بخشی از مقاله
مروری بر کاربردهای مایکروویو در صنایع غذایی و مدلسازی روند حرارت دهی
چکیده
حرارت دهی یکی از مهمترین روش های متداول در فرآیند مواد غذایی است که به دلیل تأثیر مطلوبی که بر روی کیفیت فرآورده غذایی و همچنین اثر نگهدارندگی که برروی غذا دارد، مورد توجه قرار گرفته است. حرارت دهی به کمک مایکروویو دارای کاربردهای گستردهای در فرآوری مواد غذایی مانند پختن، خشک کردن، پاستوریزه کردن و نگهداری مواد غذایی است. پاستوریزاسیون به کمک مایکروویو توانایی نابودی میکروارگانیسمها را در دمای کمتر از پاستوریزاسیون معمولی با توجه به افزایش قابل توجه اثرات حرارتی داراست. در این پژوهش، کاربردهای مختلف مایکروویو، مزایا و فاکتورهای موثر بر حرارت دهی مواد غذایی ، پاستوریزاسیون محصولات غذایی مختلف به کمک مایکروویو، به طور گسترده مورد بررسی قرار میگیرد. مدل سازی حرارت دهی مواد غذایی به کمک مایکروویو میتواند برای پیشبینی توزیع دما و رطوبت در طی فرآیند مورد استفاده قرار گیرد.
کلید واژه: مایکروویو، خشک کردن، پاستوریزاسیون، پختن، مدل سازی
-1 مقدمه
تولیدکنندگان مواد غذایی نیز به دنبال تکنولوژی هایی هستند که حداقل آسیب وارده را به خصوصیات کیفی محصول نظیر تازگی، خواص تغذیه ای و سلامت محصول وارد نمایند. حرارت دهی از مهمترین روش های متداول در فرآیند مواد غذایی است که به دلیل تأثیر مطلوبی که برروی کیفیت فرآورده غذایی و همچنین اثر نگه دارندگی که بر روی غذا دارند، مورد توجه قرار گرفته است. امواج مایکروویو بخشی از طیف الکترومغناطیسی هستند که طیف وسیعی از فرکانس ها در محدوده 300 مگاهرتز تا 30 گیگاهرتز را در بر می گیرد. این طیف در محدوده بین دیالکتریک و مادون قرمز واقع شده اند. به دلیل احتمال تداخل این امواج با سایر وسایل ارتباطی، استفاده از آن به فرکانس های خاصی محدود می شود. فرکانس مورد استفاده در مایکروویو های خانگی 2450 مگاهرتز و برای کاربردهای صنعتی 915 مگاهرتز است. امواج مایکروویو مانند نور در خط مستقیم حرکت کرده، این امواج توسط اجسام مختلف جذب، منتقل و یا منعکس می شوند. شیشه، کاغذ و بعضی از فیلم های پلیمری جهت بسته بندی، فاکتور اتلاف پائینی دارند (امواج مایکروویو را عبور می دهند) و بنابراین گرم نمی شوند. امواج مایکروویو در اثر برخورد با فلزات منعکس شده و توسط مواد غذایی با فاکتور اتلاف بالا (مانند آب) جذب می شوند، چون اتلاف انرژی مایکروویو به شکل حرارت نمایان می شود؛ هرچه فاکتور اتلاف بیشتر باشد گرمای بیشتری تولید می شود. در روش های پخت متداول، حرارت از منبع حرارتی خارجی به ماده غذایی اعمال می شود. ولی در پخت با مایکروویو حرارت در داخل ماده غذایی تولید می گردد. کاهش شدید زمان پخت جاذبه اصلی کاربرد این روش را در صنایع غذایی موجب می شود 2) و .(3 فرآیند حرارتی مایکروویو کاربردهای گستردهای در زمینه فرآوری مواد غذایی شامل خشک کردن، پاستوریزاسیون، استریلیزاسیون، انجماد زدایی، پختن مواد غذایی و غیره در طول چندین دهه داشته است.
