DE3751204T2

DE3751204T2 - Mikrowellen-nahrungsmittel.

Info

Publication number: DE3751204T2
Application number: DE3751204T
Authority: DE
Inventors: George Anderson; William Atwell; Madonna Krawiecki; Peter Peshek
Original assignee: Pillsbury Co
Current assignee: Pillsbury Co
Priority date: 1986-09-02
Filing date: 1987-08-27
Publication date: 1995-08-03
Anticipated expiration: 2007-08-28
Also published as: US5008507A; CA1315144C; DE3751204D1; AU8152187A; EP0279858A1; EP0279858B1; ATE120339T1; JPH01501279A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung und Verfahren zur Steuerung des Erhitzens von Nahrung in einem Mikrowellenofen, um in erster Linie unterschiedliches Erhitzen zwischen zwei oder mehr eßbaren Substanzen zu erzielen, die zueinander benachbart in einem Mehrkomponentennahrungsmittel positioniert sind. Es ist herausgefunden worden, daß der gewünschte Grad von Steuerung durch ein Nahrungsmittel und somit das Ausmaß des Erhitzens des anderen Nahrungsmittels durch bestimmte physikalische Eigenschaften der Nahrungsmittel bestimmt wird.
Bei dem Erhitzen von Nahrungsmitteln in einem Mikrowellenofen wurden Temperaturunterschiede und unterschiedliches Erhitzen durch die Verwendung von Verpackungsabschirmmaterial erzielt. Zum Beispiel wird seit langem beim Mikrowellenkochen praktiziert, eine mikrowellenreflektierende Verpackung mit verschieden großen Öffnungen zu verwenden, um die Menge an Mikrowellenstrahlung zu steuern, die gleichzeitig auf verschiedene Nahrungsmittel trifft. Eine derartige reflektierende Verpakkung war Metall oder eingeschlossenes Metall. Die Nahrungsmittel, die erhitzt werden sollten, wurden in der Verpackung getrennt, wobei jedes Nahrungsmittel eine oder mehrere vorherbestimmte Öffnungen in der Abschirmung benachbart zu dem Nahrungsmittel aufweist. Das Erhitzen jedes Nahrungsmittels wurde durch Auswählen der geeigneten Größe und/oder Gestalt der Öffnung abgestimmt, um eine gewünschte Temperatur innerhalb der Heizzeit der Verpackung zu erzielen. Eine derartige Verpackung war für bestimmte Nahrungsmittelkonzepte, die eine Trennung der Komponenten erlaubten, relativ effektiv, aber teuer und erforderten eine empirische Gestaltung, um effektiv zu sein.
Ein großer Nachteil einer derartigen Lösung bestand darin, daß es erforderlich war, daß jede einzelne Nahrungsmittelkomponente in einem separaten Fach war, um jede der Nahrungsmittelsubstanzen zu trennen, um das geeignete Erhitzen jeder Komponente zu erzielen. Ein weiterer großer Nachteil bestand darin, daß das Abschirmmaterial ein Metall war. In den vergangenen Jahren waren Ofenhersteller gegen und sprachen sich gegen die Verwendung von Metall in einem Mikrowellenofen aufgrund der Angst vor einer möglichen Beschädigung der Ofenschaltung und weil eine Metallverpackung eine Funkenbildung verursachen kann, was ein Verbraucherschaden ist, aus. Außerdem ist eine Metallabschirmung mit einigen Verpackungsmaterialien schwierig zu verwenden und auch teuer.
Zahlreiche Patente widmen sich einigen dieser Probleme, s. z.B. US-Patent 4,081,646, 4,233,325 und 4,122,324.
Bis heute war das Abschirmen von Nahrungsmitteln eine Verpakkungsfunktion und keiner ist beim Erzielen von gesteuerten simultanen Erhitzen von zwei oder mehr Nahrungsmitteln, denen diese Art von Abschirmung fehlt, kommerziell erfolgreich gewesen. Sogar bei der gemeinsamen Verwendung von zwei oder mehr Nahrungsmittelkomponenten hat niemand gelehrt, wie Eigenschaften des Steuernahrungsmittels zu wählen sind, um als ein Mikrowellenenergieübertragungshemmer benachbart zu und zwischen der Quelle von Mikrowellenenergie und einem weiteren Nahrungsmittel zu funktionieren, oder wie Eigenschaften einer Nahrungsmittelkomponente zu wählen sind, um ein gesteuertes Erhitzen von anderen Nahrungsmittelkomponenten zu bewerkstelligen. Außerdem hat es, sogar mit der oben beschriebenen zur Verfügung stehenden Metallabschirmung, wenig Verwendung gefunden und das meiste Mikrowellenerhitzen wird immer noch mit einer geringen oder keine Steuerung der Verteilung der Erhitzung durchgeführt, bis die Nahrungsmittel, die gleichzeitig erhitzt werden, eine gewisse Temperatur erreichen.
In ähnlicherweise schildern US-Patent 2,600,566 (Moffet) und US-Patent 2,714,070 (Welch), wenn sie im Zusammenhang gelesen werden, den Bedarf an einer metallischen abschirmenden "Verpackung", um das Erhitzen von Mehrkomponentennahrungsmittelsystemen zu steuern. Außerdem scheinen diese besonderen Verpackungskonzepte nicht wegwerfbar, sondern Dauergefäße zu sein. Beide Patente schildern das Konzept von unterschiedlichen Temperaturen, z.B. zwischen einer Soße und einer Eiskrem, durch die Verwendung einer Metallabschirmung. Weder Welch noch Moffet schildern ein gesteuertes Erhitzen von einem Nahrungsmittel mit einem Abschirm- oder Steuernahrungsmittel über eine Steuerung der Dicke und dielektrische Eigenschaften der Abschirmschicht. Zum Beispiel gibt Welch in Spalten 3 und 4 an, "Aufgrund der Wirkung von Schirm 45 kann Energie von dem Kocher 10 nur von der Spitze desselben in den Nahrungsmittelkörper durch ein Papierelement 50 eindringen. Da die Soße 49 eine Substanz mit einem relativ großen Verlust ist, wird sie im wesentlichen die gesamte Mikrowellenenergie, die dort durchtritt, absorbieren, mit dem Ergebnis, daß wenig oder keine Mikrowellenenergie in den Eiskremkörper eintritt. Der Eiskremkörper 47 bleibt somit gefroren und reflektiert aufgrund der darin befindlichen Eiskristalle jegliche Energie, die durch die Soße 49 tritt, im wesentlichen vollständig zurück in die Soße 49. Da das Kekselement 48 ein relativ guter Wärmeisolator ist, wird der Eiskremkörper 47 nicht in irgendeinem wesentlichen Ausmaß durch konduktive Wärme von der Fondant-Soße 49 geschmolzen. Das resultierende Produkt ist eine Eiskrem mit einer heißen Fondant-Soße, die direkt von dem Papierbehälter 46 innerhalb des Abschirmelements 45 gegessen werden kann."
Gemäß dieser Erfindung wird ein Verfahren zur Gestaltung eines mittels Mikrowellen erhitzbaren Nahrungsmittels, wobei das Nahrungsmittel eine erste eßbare Komponente, eine Abschirmeinrichtung, die in der Nähe der ersten eßbaren Komponente angeordnet ist, um die Menge an Mikrowellenenergie zu steuern, die bei Bestrahlen des Nahrungsmittels mit Mikrowellenstrahlung an die erste Komponente übertragen wird, wobei die Abschirmeinrichtung eine zweite eßbare Komponente einschließt, die teilweise für Mikrowellenstrahlung durchlässig ist, und eine Verpackungseinrichtung umfaßt, die die erste und zweite Komponente enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die Schritte des Wählens der Dicke und der dielektrischen Eigenschaften der zweiten eßbaren Komponente zum Steuern der Menge an Mikrowellenenergie, die die zweite eßbare Komponente an die erste eßbare Komponente übertragen wird, und dadurch des Erhitzens der ersten eßbaren Komponente in einem vorgewählten Grad innerhalb einer vorgewählten Zeit von Bestrahlung mit Mikrowellenstrahlung einer vorherbestimmten Energie umf aßt, wobei die zweite Komponente einen Abschirmwert von mehr als ungefähr 70 % des ersten Abschirmwendepunktwerts aufweist, zur Verfügung gestellt.
Vorzugsweise werden die dielektrischen Eigenschaften der zweiten eßbaren Komponente durch Wählen des Gehalts an nicht-gebundenem Wasser der zweiten eßbaren Komponente gewählt.
Vorteilhafterweise werden die dielektrischen Eigenschaften der zweiten eßbaren Komponente durch Wählen des E'-Werts der zweiten eßbaren Komponente gewählt.
Günstigerweise werden die dielektrischen Eigenschaften der zweiten eßbaren Komponente durch Wählen des E"-Werts der zweiten eßbaren Komponente gewählt.
Vorzugsweise ist die zweite Komponente so gestaltet, das wenigstens ein Großteil ihrer Dicke mehr als ungefähr 0,25 cm beträgt.
Vorteilhafterweise weist die zweite Komponente einen Gehalt an nicht-gebundenem Wasser in dem Bereich zwischen ungefähr 20 und ungefähr 95 Gew.-% der zweiten Komponente auf.
Vorzugsweise schließt das Verfahren den Schritt des Gestaltens der Abschirmeinrichtung mit einer Metallabschirmung in Abschirmbeziehung zu wenigstens einem Bereich des Nahrungsmittels ein, wobei die Metallabschirmung darin eine Öffnung aufweist, die gestaltet ist, um zu ermöglichen, daß die zweite Komponente mit Mikrowellenstrahlung bestrahlt wird.
Vorzugsweise schließt das Verfahren den Schritt des Wählens der Position für die zweite Komponente zwischen der ersten Komponente und der Abschirmung ein.
Vorteilhafterweise schließt das Verfahren den Schritt des Wählens der zweiten eßbaren Komponente mit mehrfachen Schichten aus nicht-mischbaren eßbaren Komponenten ein.
Vorzugsweise schließt das Verfahren den Schritt des Wählens der Dicke und der dielektrischen Eigenschaften der zweiten eßbaren Komponente zum Herabsetzen der Menge an Mikrowellenenergie, die an die erste Komponente übertragen wird, ein.
Günstigerweise umfaßt das Verfahren den Schritt des Auswählens der Dicke und der dielektrischen Eigenschaften der zweiten eßbaren Komponente zum Erhöhen der Menge an Mikrowellenenergie, die an die erste Komponente übertragen wird.
Vorzugsweise ist als erste eßbare Komponente Eiskrem gewählt und die zweite eßbare Komponente mit einer gesüßten, viskosen Soße in einer Schicht in Kontakt mit der Eiskrem gewählt, wobei die Abschirmeinrichtung mit einer Metallabschirmschicht benachbart zu der Eiskrem gestaltet ist, so daß die zweite eßbare Komponente und die Metallabschirmung zusammenwirken, um die Abschirmeinrichtung zu bilden, die im wesentlichen die Eiskrem vollständig umgibt, wobei das Verfahren den weiteren Schritt des Gestaltens des Nahrungsmittels mit einem benachbart zu der Soße angeordneten Schokoladenplätzchen, das einen wesentlichen Bereich aufweist, der gegen direkte Bestrahlung mit Mikrowellenstrahlung im wesentlichen nicht abgeschirmt ist, umfaßt.
Weiterhin liefert die Erfindung ein Verfahren zur Gestaltung eines mittels Mikrowellen erhitzbaren Nahrungmittels mit wenigstens einer eßbaren Komponente, das einschließt:
Wählen der Dicke und der dielektrischen Eigenschaften von der wenigstens einen eßbaren Komponente, um ein näherungsweise lokales Maximum oder lokales Minimum in dem funktionalen Zusammenhang zwischen Energieabsorption und Dicke einer eßbaren Komponente des Nahrungsmittels während der Bestrahlung mit Mikrowellenstrahlung zu erzielen, wodurch die eßbare Komponente sich innerhalb eines vorherbestimmten Zeit-/Temperatur-Beziehungsbereichs während der Bestrahlung mit Mikrowellenstrahlung einer vorherbestimmten Energie erhitzen wird.
Die Erfindung schließt ein Verfahren, das den weiteren Schritt des Herstellens des Nahrungsmittels, wie gestaltet, umfaßt, und auch ein Verfahren ein, das den weiteren Schritt des Anordnens des hergestellten Produkts in einem Mikrowellenofen und des Erhitzens des Nahrungsmittels unter Verwendung von Mikrowellenenergie innerhalb des Mikrowellenofens umfaßt.
Überraschenderweise ist herausgefunden worden, daß durch Steuerung der Dicke und Mikrowellenbelastung (eine Kombination aus dielektrischen Eigenschaften einer Steuerschicht und der thermischen Belastungen) oder durch die Steuerung der Dicke und dielektrischen Konstante einer Steuerschicht und der thermischen Belastungen jeder Komponente eine hochwirksame Kochsteuerung erzielt werden kann. Eine thermische Belastung kann als spezifische Wärme in Kalorien/Gramm multipliziert mit der Masse in Gramm definiert werden. Eine weitere Größe thermischer Leistung ist die Wärmeausbreitungsfähigkeit, die als Wärmeleitfähigkeit (Wärmezufuhrrate in Kalorien/Sekunde multipliziert mit der Entfernung in Zentimeter multipliziert mit der Temperaturdifferenz in Grad) devidiert durch Dichte und spezifische Wärme des Produkts definiert ist. Es ist herausgefunden worden, daß bestimmte Nahrungsmittel eine Reflexionsstärke von ungefähr 65 % und eine Transmission von 20 % oder sogar weniger, z.B. 10 %, bei hohen Wasserschichten, der einfallenden Energie erzielen können und als eine wirksame Abschirmung innerhalb der gegebenen Zeitbedingungen funktionieren können. Außerdem wurde durch Berechnung überraschenderweise herausgefunden, das ein konduktiver Wärmeübergang von der Abschirmkomponente zu der abgeschirmten Nahrungsmittelkomponente, wenn er gemäß der Erfindung vorgenommen wurde, eine geringe praktische Wirkung auf das Erhitzen der abgeschirmten Komponente innerhalb der kurzen Zeit, die erforderlich ist, um viele Nahrungsmittel in einem Mikrowellenofen zu erhitzen, hatte, wodurch es möglich wird, daß sich die Abschirmschicht ohne einen Schaden für die abgeschirmte Schicht erhitzen kann. Diese Faktoren machen es möglich, daß eßbare Nahrungsmittel oder eßbare Substanzen als Abschirmungen zur Steuerung des Erhitzens von anderen Nahrungsmitteln in einer Mikrowellenumgebung verwendet werden können, wodurch der Bedarf an Metall oder anderen nicht eßbaren Abschirmungen und isolierenden Schichten vermindert wird. Das Ergebnis ist die Fähigkeit, neue Typen von Mikrowellennahrungsmitteln und Nahrungsmittelsystemen herzustellen, die in keiner anderen Weise geeignet zusammen erhitzt werden können.
Wenn die physikalischen Eigenschaften der Komponenten des Nahrungsmittelsystems und eine gewünschte Menge von unterschiedlichem Erhitzen gegeben sind, ist es möglich, Mehrkomponentennahrungsmittelsysteme mit gesteuert unterschiedlichem Erhitzen oder gesteuert unterschiedlichen Temperaturen an dem Ende von Mikrowellenerhitzen zu gestalten, die die obigen Probleme überwinden.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
Fig. 1 eine Seitenquerschnittsansicht eines Mehrkomponentennahrungsmittels ist.
Fig. 2 eine Grafik ist, die die Abhängigkeitsbeziehung zwischen Temperaturunterschied und Heizzeit für verschiedene Mehrkomponentennahrungsmittelsysteme mit verschiedenen Zwischensteuerschichten: Metallfolie, Steuersoße mit 24 % Wasser, eine Silikonschaumeinlage, eine Hochfeuchtigkeitssoße mit 37 % Wasser, und keine Zwischenschicht, zeigt.
Fig. 3 eine Grafik ist, die eine Abhängigkeitsbeziehung zwischen Temperatur und Heizzeit einer abgeschirmten Komponente eines Mehrkomponentennahrungsmittelsystems, wie in Fig. 1 gezeigt, mit verschiedenen Zwischenschichtendicken darstellt.
Fig. 4 eine Grafik ist, die eine Abhängigkeitsbeziehung zwischen Eiskremtemperatur und Heizzeit von Produkten in einem Mehrkomponentennahrungsmittelsystem, wie in Fig. 1 gezeigt, mit und ohne eine Zwischensoßenschicht zeigt.
Fig. 5 eine Grafik ist, die eine Abhängigkeitsbeziehung zwischen Temperatur eines Schokoladenplätzchens in einem Mehrkomponentennahrungsmittelsystem, wie in Fig. 1 gezeigt, und Heizzeit für Systeme mit und ohne eine Zwischenschicht aus Abschirmsoße zeigt.
Fig. 6 eine Grafik ist, die eine Abhängigkeitsbeziehung zwischen Temperaturunterschied, d.h. die Temperatur des Schokoladenplätzchens minus die Temperatur der Eiskrem, als eine Funktion der Heizzeit für ein Mehrkomponentennahrungsmittelsystem, wie in Fig. 1 gezeigt, mit und ohne eine Zwischenschicht aus Soße zeigt.
Fig. 7 eine Grafik ist, die eine Abhängigkeitsbeziehung zwischen Temperaturunterschied, d.h. die Temperatur des Schokoladenplätzchens minus die Temperatur der Eiskrem, als eine Funktion der Heizzeit für ein Mehrkomponentennahrungsmittelsystem, wie in Fig. 1 gezeigt, mit verschiedenen Abschirmschichtendicken unter Verwendung der Steuersoße mit 24 % nicht-gebundenem Wasser zeigt.
Fig. 8 eine dreidimensionale Darstellung eines mathematischen Modells ist, die eine Abhängigkeitsbeziehung zwischen Temperaturunterschied, Mikrowellenheizzeit und Soßendicke für die Steuersoße mit einem Gehalt an nicht gebundenem Wasser von 24 % für ein Mehrkomponentennahrungsmittelsystem, wie in Fig. 1 gezeigt, mit Eiskrem und einem Schokoladenplätzchen an entgegengesetzten Seiten der Abschirmschicht zeigt.
Fig. 9A, 9B und 9C Grafiken sind, die Abhängigkeitsbeziehungen zwischen vier Variablen: reflektierte Energie, absorbierte Energie, abgeschirmte Energie und relative Heizrate (Absorption/Dicke) zeigt, mit jeder als eine Funktion der Abschirmschichtdicke für eine Abschirmschicht mit Werten für die relative Dielektrizitätskonstante (E') (im weiteren Dielektrizitätskonstante) von 13, 26 und 39 und Werten für den relativen dielektrischen Verlustfaktor (E") (im folgenden dielektrischer Verlustfaktor) von jeweils 3,5, 7",0 und 10,5. E' ist der Realteil und E" ist der Imaginärteil der komplexen Dielektrizitätskonstanten, wie es einem Fachmann bekannt ist. Siehe z.B. A. Von Hippel, Dielectric Materials and Application, MIT Press, 1954.
Fig. 9D, E, F und G Grafiken sind, die Abhängigkeitsbeziehungen zwischen vier Variablen: reflektierte Energie, absorbierte Energie, abgeschirmte Energie und relative Heizrate zeigen. Wenn diese Figuren in Kombination mit Fig. 9B betrachtet werden, zeigen sie die Wirkung des Änderns von E' oder E", während das andere konstant gehalten wird.
Fig. 10 eine Grafik ist, die eine Abhängigkeitsbeziehung zwischen Temperaturunterschied zwischen Soßenschicht und Eiskrem für ein gegenwärtig bestehendes Produkt, genannt Hot Scoop, das eine Eiskrem und Soße in einem nicht abgeschirmten Papierbecher ist, verglichen mit einem zu dem in Fig. 1 ähnlichen Produkt mit einer Steuersoßenschicht und Eiskrem, aber mit einer Metallabschirmung an der Seite des auch in Fig. 1 gezeigten Behälters zeigt. Die Grenzen dieser Grafik werden wie im folgenden diskutiert.
Fig. 11 eine Grafik ist, die einen Vergleich von Heiztemperaturprofilen von Eiskrem als eine Funktion der Heizzeit in einem Mikrowellenofen für zwei Hot Scoop-Produkte und die Erfindung unter Verwendung von Eiskrem, einem Schokoladenplätzchen und Soße in einem metallabgeschirmten Becher zeigt.
Fig. 12 eine Grafik ist, die Abhängigkeitsbeziehungen zwischen Eiskremtemperaturen und der Heizzeit für zu den in Fig. 1 ähnlichen Produkten, die unterschiedliche Eiskremgewichte aufwiesen und auf zwei verschiedene Arten erhitzt wurden, in einem Mikrowellenofen und durch Sitzen in einen Raum bei Zimmertemperatur zeigt.
Fig. 13 eine Grafik ist, die eine Abhängigkeitsbeziehung zwischen Temperatur der Abschirmsoßenschicht und Mikrowellenheizzeit für vier verschiedene Dicken zeigt.
Fig. 14 eine dreidimensionale Darstellung eines mathematischen Modells ist, die eine Abhängigkeitsbeziehung zwischen Zwischenschichtsoßentemperatur, Soßendicke und Mikrowellenheizzeit für eine Soße mit einem Gehalt an nicht gebundenen Wasser von 24 % und ein wie in Fig. 1 gezeigtes Mehrkomponentennahrungsmittelsystem mit Eiskrem und einem Schokoladenplätzchen an gegenüberliegenden Seiten der Abschirmschicht zeigt.
Fig. 15 eine Darstellung ist, die allgemein eine mögliche Abhängigkeitsbeziehung zwischen Heizabweichung der abgeschirmten Komponente und der Menge an Mikrowellenenergie zeigt, die durch die abschirmende Komponente/abschirmenden Komponenten übertragen wird, was nützlich ist, um Mehrkomponentennahrungsmittelsysteme gerichtet zu gestalten.
Fig. 16 eine Grafik ist, die Abhängigkeitsbeziehungen zwischen Eiskremtemperatur und Mikrowellenheizzeit darstellt. Linie A stellt eine 314 g-Eiskremprobe und Linie B eine 100 g-Eiskrem dar, die an allen Seiten von Fondant-Soße mit einer im wesentlichen gleichförmigen Dicke umgeben ist und 444 g wiegt. Keine Metallabschirmung wurde verwendet.
Fig. 17 eine Grafik ist, die Abhängigkeitsbeziehungen zwischen Eiskremtemperaturen und Mikrowellenheizzeit zeigt. Linie A stellt eine 544 g-Eiskrem, Linie B eine 314 g-Eiskrem und Linie C eine 100 g-Eiskrem dar, die von einer 444 g wiegenden Fondant-Soße mit einer im wesentlichen gleichförmigen Dicke umgeben wird, dar. Keine Metallabschirmung wurde verwendet.
Fig. 18 eine Seitenquerschnittsansicht eines zu dem in Fig. 1 gezeigten ähnlichen Behälters, die eine weitere Form der vorliegenden Erfindung enthält, ist.
Fig. 19 eine Seitenquerschnittsansicht eines Mehrkomponentennahrungsmittelprodukts in einer Verpackung ist, die eine weitere Form der vorliegenden Erfindung zeigt und ähnlich zu der in Fig. 16 und 17 gezeigten Form ein vollständig in Nahrung eingehülltes Nahrungsmittel ist.
Fig. 20 eine Seitenquerschnittsansicht eines weiteren Nahrungsmittels mit einer innen befindlichen Steuerschicht ist.
Fig. 21 eine Grafik ist, die Abhängigkeitsbeziehungen zwischen Eiskremtemperatur und der Mikrowellenheizzeit für eine Eiskrem in einem nicht abgeschirmten Behälter ist, wobei eines der Produkte in einer Schicht aus Soße eingehüllt war.
Fig. 22 eine Querschnittsansicht eines Behälters ist.
Fig. 23 eine Grafik ist, die Abhängigkeitsbeziehungen zwischen relativer Heizrate und Entfernung von der Spitze für ein wie in dem Beispiel des Schokoladenplätzchen/Soße/Eiskrem/Metall-Mehrschichtensystems beschriebenen Nahrungsmittelsystem zeigt.
Fig. 24A, B, C und D Grafiken sind, die eine Abhängigkeitsbeziehung zwischen prozentualer Energieabsorption für jede Schicht in einem System als eine Funktion der Dicke einer Schicht in dem System, die variiert wird, zeigt. In dieser Figur wurden die folgenden relativen komplexen dielektrischen Konstanten verwendet: Öl (2,6 - i 0,147); Wasser (76,5 - i 11,1); und Brot (2,85 - i 0,75).
Fig. 25A, B und C Grafiken sind, die jeweils die Abhängigkeitsbeziehung zwischen Energieabsorption und Schichtdicke, der ersten Ableitung der Energieabsorption gegenüber der Dicke, und den Absolutwert der ersten Ableitung der Energieabsorption gegenüber der Dicke zeigen. Fig. 25A wurde anhand von Gleichung 3 mit E' gleich 5 und E" gleich 1 berechnet.

