Сублимационная сушка фруктов и овощей в микроволновой печи

Сублимационная сушка фруктов и овощей в микроволновой печи

Микроволны – это электромагнитные волны в диапазоне частот от 300 МГц до 300 ГГц. В пределах электромагнитного спектра  они заключены между радиочастотным диапазоном на более низких частотах и инфракрасным и видимым светом на более высоких частотах. Таким образом, микроволны относятся к неионизирующим излучениям. Микроволновый диапазон частот также используется для телекоммуникаций, таких как мобильные телефоны и радиолокационные передачи. Чтобы предотвратить проблемы с помехами, для промышленных, научных и медицинских приложений зарезервированы специальные полосы частот (так называемые ISM-частоты). В соответствии с этими международными правилами для промышленных микроволновых устройств в основном используются частоты 2450 МГц и 915 МГц.

В дополнение к правилам, касающимся частот ISM, существуют дополнительные правила безопасности:

(A) Пороговое значение для максимального микроволнового облучения человека

(B) Пороговое значение для максимального излучения промышленных микроволновых систем

Для получения дополнительной информации о международном стандарте безопасности читатели могут обратиться к стандарту безопасности IEC60519-6.

Сублимационная сушка в микроволновой печи

Ограничения на скорость теплопередачи в традиционно проводимых операциях сублимационной сушки привели к попыткам обеспечить внутреннее тепловыделение с помощью микроволновой энергии. В принципе, более быстрое время сушки может быть достигнуто с помощью микроволн, поскольку они генерируют тепло непосредственно внутри продукта.

Принцип

Говоря простым языком, микроволновая сублимационная сушилка представляет собой обычную сублимационную сушилку с дополнительной возможностью применения микроволн в сушильной камере. Весь процесс сушки проходит в условиях вакуума от 0,5 до 2,5 мбар путем сублимации. Продукты сублимационной сушки, полученные в микроволновой печи, по качеству аналогичны текстуре обычных сублимированных продуктов. Но по сравнению с обычной системой сублимационной сушки, которая сушит слой за слоем, начиная с внешней стороны, микроволновая система генерирует тепло внутри самого продукта, так что сублимация происходит во всем объеме продукта.

В отличие от самого продукта вода имеет очень низкие диэлектрические потери при температуре ниже -10 ° C в замороженном состоянии. Следовательно, при использовании микроволновой сублимационной сушки энергия будет в основном поглощаться органическими молекулами продукта. Диэлектрическими потерями воды можно пренебречь во время первой фазы микроволновой сублимационной сушки, когда глубина проникновения значительна и энергия может передаваться из-за диэлектрических потерь органического продукта. По этой причине сублимационная сушка в микроволновой печи намного эффективнее и быстрее, чем обычная сублимационная сушка. Эксперименты и численные прогнозы показывают, что стоимость сушки можно снизить, используя микроволновую сублимационную сушку.

Преимущества

Сублимационная сушка в микроволновой печи дает следующие преимущества:

  • Объемное микроволновое нагревание глубоко в слое продукта, поскольку вода в замороженном состоянии почти прозрачна для микроволн;
  • Быстрое рассеивание энергии по всему материалу;
  • Автоматическая адаптация поглощенной СВЧ энергии к изменяющимся в процессе сушки диэлектрическим свойствам изделий;
  • Более эффективная сушка в период падения скорости с небольшим потреблением энергии

При обычной сублимационной сушке градиент тепла действует снаружи внутрь. Это ограничение передачи тепла приводит к длительному времени сушки, особенно когда вода сублимируется внутри фруктов или овощей, в то время как их поверхностный слой, уже будучи сухим, становится более изолирующим и ограничивающим передачу тепла. Самым большим преимуществом использования микроволн является то, что энергия генерируется во всем объеме в пределах глубины проникновения. Когда вода замораживается при температуре ниже -5 ° C, глубина проникновения микроволн становится еще выше, и они могут проникать глубоко в массу овощей, целых фруктов, а также целые грузы продуктов с объемом до 20-40 см. Сублимация происходит во всем объеме овощей и фруктов. Это преимущество имеет огромное влияние на увеличение скорости сушки.

Рис.1 Пробивное напряжение в зависимости от атмосферы.

Сублимационная сушка фруктов и овощей в микроволновой печи

Проектирование и изготовление микроволновых сублимационных сушилок является сложной задачей, поскольку ошибки в конструкции могут впоследствии привести к образованию плазмы в сушильной камере. Обычно плазма возникает, если напряженность электрического поля в вакуумной камере превышает напряжение пробоя. Ионизация остаточных газов, присутствующих в вакуумной камере, приводит к появлению плазменного света, вызывающего ожоги на поверхности изделия. Возникновение этого явления является причиной значительных потерь энергии и чрезмерного нагрева сухой зоны материалов, серьезно повреждая конечный продукт. Пороговое значение напряжения пробоя зависит от вакуума. Минимум находится в пределах диапазона давления вакуума, используемого при обычной сублимационной сушке. Поэтому, чтобы избежать плазменных разрядов, необходимо оптимизировать давление в камере, параметры процесса и мощность микроволн, обеспечить хорушую связь между микроволновым генератором и вакуумной камерой, содержащей продукт. Чтобы избежать образования плазмы, также важна конструкция самой вакуумной камеры.

