
2.
De technologie
2.5. - Gebruik van microgolven in de
bakkerij
Elektromagnetische golf of straling
Een golf is een trilling die zich voortplant in de ruimte.
Elektrische wisselstroom produceert een elektrisch wisselveld en een magnetisch
wisselveld : de opeenvolging van de " heen-weer " cycli vormt de golf. De golf van het elektrisch veld en de golf van het magnetisch veld planten
zich loodrecht op elkaar en op de voortplantingsrichting voort. Bij zeer lage
frequenties worden het elektrisch veld en het
magnetisch veld afzonderlijk beschouwd. Bij hoge frequenties zijn het elektrisch veld en het magnetisch veld onsplitsbaar en
worden ze in hun geheel als "elektromagnetische golf" of
"elektromagnetische velden" aangeduid.
Elke elektromagnetische golf wordt gekenmerkt door twee parameters : zijn frequentie en zijn golflengte

Een microgolf is elektromagnetische straling met een
golflengte langer dan die van infrarood licht en korter dan die van
radiogolven.
Microgolven hebben golflengte van
Het bestaan van elektromagnetische golven, waarvan
microgolven een deel uitmaken, werd door James
Maxwell in 1864 voorspeld door toepassing van de Wetten van Maxwell. In 1888
was Heinrich Hertz de eerste die het bestaan van
elektromagnetische golven demonstreerde door het bouwen van een apparaat dat
radiogolven produceerde.
Elektromagnetische straling is de voortplanting door de
ruimte van elektrische en magnetische oscillaties trillingen). Licht is een
vorm van elektromagnetische straling. Alle soorten elektromagnetische straling
hebben in het vacuüm een snelheid gelijk aan de lichtsnelheid.
Het spectrum van een golfverschijnsel is een beschrijving
van de in het signaal voorkomende golflengtes en hun sterkte. Meestal wordt een
spectrum weergegeven als een grafiek waarin op de verticale as de amplitude
wordt uitgezet tegen de frequentie op de horizontale as. Een spectrogram laat
in een 3-dimensionaal plaatje het verloop van het spectrum zien in de tijd.
Voor geluidsgolven spreekt men over een geluidsspectrum.
Het geluidsspectrum vertelt bijvoorbeeld of er veel lage dan wel veel hoge
tonen in een geluid voorkomen.
Voor zichtbaar licht geeft het spectrum aan welke kleuren
er in het licht voorkomen.

Spectrum van zichtbaar licht
van 400 tot 700 nanometer
Zichtbaar licht zelf is een klein gedeelte uit het hele
spectrum van typen van elektromagnetische straling, van gammastraling tot
radiogolven; het zogenaamde elektromagnetische spectrum.
Een spectrum kan een "continu spectrum" zijn,
dat wil zeggen dat alle golflengtes in een bepaald gebied voorkomen
(bijvoorbeeld een gloeilamp heeft een continu spectrum waarin alle golflengtes
van (infra-)rood tot violet
in meer of mindere mate voorkomen). Alternatief is een lijnenspectrum: een
spectrum waarin enkele golflengtes een dominante rol spelen (het spectrum van
een natriumlamp, de karakteristieke oranje straatverlichting, is een
lijnenspectrum, net zoals het spectrum van een TL-buis.
Lijnenspectra van verschillende typen straling spelen een grote rol in de
elementenanalyse.
Niet-ioniserende straling is een verzamelnaam voor een
aantal soorten straling, die in lage doseringen en zonder langdurige blootstelling
niet schadelijk zijn. Niet-ioniserende straling kan zelfs bij zeer hoge
intensiteitniveaus geen ionisatie in biologische systemen (lichaamscellen)
veroorzaken. Dit is het grote verschil met ioniserende straling. Effecten
kunnen echter wel ontstaan: opwarming of het veroorzaken van elektrische
stromen in weefsels en cellen.
