книги / СВЧ-энергетика. Применение энергии сверхвысоких частот в промышленности

Назначением этой операции является также очистка про­ дукта и уменьшение его объема. Использовать ВЧ-энер- гию для проведения этой операции предлагалось неодно­ кратно. В своих исследованиях, проводившихся на ча­ стоте 150 М гц, авторы работы [18] установили, что инак­

тивации ферментов в поверхностных тканях фруктов и овощей не происходит. Тем не менее бланширование ока­ залось вполне эффективным. Последующие испытания проводились в печи при 100 °С, чтобы уменьшить тепло­ вые потери на излучение. Была отмечена высокая сохра­ няемость витамина С, однако выигрыш, получаемый в ре­ зультате уменьшения времени на бланширование, сохра­ нялся только при условии быстрого охлаждения бланши­ рованного продукта. Было успешно проведено бланширо­ вание ряда овощей, упакованных в мешочки из пластика, СВЧ-энергией на частоте 3000 Мгц; в каждом случае по­

тери витамина С были пренебрежимо малы [19]. Хотя авторы об этом не пишут, инактивация поверхностных ферментов, по всей вероятности, происходила под дейст­ вием пара, образующегося внутри упаковки. Исследова­ ния, выполненные на частотах инфракрасного диапазо­ на [20], выявили ту же проблему поверхностных фермен­ тов при обработке сельдерея, гороха и яблок. Успешное бланширование достигалось кратковременным погруже­ нием в кипящую воду для инактивации поверхностных ферментов и последующей обработкой ИК-излучением. Качество всех продуктов было признано более высоким, чем качество продуктов, бланшированных в воде.

В литературе сообщалось [21] о непрерывном процессе бланширования кукурузных початков в пластиковых па­ кетах. Этот процесс проводили на серийной СВЧ-печи, и, хотя рабочая частота печи не указана, по-видимому, она была равна 915 Мгц. Как отмечается в этой статье, инак­

тивация поверхностных ферментов происходила под дей­ ствием пара, образующегося внутри упаковки. Вопрос проведения СВЧ-бланширования овощей в горячей влаж­ ной атмосфере освещался в работе 122].

По всей вероятности, экономически более оправдано проведение непрерывного процесса бланширования путем использования СВЧ-энергии и независимого источника пара. Получать пар с помощью СВЧ-энергии весьма не­

эффективно и дорого. Идея бланширования в упаковке;1 безусловно, интересна, но, следуя этой технологии, нельзя обойтись без затрат труда на упаковку; заполне­ ние контейнера получается неплотным, и ухудшается охлаждение продукта после обработки, которое, вероятно, ведет к частичному перегреву.

VI. Обсуждение и выводы

Применение энергии СВЧ будет предметом серьезно­ го рассмотрения при наличии даже одного из следующих условий: 1) СВЧ-энергия позволяет выполнять процесс за меньшее время или с меньшими затратами; 2) получае­ мый продукт обладает более высокими качествами и 3) выполняемый с применением энергии СВЧ процесс нельзя реализовать другими методами. Практику исполь­ зования энергии СВЧ с другими видами энергии, по-ви­ димому, можно считать скорее правилом, чем исключе­ нием: так, например, обработку хрустящего картофеля и выпекание хлеба ведут с применением энергии СВЧ и горячего воздуха, а отваривание домашней птицы и блан­ ширование — с применением энергии СВЧ и пара. При таком совместном использовании энергии СВЧ и тепло­ вых источников удается с успехом сочетать эффективный СВЧ-нагрев глубоко лежащих слоев с эффективным нагре­ вом поверхностных слоев обычными методами.

Экономические показатели комбинированного нагре­ ва (с учетом всех факторов) часто оказываются более бла­ гоприятными, чем в случае нагрева только энергией СВЧ или только обычными методами. Иногда реализация про­ цесса с применением только энергии СВЧ может оказать­ ся просто невозможной. Разумный тепловой расчет обору­ дования и использование наиболее эффективных для дан­ ного конкретного применения источников энергии потен­ циально могут привести к революционным изменениям в методах обработки пищевых продуктов. Поскольку одним из следствий применения энергии СВЧ является умень­ шение времени обработки, многие процессы, которые рань­ ше было нецелесообразно осуществлять непрерывно, те­ перь можно перевести на поток и благодаря этому сущест­ венно уменьшить затраты труда. Возможными эффектами

являются также сокращение необходимых производственных площадей или увеличение объема выпуска. Во мно­ гих случаях можно ожидать улучшения свойств продук­ ции, например увеличения допустимого срока хранения готового хрустящего картофеля или подвергнутых кули­ нарной обработке цыплят.