Ausführliche Beschreibung

Die Physik von Mikrowellen in einem Nahrungsmittelsystem ist extrem kompliziert und es ist nur wenig darüber bekannt, wie Mikrowellenerhitzen in Lebensmitteln bewerkstelligt wird. Die Komplikation kann sich zu einem großen Teil aufgrund der Tatsache, daß Nahrungsmittelsysteme selbst extrem kompliziert sind, wodurch sie dem Mikrowellenfeld verschiedene Aussehen verleihen, ergeben. Derartige Dinge sind bevorzugtes Erhitzen, die unterschiedliche chemische Natur von Nahrungsmitteln, Inhomogenität, die variierenden Anordnungen, daß diskrete Nahrungsmittelmassen mit verschiedenen Mikrowelleneigenschaften nebeneinander innerhalb eines einzelnen Nahrungsmittelsystems positioniert werden, heiße und kalte Flecken in einem Ofen, etc.. Dies alles kompliziert die Aufgaben der Nahrungsmittelwissenschattler und der Verpackungsgestalter beim Gestalten von Nahrungsmitteln zum Erhitzen in einem Mikrowellenofen.
Beim Entwickeln der nachfolgend beschriebenen unterschiedlich erhitzenden Nahrungsmittel wurden bestimmte Entdeckungen über die Eigenschaften der eßbaren Komponenten dieser Systeme gemacht, die eine Überraschung waren. Die größten Überraschungen bestanden darin, daß man durch eine geeignete Auswahl steuern konnte, wieviel einfallende Strahlung von einigen Nahrungsmittelkomponenten abgeschirmt oder wie wenig durch einige Nahrungsmittelkomponenten transmittiert werden kann und wie wenig Wirkung ein konduktiver Wärmeübergang bei dem Gesamterhitzen von Nahrungsmitteln innerhalb der kurzen Zeit, die zum Erhitzen von Nahrungsgütern in einem Mikrowellenofen notwendig ist, haben kann. Andere Überraschungen waren, daß theoretisch eine Zunahme in der Dicke über ein Minimum hinaus nicht notwendigerweise den Abschirmwert wesentlich ändert und eine Änderung der Dicke über das Minimum hinaus gleichzeitig die Absorptionsstärke und Reflexionsstärke in umgekehrten Zyklen ändern kann. Wie in Fig. 9A, B und C zu sehen ist, verlaufen die Absorptionsstärke und Reflexionsstärke mit zunehmender Dicke in entgegengesetzter Weise zyklisch, wenn die Dicke um eine geringe Dimensionsänderung zunimmt, wodurch ein großer Freiraum bei der Produktgestaltung ermöglicht wird. Die Kombination der geringen Mikrowellentransmission von bestimmten Nahrungsmittelkomponenten und der geringen Rolle, die Konduktion und andere Formen von Wärmeübergang spielen können, lieferte die Grundlage für ein Erzielen von gesteuertem unterschiedlichen Erhitzen in Mehrkomponentennahrungsmittelsystemen, d.h. zwei oder mehr Nahrungsmittel oder eßbare Komponenten, die benachbart oder in der Nähe zueinander angeordnet sind. Innerhalb einer gegebenen Heizzeit in einem Mikrowellenofen konnten wir vorherbestimmbare und gesteuerte Temperaturen erzielen, die unterschiedlich waren, z.B. 11ºC oder mehr, wobei einige Unterschiede 65 bis 80ºC und sogar 110ºC (s. Fig. 2) über geringe Entfernungen, z.B. 2 cm, betrugen. Sogar noch überraschender ist, daß die Nahrungsmittelsysteme dieser Erfindung gegenüber verschiedenen Öfen und variierenden Heizzeiten tolerant waren. Diese Toleranzen waren für die wirkungsvolle Zubereitung der Güter durch Verbraucher wichtig.
Eine Toleranz ist aufgrund einer Zeitschaltervariation von Ofen zu Ofen, der unterschiedlichen Energieabgaben von unterschiedlichen Öfen und aufgrund der Phänomene der heißen/kalten Stelle in Öfen wichtig. Das bedeutet, daß bei einer gegebenen Bestrahlzeit, die Menge an verfügbarer Energie zum Erhitzen eines Nahrungsmittels dadurch erheblich variieren kann, wodurch das Produkt entweder überhitzt oder unterhitzt wird. Ohne eine Toleranz könnte die Verbraucherakzeptanz von wärmeempfindlichen Nahrungsmitteln unakzeptierbar niedrig sein. Eine Toleranz von Produkten hängt von dem besonderen Produkt, das erhitzt, und dem Verbraucherqualitätskonzept für dieses besondere Produkt ab. Zum Beispiel weist Eiskrem, die gegenüber Erhitzen sehr empfindlich ist, einen sehr kleinen Wärmetoleranzbereich auf. Qualitätseiskrem sollte steif oder viskos und nicht flüssig sein. Im Gegensatz würde Suppe, die gegen Überhitzen nicht empfindlich ist, sehr tolerant sein. Unter Toleranz ist hierin zu verstehen, daß unter den oben beschriebenen Schwankungen in Mikrowellenöfen, etc., ein wesentlicher Prozentsatz der Produkte, nachdem sie in einem Mikrowellenofen gemäß den Anweisungen erhitzt wurden, ein für den Verbraucher annehmbares Qualitätsniveau erreicht haben werden. Die Toleranz kann organoleptisch, was ein Standardverfahren der Lebensmittelindustrie ist, überprüft werden.
Fig. 1 zeigt ein Nahrungsmittelsystem, das eine Grundlage für die vorliegende Erfindung war. Nahrungsgegenstand oder -komponente 1 ist ein Schokoladenplätzchen und Nahrungsgegenstand oder -komponente 2 ist Eiskrem. Es wurde gewünscht, das Schokoladenplätzchen auf eine Serviertemperatur von ungefähr 43 bis 60ºC zu erhitzen, während die Eiskrem "eingefroren" blieb, d.h. auf einer Temperatur von ungefähr -9ºC oder kälter ohne nennenswert lokalisiertes Schmelzen der Eiskrem z.B. an der Grenzfläche zwischen dem Schokoladenplätzchen und der Eiskrem. Hierin verwendetes "eingefroren" bedeutet, wenn nicht anders gekennzeichnet, daß das Produkt auf einer Temperatur von weniger als 0ºC ist. Ein Behälter 3 weist eine Abschirmung 4, vorzugsweise Metall, an der Seitenwand auf, die sich von der Spitze nach unten zu näherungsweise der oberen Oberfläche des Schokoladenplätzchens erstreckt. Die Spitze des Behälters weist auch einen Abschirmverschluß oder Deckel 5, vorzugsweise aus Metall, auf, um einfallende Strahlung von den Seiten und der Spitze der Eiskrem abzuschirmen. Der Deckel 5 ist an dem Behälter 4 entfernbar gesichert und kann darauf geklebt oder heißgeklebt werden und schließt vorzugsweise ein Stück aus Metallfolie, z.B. Aluminiumfolie, ein, die an der Spitze eines Behälters in einer Weise befestigt ist, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist. Die Abschirm- oder Steuerschicht ist zwischen den Schichten 1 und 2 positioniert.
Fig. 18 stellt eine weitere Produktform dar, die gemäß der vorliegenden Erfindung gestaltet ist und zwei unterschiedliche eßbare Produkte 7 und 8 enthält. Zum Beispiel kann Schicht 7 eine Soßen-, Abschirm- oder Steuerschicht sein, die innerhalb eines Bechers 3 positioniert ist. Der Becher 3 kann auch die Abschirmung 4 um sich herum haben. Der Deckel 5 schirmt die offene Seite des Bechers 3 ab und kann, wie in Fig. 1 zu sehen ist, in den Becher 3 abgesetzt sein. Die Produktschicht 8 kann z.B. Eiskrem sein. Die in Fig. 18 gezeigte Form der Erfindung kann z.B. eine Schicht aus Käsesoße 7 und eine Schicht aus Broccoli 8 sein, wie im nachfolgenden in einem der Beispiele beschrieben.
Fig. 19 zeigt eine weitere Ausführungsform eines gemäß der vorliegenden Erfindung gestalteten Produkts, das einen Becher 3 mit einem Deckel 9 einschließt der in einer geeigneten Weise an der Spitze desselben gesichert ist. Der Deckel 9 muß nicht aus Metall sein, wenn die Abschirm- oder Steuerschicht 10 einen ausreichenden Abschirmwert aufweist. Eingehüllt in die Schicht 10 ist eine weitere eßbare Komponente 11 enthalten, die z.B. Eiskrem sein kann, und die Abschirmschicht 10 kann eine Soße sein. Wenn der Abschirmwert der Schicht 10 ausreichend ist, dann muß die in Fig. 1 und 18 gezeigte Abschirmung 4 nicht hinzugefügt werden.
Fig. 20 zeigt eine weitere Ausführungsform eines gemäß der vorliegenden Erfindung gestalteten Produkts, das ein Zweikomponentennahrungsmittel umfaßt. In diesem Beispiel ist die Steuerschicht die in eine eßbare Komponente 15 zwischengeschichtete oder eingekapselte Schicht 14. In dieser besonderen Ausführungsform können die physikalischen Eigenschaften der Steuerschicht 14, wie hierin beschrieben, eingestellt werden, um dabei zu helfen, das Erhitzen der äußeren Schicht 15 während der Steuerung der relativen Werte ihrer eigenen Absorptionsstärke und Reflexionsstärke zu steuern.
Bei der Entwicklung der vorliegenden Erfindung wurde anfangs ein Dreischichtensystem verwendet, d.h. eine Schicht aus einem Schokoladenplätzchen, eine Soßenschicht darauf und eine Schicht aus Eiskrem auf der Oberseite der Soße, wie in Fig. 1 zu sehen ist. Es wurde festgestellt, daß, wenn die Soßenschicht entfernt wurde, mehr Erhitzen und Schmelzen der Eiskrem auftrat. Dann wurden verschiedene Steuerschichten zwischen das Schokoladenplätzchen und die Eiskrem geschoben. Es wurde anfangs geglaubt, daß die verbesserte Leistung der Soßenschicht sich aufgrund der Wärmeisolation der Zwischenschicht ergab. Um diese Theorie zu überprüfen, wurden Experimente unter Verwendung von Aluminiumfolie und einer Silikonschaumeinlage als die Zwischenschicht durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Art von Experimenten sind in Fig. 2 gezeigt. Die Überraschung war, daß es nicht Wärmeisolation war, die die Soßenschicht ein Erhitzen der Eiskrem verhindern ließ, sondern daß es in der Tat das Nichthindurchlassen von Mikrowellenenergie zu der Eiskrem war. Dies wird grafisch durch die Tatsache gezeigt, daß der höchste Temperaturunterschied von einem sehr guten Wärmeleiter und einem vollkommenen Reflektor von Mikrowellenenergie, d.h. der Aluminiumfolie, erzielt wurde, während der gute Isolator und hohe Überträger von Mikrowellenenergie einen der niedrigsten Temperaturunterschiede lieferte. Zur gleichen Zeit wurde das theoretische Verständnis entwickelt, das das Phänomen von Reflexionsstärke und Absorptionsstärke als Funktionen der Dicke und dielektrischen Eigenschaften von bestimmten Typen von Nahrungsmitteln erklärt.
Somit wurde durch Zwischenlegen einer nicht notwendigen eßbaren Zwischenschicht 6 aus Soße zwischen die Eiskrem 2 und das Schokoladenplätzchen 1, die anfänglich nur hinzugefügt wurde, um der Definition des Produktkonzepts, d.h. ein Schokoladenplätzchen mit Schokoladensoße und Eiskrem, zu entsprechen, der Temperaturunterschied zwischen dem Schokoladenplätzchen und der Eiskrem wesentlich erhöht, wenn die Eigenschaften dieser Schicht geeignet ausgewählt wurden.
Die Abschirm- oder Steuerschicht(en) können als eine Schicht definiert werden, die die Mikrowellenbestrahlung eines weiteren eßbaren Produkts oder einer Komponente in dem Nahrungsmittel beeinflußt, d.h. sie kann zur Steuerung verwendet werden, oder sie wird für den Steuerzweck gewählt oder beabsichtigt oder ist für eine Steuerung geeignet. Es sollte zu entnehmen sein, daß alle Komponenten in einem gewissen Maße eine Wirkung auf das System haben. Die Verwendung der Schicht als eine Abschirmung kann eine Abschirmsteuerung der Zeit-/Temperatur- Beziehung und eine Endtemperatur einer oder mehrerer Komponenten des Systems liefern.
Mit der Verwendung der Erfindung wurde ein wirkungsvolles Erhitzen des Schokoladenplätzchens und eine nahezu vollständige Eliminierung von schadhaftem Erhitzen der Eiskrem erzielt. Es wurde herausgefunden, daß diese Zwischenschicht, wenn sie einen hohen Wassergehalt aufwies, eine sehr geringe Transmission (hoch in der Summe von Absorptionsstärke und Reflexionsstärke) der einfallenden Energie aufwies, wodurch sie als eine wirksanie eßbare Abschirmung wirkte, wenn sie zwischen dem abzuschirmenden Nahrungsmittel und der Mikrowellenumgebung positioniert wurde. Es war auch eine Überraschung, daß die Steuerschicht auch das Erhitzen des Schokoladenplätzchens verstärken konnte, wodurch die Bestrahlungszeit für eine gegebene Schokoladenplätzchengröße verringert wurde. Die Erfindung erlaubt die Gestaltung und Verwendung von neuen Arten von Mikrowellenprodukten, weil eßbare anstelle von nicht eßbaren, wie in US-Patent 4,233,325, Abschirmungen, verwendet werden können. Diese eßbare Abschirmung in Kombination mit der Seiten- und Oberteilmetallabschirmung, wie in Fig. 1 zu sehen, verhinderte schadhaftes Erhitzen der Eiskrem innerhalb der Zeitdauer, die zum Erhitzen des Schokoladenplätzchens erforderlich ist, wodurch die Leistung des Mehrkomponentennahrungsmittelsystems verbessert wurde. Somit ist diese zwischengeschobene Schicht eine eßbare Abschirmung, die ein seit langem bestehendes Bedürfnis beim Mikrowellennahrungsmittelerhitzen erfüllt.
Fig. 2 zeigt Temperaturunterschiede, die grafisch die Wirksamkeit der vorliegenden Erfindung verglichen mit einem Nahrungsmittelsystem ohne Zwischenschicht und einer nicht wirksamen Schicht darstellt.
Um die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Theorie zu überprüfen, wurden bestimmte Experimente durchgeführt. Einige dieser Ergebnisse sind in Fig. 2 dargestellt. Ein Schokoladenplätzchen-Soße-Eiskrem-System wurde verwendet und gegenüberliegende Seiten des Spektrums von Reflexionsstärke und Wärmeübergang wurden auch unter Verwendung eines Schokoladenplätzchen-Metallfolie- oder Silikonschaum-Eiskrem-Systems überprüft. Linie A in Fig. 2 zeigt Heizergebnisse, wenn eine Aluminiumfolienschicht zwischen dem Schokoladenplätzchen und der Eiskrem positioniert wurde. Diese Folie ist für praktische Zwecke ein vollkommener Reflektor (keine Transmission oder Absorption) und ein vollkommener Leiter für Wärme. Ein weiteres Experiment benutzte eine Isolierschicht, die für praktische Zwecke ein vollkommener Überträger von Mikrowellenenergie und ein vollkommener Wärmeisolator ist. Die besondere Schicht war ein Silikonschaum. Linie E in Fig. 2 zeigt Heizergebnisse für diese Schaumschicht.
Fig. 2 zeigt eine Abhängigkeitsbeziehung zwischen Temperaturunterschied und Heizzeit für ein Dreikomponentensystem, wie in Fig. 1 gezeigt, mit einem Schokoladenplätzchen und einer Eiskrem mit einer zwischengeschobenen Abschirmschicht. Der Temperaturunterschied ist der Temperaturunterschied zwischen dem Schokoladenplätzchen und der Eiskrem. Die Temperaturen wurden an vier Stellen, zwei in dem Schokoladenplätzchen 1 cm oberhalb des Bodens und 2 cm von der Seite und zwei in der Eiskrem 3 cm oberhalb des Bodens und 2 cm von der Seite, mit wenigstens 8 Durchgängen für jede Probe gemessen, wobei die Temperaturen numerisch gemittelt wurden. Die Soße wies eine Dicke von 6 mm auf, wobei die Hochfeuchtigkeitssoße einen Gehalt an nicht-gebundenem Wasser von 37 % aufwies (wenn nicht anders angegeben, sind alle hierin aufgelisteten Komponentenkonzentrationen Gew.-%). Die normale oder Steuersoße wies einen Gehalt an nicht-gebundenem Wasser von 24 % auf. Die verwendete Folie war eine Aluminiumfolie mit einer Dicke von 0,0025 cm und fest gegen die Seitenwand des Behälters eingepaßten Kanten. Der Schaumpuffer war ein Silikonschaum mit einer Dicke von 3 mm, der auch fest gegen die innere Oberfläche des Bechers eingepaßt war. Das Produkt ohne Zwischenschicht wies das Schokoladenplätzchen und die Eiskrem in Kontakt miteinander auf. Das Schokoladenplätzchen wies eine Dicke von 1,7 cm auf und wog 42 g und die Eiskrem wies einen Butterfettgehalt von 12 Gew.-%, einen Überschuß von 70 % und ein Gewicht von 60 g auf.
