Ứng dụng của vi sóng trong công nghệ thực phẩm

Vi sóng là sóng điện từ, vi sóng có nhiều ứng dụng trong thực phẩm. Vi sóng có bước sóng từ 1mm đến 1m.Vi ba, còn gọi là tín hiệu tần số siêu cao (SHF), có tần số từ 300MHz đến 300 GHz (bước sóng từ 1mm đến 1m). Tuy vậy, ranh giới giữa tia hồng ngoại, vi ba và sóng radio tần số cực cao (UHF) là rất tùy ý và thay đổi trong các lĩnh vực nghiên cứu khác nhau.

VI SÓNG VÀ ỨNG DỤNG CỦA NÓ TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

1.Lịch sử phát hiện sóng điện từ và vi sóng

Vào những năm 1887-1889, Heinrich Rudolf Hertz , một nhà vật lý người Đức đã kiểm tra và xác nhận bằng thực nghiệm lý thuyết điện từ của Maxwell Ông nhận thấy các sóng điện từ có thể phản xạ, khúc xạ, hội tụ hoàn toàn như Maxwell đã tiên đoán trên

cơ sở hệ phương trình điện từ của mình những năm 1864 – 1873 Heinrich Rudolf Hertz

là người làm sáng tỏ và mở rộng lý thuyết điện từ của ánh sáng đã được đề ra bởi James Clerk Maxwell Ông là người đầu tiên chứng minh thỏa đáng sự tồn tại của sóng điện

từ bằng cách chế tạo một thiết bị để phát và thu sóng vô tuyến VHF hay UHF Tên của ông được dùng đặt tên cho đơn vị đo tần số Hertz viết tắt là Hz

Lò vi sóng được nhà kỹ sư tên là percy Spencer phát minh ra Trong một lần tình

cơ, khi percy đang nghiên cứu chiếc rada thì phát hiện ra miếng socola trong túi áo của mình mềm dần và tan chảy trong túi áo Lập lại thì nghiệm trên nhiều loại thực phẩm khác, ông khẳng định vi sóng là nguồn cung cấp nhiệt tốt Vào năm 1947, ông đã phát minh ra lò vi ba và nhận được bằng sáng chế

2.Cơ sở lý thuyết

2.1 Khái niệm: Vi ba, còn gọi là tín hiệu tần số siêu cao (SHF), có tần số từ

300MHz đến 300GHz (bước sóng từ 1mm đến 1m) Tuy vậy, ranh giới giữa tia hồng ngoại, vi ba và sóng radio tần số cực cao (UHF) là rất tuỳ ý và thay đổi trong các lĩnh vực nghiên cứu khác nhau

Tần số f là chu kỳ của trường điện trường trong 1 giây, được tình bằng đơn vi Hertz (1Hz = cycle/s)

Độ dài sóng λ (bước sóng) là đoạn đường đi của sóng trong một chu kì, liện hệ với

f qua công thức:

Trong đó c là vận tốc ánh sáng: c=300km/s.

Hầu hết các lò vi sóng gia dụng đều sử dụng tần số 2450 MHz, ở tần số này λ = 12,24 cm

Hình 1 Phân loại sóng điện từ theo bước sóng và tần số

2.2 Hiện tượng làm nóng vật chất của vi sóng

Một số phân tử, thí dụ như nước, phân chia điện tích trong phân tử một cách bất đối xứng Như vậy các phân tử này là những lưỡng cực có tính định hướng trong chiều của điện trường Dưới tác động của điện trường một chiều, các phân tử lưỡng cực có khuynh hướng sắp xếp theo chiều điện trường này Nếu điện trường là một điện trường xoay chiều, sự định hướng của các lưỡng cực sẽ thay đổi theo chiều xoay đó Cơ sở của hiện tượng phát nhiệt do vi sóng là sự tương tác giữa điện trường và các phân tử phân cực bên trong vật chất Trong điện trường xoay chiều có tần số rất cao (2,45x109Hz), điện trường này sẽ gây ra một xáo động ma sát rất lớn giữa các phân tử, đó chính là nguồn gốc

sự nóng lên của vật chất

Với một cơ cấu có sự bất đối xứng cao, phân tử nước có độ phân cực rất lớn, do đó nước là một chất rất lý tưởng dễ đun nóng bằng vi sóng Ngoài ra, các nhóm định chức phân cực như: -OH, -COOH, -NH2… trong các hợp chất hữu cơ cũng là những nhóm chịu sự tác động mạnh của trường điện từ Do đó, những hợp chất càng phân cực càng rất mau nóng dưới sự chiếu xạ của vi sóng Việc này có liên quan đến hằng số điện môi của hợp chất đó Tóm lại, sự đun nóng bởi vi sóng rất chọn lọc, trực tiếp và nhanh chóng

