Инфракрасный нагрев в пищевой промышленности

Инфракрасный (ИК) нагрев обеспечивает значительные преимущества по сравнению с обычным нагревом, включая сокращение времени, равномерность, снижение потерь качества, отсутствие миграции растворенных веществ в пищевых продуктах, универсальное, простое и компактное оборудование и значительную экономию энергии. 

Инфракрасное нагревание можно применять для различных операций по переработке пищевых продуктов, а именно сушки, выпечки, жарки, бланширования, пастеризации и стерилизации. Комбинация инфракрасного нагрева с микроволновым нагревом и другими распространенными проводящими и конвективными режимами нагрева набирает обороты из-за увеличения расхода энергии. 

В этой статье рассматриваются аспекты инфракрасного нагрева и представлены теоретические основы инфракрасной тепловой обработки пищевых материалов и взаимодействия инфракрасного излучения с пищевыми компонентами.  Также рассматривается применение инфракрасного нагрева в процессах пищевой промышленности и возможности будущих исследований.

Энергосбережение - один из ключевых факторов, определяющих прибыльность и успешность работы любого оборудования. Передача тепла происходит одним из трех методов: теплопроводностью, конвекцией и излучением. Пищевые продукты и биологические материалы нагревают в первую очередь для продления их срока хранения или для улучшения вкуса. При обычном нагреве, который достигается за счет сжигания топлива или с помощью электрического резистивного нагревателя, тепло генерируется вне нагреваемого объекта и передается материалу за счет конвекции горячего воздуха или теплопроводности. Подвергая объект инфракрасному (ИК) излучению (длина волны от 0,78 до 1000 мкм), генерируемая тепловая энергия может поглощаться пищевыми материалами. 

Некоторые характеристики инфракрасного нагрева, такие как эффективность, длина волны и отражательная способность, отличают его от других и делают его более эффективным для определенных процессов. Инфракрасный обогрев также набирает популярность из-за его более высокой тепловой эффективности и быстрой скорости нагрева / времени отклика по сравнению с обычным обогревом. В последнее время инфракрасное излучение широко применяется для различных операций термической обработки в пищевой промышленности, таких как обезвоживание, жарка и пастеризация.

Рис 1. Спектр электромагнитных волн.

Пищевые системы представляют собой сложные смеси различных биохимических молекул, биологических полимеров, неорганических солей и воды. Инфракрасные спектры таких смесей возникают из-за механических колебаний молекул или определенных молекулярных агрегатов в рамках очень сложного явления взаимного перекрытия. Аминокислоты, полипептиды и белки обнаруживают 2 сильные полосы поглощения, расположенные на 3–4 и 6–9 мкм. С другой стороны, липиды демонстрируют явления сильного поглощения по всему спектру инфракрасного излучения с 3 более сильными полосами поглощения, расположенными на 3–4, 6 и 9–10 мкм, тогда как углеводы дают 2 сильные полосы поглощения с центрами 3 и 7–10 мкм. 

Инфракрасное излучение можно разделить на 3 области: ближний инфракрасный (NIR), средний инфракрасный (MIR) и дальний инфракрасный (FIR), соответствующие спектральным диапазонам от 0,75 до 1,4, от 1,4 до 3 и от 3 до 1000 мкм соответственно. В целом, длинноволновое излучение выгодно для пищевой промышленности, потому что большинство пищевых компонентов поглощают инфракрасную энергию в  длинноволновой области.

За последние несколько лет инфракрасный нагрев в основном применялся в электронике и смежных областях, но практически не применялся в пищевой промышленности. Однако в последние несколько лет значительные исследования были предприняты в области инфракрасного нагрева пищевых продуктов. 

Настоящий обзор соответствует текущим разработкам в области инфракрасного нагрева и служит основой для его широкого практического применения в пищевой промышленности. Таким образом, цель этого обзора - оценить существующие знания в области инфракрасного нагрева, дать представление о взаимосвязи между свойствами продукта и технологическими процессами и представить современный взгляд на дальнейшие исследования. 

