Энергия превращения и скорость нагрева

Превращение микроволновой энергии в тепло и последующий нагрев зависит от свойств источника энергии и свойств диэлектрика. Кроме того, теплоемкость и другие свойства пищи важны, т.к. когда микроволновая энергия поглощается теплом, которое затем передается через продукт способом конвекции или кондукции. Микроволновые свойства – это поле с напряженностью Е, измеряемое обычно в В/см, и частота микроволн υ в Гц. Пища, подвергаемая нагреву, должна характеризоваться диэлектрической постоянной и тангенсом диэлектрических потерь. Относительная диэлектрическая постоянная (или диэлектрическая проницаемость) ε' – это мера способности материала сохранять электрическую энергию и определяется как отношение емкостного сопротивления (или проницаемости) диэлектрического материала к емкостному сопротивлению (или проницаемости) вакуума. Воздух приблизительно соответствует идеальному вакууму и поэтому диэлектрическая постоянная для воздуха является приближенной единицей. Это безразмерная величина. Тангенс диэлетрических потерь δ – это мера как материал рассеивает электрическую энергию как тепло. Эти свойства часто комбинируются для определения относительной диэлектрической потери ε'' (также безразмерная величина) и поэтому

ε''= ε'tg δ (6.1)

Энергия рассеивания или скорость преобразования энергии в единицу объема (измеряемая в Вт/см³):

=5,56×10^-13Е²υε'tgδ (6.2)

Поглощение микроволновой энергии, следовательно, увеличивается с повышением частоты колебания и особенно напряженности поля. Чем больше значение ε'', тем больше будет рассеивание термической энергии и продукт будет более подходящим для микроволного нагрева. В таблице 4.1 даны значения относительной диэлектрической постоянной и относительной диэлектрической потери для ряда пищевых продуктов.

Таблица 6.1 – Диэлектрические свойства некоторых пищевых продуктов

Вид продукта	Темпера-тура, 0С	Частота, МГц	Относительная диэлектрическая постоянная ε'	Относительные диэлектрические потери ε''
Говядина (замороженная)	-40		3,6	0,21
-40		3,5	0,13
-20		4,8	0,53
-20		4,4	0,51-0,53
Говядина (сырая)			54,5	22,4
		50,8-52,4	16-17,0
		45,2	12,5
		45,7	32,9
		44,1	19,5
Говядина (вареная)			31,0-35,4	10,0-11,6
Хлеб			4,0	2,0
Масло коровье (несоленое)			3,0	0,1
Морковь (сырая)			73,0	20,0
		65,0	15,0
Морковь (вареная)			71,0-72,0	15,0-17,8
Курица (сырая)			53,0	18,0
Курица (замороженная)	-20		4,0	0,5
Лед			3,2	0,003
Картофель (сырой)			62,0-64,0	14,0-17,0
Индейка (вареная)			39,0	16,0
Вода			78,0	12,5

Однако пригодность продукта для микроволнового нагрева ключевым образом зависит от его пенетрационных характеристик (т.е. способность к проницаемости). На рисунке 6.3 показаны значения микроволновой энергии как функции глубины проникновения. Кривая (а) получена при слабом рассеивании, т.е. характеризует слабую абсорбцию и объемное нагревание, что типично для льда и замороженных продуктов. Другой экстремальное условие – это кривая, где падающая энергия абсорбируется на поверхности со слабым проникновением, происходит поверхностное нагревание, свойственное конвективному или радиационному нагреву. Идеальная кривая характеризует линейную зависимость между энергией и глубиной. Однако наиболее обычная характеристика – это экспотенциальная кривая (с). Потери энергии с глубиной могут быть выражены в единицах проникновения глубины, которая определяется как расстояние от поверхности, при которой энергия уменьшается до доли e^-1 падающей энергии (около 36,8%).

Рисунок 6.3 – Абсорбция микроволновой энергии как функция глубины проникновения.

Энергию P на глубине проникновения z можно определить следующим образом:

(6.3)

где Р₀ – падающая энергия; α' – ослабляющий фактор, определяемый по формуле:

, (6.4)

где λ – длина волны. Очень большое значение α' предполагает слабую абсорбцию, а низкое значение означает, что нагревание имеет место только на поверхности. Энергия с частотой 915 МГц будет проникать более глубоко, чем энергия с частотой 2450 МГц и будет более подходящая для более толстых кусков пищи.

6.1.3 Микроволновая обработка пищевых продуктов [12]

Микроволновая выпечка

Проблемы качества, с которыми сталкиваются при микроволновой выпечке, это твердая и жесткая текстура теста, быстрое черствение, слабая окраска, образование корочки и сухость продукта. Твердая и жесткая структура объясняется действием микроволн, вызывающих изменения глютена, вымывание амилозы во время выпечки и недостаточную клейстеризацию крахмала.

