Học viên: Nguyễn Văn Thuận MSHV: 20211257M Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt Một nghiên cứu về ảnh hưởng của công nghệ tiền xử lý siêu âm đến quá trình sấy được thực hiện trong luận văn nhằm
TỔNG QUAN
Tổng quan về kỹ thuật sấy
Hiện nay, an ninh lương thực toàn cầu đang đối mặt với thách thức lớn khi dân số dự kiến sẽ tăng lên 9,6 đến 12,3 tỷ người vào năm 2100 Đến năm 2050, số người sống ở thành phố sẽ gấp đôi so với năm 2000, cần thêm 40% diện tích đất vào năm 2030 để đáp ứng nhu cầu lương thực Biến đổi khí hậu, ô nhiễm và thoái hóa đất cũng đe dọa an ninh lương thực, với dự đoán rằng nhiệt độ tăng và lượng mưa giảm sẽ làm giảm năng suất các loại cây trồng chính Tại Việt Nam, nông nghiệp đóng góp 13,96% GDP quốc gia, với kim ngạch xuất khẩu rau quả đạt 3,52 tỷ USD vào năm 2018 Tuy nhiên, tỷ lệ hao hụt nông sản từ thu hoạch đến tiêu thụ lên tới 40-50%, chủ yếu do công nghệ bảo quản chưa đáp ứng yêu cầu Công nghệ sấy được xem là giải pháp tiềm năng cho vấn đề này nhờ chi phí đầu tư thấp và thời gian bảo quản lâu dài.
Sấy là một quá trình xử lý nhiệt quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp như hóa chất, khai khoáng, sản xuất xi măng, thuốc súng, đồ gia dụng, chế biến gỗ và mỹ nghệ Trong ngành bảo quản thực phẩm, sấy đóng vai trò then chốt trong việc bảo quản nông sản sau thu hoạch Đây là một trong những công nghệ lâu đời và phổ biến nhất, mang lại thời gian bảo quản dài hơn và hương vị mới lạ cho sản phẩm Việc giảm hàm lượng nước trong sản phẩm không chỉ giúp kéo dài thời gian bảo quản mà còn giảm chi phí bao bì, kho bãi và vận chuyển, điều này càng trở nên quan trọng trong bối cảnh đại dịch Covid-19 và sự phát triển của ngành logistics trong thương mại điện tử.
Sấy là quá trình phức tạp kết hợp trao đổi nhiệt và chất nhằm loại bỏ ẩm, chủ yếu là nước và hơi nước, khỏi vật liệu Hơi ẩm trong vật liệu nhận năng lượng, tách ra và di chuyển từ bên trong ra bề mặt, sau đó vào môi trường xung quanh Ẩm tồn tại dưới dạng liên kết hóa học lỏng, tạo áp suất hơi nhỏ hơn áp suất của lỏng nguyên chất, được gọi là ẩm liên kết Trong quá trình sấy, hơi ẩm bay hơi trên bề mặt và khuếch tán vào tác nhân sấy nhờ chênh lệch áp suất hơi nước Quá trình truyền nhiệt và chất chủ yếu diễn ra qua trao đổi đối lưu Ẩm trên bề mặt sau khi bay hơi tạo ra gradient nhiệt độ, độ ẩm và áp suất, dẫn đến dịch chuyển ẩm từ bên trong ra ngoài qua các hang xốp Quá trình này tiếp tục cho đến khi đạt trạng thái cân bằng ẩm Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt và chất bao gồm thông số nhiệt vật lý của tác nhân sấy và đặc tính của vật liệu sấy.
Trong lĩnh vực chế biến thực phẩm, công nghệ sấy là phương pháp bảo quản sau thu hoạch hiệu quả nhất, giúp kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm Quá trình sấy loại bỏ nước, giảm hoạt độ nước, từ đó ức chế sự phát triển của vi sinh vật và các phản ứng gây hư hại Ngoài việc bảo quản nông sản, sấy còn làm tăng nồng độ các vi chất như protein, chất béo và carbohydrate, tạo ra hương vị mới cho sản phẩm khô Tuy nhiên, sấy là quá trình phức tạp, liên quan đến trao đổi nhiệt và chất, có thể làm thay đổi tính chất của nguyên liệu Nếu không thực hiện đúng kỹ thuật, chất lượng sản phẩm khô sẽ bị tổn thất nghiêm trọng Sản phẩm sau sấy cần đảm bảo tiêu chuẩn về an toàn thực phẩm, dinh dưỡng, kết cấu, màu sắc và hương vị Điều kiện sấy không đúng có thể dẫn đến nâu hoá, co rút và mất vi chất, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Các thành phần trong thực phẩm như nước, carbohydrate và lipid dễ bị biến đổi ở nhiệt độ cao, gây suy giảm chất lượng và giá trị của thành phẩm.