Выбор рабочей частоты сделан на основе ограниченной информации о диэлектрических свойствах продукта. Прак­ тически можно использовать обе частоты 915 и 2450 М гц.

Для более обоснованного выбора частоты требуется про­ вести дополнительные исследования. Если заботиться об эффективности процесса, то надо было бы контроли­ ровать диэлектрические свойства продукции, поступаю­ щей на обработку. К сожалению, в литературе имеется очень мало информации об эффективности процессов, вы­ полняемых с применением СВЧ-нагрева. Так, для заклю­ чительной операции сушки хрустящего картофеля можно ожидать сравнительно низкой эффективности использова­ ния энергии СВЧ, потому что очень мала плотность за­ грузки конвейера обрабатываемым продуктом. Общее количество воды, которое нужно удалять из обрабатывае­ мой продукции, составляет менее 45 кг/нас, и подавае­

мый в систему горячий воздух обеспечивает большой про­ цент скрытой теплоты, а также часть ощутимой теплоты. Если бы можно было без задержки перемещать картофель из горячего масла в СВЧ-печь и тем самым добиться ми­ нимального охлаждения, то нагрузка, создаваемая ощу­ тимой теплотой, была бы малой. В действительности же из-за малой скорости конвейера, температура ломтиков картофеля снижается до 65 °С. Так как масса ломтиков мала, основную долю тепла, идущего на повышение их температуры, дает горячий воздух. Это означает, что эф­ фективность использования энергии СВЧ'в таком про­ цессе будет очень низкой и значительная часть этой энергии будет поглощаться водяными нагрузками на обоих концах установки. Если на одной из двух возмож­ ных частот обрабатываемый продукт такого рода лучше поглощает энергию СВЧ, то это обстоятельство может быть сильным аргументом за использование именно этой рабочей частоты. Теоретически в материалах, состоящих из отдельных частиц, на частоте 2450 Мгц может возбуж-

даться много большее число видов колебаний» чем на частоте 915 Мгц. Из теории следует также, что энергия частоты 2450 Мгц лучше поглощается водой, чем жиром;

такое соотношение желательно, так как жир может иметь более высокую температуру, чем вода, и ускорять реак­ цию потемнения. Чтобы оптимизировать процесс в нуж­ ном направлении, желательно знать точные значения эффективности каждого из используемых видов нагрева (СВЧ-энергией и энергией от обычных источников).

7.V о п Н 1 р р е 1 А‘. Ц., 01е1ес(пс Ма4епа1з апс1 АррПсаМопз, СатЪгЫбе, МаззасНизеИз: ТесЬпоЬ Ргезз МП; 1954, р. 360.

рр.92—96, 100 (АргП 1966).

10.АИсготуауе соокшб си4з 1аЬог соз4з т Ьа11, В гоИ ег 1п<1.%29, рр. 58—62 (Лапиагу 1966).

11.5 т I 4 п О. Р., Ы44оп 1пс1., А4Ьег4оп 01V., неопубликованные результаты, 1966.

12.а пи* 4 Ь О. Р .. частное сообщение. 1966

13.5 Ь е г ш а п V. Н1дЬ Ггеаиепсу Ьакшд аррагаГиз, пат. США 2413003, ЭесетЬег 1946.

16.Р е Г Г у Н. Л., М1сго\уауе Ъакшд оГ рагНаПу ЪакеЛ ргоЛисГз, Ргос. 42лЛ, Апп. МееНпд А т . 5ос. Вакегу Елдгз. СЫсадо, МагсЬ 1966, рр. 144—152.

Н п о 1 ., 14, рр. 449—453 (1960).

21.ТЬе иНИгаНоп оГ ппсго^узуе оуепз Гог ЫапсЫпд рпог Го Ггее-

64(1964).

5.1.9.КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ МУКИ

Ко п с он

I. Новые свойства муки, обработанной энергией СВЧ

Несмотря на то что СВЧ-обработке было подвергнуто очень большое количество различной муки, Эдвардс [1] сумел показать, что для части продукта эта обработка очень полезна. Сюда относится специальная мука, пред­ назначенная для густеющих жидкостей, некоторых видов выпечки и клеев для бумаги. СВЧ-энергия нагревает муку, инактивирует амилазу и денатурирует клейкови­ ну. Так как обработка муки паром неизбежно приведет к образованию твердых комков, то паром можно обраба­ тывать только зерно. Тесто из муки, подвергнутой СВЧобработке, не обладает тягучестью, а сдобное тесто ока­

зывается значительно более вязким, чем такое же тесто из обыкновенной муки. Пока известны еще не все при­ менения продукта, подвергнутого обработке такого рода.

