;

ε' – действительная (вещественная) часть комплексной диэлектрической проницаемости обрабатываемого изделия;

tgδ – тангенс угла диэлектрических потерь (tgδ );

ε'' – мнимая часть комплексной диэлектрической проницаемости обрабатываемого изделия;

f – частота электрического поля, Гц;

E – напряженность электрического поля, В/см.

Из формулы (9.1) видно, что удельная мощность внутренних источников теплоты при СВЧ-нагреве, зависит от диэлектрических свойств (ε', tgδ) нагреваемого продукта, так как напряженность поля и частота для каждой печи есть величины постоянные. Поэтому СВЧ-нагрев часто называют диэлектрическим нагревом.

Пищевые продукты, содержащие значительное количество влаги с растворенными в ней солями, ведут себя в переменном электрическом поле подобно электролитам. Диэлектрические потери таких белково-электролитных систем обусловлены релаксацией (отставанием во времени изменения поляризации) «свободной» воды и полной проводимостью раствора, т.е. зависят в основном от содержания воды и соли в продукте. Кроме того, на значения ε' и tgδ пищевых продуктов оказывают влияние содержание в них белка, жира, а также частота электрического поля и температура продукта.

Физико-химические свойства пищевых продуктов (влажность, жирность, плотность, содержание солей и др.) растительного и животного происхождения могут колебаться в широких пределах. В процессе тепловой обработки значения указанных характеристик также претерпевают значительные изменения. Все это оказывает существенное влияние на их диэлектрические свойства. Соответственно, различные пищевые продукты будут по-разному поглощать СВЧ-энергию и за разное время нагреваться до установившейся температуры. Кроме того, физико-химические свойства не однородны по объему пищевого продукта, что приводит к неравномерности его нагрева в СВЧ-печи.

Диэлектрические свойства замороженных пищевых продуктов в десятки – сотни раз меньше, чем у незамороженных на частотах используемых для приготовления. С уменьшением частоты колебаний электрического поля диэлектрические свойства замороженного продукта возрастают.

В замороженном пищевом продукте практически всегда имеются зоны растворов различных солей, которые сохраняются до – 40 ºС. Соответственно, при размораживании эти растворы будут очень интенсивно поглощать СВЧ-энергию, что приводит к резкой неравномерности нагрева при размораживании. Для обеспечения равномерности нагрева при размораживании обычно используется режим циклического нагрева, при котором в период отключения магнетрона происходит выравнивание температурного поля по объему продукта.

Удельная энергия (q), поглощаемая продуктом при СВЧ-нагреве, определяется следующим выражением:

q = w_оּτ, (2.5)

где q – удельная энергия, Дж/см³;

τ – время тепловой обработки, с.

Загрузка рабочей камеры СВЧ-аппарата должна удовлетворять условию

w_оּV > P_СВЧ, (2.6)

где V – объем, нагреваемого продукта, см³;

P_СВЧ – сверхвысокочастотная мощность СВЧ-печи, Вт.

В случае меньшей загрузки не вся вырабатываемая генератором (магнетроном) СВЧ-энергия будет поглощаться продуктом, что приведет к перегреву магнетрона и преждевременному выходу его из строя. Соответственно, для каждой СВЧ-печи оговаривается минимально допустимая масса (объем) обрабатываемого продукта.

Чем больше w_о, тем на меньшую глубину проникает СВЧ-энергия в нагреваемый продукт. Под глубиной проникновения электромагнитного поля подразумевается расстояние, на протяжении которого напряженность поля электромагнитной волны уменьшается в e раз.

Глубина проникновения электромагнитного поля (h) в пищевые продукты определяется следующим уравнением:

h = , см. (2.7)

Для того чтобы нагрев изделий происходил по всему объему необходимо задаться глубиной проникновения электромагнитного поля в пищевые продукты таким образом, чтобы она составляла не меньше половины толщины изделия.

