ProPack

Силата на микровълните

Микровълните са вид електромагнитно лъчение с често­та и дължина на вълната в определени диапазони — от 300 MHz (дължина на вълната от 1 м) до 300 GHz (дължина на вълната от 1 мм). В скалата на електромагнитния спек­тър те са разположени между ултракъсите вълни (с по-ниска честота) и видимата светлина. Степента на тер­мично влияние на микровълните върху храните зависи от сложните физични процеси на взаимодействие в различни­те видове среди. Това взаимодействие се определя най-вече от фактори като: диелектричните (изолаторни) ха­рактеристики на храните, тяхното водно съдържание, степента на поглъщане на лъченията и разпределението на генерираната топлина.

Принципът на действие на микровълните върху раз­личните материали може да бъде обяснен сравнително просто. Максималният термичен ефект на този тип лъ­чение се постига, когато даденият материал или храни­телен продукт е с високо съдържание на вода. Водните молекули поглъщат интензивно микровълните, при което електромагнитната енергия се преобразува във вътреш­на (увеличава се температурата в целия обем). Този то­плинен ефект се използва за различни цели — от пригот­вяне на полуготови храни и размразяване на дълбоко зам­разени продукти до промишлено сушене на строителни материали и изпичането на кафе и ядки.

Изобретяването на „радарните“ фурни

Както повечето съвременни изобретения микровълнова­та фурна е страничен продукт на друга технология, раз­работвана предимно за военни цели Технологията на ми­кровълновата обработка на храните се появява като следствие от разработването на радарните системи по време на Втората световна война.

Откритието, че освен за локализиране на вражески самолети и кораби микровълните с определена често­та могат да се използват и за готвене на храни, е на­правено през 1946 г. от американския изследовател Пърси Спенсър. В онези години Спенсър работи в лаборатория­та на “Рейтиън корпорейшън“ в Бостън върху проект за разработване на ново поколение радарни системи. Някол­ко години по-рано, през 1940 г., във Великобритания са на­правени първите свръхвисокочестотни (СВЧ) радиолока­ционни станции. В лабораторията си в Бостън Спенсър провежда изпитания на генератора на СВЧ трептения в сантиметровия диапазон, познат още като магнетрон. По време на експериментите забелязва, че шоколадови­ят бонбон, който носел в джоба си, се бил разтопил. Той веднага праща свой подчинен да купи царевица за пукан­ки. Поставя царевичните зърна до излъчвателя и наблю­дава как зърната цвърчат, пукат се и се пръскат из цяла­та лаборатория. На следващата сутрин Спенсър реша­ва да сложи яйце до магнетрона. Той поставя яйцето в чайник със специално изрязана отстрани дупка, през коя­то да преминат генерираните от магнетрона микровъл­ни. Пред очите на Спенсър яйцето започва да се тресе от огромното вътрешно налягане, предизвикано от по­вишената вътрешна температура. Силно заинтригуван, колега на Спенсър, който също наблюдава експеримента, се приближава и поглежда през отвора на чайника. В този момент яйцето експлодира и изпръсква лицето му с го­рещ жълтък. Спенсър веднага прави логичния извод — раз­топеният шоколад, пуканките и взривеното яйце са ре­зултат от въздействието на енергията в микровълните. Ученият започва да експериментира, като поставя маг­нетрона в затворена метална кутия. По този начин елек­тромагнитните вълни се отразяват от стените, което води до увеличаване на наситеността им и намалява за­губите на енергия. С тези опити започва революцията в топлинната обработка на храни, довела до създаването на микровълновата фурна, или както е наричана по онова време — „радарна“ печка. Първите модели микровълнови фурни за домашна употреба са създадени в периода 1952–1955 г. от компанията за бяла техника „Тапан“. Всяка от тях струвала високата за онези години сума от 1295 до­лара. Днешните домашни микровълнови фурни работят обикновено на честоти около 2,45 GHz, т.е. с дължина на вълната от 12,23 см. За промишлени нужди, както ще ви­дим по-нататък, се използват магнетрони, излъчващи на по-ниската честота от 915 MHz.

