8.2. Электрофизические методы обработки пищевых продуктов

Этот подраздел посвящен применению электрической энергии в различных ее формах для осуществления процессов переноса теплоты и массы.

Ранее было уже рассмотрено использование электрического тока для нагревания или охлаждения с помощью электротермических элементов. Пропускание электрического тока через токопроводящие жидкости и другие материалы также вызывает их нагрев и может найти применение в пищевой технологии. Электронно-ионную эмиссию в газах используют для отделения пыли в электрофильтрах, с которыми мы уже познакомились.

Теперь речь пойдет о волновой энергии, генерируемой в различных устройствах и сообщаемой обрабатываемым материалам.

Подчеркивая сравнительную новизну этих методов обработки, в настоящее время их называют процессами нетрадиционных технологий.

Если между двумя пластинами, к которым подводится ток высокой частоты, поместить материал, то под влиянием переменного электрического поля молекулы вещества, составляющие материал, увлекаются в колебательное движение. Движение молекул вызывает равномерное нагревание материала по всей его толщине.

Молекулы биологического происхождения взаимодействуют с электромагнитными полями сверхвысокой частоты (СВЧ) в области частот выше 10⁹ Гц. Эти взаимодействия могут вести к изменениям в белковых молекулах клеток и микроорганизмов. СВЧ-поля используют при сушке, обжарке, выпечке, размораживании, стерилизации и пастеризации пищевых продуктов.

Другую форму волновой энергии — свет — также применяют технологических процессах. В промышленных производствах используются ультрафиолетовые лучи для поверхностной стерилизации различных объектов, в том числе тары и даже воздуха в стерильных помещениях. Наибольшей энергией обладают лучи в инфракрасной области светового спектра. Поэтому инфракрасные лучи используют в различных технологиях, где требуется быстрый и эффективный нагрев в поверхностном слое.

В световом диапазоне работают также квантовые (лазерные) генераторы, использование которых в некоторых технологических процессах представляется перспективным.

Звук — еще одна форма проявления волновой энергии. Ультразвуковые генераторы также применяют в некоторых пищевых технологиях.

Отметим, что помимо частоты электромагнитных и механических колебаний на эффективность процесса влияет еще и длина волны, причем эти параметры следует тщательно подбирать для каждого конкретного процесса в зависимости от свойств материала.

Сушка в поле токов высокой частоты. Наиболее эффективно применение высокочастотного нагрева при сушке штучных и кусковых материалов. В сушилках этого типа (рис. 8.13) материал на ленте транспортера проходит между двумя электродами-пластинами, к которым подводится ток высокой частоты. Под влиянием электрического поля с частотой порядка 10⁶...10⁷ Гц интенсифицируется колебательное движение молекул, что приводит к выделению теплоты и равномерному нагреванию материала по всей его толщине. Окружающий воздух поглощает эту теплоту и охлаждает поверхность куска. При этом возникает температурный градиент, направленный из центра куска к его поверхности и совпадающий по направлению с градиентом влажности, т. е. явление термовлагопроводности в этом случае увеличивает скорость сушки.

Кроме того, образующийся внутри куска пар выталкивает по капиллярам жидкость к поверхности. Жидкость движется к поверхности также под действием электрического поля (электроосмос). Но этот эффект уменьшается с увеличением частоты тока. При частоте 10⁸ он практически исчезает. В этом одна из причин, по которым СВЧ-поля не используют в сушилках.

В пищевых производствах исследовались процессы сушки хлеба, фруктов, овощей и сахара в сушилках с токами высокой частоты. Несмотря на технологическую эффективность, эти процессы не получили распространения из-за сравнительно высоких затрат на оборудование, преобразующее ток промышленной частоты. Для повышения частоты электрического тока используют установки, состоящие из электродвигателя и генератора, либо полупроводниковые преобразователи.

В других случаях, например при сушке дерева в производстве музыкальных инструментов, сушилки с токами высокой частоты оказались весьма эффективными, так как, не нарушая качества древе­ины, обеспечивают сокращение продолжительности сушки в сотни раз.

