تکنولوژی مایکروویو در صنایع غذایی
Microwave Technology for Food Processing
آسیه حسن زاده
عضو هیات علمی موسسه آموزش عالی بصیر
مقدمه
با افزایش روز افزون جمعیت و نیاز به مواد غذایی بیشتر کاربرد تکنولوژی های نوین در صنایع غذایی بیش از پیش مورد توجه متخصصان و صاحب نظران مربوطه قرار گرفته است. استفاده از تکنیک ها و سیستم های مجهز و مدرن و روش هایی جدید فن آوری برای افزایش کمی و کیفی محصولات غذایی می تواند راهکاری موثر در حفظ امنیت غذایی افراد جامعه به حساب بیاید. استفاده از امواج مایکروویو یکی از روش های نوین فرآوری مواد غذایی می باشد. حرارت دهی سریع تر با بازده انرژی بیشتر، مزیت اصلی فرایند مایکروویو بر مواد غذایی محسوب می شود. مزیت های دیگر شامل کیفیت بالای محصول از نقطه نظر طعم، بافت و محتوای تغذیه ای است. مهم ترین کاربردهای این تکنولوژی در صنعت غذا شامل انجماد زدایی، آنزیم بری، خشک کردن، پختن، برشته کردن، پاستوریزاسیون و استریلیزاسیون، غیر فعال نمودن میکرو ارگانیسم ها، حشرات و انگل ها می باشد. در این روش، امواج تولید شده توسط مگنترون یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند و مولکول های غذا مخصوصا مولکول های قطبی مثل آب و پروتئین ها خودشان را با تغییرات سریع میدان الکتریکی همسو کرده و حول یک محور نوسان می کنند. این نوسانات باعث ایجاد اصطکاک قابل توجهی بین مولکول ها شده که نتیجه آن تولید انرژی است. همچنین استخراج به کمک مایکروویو یکی از مهم ترین روش ها جهت استخراج ترکیبات با ارزش از مواد گیاهی می باشد. استفاده از انرژی میکروویو برای اولین بار در سال ۱۹۸۶ و به طور همزمان توسط گدبای در سنتز آلی و توسط گانزیلر برای استخراج نمونه های بیولوژیکی و آنالیز ترکیبات آلی گزارش شده است. در فرآوری مایکروویو، امواج الکترومغناطیسی با فرکانس های خاص برای حرارت دهی محصولات غذایی استفاده می شود. عموماً دو فرکانس 915 و 2450 مگاهرتز [1]برای فرآوری مواد غذایی توسط مایکروویو استفاده می گردد. آون های خانگی در فرکانسهای 2450 مگاهرتز عمل می کنند. آب و کربن امواج مایکروویو را جذب می کنند اما شیشه، سرامیک و بسیاری از ترموپلاستیک ها اجازه عبور به امواج مایکروویو را می دهند و جذب بسیار اندکی دارند. این امواج همچنین هنگام عبور از یک ماده دی الکتریک به ماده دیگر، مشابه عبورامواج نوری ازهوا به آب، شکسته می شوند.
آون های مایکروویو چگونه کار می کنند؟
مایکروویو به وسیله دستگاه های لامپ موسوم به مگنترون تولید می شود. مگنترون استوانه ای تو است خالی که در میدان مغناطیسی نعلی شکلی دارد. در مرکز استوانه میله ای کاتدی قرار دارد و دیواره استوانه هم به عنوان آند عمل می کند. وقتی استوانه گرم می شود،کاتد الکترون هایی گسیل می کند که این الکترون ها هم به سوی دیواره استوانه هم به عنوان آند عمل می کند. نیروی حاصل از میدان مغناطیسی سبب می شود تا الکترون ها در مسیری دایره ای بچرخند. این حرکت ذرات باردار بسامد مناسب پخت را تولید می کنند. یک هدایت کننده موج، امواج مایکروویو را به سوی محفظه پخت هدایت می کند و پره های یک بادبزن هم سبب پخش شدن امواج مایکروویو به تمام قسمت های اجاق می شود. دو مکانیسم اصلی برای تولید حرارت توسط مایکروویو در مواد دیالکتریک وجود دارد: پلاریزاسیون یونی و چرخش دوقطبی. پلاریزاسیون یونی زمانی که یون ها در محلول، در پاسخ به میدان الکتریکی حرکت می کنند، اتفاق می افتد. انرژی جنبشی توسط میدان الکتریکی به یونها منتقل می شود. این یون ها با یون های دیگر برخورد کرده، باعث تبدیل انرژی جنبشی به حرارت می شوند. زمانی که یون ها تحت تاثیر میدان الکتریکی می چرخند، مقادیر زیادی حرارت تولید می کند. در حالی که مکانیسم چرخش دوقطبی بسیار مهم است، ولی بستگی به حضور ملکول های قطبی دارد. مهم ترین ماده قطبی در مواد غذایی، آب است. ملکول های آب تحت شرایط طبیعی به صورت تصادفی قرار گرفته اند. در حضور میدان الکتریکی، ملکول های قطبی در راستای میدان جهت می گیرند. میدان الکتریکی سیستم مایکروویو باعث می شود که ملکول ها با تغییر میدان هم راستا شوند و در نتیجه حرارت تولید شود. زمانی که میدان حذف می گردد، ملکول ها به جهت گیری اولیه خود بر می گردند. این امر منجر به تولید حرارت توسط ملکول های قطبی می شود. آب، پروتئین ها و کربوهیدرات ها ترکیبات قطبی در ماده غذایی هستند. سیستم مایکروویو گرما را درون محصول تولید می کند.