Mỗi năm, Trung Quốc mất khoảng 21 triệu tấn ngũ cốc do sấy không đạt yêu cầu và hư hỏng do sinh vật, một vấn đề cũng phổ biến ở nhiều khu vực khác trên thế giới Sấy khô không đúng kỹ thuật không chỉ gây thiệt hại về sản phẩm mà còn tạo ra các vấn đề nghiêm trọng về an toàn thực phẩm, đe dọa sức khỏe con người Theo Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp (FAO), khoảng 25% sản phẩm nông nghiệp toàn cầu bị nhiễm độc tố do sấy không đạt tiêu chuẩn, dẫn đến thiệt hại kinh tế lên tới hàng trăm tỷ USD Do đó, nghiên cứu và phát triển công nghệ sấy đạt tiêu chuẩn cho từng loại sản phẩm là nhiệm vụ quan trọng và cấp thiết trong ngành công nghiệp chế biến và bảo quản nông sản sau thu hoạch, nhằm giảm thiểu hao hụt và đảm bảo an ninh lương thực.
Sấy là một hoạt động quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là chế biến và bảo quản thực phẩm, nhưng lại tiêu tốn từ 7÷15% tổng mức tiêu thụ năng lượng công nghiệp toàn cầu Tại các nước như Hoa Kỳ, Canada, Pháp và Vương quốc Anh, mức tiêu hao năng lượng cho sấy khô dao động từ 10÷15%, trong khi ở các nước Bắc Âu như Đan Mạch và Đức, con số này có thể lên tới 20÷25% Ở Việt Nam, năng lượng sử dụng cho sấy chiếm từ 5% trong ngành công nghiệp hóa chất đến hơn 35% trong sản xuất giấy Với hiệu suất sử dụng năng lượng của máy sấy hiện nay chỉ khoảng 25÷50%, việc phát triển công nghệ sấy mới có khả năng tiết kiệm năng lượng là rất cần thiết, không chỉ giúp giảm chi phí vận hành mà còn góp phần vào chính sách phát triển nguồn năng lượng, giảm phát thải carbon dioxide và ứng phó với biến đổi khí hậu Cải tiến nhỏ trong hiệu quả năng lượng của quá trình sấy có thể mang lại tiết kiệm lớn, đặc biệt quan trọng đối với Việt Nam, nơi nông nghiệp chiếm tỷ trọng kinh tế lớn.
Tốc độ sấy sản phẩm phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm đặc tính của tác nhân sấy như nhiệt độ, tốc độ, độ ẩm tương đối và loại khí sử dụng Ngoài ra, đặc tính của sản phẩm như hình dạng, kích thước, thành phần dinh dưỡng, độ ẩm và hoạt độ nước cũng ảnh hưởng đến quá trình này Cơ chế truyền nhiệt và công nghệ sấy cũng đóng vai trò quan trọng Nhiều nghiên cứu đã phát triển công nghệ sấy nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả năng lượng Trong số các yếu tố, nhiệt độ và tốc độ tác nhân sấy có thể được điều chỉnh để tối ưu hóa thời gian sấy khô.
Nhiệt độ và tốc độ của tác nhân sấy ảnh hưởng mạnh mẽ đến quá trình sấy, giúp rút ngắn thời gian và cải thiện hiệu quả năng lượng Tuy nhiên, nhiệt độ tác nhân sấy là yếu tố then chốt có thể gây suy giảm chất lượng sản phẩm, do đó cần kiểm soát việc tăng nhiệt độ trong giới hạn cho phép Nghiên cứu về nhiệt độ tối ưu cho từng loại sản phẩm đang được tiến hành trên toàn thế giới, nhưng giới hạn nhiệt độ cho phép cũng ảnh hưởng đến tốc độ sấy Do đó, cần phát triển các giải pháp công nghệ mới để nâng cao tốc độ sấy khô sản phẩm.
Hiện nay, hệ thống sấy thực phẩm chủ yếu sử dụng phương pháp sấy nóng, trong đó sấy đối lưu không khí nóng là phương pháp phổ biến và dễ thực hiện nhất Phương pháp này hoạt động bằng cách gia nhiệt tác nhân sấy, giảm độ ẩm tương đối và tạo ra gradient áp suất, từ đó dịch chuyển ẩm từ bên trong vật liệu ra bề mặt Nghiên cứu về công nghệ sấy đối lưu không khí nóng đã phát triển mạnh mẽ, tích hợp với các công nghệ như năng lượng mặt trời, bức xạ hồng ngoại và vi sóng để nâng cao hiệu quả năng lượng và rút ngắn thời gian sấy Ngoài ra, công nghệ sấy ở nhiệt độ thấp như sấy bơm nhiệt, chân không và thăng hoa cũng được sử dụng để bảo vệ các hợp chất nhạy cảm Mặc dù công nghệ sấy ở nhiệt độ thấp giữ được chất lượng sản phẩm tốt hơn, nhưng thời gian thực hiện lâu và chi phí đầu tư cao, chỉ phù hợp với nông sản có giá trị dinh dưỡng cao Do đó, nghiên cứu tìm kiếm công nghệ sấy mới và xử lý sản phẩm trước khi sấy là cần thiết để cải thiện hiệu quả tiết kiệm năng lượng và chất lượng sản phẩm.
Sấy cũ đang trở thành một vấn đề cấp bách cần được chú trọng, đặc biệt trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng toàn cầu trong những năm gần đây.