2.3 Tính chất của vi sóng

Vi sóng có đặc tính là có thể đi xuyên qua được không khí, gốm sứ, thủy tinh, polimer và phản xạ trên bề mặt các kim loại Độ xuyên thấu tỉ lệ nghịch với tần số, khi tần số tăng lên thì độ xuyên thấu của vi sóng giảm Đối với một vật chất có độ ẩm 50% với tần số 2450 MHz có độ xuyên là 10 cm Ngoài ra, vi sóng có thể lan truyền trong chân không, trong điều kiện áp suất cao…

Năng lượng của vi sóng rất yếu, không quá 10-6eV, trong khi năng lượng của một nối cộng hóa trị là 5 eV, do đó bức xạ vi sóng không phải là một bức xạ ion hóa Năng lượng của vi sóng không đủ mạnh để cắt đứt các liên kết hóa học nên không làm thay đổi cấu trúc của các hợp chất hữu cơ Có một số công trình đã khẳng định được tính vô hại của vi sóng đối với sinh vật Chẳng hạn, khi nghiên cứu sự phát triển của enzyme trong điều kiện vi sóng, người ta nhận thấy rằng ảnh hưởng của vi sóng rất giống ảnh hưởng của các gia nhiệt thông thường

Vi sóng cung cấp một kiểu đun nóng không dùng sự truyền nhiệt thông thường Với kiểu đun nóng bình thường, sức nóng đi từ bên ngoài bề mặt của vật chất lần vào bên trong, còn trong trường hợp sử dụng vi sóng, vi sóng xuyên thấu vật chất và làm nóng vật chất ngay từ bên trong Vi sóng tăng hoạt những phân tử phân cực, đặc biệt là nước Nước bị đun nóng do hấp thu vi sóng bốc hơi tạo ra áp suất cao tại nơi bị tác dụng, đẩy nước đi từ tâm của vật đun ra đến bề mặt của nó

2.4 Ứng dụng của vi sóng trong công nghệ thực phẩm

2.4.1.Ưu điểm của vi sóng trong công nghệ thực phẩm

 Vi sóng đã được sử dụng thành công để làm nóng, khô và khử trùng các sản phẩm thực phẩm So sánh với phương pháp thông thường, xử lý vi sóng cung cấp những ưu điểm sau:

 Vi sóng thâm nhập vào bên trong nguyên liệu thực phẩm và, do đó, việc gia nhiệt diễn ra trong suốt toàn bộ khối lượng của thực phẩm, đồng nhất và nhanh chóng, làm giảm đáng kể thời gian xử lý và năng lượng;

 Vì truyền nhiệt nhanh, hàm lượng chất dinh dưỡng và vitamin cũng như hương vị, đặc tính cảm, và màu sắc thực phẩm được bảo quản tốt;

 Thanh trùng hoặc khử trùng cực nhanh các chất lỏng nhằm làm giảm tối đa

sự thất thoát dinh dưỡng, màu sắc, hương vị thực phẩm

 Hiệu quả xử lí nhiệt cao (80% hoặc cao hơn )

 Cấu tạo hoàn hảo cho hệ thống làm sạch tại chỗ (CIP);

 Thích hợp cho chất lỏng có độ nhớt cao, nhạy cảm nhiệt độ;

 Chi phí thấp trong việc bảo trì hệ thống; không tiếng ồn và không tạo ra khí thải

 Có thể được kết hợp với các công nghệ khác, chẳng hạn như trao đổi nhiệt tái sinh và xử lí nhiệt hồng ngoại cho hiệu suất quá trình tốt hơn