Наряду с прочным теоретическим обоснованием инфракрасного нагрева, обзор также охватывает применение инфракрасного нагрева в процессах обработки пищевых продуктов, таких как сушка, обезвоживание, бланширование, размораживание, пастеризация, стерилизация и другие различные виды обработки пищевых продуктов, такие как жарка, выпечка и прочие способы приготовление пищи, а также углубленная оценка инактивации патогенов. Также обсуждается влияние инфракрасного нагрева на сенсорное, физико-химическое, пищевое и микроструктурное качество пищевых продуктов, а также его сравнение с другими существующими распространенными методами нагрева, такими как конвекционный и микроволновый нагрев.

Основные законы инфракрасного излучения

Количество ИК-излучения, падающего на любую поверхность, имеет спектральную зависимость, потому что энергия, выходящая из излучателя, состоит из разных длин волн и доли излучения в каждой полосе, в зависимости от температуры и излучательной способности нагревательного элемента. Длина волны, на которой происходит максимальное излучение, определяется температурой инфракрасных излучателей. Эта взаимосвязь описывается основными законами излучения абсолютно черного тела, такими как закон Планка, закон смещения Вина и закон Стефана-Больцмана.

Взаимодействие ИК-излучения с пищевыми компонентами

Когда инфракрасная электромагнитная энергия падает на поверхность пищи, она может вызвать изменения в электронном, колебательном и вращательном состояниях атомов и молекул. Когда пища подвергается воздействию инфракрасного излучения, оно поглощается, отражается или рассеивается. Интенсивность поглощения на разных длинах волн зависит от компонентов пищи. 

В целом пищевые вещества наиболее эффективно поглощают энергию длинноволнового ик излучения через механизм изменения колебательного состояния молекул, который может приводить к радиационному нагреву. Вода и органические соединения, такие как белки и крохмалы, которые являются основными компонентами пищи, поглощают энергию FIR на длинах волн более 2,5 мкм.

Рис 2. Погашение излучения (поглощение, пропускание и отражение).

Применение инфракрасного обогрева в процессах пищевой промышленности

Применение инфракрасного излучения в пищевой промышленности получило широкое распространение благодаря присущим ему преимуществам по сравнению с обычными системами нагрева. Инфракрасное нагревание применялось при сушке, выпечке, обжарке, бланшировании, пастеризации и стерилизации пищевых продуктов.

Сушка и обезвоживание 

Инфракрасное нагревание занимает важное место в технологии сушки, и в этой области были проведены обширные исследования. Большинство сушеных овощных продуктов готовятся традиционным способом с использованием сушилки горячим воздухом. Однако этот метод не подходит, когда сушеные овощи используются в качестве ингредиентов продуктов быстрого приготовления из-за низкой скорости регидратации овощей. Техника сублимационной сушки является конкурентоспособной альтернативой, однако это сравнительно дорого.

Ожидается, что применение ИК-сушки с длинноволновыми керамическими инфракрасными нагревателями в пищевой промышленности представит новый процесс производства высококачественных сушеных пищевых продуктов с низкими затратами. Использование технологии инфракрасного излучения для обезвоживания пищевых продуктов имеет множество преимуществ, включая сокращение времени сушки, альтернативный источник энергии, повышенную энергоэффективность, равномерную температуру в продукте во время сушки, более качественные готовые продукты, меньшую потребность в потоке воздуха через продукт, высокую степень параметров управления технологическим процессом и экономию места наряду с чистой рабочей средой.

Рис 3. Основные полосы поглощения основных пищевых компонентов по сравнению с водой

Таким образом, операции сушки с ик керамическими нагревателями успешно применялись в последние годы для сушки фруктов и овощей. Сушка водорослей, овощей, рыбных хлопьев и макаронных изделий также производится в туннельных инфракрасных сушилках. 

Обычно твердые материалы поглощают инфракрасное излучение тонким поверхностным слоем. Однако влажные пористые материалы пропускают излучение на некоторую глубину, и их коэффициент пропускания зависит от содержания влаги.  Теоретические расчеты показали, что прерывистая инфракрасная сушка с подводимой энергией 10 Вт / м ² становится эквивалентной конвективной сушке, при которой коэффициент теплопередачи достигает 200 Вт / м ².

Интегрированные технологии сушки: инфракрасная и конвективная сушка. 