Kỹ thuật tiền xử lý bằng năng lượng sóng siêu âm
Nhu cầu ứng dụng công nghệ xử lý vật liệu sấy bằng năng lượng sóng siêu âm
Sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã nâng cao mức sống và làm tăng sự chú trọng đến dinh dưỡng và sức khoẻ, đặc biệt ở các quốc gia phát triển Các sản phẩm thực phẩm không chỉ cần đáp ứng nhu cầu sinh tồn mà còn phải đạt tiêu chuẩn chất lượng cao Sấy khô là một trong những công nghệ bảo quản lâu đời và phổ biến, nhưng không chỉ đơn thuần là tách nước mà còn là một quá trình công nghệ phức tạp liên quan đến trao đổi nhiệt và chất Chất lượng sản phẩm sau sấy chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, và các phương pháp sấy truyền thống đang dần không đáp ứng được yêu cầu thị trường Quá trình sấy khô thường dựa vào kinh nghiệm, dẫn đến sản phẩm có chất lượng không đồng đều và tổn thất năng lượng Đặc biệt, công nghệ sấy đối lưu không khí nóng không phù hợp với sản phẩm nông nghiệp nhạy cảm với nhiệt độ cao Công nghệ sấy lạnh ra đời để khắc phục những hạn chế này, giúp giữ lại lợi khuẩn và vi chất có giá trị Tuy nhiên, công nghệ sấy lạnh chưa phổ biến do chi phí đầu tư cao và tiêu hao năng lượng lớn, chỉ phù hợp với sản phẩm có giá trị kinh tế cao Việc cân đối giữa chất lượng sản phẩm, chi phí đầu tư và lợi ích kinh tế là một thách thức quan trọng cho các doanh nghiệp.
Nghiên cứu về công nghệ sấy khô tại Việt Nam và toàn cầu hiện nay tập trung vào việc giảm thiểu tiêu hao năng lượng, một vấn đề quan trọng đối với doanh nghiệp và an ninh năng lượng quốc gia Những nghiên cứu này cung cấp cơ sở dữ liệu thiết yếu cho các doanh nghiệp trong ngành Các nhà khoa học đã triển khai nghiên cứu chế độ sấy thích hợp trong hơn 100 năm qua, với mỗi loại nông sản yêu cầu chế độ sấy riêng biệt Tại các cơ sở chế biến, chế độ sấy đã được tối ưu hóa cho từng sản phẩm cụ thể, tuy nhiên, việc tiết kiệm năng lượng thông qua điều chỉnh các thông số xử lý đã đạt đến giới hạn.
Trong những năm gần đây, các nhà khoa học trên thế giới đang chú trọng phát triển 6 công nghệ sấy mới nhằm rút ngắn thời gian sấy khô và giảm chi phí năng lượng Ngoài các phương pháp sấy hiện đại như sấy bằng hơi quá nhiệt và sấy vi sóng, kỹ thuật tiền xử lý trái cây bằng sóng siêu âm trước khi sấy đã trở thành một chủ đề nóng Kỹ thuật này không chỉ tăng cường quá trình truyền nhiệt và chất bên trong vật liệu sấy mà còn giúp rút ngắn đáng kể tổng thời gian sấy, từ đó giảm thiểu năng lượng tiêu thụ.
Màng tế bào, hay còn gọi là màng sinh chất, là cấu trúc quan trọng trong các sản phẩm nông sản, giúp phân cách môi trường bên trong tế bào với môi trường bên ngoài Màng tế bào cho phép các ion và phân tử hữu cơ thấm qua một cách có chọn lọc, đồng thời bảo vệ tế bào khỏi tác động của môi trường Tuy nhiên, màng tế bào nguyên vẹn cũng hạn chế khả năng khuếch tán ẩm, cản trở quá trình sấy khô vật liệu Để cải thiện tốc độ sấy và đảm bảo chất lượng sản phẩm, các nhà khoa học đang chú trọng vào việc can thiệp vào màng tế bào, trong đó có giải pháp xử lý sản phẩm bằng năng lượng sóng siêu âm trước khi sấy.
Sóng siêu âm và ứng dụng của sóng siêu âm
Sóng siêu âm là sóng âm thanh có tần số vượt quá 20 kHz, không thể nghe thấy bởi tai người Con người chỉ có khả năng phát hiện âm thanh trong dải tần số từ 20 Hz đến 20 kHz Từ những năm 70 của thế kỷ XX, nhiều ứng dụng của sóng siêu âm đã được nghiên cứu và đạt được thành tựu đáng kể Các ứng dụng này bao gồm xúc tác phản ứng hóa học, đo đạc chất lượng và cải thiện thông số lưu biến trong quá trình chiết xuất, hỗ trợ đóng băng, loại bỏ thuốc trừ sâu, làm sạch và nhũ hóa.
Sóng siêu âm được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như khử khí, rã đông, và kết tinh, giúp tạo ra các hiệu ứng cơ học và hóa học Việc sử dụng sóng siêu âm tăng cường hiệu quả của các quá trình xử lý so với các phương pháp truyền thống.
