Высокочастотные методы обработки пищевых продуктов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

РЕФЕРАТ

по дисциплине:

на тему: «Высокочастотные методы обработки пищевых продуктов»

Ставрополь, 2011

1.      Общие понятия методов обработки пищевых продуктов

Главной задачей, стоящей перед отраслями пищевой промышленности, в том числе мясной, является удовлетворение спроса населения продуктами питания.

Решить данную проблему возможно:

- путем увеличения количества вырабатываемой продукции и сокращения потерь сырья на стадиях переработки;

- путем совершенствования процессов переработки самого сырья.

В области переработки сырья решить проблему увеличения качества продукции можно путем:

- уменьшения потерь сырья;

- увеличения выхода готовой продукции;

- повышения биологической ценности продуктов;

- сокращения длительности технологических процессов и др.

Однако реализовать эти возможности в полной мере на основе традиционных методов обработки пищевых продуктов либо чрезвычайно затруднительно, либо совсем невозможно. Это связано с тем, что традиционно используемые методы в своем развитии достигли совершенства, что является первопричиной необходимости поиска новых эффективных методов обработки.

Так, например, для тепловых процессов, как то размораживание, варка, бланшировка, стерилизация и др., определяющим параметром является разность температур, увеличение которой при обработке пищевых продуктов не может быть бесконечным, так как в области высоких температур продукты подвергаются значительным изменениям, таким как потеря биологической ценности, низкий выход (потеря влаги) и т.д.

Следующей причиной является ограниченность запасов традиционных видов топлива (угля, нефти, газа), которые являются пока основными источниками энергии для большинства технологических процессов (получение пара, горячей воды и т.д.), а также переход отраслей народного хозяйства на новый вид источника энергии – электрическую энергию.

Последняя причина является более важной, она заставляет искать новые пути решения в области переработки пищевого сырья.

В настоящее время баланс выработки различных видов энергии представляет собой следующее:

- 80 % энергии идет на получение промышленной и бытовой;

- 20 % - только для получения электрической энергии.

При этом в качестве основных источников для получения этих энергий используется уголь, нефть, природный газ, незначительная доля торфа, а также электрическая энергия на атомных и гидростанциях и др.

Резкое увеличение объемов потребления нефти, газа, угля привело к истощению их запасов. И в настоящее время разведанных запасов нефти, газа хватит всего на несколько десятилетий, а угля на сто лет.

Следовательно, объективным фактором является то, что в технологических процессах производства более широкое применение будет находить электрическая энергия и способы, которые основаны на использовании электрической энергии.

Под электротехнологией принято понимать обработку пищевых материалов (продуктов) в электрическом, магнитном, электромагнитном полях, электрическим током, электрическими зарядами и т.д., основанную на использовании электромагнитных и оптических свойств этих материалов.

Пищевое сырье, продукты, в том числе мясо, по своей физической природе обладают определенными электрофизическими свойствами:

- электропроводимостью;

- диэлектрической и магнитной проницаемостью;

- оптическими характеристиками.

Эти свойства проявляются при воздействии на материал (вещество) электрическим, магнитным и электромагнитным полями.

В результате этих воздействий происходят изменения в состоянии электрических зарядов данной среды, что приводит к выделению теплоты в веществе и одновременно к изменению физических и химических свойств.

Электротехнологию принципиально отличает то, что электричество используется непосредственно в технологических процессах для обработки продуктов, исключая какие бы то ни было превращения.

Возможность применения электрической энергии в различных ее формах позволило создать принципиально новые, так называемые электрофизические методы для обработки пищевых продуктов, такие как:

- обработка пищевых продуктов в электростатическом поле;

- обработка пищевых продуктов электрическим током промышленной частоты, токами высокой частоты;

- обработка пищевых продуктов в электромагнитном поле токами высокой и сверхвысокой частоты.

Новые электрофизические методы обработки пищевых продуктов обладают рядом преимуществ:

1.      Сокращается длительность технологических процессов в 5-60 раз.

2.      Повышается производительность труда.

3.      Сохраняется пищевая ценность продукта.

4.      Осуществляется высокое бактерицидное действие обработки.

5.      Снижаются тепловые потери в окружающую среду.

6.      Возможна автоматизация технологического процесса.

7.      Происходит безинерционность работы оборудования.

8.      Имеют высокий КПД использования энергии.

9.      Улучшаются санитарно-гигиенические условия производства.

10. Снижаются производственные затраты на 20-40 %.

Недостатками являются:

1.      Требование повышенной энергобезопасности оборудования.

2.      Трудность проведения дозиметрического контроля за уровнем облучения.

3.      Возможность возникновения температурной неоднородности внутри продукта при нагреве.

4.      Наличие квалифицированного персонала.

Многообразие новых методов обработки потребовало и их системности, упорядочения, что позволило бы их рассматривать во взаимосвязи.

2.      Теоретические основы высокочастотного и сверхчастотного методов нагрева

Высокочастотный (ВЧ) и сверхвысокочастотный (СВЧ) нагрев пищевых продуктов позволяет значительно интенсифицировать термические процессы.

Процесс трансформации энергии электромагнитного поля высокой или сверхвысокой частоты в теплоту принято называть диэлектрическим нагревом или ВЧ (СВЧ)-нагревом.

Большинство пищевых продуктов и сред представляют собой с электрофизической точки зрения несовершенные диэлектрики. Они, как правило, имеют достаточно высокую диэлектрическую проницаемость и низкую электропроводность, обусловленную, как правило, свободными ионами вещества. Такие продукты и среды способны подвергаться диэлектрическому нагреву, который основан на смещении зарядов и связанных с ними молекул (поляризации) при воздействии на вещество (продукт) переменного элетромагнитного поля. При этом на перемещение заряженных частиц затрачивается работа, которая из-за наличия внутреннего межмолекулярного трения превращается в теплоту.

