Obaly pro mikrovlnný ohřev potravin

6.4.6

Obaly pro mikrovlnný ohřev potravin

Ing. Lukáš Vápenka, Ph.D., Doc. Ing. Jaroslav Dobiáš, CSc.

 NahoruVýznam mikrovlnného ohřevu

Jedním z charakteristických znaků vyspělé společnosti je vzrůstající poptávka spotřebitele po výrobcích nabízejících mu stále větší komfort. V potravinářském průmyslu tak například v současné době prochází obdobím výrazného rozvoje použití mikrovlnného ohřevu v domácnostech.

Zvýšený zájem o mikrovlnný ohřev v domácnostech vytváří tlak na výrobce potravin, aby pro tento účel vyvíjeli stále nové typy výrobků patřičné kvality, které by nebyly pouhou náhražkou klasicky upravovaných pokrmů. Přitom mezi odbytem mikrovlnných sporáků a kvalitou a šíří sortimentu pro něj určených potravinářských výrobků existuje pochopitelně přímá vazba. Vždyť i zmíněný rozvoj aplikace mikrovlnného ohřevu ve vyspělých státech byl podmíněn nabídkou vhodných potravinářských výrobků.

Výrobce, který chce dodat na trh nový kvalitní výrobek určený pro mikrovlnný ohřev tak, aby měl šanci na úspěch, musí podstoupit jeho poměrně nákladný vývoj. Klíčový význam při návrhu těchto potravinářských výrobků je přisuzován vhodné konstrukci obalu. Snad u žádné jiné kategorie potravin není totiž možné způsobem balení tak zásadně ovlivňovat užitné vlastnosti produktu.

 NahoruPodstata záhřevu mikrovlnným zářením

Mikrovlnné záření je elektromagnetické vlnění s vlnovou délkou v rozmezí od 1 do 1 000 mm, tedy s rozsahem frekvencí od 0,3 do 300 GHz. Vzhledem k tomu, že tato kmitočtová pásma se využívají pro komunikační účely či provoz radarů, byly pro aplikaci mikrovln ve vědě, medicíně a průmyslu vyhrazeny určité frekvence (tzv. ISM frekvence). Z nich je pro mikrovlnný ohřev potravin nejpoužívanější kmitočet 2,45 GHz (tj. vlnová délka 0,12 m). Nízká energie kvanta mikrovlnného záření způsobuje, že při pohlcení v potravině nedochází k rozkladu jejích složek štěpením chemických vazeb nebo vznikem iontů. Poměrně velká vlnová délka však umožňuje tomuto vlnění vnikat hluboko do zpracovávaných materiálů (např. oproti infračervenému záření, které se absorbuje pouze na povrchu potraviny). Pohlcením mikrovln dochází k rozkmitání dipolárních molekul a iontů frekvencí souhlasnou s okolním elektromagnetickým polem. Důsledkem vzájemného tření částic je pak uvolňování tepla v celém objemu zahřívaného materiálu.

V potravinách je schopnost mikrovlnného ohřevu podmíněna především obsahem vody, účinky vlnění jsou zesilovány zvýšenou koncentrací iontů (tj. solí), ale i obsahem olejů a tuků. Podobně i u obalových materiálů je jejich chování v mikrovlnném poli ovlivněno přítomností elektricky nabitých částic a polaritou molekul.

Mírou rychlosti ohřevu daného materiálu působením mikrovlnného záření je jeho relativní dielektrická konstanta (permitivita) ε_r a ztrátový úhel δ (ε_r resp. tan δ), jejichž součin (ε_r·tan δ) se označuje jako ztrátový faktor (ε"). Přívlastek "ztrátový" může být při úvahách o mikrovlnném ohřevu poněkud zavádějící, neboť čím větší "ztrátovost" tím více materiál mikrovlnnou energii pohlcuje a rychleji se tak ohřívá. Obě zmíněné materiálové charakteristiky jsou přitom závislé na teplotě. Na jejich základě lze stanovit tzv. hloubku průniku mikrovlnného záření d podle vzorce:

kde λ₀ je vlnová délka záření ve vakuu. Hloubka průniku umožňuje kvantifikovat absorpci mikrovlnného záření v určitém prostředí. Je to vlastně tloušťka vrstvy, ve které se pohltí právě 63 % mikrovlnné energie dopadající na povrch materiálu (dále tedy prochází jen 37 % energie, tj. podíl množství pronikající a dopadající energie lze vyjádřit poměrem 1/e, kde e je Eulerovo číslo). Je zřejmé, že se zvětšuje s rostoucí vlnovou délkou mikrovln a klesající hodnotou dielektrické konstanty a ztrátového úhlu zahřívaného materiálu. Čím větší je hodnota d, tím méně se mikrovlnné záření v daném materiálu absorbuje, tím pomaleji se tedy zahřívá. Příklady dielektrických vlastností vody a některých obalových materiálů jsou uvedeny v tabulkách 1 a 2. V nich stojí za povšimnutí zejména výrazný rozdíl mezi dielektrickými vlastnostmi ledu a vody, který je třeba při úvahách o mikrovlnném ohřevu potravin respektovat.

