Тепловая обработка пищевых продуктов в СВЧ-поле

В СВЧ-печах могут быть реализованы самые разнообразные тепловые режимы: разогрев, размораживание, приготовление, вспенивание, разрушение и др.

СВЧ-нагрев может быть использован в комбинации с другими видами воздействия. Процесс доведения продуктов до кулинарной готовности можно проводить в следующей комбинации: СВЧ-нагрев – горячий воздух или СВЧ- нагрев – водяной пар. Для колеровки продуктов (образования корочки) используют дополнительно инфракрасный нагрев. Жарку во фритюре можно осуществлять одновременно в разогретом жире (фритюре) и в СВЧ-поле. Для размораживания продуктов применяют комбинацию СВЧ-поля с ультразвуком [13].Рассмотрим теоретические модели процессов разогрева и размораживания продуктов в СВЧ-поле [11, 12].

Разогрев

Разогрев представляет собой нагревание продукта в диапазоне положительных температур до состояния кулинарной готовности или несколько ниже. Обычно разогрев ведут при постоянной полезной мощности СВЧ-печи. График изменения температуры от времени при разогреве (рис. 42) имеет вид кривой, ограниченной температурой кулинарной готовности. Ограничение связано с интенсивной потерей теплоты при испарении воды в области температур, близких к температуре кипения.

Рис. 42. График разогрева продукта

Пусть за время в продукте под действием СВЧ-поля генерируется теплоты, а на испарение влаги расходуется теплоты. Это приведет к изменению температуры продукта:

где – удельная теплоемкость продукта; – масса продукта.

Теплоту можно представить как произведение полезной мощности печи из формулы на время нагрева:

Интенсивность испарения влаги возрастает с повышением температуры. Соответственно усиливается потеря теплоты образцом. Можно предположить, что эта функция имеет вид:

где - параметр, зависящий от удельной мощности внутреннего источника теплоты, формы, размера и влажности образца, условий теплоотвода; - показатель нарастания интенсивности испарения с повышением температуры продукта.

С учетом, что , где - плотность продукта, формулы - дают:

.

Приняв , а , получим уравнение разогрева продукта в СВЧ -печи:

В уравнении величины и могут быть определены только для конкретных условий разогрева при постановке эксперимента. Авторы [11, 12] приводят данные по нагреву брусочков картофеля в СВЧ-поле на частоте 2450 МГц. Решив дифференциальное уравнение и приняв при начальном условии , они получили функцию изменения температуры во времени:

где - предельная температура образца при . Сравнение данных эксперимента с формулой дало , . Из найденных значений получено . Значение , соответственно удельная мощность источника теплоты .

Аналитический расчет продолжительности разогрева осложнен изменением значений , и с ростом температуры и уменьшением влажности продукта вследствие испарения воды. Кроме того, приведенная модель не учитывает потери части выделяющейся теплоты на нагрев посуды и окружающего воздуха.

Размораживание

Размораживание представляет собой нагрев продукта с переходом через криоскопическую температуру. Закономерности размораживания продуктов в СВЧ-поле достаточно сложны. Упрощенная модель следующая.

Одним из отличий размораживания от разогрева является практическое отсутствие потерь теплоты на испарение влаги из продукта. Поэтому формула принимает упрощенный вид:

При размораживании параметры и постоянны, а почти не изменяется. Заметно изменяются лишь (рис. 43) и в связи с превращением льда в воду (удельная теплоемкость воды примерно в 2 раза выше теплоемкости льда). Поэтому вместо уравнения можно записать:

,

где – константа, определяемая условиями размораживания.

Таким образом, темп нагрева при размораживании непостоянен и изменяется с изменением и (рис. 44). При температурах наблюдается резкий скачок , его значение увеличивается примерно в 8-10 раз. Экспериментальная зависимость для продуктов влажностью 65-95 % может быть хорошо аппроксимирована соотношениями:

Рис. 43. Зависимость для говядины на частоте 2400 МГц

Рис. 44. Размораживание кулинарных изделий в СВЧ-поле

(масса 0,5 кг, мощность 2 кВт): 1 – судак; 2 – говядина тушеная; 3 – курица в белом соусе

Согласно этому соотношению переход через криоскопическую температуру резко увеличивает темп нагрева. Одновременное повышение теплоемкости продукта несколько ослабляет эффект скачка (примерно в 2 раза). Поэтому размораживание рекомендуют вести в два этапа (рис. 45). На первом этапе процесс осуществляют при пониженной мощности , а на втором - при нормальной .

Рис. 45. Графики размораживания продукта:

а - регулирование мощности; б - температура продукта при размораживании

Полный режим приготовления после размораживания включает также этапы достижения кулинарной готовности и поддержания этой температуры .

СВЧ размораживатели

Производство и спрос на СВЧ-размораживатели обусловлены значительным увеличением производства и продажи замороженных продуктов. Традиционные способы размораживания воздухом и проточной водой неэффективны, занимают много времени и не обеспечивают сохранность питательных веществ в продуктах. Это стимулирует расширение производства и продажи СВЧ-размораживателей.