Niet-ioniserende straling is elektromagnetische energie,
die zich als een golffunctie door de ruimte beweegt. Er is een elektrische en
een magnetische component. Beiden variëren zodanig in de tijd
dat energie getransporteerd wordt. Aan deze golfbeschrijving kan een
deeltjesbeschrijving toegevoegd worden, daar men experimenteel heeft
vastgesteld dat elektromagnetische energie zich nu eens als golf, dan weer als
deeltje, foton genaamd, gedraagt. De energie van een foton is een functie van
de golflengte (wet van Planck). De golf daarentegen wordt beschreven in functie van de frequentie in
Hertz. Golflengte en frequentie zijn met elkaar verbonden, daar het product van
beiden gelijk is aan de snelheid van het licht.
Elke elektromagnetische straling kan dus beschreven worden
door:
Het verschil tussen ioniserende elektromagnetische straling
(gamma- en X-stralen) en niet ioniserende straling is enkel gelegen in de
energie-inhoud van hun foton. Om te kunnen ioniseren is een minimale energie
(enkele elektronvolt - eV) nodig. Gamma- en X-stralen
hebben een hogere energie (grootteorde keV en MeV), en kunnen dus ioniseren. Alhoewel
ze voldoende energie (grootteorde enkele eV) hebben
om te kunnen ioniseren worden de ultrakorte ultraviolette stralen (UV-C) toch als niet-ioniserende stralen beschouwd.
Daar de meeste niet-ioniserende stralen niet diep
doordringen in weefsel, zijn de voornaamste doelorganen de huid en het oog.
Radiofrequente golven kunnen dieper doordringen.
Volgende indeling van de niet-ioniserende straling wordt
gebruikt:
|
soort straling |
golflengte (in m) |
fotonenergie (in eV) |
|
ioniserende
straling |
kleiner
dan 1 nm |
groter
dan 1 keV |
|
ultraviolette
straling |
1
nm tot 400 nm |
0,3
eV tot 1 keV |
|
zichtbare
straling |
400
tot 780 nm |
0,15
tot 0,3 eV |
|
infrarode
straling |
780
nm tot |
0,15
tot 40 meV |
|
micro-
en radiogolven |
groter
dan |
kleiner
dan 40 meV |
Laserstraling behoort ook tot de ultraviolette, zichtbare
of infrarode straling. Door haar speciale eigenschappen echter worden ze als
een aparte categorie beschouwd.
Thermisch effect
Als niet-ioniserende straling in weefsel wordt
geabsorbeerd, veroorzaakt dit een lokale verwarming of een fotochemische
reactie. Is de geabsorbeerde energie voldoende hoog, dan kan dit leiden tot
degeneratie van de eiwitketens (proteïnecoagulatie). Bij nog hogere energie kan
dit leiden tot celdood en volgen er biologische reacties.
Normaler wijze treedt na de beschadiging het
herstelmechanisme van het lichaam in werking, doch dit kan soms onvoldoende of
niet op tijd gebeuren, zodat definitieve schade ontstaat. Dit is onder andere
het geval voor het hoornvlies van het oog.
Het thermisch effect veroorzaakt
in het menselijk lichaam een, eventueel plaatselijke, stijging van de
temperatuur. Dit wordt waargenomen door de thermosensoren en het koelmechanisme
van het lichaam treedt in werking. De getroffen plek ontvangt meer bloed, dat
de warmte afvoert. Slecht doorbloedde organen, zoals het oog, zijn daarom meer
gevoelig. Ook kan een tweede mechanisme in werking treden, vooral bij
verwarming van de huid: er wordt meer zweet verdampt. Dit is een effectief
koelmechanisme daar er 2425 kJ nodig zijn om
Is het koelmechanisme niet effectief genoeg, dan ontstaat
schade. Voor de huid bestaat dit, in klimmende ernstgraad, uit: rood worden,
ontsteking, blaasvorming, brandwonden van diverse graden.
Het thermisch effect kan voor de
ogen volgende gevolgen hebben, afhankelijk van de soort straling en het doordringingvermogen
ervan:
|
soort
straling |
|
golflengtegebied |
oogletsel |
|
verre ultraviolet |
UV-C |
1-280 nm |
ontsteking hoornvlies |
|
nabije ultraviolet |
UV-A |
315-400 nm |
staarvorming |
|
zichtbaar licht |
VIS |
400-780 nm |
thermische en fotochemische netvliesschade |
|
nabije infrarood |
IR-A |
780-1400 nm |
thermische netvliesschade en grauwe staar |
|
midden infrarood |
IR-B |
1400-3000 nm |
thermische hoornvliesschade en grauwe staar |
|
verre infrarood |
IR-C |
3000-10000 um |
thermische hoornvliesschade |
|
radiofrequent |
|
> 10000 um |
retinaletsels en cataract. |
Bronnen van radiogolven
De belangrijkste bronnen zijn de meest bekende. Ze spelen
een grote rol in de telecommunicatie: radio- en televisiezenders. Een vermogen
van 1 MW is niet ongewoon voor een AM-zender.
