(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu công nghệ sấy thăng hoa sản xuất sữa chua phục vụ cho sản xuất

TÓM TẮT Mục tiêu của đề tài “Nghiên cứu công nghệ sấy thăng hoa sản xuất sữa chua phục vụ cho sản xuất” là i tiến hành xác định thời gian lạnh đông cần thiết cho nguyên liệu sữa chua trư

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ PHÙNG PHÚ QUỚI

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẤY THĂNG HOA SẢN XUẤT SỮA CHUA PHỤC VỤ CHO SẢN XUẤT

NGÀNH: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

SKC008255

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ PHÙNG PHÚ QUỚI

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẤY THĂNG HOA SẢN XUẤT SỮA CHUA PHỤC VỤ CHO SẢN XUẤT

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

Đại học:

Hệ đào tạo: chính quy Thời gian đào tạo: tháng 08/2015 đến 08/2019

Nơi học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh, thành phố Hồ Chí Minh

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 07/2020 đến 07/2023

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh, thành phố Hồ Chí Minh

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

Táng 09/2019 đến

tháng 04/2022

Công ty TNHH Nước giải khát

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả được nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2023

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Phùng Phú Quới

LỜI CẢM TẠ

Để thực hiện và hoàn thành luận văn này, ngoài nỗ lực của bản thân, tôi còn nhận được sự quan tâm, động viên và hỗ trợ từ Quý thầy cô, gia đình, bạn bè và các em sinh viên khóa dưới

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến hai thầy hướng dẫn khoa học là TS Hoàng Văn Chuyển và PGS TS Nguyễn Tấn Dũng, cả hai hiện là giảng viên tại trường Đại học

Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, đã quan tâm, hướng dẫn và tạo điều kiện cho tôi có thể hoàn thành luận văn này

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Quý thầy cô khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm của trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã truyền đạt những kiến thức hữu ích, và hỗ trợ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn tại trường

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và các bạn khóa dưới đã luôn bên cạnh, giúp đỡ, tiếp thêm động lực cho tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện luận văn

Một lần nữa, tôi xin chân thành cảm ơn

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2023

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Phùng Phú Quới

TÓM TẮT

Mục tiêu của đề tài “Nghiên cứu công nghệ sấy thăng hoa sản xuất sữa chua phục

vụ cho sản xuất” là (i) tiến hành xác định thời gian lạnh đông cần thiết cho nguyên liệu sữa chua trước khi sấy thăng hoa, (ii) thiết lập chế độ sấy thăng hoa tối ưu cho sản phẩm sữa chua truyền thống phù hợp với các yêu cầu về kỹ thuật và thực tế, (iii) hoàn thiện một quy trình công nghệ để tạo ra sản phẩm sữa chua sấy khô bằng phương pháp sấy thăng hoa có chất lượng tốt, mang lại hiệu quả về kinh tế và có khả năng ứng dụng sản xuất Nghiên cứu đã đưa ra chế độ sấy thăng hoa sữa chua là ở nhiệt độ 36,6 °C, áp suất 0,023 mmHg và thời gian sấy là 35,6 giờ Sản phẩm sữa chua sấy thăng hoa sản xuất bằng chế độ sấy nói trên có một số chỉ tiêu chất lượng như độ ẩm 0,963%, độ giòn là 15,953 mN, khả năng bảo tồn vi sinh vật có lợi tính theo vi khuẩn lactic là 69,291% nhưng chỉ tiêu tốn năng lượng điện là 19,935 kWh/kg Từ các kết quả thu nhận được, nghiên cứu này cũng đã hoàn thiện được quy trình sản xuất sản phẩm sữa chua sấy thăng hoa từ nguyên liệu sữa chua có các hương vị khác nhau

Kết quả của nghiên cứu cho thấy sản phẩm sữa chua thu được từ điều kiện sấy thăng hoa tối ưu có độ ẩm rất nhỏ, như vậy sản phẩm có thể bảo quản được trong thời gian dài Bên cạnh đó, độ giòn thấp và tỷ lệ vi khuẩn lactic sống cao là hai chỉ tiêu về mặt chất lượng cảm quan và dinh dưỡng nổi bật của sản phẩm này so với các sản phẩm sữa chua sấy hiện có trên thị trường Do vậy, quy trình sản xuất sữa chua sấy ở điều kiện sấy tối ưu có tính khả thi cao để ứng dụng vào sản xuất dòng sản phẩm chất lượng tốt với chi phí phù hợp nhằm đa dạng hóa và gia tăng giá trị kinh tế của các sản phẩm sữa

chua

Từ khóa: Sấy thăng hoa, sữa chua, tối ưu hóa

Abstract

The objective of the project "Research on freeze-drying technology to produce yogurt for production" is to (i) determine the necessary freezing time for yogurt material before the freeze-drying, (ii) establish the optimal freeze-drying model for producing dried yogurt products adapting the technical and practical requirements, (iii) complete

a technological process to produce dried yogurt products by the freeze drying method with good quality, economic efficiency, and high applicability for production The study found the optimal freeze-drying model for yogurt at a temperature of 36.6°C, a pressure

of 0.023 mmHg, and a drying time of 35.6 hours The freeze-dried yogurt products produced by the above drying regime have a moisture content of 0.963%, brittleness value of 15,953 mN, the ability to preserve beneficial microorganisms of 69,291% (calculated by viable lactic acid bacteria), and the process only consumes 19,935 kWh/kg of electrical energy Based on the obtained results, a production process to produce freeze-dried yogurt products from yogurt materials with different flavors has been established