Việc ứng dụng sóng siêu âm trong quá trình tiền xử lý sản phẩm trái cây trước khi sấy đã thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học nhằm tăng tốc độ sấy và cải thiện chất lượng sản phẩm sau khi sấy khô Sóng siêu âm được phân loại thành hai loại dựa trên tần số: sóng siêu âm tần số cao (trên 100 kHz) với cường độ và năng lượng thấp, chủ yếu được sử dụng để theo dõi chất lượng thực phẩm; trong khi sóng siêu âm tần số thấp (từ 20 kHz đến 100 kHz) có cường độ và năng lượng cao hơn.
Công nghệ siêu âm là một phương pháp phi nhiệt có tiềm năng lớn trong chế biến thực phẩm, giúp thay đổi cấu trúc vi mô bên trong thực phẩm Trong ngành công nghiệp, hai loại thiết bị siêu âm phổ biến là bồn siêu âm và đầu dò siêu âm Để sử dụng sóng siêu âm trong các quy trình công nghiệp, cần có nguồn cung cấp rung động siêu âm và môi trường lan truyền Nghiên cứu này tập trung vào sóng siêu âm tần số thấp, do khả năng tạo ra hiệu ứng bọt biển và hiệu ứng xâm thực, từ đó thay đổi cấu trúc và các tính chất vật lý của vật liệu sấy, đồng thời tăng cường và điều chỉnh nhiều phản ứng hóa học trong quá trình sấy khô.
Sóng siêu âm là sóng cơ học truyền qua các môi trường rắn, lỏng và khí, khác với sóng điện từ Âm thanh được lan truyền thông qua hai hiện tượng nén (compression) và giãn (rarefaction) của các phân tử, tạo ra áp suất âm Khi áp suất vượt quá độ bền kéo của chất lỏng, bong bóng hơi hình thành và sụp đổ trong các trường siêu âm mạnh, gây ra hiện tượng xâm thực Sự bùng nổ của bong bóng xâm thực tạo ra rối loạn vĩ mô, va chạm hạt tốc độ cao và rối loạn vi mô trong thực phẩm Hiện tượng tạo bọt xảy ra gần bề mặt phân cách giữa chất lỏng và rắn, dẫn đến bong tróc, xói mòn và giải phóng các hợp chất hoạt tính sinh học từ màng sinh học.
Sóng siêu âm là một kỹ thuật tiền xử lý hiệu quả cho sản phẩm nông sản trước khi sấy khô, giúp cải thiện động học quá trình sấy và giảm chi phí năng lượng Phương pháp này dựa trên "hiệu ứng bọt biển", trong đó vật liệu sấy trải qua các quá trình nén và giãn liên tục trong môi trường lỏng Hiệu ứng này cho phép các lực tạo ra đẩy nước từ bên trong mô sản phẩm ra bề mặt và dẫn nước từ bên ngoài vào sản phẩm.
Sóng siêu âm tác động lên vật liệu sấy, tạo ra vi kênh giữa các cụm tế bào, cho phép chất lỏng nội bào rò rỉ ra môi trường Sự thay đổi này do hiện tượng xâm thực âm thanh từ tương tác giữa sóng siêu âm và môi trường, dẫn đến sự hình thành và sụp đổ của bong bóng khí trong môi trường lỏng, gây tổn thương cơ học cho vật liệu Xâm thực bao gồm hai dạng: quán tính và phi quán tính, trong đó xâm thực quán tính có thể làm vỡ tế bào nhanh hơn Năng lượng siêu âm mở rộng khoảng gian bào và vi mạch mao dẫn, cải thiện quá trình vận chuyển ẩm trong sản phẩm Sóng siêu âm còn giúp giải phóng ẩm liên kết và loại bỏ oxy hòa tan, từ đó tăng cường tốc độ sấy, rút ngắn thời gian sấy và tiết kiệm năng lượng cho quá trình sấy khô.
1.2.4.1 Ảnh hưởng tới động học quá trình sấy
Công nghệ tiền xử lý vật liệu trước khi sấy đã chứng minh hiệu quả tích cực trong việc rút ngắn thời gian sấy và giảm chi phí năng lượng Tiền xử lý siêu âm giúp giảm hàm lượng nước ban đầu, đẩy nhanh quá trình sấy khô Hiện tượng xâm thực do sóng siêu âm tạo ra các vi kênh bên trong vật liệu, làm cho việc loại bỏ ẩm trở nên dễ dàng hơn Ngoài ra, quá trình xử lý siêu âm còn hỗ trợ loại bỏ ẩm liên kết bên trong vật liệu, trong khi sự biến dạng của vật liệu rắn xốp, như trái cây, do sóng siêu âm gây ra cũng góp phần giảm lớp ẩm.
