Способ создания инфракрасной среды для приготовления продуктов, устройство для его осуществления и источник инфракрасного излучения, используемый в устройстве (варианты)
METHOD OF CREATING INFRARED MEDIUM FOR PREPARATION OF PRODUCTS, DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF AND SOURCE OF INFRARED RADIATION USED IN DEVICE (EMBODIMENTS)

Группа изобретений относится к контактным и бесконтактным способам и устройствам для обработки и приготовления пищевых продуктов под воздействием инфракрасного (ИК) излучения и может быть использована в бытовом и промышленном оборудовании для производства готовых продуктов и полуфабрикатов, подогрева продуктов или поддержания их при необходимой температуре, стерилизации, расстойки теста и т.п.
Наиболее распространены устройства для обработки пищевых продуктов воздействием ИК-излучения, в которых в качестве источника излучения используется нагревательный элемент, расположенный внутри кварцевой трубки или трубчатый нагревательный элемент, или пластины с нанесенными на них электропроводящими элементами.
Известны также устройства, в которых использованы плоские источники ИК-излучения. В качестве примера можно привести устройство для приготовления пищевых продуктов по европейскому патенту №2906020 (МПК A47J 37/06; Н05В 6/64; Н05В 6/80, приор. 10.02.2014). Устройство содержит два источника инфракрасного излучения сверху и снизу от места расположения приготавливаемого продукта. Каждый источник содержит резистивный нагревательный элемент, контактирующий с керамической пластиной. При нагревании пластины становятся источниками инфракрасного излучения. Нижняя пластина выполнена из материала, непрозрачного для инфракрасного излучения, а верхняя из прозрачного или частично прозрачного. Таким образом, нижняя нагревательная пластина служит как кондуктивным, так и радиационным источником тепла, однако регулирование физических параметров ИК-излучения при данной конструкции печи затруднено. Судя по тому, что в устройстве использован также источник микроволнового излучения, инфракрасного излучения недостаточно для приготовления продукта.
Наиболее близкими к предлагаемым способу и устройству приготовления продуктов являются способ и устройство приготовления пищи с использованием источника инфракрасного излучения по заявке США №2008029503 (МПК А21В 1/22, F24C 7/04, F27D 11/00, приор. 10.02.2004). Устройство, реализующее способ, содержит два основных источника ИК-излучения, расположенных сверху и снизу по отношению к зоне приготовления продукта, дополнительные источники излучения и несколько отражателей ИК-излучения, формирующих определенные диаграммы направленности излучения. В качестве источников ИК-излучения использованы цилиндрические элементы. Верхний основной источник генерирует ИК-волны в диапазоне 1,63-1,7 мкм, а нижний в диапазоне 2-2,2 мкм. Отражатели и стенки камеры производят смещение спектра излучения в сторону увеличения длины волны. Формируемая в устройстве среда, в которой присутствует излучение со спектрами в указанных диапазонах и отраженное излучение с измененными спектрами, способствует сокращению времени приготовления. Благодаря поглощению ИК-излучения клетками внутри продукта приготовление происходит одновременно внутри и снаружи вне зависимости от температуры окружающей среды. Недостатком способа и устройства является то, что указанный спектр излучения не позволяет качественно приготовить продукты, имеющие различные оптические характеристики и консистенцию. Кроме того, при описанной конструкции печи невозможно прогнозировать спектральные характеристики инфракрасной среды внутри печи. Цилиндрические источники ИК-излучения не позволяют создать энергетически равномерную среду с незначительными градиентами. Также отражающие элементы формируют потоки с определенными диаграммами направленности излучения, что требует точного позиционирования продукта в месте их пересечения. Эти причины не позволяют получить стабильный кулинарный результат. Основной диапазон излучения находится вне полосы поглощения таких важных нутриентов, как насыщенные и ненасыщенные липиды, белки и сахара. Это вызывает необходимость длительного теплового воздействия и их деградации вследствие этого.
