Capitolul 3

Capitolul 3 Studiul bibliografic privind efectul grăsimilor si temperaturii asupra proprietăţilor dielectrice 3.1.Generalităţi Tehnologia încălzirii cu ajutorul microundelor este foarte mult folosită in America de Nord. Tehnologia microundelor face coacerea şi dezgheţarea mult mai rapide şi mai uşoare decât in cazul folosirii metodelor convenţionale. Frecvenţa microundelor presupune in general unde electromagnetice cu frecvenţa cuprinsă intre 0,3 GHz şi 3GHz. Proprietăţile dielectrice descriu comportamentul produselor atunci când acesta este expus la câmpurile electromagnetice pentru aplicaţiile încălzirii dielectrice. Aceste proprietăţi sunt importante pentru determinarea adâncimii de pătrundere a energiei microundelor şi a gradului de absorbţie a energiei de către alimente in cuptorul cu microunde. Proprietăţile dielectrice importante sunt constanta dielectrică (ε’) şi factorul de pierdere dielectric (ε’’). Constanta dielectrică măsoară capacitatea de stocare a energiei electrice. Factorul de pierdere dielectric măsoară capacitatea de a transforma energia electrică in căldura. Constanta dielectrică şi factorul de pierdere d por fi definite in termenii permitivităţii complexe relative

ε= ε’-j ε’’=│ ε│e-jδ, unde tan δ= ε’’/ ε’ este

numit tangentă de pierdere sau factor de disipare. Dimensiunea

acestor parametrii

determină

interacţiunea

dintre

câmpul

microundelor şi produse. Proprietăţile dielectrice ale alimentelor şi produselor agricole sunt foarte importante in dezvoltarea procedurilor de încălzire cu ajutorul microundelor şi in proiectarea echipamentului electric şi electronic care interacţionează cu alimentele. Ele pot avea legătură cu compoziţia, ceea ce nu este folositor in controlul şi asigurarea calităţii.

26

Proprietăţile dielectrice pot fi folosite şi in analiza proprietăţilor biofizice ale compoziţiei când se modifică temperatura. Pot fi asemenea folositoare in determinarea timpului potrivit de încălzire la microunde in bucătarii moderne. Consumul de carne de vită in Statele Unite a fost de 3.200.000.000 kg in anul 2006. Consumul de carne de vită pe cap de locuitor a crescut de la 20 kg la 30 kg din anul 1995 până in anul 2006. Este foarte important sa ai o tehnologie de încălzire la microunde avansată pentru prepararea cărnii de vită. Un studiu realizat de cercetătorul american Hix in anul 2003 a demonstrat că gradul de grăsime din carnea de vită are efecte directe asupra supravieţuirii agenţilor patogeni in timpul procesului de coacere la microunde. Măsurarea proprietăţilor dielectrice la temperaturi diferite şi la grade diferite de grăsime ajută la îmbunătăţirea procedurilor de încălzire la microunde şi de asemenea ajută la înţelegerea comportamentului cărnii de vită in timpul încălzirii la microunde. Lucrarea [1] prezintă rezultatele experimentale privind determinarea proprietăţilor dielectrice ale cărnii de vită la 3 nivele diferite de grăsime (4%, 9%şi 20%) cu o frecvenţă cuprinsă intre 0,3 GHz şi 3 GHz şi la o temperatură de la -25oC la 75 oC. » Produse şi metode Prepararea mostrelor Carnea de vită cu grade diferite de grăsime (4%, 9%şi 20%) a fost obţinută de la băcănia locală şi depozitată la -18oC. Pentru prepararea mostrelor pentru măsurătorile dielectrice, carnea de vită a fost dezgheţată intr-un frigider timp de 24 h şi s-au cântărit 30 g de carne de vită. A fost apoi pusă intr-un vas de cântărire de aluminiu. Vasele au fost deja modificate pentru a încape in suportul pentru mostre al dispozitivului de încălzire/ răcire. Carnea de vită este uşor şi in mod repetat apăsată cu mâna până ce aceasta capătă o suprafaţă plată pentru a uşura experimentele dielectrice. Au fost folosite trei mostre in acest experiment pentru fiecare temperatură.

