عمليات التصنيع الغذائي باستخدام التسخين بالمايكروويف
و التسخين اﻷومي و المعاملة الحرارية المستمرة
التسخين بالمايكروويف في عمليات التصنيع الغذائي
Microwave Heating in Food Processing
[COLOR=“Blue”][SIZE=“4”] المايكروويف (الموجات الدقيقة)
هو عبارة عن موجات كهرومغناطيسية ذات طاقة
اشعاعية و تردد (Frequency) في المدى من 300 ميجاهيرتز (MHZ) الى 300 جيجا هيرتز
(GHZ).وقد حدد اﻻتحاد العالمي لﻼتصاﻻت (ITU) النطاقات التالية للذبذبات لتطبيقات التسخين
باستخدام المايكروويف:
• 2450 ميجاهيرتز في افران المايكروويف المنزلية وفي الصناعة.
• 970 ميجاهيرتز و 915 ميجاهيرتز و 897 ميجاهيرتز للتطبيقات الصناعية في بعض
الدول.
• 22125 ميجاهيرتز نطاقات محجوزة لﻼستخدامات المستقبلية.
تشع موجات المايكروويف الى الخارج من مصدر وباﻻمكان امتصاصها و انفاذها وعكسها.
وفي الغالب يتم توليد المايكروويف بواسطة جهاز اليكتروني انبوبي مفرغ يـسمى المـاجنيترون
(Magnetron) . تنبعث من الماجنيترون طاقة اشعاعية ذات ذبذبات عالية تحتوي على مراكـز
شحنات سالبة وموجبة تغير من اتجاهاتها بﻼيين المرات في الثانية.و يغلف المـاجنيترون داخـل
صندوق معدني او فرن حيث يعمل الحيز المحيط به على عكس الموجات وخلق نظام رنينـي.
سس التسخين بالمايكروويف
عملية التسخين بالميكروويف هي ببساطة عملية تسخين عن طريق اﻻشعاع، و هي
مشابهة لعملية التسخين باﻻشعة تحت الحمراء حيث تنتقل الحرارة عن طريق اﻻشعاع وليس عن
طريق الحمل أو التوصيل. بيد أن الفرق الرئيسي بين التسخين بالمايكروويف و التسخين باﻻشعة
تحت الحمراء هو ان اﻻشعة تحت الحمراء ذات نفاذية محدودة جدا الى الجزء الداخلي للمادة
المعرضة لها حيث يتم تسخين سطح المادة عن طريق اﻻشعاع ومن ثم تنتقل الحرارة من سطح
المادة الى داخلها عن طريق التوصيل.اما في حالة المايكروويف فان اﻻشعة تنفذ في مجمل حجم
المادة و تتشتت الحرارة داخل المادة، حيث يتم الحصول على تسخين منتظم للمادة. بيد ان انفاذية
موجات المايكروويف لها حدود قصوى كذلك حيث يجب اخذ ذلك في اﻻعتبار على المستوى
المنزلي و على مستوى الصناعة.
لفهم القواعد الفيزيائية خلف عملية انتقال الطاقة باﻻشعاع يتعين اوﻻ استيعاب حقيقة ان
الطاقة الكهرومغناطيسية تاتي في اجزاء تسمى بالفوتونات (Photons) أو الكمات (Quanta)
وهي عبارة عن أجزاء صغيرة جدا غير مترابطة. و عند اصطدام احد الفوتونات بالمادة يجب ان
تعادل طاقته تماما فرق الطاقة بين الحاﻻت العديدة للطاقة الذرية لﻼليكترونات في المادة المعالجة،
و في حالة تعذر ذلك ﻻ يتم امتصاص أي طاقة و يصبح الجسم شفافا للموجة
الكهرومغناطيسية.لهذا السبب فان الغذاء والذي يحتوي على نسبة مقدرة من الماء يمكن تسخينه
بواسطة المايكروويف بينما تظل اﻻوعية الزجاجية والبﻼستيكية باردة.فعند تسخين اﻷم لزجاجة
طغلها التى تحتوى على حليب في فرن المايكروويف و اختبارها لدرجة حرارة سطح الزجاجة
بوضعها على خدها قد ﻻ تعلم ان الحليب يغلي داخل الزجاجة. اضافة لذلك يجب اخذ السعة
الحرارية للمادة في اﻻعتبار ﻻنها تحدد التاثير الحراري. فبعض مكونات الغذاء مثل الدهون ﻻ
تمتص طاقة المايكروويف بنفس الكفاءة التي يمتصها بها الماء، ﻻن سعتها الحرارية اقل كثيرا من
الماء. بيد انه بالرغم من مستوى امتصاصها اﻷقل للموجات فان معدل تسخينها اسرع.ففي حالةتسخين قطعة لحم تحتوى على كميات كبيرة من الشحوم في فرن للمايكروويف فان قطعة اللحم
تبدو من الخارج منتظمة الطبخ و جاهزة لﻼكل ، و لكن عند قطعها ستتدفق الشحوم السائلة
الساخنة من داخلها.