 NahoruPožadavky na obaly potravin určených pro mikrovlnný ohřev

Za tři základní funkce obalu považujeme ochranu výrobku před znehodnocením ve sféře oběhu, vytvoření racionální manipulační jednotky a zprostředkování vizuální komunikace mezi výrobkem a zákazníkem. Každý tradiční obal musí dále splňovat řadu požadavků daných technologickými podmínkami ve výrobě, hygienickými aspekty atd. Na obaly potravin určených pro mikrovlnný ohřev jsou kladeny další specifické požadavky:

1. maximální omezení možnosti vzniku elektrického výboje mezi jednotlivými obaly, částmi obalů, popř. mezi obalem a vlastní stěnou mikrovlnného zařízení,
2. schopnost přiměřeného uvolňování vnitřního přetlaku vodní páry vznikající během ohřevu tak, aby nedošlo k poškození obalu,
3. schopnost přispívat k rovnoměrnému záhřevu balené potraviny,
4. odolnost vůči působení mikrovlnného záření jak z hlediska případného uvolňování složek obalu do potraviny, tak z ohledu dostatečné tepelné a mechanické stability za podmínek, při kterých se potravina zahřívá.

 NahoruMateriály používané při balení potravin určených pro mikrovlnný ohřev

Volba materiálu pro výrobu obalů potravin určených pro mikrovlnný ohřev je zásadně odvislá od funkce, kterou od něho očekáváme tak, jak bude dále uvedeno. Rozšířené je používání obalů z plastů, papíru a papírového kartonu a jejich vzájemných kombinací, dále pak obaly z hliníku a skla.

Pokud jde o papír, je třeba si uvědomit, že vždy obsahuje jistý podíl vody stejně jako pohyblivé ionty. Proto se účinkem mikrovln zahřívá. Obecně je vzrůst teploty papírových obalů pomalý a pro většinu systémů zanedbatelný. Větší vrstva papírových materiálů, např. ubrousků, se však může uvnitř ohřát tak, že dojde až k zuhelnatění. Dosti rozšířené je balení potravin určených pro mikrovlnný ohřev do papírových obalů vrstvených plasty. Vlastnosti těchto obalů jsou pak závislé zejména na typu polymerní vrstvy.

Použitelnost plastů je pro jednotlivé aplikace podmíněna jejich přiměřenou tepelnou stabilitou. Platí obecně, že potravina v mikrovlnném poli nemůže být zahřáta na teplotu přesahující 100 °C, pokud se z ní nevypaří veškerá voda. Pak může její teplota stoupat a přesáhnout teplotu změknutí většiny použitelných plastů. Tepelně nejodolnější jsou obaly z termosetů, výhodné jsou polyestery (polyethylentereftalát, polykarbonáty atd.) nebo polypropylen, tj. materiály, které se používají pro balení výrobků, jež se mohou ohřívat jak v konvenčních, tak mikrovlnných zařízeních.

Zvláštní kapitolu zaujímají obaly kovové, které byly dlouho vydávány za nevhodné pro použití v mikrovlnných troubách (značná část spotřebitelů je za takové považuje dosposud), a to ze dvou důvodů:

1. v mikrovlnném poli se na izolovaných vodivých plochách indukuje značné napětí, které může být příčinou elektrického výboje mezi obalem a vlastním zařízením, popř. mezi jednotlivými obaly či jejich navzájem izolovanými částmi,
2. kovovou plochou odražené vlnění se může vracet do magnetronu (zdroj mikrovln) a zahřívat ho.

V obou případech může dojít až k poškození mikrovlnného zařízení. Při úvahách o použitelnosti kovových obalů si musíme uvědomit, že celý aktivní prostor mikrovlnného sporáku je ohraničen kovovými stěnami. Je proto zřejmé, a praktické zkušenosti to potvrzují, že problémy se vznikem elektrického výboje lze úspěšně vyřešit vhodnou konstrukcí obalu a dodržováním jistých zásad při umísťování zahřívané potraviny do zařízení. Nesnáze s možným poškozením magnetronu se pak řeší vhodnou konstrukcí mikrovlnné trouby.

Pro mikrovlnný ohřev potravin se v praxi využívají i skleněné obaly. Vzhledem k charakteru mikrovlnného ohřevu se preferují především nízké tvary sklenic se širokým hrdlem umožňující rovnoměrnější ohřev oproti nádobám štíhlým. V Japonsku byly vyvinuty i vysoce nepropustné plastové folie potažené vrstvou vakuově nanášeného oxidu křemičitého, jejichž cena je však dosud vysoká.

