CC BY
159
УДК 664
Д. Л. Рахманкулов, С. Ю. Шавшукова, И. Н. Вихарева
Особенности микроволновых установок для нагрева пищевых продуктов
НИИ малотоннажных химических продуктов и реактивов Уфимского государственного нефтяного технического университета 450029, г. Уфа, ул. Ульяновых, 75; тел. (347)2431712
Рассмотрены преимущества применения микроволнового нагрева для термообработки и сушки пищевых продуктов. Рассмотрены основные типы микроволновых и комбинированных нагревательных установок.
Ключевые слова: микроволновый нагрев, микроволновая установка периодического типа, конвейерная установка, магнетрон, сублимационная сушка.
Существует два основных вида микроволновых установок для сушки пищевых продуктов: периодического действия и конвейерного типа.
Конвейерная микроволновая установка отличается высокими технико-экономическими показателями процесса тепловой обработки по сравнению с установками периодического действия:
- удельный расход электроэнергии ниже на 25-35 %;
- в 2.5-3 раза ниже объем и соответственно площадь, занимаемая установками (при одинаковой производительности);
- процесс тепловой обработки проводится в требуемом режиме подвода энергии к продукту без переключения мощности генератора путем соответствующего распределения энергии в пространстве взаимодействия;
- упрощается возможность создания режимов, сочетающих СВЧ энергоподвод с другими энергоносителями, как в варианте «последовательного», так и «параллельного» воздействия на обрабатываемые изделия;
- обеспечивается максимальная долговечность генератора путем создания оптимальных условий работы;
- появляется возможность полностью механизировать и автоматизировать процесс тепловой обработки;
- возможность создать систему, отвечающую технологическим требованиям с учетом особенностей обрабатываемых пищевых продуктов, что невозможно достичь в микровол-
Дата поступления 06.02.08
1
новых установках периодического действия 1.
Кроме того, применение конвейерной установки обусловлено рядом преимуществ, которые могут быть реализованы только при не-
2
прерывном ведении процесса 2.
Производительность на 1 кВт колебательной мощности магнетрона в установках периодического действия при работе в режиме приготовления пищевых продуктов составляет не более 4—5 кг/ч, в установках непрерывного действия эта величина возрастает до 10 кг/ч и более 3.
В ряде случаев, особенно в микроволновых установках конвейерного типа, используют несколько генераторов, что обусловлено следующими причинами 4:
1. Мощности одного генератора бывает недостаточно.
2. Параллельная работа нескольких СВЧ генераторов дает некоторые преимущества по сравнению с одиночным генератором.
3. Каждый генератор может работать без синхронизации. Генераторы можно включать так, чтобы связь между ними была минимальной (необходимое условие при несинхронной работе).
4. Начальная стоимость и расходы по эксплуатации источника питания снижаются, так как он состоит из менее мощных блоков и элементов, изготовляемых более крупными сериями. Длительность простоя оборудования при замене отдельных блоков сводится к минимуму.
5. Наличие нескольких облучателей и несинхронная работа генераторов дают усреднение суммарных отражений, что приводит к высокой степени распределения поля в рабочей камере и, соответственно, к необходимой равномерности нагрева.
6. Индивидуальным режимом генераторов можно управлять с помощью фотоэлементов, фиксирующих перерывы в подаче обрабатываемых изделий по конвейеру. Автоматическое включение и выключение генераторов позво-
ляет избежать излишних потерь и предотвратить перегрев продукции.
Предложены различные варианты сушильных установок с использованием микроволновой энергии в чистом виде, а также в различных сочетаниях с другими методами: конвекцией, инфракрасным излучением, электроконтактным нагревом, ультрафильтрацией, использованием разряжения и др.
Для сушильных установок периодического действия чаще используют резонаторный способ. Нагрев в поле бегущей волны наиболее эффективен в аппаратах непрерывного действия. В сушилках, где используется нагрев в поле бегущей волны, изменение величины затухания прямо связано с температурой и массовой долей влаги продукта. Поглощаемая материалом мощность пропорциональна содержанию в нем влаги. Для СВЧ сушилок с нагревом в поле бегущей волны очень важно определить мощность подводимой энергии, продолжительность и КПД процесса. Методика ориентировочного расчета СВЧ сушилок приведена в работе 5.
В установках СВЧ сушки при разрежении сочетание достоинств обоих методов приводит к интенсификации процесса и повышению качества готовой продукции. Последнее особенно заметно при сушке термолабильных материалов, ферментов, фруктовых соков и т. д.