بما إن تسخين اﻷغذية بالمايكروويف يعتمد إعتماداً كبيراً على الخواص الطبيعية للماء
فمن اﻷوفق توضيح ذلك. في الحالة الغازية (بخار الماء) تكون جزيئات الماء متباعدة و يكون
الترابط بينها في مستواه اﻷدنى و حركتها الدورانية و اﻹهتزازية محدودة مما يجعلها شفافة لتأثير
المايكروويف. اما في الحالة السائلة فيكون الترابط الهيدروجيني بين الجزيئات واضحاً وتسهل
الحركة و تبادل الطاقة مع الفوتونات مما يسهل تسخين الماء بالمايكروويف لمدى من ذبذباته.اما
للماء في الحالة الصلبة (الثلج) فيتعذر دوران الجزيئات و تحدث إهتزازات صغيرة على مستوى
البلورات مما يجعل الثلج شبه شفاف للمايكروويف. و يعد هذا التاثير من العوامل التي تحد من
كفاءة إذابة اﻷغذية المجمدة باستخدام المايكروويف.
من الناحية التطبيقية يعد نمط التسخين بالمايكروويف متميزاً بالمقارنة مع التسخين
التقليدي
- خواص العزل لﻸغذية
ثابت العازل (Dielectric Constant) هو احد مقاييس التسخين بالمايكروويف ،ويقيس
المسافة بين الشحنات في الجزيئ و نقصانها مع زيادة درجة الحرارة.وهي تمثل مقـدرة الغـذاء
على تخزين الطاقة الكهربائية. القيمة اﻷخرى التي تقيس خواص تسخين اﻻغذية بالمـايكروويف
هي معامل فقد العازل (Dielectric loss factor) .فعند امتصاص موجات الميكروويف داخـل
الغذاء مما يؤدي الى تسخينه فان هذه الموجات تفقد جزءا من طاقتها الكهرومغناطيسية.هذا الفقـد
في طاقة المايكروويف يسمى معامل الفقد وهو حاصل ضرب ثابت العازل و ظل الفقد. ويكـون
تسخين اﻷغذية ذات معامﻼت الفقد العالية اكثر سرعة. ويعتمد معامل الفقد على التردد ودرجـة
الحرارة و المحتوى الرطوبي للغذاء ومستوى اﻷمﻼح.
** الخواص الطبيعية و الحرارية لﻸغذية و العوامل
اﻷخرى المؤثرة على عملية التسخين بالمايكروويف
الخواص الطبيعية والحرارية و العوامل اﻷخرى التي تحدد مدى نفاذية موجات
المايكروويف داخل الغذاء و المعدل الكلي للتسخين هي:
1- الحرارة النوعية
و هي احد اهم الخواص الحرارية لﻼغذية و تعتمد بصورة كبيرة على المحتوى المائي للمادة
حيث تزداد بزيادته و بالتالي زيادة المعدل الكلي للتسخين بالمايكروويف.
2- معامل التوصيل الحراري (الموصلية الحرارية)
3- الشكل
بما ان موجات المايكروويف تنفذ خﻼل الغذاء من كل جوانبه فان الشكل له تاثير كبير على نمط
التسخين بالمايكروويف. ويعد الشكل الكروي هو الشكل المثالي للتسخين بالمايكروويف و ياتي
بعده الشكل اﻷسطواني.