Наиболее близким к предлагаемому источнику ИК-излучения является источник, используемый в пленочной печи с электрическим нагревом по заявке Китая №102183051 (МПК F24C 7/04, приор. 06.04.2011). Источник представляет собой ИК-прозрачную стеклокерамическую пластину с нанесенной на нее резистивной пленкой, к которой присоединены провода для электроснабжения. Такая нагревательная система формирует инфракрасный поток, не содержащий отраженного излучения, и предназначена только для разогрева посуды, стоящей на плите.
За последние десятилетия пищевая ценность продуктов питания значительно снизилась (С.Н. Удинцев. Т.П. Жилякова «Современные методы повышения пищевой ценности сельскохозяйственной продукции». Вестник Томского государственного университета. Биология. 2012 г. №2 (18). С. 81-91). При традиционной тепловой обработке, когда основными способами передачи тепла являются конвекция и кондукция, происходит дополнительное снижение их пищевой ценности. В результате перегрева внешних слоев продукта органические нутриенты разрушаются, а неорганические выводятся с влагой в результате дегидратации продукта. Для того, чтобы организм получил необходимое количество полезных веществ, человек вынужден потреблять большее количество продуктов, что приводит к ожирению. Излишнее воздействие на нутриенты приводит к уменьшению пищевой ценности продукта в целом, поэтому актуально создание способов приготовления продуктов, при которых максимально сохраняются их полезные свойства. Необходимо создать среду для приготовления, в которой каждый из видов нутриентов получает минимально достаточное энергетическое воздействие, которое, с одной стороны, оптимально в отношении сохранности их полезных свойств, а с другой стороны, необходимо достаточно в отношении достижения кулинарного результата в целом. Известно, что пищевые системы представляют собой сложные смеси различных биохимических молекул, биологических полимеров, неорганических солей и воды. Инфракрасные спектры таких смесей возникают при механических колебаниях молекул или отдельных молекулярных агрегатов в очень сложном явлении взаимного перекрытия.
Техническая проблема состоит в том, чтобы создать внутри устройства универсальную ИК-среду, минимально достаточно воздействующую на любые виды нутриентов, с возможностью оперативного управления ее физическими характеристиками. Минимально достаточная мера теплового воздействия на нутриентный состав может быть достигнута одновременным равномерным ИК-воздействием на продукт со всех сторон. Благодаря этому все части продукта будут достигать готовности одновременно, избегая перегрева отдельных частей, расположенных не фронтально к источнику. Необходимо также разработать широкополосный источник ИК-излучения, который позволяет создать такую среду. Каждый продукт питания имеет сложный нутриентный состав. Каждый из нутриентов характеризуется определенной полосой инфракрасного поглощения. Воздействие на продукт именно в этом диапазоне определяет наибольший эффект сохранения полезных свойств. В универсальной среде для каждого нутриента и, соответственно, для каждого продукта должно быть обеспечено оптимальное воздействие, способствующее наилучшей сохранности пищевой ценности продукта в целом. Равномерность среды позволит получать необходимое воздействие на нутриентный состав при минимальном теплоэнергетическом воздействии.
Для создания такой ИК-среды предлагается в способе приготовления продуктов, в котором используют более одного источника ИК-излучения с широкополосными спектральными характеристиками ИК-излучения, использовать излучение с длиной волны 3-10 мкм. Температуру нагревательных элементов и оптические характеристики источников ИК-излучения необходимо выбирать таким образом, чтобы совокупность максимумов спектров излучения, воздействующего на продукт, соответствовала совокупности спектральных полос поглощения входящих в приготавливаемый продукт нутриентов. Интенсивность совокупного излучения источников должна быть минимально достаточной для доведения продукта до готовности. Источники ИК-излучения необходимо расположить таким образом, чтобы суммарный поток ИК-излучения, направленного на продукт, был равномерно распределен по всей зоне приготовления продукта.