The results of the study show that yogurt products obtained from optimal drying conditions have a very low moisture content, so the product can be preserved for

freeze-a long time Furthermore, the low brittleness freeze-and high percentfreeze-age of freeze-alive lfreeze-actic freeze-acid bacteria are two outstanding indicators in terms of the sensory and nutritional quality

of this product compared to other dried yogurt products on the current market Therefore, the production process of dried yogurt at optimal drying conditions is highly feasible for application in the production of high-quality product lines with an appropriate cost which help diversifying and increasing the economic value of yogurt products

Keyword: freeze-drying, yogurt, optimization, quality, energy consumption

MỤC LỤC

QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI i

LÝ LỊCH KHOA HỌC ii

LỜI CAM ĐOAN xii

LỜI CẢM TẠ xiii

TÓM TẮT xiv

MỤC LỤC xv

DANH MỤC BẢNG xx

DANH MỤC HÌNH xxiii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xxiv

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 2

3 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 2

4 Nội dung nghiên cứu 2

5 Phương pháp nghiên cứu 3

6 Ý nghĩa khoa học 3

7 Ý nghĩa thực tiễn 4

8 Bố cục trình bày 4

Chương 1 5

TỔNG QUAN 5

1.1 Sấy thăng hoa 5

1.1.1 Cơ sở khoa học của sấy thăng hoa 5

1.1.2 Công nghệ và thiết bị sấy thăng hoa 12

1.1.3 Hệ thống sấy thăng hoa 14

1.1.3.1 Buồng sấy thăng hoa 15

1.1.3.2 Thiết bị ngưng tụ - đóng băng 16

1.1.3.3 Bơm chân không 17

1.1.3.4 Hệ thống đo lường, điều khiển 17

1.1.4 Lý do lựa chọn công nghệ sấy thăng hoa 18

1.1.5 Ứng dụng của sấy thăng hoa 19

1.2 Nguyên liệu sấy thăng hoa – sữa chua 20

1.2.1 Nguyên liệu chế biến sữa chua 20

1.2.2 Thành phần hóa học và dinh dưỡng của sữa chua 20

1.2.3 Giá trị về sức khỏe của việc sử dụng sữa chua 22

1.2.4 Giá trị kinh tế của sữa chua 22

1.3 Các yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến quá trình sấy thăng hoa sữa chua 23 1.4 Các nghiên cứu trong và ngoài nước về sữa chua sấy thăng hoa 24

Chương 2 27

VẬT LIỆU, DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27

2.1 Đối tượng nghiên cứu 27

2.1.1 Chuẩn bị mẫu thực nghiệm 27

2.2 Dụng cụ và thiết bị nghiên cứu 29

2.1.1 Dụng cụ 29

2.1.2 Thiết bị 30

2.3 Phương pháp nghiên cứu 32

2.3.1 Phương pháp phân tích và tiếp cận hệ thống 32

2.3.2 Phương pháp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy 32

2.3.3 Phương pháp xác định các hàm mục tiêu cho sản phẩm sữa chua sấy thăng hoa 34

2.3.4 Phương pháp tối ưu hóa đơn mục tiêu 44

2.3.5 Phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu 44

2.3.6 Xác lập chế độ công nghệ 46

2.4 Phương pháp xử lý số liệu 46

Chương 3 48

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 48

3.1 Xác định thành phần hóa học của nguyên liệu ban đầu 48

3.2 Giải bài toán lạnh đông vật liệu ẩm có dạng tấm dài vô hạn 48

3.1.1 Bài toán 48

3.1.2 Các tiền đề 49

3.1.3 Các thông số nhiệt vật lý của sữa chua 49

3.1.4 Mô hình dẫn nhiệt không ổn định cho vật thể có dạng tấm phẳng 51

3.1.5 Phương trình vi phân dẫn nhiệt và các biến đổi 52

3.1.6 Đồ thị thể hiện nhiệt độ tâm vật thể theo thời gian 54

3.1.7 Các nhận xét và kết luận 56

3.3 Xây dựng bảng các yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến quá trình sấy thăng hoa sữa chua 56

3.3.1 Nhiệt độ môi trường sấy 56

3.3.2 Áp suất môi trường sấy 57

3.3.3 Thời gian sấy 58

3.4 Xây dựng mối quan hệ giữa các yếu tố ảnh hưởng đến hàm mục tiêu 59

3.5 Xây dựng các hàm mục tiêu mô tả cho quá trình sấy thăng hoa 64

3.5.1 Xây dựng và giải mô hình toán – hàm mục tiêu chi phí năng lượng 64

3.5.2 Xây dựng và giải mô hình toán – hàm mục tiêu độ ẩm của sản phẩm

67

3.5.3 Xây dựng và giải bài toán – hàm mục tiêu tỷ lệ vi sinh vật sống sót 72

3.5.4 Xây dựng và giải bài toán – hàm mục tiêu độ giòn của sản phẩm 77

3.5.5 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng tương hỗ của các yếu tố công nghệ đến các chỉ tiêu của sản phẩm sữa chua sấy thăng hoa vị truyền thống 83