-1-1 خواص دی الکتریک
اگر ماده ای در یک میدان الکتریکی قرار داده شود، تک تک مولکولها نیرویی را تجربه می کنند، بنابراین در جهت میدان دوباره جهتگیری می کنند و این منجر به افزایش میدان الکتریکی خالص می شود. اکنون اگر میدان اعمال شده تغییر کند، همان طور که انتظار می رود، تک تک مولکولها از میدان پیروی میکنند. البته، بعد از میدان یک تأخیر زمانی وجود دارد و لذا در برابر میدان، کار انجام می شود. توانایی مولکول ها در دنبال کردن میدان، ضریب دی الکتریک نامیده می شود، در حالی که قدرت پذیرش آنها نسبت به گرمایش به عنوان ضریب اتلاف شناخته می شود .(1) در شدت میدان و فرکانس معین در سیستم های حرارتی، گرمای ایجاد شده ماده غذایی به فاکتور اتلاف بستگی دارد. فاکتور اتلاف تابعی از ترکیب غذا، دما و فرکانس است .(3)
-2-1 مکانیسم حرارت دهی
مایکروویو دو مکانیسم اصلی تولید گرما در مایکروویو عبارتند از : پلاریزاسیون یونی و چرخش دوقطبی زمانی که یون های موجود در یک محلول شیمیایی به طرف یک میدان الکتریکی حرکت می کنند، پلاریزاسیون یونی روی می دهد. یون های مثبت و منفی و نمک های محلول در غذا نظیر کلرید سدیم در میدان الکتریکی به طرف بار مخالف یون حرکت کرده، تکرار تصادم این یون های مهاجر منجر به تولید حرارت می شود. هرچه تعداد دفعات برخورد در واحد زمان بیشتر باشد، انرژی جنبشی زیادتر شده و حرارت بیشتری تولید می گردد.
مکانیسم گرم شدن در اثر چرخش دوقطبی بستگی به وجود مولکولهای قطبی دارد. همزمان با جذب امواج توسط ماده غذایی، مولکولهای دوقطبی (بویژه مولکول آب) با میدان هم جهت می شوند. وقتی میدان متناوب بکار برده می شود با معکوس شدن قطبیت میدان، مولکولهای قطبی، مجدداً خودشان را در راستای میدان تغییر یافته، قرار می دهند. قرار گرفتن مولکول ها به اندازه 2450*106 بار در ثانیه در راستای میدان باعث ایجاد اصطکاک و در نتیجه تولید حرارت می شود. پس از جذب انرژی مایکروویو و تبدیل آن به انرژی حرارتی، حرارت توسط فرآیندهای جابجایی و هدایت به تمام قسمت های ماده غذایی منتقل می شود .(3)
-3-1 مزایا و محدودیت ها:
حرارت دهی با مایکروویو مانند هر روش حرارت دهی دیگر، دارای مزایا و معایبی است. مزایای اصلی فرآوری مایکروویو را می توان به صورت زیر خلاصه نمود:
-1 فرآیند مداوم خشک: در کاربردهایی که مایکروویو جایگزین آب یا بخار به عنوان منبع گرما می شود، امکان تولید مداوم (به جای غیر مداوم) وجود دارد بدون این که نیاز به خشک کردن محصول بته بندی شده باشد.
-2 صرفه جویی در فضا: با افزایش سرعت فرآوری این امکان وجود دارد که تجهیزات را به صورت فشرده طراحی کنیم. با استفاده از انرژی مایکروویو در صنعت نانوایی، زمان 50 درصد کاهش می یابد.
-3 کنترل دقیق فرآیند: تنظیمات گرمایش را می توان بلافاصله انجام داد و تنظیم دقیق به آسانی انجام پذیر است. سیستم ها را می توان به گونه ای قرار داد که بلافاصله به بازخورد از حسگرها پاسخ دهند.
-4 چند منظوره بودن سیستم مایکروویو به علت وسعت دامنه تنظیم درجه حرارت، بالا بردن دمای مواد غذایی منجمد به دمای چند درجه زیر صفر، پختن، گرم کردن و آب پز کردن را می توان در یک آون مایکروویو انجام داد.
محدودیت ها:
-1 عدم انجام واکنش های شیمیایی کند و مطلوب، در کاربرد مایکروویو زمان پخت کوتاه است و تغییرات شیمیایی که در برخی غذاها اهمیت دارند، رخ نمی دهد، لذا غذاهای پخته شده توسط مایکروویو، قهوهای رنگ نشده و تردی در آنها ظاهر نمی شود، ولی بیشتر مواد فرار حفظ می شوند. در نتیجه غذا دارای طعم غیرعادی است و این امر ممکن است از مطلوبیت آن بکاهد.
-2 تشکیل نقاط گرم و سرد در ماده غذایی، که یکی از علت های آن جذب متفاوت امواج توسط ترکیبات مختلف مواد غذایی است. این حالت در آون های خانگی بیشتر از مایکروویو مداوم صنعتی روی می دهد.
-3 نامشخص بودن نقطه پایان پخت، به علت عدم امکان نمونه گیری در حین فرآیند ( در مایکروویو صنعتی). -4 کم بودن راندمان توان. که در فرآیندهای مداوم بیش از 75 درصد نیست.
