Опыт применения СВЧ-энергии при производстве пищевых продуктов

УДК 621.3.029.6:664.66

Опыт применения СВЧ-энергии

при производстве пищевых продуктов

Н.Ф. Ушакова, аспирант, Т.С. Копысова, аспирант, В.В. Касаткин, д-р техн. наук, профессор Ижевская государственная сельскохозяйственная академия А.Г. Кудряшова, канд. техн. наук

Камский институт гуманитарных и инженерных технологий», г. Ижевск

Сверхвысокочастотный (СВЧ) нагрев - это использование энергии электромагнитного поля сверхвысокой частоты с диапазоном частот 3х108 - 5- 3х1010 Гц для нагревания различных сред и тел в промышленных и других целях. По данным международного соглашения о разделении частот для СВЧ-установок применяются частоты 895ч915 МГц и 2350ч2450 МГц [1].

В пищевой промышленности возникли целые отрасли с использованием энергии электромагнитных колебаний сверхвысокой частоты. В основном токи СВЧ применяются в технологических процессах, использующих свойство веществ активно поглощать энергию высокочастотных электромагнитных колебаний [2].

Пищевые продукты представляют собой гетерогенные системы, в состав которых могут входить вода, электролиты (растворы солей, кислот, спиртов) и органические вещества различной степени полярности. Попадая в зону действия электромагнитного излучения (СВЧ-поле), полярные молекулы стремятся ориентироваться в соответствии с электрической характеристикой возникшего поля так, чтобы центры положительных зарядов и молекулы были направлены к минусовому полюсу поля, а центры отрицательных зарядов - к положительному. Однако вследствие переменного характера электромагнитного поля положение полярных молекул непрерывно меняется, в результате его возникает непрерывная вибрация молекулярной системы и выделяется тепло. Особенно подвержены такой вибрации молекулы воды. Поэтому пищевые продукты, содержащие повышенное количество воды, быстрее нагреваются при использовании микроволновой энергии [3].

Колебания молекул различных веществ отличаются количественными характеристиками, определяющими их способность нагреваться под воздействием микроволнового излуче-

Ключевые слова: СВЧ; пищевая промышленность; нагрев; хлебопекарная отрасль; молочная промышленность; экстракция.

Key words: microwave; food industry; heating; bakery; dairy; product extraction.

ния. В основе этих явлений, связанных с выделением тепла, лежит поляризация диэлектрических материалов, к которым относится большинство пищевых продуктов [3-5]. Такая поляризация может быть электронной, ионной и дипольной. На эти элементарные процессы накладываются также макроструктурная поляризация системы (комплекс единичных процессов в пределах отдельных фаз гетерогенного вещества), электрическая поляризация, обусловленная движением диссоциированных ионов электролита и приводящая к местному концентрированию положительных и отрицательных ионов. Сложность состава и структуры пищевых продуктов обусловливает и сложность процессов поляризации, возникающих в продукте под влиянием микроволнового электромагнитного поля [3].

По данным Р.Э. Тиграняна, при воздействии на биологический объект СВЧ-энергией происходит не просто нагрев объекта, но и образование механических колебаний. Колебания проявляются в виде капиллярной акустической волны, приводящей к деформации мембраны клеток биологического объекта. При суммировании амплитуд капиллярной волны с равной фазой растяжения при определенных параметрах облучения происходит либо увеличение размера пор мембраны, либо расслоение миелиновой оболочки. Если же суммируются фазы сжатия, то уменьшаются размеры пор мембраны. При этом структурные изменения объекта могут происходить при

действии внешней силы, как медленно проходящей, накапливающейся во времени и приводящей к частичному нарушению функционирования мембраны, так и при больших значениях внешней силы - необратимые изменения [2].

Достоинство микроволнового нагрева связано с явлением проникновения электромагнитного поля в пищевые продукты, вызывая возникновение тепловой энергии по всей толщине продукта одновременно. При известной глубине проникновения микроволн в конкретный пищевой продукт можно заранее определить наиболее рациональные его размеры и формы и оптимально сократить продолжительность термической обработки.

