بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
استفاده از امواج رادیویی در فرآوری مواد غذایی
چکیده:
استفاده از امواج رادیویی یکی از روشهای نوین فرآوری مواد غذایی می باشد. امواج رادیویی همانند امواج مایکروویو با خاصیت الکتروگرمایی که دارند باعث حرارتدهی یکنواخت و سریع مواد غذایی میشوند. این روش در مقایسه با روش حرارتدهی مرسوم مزایای متعددی دارد. فراوری حرارتی باعث ایجاد اثرات نامطلوب بر روی کیفیت و بافت محصول نهایی میشود و همچنین باعث گرمایش غیر یکنواخت در محصول خواهد شد. در حالی که امواج رادیویی با نفوذ به داخل ماده غذایی حرارت را در تمام ماده غذایی به صورت یکنواخت منتشر میکند. علاوه براین، این امواج سرعت گرمایش سریعتری دارند. در این مطالعه سیستم گرمایش امواج رادیویی و تحقیقات انجام گرفته در زمینه کاربرد آن در صنایع غذایی مورد بررسی قرار گرفتهاست.
-1 مقدمه
استفاده از حرارت بالا برای فرآوری مواد غذایی امری متداول است. در روشهای مرسوم حرارتدهی از آب داغ و بخار برای گرمایش استفاده میشود و انتقال گرما به ماده غذایی توسط مکانیزمهای هدایت، جابه جایی و تشعشع صورت میگیرد که باعث ایجاد گرمایش غیریکنواخت و ناکافی میشود. گرمایش دیالکتریک که شامل امواج رادیویی و مایکروویو میباشد امکان گرمایش سریع را در مواد غذایی فراهم میسازد. مزیت گرمایش دی-الکتریک نسبت به روشهای مرسوم، گرمایش سریع در اثر تعامل مستقیم بین میدانالکتریکی و ماده غذایی میباشد. تفاوت اصلی امواج رادیویی و مایکروویو، طولموج میباشد. طول موج در فرکانسهای بهکار گرفته شده در رادیویی 6/78)، 13/65، 27/12 و 22-360 (MHZ 40/68 مرتبه بیشتر از دو فرکانس به کارگرفته شده در مایکروویو( 915 و (MHZ 2450 میباشد. این ویژگی باعث شدهاست که امواج رادیویی نسبت به مایکروویو عمق نفوذ بیشتری داشته باشند( گیز, .(1992
گرمایش با امواج رادیویی در مقایسه با روشهای مرسوم حرارتدهی که در آنها ابتدا محیط اطراف ماده غذایی گرم میشود، خود محصول به صورت مستقیم مورد تیمارقرار میگیرد. در واقع چون داخل ماده غذایی نسبت به سطح سریعتر گرما را جذب میکند بنابراین، تیمار با امواج رادیویی بیشتر باعث خروج رطوبت از داخل ماده و متعادل کردن رطوبت در تمام سطح و جلوگیری از حرارتدهی بیش از حد و آبزدایی سطح محصول می-شود(.(3 در سیستم گرمایش امواج رادیویی مولدها میدان الکتریکی متناوبی بین دو الکترود برقرار میکنند و ماده مورد نظر برای گرم شدن بین دو الکترود قرار میگیرد و دو مکانیزم چرخش دوقطبی و پلاریزاسیون یونی باعث تولید گرما میشود. چرخش دوقطبی، در فرکانس های به کار رفته جهت میدان مغناطیسی میلیون ها بار در ثانیه تغییر میکند و مولکولهایی که ماهیت قطبی دارند تحت تأثیر چنین نوسانی قرار میگیرند و برای هماهنگ شدن با این نوسان قطبهای خود را تغییر میدهند، این فعالیت دائمی سبب ایجاد اصطکاک، در نتیجه تولید حرارت میشود. پلاریزاسیون یونی، در مواد غذایی حاوی یون مانند نمک، با تغییر جهت میدان هر کدام از یون ها به سمت قطب مخالف حرکت میکند در نتیجه بین آن ها اصطکاک ایجاد میشود و دمای محصول بالا میرود و در اثر نفوذ امواج سطح و عمق به طور همزمان گرم میشوند(بارکر, .(1983 در این مطالعه به معرفی یکی از روشهای نوین حرارت دهی مواد غذایی پرداخته شدهاست، روشهای نوین با حفظ کیفیت و بهبود خواص موادغذایی میتوانند به عنوان جایگزینی برای روشهای مرسوم مورد توجه قرار گیرند.