3.6 Giải bài toán tối ưu xác định chế độ công nghệ 84

3.7 Kết quả thực nghiệm, kiểm chứng và bàn luận 89

3.8 Thảo luận về kết quả và đánh giá chất lượng sản phẩm 90

3.8.1 Chi phí năng lượng 90

3.8.2 Độ ẩm sản phẩm 91

3.8.3 Độ giòn của sản phẩm 91

3.9 Quy trình sấy thăng hoa sữa chua 92

3.9.1 Sơ đồ quy trình công nghệ 92

3.9.2 Thuyết minh quy trình 93

3.10 Định mức nguyên liệu và giá thành sản phẩm 94

Chương 4 96

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 96

4.1 Kết luận 96

4.2 Kiến nghị 97

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Định lượng nguyên liệu chế biến sữa chua 28 Bảng 2.2: Các mức yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy thăng hoa sữa chua 41 Bảng 2.3: Ma trận trực giao cấp 2 41 Bảng 3.1: Thành phần hóa học của sữa chua 48 Bảng 3.2: Nhiệt dung riêng của các nhóm thành phần hóa học (J/Kg.K) 49 Bảng 3.3: Khối lượng riêng của các nhóm thành phần hóa học (kg/m3) 50 Bảng 3.4: Hệ số dẫn nhiệt của các nhóm thành phần hóa học (W/m.K) 50 Bảng 3.5: Các giá trị hằng số nhiệt vật lý của sữa chua và các thành phần 51 Bảng 3.6: Giá trị nhiệt độ tại tâm vật thể theo thời gian 55 Bảng 3.7: Các mức yếu tố ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến quá trình sấy thăng hoa sữa chua 59 Bảng 3.8: Giá trị của các hàm mục tiêu đối với sữa chua vị truyền thống 60 Bảng 3.9: Giá trị của các hàm mục tiêu đối với sữa chua vị dâu 61 Bảng 3.10: Giá trị của các hàm mục tiêu đối với sữa chua vị lựu 62 Bảng 3.11: Giá trị của các hàm mục tiêu đối với sữa chua vị việt quất 63 Bảng 3.12: Giá trị hàm chi phí năng lượng 65 Bảng 3.13: Hệ số phương trình hồi quy b j và b jk của hàm mục tiêu là chi phí năng lượng 66 Bảng 3.14: Hệ số phương sai t j với hàm mục tiêu là chi phí năng lượng 66 Bảng 3.15: Các giá trị phương sai và kiểm định tiêu chuẩn Fisher với hàm mục tiêu là chi phí năng lượng 66 Bảng 3.16: Giá trị độ ẩm của các mẫu sữa chua sấy thăng hoa 67 Bảng 3.17: Hệ số phương trình hồi quy b j và b jk với hàm mục tiêu là độ ẩm của sản phẩm 69 Bảng 3 18: Hệ số phương sai t j với hàm mục tiêu là độ ẩm của sản phẩm 69

Bảng 3.19: Các giá trị phương sai và kiểm định tiêu chuẩn Fisher với hàm mục tiêu là

độ ẩm sản phẩm sữa chua sấy vị truyền thống 70 Bảng 3.20: Các giá trị phương sai và kiểm định tiêu chuẩn Fisher với hàm mục tiêu là

độ ẩm sản phẩm sữa chua sấy vị dâu 70 Bảng 3.21: Các giá trị phương sai và kiểm định tiêu chuẩn Fisher với hàm mục tiêu là

độ ẩm sản phẩm sữa chua sấy vị lựu 71 Bảng 3.22: Các giá trị phương sai và kiểm định tiêu chuẩn Fisher với hàm mục tiêu là

độ ẩm sản phẩm sữa chua sấy vị việt quất 71 Bảng 3.23: Giá trị hàm tỷ lệ vi sinh vật sống sót 72 Bảng 3.24: Hệ số phương trình hồi quy b j và b jk của hàm mục tiêu là tỷ lệ VSV sống sót

độ giòn của sản phẩm sữa chua sấy vị truyền thống 80

Bảng 3.34: Các giá trị phương sai và kiểm định tiêu chuẩn Fisher với hàm mục tiêu là

độ giòn của sản phẩm sữa chua sấy vị dâu 81 Bảng 3.35: Các giá trị phương sai và kiểm định tiêu chuẩn Fisher với hàm mục tiêu là

độ giòn của sản phẩm sữa chua sấy vị lựu 82 Bảng 3.36: Các giá trị phương sai và kiểm định tiêu chuẩn Fisher với hàm mục tiêu là

độ giòn của sản phẩm sữa chua sấy vị việt quất 82 Bảng 3.37: Các giá trị biến ảo tại điểm tối ưu đơn mục tiêu cho mỗi hàm mục tiêu 86 Bảng 3.38: Các giá trị biến ảo, biến thực và giá trị các hàm mục tiêu tại điểm không tưởng 88 Bảng 3.39: Các giá trị của các hàm mục tiêu thực nghiệm trên mẫu tối ưu 89

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Giảng đồ 3 trạng thái của nước 6 Hình 1.2: Quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ thăng hoa của nước đá 7 Hình 1.3: Các yếu tố tác động đến quá trình lạnh đông 10 Hình 1.4: Các yếu tố tác động đến quá trình sấy thăng hoa 11 Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy thăng hoa DS-12 [2] 15 Hình 1.6: Sơ đồ thiết bị ngưng tụ - đóng băng [2] 16 Hình 1.7: Cấu tạo của một bơm chân không [18] 17 Hình 2 1: Quy trình lên men sữa chua tại phòng thí nghiệm 28 Hình 2.2: Khuôn silicon (a) và Khay inox 20 x 30 cm (b) 29 Hình 2.3: Hệ thống sấy thăng hoa DS - 12 31 Hình 2.4: Sơ đồ nghiên cứu cho quy trình sấy thăng hoa sữa chua 33 Hình 2.5: Màn hình điều khiển của hệ thống sấy thăng hoa DS - 12 34 Hình 2.6: Mô hình hộp đen cho mối quan hệ giữa các yếu tố ảnh hưởng và các hàm mục tiêu 40 Hình 3.1: Mô hình dẫn nhiệt không ổn định qua tấm thẳng có độ dày 2δ và độ dài vô hạn 51 Hình 3.2: Đồ thị thể hiện nhiệt độ tâm vật thể theo thời gian 56 Hình 3.3: Độ ẩm sữa chua sấy thăng hoa theo nhiệt độ môi trường sấy 57 Hình 3.4: Độ ẩm sữa chua sấy thăng hoa theo áp suất môi trường sấy 58 Hình 3.5: Độ ẩm sữa chua sấy thăng hoa theo thời gian sấy 59 Hình 3.6: Đáp ứng bề mặt cho các hàm mục tiêu của sản phẩm sữa chua sấy thăng hoa

vị truyền thống 84 Hình 3.7: Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất sữa chua sấy thăng hoa 93