Следует учитывать, что глубина проникновения СВЧ-поля в процессе термической обработки увеличивается непрерывно, так как с повышением температуры объекта и снижением влагосодержания диэлектрические потери уменьшаются. А глубина проникновения соответственно растет. Для предупреждения перегрева отдельных частей продукта и сокращения продолжительности его термической обработки при однородной степени прогрева толщину пищевого изделия следует ограничить до 20-30 мм. Если величина проникновения микроволнового поля велика, температура внутри изделия может оказаться выше, чем на периферии (например, у хлебобулочных изделий) [3].

Энергия СВЧ-поля, перешедшая в тепло в результате молекулярного трения зависит от напряженности поля в продукте, частоты тока и диэлектрических характеристик продукта [6]. На темп нагрева продукта влияют в основном удельная тепловая мощность, генерируемая в продукте, и его теплоемкость. Характер переноса тепла и массы зависит от рабочей частоты СВЧ-генератора, структуры продукта и темпа нагрева [5].

Большинство пищевых продуктов при использовании СВЧ-нагрева должно иметь толщину, соответствующую удвоенной величине проникновения волн данной частоты [3, 4].

СВЧ-нагрев имеет ряд преимуществ перед традиционными методами термической обработки [3-5]:

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;

TECHNICAL SUPPLY OF INDUSTRY

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.

Благодаря своим преимуществам СВЧ-нагрев широко применяется для сушки фруктов, чая, сахара, соли, мяса, кулинарных изделий, злаковых культур; варки мяса, колбас; бланширования овощей и фруктов; размораживания замороженных продуктов; пастеризации вина, пива, молока, пюре, соков, маринадов; стерилизации хлебобулочных, кондитерских изделий, консервов; экстракции эфирных масел, мясных бульонов.

При сушке продолжительность обезвоживания сокращается (до 515 мин). Потери продукта снижаются, а качество обезвоживания улучшается, влагосодержание несколько уменьшается, остаточная влага распределяется более равномерно. Ре-гидратация продукта происходит быстрее. Увеличивается сохранность витаминов, пищевых веществ [5, 7].

При бланшировании сокращаются продолжительность обработки и потери продукта [4, 5].

При размораживании СВЧ-нагрев позволяет примерно в 5 раз ускорить процесс при сохранении пищевой ценности и органолептических свойств продукта [4, 5]. Таким способом, как за рубежом, так и в нашей стране, активно размораживают мясо, рыбу, фрукты, овощи, хлеб, различные полуфабрикаты.

При пастеризации молока и других жидких продуктов водорастворимые витамины подвергаются наименьшим изменениям, бактерицидный эффект достигается при меньших температурах пастеризации, чем при использовании традиционных источниках нагрева [1, 8].

Эффективность стерилизации подтверждается сокращением числа микроорганизмов в продукте, прекращением размножения бактерий, что показано в опытах с фруктовыми

консервами, соками, мясом, хлебом. Продолжительность процесса стерилизации мяса сокращена с 40 до 3 мин [4].

При обработке СВЧ-энергией творожного сгустка сокращается время обезвоживания, снижаются потери сухих веществ и жира с сывороткой [1], что может быть использовано в технологии производства творога, сыра.

При варке колбас, сосисок в СВЧ-поле продолжительность процесса сокращается с минут до секунд при сохранении характерных для продукта органолептических свойств и соответствия нормативным докумен-там[4].

Известно применение СВЧ для ускорения процесса экстракции растительного сырья при выработке эфирных масел. Так, А.В. Ткачев в своей монографии пишет о том, что дополнительная обработка растительного сырья СВЧ-полем позволяет увеличить выход конечного продукта. Гидродистилляция при нагревании в микроволновой печи резко ускоряет процесс выделения эфирного масла, хотя несколько меняет его состав, поскольку воздействие микроволнового излучения вызывает не просто нагрев массы, а ускоряет деструкцию исходной структуры материала и облегчает, таким образом, экстракцию содержащихся в них низкомолекулярных веществ [9].

Технология СВЧ-нагрева апробирована в том числе и в хлебопекарной промышленности. В большей степени данный вид нагрева изучали на примере технологии производства пшеничного хлеба как самого распространенного вида производимой продукции.