Нагревание в поле СВЧ. Микроволновые печи, распространённые в быту и на предприятиях общественного питания, снабжены генераторами СВЧ, генерирующими волны, длина которых лежит в области от 1 см до 300 мкм, а частота 10¹⁰...10¹² Гц. Волны воздействуют направленно на обрабатываемый материал.

Внешняя поверхность микроволновых печей выполнена в виде экрана, препятствующего проникновению волн за пределы печи. Как и при сушке, высокая температура возникает внутри обрабатываемого изделия.

Количество теплоты (Дж), выделяемой при облучении одной клетки (площадь поверхности клетки приблизительно равна 10^-8 см² ), можно рассчитать по эмпирическому уравнению:

, (8.5)

где:

— удельная проводимость клетки, см/м; — частота колебаний, Гц; — напряженность электрического поля, В/м; — время, с.

Выделяемая теплота вызывает увеличение температуры клетки на :

, (8.6)

где:

— масса клетки, кг; — удельная теплоемкость, Дж/(кг ∙ К).

Из уравнений (8.5) и (8.6) можно определить напряженность поля (В/м) и удельную мощность излучения (Вт/м³), вызывающего нагрев клетки на за время (с):

Обработка пищевых продуктов в СВЧ-поле имеет ряд преимуществ перед другими способами. Отметим большую производительность установок, что объясняется высоким уровнем поглощения СВЧ-энергии продуктом. Другая особенность СВЧ-печей — возможность направленного воздействия электромагнитного поля на различные участки обрабатываемого продукта, например для получения корочки на его поверхности. Быстрый прогрев материала до заданной температуры способствует сохранению пищевой ценности продукта.

С другой стороны, при обработке в СВЧ-печах разрушаются клетки обрабатываемых продуктов. По-видимому, это служит причиной снижения питательной ценности и даже, по некоторым источникам, вредности для здоровья продуктов после их обработки в СВЧ-печах. Как и при обычной обжарке, на поверхности продукта из разрушенных при резке клеток под влиянием высокой температуры образуется корочка, снижающая полезность продукта. В некоторых случаях, как при желудочных и других заболеваниях, корочка делает их вредными для здоровья.

Воздействие СВЧ-полями на микроорганизмы ведет иногда к ощутимым биологическим эффектам. Некоторые бактерии при этом погибают, что можно использовать для стерилизации и пастеризации вина, пива и других напитков. Установлено, что СВЧ-поля могут вызывать усиленный рост других бактерий, например дрожжей. Поэтому СВЧ-поле можно применять при стимулировании роста хлебопекарных и винных дрожжей. Такие совершенно противоположные эффекты, вызываемые СВЧ-полем, приводят к тому, что в каждом конкретном процессе требуется устанавливать опти­альную частоту и длину волны.

Эффективно использование СВЧ-полей для интенсификации различных процессов. Так, с помощью СВЧ удалось сократить продолжительность процесса сублимации в 2...3 раза.

Широкое промышленное применение СВЧ-полей сдерживается высокой стоимостью электроэнергии и некоторыми не вполне изученными отрицательными показателями качества, возникающими при обработке пищевых продуктов. В бытовой технике серьезную конкуренцию СВЧ-печам могут составить конвективные печи, в которых пища обдувается вихревым потоком горячего воздуха. Этот процесс лишен недостатков, отмеченных для СВЧ-поля.

Инфракрасное облучение. Как известно из курса физики, инфракрасная часть светового спектра характеризуется наибольшей плотностью теплового потока. Следовательно, в процессах, осуществляемых за счет лучистого теплообмена, целесообразно применять источники, излучающие преимущественно инфракрасные (ИК) лучи.

Напомним, что область инфракрасных лучей ограничена частотами 10¹²...10¹⁵ Гц и длинами волн 300...0,75 мкм.