Экспериментальная установка для исследования процессов микроволновой сушки колбас с разрежением приведена на рис. 1 6. Она работает на частотах 2375 МГц (до 2500 Вт) и 915 МГц (400 Вт) и позволяет, плавно меняя мощность, исследовать процесс сушки. Разрежение регулируется в пределах 102—105 Па, охлаждение продукта в процессе обработки — радиационное, причем температура радиационных панелей регулируется в пределах +50 ■ —20 оС. Очевидно, что наиболее приемлемым режимом будет осциллирующий. Экспериментально было установлено, что температура продукта при микроволновом нагреве не должна быть выше +30 оС, разрежение 1.3 • 103 Па, при этом температура радиационных панелей не должна превышать —7 оС.
Микроволновая обработка в сочетании с разрежением интенсифицирует процесс формирования вкуса и ароматообразования. Для обеспечения санитарных требований используют микробиальные культуры (стартовые культуры) 7 8. Процесс традиционной сушки сырокопченых и сыровяленых колбас превышает 30 сут. Это время, необходимое для протекания сложных физико-химических процессов
формирования структуры, аромата, вкуса, а также для обеспечения санитарных требований.
Рис. 1. Экспериментальная СВЧ установка для исследования режимных параметров сушки: 1 — СВЧ камера; 2 — термоэлектрический холодильник; 3 — электростатический конденсатор; 4 — привод; 5 — водяная нагрузка; 6 — блок управления; 7 — весовой блок; 8 — вакуумный насос; 9 — термопарный блок; 10 — СВЧ генератор
В ходе экспериментальных и аналитических исследований авторов работ 9 10 было найдено, что с использованием импульсного режима в условиях микроволнового нагрева общее время сушки сокращается до 18 сут., при этом время выдержки — сушки в промежутках между циклами СВЧ нагрева составляет 30 мин.
На начальной стадии глубина проникновения микроволновой энергии из-за высокой массовой доли влаги мала, по мере высыхания, начиная со значения W = 40%, эффект электромагнитного нагрева колбасного батона возрастает и происходит внутренний прогрев продукта.
Кинетика сушки колбас посредством микроволнового нагрева и радиационного охлаждения при разрежении не отличается от кинетики сушки другими методами. В случае применения микроволнового нагрева скорость сушки резко возрастает (приблизительно в 2.5 раза).
Критическая массовая доля влаги падает, что объясняется возникновением эффективной движущей силы внутреннего тепло- и массопе-реноса.
Быстрое протекание ферментативного созревания колбас обеспечивает внесение микро-биального и ферментного препарата. К примеру, это может быть ГДЛ (глюконо-Д-лактон) или многокомпонентная смесь (МС) (состав: поли-, ди-, моносахариды, ионы Са++, аскорбиновая кислота, смесь молочнокислых и денитрифицирующих микроорганизмов) 7 10 11. Готовые колбасные изделия, приготовленные традиционным способом, а также с использованием микроволновой сушки с разрежением (с использованием ГДЛ и МС), по химическому составу и технологическим показателям практически не отличаются (табл. 1). Аминокислотный состав колбас также не подвергается изменениям в результате микроволновой сушки. Органолептические показатели готовой продукции также не отличаются по сравнению с контролем.
Данные микробиологического анализа (табл. 2) 12 свидетельствуют о том, что микро-
волновая сушка в сочетании с вакуумной угнетающе действует на группы протеолитических и пептонизирующих микроорганизмов. К 18 суткам достигается так называемое «санитарное благополучие» колбас.
Следует подчеркнуть высокий бактерицидный эффект микроволнового нагрева по сравнению с традиционным (табл. 3). Однако механизм воздействия микроволн на микрофлору изучен еще недостаточно. Так, некоторые авторы придерживаются мнения о существовании специфического микроволнового воздействия на микробную клетку, другие связывают бактерицидный эффект только с теп-13
ловым воздействием .
