Kĩ thuật sấy thăng hoa gồm các giai đoạn: + Giai đoạn 1: lạnh đông nguyên liệu để chuyển một phần nước trong nguyên liệu sang dạng rắn + Giai đoạn 2: tạo áp suất chân không rồi gia nhiệt
Trang 1ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KĨ THUẬT HÓA HỌC
THỰ C HÀNH CÁC CÔNG NGHỆ TIÊN TIẾN
TRONG CÔNG NGHIỆP THỰ C PHẨM
BÁO CÁO
Giảng viên hướ ng dẫn: PGS TS Tôn Nữ Minh Nguyệt
TS Nguyễn Thị Quỳnh Ngọc
Nhóm thự c hiện: 02
1 Lê Trương Ngọc Minh Quyên 2270120
TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2022
Trang 2MỤC LỤC
1 TỔNG QUAN VỀ KĨ THUẬT SẤY THĂNG HOA 4
1.1 Khái niệm 4
1.2 Nguyên lí và thiết bị sấy thăng hoa 4
1.2.1 Biến đổi pha nướ c 5
1.2.2 Các giai đoạn sấy thăng hoa 6
2 TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU TRONG THÍ NGHIỆM CỦA NHÓM (KHỔ QUA) 6
2.1 Đặc điểm của khổ qua 6
2.2 Thành phần dinh dưỡ ng 6
3 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM 7
4 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 7
5 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 10
5.1 Yếu tố độ ẩm 11
5.2 Yếu tố tốc độ bay hơi ẩm 14
5.3 Đánh giá cảm quan 17
17
Trang 3DANH MỤC BẢNG
Bảng 1 K ế hoạch thí nghiệm sấy thăng hoa 9
Bảng 2 Kết quả sau khi cân khảo sát khối lượng trong quá trình sấy thăng hoa 10
Bảng 3 Kết quả thay đổi độ ẩm của các mẫu 4mm theo thời gian 11
Bảng 4 Kết quả thay đổi độ ẩm của các mẫu 8mm theo thời gian 12
Bảng 5 Kết quả tốc độ bay hơi ẩm trung bình của các mẫu 4mm theo thời gian 14
Bảng 6 Kết quả tốc độ bay hơi ẩm trung bình của các mẫu 8mm theo thời gian 14
DANH MỤC HÌNH Hình 1 Đồ thị biến thiên độ ẩm của các mẫu 4mm theo thời gian 13
Hình 2 Đồ thị biến thiên độ ẩm của các mẫu 8mm theo thời gian 13
Hình 3 Đồ thị biến thiên tốc độ sấy của các mẫu 4mm theo thời gian 15
Hình 4 Đồ thị biến thiên tốc độ sấy của các mẫu 8mm theo thờ i gian 15
Hình 5 Hình ảnh sản phẩm khổ qua sau sấy chân không 17
Trang 41 TỔNG QUAN VỀ KĨ THUẬT SẤY THĂNG HOA
1.1 Khái niệm
Sấy thăng hoa là quá trình nước ra khỏi nguyên liệu, nước trong nguyên được chuyển trực tiếp từ thể rắn sang thể khí dưới điều kiện chân không.
Kĩ thuật sấy thăng hoa gồm các giai đoạn:
+ Giai đoạn 1: lạnh đông nguyên liệu để chuyển một phần nước trong nguyên liệu sang dạng rắn + Giai đoạn 2: tạo áp suất chân không rồi gia nhiệt nguyên liệu đã lạnh đông trong buồng sấy để nước thăng hoa
+ Giai đoạn 3: do trong giai đoạn lạnh đông, chúng ta không thể chuyển toàn bộ lượng nước trong nguyên liệu sang dạng rắn nên sau giai đoạn sấy thăng hoa là giai đoạn sấy chân không để tách thêm một phần ẩm ở dạng lỏng trong nguyên liệu, đảm bảo độ ẩm của nguyên liệu sau quá trình sấy đạt giá trị yêu cầu.
