Всесторонний обзор применения инфракрасного нагрева в пищевой промышленности
Лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья находится в открытом доступе и распространяется на условиях лицензии Creative Commons Attribution (CC BY) (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
Абстрактные
Инфракрасная (ИК) технология отличается высокой энергоэффективностью, меньшим потреблением воды и безвредностью для окружающей среды по сравнению с обычным отоплением. Кроме того, он также характеризуется однородностью нагрева, высокой скоростью теплопередачи, малым временем нагрева, низким потреблением энергии, улучшенным качеством продукта и безопасностью пищевых продуктов. Инфракрасная технология используется во многих процессах производства пищевых продуктов, таких как сушка, кипячение, нагревание, очистка от кожуры, восстановление полифенолов, сублимационная сушка, восстановление антиоксидантов, микробиологическое ингибирование, стерилизация зерна, хлеба, обжаривание продуктов питания, производство соков и приготовление пищи. Пропускная способность энергии увеличивается за счет комбинации микроволнового и инфракрасного нагрева. Эта комбинация быстро разогревает пищу и устраняет проблему некачественного приготовления. Этот обзор обеспечивает теоретическую основу для инфракрасной обработки пищевых продуктов и взаимодействия инфракрасной технологии с пищевыми ингредиентами. Влияние ИК на физико-химические свойства, органолептические свойства и пищевую ценность, а также взаимодействие пищевых компонентов под действием ИК-излучения можно обсудить в качестве будущего варианта обработки пищевых продуктов.
1. Введение
Нагревание является одним из важных тепловых процессов в пищевой промышленности и зависит от передачи тепла путем теплопроводности, конвекции и излучения [1]. Цель разогрева пищи – увеличить срок ее хранения [2]. Традиционное отопление осуществляется либо путем сжигания топлива, либо с использованием источника электроэнергии. Тепло передается извне на поверхность пищи за счет конвекции и теплопроводности, и температура поверхности пищи повышается еще больше, пока тепло не достигает через теплопроводность пищи. Дальнейшее повышение температуры вызывает физические и химические изменения нагретого вещества [3].
Инфракрасное излучение — это часть электромагнитного спектра, расположенная между видимой областью и микроволнами, и его длина волны находится в диапазоне от 0.5 до 100 мкм. Инфракрасные лучи делятся на три типа: ближний ИК (NIR), длина волны которого находится в диапазоне от 0.75 до 1.4 мкм при температуре ниже 400 °C, и средний ИК (MIR), длина волны которого составляет от 1.4 до 3 мкм при температуре от 400 до 1000°C. °C и дальнего ИК-излучения (FIR) с длиной волны 3–1000 мкм при температурах выше 1000 °C [4,5]. Инфракрасное проникновение вызывает колебательное движение молекул воды с частотой 60,000 150,000–4 6 МГц и тем самым вызывает нагрев. Рассеивание лучистой энергии в виде тепла вызывает нагревание поверхности продукта, а глубина проникновения зависит от толщины продукта, активности воды, компонентов продукта и длины волны инфракрасного излучения [7]. Пан и Атунгулу [2008] описали преимущества инфракрасной технологии. Инфракрасная технология отличается высокой энергоэффективностью, меньшим потреблением воды и экологичностью. Кроме того, он также характеризуется однородностью нагрева с высокой скоростью теплопередачи, малым временем нагрева, низким потреблением энергии и улучшением качества продукта и безопасности пищевых продуктов. Он также отличается низкими энергозатратами и малыми размерами инфракрасного оборудования, а также высокой точностью управляющих факторов [8]. Кроме того, он обладает уникальными радиационными свойствами. Термическая эффективность IR высока, и он считается ценным источником энергии. Гэри Земан, сертифицированный специалист по физике здоровья и представитель Общества физики здоровья, в интервью The Jamaican Gleaner в 9 году указал, что на основании исследования, проведенного Национальным исследовательским советом, не было никакой связи между приготовлением пищи в инфракрасном диапазоне и раком. исследование также показало, что инфракрасное излучение не обладает достаточной энергией, чтобы разделить ДНК пополам или повредить ее [5,10,11]. Энергия концентрируется непосредственно на нагреваемом материале и не производит летучих органических соединений, монооксида углерода или оксидов азота. Он не нуждается в рециркуляции тепла и не нуждается в изолированной системе. Ниндо и Мвитига [8] заявили, что инфракрасное излучение не загрязняет окружающую среду по сравнению с ископаемым топливом. Кроме того, он сохраняет витамины, имеет очень небольшую потерю вкуса и не нагревает окружающий воздух [2]. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) указало, что в пищевой промышленности можно использовать инфракрасное излучение, которое не является ионизирующим. Однако Мортенсен [XNUMX] заявил, что при использовании инфракрасного излучения необходимо соблюдать осторожность, поскольку оно производит сильное тепло, вызывает ожоги, мало проникает в пищу, а длительное воздействие инфракрасного излучения вызывает разрыв тканей [XNUMX].
