Što mikrovalna radi hrani i našem zdravlju?

MNOGI ljudi vjeruju da znaju kako funkcioniraju mikrovalne pećnice, a još više ih je uvjereno da znaju kako djeluju na hranu i na ljudsko zdravlje.

Nažalost, u stvarnosti tu ima mnogo zabluda, od kojih neke rado promoviraju razni kvazistručnjaci. U ovom tekstu pozabavit ćemo se raširenijim zabludama, a usto ćemo, u suradnji s fizičarom Ivicom Avianijem, navesti i neke zanimljivosti iz svijeta fizike i prakse rada s mikrovalkama.

Kako funkcionira mikrovalna pećnica?

Jedna od raširenijih zabluda vezana je uz sam način rada mikrovalne pećnice. Prema njoj mikrovalovi rezoniraju s titranjem molekula vode u hrani i na taj način podižu temperaturu hrane.

Ovdje treba istaknuti da je temperatura mjera prosječne kinetičke energije sadržane u gibanju pojedinih molekula i atoma neke tvari. Kada nešto zagrijavamo, uzrokujemo da molekule i atomi u molekulama tog materijala jače titraju te da se molekule, ako mogu, brže vrte. Na apsolutnoj nuli, odnosno na temperaturi od -273.15℃, prestaje takvo gibanje svih molekula i atoma. Stoga je to najniža moguća temperatura - ništa ne može titrati slabije od onoga što uopće ne titra, nego miruje.

U slučaju mikrovalne pećnice mikrovalovi, koje stvara uređaj poznat kao magnetron, ne ulaze u rezonanciju s titranjem molekula vode već zapravo djeluju na tzv. dipole u hrani. Dipol je molekula u kojoj su elektroni nesimetrično raspoređeni tako da na dvama različitim krajevima stvaraju dva suprotna električna pola - jedan pozitivan i drugi negativan. Primjerice, molekula vode (H₂O) je dipol u kojem kisikova strana nosi neto negativan naboj, dok strana s dvama atomima vodika ima neto pozitivan električni naboj (raspored elektrona i naboja na grafici dolje).

No u hrani nije samo voda dipol. Postoje brojne druge molekule, poput masti i estera, koje također mogu biti dipoli.

Kako mikrovalovi djeluju na dipole?

Mikrovalovi su elektromagnetski valovi, baš kao i radiovalovi, infracrvena svjetlost, vidljiva svjetlost te UV i X zrake. Oni se sastoje od električnog i magnetskog polja koja se izmjenjuju (grafika dolje; λ je valna duljina).

Kada električni naboj mijenja brzinu ili veličinu, on stvara promjenjivo elektromagnetsko polje. Primjerice, skokovi elektrona s viših orbitala na niže ili naizmjenični protok elektrona kroz antenu te kruženje elektrona u magnetronu stvaraju promjenjivo električno i magnetsko polje te tako nastaju elektromagnetski valovi. Oni se šire prostorom i sa sobom nose energiju i informacije.

U slučaju mikrovalne pećnice, mikrovalovi svojim električnim poljima djeluju na različite naboje u dipolima i pokreću njihove rotacije. Te rotacije utječu pak na atome u molekulama te na povezane i okolne molekule i pokreću njihovo titranje, što znači da povećavaju njihovu kinetičku energiju, odnosno temperaturu.

Kako mikrovalovi griju vodu i hranu?

Aviani predlaže da pokušamo zamisliti da je električno polje mikrovalova usmjereno vertikalno - između dna i stropa mikrovalke.

"Promjenjivo električno polje mikrovalova usmjerava dipole u hrani prvo prema gore, a onda prema dolje i to tako preko dvije milijarde puta u sekundi. Zbog stalnog zakretanja molekula, atomi u molekulama, a i same molekule, pobuđuju se tako da jače titraju i tako povećavaju temperaturu vode. Molekule vode zakreću se sinkronizirano poput vojnika koji stupaju preko mosta, a svoju energiju prenose na opremu koja im poskakuje i na most koji titra", tumači Aviani (grafika dolje: povezani dipoli molekula vode).

Zašto je teško zagrijati zaleđenu hranu?

Poznato je da je led ili zamrznutu hranu teže zagrijati u mikrovalki. Zato mnoge pećnice imaju poseban program za tu svrhu. Ako ga nemaju, dobro je u početku postaviti grijanje na manju snagu.

Aviani kaže da je problem u tome što su u ledu molekule vode fiksirane tako da se ne mogu pomicati ni rotirati na mjestu.