Gevaarlijker zijn horizontaal gerichte FM-zenders. Veel van deze zenders staan
echter op torens of dergelijke, zodat voor de omwonenden reeds
de afstandsregel speelt.
Draagbare telefoons en walkietalkies zenden ook
radiofrequente golven uit.
Radarstralen worden gebruikt voor opsporing en detectie.
In de fysische geneeskunde
worden microgolven gebruikt in de diathermie.
Goed gekende 2450 MHz microgolftoepassingen zijn de
huishoudelijke microgolfovens en industriële drogers.
Ze worden ook gebruikt om metalen in inductie-oven te
smelten en te ontgassen
Gevaren
Blootstelling aan hogere doseringen of concentraties
kunnen dus wel gevaarlijk zijn voor de mens, zoals radiofrequente straling van seal-machines en zendapparatuur, infrarode straling van
lasbogen, hete voorwerpen en lasers (bijvoorbeeld de laserpen !) en UV-straling
van lasprocessen, en sterilisatielampen. Over effecten als vermoeidheid,
slaperigheid en carcinogeniteit is weinig bekend.
UV-straling
(frequentie tussen 750x1012 en 3000x1012Hz):
De belangrijkste organen die door UV worden
"aangedaan" zijn de huid en de ogen. UV-A
straling dringt het diepste door en is daarmee het gevaarlijkste. Acute
effecten zijn verbranding van de huid ("zonnebrand") en hoorn- en bindvliesontsteking
("lasogen"). Op de lange termijn kunnen huidkanker en staar (vertroebeling
van de ooglens) het gevolg zijn.
UV-licht met een golflengte kleiner dan 240 nm kan zuurstof omzetten in ozon. Ozon is een zeer
schadelijke stof (MAC-waarde is 0,06 ppm tgg 1 uur).
Zichtbaar licht (frequentie tussen 385x1012 en
750x1012Hz) en Infrarood (frequentie tussen 3x1011 en
385x1012Hz)
De schade die in het zichtbare deel van het spectrum kan
optreden is beperkt. Ogen hebben een eigen beschermingsmechanisme
("dichtknijpen van ogen"). Alleen bij een teveel aan zichtbaar licht
kan schade aan de ogen ontstaan. De kans op schade aan het netvlies is het
grootste bij een golflengte tussen de 400 en 500 nm
(“blue light hazard”).
Infrarood wordt opgedeeld in drie frequentiegebieden: IR-A, IR-B en IR-C.
Infraroodstraling met een kleine golflengte (IR-A)
kan tot diep in de huid en de ogen doordringen en voor thermische (warmte)
schade zorgen van de netvliezen. Bij chronische blootstelling van de ogen kan
staar ontstaan. Golflengtes die horen bij IR-B en IR-C kunnen niet verder doordringen dan de hoornvliezen en
veroorzaken minder schade. De huid kan door overmatige blootstelling aan
infrarood verbranden.
De normering voor dit deel van het spectrum is zeer
ingewikkeld omdat de gevoeligheid van het lichaam sterk afhankelijk is van de
uitgezonden golflengte. Bovendien zijn de verschillende lichaamsdelen niet
allemaal even gevoelig.
Microgolven (frequentie tussen 3x108 en 3x1011Hz)
en radiogolven (frequentie tussen 3x105 en 3x108 Hz)
Microgolven veroorzaken een stijging van de temperatuur
van het blootgestelde weefsel. De meest gevoelige organen in deze zijn de ogen,
de huid en de testikels. Duidelijke bewijzen voor bijkomende (subjectieve)
klachten als hoofdpijn, geïrriteerdheid en slaperigheid zijn er niet, maar
worden wel vaak genoemd in de literatuur.