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ANOVA: Phân tích phương sai, Analysis of Variance

AOAC: Hiệp hội các nhà hoá phân tích chính thống, Association of Official Analytical Chemists

BTTƯ: Bài toán tối ưu

CCD: Central composite design

DA: Sữa chua có bổ sung hương dâu

DNA: Deoxyribonucleic acid

FAO: Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hợp Quốc, Food and Agriculture Organization of the United Nations

ISO: Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế, International Organization for Standarlization KS: Kỹ sư

LU: Sữa chua có bổ sung hương lựu

MRS: de Man, Rogosa và Sharpe, một môi trường nuôi cấy vi sinh vật

NXB: Nhà xuất bản

PGS: Phó giáo sư

PTHQ: Phương trình hồi quy

STH: Sấy thăng hoa

TT: Sữa chua vị truyền thống

VQ: Sữa chua có bổ sung hương việt quất

VSV: Vi sinh vật

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Sữa và các sản phẩm từ sữa chiếm một vị trí quan trọng trong ngành công nghệ thực phẩm Sữa chứa tất cả các chất dinh dưỡng mà cơ thể con người cần và với tỷ lệ cân đối Một trong những tính chất đặc biệt và quan trọng của sữa là giá trị sinh học và khả năng tiêu hóa cao do có đầy đủ protein, chất béo sữa, khoáng chất, nguyên tố vi lượng và vitamin [1]

Sữa có khả năng lên men và qua đó tạo nên hương vị hoàn toàn mới với mùi thơm

dễ chịu Do vậy, các sản phẩm sữa lên men được hàng triệu người trên thế giới ưa chuộng Bên cạnh đó những sản phẩm sữa lên men cũng chứa nhiều thành phần dinh dưỡng có giá trị thành phần có giá trị [1]

Chính vì lý do này, các nhà sản xuất đã và đang không ngừng nỗ lực mở rộng phạm vi các sản phẩm sữa lên men để thu hút và đáp ứng nhu cầu người tiêu dùng [1]

Sữa chua đang được quan tâm vì lợi ích cho sức khỏe của người sử dụng và ngày càng có nhiều hướng phát triển về mặt nguyên liệu, hương vị, kết cấu, phương pháp bảo quản Tuy nhiên, hạn sử dụng ngắn là đặc trưng cho sản phẩm sữa chua truyền thống với thành phần vi sinh vật sống Rất khó khăn thể bảo quản lâu dài hương vị, cấu trúc, vi sinh vật có lợi trong sữa chua một cách dài hạn ở điều kiện bình thường Hiện nay, hầu hết các sản phẩm sữa chua có men sống phải được bảo quản lạnh trong suốt quá trình vận chuyển, trưng bày và sử dụng điều đó tạo ra những khó khăn trong việc tiếp cận với sữa chua trong nhiều trường hợp

Các nghiên cứu đã được đặt ra nhằm hướng đến tính khả thi cho một sản phẩm sữa chua được làm khô về khả năng bảo quản hương vị, cấu trúc, lượng vi sinh vật sống trong điều kiện bình thường Các nghiên cứu đó là cần thiết để khắc phục những nhược

điểm vẫn còn hiện diện trong quá trình vận chuyển, thương mại và bảo quản các sản phẩm sữa chua

Việc tối ưu hóa và tìm ra chế độ sấy thăng hoa cho các sản phẩm sữa chua vẫn đang là đề tài cần được nghiên cứu với mục đích nhằm tìm ra chế độ sấy thích hợp để tạo ra sản phẩm có chất lượng tốt và giảm giá thành sản phẩm thông qua việc tiết kiệm được năng lượng trong suốt quá trình sấy

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu này được thực hiện nhằm xác định được một chế độ sấy thăng hoa sữa chua mà sản phẩm có thể đạt được độ ẩm cần thiết, giữ được các giá trị dinh dưỡng

so với nguyên liệu ban đầu và tiết kiệm năng lượng tiêu thụ

Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng xây dựng một quy trình sản xuất sữa chua sấy khô bằng công nghệ sấy thăng hoa để có thể chuyển giao công nghệ và đáp ứng nhu cầu thị trường

3 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận văn này là sữa chua (gồm 4 loại khác nhau về vị)

và chế độ công nghệ sấy khô sữa chua bằng phương pháp sấy thăng hoa

Để làm rõ về công nghệ sản xuất sữa chua sấy khô bằng phương pháp sấy thăng hoa chúng tôi đã tìm hiểu về các vấn đề có liên quan trực tiếp như: nguyên liệu dùng để sản xuất sữa chua; quy trình sản xuất sữa chua truyền thống và hiện đại; lợi ích của sữa chua đến sức khỏe người sử dụng; tổng quan về sấy và sấy thăng hoa; các tính chất nhiệt vật lý và hóa học của sữa chua; các yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến quá trình sấy thăng hoa; một mô hình sấy thăng hoa được thiết lập và giải quyết trong luận văn này

4 Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan nghiên cứu về nguyên liệu sữa chua và công nghệ sấy thăng hoa

- Mô hình hoá và tối ưu hóa được sử dụng nhằm xác định các thông số công nghệ

thích hợp cho quá trình sấy thăng hoa đối với nguyên liệu sữa chua

- Xác lập chế độ sấy thăng hoa với nguyên liệu sữa chua

- Xây dựng quy trình công nghệ sấy thăng hoa sản phẩm sữa chua phục vụ cho

sản xuất

5 Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp nghiên cứu được triển khai và áp dụng để phục vụ cho luận văn này bao gồm:

