Объёмные способы тепловой обработки

 

 

Объёмные способы нагрева продуктов основываются на взаимодействии продукта (и прежде всего содержащейся в его структуре свободной воды) с электромагнитным полем. Электромагнитные волны от генератора излучения проникают в продукт на значительную глубину и частично или полностью по­глощаются в нём. При этом электромагнитная энергия превращается в теплоту, т.е. поток теплоты и поток влаги совпадают по направлению. Физическая природа электромагнитных волн любой частоты и длины волны одна и та же. Однако волны, сильно отличающиеся по длине, обладают специфическими особенностями в отношении механизма излучения и погло­щения, техники их генерирования и практического использования. Отмеченное явление иллюстрируется шкалой электромагнитных волн (см. рисунок 5), в которой отдельным диапазоном длины волны (частотам) присвоены традиционные наименования. Естественно, границы между этими диапазонами в значительной мере условны в виду отмеченной выше единой физической природы всех электромагнитных волн.

 

 

 

 

Рисунок 5 – Шкала электромагнитных волн

 

Классификация объёмных способов обработки продуктов:

· Инфракрасный (ИК) нагрев.

· Сверхвысокочастотный (СВЧ) нагрев.

· Электроконтактный (ЭК) нагрев.

· Индукционный нагрев.

Инфракрасное (ИК) излучение в тепловых аппаратах в настоящее время используется как самостоятельный способ нагрева про­дуктов, а также в качестве базового способа для созда­ния различных комбинированных способов тепловой обработки. Физическая сущность механизма ИК-нагрева за­ключается в следующем. Большинство пищевых про­дуктов содержат в своей пористой структуре значи­тельное количество свободной воды, которая интен­сивно поглощает ИК-излучение в определённой об­ласти длины волн (при длинах волн 0,75...2,5 мкм); при длине волн 1,4 мкм поглощение достигает 100 % (характерная длина волны ИК-излучения 1 мкм от­мечена пунктирной линией на рисунке 5). В то же время влага в пористой структуре пищевых продуктов рас­пределена неравномерно по объёму, поэтому ИК-излучение может проникать в них на значительную глубину, что при соответствующем выборе толщины слоя обрабатываемого продукта обусловливает объёмный характер его нагрева. Максимальная температура про­дукта при ИК-нагреве обычно достигается на неко­торой глубине, зависящей от структуры и влагосодержания продукта и длины волны излучения. В процес­се тепловой обработки свойства поверхностных слоёв продукта изменяются, что, в отличие от условий тра­диционного (поверхностного) нагрева, приводит к уси­лению поглощения ИК-энергии и интенсификации на­грева. Аналогичный эффект вызывается образованием водяного пара в обрабатываемом продукте, интенсивно поглощающего ИК-излучение с длиной волны более 15 мкм. Таким образом, благоприятным фактором для ИК-обработки пищевых продуктов является наличие длин волн вблизи 1 мкм в спектре используемого генератора излучения и значительного количества сво­бодной влаги в продукте, т. е. высокого начального влагосодержания исходного продукта.

При описании закономерностей ИК-нагрева поток энергии излучения, падающий на поверхность продук­та, разделяют на три слагаемых – отражённый  (Q₀), поглощённый (Q_n) и пропущенный (Q_np) потоки (см. рисунок 6.):    

 

Q=Q + Q_n + Q_np.                                                                                           (15)

 

Рисунок 6 - Схема передачи энергии инфракрасным излучением.

 

Соотношение между этими составляющими падающего по­тока может быть весьма раз­личным и зависит от структуры, влагосодержания, температуры, толщины слоя продукта и длины волны ИК-излучения. Для создания благоприятной для ИК-обработки величины λ_мах = 1...1,5 мкм температура поверхности ИК-излучателя должна составлять 2000... 3000 К. В частности, кварцевая лампа НИК-1000 имеет температуру около 2060 К и соответственно λ_мах = 1,4 мкм. Существуют и другие источники ИК-энергии, пригодные для реализации ИК-нагрева в аппара­тах предприятий общественного питания, использующие значения проницаемости пищевых продуктов для ИК-излучення (в %), представленные в таблице 1.

Положительным признаком ИК-нагрева является получение равномерной по цвету и толщине корочки поджаривания. Вместе с тем этому способу присущи недостатки: не все продукты можно подвергать ИК-нагреву; при высокой плотности потока ИК-излучения воз­можен «ожог» продукта.

Сверхвысокочастотный (СВЧ) нагрев. Пищевые продукты по своим электрическим свойствам представ­ляют собой неидеальные диэлектрики, в которых при наложении внешнего электрического поля возникают токи проводимости и токи смещения. Токи проводи­мости создаются свободными электрическими зарядами (преимущественно ионами), перемещающимися по всему объёму диэлектрика. Токи смещения создаются связанными зарядами, способными перемещаться лишь на незначительные расстояния; смещение этих зарядов под действием внешнего электрического поля называ­ется поляризацией диэлектрика.