مگنترون دستگاه مایکروویو
مهم ترین کاربرد های مایکروویو در فرآوری مواد غذایی
1- ذوب کردن و تمپرینگ[2] به وسیله مایکروویو
فرایند تمپرینگ به طور معمول از چندین ساعت تا چند روز بسته به اندازه، نوع و درجه حرارت اولیه محصول به طول می انجامد و نیاز به فضای انبار سرد بزرگ و مقادیر زیادی از محصولات منجمد شده دارد؛ به دلیل زمان طولانی ذوب کردن، رشد باکتریایی اتفاق می افتد؛ مقادیر زیاد و امکان تغییرات نامطلوب رنگ و اکسیداسیون سطحی در محصول وجود دارد. ذوب کردن و تمپرینگ با کمک تکنولوژی مایکروویو مانع از حرارت دهی بیش از حد شده و منجر به کم ترین تغییرات کیفی می گردد و همچنین شرایط را برای رشد باکتریایی نامطلوب می کند. بعلاوه، زمان کوتاهتر نیاز به مساحت های بزرگ ذخیره سازی و مقادیر زیاد فرآورده را حذف می کند.
2- پیش پخت فراورده های غذایی به وسیله مایکروویو
پیش پخت محصولاتی نظیر گوشت گاو، خوک، مرغ، ماهی خمیری یا برشته توسط مایکروویو دارای مزیت هایی از قبیل کاهش زمان تولید، فضای اتاق، هزینه های حمل و نقل، یخچال داری و کاهش اتلاف محصول می باشد.
3- پختن فراورده های غذایی به وسیله مایکروویو
از آنجایی که زمان حرارت دهی در آون مایکروویو کوتاه بوده و حرارت توسط نمونه جذب شده و هوای اطراف محصول خنک است. بنابراین، ملکول های تبخیر شده آب از سیستم غذا از هوای خنک عبور کرده و در نتیجه مانع از قهوه ای شدن و تشکیل پوسته می گردد. مواد غذایی حرارت دیده توسط مایکروویو، رطوبت بیشتری را نسبت به حرارت دهی متداول از دست می دهند. زمان کوتاه در فرایند پخت با مایکروویو اجازه کامل شدن واکنش میلارد را نمی دهد در نتیجه رنگ قهوه ای بوجود نمی آید. تحقیقات نشان داده است پخت با مایکروویو موجب بهبود کیفیت محصولات آردی پخته شده است.
4- خشک کردن فراورده های غذایی به وسیله مایکروویو
هدف اصلی خشک کردن مواد غذایی نگهداری آن می باشد، دمای بالا و زمان طولانی خشک کردن در روش خشک کردن با هوا ممکن است باعث صدمات جدی به رنگ، طعم، مواد مغذی و ظرفیت جذب آب دوباره محصول خشک شده شود. خشک کردن توسط مایکروویو می تواند یک روش جایگزین برای کاهش اتلاف محصولات باشد. این روش برای محصولات دارای محتوای رطوبتی بالا نظیر، هویج، قارچ و کلم مناسب است، زیرا به علت ویژگی های دی الکتریک آب انرژی مایکروویو سریع جذب می شود. حرارت تولید شده در داخل محصول طی تیمار مایکروویو، باعث افزایش فشار بخار شده و در نتیجه رطوبت را به سطح انتقال می دهد بنابراین افزایش سرعت خشک شدن بدون افزایش درجه حرارت سطح و بهبود ویژگی های کیفی محصول مشاهده می شود. مایکروویو مستقیما بر ملکول های قطبی مانند آب اثر می کند. بنابراین، خشک کردن مایکروویو می تواند باعث افزایش سرعت مهاجرت رطوبت شود. مزایای خشک کردن با استفاده از امواج مایکروویو شامل: سرعت و یکنواختی در فرایند خشک کردن، حفظ رنگ، طعم و مواد مؤثره موجود در مواد غذایی و دارویی تا چند برابر روش های متداول، راندمان بالا و صرفه جویی در مصرف انرژی، کنترل فرایند خشک کردن با استفاده از اتوماسیون سیستم، سازگاری با محیط زیست، پیوسته بودن فرایند خشک کردن و ظرفیت بالای تولید، امکان استریل نمودن مواد طی فرایند خشک کردن.