- Phân tích và tổng hợp lý thuyết: để tìm hiểu về nguyên liệu, quy trình sản xuất sữa chua, quá trình sấy thăng hoa, các tính chất nhiệt vật lý và hóa học của sữa chua và chứng minh được lợi ích của việc sử dụng sữa chua, tính khả thi cho sản phẩm sữa chua sấy thăng hoa

- Thí nghiệm: Các thí nghiệm được thiết lập phục vụ cho nhu cầu khảo sát, thống

kê, và tạo điều kiện cho các quan sát khoa học

- Khảo sát và thống kê: Các tính chất của sữa chua, sữa chua sấy thăng hoa được khảo sát và thống kê với độ tin cậy phục vụ cho việc mô hình hóa, tối ưu hóa mô

tả quá trình sấy thăng hoa sữa chua

- Quan sát khoa học: Các phương pháp xử lý với hình ảnh được áp dụng để có thể quan sát cấu trúc của sữa chua và sữa chua sấy thăng hoa

6 Ý nghĩa khoa học

Tìm hiểu về công nghệ sản xuất sữa chua sấy thăng hoa là một đề tài có ý nghĩa khoa học trong nhiều mặt mà đại diện gồm có: các vấn đề lý thuyết và thực hành sấy thăng hoa, giải bài toán tối ưu hóa năng lượng, tính chất sản phẩm và độ chấp nhận là một bài toán cần thực hiện một cách khoa học

Đề tài nghiên cứu sẽ đóng góp cho khoa học những điểm mới sau:

- Xây dựng mô hình tối ưu hóa cho quá trình công nghệ sấy thăng hoa nguyên liệu sữa chua làm cơ sở khoa học cho các nghiên cứu khác

- Kết quả từ việc giải mô hình toán làm cơ sở khoa học cho việc xác lập chế độ công nghệ từ đó xây dựng quy trình công nghệ ứng dụng vào thực tiễn sản xuất

7 Ý nghĩa thực tiễn

Đề tài nghiên cứu sẽ đề xuất quy trình công nghệ sấy thăng hoa thích hợp cho sữa chua Từ đó, giúp cho các doanh nghiệp có thêm lựa chọn nhằm đa dạng hóa các sản phẩm có nguồn gốc từ sữa chua thông qua việc tạo ra sản phẩm có chất lượng tốt, đảm bảo dinh dưỡng, phù hợp cho mục đích thương mại

8 Bố cục trình bày

Luận văn này được trình bày trong các chương gồm:

- Mở đầu

- Chương 1: Tổng quan

- Chương 2: Vật liệu, dụng cụ, thiết bị và phương pháp nghiên cứu

- Chương 3: Kết quả và bàn luận

- Chương 4: Kết luận và kiến nghị

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1 Sấy thăng hoa

Nước đá thăng hoa là một hiện tượng tự nhiên và đã được phát hiện từ rất lâu bởi một số người Tây Tạng (Trung Quốc) trên các đỉnh núi cao Các lý thuyết đầu tiên đã được công bố từ thế kỷ XVIII Cùng với sự phát triển của các kỹ thuật, công nghệ sấy thăng hoa trở nên hoàn thiện và có những thiết bị đầu tiên vào những năm 50, 60 của thế

kỷ XX Hiện nay, công nghệ sấy thăng hoa đã được nhiều nhà khoa học ở Việt Nam quan tâm nghiên cứu và phát triển, không chỉ phục vụ cho ngành công nghệ sinh học, y học, hay phân tích mà dần có những ứng dụng cho công nghệ thực phẩm [2]

Sấy thăng hoa là một quá trình tách nước khỏi nguyên liệu sấy bằng sự thăng hoa của nước đá Quá trình thăng hoa sẽ chuyển trực tiếp thành phần nước trong nguyên liệu

từ thể rắn sang thể hơi mà bỏ qua thể lỏng Ở trong điều kiện bình thường, nước bên trong thực phẩm sẽ ở thể lỏng, chính vì thế để chuẩn bị cho quá trình thăng hoa, lượng nước đó cần được chuyển sang thể rắn bằng phương pháp lạnh đông Do vậy phương pháp này còn được gọi là phương pháp sấy lạnh đông (Freeze Drying hay Lyophilization) [3]

Đây được xem là một phương pháp phù hợp để sấy các loại thực phẩm chứa các chất dễ bị phân huỷ hoặc biến đổi bởi nhiệt độ cao vì công nghệ sấy thăng hoa sử dụng

áp suất và nhiệt độ thấp (dưới điểm ba thể, tương ứng với 4,58 mmHg hoặc 0,006 atm

và 0,0098 0C) như thể hiện trong Hình 1.1[2]

1.1.1 Cơ sở khoa học của sấy thăng hoa

1.1.1.1 Các quá trình chuyển pha của nước

Biểu đồ quá trình chuyển pha của nước giữa lỏng – rắn – hơi được mô tả ở Hình 1.1

Nước đá sẽ thăng hoa trong điều kiện nhiệt độ thấp và áp suất thấp, điểm thăng hoa sẽ nằm dưới điểm ba thể của nước (0,0098°C; 0,006 Bar hay 4,58 mmHg) [4]