В зависимости от природы связанных зарядов раз­личают несколько видов поляризации диэлектриков: электронную, атомную, электролитическую, дипольную и макроструктурную. Каждый из них имеет характер­ное время установления поляризации – время релакса­ции. Из сопоставления типичных значений этого вре­мени с периодом переменного электрического поля, ис­пользуемого для СВЧ-нагрева продуктов, следует, что основными в СВЧ-нагреве являются дипольная и макроструктурная поляризация.

 

Таблица 1 – Значения проницаемости пищевых продуктов для ИК-излучения (в %).

Продукты и изделия	Влажность, %	Толщина слоя, мм	λмах, мкм
			1,04	2,3…2,5	2,7…2,9	3,8	4,5
Мясо свиное	70…72	0,5 2,0 4,0	42,0 10,6 5,2	18,1 2,6 1,1	14,4 2,0 0,75	7,6 1,5 0,36	5,1 0,39 0,11
Мясо говяжье		0,5 2,0 4,0	34,0 8,8 4,4	15,2 2,2 0,8	12,4 1,5 0,55	10,1 1,1 0,37	4,5 0,23 0,07
Белое мясо кур	69	0,5 2,0 4,0	54,6 21,3 10,0	47,2 3,1 0,5	13,4 2,8 0,5	11,6 2,0 0,2	9,0 1,8 -
Красное мясо кур	68…69	0,5 2,0 4,0	49,0 18,0 7,8	15,0 2,6 0,8	10,3 1,9 0,3	8,2 1,3 0,1	6,7 10,0 0
Бифштекс натуральный	68,8	0,5 2,0	38,9 1,6	20,6 5,8	11,3 1,41	8,5 0,81	6,6 0,35
Бифштекс рубленый	68	0,5 2,0	31,4 7,55	21,5 4,4	13,2 1,33	8,7 0,8	6,6 0,12
Котлета рубленая	73,2	0,5 2,0	26,7 6,72	16,6 3,7	10,5 0,95	8,7 0,6	7,1 0,32
Треска (мышечная ткань)	80,8	0,5 2,0	55,8 32,5	17,8 4,5	15,2 3,6	12,8 2,0	13,9 2,4
Морской окунь (мышечная ткань)	74,9	0,5 2,0	53,4 29,0	14,7 3,5	13,1 2,9	12,5 1,4	11,7 0,6
Палтус (мышечная ткань)	84	0,5 2,0	58,4 30,1	18,7 3,3	16,9 5,7	15,1 2,8	14,7 2,6
Молоко (жирность 3,2%)		0,1 0,5 0,9	60,1 30,0 21,5	25,5 10,3 5,9	- - -	- - -	- - -

 

Дипольная поляризация представляет со­бой результат воздействия внешнего поля на полярные молекулы, обладающие собственным дипольным мо­ментом. Типичным примером полярной молекулы яв­ляется молекула во­ды. Поэтому наличие в продуктах свобод­ной воды является фактором, опреде­ляющим интенсив­ность нагрева про­дуктов в СВЧ-поле. При приложении внешнего поля дипольные моменты молекул, имеющие в отсутствие поля произвольные направления, стремятся ориентироваться по направлению поля, что встречает сопротивление со стороны окружающих молекул. Работа, расходуемая на преодоление этого сопротивления, в конечном счёте превращается в теплоту, что и вызывает нагревание продукта. В таблице 2 представлены свойства СВЧ-поля в различных пищевых продуктах.

Макроструктурная поляризация типична для пи­щевых продуктов, представляющих собой биологи­ческие объекты с клеточной микроструктурой. Упрощён­но биологическую клетку можно представить как замк­нутую оболочку (мембрану) с полупроводниковыми свойствами, заполненную электролитом. При наложе­нии внешнего электрического поля такая система при­обретает дипольный момент благодаря смещению «сво­бодных» зарядов (ионов) в пределах замкнутой обо­лочки, которые в данном случае ведут себя анало­гично связанным зарядам в диэлектрике. Ввиду зна­чительного объёма клетки, содержащей огромное число молекул, дипольный момент поляризованной клет­ки весьма велик (разумеется, в атомном масштабе), что и отражается в наименовании этого типа поляри­зации.