Ưu điểm của phương pháp sấy thăng hoa:
+ Sản phẩm sau sấy có chất lượng cao, giữ lại gần như nguyên vẹn hàm lượng dinh dưỡng, đặc biệt là các chất mẫn cảm với nhiệt như vitamin, các chất có hoạt tính sinh học, màu sắc, hương vị của nguyên liệu.
+ Sản phẩm sau quá trình sấy có cấu trúc giòn xốp, ít bị co rút, biến dạng như các phương pháp sấy thông thường.
+ Khả năng hoàn nguyên về trạng thái gần như ban đầu khi ngâm nước vào nước ấm.
+ Độ ẩm sản phẩm thấp, thời gian bảo quản dài, dễ dàng vận chuyển và phân phối sản phẩm. + Có thể áp dụng với các loại nguyên liệu như trái cây, chế phẩm giống vi sinh vật, enzyme, các sản phẩm giàu hoạt tính sinh học, kể cả những nguyên liệu có cấu trúc mềm hay dạng lỏng. Nhược điểm của phương pháp sấy thăng hoa:
+ Chi phí thiết bị cao
+ Thời gian sấy dài, tiêu hao năng lượng vận hành máy
+ Đòi hỏi người vận hành có trình độ chuyên môn cao, am hiểu về công nghệ
1.2 Nguyên lí và thiết bị sấy thăng hoa
Trang 51.2.1 Biến đổi pha nướ c
Sự biến đổi trạng thái hơi nước có hai trường hợp: lỏng – hơi và rắn – hơi có thể trình bày theo giản đồ:
Sự biến đổi tr ạng thái hơi nướ c trong giản đồ áp suất hơi bão hoà P và nhiệt độ T Giao điểm của các đường cong biên đượ c gọi là điểm ba Vớ i các giá tr ị của thông số điểm ba, có khả năng tồn tại cả ba pha (nước đá – nướ c lỏng – hơi nướ c) Tr ạng thái đó trong nhiệt động lực học đượ c gọi
là tr ạng thái cơ bản biểu diễn trên giản đồ P – T bằng điểm ba thể Dưới điểm ba thể không thể có pha lỏng bền vững và nướ c sẽ ở tr ạng thái r ắn (nước đá) hoặc ở tr ạng thái hơi Nói cách khác, vớ i
áp suất thấ p, tr ở kháng của môi trườ ng xung quanh nhỏ đến mức để mạng tinh thể nước đá dễ dàng
bị phân rã và lậ p tức nó chuyển thành tr ạng thái hơi Trên đường cong nước đá – hơi, hệ thức giữa
áp suất và nhiệt độ phải tương ứng vớ i tr ạng thái cân bằng giữa pha r ắn và pha hơi Quá trình thăng hoa được trình bày như sự dịch chuyển qua đường cong đó từ trái sang phải Đối với nướ c, thông
số điểm ba là áp suất P= 4,58 mmHg và nhiệt độ T = 0,0098oC Nhiệt độ đó tương ứng vớ i nhiệt
độ nóng chảy của nướ c ở áp suất khí quyển bình thườ ng Vì vậy, khi đốt nóng dần dần nước đá trong không khí, thì nó sẽ chuyển qua tr ạng thái lỏng và sau đó bắt đầu bay hơi [1,2]
Thiết bị sấy sấy thăng hoa gồm có hai bộ phận chính như sau:
+ Hệ thống lạnh đông: để chuyển phần ẩm có trong nguyên liệu cần sấy sang trạng thái rắn + Buồng sấy thăng hoa: để tách ẩm và chuyển ẩm từ trạng thái rắn sang trạng thái hơi
Trang 61.2.2 Các giai đoạn sấy thăng hoa
- Tiền xử lý:
Ở giai đoạn này, nguyên liệu thực phẩm đượ c chuẩn bị k ỹ vớ i những yêu cầu k ỹ thuật tương ứng, ngoài ra, ở giai đoạn này, tùy vào loại nguyên liệu mà chúng ta gia giảm hoặc thêm một số chất
hỗ tr ợ k ỹ thuật
- Cấp đông:
Tùy vào cấp độ của công nghệ mà nguyên liệu đượ c cấp đông nhanh hay siêu nhanh Thườ ng các tác nhân cấp đông nhanh như đá khô, methanol hay nitơ lỏng đượ c sử dụng Thông thườ ng, nhiệt
độ cấp đông trong khoảng từ -50°C đến -80°C (-58°F đến -112°F) Giai đoạn này là quan tr ọng nhất trong toàn bộ quá trình, vì sản phẩm có thể hư hỏng nếu không đúng cách thực hiện
- Làm khô sơ cấ p:
Ở giai đoạn này, áp suất trong môi trườ ng sấy sẽ đượ c giảm xuống áp suất chân không Lượ ng nhiệt đượ c cấp vào đượ c tính toán một cách chính xác sao cho các tinh thể nước đá thăng hoa mà không qua pha lỏng Ở giai đoạn này, 90% ẩm trong nguyên liệu đượ c lấy đi.