De effecten van radiogolven zijn grotendeels te
vergelijken met de effecten van microgolven. Het aanraken van een voorwerp dat
zich bevindt in een gebied met sterke radiofrequente straling kan zelfs
brandwonden veroorzaken. Aan radiogolven worden veel subjectieve klachten
toegeschreven: hoofdpijn, slaapstoornissen, vermoeidheid, algemene zwakte e.d..
Bij het vaststellen van de limieten wordt gekeken naar de
niveaus van stroomdichtheid (in mA/m2) en de opname capaciteit
daarvan in het lichaam. Deze variabele wordt de Specific
Absorption Rate genoemd (de
“SAR”). Echter de SAR en de geïnduceerde stroom in de mens is niet
meetbaar. Als blootstellinglimieten zijn daarom afgeleide grootheden vastgesteld
die wel meetbaar zijn: de sterkte van het elektrische-
en het magnetische veld.
De microgolfoven
Het idee om microgolven te gebruiken om voedsel te
verwarmen is ontdekt door Percy Spencer die in dienst
was bij Raytheon en magnetrons bouwde voor radar. Op
een dag merkte hij dat een chocoladereep die hij in zijn zak had zitten was
gesmolten. Percy had al vele uitvindingen gedaan en
had 120 octrooien op zijn naam staan. Hij begreep onmiddellijk wat er gebeurde.
Het eerste voedsel dat vervolgens met behulp van
microgolven bereid werd was popcorn. Het tweede was een ei, dat echter in het
gezicht van een van de proefnemers explodeerde.
In 1946 vroeg Raytheon patent
aan op het koken met microgolven en in 1947 bouwden zij de eerste commerciële
magnetronoven, de Radarange. Het apparaat was bijna
Werking van de microgolfoven
Een magnetron (zoals hij in Nederland wordt genoemd) werkt
door microgolfstraling, meestal bij een frequentie van 2,45 GHz
door het voedsel heen te leiden. Water dat in het voedsel aanwezig is
absorbeert de straling, zodat het omgezet wordt in warmte. Elk watermolecuul is
een elektrische dipool wat wil zeggen dat het ene uiteinde een positieve lading
bezit en het andere uiteinde een negatieve lading. Door de elektromagnetische
straling wordt het molecuul heen en weer gedraaid, waarbij het zich gelijk
richt aan het wisselende elektrisch veld. Deze beweging veroorzaakt de warmte.
Sommigen menen dat er resonantie van de watermoleculen optreed,
maar deze resonantie treedt bij veel hogere frequenties op.
Naast water zijn ook de vetmoleculen in het voedsel
effectief voor het omzetten van de stralingsenergie in warmte.
De ovenruimte waarin het voedsel bereid
wordt moet een kooi van Faraday zijn om ervoor te
zorgen dat de straling niet naar de omgeving ontsnapt. Daarom is de glazen deur
van de magnetron voorzien van een geleidend
metaalrooster om de afscherming door de deur te realiseren. De
microgolfstraling, met een golflengte van ongeveer
Risico's van de microgolfoven
De risico's bij gebruik van een magnetron zijn niet groot,
maar door het te kort en te ongelijkmatig verhitten van eerder bereide kliekjes
bestaat de kans dat niet alle bacteriën gedood worden, met een kans op
voedselvergiftiging.
Metalen onderdelen horen niet in de magnetron thuis. Omdat
deze de straling weerkaatsen bereikt minder straling het voedsel. Bovendien kan
het stralingselement oververhit raken als het te veel gereflecteerde straling
terug ontvangt. Ook kunnen rond het metalen voorwerp vonken optreden, en
metaaldampen ontstaan die op het eten neerslaan. Er zijn speciale metalen
verpakkingen die wél geschikt zijn voor in de magnetron, deze hebben geen
scherpe uiteinden.
In geen geval mag men een magnetron manipuleren. De microgolven die zouden ontsnappen als de kooi van Faraday onverhoopt lek zou raken zouden zeer gevaarlijk
kunnen zijn.
Er wordt ook gezegd dat mensen met een pacemaker niet bij
een magnetron in de buurt moeten komen omdat het apparaatje van slag zou kunnen
raken.