Obaly potravin určených pro mikrovlnný ohřev musí vyhovovat i hygienickým předpisům. Doposud pro tyto obaly nebyly formulovány žádné specifické požadavky, a proto se vychází z předpokladu, že všechny obalové materiály dosud povolené pro kontakt s danou potravinou při teplotách dosahovaných v mikrovlnném zařízení mohou být pro mikrovlnný ohřev používány. Vždy je však třeba individuálně zvážit, zda podmínky při mikrovlnném ohřevu (typ potraviny, teplota, tloušťka obalové fólie atd.) odpovídají danému předpisu.

U obalů potravin určených pro mikrovlnný ohřev musí výrobce zabezpečit spotřebiteli více informací, než bývá běžné. Kromě zřetelného označení, že jde o výrobek vhodný pro tento druh ohřevu, bývají vyžadovány i další údaje, např.:

• doba ohřevu v závislosti na nastaveném výkonu,

• způsob úpravy obalu před vložením do mikrovlnného sporáku,

• popis jak rozpoznat, že pokrm byl skutečně přiměřeně tepelně opracován.

V USA a západní Evropě existují firmy specializované na návrh konstrukce obalů potravin pro mikrovlnný ohřev. Je nabízen i počítačový software, s jehož pomocí může výrobce získat představu o optimálním uspořádání obalu pro daný typ pokrmu.

 NahoruRozdělení obalů pro mikrovlnný ohřev podle funkce

Z hlediska použití při mikrovlnném ohřevu lze obalové materiály rozdělit do tří skupin:

1. pro mikrovlny transparentní,
2. mikrovlny absorbující,
3. mikrovlny odrážející.

Podle vlastní funkce obalu jako celku rozlišujeme obaly pasivní a aktivní, přičemž pasivní balení využívá především materiály z první skupiny, aktivní obaly pak především materiály mikrovlnné pole absorbující a odrážející.

 NahoruObaly pasivní

Pasivní obaly v podstatě neovlivňují účinek mikrovlnného pole. Používají se zejména pro tekuté potraviny, zeleninu, hotové pokrmy atd., kdy je cílem pokrm pouze ohřát, popř. uvařit. Typické pro ně je využití materiálů transparentních pro mikrovlnné záření, které se absorbuje pouze balenou potravinou a přímo ji zahřívá. Uzávěry těchto obalů mohou zvyšovat účinnost záhřevu zachycením vyvíjené vodní páry a transformací jejího tepla, které by jinak uniklo nevyužito. Pokud je v ohřívané potravině přítomna voda v kapalném stavu, nepřekročí teplota pokrmu 100 °C. Je však třeba důsledně zamezit lokálnímu vysoušení pokrmu v rozích obalu, případně tenkých vrstev v blízkosti uzávěru. Jakmile se totiž odpaří poslední podíl vody, teplota suchého zbytku stoupá a může dojít až k jeho zuhelnatění či roztavení plastového obalu. Podobně je třeba zamezit místnímu přehřátí způsobenému kumulací účinků mikrovlnného pole. V každém případě by obalové materiály uvažované pro danou aplikaci měly být hodnoceny zejména z hlediska tepelné rezistence.

Pro mikrovlny transparentní materiály používané v obalové technice zahrnují především všechny běžné polymery (tj. zejména polyethylen, polypropylen, polyester, kopolymery styrenu s fenylenoxidem atd.), papír, sklo a keramiku, popř. hliníkovou fólii.

Konstrukci obalů potravin určených pro mikrovlnný ohřev určuje také předchozí zpracování ve výrobě. Opomineme-li potraviny s krátkou skladovatelností určené výhradně pro ohřev v mikrovlnném sporáku (objem jejich produkce tvoří ve vyspělých zemích kolem 10 % z výroby potravin, které lze v domácnostech připravovat mikrovlnami), pak tvoří stěžejní část nabídky mražené nebo sterilované pokrmy, které si spotřebitel může upravit jak v konvenčním, tak mikrovlnném zařízení.

Většina zmrazovaných pokrmů je doposud stále nabízena na polymerních miskách v papírových krabičkách. Hlavním požadavkem je, aby potravinu bylo možné ohřívat přímo na táccích, a to jak konvenčním, tak mikrovlnným způsobem. Většina výrobců používá misek na bázi krystalického polyethylentereftalátu (CPET) vyrobené injekčním vstřikováním nebo termoplastickýcm tvarováním, v různých barvách a tvarech tak, aby na nich mohlo být jídlo přímo servírováno, nebo misek polypropylenových. Termosetový polyester je dalším…