- Làm khô thứ cấ p:
Giai đoạn làm khô thứ cấp là giai đoạn làm bay hơi lượ ng ẩm còn sót lại ở giai đoạn trướ c Ở giai đoạn này, nhiệt độ có thể được điều chỉnh tăng dần và có thể >0°C Ở cuối quá trình, độ ẩm trong nguyên liệu chỉ còn khoảng 1% – 4%
2.1 Đặc điểm của khổ qua
Khổ qua hay mướp đắng có tên khoa học là Momordica charantia, được trồng nhiều ở Việt Nam Quả khổ qua có hình thon dài, to, đây là loại trái cây có vị đắng Mặt ngoài của khổ qua nhẵn có những nốt u màu xanh Khi quả còn nhỏ có màu xanh đậm, quả già chuyển sang màu vàng và héo dần Bên trong quả chứa nhiều hạt những hạt này có hình dáng tròn và dẹt Những hạt mẩy tròn đều người ta còn sử dụng để làm hạt giống.
Quả khổ qua có thể ăn sống hoặc đem đi chế biến thành các món ăn hấp dẫn.
2.2 Thành phần dinh dưỡng
Khổ qua là một nguồn dinh dưỡng giàu vitamin C, với 84mg vitamin C có trong 100g quả mướp đắng tươi, đáp ứng 140% nhu cầu dinh dưỡng khuyến nghị Lượng vitamin C dồi dào như vậy giúp cho trái khổ qua có tác dụng to lớn trong việc điều trị các bệnh do vi khuẩn gây ra, tiêu diệt các tế bào gây ung thư.
Ngoài vitamin C, khổ qua còn chứa nhiều loại chất chống oxy hóa khác như ß, Carotene-aplha và Lutein-zeaxanthin Những chất này mang đến công dụng tuyệt vời cho quả mướp đắng
Trang 7trong việc nâng cao sức đề kháng của cơ thể, bảo vệ cơ thể khỏi các tác nhân gây ung thư, ngăn ngừa được nhiều bệnh như ung thư vú, ung thư tá tràng và nhiều bệnh nguy hiểm khác Trong trái mướp đắng còn chứa nhiều tiền tố tạo nên vitamin A – nó không chỉ đóng vai trò của một chất chống oxy hóa trong cơ thể, mà còn là một loại vitamin có vai trò quan trọng trong việc bảo vệ đôi mắt, giúp thị giác luôn khỏe mạnh Khổ qua tuy có vị đắng, nhưng chính vị đắng này càng làm tăng giá trị của nó đối với sức khỏe con người, Vị đắng có trong khổ qua là nguồn chính của vitamin B17 – một dưỡng chất vốn có sức sát thương rất lớn đối với các tế bào ung thư Chính vì thế, những người mắc bệnh ung thư có thể dùng nhiều khổ qua để cải thiện tình trạng sức khỏe Đây là một trong những tác dụng nổi bật nhất mà khổ qua mang lại cho sức khỏe con người.
3 MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM
- Tìm hiểu về quy trình công nghệ sản xuất bột rau củ
- Thực hiện quy trình thu nhận khổ qua sấy bằng phương pháp sấy thăng hoa
- Những biến đổi của khổ qua trong quá trình sấy thăng hoa
- Động học quá trình sấy thăng hoa
- Ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến quá trình sấy thăng hoa
- Sản phẩm khổ qua sấy thăng hoa (chất lượng, yêu cầu, ứng dụng)
4 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
- Chọn các trái khổ qua tươi, không có sâu bệnh – xác định độ ẩm trung bình của trái khổ qua tươi (lặp lại ít nhất 3 lần)
- Gọt vỏ, rửa sạch, cắt ngang.