Trong Hình 1.1 có 2 quá trình mà nước chuyển đổi từ thể rắn sang thể hơi trực tiếp mà không thông qua thể lỏng đó là quá trình C – D và C – E Chủ yếu quá trình thăng hoa nước đá đi theo quá trình C – E vì một quá trình đẳng áp và tăng nhiệt độ sẽ

dễ thực hiện hơn một quá trình đẳng nhiệt và giảm áp suất, đồng thời áp suất để nước đá

có thể thăng hoa là rất thấp, dẫn đến việc giảm áp suất liên tục bị giới hạn

Hình 1.1: Giảng đồ 3 trạng thái của nước

Các quá trình chuyển pha của nước bao gồm A – E (bốc hơi); E – A (ngưng tụ); A – B (đông đặc); B – A (tan chảy); C – E (thăng hoa)

1.1.1.2 Quan hệ giữa thông số áp suất và nhiệt độ môi trường trong quá trình

sấy thăng hoa

Hình 1.2: Quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ thăng hoa của nước đá

Điều kiện tiên quyết để nước đá thăng hoa là khi chúng được đặt trong môi trường

có nhiệt độ và áp suất nhỏ hơn điểm ba thể (0,0098 °C; 4,58 mmHg) Quá trình biến đổi pha của nước luôn phụ thuộc vào hai thông số cơ bản đó là nhiệt độ và áp suất, ứng với một giá trị áp suất xác định sẽ có một giá trị nhiệt độ thăng hoa xác định [5], có thể thấy được mối quan hệ này thông qua Hình 2

Việc tìm hiểu về mối quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ thăng hoa của nước đá hỗ trợ chúng ta lựa chọn áp suất môi trường sấy thăng hoa phù hợp với nhiệt độ thăng hoa nước đá, quyết định đến thời gian thăng hoa của nước đá Nếu áp suất môi trường sấy thăng hoa không phù hợp sẽ kéo dài thời gian cần thiết để nước đá thăng hoa

1.1.1.3 Lý thuyết về sấy thăng hoa

Sấy thăng hoa là quá trình loại bỏ dung môi hoặc môi trường phân tán ra khỏi sản phẩm bằng cách thăng hoa và giải hấp phụ Quá trình sấy thăng hoa bao gồm ba giai đoạn: (i) lạnh đông nguyên liệu, (ii) làm khô sơ cấp và (iii) làm khô thứ cấp [5], [6]

Dung môi trong sản phẩm hay nước tự do trong thực phẩm được kết tinh ở nhiệt

độ thấp (đóng băng) và thăng hoa, chuyển tiếp trực tiếp từ thể rắn sang thể khí, xảy ra mà

không đi qua pha lỏng trung gian được gọi là quá trình làm khô sơ cấp hay sấy thăng hoa Sau quá trình thăng hoa, nước được hấp thụ hoặc liên kết trong sản phẩm được loại bỏ bằng cách giải hấp, đây là quá trình làm khô thứ cấp Sự kết hợp của các quá trình này có thể loại bỏ hơn 97% nước từ nguyên liệu ban đầu Thông thường, các quá trình này sẽ được thực hiện dưới áp suất chân không để hỗ trợ loại bỏ không khí hoặc các khí không ngưng tụ ra khỏi buồng sấy, các tác nhân đó có thể làm giảm tốc độ truyền hơi nước từ sản phẩm sang môi trường sấy và đến bình ngưng [6], [7] Sấy thăng hoa là một phương pháp được ưa thích để làm khô thực phẩm có chứa các hợp chất nhạy cảm với nhiệt và dễ

bị oxy hóa vì nó hoạt động ở nhiệt độ thấp và dưới chân không cao

1.1.1.4 Giai đoạn làm lạnh đông

Cấp đông là giai đoạn đầu tiên để thực hiện một quá trình sấy thăng hoa, giai đoạn này sẽ chuyển hóa 65 – 90% lượng nước ban đầu trong sản phẩm thực phẩm sang trạng thái đông lạnh Phần còn lại vẫn ở trạng thái liên kết hoặc hấp phụ [5], [6]

Hầu hết các sản phẩm sữa dạng lỏng đều bị đông cứng thông qua quá trình kết tinh và lạnh đông Kết tinh là một quá trình hai bước liên quan đến quá trình tạo mầm và tăng kích thước tinh thể [6]

Khi nguyên liệu được làm lạnh dưới nhiệt độ đóng băng cân bằng, tốc độ tạo mầm tăng theo cấp số nhân với mức độ siêu lạnh, trong khi tốc độ phát triển tinh thể chậm khi

ở nhiệt độ gần với điểm đóng băng Do đó, mức độ siêu lạnh quyết định kích thước và

số lượng tinh thể băng được hình thành Nói cách khác, với mức độ siêu lạnh cao, tốc độ tạo mầm nhiều hơn tốc độ phát triển tinh thể, do đó có lợi cho việc hình thành một số lượng lớn các tinh thể nhỏ Mặt khác, trong trường hợp mức độ siêu lạnh thấp, sự phát triển của tinh thể được ưu tiên và do đó sẽ có ít tinh thể lớn được hình thành hơn [7]

Sự hiện diện của các chất tan có ảnh hưởng sâu sắc đến quá trình tạo mầm tinh thể nước đá Trong trường hợp không có chất tan, quá trình tạo mầm chỉ phụ thuộc vào các phân tử nước để sắp xếp chúng trong một cấu trúc giống như băng đều đặn, sau đó

là sự phát triển tinh thể Khi có chất tan, sự khuếch tán bị giảm do độ nhớt tăng và sự tạo mầm bị giảm [8]