Аминокислоты, полипептиды и белки обнаруживают 2 интенсивные полосы поглощения, локализованные в диапазоне от 3 до 4 и от 6 до 9 мкм. С другой стороны, липиды демонстрируют значительные поглощения по всему спектру инфракрасного излучения с 3 более сильными полосами поглощения, расположенными на 3-4, 6 и 9-10 мкм, тогда как углеводы имеют 2 сильных полосы поглощения в области 3 и 7-10 мкм. Таким образом, за счет создания ИК-среды с широкополосными спектральными характеристиками, решается проблема такого воздействия на продукт, при котором каждый из видов нутриентов получает минимально достаточное энергетическое воздействие, которое, с одной стороны, оптимально в отношении сохранности их полезных свойств, а с другой стороны, необходимо достаточно в отношении достижения кулинарного результата в целом. До сих пор при создании устройств для ИК-обработки продуктов не учитывалось то, что разные нутриенты имеют разные спектры поглощения. Не ставилась задача сохранения максимального сохранения полезных свойств продукта. Использовалось излучение узкого спектра с дальнейшим малоконтролируемым процессом его изменения при помощи отражателей.
Устройство для приготовления пищи содержит несколько ИК-источников излучения, причем источники ИК-излучения выполняют также функцию отражения ИК-излучения и направления его в зону приготовления продукта. Их количество, оптические характеристики материала, расположение (взаимное и по отношению к приготавливаемому продукту) и форма выбираются так, чтобы спектр ИК-излучения каждого источника, направленного в зону приготовления продукта, соответствовал спектральным полосам поглощения входящих в продукт нутриентов, а его интенсивность была минимально достаточной для доведения продукта до готовности. То есть совокупное излучение от всех источников создает аддитивную ИК-среду, которая является оптимальной для его приготовления. Источники излучения являются плоскими или выпукло-вогнутыми и расположены парами напротив друг друга по обе стороны от приготавливаемого продукта с возможностью изменения расстояния между ними.
Источник инфракрасного излучения, который может быть использован в предлагаемом устройстве, содержит нагревательный элемент, пластину из материала, прозрачного для инфракрасного излученияи пластину, расположенную с другой стороны от нагревательного элемента по отношению к первой пластине параллельно ей, выполненную из материала, имеющего меньшую прозрачность для инфракрасного излучения, чем первая пластина, причем обе пластины являются плоскими или выпукло-вогнутыми с одинаковым радиусом кривизны поверхности (расстояние между пластинами должно быть одинаковым по всей площади). Нагревательный элемент должен иметь такую конструкцию, чтобы была возможность прохождения отраженного от второй пластины ИК-излучения в сторону первой пластины и зоны приготовления, т.е. между отдельными частями нагревательного элемента должны быть ИК-проницаемые промежутки.
Первая пластина может быть также частично прозрачной для инфракрасного излучения. В этом случае она служит оптическим фильтром для получения ИК-спектра с нужными характеристиками.
В отличие от устройства по европейскому патенту №2906020, предлагаемые источники излучения позволяют сформировать более равномерно распределенное по зоне приготовления продукта ИК-излучение.
Часть излучения от нагревательного элемента, проходя через первую пластину, попадает в зону размещения продукта. Другая часть излучения, направленная в противоположную сторону, отражается от второй пластины и, также проходя через первую пластину, попадает в зону размещения продукта и суммируется с первоначальным излучением. Кроме того, первая пластина нагревается от нагревательного элемента и от температуры в зоне размещения продукта и также излучает ИК-волны в зону размещения продукта. Пластины в ИК-источнике имеют несколько назначений. Так, первая пластина 2 имеет конструкционное назначение, образуя стенку (грань), ограничивающую внутреннюю область приготовления продукта, она может служить фильтром ИК-излучения, сама являться источником излучения при ее нагреве, а также может служить несущей поверхностью при расположении на ней нагревательного элемента, как в случае с тонко- или толстопленочным резистивным нагревательным элементом. Вторая пластина 3 также может иметь ограничивающую функцию, только внешнюю по отношению к области приготовления и являться отражающим элементом ИК-излучения, исходящего от нагревательного элемента и первой пластины 2 и не попадающего в область приготовления. В свою очередь, эти виды излучения также отражаются от различных элементов конструкции. Этот процесс происходит многократно. Таким образом, в зоне размещения продукта складывается ИК-излучение от различных элементов конструкции. Создается возможность обеспечить необходимую степень воздействия на продукт.