Важнейшей особенностью СВЧ-нагрева яв­ляется возможность достижения высокого темпа на­грева продуктов при применении генераторов (магнет­ронов, ламп бегущей волны и др.), создающих СВЧ-поля большой напряжённости. В России для тепловой обработки пищевых продуктов в СВЧ-поле разрешено применение следующих рабочих частот: 433,92 ± ±0,8678; 2375 ±50; 2450 ±50; 5800 ±75; 22125 ±125 МГц. На предприятиях общественного питания в основном применяют частоту 2450 МГц (она отме­чена пунктирной линией на рисунке 5). При напряженности Е≈5 кВ/м достигается темп нагрева продуктов 0,5 К/с и выше.

Таким образом, основное преимущество СВЧ-нагрева – высокая скорость нагрева. Однако ему прису­щи и недостатки – отсутствие корочки на поверхности продукта и, как правило, естественный цвет сырого продукта.

 

 

Таблица 2 – Диэлектрические свойства и глубина проникновения СВЧ-поля в пищевые продукты (f = 2375 МГц, t=20 ° С)

 

Продукт

Глубина проникновения поля, мм

Мясные продуты: - говядина - свинина - котлетная масса Рыбные продукты: - сельдь (мышечная ткань): - фарш - треска (филе) - тунец (мышечная ткань) - судак (мышечная ткань) - хек (мышечная ткань) - хек (фарш) - скумбрия (мышечная ткань) - скумбрия (фарш) - скумбрия (фарш с костью) - лемонема (фарш с наполнителями) Птица и субпродукты   Куры 1 категории (мясо)   Печень (говяжья) Овощи - картофель - морковь - свёкла

15 16 10     18 21 21 15 18 16 15 21 11 22 23   32   13,5   20     20 17 22

 

 

 

 

  

 

Электроконтактный (ЭК) нагрев. Этот способ на­грева характеризуется высокой экономичностью, обу­словленной простотой используемого оборудования, в частности отсутствием дорогостоящих генераторов СВЧ-поля. Особенностью ЭК-нагрева является возможность обеспечения быстрого повышения температуры продук­та по всему объёму до требуемой величины за 15...60 с. Это обусловливает успешное применение данного спо­соба нагрева для коагуляции колбасных фаршей за указанное время при конечной температуре 50... 70 °С. В этом случае использование ЭК-нагрева упро­щает конструкции автоматизированных агрегатов для изготовления фаршей. Как показали специальные исследования, химико-бактериологические показатели колбасных изделий, изготовленных ЭК-нагревом и тра­диционными способами, мало различаются. Однако на практике приходится считаться с возможными яв­лениями электролиза в массе продукта и эрозии элек­тродов, в результате которой в продукт могут попа­дать посторонние вещества. Эти явления можно свести к минимуму оптимальным выбором материала электро­дов и частоты тока. Кроме того, для успешной реали­зации данного способа тепловой обработки необходимо обеспечивать хороший электрический контакт между электродами и продуктом.

ЭК-нагрев применяется как самостоятельный вид обработки, а также и в комбинации с другими спо­собами. В частности, он успешно используется в хле­бопекарном производстве для прогрева тестовой мас­сы при выпечке хлеба, в производстве сосисок, при бланшировании мясопродуктов.

Индукционный нагрев токопроводящих материалов, к которым относится боль­шинство пищевых продуктов, особенно с повышенной влажностью, возникает при их помещении во внешнее переменное магнитное поле, создаваемое генерато­ром — индуктором. В качестве индукторов применяют­ся провода с током, непосредственно охватывающие нагреваемые области материала, в частности многовитковые провода — соленоиды, которые могут использо­ваться для нагрева цилиндрических образцов диамет­ром 5 см и более. При помещении во внешнее переменное поле в массе проводящего материала, в соответ­ствии с законом электромагнитной индукции, возни­кают вихревые токи (токи Фуко), линии которых замы­каются непосредственно в толще материала. При этом электромагнитная энергия рассеивается в объёме материала, вызывая его нагрев, но  в этих условиях возрастает и расход элект­роэнергии на ведение технологического процесса. Для преодоления указанного недостатка и обеспечения эко­номичности индукционного нагрева продуктов предла­гались различные конструктивные решения теплового аппарата, которые зачастую означали существенное усложнение его конструкции и увеличение расхода ак­тивных материалов на его изготовление. По этим при­чинам индукционный способ нагрева пока ещё не полу­чил широкого распространения на предприятиях об­щественного питания, хотя он, несомненно, обладает значительными экономическими возможностями для успешного практического применения в будущем.

Из особенностей индукционного способа нагрева видно также, что при оценке новых электрофизических методов обработки продуктов, создающих объёмный эф­фект нагрева, необходимо учитывать не только этот аспект, но и ряд других показателей, характеризую­щих эффективность применения того или иного конк­ретного способа обработки на практике.

Таким образом, поверхностные и объёмные способы тепловой обработки, имея различные преимущества, обладают рядом недостатков, устранить которые мож­но, используя комбинированные способы тепловой обработки.