4- مساحة السطح
يزداد معدل التسخين بموجات المايكروويف بازدياد مساحة سطح المادة. و بالتالي فان المواد
الغذائية ذات النسبة العالية لمساحة سطحها الى حجمها يتم تسخينها بمعدﻻت أكبر
درجة الحرارة
التسخين بالمايكروويف هو عملية تعتمد على الزمن و درجة الحرارة. و تؤثر درجة الحرارة على
خواص العزل و درجة الحرارة النهائية للمادة. و قد تحدث اختﻼفات في درجة الحرارة داخل
المادة نتيجة لعدم تجانس محتوياتها.
6- خواص العازل
7- الموصلية الكهربية
8- الكثافة الجُمية للمادة الغذائية
9-مكونات المادة الغذائية
** تطبيقات التسخين بالمايكروويف.
هنالك العديد من تطبيقات التسخين بالمايكروويف في قطاع الصناعات الغذائية كما هو
موضح أدناه:
(1) اذابة اﻷغذية المجمدة (Tempering)
و هي عملية تخفيض درجة حرارة اﻷغذية المجمدة من درجة حرارة التجميد أو التخزين
المجمد إلى درجة حرارة في الحدود -4 إلى -2 (
5
م).
(Food Drying) اﻷغذية تجفيف (2)
معظم نظم التجفيف بالمايكروويف تدمج التسخين بالمايكروويف والتسخين التقليدي.ومن
أمثلة اﻷغذية التي يتم تجفيفها على مستوى صناعي بالمايكروويف المعجنات و رقائق البطاطس
ومركزات عصائر الفاكهة و الشاي و القهوة و الفطر و بروتينات اﻻسماك و التوابل.
(Cooking) الطبخ (3)
(4) إثباط نشاط اﻹنزيمات (Enzyme Inactivation)
عمليات السلق للفاكهة والخضر.
(5) عملية الخبز (Baking)
(Pasturization and Sterilization) والتعقيم البسترة (6)
(2) التسخين اﻷومي
Ohmic Heating
** أسس التسخين اﻷومي
التسخين اﻷومي للمنتجات الغذائية هو عملية حرارية تتولد فيها الحرارة داخليـاً نتيجـة
لمرور تيار كهربائي متردد خﻼل منتج غذائي يعمل كمقاومة كهربية. كما يطلـق كـذلك علـى
التسخين اﻷومي مسمى تسخين المقاومة أو التسخين المباشر للمقاومة
خﻼل عملية التسخين اﻷومي يتم إمداد فولتية تيار متردد لﻸقطاب عند نهايتي جسم المنتج
المراد تسخينه.معدل التسخين يتناسب طردياً مع مربع شدة الحقل الكهربائي، الموصلية الكهربية،
ونوع الغذاء المراد تسخينه.و يمكن التحكم في شدة الحقل الكهربائي بضبط خلوص القطب أو
الفولتية المطبقة. و على الرغم من التفاوت الكبير لقيم الموصلية الكهربية للمواد الغذائية فبﻺمكان
ضبطها عن طريق إضافة محاليل كهربائية.