Er bestaat een kans op "oververhit water". Dat
is water van
Microgolven in de bakkerij
Het gebruik van de microgolfoven
is in de laatste 10 jaar enorm toegenomen. Men vindt hem zowat overal, thuis,
in wegrestaurants, op het werk enz. In de Verenigde Staten heeft 80 % van de
huisgezinnen een microgolfoven. De eerste bakkerij
producten die op de markt verschenen om in de microgolf opgewarmd te worden
waren pizza's en pannenkoeken alhoewel men nauwelijks
kon spreken van een kwalitatief hoogstaand product.
De doorsnee consument was bereid een product van mindere
kwaliteit te aanvaarden. Wat hem vooral interesseerde was de snelheid waarmee
zijn product opgewarmd werd. De introductie van "susceptors" heeft de
kwaliteit van microgolf producten merkelijk doen
toenemen. Susceptors worden in principe gemaakt van een materiaal dat de
microgolf energie kan absorberen en het kan omzetten naar stralingsenergie,
zoals in een conventionele oven.
Het aantal bakkerij producten dat men in de microgolf kan
bakken of opwarmen zijn sinds 1995 spectaculair gestegen. Popcorn is natuurlijk
geen bakkerij product maar het is toch goed eens na te gaan hoe men er in
geslaagd is om popcorn in een microgolf te maken die zich niet meer onderscheidt
van popcorn die op de traditionele manier bereid is. In het begin zat de popcorn in een gewone papieren zak. Dan ontdekte iemand
dat door gebruik te maken van een speciale susceptor dat de verhouding tussen
gepofte en niet gepofte maïs korrels merkelijk verbeterde
in het voordeel van de gepofte korrels. De susceptor die men gebruikt had was
gemaakt van gemetalliseerde polyester. Wanneer de microgolf energie in contact
komt met de susceptor kan men de papieren zak vergelijken met een gesloten pan
waardoor de olie verwarmd wordt waardoor de popcorn
poft. Popcorn die men in de microgolf kan klaarmaken kent, ook vandaag nog, een
exponentiële groei. Je moet maar eens op de rekken kijken van de supermarkt.
Waar men 5 jaar geleden dit product in de Belgische supermarkten nauwelijks kon
vinden, is het nu alom tegenwoordig.

De grootste uitdaging voor mensen die producten wensen te
ontwikkelen die geschikt zijn voor de microgolf, is er voor te zorgen dat de
textuur van het product overeenstemt met de textuur van het product dat in een
traditionele oven gebakken wordt. Dit kan betekenen een pizza met een krokante
korst of het malse smeuïge van een cake of muffin. Maar iedereen weet dat als
men een croissant in de microgolf oven legt, dat iets oneetbaars uit die
microgolf oven komt. Anderzijds heb ik onlangs in Duitsland een
"Dampfknödel" gegeten die met in de microgolf gegaard was die
excellent was. Hij was gevuld met pruimenconfituur bestrooid met suiker en kaneel
en overgoten met een vanille sausje. Natuurlijk hebben "Dampfknödel" geen bruine korst. Maar we
moeten ook durven vaststellen dat de doorsnee consument langzaam maar zeker weg evolueert van harde dikke krokante korsten.
Een ander veel voorkomend probleem bij producten die in de
microgolf bereid worden dat er droge harde zones ontstaan in het product. De
vraag is dus hoe we kunnen vermijden dat bepaalde delen van het product
uitdrogen (in het Engels noemt men die zones "hot spots"). Het meest
voor de hand liggende antwoord is er voor te zorgen dat het vochtgehalte in het
product "hoog" is en dat het vocht in het product perfect gelijkmatig
verdeeld is. Dit kan men bekomen door grondstoffen toe te voegen die voor deze
gelijkmatige verdeling zorgen. Op die manier kan men bijvoorbeeld perfect cakes
maar ook brownies bakken in een microgolf oven.
Producten
die men echt kan bakken in een microgolf oven
Men kan inderdaad cakes en brownies perfect bakken in een
microgolf oven, dit in tegenstelling tot de meeste andere bakkerij producten.
Wat men ook perfect kan bakken in een microgolf oven zijn die producten die men
normaal gaat klaar maken door het stomen van deeg zoals de hierboven al
genoemde "Dampfknödel" maar ook bijvoorbeeld bapao
en gelijkaardige producten die men vooral in het Verre Oosten vindt.