9 biên nhiệt và ẩm, qua đó tăng cường quá trình truyền chất đối lưu diễn ra trong quá trình sấy [44, 45]
1.2.4.2 Ảnh hưởng tới chất lượng vật liệu sấy x Màu sắc: Trong hầu hết các loại trái cây, sự suy giảm màu sắc được đặc trưng bởi quá trình nâu hoá gây ra do các enzyme, quá trình này diễn ra mạnh mẽ hơn ở nhiệt độ cao Các nghiên cứu trên thế giới đều cho thấy không có sự khác biệt đáng kể giữa sản phẩm sau khi sấy đã trải qua quá trình tiền xử lý siêu âm và không trải qua xử lý siêu âm, tuy nhiên phần lớn những sản phẩm trải qua quá trình xử lý siêu âm thường có màu nhạt hơn Điều này được giải thích bởi sóng siêu âm gây ra những tổn thương vật lý làm phá huỷ màng tế bào, góp phần giúp các sắc tố từ mô tế bào dễ ràng bị rửa trôi Ngoài ra quá trình xử lý siêu âm cũng giúp ức chế hoạt động của enzyme hoặc tiêu diệt các enzyme và các vi sinh vật, qua đó kiểm soát quá trình nâu hoá diễn ra [46–48] x Kết cấu: Trong quá trình xử lý, không khí giữa các tế bào có thể được loại bỏ ra khỏi các mô, làm mềm kết cấu và phân tách lớp trên bề mặt của sản phẩm, cùng với đó các vết nứt nhỏ trên bề mặt được hình thành Việc áp dụng biện pháp xử lý siêu âm giúp tăng cường độ xốp của sản phẩm khô, qua đó gia tăng cảm quan vị giác của sản phẩm [49, 50] x Khả năng bù nước: Nhiều nghiên cứu trên thế giới đều đưa ra kết luận rằng việc sử dụng công nghệ tiền xử lý siêu âm giúp cải thiện khả năng bù nước của sản phẩm khô [51–53], điều này được giải thích bởi sự hình thành và mở rộng của các vi kênh bên trong vật liệu sấy x Cảm quan vị giác: Quá trình xử lý siêu âm trong nước tinh khiết giúp giảm hàm lượng đường có trong vật liệu sấy, điều này được quan tâm đặc biệt bởi một bộ phận lớn người tiêu dùng có chế độ ăn kiêng [53, 54] Việc loại bỏ đường khỏi vật liệu sấy cũng giúp quá trình sấy khô diễn ra dễ dàng hơn do tính chất bám dính của đường, bên cạnh đó những sản phẩm có chứa lượng đường lớn cũng dễ dàng thu hút vi sinh vật và có khả năng bị biến đổi màu do hiện tượng caramen hoá ở nhiệt độ cao Hương vị của sản phẩm khô sau quá trình tiền xử lý siêu âm được cho là giống hương vị tự nhiên của trái cây
Công nghệ tiền xử lý vật liệu sấy bằng sóng siêu âm đã được nghiên cứu và áp dụng cho nhiều loại thực phẩm như rau, củ, quả, thịt, và cá Một nghiên cứu của Shekhar U Kadam và cộng sự cho thấy rằng việc sử dụng sóng siêu âm trong quá trình sấy rong biển nâu giúp rút ngắn thời gian sấy đáng kể Cường độ sóng siêu âm càng lớn thì thời gian sấy càng giảm Mặc dù màu sắc của sản phẩm khô không có nhiều sự khác biệt giữa các chế độ sấy, sản phẩm khô được sấy với sự hỗ trợ của sóng siêu âm có màu sắc nhạt hơn một chút, điều này được giải thích bởi hiệu ứng khử khí do sóng siêu âm gây ra.
Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý cụm thiết bị tạo sóng siêu âm của Shekhar U Kadam
A – thiết bị tạo sóng siêu âm, B – đầu dò, C – horn siêu âm, D – bể chứa mẫu và dung dịch lỏng [27]
Sepideh Sohrabpour đã thực hiện nghiên cứu về ảnh hưởng của công nghệ tiền xử lý siêu âm đến quá trình sấy sản phẩm mộc qua Mẫu mộc qua được ngâm trong nước tinh khiết và xử lý siêu âm với tần số 35 kHz trong các khoảng thời gian 10 và 20 phút.
Vật liệu sấy
Nghiên cứu này tập trung vào hai loại nông sản là quả bơ và quả thanh long, cả hai đều gặp khó khăn trong việc bảo quản và chế biến Quả bơ, được biết đến với hàm lượng calo cao từ chất béo, chủ yếu được tiêu thụ tươi nhưng chỉ có thể bảo quản từ 5 đến 7 ngày Bơ chứa nhiều dưỡng chất quan trọng như magie, kali, vitamin K, E, C, B6, và các hợp chất tốt cho sức khỏe mắt như Lutein và Zeaxanthin Tuy nhiên, do đặc tính dễ dập nát và chín không đồng đều, việc vận chuyển bơ đến các tỉnh xa hoặc xuất khẩu gặp nhiều trở ngại, và hiện tại Việt Nam chưa có sản phẩm chế biến từ bơ Tương tự, thanh long cũng khó bảo quản, chỉ giữ tươi từ 8 đến 10 ngày ở nhiệt độ 20÷24 oC và từ 15 đến 20 ngày ở 12÷14 oC, dẫn đến khó khăn trong tiêu thụ Sự ngừng nhập khẩu sản phẩm nông sản Việt Nam từ Trung Quốc vào năm 2020 đã khiến giá thanh long giảm mạnh, gây thiệt hại kinh tế nghiêm trọng, do đó cần khẩn trương phát triển công nghệ chế biến sau thu hoạch cho quả thanh long.