Интенсивность и температурный уровень микроволновой сушки с разрежением зависят от энергии поля и разрежения в камере. Безопасный температурный уровень такой сушки обеспечивается за счет низкого давления в камере. С точки зрения влияния на интенсивность процесса давление является менее значащим фактором, чем мощность поля. Таким образом, ограничение температурного уровня с помощью давления позволяет подводить
Таблица 1
Качественные показатели копченых колбас при различных видах сушки
Содержание, % Выход к массе несоленого сырья, %
Вид и период сушки влаги белка жира NaCl зольность, % рн Пенетра-ция
Конвективная
сушка — контроль (30 сут.) 28.77 21.91 42.87 5.44 7.02 5.28 61.42 58
Микроволновая
сушка с разрежением и добавлени-
ем (18 сут.): гдл 28.24 23.53 42.03 5.32 6.40 4.88 61.18 51
МС 28.40 22.74 42.67 5.06 6.11 4.86 61.20 42
Таблица 2
Микробиологические показатели исходного фарша и готовой продукции (количество микробных клеток в 1 г продукта)
Вид и период сушки Микробное число Виды микроорганизмов
патогенные Молочнокислые Протеоли-тические Липоли-тические Стафилококки
Протей Кишечная палочка
Фарш до сушки 5.53 • 104 + + 0.4 • 104 2.5 • 104 0.03 • 104 2.6 • 104
Конвективная сушка — контроль (30 сут.) 1.2 • 104 0.3 • 104 0.7 • 104 0.3 • 104 0.3 • 104
Микроволновая сушка с разрежением и добавлением 18 сут.): гдл МС 3.3 • 104 2.1 • 104 _ _ 4.9 • 104 1.8 • 104 0.13 • 104 0.19 • 104 0.12 • 104 0.24 • 104 0.28 • 104 0.24 • 104
энергию, обеспечивающую высокую интенсив-14 15
ность процесса 14' 15.
Таблица 3
Выживаемость бактерий при микроволновом нагреве, % (частота 2375 МГц)
Время Им- Непре- Традици-
облучения, пульсный рывный онный
мин режим режим нагрев
Кишечная палочка
5 62.5 74 100
10 0 12 79.3
15 0 0 53.8
60 0 0 11.5
Стафилококки
20 4.0 16.5 19.2
30 0 0 3.6
60 0 0 0
Установка «Мивак» высокой производительности (1.5 — 2.5 т/ч) 16, сочетающая микроволновую сушку с разрежением, имеет две модификации: горизонтальную с конвейерной системой (рис. 2а) и вертикальную (рис. 2б).
Рис. 2. Микроволновая сушилка «Мивак» для различных пищевых продуктов, фруктов, овощей и зерна: а — горизонтального типа; б — вертикального типа; 1 — приемный бункер; 2 — конденсатор; 3 — волновод; 4 — генератор; 5 — транспортер; 6 — вакуумный насос; 7— сушильная камера; 8 — шлюзовые затворы
В установке горизонтального типа осуществляют процесс сушки различных пищевых продуктов, фруктов, овощей и зерна. Исходный продукт по транспортерной ленте подается в приемный бункер, откуда через шлюзовой затвор — в сушильную камеру, где по специальной ленте проходит вдоль всего устройства, создающего распределение микроволновой энергии, поступающей через волновод от генератора. Разрежение обеспечивается вакуум-насосом и конденсатором. Высушенный продукт через шлюз выводится на транспортер.
Установка вертикального типа предназначена для сушки сыпучих материалов. Температура процесса 33—35 оС обеспечивает высокое качество обработанной продукции и позволяет снизить массовую долю влаги с 20 до 14 %.
В установке вертикального типа (рис. 2б) движение влажного сыпучего материала происходит под действием гравитационных сил. На входе и выходе находятся шлюзовые затворы, которые обеспечивают непрерывную подачу сырья и выход высушенного продукта.
Одним из перспективных способов использования микроволновой обработки продуктов с целью консервации является сублимационная сушка. Данный процесс обеспечивает максимальное сохранение качества и вкусовых свойств свежих продуктов. При такой сушке химический состав продуктов (содержание белков, жиров, углеводов, витаминов, ферментов, экстрактивных веществ и т. п.) максимально сохраняется, продукты имеют малую массу, могут без ухудшения качества храниться многие годы в герметичной упаковке (например, полиэтиленовая пленка), орга-нолептические показатели восстанавливаются за 5—15 мин 17.
Сублимационная сушка с СВЧ энергоподводом аналогична другим процессам нагрева диэлектриков в микроволновом поле, т. е. тепло распределяется во всем объеме материала.
В технологическом процессе сублимационной сушки продукты сначала быстро замораживают, потом помещают в вакуумную камеру, где производится откачка давления остаточных газов до 2.7 — 8 Па 18. В вакууме происходит интенсивное испарение льда. Фактор потерь для замороженных пищевых продуктов по сравнению с влажными имеет меньшее значение, а для высушенных продуктов он еще ниже. Этот процесс идет с поглощением тепла, т. е. необходимо подводить тепло извне (теплота возгонки).
Существует способ сублимационной сушки с помощью теплоизлучения: тепло подается от специальных пластин, нагреваемых горячей жидкостью и помещаемых в вакуумной камере вблизи лотков с замороженными продуктами. В ходе процесса лед испаряется, а продукт приобретает вид губки значительно меньшей массы. Испаряемая влага конденсируется на специальных конденсационных пластинах, охлаждаемых до температуры ниже —55 оС. Эти пластины периодически очищают от наросшего льда.