27

Carnea de vită a fost uşor agitată pentru a se

distribui uniform la sfârşitul

preparării mostrelor. S-a avut grijă să se păstreze uniformitatea densităţii mostrelor. Densitatea mostrelor a fost intre 1018,5 kg/m3 şi 1160 kg/m3. Mostra pentru test a fost mai intâi aşezată in suportul pentru mostre care a fost răcit şi încălzit de către un circulator cu temperatură constantă. Mostra a fost păstrată in suportul de mostră până când mijlocul părţii superioare a produsului a atins temperatura de testare aşteptată. Temperatura cărnii de vită a fost măsurată in timpul experimentului cu ajutorul unui termocuplu de tip T conectat la un aparat înregistrator de date. Glicolul etilenic a fost folosit la o temperatură constantă pentru a menţine temperatura la -25,-15,-8,-1,1,5,10,20,30,45,60, şi 75oC. Figura 3 prezintă diagrama schematică a aparatului experimental. Determinarea proprietăţilor dielectrice s-a făcut prin măsurători ale liniei coaxiale deschise, cu diametrul de 3,66 mm şi semirigide având un conductor de cupru şi fiind conectată la un analizator de reţea. Sonda coaxială a fost fixată bine pe un suport. Suportul de mostră a fost aşezat pe o masă rotativă verticală. » Descrierea măsurătorilor experimentale S-a pornit aparatul de încălzire/răcire şi s-a setat temperatura dorită. După ce s-a ajuns la temperatura stabilită, masa a fost ridicată uşor şi mostra a intrat in contact cu capătul sondei. S-a avut grijă să nu existe nici un gol de aer intre mostră şi capătul sondei fără să se exercite o presiune prea mare asupra mostrei. S-a început măsurarea şi analizatorul de reţea a înregistrat coeficientul de reflectare la suprafaţa de delimitare sondă-mostră. Pentru calcularea proprietăţilor dielectrice ale cărnii de vită s-a folosit o aparatură software pentru sonda electrică. S-a făcut etalonarea sistemului prin declanşarea măsurătorilor in timp ce capătul sondei era in aer, cu scurtcircuit metalic şi cu apa la 25oC. Frecvenţa a fost fixată intre 0,3 GHz şi 3 GHz şi aparatul a înregistrat date la fiecare 5 MHz.

28

» Determinarea conţinutului de umiditate Conţinutul de umiditate ale unor mostre selectate aleator a fost determinat prin metoda

AOAC

950,46

conform

standardelor

canadiene

[http://palcan.scc.ca/specs/pdf/216_e.pdf]. Conţinutul de umiditate pentru carnea de vită cu 4% grăsime a fost de 73%, pentru carnea de vită cu 9% grăsime a fost de 71% şi pentru carnea de vită cu 20% grăsime a fost de 62%. Se poate spune despre carnea de vită mai puţin grasă că are un conţinut mai mare de umiditate. » Efectul temperaturii Experimentele au demonstrat o creştere bruscă a constantei dielectrice la o temperatură cuprinsă intre -1oC şi 1oC. Scăderea constantei dielectrice o dată cu creşterea temperaturii la peste 0 oC este convenabilă pentru produsele cu un grad mare de umiditate (70%). Tendinţa de scădere se datorează relaxării moleculelor de apă o dată cu creşterea temperaturii. Atât la 915 MHz, cât şi la 2450 MHz, la o temperatură mai mică de 0oC, factorul de pierdere dielectric creşte o dată cu creşterea temperaturii. La 915 MHz, la peste 0oC factorul de pierdere creşte o dată cu creşterea temperaturii. Acest lucru poate fi atribuit creşterii conducţiei ionice din produs la creşterea temperaturii. Acest lucru indică de asemenea faptul că absorbţia energiei poate creşte o dată cu creşterea temperaturii la 915 MHz. La 2450 MHz, la mai mult de 0oC, factorul de pierdere dielectric scade o dată cu creşterea temperaturii până la 45oC, apoi creşte o dată cu creşterea temperaturii până la 75oC. S-a observat creşterea factorului de pierdere dielectric o dată cu creşterea temperaturii la 915 MHz. Creşterea proprietăţilor dielectrice o dată cu creşterea temperaturii la ambele frecvenţe, sub 0oC, se poate datora creşterii fricţiunii apei o dată cu creşterea temperaturii. Factorul de pierdere dielectric la 915 MHz este mai mic decât la 2450 MHz la orice temperatură.