Исходя из размеров изделий, подвергающихся тепловой обработке в СВЧ-печах предприятий общественного питания и учитывая двусторонний подвод энергии, глубина проникновения для мелкокусковых полуфабрикатов с высокими диэлектрическими свойствами должна составлять 2…3 см. Соответственно, частота колебаний электромагнитного поля, рассчитанная по формуле (9.4), должна составлять примерно 2375 МГц.

Для крупнокусковых полуфабрикатов при глубине проникновения 5…7 см частота колебаний электромагнитного поля должна составлять примерно 915 МГц, а при глубине проникновения 10…15 см – 433 МГц. Кроме того, частота 433 МГц наиболее приемлема при размораживании пищевых продуктов, так как на этой частоте поглощательная способность льда намного выше, чем воды.

Для предприятий общественного питания в основном выпускаются СВЧ-печи, работающие на частоте 2375 ±50 МГц. СВЧ-печи, работающие на частотах 433 и 915 МГц, используются в основном в пищевой промышленности.

Вследствие того, что СВЧ-энергия поглощается по всему объему изделия, одновременно возможна высокая ее концентрация в единице объема. При достаточной мощности генерирующих устройств возможна значительная интенсификация технологического процесса, что приводит к резкому сокращению времени тепловой обработки изделия.

Приготовление мясных блюд в СВЧ-печах происходит быстрее в 4…5 раз, рыбных – в 5…7 раз, овощных – в 6…8 раз. Время размораживания продуктов, расфасованных в брикеты, сокращается по сравнению с воздушной разморозкой в 50…60 раз и разморозкой в жидкости – в 20…25 раз.

Однако при больших концентрациях энергии в единице объема изделия и малом времени его тепловой обработки возникают сложности в обеспечении необходимой мощности в период доведения до готовности при постоянной температуре. В этом случае при достижении установившейся температуры (100 ºС) незначительная задержка во времени переключения на пониженную мощность приведет к тому, что эта огромная избыточная энергия будет превращать воду продукта в пар. Соответственно, происходит резкое обезвоживание продукта, которое приводит к значительному снижению качества и выхода готового изделия.

Коэффициент полезного действия СВЧ-печи (преобразование электрической энергии в сверхвысокочастотную электромагнитную) составляет примерно 70%, но при этом практически вся энергия переменного электрического поля поглощается продуктом, так как сама печь, воздух в рабочей камере и посуда, в которой находится продукт, в электромагнитном поле не нагреваются. Кроме того, практически отсутствуют затраты энергии на разогрев конструкции печи, а за счет сокращения времени тепловой обработки значительно сокращаются тепловые потери самим продуктом. Все это приводит к значительному снижению расхода электрической энергии на единицу обрабатываемой продукции.

Стоимость тепловой обработки кулинарной продукции в СВЧ-печах в 2…3 раза ниже, чем при других видах нагрева в основном за счет высокой производительности и низкого удельного расхода электрической энергии на единицу производимой продукции.

Однако, при объемном характере нагрева температура в центре изделия всегда выше, чем на его поверхности за счет теплопотерь поверхностью в окружающую среду, так как температура в камере СВЧ-печи ниже температуры поверхности изделия. Естественно, что поджаристая корочка на поверхности изделия не может быть образована. Соответственно изделия, подвергшиеся тепловой обработке в СВЧ-печи, по физико-химическим показателям близки к жареным или запеченным, а по внешнему виду – к вареным.

Посуда для СВЧ-нагрева должна быть изготовлена из материала, прозрачного для электромагнитных волн (стекло, фарфор, пластмасса, бумага и другие диэлектрические материалы). Нельзя применять металлическую посуду или посуду с металлическим покрытием, в том числе с декоративным рисунком, выполненным металлизированной краской. Нельзя заворачивать продукты в фольгу.

К недостаткам СВЧ-нагрева следует отнести неравномерность нагрева, отсутствие колера, сложность конструкции печи, ее высокую стоимость и неуниверсальность.

Дата добавления: 2015-06-30