-2 سیستم گرمایش امواج رادیویی
سیستم گرمایش امواج رادیویی از 2 جزء تشکیل شده است: مولد1 و اعمال گر.2 مولد قسمتی است که امواج رادیویی در آن تولید می-شوند و اعمال گر هم قسمتی است که ماده مورد نظر برای گرم شدن در آن قرار میگیرد)تان گ و وانگ, .)2002
-1 .2 مولد های مورد استفاده بر اساس انواع مولد ها دو نوع طراحی وجود دارد: سیستم خود القاگر)3 روش مرسوم گرمایش با امواج رادیویی) و سیستم 50 اهم. سیستم مرسوم از یک منبع جریان، مبدل فشار قوی4، نوسانگر5، یکسو کننده ولتاژ بالا6، مدار تانک7 و مدار کار8 تشکیل شدهاست (شکل .(1 ولتاژ تولیدی توسط مبدل به ولتاژ بالا ( چندین کیلووات) تبدیل میشود و جریان متناوب در یکسو کننده به جریان مستقیم تبدیل میشود و توسط نوسانگر جریان به نوسان در میآید و به مدار تانک فرستاده میشود و از آنجا به مدار کار که شامل اعمال گر است، القا میشود( ارفئول, .(1987
شکل.1 سیستم مرسوم گرمایش با امواج رادیویی( ویگ, .(2001
در سیستم 50 اهم (شکل(2 از یک نوسان ساز کریستالی9 برای ایجاد یک فرکانس ثابت استفاده میشود (به طور مثال (MHZ 27/12 که یک سیگنال ضعیف تولید می کند که این سیگنال در تقویت کننده10، تقویت میشود و از یک کابل هم محور عبور می کند و به اعمالگر منتقل میشود. خروجی از تقویت کننده بر روی مقاومت ظاهری 50 اهم تنظیم میشود.
شکل.2 سیستم 50 اهم در گرمایش با امواج رادیویی( ویگ, .(2001
تطبیق امپدانس11 هم به عنوان قسمتی از اعمال گر قرار داده میشود که به طور اتومات برای حفظ مقاومت ظاهری 50 اهم به کار گرفته میشود. یکی از مزیت های این سیستم در مقایسه با سیستم مرسوم، ایجاد یک فرکانس ثابت و از معایب ان هزینه بالای راه اندازی میباشد( رووسی و پیرس, .(1995
-2 .2 اعمالگرهای مورد استفاده در صورت استفاده از هر کدام از سیستم های امواج رادیویی، اعمالگر باید طراحی شود. تنوع اندازه و شکل اعمالگرها بسیار زیاد است اما معمولا در سه دسته تجاری تقسیم بندی میشوند(جونز و رولی, .(1996
1. اعمال گر با دو الکترود مسطح:12 این نوع اعمال گرها معمول تر و طراحی ساده تری دارند. ماده مورد نظر برای گرم شدن بین دو الکترود قرار میگیرد و یک خازن صفحه ای موازی را تشکیل میدهند (شکل 3 الف). از این نوع بیشتر برای حجمی از مواد یا مواد نسبتا ضخیم استفاده میشود و میدان الکتریکی بین دو الکترود موازی است.
2. اعمالگر با چندین جفت الکترود متوالی:13 در این نوع اعمال گر چتدین جفت الکترود با قطبیت های مختلف در یک سطح یکسان قرار میگیرند (شکل 3ب). اغلب در عملیات خشک کردن برای ضخامت نازکی از مواد (تقریبا 10 میلی متر) استفاده میشود.
3. اعمالگر با چندین جفت الکترود در دو سطح به صورت شطرنجی:14 این نوع اعمالگر، شکل تغییر یافته نوع اول است، با این تفاوت که در دو سطح چندین الکترود به صورت شطرنجی موازی هم قرارگرفتهاند (شکل 3 ج). اغلب برای مواد با ضخامت متوسط استفاده میشود.
شکل.3 (الف) اعمالگر با دو الکترود مسطح. (ب) اعمالگر با چندین جفت الکترود متوالی. (ج) اعمالگر با چندین جفت الکترود در دو سطح به صورت شطرنجی( جونز و رولی, .(1996
-3 ویژگیهای دیالکتریک مواد غذایی ویژگی های دیالکتریک از فاکتورهای اصلی است که اطلاعاتی در رابطه با برهمکنش بین ماده غذایی و میدان الکتریکی فراهم میکند و برای
مدل سازی و توسعه تیمارهای حرارتی براساس امواج رادیویی و مایکروویو دانستن این ویژگیها ضروری است(ایکدیالا و همکاران, .(2000
-1.3 ثابت دیالکتریک و ضریب اتلاف ویژگیهای دیالکتریک مواد معمولا در غالب ضریب دی الکتریک نسبی15 تعریف میشود. ثابت دی الکتریک مختلط نسبی 16، ثابت دی
الکتریک را در خلأ توصیف میکند و به صورت زیر بیان میشود:
به ترتیب ضریب اتلاف17 و ثابت دیالکتریک نامیده میشوند و j= است. قسمت اصلی این فرمول ، ثابت دیالکتریک، توانایی مواد در ذخیره انرژی زمانی که در میدان الکتریکی قرار میگیرند را توصیف میکند و بر روی توزیع میدان الکتریکی و فاز موج سیار در سراسر ماده مؤثر است. قسمت موهومی، ضریب اتلاف، هم بر روی جذب و هم توزیع انرژی تأثیرگذار است و توانایی مواد را در پراکنده کردن انرژی در پاسخ به میدان الکتریکی به کاررفته یا مکانیسمهای پلاریزاسیون مختلف توصیف میکند. مکانیسمهایی که در ضریب اتلاف دیالکتریک مؤثر هستند شامل دوقطبی، یونی و Maxwell-Wanger می باشد. در فرکانسهای مورد استفاده در رادیویی و مایکروویو هدایت یونی و چرخش دوقطبی از مکانیسمهای اتلاف غالب هستند و ضریب اتلاف از رابطه زیر به دست میآید( رینانن, :(1995
زیرنویس های d و به ترتیب به چرخش دو قطبی و هدایت یونی اشاره دارند. هدایت یونی مواد (s/m)، ، فرکانس زاویه ای (HZ) و 0 ثابت دی الکتریک در خلأ میباشد.