Fig. 2 zeigt, daß, je geringer die Transmission von Mikrowellenenergie durch die Verwendung einer reflektorähnlichen Metallfolie oder einer Soße mit einem höheren Feuchtigkeitsgehalt ist, desto höher der Temperaturunterschied ist. Der Schaumpuffer, der die höchste Transmission und die beste Isolierung lieferte, lieferte im allgemeinen den geringsten Temperaturunterschied, was zeigt, daß die Transmission von Mikrowellenenergie diejenige ist, die in erster Linie ein Erhitzen der abgeschirmten Komponente verursacht. Das Temperaturprofil vom Erhitzen des Schaumschichtprodukts ist Linie E, Fig. 2. Die Umkehr der Kurven für das Produkt ohne Zwischenschicht und den Schaumpuffer bei ungefähr 80 Sekunden ergibt sich wahrscheinlich aufgrund des konduktiven Wärmeübergangs, der mit der Zeit eine Wirkung zeigt. Es ist ersichtlich, daß die Aluminiumschicht, der "vollkommene" Reflektor und "vollkommene" Wärmeleiter, den höchsten Temperaturunterschied lieferte, während der Schaum, ein "vollkommener" Überträger von Mikrowellenenergie und "vollkommener" Isolator, den geringsten Temperaturunterschied lieferte. Der Stand der Technik hatte den Bedarf an Isolatoren, um schadhaftes Erhitzen zu verhindern, diskutiert. Somit war die sich im Hinblick auf einen Temperaturunterschied von dem besten Wärmeleiter ergebende beste Leistung und die sich von dem schlechten Wärmeleiter ergebende schlechteste Leistung eine Überraschung. Diese Ergebnisse stützen die Theorie, daß eine Steuerung der Transmission von Mikrowellenenergie in Nahrungsmittelsystemen dieser Art der Schlüsselfaktor zum Erreichen eines Temperaturunterschieds ist und nicht eine Wärmeisolation, die nach dem Stand der Technik als erforderlich angesehen wird. Somit kann eine relativ hoch wärmeleitende Schicht mit gesteuertem Transmissionsvermögen wirksam verwendet werden.
Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Theorie ist weiterhin in Fig. 9A, B und C dargestellt, die Kurven für Reflexionsstärke, Absorptionsstärke, Abschirmung und bezogene Eigenschaften der Zwischenschicht als eine Funktion der Schichtdicke zeigen. Die Kurven basieren auf Berechnungen. Fig. 9A gilt speziell für die oben beschriebene Zwischenschicht vom Steuersoßentyp mit den folgenden Eigenschaften E' - 13 und E" = 3,5 auf, die einen Gehalt an nicht-gebundenem Wasser von 24 % hat. Fig. 9B und 9C benutzen verschiedene E'- und E"-Werte zum Vergleich und würden Schichten mit erhöhten Wassergehalten wiedergeben. Die Orte und Intensitäten der Maxima und Minima bei diesen Kurventypen hängen von den dielektrischen Eigenschaften des Schichtmaterials ab.
Die Verteilung von Mikrowellenenergie in dem Produkt von Fig. 1 kann näherungsweise durch die theoretischen Beziehungen in Fig. 9A, B und C definiert werden. Zum Beispiel hängt die Menge an Mikrowellenenergie, die an das Schokoladenplätzchen abgegeben wird, stark von der Menge von durch die Zwischenschicht reflektierter Energie ab. Jedoch hängt die Menge an Energie, die an die Eiskrem abgegeben wird, stark von den Energiemengen ab, die von der Zwischenschicht reflektiert und in der Zwischenschicht absorbiert werden. Somit kann durch Addition der Mengen an von der Zwischenschicht reflektierter Energie und in der Zwischenschicht absorbierter Energie die Energiemenge bestimmt werden, die von der Zwischenschicht, wie in Fig. 9A, B und C gezeigt, abgeschirmt worden ist. Die relative Heizrate der Zwischenschicht, die anhand der Absorption und der thermischen Belastung der Schicht berechnet wurde, ist auch in Fig. 9A, B und C dargestellt. Es ist ersichtlich, daß die Wirksamkeit der Schicht als eine Abschirmung über einen breiten Bereich von Dicken hoch bleiben kann, aber ihre Absorptions- und Reflexionseigenschaften und nachfolgend ihre Aufhelzelgenschaft erheblich mit einer Anderung in der Dicke variieren können. Allgemein ergibt eine Zu- oder Abnahme in der Absorptions- oder Reflexionsstärke jeweils eine Ab- oder Zunahme in der anderen. Die in Fig. 9A, B und C beschriebenen Beziehungen zeigen, daß Nahrungsmaterialien genau wie andere Abschirmgrenzen anders wirken können, weil es auch absorbieren kann, wodurch es das Erzielen von Temperaturunterschieden und unterschiedlichem Erhitzen, wie in dem Produkt in Fig. 1 erwünscht, oder das Erzielen anderer vorteilhafter Verteilungen von Mikrowellenenergie innerhalb eines Nahrungsmittels in einer wirkungsvollen und gesteuerten Weise ermöglicht.
Eine weitere Überprüfung der der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Theorie brachte die Messung des Temperaturunterschiedes zwischen dem Schokoladenplätzchen und der Eiskrem als eine Funktion der Zwischenschichtdicke mit sich. Um die Ergebnisse zu verstehen, sollte man nochmals Fig. 9A betrachten, eine theoretische Reihe von Kurven, die auf einer Schicht mit E' = 13 und E"= 3,5 basiert. Diese Figur deutet an, daß der Prozentsatz von Energie, die von der Zwischenschicht reflektiert wird, von 0 auf ein Maximum ansteigen und dann auf ein Minimum zwischen Schichtdicken von 0 cm und ungefähr 1,6 cm fallen sollte. Die von der Zwischenschicht reflektierte Energie hilft, das Schokoladenplätzchen in Fig. 1 zu erhitzen, und hilft auch, die Eiskrem abzuschirmen, wodurch eine große Wirkung auf den Temperaturunterschied zwischen den zwei Komponenten ausgeübt wird. Fig. 7 stellt die Ergebnisse von Experimenten dar, bei denen die Zwischenschichtdicke des Schokoladenplätzchen-Soße-Eiskrem-Systems zwischen 0 und 1,6 cm variierte. In der dreidimensionalen grafischen Darstellung, Fig. 8, ist der Temperaturunterschied als eine Funktion der Schichtdicke (mm) und Mikrowellenzubereitungszeit (P, Sekunde) aufgetragen. Es wird beobachtet, daß die Kurve dieser Ebene im Raum eine starke Beziehung zu der Gestalt der Reflexionsstärkekurve von Fig. 9A zeigt. Somit sind die Theorie und die praktische Anwendung dieser Theorie in guter Übereinstimmung. Eine weitere Überprüfung der der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Theorie brachte die Messung von Zwischenschichttemperaturen als eine Funktion der Zwischenschichtdicke mit sich. Wie in Fig. 9A dargestellt, ist die relative Heizrate der Zwischenschicht die höchste bei sehr geringen Dicken, fällt auf ein Minimum und steigt dann auf ein Maximum bei ungefähr 1,6 cm an. Fig. 13 stellt die Ergebnisse von Experimenten dar, bei denen die Soßentemperaturen des Schokoladenplätzchen-Soße-Eiskrem-Systems bei Soßendicken zwischen 0,4 und 1,6 cm gemessen wurden. Wie anhand dieser Daten gesehen werden kann, ist die Heizrate die höchste bei 0,4 cm (Temperatur in noch geringeren Soßendicken kann nicht genau mit einem Luxtron-Modell 750 fluoroptischen thermometrischen System gemessen werden), etwas geringer bei 0,8 cm, am geringsten bei 1,2 cm und dann wieder höher bei 1,6 cm. Ein mathematisches Modell der Soßentemperatur als Funktionen von Soßendicke und Mikrowellenzubereitungszeit wurde unter Verwendung dieser Daten erstellt. Die dreidimensionale Darstellung dieses Modells ist in Fig. 14 dargestellt. Es wird beobachtet, daß die Kurve dieser Ebene im Raum eine starke Beziehung zu der Kurve der relativen Heizrate von Fig. 9A zeigt. Somit stimmen wieder die Theorie und die praktische Anwendung dieser Theorie überein.
Durch geeignetes Auswählen, entweder durch Berechnung oder empirisch, der thermischen Belastungen der zwei Hauptkomponenten des Systems in Kombination mit geeigneten Mikrowelleneigenschaften der Abschirmschicht kann ein wirkungsvolles unterschiedliches Erhitzen in einem drei- oder mehrkomponentigen System erzielt werden. Außerdem haben weitere Arbeiten angedeutet, daß in einem Zweikomponentensystem eine Komponente mit geeignet ausgewählten Eigenschaften auch wirksam verwendet werden kann, um die andere Komponente abzuschirmen, um unterschiedliches Erhitzen zu erzielen. Zum Beispiel kann dies die Form von Käsesoße und Broccoli annehmen, worin der Broccoli an der Oberseite der Käsesoße sein kann. Die Käsesoße kann erhitzt werden und so als eine Abschirmung wirken, um zu verhindern, daß der Broccoli nicht einwandfrei erhitzt oder überkocht wird. Die Zeit, die notwendig ist, um derartige Systeme zu erhitzen, muß auch im Verhältnis zu den physikalischen Eigenschaften der Nahrungsmittelsystemkomponenten gesteuert werden.
Durch Auswählen der relativen thermischen Belastungen der Komponenten in dem Mehrkomponentensystem, der dielektrischen Eigenschaften (z.B. E' und E") und Geometrien der Komponenten des Systems, ist es möglich, ihre Absorptionsstärke, Reflexionsstärke, Transmission und Abschirmfähigkeit zuverlässig zu steuern und nachfolgend die Verteilung von Mikrowellenenergie in einem Mehrkomponentennahrungsmittelsystem zuverlässig zu steuern. Die Geometrie hat eine Wirkung auf das System. Zum Beispiel spielen die physikalischen Abmessungen, die Gestalt und die relativen Positionen der Komponenten eine Rolle. Diese können empirisch oder durch Experimente ausgewählt werden. Es wird bevorzugt, daß die Abschirmschicht im allgemeinen dieselbe Gestalt wie die Oberfläche aufweist, mit der sie in Kontakt ist, d.h., daß sie mit der Gestalt der dazu benachbarten eßbaren Komponenten übereinstimmt.
Die Reihen von in Fig. 9A, B und C dargestellten Kurven zeigen die Abhängigkeit der Absorptionsstärke, Reflexionsstärke, Abschirmfähigkeit (Absorptionsstärke plus Reflexionsstärke) und Schichtheizrate von der dielektrischen Konstanten (E') und dem dielektrischen Verlustfaktor von (E") mit variierenden Schichtdicken auf. Fig. 9A stellt die Beziehungen für die oben beschriebene Schokoladensoße dar, wie anhand eines mathematischen Modells für diese Schokoladensoßenschicht (24 % nichtgebundenes Wasser), die im Raum schwebt, berechnet. Bei dieser Soße ist angenommen, daß sie jeweils Werte von 13,0 und 3,5 für E' und E" bei Raumtemperatur aufweist. Wenn die Werte von E' und E" in Fig. 9A, B und C zunehmen, nehmen die Intensitäten (Amplituden) aller Spitzenwerte bei ähnlichen Auftragungen zu, während die Wellenlänge der im allgemeinen sinusförmigen Kurven abnimmt. Dies ist in Fig. 9B dargestellt, die für eine Zwischenschicht mit den folgenden dielektrischen Eigenschaften von E' = 26,0 und E" = 7,0 entworfen ist. Weiter Zunahmen in diesen Werten auf E' = 39,0 und E" = 10,5 liefern die in Fig. 9C dargestellten Beziehungen mit sogar noch höheren Intensitäten und geringeren Wellenlängen. Folglich ist es durch Steuern der Dicke und dielektrischen Eigenschaften der Zwischenschicht möglich, die Reflexionsstärke, Absorptionsstärke, Abschirmfähigkeit und Heizrate dieser Schicht zu steuern und die Reflexionsstärke und Absorptionsstärke mehrfach über einen weiten Bereich von Dicken oberhalb einer minimale Dicke zu variieren. Dies erlaubt die Gestaltung von zahlreichen Produkten mit einer akzeptablen Leistung bei verschiedenen Dicken. Es ist auch möglich, die oben beschriebenen Beziehungen zu verwenden, um sogar Einzelkomponentennahrungsmittel zu gestalten, die gemäß denselben Kriterien, wie für die Mehrkomponentensysteme dargelegt wurden, zu erhitzen.
Zusätzlich zur Steuerung der Funktionalität der aktiven oder Abschirm(Zwischen-)Schicht sollte man auch die Eigenschaften der Materialien (Schichten), die benachbart zu der aktiven Schicht sind, betrachten. Zum Beispiel kann die Abschirmfähigkeit der Zwischenschicht, wie oben beschrieben, variiert werden, um die Abschirmwirkung zu optimieren, aber die Mikrowellenbelastungen und thermischen Belastungen der Komponente, die abgeschirmt wird, und auch anderer Komponenten sollte auch betrachtet werden. Wenn die in dem Beispiel diskutierte Soße konstant bleibt und ungefähr 80 % der einfallenden Mikrowellenenergie, wie in Fig. 9A vorgeschlagen ist, abschirmt, werden die restlichen 20 %, die durch die Schicht hindurch übertragen werden, eine größere Wirkung auf einen Anstieg der Temperatur einer kleinen Eiskremmenge als auf eine größere Menge nur aufgrund der thermischen Belastung der Eiskrem haben. Dies ist in Fig. 12 dargestellt, die die Wirkung der Menge von Eiskrem zeigt, die mit einer konstanten Zwischenschicht abgeschirmt wird. Es kann beobachtet werden, daß die kleine Menge von abgeschirmter Eiskrem sich schneller aufheizt als größere Mengen abgeschirmter Eiskrem.
Daher sollte man zuerst die in Fig. 9A, B und C festgestellten Beziehungen betrachten, um die gewünschte Eigenschaft (d.h. Reflexionsstärke, Absorptionsstärke, Heizrate und/oder Abschirmfähigkeit) der aktiven (Zwischen-)Schicht zu optimieren. Dann sollte man die Wirkungen der Materialien in dichter Nachbarschaft zu der aktiven Schicht, wie in Fig. 12 gezeigt, betrachten.
In bestimmten Fällen, wie z.B. kleine Produkte vom Einzelpakkungs-Typ, sagen wir 200 g oder weniger, wo die thermischen Belastungen und Mikrowellenbelastungen gering sind, ist es wahrscheinlich, daß diese Faktoren nicht kombinieren werden, um ein ausreichendes Produkt zu liefern. Wenn dies auftritt, kann die Verwendung von Verpackungsabschirmungen und/oder - absorbern als ein Teil des Gesamtprodukts erforderlich sein.
Wie in Fig. 10, 11, 12, 16 und 17 zu sehen ist, ist die Wichtigkeit von relativer thermischer Belastung und der Bedarf an Abschirmung in Produkten mit geringer thermischer Belastung grafisch dargestellt.
Leistungsabschätzungen für Systeme mit und ohne Abschirmung können auch berechnet werden. Dies wurde für einen 5 cm-Würfel aus Eiskrem mit einem angenommenen E'-Wert von 3 und einem E"-Wert von 0,8 und einem 100 %-Überschuß durchgeführt. Die Zeit zum halben Schmelzen der Eiskrem in einer Würfelform wurde für verschiedene Abschirmanordnungen berechnet. Die zum Schmelzen der Hälfte der Eiskrem von 62,5 g erforderliche Energie ergab sich durch Berechnung zu 336 Kalorien, die in einem 700 Watt-Ofen die Eiskrem in ungefähr 26 Sekunden, wenn sie nicht abgeschirmt ist, zur Hälfte schmelzen wird. Dies kann mittels der Gleichungen berechnet werden:
P/V = 2πE&sub0;fE"/Erms/2 (1)
T = Q/P (2)
wobei:
P = Energie
V = Volumen des Nahrungsmittels
Erms = elektrische Feldstärke
f = Frequenz
E" = dielektrischer Verlust
E&sub0; = Dielektrizitätskonstante des freien Raums
T = zum Zurhälfteschmelzen erforderliche Zeit
Q = zum Zurhälfteschmelzen erforderliche Wärme
Wenn das Produkt, bis auf eine Seite auf allen Seiten abgeschirmt wird und in der Form eines Würfels vorliegt, so daß alle Seiten gleiche Flächen aufweisen, beträgt die auf die Eiskrem einfallende Energie theoretisch ein Sechstel des nicht abgeschirmten Würfels, was mittels Berechnung zweieinhalb Minuten zum Schmelzen der Hälfte benötigen würde. Wenn an der offenen Seite der Abschirmung darin eine Abschirmsoßenschicht mit einer Reflexion von 60 % und einer Absorption von 20 % durch die Abschirmschicht positioniert wäre, würde die Zeit, um ein Schmelzen der Hälfte zu erreichen, ungefähr 6 Minuten und 30 Sekunden betragen. Wenn man jedoch eine Abschirmschicht mit dielektrischen Eigenschaften von 0,8 cm dicker Butter mit einer Reflexionsstärke von ungefähr 25 % und eine Absorptionsstärke von ungefähr 10 % annimmt, dann würde die Zeit, um die Hälfte zu schmelzen, durch Rechnung ungefähr dreieinhalb Minuten betragen, d.h. nicht viel anders als bei der nicht abgeschirmten Version sein.
