일본 포장기술편람(편리성) - 15 전자레인지, 오븐 가열 기능

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2-9 전자레인지, 오븐 가열 기능

(1) 머리말

최근, 전자레인지 가열 전용 식품이 급속히 보급되고 있다. 여기에는 여성의 사회 진출이나 고령화라고 하는 사회적 배경으로부터 불을 사용하지 않는 간편하고 안전한 가열 조리로서 기능이 인지되는 것이 주된 요인으로 생각된다. 여기에서는 전자레인지, 오븐 가열의 원리 및 레인지 대응의 포장 설계의 개요에 대해서 해설한다.

(2) 전자레인지와 오븐의 차이

전자레인지는 전자파(전파)에 의해 식품을 직접 가열시키는 조리 기기인데, 오븐은 가열한 공기나 증기 또는 벽면 등으로부터 나오는 적외선에 의해 가열하는 것이다. 그러므로, 전자레인지 가열과 오븐 가열에는 가열의 원리가 크게 다르기 때문에 포재 설계에 있어서는 다르게 생각할 필요가 있다.

(3) 전자레인지 가열원리(유전가열)

전자레인지에 이용되고 있는 마이크로파는 주파수가 2,450MHz의 전자파이다(도2.50). 주파수가 f(Hz)의 전파의 파장 λ는 다음식에서 계산하는 것이 가능하고 식1에 의해 전자레인지의 파장은 0.122m로 된다.

           λ = (3 * 100,000,000m) / f (2,450 * 1,000,000) ------------- 식1

도2.50 전자파의 응용과 분류

식품을 전기적인 분류로 생각해 보면, 식품의 성분 조성은 다양하기 때문에, 도체의 유전체의 중간에 위치한다고 생각할 수 있다. 이러한 유천체를 마이크로파와 같은 고주파의 전계 중에 두고, 고주파 전압을 가하면 유전체를 구성하고 있는 분자가 가진 플러스와 마이너스의 전하는 다른 부호의 전극 전위 간에 인력에 의해 규칙적으로 정렬하게 된다(도2.51).

도2.51 유전체 및 고주파 전압을 가했을 때의 상태

고주파 전압은 주기적으로 그 전극의 극성(+와 -)이 변한다. 그렇기 때문에, 전극의 극성이 변했을 때에 유전체를 구성하는 분자의 방향이 변하고 격하게 반전한다(도2.52). 그때 유전체를 구성하는 분자가 심하게 충돌, 마찰하여 운동에너지가 열에너지로 변환되어 가열한다. 이것이 전자레인지에 의한 가열, 조리의 원리이고 유전 가열이라고 불린다.

도2.52 전계의 변화가 적당한 전파(마이크로파)의 경우

유전 가열에 의해 물질의 단위 체적 중에 발생하는 열에너지는 매초당 다음 식으로 된다(식2). 이 식으로부터 물질의 발열량은 물질의 전기적 계수라고도 해야 할 ε와 tanδ의 곱에 비례한다.

εr 와 tanδ는 물질에 의해 정해진 값이고, 이 값이 클수록 발열량이 크고, 이 εr * tanδ를 유전 손실이라고 하고, 고주파 가열의 적부를 결정하는 중요한 요소이다. 이 ε, tanδ는 각 물질 모두 일정 불변의 값은 아니고 물질의 상태(온도, 밀도, 함수율 등)에 의해 변화한다. 식3은 마이크로파가 식품에 침투하는 깊이(D)의 관계식이다.

           유전 가열에 의해 발행하는 에너지 --------------------식2

           P = 0.556 εr ∙ tanδ ∙ f ∙ E의 제곱 * 10-12 (W/평방cm)

           εr: 물질의 유전율

           tanδ: 물질의 유전력율

           f: 주파수(Hz)

           E: 전계 강도(V/cm)

           마이크로파가 식품에 침투하는 깊이(D) -------------------------식3         

           D: 마이크로파의 침투 깊이(m)

           λ : 파장(m)

          π: 원주율(m)

           ε: 피 가열체의 유전율

           tanδ: 피 가열체의 유전력율

표2.6 물에서의 온도와 유전손실의 관계

온도 (℃)	유전율 (εr)	유전력율 (tanδ)	유전손실 (εr* tanδ)
1.5	80.5	0.31	24.95
25	76.7	0.157	12.1
85	56.5	0.0547	3.1

표2.7 각 물질의 유전 손실

물질명	유전율 (εr)	유전력율 (tanδ)	유전손실 (εr* tanδ)
물 폴리에틸렌	3.2 2.3	0.00095 0.0005	0.003 0.0012
물 (1.5℃) 목재 (포플러) 우육 (생) 20℃ 돈육 (생) 20℃	80.5 1.5 47.7 43.0	0.31 0.015 0.28 0.32	25 0.025 13.4 13.8