Следуя теории лучистого теплообмена, основы которой изложены в разделе теплообменных процессов, каждое тело часть лучистой энергии отражает, часть поглощает, а часть пропускает. Следовательно, эффективность нагревания тела зависит главным образом от его оптических характеристик. В свою очередь, оптические характеристики зависят от строения тела, физической и физико-химической природы составляющих его компонентов. Для сложных коллоидных капиллярно-пористых тел на эти характеристики влияют влажность, содержание белков, жиров, крахмала и клетчатки, в разной степени проницаемых для инфракрасных лучей.

На основании закона Стефана-Больцмана с учетом радиационных характеристик тел и их взаимного расположения получено следующее уравнение для определения количества теплоты Q (Дж/с), передаваемого от тела с температурой 7i к телу с температурой Т₂:

(8.9)

где:

— приведенная степень черноты обоих тел; — коэффициент излучения абсолютно черного тела ( = 5,7 Вт/(м² ∙ К⁴)]; — расчетная поверхность теплообмена, м².

Экспериментально установлено, что при терморадиационной обработке инфракрасные лучи могут проникать на глубину от 1 до 10 мм и более в зависимости от строения и состава тел, что достаточно для проведения многих технологических процессов.

Инфракрасную технику применяют в промышленности при сушке, выпечке и обжарке пищевых продуктов.

Генераторы инфракрасных лучей. В промышленности применяют два типа ИК-генераторов: электрические и газовые.

К электрическим генераторам относятся: зеркальные инфракрасные лампы накаливания, излучатели в кварцевых трубках, элементы сопротивления.

Первые две группы принадлежат к так называемым светлым излучателям с температурой нити 1500...1800 ; максимальное излучение в них приходится на область с длиной волны около 1,3 мкм. Часть излучаемой энергии соответствует видимой части спектра, поэтому ламповые излучатели, особенно кварцевые трубки, дают значительный световой поток и могут использоваться как источники и тепла, и света. Отметим, что проникающая способность ИК-лучей с уменьшением длины волны и приближением к видимой части спектра увеличивается.

Газовые генераторы делятся на две группы: с газопроницаемыми панелями; с пористыми керамическими плитами или металлическими перфорированными поверхностями, в которых происходит беспламенное сгорание газа.

Газовые генераторы относят, как правило, к темным.

Для увеличения КПД над генераторами устанавливают отражатели с полированной поверхностью, которые направляют лучи на обрабатываемый материал.

С у ш к а с п о м о щ ь ю И К- л у ч е й. Пожалуй, наиболь­шее применение ИК-лучи нашли в процессах сушки. Особенно эф­фективно использование этого метода при сушке материала в тон­ком слое, например лакокрасочных покрытий, бумаги, ткани и т. п. В пищевой промышленности ИК-сушилки применяют при сушке зерна, солода, муки, сухарей и других продуктов. В ИК-сушилках (рис. 8.14) материал перемещается на ленте транспортера, над кото­рой установлены генераторы ИК-лучей с отражателями.

Нагрев инфракрасными лучами имеет специфические особен­ности, которые связаны не только с проникновением лучей в толщу материала, но и с более глубоким воздействием на его молекуляр­ную структуру. Если частота излучения совпадает с частотой соб­ственных колебаний атомов материала, наступает резонанс. Амп­литуда вынужденных колебаний атомов возрастает, увеличивается поглощение энергии. Согласно некоторым данным, в материалах растительного происхождения, а также в воде и жирах под воздей­ствием инфракрасных лучей изменяется структура, наблюдается направленная ориентация молекулярных цепей.

Интенсивность процесса сушки повышается при прерывистом облучении и особенно в комбинации с конвективной сушкой. Практически во всех ИК-сушилках используют обдувку воздухом для удаления влажного пара. Воздух вызывает интенсивное испа­рение влаги с поверхности материала, что ведет к охлаждению. Это, в свою очередь, вызывает изменение знака градиента темпе­ратуры и способствует увеличению скорости переноса влаги к по­верхности.

Комбинированные процессы особенно эффективны там, где чрезмерный нагрев продукта может привести к потере пищевой ценности, например при сушке фруктов и овощей.

