5.8 Електрофізичні методи обробки харчових продуктів

Загальні відомості

Розглянуті вище технологічні процеси у ряді випадків досягли граничних швидкостей і за своєю природою не можуть бути інтенсифіковані без нових науково-технічних рішень, грунтованих на сучасних досягненнях науки і техніки.

За останні роки в нашій країні і за кордоном розроблені і впроваджені у виробництво високоінтенсивні процеси і апарати, грунтовані на електрофізичних методах (електростатичне поле, струми промислової частоти, струми ВЧ і НВЧ, інфрачервоне випромінювання, ультразвук, імпульсна техніка та ін.), використання яких дозволить у ряді випадків по-новому побудувати технологічний процес, значно збільшити продуктивність праці, підвищити якість і вихід готового продукту, понизити металло- і енергоємність машин і установок.

Обробка харчових продуктів в електростатичному полі

Електронно-іонну технологію (ЕІТ) застосовують, наприклад, для електрогазоочищення, осадження продукту з електродиспергуванням при сушці, для електрокопчення і паніровки м'яса і риби, нанесення консервуючих речовин на поверхню продукту, сепарації зерна, чаю, олійного насіння і продуктів помелу, поліпшення тієї, що проростає і хлібопекарських якостей зерна та ін. Установки для ЕІТ конструктивно прості, вони зазвичай є камерою з електродами, що утворюють електричне поле, в якому обробляються продукти.

Осадження компонентів коптильного диму на рибі, м'ясі і інших харчових продуктах, поміщених в електричне поле, є процес електрокопчення, при якому компоненти коптильного диму під дією електростатичних сил осідають на поверхні продукту, а потім дифундують в нього, внаслідок чого відбувається фарбування поверхні виробу в коричнево-золотисті тони, продукт придбаває специфічний аромат і смак копчення, а також досягається бактерицидний і антиокислительный ефекти.

Процес електрокопчення протікає впродовж 2…5 хв замість декількох годин при звичайних способах.

Обробка харчових продуктів струмами промислової частоти

Велика тривалість звичайного методу розморожування (дефростации) риби і низька якість отримуваної при цьому продукції привели до використанню нагріву електроконтакта для розморожування блоків мороженої риби. Суть методу полягає в тому, що електричний струм, проходячи через продукт, що має опір, викликає його нагрівання, за рахунок якого розморожування прискорюється в 10…15 разів.

Малюнок 5.30 Схема розморожування Малюнок 5.31 Схема валкового

брикетів риби НВЧ електроплазмолізатору

Установка для розморожування брикетів риби струмами промислової частоти (мал. 5.30) складається з ванни 1 і двох перфорованих електродів 2 з ізоляційними прокладеннями 3. Живлення установки здійснюється безпосередньо від мережі.

До процесів обробки електроконтакта харчових продуктів відноситься і електроплазмоліз, який застосовують для інтенсифікації пресового способу витягання соку з рослинної сировини.

Малюнок 5.32 Схема апарата для електрофлотації

Основними робочими органами простого валкового электроплазмолизатора (мал. 5.31) являються два металевих рифлених вальца, що обертаються назустріч один іншому в електрично ізольованих підшипниках. До валків підводиться електричний струм промислової частоти. Потрапляючи між валками, сировина стискається і одночасно піддається електричній обробці, в результаті якої руйнується протоплазма і вихід соку при цьому збільшується на 8…10% по порівнянню із звичайними методами.

За допомогою обробки електроконтакта проводять і електрофлотацію. Суть цього процесу, розробленого Б.М. Матовим, полягає в розкладанні постійним електричним струмом води оброблюваної рідини на кисень і водень, який потім у вигляді дрібних бульбашок осідає на поверхні твердої фази, що виділяється, і захоплює її вгору для подальшого виділення.

У апараті 6 для електрофлотації(мал. 5.32) катод 7 поміщений у днища апарату і має робочу поверхню, близьку до перерізу апарату, що дозволяє бульбашкам водню, що утворюються, 1 пронизувати по перерізу усю масу оброблюваної рідини. Анод 5 встановлений вертикально в центрі апарату над катодом рухливо, що дозволяє міняти відстань між електродами і тим самим регулювати щільність струму при постійному значенні різниці потенціалів на електродах. Рідина, що очищається, поступає в апарат по патрубку 4. Бульбашки водню, що утворилися, використовуються на флотацію, і виділені ними частки утворюють на поверхні шар піни 3, яка відводиться за межі апарату. Очищений сік відводиться по патрубку 8, а бульбашки кисню 2 видаляються з верхньої частини апарату. За такою схемою із стічних вод Кишинівського м'ясокомбінату витягається до 90% жиру.

