Vi. последние достижения в области термической обработки
6.1 Микроволновый нагрев пищевых продуктов [11]
Микроволны – это неионизирующие электромагнитные волны, которые составляют часть электромагнитного спектра с частотой от 300 МГц до 300ГГц, что соответствует длине волн в диапазоне 0,01м - 1 м (рисунок 6.1). В промышленном микроволновом нагреве используются частоты от 915 до 2540 МГц. Микроволновая энергия – это нетермальная энергия, но микроволны могут генерировать тепло, взаимодействуя с некоторыми диэлектрическими материалами. Диэлектрический материал (например, стекло или воздух) имеет высокое сопротивление потоку электрического тока и не позволяет электрическому или магнитному полю проходить через него. Вакуумные системы являются превосходными диэлектриками. Нагревание – это только видимый эффект, которому подвержены продукты при микроволновом облучении. Действие на микроорганизмы объясняется образованием теплоты, а не чувствительностью микроорганизмов к микроволновому облучению.
Рисунок 6.1 – Электромагнитный спектр.
Микроволны отражаются металлами, могут проникать через стекло, керамику и термопластик, но поглащаются водой и углеродом. Возможно сфокусировать микроволны в пучок. Различают два механизма, по которым микроволны образуют тепло: ионная поляризация и дипольное вращение.
Ионная поляризация. Если электрическое поле применяется к ионам в растворах, они будут ориентировать себя в поле, испытывая ускорение и увеличение своей кинетической энергии. Когда ионы сталкиваются друг с другом, кинетическая энергия превращается в тепловую. Когда поле меняет полярность, например, 915×106 раз в секунду (т.е. частота 915 МГц), число столкновений увеличивается, т.к. ионы быстро меняют свое направление. В продуктах, где присутствуют соли натрия, калия или кальция будут образовываться катионы, в то время как хлор будет образовывать анионы. Эффект ионной поляризации растет с увеличением плотности или концентрации раствора так как в этом случае ионы более чаще сталкиваются друг с другом. В газах расстояние между молекулами слишком большое для существенных столкновений.
Дипольное вращение. Аналогично, молекулы будут выравниваться в направлении применяемого электрического поля в зависимости от его полярности (рис. 6.2), подобно тому, как стрелка компаса установится в магнитном поле, и если применяется высокая частота переменного поля, молекулы будут испытывать вращающую силу (или вращающий момент) и будут вращаться при этой частоте. Это вращение генерирует тепло. Вода является наиболее важной полярной молекулой в пищевых продуктах; атомы водорода заряжены положительно, а атомы кислорода – отрицательно. Механизм дипольного вращения зависит от способности молекул двигаться. Например, лед менее чувствителен к микроволновому нагреву, так как способность его молекул двигаться низкая. Дипольное вращение имеет большее значение, чем ионная поляризация, за исключением продуктов с очень высоким содержанием соли.
Рисунок 6.2 – Дипольное вращение молекулы воды.
Генерация микроволн
Микроволны генерируются резонаторным магнетроном, который возник в 1940-х годах при разработке радара. Магнетрон состоит из анода, сделанного из вакуумной медной трубы, которая содержит определенное количество лопаток, обычно 12, расширяющихся радиально внутрь. Противоположные лопатки соединяются электрически. В центре трубы находится полость, около 1 см в диаметре, и в центре полости, коаксиально с ней, находится проволочное волокно, действующее как катод. Высокое отрицательное напряжение применяется для катода и генерирует поток электронов, который притягивается к аноду и движется радиально снаружи. Магнитное поле появляется параллельно с осью трубы, которое способствует движению электронов по криволинейной траектории к аноду. Надлежащее регулирование магнитного поля производит альтернативный заряд на лопатке, который меняется с очень высокой частотой (между 300 МГц и 300 ГГц). Одна лопатка соединяется с антенной, которая испускает высокочастотный микроволновый сигнал. Сигнал перемещается к месту применения с помощью проводника, состоящего из металлической трубы или коаксиального кабеля.