تتولد حرارة كافية اثناء عملية التسخين اﻷومي لبسترة وتعقيم اﻷغذية.و بصفة عامة
تتضمن عملية البسترة تسخيناً لﻸغذية عالية الحموضة (pH<4.5) لدرجات حرارة تصل إلى
95-90 (ْ م) لفترة 30 إلى 90 ثانية ﻹثباط نشاط اﻹنزيمات و الكائنات المجهرية المسببة للفساد
( البكترياء النمائية، الخمائر، العفن و كائنات الﻼكتوباسيﻼس).أما اﻷغذية منخفضة الحامضية
(pH>4.5) فانها قد تشجع نمو كائنات الكلوستريديوم بوتوﻻينم، وإستناداً إلى رقم أسها
الهيدروجيني الفعلي (pH) و خواصها اﻷخرى فإنها تتطلب تسخيناً إلى 121 (ْ م) لفترة 3 دقائق
كحد أدنى ( الهﻼكية Lethality F0= 3 min ) و إنجاز مستوى من التعقيم يعادل 12 تخفيضاً
. (12D colony reduction) عشرياً
و قد حظيت تقنية التسخين اﻷومي خﻼل العقد الماضي بتطورات كبيرة خاصة في مجال
النظم الصناعية المستمرة لتعقيم اﻷغذية منخفضة الحامضية التي تحتوي على مواد صلبة ( مثل
الحساءات المحتوية على قطع لحم وخضار و الوجبات المحتوية على قطع صلبة) و تعبئتها تعبأة
معقمة . ففي حالة اﻷغذية التي تحتوي على قطع صلبة في سوائل لزجة فان اﻹنتقال الحراري
التقليدي يحدث بانتقال الحرارة من السائل إلى سطح القطع الصلبة عن طريق الحمل ومن سطح
القطع الصلبة إلى داخلها عن طريق التوصيل، و بالتالي فإن الزمن الﻼزم لتعقيم مركز أكبر
قطعة صلبة ( و هو ما يسمى بالنقطة الباردة) يؤدي الى تسخين أكثر من الﻼزم لمجمل المنتج
الغذائي. و في المقابل فإن التسخين اﻷومي يعد تسخيناً حجمياً مما يساعد على تسخين الطورين
السائل و الصلب للغذاء في نفس الوقت. كما يعد التسخين اﻷومي من طرق التسخين عالية
الحرارة و قصير ة الزمن (HTST) ، حيث يمكنها تسخين منتج غذائي يحتوي على 80٪ مواد
صلبة من درجة حرارة الغرفة إلى 129 ( ْ م) في حوالي 90 ثانية، مما يعمل على تخفيض
التأثير الحراري السالب على جودة المنتج الغذائي (خصائصه الحسية و التغذوية). كذلك فإن أحد
اﻹختﻼفات الجوهرية بين طريقة التسخين اﻷومي و الطريقة التقليدية هي أن التسخين اﻷومي
يمكنه تسخين القطع الصلبة بمعدل أسرع من تسخينه للجزء السائل الحامل للقطع الصلبة فيما
يسمى بظاهرة عكس عملية التسخين (Heating Inversion) ، و هي ظاهرة غير ممكنة عن
طريق التسخين التقليدي بالتوصيل.
- فوائد التسخين اﻷومي
للتسخين اﻷومي خواص فريدة و فوائد مرتبطة بها ﻻ شك أن لها تاثيرات معنوية على
القيمة التغذوية والحسية للمنتجات التي يتم تسخينها عن طريقها. و يمكن تلخيص هذه الخصائص
و الفوائد فيما يلي:
1- إمكانية تسخين المنتجات الغذائية تسخيناً حجمياً عن طريق التوليد الداخلي للحرارة مع
تفادي محددات اﻹنتقال الحراري التقليدي ، أو عدم اﻹنتظامية المصاحبة للتسخين
بالمايكروويف نتيجة لمحددات إنفاذية العازل الكهربائي.
2- يمكن الحصول على درجات حرارة للقطع الصلبة مماثلة أو أعلى من درجات حرارة
الجزء السائل ، و يعد ذلك غير ممكناً في حالة اﻹنتقال الحراري التقليدي.
3- تخفيض مخاطر الترسيب على أسطح التبادل الحراري و حرق المنتج الغذائي ، مما
ينتج عنه مستوى أدنى من التلف الميكانيكي و محافظة أفضل على المكونات التغذوية و
الفايتمينات.
4- الحصول على كفاءة عالية للطاقة نظراً لتحويل 90٪ من الطاقة الكهربائية إلى حرارة.
5- الحصول على مستويات مثلى لرأس المال المستثمر و سﻼمة المنتجات نتيجة لسعات
التحميل العالية للمواد الصلبة.