Сублимированные продукты в герметичных полиэтиленовых пакетах можно перевозить и хранить без охлаждения.
Продолжительность теплоизлучения составляет от 8 до 24 ч и является наиболее длительной и сложной технологической операцией при возгонке льда. Поверхность возгонки с течением времени перемещается вглубь, снаружи появляется высушенный слой с малой теплопроводностью, который препятствует передаче тепла к внутренним замороженным частям продукта. Сократить это время можно только перегревом наружных высушенных слоев 18.
Микроволновая обработка обеспечивает равномерное распределение тепла по всему объему. Время сушки снижается в 10 и более раз, стоимость сушки уменьшается в 2—5 раз, а качество высушенной продукции улучшается. Общие капиталовложения для сооружения крупного цеха сублимационной сушки с микроволновым нагревом примерно на 30% меньше, чем при использовании традиционного нагрева.
Для улучшения технологического процесса необходимо немного увеличивать подводимую мощность в первой половине настолько, чтобы не произошло размораживание продукта или не возник электрический дуговой разряд. При дуговом разряде бесполезно теряется микроволновая мощность и происходит подгорание продукта. В конце процесса сушки, чтобы не произошло перегрева наружных слоев и, соответственно, ухудшения качества продукта, надо уменьшить подводимую мощность примерно на порядок. Так, для говядины максимально допустимая температура поверхностного слоя составляет +50°С, а для свинины — +40 оС 18.
Литература
1. Рогов И. А., Адаменко В. Я. Современные методы и оборудование для сверхвысокочастотной обработки пищевых продуктов в промышленности (обзор).— М.: ЦНИИТЭИлегпищемаш, 1971.- 22 с.
2. Некрутман С.В. Аппараты СВЧ в общественном питании.- М.: Экономика, 1973.- 117 с.
3. Рогов И. А., Некрутман С. В. Сверхвысокочастотный нагрев пищевых продуктов.- М.: Агро-промиздат, 1986.- 262 с.
4. СВЧ-энергетика.- М.: Мир, 1971.- Т. 1, 2, 3.-С. 290, 282, 315.
5. Рогов И. А., Горбатов А. В. Физические методы обработки пищевых продуктов. - М.: Пищевая промышленность, 1974.- 583 с.
6. Рогов И. А. Электрофизические методы обработки пищевых продуктов.- М.: Агропромиз-дат, 1988.- С. 165.
7. В. К. Мамыкин, И. А. Рогов, Г. М. Слепых и др. К вопросу об интенсификации сушки сырых видов колбас с использованием энергии СВЧ и вакуума. / Тез. докл. Всесоюзной научно-тех. конф. «Совершенствование техники, технологии сушки сельскохозяйственных и пищевых продуктов в соответствии с Продовольственной программой».- Полтава, 1984.- С. 54-55.
8. Мамыкин В. К. Исследование вакуумной сушки сыровяленых колбас с использованием СВЧ-энергоподвода / Тез. докл. 4-й науч.-тех. конф. по применению СВЧ-энергии для исследовательских целей и интенсификации технологических процессов.- Саратов.- 1983.- С. 6.
9. Лыкова А. В., Рогов И. А., Мамыкин В. К. Сушка сыровяленых колбас с использованием СВЧ-энергоподвода и вакуума // Мясная индустрия СССР.- 1985.- № 1.- С. 31.
10. В. К. Мамыкин, И. А. Рогов, А. В. Лыкова и др. О некоторых особенностях вакуумной сушки сырых колбас с использованием СВЧ-энерго-подвода. // Тр. ВНИЭКИПродмаш.- 1984.-№ 61.- С. 28.
11. А. И. Жаринов, М. О. Тираян, Г. М. Слепых и др. Использование многокомпонентных добавок для интенсификации производства сыровя-леных колбас. // Мясная индустрия СССР.-1984.- № 11.- С. 38.
12. Рогов И. А. Электрофизические методы обработки пищевых продуктов.- М.: Агропромиз-дат, 1988.- С. 170.
13. Рогов И. А. Электрофизические методы обработки пищевых продуктов.- М.: Агропромиз-дат, 1988.- С. 185.
14. Гинзбург А. С. Технология сушки пищевых продуктов.- М.: Пищевая промышленность, 1976.- 247 с.
15. Microwave dryer to be available in early 1982. // Farm Industry News.- Midwest.- 1981.
16. Staney E. Microwave Vacuum Drying. // Food Eng.- 1979.- V. 51.
17. Рогов И. А. Электрофизические методы обработки пищевых продуктов.- М.: Агропромиз-дат, 1988.- С. 179.
18. СВЧ-технологии: http://svch-tech.com/gold