Обробка харчових продуктів у високочастотному і надвисокочастотному полях

Якщо харчовий продукт, що є діелектриком, помістити між двома пластинами конденсатора в створене поле високої частоти (більше 10 кГц), то продукт рівномірно нагріватиметься по усій його товщині. Це пояснюється тим, що під дією електричного поля високої частоти в продукті відбувається поляризація молекул, що супроводжується інтенсивним коливанням молекул і рівномірним в усьому об'ємі продукту виділенням тепла, яке швидко підвищує температуру продукту.

Інтенсивність нагрівання продукту залежить від частоти f електричного поля, потужності, що витрачається, і електрофізичних властивостей продукту.

Електрофізичні властивості продукту характеризуються

1. відносної ε' і абсолютною діелектричною проникністю (в Ф/м), зв'язок між якими має вигляд

ε' = ε_а / ε₀, (5.42)

де ε₀ – абсолютне значення проникності для вакууму (ε₀ = 8,854 10^–12 Ф/м);

2. тангенсом кута діелектричних втрат, який визначається так;

tgδ = х /(ω ε' ε₀), (5.43)

де х – питома електрична провідність, См/м;

ω = 2π f – окружная частота вращения, с^–1.

Добуток ε' tgδ = ε'' називають коефіцієнтом втрат діелектрика. Величини ε', tgδ і ε'' є електрофізичними характеристиками матеріалу, що дозволяють розрахувати втрати енергії в нім.

Для харчових продуктів, що містять багато води, значення ε', tgδ і ε'' близькі до відповідних значень цих величин для води, що містить мінеральні солі в природній пропорції. Для багатьох зернових культур, олійного насіння, м'яса, риби, овочів, фруктів та ін. ці величини експериментально визначені І.А. Роговим, П.Л.Старчеус, С. В. Некрутманом та ін.

Зі збільшенням частоти електричного поля зростає швидкість нагріву, причому міра збільшення нагріву зазвичай вище, ніж міра збільшення частоти поля. Встановлено, що з підвищенням частоти електричного поля зменшується глибина Δ (в м) проникнення поля в продукт, що нагрівається. Це видно з наступної формули для визначення Δ:

Δ = 9,55 10¹¹ / (f tgδ √ ε'), (5.44)

При виборі частоти поля прагнуть забезпечити підведення до продукту необхідної потужності, необхідну глибину проникнення поля і ефективну роботу генератора ВЧ.

Напруженість поля Е також впливає на величину потужності, що поглинається продуктом. Допустима величина напруженості поля в продукті обмежена його електричною міцністю: при значному збільшенні напруженості може статися електричний пробій, який приведе до псування продукту. Тому при виборі режиму нагріву допустиму величину напруженості електричного поля Е_доп в продукті вибирають в 1,5…2 разу менше пробивної напруженості Е_пр.

Е_доп = (0,5…0,7) Е_пр. (5.45)

Питома потужність N (в Вт/м³), що виділяється в одиниці об'єму діелектрика, визначається по формулі

N = 0,555 ε' tgδ Е² 10^–12. (5.46)

При заданій швидкості нагрівання ΔТ / Δτ питома потужність N_н (в Вт/м³) на нагрівання розраховується по формулі

N_н = ΔТ ρ с / (Δτ η_н), (5.47)

де ΔТ / Δτ – збільшення температури в одиницю часу, К/с;

ρ – щільність продукту, кг/м³;

η_н – термічний к.к.д. процесу нагрівання;

с – питома теплоємність продукту, Дж/(кг К).

У випадку витрат тепла на випар питому потужність N_и визначають по формулі

N_и = r ΔМ / (η_и Δτ), (5.48)

де ΔМ – збиток вологи в одиницю часу, кг/(м³ с);

r – питома теплота випару, Дж/кг;

η_и – термічний к.к.д. процесу випару.