Bơ, hay còn gọi là Avocado (Persea Americana), là một loại trái cây thân gỗ được công nhận toàn cầu là siêu thực phẩm với nhiều lợi ích cho sức khỏe Hóa thạch hạt bơ có niên đại 7000 năm trước Công nguyên được phát hiện ở Mexico cho thấy cây bơ từng mọc hoang dại Đến 500 năm trước Công nguyên, kích thước hạt bơ đồng đều chứng tỏ việc trồng chọn lọc đã bắt đầu Tuy nhiên, những hạt bơ dại từ 700 năm sau Công nguyên cho thấy trái bơ chưa được biết đến rộng rãi Cây bơ có nguồn gốc từ Nam Mỹ, có khả năng thích nghi tốt với nhiều điều kiện môi trường, cần nước, không ưa sương muối, thích đất cằn và không axit, chịu được ánh nắng và không khí khô Năm 1940, giống bơ được du nhập vào Việt Nam, với Tây Nguyên là vùng đất thích hợp nhất cho sự phát triển của cây bơ.
Với 14 giờ nắng và lượng mưa dồi dào trong năm, điều kiện khí hậu rất lý tưởng cho sự phát triển của cây bơ, mang lại năng suất và chất lượng cao không kém gì so với quê hương của chúng.
Bơ là loại trái cây có giá trị dinh dưỡng và xuất khẩu cao, với cây cao khoảng 20 mét và lá xanh quanh năm Lá bơ dài từ 12÷15 cm, có hình thuỗng hoặc hình dao, với chóp lá thường bén nhọn Hoa bơ có màu xanh nhạt hoặc xanh vàng, nở thành chùm với đường kính khoảng 12÷14 mm, có 12 nhị nhưng chỉ 9 nhị hoạt động Quả bơ có hình dáng và trọng lượng khác nhau, từ hình tròn đến hình quả lê, có thể nặng đến 1,5 kg Quả bơ có ba phần rõ rệt: vỏ, thịt và hạt, với màu sắc vỏ biến đổi từ xanh sáng đến tím sẫm khi chín Thịt bơ thường có màu vàng kem và chứa hàm lượng dầu béo cao Hạt bơ được bao bọc bởi hai lớp vỏ lụa, với phôi hạt nằm về phía cuống quả, và tỷ lệ giữa phần vỏ, thịt và hạt phụ thuộc vào giống loài.
Hiện nay, có ba chủng loại bơ chính được phân loại theo nguồn gốc và đặc tính giống loài Chủng Mexico (Persea drymifolia) có khả năng chịu lạnh tốt, với lá màu xanh lục và mùi hôi anique khi vò nát Quả có hình dạng thon dài giống quả lê hoặc đu đủ, hàm lượng chất béo từ 15 đến 30%, vỏ mỏng và có màu xanh, vàng xanh hoặc đỏ tím khi chín Hạt quả lớn, vỏ hạt mỏng và thường nằm chặt với phần thịt, không phát ra tiếng khi lắc Thời gian từ khi cây đậu đến khi quả chín là 8 đến 9 tháng, cho năng suất cao Những giống nổi bật thuộc chủng Mexico bao gồm Fuete và Zutano Chủng Guatemala (Persea Nubigena) có nguồn gốc từ cao nguyên Mexico, cũng có khả năng chịu lạnh khá tốt, với lá màu xanh thẫm và đọt non màu đỏ tối, không có mùi hôi khó chịu khi vò.
Quả bơ có hình thon dài hoặc tròn, với cuống dài và hàm lượng chất béo từ 10 đến 15% Vỏ quả dày, sần sùi, thường có màu xanh lục hoặc nâu đen Hạt nhỏ, gắn chặt vào thịt quả, bề ngoài trơn láng Thời gian từ khi ra hoa đến khi quả chín kéo dài từ 9 đến 12 tháng, mang lại hương vị thơm ngon Các giống bơ nổi bật thuộc chủng Guatemala như Hayes, Hopkins và đặc biệt là Hass rất được ưa chuộng Chủng West Indian có nguồn gốc từ Trung Mỹ, chịu lạnh kém nhưng thích hợp với vùng nóng và có khả năng chịu mặn cao Lá to, bề mặt rộng, không có mùi hôi khi vò Quả thường to dài, cuống ngắn, thịt chứa nhiều ẩm và chất béo từ 3 đến 10% Vỏ hơi dày, khi chín có màu xanh lục, vàng lục hoặc hơi đỏ, lớp màng không dính liền với hạt Thời gian từ ra hoa đến chín từ 6 đến 9 tháng, quả có hàm lượng chất béo thấp và vị nhạt, không gây ngán khi ăn nhiều Các giống bơ nổi trội thuộc chủng này gồm Simmonds, Pollock và Booth.
Bơ là một loại trái cây cận nhiệt đới với giá trị dinh dưỡng vượt trội, cung cấp từ 150 đến 300 calories trên 100 gram, cao gấp 3 lần chuối và tương đương 50% một miếng thịt bò bít tết Một quả bơ cỡ trung bình chứa khoảng 700 calories và 30 gram chất béo, đồng thời cung cấp hơn 14 loại vitamin và khoáng chất thiết yếu cho cơ thể Các vitamin trong bơ bao gồm vitamin A, C, B1, B2, niacin, folate, B5, B6, cùng với các khoáng chất như kali, phốt pho, magie, canxi, natri và sắt.