Многочисленные исследования показали, что инфракрасное излучение оказывает эффективное воздействие на многие производственные процессы. Анагностопулу и др. [12] обнаружили, что общее количество фенолов, обнаруженных в апельсиновой кожуре, высушенной инфракрасным излучением, было выше по сравнению с апельсиновой коркой, высушенной с использованием горячего воздуха. Многие исследователи сообщают, что инфракрасное излучение улучшает качество пищи [13,14] и ингибирует ферменты [15]. Инфракрасное излучение использовалось в пекарне из-за его высокой эффективности в процессах теплопередачи [16]. Чтобы еще больше повысить его эффективность и улучшить использование энергии, микроволновое и инфракрасное излучение использовались вместе при обжаривании фундука [17]. Кроме того, инфракрасное излучение можно использовать для нагрева жидкой пищи, такой как лимонный сок [18].
Инфракрасное излучение можно использовать различными способами, такими как стабилизация незрелого зерна риса [19], предварительный нагрев перед сушкой [20,21,22, 23, 24], пилинг [25], извлечение полифенолов [26], лиофилизация [27], сушка в окне преломления [28], развитие антиоксидантов [29], микробиологическое ингибирование [30], стерилизация зерна инфракрасным излучением [31], выпечка хлеба [18,32], обжаривание продуктов [33,34], производство соков [XNUMX] и приготовление пищи [XNUMX]. Целью этого всестороннего обзора является исследование и обсуждение влияния ИК на органолептические, питательные, микроструктурные качества пищевых продуктов и физико-химические изменения. В этом обзоре особое внимание уделяется возможностям и ограничениям в обработке пищевых продуктов инфракрасным излучением, которые можно изучить.
2. Инфракрасное излучение
Инфракрасное излучение является частью электромагнитного спектра, расположенной между видимой областью и микроволнами. Его длина волны колеблется от 0.5 до 100 мкм. В 1800 году Гершель написал первый научный отчет об инфракрасном нагреве. В его отчете было показано, что когда линзы подвергались воздействию солнца, бумага под ними сгорала. В исследовании использовалась призма для разделения света на разные цвета, а затем термометр помещался в разные цвета спектра солнечной энергии. Исследователи заметили сильный нагрев в области за пределами красного цвета, который начинался в конце видимого спектра. Невидимая часть спектра называется инфракрасной и находится в диапазоне длин волн 0.76–350 мкм [3]. Тепло от солнечных лучей является инфракрасным и является частью электромагнитного излучения [6]. Шестьдесят шесть процентов солнечного излучения приходится на инфракрасное излучение. Рисунок 1 и рисунок 2 иллюстрируют электромагнитный спектр различных видов излучения, в том числе инфракрасного.
Руководство по покупке наружных обогревателей
«Наружные инфракрасные обогреватели» — это общий термин, обычно используемый для обозначения широкого спектра обогревателей. Некоторые светятся, некоторые нет; некоторые производят сильное тепло, некоторые очень мягкие; некоторые могут выдерживать проливной дождь и ураганный ветер, а другие следует использовать только в закрытых помещениях.
У всех этих обогревателей есть только две общие черты. Во-первых, они имеют одинаковую базовую конструкцию с нагревательным элементом в форме стержня, защищенным металлической решеткой. Во-вторых, что более важно, все они нагреваются с помощью инфракрасного излучения.
Инфракрасное отопление
Основное отличие инфракрасных обогревателей от большинства других обогревателей заключается в том, что инфракрасные обогреватели нагреваются исключительно за счет излучения. Большинство форм отопления отдают большую часть своего тепла за счет конвекции: распространение тепла по комнате за счет нагревания воздуха. Это гораздо менее прямая форма тепла, чем излучение.
Что такое тепловое излучение?
Тепловое излучение — это немного пугающая концепция, но на самом деле нет ничего более обычного. Все теплые объекты излучают тепло, когда их окружение холоднее, и поглощают излучаемое тепло от более теплых объектов. Оглянитесь вокруг. Почти все, что вы видите, будет излучать или поглощать тепло — большинство вещей будет делать и то, и другое! Когда вы гуляете солнечным зимним днем, вы одновременно поглощаете излучаемое солнцем тепло и излучаете его в холодный воздух.
Что такое инфракрасное излучение?
Таким образом, излучаемое тепло нагревает объекты напрямую, не нагревая воздух, что делает инфракрасное излучение таким эффективным решением для наружного обогрева. Но что такое инфракрасное излучение? Как это работает?