Es ist festgestellt worden, daß der abgeschirmte Würfel die ein fallende Mikrowellenenergie um ungefähr 5 Sechstel verringert. Zusätzlich wird eine schwachreflektierende Schicht (z.B. Butter mit einer Reflexion von 25 %) in dem abgeschirmten Würfel (Verpackungsabschirmungen an den Seiten und der Oberseite) nur ungefähr 53 % wirksam wie das hochreflektierende Soßenprodukt beim Abschirmen der Eiskrem (d.h. sie schmilzt in 53 % der Zeit) sein. Dieselbe Menge an vollkommen nicht abgeschirmter Eiskrem wird 7 % wirksam und die Eiskrem in dem abgeschirmten Würfel ohne eine Soßenschicht wird ungefähr 40 % effektiv wie das System mit einer hochreflektierende Soße sein. Diese Berechnung zeigt, daß eine geeignete Auswahl von Steuerschichtdicke und dielektrischen Eigenschaften in Kombination verwendet werden kann, um die Erfindung auszuüben. Bei der Ausübung der vorliegenden Erfindung ist eine Bestimmung der gewünschten Temperatur oder des Heizunterschiedes erforderlich. Eine weitere Bestimmung, die vorgenommen werden muß, ist, wie das Produkt verteilt sein wird. Wird es eingefroren verteilt sein, gekühlt oder lagerstabil, d.h. die Anfangstemperatur des Produkts muß bekannt sein. Noch wichtiger ist, daß die Eigenschaften des Produkts kurz vor dem Bestrahlen mit Mikrowellenstrahlen bekannt sein sollten, um das Produkt geeignet zu gestalten. Im allgemeinen wird ein Produkt direkt vom Lager mit Mikrowellen bestrahlt werden und die Lagerbedingungen werden der Anfangsbedingung für das Produkt entsprechen. Jedoch kann ein Produkt bei -10ºC gelagert werden, aber nach einer Auftau- oder Vorheizzeit erhitzt werden. Die Mikrowelleneigenschaften könnten bei diesen unterschiedlichen Temperaturen wesentlich verschieden sein. Somit sind die Eigenschaften des Produkts, wie sie hiernach beschrieben werden, diejenigen, kurz bevor das Produkt mit Mikrowellenstrahlung zum Verzehr bestrahlt wird. Dies wäre nach einem Vorheizen, Auftauen, etc. auch in der Mikrowelle, nach einem Halten auf einer erhöhten Temperatur oder dergleichen. Gewöhnlich ist es die letzte und hauptsächliche Bestrahlung mit Mikrowellenstrahlung, die das Produkt zum Verzehr zubereitet, das ist der Zustand, für den das Produkt gestaltet ist. Durch Auswahl der relativen thermischen Belastungen, Einstellen der dielektrischen Eigenschaften der Komponenten des Nahrungsmittelsystems, der Reflexionsstärke, Absorptionsstärke und Transmission der Abscbirmkomponente und der Zeit, die notwendig ist, um den Bereich zu erhitzen, der heißer sein sollte oder mehr Wärmezufuhr erfordert, kann der gewünschte Unterschied zuverlässig erzielt werden.
Vorzugsweise sollte die Abschirmschicht mit der anderen Schicht (den anderen Schichten), die damit in Kontakt ist (sind), nicht mischbar sein. Nicht mischbar bedeutet, daß die Schichten im wesentlichen getrennt oder verschieden mit einer im wesentlichen verschiedenen Grenzschicht zwischen den zwei Schichten bleiben. Nichtmischbarkeit kann durch die Steuerung der Eigenschaften jeder Schicht erzielt oder auch durch eine Sperrschicht zwischen den zwei Schichten, die auch vorzugsweise eßbar ist, bereitgestellt werden. Was auch wichtig zu sein scheint, ist nicht eine vollständige Trennung der Schichten über eine Zeit, sondern die Bereitstellung einer scharfen Anderung oder eines Bruchs in dielektrischen Eigenschaften (E' und/oder E") an der Grenzfläche zwischen den zwei Schichten. Vorzugsweise bleiben die Schichten nicht vermischbar, wenigstens anfänglich während des Bestrahlens mit Mikrowellenstrahlung. Auch sollte die Abschirmschicht einen hohen Gehalt an Wasser aufweisen, weil 1) Wasser preisgünstig ist und 2) Wasser eine sehr wirkungsvolle und eßbare Abschirmung ist und auf einfache Weise variable dielektrische Eigenschaften durch das Hinzufügen von Verdickungsmitteln und anderen lösbaren Materialien aufweist. Das Wasser sollte vorzugsweise nicht eingefroren sein, d.h. in diesem Falle nicht in der Eis- oder Kristallgestalt, sogar wenn es auf einer Temperatur unterhalb von 0ºC ist. Ein Eisgehalt kann auf einfache Weise durch das Hinzufügen von Gefrierpunkterniedrigern, wie z.B. Zucker, Salz, etc. beeinflußt werden. Durch Hinzufügen von ausreichenden Verdickungsmitteln, wie z.B. Stärke, Gummi oder Zucker oder anderes, ist es auch auf einfache Weise mit einer Menge von anderen Lebensmittelschichten nicht mischbar zu machen und durch wirksames Binden des Wassers mit den Zusätzen wird eine nur geringe Feuchtigkeitswanderung während des Lagerns auftreten und kann es über einen weiten Bereich von Temperaturen, ohne seine Nichtmischbarkeit zu verlieren, gelagert werden. Eine eßbare Sperre kann auch zwischen zwei Schichten zwischengeschoben werden, um eine Nichtnischbarkeit zu liefern, wenn weniger viskose oder Schichten mit einem höheren Wasseranteil gewünscht sind.
Wie in Fig. 9A, B und C zu sehen ist, kann durch Ändern der dielektrischen Eigenschaften der Abschirmschicht, was auf einfache Weise durch Ändern des Gehalts an nicht-gebundenem Wasser vorgenommen werden kann, die Funktionalität der Abschirmung auf einfache Weise eingestellt werden.
Wie in Fig. 15 zu sehen ist, ist, wenn das abgeschirmte Produkt weniger tolerant gegenüber Wärme aufnahme oder Temperaturanstieg, z.B. geringe thermische Belastung oder Verschlechterung durch einen geringen Temperaturanstieg oder eine Wärmeaufnahme, ist, mehr Abschirmung erforderlich. Umgekehrt ist, wenn das Produkt toleranter gegenüber einer Wärmeaufnahme oder einen Temperaturanstieg ist, eine geringere Abschirmung erforderlich. Die Toleranz gegenüber Wärme des abgeschirmten Produkts hängt von seinen dielektrischen Eigenschaften, seiner thermischen Masse und auch seinen Sensibilitätseigenschaften ab. Die Abschirmmenge kann, wie oben beschrieben, durch Variieren des Aufbaus der Abschirmschicht und auch durch Verwendung einer Metallabschirmung oder anderer Abschirmungen in Kombination damit variiert werden. Wie sich anhand dieser Offenbarung ergibt, muß im allgemeinen, je kleiner der Nahrungsgegenstand ist, der abzuschirmen ist, desto mehr einfallende Strahlung von dem Produkt, insbesondere wenn es nicht sehr tolerant gegenüber einer Wärmeaufnahme, wie z.B. Eiskrem, ist, abgeschirmt werden.
Es wird als wichtig angesehen, daß die Grenze zwischen den Nahrungskomponentenschichten verschieden ist, d.h. eine abrupte Anderung in der Impedanz an Schichtgrenzen liefert, um folgerichtig ein gewünschtes Profil von Mikrowellenenergieverteilung innerhalb des Mehrkomponentennahrungsmittels zu erzielen. Luftspalte können zwischen Nahrungskomponentenschichten auftreten, und es liegt innerhalb des Umfangs dieser Erfindung, eine Luftspaltdicke (Luftspaltdicken) einzustellen, oder den Spalt (die Spalte) zu eliminieren, um ein gewünschtes Profil von Mikrowellenenergieverteilung innerhalb des Mehrkomponentennahrungsmittels zu erzielen. Bei nochmaliger Betrachtung der Grafiken von Fig. 9A, B und C und Fig. 24A, B und C (die Berechnungen, die sich auf Fig. 24A, B und C beziehen, wurden unter Verwendung des in Anhang A aufgelisteten Computerprogramms durchgeführt), ist ersichtlich, insbesondere für Produkte mit hohen E'- und E'"-Werten, daß Bereiche der Energieabsorptionskurven sehr steile Steigungen bezogen auf eine Anderung in einer besonderen Schichtdicke aufweisen. Somit wird wünschenswerterweise unter Verwendung von Fig. 9A, B und C die Schichtdicke bei ungefähr der Spitze oder darüber der Anfangsneigung gewählt, so daß geringe Änderungen nicht ungewollt die Menge an übertragener Mikrowellenenergie insbesondere für Systeme, die nicht tolerant gegenüber einer Wärmeaufnahme sind, beeinflussen. Diese Spitze oder Steigungsänderung der Abschirmwertkurve kann durch den ersten Wendepunkt der ersten Ableitung in der Kurve abgeschirmter Energie genähert werden. Zum Beispiel tritt in Fig. 9A der erste Wendepunkt in der Nähe von 80 % auf. Die erforderliche Dicke dieser Schicht kann auch durch Variieren der dielektrischen Eigenschaften der Schicht verändert werden und denselben Abschirmwert erreichen.
Bei nochmaliger Betrachtung von Fig. 24A, B und C werden außerdem wünschenswerterweise Schichtdicken bei ungefähr einer Nullstelle oder in der Nähe eines lokalen Minimums in der Kurve, die sich auf den Absolutwert der ersten Ableitung der Energieabsorptionskurve bezieht, gewählt, so daß geringe Anderungen in der Schichtdicke oder Zusammensetzung nicht ungewollt die Menge an absorbierter Mikrowellenenergie, insbesondere für Systeme, die nicht tolerant gegenüber einer Wärmeaufnahme sind, beeinflussen. Typischerweise tritt dies bei ungefähr einem lokalen Maximum oder einem lokalen Minimum in der Energieabsorptionskurve auf. Zum Beispiel würde in Fig. 24A die Wasserschichtdicke wünschenswerterweise ungefähr 0,4 cm, 0,75 cm oder 1,1 cm, etc., betragen, da diese Dicken lokale Minima oder Maxima in der Schichtenergieabsorption erzeugen und einem am besten ermöglichen würden, eine Heizratenkontrolle zu erzielen. Fig. 24B stellt einen Fall dar, bei dem für Brotdicken unterhalb von 2,5 cm die Energieabsorptionskurven kein lokales Maximum oder lokales Minimum aufweisen; ein lokales Energieabsorptionsminimum tritt für Wasser in der Nähe von 3,2 cm und ein lokales Minimum für Ol in der Nähe von 3,9 cm auf. Fig. 25C zeigt den Absolutwert der ersten Ableitung der Energieabsorptionskurve in Fig. 25A. Ein lokales Minimum in dem Absolutwert der ersten Ableitung der Energieabsorptionskurve tritt bei einer Dicke von ungefähr 0,9 cm bis 1,0 cm auf, und Nullpunkte in dem Absolutwert der ersten Ableitung der Energieabsorptionskurve treten bei Dicken in der Nähe von 3,0 cm und 3,8 auf. Für den in Fig. 25A, B und C dargestellten Fall würde eine Heizratensteuerung einfacher bei Dicken in der Nähe von 0,9 cm bis 2,0 cm, 3,0 cm und 3,8 cm als z.B. in der Nähe von Dicken von 2,3 cm oder 4,8 cm erreicht werden. Die optimale Dicke dieser Schicht kann auch durch Variieren der dielektrischen Eigenschaften der Schichten in dem Mehrkomponentennahrungsmittelsystem verändert werden, um im wesentlichen dieselben Ergebnisse zu erzielen. Somit kann man sehen, daß ein mehrkomponentiges beschichtetes Nahrungsmittelsystem auf einfache Weise hergestellt werden kann, um ein gewünschtes Energieverteilungsprofil innerhalb des Nahrungsmittelsystems zu erreichen.
Wie oben beschrieben, wird die Abschirmschicht verwendet, um die Menge an Energie, die an die abgeschirmte Komponente übertragen wird, zu kontrollieren. Vorzugsweise weist die Abschirmschicht eine Dicke derart auf, daß der Abschirmwert (Absorptionsstärke plus Reflexionsstärke) kurz vor einem Bestrahlen mit Mikrowellenstrahlung zum Verzehr wenigstens ungefähr 70 %, vorzugsweise wenigstens ungefähr 80 %, und am bevorzugtesten wenigstens ungefähr 90 % des ersten Wendepunkts der Abschirmenergie/Dicke-Kurve beträgt. Diese Werte sind durch Berechnung unter Verwendung der folgenden Gleichung bestimmbar, um eine Abschirmwertkurve zu erstellen, wie im folgenden unter Bezugnahme auf ein Bestimmen von Absorptionsstärke- und Reflexionsstärkewerten beschrieben wird. Basierend auf einer Theorie und unter Annahme einer Schicht in einem freien Raum können die Absorptionsstärke, Transmission und Reflexionsstärke durch Gleichung 3 berechnet werden. wobei und
wobei:
A = Bruchteil absorbierter Energie
d = Dicke
e = Basis des natürlichen Logarithmus
i =
k = Extinktionskoeffizient
n = Brechungsindex
r = Intensität des reflektierten elektrischen Feldes
t = Intensität des transmittierten elektrischen Feldes
λ&sub0; = Wellenlänge = 12,24 cm 2450 MHz
Die Therme Absorptionsstärke, Reflexionsstärke und Transmission werden hierin definiert wie folgt: Absorptionsstärke (A) ist der Teil der einfallenden Energie, der absorbiert wird, Reflexionsstärke r ² ist der Teil der einfallenden Energie, der reflektiert wird, und Transmission t ² ist der Teil der Energie, der durch das Produkt oder die Schicht transmittiert wird.
Diese Gleichung ist in Fig. 9A, B und C grafisch dargestellt. Die Formel basiert auf dem Produkt, das eine Schicht in einem freien Raum bei 2450 MHz ist, und kann wahrscheinlich hinsichtlich der Genauigkeit verbessert werden, um Schichten nicht in einem freien Raum einzuschließen. Transmission und Reflexionsstärke können auch durch eine Genesys-Maschine (hergestellt von Gerling Laboratories) oder einem Hewlett-Packard 8753A-Netzwerkanalysator gemessen werden.
Außerdem weist die Abschirmschicht vorzugsweise eine wesentliche Wasserinenge auf. Vorzugsweise sollte auch dieses Wasser nicht-gebundenes Wasser und nicht eingefroren bei der Lagertemperatur oder Temperatur des Produkts genau vor dem Erhitzen in dem Mikrowellenofen sein. Vorzugsweise ist der Gehalt an nicht-gebundenem Wasser in dem Bereich von zwischen ungefähr 20 und 95 %, vorzugsweise in dem Bereich von zwischen ungefähr 24 % und ungefähr 90 %, und besonders bevorzugt in dem Bereich von zwischen ungefähr 27 % und ungefähr 85 Gew.-% der Abschirmschicht genau vor dem Bestrahlen mit Strahlung. Diese Höhe an nicht-gebundenem Wasser kann durch das Verfahren, das in AOAC (Analyseverfahren), 14. Ausgabe 1984, Abschnitt 31.118, beschrieben ist, unter Verwendung eines luftgeheizten Ofens und Aussetzen der Probe bei 70ºC für 16 Stunden unter einem Druck von weniger als 50 mm HG gemessen werden. Vorzugsweise sollte die Abschirmkomponente weniger als ungefähr 50 %, vorzugsweise weniger als ungefähr 30 %, und besonders bevorzugt weniger als ungefähr 10 % Eis von dem Gewicht der Komponente, wie es genau vor dem Bestrahlen gemessen wird, aufweisen. Der Eisgehalt kann durch Differentialabtastkalorimetrie gemessen werden. Die Menge an nicht-gebundenen Wasser und Eis können auf einfache Weise durch Steuern der Zusätze zu dieser Schicht, wie oben beschrieben, die als Gefrierpunktserniedriger sowie als Verdickungsmitteln, falls erwünscht, funktionieren können, eingestellt werden.
Wenn das Wasser in der Abschirmschicht Eis ist, ist seine Abschirmfähigkeit wesentlich verringert, aber könnte in Systemen, die nur geringe Abschirmung erfordern, verwendet werden.
Es ist auch klar, daß die Abschirmschicht, wie oben beschrieben, in Mehrfachschichten und auch inhomogen sein kann, z.B. Feststoffmaterial enthalten kann. Wobei die beschriebenen Werte für die Schicht auch auf die zusammengesetzten Schichten angewendet werden. Ein Beispiel dafür wäre ein Eisbecher mit einer Schokoladensoße und einer Karanelsoße, die benachbart zueinander positioniert sind und eine Abschirmung um z.B. eine Eiskrem bilden.