Промишлената микровълнова обработка

От времето на поява на първите индустриални микро­вълнови фурни в средата на миналия век в САЩ произво­дителите на храни и американските военни показват си­лен интерес към възможностите на микровълните за бързо нагряване и стерилизация на консервираните хра­ни. Разработването на надеждна микровълнова техно­логия, която да предоставя и качествено повтарящо се температурно третиране, се оказва доста трудна зада­ча дори и днес, близо 60 години след пускането на пазара на първите домашни микровълнови фурни. Сред основни­те причини за бавния напредък в областта са липсата на информация за диелектричните свойства на храните (оп­ределящи начина им на взаимодействие с микровълните), ненадеждната технология, високите енергийни разходи и скъпите консумативи.

Днес обаче с разработването на по-сигурни и ефек­тивни магнетрони и откриването на предпазните фе­ритни циркулатори, микровълновите технологии стават по-надеждни за дълготрайна употреба в промишлени усло­вия. Паралелно с това разработването на нови опаковъч­ни решения (бариерни филми, наноматериали и др.) позво­лява допълнително усъвършенстване на микровълновата стерилизация. Цената на оборудването също бележи се­риозен спад през годините и към момента е съпостави­ма с тази на конвенционалните стерилизиращи техноло­гии. По отношение на изучаването на взаимодействието между микровълните и храните обаче има още какво да се желае.

Към момента индустриално оборудване за микровъл­нова стерилизация съществува в няколко западноевропей­ски страни (Белгия, Холандия и Италия). В САЩ производи­телите на подобно оборудване предлагат на пазара ня­колко типа системи за микровълново нагряване за печене, размразяване и темпериране, както и за пастьоризация и сушене на полутечни продукти. Нито една от тези сис­теми обаче не е проектирана и одобрена за високотем­пературна микровълнова стерилизация.

Микровълнова пастьоризация

Микровълновата пастьоризация се използва с комерсиал­на цел в Европа, Япония и САЩ. Тези системи работят на стандартната честота от 2450 MHz при мощности от 10 до 40 kW. Опакованите тестени изделия и охладените полуготови храни се пастьоризират при условия, при кои­то температурата на продукта достига до 80◦C за пе­риод от 3 до 5 минути, след което се оставят при тази температура за няколко минути. Тази обработка гаран­тира защита от плесени, гъбички и термолабилни бакте­рии. Масово разпространените пластмасови опаковъчни материали не са бариера пред микровълните. Следова­телно те могат да бъдат използвани за загряване на хра­нителни продукти в запечатани опаковки. Основното предимство на микровълновата пастьоризация на опако­вана храна е елиминирането на евентуално замърсяване след поставянето на храните в опаковката. Друго пре­димство е намаленото време, при което храните се излагат на високи температури, което прави метода по-енергийно ефективен от традиционните.

Микровълнова стерилизация

Голямо предимство на микровълновата стерилизация пред конвенционалното нагряване е многократно нама­леното време за обработка. Учените демонстрират, че краткият срок на излагане (128°C за 3 мин.) произвежда продукти с по-високо качество от тези при стандартно­то консервиране (при 120°C за 45 мин.) или стерилизира­нето на пликове с храна (125°C за 13 мин.). Тази техноло­гия обаче все още се използва много рядко за идустриални цели най-вече поради неъзможноста да се осигури равно­мерно нагряване на храните, особено ако те са сложни по структура, форма и състав. Оказва се, че при размразява­не или печене в сложните по състав храни винаги се об­разуват области с различна температура и водно съдър­жание. Така например в обработеното месо в консерва могат да съществуват области, в които температура­та да е по-ниска от критичната за оцеляване на патоген­ни организми и техните спори, което да доведе до разва­ляне на продукта в срок на годност и опасност за живота и здравето на потребителите на месото.

На честота 915 MHz

Пробивът в практическото прилагане на микровълнови­те технологии при обработката на опаковани храни вече е направен, след като Американската асоциация по храни­те и лекарствата (FDA) одобри революционна система, при която се използват микровълни с честота 915 MHz. Технологията е разработена от екип от катедрата по биологичен инженеринг към Вашингтонския държавен уни­верситет под ръководството на проф. Джуминг Танг. В проекта са взели участие и учени, работещи за големи производители на храни, включително снабдители на аме­риканската армия. Резултатите от работата на учени­те се заключават в изработването на стерилизираща микровълнова система, която удължава срока на годност на опакованите продукти, като същевременно запазва добрия им вкус и хранителни качества по-добре в сравне­ние с традиционните методи на консервиране. Разреше­нието на FDA за промишленото прилагане на микровъл­новата технология се отнася до храни с ниско киселинно съдържание. Работата на учените е оценена подобаващо и с наградата на американския институт за хранителни технологии (IFT) за 2010 г.