Нагрев порцйй .муки весом 530 г производился на уровне 1 кет на частоте 2450 Мгц в течение разных пе­ риодов времени. Обработка в течение 2 мин.давала инак­

тивацию ферментов, а количество требуемой энергии воз­ растало обратно пропорционально содержанию влаги. Поглощение и связывание воды модифицированным (под действием СВЧ-облучения) белком увеличиваются при­ близительно на 23%, в результате чего, как было обна­ ружено, достигаются очень высокие вязкости.

II.Воздействие на мучного жучка (мучной хрущак малый)

Мучной хрущак малый ТпЬоИит сопризит и ему по­

добные сильно повреждают мучнистые продукты при их 'хранении. Эти насекомые были объектом многочисленных согласованных атак, организовывавшихся сельскохозяй­ ственной наукой. Некоторые специалисты полагали, что ионизующее излучение могло бы оказать желаемое воз­ действие на этих насекомых, но какой-либо серьезной конкуренции с методом дезинфекции окуриванием не су­ ществовало. Типичными соединениями для окуривания были бромистый метил и дихлорэтан. Предпринималось также несколько попыток использовать ВЧили СВЧэнергию для нагрева продукта до точки дестракции насе­ комых,.

В наших собственных экспериментах пробы муки и зерна весом по 100 г нагревались в обычных СВЧ:печах

до температур 60—65 °С. Насекомые при этом уничтожа­ лись, а мука и зерно оставались неповрежденными. Такой метод дезинфекции с использованием СВЧ-энергии (на частоте 2450 Мгц) описан в работе 121. Как показали не­

давние оценочные работы, выполненные Министерством земледелия США и опытными станциями в Канзасе и Небраске [3], оправданной может также быть разработка для этих целей сравнительно низкочастотного оборудо­ вания (10—39 Мгц). Эти работы велись с рисовым и

амбарным долгоносиками, мучным хрущаком малым, жуком-кожеедом и зерновыми точильщиками.

Такие же, как и при СВЧ-обработке, температуры до­ стигались при градиентах поля 1,4 кв/см. Сконструирован­

ПеШз 1ог з1оге<1 егат тзес* соп(го1, Т г а п з . А 8 А Е , 3, (2), рр. 133— 137. 144 (1960).

5.1.10.СТЕРИЛИЗАЦИЯ

Де к а р о1

1. Введение

При рассмотрении процесса тепловой обработки кон­ сервируемых продуктов следует учитывать два фактора: бактериологический и температурно-временной. Мно­ гие продукты, консервируемые в металлических банках, особенно малокислотные продукты, подвергают тепловой обработке при температурах выше точки кипения воды. Эту обработку проводят в автоклаве непрерывно или от­ дельными партиями при давлении 0,7— 1,0 ати. В боль­

шинстве случаев нагрев производится путем теплопро­ водности, и математический анализ процесса нагрева до­ статочно хорошо разработан. Исходя из известной темпе­ ратуры» при которой погибают спорообразующие микро­ организмы С1о81п(Иит ЬоШшит, и тепловых характери­

стик исследуемого пищевого продукта, можно разрабо­ тать процесс, обеспечивающий стерилизацию содержимого

банок. Для этих микробов время тепловой смерти при температуре 120 °С равно 2,78 мин. Если бы содержимое

банки можно было мгновенно нагреть до 120 °С, выдер­ жать при этой температуре 2,78 мин и мгновенно охла­

дить, то процесс обработки полностью отвечал бы предъяв­ ляемым требованиям. Использование энергии СВЧ позво­ ляет за очень короткое время довести до нужного уровня температуру продуктов, помещенных в прозрачные для СВЧ контейнеры, и тем самым значительно улучшить качество консервов. Таким образом, применение СВЧэнергии может привести к существенному усовершенст­ вованию процесса консервирования.