مواد دیالکتریک مثل مواد غذایی انرژی الکتریکی را به گرما تبدیل میکنند. افزایش دما مواد در نتیجه گرمایش دیالکتریک به صورت زیر محاسبه میشود:
گرمای ویژه مواد غذایی، ρ چگالی، E شدت میدان الکتریکی و f فرکانس برحسب هرتز میباشد(کوماروو, .(2005
-2.3 هدایت الکتریکی هدایت الکتریکی ( ) توانایی مواد را برای هدایت جریان الکتریکی نشان میدهد. در سیستم های غذایی دیالکتریک، مربوط به پلاریزاسیون یونی می باشد و طبق فرمول زیر محاسبه میشود(پیاسنا و داسالت, :(2003
-3.3 عمق نفوذ
عمق نفوذ به عنوان عمقی در نمونه که انرزی امواج رادیویی یا مایکروویو به(e/1) %36/8 مقدار اولیه خود میرسد، تعریف میشود و طبق فرمول زیر محاسبه میشود(بینگسون و ریسمان, :(1971
C سرعت نور در خلأ، f فرکانس میباشد. ضریب اتلاف اغلب مواد غذایی کمتر از 25 میباشد، در نتیجه dp آن بین 0/6-1 سانتیمتر است( ونکاتش و راقاوان, .(2004 عمق نفوذ بیشتر در فرکانس های پایین تر به دست میآید و فرکانسهای بالاتر منجر به گرمایش بیشتر سطح میشود، بنابراین عمق نفوذ امواج رادیویی میتواند یکی از فاکتورهای قابل مقایسه نسبت به مایکروویو باشد( سوسا- مورالس و همکاران, .(2010
-4 فاکتورهای مؤثر بر ویژگیهای دیالکتریک مواد غذایی ویژگیهای دی الکتریک نقش بسیار مهمی در گرمایش به وسیله امواج رادیویی و مایکروویو ایفا میکنند اما این ویژگیها تحت تأثیر فاکتورهای مختلفی قرار میگیرند. بعضی از این فاکتورها تحت تأثیر طبیعت ماده (ساختمان و ترکیب) و بعضی مربوط به شرایطی است که امواج الکترومغناطیسی به کار میروند (دما و فرکانس). در اینجا بعضی از این فاکتورها را به اختصار مورد بررسی قرار دادهایم ( سوسا- مورالس و همکاران, .(2010
-1.4 ترکیب ویژگیهای دیالکتریک به ترکیب شیمیایی مواد وابسته است. در مواد غذایی، آب ترکیب عمده ای است که مورد بررسی قرار میگیرد. علاوه بر این، تأثیر آب، مقدار نمک یا سایر مواد معدنی تا حد زیادی وابسته به این است که تا چه اندازه توسط سایر اجزا حرکت آن ها محدود شدهاست. ترکیبات یونی تأثیر قابل توجهی در ویژگیهای دیالکتریک دارند( موجت, .(1986 به عنوان مثال افزایش در مقدار نمک (از 0/8 تا %2/8 وزن مرطوب) منجر به افزایش ضریب اتلاف در پوره سیب زمینی میشود، در صورتیکه ثابت دیالکتریک تحت تأثیر مقدار نمک قرار نمیگیرد(گوان و همکاران, .(2004
-2.4دانسیته ساختار فیزیکی مواد هم بر روی ویژگیهای دیالکتریک مؤثر است. با افزایش تخلخل سرعت گرمایش بهبود مییابد زیرا ضریب هدایت حرارتی پایین هوا به عنوان عایق عمل میکند( ژائو و همکاران, .(2000 برای مثال، چگالی حجمی و مقدار رطوبت بر روی ویژگیهای دیالکتریک دانه قهوه تأثیر میگذارد. پایینترین و بالاترین ثابت دیالکتریک به ترتیب در پایینترین دانسیته و بالاترین دانسیته حجمی به دست میآید( بربرت و همکاران, .(2001