Cấp đông là một trong những giai đoạn quan trọng của quá trình sấy thăng hoa ở cấu trúc vi mô, tính chất hoàn nguyên và bảo quản của sản phẩm sấy khô cuối cùng được xác định bởi quá trình này Kích thước và cấu trúc của các tinh thể nước đá được hình thành trong quá trình đông lạnh phản ánh kích thước và cấu trúc của các lỗ xốp hình thành trong sản phẩm sấy thăng hoa Hơn nữa, tốc độ sấy trong giai đoạn sấy sơ cấp và thứ cấp bị ảnh hưởng bởi các đặc tính của sản phẩm đông lạnh Khi đạt được mạng lưới liên kết của các tinh thể, nó sẽ tạo ra một con đường tương đối dễ dàng cho các phân tử nước thoát ra ngoài qua mạng lưới lỗ được hình thành Do đó, việc hình thành các ma trận tinh thể lớn hơn thuận lợi hơn cho quá trình sấy thăng hoa nhanh hơn [9]

Các yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến quá trình lạnh đông nguyên liệu dùng để sấy thăng hoa được thể hiện qua Hình 1.3 [2]

Do trong các nhóm yếu tố tác động lên quá trình lạnh đông nguyên liệu dùng để sấy thăng hoa có nhóm yếu tố tác động trực tiếp, nhóm tác động phụ thuộc và nhóm tác động không thay đổi trong suốt quá trình nên để xây dựng mối quan hệ giữa chúng với các hàm mục tiêu thì chỉ cần quan tâm đến nhóm yếu tố tác động trực tiếp đến quá trình lạnh đông như nhiệt độ môi trường, thời gian lạnh đông, và bề dày nguyên liệu [2]

Hình 1.3: Các yếu tố tác động đến quá trình lạnh đông

1.1.1.5 Giai đoạn thăng hoa

Thăng hoa là giai đoạn sấy chính diễn ra sau khi nguyên liệu được cấp đông, khi

đó việc kiểm soát nhiệt độ sản phẩm là rất quan trọng để thu được sản phẩm sấy khô chất lượng cao Tuy nhiên, nhiệt độ sản phẩm được kiểm soát gián tiếp bởi hai yếu tố quan trọng: nhiệt độ sấy và áp suất buồng sấy [9]

Sau giai đoạn cấp đông, buồng sấy được hút chân không và giảm áp suất đến điểm diễn ra sự thăng hoa của nước đá Quá trình thăng hoa chỉ diễn ra khi áp suất buồng hoặc

áp suất riêng phần của hơi trong buồng thấp hơn áp suất hơi của nước đá ở bề mặt của sản phẩm Tuy nhiên, nếu áp suất buồng nhỏ hơn nhiều so với áp suất hơi của nước đá, quá trình này sẽ chậm lại do đối lưu kém Mặt khác, nếu áp suất buồng quá gần với áp suất hơi của nước đá, cấu trúc của vật liệu sấy có thể bị phá vỡ hoặc bị nóng chảy do quá trình truyền nhiệt tăng mạnh [10] Do những vấn đề này, nên áp suất buồng sấy sơ cấp

phải bằng 1/4 đến 1/2 áp suất hơi của nước đá ở nhiệt độ sản phẩm mong muốn [11], [12]

Trong quá trình làm khô sơ cấp, các tinh thể nước đá sẽ thăng hoa và tạo ra mặt phân cách thăng hoa Trong thời gian này, nhiệt độ của nước đá ở bề mặt thăng hoa phải được duy trì dưới nhiệt độ thăng hoa Lớp thăng hoa bắt đầu trên bề mặt của sản phẩm

và dần tiến vào phía trong của nguyên vật liệu tạo ra một lớp vật liệu xốp còn lại trên bề mặt Hơi nước thăng hoa di chuyển qua lớp cấu trúc xốp bằng cách khuếch tán và dòng đối lưu, đây là một quá trình quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ truyền khối Độ khuếch tán hơi thăng hoa phụ thuộc vào kích thước lỗ xốp của nguyên liệu tạo ra từ các tinh thể băng hình thành trong quá trình lạnh đông [13]

Các yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến quá trình sấy thăng hoa được thể hiện qua Hình 1.4 [2]

Hình 1.4: Các yếu tố tác động đến quá trình sấy thăng hoa

Các yếu tố tác động đầu vào, gồm nguyên liệu, thiết bị, công nghệ và yếu tố phụ thuộc đầu ra là các hàm mục tiêu gồm chi phí năng lượng, độ ẩm, khả năng bảo tồn vi sinh vật có lợi, độ tổn thất chất lượng của sản phẩm Để đơn giản nhưng không làm mất

đi tính khái quát trong việc xây dựng mối quan hệ giữa các yếu tố đầu vào và các yếu tố đầu ra thì trong đề tài này chỉ xem xét nhóm yếu tố công nghệ tác động bao gồm nhiệt

độ và áp suất môi trường sấy thăng hoa, thời gian sấy, thiết bị và nguyên liệu ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình sấy thăng hoa sản phẩm sữa chua [2]

1.1.1.6 Giai đoạn sấy chân không làm bay hơi ẩm còn lại (Sấy khô thứ cấp)

Trong giai đoạn làm này, nước không đông lạnh được loại bỏ khỏi sản phẩm bằng cách giải hấp từ lớp vật liệu xốp đã làm khô trên bề mặt nguyên liệu Lượng nước này

có thể là nước liên kết với bề mặt của các tinh thể trong một sản phẩm kết tinh hoặc liên kết trong ma trận sản phẩm vô định hình có độ nhớt cao Trong trường hợp sản phẩm kết tinh, nhiệt độ sấy cao hơn có thể được sử dụng và do đó có thể giảm thời gian sấy thứ cấp Tuy nhiên, trong trường hợp sản phẩm vô định hình, không thể sử dụng nhiệt độ cao và quá trình sấy thường đạt được bằng cách khuếch tán phân tử chậm trong nguyên liệu đã sấy khô mà ở đây là lớp sữa chua khô bên ngoài [8], [14]