Типичная продолжительность обычной сублимационной сушки составляет от 20 до 60 часов в зависимости от типа и количества сушенных овощей или фруктов. На конечных стадиях сушки температура продукта поднимается выше 0 ° C, потому что, когда внутри продукта остается лишь небольшое количество влаги, точка кипения теряет свое влияние на температуру продукта. Возможны температуры от 0 ° C до 50 ° C. Когда продолжительность конечной сушки велика, как при обычной сублимационной сушке, продукт подвергается воздействию повышенных температур в течение нескольких часов. Кроме того, теплопроводность продукта становится очень низкой, и для передачи тепла в центр продукта требуется много времени. Это проблема, особенно с целыми фруктами, такими как клубника, малина, черника и т.  Из-за чрезмерного нагрева на этой стадии сушки летучие вещества, такие как ароматизаторы, витамины и антиоксиданты атакуются и ломаются. Конечный продукт может по-прежнему обладать превосходной текстурой и хорошими дегидратационными свойствами, но он потерял большую часть своих витаминов, антиоксидантов и ароматизаторов. Но при микроволновой сублимационной сушке с общей продолжительностью всего несколько часов в промышленной микроволновой печи выдержка продукта при температурах выше 20 ° C намного короче, что позволяет сохранить большинство его витаминов, антиоксидантов и ароматизаторов.

Рис.2 Глубина проникновения свободной волны 2450 МГц и 915 МГц, проникающей в диэлектрическое тело

Глубина проникновения свободной волны 2450 МГц и 915 МГц

Микроволновая частота 915 МГц в основном используется для крупных промышленных установок, поскольку экономически доступны магнетроны мощностью от 30 до 100 кВт. Также 915 МГц имеет примерно в 2,7 раза большую глубину проникновения.

Рис.3 Сравнение микроволновой вакуумной сушки и микроволновой сублимационной сушки

Сравнение микроволновой вакуумной сушки и микроволновой сублимационной сушки

У микроволновой вакуумной сушки и микроволновой сублимационной сушки есть одна общая черта. На заключительной стадии сушки трудно поддерживать низкие температуры, поскольку при небольшом количестве влаги в продукте фактическая температура больше не будет соответствовать температуре испарения. Единственный способ избежать слишком высокого повышения температуры – снизить плотность энергии микроволн. Большинство пищевых продуктов с высоким содержанием влаги имеют диэлектрические свойства в диапазоне от ” = 1,0 до 30 при температуре около 25 ° C, которые уменьшаются в замороженном состоянии от ” = 0,05 до 1,0. Затем глубина проникновения увеличивается с 1 см до 10-20 см на частоте 2450 МГц и до 27-54 см на частоте 915 МГц.

Примеры использования микроволновой сублимационной сушки пищевых продуктов

Хрен

Сушка корнеплодов интересна как для медицинских исследований, так и для производства, так как они содержат много витаминов, антиоксидантов и ароматизаторов. В основном корни механически очень стабильны, их можно переворачивать и перемешивать во время сушки. Пример корня с сильным ароматом – хрен. Эксперимент проводился для оценки качества сушеного хрена с точки зрения внешнего вида и вкуса. Хрен подвергали бережной сублимационной сушке в микроволновой печи. Можно сделать вывод, что микроволновая сублимационная сушка может обеспечить лучшую текстуру продукта, а также более высокое качество по сравнению с обычной сублимационной сушкой.

Рис.4 Параметры сушки и снимок сублимированного хрена, высушенного в микроволновой печи

Параметры сушки и снимок сублимированного хрена

Таблица 1 Параметры сушки хрена

Параметр Данные в начале процесса Итоговые данные
Вес 346 г 110 г
Влажность 68% 3-10 %

Время сушки – 2 ч
Максимальная температура – 5 ° C

Производительность определяется исходя из начальной влажности сырья и конечной влажности продукта, необходимого потребителю. При этом определяется, количество влаги которое необходимо удалить. Количество влаги, которую необходимо удалить, делится на мощность установки.