2.4.2.Các ứng dụng của vi sóng trong công nghệ thực phẩm

2.4.2.1 Rã đông các sản phẩm cá, thịt, gia cầm

Ứng dụng phổ biến nhất của vi sóng trong công nghiệp thực phẩm là rã đông thịt cho quá trình chế biến tiếp theo Trong máy rã đông bằng vi sóng, nhiệt độ của sản phẩm được nâng từ nhiệt độ lưu trữ (thông thường dưới -18 ° C) đến một nhiệt độ dưới mức đóng băng

Quá trình này giúp cho khối thịt đông cứng trở nên mềm hơn, dễ dàng cho việc cắt nhỏ sản phẩm cho quá trình chế biến tiếp theo Trong khi quá trình rã đông truyền thống

bằng môi trường không khí hoặc nước, thì các tác nhân làm tăng nhiệt độ khối thực phẩm chỉ tác động từ bên ngoài, đo đó quá trình rã rông kéo dài hơn 24 tiếng, thất thoát chất dinh dưỡng do rỉ dịch Nếu sử dụng lò vi sóng thì thực phẩm đông lạnh được làm ấm từ bên trong, và thời gian rã đông rất ngắn trong vài phút cho một số lượng lớn các sản phẩm đông lạnh (5-10 phút cho 20-40 kg thịt đông lạnh) Nhiệt độ mà một sản phẩm phải được ủ phụ thuộc vào loại hình cắt, cắt lát, chặt, và cũng phụ thuộc vào thành phần của sản phẩm như nước, muối, protein, và chất béo

Khi vi sóng được hấp thụ bởi vật chất, cường độ của nó bị suy giảm bởi độ sâu thâm nhập Lớp bề mặt giữ lại nhiều năng lượng hơn và nóng lên nhanh hơn so với các khu vực bên trong của sản phẩm Các tần số thấp hơn (915 MHz) có một lợi thế xâm nhập sâu hơn do bước sóng dài hơn, tần số cao 2450 MHz sự xậm nhập kém hơn Hiện nay, hầu hết các ngành công nghiệp thực phẩm sử dụng lò vi sóng ở 915 MHz để rã đông thế trừ trường hợp pháp luật không cho phép sử dụng tần số này

Ví dụ về hệ thống rã đông thịt bằng lò vi sóng Model GTEMV-F-T-80 :

Hình 2: Hệ thống rã đông thịt, cá bằng vi sóng

Hệ thống rã đông thịt bằng vi sóng Model GTEMV-F-T-80 là một lò sấy kiểu hầm bằng vi sóng Nó sử dụng năng lượng vi sóng để xuyên qua, gia nhiệt nhanh sản phẩm

đông lạnh -42℃ đến -18℃ tới nhiệt độ -2℃ Sau khi rã đông, sản phẩm không bị chảy nước Thiết bị rã đông thực phẩm này có thể dùng như một thiết bị tiệt trùng bằng vi sóng

Đặc trưng:

 So sánh với các phương pháp rã đông truyền thống, giải pháp rã đông bằng vi sóng bằng hệ thống rã đông thịt bằng vi sóng đem lại hiệu quả hơn Năng lượng

vi sóng có khả năng xuyên qua các phần bên trong sản phẩm để gia nhiệt trực tiếp Với hệ thống rã đông này, một lượng 25kg thịt có thể được gia nhiệt từ -15℃ tới -4℃ chỉ trong vòng 2 phút

 Thiết bị rã đông bằng vi sóng được phát triển để rã đông đồng đều, hiệu quả Máy không gây ảnh hưởng tới mùi vị gốc của thịt Ngoài ra, máy còn có chức năng tiệt trùng

 Máy được chế tạo tỉ mỉ bằng thép không gỉ chất lượng cao Máy có kiểu dáng đẹp

và rất dễ lau chùi

 Công nghệ đo nhiệt độ bằng hồng ngoại không tiếp xúc, hệ thống điều khiển tự động PLC được tích hợp cho thiết bị rã đông bằng thép không gỉ

 Sự rò rỉ sóng vi ba chỉ vào khoảng ≤1mW/cm2 Tiêu chuẩn quốc gia đối với rò rỉ sóng vi ba là ≤5mW/cm2

Ứng dụng:

Hệ thống rã đông thịt bằng vi sóng rất lý tưởng để rã đông cá đông lạnh sâu, sản phẩm gia cầm, sản phẩm thủy sản, nước ép quả, mứt, v.v…