Die Abschirm- oder Steuerschicht weist eine Dicke und dielektrische Eigenschaften derart auf, daß von der einfallenden Mikrowellenenergie, die von der Ofenseite auf die bestrahlte, direkte oder indirekte, Hauptfläche derselben trifft, ungefähr 20 % bis ungefähr 90 %, vorzugsweise ungefähr 25 % bis ungefähr 80 % und besonders bevorzugt ungefähr 30 % bis ungefähr 80 % reflektiert und ungefähr 10 % bis ungefähr 65 %, vorzugsweise ungefähr 15 % bis ungefähr 65 % und besonders bevorzugt ungefähr 20 % bis ungefähr 65 % der einfallenden Strahlung absorbiert wird und vorzugsweise die Summe von reflektierter und absorbierter Energie zum Abschirmen oder Steuern ungefähr 60 %, besonders bevorzugt ungefähr 70 % und am meisten bevorzugt ungefähr 80 % überschreitet. Diese Werte für Absorptionsstärke und Reflexionsstärke und auch für Transmission und Abschirmung (wie auch der erste Wendepunkt, wie oben offenbart), wie in der Beschreibung offenbart und in den Ansprüchen verwendet (bis auf, wie unten angemerkt, eine zusammengesetzte Schicht) werden für eine Einzelschicht durch Berechnung anhand der obigen Gleichung A = 1- t ² - r ² bestimmt.
E' und E" können mit einem Netzwerkanalysator, wie z.B. ein Hewlett-Packard-Netzwerkanalysator, gemessen werden. Durch Verwendung der E'- und E'"-Werte in der Gleichung können die Absorptionsstärke, Reflexionsstärke, Transmission und Abschirmung berechnet werden. E' und E" und somit die Absorptionsstärke, Reflexionsstärke, Transmission und Abschirmwerte sind für das Produkt bei einer Temperatur, die dieselbe ist, wie diejenige, auf der das Produkt genau vor dem Bestrahlen mit Mikrowellenstrahlung zum Verzehr sein würde. Für eine Mehrschichten-"Schicht" können die Absorptionsstärke, Reflexionsstärke, Transmission und Abschirmung für die Zusammensetzung unter Verwendung eines koaxialen Wellenleiters auf der Objekttemperatur, wie gerade beschrieben, gemessen oder bestimmt werden. Der Abschirmwert ist die numerische Summe von Reflexionsstärke- und Absorptionsstärkewerten oder 1,0 - Transmission.
Die Dicke der Abschirmschicht wird gewählt, um eine minimale Dicke vorzugsweise oberhalb ungefähr 0,25 cm an, besonders vorzugsweise über ungefähr 0,4 cm und am meisten bevorzugt über ungefähr 0,5 cm zu überschreiten. Die Dicke der Schicht kann ungleichförmig sein und es wird bevorzugt, daß ein Hauptteil, vorzugsweise wenigstens ungefähr 75 % und besonders bevorzugt wenigstens ungefähr 90 % und am meisten bevorzugt alles auf einer Gebietsgrundlage diese Werte überschreitet. Es ist anhand von Fig. 9A, B und C ersichtlich, daß eine Dicke, die ein Minimum überschreitet, in der Praxis nur etwas die Menge der Abschirmfähigkeit oder den Abschirmwert der Abschirmschicht verändern wird. Jedoch ist anhand der der Reflexionsstärke und der Absorptionsstärke entsprechenden Kurven ersichtlich, daß ein weiterer Anstieg in der Dicke die relativen Mengen von Absorptionsstärke und Reflexionsstärke ändern kann, wodurch eine feine Abstimmung der Zeit Temperaturbeziehung für ein Erhitzen während der Bestrahlung mit Mikrowellenbestrahlung möglich wird. Dies ermöglicht für die Gestaltung von Nahrungsmitteln, eine geeignete Abschirmung zu erzielen, während es möglich ist, die Temperatur der Abschirmschicht und äußeren Schicht ohne erhebliche oder wesentliche Anderung der Abschirmfähigkeit der Abschirmschicht einzustellen.
Die obigen Werte basieren auf einer Mikrowellenfrequenz von 2450 MHz. Diese Werte werden sich ändern, wenn sich die Frequenz ändert. Die am meisten verwendete Frequenz für den Betrieb von Haushaltsmikrowellenöfen beträgt 2450 MHz und eine industriell verwendete Mikrowellenfrequenz beträgt 915 MHz. Somit ist, wenn sich die Frequenz ändert, die Art der Steuerung die gleiche, aber die Werte für Dicke, dielektrische Eigenschaften, Absorptionsstärke, Transmission und Reflexionsstärke werden sich ändern, aber Tragen der Theorie und den Gleichungen Rechnung.
Wenn man beschichtete Nahrungsmittelsysteme unter dem Blickwinkel von Mehrschicht-Interferenzwirkungen betrachtet, so ist es das System, das eine Steuerung jeder der eßbaren Schichten bewirkt. Eine Energieverteilung (Ausbreitung) oder -absorption in einer Schicht wird durch die Komponenten des Nahrungsmittelsystems gesteuert. Wie hierin verwendet, schließt ein Nahrungsmittelsystem die Mikrowellenofenhohlraumkomponenten, z.B. Regal, Metallboden, Luftspalt dazwischen, evtl. Verpackungskomponenten, evtl. Utensilien, evtl. Heizapparate, die Nahrungsmittelschichten oder -komponenten, etc. ein. Somit kann, wenn eine Schicht wenig oder keine oder viel Energie braucht, dies durch Manipulation von einer oder mehreren Nahrungsmittelsystemkomponenten geschafft werden, um ein gesteuertes Erhitzen zu liefern. Die Lösung eines beschichteten Nahrungsmittelsystems wird im folgenden beschrieben.
Das Erhitzen irgendeines Nahrungsmittelsystems oder Produkts, das Mikrowellenerhitzen einschließt, ist dynamisch und die Temperatur variiert mit der Zeit und mit dem Ort in dem Produkt. Das ist insbesondere bei Mikrowellenerhitzen aufgrund der sich ändernden dielektrischen Eigenschaften des Produkts, wenn sich seine Temperatur ändert, wahr. Erhitzen führt zu Temperaturgradienten innerhalb jeder der Komponenten und von Komponente zu Komponente in einem System. Außerdem kann wegen der Ungleichförmigkeit von Mikrowellenerhitzen eines Nahrungsmittels dieses heiße und kalte Stellen innerhalb des Produkts aufweisen. Somit ist es schwierig, ein mittels Mikrowellen erhitztes Produkt aufgrund der Variabilität der Temperatur innerhalb eines derartigen ungleichmäßig erhitzten Produkts durch seine Temperatur zu definieren. Die Temperatur kann an verschiedenen Orten innerhalb eines Produkts gemessen werden, um eine geeignete Zeit/Temperatur-Beziehung zu bestimmen, und würde normalerweise auf einer empirischen Grundlage nach einem Bestimmen des geeigneten Ortes und der Anzahl von Temperatursonden durchgeführt. Diese Art von Daten könnte mit einer Prüfung des Produkts durch Verbraucher korreliert werden. Jedoch ist das gewünschte Endergebnis vom Erhitzen die Wahrnehmung der Produkttemperatur oder des Temperaturunterschieds und/oder des Ausmaßes von Kochen, z.B. verkocht oder nicht lange genug gekocht, durch den Verbraucher.
Die Zeit/Temperatur-Beziehung des Produkts während des Erhitzens bestimmt sowohl die Endtemperatur als auch das Ausmaß des Kochens, d.h. die gesamte Wärme- oder Energieaufnahme. Eine Verbraucherwahrnehmung von Temperatur und Ausmaß des Kochens kann organoleptisch, z.B. zu heiß, zu kalt, verkocht oder nicht lange genug gekocht, geprüft werden. In der Tat ist die wahre Temperatur nicht notwendigerweise das relevante Kriterium, sondern die Wahrnehmung von Temperatur, z.B. können zwei Eiskrems, die auf derselben Temperatur sind, verzehrt werden, aber das Empfinden von Temperatur ist für einen Verbraucher verschieden. Dies kann z.B. durch die unterschiedlichen Eisgehalte der Produkte verursacht sein, d.h., ein Produkt mit einem hohen Eisgehalt kann als sehr kalt wahrgenommen werden, wenn es in der Tat dieselbe Temperatur wie ein Produkt mit einem geringeren Eisgehalt hat.
Eine Zeit/Temperatur-Beziehung kann durch Temperatursonden an gegebenen Orten gemessen werden, was einen repräsentativen, aber unvollständigen Hinweis auf die Dynamik des Systems an vorherbestimmten Orten ergeben kann. Eine derartige Prüfung kann geeignetes oder ungeeignetes Erhitzen anzeigen. Jedoch wird die Endtemperatur des Produkts besser organoleptisch gemessen. Somit sollte das Produkt innerhalb des gewünschten Zeitbereiches für Erhitzen nicht verkocht oder nicht lange genug gekocht sein und sollte nicht übermäßig heiß werden oder zu kalt von einem organoleptischen Standpunkt aus sein oder ein Produkt sollte sich nicht schneller als andere Produkte erhitzen, wodurch der Verbraucher das resultierende Produkt als nicht geeignet erhitzt wahrnimmt. Zubereitungshinweise können sich durch sowohl organoleptische Prüfung als auch Temperaturmeßsysteme für Öfen mit verschiedenen Wattleistungen ausgedacht werden, um den geeigneten Temperaturbereich und die erforderliche Zeit/Temperatur-Beziehung, die im allgemeinen erforderlich ist, ein akzeptables Endprodukt zu erzielen, d.h. innerhalb eines Temperaturbereichs zum Verzehr, zu bestimmen.
Erhitzen eines Produkts wird innerhalb eines vorherbestimmten oder ausgewählten Zeit/Temperatur-Beziehungsbereichs durchgeführt und die Endprodukttemperatur sollte innerhalb eines vorherbestimmten oder ausgewählten Temperaturbereiches sein. Die Endtemperatur kann die zum Verzehr gewünschte sein oder das Produkt kann vor dem Verzehr von der Endtemperatur abkühlen oder ins Gleichgewicht gehen. Die Bereiche werden durch Bewerten des/der erhitzten oder gekochten Produkts (Produkte) vorherbestimmt oder ausgewählt, um ein geeignetes Erhitzen sicherzustellen, um ein akzeptabel Gekochtes und/oder eine geeignete Temperatur zum Verzehr zu liefern.
Es kann auch anhand von Fig. 9A, B und C gesehen werden, daß es mehrere Arten gibt, ein Produkt zu gestalten, um ähnliche gewünschte Endergebnisse für ein gegebenes Produkt zu erzielen. Wenn man die dielektrischen Eigenschaften oder den Gehalt an nicht-gebundenen Wasser aufgrund von Produktbedingungen vorwählen muß, dann wird eine Einstellung der Dicke der Abschirmschicht oberhalb einer minimalen Dicke die Heizeigenschaften oder Zeit/Temperatur-Beziehung, wie oben beschrieben, variieren. Es sollte beachtet werden, daß, gemäß der Theorie, absorbierte Energie anfänglich mit einer Zunahme in der Dicke zunimmt, aber schnell eine relativ flache Antwort erreicht, d.h., eine weitere Zunahme erhöht oder verringert nicht wesentlich die Absorptionsstärke. Danach können weitere Zunahmen die Absorptionsstärke wesentlich erhöhen oder verringern. Somit kann bei einer gegebenen Soße, d.h. dielektrischen Eigenschaften oder Gehalt an nicht-gebundenen Wasser, die Dicke variiert werden, um die Heizeigenschaften oder Zeit/Temperatur-Beziehung zu steuern. Es würde bevorzugt, einen Bereich oder Bereiche von Dicken derart vorzuwählen, daß eine Anderung in der Dicke zu einer relativ geringen Zunahme oder einer Abnahme oder Änderung in den Absorptionsstärke- und Reflexionsstärkewerten führt, so daß die Dicke nicht kritisch ist. Wenn die Schichtdicke einen Zwang darstellt, dann können die dielektrischen Eigenschaften oder der Gehalt an nicht-gebundenem Wasser eingestellt werden, um dieselbe Steuerung der Heizeigenschaften der Abschirmsoßenschicht zu erzielen. Ein weiterer Aspekt der Benutzung der Erfindung besteht darin, daß die dielektrischen Eigenschaften oder der Gehalt an nicht gebundenen Wasser festgelegt werden können, um innerhalb vorherbestimmter Bereiche zu liegen, und auch die Dicke festgelegt werden kann, um innerhalb eines vorherbestimmten Bereiches zu liegen. Dann können die Dicke und dielektrischen Eigenschaften oder der Gehalt an nicht-gebundenen Wasser innerhalb dieser Bereiche variiert werden, um die geeigneten Heizeigenschaften oder Zeit/Temperatur-Beziehungen während des Erhitzens zu erzielen. Sogar noch erheblicher ist, daß beim Herstellen eines Dreischichtenprodukts, z.B. das Schokoladenplätzchen-Soße-Eiskrem- Produkt durch Änderung der Reflexionsstärke der Abschirmung, wobei die Absorptionsstärke der Abschirmschicht entgegengesetzt geändert wird, die Heizeigenschaften oder Zeit/Temperatur-Beziehung des Schokoladenplätzchens geändert werden können. Der Reflexionsstärkewert der Abschirmung kann erhöht oder erniedrigt werden, wodurch eine Feineinstellung des Erhitzens des Schokoladenplätzchens durch Bereitstellung von mehr oder weniger Energie ermöglicht wird. Somit ist ersichtlich, daß die Erfindung hierin Mittel zur Steuerung der Eigenschaften eines Einkomponentennahrungsmittels als auch der verschiedenen Komponenten eines Mehrkomponentennahrungsmittelsystems auf einfache Weise liefert.
Die vorangegangene Erklärung basiert im allgemeinen auf einer im freien Raum positionierten eßbaren Komponente mit einer einzelnen Schicht. Obwohl dies eine gute Erklärung und eine wirksame Art zum Herstellen von Nahrungsmitteln liefert, stellt weitere Arbeit die unerwartete Wichtigkeit anderer Schichten in dem Nahrungsmittelsystem einschließlich derjeniger in einem Mikrowellenofen und die Wechselwirkung von Schichten dar. Es ist überraschenderweise durch eine theoretische Analyse herausgefunden worden, daß alle Schichten, ob nun Teil des Nahrungsmittels, der Verpackung oder sogar des Ofens, nicht notwendigerweise ignoriert werden sollte, um wünschenswerte, vorhersagbare und/oder konsistente Heizergebnisse zu erzielen. Die Größe der Wirkung einer Änderung in einer Schicht auf die Schicht selbst oder andere Schichten in dem Produkt war in einigen Fällen größer als erwartet. Eine Änderung in einer Schicht beeinflußt die Heizeigenschaften der restlichen Schichten und der Schicht selbst in gewissem Maße (in einigen Fällen unbedeutend).
Beim Durchführen dieser Analyse sollte man alle für ein Systemerhitzen relevanten Schichten einschließen. Diese Analyse kann unter Verwendung von Störungsanalyse-Techniken durchgeführt werden. Da das Produkt, das zu erhitzen ist, besonders oft in der Nähe des Glas- Kunststoff- oder Keramikfaches des Ofens ist, das wiederum oberhalb eines Luftspaltes und des Metallhohlraumbodens liegt, sollte man all diese Schichten entlang der Nahrungskomponentenschicht(en) in die Analyse mit aufnehmen, obwohl in einigen Fällen die Eigenschaften von besonderen Schichten sich als unbedeutend für ein Gesamtsystemerhitzen erweisen können. Im allgemeinen jedoch sollte man die Wirkungen von Schichten auf das Nahrungsmittel betrachten, die bisher als unbedeutend für ein Nahrungsmittelerhitzen angenommen wurden. Somit sollte eine Systemanalyse die Luftschicht oberhalb des Nahrungsmittels oder der Verpackung, die obere Produkt oder Verpackungsschicht, nachfolgende Produktoder Verpackungsschichten - einschließlich irgendwelcher Luftspalte, und das Glas- Kunststoff- oder Keramikfach, Luftspalt, und Metallhohlraumboden einschließen. Diese sind alle Schichten und einige, z.B. der Metallboden oder eine Metallabschirmung würden von einigen als keine dielektrische Eigenschaften aufweisend angesehen und das Computerprogramm wird diesen, wie nachfolgend beschrieben, Rechnung tragen. Wie hierin verwendet, haben alle Schichten, aus welchem Material auch immer, eine Dicke und dielektrische Eigenschaften einschließlich Metall.
Eine Ausweitung der Einschichtenbehandlung auf Mehrfachschichten ermöglicht es, eine oder mehrere Schichten einzustellen, um die Verteilung von Mikrowellenenergie innerhalb einer oder mehrerer Schichten in dichter Nachbarschaft zu steuern. Die Abschirm- oder Steuerschichten können als eine oder mehrere Schichten definiert werden, die die Mikrowellenenergieabsorption, -reflexion und -transmission eines oder mehrerer eßbarer Produkte oder Komponenten in dem Nahrungsmittel beeinflussen, d.h., sie sind fähig, zur Steuerung verwendet zu werden oder sie werden ausgewählt oder für den Steuerzweck beabsichtigt oder sind zur Steuerung geeignet. Es ist verständlich, daß alle Komponenten, sogar Ofen- und Nahrungsmittelverpackungskomponenten, z.B. der Metallboden, das Fach, der Spalt zwischen dem Boden und dem Fach, Verpackungsmaterial, Metallabschirmungen, Mikrowellenheizapparate (z.B. der in US-Patent 4,641,005 (Seiferth), US-Patent 4,230,924 (Brastad et al.) oder US-Patent 4,267,420 (Bradstad) offenbarte) etc. eine Wirkung auf das System in einem gewissen Maße haben. Die Verwendung von einer oder mehreren Schicht/Schichten als Abschirmungen können eine Abschirmsteuerung der Zeit/Temperatur-Beziehung und Endtemperatur einer oder mehrerer Komponente(n) des Systems liefern.