Съгласно разработената от екипа на проф. Танг сис­тема облъчваните опаковки биват поставяни в съдове с гореща вода под налягане. Доказано е, че микровълните на 915 MHz проникват по-дълбоко и ефективно в материя­та от вълните на 2450 MHz, които се използват в домаш­ните микровълнови фурни. Комбинацията от електромаг­нитно лъчение, конвенционално нагряване и налягане е високоефективна при унищожаването на патогенни орга­низми и техните спори. От друга страна, микровълнови­ят процес на обработка е безвреден за човека, тъй като не провокира създаването на остатъчни вредни химика­ли и радиация в храните.

Същественият фактор за успеха на новата разработ­ка се оказало създаването на система за химическа ин­дикация в опаковките, която да идентифицира студени­те участъци в храните и да осигури тяхното нагряване до необходимите температурни стойности между 121 и 132°C. Друго предизвикателство, което учените трябва­ло да преодолеят, било свързано с предоставянето на си­гурни доказателства, че продуктите са стерилизирани. Консервираните по традиционните методи храни обик­новено трябва да престоят в индустриалните казани под налягане между един и два часа, което в повечето случаи променя вкуса им в негативна посока. Процесът на стерилизация, разработен от екипа на проф. Танг, от­нема само осем минути, с което се запазват вкусовите и хранителни качества и добрия външен вид на храните.

До този момент новата микровълнова система е одо­брена единствено за стерилизиране на относително хо­могенните по състав полуготови картофени пюрета. Бъ­дещите приложения на технологията обаче са свързани с обработката на месо, кнедли и филе от сьомга в пласт­масови опаковки. За целта обаче всеки вид храна трябва да мине през серия от проучвания, чиято цел е да се ана­лизират нейните специфични характеристики като во­дно съдържаните, плътност, форма. обем и др. Система­та притежава и огромен потенциал за пастьоризация на „капризни“ продукти като детски или замразени храни. За момента нейната производителност от 50 опаковки на минута е ниска за изискванията на големите производи­тели, което мотивира изследователите да работят уси­лено върху подобряването на капацитета ù.

Новата система може да бъде прилагана успешно при обработката на дажбите на войниците на фронта и на астронавти на мисии в дълбокия Космос. Учените смя­тат, че системата може да революционаризира начина на съхранение и обработка на храните и въобще да има огромно влияние върху цялата хранителна индустрия в бъ­деще. Очаква се системата да бъде пусната официално на пазара до две години.

Паралелно с екипа на проф. Танг учени от университе­та в Северна Каролина са разработили микровълнова сис­тема за стерилизация на хомогенни и многосъставни хра­нителни продукти с високо и ниско киселинно съдържание. Уникалността на разработената технология се състои във възможността за обработка на твърди и течни хра­ни, както и на сложни ястия и различни храни в една опа­кова с множество различни и независими едно от друго отделения.

Предимства на технологията

• Значително намаляване на времето за обработка при подобрена безопасност на храните
• По-добър и свеж вид на продуктите, което ги прави по привлекателни за потребителя
• Потенциално запазване на важните хранителни веще­ства и витамини, които се разграждат при продължи­телна температурна обработка
• Мигновеното включване и изключване на процеса поз­волява по-прецизен контрол, по-ефективно използване на енергията и по-ниски екологични щети
• Постопаковъчният процес може да намали количе­ството бракувани опаковки и да елиминира разходите за охлаждане/замразяване на храните
• Микровълновата стерилизация предлага огромни въз­можности за напредничавите производители да раз­работят нови хранителни продукти, което досега не е било възможно поради ограниченията на традицион­ните начини на обработка

• Прилагането на тази технология увеличава сериоз­но обхвата на стерилизация на храните особено при крехките храни като плодове и зеленчуци, морски да­рове, сирена и др.