các ứng dụng của tia hồng ngoại

Nội dungI-Khái niệm chế biến bằng tia hồng ngoại và nguồn phát 1-Khái niệm chế biến bằng tia hồng ngoại Khái niệm: chế biến thực phẩm bằng tia hồng ngoại là sử dụng bức xạ điện từ được

Lời mở đầu

Trong công nghiệp thực phẩm, có rất nhiều phương pháp và cách thức để gia nhiệt nhằm chế biến thực phẩm

Sử dụng nhiệt là một cách và các phương thức truyền nhiệt về cơ bản bao gồm : dẫn nhiệt, nhiệt đối lưu, nhiệt bức xạ

Một trong ba phương thức quan trọng được sử dụng rộng rãi ngày nay đó là nhiệt bức xạ Tùy theo bước sóng ta có tia tử ngoại, tia hồng ngoại, tia rơngen…… Và

đề tài được nói đến ở đây cụ thể là việc sử dụng tia hồng ngoại trong chế biến thực phẩm…

Nội dung

I-Khái niệm chế biến bằng tia hồng ngoại và nguồn phát

1-Khái niệm chế biến bằng tia hồng ngoại

Khái niệm: chế biến thực phẩm bằng tia hồng ngoại là sử dụng bức xạ điện từ được phát ra từ tia hồng ngoại để làm chín thực phẩm cũng như làm biến đổi một

số tính chất của thực phẩm khiến cho thực phẩm tăng chất dinh dưỡng, có mùi vị thơm ngon và dễ tiêu hóa hơn

2-Nguồn phát

a- Tự nhiên : Bức xạ hồng ngoại được phát ra từ nguồn thiên nhiên là mặt trời,

núi lửa đang hoạt động;

b- Nhân tạo: là lò luyện kim, đúc kim loại, lò rèn, lò nấu thuỷ tinh, lò nung gạch

ngói, đám cháy Tia hồng ngoại do các vật bị nung nóng phát ra Vật có nhiệt

độ thấp chỉ phát ra được các tia hồng ngoại Chẳng hạn như thân thể người ở nhiệt độ chỉ phát ra các tia hồng ngoại trong đó mạnh nhất là các tia có bước sóng ở vùng

c- Giới thiệu về một số nguồn phát nhân tạo

-Đèn gương (bầu thủy tinh được tráng gương một phần ở bên trong để tập trung tia

sáng về một phía) Dây tóc đèn là wonfram , công suất từ (1505000) W Nhiệt độ đèn là (2300100)K Hệ số hiệu dụng năng lượng là 70%, thời gian sử dụng là (35006000) h

Đèn có nhược điểm dễ vỡ, quán tính nhiệt kém (tắt điện thì nguội nhanh), tổn thất nhiệt lớn, chiếu không đều Tuy có cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng nhưng đèn ít được dùng để sấy các sản phẩm thực phẩm

- Đèn ống thạch anh

Cấu tạo loại này là dây vônfram xoắn đặt trong tâm của ống thạch anh hình trụ, công suất của nó từ (0,1 20)kW/m dài Nhiệt độ của loại đèn này là 2800k (2527), tuổi thọ 5000 h

- Que đốt bằng diện

Cấu tạo que đốt gồm dây hợp kim nicrôm xoắn hình lò xo đặt trong ống kim loại, cách điện bằng oxid manhê, ôxít nhôm hoặc cát thạch anh Công suất của mỗi dàn que đốt đạt dến 25 (kW) (tương đương 4kW/m dài), nhiệt độ là 800 Đây là loại que đốt thông dụng nhất

- Vật bức xạ bằng gốm

Đây là loại tiện lợi trong công nghiệp chế biến thực phẩm Cấu tạo của nó gồm dây điện trở bằng hợp kim nicrôm được ép vào trong lòng khối gốm Công suất mỗi chiếc là 1 kW với nhiệt độ làm việc từ 450 đến 700

Để đảm bảo bức xạ được đồng đều thì các thiết bị bức xạ phải có cơ cấu (bộ phận) phản xạ như đèn