Для повышения энергосберегающих свойств устройства между нагревательным элементом и второй пластиной может быть создан теплоизолирующий зазор. В зазоре может быть дополнительно размещен ИК-проницаемый теплоизолирующий материал, который минимизирует тепловое воздействие на внешнюю стенку конструкции.
Техническим результатом предлагаемого решения будет создание в устройстве ИК-среды, универсальной для приготовления любых продуктов питания без потери пищевой ценности (сохранение нутриентного состава) при минимально достаточном теплоэнергетическом воздействии (сокращение времени воздействия и уменьшение локальных перегревов).
Практическим следствием этого результата является уменьшение энергопотребления и повышение производительности и долговечности оборудования.
На фиг. 1 схематически изображено в разрезе расположение пластин источника ИК-излучения. 1а - плоские пластины; 1б - выпукло-вогнутые пластины.
На фиг. 2 изображен вариант выполнения ИК-источника излучения, где резистивный нагревательный элемент нанесен на ИК-прозрачную первую пластину равномерно по ее полезной площади, а вторая пластина является ИК-отражающим элементом.
На фиг. 3 изображен вариант выполнения источника ИК-излучения, в котором между нагревательным элементом и второй пластиной существует зазор, который может быть воздушным или заполненным изоляционным материалом.
На фиг. 4 изображено расположение плоских источников ИК-излучения в устройстве для приготовления пищи в виде куба в разрезе.
На фиг. 5 изображена конструкция, аналогичная изображенной на фиг. 4, составленная из выпукло-вогнутых источников ИК-излучения.
При осуществлении способа происходит проникновение ИК-излучения в глубь продукта. Глубина проникновения зависит от длины волны и структуры продукта. Поэтому излучение, представляющее собой широкий спектр одновременно излучаемых волн различной длины, воздействует, соответственно, на различные области внутри продукта. Создаются условия для приготовления продукта одновременно снаружи и в объеме. Экспериментально установлено, что именно при воздействии излучения спектра от 3 до 10 мкм происходит его равномерное проникновение вглубь продукта и дальнейшая инициация механизмов тепломассопереноса, практически не зависящих от конвекционных процессов. Большинство пищевых продуктов имеет неоднородную структуру и, соответственно, разнородные оптические характеристики, при этом проницаемость продуктов различной структуры для узкого спектра малопрогнозируема. Широкий спектр длин излучаемых волн, одновременно воздействующих на продукт, компенсирует неоднородность структуры продукта в отношении процессов тепломассопереноса. При выходе за границы этого спектра отмечалось ухудшение показателей сохранности нутриентного состава, например, уменьшение содержания витаминов и некоторых аминокислот.
Не менее важной является возможность минимально достаточного теплоэнергетического избирательного воздействия на нутриенты продукта с учетом их поглощательных свойств. ИК-волны, которые при генерации излучаются в сторону, противоположную зоне размещения продукта, возможно направить на него посредством отражения. В результате аддитивности изучения от всех элементов устройства получается более интенсивная ИК-среда, обеспечивающая необходимую степень воздействия на продукт.
При технологической необходимости возможно также дополнительно воздействовать на продукт теплом, генерируемым ИК-источником в воздушной среде в зоне размещения продукта (конвекция) или при непосредственном контакте с источником (кондукция). Таким образом, продукт подвергается комплексному воздействию.
