Nghiên cứu quy trình công nghệ sản xuất sữa chua vị lựu sấy thăng hoa

99 Trang 23 TÓM TẮT KHÓA LUẬN Đề tài “Nghiên cứu quy trình công nghệ sản xuất sản phẩm sữa chua Lựu bằng phương pháp sấy thăng hoa” được thực hiện để thiết lập và xây dựng ma trận thực

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT SỮA

CHUA VỊ LỰU SẤY THĂNG HOA

GVHD: PGS TS NGUYỄN TẤN DŨNG SVTH: HUỲNH TRUNG ĐẠT

S K L 0 0 9 6 8 0

Tp Hồ Chí Minh, tháng 2/2023

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

MÃ SỐ:2022-18116055

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ SẢN

XUẤT SỮA CHUA VỊ LỰU

SẤY THĂNG HOA

GVHD: PGS TS NGUYỄN TẤN DŨNG SVTH: HUỲNH TRUNG ĐẠT

MSSV: 18116055

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH - 02/2023

Chúng tôi xin cảm ơn thầy cô khoa công nghệ thực phẩm Các cô đã luôn hỗ trợ

và giúp đỡ chúng tôi rất nhiều về máy móc, dụng cụ, thiết bị trong quá trình nghiên cứu tại phòng thí nghiệm Chúng tôi xin cảm ơn quý thầy cô phụ trách phòng thí nghiệm B108, B212 và xưởng công nghệ thực phẩm 3 đã tạo điều kiện tốt nhất để chúng tôi có thể hoàn thành đề tài này Quý thầy cô đã hỗ trợ, giúp đỡ chúng tôi rất nhiều về dụng

cụ, máy móc, thiết bị trong quá trình nghiên cứu Bên cạnh đó, tôi cũng xin chân thành cám ơn đến các quý thầy cô Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, những người giảng viên đã dạy dỗ chu đáo, yêu thương sinh viên, luôn lắng nghe và giải đáp các thắc mắc, truyền đạt các kiến thức quý giá về chuyên ngành Công nghệ Thực phẩm cho tôi trong suốt bốn năm ngồi trên ghế giảng đường Đại học Đây chính là động lực to lớn cho chúng tôi tiếp tục cố gắng, hoàn thiện thật tốt đồ án tốt nghiệp cũng như hoàn thiện bản thân Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn nhà trường đã tạo điều kiện thuận lợi để chúng tôi được học tập, làm việc và hoàn thiện khóa luận tốt nghiệp tại trường Đại học

Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh

Mặc dù đề tài đã đi vào hoàn thiện, nhưng vẫn không tránh khỏi những sai sót Tôi rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy cô và các bạn Cuối cùng tôi xin gửi lời chúc sức khỏe đến toàn thể giáo viên, cán bộ nhà trường đã và đang dẫn dắt các khóa sinh viên qua từng năm học

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung được trình bày trong khóa luận tốt nghiệp là

do chính tôi thực hiện Tôi xin cam đoan các nội dung được tham khảo trong khóa luận tốt nghiệp đã được trích dẫn chính xác và đầy đủ theo qui định