Длительное нахождение в конвективной печи способствует протеканию реакций Майяра, способствующих образованию коричневой окраски у продукта. В микроволновых печах процесс нагрева очень короткий, тепло поглощается продуктом, а воздух вокруг продукта остается холодным. Поэтому пары испаряющейся влаги, попадая в холодный воздух, быстро конденсируются. Это предотвращает образование коричневой окраски и хрустящей консистенции. При микроволновом нагреве в продукте образуются внутреннее давление и градиент концентраций, которые увеличивают поток влаги из продукта наружу. Поэтому, продукты, нагретые в микроволновой печи, теряют больше влаги, чем при конвективном нагреве.

В последние года исследования о микроволновой выпечке включают проблему улучшение качества продукта.

Обнаружено, что содержание клейковины (глютена) значительно влияет на твердость хлеба выпеченного в микроволновой печи. Хлеб из муки с низким содержанием клейковины мягче и объемнее, чем хлеб с высоким содержанием клейковины. Увеличение в рецептуре количества жира, эмульгаторов и декстрозы снижает потери при микроволновой выпечке хлеба. Использование эмульгаторов и камедей замедляет черствение кексов. Эмульгаторы и камеди также обладают синергетическим эффектом. Содержание жира значительно снижает твердость и потери веса при хранении кексов.

Сочетание микроволнового нагрева с нагреванием галогенными лампами является одним из последних достижений в микроволновой выпечке. Этот комбинированный способ сочетает достоинства каждого метода:

- достоинство нагрева галогенными лампами – образование коричневой окраски и хрустящей консистенции;

- достоинство микроволнового нагрева – экономия времени.

Микроволновая сушка

Высокие температуры или длительность процесса при конвективной сушке могут вызывать изменение цвета, вкуса, питательных веществ и регидратационной способности высушенного продукта.

Микроволновая сушка может быть альтернативным способом сохранения качества высушенного продукта. Она подходит для продуктов с высокой влажностью, таких как морковь, грибы и капуста, что объясняется высокими диэлектрическими свойствами воды, которая может легко поглащать микроволновую энергию. Физические механизмы, лежащие в основе микроволновой сушки, отличаются от механизмов конвективной сушки. Внутреннее тепло, образованное во время микроволнового нагрева, способствует образованию давления паров в продукте и выкачивает влагу на поверхность. Отвердения продукта в микроволновой сушке не происходит из-за эффекта выкачивания влаги. Таким образом, обеспечивается повышенная скорость сушки и улучшенное качество продукта без повышенной температуры поверхности. Однако, применение микроволновой сушки на промышленном уровне все еще низкое из-за высоких первоначальных капиталовложений. Еще одна проблема промышленного применения микроволновой сушки – неравномерное нагревание продукта.

Обычно микроволновый нагрев применяется в конце сушки, т.е. в период падающей скорости.

В целом, микроволновая сушка пищевых продуктов или ингредиентов с высокой влажностью (свыше 20%) неэкономична. Хотя влага имеет высокую диэлектрическую постоянную и легко поглощает микроволны, она обладает высокой удельной теплоемкостью. Для сокращения продолжительности сушки микроволновую энергию комбинируют с горячим воздухом, особенно в период падающей скорости сушки. Такой способ применялся для сушки долек апельсина, чеснока, соевых бобов, ягод, яблок, спаржи, моркови и картофеля.

Известно, что количество ненасыщенных жирных кислот во время сушки значительно снижается из-за действия высоких температур воздуха. Поэтому микроволновая сушка соевых бобов, являющихся богатым источником ненасыщенных жирных кислот, приобретает большое значение.

Комбинированная сушка с использованием микроволн и горячего воздуха для долек чеснока способствует сохранению 80-90% времени, затрачиваемому на конвективную сушку. Дольки чеснока, высушенные комбинированным способом, по сравнению с чесноком, высушенным конвективным способом, имеют более светлый свет, что объясняется пониженной температурой и короткой продолжительностью сушки. Кроме того, наблюдается хорошее сохранение летучих веществ чеснока.

Перспективно применение микроволновой сушки для некоторых специй, например, красного перца. Красный перец является одним из лучших субстратов для производства афлотоксина.

Для повышения качества сушеных продуктов перспективно использование предварительной осмотической обработки, которая кроме того снижает продолжительность сушки. Осмотическое обезвоживание можно проводить в растворе сахара или соли.

Проблема неравномерного нагрева зернистого материала решается комбинированием микроволновой сушки и сушки в кипящем слое.

Еще одно из последних достижений в микроволновой сушке для улучшения качества продукта и равномерного распределения температуры – это применение периодической микроволновой сушки. В традиционной конвективной сушке для удаления влаги используются постоянная температура, влажность и расход воздуха. При периодическом способе сушка достигается с вариацией во времени температуры, расхода воздуха.