Aufgrund der Tatsache, daß die Mehrschichten-Behandlung im freien Raum von Natur komplexer als die Einzelschichtbehandlung ist, wurde ein besseres Mittel zum Manipulieren der wichtigen beteiligten Parameter ausgedacht. In der früheren Beschreibung betreffend die Einzelschichtenbehandlung wurde der Wendepunkt der ersten Ableitung der Abschirmenergiekurve der Steuerschicht als ein Mittel zum Beschreiben der Eigenschaften der Abschirmschicht verwendet. Es ist wirkungsvoller, die Energieabsorption in der Schicht oder den Schichten und verbundene gewünschte Heizraten solcher Schichten einzustellen, um ein heizgesteuertes Nahrungsmittelsystem herzustellen.
Es ist in der Nahrungswissenschaftenliteratur dokumentiert, daß Nahrungen bezüglich Ihrer dielektrischen Eigenschaften variieren. Dielektrische Eigenschaften sind beim Beschreiben, wie Mikrowellen ein Nahrungsmaterial beeinflussen, wichtig. Die Wellenlänge von Mikrowellen variiert innerhalb von Nahrungsmitteln und anderen Materialien in Abhängigkeit von Ihren dielektrischen Eigenschaften, die temperaturabhängig sind. Mikrowellenenergieabsorption hängt auch von den dielektrischen Eigenschaften von Nahrungsmitteln und anderen Materialien ab. Wenn mehrere Nahrungsmaterialien oder eßbare Materialien mit unterschiedlichen dielektrischen Eigenschaften möglicherweise mit anderen Materialien in einer Mehrschichtenanordnung zus ammengefügt sind, wird die Mikrowellenstrahlung ihre Wellenlänge ändern und die Energieabsorption wird sich ändern, wenn die Mikrowelle durch jede der Schichten tritt. An den Grenzen zwischen den Schichten kann eine Reflexion auftreten, die einen Teil der Mikrowelle zurück in eine Schicht, die sie gerade durchquert hat, um absorbiert oder transmittiert zu werden, ablenkt. Sie wird auch mit der einlaufenden Mikrowelle wechselwirken, um eine stehende Welle zu erzeugen. Die auf diese Weise erzeugte stehende Welle hängt von der Beziehung zwischen den Phasen der einkommenden und der reflektierten Mikrowelle ab. Da Mikrowellen von Natur aus zyklisch sind, hängt die Phase der Welle an dem Punkt, an dem sie wechselwirkt, von der Entfernung, die die Mikrowelle zurückgelegt hat als auch von ihrer Wellenlänge ab. In dem Fall eines Mehrschichtennahrungsmittels in einem Ofen ist diese Entfernung die Dicke der Schichten. Folglich würden Mikrowellen in einen Mehrschichtennahrungsmittel in der Gestalt einer Reihe von stehenden Wellen vorliegen. Die Gestalt dieser stehenden Wellen und die Mikrowellenenergie, die von Ihnen absorbiert wird, hängt von den dielektrischen Eigenschaften und der Dicke jeder der Komponentenschichten ab. Diese Erfindung lehrt, wie die dielektrischen Eigenschaften und Dicken der Komponentenschichten von Mehrschichtennahrungsmitteln manipuliert werden können, um eine gewünschte Energieabsorption und nachfolgend die Heizraten in vorgewählten Schichten zu erhalten.
Wenigstens einer von vier Parametern sollte betrachtet werden, wenn ein Nahrungsmittel mit gewünschten Energieabsorptionen in ausgewählten Komponentenschichten hergestellt wird. Die Anzahl von Schichten, die Position jeder Schicht relativ zu jeder anderen Schicht, die Dicke jeder Schicht und die dielektrischen Eigenschaften (relative Dielektrizitätskonstante und relativer dielektrischer Verlustfaktor) jeder Schicht. Ein erster Schritt bei der Ausführung der Erfindung besteht darin, die gewünschte Energieabsorption für die interessierende/interessierenden Nahrungsmittelschicht(en) innerhalb des Produkts als ein Ganzes festzustellen und in einigen Fällen gewisse Schichten festzustellen, in denen das Ausmaß an Absorption unbedeutend im Hinblick auf die Gesamtnahrungsmittelqualität ist. Dann wird eine der interessierenden Schichten auf ihre gewünschte Energieabsorption abgestimmt. Dies wird durch Manipulieren eines oder mehrerer der vier oben beschriebenen Parameter für sie oder einer oder mehrere dieser Schichten des Systems bewerkstelligt, wobei mit denjenigen Schichten begonnen wird, bei denen eine vorgewählte Energieabsorption nicht erwünscht ist und möglicherweise bei der interessierenden Schicht aufgehört wird, bis die gewünschte Energieabsorption erzielt ist. Eine zweite Schicht und nachfolgende interessierende Schichten können dann in einer ähnlichen Weise abgestimmt werden. Es ist sehr wahrscheinlich, daß ein Abstimmen nachfolgender Schichten die Energieabsorption von vorher abgestimmten Schichten beeinflussen wird. Das liegt daran, daß jede Schicht eine Wirkung, die in der Intensität variieren kann, auf die Energieabsorption aller Schichten in dem Nahrungsmittel hat.
Ein nochmaliges Abstimmen von bereits abgestimmten Schichten wird in einer ähnlichen Weise durchgeführt. Ein Vorangeben von interessierenden Schichten und Feststellen oder Hinzufügen von Schichten, bei denen eine vorgewählte Energieabsorption nicht erwünscht ist, kann durchgeführt werden, um ein Komponentennahrungsmittel zu erzeugen, indem die interessierenden Schichten eine gewünschte Energieabsorption aufweisen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in der Fähigkeit, die Erfindung zu benutzen, um konsistente Leistungsergebnisse von Produkt zu Produkt zu erzielen. Wenn einmal ein Produkt gestaltet worden ist und sich als durchführbar herausgestellt hat, ist es wichtig sicherzustellen, daß jedes nachfolgende ähnliche Produkt oder eine wesentliche Anzahl dieser Produkte, d.h. mehr als 50 % und vorzugsweise mehr als 80 % des Produkts, ähnlich oder im wesentlichen identisch in der Leistungsfähigkeit sind.
Im allgemeinen können die Schichtdicken und dielektrischen Konstanten variieren und eine geeignete Steuerung beider Eigenschaften ist notwendig, um eine Heizratensteuerung und Ausübung der Erfindung zu erzielen. Die Steuerung von Dicke und dielektrischen Eigenschaften, wie sie hiernach beschrieben wird, dient zum Zwecke der Aufrechterhaltung einer Stetigkeit der Leistung von wiederholt hergestellten ähnlichen Produkten, wie gerade beschrieben, zur Steuerung der Dicke. Die dielektrischen Eigenschaften sind diejenigen bei einer Temperatur genau vor dem Bestrahlen mit Mikrowellenstrahlung. Eine gute Heizratensteuerung kann erzielt werden, wenn die Variation in der Dicke und n, dem Realteil der Quadratwurzel aus der komplexen dielektrischen Konstanten, wie oben definiert, in jeder Schicht näherungsweise Ungleichung 5 gehorcht:
nΔt + tΔn < (0,075) (12,24) cm (5)
wobei:
T = Schichtdicke, cm.
Eine bessere Heizratenkontrolle kann erhalten werden, wenn die Variation der Dicke und dielektrischen Konstanten jeder Schicht näherungsweise Ungleichung 6 gehorcht:
nΔt + tΔn < (0,05) (12,24) cm (6)
Eine noch bessere Heizratensteuerung kann erzielt werden, wenn die Variation der Dicke und der dielektrischen Eigenschaften in jeder Schicht näherungsweise Ungleichung 7 gehorcht:
nΔt + tΔn < (0,025) (12,24) cm (7)
Wenn die Schichtabmessungen festgelegt sind, können die Heizraten der Nahrungsmittelkomponente(n) oder eßbaren Komponente(n) durch Manipulation einer oder mehrerer dielektrischer Eigenschaften der verschiedenen Nahrungsmittelkomponenten gesteuert werden, um ihre Wellenlänge darin und somit den Anteil der durch jede Komponente in dem System absorbierten einfallenden Energie und somit ihre Heizrate und ihr Heizprofil innerhalb des Systems zu bestimmen.
Die Energieabsorption ist in Fig. 25A gezeigt.
Die erste Ableitung von Fig. 25A ist in Fig. 25B gezeigt.
Der Absolutwert der ersten Ableitung von Fig. 25A ist in Fig. 25C gezeigt.
Es gibt viele Arten, die vorliegende Erfindung zu verwenden, um gewünschte Endergebnisse für ein mehrschichtiges Nahrungsmittel in einem Mikrowellenofen zu erzielen. Es gibt vier grundsätzliche Variablen, die manipuliert werden können: Schichtdielektrizitäten, Schichtdicke, Anzahl von Schichten, und die Positionen der Schichten relativ zueinander. Schichten hierin schließen Ofenkomponenten, Verpackungskomponenten, oder andere Komponenten in dem Ofen, z.B. Kochutensilien, ein. Um ein Produkt unter Verwendung der hierin enthaltenen Erfindung herzustellen, können diese Variablen vorgewählt, ausgewählt, variiert oder nicht berücksichtigt werden. Gewünschte Endresultate schließen gewünschte Heizeigenschaften einer oder mehrerer Komponentenschichten eines Mehrschichtennahrungsmittels ein, wie durch irgendeine oder eine Kombination der folgenden meßbaren Antworten beschrieben: Erhitzen bis innerhalb eines vorgewählten Temperaturbereiches oder auf eine Temperatur innerhalb dieses vorgewählten Temperaturbereiches; Erhitzen innerhalb eines vorgewählten Zeitbereiches; Erhitzen innerhalb eines vorgewählten Temperaturbereiches innerhalb eines vorgewählten Zeitbereiches; Erhitzen auf eine Temperatur innerhalb eines vorgewählten Temperaturbereiches innerhalb eines vorgewählten Zeitbereiches; Aufweisen einer vorgewählten Verteilung von Energie innerhalb wenigstens einer der Schichten von eßbaren Komponenten zu einer Zeit genau vor einem Bestrahlen mit Mikrowellenstrahlung oder zu einer Zeit an dem Ende von Bestrahlen mit Mikrowellenstrahlung; und/oder Aufweisen einer vorgewählten Verteilung von Energie innerhalb einer oder mehrerer oder aller Schichten von eßbaren Komponenten zu einer Zeit genau vor einem Bestrahlen mit Mikrowellenstrahlung oder an dem Ende von Bestrahlen mit Mikrowellenstrahlung; und/oder erhitzt haben einer oder mehrerer der Schichten von eßbaren Komponenten innerhalb eines gewünschten oder vorgewählten Zeit/Temperatur-Beziehungsbereiches. Ein Beispiel des gewünschten Energieverteilungsendergebnisses würde der Wunsch sein, auf der Außenfläche einer bestimmten Schicht zu erhitzen und nicht in der Mitte oder umgekehrt.
Demzufolge gibt es vier grundsätzliche Variablen und 15 Kombinationen dieser vier Variablen (Reihenfolge ist unwichtig, schließt Sätze von 4, 3, 2 und einer Variablen ein). Wenn die Variablen gewählt (oder vorgewählt), variiert oder nicht beachtet werden können, beträgt die Zahl von möglichen Kombinationen 81, weil dies als eine Dreiniveau, Viervariable, vollfaktorielle, statistische Gestaltung betrachtet wird. Einige dieser Kombinationen würden für die Gestaltungszwecke nicht nützlich sein (z.B. die Kombination, wenn alle grundsätzlichen Variablen nicht beachtet werden). Irgendeine dieser Variablen kann einzeln gewählt oder geändert, oder irgendeine Kombination dieser vier Variablen kann gewählt oder geändert werden. Antworten auf eine Änderung von einer oder mehreren Variablen in einer oder mehreren Schichten würde bedeuten, eines oder mehrere der oben diskutierten gewünschten Endergebnisse zu erzielen. Es ist herausgefunden worden, daß das Energieverteilungsprofil innerhalb von Nahrungsmittelsystemen in überraschender Weise durch Manipulation von Komponentenschichtdicke oder ihrer relativen dielektrischen Konstanten oder dielektrischen Eigenschaften eingestellt werden kann, da E' und E" gekoppelt sind. In gewissen Systemen kann der Prozentsatz von ein fallender absorbierter Energie in einer besonderen Schicht um nahezu einen Faktor 10 durch Manipulation von Komponentenschichtdicken oder dielektrischen Konstanten geändert werden. Natürlich vergrößert die Gesamtanzahl von betrachteten Antworten die Wahrscheinlichkeiten demgemäß.
Als Beispiel kann es notwendig sein, die dielektrischen Eigenschaften und/oder Dicken einer oder mehrerer Schichten aufgrund der Nahrungsmittel- und/oder Ofen- und/oder Verpackungszwänge vorzuwählen, und es kann gewünscht sein, eine vorgewählte Zeit/Temperatur-Beziehung in diesen Schichten zu erzielen. Es ist dann möglich, die Dielektrizitäten der anderen Schichten und/oder Dicken der anderen Schichten und/oder die Positionen der Schichten und/oder die Anzahl von Schichten zu variieren, um dieses gewünschte Endergebnis zu erzielen. Eine andere Anwendung könnte eine vorgewählte Anzahl und Position von Schichten und eine gewünschte vorgewählte Verteilung von Energie innerhalb einer der eßbaren Schichten erfordern. Es ist dann möglich, die dielektrischen Eigenschaften und Dicken einer oder mehrerer oder aller Schichten zu variieren, um dieses gewünschte Endergebnis zu erzielen. Eine weitere Anwendung könnte vorgewählte dielektrische Eigenschaften aller eßbaren Schichten und eine gewünschte mittlere Kritikalität in einer oder mehreren der eßbaren Schichten erfordern. Es ist dann möglich, die Dicken von Schichten und/oder die Anzahl von Schichten und/oder die Positionen von Schichten relativ zueinander zu variieren, um dieses gewünschte Endergebnis zu erzielen.
Somit wird ersichtlich, daß die Erfindung hierin viele Arten zur Steuerung der Heizeigenschaften einer vorgewählten Schicht (von vorgewählten Schichten) eines Nahrungsmittels, das eine oder mehrere Schichten enthält, zur Verfügung stellt. Die Herstellung von Nahrungsmittelsystemen mit gewünschten Endergebnissen wird erheblich unter Verwendung des Computerprogramms (Anhang A), das hierin enthalten ist, vereinfacht. Es ist möglich, theoretisch viele Kombinationen unter Verwendung dieses Computerprogramms zu bestimmen und ein ineffizientes impirisches Vorgehen beim Erzielen von gewünschten Endergebnissen in Mehrschichten- (oder Mehrkomponenenten-) Mikrowellennahrungsmittelsystemen zu erhalten. Das Programm erlaubt die Verwendung von Störungsanalyse-Techniken, um Schichteffekte zu bestimmen oder zu analysieren und Antworten in einer oder mehreren Schichten des Nahrungsmittelsystems zu ändern oder zu manipulieren, und das Nahrungsmittel kann gemäß der Ausgabe oder der Ergebnisse der Berechnung oder als Antwort darauf geändert werden. Eine Diskussion von Störungsanalyse-Techniken kann in "Dielectrics and Waves", A.R. von Hippel, MIT Press 1954, S. 58-60 und "Field Theory of Guided Waves", R.E. Collins, McGraw-Hill Co. 1960, S. 76-96, auf deren Offenbarungen hierin Bezug genommen wird, gefunden werden.
Das beigefügte Computerprogramm kann verwendet werden, um die lokale Heizrate innerhalb eines Nahrungsmittel-/Verpackungs- Systems ohne Rücksicht auf einen Wärme- oder Massenübergang zu berechnen. Es ist in der ASYST-Sprache geschrieben, die bei der Macmillan Software Company erhältlich ist und auf einem IBM PC, XT, oder AT mit wenigstens 512 K Speicher und einem 8087-Mathematikcoprozessor läuft. Das Programm berechnet das lokale elektrische Feld an einer Position x unter Verwendung von Störungsanalyse-Techniken und berechnet dann die Heizrate bei x unter Verwendung von Gleichung 2.
wobei: Erms (x) = elektrisches Feld an Position x cm, in Volt/cm
cp(x) = Wärmekapazität bei x, in kl/mgºC
p(x) = Dichte bei x, in mg/ml