II-Cơ sở khoa học

-Năng lượng hồng ngoại là bức xạ điện từ , được phát ra bởi vật thể nóng Khi nó được hấp thụ , bức xạ năng lượng của mình cho lên để làm nóng vật liệu

- Nguồn hồng ngoại trong các thiết bị được phát ra với bước sóng 1,8-3,4 micro Tia hồng ngoại được sử dụng trong việc chế biến nông sản, thực phẩm được xem như một thiết bị sấy khô vì dải biến thiên nhiệt độ trong thiết bị cố sử dụng tia hồng ngoại có thể phát ra nguồn nhiệt từ 37 – 2000

- Nguồn năng lượng của tia hồng ngoại khi tiếp xúc với thực phẩm sẽ làm cho các phần tử rung động và dẫn đến sự tăng nhiệt độ bên trong sản phẩm một cách nhanh chóng cùng với sự gia tăng về áp suất hơi nước

III- Mục đích công nghệ

1 Chuẩn bị:

+ Phân tích nhanh thành phần và chất lượng các loại nước ép, siro Điều khiển các quá trình trong công nghệ sản xuất mía đường

+ Dưới tác dụng của tia hồng ngoại, đối với các loại hạt tinh bột trong hạt sẽ được

hồ hóa triệt để hơn, không có hiện tượng lại bột chuẩn bị cho giai đoạn chế biến tiếp theo

+ Phân tích thời gian phân hủy các chất hữu cơ,vô cơ trong thức ăn , xác định hàm lượng ethnol trong rượu

2 Bảo quản:

+ Xác định sự oxi hóa dầu ăn

+ Ức chế sự nảy mầm trong quá trình bảo quản ( đối với sản phẩm nông sản dạng thân, rễ, củ)

+ Kéo dài thời gian bảo quản

+ Làm chậm quá trình chín

+ Tiết kiệm thời gian và năng lượng khi tia hồng ngoại vào những hạt ngũ cốc có chứa axit béo, sẽ làm giảm họat tính các enzym (men) oxy hóa chất béo và nó sẽ hạn chế các quá trình oxy hóa chất béo khi bảo quản, hạt sẽ không bị ôi, khét và đắng

khi chế biến các sản phẩm thực phẩm ăn liền, tia hồng ngoại còn có tác dụng diệt khuẩn rất tốt mà không làm mất giá trị dinh dưỡng của thực phẩm., phương pháp này không gây nguy hiểm và không sử dụng hóa chất, quán tính nhiệt thấp

+ Các hạt ngũ cốc chứa nhiều acid béo Khi chiếu tia hồng ngoại vào sẽ làm giảm hoạt tính các enzyme oxi hóa chất béo và nó sẽ hạn chế các quá trình oxi hóa chất béo khi bảo quản, hạt không bị ôi, khét, đắng

3 Chế biến:

+ Có tác dụng diệt khuẩn nhưng không làm mất đi giá trị dịnh dưỡng của sản phẩm + Gia nhiệt cho các sản phẩm đẻ tạo ra màu sắc đẹp hơn( các loại bánh nướng) + Sấy khô các loại dược liệu , các loại gia vị màu sắc ít bị biến đổi

+làm tăng hàm lượng acid amin tự do, ức chế 1 số enzyme bất lợi ( trypsin trong đậu tương) từ đó làm tăng khả năng tiêu hóa lên nhiều lần

Vd: + Các hạt ngũ cốc, hạt đậu khi được chiếu tia hồng ngoại chỉ trong thời gian

50 giây, nhiệt độ bên trong hạt đã tăng lên 90 hoặc với thời gian 90 giây, nhiệt độ

đã tăng lên 110o C

+ Lúa mỳ đc chiếu tia hồng ngoại khả năng tiêu hóa là 96% trong khi hạt k được chiếu thì khả năng tiêu hóa là 30%

4 Hoàn thiện

+ Đánh giá chất lượng các sản phẩm thịt

+ Sấy khô , gia nhiệt , làm ấm,cô đặc , tiệt trùng một số sản phẩm thực phẩm và đồ uống ( thanh trùng sữa tươi)