"Mikrovalovi ih ne mogu zakretati pa zbog toga ne mogu ni zagrijavati led. Naši vojnici sada su u osnovnom stavu, na zapovijed POZOR!", kaže naš fizičar.

Što se više zamrznute hrane, odnosno leda otopi, to se više ubrzava daljnje otapanje i zagrijavanje jer je u hrani sve više vode koja se mikrovalovima lako zagrijava.

Mikrovalne pećnice nas ne ozračuju

Druga raširena zabluda je da mikrovalke ozračuju sve unaokolo i time škode ljudskom zdravlju.

Kao prvo, treba istaknuti da mikrovalovi imaju mnogo duže valne duljine od zračenja Sunca i ne spadaju u tzv. ionizirajuće zračenje. Ionizirajuće zračenje je ono koje ima vrlo visoke frekvencije (a male valne duljine), što podrazumijeva da ima velike energije. Takvo zračenje iz molekula može izbaciti elektrone i na taj način može stvoriti ione te izazvati kemijske reakcije. U takvo zračenje spadaju elektromagnetske zrake višeg dijela spektra UV zraka, tzv. UVB i UVC zrake, rendgenske zrake i gama zrake.

Prema stranici američkog Instituta za rak, elektromagnetski valovi viših frekvencija koji se smatraju ionizirajućim mogu izravno oštetiti DNA, stanice i tkiva.

Elektromagnetski valovi niskih do srednjih frekvencija, koji uključuju statička polja koja se ne mijenjaju s vremenom, magnetska polja električnih vodova i uređaja, radiovalove, mikrovalove, infracrveno zračenje i vidljivu svjetlost, spadaju u neionizirajuće zračenje i nisu povezani s oštećenjima DNA ili stanica.

Valne duljine s kojima rade mikrovalke vrlo su bliske valovima mobitela i mogu uglavnom izazvati samo zagrijavanje materijala kroz koje prolaze.

Za ilustraciju, kućanske mikrovalne pećnice rade oko nominalnih frekvencija od 2.45 gigaherca (GHz) - što je valna duljina od 12.2 centimetra, odnosno 12.2 x 10^-2  metara. Za usporedbu, valna duljina ionizirajućih UVB zraka je oko 2.8 x 10^-7 metara, a rendgenskog zračenja od 10^-10 do oko 10^-13 metara.

Naravno, zračenje mobitela puno je slabijeg intenziteta od zračenja unutar mikrovalki. Kada bismo stavili ruku u mikrovalku, ona bi nas mogla pošteno zagrijati i opeći, kao što to čini s hranom. No u mikrovalku nije moguće staviti ruku jer ona radi samo ako se vrata zatvore; osim ako namjerno ne sabotiramo sigurnosni mehanizam.

Mikrovalke imaju Faradayev kavez iz kojeg mikrovalovi teško bježe

Osim toga, mikrovalovi ne mogu u većoj količini pobjeći iz mikrovalki u okolinu jer je pećnica konstruirana kao tzv. Faradayev kavez (iako ne savršen jer postoji otvor uz rubove vrata). Faradayev kavez je zatvoreni prostor obložen metalnim oklopom ili metalnom mrežom. Mikrovalke obično na svim stranama osim na vratima imaju metalni oklop. Na prednjoj strani je staklena površina s metalnom mrežom koja omogućuje da se vidi hrana koja se zagrijava. Kada magnetron u mikrovalki generira mikrovalove, oni se šire unutar pećnice, a metalni oklop i mreža Faradayevog kaveza pećnice djeluju kao reflektori za te mikrovalove. Oni se reflektiraju i griju hranu a da pritom ne izlaze izvan pećnice u značajnijim količinama. To potvrđuje činjenica da se u blizini mikrovalke ne osjeća povišena temperatura.

Faradayev kavez štiti čovjeka od ulaska  udara munja

Testovi mikrovalki sa stavljanjem mobitela u njih, koji pokazuju da zvone čak i u pećnici, nemaju puno smisla jer su mobiteli napravljeni tako da mogu hvatati čak i vrlo slabe signale, a kao što smo naveli, mikrovalke nisu savršeni Faradayevi kavezi.

Kako radi Faradayev kavez mikrovalke?

Naš fizičar za Index je ilustrirao funkcioniranje Faradayevog kaveza u mikrovalkama.