2.4.2.2 Xử lí nhiệt sơ bộ thịt xông khói

Xử lí nhiệt sơ bộ (tiền xử lí) thịt xông khói là ứng dụng lớn thứ hai của hệ thống

xử lí nhiệt vi sóng trong ngành công nghiệp thực phẩm Lò vi sóng làm nóng được tìm thấy là một hệ thống lý tưởng cho xử lí nhiệt thịt xông khói so với hình thức nướng thông thường Khoảng một nửa của tổng số thịt xông khói sử dụng trong dịch vụ thực phẩm được xử lí sơ bộ trong lò vi sóng Ngoài ra, khoảng 10% số thịt xông khói bán trong siêu thị là xử lí nhiệt bằng vi sóng

Thịt xông khói mất các thành phần chất béo, và các đặc tính chất lượng mong muốn nhanh chóng trong quá trình nướng Lò vi sóng làm nóng thịt xông khói cho cấu trúc tốt hơn (ít bị co, nhăn) so với nướng Từ sớm, một sự kết hợp của năng lượng vi sóng

và không khí nóng được sử dụng trong một môi trường vi sóng Không khí nóng được sử dụng để bẫy hơi ẩm bốc hơi trong quá trình nấu thịt xông khói Một sự kết hợp của hơi nước, không khí nóng, và năng lượng vi sóng cũng được sử dụng để nấu thịt xông khói

Lượng chất béo, ẩm liên kết được loại bỏ trong quá trình xử lí nhiệt của thịt xông khói tại trong khoảng nhiệt độ 700C - 800C bằng hơi nước

2.4.2.3 Chế biến xúc xích

Các ứng dụng lớn thứ ba xử lý vi sóng là chế biến xúc xích Chất lượng xúc xích

có thể được cải thiện cùng với năng suất tốt hơn bằng cách sử dụng quá trình vi sóng Chế biến bằng vi sóng được sử dụng để giảm rỉ dịch: mất nước, chất béo, chất dinh dưỡng và hương vị Nhiều phòng thí nghiệm quy mô hệ thống này đã được phát triển để

xử lý xúc xích bằng vi sóng, nhưng không phải với nhiều thành công thương mại

2.4.2.4 Nướng bánh

Sự thành công thương mại đầu tiên của năng lượng tần số vi sóng là trong ngành công nghiệp nướng Lò nướng sử dụng năng lượng bức xạ và hoạt động ở một tần số không xác định để làm khô bề mặt và làm cho lớp vỏ bánh mì xốp Các lò nướng bánh mì đầu tiên (cách nhiệt) đã được báo cáo bởi Fetty (1966) tại 2450 MHz Một sự kết hợp của

lò vi sóng và năng lượng nhiệt cũng đã được sử dụng để sản xuất bánh mì nâu trong một

thời gian ngắn Schiffman et al được cấp bằng sáng chế một kỹ thuật nướng bánh mì trong đó một nguồn nhiệt thông thường cùng với năng lượng vi sóng đã được sử dụng và

nó đã được khẳng định để giảm thời gian nướng bằng 50%

2.4.2.5 Hệ thống thổi phồng bằng vi sóng

Hinh 3: Hệ thống thổi phồng bằng vi sóng

Hệ thống thổi phồng bằng vi sóng sử dụng trường điện tử để khiến các phân tử nước chứa bên trong vật liệu hấp thụ năng lượng vi sóng Năng lượng vi sóng được hấp thụ này giúp tăng nhanh nhiệt độ hơi nước bên trong vật liệu Vì tỷ lệ hình thành hơi nước bên trong cao hơn hơi nước từ ngoài vào, một gradient khí áp được phát triển bên trong vật liệu gây ra các thay đổi quan trọng về cấu trúc Nó sẽ giúp thổi phồng vật liệu nhanh chóng

Ưu điểm:

 Không giống các phương pháp làm phồng khác, hệ thống làm phồng bằng vi sóng đặc trưng bởi khả năng gia nhiệt nhanh và thời gian sấy thực phẩm ngắn Nó không gây ra các phản ứng hóa học không cần thiết, và thực phẩm sẽ luôn là thực phẩm sạch không chứa mỡ thừa Nó giúp thực phẩm giữ nguyên màu sắc, hương

vị Toàn bộ quá trình làm phồng bằng vi sóng thân thiện với môi trường, không có khói thải độc hại Thiết bị làm phồng thực phẩm này sử dụng quy trình vật lý để

