Образование «синергетического эффекта» в технике переработки пищевых продуктов



В данной работе описан механизм образования «синергетического эффекта» в технике на примере переработки пищевых продуктов (сушки плодов и овощей), при взаимодействии электромагнитного поля инфракрасного и сверхвысокочастотного диапазона волн с влагой пищевых продуктов.

Началом выделения синергетики в отдельное направление научных исследований стал момент, когда Г.Хакен впервые ввел понятие «синергетика», подразумевая под этим науку, которая занимается изучением систем, состоящих из большого числа частей, компонентов или подсистем, одним словом, деталей, сложным образом взаимодействующих между собой (1,2).

В настоящее время синергетика характеризуется следующими понятиями: открытая система, самоорганизация, самоуправление, антопоэзис, аттрактор, нелинейность, флуктуация, бифуркация, порядок и хаос, когерентность, конволюция, фрактальность, диссипация, многовариантность, альтернативность и другими характеристиками, которые дают перспективность ее использования [3].

Целесообразно указать, что основной целью взаимодействия такого рода систем выступает синергия, т. е.объединенное функционирование двух или более факторов, характеризующееся тем, что оно значительно превосходит эффект каждого отдельно взятого компонента и их суммы (1, 4). Таким образом, «синергетический эффект» — это всегда результат трансформации простых производственных систем в более сложные.

В общем, «синергетический эффект» — это положительный результат деятельности системы относительно результатов ее составляющих. Такой эффект описывается формулой «2 + 2 = 5». Это означает, что суммарный результат деятельности любой системы больше, чем сумма результатов отдельных организационных элементов этой системы. По своей природе синергетический эффект является организационным эффектом, поэтому задача состоит в том, чтобы найти набор элементов и так соединить их между собой, используя прогрессивные формы организации, при котором синергия обеспечивала бы качественное и количественное увеличение как потенциала, так и результатов функционирования системы и составных частей.

Целью нашей работы является объяснение образования «синергетического эффекта» в технике, как результата бифуркации, флуктуации, диссипации и когерентности (резонанса), возникающего за счет воздействия энергии электромагнитного поля СВЧ, ИК диапазона волн на пищевые продукты.

Известно, что квантовая природа ЭМП наиболее ярко проявляется в СВЧ, ИК видимом и УФ-диапазонах ЭМВ, а также при рентгеновском и гамма-излучениях.

Большинство пищевых продуктов и сред представляет собой несовершенные (реальные) диэлектрики. Они имеют достаточно высокую диэлектрическую проницаемость и низкую электропроводность, обусловленную в основном свободными ионами вещества. Такие среды могут подвергаться обычному нагреву током проводимости и диэлектрическому нагреву, связанному с дипольной, ионной и наведенной поляризацией отрицательных зарядов, атомов и молекул вещества в электрическом поле.

Потери энергии, связанные с дипольной поляризаций, имеют широкий максимум, лежащий для большинства веществ в диапазоне волн с частотой ƒ=(-)МГц (длина волны λ=0,3–0,003м), т. е. в диапазоне волн сверхвысоких частот (СВЧ).

С этой точки зрения диэлектрический нагрев пищевых сред, для которых характерна именно дипольная поляризация, в СВЧ диапазоне волн наиболее предпочтителен.

Диэлектрический нагрев эффективно используют (в целях интенсификации) в различных процессах пищевой технологии, таких как размораживание, варка, бланширование, выпечка, инактивация ферментов, пастеризация и стерилизация, сушка, хлебопечение, поджаривание, дезинсекция, а также для быстрого приготовления пищи.