6- سهولة التحكم في العملية عن طريق التشغيل أو اﻹيقاف اللحظي
(3) المعاملة الحرارية المستمرة
Continuous-Flow Heat Processing
** أسس المعاملة الحرارية المستمرة
في عملية المعاملة الحرارية المستمرة تتعرض المادة الغذائية لثﻼثة مراحل متتالية هـي
مرحلة التسخين الحراري و مرحلة البقاء و مرحلـة التبريـد Thermal Heat-Hold-Cool)
(Process . ويتم ضخ المادة الغذائية لتصبح في حالة سريان (دفق) مستمر داخل نظم المبادﻻت
الحرارية (اللوحية واﻷنبوبية وذات اﻷنابيب المتعددة المغلفة وذات السطح المكشوط و مبـادﻻت
التسخين المباشر (الحقن والنقع)) حيث يتم تسخينها لدرجة الحرارة المرغوبة و من ثم إسـتبقاءها
عند تلك الدرجة لزمن مسبق التحديد و من ثم تبريدها لحوالي درجة حـرارة الغرفـة. و يتبـع
المعاملة الحرارية تعبئة وتغليف المنتج بصورة مﻼئمة. هذه العملية التصنيعية تختلف عن عمليات
المعالجة داخل العبوات مثل عمليات التعليب و المعقمات الثابتة حيث يتم تعبئة المادة الغذائيـة و
قفل العبوة و من ثم معاملتها حرارياً.
تعد عمليات البسترة والتعقيم من أهم عمليات المعاملة الحرارية لﻸغذية. ومـن الـشائع
إطﻼق مسمى درجة الحرارة العالية و الزمن القصير (HTST) على عملية البسترة بينما يطلـق
مسمى الحرارة فوق العالية (UHT) أو التعبئة المعقمة على عملية التعقيم. و من فوائد المعاملـة
الحرارية المستمرة مقارنة بعمليات التعليب و المعقمات الثابتة المعدﻻت العالية للتبادل الحـراري
التي تعني إمكانية إستخدام درجات حرارة عالية غالباً في حدود 140 إلـى 150 ( ْ م) مقارنـة
بدرجة الحرارة 125 ( ْ م) و هي القيمة القصوى التي يمكن الوصول إليها عند إستخدام عمليات
التعليب و المعقمات الثابتة. إضافة لذلك فإن المعدﻻت البطيئة للتسخين والتبريد خـﻼل عمليـات
التعليب و المعقمات التقليدية تؤدي إلى اضرار حرارية على المنتج و بالتالي لتأثيرات سالبة على
خصائصه الحسية و التغذوية، و يوضح الشكل (7) مقارنة لمنحنيي تغير درجـة الحـرارة مـع
الزمن لعمليتي المعاملة الحرارية المستمرة (التعقيم بالحرارة فوق العالية) و التعقيم لﻸغذية المعلبة
بالمعقمات التقليدية.
و من مثالب عمليات المعاملة الحرارية المستمرة مقارنة بعمليات تعقيم اﻷغذيـة المعلبـة
بالمعقمات التفليدية أنها أقل سﻼمة لوجود نقاط عديدة معرضة ﻹحتماﻻت التلـوث.كمـا تتطلـب
عمليات المعاملة الحرارية المستمرة كذلك تعقيماً آمناً للعبوات و لكل اﻷجهزة بعد مرحلة البقـاء
نظراً ﻹحتماﻻت حدوث التلوث أثناء عمليات التعبئة والتغليف. وﻻ تزال عمليات ضخ المنتجـات
الغذائية التي تحتوي على قطع صلبة وسائل و ضمان تعقيمهـا باسـتخدام العمليـات الحراريـة
المستمرة مع المحافظة القصوى على خصائصها الحسية والتغذوية من المعضﻼت التقنيـة التـي
تحظى بجهود مكثفة على المستوى العالمي.
-
حركية التدهور الحراري
من الثابت أن كلي الهﻼك الحراري للكائنات المجهرية و التدهور الحـراري للمكونـات
البيوكيميائية في معظم المنتجات الغذائية يتبعان حركيـة التفـاعﻼت الكيميائيـة مـن الدرجـة
اﻷولى.فعند ظروف ثبات درجة الحرارة يمكننا كتابة معادلتي حركية التفـاعﻼت مـن الدرجـة
اﻷولى للكائنات المجهرية و المكونات البيوكيميائية كما يلي:[/size][/color]