Особливості мікрохвильового сушіння - Сушіння харчових продуктів
Надвисокочастотне випромінювання, що утворюється в мікрохвильовій печі, - це електромагнітні хвилі з частотою коливань, що варіює від 300 МГц до 30 ГГц, тобто довжина хвилі варіює від 1 мм до 1 м. Фізичні властивості НВЧ схожі з властивостями інших видів електромагніт , теплове, ультрафіолетове, гамма- та рентгенівське випромінювання). Розрізняються вони лише за частотою коливань електромагнітного поля, що є основним показником, що характеризує зовнішні властивості електромагнітного випромінювання. Властивості мікрохвиль являють собою щось середнє між радіохвилями та інфрачервоним випромінюванням, оскільки за шкалою частот мікрохвилі якраз розташовані між ними. Так, наприклад, радіохвилі передали мікрохвильові здатність більш глибокого проникнення в продукт, ніж це може забезпечити теплове випромінювання. Крім того, мікрохвильове (НВЧ) випромінювання набагато ефективніше перетворює електромагнітну енергію на тепло.
Розглянемо докладніше, яким чином здійснюється нагрівання в надвисокочастотному полі. Спочатку відзначимо, що нагріваються полярні діелектрики, серед яких головним є вода. Далі принцип дії схожий рухом стрілки компаса під впливом магнітного поля, тобто полярна молекула електричного поля вибудовується таким чином, що вектор диполя розташовується в протилежному напрямку по відношенню до вектора зовнішнього поля. Напрямок зовнішнього поля змінюється з досить високою частотою, тому полярна молекула за мінімальний проміжок часу робить велику кількість оборотів, зіштовхуючись у своїй із сусідніми молекулами, також коливаються. Все це призводить до підвищення кінетичної енергії в діелектриці та,отже, його температури. Вплив електромагнітного поля на неполярні діелектрики досить малий і пов'язаний, переважно, з присутністю різних домішок.
Останнім часом використання надвисокочастотного випромінювання отримало зовсім інший напрямок - це висушування різних продуктів. Мікрохвильова сушіння має низку переваг у порівнянні з іншими методами сушіння продуктів. Особливості мікрохвильової сушіння дозволяють проводити об'ємне нагрівання - тепло проникає в продукт не через його поверхню, а відразу з'являється у всьому його обсязі. Крім того, температура всередині продукту трохи вища, ніж на його поверхні, через те, що поверхня швидко охолоджується, за рахунок випаровування вологи. Внаслідок цього, а також під впливом тиску пари, рідина з центру продукту прямує до поверхні.
Іншою перевагою мікрохвильової сушіння є підвищена ефективність. Варто зазначити, що, незалежно від способу висушування продукту, на випаровування кожної окремої молекули рідини витрачається певна кількість енергії. Величина енергії, що витрачається, досить велика, отже, весь процес висушування вимагає величезної кількості енергії. Існує кілька способів, збільшення вироблення сушильних апаратів, незалежно від їх конструкції та способу сушіння:
1. Використання енергії у суворо виробничих цілях. 2. Максимальне зневоднення продукту ще до надходження в сушильний апарат. 3. Повернення енергії, наскільки можна.
Мікрохвильова енергія повністю забезпечує ці можливості. Розглянемо детальніше кожну їх. На відміну від інших способів, при мікрохвильовому сушінні не відбувається передача тепла від джерела тепла, як, наприклад, при конвекційному сушінні, коли спочаткуобігрівається повітря за допомогою нагрівача, а потім вже гаряче повітря передає тепло матеріалу. При цьому на кожному наступному етапі, від нагрівання повітря в сушарці і до передачі тепла продукту, втрачається певна кількість теплової енергії. При сушінні продукту за допомогою мікрохвильової енергії не відбувається втрати тепла, оскільки тепло виходить з самого продукту, що висушується, тобто вся енергія, що виробляється при мікрохвильовому випромінюванні, повністю поглинається в продукті. Магнетронні генератори мають високу ефективність, близько 85%, більша частина якої, до 80%, витрачається на мікрохвильове випаровування рідини. Деякі сушильні апарати використовують і 20% ККД, що залишилися. Теплова енергія, не перетворена в мікрохвильове випромінювання, перетворюється на теплову енергію на магнетронах, з яких через повітропровід потрапляє на продукт, що висушується, тим самим, здійснюючи ще й конвекційну сушку.