خشک کن پیوسته مایکروویو
5- برشته کردن فراورده های غذایی به وسیله مایکروویو
برشته کردن توسط مایکروویو، به طور موفقیت آمیز برای چندین غذای خمیری استفاده شده است. نقطه ضعف اصلی برشته کردن توسط مایکروویو، کمبود تشکیل پوسته و عدم قهوه ای شدن سطحی در برخی موادغذایی است که برای آنها تشکیل پوسته و رنگ قهوه ای مهم است. برشته کردن مایکروویو می تواند برای دانه های قهوه استفاده گردد؛ زیرا فعالیت آنتی اکسیدانی دانه های برشته شده قهوه توسط مایکروویو نسبت به روش سنتی بالاتر است، همچنین محتوای کافئین در نمونه های تیمار شده توسط مایکروویو کاهش کمتری از نمونه های تیمار شده سنتی دارد.
6- پاستوریزاسیون و استریلیزاسیون به وسیله مایکروویو
استریلیزاسیون مایکروویو در درجه حرارت 130-100 درجه سانتی گراد انجام می شود. پاستوریزاسیون که یک تیمار حرارتی ملایم تری است در دماهای پایین تری انجام می شود. حرارت تولید شده بوسیله مایکروویو بطور چشم گیری زمان لازم برای پاستوریزاسیون و استریلیزاسیون تجاری را کاهش می دهد که باعث تولید محصول با کیفیت بهتر می شود. استریلیزاسیون و پاستوریزاسیون مایکروویو برای چندین ماده غذایی نظیر ماکارونی تازه، نان، گرانولا، شیر و مواد غذایی نیمه آماده به کار برده شده است. مزیت اصلی استریلیزاسیون یا پاستوریزاسیون مایکروویو کاهش چشمگیر در زمان مورد نیاز برای نفوذ حرارت به مرکز ماده غذایی است. این روش برای پاستوریزاسیون یا استریلیزاسیون مواد غذایی، منجر به افزایش کیفیت فرآورده می گردد. استریلیزاسیون مایکروویو دارای برخی مشکلات نظیر توزیع انرژی غیریکنواخت و غیرقابل پیش بینی بوده و کنترل و پیش بینی الگوی حرارت دهی مایکروویو طی فرآوری مشکل است.
7- آنزیم بری (بلانچینگ)[3] محصولات به وسیله مایکروویو
بلانچینگ با استفاده از امواج مایکروویو موجب کاهش تغییرات نامطلوب در عطر و طعم، بافت، به حداقل رساندن اتلاف مواد مغذی و کاهش میزان فاضلاب تولیدی خواهد شد. معایب بلانچینگ توسط مایکروویو شامل حرارت دهی غیریکنواخت و مشکل کنترل درجه حرارت طی بلانچینگ می باشد.که با روش حرارت دهی پالسی مایکروویو این مشکل حل خواهد شد. تحقیقات نشان داده اند که بلانچینگ سبزی ها توسط مایکروویو منجر به کیفیت تغذیه ای بالا، محتوای کاروتن بالا، ماده خشک و ساکاروز بیشتر شده است.
8- غیر فعال کردن میکروارگانیسم ها به وسیله مایکروویو
گرمای تولید شده از امواج مایکروویو می تواند مسبب از بین رفتن میکروارگانیسم ها باشد، از سویی اثر غیر حرارتی (میدان الکترومغناطیس) نیز به عنوان یکی از عوامل نابودی میکروارگانیسم ها توسط دانشمندان پیشنهاد شده است. حرارت از طریق دناتوره شدن پروتئین ها، اسیدهای نوکلئیک و سایر ترکیبات حیاتی و همچنین تخریب غشا عمل می کند. باکتری ها نسبت به کپک ها و مخمر ها مقاوم تر به مایکروویو هستند و اسپور باکتری ها نیز مقاومت بیشتری از سلول های رویشی دارد. البته این روش صد در صد ایمنی نیست و به علت حرارت دادن غیر یکنواخت غذاها، الگوی حرارتی بی قاعده و زمان کوتاه حرارت دیدن نسبت به روش های معمول حرارت دادن امکان زنده ماندن میکروارگانیسم ها وجود دارد.
9- استخراج ترکیبات آلی به وسیله مایکروویو
در این تکنیک حلال های قطبی مثل آب، متانول یا استون جهت استخراج ترکیبات آلی مورد نظر از ماتریکس های جامد به کار گرفته می شود. این روش مزایای زیادی نسبت به روش های استخراج مرسوم داراست. دمای استخراج کم تر، حلال مصرفی کم تر و راندمان بازیافت بیش تر از جمله این مزایا می باشد.
نمونه ای از تجهیزات استخراج به وسیله مایکروویو در ابعاد آزمایشگاهی
[1] MHz
[2]Tempering
[3] Blanching
