Взаимодействие переменного электромагнитного поля с пищевыми продуктами

В состав продуктов питания входят многие вещества: минеральные соли, жиры, сахар, вода. Чтобы нагреть пищу с помощью микроволн, необходимо присутствие в ней дипольных молекул, то есть таких, на одном конце которых имеется положительный электрический заряд, а на другом - отрицательный. К счастью, подобных молекул в пище предостаточно - это молекулы и жиров и сахаров, но главное, что диполем является молекула воды - самого распространенного в природе вещества.

Каждый кусочек овощей, мяса, рыбы, фруктов содержит миллионы дипольных молекул.

Рис. 36. Дипольные молекулы:

а - в отсутствие электрического поля;

б - в постоянном электрическом поле;

в - в переменном электрическом поле

В отсутствие электрического поля молекулы расположены хаотически (рис. 36, а).

В электрическом поле они выстраиваются строго по направлению силовых линий поля, "плюсом" в одну сторону, "минусом" в другую. Стоит полю поменять направление на противоположное, как молекулы тут же переворачиваются на (рис. 36, б).

А теперь вспомним, что частота микроволн 2450 Мгц. Один герц - это одно колебание в секунду, мегагерц - один миллион колебаний в секунду. За один период волны поле меняет свое направление дважды: был "плюс", стал "минус", и снова вернулся исходный «плюс». Значит, поле, в котором находятся наши молекулы, меняет полярность 4 900 000 000 раз в секунду! Под действием микроволнового излучения молекулы кувыркаются с бешеной частотой и в буквальном смысле трутся одна о другую при переворотах (рис. 36, в). Выделяющееся при этом тепло и служит причиной разогрева пищи.

Продукты нагреваются под действием микроволн примерно так же, как нагреваются наши ладони, когда мы быстро трем их друг о друга. Сходство состоит и еще в одном: когда мы трем кожу одной руки о кожу другой, тепло проникает в глубь мышечной ткани. Так и микроволны: они работают только в относительно небольшом поверхностном слое пищи, не проникая внутрь глубже, чем на 1-3 см (рис. 37). Поэтому нагрев продуктов происходит за счет двух физических механизмов - прогрева микроволнами поверхностного слоя и последующего проникновения тепла в глубину продукта за счет теплопроводности.

Рис. 37 Разогрев куска мяса

Отсюда сразу следует рекомендация: если нужно приготовить в микроволновке, например, большой кусок мяса, лучше не включать печь на полную мощность, а работать на средней мощности, но зато увеличить время пребывания куска в печи. Тогда тепло из наружного слоя успеет проникнуть в глубь мяса и хорошо пропечет внутреннюю часть куска, а снаружи кусок не подгорит.

Из тех же соображений жидкие продукты, например супы, лучше периодически помешивать, вынимая время от времени кастрюльку из печи. Этим вы поможете проникновению тепла в глубь емкости с супом.

Микрочастицы, образующие вещество, обладают электрическими зарядами, которые по характеру взаимодействия с внешним электромагнитным полем делятся на две группы. Заряды первой группы легко перемещаются под действием внешнего поля, образуя при этом ток проводимости. Их называют свободными. Заряды второй группы резко ограничены в возможности перемещения по ряду причин. Они только незначительно смещаются, что приводит к возникновению тока смещения. Их называют связанными. Нагрев, основанный на смещении свободных зарядов под воздействием переменного электромагнитного поля, называют индукционным, а на смещении связанных зарядов – диэлектрическим.

В диэлектриках свободных зарядов (электронов, ионов) теоретически нет. Все они связаны с ядрами и входят в атомы и молекулы веществ. В зависимости от распределения зарядов внутри молекулы диэлектрики подразделяются на неполярные и полярные. Молекула считается неполярной, если центры тяжести разноименных зарядов совпадают, и полярной, если они не совпадают (рис. 38).

Рис. 38. Расположение зарядов в двухатомных молекулах с различной химической связью:

а – неполярной (ковалентная связь одинаковых атомов);

б – полярной (ковалентная связь различных атомов); в - ионной

Под воздействием внешнего магнитного поля полярная молекула (диполь) ориентируется в нем и поляризуется.

С точки зрения взаимодействия пищевых продуктов с электромагнитным полем такие их компоненты как белки, жиры, углеводы, вода следует отнести к неидеальным диэлектрикам, а водные растворы солей (электролиты) – к проводникам.

При взаимодействии электромагнитного поля с физической средой [11-13] в ней вследствие электрического сопротивления и вязкости возникают потери энергии: в первом случае – потери проводимости, во втором – диэлектрические. Связь между этими потерями выражается через тангенс угла потерь (угла между вектором диполя и вектором напряженности внешнего электрического поля): , где - фактор потерь (коэффициент поглощения); - диэлектрическая проницаемость материала (показатель запасенной энергии электрического поля). Так, при среда проводящая, при - среда полупроводящая, при – среда диэлектрическая. Для пищевых продуктов характерное значение .

Тепловая мощность, выделяющаяся в единице объема материала, находящегося в СВЧ-поле, составляет:

или с учетом, что ,

,

где – мощность генератора СВЧ-поля; - КПД генератора; – объем образца; - электрическая постоянная вакуума; – частота и напряженность электрического поля соответственно.

СВЧ печи

Параметры СВЧ-нагрева

Для нагрева пищевых продуктов используют главным образом диапазон дециметровых волн, т.е. частоты 433, 896, 915 и 2375, 2450 МГц. Рабочая частота 2450 (2375) МГц наиболее часто используется в бытовых СВЧ-печах. Повышение частоты несколько снижает степень поглощения энергии большинством продуктов и уменьшает глубину проникновения поля в нагреваемый продукт (рис. 39).

СВЧ-печи бытового назначения относятся к печам малой мощности (до 2,5 кВт полезной мощности). Мощностью определяется продолжительность обработки продуктов, расход энергии, а также габаритные размеры и масса печи.

Наиболее рационально эти требования сочетаются при полезной мощности в рабочей камере 0,8-1,1 кВт. Повышение мощности свыше 1 кВт требует увеличения размеров печи, но не дает заметного выигрыша во времени. Снижение же мощности ниже 0,8 кВт приводит к относительно большому увеличению времени обработки без существенного уменьшения размеров печи. С учетом КПД (44-47 %) потребляемая мощность бытовых СВЧ-печей составляет 1,7-2,4 кВт.

Рис. 39. Зависимость диэлектрической проницаемости и проникновения электромагнитного поля для биологических тканей с высоким и низким содержанием воды от частоты поля при 20 ^оС

В некоторых процессах (разогрев, размораживание) рекомендуемая мощность может быть ниже номинальной на 25-50 %. Поэтому СВЧ-печи должны иметь регулятор мощности.