В наиболее простом варианте источник ИК-излучения (фиг. 1) содержит нагревательный элемент 1, первую пластину 2, которая является ИК-излучающей поверхностью, и вторую пластину 3, которая отражает излучение от первой пластины и в то же время генерирует собственное ИК-излучение своего спектра. Нагревательный элемент 1 также является источником ИК-излучения с самой короткой в данной системе длиной волны. Пластина 2, в зависимости от оптических свойств материала, из которого она изготовлена, может частично или полностью пропускать ИК-излучение от нагревательного элемента и под действием нагревательного элемента 1 формировать собственный спектр ИК-излучения в необходимом диапазоне. То есть она должна быть выполнена из материала, прозрачного или частично прозрачного для ИК-излучения. Пластина 3 служит отражателем излучений от нагревательного элемента 1 и пластины 2 и под воздействием нагревательного элемента 1 формирует собственный спектр ИК-излучения в необходимом диапазоне. Для этого пластина 3 должна быть выполнена из материала, имеющего меньшую ИК-прозрачность, чем первая пластина 2. Таким образом, три элемента источника ИК-излучения формируют широкий спектр излучения в диапазоне от 3 до 10 мкм с возможностью акцентировать излучение в диапазоне, определяемом нутриентным составом продукта. Пластины 2 и 3 могут быть плоскими (фиг. 1а) или выпукло-вогнутыми (фиг. 1б).
Для генерации ИК-излучения может быть использовано как углеводородное топливо, так и резистивный нагрев. Нагревательные элементы могут иметь любую конструкцию, так, чтобы обеспечить генерацию ИК-излучения с необходимыми спектрами излучения. Кроме того, конструкция должна обеспечить возможность прохождения отраженного от второй пластины ИК-излучения в сторону первой пластины и зоны приготовления, т.е. между отдельными частями нагревательного элемента должны быть ИК-проницаемые промежутки. Например, отдельные части нагревательного элемента могут равномерно чередоваться с ИК-проницаемыми промежутками.
В одном из вариантов (фиг. 2) нагревательный элемент 1 представляет собой электропроводящие участки из резистивного материала на поверхности пластины 2. Вторая пластина 3 расположена позади них по отношению к зоне размещения продукта. Наилучшие результаты наблюдались, если части нагревательного элемента были равномерно расположены относительно рабочей части первой пластины.
Нагревательный элемент может быть также нанесен на первую пластину любым известным способом по толстопленочной или тонкопленочной технологии. Как указано выше, участки с нанесенным слоем должны чередоваться с участками, проницаемыми для ИК-излучения, чтобы обеспечить возможность прохождения отраженного от второй пластины 3 ИК-излучения в сторону первой пластины 2.
Регулирование подачи углеводородного топлива или электропитания нагревательных элементов и контроль температуры пластин и температуры в зоне приготовления продукта может производиться известными способами.
Для повышения энергосберегающих свойств устройства между нагревательным элементом 1 и второй пластиной 3 может быть создан теплоизолирующий зазор. В зазоре может быть дополнительно размещен ИК-проницаемый теплоизолирующий слой из теплоизолирующего материала 4 (фиг. 3), который минимизирует тепловое воздействие на внешнюю стенку конструкции.
Устройство для приготовления пищи содержит несколько ИК-источников излучения, состоящих из нагревательного элемента 1, первой пластины 2 и второй пластины 3 (фиг. 4 и 5). Их количество, расположение и форма выбираются таким образом, чтобы обеспечить необходимую степень воздействия ИК-излучения на продукт, которая определяется оптическими свойствами нутриентного состава продукта. Основным способом доставки тепловой энергии в продукт является электромагнитное излучение. Мера этого энергетического воздействия для решения поставленных задач должна соответствовать способности поглощения того или иного преобладающего нутриентного состава продукта (белки или углеводы, например). Следовательно, так как каждый из источников вносит свой вклад в суммарное энергоснабжение, а аддитивные факторы увеличивают его, необходимо выбирать количество источников и регулировать расстояние от источников до продукта с учетом основного нутриентного состава.
Практическим путем было установлено, что температура окружающей среды в зоне приготовления играет второстепенную роль по сравнению с энергетическим воздействием инфракрасного излучения, а сами спектральные характеристики и оперативное управление ими, напротив, имеют определяющее значение в достижении сохранности пищевой ценности и кулинарных результатов. Под оперативным управлением подразумевается степень нагрева и периодичность энергоподачи на нагревательный элемент, а также выбор расстояния от ИК-излучателей до продукта с его изменением при необходимости, а также изменение объема рабочей области внутри устройства, то есть расстояния между парами ИК-излучателей. В некоторых случаях, чтобы избежать конвекционного перегрева продукта, при котором происходят интенсивные потери в нутриентном составе, целесообразно производить принудительный отвод горячего воздуха.