Размораживание продуктов в СВЧ-поле происходит значительно быстрее благодаря их объемному нагреву, при этом питательная ценность продуктов сохраняется лучше. Особенностью размораживания, происходящего в СВЧ-поле, является резкое изменение диэлектрических свойств пищевых продуктов при переходе из замороженного в размороженное состояние. Однако это приводит к некоторым техническим затруднениям при практическом применении метода. В замороженных продуктах диэлектрическая проницаемость и фактор потерь приближается к параметрам льда, а после размораживания они резко увеличиваются. Вследствие этого оттаявшие участки продуктов быстро перегреваются и процесс становится неуправляемым.

В результате такой обработки может оказаться, что отдельные части продуктов будут готовы к употреблению, а другие останутся еще не размороженными. Такое положение является следствием неравномерной тепловой обработки продуктов в рабочих камерах СВЧ-приборов, так как процесс размораживания происходит в поле стоячей волны. Поэтому равномерный нагрев продуктов, особенно при их размораживании, является основной проблемой, стоящей перед проектировщиками СВЧ-приборов.

Для равномерного нагрева продукт механически перемещают внутри камеры, помещая его на подставку, которая совершает вращательное, поступательное или вращательно-поступательное движение. Другим способом для равномерного нагрева продукта является возмущение картины электромагнитного поля внутри камеры с помощью использования специальных металлических отражателей - стирреров, создающих фазовые сдвиги векторов электрических полей и тем самым способствующих более равномерному нагреву. Эти способы, повышающие равномерность нагрева при тепловой обработке, не решают указанной проблемы при размораживании продуктов. Проблема равномерного нагрева, особенно при размораживании, разрешена комплексным применением указанных способов, путем так называемого «автоматического цикла размораживания» совместно со стиррером и вращающейся подставкой.

«Автоматический цикл размораживания» предусматривает периодический режим работы СВЧ-генератора на более низком уровне выходной мощности. Периодичность работы СВЧ-генератора составляет 20-40 с. Паузы между кратковременной работой генератора служат для выравнивания температуры внутри нагреваемого продукта путем передачи тепла нагретых участков в менее нагретые.

Исследования, проведенные отечественными и зарубежными специалистами, позволяют сделать следующие выводы по СВЧ-размораживанию:

1) по биологической, ценности мясо, прошедшее СВЧ-обработку, практически не отличается от продукта, размораживание которого проведено традиционным путем;

2) по органолептическим свойствам рыба, размороженная СВЧ-способом, лучше рыбы, размороженной традиционным способом.

Влияние СВЧ-обработки на пищевые продукты, в том числе и на витамины, является предметом достаточно сложных исследований. Так,проблема использования электромагнитных СВЧ-печей для размораживания овощей и фруктов, подвергнутых низкотемпературному замораживанию, недостаточно изучена и ограниченно освещена в литературе. Установлено, что размораживание в поле СВЧ-энергии приводит к меньшим потерям неорганических веществ. При традиционном способе размораживания часть минеральных веществ теряется вместе с вытекающей влагой. При СВЧ-размораживании потери влаги меньше и, как следствие, меньше потери неорганических веществ.

СВЧ сублиматоры

СВЧ-сублиматоры считаются одним из перспективных видов бытовых приборов. Сублимированные продукты сохраняют не только питательные вещества гораздо лучше, чем сушеные или термообработанные, но и присущую им форму, цвет, запах. Упакованные в полиэтиленовую тару, сублимированные продукты могут храниться несколько лет в обычных условиях. Для восстановления сублимированного продукта достаточно его увлажнить, опустив в воду.

Процесс сублимационной сушки продуктов заключается в том, что испарение влаги из продукта происходит после предварительного замораживания. К быстрозамороженному продукту при температуре или ниже подводят тепло или СВЧ-энергию. Происходит испарение (сублимация) влаги; находящейся в твердом состоянии (лед), безперехода в жидкое состояние.

Конструктивно СВЧ-сублиматоры представляют собой соединение морозильника и СВЧ-печи. В камеру СВЧ-печи вводят испаритель морозильника, позволяющий снизить температуру в камере до . В эту же камеру вводят СВЧ-энергию от магнитронного генератора. Управляя температурой в камере, мощностью и временем работы магнитрона, можно обеспечить оптимальный технологический режим не только сублимации, но и приготовления пищи к заданному моменту времени без участия потребителя. Загрузив подготовленный к приготовлению продукт, охлаждают камеру, что позволяет хранить продукт в течение нужного времени. К заданному сроку, который устанавливают на пульте микропроцессорного управления сублиматором, включается СВЧ-генератор и продукт доводится до готовности. В этом отношении очень удобны замороженные продукты, изготовленные пищевой промышленностью.

Объем производства замороженных продуктов (вторых блюд, мясных и овощных наборов, фруктов, ягод) будет постоянно увеличиваться, а использование их в быту значительно улучшит ассортимент, обеспечив этим рациональное питание (с позиций витаминности и калорийности) и сократив время для приготовления пищи.