+Tia hồng ngoại khi chiếu vào thực phẩm còn làm tăng hàm lượng axit amin tự do, đồng thời ức chế một số enzymer bất lợi (như Trypsin trong hạt đậu tương)

IV- Nguyên liệu và những biến đổi của nguyên liệu

1-Nguyên liệu

Tia hồng ngoại được sử dụng trong việc chế biến nông sản, thực phẩm được xem như một thiết bị sấy khô

Trong thực tế sản xuất hiện nay, người ta sử dụng tia hồng ngoại trong nhiều lĩnh vực chế biến như xử lý các loại hạt làm thức ăn gia súc, thanh trùng sữa tươi (với thời gian rất ngắn 15 giây), gia nhiệt bề mặt các sản phẩm để tạo màu sắc đẹp hơn (ví dụ các loại bánh nướng), sấy khô các loại dược liệu, sấy khô các loại gia vị mà màu sắc ít biến đổi Người ta còn dùng tia hồng ngoại để nướng bánh, sản xuất thực phẩm ăn nhanh và ngũ cốc dinh dưỡng dùng trong điểm tâm

2-Những biến đổi của nguyên liệu

a-Biến đổi vật lý

Biến đổi vật lý của nguyên liệu liên quan tới việc tạo thành các chất mới và tính chất cảm quan của thực phẩm Màu sắc, mùi vị, hình dạng của thực phẩm đều có

sự thay đổi…

VD1: Với các món tráng miệng, bánh quy và bánh ngọt, nhiệt hồng ngoại đảm bảo rằng hạnh nhân được làm ấm trước khi bị vỡ mảnh, thấy được lớp đường nâu ở

trên bề mặt bánh crème Brule hoặc Pavlova là vàng và để đảm bảo rằng bánh pho mát có màu sắc hấp dẫn Nhiệt hồng ngoại làm biến đổi màu sắc cũng như mùi vị của thực phẩm khi được chế biến

VD2: Làm tăng sự hấp dẫn trong chế biến thịt, màu sắc của thịt dăm bông và thịt

gà được sử dụng trong bánh mỳ kẹp trở nên đẹp và có chất lượng, mùi vị thịt thơm ngon khi không cần sử dụng thêm chất béo

b-Biến đổi hóa học:

-Lượng nước có trong thực phẩm mất đi

-Chất đạm (protit) : Khi đun nóng ở nhiệt độ 70oC thì protit đông vón lại rồi bị thoái hóa Quá trình đông vón vừa phải làm cho protit dễ tiêu Khi nấu nướng ở nhiệt độ cao, quá lâu giá trị dinh dưỡng của protit giảm đi vì tạo thành các liên kết khó tiêu

-Protein: tùy mức độ gia nhiệt mà chất lượng của sản phẩm sẽ tốt hơn hay kém đi

Ở mức độ gia nhiệt vừa phải thì protein chỉ bị biến tính để làm cho thực phẩm tốt hơn

Ví dụ: + Các độc tố có bản chất protein thực phẩm (enterodoxin của Staphylococus aureces) hay các chất kìm hãm enzyme tiêu hóa (antitrypsin Kunitz

và Bowman trong hạt đậu tương) sẽ bị mất độc tính

Ở nhiệt độ cao trên 100oC hoặc gia nhiệt hồng ngoại với kiểu thanh trùng và quá cao thì sẽ làm thực phẩm bị cháy, pI của chúng sẽ bị ảnh hưởng và protein biến tính, sẽ gây ra các chất độc

-Ở nhiệt độ không quá 100oC, lipit (dầu, mỡ) không có biến đổi đáng kể ngoài hóa lỏng Khi đun lâu ở nhiệt độ cao các axit béo không no sẽ bị ôxy hóa làm mất tác dụng có ích với cơ thể của các axit này, đồng thời các liên kết kép trong cấu trúc của chúng bị bẻ gãy tạo thành các sản phẩm trung gian như là peroxit, aldehyt có hại đối với cơ thể Khi nướng thức ăn trên bếp lửa, mỡ chảy ra rơi xuống tạo mùi thơm nhưng thực chất đó là các carbuahydro thơm vòng không tốt cho cơ thể và đó chính là một trong các tác nhân gây ung thư Đối với sản phẩm thực phẩm chế biến nhiệt quá cao hay thời gian quá dài thì sẽ khiến sản phẩm bị hư hỏng, có mùi

