Диэлектрический нагрев – метод нагрева диэлектрических материалов переменным во времени электрическим полем.
Сверхвысокочастотный (СВЧ) нагрев — это использование энергии электромагнитного поля сверхвысокой частоты с диапазоном частот 3×108 -5-3×1010 Гц для нагревания различных сред и тел. Для СВЧ-установок применяются частоты 895-915 МГц и 2350-2450 МГц.
С электрофизической точки зрения пищевые продукты должны быть отнесены к полупроводникам. Пищевые продукты представляют собой, как правило, сложные гетерогенные смеси, содержащие воду в количестве 50-95 %. С точки зрения взаимодействия пищевых продуктов с электромагнитным полем такие их компоненты, как белки, жиры, углеводы, вода по установившейся классификации следует отнести к неидеальным диэлектрикам, а водные растворы солей (электролиты) - к проводникам. При приложении внешнего электрического поля в продукте возникают токи смещения, отражающие диэлектрические свойства, и токи проводимости, отражающие перемещение свободных зарядов. Последние всегда имеются во влажных пищевых продуктах, поскольку основания, кислоты и соли диссоциируют в воде, в результате чего образуются ионы и возникает активная проводимость материала.
Эффект разогрева пищевых продуктов в сверхвысокочастотном (СВЧ) поле связан в основном (но не полностью) с их диэлектрическими свойствами, которые определяются поведением в таком поле диполей. Диполи (дипольные молекулы и атомы) могут находиться в пищевом продукте, например молекулы воды, или возникать в нем под действием внешнего электрического поля. Ориентация уже имевшихся диполей, а также возникновение новых диполей и их ориентация под влиянием внешнего электрического поля составляют существо поляризации. Это явление занимает центральное место в механизме возникновения теплоты в телах, находящихся в СВЧ-поле. Энергия внешнего поля, затраченная на поляризацию диэлектрика, превращается в нем в теплоту, причем теплота возникает во всем объеме материала, а не только на его поверхности. Поэтому ДЭ-нагрев часто называют объемным нагревом.
Диэлектрические свойства пищевых продуктов и различных материалов зависят главным образом от их природы, влажности, температуры и частоты колебаний поля. Сложный характер взаимодействия количества выделяющейся теплоты и глубины проникновения СВЧ-поля приводит к необходимости подбора продукта такой толщины, чтобы не наблюдалось перегрева его наружных (при больших значениях коэффициента поглощения) и внутренних (при малых значениях коэффициента поглощения) слоев.
СВЧ-нагрев имеет ряд преимуществ перед традиционными методами термической обработки:- высокая скорость нагрева и его равномерность вследствие «объемной» подачи тепла;
- сохранение витаминов и других незаменимых нутриентов пищевого продукта;
- возможность мягкого режима термообработки, подачи тепла импульсами, т.е. ступенчатого нагрева;
- создание заданной температурной неравномерности при термообработке пищевых продуктов путем подбора формы рабочих органов СВЧ-генератора или применением заслонов (экранов), регулирующих пропускание микроволн к продукту;
- высокая экономичность процесса (отсутствие контакта с теплоносителем и генерация тепла в самом продукте сводят к минимуму потери тепла на нагрев оборудования и во внешнюю среду; потребление электроэнергии СВЧ-генераторами значительно меньше, чем электролитами и другими нагревательными приборами);
- улучшение условий труда за счет сокращения выделения газообразных веществ, пара и тепла в окружающую среду.
Однако ДЭ-нагрев обладает и недостатком, заключающимся в отсутствии на поверхности изделий специфической поджаристой корочки. Поэтому ДЭ-нагрев рекомендуется применять в комбинации с ИК-нагревом и традиционными методами тепловой обработки.
В настоящее время СВЧ-обработка применяется в общественном питании и пищевой промышленности в следующих процессах: разогрева и приготовления блюд, сушки, размораживания, варки, выпечки, обеззараживания, экстрагирования, а также в качестве стимулирующего фактора, направленного на интенсификацию технологических процессов и повышение пищевой ценности сырья, полуфабрикатов и готовой продукции. Для создания более рациональных технологических процессов используют комбинацию СВЧ-нагрева с другими энергоносителями: пар, горячий воздух, ИК-нагрев, разогретый жир, вакуум, ультразвук.
Наиболее распространенным способом использования СВЧ-энергии является разогрев и приготовление блюд и кулинарных изделий. Тепловая обработка пищевых продуктов в режиме приготовления разбивается на два этапа: разогрев до установившейся температуры и поддержание этой температуры до наступления полной кулинарной готовности. Также применяется метод ступенчатого СВЧ-нагрева, который обеспечивает высокую скорость нагрева и позволяет избежать неравномерности нагрева отдельных участков обрабатываемых изделий, так как обеспечивается возможность перераспределения температур путем теплопроводности материала при его термостатировании.