II.Обзор литературы

Вработе [1] было показано, что сепарированное моло­ ко в стеклянных бутылочках емкостью 0,24 л можно на­ греть СВЧ-энергией на частоте 915 Мгц до температуры 120 °С и выше за время менее 4 мий. Нагрев производился

при атмосферном давлении, причем бутылочки служили своего рода стерилизаторами. Опыты с фруктами в водной среде, например с апельсиновыми дольками в стеклянных банках, показали, что для нагрева банок диаметром более 75 мм нужно использовать частоту 915 Мгц, а для на­

грева банок меньшего диаметра удовлетворительные ре­ зультаты получаются при нагреве на частоте 2450 Мгц

[2].В этих опытах температуру повышали не более чем до 100 °С, так как их целью была пастеризация, а не сте­ рилизация. Сообщалось также о СВЧ-пастеризации вина

в стеклянной таре [3, 41.

В работе [5] было достигнуто подавление плесени в упакованных хлебобулочных изделиях путем обработки ВЧ-энергией на частотах 14—17 Мгц. Температура упа­

кованного нарезанного хлеба повышалась до 60 °С. После такой обработки плесень не возникала при хранении в те­ чение 10 дней, тогда как необработанный хлеб плесневел через 2—3 дня. Подобные же результаты наблюдались при СВЧ-обработке (на частоте 2450 Мгц) [6] хлеба, на

котором были высеяны в известных количествах споры плесени нескольких видов.

III. Обсуждение результатов и выводы

Использование энергии СВЧ в целях уменьшения.вре­ мени обработки продуктов в прозрачной для (СВЧ-коле- баний) таре позволяет надеяться на значительное улучше­ ние качества продукции. Тара малой емкости может вы­ полнять функции стерилизаторов; при работе со стеклян­ ной тарой больших размеров из-за повышения внутрен­ него давления может потребоваться введение специаль­ ной герметизации и управляемого охлаждения. Из эко­ номических соображений целесообразно, особенно в слу­ чае больших емкостей, использовать пар под давлением, который позволяет получить эффективный нагрев по­ верхностных слоев продукта и поддержать положитель­ ный температурный градиент по направлению к центру банки. Выбор частоты до некоторой степени зависит от свойств обрабатываемых продуктов. Для продуктов, выпу­ скающихся в водной среде, таких, как зеленая фасоль и горошек, свойства воды имеют в значительной степени определяющий характер; поэтому в случае емкостей боль­ шого диаметра для быстрого нагрева внутренней части объема, вероятно, следует использовать частоту. 915 Мгц. Но возможно также использовать частоту 2450 Мгц,

при которой эффективно нагреваются подповерхностные слои. Увеличенная глубина проникновения СВЧ-энергии на частоте 915 Мгц должна также дать преимущества при

обработке мясопродуктов и таких плотных материалов, как кабачки и тыква, которые при обычном консервиро­ вании нагревают главным образом путем теплопровод­ ности.

Однако существуют некоторые сомнения относительно утверждения о более глубоком прогреве таких плотных материалов, как мясо, на частоте 915 Мгц по сравнению с*частотой 2450 Мгц. В работе [2] приведены кривые, ко­

торые соответствуют в принципе одинаковым температур­ ным распределениям для порции мяса, приготовленного на обеих частотах. И хотя мы не располагаем сведениями о диэлектрических свойствах мяса на обеих частотах при температуре выше 4 °С, из данных для этой температуры следует, что глубина расположения уровней половинной мощности и для одной, и для другой частот приблизитель­

но одинакова. Малые значения глубины проникновения для мяса указываюттакже, что если мясо консервируется в банках большого диаметра, то основное внимание сле­ дует уделить нагреву путем теплопроводности.

Высказывались также предположения о нетепловых воздействиях энергии СВЧ на микроорганизмы, но уровень потерь в тех продуктах, к которым относились эти выска­ зывания, был таким, что стерилизации нельзя было до­ стичь без нагрева. Летальное воздействие тепла на микро­ организмы наблюдается в широком диапазоне температур. И именно вследствие повышенной летальности более вы­ соких температур так эффективны процессы с кратковре­ менным повышением температуры до высокого уровня. •Следовательно, стерилизация пищевых продуктов дости­ гается не воздействием одной только.температуры, а об­ щим воздействием подаваемой тепловой энергии. Поэтому при расчетах технологического процесса обработки кон­ сервируемых продуктов нужно учитывать летальное воз­ действие на микроорганизмы как. в период достижения рабочей температуры процесса, так и в период охлаждения.

В последующих исследованиях желательно было бы объяснить эффекты воздействия энергии СВЧ на пищевые продукты разной плотности, помещенные в тару, прозрач­ ную для СВЧ. В этих исследованиях целесообразно так­ же рассмотреть системы с паром повышенного давления, в .которых энергия СВЧ вводится непосредственно в си­ стему с паром.

Л И Т Е Р А Т У Р А