- Độ dày của miếng khổ qua của nhóm 2 là 4mm và 8mm
- Lạnh đông cả 2 mẫu ở tủ đông trong ít nhất 24h
- Hàm lượng chất khô: theo phương pháp sấy đến khối lượng không đổi, sử dụng cân sấy
ẩm
- Màu sắc, hình dạng miếng khổ qua đánh giá cảm quan và chụp hình màu
- Thực hiện thí nghiệm trên 2 mẫu lặp lại.
- Cân khối lượng bì (ống sấy), cân khối lượng cả bì lẫn mẫu tại thời điểm t = 0.
Trang 8- Định kỳ 2h/lần (khoảng 6-8 lần đầu tiên), cân khối lượng cả ống mẫu (bì+mẫu), không lấy mẫu ra, nhận xét mẫu về màu, kích thước Sau đó khoảng 24h/lần, tiếp tục kiểm tra mẫu đến khi kết thúc quá trình sấy.
- Thí nghiệm kết thúc khi khối lượng của ống mẫu không đổi sau 2 lần cân liên tiếp hoặc
độ ẩm sản phẩm < 5%, ghi nhận thời gian sấy.
- Cân khối lượng sản phẩm sau sấy
- Chụp hình màu và hình dạng sản phẩm sau sấy
- Xác định độ ẩm sản phẩm bằng cân sấy ẩm
- Xác định khả năng hoàn nguyên trong nước ấm (40-500C trong15-30 phút) của mẫu sản phẩm.
- Nghiền mẫu thành bột, so sánh với bột của bài sấy phun (độ thấm ướt, màu sắc, hương vị).
- Độ thấm ướt được xác định như sau:
- Cho 250 mL nước 25 0C vào becher thủy tinh 500 mL. Cho nhanh 10g bột khổ qua sản phẩm vào.
- Sử dụng đồng hồ bấm dây để xác định thời gian làm ướt hoàn toàn mẫu bột khổ qua sản phẩm thu nhận trong thí nghiệm Thời gian làm ướt (bằng độ thấm ướt) được tính từ thời điểm bắt đầu cho mẫu bột vào becher cho đến khi mẫu bột được thấm ướt hoàn toàn.
- Thực hiện thí nghiệm 3 lần và lấy giá trị trung bình.
- Tiến hành sấy thăng hoa các mẫu đã lạnh đông trong thiết bị sấy thăng hoa Kế hoạch thí nghiệm tr ình bày ở bảng 3 Mỗi nhóm thực hiện 01 nghiệm thức, mỗi nghiệm thức có 03 mẫu
lặ p lại (3 túi)
- Cân khối lượ ng bì (túi sấy), cân khối lượ ng cả bì lẫn mẫu tại thời điểm t=0
- Định kỳ 1h/lần (khoảng 6 – 8 lần đầu tiên), cân khối lượng cả ống mẫu (bì + mẫu), không lấy mẫu ra khỏi túi sấy, cân nhanh để mẫu không bị chảy nước Sau đó là khoảng 6h/lần, tiếp tục kiểm mẫu đến khi kết thúc quá trình sấy.
- Chú ý các mẫu nguyên liệu sấy của cùng một nghiệm thức nên gần bằng nhau về khối lượng
Trang 9Bảng 1 Kế hoạch thí nghiệm sấy thăng hoa Nhóm Nguyên liệu sấy Độ dày miếng nguyên liệu
NHÓM 2: Nguyên liệu là khô quả
- Thí nghiệm k ết thúc khi khối lượng của ống mẫu không đổi sau 2 lần cân liên tiếp hoặc
độ ẩm sản phẩm < 5% (có thể k éo dài 2 ngày), ghi nhận thời gian sấy.