ôi và màu cháy ( thịt,hạt…)

-Đường trong thực phẩm sẽ xảy ra phản ứng caramen hóa

-Khoáng và vitamin sẽ bị hao hụt.

c- Biến đổi sinh học

-Vi sinh vật bị tiêu diệt

-Có thể dùng để ức chế hoặc là kích thích sản phẩm trong quá trình hô hấp của thực phẩm,nông sản

Ví dụ: Sử dụng nhiệt hồng ngoại để kích thích hạt nảy mầm

d-Biến đổi hóa lý:

Sản phẩm khi chế biến nhiệt hồng ngoại đều bị chín

V-Một số hệ thống sấy bức xạ

1.Khái niệm

Sấy bức xạ là quá trình sử dụng năng lượng của các tia bức xạ phát ra từ vật bức xạ

để làm nóng vật sấy đến nhiệt độ bay hơi ẩm khỏi vật sấy, làm giảm độ ẩm của nó đến mức theo yêu cầu

2.Cơ chế truyền nhiệt và chuyển khối trong sấy bức xạ

Như đã nói trên, nhiệt lượng cấp cho vật sấy nóng lên và cấp cho ẩm bay hơi được lấy từ năng lượng của các tia bức xạ Vì vậy cường độ và đặc tính của quá trình truyền nhiệt và chuyển khối trong sấy bức xạ được xác định bởi quang phổ bức xạ của vật phát năng lượng bức xạ và khả năng hấp thụ năng lượng bức xạ của vật sấy Từ xa xưa con người đã biết sử dụng bức xạ mặt trời để sấy ( phơi nắng ) các sản phẩm nông , lâm , ngư nghiệp… Phương pháp này tiện lợi nhưng phụ thuộc nhiều vào thời tiết, vùng dịa lý, thời gian sấy kéo dài, tốn nhiều sức lực cho con người, kém vệ sinh

Trong công nghiệp chế biến nông sản, thực phẩm, thường dùng các tia bức xạ nhân tạo để sấy Quá trình trao đổi nhiệt trong sấy bức xạ có cường độ cao hơn nhiều so với sấy đối lưu và sấy trên bề mặt nóng ( sấy tiếp xúc hay còn gọi là sấy rang ) Bề mặt vật sấy nhanh chóng bị đốt nóng , tạo ra chênh lệch nhiệt độ lớn giữa bề mặt

và lớp sâu bên dưới Điều này dễ dẫn tới chất lượng sản phẩm không như ý muốn ( cong vênh, nứt vỡ, biến màu…) Muốn tránh điều trên ta căn cứ vào tính chất vật

sấy , yêu cầu của sản phẩm sấy mà sử dụng nguồn tia bức xạ, điều chỉnh cường độ bức xạ và thời gian bức xạ cho phù hợp

Máy sấy bức xạ có cấu tạo đơn giản, dễ sử dụng có khả năng tăng cường độ sấy ở giai đoạn thứ nhất, rất hiệu quả với lớp vật sấy mỏng Tùy trường hợp mà thời gian sấy có thể giảm hàng chục hay cả trăm lần so với sấy đối lưu

Máy sấy bức xạ cần trang bị các thiết bị bảo vệ, điều chỉnh chế độ sấy, quan tâm thường xuyên để có sản phẩm tốt và không bị hỏa hoạn Máy sấy bức xạ ít được sử dụng vì không kinh tế bằng sấy đối lưu

Thông thường sấy bức xạ, người ta dùng vật phát năng lượng bức xạ liên tục và cường độ cao thuộc và quang hồng ngoại với bước sóng từ 0,77 đến 300 µm Khi tia bức xạ đến vật sấy thì năng lương truyền cho vật sấy phụ thuộc khả năng hấp thụ năng lượng của vật sấy Tia bức xạ gặp vật sấy thì tạo thành 3 phần: đi xuyên, phản xạ và hấp thụ