В целях обоснования эффективности электрофизического метода воздействия на пищевые продукты и образование синергетического «Эффекта»нами были сопоставлены некоторые характеристики СВЧ, ИК, УФ и рентгеновские методы воздействия на влажный материал, в результате чего было выявлено, за счет бифуркации и флуктуации поля критических точек, что происходит диссипация энергии со значительным увеличением плотности теплового потока на поверхности материала. Также наблюдается воздействие ЭМП на состояние влаги в материале, этосказывается в условиях когерентности волн, резонанса частоты внешнего ЭМП и частоты собственных колебаний молекул воды, из-за чего возникаетсинергетический «Эффект», в свою очередь способствуюший появлению технологического и энергетического эффекта (5).

Нами была составлена таблица 1, показывающая сопоставление энергетических характеристик воды со спектром электромагнитного поля, причем нас интересовал энергетический уровень воздействия, т. е. наиболее эффективный метод подвода энергии на пищевые влажные материалы.

Данное сопоставление показало, что из ИК, СВЧ, УФ-методов энергоподвода энергия ИК-излучения равна энергии нулевого колебания. Энергия нижних колебаний переходов и энергия изменения внутренний энергии при 100°С является аттрактором и способствует появлению бифуркации, флуктации, диссипации энергии, а особенности когерентности вызывают резонанс волн и образуют синергетический «Эффект». Поэтому ИК, СВЧ и УФ-методы наиболее приемлемы для нагрева пищевых продуктов при высокоинтенсивной обработке (выпечке, сушки и т. п.).

Если СВЧ электромагнитного поля намного меньше, чем энергия нулевого и нижнего колебания и др., но примерно равна энергии вращательных переходов молекул воды, то энергия УФ-излучения намного больше и приемлема для сопоставления с энергией электронного возбуждения, ионизации и диссоциации молекул воды. Следовательно, изложенные методы электрофизического воздействия за счет синергетического «Эффекта» эффективны при различных видах обработки пищевых продуктов.

Таблица 1

Сопоставление энергии ЭМП сэнергетической характеристикой молекулы воды

Энергетические характеристики молекулы воды	Энергия электрофизических воздействий, ЭВ
	Микроволны 4	ИК-излучение 4-0,4	УФ-излучения 41	Рентгеновские лучи 4
Энергия нулевого колебания		0,575
Энергия электронного возбуждения при λ=1220А			10,0
Ионизационный потенциал			12,62–18,0
Энергия диссоциации			5,11–4,4
Энергия вращательных переходов
Энергия нижних колебаний переходов		0,035 0,198
Изменение внутренней энергии при 100°С		0,39
Изменение внутренней энергии при фазовом переходе лед I, лед II при t=35°С	0,00083

По результатам сравнительного анализа процессов можно выделить интенсивный (традиционный нагрев) и высокоинтенсивный (синергетический «Эффект»), способствующий различному темпу прогрева материала и создающий различные тепловые напряжения на поверхности продукта.

В целях определения скорости прогрева (в процессе сушки) методом ИК, СВЧ, ИК-СВЧ, СВЧ-ИК, традиционно-конвективный нагрев использовали параболический закон изменения температуры поверхности образцов плодов и овощей, в результате была составлена сводная таблица теплофизических характеристик и расчетов методом А. С. Гинзбурга (6) коэффициента, характеризующего скорость нагревания поверхности (таблица 2).

Целесообразно отметить то, что, для расчета нами были выбраны максимальная температура прогрева плодов и овощей, а также фиксированная продолжительность нагрева (7,8).

Таблица 2

Сводная таблица расчета коэффициента, характеризующего скорость нагревания поверхности