1.3.1.4 Công dụng a) Lợi ích về mặt sức khỏe x Ngăn ngừa và chống ung thư: Một số hợp chất bên trong quả bơ có thể phát hiện những tế bào có khả năng ung thư hoặc ung thư và tiêu diệt chúng mà không gây hại đến những tế bào khỏe mạnh khác Bên trong quả bơ có chứa hàm lượng axit Oleic khá cao, đây là loại axit giúp ngăn ngừa ung thư vú Bên cạnh đó chất Phytonutrient có trong quả bơ còn có tác dụng ngăn ngừa quá trình phát triển của các tế bào ung thư ở tuyến tiền liệt x Cải thiện thị giác: Trong quả bơ có chứa các hợp chất Antioxidants cao hơn bất cứ loại trái cây nào khác Các hợp chất này giúp trung hòa các gốc tự do chống sự thoái hóa thành các vết đen, cải thiện thị giác và phòng tránh các bệnh về mắt chẳng hạn như: Bệnh loạn thị, bênh tăng nhãn áp và bệnh đục thủy tinh thể
Quả bơ chứa axit oleic, inoleic và beta-sitosrol giúp giảm cholesterol xấu (LDL) và tăng cholesterol tốt, đồng thời folate trong bơ giảm nguy cơ bệnh tim Kali, vitamin E và Glutathione trong bơ cũng rất tốt cho tim mạch Nghiên cứu cho thấy ăn salad kèm bơ giúp hấp thụ carotenoid gấp 5 lần so với không có bơ Glutathione trong bơ là chất chống oxy hóa quan trọng, ngăn ngừa lão hóa, ung thư và bệnh tim Sử dụng bơ thường xuyên tăng cường hệ miễn dịch nhờ vào vitamin và khoáng chất Folate trong bơ rất quan trọng cho phụ nữ mang thai và trẻ sơ sinh, giúp phát triển trí não nhờ protein và vitamin B Bơ cũng giúp hơi thở thơm tho, ngăn ngừa sạn thận nhờ kali, và giảm cảm giác buồn nôn cho thai phụ nhờ vitamin B6 Hàm lượng dầu trong bơ hỗ trợ điều trị bệnh vảy nến và khô da, trong khi kali giúp cân bằng điện giải, tăng cường sức khỏe hệ thần kinh và cơ bắp Cuối cùng, bơ còn có tác dụng làm dịu niêm mạc bao tử, hỗ trợ điều trị loét bao tử hiệu quả.
17 b) Lợi ích về mặt dinh dưỡng
Quả bơ chứa axit béo không bão hòa dạng đơn, giúp kiểm soát quá trình trao đổi chất trong cơ thể Ngoài ra, bơ còn giàu kali và nhiều vi dưỡng chất quan trọng như sắt, đồng, magie và phốt pho Bơ cũng cung cấp vitamin A, vitamin nhóm B, vitamin C, vitamin E, axit folic và canxi Với hàm lượng chất xơ cao, ít đường và tinh bột, bơ là thực phẩm lý tưởng cho bệnh nhân tiểu đường.
Bơ được sử dụng trong lĩnh vực làm đẹp nhờ hàm lượng cao các vitamin A,
E, D cùng với các khoáng chất: kali, phốt pho, lưu huỳnh và clo Trong đó vitamin
E có khả năng bảo vệ axit béo khỏi sự oxy hóa, giúp làm chậm quá trình lão hóa tế bào và duy trì làn da tươi trẻ, săn chắc Vitamin A hỗ trợ loại bỏ lớp da chết và kích thích sản xuất collagen, trong khi Vitamin D duy trì hàm lượng canxi trong máu, góp phần vào sự chắc khỏe của xương và răng Kali và phốt pho không chỉ làm đẹp da và tóc mà còn hỗ trợ sự phát triển cơ thể Dầu từ quả bơ rất hiệu quả trong việc tái tạo và giữ ẩm cho da, bảo vệ da khỏi tình trạng khô và tăng cường độ đàn hồi.
1.3.1.5 Tình hình sản xuất và tiêu thụ
Hình 1.5 Sản lượng và diện tích canh tác bơ trên thế giới từ 1994−2020
Việc trồng bơ thâm canh thương mại bắt đầu từ những năm 1930 tại California và Florida, sau đó mở rộng ra Israel, Nam Phi và Chile Theo báo cáo của FAOSTAT năm 2020, 66 quốc gia sản xuất tổng cộng 8,06 triệu tấn bơ trên diện tích canh tác hơn 807.000 ha Sản lượng bơ toàn cầu đã liên tục tăng qua các năm.
Từ năm 1994 đến 2020, sản lượng bơ toàn cầu đã tăng gần 4 lần, từ 2,09 triệu tấn lên 8,06 triệu tấn Diện tích canh tác bơ cũng liên tục mở rộng để đáp ứng nhu cầu thị trường ngày càng cao, với sự gia tăng gần gấp đôi trong vòng 10 năm từ 2010 đến 2020, từ hơn 400.000 ha lên hơn 800.000 ha.