Принято считать, что применение ИК-лучей особенно эффек­тивно в процессах с высокой температурой, таких как выпечка печенья и хлеба, сушка сухарей, обжарка кофе и какао, копчение рыбы и т. п.

Инфракрасные лучи с успехом можно использовать для дезин­секции зерна. При воздействии на зараженное зерно поля светлого излучения зерновые жуки, окрашенные в темно-коричневый цвет, поглощают падающие на них лучи в гораздо большей степени, чем светлоокрашенное зерно, поэтому достаточно 50 с для полного обеззараживания слоя зерна без перегрева.

Обработка ультразвуком. Акустические колебания, воспринима­емые нами как звук, имеют частоту от 20 до 210 Гц. Ультразвук не воспринимается нами, а частота его лежит в диапазоне 210... 10 Гц. Источники ультразвуковых колебаний — различные колеблющие­ся системы, преобразующие электрическую или механическую энергию в упругие колебания.

Гармонические колебания частиц в звуковой волне описывают­ся уравнением:

(8.10)

где:

— смещение частицы относительно положения покоя, мкм; — амплитуда волны, мкм; — угловая частота, рад/с; — время, с; — расстояние частицы от излучающей поверхности, см; — скорость звука, см/с.

Распространение ультразвуковой волны не связано с переносом вещества. Общая энергия волны равна сумме потенциальной и кинетической энергий. В различных средах скорость распространения ультразвука различна и зависит от частоты колебаний и вязкости среды. Хорошо распространяется ультразвук в жидкостях и еще лучше — в твердых телах.

Основной параметр, характеризующий свойства среды по отношению к проходящей через нее волне, — произведение плотности среды р (кг/м³) на скорость звука с (м/с):

(8.11)

где:

— эффективное значение звукового давления, Па; — колебательная скорость звука, м/с.

Произведение называют удельным акустическим сопротивлением среды.

Интенсивность звука оценивается силой звука — энергией звуковых колебаний, проходящей по нормали к поверхности площадью 1 м² в течение 1 с.

Интенсивность звука измеряют в Вт/м² и определяют по формуле:

(8.12)

Иногда, особенно для слышимых звуков, интенсивность оценивают по отношению к величине предела слышимости человеческого уха, т. е. интенсивность определяется уровнем силы звука, который измеряют в децибелах (дБ):

(8.13)

где:

— предел слышимости, равный 10¹² Вт/м².

Источник звука высокой интенсивности, действующий в жидкости, вызывает сверхвысокие ускорения частиц и кавитацию в жидкости.

Силы, возникающие в жидкости при высоких ускорениях и градиентах давления, производят дробление частиц в процессах эмульгирования и диспергирования, способствуют отделению загрязнений при мойке стеклотары и металлических деталей, могут производить ряд других полезных эффектов.

Другое явление, которое служит причиной возникновения подавляющего большинства известных эффектов ультразвука, — кавитация. Это явление сопровождается образованием микропустот, мгновенно заполняемых паром и газами, растворенными в жидкости. При конденсации пара пустоты «захлопываются», вызывая ударные волны высокого давления, разрушительно действующие на частицы в жидкости.

К настоящему времени исследованы многие технологические процессы, применение ультразвука в которых дает значительный эффект. Прежде всего отметим возрастание скорости процессов и, следовательно, возможность увеличения производительности аппаратов. Кроме того, применение ультразвука может обеспечить повышение качества, особенно гомогенности, конечного продукта.

Ультразвуковую обработку применяют в процессах получения эмульсий, например в масложировой и кондитерской промышленности.

В производствах шоколада, мороженого, майонеза, томата-пасты, соков и детского питания успешно используют ультразвук для гомогенизации диспергирования.

В промышленности применяют ультразвук при мойке сильно загрязненных узлов и деталей, а также стеклянной тары.

В некоторых случаях ультразвук помогает предотвратить образование накипи и инкрустаций на поверхности теплообмена выпарных аппаратов и теплообменников.

Ультразвук можно использовать для стерилизации молока, соков, консервов. Упаковочные автоматы оборудуют ультразвуковыми облучателями для сварки полимерных пленок. В производстве тонкодисперсных аэрозолей на фармацевтических предприятиях ультразвук обеспечивает высокое качество изделий.