đem lại hiệu quả nhiệt cao hơn và đầu ra cao hơn so với các phương thức làm phồng truyền thống vẫn hay làm

 Máy có khả năng tiệt trùng nhiệt độ thấp và tổn thấp ít dinh dưỡng hơn Nhiệt độ cho tiệt trùng bằng vi sóng vào khoảng 80℃,thời gian tiệt trùng từ 3 đến 5 phút

Hệ thống tiệt trùng bằng vi sóng có thể giữ được tối đa dinh dưỡng cho thực phẩm Lấy quá trinh tiệt trùng rau quả làm ví dụ Các phương pháp truyền thống chỉ có thể giữ được 46%~50% Vitamin C và 58% Vitamin A Tuy nhiên, tiệt trùng bằng vi sóng có thể giữ được 60%~90% Vitamin C và 84% Vitamin A

Ứng dụng:

Hệ thống làm phồng bằng vi sóng có phạm vi ứng dụng rất rộng lớn trong ngành công nghiệp làm phồng thực phẩm, ví dụ như các thực phẩm chứa tinh bột, thực phẩm protein, các sản phẩm làm từ gạo, bì lợn, cá, thực phẩm đồ ăn nhẹ như khoai tây chiên, tôm lát, lát táo chiên, mỳ ăn liền, v.v… Máy cũng được sử dụng như máy sấy vi sóng cho hạt vừng, hạt dưa, đậu phộng, hạt dẻ Trung Quốc, quả hồ trăn, hạt điều, quả óc chó, hạnh nhân, v.v…

2.4.2.6 Hệ thống sấy

Lò vi sóng làm nóng cung cấp lợi ích rõ ràng trong việc làm mất nước vì độ xuyên sâu của nó, và kết quả làm nóng đồng đều, nước bốc hơi từ khắp các sản phẩm Điều này gây ra một áp lực bên trong duy trì cấu trúc của sản phẩm sấy khô và bảo quản màu sắc, hương vị, giá trị dinh dưỡng Làm khô bằng vi sóng là nhanh chóng và năng lượng hiệu quả hơn so với sấy không khí nóng thông thường Trong làm khô bằng vi sóng, việc loại

bỏ độ ẩm được tăng tốc tuy nhiên truyền nhiệt cho chất rắn là chậm lại đáng kể do sự vắng mặt của đối lưu Vì vậy, người ta thường sử dụng vi sóng để làm khô thực phẩm ở giai đoạn sấy kết thúc khi cần thiết có sự di chuyển ẩm từ tâm nguey6n liệu ra bề mặt ngoài Một quá trình sấy hai giai đoạn liên quan đến giai đoạn đầu bắt buộc sấy đối lưu không khí tiếp theo làm khô bằng vi sóng ở giai đoạn kết thúc đã được báo cáo để cung cấp cho sản phẩm chất lượng tốt hơn với tiết kiệm đáng kể năng lượng và thời gian Các

ngành công nghiệp bánh thông thường sử dụng vi sóng để sấy kết thúc của bánh quy và cookie Các ứng dụng quy mô lớn đầu tiên của vi sóng trong công nghiệp chế biến thực phẩm là sấy kết thúc của khoai tây chiên công nghệ sấy thông thường không thể nhanh chóng đạt được mức độ ẩm thấp mong muốn của khoai tây chiên, và ngoài ra, màu nâu tạo thành làmột vấn đề chất lượng cho các sản phẩm do sự hiện diện của các loại đường Sấy khoai tây chiên đến 6% -8% ẩm sau đó làm khô kết thúc bằng lò vi sóng khắc phục những khó khăn của ngành công nghiệp sản xuất khoai tây chiên Máy sấy chân không vi sóng lần đầu tiên được sử dụng để cô đặc của nước trái cây có múi Làm khô bằng vi sóng chân không áp dụng trong các mặt hàng nông nghiệp bao gồm các loại hạt ngũ cốc khác nhau, và hơn nữa công nghệ này đã được sử dụng với nho để sản xuất nho khô Quá trình sấy các sản phẩm mì ống và mì ở 915 MHz là một thành công thương mại ở nhiều nước

Hình 4: Mấy sấy vi sóng chân không

2.4.2.7 Chần rau quả