E"(x) = relativer dielektrischer Verlustfaktor bei Position x.
Eine Analyse eines Nahrungsmittelsystems beginnt mit einer Messung oder Schätzung der komplexen dielektrischen Konstanten der Nahrungsmittelkomponente, Wärmekapazitäten und der physikalischen Abmessungen für jede Schicht in dem System. Die Daten werden in das Modell aufgenommen, und wenn ein unerwünschtes Heizrateprofil erhalten wird, können die Dicke und dielektrische Konstante jeder Schicht in dem System systematisch variiert werden, bis geeignete Wärmeergebnisse erhalten werden. Gewöhnlich werden Schichten, deren Dicke weniger kritisch (z.B. für das Produktkonzept) ist, zuerst variiert. Manchmal schlägt die Analyse ein Hinzufügen eines Luftspaltes, z.B. zwischen der unteren Produktschicht und dem Ofenfach vor, das durch Zwischenlegen eines Pappkartons, dessen Dicke eingestellt werden kann, um das Produktheizprofil zu optimieren, erhalten wird. Es kann wünschenswert sein, das Produkt z.B. durch Ändern der Reihenfolge, in der besondere Nahrungsmittelkomponenten innerhalb des Produkts geschichtet sind, neu zu gestalten. In anderen Fällen kann das Hinzufügen eines reflektierenden Verpackungselements (z.B. aus Metall) und eines Luftspalts mit einer optimierten Dicke angezeigt sein.
Das Programm kann Metalldicken von bis zu 0,05 cm verarbeiten. Oberhalb dieser Dicke werden die berechneten elektrischen Felder oberhalb der Metallschicht so klein, daß der Computer eine Unterlaufbedingung erreicht und die Programmausführung angehalten wird. Da die überwältigend überwiegende Wirkung einer "dicken" (dicker als wenige 100 Å) Metallschicht darin besteht, einen Reflexionskoeffizienten nahe bei -1,0 (das negative Zeichen tritt anhand der 180º-Phasenänderung auf, die an der Metalloberfläche eintritt) zu liefern, ist die genaue bei den Berechnungen verwendete Metalldicke unwichtig.
Wie hierin beschrieben, kann/können ein oder mehrere Nahrungsmittel (oder -system/systeme) entweder in einer überlagerten oder beschichteten Beziehung oder in einer Seite an Seite-Beziehung oder in einer einzelnen Schicht hergestellt werden.
Die vorangehende analytische Technik unter Verwendung von Störungsanalyse kann verwendet werden, um ein Nahrungsmittel herzustellen. Um dies zu bewerkstelligen, wählt man zuerst wenigstens ein Nahrungsmittel und bestimmt einen Zeit/Temperatur- Beziehungsbereich und/oder eine Endtemperatur innerhalb eines Temperaturbereichs für das jeweils zu folgende oder zu erzielende Nahrungsmittel während des Erhitzens in einem Mikrowellenofen. Die Leistungseigenschaften einschließlich z.B. relative Heizrate, Energieverteilung und Toleranz des Nahrungsmittelsystems, Nahrungsmittels oder der Nahrungsmittel werden unter Verwendung der Störungsanalyse-Techniken analysiert. Die Ergebnisse dieser Analyse werden verwendet, um eine Einstellung in wenigstens einen der Nahrungsmittel (eßbaren Komponenten) vorzunehmen, wodurch das Nahrungsmittel (eine oder mehrere der eßbaren Komponente) sich im allgemeinen innerhalb des Zeit/Temperatur-Bereichs erhitzen wird und eine Temperatur im allgemeinen innerhalb des Temperaturbereichs während des Mikrowellenerhitzens erreichen wird. Wie erläutert, kann das Nahrungsmittel eine Mehrzahl von Nahrungsmitteln sein, die in überlagerten Schichten sein können. Ein Produkt wird dann durch das vorangehende Verfahren hergestellt.
Die Heizeigenschaften oder Zeit/Temperatur-Beziehung des Schokoladenplätzchens oder der bestrahlten Komponenten können durch Variieren ihrer Dicke und/oder dielektrischen Eigenschaften oder des Gehalts an nicht-gebundenem Wasser variiert werden. Auch können die Heizeigenschaften oder Zeit/Temperatur-Beziehung der direkt bestrahlten Komponente durch Variieren der Dicke und/oder dielektrischen Eigenschaften oder des Gehalts an nicht-gebundenem Wasser einer indirekt bestrahlten, dazu benachbarten Steuerschicht, d.h. durch Variieren ihrer Absorptionsstärke, wie oben beschrieben, variiert werden. Somit kann die Endtemperatur des Schokoladenplätzchens durch die Steuerung oder Einstellung der Dicke der indirekt bestrahlten Steuerschicht und/oder dielektrischen Eigenschaften oder Eigenschaften oder des Gehalts an nicht-gebundenem Wasser gesteuert oder eingestellt werden.
Zum Beispiel kann das Schokoladenplätzchen während der Erhitzens relativ kühl bleiben, während die Soßenschicht gestaltet werden kann, um sich durch eine hohe Absorptionsstärke und geringe Reflexionsstärke auf eine relativ höhere Temperatur zu erhitzen. Das Schokoladenplätzchen kann auf eine relativ höhere Temperatur und die Steuerschicht auf eine relativ niedrigere Temperatur, dadurch, daß es eine hohe Absorptionsstärke und eine niedrige Reflexionsstärke aufweist, erhitzt werden. Andere Produktkonzepte, die diesen Steuermechanismus verwenden könnten, können ein gefüllter Teig oder ein Schokoladenplätzchen oder ein Produkt sein, bei dem die Steuerschicht innerhalb eines oder mehrerer umgebenden/umgebender Produkts/Produkte oder zwischen zwei oder mehreren Produkten oder Schichten ist.
Eine Auswertung von Fig. 9B, D, E, F und G zeigt die Wirkung des Änderns von E' und/oder E". Eine Abnahme von E' dämpft die Wirkung der Dicke auf die Reflexionsstärke, Absorptionsstärke und Abschirmung, wenn E' im allgemeinen konstant bleibt. Eine Zunahme von E" dämpft auch die Wirkung der Dicke auf die Reflexionsstärke, Absorptionsstärke und Abschirmung, wenn E' im allgemeinen konstant bleibt. Insbesondere werden die Dicken, bei denen aufeinanderfolgende Maxima oder Minima für die Reflexionsstärke und Absorptionsstärke auftreten, durch jeweiliges Verringern oder Anheben von E' erhöht oder verringert. E' und E'" können eingestellt werden, um einen gewünschten Wert für wenigstens eine der Größen, Absorptionsstärke und Reflexionsstärke, bei einer gewählten Dicke zu erzielen, so daß das Nahrungsmittel sich innerhalb eines vorbestimmten Zeit/Temperatur-Beziehungsbereiches erhitzen wird, wenn es mit Mikrowellenstrahlung bestrahlt wird. Umgekehrt kann der E'- und/oder E"-Wert gewählt und die Dicke eingestellt werden, um dieselben Leistungseigenschaften zu erzielen. Der Wert von E' und/oder E'" ist vorzugsweise ausreichend, um eine akzeptable Toleranz für den Bereich von oder Variation in der Produktdicke zu liefern. Somit kann die kritische Natur der Dicke geändert, z.B. verringert werden, wodurch die Herstellung und das Erhitzen von Nahrungsmitteln weniger kritisch wird. Ein weiteres Verfahren zur Steuerung der Gestalt der Reflexionsstärke- und Absorptionsstärkekurven besteht darin, den Wert von n und K zu ändern, die jeweils den Real- und Imaginärteilen der Quadratwurzel der komplexen dielektrischen Dielektrizitätskonstante entsprechen. Wenn n zunimmt, nehmen die Dicken, bei denen aufeinanderfolgende Maxima und Minima in den Absorptionsstärke- und Reflexionsstärkekurven auftreten, ab. Wenn K zunimmt, nimmt der Intensitätsunterschied zwischen aufeinanderfolgenden Maxima und Minima in den Absorptionsstärke- und Reflexionsstärkekurven ab. Das umgekehrte der obigen Manipulationen ergibt sich bei entgegengesetzten Änderungen.
Mit direkter Bestrahlung mit Mikrowellenstrahlung ist gemeint, daß bei einem ersten Auftreffen der Strahlung die Strahlung noch nicht durch ein anderes Nahrungsmittel getreten ist, während indirekte Strahlung bedeutet, daß die Strahlung bereits durch eine anderes Nahrungsmittel hindurchgetreten ist. Durchgang durch oder Reflexion an Verpackungs- oder Ofenkomponenten bedeutet nicht, daß das Nahrungsmittel nicht direkt bestrahlt wird.
Die vorliegende Erfindung kann auf mehrere Arten benutzt werden, um die Verteilung von Mikrowellenenergie in den verschiedenen Komponenten des Mehrkomponentensystems zu steuern. Dies kann durch Variieren einer oder mehrerer Eigenschaften über einen weiten Bereich geschafft werden, wodurch eine Flexibilität bei Produktkonzepten bereitgestellt wird.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform stellt die in Fig. 1 gezeigte dar und wird nachfolgend beschrieben. Sie schließt ein Schokoladenplätzchen, das an dem Boden eines abgeschirmten Bechers positioniert ist, mit einer darüber positionierten und damit in Kontakt befindlichen Schicht aus Schokoladensoße und einer Schicht aus Eiskrem über der Soße, die in Kontakt mit der Soße steht, ein, wobei jede Kontaktoberfläche im allgemeinen eben ist. Jede Schicht weist eine im wesentlichen gleichförmige Dicke auf, aber es wird besonders für die Soße gewünscht, daß sie eine gleichförmige Dicke aufweist. Die Metallabschirmung und die Soße wirken miteinander zusammen, um im wesentlichen vollständig und vorzugsweise vollständig die Eiskrem zu umgeben, um einen Verlust von Mikrowellenstrahlung durch Spalte zwischen der Abschirmschicht und der Metallschicht zu verhindern.
Wenn Daten zum Vergleich von ähnlichen oder denselben Produkten erfaßt wurden, wurden die Temperatursonden an Positionen angeordnet, von denen geglaubt wurde, daß sie die wertvollsten und/oder zuverlässigsten Daten liefern würden, sogar wenn sie an unterschiedlichen Orten in demselben oder in unterschiedlichen Produkten waren. Der Versuch bestand darin, die Sonden an konstanten Positionen relativ zu der Geometrie des Behälters anzuordnen.
Fig. 3 zeigt die Ergebnisse einer Reihe von Experimenten, um ein Zweischichtensystem aus Eiskrem und Soße zu überprüfen. Die Eiskrem und die Soße waren im wesentlichen, wie beschrieben für das in den Experimenten von Fig. 2 verwendete Produkt. Fig. 3 zeigt die Wirkung der Dicke der Abschirmschicht auf die Eiskremtemperatur für verschiedene Heizzeiten. Die Grafiken zeigen, daß für eine zunehmende Steuerschicht (Soße)dicke, die Abschirmwirkung der Abschirmkomponente um so größer ist. Es würde erwartet, daß weitere Zunahmen der Dicke den Abschirmwert erhöhen, aber mit einer reduzierten Rate. Die Daten stimmen mit der theoretisch erhaltenen Abschirmenergiekurve von Fig. 9A überein. Fig. 3 wurde für verschiedene Anfangstemperaturen korrigiert, um besser die Ergebnisse zu zeigen.
Wenn man Fig. 3 in Verbindung mit Fig. 9A betrachtet, wird ersichtlich, daß sowohl die Absorptionsstärke als auch die Reflexionsstärke entgegengesetzt mit zunehmender Dicke variieren, wobei diese Kurven eine etwas sinusförmige Gestalt aufweisen. Dies bedeutet, daß eine Zunahme der Dicke die Absorptionsstärke und Reflexionsstärke erhöhen und erniedrigen kann. Jedoch wenn man die Kurve der abgeschirmten Energie (die der gesamten einfallenden Energie minus die transmittierte Energie entspricht), wird ersichtlich, von einem praktischen Standpunkt, daß eine Erhöhung der Dicke eine Erhöhung der abgeschirmten Energie oder eine Aufnahme in der transmittierten Energie ergibt, wobei sich nur eine leichte Umkehr der Tendenz nach einer ersten Dickenspitze oder einem -maximum ergibt. Jedoch ist diese Änderung gering und praktisch mit nur einer geringen Auswirkung. Es kann anhand dieser Grafiken gesehen werden, daß mit einer gewünschten Menge von abgeschirmter Energie die Absorptionsstärke und Reflexionsstärke geändert werden kann, um die Heizeigenschaften der Abschirmschicht zu ändern, d.h. es kann bewirkt werden, daß sie sich mehr oder weniger durch Einstellen der dielektrischen Eigenschaften der Abschirmschicht erhitzt. Die theoretische Lösung von Fig. 9A wird von den wahren aufgenommenen Daten, die in Fig. 3 dargestellt sind, unterstützt.
Fig. 4, 5, 6 und 7 stellen verschiedene Temperaturbeziehungen als Funktionen von Mikrowellenheizzeit für Nahrungsmittelkomponentensysteme mit einer und ohne eine Abschirmschicht dar. Die Schokoladenplätzchen- und Eiskremkomponenten dieses Systems sind im wesentlichen die in der Erklärung von Fig. 2 beschriebenen. Fig. 2 schließt auch andere als eine eßbare Abschirmschicht ein, d.h. Aluminiumfolie und Silikonschaum, und zeigt auch die Verwendung von zwei eßbaren Abschirmschichten mit verschiedenen Wassergehalten. Diese vier Figuren zeigen die Wirkung der Verwendung eines Abschirmschicht gegenüber einem Produkt ohne eine Abschirmschicht und die Wirkung der Abschirmmenge, die durch die Abschirmschicht zur Verfügung gestellt wird. Die Grafiken zeigen, daß, jede geringer das Mikrowellentransmissionsvermögen ist, desto höher der Temperaturunterschied ist.
Fig. 8 ist eine Grafik, die eine Abhängigkeitsbeziehung zwischen Temperaturunterschied, Abschirmschichtdicke und Mikrowellenheizzeit darstellt. Die Grafik wurde durch Berechnung unter Verwendung eines Modells erzeugt, das mit den Rohdaten von Fig. 7 konstruiert war. Das Produkt hatte eine Soße mit dielektrischen Eigenschaften, die dieselbe wie die in Fig. 9A verwendeten waren.
Es wird gegenwärtig ein mikrowellenfähiger Eiskremeisbecher, Hot Scoop genannt, verkauft. Er enthält ein Gesamtproduktgewicht von 150 g, die ungefähr 90 g Eiskrem und ungefähr 60 g Soße umfassen. Verfügbare Soßen sind eine Schokoladensoße, Karamelsoße und eine Soße mit Pfefferminzgeschmack. Heizexperimente wurden an den Schokolade- und Pfefferminzprodukten durchgeführt, wobei 2 cm von der Seitenwand und 1 cm unterhalb der Soßenschicht an der Spitze gemessen und versucht wurde, die Soßentemperatur 2 cm von der Seitenwand durch die obere Bedeckung und in der Soße bei einer Tiefe von 4 bis 6 mm zu messen, was angesichts der Dünnheit der Soße und der dynamischen Eigenschaft des Produkts, wenn es erhitzt wird, z.B. sinkt die Soße in die Eiskrem und die Eiskrem kommt um die Seiten hoch, wenn sie erhitzt wird, schwierig ist. Die Soßentemperaturmeßwerte waren wahrscheinlich, obwohl sie so gut wie eben möglich erfaßt wurden, nicht sehr genau. Der Temperaturunterschied zwischen der Soße und der Eiskrem wurde anhand der Temperaturmessungen, die grafisch in Fig. 10 als ein Funktion der Heiztemperatur dargestellt sind, berechnet. Wie gezeigt, erzielte das "Hot Scoop"-Produkt keinen meßbaren Temperaturunterschied zwischen der Eiskrem und der Soße, was darauf hinweist, daß die Eiskrem und Soße, wenigstens wo und wenn gemessen wurde, sich mit derselben Rate erhitzen, was keine unterschiedliche Temperatur lieferte.
Im Gegensatz dazu wird durch Ausübung der vorliegenden Erfindung in Fig. 10 gesehen, daß ein viel größeres und unterschiedliches Erhitzen erzielt wurde. Das Produkt gegenüber dem das "Hot Scoop"-Produkt geprüft wurde, war in einem metallabgeschirmten Becher, wie in Fig. 1 zu sehen, mit einem gesamten Komponentengewicht von 134 g, die 60 g Eiskrem, 32 g Soße und 42 g Schokoladenplätzchen umfaßten, wobei die Abschirmsoße eine Dicke von 0,6 cm aufwies. Außerdem ist in Fig. 11 ersichtlich, daß die Heizzeit des "Hot Scoop"-Produkts extrem kritisch ist, während die Heizzeit für das Erfindungsprodukt viel toleranter gegenüber Heizzeitvariationen in einem Mikrowellenofen ist. Die Erfindung ist auch gestaltet, um im wesentlichen eine Bewegung der Schichten, insbesondere der Abschirmschicht, im wesentlichen während des Erhitzens zu verhindern. Dies wird durch im allgemeinen ebene Schichten oder koplanare Schichten geschafft.

