Файл: Рогов И.А. Физические методы обработки пищевых продуктов.pdf

Г л а в а III

ОБРАБОТКА ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ ПЕРЕМЕННЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Многообразие термических процессов перера­ ботки сырья, большинство из которых в силу малой теплопро­ водности продукта чрезвычайно продолжительны, затрудняет автоматизацию и механизацию производственных процессов. В настоящее время следует считать доказанным практическую возможность интенсификации термических процессов путем ис­ пользования нагрева электроконтактным методом (ЭК), в высо­ кочастотном (ВЧ) и сверхвысокочастотном (СВЧ) полях. При­ менение этих методов резко ускоряет течение процессов, повы­ шает производительность труда, снижает потребность в произ­ водственных площадях. Кроме того, повышается качество про­ дукции, а также резко улучшаются санитарно-гигиенические условия труда.

Специфическим преимуществом ЭК, ВЧ и СВЧ-методов перед другими способами подвода тепла является возможность доста­ точно равномерного нагрева изделия по всему объему вне зави­ симости от коэффициента теплопроводности и толщины продук­ та. Нагрев в идеальных условиях осуществляется без темпера­

турного градиента = o j, при этом материал может погло­

щать значительную энергию за весьма короткие промежутки времени. Кроме того, варьируя формой рабочего органа и типом волны, можно создать тепловые режимы обработки с заранее намеченной температурной неравномерностью, что создает но­ вые технологические возможности. Длительность такого нагре­ ва зависит только от подводимой мощности и не зависит от фор­ мы и объема обрабатываемого изделия. Отсутствие контакта в случае ВЧ и СВЧ-нагрева с теплоносителями позволяет разра­ ботать простые нагревательные устройства. При ЭК, ВЧ и СВЧнагревах тепло выделяется непосредственно в обрабатываемом материале, окружающие детали остаются холодными, что рав­ носильно отсутствию тепловой инерции нагревателя. При ис­ пользовании этих методов в сушке в противоположность обыч­ ной направление потоков тепла и влаги совпадают, что естест­ венно ускоряет течение процесса. И, наконец, следует указать, что при СВЧ-методе (2400 МГц) поглощение энергии материалом

275

зависит от влажности, т. е. больше нагреваются участки продук­ та, имеющие более высокое содержание влаги, поэтому в про­ цессе нагрева происходит автоматическое выравнивание влаж­ ности в материале, а при его сушке количество потребляемой энергии также автоматически сокращается по мере высушива­ ния продукта.

В настоящее время нет достаточно убедительных доказа­ тельств непосредственного влияния СВЧ-поля на микробную клетку. Однако, исследования по интегральному эффекту воз­ действия СВЧ-поля на пищевые объекты, показали, что можно пастеризовать продукт в потоке, резко сократить длительность или понизить температуру стерилизации. Единого мнения о дей­ ствии СВЧ-поля на микроорганизмы пока нет. В некоторых слу­ чаях бактерицидный эффект объясняется непосредственным вза­ имодействием электромагнитного поля с жизненно важными эле­ ментами клетки. Результатом этого является гибель или подав­ ление ее жизнедеятельности, экспериментальные доказательства такого подхода затруднены сложностью отделения теплового действия электромагнитного поля, которое даже при малых мощностях источника может быть весьма большим вследствие локальности выделения энергии, являющейся результатом ди­ скретных свойств самой клетки, ее оболочки и окружающей среды.

Именно эта позиция позволяет более реально, на сегодняш­ ний день, подойти к объяснению бактерицидного действия СВЧнагрева как теплового, хотя отличающегося от обычного локаль­ ным характером распределения температур. Такое расхождение во взглядах не является антагонистическим, так как возможно, что эти воззрения представляют собой различные, но дополняю­ щие друг друга аспекты одной задачи. Правда, это еще пред­ стоит доказать экспериментально.

Микрочастицы, образующие вещество, обладают электриче­ скими зарядами, которые по взаимодействию с внешним элект­ рическим полем делятся на две группы. Заряды первой группы легко перемещаются под действием внешнего поля, их называют свободными; заряды второй группы по ряду причин резко огра­ ничены в возможности перемещения, их называют связан­ ными.

Заряды первой группы под действием внешнего электриче­ ского поля перемещаются, образуя ток проводимости. В то же время связанные заряды только смещаются в ограниченных пре­ делах, что создает ток смещения.

Таким образом, при воздействии высокочастотного поля на реальный материал в нем возникают сложные процессы, связан­ ные как с наличием тока проводимости, так и с поляризацией вещества.

276

Воздействие высокочастотного поля на продукт сопровожда­ ется возникновением полей температуры, влажности, механиче­ ских деформаций, химических реакций и т. д. В свою очередь эти поля взаимодействуют один с другим, вследствие чего пер­ вичное электрическое поле искажается.

Мощность рассеивания Р (кВт) в материале, помещенном в конденсатор емкостью С, можно определить из уравнения

Эту формулу можно преобразовать и получить удобное урав­ нение, характеризующее удельную мощность Руд (кВт/м3):

Из уравнения (III—2) следует, что мощность рассеивания в продукте прямо пропорциональна квадрату градиента напряже­ ния, частоте тока, произведению е на tg о. Произведение е на ■tg 8 представляет собой фактор потерь.

Теоретически равномерный диэлектрический нагрев будет на­ блюдаться при одинаковом градиенте напряжения во всех участ­ ках продукта. Это было бы возможно при условии полной одно­ родности продукта, а также в том случае, когда нет потерь тепла в окружающую среду. В действительности продукт, особенно животная ткань, представляет собой неоднородную среду с не­ равномерно распределенными электрическими свойствами. На-

.личие в электрическом поле неоднородной системы приводит к его искажению, что вызывает перераспределение напряженности, в результате чего термический эффект будет неодинаковым.

При воздействии высокочастотного электрического поля на пищевые продукты возникает комплекс разнообразных явлений. Большинство пищевых продуктов представляют собой компози­ цию из различных веществ, обладающих весьма отличным один от другого фактором потерь, поэтому в ряде случаев возможен ■селективный характер выделения энергии и соответственно рас­ пределение температурных полей. Такая неоднородность темпе­ ратур — источник образования поля механических напряжений и деформаций. Это явление может приводить к разрыву и рас­ трескиванию материала.

Возникновение температурных градиентов может изменить картину поля влажности, а также ускорить некоторые физико­

277

химические процессы. В свою очередь все эти поля воздействуют на электрическое поле, так как при нагревании, высушивании и т. д. изменяются значения в и tg 8, а следовательно, напря­ женность поля и удельные потери в материале. Совместное рас­ смотрение всех этих явлений очень затруднительно, поэтому приходится ограничиваться определенным кругом задач, выяв­ ляя основные из них.

Стремление к увеличению удельной энергии достигается в настоящее время путем использования токов сверхвысокой час­ тоты (СВЧ). Частоты, разрешенные к использованию в техноло­ гических установках в диапазоне СВЧ в различных странах, представлены в табл. 74 [113].

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

Электрическое поле является векторной вели­ чиной и характеризуется напряженностью Е (В/м), представляю­ щую собой силу, с которой поле действует на единичный заряд, помещенный в рассматриваемую точку пространства. Магнитное поле также является векторной величиной, при этом под напря­ женностью магнитного поля Н (А/м) понимают силу, с которой поле действует на элемент тока, помещенного в рассматривае­ мую точку. Электрическое и магнитное поля взаимосвязаны и могут превращаться одно в другое.

278