"Mrežu Faradayevog kaveza mikrovalke možemo usporediti s vršom. Ako je oko, odnosno očica vrše promjera 1 cm, a riba u njoj široka 10 cm, ona ne može pobjeći. Elektromagnetski valovi ne mogu proći kroz metal, ali ni kroz mrežu čije je oko 10 puta manje od valne duljine elektromagnetskog vala. Mikrovalovi su dugački oko 10 cm, a mreža na vratima mikrovalne pećnice ima oči promjera oko 2 mm. Zato mikrovalovi ne mogu van, dok valovi svjetlosti, čija je valna duljina 100.000 puta manja, prolaze kroz mrežu mikrovalne bez problema", tumači.

Zašto se u mikrovalnoj pećnici hrana vrti?

Aviani također ima slikovit odgovor na pitanje zašto se hrana u mikrovalkama vrti.

"Mikrovalovi se u pećnici odbijaju od njezinih metalnih stranica, a njihove se amplitude zbrajaju. Tako nastaju tzv. stojni valovi, koji titraju na mjestu, a time i mjesta na kojima je energija valova velika i mjesta na kojima je ona mala. Da bi se hrana ravnomjerno grijala, treba je premještati u prostoru pećnice. To se postiže rotacijom", kaže naš sugovornik.

Kako pomoću mikrovalke izmjeriti brzinu svjetlosti?

Aviani kaže da je jedna od zgodnih stvari u radu mikrovalki to da uz njihovu pomoć možete izmjeriti brzinu svjetlosti. Evo kako.

"Izvadite rotirajući tanjur i stavite u mikrovalku običan plitki tanjur tako da nema rotacije. Na tanjur stavite čokoladu i uključite mikrovalku. Prekidajte je svakih nekoliko sekundi dok se čokolada ne počne topiti. Primijetite da se topi samo na nekim mjestima. To su trbusi, odnosno vrhunci stojnog elektromagnetskog vala koji najjače griju. Izmjerite razmak između dva trbuha. On je jednak polovici valne duljine λ mikrovalova. Okrenite potom pećnicu tako da s njene stražnje strane na deklaraciji očitate frekvenciju mikrovalova f. Izračunajte brzinu svjetlosti pomoću jednostavne formule c = λ∙f (brzina svjetlosti je umnožak valne duljine i frekvencije svjetlosti). Ako ste dobili pogrešku manju od 50%, pojedite čokoladu za nagradu. Ako niste, dajte je nekom drugom, samo nemojte da propadne", poručuje Aviani.

Hrana iz mikrovalki nije opasna jer je "ozračena"

Jedna od raširenijih zabluda je i ta da su mikrovalne pećnice opasne jer je hrana koja se u njima zagrijava ozračena. Tu je važno pojasniti što uopće znači da je nešto ozračeno? Hrana koja je izložena radioaktivnim materijalima doista može biti ozračena na opasne načine - može biti kontaminirana radioaktivnim materijalom koji možemo unijeti u tijelo ili pak može biti oštećena tzv. ionizirajućim zračenjem nastalim koje nastaje u radioaktivnom raspadu.

Međutim, to ne vrijedi za hranu koja je izložena radiovalovima, mikrovalovima ili pak infracrvenom i vidljivom spektru sunčevog zračenja. Primjerice, tijekom uzgoja plodovi i usjevi kupaju se u sunčevim zrakama, no to ne znači da postaju opasni kao što je opasna hrana koja je izložena radioaktivnom zračenju ili radioaktivnim materijalima.

Štoviše, hrana se često namjerno ozračuje čak i ionizirajućim gama zrakama kako bi se u njoj brzo i učinkovito uništile bakterije, paraziti i drugi patogeni.

Svjetska zdravstvena organizacija (WHO) i druge zdravstvene agencije smatraju da je takvo ozračivanje hrane sigurno kada se primjenjuje unutar utvrđenih granica. Ono ne čini hranu radioaktivnom niti ostaje u hrani.

Hrana iz mikrovalki nije kancerogena

Još jedna uobičajena zabluda je da zagrijavanje hrane u mikrovalnim pećnicama uzrokuje stvaranje kancerogenih tvari. Prema brojnim istraživanjima zagrijavanje u mikrovalnoj pećnici je sigurno. Štoviše, ono sprječava stvaranje heterocikličkih amina i drugih kancerogenih tvari i regulira alergenost bjelančevina, smanjuje nakupljanje zasićenih masnih i transmasnih kiselina, čime se smanjuje rizik od alergijskih reakcija i kardiovaskularnih bolesti.

Osim toga, mikrovalna pećnica svojim relativno niskim temperaturama čuva brojne nutrijente poput minerala i vitamina te poboljšava antioksidaciju nekih sastojaka hrane, što može spriječiti stvaranje kancerogenih spojeva.