Мінімальна частота f′_min (в Гц) для процесу нагрівання знаходиться по формулі

f′_min = ρ с ΔТ 10¹² / (0,555 η_и Δτ ε' tgδ Е²_доп) (5.49)

і для процесу випару f″_min (в Гц) по формулі

f″_min = r ΔМ 10¹² / (0,555 η_и Δτ ε' tgδ Е²_доп). (5.50)

Робоча частота поля для теплової обробки продуктів повинна бути не менш f′_min и f″_min.

ВЧ- і НВЧ-нагрів використовується при сушці вологих матеріалів, обжарюванні, варінні, дефростації, стерилізації і пастеризації ряду рідких харчових продуктів. ВЧ- і НВЧ-нагрів харчових продуктів – прогресивний технічний прийом, що дозволяє інтенсифікувати теплові процеси.

При сушці у високочастотному полі тепло виділяється рівномірно в усьому об'ємі тіла, але внаслідок тепловіддачі від зовнішньої поверхні температура глибинних шарів виявляється вище, ніж на поверхні. Різниці температур і вологості, що виникають в матеріалі, прискорюють переміщення вологи з глибини тіла до поверхні в десятки і сотні разів в порівнянні з конвективною сушкою.

Переваги ВЧ-нагрева як швидкісного обмежуються частенько технологічними вимогами до висушуваного матеріалу як харчового продукту. Тому, наприклад, при сушці солоду високочастотну енергію можна використати у вигляді коротких імпульсів. На підставі досліджень оптимальне співвідношення між періодом нагріву солоду в полі ТВЧ і періодом продування його повітрям складає 30/90 с/с.

Внаслідок підвищеної витрати електроенергії на 1 кг випарованої вологи ВЧ-сушка нині застосовується тільки у поєднанні з конвективною.

Промислова установка (мал. 5.33), розроблена П.А. Старчеус і використовувана для сушіння насіння коріандру на Алексєєвськом ефіромаслоекстракційном комбінаті, є вертикальний короб прямокутного перерізу 300×1000 мм, що має зони I, II, III, IV і V, через які послідовно переміщається висушуване насіння.

Вологе насіння поступає в зону I сушарки, де воно піддається нагріванню струмами високої частоти з f = 27 Мгц, і починається процес сушки насіння. Далі в зоні II насіння продувається підігрітим в калорифері повітрям і з них знімається волога, що вийшла на поверхню. Потім в зоні III здійснюється вторинний нагрів насіння ТВЧ, а в зоні IV – продування підігрітим повітрям і отримання насіння із заданою кінцевою вологістю. Сухе насіння через розвантажувальний пристрій поступає на охолодження в зону V, а потім – на зберігання. При впровадженні цього способу сушки значно скоротилися втрати ефірної олії в порівнянні з сушкою в шахтних сушарках і при продуктивності сушарки 100 т/доб отриманий економічний ефект 215 тис. крб. в рік.

На мал. 5.34 приведена схема установки для сушки хрусткої картоплі в полі НВЧ на кінцевій стадії технологічного процесу. Сушарка складається з двох паралельних тунелів, виготовлених з нержавіючої сталі, із загальною системою воздухоснабжения. Кожен тунель живиться від магнетрона потужністю 25 кВт через хвилевід 1. На кінці тунеля встановлюється пастка 2, в якій затухає енергія, що не поглинулася продуктом. При шарі картоплі на конвеєрній стрічці 76…125 мм, температурі повітря від вентилятора 3 ~100°С, тривалість обробки 2,5…4 хв і вологості сухої картоплі 2% продуктивність установки складає 636…980 кг/год.

Малюнок 5.33 Схема конвек- Малюнок 5.34 НВЧ-

тивно-високочастотної сушар- установка для сушіння

ки для насіння коріандру хрусткої картоплі

ВЧ- і НВЧ-методи нагріву використовують для обжарювання какао бобів, кави, м'яса і м'ясопродуктів, птаха, дефростації м'яса, риби, овочів, фруктів, плодів і ягід, варіння в ковбасному виробництві, стерилізації і пастеризації рідких продуктів.

Обробка харчових продуктів інфрачервоним випромінюванням

Інфрачервоний нагрів в харчовій промисловості застосовують для інтенсифікації технологічних процесів випічки, сушки, обжарювання, копчення і для стимуляції біохімічних процесів.

ІЧ-випромінювання – результат складних внутрішньоатомних процесів, пов'язаних з поглинанням речовиною енергії і її безперервним перетворенням у випромінювання. ІЧ-випромінювання виникає в результаті переходу електронів в атоми з більш високого на нижчий енергетичний рівень.