Хотя инфракрасная сушка является многообещающим новым методом, она не является панацеей для всех процессов сушки. Она привлекает, потому что процесс ик сушки быстрый и вызывает нагревание внутри высушиваемого материала, но его проникающая способность ограничена. Продолжительное воздействие инфракрасного излучения на биологический материал приводит к набуханию и, в конечном итоге, к разрушению материала.  Однако сочетание периодического инфракрасного нагрева и непрерывной конвекционной сушки толстого пористого материала приводит к повышению качества продукции и энергоэффективности. Таким образом, инфракрасное излучение можно рассматривать как обработку поверхности.

Применение комбинированного электромагнитного излучения и обычного конвективного нагрева считается более эффективным по сравнению с одним только инфракрасным или конвективным нагревом, поскольку дает синергетический эффект. 

Инактивация ферментов 

Инфракрасное нагревание можно эффективно использовать для инактивации ферментов. Липооксигеназа, фермент, ответственный за порчу соевых бобов, была инактивирована на 95,5% в течение 60 секунд после обработки инфракрасными нагревателями.  ИК нагрев успешно использовался для инактивации ферментов, ответственных за появление неприятного запаха в горохе перед процессом замораживания, а также других ферментов и бактерий в растворе.

Инактивация патогенов 

Инфракрасное нагревание можно использовать для инактивации бактерий, спор, дрожжей и плесени как в жидких, так и в твердых продуктах питания. Эффективность инактивации микробов с помощью инфракрасного нагрева зависит от следующих параметров: уровень мощности инфракрасного излучения, температура образца пищи, пиковая длина волны и ширина полосы инфракрасного источника нагрева, глубина образца, типы микроорганизмов, содержание влаги и типы пищевых материалов. 

Инфракрасный нагрев в других различных процессах пищевой промышленности 

Полезность инфракрасного нагрева также была продемонстрирована в различных других приложениях пищевой промышленности, таких как жарка, нагревание и приготовление мяса и мясных продуктов, соевых бобов, зерновых культур, какао-бобов и орехи.

С растущим интересом к огневому жарению и методам быстрого приготовления, конвейерная выпечка с использованием инфракрасного излучения является уникальным и инновационным методом. 

Источники инфракрасного нагрева

Два обычных типа инфракрасных излучателей, используемых для технологического обогрева, - это керамические и кварцевые инфракрасные нагреватели.

• Керамические инфракрасные нагреватели от компании Полимернагрев используются в ик панелях для выпечки и сушки, также мы изготавливали инфракрасные модули с длинноволновыми керамическими нагревателями для глазировочных машин, используемых в кондитерской промышленности.

• Кварцевые инфракрасные нагреватели могут использоваться в грилях или туннельных печах для выпечки лаваша. Данные нагреватели работают в средневолновом диапазоне, их основное преимущество – очень быстрый нагрев.

Инфракрасное излучение передается через воду на более коротких волнах, тогда как на более длинных волнах оно поглощается на поверхности. Следовательно, сушка тонких слоев кажется более эффективной при помощи керамических ик нагревателей , в то время как сушка более толстых тел должна давать лучшие результаты при помощи кварцевых излучателей. 

Большинство инфракрасных панелей состоят из нагревательных элементов, излучающих спектр с 1 определенной пиковой длиной волны, соответствующей фиксированной температуре поверхности. Для оптимизации процесса следует учитывать тип инфракрасного излучателя и контроль точной длины волны. На практике источник ИК-излучения излучает очень широкий диапазон. Следовательно, сложно отрезать все спектральное распределение, чтобы получить определенную полосу пропускания.

Выводы и потенциал будущих исследований

Инфракрасный нагрев - уникальный процесс, однако в настоящее время применение и понимание инфракрасного нагрева в пищевой промышленности все еще находится в зачаточном состоянии, в отличие от электроники и смежных секторов, где инфракрасное отопление является зрелой промышленной технологией. Из этого обзора также становится очевидным, что инфракрасный обогрев имеет множество преимуществ по сравнению с конвекционным обогревом, включая более высокую энергоэффективность, скорость теплопередачи и тепловой поток, что приводит к экономии времени, а также к увеличению скорости производственной линии.