Изменение расстояния между ИК-источниками, т.е. уменьшение внутреннего объема предлагаемого устройства приводило к уменьшению энергозатрат до 40%.
Для того, чтобы использовать аддитивный эффект вместе с многократным отражением, ИК-источники излучения должны быть расположены напротив друг друга, образуя пары. При этом каждый ИК-источник отражает излучение от расположенных напротив ИК-источников. Этот процесс происходит многократно. Таким образом, в зоне размещения продукта излучение суммируется.
Пар источников ИК-излучения может быть несколько. Оптимальным вариантом выполнения устройства является образование тремя парами плоских источников замкнутого пространства в виде куба или параллелепипеда (фиг. 4), но пар может быть и больше. Источники также могут иметь выпукло-вогнутую форму (фиг. 5).
ИК-источники излучения могут служить конструкционными деталями каркаса оборудования (стенки, дверцы, под и свод, полки).
Наилучшим вариантом осуществления изобретения является устройство с тремя парами ИК-излучателей, выполненных из стеклокерамики, образующих конструкцию в форме куба. В этом устройстве при достижении, с целью получения широкого спектра излучения от 3,7 мкм до 9 мкм, температуры нагревательного элемента в 600°С и пластины 2, обращенной внутрь устройства, в 500°С, производился принудительный воздухоотвод для поддержания температуры воздушной среды до 60°.
В устройство был помещен кусок мяса весом в 1000 г. Он был доведен за 30 мин. до температуры внутри продукта в 78°С (температура готовности). Температура внутри продукта контролировалась кулинарным термометром.
Хлеб весом 700 гр., расположенный в предлагаемом устройстве, приготовился при температуре окружающей среды в 150°С за 17 мин, т.е. в 2 раза быстрее, чем при приготовлении в бытовой духовке или промышленной печи.
Тушка рыбы весом 760 г доведена до температуры готовности в 73°С за 10 мин.
В некоторых технологических процессах (например, обработка однородного продукта, в частности, выпечка хлеба или стерилизация молока) требуется ИК-среда ограниченного диапазона. В этом случае первая пластина 2 должна быть выполнена из материала частично прозрачного для ИК-излучения, т.е. имеющего оптические характеристики, соответствующие необходимой полосе пропускания ИК-излучения.
Здесь описаны возможные варианты осуществления изобретения. Однако специалистами в данной области в описанные конструкции могут быть внесены изменения и дополнения, связанные с решением специфических задач, которые не выходят за рамки формулы изобретения.
Время на приготовление продуктов с использованием устройств предлагаемой конструкции сокращалось до 50% по сравнению с традиционными способами. Например, приготовление хлеба из 600 г теста в устройстве, изображенном на фиг. 4, заняло 15 мин. при нормативе 40 мин.
Готовности продукта до необходимой кондиции оказалось возможно достичь при пониженных по отношению к общепринятым температурах. Например, приготовление мясного стейка в таком же устройстве происходило при температуре в зоне размещения продукта менее 50°С.
Благодаря сокращению времени приготовления и снижению температуры уменьшается энергопотребление и повышается производительность и долговечность оборудования.
Потери в весе были значительно меньше, чем при традиционных способах приготовления (в хлебобулочных изделиях - до 6% от веса сырья, в мясе - до 5%, в рыбе - до 6%). Практически отсутствовало парообразование во время приготовления. Приготовленный продукт получался мягким и сочным. По желанию продукт можно приготовить с корочкой или без нее. Предлагаемая технология позволяет максимально сохранить нутриентный состав продуктов, что невозможно сделать при общепринятых способах тепловой обработки.
Сокращается количество операций, необходимых для приготовления. Так, для приготовления замороженного мяса не требуется его заранее нагревать до комнатной температуры. При жарении мяса не нужно его сначала обжаривать при более высокой температуре. Снижаются требования к квалификации персонала.