В веществе (продукте) может возникать несколько видов поляризации: электронная, атомная, дипольная.

Электронная поляризация выражается относительным смещением среднего положения электронов относительно среднего положения атома.

Ионная (атомная) поляризация вызывается смещением положительных и отрицательных ионов в материале.

Дипольная поляризация обусловлена наличием постоянных диполей (полярных молекул) вещества, которые в результате воздействия поля могут поворачиваться из случайных направлений в направление поля, вызывая тем самым поляризацию вследствие ориентации постоянных диполей.

Величина полной поляризации диэлектрика определяется суммарным эффектом всех перечисленных видов поляризации и обуславливает его диэлектрическую проницаемость.

Тепловую энергию, выделяемую в единице объема вещества в результате диэлектрического нагрева, принято характеризовать удельной мощностью (Руд, Вт/м3), которая согласно закону Джоуля-Ленца определяется по формуле:

Руд = 0,556 · 10-10 · ε' · tgδ · f · Е2,

где ε'- относительная диэлектрическая проницаемость вещества;

Е - напряженность электрического поля в рассматриваемом объеме вещества, В/м;

δ - угол диэлектрических потерь;

f - частота, Гц.

В соответствии с международным соглашением для промышленного применения разрешено использовать только отдельные участки                                   СВЧ-диапазона волн (900±15 МГц и 2400±50 МГц). Поэтому СВЧ-аппараты используют только эти частоты.

Эффект объемного нагрева при тепловой обработке пищевых продуктов в переменном электромагнитном поле достигается благодаря проникновению поля в продукт на значительную глубину.

Под глубиной проникновения электромагнитного поля в продукт (среду) подразумевается расстояние Δ (м) от поверхности продукта внутрь, на котором мощность внутренних источников теплоты уменьшается в е раз и которое определяется по формуле:

Δ = 9,55 · 1011 / (f · (ε')1/2 · tgδ).

Существенный технологический результат при использовании токов ВЧ- и СВЧ-обработки можно получить для ряда процессов, среди которых основное место занимают тепловые и массообменные (нагрев, стерилизация, размораживание, сушка, пастеризация).

Применение СВЧ-нагрева позволяет значительно интенсифицировать технологические процессы пищевых производств, связанные с нагревом продукции, а также разработать их новые виды, особенно комбинируя     СВЧ-нагрев с традиционными способами энергоподвода, таким как варка, сушка, стерилизация, пастеризация, размораживание, сублимация и т.д.   СВЧ-нагрев позволяет реализовать безотходные и энергосберегающие технологии, значительно увеличить выпуск готовой продукции без больших капитальных затрат, улучшить санитарно-гигиенические условия труда.

В пищевой промышленности важным и трудоемким процессом является размораживание продуктов. Использование диэлектрического нагрева позволяет резко сократить продолжительность размораживания, а также улучшить качественные показатели продукции.

Преимущества метода следующие:

- относительно короткое время размораживания;

- отсутствие повышенной температуры на поверхности продукта;

- отсутствие роста бактерий;

- потери сока при нагревании мяса на порции незначительные (менее 1 %);

- длительность размораживания не зависит от толщины блоков (при      ВЧ-нагреве);

- незначительная занимаемая площадь.

Вследствие кратковременности размораживания микробиальная обсемененность мяса после СВЧ-нагрева на порядок ниже, чем у сырья, размороженного в воздушной среде. Оценка санитарного состояния фарша показала, что микробное число опытных партий мяса на 30-40 % меньше, чем у контрольных. Таким образом, вареные колбасы, изготовленные из мяса, темперированного СВЧ-энергией, будут более устойчивы к хранению.

Доказано, что СВЧ-поле в отношении микрофлоры обладает бактерицидным и бактериостатическим действием. Было показано, что стерилизующий эффект СВЧ-поля явно выражен - выживаемость бактерий (кишечная палочка) после такой обработки в два и более раз меньше, чем при тепловой обработке.

В целом бактерицидный эффект при СВЧ-нагреве проявлялся значительно раньше, чем при тепловом. Бактерицидное и бактериологическое действие является результатом селективного выделения энергии на множественных границах раздела бактериальной суспензии, имеющих более высокий коэффициент потерь.

Установлено, что СВЧ-нагрев обеспечивает эффективную пастеризацию (не менее 99,5 %) мяса. Микробиологические исследования указывают на отсутствие микробов в период двухмесячного хранения, однако снижение органолептических показателей при хранении в полимерной упаковке обеспечивает сроки хранения восьмью неделями, что является значительным периодом.

Следует отметить, что СВЧ- и ВЧ-нагрев пищевых продуктов - достаточно сложная задача не только с точки зрения техники генерирования СВЧ и ВЧ, но и со стороны особенностей строения и свойств продуктов. Удельная мощность рассеивания энергии в материале зависит от его электрофизичесих параметров (диэлектрическая проницаемость, проводимость), которые в свою очередь зависят от влажности и других факторов. В процессе тепловой обработки продукты подвергаются глубоким изменениям, в том числе и их диэлектрические свойства, что влияет на течение СВЧ- и ВЧ-нагрева. Особенно этот эффект заметен при размораживании мяса, когда фактор потерь лавинообразно возрастает в десятки раз, и при сушке, когда влажность уменьшается, при этом фактор диэлектрических потерь уменьшается и соответственно уменьшается выделяемая энергия. Естественно, что управлять такими процессами трудно.