Як говорилося вище, надвисокочастотне випромінювання характеризується об'ємністю нагрівання, причому температура продукту, що нагрівається, на поверхні трохи нижче, ніж усередині нього. Саме тому, в процесі сушіння у всьому об'ємі продукту, що висушується відбувається утворення пари, тиск якого сприяє частковому виведенню рідини з внутрішніх шарів продукту. Якщо висушується продукт, що містить велику кількість вологи, то при мікрохвильовому сушінні відбувається значне її видалення, близько 50% від її початкового об'єму. Рідина, що видаляється, при цьому не вимагає випаровування, тому зневоднення продукту здійснюється при мінімальних енерговитратах, що, у свою чергу, збільшує продуктивність процесу сушіння. До того ж, рідина, видавлена з продукту, що висушується, також є самостійним продуктом, який може бути використанийналежним чином.
Волога, що випаровується з продукту, перетворюється на пару, яка забирає з собою і деяку кількість енергії, що використовується на саме випаровування. Цю енергію направляють на додаткову конвективну сушіння продукту. В результаті коефіцієнт корисної дії сушильного апарату збільшується приблизно на 20%, без зайвих енерговитрат. Робоча частота магнетрону дорівнює 2,45 ГГц, цьому рівні електромагнітне поле проникає у внутрішню частину продукту на відстань кількох сантиметрів по всій його площі. Це уможливлює сушіння продуктів діаметром до 10 см. в цілому вигляді. При інших методах, для забезпечення рівномірної сушіння, продукт, що висушується, необхідно нарізати на рівні частини, розкладати в один шар і регулярно перевертати, оскільки спочатку висихає поверхню продукту і на ній утворюється суха кірка, яка перешкоджає випаровування рідини зсередини продукту і його подальшої сушіння.
Застосування надвисокочастотного випромінювання дозволяє сушити продукти у вакуумі. Дане поєднання пов'язане з тим, що температура пари, що утворюється, і температура окропу безпосередньо залежать від тиску.
Для отримання сухих харчових продуктів високої якості, без втрати вітамінів та корисних речовин, температура їхнього сушіння повинна становити не більше 70 °С. Щоб засушені трави та рослини не втратили своїх лікувальних властивостей, їх сушать за температури не вище 40 °С. У разі, якщо необхідно висушити великий обсяг продукції за невеликий проміжок часу, потрібно збільшити продуктивність сушіння шляхом підвищення температури сушіння і примусового вентилювання. За нормальних умов сушіння потужність повинна бути врегульована, у зв'язку з небезпекою перегріву продукту, що висушується. У разі використання вакууму, продуктивністьсушіння безмежна, оскільки зі зниженням тиску зменшується і температура парів, що виходять. Так, наприклад, якщо в процесі сушіння тиск дорівнює 104 Па, що відповідає 0,1 атм., то рідина в продукті, що висушується, почне кипіти і виділятися з продукту вже при температурі 45 °С. При цьому, доки рідина перебуватиме в продукті, його температура дорівнюватиме температурі кипіння води, а використовувана потужність буде витрачатися виключно на сушіння продукту.
Існує ще одна особливість мікрохвильової сушіння у вакуумі, яка дозволяє досягти вищої якості сухого продукту. Висушування продукту здійснюється у прискореному темпі, без доступу кисню, у результаті продукт не окислюється і втрачає свого первинного зовнішнього вигляду. Прикладом є висушування грибів (подосиновиків, підберезників та інших), так як тільки при мікрохвильовому сушінні вони максимально зберігають натуральний колір м'якоті і ніжки, що при іншому способі сушіння неможливо.
Відповідно до законів фізики, споживання надвисокочастотного випромінювання продуктом прямо пропорційне його діелектричній проникності та тангенсу кута діелектричних втрат. При цьому рідина, яку необхідно вивести з продукту, характеризується досить високими якостями: її діелектрична проникність становить 81, тоді як цей показник у висушеному продукті не досягає і 3. Діелектричні втрати в рідині і того більше. Таким чином, при надвисокочастотному випромінюванні максимальне поглинання енергії відбувається в тих місцях продукту, де рівень вологості вищий. А це, у свою чергу, сприяє рівномірному розподілу рідини по всьому об'єму продукту, що висушується і, відповідно, високій якості сухого продукту.
Крім усьогоіншого, мікрохвильове випромінювання здатне знищувати шкідливі мікроорганізми, що містяться в продукті, такі, як кишкова паличка, стафілокок та інші. Це з тим, що температура всередині продукту зростає у прискореному темпі, що зумовлює діелектричного нагрівання білків мікроорганізмів. Під впливом високої температури мікроорганізми гинуть, відбувається своєрідна стерилізація препарату.