Приведенные примеры использования ультразвука далеко исчерпывают возможности этого способа обработки. Продолжаю­щиеся исследования в этой области, несомненно, приведут к широ­кому распространению процессов, сопровождаемых ультразвуко­вой обработкой.

Несмотря на такой оптимистический прогноз, необходимо отметить, что реально существуют обстоятельства, ограничивающие возможности использования ультразвука. Во-первых, это сравнительно высокая энергоемкость ультразвукового облучения, делающая его неэкономичным на многотоннажных производствах. Во-вторых, это облучение иногда вызывает побочные эффекты, приводящие к нежелательным изменениям в продуктах. Так, при обработке вин с целью выделения винного камня наряду с ускорением этого процесса наблюдалось интенсивное окисление некоторых компонентов вина, что отрицательно влияло на качество.

Контрольные вопросы и задания. 1. Какие электрофизические методы обработки пищевых продуктов вам известны? 2. Для каких материалов эффективна сушка в поле токов высокой частоты? Почему? 3. В чем особенность процесса нагревания в поле СВЧ? 4. Почему для нагрева тела выгодно применять лучи в инфракрасной об­ласти спектра? 5. На какую глубину проникают инфракрасные лучи? 6. Какие типы генераторов инфракрасных лучей вам известны? 7. Почему при сушке с применением инфракрасных генераторов применяют прерывистые режимы? 8. На чем основано применение ультразвука в технологических процессах? 9. Приведите примеры применения ультразвука в пищевых производствах.

ЛИТЕРАТУРА

Гельперин Н. И. Основные процессы и аппараты химической технологии. — М.: Химия, 1981.-811 с.

Гинзбург А. С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов. — М.: Пищевая промышленность, 1973. — 528 с.

Гребенюк С. М. Технологическое оборудование свеклосахарных заводов. — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983. — 520 с.

Гребенюк С. М., Горбатюк В. И., Михеева Н. С. и др. Расчеты и задачи по процессам и аппаратам пищевых производств/ Под ред. С. М. Гребенюка и Н. С. Михеевой. — М.: Агропромиздат, 1987. — 304 с.

Кавецкий Г. Д., Королев А. В. Процессы и аппараты пищевых производств. — М.: Агропромиздат, 1991. — 462 с.

Касаткин А. Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. — М.: Химия, 1971.-784 с.

Ковальская Л. П., Нечаев А. П., Горбатюк В. И. и др. Технологии пищевых производств. — М.: Колос, 1997. — 752 с.

Кутателадзе С. С. Анализ подобия в теплофизике. — Новосибирск: Наука, 1982. - 280 с.

Лунин О. Г., Вельтищев В. Н. Теплообменные аппараты пищевых производств. — М.: Агропромиздат, 1987. — 239 с.

Михеев М. А., Михеева Н. М. Основы теплопередачи. — М.: Энергия, 1977. — 344 с.

Нащокин В. В. Техническая термодинамика и теплопередача. — М.: Высшая школа, 1979. — 496 с.

Плановский А. Н., Рамм В. М., Каган С. 3. Процессы и аппараты химической технологии. — М.: Химия, 1968. — 847 с.

Птушкина Г. Е., Товбин Л. И. Высокопроизводительное оборудование мукомольных заводов. — М.: Агропромиздат, 1987. — 288 с.

Рабинович Е. 3. Гидравлика. — М: Недра, 1980. — 276 с.

Рипс С. М. Основы термодинамики и теплотехники. — М.: Высшая школа, 1967. - 347 с.

Стабников В. Н., Баранцев В. И. Процессы и аппараты пищевых производств. — М.: Легкая и пищевая промышленность, 1983. — 328 с.

Стабников В. Н., Лысянский В. М., Попов В. Д. Процессы и аппараты пищевых производств. — М.: Агропромиздат, 1985. — 503 с.

Таубман Е. И. Выпаривание. — М.: Химия, 1982. — 328 с.

Введение 3