-5 عدم امکان سرخ کردن غذاها، به علت نفوذ امواج در عمق ماده غذایی. -6 محدود بودن تنوع تجهیزات 1) و .(3
-2 کاربردها:
-1-2 پخت با مایکروویو پختن از عمده ترین کاربردهای مایکروویو است. گزارش های متعددی از تأثیرات مایکروویو روی پارامترهای پختن، مانند: کیفیت، مزه و حفظ رنگ برای انواع مواد غذایی که مورد بررسی قرار گرفته است، وجود دارد. گزراش های زیادی از پختن نان، برنج و گوشت با استفاده از مایکروویو وجود دارد. در بسیاری از موارد، مقایسه هایی بین پخت با مایکروویو و پخت سنتی وجود دارد، در فرآیند پخت نان، بدست آوردن بافت خوب و به رنگ قهوه ای در سطح رطوبت ثابت ضروری است. روش های پخت معمولی با استفاده از هوای داغ رنگ و بافت مناسبی را به وجود می آورد. در پختن با مایکروویو، رنگ قهوه ای مطلوب سطح نان و تشکیل پوسته کافی امکان پذیر نیست. در طول فرآیند حرارتی مایکروویو، هوای اطراف محصول غذایی سرد است و آب تبخیری از غذا در تماس با هوای سرد کندانس می شود، که نتیجه آن نقص در تشکیل حالت برشته ای در محصول غذایی می شود .(8) به منظور حل مشکل عمده پخت فرآورده های آردی در مایکروویو ( یعنی عدم تشکیل پوسته و عدم قهوه ای شدن) می توان از پخت نهایی به روش متداول در مدت کوتاهی 4-5) دقیقه) در دمای 200-300 درجه سانتیگراد، یا از تشعشع مادون قرمز استفاده کرد. به عنوان مثال از مایکروویو به منظور خشک کردن خمیر پیتزا تا رطوبت 2-8 درصد ( قبل از پخت نهایی به روش متداول) استفاده کردهاند که در این روش زمان پخت محصول به دلیل پخت مقدماتی کاهش یافته است .(3)
-2-2 خشک کردن خشک کردن مواد غذایی به دو روش حرارت دهی مستقیم و غیرمستقیم صورت می گیرد. در بسیاری از روش های حرارت دهی که مواد غذایی از طریق احتراق سوخت های گازی، مایع و جامد خشک می شوند، امکان آلودگی محصول با سوخت، دود و نیز محصولات حاصل از احتراق وجود دارد. استفاده از امواج مایکروویو جهت خشک کردن مواد غذایی، تولید محصولی تمیز، مطمئن و عاری از هر گونه آلودگی را نوید می دهد. اتلاف حرارتی نسبتاً پایین، بازدهی بالا و کنترل دقیق و همگن فرآیند خشک کردن از دیگر مزایای ا ین روش است.
-1-2-2 خشک کردن
تحت خلأ حرارت دادن و خشک کردن غذاها با مایکروویو یکی از تکنولوژی های مفید است که خصوصیات ماده خشک شده حاصله از آن با خصوصیات حاصله از خشک کن انجمادی برابری می کند. به عبارتی خشک کردن با مایکروویو تحت خلأ می تواند به جای خشک کردن انجمادی نیز به کار می رود با این مزایا که زمان کمتری نیاز دارد و بنابراین هزینه های پایینتری هم نسبت به آن در پی خواهد داشت. در خشک کن مایکروویو تحت خلأ، تبخیر آب در دمای پایینتری (نسبت به فشار اتمسفری) انجام می گیرد؛ بنابراین مواد غذایی می توانند بدون اینکه در معرض دمای بالا قرار بگیرند، خشک شوند. علاوه بر این به علت عدم وجود هوا در طی خشک کردن، احتمال اکسیداسیون بسیار کاهش می یابد که این مزیت در رنگ، بافت و عطر و طعم محصولات خشک شده بسیار مؤثر و چشمگیر است. البته خشک کردن تحت خلأ نسبت به روشهای معمول هزینه های عملیاتی و تأسیساتی بالاتری دارد .(6)
-3-2 پاستوریزاسیون و استریلیزاسیون
با مایکروویو پاستوریزاسیون و استریلیزاسیون با هدف نابودی و غیرفعال سازی میکروارگانیسم ها، برای افزایش امنیت غذایی و عمر انبارمانی محصولات انجام می شود .(11) به منظور اطمینان از نابودی میکروارگانیسم های پاتوژن، مواد غذایی در دمای خاص برای مدت زمان خاص نگهداری می شوند. پاستوریزاسیون فرآیندی است که در آن میکروارگانیسم های پاتوژن مانند باکتری در فرم رویشی بوسیله تیمار حرارتی نابود می شود. پاستوریزاسیون همچنین باعث غیرفعال سازی آنزیم های نامطلوب که باعث حالت کدری در برخی از آب میوه ها هستند، می شود.