Hình 1.6 Biểu đồ cơ cấu sản lượng bơ của các quốc gia hàng đầu thế giới năm 2020
Sản lượng bơ toàn cầu hiện nay chủ yếu đến từ Châu Mỹ, chiếm 72,2%, tiếp theo là Châu Phi với 13,3% và Châu Á với 11,7% Theo báo cáo của FAO năm 2020, trong số 10 quốc gia sản xuất bơ hàng đầu, có 7 quốc gia thuộc Châu Mỹ Mexico dẫn đầu với 29,7% tổng sản lượng bơ thế giới, tiếp theo là Colombia (10,9%), Cộng hòa Dominica (8,4%) và Peru (8,2%) Indonesia, đại diện cho Đông Nam Á, cũng nằm trong top 5 quốc gia sản xuất bơ lớn nhất với hơn 600.000 tấn, chiếm 7,6% tổng sản lượng toàn cầu Tại Châu Âu, Tây Ban Nha là quốc gia sản xuất bơ chính với 99.070 tấn vào năm 2020, theo sau là Hi Lạp (9.570 tấn) và Pháp (2.040 tấn).
Theo dữ liệu từ FAOSTAT, giá trị xuất khẩu bơ tươi và khô đạt 6,69 tỷ USD vào năm 2020, đứng thứ 439 trong danh sách hàng hóa được giao dịch toàn cầu Mexico, với sản lượng bơ hàng đầu thế giới, dẫn đầu về xuất khẩu với 2,81 tỷ USD, chiếm 42% thị phần toàn cầu Hà Lan, Peru và Tây Ban Nha lần lượt chiếm 13,1%, 12,6% và 6,73% trong tổng kim ngạch xuất khẩu bơ Thời tiết thuận lợi và các khoản đầu tư mở rộng sản xuất đã giúp ba quốc gia xuất khẩu bơ mới nổi, đặc biệt là Peru, gia tăng nguồn cung đáng kể.
Nhu cầu ứng dụng công nghệ tiền xử lý siêu âm trong lĩnh vực sấy khô sản phẩm bơ và thanh long
Với sự phát triển của xã hội, nhu cầu dinh dưỡng và sức khỏe ngày càng được người tiêu dùng chú trọng, đặc biệt là bơ và thanh long, hai loại trái cây giàu dinh dưỡng Việt Nam, với nền kinh tế nông nghiệp, dễ dàng cung cấp bơ và thanh long trong mùa vụ, nhưng thường gặp tình trạng thiếu hụt vào trái vụ do khó bảo quản Để đảm bảo nguồn cung, cần áp dụng các phương pháp bảo quản hiệu quả Hiện nay, hai phương pháp phổ biến là bảo quản lạnh và bảo quản khô Bảo quản lạnh, mặc dù an toàn và dễ áp dụng, chỉ giữ được bơ tối đa 18 ngày ở 8°C và thanh long từ 8 đến 20 ngày ở 5÷10°C Trong khi đó, bảo quản khô loại bỏ nước, kéo dài thời gian bảo quản lên đến 6 tháng, nhưng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm và phương pháp sấy.
Sản phẩm nông sản sấy khô có thể bảo quản lên đến 12 tháng nếu được đóng gói đúng cách và giữ ở nhiệt độ, độ ẩm thích hợp Phương pháp này đang được các doanh nghiệp chế biến nông sản áp dụng rộng rãi Tuy nhiên, giá thành của sản phẩm sấy khô thường cao gấp 25 đến 40 lần so với sản phẩm tươi, hứa hẹn mang lại lợi ích kinh tế cao cho các doanh nghiệp.
Phương pháp bảo quản khô sản phẩm bơ và thanh long có tiềm năng lớn trong chế biến thực phẩm, nhưng quá trình sấy khô hai loại nông sản này gặp nhiều thách thức do nhạy cảm với nhiệt độ cao Do đó, cần áp dụng các phương pháp sấy đặc trưng Hiện nay, sấy lạnh và sấy chân không được ưa chuộng để tránh hiện tượng nâu hoá.
Công nghệ sấy lạnh và sấy chân không đang được nhiều cơ sở sản xuất thực phẩm tại Việt Nam áp dụng, như Công ty TNHH Sản xuất và Thương mại Hương Quế và Công ty TNHH Lương thực Thực phẩm Hữu Nghị Mặc dù đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, các phương pháp này có thời gian sấy lâu và tiêu hao năng lượng lớn Công nghệ tiền xử lý siêu âm đã chứng minh khả năng rút ngắn thời gian sấy và kết hợp với bảo quản lạnh giúp giảm thiểu năng lượng tiêu thụ, đặc biệt trong bối cảnh khủng hoảng năng lượng hiện nay Ngoài ra, công nghệ này còn nâng cao chất lượng sản phẩm khô, đáp ứng nhu cầu người tiêu dùng Tuy nhiên, hiệu quả của tiền xử lý siêu âm phụ thuộc vào các yếu tố như nhiệt độ, tốc độ tác nhân sấy, tần số và công suất sóng siêu âm, cũng như đặc tính của vật liệu Do đó, cần đánh giá thực nghiệm hiệu quả của quá trình này cho từng loại thực phẩm trước khi triển khai.