[1] Cân khối lượ ng sản phẩm sau sấy (Mc x 3mẫu)
[2] Chụp hình màu và hình dạng sản phẩm sau sấy (so sánh với mẫu trước sấy, nên lưu trữ các lát mẫu tươi để đối chứng)
[3] Xác định độ ẩm sản phẩm bằng cân sấy ẩm, nhận xét về cấu trúc, màu sắc, hương vị [4] Xác định khả năng hoàn nguyên trong nước ấm (40-50oC/15-30phút) của mẫu sản phẩm (so sánh với mẫu trước sấy, nên lưu trữ các lát mẫu tươi để đối chứng)
[5] Nghiền mẫu thành bột và kiểm tra độ thấm nước (so sánh với bột từ sấy phun)
Trang 105 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Tốc độ bay hơi trung bình V (Kg/h) = tổng lượ ng ẩm bay hơi/thờ i gian sấy
Bảng 2 Kết quả sau khi cân khảo sát khối lượng trong quá trình sấy thăng hoa
STT Thờigian
(h)
Khối lượng mẫu (g) Mẫu
4mm
(1)
Mẫu 4mm (2)
Mẫu 4mm (3)
Mẫu trung bình
Sai
số
Mẫu 8mm (1)
Mẫu 8mm (2)
Mẫu 8mm (3)
Mẫu trung bình
Sai
số
Trang 115.1 Yếu tố độ ẩm
Bảng 3 Kết quả thay đổi độ ẩm của các mẫu 4mm theo thời gian
STT gian (h) Thời
Mẫu 4mm (1)
Mẫu 4mm (2)
Mẫu 4mm (3)
Mẫu 4mm (1)
Mẫu 4mm (2)
Mẫu 4mm (3)
Trung bình
Trang 12Bảng 4 Kết quả thay đổi độ ẩm của các mẫu 8mm theo thời gian
STT gian (h) Thời
sấy (%) Mẫu
8mm (1)
Mẫu 8mm (2)
Mẫu 8mm (3)
Mẫu 8mm (1)
Mẫu 8mm (2)
Mẫu 8mm (3)
Trung bình
Trang 13Hình 1 Đồ thị biến thiên độ ẩm của các mẫu 4mm theo thời gian
Hình 2 Đồ thị biến thiên độ ẩm của các mẫu 8mm theo thời gian
Nhận xét: Nhìn chung, cả mẫu 4mm và 8mm có độ ẩm của khổ qua đều có xu hướng giảm dần, tuy nhiên mức độ giảm không đều giữa các điểm ở các mốc thời gian Ở mẫu 4mm, mẫu sấy hồi
ẩm ở thời điểm t = 4 (62.98 => 63.99), t = 5 (63.99 => 64.28) và t = 21 (39.27 => 45.76) Ở mẫu 8mm, mẫu sấy hồi ẩm ở thời điểm t = 6 (68.13 => 68.62) và t = 21 (42.34 => 42.62) Nguyên nhân
do quá trình lấy mẫu để cân đo và thiết bị sấy thăng hoa ở phòng thí nghiệm không hoạt động tốt đến điểm ba để mẫu khổ qua thăng hoa Ngoài ra, mẫu đo xảy ra sự cố khi van xả khí bị hở dẫn đến hỏng mẫu từ giờ thứ 21
Trang 145.2 Yếu tố tốc độ bay hơi ẩm
Bảng 5 Kết quả tốc độ bay hơi ẩm trung bình của các mẫu 4mm theo thời gian
Thời gian
Khối
lượng mẫu
trung bình
(g)
5.6 4.39 3.98 3.89 3.95 3.96 3.9 2.56 2.91 2.04 1.19
Hàm
lượng ẩm
trong mẫu
(%)
93.5 71.88 64.58 62.98 63.99 64.28 63.15 39.27 45.76 30.01 14.85
Tốc độ
bay hơi
ẩm (g/h)
0 2.08 0.58 0.12 -0.07 -0.02 0.08 1.46 -0.33 0.72 0.44
Bảng 6 Kết quả tốc độ bay hơi ẩm trung bình của các mẫu 8mm theo thời gian
Thời gian
(h)
Khối lượng
mẫu trung
bình (g)
8.92
7.57 7.11 7.06 6.84 6.66 6.8 4.37 4.4 3.92 1.22
Hàm lượng
ẩm trong
mẫu (%)
93.5
77.71 73.09 72.64 70.11 68.13 68.62 42.34 42.62 37.17 7.24
Tốc độ bay