При обработке муки в СВЧ-поле снижается количество картофельной и сенной палочки [6, 10-12]; инакти-вируется амилаза, денатурируется клейковина, тесто из муки не обладает тягучестью, а сдобное тесто оказывается значительно более вязким, чем такое же тесто из обычной муки [6]; уменьшается объем хлеба, образуются бледная корка, плотный неэластичный мякиш со слабо развитой пористостью [10, 11].

При обработке дрожжевого полуфабриката электромагнитным полем сверхвысокой частоты (микроволновое поле) интенсифицируется процесс брожения [13, 14]. При обработке в течение 15 с незначительно возрастают титруемая кислотность и количество выделенного СО2; при обработке в течение 30 с значительно уменьшается процесс газообразования, повышается кислотность, происходит деструкция дрожжевых кле-

ток. Качество хлеба, приготовленного на обработанной опаре, превышает показатели качества контрольного образца. По сравнению с контрольным хлеб теряет свежесть значительно медленнее.

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 [15].

При использовании выпечки в электромагнитном поле сверхвысокой частоты позволяет поднять темп нагрева и сократить продолжительность тепловой обработки в 5-10 раз по сравнению с поверхностным нагревом, исключается подгорание изделий, полнее сохраняется питательная ценность продукта, увеличивается выход готовых изделий [6, 16]. При использовании электромагнитного поля при выпечке хлеба тестовая заготовка прогревается быстро, что ускоряет процесс выпечки; потери от упека уменьшаются в среднем на 0,5 % [17]. Тестовая заготовка превращается в практически бескорковый хлеб [16, 18, 19]. При этом комбинированные способы выпечки СВЧ и инфракрасного нагрева решают данную проблему с характерной для хлеба коркой на поверхности [6, 18].

Обработка СВЧ готовых мучных кондитерских и хлебобулочных изделий подавляет активность плесневой микрофлоры, что позволяет увеличить срок хранения изделий [6, 11, 18, 20].

Представленные данные показывают, что СВЧ-нагрев до сих пор вызывает интерес у специалистов пищевой промышленности. Рассмотренные области применения СВЧ-нагрева, а также его воздействие на пищевые среды способствуют активному использованию микроволн в пищевой промышленности, в первую очередь для интенсификации технологических процессов, снижения энергоемкости производства, обеззараживания продуктов, а также повышения качества и выхода продукции.

ЛИТЕРАТУРА

1. Орлов, В.В. Перспективы применения микроволновой обработки жидких пищевых продуктов/В.В. Орлов, А.С. Алферов//НИУ ИТМО. Серия Процессы и аппараты пищевых производств. - 2006. - № 2 (2).

2. Тигранян, Р.Э. Вопросы электро-магнитобиологии/Р.Э. Тигранян.- М.: ФИЗМАТЛИТ, 2010. - 352 с.

3. СВЧ-нагрев пищевых продуктов. Обзорная информация//ЦНИИТЭИ Пищепром: Пищевая промышленность. - 1983. - Сер.14.- Вып. 9. -. 21 с.

4. Рогов, И.А. Техника сверхвысокочастотного нагрева пищевых продук-тов/И.А. Рогов, С.В. Некрутман, Г.В. Лысов. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. - 200 с.

5. Рогов, И.А. Физические методы обработки пищевых продуктов/И.А. Рогов, А.В. Горбатов. - М.: Пищевая промышленность, 1974. - 583 с.

6. Фиргер, П.Д. Применение электрофизических методов выпечки хлебобулочных изделий в СССР и за рубежом (обзор)/П.Д. Фиргер.-М.:ЦНИИТЭИ пищепром, 1974. - 47 с.

7. Сублимационная сушка жидких термолабильных продуктов пищевого назначения. Технология и оборудование с комбинированным энергоподводом: монография/ В.В. Касаткин [и др.].- Ижевск: РИО «Ижевская ГСХА», 2004. - 306 с.

8. Okmen, Z.A. Effect of microwave processing on water soluble vitamins. Kinetic parameters/Z.A. Okmen, A.L. Bayindiri//Int. J. Food Prop. - 1999. -№ 3. - Р. 255-264.

9. Ткачёв, А.В. Исследование летучих веществ растений/А.В. Ткачев. -

Новосибирск: Издательско-полигра-фическое предприятие «Офсет», 2008. - 969 с.