№	Наимено-вание плодов иовощей	Метод начального импульса (НИ)	К	мин.	, Вт/МК	кВт/	Дж/кгК	, Кг/	c Дж/	C, К/
1	Виноград (рад.сол. сушка)	Конвект.	355	30	0,52	5,2	3790	1010	3,9	0,42
		ИК	365	25	0,52	2,6	3790	1010	3,9	1,31
2	Айва (рад.сушка)	Конвект..	353	35	0,46	2,5	3560	955	3,8	0,9
3	Яблоки (т.р.сушка)	ИК	353	35	0,50	1,2	4020	890	3,1	1,48
	Яблоки (чипсы)	СВЧ кон.	392	2	0,50	4,9	4020	890	3,6	1,33
4	Абрикосы	СВЧ.	341	15	0,51	4,3	3768	950	3,6	1,48
	Курага	ИК	348	2	0,48	4,2	3768	960	3,6	1,4
5	Вишня	ИК-СВЧ	347	2,5	0,51	4,4	3790	1090	4,1	1,6
		СВЧ-ИК.	383	2–8	0,48	4,6	3790	1090	4,1	1,48
6	Персики	СВЧ.	341	30	0,58	4,9	3810	930	3,5	1,23
7	Груша	ИК.	338	30	0,51	4,6	3810	1010	3,8	1,4
		СВЧ.	378	15–30	0,47	4,4	3810	1010	3,8	1,6
8	Слива	ИК-СВЧ.	344	3/4	0,49	4,2	3680	980	3,6	1,5
		ИК-СВЧ.	373	1–2	0,49	4,6	3680	980	3,6	1,7
9	Картофель	СВЧ.	363	2–3	0,58	4,8	3515	986	3,5	1,5
		ИК вакуу	343		0,58	4,3	3515	986	3,5	1,34
10	Свекла	ИК.	363	2–3	0,47	4,3	3900	650	2,5	2,3
11	Морковь	СВЧ.	363	2	0,60	4,4	3936	1040	4,1	1,14
12	Капуста	ИК.	359	3–5	0,34	3,1	3894	700	2,7	2,13

По результатам расчета, коэффициент С (скорость нагревания поверхности образца) колеблется: традиционный, конвективный нагрев: от 0,42 до 0,9 и при СВЧ и ИК нагрев от 1,31 до 2,3, в среднем 1,85 К/, что почти в 3 раза больше, чем традиционный нагрев в процессе сушки плодов и овощей.

Предел колебания коэффициента С зависит также от вида нагреваемого образца, от способа нагрева, а также от конструктивных особенностей аппаратов, где они нагреваются и т. п.

Из вышеизложенного можно отметить то, что образование синергетического «Эффекта» в технике переработки пищевых продуктов действительно высоко интенсифицирует процесс тепловой обработки и способствует технологическому и энергетическому эффекту.

Литература:

1. Ансофф И. Новая корпоративная стратегия / И. Ансофф / пер. с англ.; под ред. Ю. Н. Каптуревского. — СПб.: Питер, 1999. -416 с.
2. Мироненко В. Н. О синергетическом эффекте и его использовании при управлении развитием компании. — [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.profrost.ru/papers/110.html.
3. Хакен Г. Синергетика / Г. Хакен. -М.: Мир, 1985.-419 с.
4. Курбанова М. Ж. — Интенсификация тепло-массообменных процессов начальным импульсным энергоподводом. Монография. Самарканд: ГП издательство “Zarafshon”-2017.136 с.
5. Kurbanova M. J., Dodaev K. O., Kurbanov J. M. Thermochemical techniques of processing the initial impulse intechnology of drying fruits and vegetables // Austrian journal of technical and natural sciences. Vienna, 2016. -№ 5–6. -P.20–24. (02.00.00; № 12).
6. Курбанова М. Ж., Додаев К. О., Курбанов Ж. М. Исследование процесса сушки плодов яблок СВЧ-конвективным способом // Пищевая промышленность. -Москва, 2015. -№ 10. -С. 19–21.
7. Курбанова М. Ж., Додаев К. О. Интенсификация сушки плодов и овощей с применением начального импульса // Международная научно-техническая конференция «Актуальные проблемы инновационных технологий в развитии химической, нефте-газовой и пищевой промышленности. Ташкент, 2016.-С.36–38.
8. Курбанова М. Ж. Смысловой анализ процессов обработки пищевых продуктов начальным импульсом // Международная научно-практическая конференция. 22-декабря 2016 г, Часть3, Стерлитамак, Россия. -С. 98–104.