Quá trình sấy thứ cấp được thực hiện bằng cách tăng nhiệt độ và giảm áp suất hơi bên trong buồng sấy Mặc dù lượng nước được loại bỏ ít hơn trong quá trình sấy khô sơ cấp, nhưng thời gian cần thiết vẫn bằng 30 – 50% thời gian cần thiết cho quá trình sấy

sơ cấp Theo Pikal và cộng sự, khi bắt đầu làm khô thứ cấp, việc loại bỏ nước diễn ra nhanh chóng, do đó tốc độ sấy tăng lên khi bề mặt riêng của sản phẩm tăng lên Quá trình sấy thăng hoa được cho là hoàn thành khi phần lớn nước được loại bỏ, tạo ra sản phẩm sấy khô ổn định về cấu trúc với độ ẩm ít hơn 3% [15]

1.1.2 Công nghệ và thiết bị sấy thăng hoa

Về cơ bản, việc lựa chọn và lắp đặt thiết bị sấy thăng hoa phụ thuộc vào đặc tính của sản phẩm sấy Một thiết bị sấy thăng hoa điển hình bao gồm: buồng sấy, bình ngưng, bơm chân không và nguồn nhiệt [16]

Bước đầu tiên trong một quá trình sấy thăng hoa là cấp đông sản phẩm Đông lạnh sữa và các sản phẩm từ sữa khác được thực hiện ở quy mô công nghiệp trong các khay bằng cách tiếp xúc khay với bề mặt đã được làm lạnh hoặc bằng cách trao đổi nhiệt tiếp xúc với chất tải lạnh [7] Giai đoạn này có ảnh hưởng đến cấu trúc vi mô của sản phẩm

và cũng như thời gian của các giai đoạn sấy tiếp theo Một nghiên cứu của Radaeva và cộng sự cho thấy trong quá trình sấy thăng hoa sữa chua, chế độ lạnh đông tối ưu được tìm thấy là – 25 °C so với – 15 và – 40 °C để vi sinh vật có lợi tồn tại cao nhất [6]

Buồng sấy là bộ phận mà trong đó mẫu được đặt Buồng sấy là không gian kín chân không và được kiểm soát về nhiệt độ và áp suất Dựa trên loại máy sấy thăng hoa, loại khay và nguồn nhiệt cung cấp sẽ có những loại buồng sấy khác nhau [13]

Các phương pháp gia nhiệt thay thế như gia nhiệt bằng vi sóng, cũng có thể được

sử dụng để tăng cường truyền nhiệt và giảm thời gian sấy Năng lượng vi sóng gây ra sự gia nhiệt nhanh chóng bên trong của vật liệu thông qua sự quay lưỡng cực và sự dẫn ion trong vật liệu phân cực Năng lượng này, như một nguồn nhiệt, có thể được sử dụng trong môi trường chân không của công nghệ sấy thăng hoa và kết quả là tạo ra phương pháp mới được gọi là sấy thăng hoa có hỗ trợ của vi sóng [8]

Việc kết hợp thêm phương pháp sấy chân không sau khi sấy thăng hoa hoàn thành đảm bảo chất lượng sản phẩm tương tự như sấy thăng hoa thông thường, nhưng chi phí vận hành có thể được giảm xuống do tốc độ sấy khô nhanh hơn [17]

Bình ngưng trong hầu hết các máy sấy thăng hoa thương mại hoạt động ở nhiệt

độ từ –55 đến – 105 °C, với công suất từ 20 – 10000 kg [6]

Theo Oetjen & Haseley, một bình ngưng lý tưởng phải đáp ứng bốn tiêu chí sau: (i) có diện tích bề mặt lớn để ngưng tụ băng ở độ dày tối đa, (ii) có lượng ngưng tụ đồng đều trên tổng cuộn dây với mức tối thiểu (ΔT < 1 °C) chênh lệch giữa nhiệt độ đầu vào

và đầu ra, (iii) có ít độ lệch hơn trong dòng hơi nước trước bề mặt bình ngưng đầu tiên

và (iv) bơm thoát khí cố định được áp suất và ở vị trí thấp nhất trong bình ngưng

Trong các máy sấy đông quy mô công nghiệp, bình ngưng có thể được đặt bên trong hoặc bên ngoài buồng sấy Tuy nhiên, điều cần thiết là khoảng cách giữa hai thiết

bị nhỏ nhất để giúp giảm hiệu quả áp suất riêng phần của buồng sấy [5]

Bơm chân không được sử dụng để loại bỏ các khí không ngưng tụ khỏi buồng sấy

để đạt được mức chân không cao Hệ thống chân không có thể được thiết kế dựa trên tổng sức chứa của hệ thống máy sấy, các yêu cầu cho bơm chân không bao gồm kích thước, loại và số lượng được lắp vào hệ thống [5]

1.1.3 Hệ thống sấy thăng hoa

Hệ thống sấy thăng hoa có thể được tích hợp cả chức năng lạnh đông nguyên liệu hoặc tách rời thành hai quá trình riêng biệt Hệ thống sấy thăng hoa được sử dụng trong nghiên cứu này là một hệ thống rời, không có chức năng lạnh đông

Tuy nhiên hệ thống có thể giám sát quá trình sấy bằng IoT có nghĩa quá trình tự động điều khiển và kiểm soát quá trình sấy thông qua kết nối internet Hệ thống cũng tự động đo lường các điều kiện để kiểm soát quá trình sấy từ xa Đây là hệ thống điều khiển thông minh được lập trình trên máy tính, giúp người vận hành hệ thống dù ở bất kỳ nơi nào trên thế giới chỉ cần có kết nối với internet thì hoàn toàn có thể điều khiển và kiểm soát quá trình sấy trên hệ thống này được

Một hệ thống có thể được mô tả thông qua sơ đồ nguyên lý, Hình 1.5