hơi ẩm
(g/h)
0 2.48 0.68 0.07 0.33 0.25 -0.13 2.81 -0.02 0.42 1.37
Trang 15Hình 3 Đồ thị biến thiên tốc độ sấy của các mẫu 4mm theo thời gian
Hình 4 Đồ thị biến thiên tốc độ sấy của các mẫu 8mm theo thờ i gian
Nhận xét: Tốc độ bay hơi ẩm của khổ qua ở mẫu 4mm đạt giá trị cực đại vào giờ thứ nhất (2.08g/h), sau đó giảm dần và tăng tiếp vào giờ thứ bảy (1.46g/h) Tuy nhiên, do thiết bị không đạt đến điểm
ba để thăng hoa mẫu và có giá trị tốc độ âm khi mẫu hồi ẩm vào giờ thứ 4 0.07g/h), thứ 5 (-0.02g/h) và thứ 21 ( -0.33g/h) Điều này đến tốc độ sấy và thời gian không tuyến tính với nhau.
Tốc độ bay hơi ẩm của khổ qua ở mẫu 8mm đạt giá trị cực đại vào giờ thứ bảy (2.81g/h) Tuy nhiên, do thiết bị không đạt đến điểm ba để thăng hoa mẫu và có giá trị tốc độ âm khi mẫu hồi ẩm vào giờ thứ 6 (-0.13g/h) và thứ 21 ( -0.02g/h)
Trang 16Nhìn chung, so với các nguyên liệu còn lại là táo và bí đỏ thì khổ qua là mẫu sấy tốt nhất Nguyên nhân có thể do hàm lượng ẩm ban đầu trong mẫu khổ qua ít hơn so với các mẫu còn lại Yếu tố bản chất của nguyên liệu và độ dày của nguyên liệu cũng ảnh hưởng một phần đến tốc độ mất nước trong quá trình sấy thăng hoa [3] Quá trình cấp nhiệt & tách ẩm trong sấy thăng hoa không tuân theo quy luật khuếch tán ngoại & khuếch tán nội, nó thăng hoa nước đá từ bề ngoài sản phẩm vào bên trong, vì vậy nó phụ thuộc vào áp suất lỗ mao quản mà nước kết tinh thành nước đá, nếu
lỗ mao quản cạn hay bề dày sản phẩm mỏng thì khả năng thăng hoa dễ dàng, ẩm tách ra nhanh hơn, thời gian sấy rút ngắn Nếu lỗ mao quan sâu hay bề dày sản phẩm dày thì khả năng thăng hoa khó hơn, ẩm tách ra chậm hơn, thời gian sấy kéo dài.
Ngoài ra yếu tố nhiệt độ môi trường sấy thăng hoa cũng là một trong những tác nhân ảnh hưởng đến quá trình sấy, nhiệt cấp vào làm tăng nhiệt độ môi trường sấy (T∞) và nhiệt độ của giá truyền nhiệt (Tshef), động lực cho quá trình sấy thăng hoa là do sự chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ môi trường sấy, giá truyền nhiệt với nhiệt độ sản phẩm lạnh đông sấy thăng hoa, làm cho quá trình sấy thăng hoa nhanh hơn, rút ngắn thời gian sấy, tiết kiệm năng lượng [4, 5] Thời gian của quá trình sấy thăng hoa là một trong những yếu tố công nghệ quyết định đến độ ẩm, chất lượng và chi phí năng lượng của sản phẩm sấy thăng hoa Khi thời gian sấy thăng hoa ngắn thì độ ẩm sản phẩm sau khi sấy không đạt yêu cầu, không đáp ứng được khả năng bảo quản Khi thời gian sấy thăng hoa kéo dài, sẽ làm chi phí năng lượng tăng Nếu thời gian sấy thăng hoa ngắn, thời gian sấy chân không kéo dài thì chất lượng sản phẩm sau khi sấy giảm [6].