29

La orice temperatură, proprietăţile dielectrice la 915 MHz sunt mai mari decât cele la 2450 MHz. Acest lucru se poate datora scăderii lungimii undelor de 2450 MHz in comparaţie cu undele de 915 MHz. Lungimea undelor şi frecvenţa microundelor afectează proprietăţile dielectrice. S-au observat mici variaţii ale proprietăţilor dielectrice. Aceasta se poate datora variaţiei densităţii produsului şi diferenţei in presiunea exercitată de sondă asupra suprafeţei alimentelor. Sonda coaxială cu capăt deschis era la temperatura camerei. Acest lucru a putut influenţa măsurătorile la temperaturi mai mici de 0oC. Diferenţele de temperatură din alimente şi sondă pot fi cauza variaţiilor in proprietăţile dielectrice observate in special la pateurile din carne de vită îngheţată. » Efectul conţinutului de grăsime Experimentele au demonstrat scăderea constantei dielectrice şi a factorului de pierdere dielectric o dată cu creşterea conţinutului de grăsime la peste 0oC. De asemenea s-a menţionat in literatura de specialitate tendinţa de scădere a factorului de pierdere d o dată cu creşterea temperaturii. Devreme ce carnea de vită cu puţină grăsime are un conţinut ridicat de umiditate in comparaţie cu carnea de vită grasă, tendinţa de scădere este convenabilă. Conţinutul de umiditate al produsului este mai important decât cel de grăsime. La toate temperaturile sub 0oC, exceptând temperatura de -1oC, constanta dielectrică şi factorul de pierdere dielectric rămân constante. La -1oC s-a observat creşterea constantei dielectrice şi a factorului de pierdere d, de la 4% la 9% grăsime. Acest lucru se poate datora creşterii activităţii ionice la o temperatură apropiată de cea de topire a gheţii. Tendinţa de creştere a proprietăţilor de la 9% la 20% grăsime a fost mai mică decât cea intre 4% şi 9% grăsime. Proprietăţile dielectrice ale cărnii de vită crude au fost obţinute din literatura de specialitate. Proprietăţile dielectrice ale cărnii de vită tocate din acest studiu au fost comparate cu valorile cărnii crude pentru a stabili efectul.

30

Pe baza comparaţiei, se poate concluziona faptul că carnea de vită in stare brută (crudă) are proprietăţi dielectrice mai mari decât cea tocată. Acest lucru se poate datora operaţiei de mărunţire prin care se umplu porii cu aer in comparaţie cu muşchii intacţi ai cărnii de vită in stare brută (cruda). Prezenţa aerului in spaţiile goale poate fi atribuită valorilor scăzute ale proprietăţii dielectrice, spre deosebire de carnea de vită crudă. » Adâncimea de pătrundere şi proprietăţile dielectrice Adâncimea de pătrundere la 915 MHz a fost mai mare decât cea la 2450 MHz. La peste 0oC, la ambele frecvenţe, carnea de vită tocată cu grăsime are o adâncime de pătrundere mai mare decât carnea tocată cu puţină grăsime. La 915 MHz, adâncimea de pătrundere creşte până la 10oC, apoi începe să scadă. La 2450 MHz adâncimea de pătrundere creşte până la 20oC apoi scade uşor o dată cu creşterea temperaturii. La sub 0oC, adâncimea de pătrundere creşte o dată cu scăderea temperaturii. Puterea de absorbţie a microundelor scade o dată cu scăderea temperaturii la ambele frecvenţe (915 MHz şi 2450 MHz). » Analiza regresiei Procedeul regresiei treptate a fost folosit de softul de analiză statistică pentru a formula ecuaţii predictive pentru proprietăţile dielectrice la 915 MHz şi 2450 MHz. Ecuaţiile predictive au fost :

 '  a0  a1T  a2T2  a3 ( FxT )  a4 F  a5 F2  a6 (1/ T )  ''  a0  a1T  a2T2  a3 ( FxT )  a4 F  a5 F2  a6 (1/ T ) unde T este temperatura in oC şi F reprezintă conţinutul de grăsime in %. Aceste ecuaţii predictive sunt folosite pentru determinarea constantei dielectrice şi a factorului de pierdere dielectric la diferite nivele de grăsime şi la diferite temperaturi.

31

» Concluzii Proprietăţile dielectrice ale cărnii de vită tocate au fost măsurate la niveluri de grăsime de 4%, 9% şi 20%, la frecvenţe cuprinse intre 0,3 GHz şi 3 GHz şi la temperaturi de la -25oC la 75oC. S-au tras următoarele concluzii : •

conţinutul de grăsime şi temperatura au influenţat constanta dielectrică şi factorul de pierdere dielectric.

•

în cazul cărnii tocate de vită cu un conţinut mai mic de grăsime, constanta dielectrică şi factorul de pierdere d au fost mai mari decât in cazul cărnii tocate cu un conţinut mai mare de grăsime.

•

constanta dielectrică a crescut o dată cu creşterea temperaturii de peste 0oC şi a scăzut o dată cu creşterea temperaturii de peste 0oC.

•

factorul de pierdere d a crescut o dată cu creşterea temperaturii la 915 MHz.

•

factorul de pierdere a crescut o dată cu creşterea temperaturii sub 0oC şi a rămas constant la peste 0oC la 2450 MHz.

•

temperaturile cuprinse intre -1oC şi 1oC au fost critice pentru proprietăţile dielectrice. Au fost determinate ecuaţii de regresie predictive pentru constanta dielectrică şi

factorul de pierdere d, la diferite temperaturi şi niveluri de grăsime. Predicţia proprietăţilor dielectrice prin ecuaţii de regresie a fost apropiată de rezultatele experimentului.

32

Fig.3 Diagrama schematică a aparatului experimental

33