Одной из особенностей СВЧ-обработки является возможность быстрого и относительно равномерного (безградиентного) нагрева продукта по всему объему, который по своей природе зависит не столько от теплофизических характеристик нагреваемого объекта, сколько от наличия в нем влаги и характера ее распределения по объему. Эта способность диэлектрического нагрева эффективно используется в пищевой промышленности при размораживании продуктов. Размораживание в СВЧ-поле позволяет в десятки раз ускорить процесс и в значительной степени сохранить качество пищевых продуктов. Потери влаги у продуктов при размораживании в СВЧ-поле незначительны. Хорошие результаты дают также комбинированные методы размораживания СВЧ-нагрева с ультразвуком, а также с методом обдува продукта холодным воздухом.
Способ размораживания плодов яблок под действием СВЧ-энергии: продолжительность процесса размораживания сокращается более чем в 20 раз, но увеличивается содержание сухих веществ, улучшаются органолептические показатели размороженных плодов.
Из-за особенностей взаимодействия СВЧ-энергии с пищевым сырьем и продуктами сушка в СВЧ-поле обеспечивает равномерный нагрев продукта, а эффективность процесса практически не зависит от теплопроводности сушильного материала и определяется только влагосодержанием в продукте. Наиболее интенсивно нагреваются участки с большим содержанием влаги, но по мере уменьшения влажности скорость нагрева снижается. Это позволяет исключить перегревание продукта и ухудшение органолептических показателей. При этом существенно снижаются потери питательных веществ и в первую очередь витаминов. В результате объемного нагрева продуктов при микроволновой сушке вся свободная влага внутри преобразуется в пар. При этом создается избыточное давление, в результате чего продукт увеличивается в объеме и приобретает пористую структуру. Это имеет большое значение в технологии продуктов быстрого приготовления, например напитков, каш, супов на основе овощей, фруктов или зерновых.
Наиболее перспективна комбинированная сушка: конвективная подсушка и СВЧ-досушка. В аппаратах с СВЧ-источником в 5-10 раз увеличивается интенсивность процесса сушки комбикормов и зерна. Характер СВЧ-нагрева позволяет резко интенсифицировать процессы тепло- и массообмена, так как прогрев продукта происходит по всему объему и градиенты температуры и влажности совпадают по направлению.
При варке и бланшировании с использованием энергии СВЧ-поля сокращаются продолжительность обработки и потери пищевых веществ.
Применение энергии СВЧ-поля для экстракции из растительного сырья масел позволяет ускорить процесс, добиться почти полного извлечения масел, а также сохранить пищевую и биологическую ценность готового продукта.
СВЧ-нагрев также можно успешно использовать для обработки сырья с активными ферментами (например, солодовые продукты, зерно, семена растений), тем самым регулировать и добиваться нужных показателей активности ферментов. Причем в зависимости от режимов обработки можно увеличивать активность, либо вызывать инактивацию ферментов.
Большое распространение СВЧ-обработка получила в хлебопекарной и кондитерской промышленности. СВЧ-обработка широко применяется для обеззараживания и улучшения пищевой ценности зерна.
При воздействии СВЧ-поля наблюдается обеззараживающий эффект при сохранении, а по некоторым позициям и улучшение продовольственных качеств зерна и продуктов его переработки. СВЧ-обработка продовольственного зерна пшеницы приводит к повышению его хлебопекарных качеств за счет улучшения физических свойств клейковины, также снижается содержание крахмала в зерне пшеницы, увеличивается его гидролизуемость, что положительно влияет на хлебопекарные качества продукции.
Похожий эффект обеззараживания можно наблюдать при обработке сухофруктов, происходит полное обеззараживание сухофруктов.
При обработке дрожжевого полуфабриката электромагнитным полем сверхвысокой частоты (микроволновое поле) интенсифицируется процесс брожения. Сильное электрическое поле, воздействуя при замесе, интенсифицирует процессы брожения теста и повышает скорости выделения СО2 и подъема теста при увеличении температуры от комнатной до 30 °С.
Проведение процесса расстойки теста в поле СВЧ при мощности 250-500 Вт в течение 10-40 с при производстве бараночных изделий сокращает продолжительность процесса и позволяет существенно улучшить качество готовой продукции.
При использовании выпечки в электромагнитном поле сверхвысокой частоты увеличивается темп нагрева и сокращается продолжительность тепловой обработки в 5-10 раз по сравнению с поверхностным нагревом, исключается подгорание изделий, полнее сохраняется питательная ценность продукта, увеличивается выход готовых изделий.
Обработка в СВЧ-поле готовых, мучных кондитерских и хлебобулочных изделий подавляет активность плесневой микрофлоры, что позволяет увеличить срок хранения изделий.