Инфракрасное излучение является формой электромагнитного излучения. Электромагнитное излучение охватывает огромный спектр явлений, который включает в себя все, от гамма-лучей на одном конце спектра до радиоволн на другом. Электромагнитное излучение взаимодействует с веществом самыми разными способами по всему спектру: радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовый свет, рентгеновские лучи и гамма-лучи — все это формы электромагнитного излучения. Однако инфракрасная часть электромагнитного спектра охватывает только электромагнитные волны с частотами от 430 ТГц до 300 ГГц.
Это распространенное заблуждение, что только инфракрасные волны передают тепло; на самом деле многие формы электромагнитного излучения могут излучать тепло. Температура объекта определяет длину волны теплового излучения, которое он испускает — при очень высоких температурах испускаемое излучение распространяется в область видимого света и дальше. Подумайте о светящемся кончике кузнечной кочерги — это пример объекта, излучающего тепло в видимой части электромагнитного спектра. Тем не менее, большинство температур, с которыми мы сталкиваемся ежедневно, излучают тепло на длинах волн, которые попадают в инфракрасную часть спектра — от температур, которыми мы обогреваем наши дома, до тепла, выделяемого нашими собственными телами — так что, что касается нагрева Что касается инфракрасного и теплового излучения, то это практически одно и то же.
Все излучаемое тепло, выделяемое радиаторами центрального отопления, электрическими радиаторами, полотенцесушителями, дровяными печами и системами напольного отопления, выделяется в виде инфракрасного тепла. Это относится ко всем решениям по отоплению дома, которые отдают тепло посредством излучения. Что делает инфракрасные обогреватели особенными, так это то, что они излучают только инфракрасное тепло.
Нагреватели против панелей
Если излучаемое тепло так хорошо, я слышу, как вы плачете, почему так много популярных систем отопления отдают большую часть своего тепла за счет конвекции? Ну, главная причина этого в том, что для излучения требуется горячая поверхность. Если ваша система отопления полностью зависит от излучения, она должна быть намного горячее или иметь гораздо большую площадь поверхности, чем стандартный конвекционный радиатор. До недавнего времени у нас не было технологий, позволяющих делать это безопасно.
Но сегодня многие производители нашли способ обойти эту проблему, либо используя очень горячий элемент, защищенный металлическим корпусом, либо распределяя нагревательные элементы по большой площади поверхности, чтобы они не нагревались так сильно. Эти два разных подхода дают нам два основных типа инфракрасных обогревателей: внутренние панельные обогреватели и наружные инфракрасные обогреватели.
Инфракрасные панели
Инфракрасные панели делают возможным лучистое отопление, используя принцип большей площади поверхности. Внутри этих сверхтонких алюминиевых панелей находится длинная катушка нагревательного провода, которая распределяет тепло по всей панели. Поскольку панели имеют большую площадь поверхности, они не должны нагреваться выше 90 °C, что эквивалентно температуре поверхности, достигаемой радиаторами, поэтому вы не обожжетесь, касаясь панелей. Это тот же принцип, что и в напольном отоплении, которое полностью нагревается за счет излучения, используя очень большую площадь поверхности – ваш пол! Инфракрасные панели становятся все более популярным решением для отопления дома — перейдите к Руководству по покупке инфракрасных панелей, чтобы узнать больше.
Открытый обогреватели
Наружные инфракрасные обогреватели отличаются от панелей тем, что в них используются очень горячие нагревательные элементы для выработки излучаемого тепла. В зависимости от используемой технологии нагревательный элемент может нагреваться до температуры от 300 до 2600 °C, что явно слишком жарко, чтобы до него можно было дотронуться, поэтому элементы заключены в корпус и защищены металлической решеткой на входе нагревателя. Обычно их крепят к стене или потолку, чтобы защитить от детей.
Тип используемого элемента и уровень отдаваемого тепла варьируются от обогревателя к обогревателю, доступен широкий спектр моделей, которые подходят для всех видов наружных пространств, а некоторые и для помещений.
Излучаемое тепло является особым преимуществом на открытом воздухе, где конвекционное тепло бесполезно, поскольку оно рассеивается в более холодные помещения. Тем не менее, он также имеет много преимуществ для внутренних помещений, особенно для помещений с высокими потолками и сквозняками, которые неэффективны для обогрева за счет конвекции из-за большого объема воздуха, который необходимо нагреть. Склады, фабрики и церкви — это лишь некоторые из внутренних помещений, которые могут извлечь выгоду из инфракрасной технологии на открытом воздухе. Обогреватели из семейства наружных обогревателей также оказались популярными в ванных комнатах, мастерских и зимних садах, где быстрое время нагрева делает их идеальными для отопления по требованию.