10. Использование СВЧ-энергии при разработке технологии диетических сортов хлеба/Н.В. Цугленок [и др.]//Механизация и электрификация сельского хозяйства. - 2004. -№ 2. - С. 16-17.

11. Юсупова, Г. Обеспечение микробиологической безопасности муки и хлеба энергией СВЧ-поля/Г. Юсупова/Хлебопродукты. - 2008. - № 11. -С. 54-56.

12. Юсупова, Г.Г. Применение энергии СВЧ-поля для обеспечения безопасности и улучшения качества продуктов растительного происхожде-ния/Г.Г. Юсупова, Ю.И, Зданович, Э.И. Черкасова//Хранение и переработка сельхозсырья. - 2005. - № 7. -С. 27-29.

13. Влияние микроволнового поля на процесс брожения мучного полуфабриката и качество готовой продук-ции/М.А. Силагадзе [и др.]//Хране-ние и переработка сельхозсырья. -2006. - № 12. - С. 33-35.

14. Математическое моделирование микроволнового воздействия на непрерывный поток жидкой опары для пшеничного теста/А.Ш. Гвинепадзе [и

др.]//Хранение и переработка сель-хозсырья. - 2008. - № 11. - С. 71-74.

15. Арсланов, Ш. Влияние электрофизических воздействий на технологический процессхлебопечения/Ш. Арсланов//Хлебопродукты. - 2010. -№ 11. - С. 56-57.

16. Sumnu, G. A review on microwave baking of foods/G. Sumnu// International Journal of Food Science and Technology. - 2001. - Vol. 36. -№ 2. - P. 117-127.

17. Маматов, И.М. Исследования тепло- и массопереноса в тесте-хлебе при воздействии электромагнитного поля/И.М. Маматов, К.О. Додаев// Хранение и переработка сельхозсы-рья. - 2002. - № 10. - С. 30-32.

18. Ауэрман, Л.Я. Технология хлебопекарного производства: учебник. -9-е изд.; перераб. и доп./Л.Я. Ауэрман; под общ. ред. Л.И. Пучковой. -СПб.: Професия, 2005. - 416 с.

19. Пащенко, Л.П. Технология хлебобулочных изделий/Л.П. Пащенко, И.М. Жаркова. - М.: КолосС, 2008. -389 с.

20. Yousif, E.I. Effects of microwave heating on the rheological and baking properties of wheat flour/E.I. Yousif, H.I. Khalil//Ann.agr.Sc. - 2000. - Vol. 45. - № 2. - P. 541-553.

1

28-29 ноября 2013 г., Москва,

Гостиничный комплекс «Молодежный»

Отраслевая научно-практическая конференция «АКТУАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ТРЕБОВАНИЙ ЗАКОНОДАТЕЛЬСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ И ТАМОЖЕННОГО СОЮЗА В ПРОИЗВОДСТВЕ МОРОЖЕНОГО»

Союз мороженщиков России

совместно

с Всероссийским научно-исследовательским институтом холодильной промышленности (ВНИХИ) 28-29 ноября 2013 г.

проводит

отраслевую научно-практическую конференцию «Актуальные вопросы выполнения требований законодательства Российской Федерации и Таможенного Союза в производстве мороженого».

Место проведения -

Москва, конференц-зал отеля «Молодежный»,

В работе конференции примут участие представители производителей мороженого, ингредиентов, сырья, Министерства сельского хозяйства РФ, Департамента технического регулирования и аккредитации Евразийской Экономической Комиссии, Союза участников потребительского рынка, РСПП, научно-исследовательских институтов, отраслевых Союзов и СМИ.

Стоимость участия в конференции составляет 12 500 руб. для членов Союза мороженщиков России - 6 800 руб.

Выступление с презентацией - дополнительно 3500 руб. (все цены указаны с учетом НДС - 18 %). Взнос включает: информационный пакет, участие во всех мероприятиях конференции, обеды, ужин.

Приглашаем Вас принять участие в крупнейшем отраслевом мероприятии

Дополнительную информацию можно получить по тел.: (495) 638-55-62; е-таП: mmx-2007@mail.ru, smr1@inbox.ru