Temperatura i trajanje zagrijavanja najvažnije su varijable u proizvodnji dioksina, heterocikličkih amina i drugih štetnih kemikalija. U hrani s visokim udjelom masti dugotrajnim zagrijavanjem na visokoj temperaturi mogu se lako proizvesti ovi spojevi.

Svako termičko tretiranje hrane previsokim temperaturama, osobito na duže vrijeme, može uzrokovati promjene u hrani na način da ona postane kancerogena. Primjerice, zagorjeli tost, meso ili povrće često sadrže kancerogene sastojke.

Mikrovalno zračenje uglavnom neće uzrokovati nastanak kancerogenih tvari u hrani, ako ne pretjeramo s grijanjem. Prije će se to dogoditi pečenjem ili prženjem hrane na roštilju ili na tavi kojim se uobičajeno postižu značajno više temperature, osobito na dodirnoj površini hrane.

Međutim, treba također voditi računa o tome da se hrana ne tretira termički u plastičnim posudama koje nisu namijenjene mikrovalkama, koje zagrijavanjem mogu početi pucati i otpuštati kancerogene sastojke. Primjerice, nije preporučljivo zagrijavati hranu u najlonskim vrećicama ili u posudama od PVC-a, PET-a i PS-a.

Najbolje je koristiti staklene ili keramičke posude (bez ukrasa koji mogu biti metalni - pozlate i sl.) ili pak plastične koje imaju oznaku da su sigurne za mikrovalke.

Jaje iz mikrovalke za mršavljenje

Mnogi ljudi, osobito oni u godinama, nastoje štedjeti na kalorijama, a mikrovalke tu mogu biti od koristi.

Aviani kaže da u mikrovalnoj, primjerice, možemo pripremiti meko kuhano, frigano ili tvrdo kuhano jaje bez imalo ulja ili masti.

"Još je možda važnije da je sve gotovo za manje od jedne minute a da tavu niste ni dotakli. Jaje odvojeno od ljuske stavite u keramičku zdjelicu i pokrijte tanjurićem jer voda s dna jajeta može prsnuti. Jaje se ne lijepi za posudu jer se ne grije samo odozdo, kao u tavi. Umjesto zdjelice možete upotrijebiti primjerice šalicu za kavu, i to je sve što ćete zaprljati. Bezopasno je za djecu i idealno za samce", poručuje naš stručni sugovornik.

Prodiranje mikrovalova u hranu

Jedna od uobičajenih zabluda također je da mikrovalne pećnice kuhaju hranu iznutra prema van, odnosno od središta hrane prema površini. Ova ideja temelji se na opservaciji da se vlažniji, unutrašnji dio hrane zagrijava brže od suhe površine. No to je zbog toga što hrana s većim udjelom vode ima više dipola koji se lakše aktiviraju mikrovalovima.

Ako je hrana jednolično strukturirana i homogena, te ako je raspoređena u relativno jednolikom sloju, mikrovalovi će se u njenim vanjskim slojevima apsorbirati na sličnoj razini kao i u unutarnjim i brzo proširiti u sve dijelove hrane.

Ovisno o sadržaju vode, kod mikrovalnih pećnica dubina početnog akumuliranja topline može biti nekoliko centimetara ili više, za razliku od pečenja na tavi koje se temelji na infracrvenim valovima u kojima se toplina predaje na samoj površini hrane. Dubina prodiranja mikrovalova ovisi o sastavu hrane i frekvenciji mikrovalova. Duži mikrovalovi prodiru dublje, no njihove su duljine u svim komercijalnim mikrovalkama vrlo ujednačene.

Zašto ne treba stavljati metalne predmete u mikrovalke?

Poznato je pravilo da u mikrovalke nije dobro stavljati metalne predmete, a Aviani je pojasnio zašto.

"Metalni predmeti imaju slobodne elektrone. Njih će električno polje mikrovalova gurati s kraja na kraj predmeta pa će se u metalu stvoriti izmjenična struja, a rubovi predmeta će se naelektrizirati izmjeničnim nabojem. Struja će zagrijati metalni predmet toliko da se možete dobro opeći, ali to nije sve. Naboj na rubovima stvarat će visoki napon zbog čega može nastati iskrenje nalik na munje. Iskrenje može oštetiti metalne dijelove pećnice ili izazvati mali požar na hrani. Iskrenje će najviše izazivati šiljasti metalni predmeti poput vilice jer se naboj najviše skuplja na šiljcima kao u gromobranima", kaže Aviani.