Рис.5 Фрукты и их влажность в свежем состоянии и состоянии после сушки

Фрукты, овощи и их влажность в свежем состоянии

Редис обыкновенный

Редис широко используется в качестве ингредиента для супов в пищевой промышленности. Текстура, дегидратация и вкус – главные параметры для пищевой промышленности. Светло-белый цвет и тонкая структура требуют бережных условий сушки. В настоящее время  сублимационная сушка позволяет получить продукт с превосходной текстурой, дополнительно с избежанием больших потерь во время обработки. Время сушки для такого процесса составляет от 20 до 50 часов. Во время такой длительной сушки аромат продукта постепенно улетучивается. Этот недостаток можно избежать с помощью микроволновой сублимационной сушки, при которой время сушки от 2 до 4 часов значительно короче и лучше сохраняет аромат. Однако более короткое время сушки также предполагает и более низкий коэффициент обезвоживания (см. таблицу 2).

Таблица 2: Сравнение параметров сушки различных технологий сушки редиса обыкновенного

Параметры

Комбинация
MW
FD и VD

Сублимационная сушка в микроволновой печи

Сублимационная сушка

Время сушки

40ч

Максимальная температура

40 ° С

10 ° C

40 ° С

Начальный вес

0,58 г

0,59 г

0,52 г

Коэффициент обезвоживания *

2.2

4.4

10,0-14,0

Аромат

хороший

превосходный

слабый

* Степень обезвоживания измеряется по водопоглощению высушенного продукта при 80 ° C в горячем состоянии в течение 1 минуты по сравнению с исходной массой до этого.

Рис. 6 Клубника после микроволновой сублимационной сушки

Сублимированная клубника

Клубника

В ягодной индустрии существует огромный спрос на высококачественные сушеные цельные фрукты. При обычной сублимационной сушке клубнику сушат в основном ломтиками, чтобы обеспечить значительную теплопередачу от нагретых полок к продукту. Целую клубнику очень сложно сушить с помощью обычных методов сублимационной сушки, поскольку время сушки и потребность в энергии для таких процессов в промышленных масштабах чрезвычайно высоки. Но сублимационная сушка клубники в микроволновой печи может обеспечить отличные текстурные свойства, а также хорошую скорость передачи энергии и тепла. Ниже приведены параметры сушки. На рис. 6 показана текстура клубники после 3-часовой сублимационной сушки в микроволновой печи. 3 кг цельной клубники сушили в открытом барабане.

Начальный вес – 3 кг. Итоговый вес – 0,51 кг
Время сушки – 3 ч
Максимальная температура – 42 ° С. Применяемая микроволновая энергия – 2,81 кВтч

Процесс замораживания оказывает большое влияние на качество сушимого продукта. Кроме того, скорость замораживания влияет на размер кристаллов льда. Чем быстрее он замерзнет, тем меньше будет кристаллическая структура и тем лучше сохранятся тонкие структуры продукта. На рисунке 7 можно сравнить текстурные свойства замороженной и сублимированной клубники, высушенной в промышленной микроволновой печи

Рис.7 Целая клубника, высушенная сублимационной сушкой в микроволновой печи (слева), разрезанная после сушки для демонстрации внутренней текстуры и структуры (справа).

Внутренняя текстура сублимированной клубники

Как показано на Рис 7, если во всем объеме клубники есть замороженные кусочки льда или участки с более высоким содержанием воды, они влияют на процесс сублимационной сушки в микроволновой печи и качество сушимого продукта. Из-за неравномерного распределения электромагнитного поля и из-за различий в консистенции продукта некоторые части клубники могут поглощать более высокую плотность энергии и повышать температуру. Когда температура продукта превышает точку кипения -5 ° C, диэлектрические потери замороженной воды значительно возрастают. Как следствие, температура повысится, и замороженная вода станет жидкостью, вызывая точечное высокое поглощение микроволновой энергии. Вода сразу испаряется в объеме продукта, образуя пузыри, разрушающие первоначальную структуру. Клубника – хороший пример для демонстрации этого. Следовательно, существует требование к однородным свойствам продукта, таким как размер, форма и замороженное состояние, а также к тому, чтобы микроволновая энергия была как можно более однородной, чтобы обеспечить равномерную передачу микроволновой энергии в продукт. По этой причине перемещение продукта во время сушки также важно для обеспечения равномерного поглощения энергии каждым отдельным продуктом. Уровень вакуума также играет ключевую роль. Чем ниже вакуум, тем безопаснее будет процесс благодаря безопасному расстоянию до критической температуры -5 ° C. Конечно, низкий вакуум также означает высокие затраты. Так что нужно найти разумный компромисс. Следует учитывать, что содержание сахара также оказывает огромное влияние и увеличивает температуру кипения. Чтобы справиться с продуктами с высокими значениями BRIX, вакуум должен быть как можно ниже с учетом экономической целесообразности. Еще одно ограничение – внешний кожух, который работает как мембрана с ограниченной диффузионной способностью. Испарение через эту мембрану ограничено и снижает диффузию влаги и массообмен. Чтобы преодолеть это ограничение, поверхность клубники мелко перфорируют; это обеспечит лучшее распространение и более высокую скорость высыхания.