Theoretisches Beispiel aus Schokoladenplätzchen/Soße/Eiskrem/Metall

Unter Verwendung eines Computerprogramms wurden vorausgesagte Heizratendaten auf Grundlage des folgenden Mehrschichtensystems erhalten: Schicht Dicke Heizkapazität (kl/gºC) Dichte (g/ml) Metall Eiskrem Soße Schokoladenplätzchen Fach Luft variabel
... Soßendicke wurde von 0,2 cm bis 1,0 cm in Schritten von 0,2 variiert. Es ist anhand von Fig. 23 ersichtlich, daß diese kleinen Änderungen in der Dicke der Soßenschicht (bezeichnet durch die Spitzen, die bei ungefähr 2,4 cm von oben in der Figur beginnen) eine große Wirkung auf die mittleren relativen Heizraten der Eiskremschicht (bezeichnet durch die Spitzen bei ungefähr 1,4 cm von oben) haben. Obwohl die relative Heizrate des Schokoladenplätzchens (die Spitzen, die am weitesten von oben entfernt sind) sich nicht beträchtlich in diesen Beispielen ändert, ändert sich das Verhältnis der mittleren relativen Heizrate des Schokoladenplätzchens zu der mittleren relativen Heizrate der Soße oder Eiskrem beträchtlich. Somit wird vorhergesagt, daß dieses System gestaltet werden kann, um variierende relative Heizraten für die Eiskrem und Soßenschicht durch Variieren der Soßenschichtdicke zu erhalten. Es wird auch vorhergesagt, daß das Verhältnis von relativem Erhitzen der Schokoladenplätzchenschicht zu der relativen Heizrate einer der anderen Schichten durch Variieren der Soßenschichtdicke eingestellt werden kann. Somit wird vorhergesagt, daß eine Vielzahl von relativen Heizraten und somit eine Vielzahl von letzendlichen Zubereitungstemperaturen und/oder Zeiten durch Variieren der Schokoladensoßenschicht in diesem System erzielt werden können.

Claims

1. Verfahren zur Gestaltung eines mittels Mikrowellen erhitzbaren Nahrungsmittels, wobei das Nahrungsmittel eine erste eßbare Komponente, eine Abschirmeinrichtung, die in der Nähe der ersten eßbaren Komponente angeordnet ist, um die Menge an Mikrowellenenergie zu steuern, die bei Bestrahlen des Nahrungsmittels mit Mikrowellenstrahlung an die erste Komponente übertragen wird, wobei die Abschirmeinrichtung eine zweite eßbare Komponente einschließt, die teilweise für Mikrowellenstrahlung durchlässig ist, und eine Verpackungseinrichtung umfaßt, die die erste und zweite Komponente enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die Schritte des Wählens der Dicke und der dielektrischen Eigenschaften der zweiten eßbaren Komponente zum Steuern der Menge an Mikrowellenenergie, die die zweite eßbare Komponente an die erste eßbare Komponente übertragen wird, und dadurch des Erhitzens der ersten eßbaren Komponente in einem vorgewählten Grad innerhalb einer vorgewählten Zeit von Bestrahlung mit Mikrowellenstrahlung einer vorherbestimmten Energie umfaßt, wobei die zweite Komponente einen Abschirmwert von mehr als ungefähr 70 % des ersten Abschirmwendepunktwerts aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die dielektrischen Eigenschaften der zweiten eßbaren Komponente durch Wählen des Gehalts an nicht-gebundenem Wasser der zweiten eßbaren Komponente gewählt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, worin die dielektrischen Eigenschaften der zweiten eßbaren Komponente durch Wählen des E'- Werts der zweiten eßbaren Komponente gewählt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, worin die dielektrischen Eigenschaften der zweiten eßbaren Komponente durch Wählen des E"- Werts der zweiten eßbaren Komponente gewählt werden.

5. Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, worin die zweite Komponente so gestaltet ist, daß wenigstens ein Großteil ihrer Dicke mehr als ungefähr 0,25 cm beträgt.

6. Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, worin die zweite Komponente einen Gehalt an nicht-gebundenem Wasser in dem Bereich zwischen ungefähr 20 und ungefähr 95 Gew.-% der zweiten Komponente aufweist.

7. Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, das den Schritt des Gestaltens der Abschirmeinrichtung mit einer Metallabschirmung in Abschirmbeziehung zu wenigstens einem Bereich des Nahrungsmittels einschließt, wobei die Metallabschirmung darin eine Öffnung aufweist, die gestaltet ist, um zu ermöglichen, daß die zweite Komponente mit Mikrowellenstrahlung bestrahlt wird.

8. Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, das den Schritt des Wählens der Position für die zweite Komponente zwischen der ersten Komponente und der Abschirmung umfaßt.

9. Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, das den Schritt des Wählens der zweiten eßbaren Komponente mit mehrfachen Schichten aus nicht-mischbaren eßbaren Komponenten umfaßt.

10. Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, das den Schritt des Wählens der Dicke und der dielektrischen Eigenschaften der zweiten eßbaren Komponente zum Herabsetzen der Menge an Mikrowellenergie, die an die erste Komponente übertragen wird, umfaßt.

11. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, das den Schritt des Auswählens der Dicke und der dielektrischen Eigenschaften der zweiten eßbaren Komponente zum Erhöhen der Menge an Mikrowellenergie, die an die erste Komponente übertragen wird, umfaßt.

12. Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, worin als erste eßbare Komponente Eiskrem gewählt ist und die zweite eßbare Komponente mit einer gesüßten, viskosen Soße in einer Schicht in Kontakt mit der Eiskrem gewählt ist, wobei die Abschirmeinrichtung mit einer Metallabschirmschicht benachbart zu der Eiskrem gestaltet ist, so daß die zweite eßbare Komponente und die Metallabschirmung zusammenwirken, um die Abschirmeinrichtung zu bilden, die im wesentlichen die Eiskrem vollständig umgibt, wobei das Verfahren den weiteren Schritt des Gestaltens des Nahrungsmittels mit einem benachbart zu der Soße angeordneten Schokoladenplätzchen, das einen wesentlichen Bereich aufweist, der gegen direkte Bestrahlung mit Mikrowellenstrahlung im wesentlichen nicht abgeschirmt ist, umfaßt.

13. Verfahren zur Gestaltung eines mittels Mikrowellen erhitzbaren Nahrungsmittels mit wenigstens einer eßbaren Komponente, das einschließt:

Wählen der Dicke und der dielektrischen Eigenschaften von der wenigstens einen eßbaren Komponente, um ein näherungsweise lokales Maximum oder lokales Minimum in dem funktionalen Zusammenhang zwischen Energieabsorption und Dicke einer eßbaren Komponente des Nahrungsmittels während der Bestrahlung mit Mikrowellenstrahlung zu erzielen, wodurch die eßbare Komponente sich innerhalb eines vorherbestimmten Zeit-/Temperatur-Beziehungsbereichs während der Bestrahlung mit Mikrowellenstrahlung einer vorherbestimmten Energie erhitzen wird.

14. Verfahren nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, das den weiteren Schritt des Herstellens des Nahrungsmittels, wie gestaltet, umfaßt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, das den weiteren Schritt des Anordnens des hergestellten Produkts in einem Mikrowellenofen und des Erhitzens des Nahrungsmittels unter Verwendung von Mikrowellenenergie innerhalb des Mikrowellenofens umfaßt.