Cakes en brownies hebben het voordeel dat ze enorm veel
vocht en olie bevatten. Natuurlijk moet men deze dan bakken in speciaal
ontworpen bakvormen want metaal en microgolven zijn twee dingen die niet te samen gaan. Maar er bestaan bakvormen in kunststof die
zich perfect lenen voor het bakken in de microgolf oven. Om hier meer over te
weten te komen kan je de website van UBW
bezoeken. Dit soort bakvormen gaan de microgolven sturen zodanig dat de
energieverdeling over het product gelijkmatig verloopt.
Ook gaan specifieke ingrediënten in de brownie, zoals
mono- en diglyceriden, maïsstroop, maïszetmeel en xanthaan gom, helpen om de
geabsorbeerde energie gelijkmatig te verdelen over het beslag. Voor cakes
gebruikt men beter poeder cellulose, propyleen glycol en/of gemodificeerd maïszetmeel.
Producten die men kan ontdooien of
opwarmen in een microgolf oven
In het geval en krokante producten zoals pizza of
pizzabaguette, gaat men gebruik moeten maken van susceptors om de gewenste
krokantheid te bekomen. De susceptors gaan de energie naar de pizzabodem en de randen van de pizza
leiden zodanig dat er daar een "oververhitting" ontstaat waar door
het product krokant wordt. De susceptor kan zeer warm worden waardoor deeltjes
van de korst praktisch als verbrand uit de microgolf oven zal komen.
Een
tweede categorie producten die zich lenen om in de microgolf opgewarmd te
worden zijn zachte broodjes zoals hamburger broodjes. Ook in deze categorie
zijn er reeds verschillende producten te verkrijgen en
naast de klassieke hamburger vindt men in de diepvrieskasten van de
supermarkten ook burgers met vis en kip of hot dogs.
Het grootste probleem bij deze producten is dat er
"hot spots" ontstaan tijdens het opwarmen. Men krijgt dan droge harde
en taaie zones in de kruim die niet zo lekker zijn. Heel wat onderzoek in dit
verband is gebeurd aan de Universiteit van Mersin in
Turkije en aan de Cornell University
in Ithaca (USA) maar daarover verder meer. Deze taaie
zones ontstaan omdat, door onevenwichten in de kruim de energie zich
concentreert in die zones. Dit heeft ook iets te maken met het verschil waarmee
de warmte zich verspreidt in de verschillende componenten van het product. In
het broodje gaat de warmte verspreiding vrij snel maar in het vlees gaat dat
niet zo vlug. Het gevolg is dat men het broodje eigenlijk veel te lang in de
microgolf moet steken opdat ook het vlees terdege zou opgewarmd zijn. De hot
spots zijn ook gelinkt aan het diepvries gebeuren. Tijdens het diepvriezen
treedt er watermigratie op waardoor het vochtgehalte in bepaalde delen van het
broodje hoger is dan in andere delen. In de zones waar er zich meer water
bevindt gaat het ontdooien sneller gaan en uiteraard ook het opwarmen. En dit
leidt dan tot "hot spots". Men kan om deze problemen op te lossen of
toch gedeeltelijk op te lossen, meer vet en/of meer vezel toevoegen. Een
hamburger broodje gemaakt van bruine bloem gaat inderdaad meer de neiging
hebben om hot spots te ontwikkelen dat een wit broodje.
Tot slot kan men zeggen dat men aan drie zaken moet denken
wanneer men producten ontwikkelt die geschikt moeten zijn om in de microgolf
gebakken of opgewarmd te worden :
·
receptuur :
gebruik ingrediënten die het vocht zoveel mogelijk zullen vasthouden en het
zoveel mogelijk zullen gelijkmatig verdelen over de ganse kruim.
·
gebruik susceptors die de energie gelijkmatig zullen
verdelen maar er ook zullen voor zorgen dat een gedeelte van de energie omgezet
wordt in stralingsenergie zodanig dat het product een krokante
korstje kan krijgen.
·
tracht de opwarmtijd in de microgolf zo kort mogelijk te
houden door brood en vulling op elkaar af te stemmen voor wat betreft de
snelheid van opwarmen.


©1995 - 2007 by Classo Foods.