Для технічної оцінки можливості радіаційного нагріву важливо знати глибину проникнення ІЧ-випромінювання в продукт, яка характерна для кожного матеріалу і визначається експериментально.

Джерела ІЧ-випромінювання по методу нагріву підрозділяються на електричні і газові. Залежно від довжини хвилі випромінювання випромінювачі діляться на світлі і темні. До світлих відносяться такі, в спектрі яких є область видимих променів.

Основним елементом електричних випромінювачів є дріт з ніхрому або вольфраму, який, як правило, виготовляють у вигляді спіралі. У більшості випадків випромінюючий елемент поміщають в колбу або в скляну або кварцеву трубку. Лампи інфрачервоного випромінювання відрізняються від звичайних освітлювальних ламп тим, що температура їх напруження дорівнює 2230°С замість 2650°С для звичайних ламп. Біля 80% електроенергії, споживаною цими лампами, перетвориться в теплову енергію випромінювання.

Перспективними є керамічні випромінювачі з газовим обігрівом. Вони надійні в експлуатації і можуть працювати від загальних газових мереж. Зовнішня керамічна поверхня пальника має температуру 700…900°С, при цьому енергія газу на 50…55% переходить в інфрачервоне випромінювання.

Малюнок 5.35 Схема установки для інфрачервоної термічної обробки брикетів

При інфрачервоному опроміненні щільність теплового потоку на поверхні матеріалу в 20…100 разів більше, ніж при конвективній сушці, тому при виборі режиму опромінення враховують технологічні особливості матеріалів. Так, для ряду харчових продуктом(фрукти, овочі, зерно, молоко та ін.) у зв'язку з необхідністю збереження в них вітамінів рекомендується застосовувати комбіновані методи обробки, а саме радіаційно-конвективну сушку при переривчастому опроміненні.

Для таких високотемпературних процесів, як випічка печива і хліба, сушка сухарів, обжарювання зерен кави і бобів какао, копчення риби та ін., застосування ІЧ-випромінювання дає значний ефект.

Установка для інфрачервоної термічної обробки брикетів (мал. 5.35) є 19-метровим тунелем 1, обладнаний 1080 дзеркальними лампами 2 і 4 потужністю 250 Вт кожна. Час випічки продукту на сталевій стрічці 3 змінюється від 2,5 до 3,5 хв, тоді як при звичайному способі тривалість випічки близько 8 хв.

Обробка харчових продуктів ультразвуком

Багато технологічних процесів можна інтенсифікувати шляхом використання ультразвукових коливань частотою 10⁴…10⁸ Гц. В якості джерел ультразвукових коливань застосовують аеродинамічні, механічні, гідродинамічні, електромагнітні, електродинамічні, магнітострикційні і п'єзоелектричні випромінювачі. Вибір джерела залежить від необхідної потужності, технологічних і конструктивних показників сушарки, а також від необхідної швидкості процесу.

Ультразвук широко застосовується для стерилізації, пастеризації, дезинфекції та ін. Наприклад, пастеризоване молоко, оброблене ультразвуком впродовж 5 хв, відразу ж розливають в паперові пакети. Потім їх занурюють у ванну з охолодженим розсолом, в якому молоко повністю заморожується, після чого воно зберігається при температурі –12°С. При відтаванні воно нічим не відрізняється за смаком, кольору і консистенції від свіжого молока.

При звичайному режимі посол м'ясопродуктів триває не менше 15 діб, а окремих видів – до 60 діб, що утрудняє переклад технологічних процесів на потокове виробництво. Під дією ультразвуку проникнення кухарської солі в м'ясо значно прискорюється. При цьому сіль в тканинах м'яса розподіляється більше рівномірно, а колір його набуває рівномірного забарвлення.

Використання ультразвуку дозволяє вести сушку харчових продуктів, чутливих до нагрівання, при температурах значно нижче тих, які допустимі при високій швидкості сушки.

На мал. 5.36 зображена схема ультразвукової сушарної установки з барабаном, що обертається, 4, встановленим похило за допомогою бандажів 3 на опорні ролики. Вологий матеріал з бункера 5 поступає у барабан і переміщається в нім назустріч стислому теплому повітрю, що поступає через ультразвукову сирену 2. Сухий продукт відводиться по тічці 1. Випромінювач працює на частоті 10,9 кГц.