Khi vật sấy có giá trị thành phần đi xuyên nhỏ thì lớp vật chất bề mặt sẽ bị đốt nóng nhanh còn lớp vật chất xa bề mặt ít được đốt nóng dẫn tới nứt vỡ, cong vênh

Để tránh hiện tượng trên thì vật sấy nên có chiều dày nhỏ hơn (nếu được) Đối với vật sấy có giạ trị đi xuyên lớn thì năng lượng bức xạ sẽ xuyên sâu vào trong, đốt nóng đều các lớp vật chất của vật sấy, sản phẩm sấy sẽ không bị cong vênh, nứt vỡ Đối với vật sấy dày nên áp dụng quá trình sấy bức xạ với cường độ bức xạ thay đổi

để tránh chênh lệch nhiệt quá lớn giữa lớp mặt và lớp sâu nhằm khắc phục nứt vỡ

3.Các phương pháp sấy bức xạ

a.Sấy bằng tia bức xạ kiểu đèn

Đèn phát ra tia hồng ngoại là những đèn gương đặc biệt có công suất 250 500W , chứa đầy hỗn hợp khí Nito và khí argon nhiệt độ chat sáng của dây tóc 2500 ⁰K (đèn thường 2200⁰K ) Mặt đèn phủ lớp bạc mỏng để làm mặt phản xạ Độ chiếu sáng của đèn này chỉ bằng đèn bình thường do đó 70 80% năng lương tiêu thụ biến thành tia hồng ngoại

Hệ thống sấy kiểu đèn

1-phòng sấy 2-băng tải 3-bóng đèn bức xạ tia hồng ngoại

b.Thiết bị sấy có bộ phận bức xạ bằng kim loại hay sành, sứ

Tức là dùng các nhiên liệu rắn, lỏng, khí để đốt một bộ phận kim loại hay bằng sành, sứ chịu nhiệt, và các bộ phận này phát ra bức xạ hồng ngoại, dùng để sấy vật liệu

Sấy bằng bức xạ tia hồng ngoại có ưu điểm: sấy các vật liệu mỏng như bề mặt sơn rất nhanh, thiết bị có cấu tạo đơn giản, dễ điều chỉnh nhiệt độ sấy, tổn thất nhiệt ra môi trường rát ít

Nhược điểm : tiêu tốn năng lượng lớn (1,52,5 Kw.h/kg ẩm) Vật lieeji đốt nóng không đồng đều do sấy nhanh trên bề mặt, nhiệt dẫn sâu vào trong vật liệu chậm,

do đó phương pháp sấy bằng tia bức xạ không thích hợp cho sấy vật liệu dày Có thể khắc phục nhược điểm này bằng cách kết hợp bằng tia bức xạ hồng ngoại với sấy đối lưu hoặc sấy điện cao tầng

c.Hệ thống sấy băng tải bức xạ - đối lưu

Vật bức xạ được lắp cố định, vật sấy chuyển động liên tục nhờ băng tải, tự chảy, dòng lưu động khí hạt, tầng sôi Để quá trình bay hơi ẩm tốt và tránh cho vật sấy bị đốt nóng quá mức người ta dùng quạt đối lưu cưỡng bức tác nhân sấy (không khí) Kích thước của buồng sấy phụ thuộc vào năng suất sấy, tốc độ băng tải phụ thuộc vào thời gian sấy, chiều rộng băng tải phụ thuộc vào năng suất và chiều dày lớp vật liệu sấy trên băng

d.tháp sấy bức xạ hạt lựu chảy

Thời gian sấy phụ thuộc vào tốc độ tự chảy của hạt và tổng dài của máng nghiêng Năng suất phụ thuộc vào chiều rộng, chiều dày, tốc độ chảy của lớp hạt

Chiều cao của tháp phụ thuộc vào kích thước, góc nghiêng và số lượng máng nghiêng

IV-Kết luận

Tia hồng ngoại có nhiều ứng dụng trong cuộc sống nói chung và trong chế biến thực phẩm nói riêng Qua đây ta biết và hiểu thêm về các ứng dụng của tia hồng ngoại Tuy nhiên cũng cần lưu ý đến liều lượng sử dụng để tránh tác hại của nó