Рис.8 Сублимированный банан

Сублимированные бананы в вакуумной сушке

Бананы

Бананы пользуются большим спросом, в основном в качестве ингредиента для каш и закусок. Сушка с ломтиков банана затруднена, поскольку они механически очень нестабильны и быстро окисляются. Однако в замороженном состоянии они удобны в обращении и достаточно стабильны для микроволновой сублимационной сушки в барабане. Также может быть комбинированный процесс сушки вымораживанием с помощью микроволновой печи в 1 мбар в качестве основного этапа сушки и сушки в вакууме с помощью микроволновой печи в 20 мбар для конечной сушки. Во время вакуумной сушки при 20 мбар может быть достигнут эффект вздутия, увеличивающий объем продукта в 2-5 раз .

Коммерческий потенциал / жизнеспособность микроволновой сублимационной сушки для пищевых продуктов

В ближайшие годы спрос на качественные продукты питания возрастёт. Качество продуктов, высушенных в микроволновой печи в вакууме, почти не отличается от продуктов сублимационной сушки, особенно когда требуются высококачественная текстура и быстрая дегидратация. Что касается качества и сохранности ценных ингредиентов, микроволновые сублимационные сушилки превосходят обычные системы сублимационной сушки. В промышленно развитых и развивающихся странах производители продуктов питания получат более выгодные позиции по сравнению с глобальными пищевыми компаниями, например, если они смогут сохранять и обрабатывать свои продукты после сбора урожая. Таким образом, фермеры станут более независимыми от сезонных цен и смогут предлагать на рынок высококачественные сушеные продукты, используя микроволновую технологию с микроволновыми сублимационными сушилками, которые требуют меньшей занимаемой площади и более низких затрат, чем обычные сублимационные сушилки.

Что касается потребителей, то люди больше осведомлены о здоровой пище и готовы платить за дорогостоящие продукты по более высоким ценам. На сегодняшнем глобальном рынке потребители находят широкий выбор, в основном, обычных сублимированных продуктов, таких как упакованные фруктовые и овощные закуски, предлагаемых нишевыми поставщиками в Интернете. Также можно заметить, что обычные супермаркеты чаще предлагают сублимированные закуски как особые товары. Спрос на такую продукцию постоянно растет. В то время как традиционная технология сублимационной сушки будет испытывать большее давление из-за увеличения стоимости энергии и такого роста цен на сталь, и поэтому она будет частично заменена более быстрыми, компактными и более эффективными микроволновыми сублимационными сушилками.

Рис.9 Вакуумная микроволновая печь мощностью 3-12 кВт с 4-мя камерами “Самун”

Chamber vacuum microwave installation Samun

Тематические исследования с клубникой и малиной проводились в экспериментальной микроволновой сушилке с замораживанием мощностью 6 кВт / 2450 МГц. Самая крупная производственная микроволновая сублимационная сушилка показана на Рисунке 10 ниже.

Рис.10 Промышленная микроволновая сублимационная сушилка мощностью 24 кВт

Промышленная микроволновая сублимационная сушилка

Использование микроволновой сублимационной сушки уже началось в керамической, фармацевтической и химической промышленности высокого уровня. Скоро микроволновая сублимационная сушка проникнет в пищевую промышленность, начиная со сфер, где производительность сушки и производительность находятся в диапазоне от 5 до 100 кг / ч для ценных продуктов, таких как лекарственные травы, корни (женьшень), а также фруктов, а также дорогостоящих продуктов, ингредиентов для супа.

Заключительное слово

Концепция микроволновой сублимационной сушки основана на меньшей занимаемой площади, более высокой энергоэффективности и лучшем качестве с точки зрения летучих компонентов по сравнению с традиционной сублимационной сушкой с длинными вакуумными сосудами и огромной загрузкой продукта. Применение микроволновой сублимационной сушки в промышленных системах сушки вызывает растущий интерес, особенно из-за высокой энергоэффективности и потенциала достижения результатов.

В 21 – м веке потребители имеют повышенную осведомленность о здоровых ингредиентах и эстетической привлекательности обработанных пищевых продуктов и готовы платить более высокие цены на продукты питания высокого качества. С пониманием медицинского значения витаминов, антиоксидантов и ароматизаторов продукты сублимационной сушки в микроволновой печи могут занять более высокое положение, поскольку они сохраняют гораздо больше ценных питательных веществ, чем обычные продукты сублимационной сушки.

Более того, из-за увеличения стоимости энергии и затрат на обработку, а также роста цен на сталь традиционная технология сублимационной сушки будет все больше и больше подвергаться давлению и в ближайшее время будет частично заменена более быстрыми, компактными и более эффективными микроволновыми сублимационными сушилками.