پیش بینی خشک کردن سیب زمینی در مایکروویو

ممکن است گرم کردن مجدد غذا در مایکروویو را به عنوان یک فرآیند خشک کردن تصور نکنید، اما همانطور که در کنفرانس COMSOL 2013 بوستون دیدیم، فناوری مایکروویو – همان فناوری مورد استفاده در اجاق های مایکروویو خانگی – می تواند برای خشک کردن میوه ها و سبزیجات استفاده شود. یکی از پوسترهای ارائه شده در کنفرانس، خشک کردن سیب زمینی در مایکروویو و چگونگی مدل سازی انتقال گرما و جرمی که رخ می دهد برای پیش بینی فرآیند خشک کردن نشان می دهد.

تغییر در بافت و محتوای آب در طول خشک کردن در مایکروویو

مایکروویوها غذا را با حرارت دی الکتریک گرم می کنند: میدان الکترومغناطیسی نوسانی باعث می شود که مولکول های به اصطلاح پلاریزه در غذا به جلو و عقب بچرخند. سپس مولکول‌های آب این حرکت را به مولکول‌های دیگر اطراف خود پخش می‌کنند و عملاً غذا را با رسانایی گرم می‌کنند. به طور معمول، مولکول‌های پلاریزه‌ای که تحت تأثیر قرار می‌گیرند، آب موجود در غذا هستند، اما آنها واقعاً می‌توانند هر مولکول پلاریزه‌ای باشند – از جمله چربی و شکر.

همانطور که هر کسی که تا به حال مارشمالو را در مایکروویو پخته است می داند، مایکروویو می تواند منجر به تغییراتی در بافت غذای شما شود. در کنفرانس اخیر COMSOL در بوستون، دانش‌آموزانی ارائه کردند که انتقال گرما و جرم را که هنگام مایکروویو کردن سیب‌زمینی رخ می‌دهد مدل‌سازی کرده بودند تا تغییرات محتوای آب و بافت سطح را بررسی کنند. تلاش مشترک بین Huacheng Zhu از دانشگاه سیچوان (Chengdu، چین) و Tushar Gulati و Ashim Datta از دانشگاه Cornell منجر به یک مدل 3D COMSOL برای پیش‌بینی اثرات حرارت دادن یک سانتی‌متر مکعب سیب‌زمینی شد. آنها آن را به عنوان یک ماده متخلخل (همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است) مدل کردند، که در یک اجاق مایکروویو استاندارد تنظیم شده در 10٪ از سطح توان کامل آن گرم شده است.

هندسه مایکروویو و مواد متخلخل سیب زمینی
مدل مایکروویو COMSOL (سمت چپ)؛ گرافیک سیب زمینی به عنوان یک ماده متخلخل (سمت راست). تصاویر توسط Huacheng Zhu، Tushar Gulati
و Ashim K. Datta و برگرفته از ارسال پوستر آنها .

آنها همچنین با استفاده از یک مجموعه پیچیده شامل یک پروب فیبر نوری، یک تعادل دیجیتال و یک دوربین مادون قرمز، اندازه‌گیری‌های آزمایشی را برای جمع‌آوری داده‌ها در مورد دمای توده سیب‌زمینی در نقاط مختلف گرمایش انجام دادند. آنها بعداً این را با شبیه سازی COMSOL مقایسه کردند.

در واقع چه چیزی در حال تغییر است؟

از آنجایی که یک سیب زمینی حدود 80 درصد آب است، مقدار زیادی آب برای ضربه زدن به اطراف، گرم کردن بقیه سیب زمینی و تبخیر وجود دارد. بنابراین، آنها باید مراقب حفظ جرم در سیستم خود باشند. ژو، گولاتی و داتا مدل COMSOL را برای پیش‌بینی چگونگی تغییر محتوای رطوبت در مکعب سیب‌زمینی در طول زمان در طول فرآیند گرم کردن راه‌اندازی کردند. آنها فازهای جامد، مایع و گاز رطوبت موجود در سیب زمینی را بررسی کردند. برای محاسبه فشار گاز، آنها از مدل انتشار ماکسول-استفان برای هوا و بخار استفاده کردند که شامل قانون دارسی نیز می شود.

آنها همچنین کسر جرمی سطحی بخار (یعنی نسبت کل جرمی که بخار است، یا نسبت جرم بخار به بقیه جرم سیب زمینی) را مطالعه کردند. برای 22 ثانیه از چرخه مایکروویو، آنها متوجه شدند که پس از چند ثانیه اول تقریباً ثابت است، اما یک جهش ناگهانی در چندین ناحیه از مکعب تنها در 2 ثانیه نشان داد.

جای تعجب نیست که اشباع آب به طور قابل توجهی در یک دوره زمانی چند دقیقه ای کاهش پیدا کرد و اشباع به سرعت در قسمت بیرونی مکعب کاهش یافت.

اشباع آب سطحی در طول زمان خشک شدن

کسر جرم سطحی بخار در اولین چرخه گرمایش. تصاویر توسط Huacheng Zhu، Tushar Gulati و Ashim K. Datta
و برگرفته از ارسال پوستر آنها.

متوسط اشباع آب به طور نسبتاً پیوسته – تقریباً خطی – در طول زمان خشک شدن کاهش یافت:

نمودار میانگین اشباع آب در طول زمان
تصویر توسط Huacheng Zhu، Tushar Gulati و Ashim K. Datta، و
برگرفته از ارسال پوستر آنها.

مدل ایجاد شده توسط ژو، گولاتی و داتا، یک بررسی مفید از فرآیند خشک کردن سیب زمینی است که در هنگام چرخش در مایکروویو رخ می دهد. چه کسی می داند؟ در آینده، ممکن است بتوانیم دقیقاً پیش‌بینی کنیم که چه مدت باید وعده‌های غذایی خود را در مایکروویو قرار دهیم تا به ترکیب بهینه گرما و اشباع آب برسیم.