Малюнок 5.36 Схема барабанної ультразвукової сушарки

Одним з перспективних напрямів є використання ультразвуку для боротьби з утворенням накипу на поверхнях нагріву теплообмінників, випарних апаратів, а також в котлах низького тиску.

Спеціальні методи сушки

До спеціальних методів сушки відносять сушку сублімації і сушку у віброкиплячому шарі.

Сушка сублімації робиться при залишковому тиску 0,0133...0,133 кПа. Вона протікає при негативних температурах, і вода в продукті знаходиться в стані льоду. При цьому випар води відбувається без плавлення льоду, тобто сублімацією. У такий спосіб сушки отримують харчові продукти високої якості, оскільки в них зберігаються вітаміни, білки, висушені продукти придбавають пористу структуру і зберігає первинний об'єм. Висока пористість продукту дозволяє швидко відновити його первинні властивості шляхом змочування.

Сублімацією можна сушити м'ясо, рибу, молоко, молочні продукти, овочі, фрукти, плоди, ягоди, дріжджі та ін.

В процесі сушки сублімацією до продукту підводять тепло q (в Вт) в кількості, що забезпечує процес сублімації льоду з продукту, тобто повинна дотримуватися умова

q = r w, (5.51)

де r – питома теплота фазового перетворення, Дж/кг;

w – швидкість сушіння, кг/с.

У промислових установках сублімацій тепло до продукту підводиться в основному теплопровідністю і інфрачервоним випромінюванням, а в лабораторних умовах доведена можливість нагріву продукту в таких установках за допомогою струмів ВЧ і НВЧ і безпосередньою дією газоподібних теплоносіїв.

На мал. 5.37 представлена схема установки для сушки в глибокому вакуумі. Установка складається з субліматора (сушарної камери) 1, десубліматора (конденсатора- виморожувателя) 2 і вакуум-насоса 3. Необхідною частиною сушарки є також холодильна установка для охолодження конденсату (на схемі не показана). Як правило, для цієї мети застосовують двох- чи триступінчаті компресійні холодильні агрегати, здатні забезпечити охолодження поверхонь сублімації до температур, –60…–40°С. Субліматор зазвичай працює періодично.

Малюнок 5.37 Схема сушарки сублімації

У горизонтальній герметично закритій кришками циліндричній частині його розташована етажерка з порожнистими полицями, на які встановлюють дека з висушуваним матеріалом. Усередині полиць циркулює гаряча вода, що подається насосом 5 з бака 4.

Десубліматор призначений для конденсації водяної пари, що поступає з субліматора. Він є теплообмінником, в міжтрубний простір якого подається пароповітряна суміш з субліматора. По трубах десубліматора проходить холодагент (аміак або фреон). Волога осідає у вигляді льоду на охолоджуваних трубах десубліматора, а повітря відкачується вакуум-насосом 3.

В процесі роботи труби конденсатора покриваються льодом, тому в десубліматор замість холодагенту періодично подають гарячу воду для відтавання льоду. Для безперервної роботи установки встановлюють два субліматори, працюючих поперемінно.

Процес сушки у віброкиплячому шарі пов'язаний з явищами переміщення, розпушування, перемішування матеріалу і поліпшення його контакту з теплоносієм. Вібраційні коливання робочої поверхні або всього корпуса апарату можуть здійснюватися вібраторами різних типів: механічними, пневматичними, гідравлічними або електромагнітними з частотою коливань 5…250 Гц. Для дисперсних харчових продуктів (цукор-пісок, сіль та ін.) зазвичай застосовують вібратори частотою 40...60 Гц. Важливою характеристикою вібросушарки, що чинить значну дію на матеріал, є амплітуда коливань A: зазвичай для вібросушарних установок харчової промисловості А = 2…10 мм.

Вібросушка зазвичай здійснюється при конвективному теплообміні, але для цього можуть бути використані і нові фізичні методи обработки: ультразвук, ТВЧ, інфрачервона техніка та ін.

Нові фізичні методи обробки харчових продуктів, основи которых викладені вище, і особливе поєднання їх із звичайними традиційними методами сприяють зменшенню метало- і енергоємності машин і установок, збільшенню їх продуктивності, скороченню тривалості обробки продуктів, поліпшенню їх якості і підвищенню економічності технологічних процесів.