Ngày tháng năm 2023

Ký tên

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

MỤC LỤC 11

DANH MỤC HÌNH 16

DANH MỤC BẢNG 18

MỞ ĐẦU 21

1 Tính cấp thiết của đề tài 21

2 Mục tiêu đề tài 22

3 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu đề tài 22

4 Nội dung nghiên cứu 22

5 Phương pháp nghiên cứu 22

6 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 23

6.1 Ý nghĩa khoa học 23

6.2 Ý nghĩa thực tiễn 23

7 Bố cục của báo cáo 23

1.CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 24

1.1.Cơ sở khoa học của máy sấy thăng hoa 24

1.1.1.Định nghĩa 24

1.1.2.Nguyên lý hoạt động 25

1.1.2.1.Giai đoạn lạnh đông 26

1.1.2.2.Giai đoạn sấy thăng hoa 27

1.1.2.3.Giai đoạn sấy chân không 28

1.1.3.Ưu và nhược điểm của sấy thăng hoa 28

1.1.3.1.Ưu điểm 28

1.1.3.2.Nhược điểm 29

1.1.4.Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy thăng hoa 29

1.1.4.1.Nhiệt độ 29

1.1.4.2.Thời gian 30

1.1.4.3.Áp suất chân không và khí quyển 30

1.1.4.4.Diện tích bề mặt 30

1.1.4.5.Tốc độ dòng khí 31

1.1.6.Hệ thống và thiết bị sấy thăng hoa 32

1.1.6.1.Buồng sấy thăng hoa 32

1.1.6.2.Thiết bị ngưng tụ 33

1.1.6.3.Bơm chân không 34

1.1.6.4.Hệ thống đo lường, điều khiển 35

1.1.7.Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy thăng hoa 35

1.1.8.Các biến đổi ảnh hưởng đến quá trình sấy thăng hoa 35

1.1.8.1.Biến đổi vật lý 35

1.1.8.2.Biến đổi hoá học 36

1.1.8.3.Biến đổi vi sinh 36

1.1.8.4.Biến đổi hoá lý 36

1.1.9.Một số hệ thống sấy thăng hoa 36

1.1.9.1.Sấy thăng hoa cấp đông riêng 36

1.1.9.2.Sấy thăng hoa tự cấp đông 37

1.1.9.3.Sấy thăng hoa liên tục 38

1.1.10.Ứng dụng 40

1.1.10.1.Công nghệ thực phẩm 40

1.1.10.2.Dược học và công nghệ sinh học 40

1.1.11.Tình hình nghiên cứu về lĩnh vực sấy thăng hoa 41

1.1.11.1.Trong nước 41

1.1.11.2.Ngoài nước 43

1.2.Tổng quan về sữa chua 46

1.2.1.Sữa chua 46

1.2.1.1 Định nghĩa - Nguồn gốc 46

1.2.1.2 Cơ chế hình thành sữa chua 49

1.2.1.3 Phân loại 49

1.2.1.4 Thành phần hoá học 51

1.2.1.5 Giới thiệu về Lựu 53

1.2.1.6 Giá trị dinh dưỡng 54

1.2.1.7 Các chỉ tiêu trong sữa chua 55

1.2.1.8 Giá trị kinh tế 56

1.2.2.Chỉ tiêu đánh giá chất lượng sữa chua sấy thăng hoa 59

1.2.2.1 Chỉ tiêu đánh giá cảm quan 59

1.2.2.2 Chỉ tiêu về vi sinh 59

1.2.2.3 Chỉ tiêu về hóa lý 59

1.2.3.Quy trình sản xuất sữa chua 60

1.2.3.1 Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất 60

1.2.3.2 Thuyết minh quy trình 60

1.2.4.Quy trình công nghệ sấy thăng hoa sữa chua Lựu 62

1.2.4.1 Sơ đồ quy trình công nghệ 62

1.2.4.2 Thuyết minh quy trình 63

1.2.5.Các tính chất nhiệt vật lý của nguyên liệu cần thiết cho quá trình sản xuất 64

1.2.5.1 Độ nhớt và quan hệ giữa độ nhớt với chất lượng của nguyên liệu sinh học 64

1.2.5.2 Nhiệt dung riêng của nguyên liệu: 65

1.2.5.3 Khối lượng riêng của nguyên liệu: 65

1.2.5.4 Hệ số dẫn nhiệt của nguyên liệu: 66

1.2.5.5 Hệ số khuếch tán ẩm của nguyên liệu: 66

1.2.6 Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến sản phẩm sữa chua sấy thăng hoa 67

1.2.6.1 Các yếu tố công nghệ 67

1.2.6.2 Hàm mục tiêu để đánh giá chất lượng, hiệu quả kinh tế và thời gian bảo quản sản phẩm sữa chua sấy thăng hoa 68

1.2.7 Bài toán tối ưu hoá 70

1.2.8 Kết luận 71

2.CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 73

2.1.Nguyên liệu nghiên cứu 73

2.1.1.Lựa chọn nguyên liệu 73

2.1.1.1 Sữa tiệt trùng 73

2.1.1.2 Sữa đặc 74

2.1.1.3 Sữa chua cái vị Lựu 76

2.1.2.Quy trình sản xuất sữa chua 78

2.1.3.Phương pháp xử lý nguyên liệu 80

2.2.Phương pháp nghiên cứu 81

2.2.1.Thiết bị và dụng cụ nghiên cứu 81

2.2.1.1 Thiết bị thực nghiệm 81

2.2.1.2 Dụng cụ thực nghiệm 82

2.2.2.Tiến hành phương pháp nghiên cứu 83

2.2.2.1 Phương pháp phân tích và tiếp cận hệ thống 83

2.2.2.2 Phương pháp sấy thăng hoa cho nguyên liệu 85

2.2.2.3 Phương pháp nghiên cứu và xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy thăng hoa 86

2.3.Phương pháp phân tích các hàm mục tiêu trong công nghệ sấy thăng hoa 86

2.3.1 Xác định chi phí năng lượng (y1) 86

2.3.2 Xác định độ ẩm (y2) 87

2.3.3 Xác định độ xốp của sản phẩm (y3) 87

2.3.4 Xác định lượng vi sinh vật lên men chết hoặc sống sót (y4) 89

2.4.Phương pháp quy hoạch thực nghiệm 90

2.5.Phương pháp tối ưu hoa đa mục tiêu trong nghiên cứu công nghệ sản xuất sữa chua sấy thăng hoa 94

2.5.1 Xây dựng BTTƯ một mục tiêu cho quá trình sấy thăng hoa sữa chua 94

2.5.2 Xây dựng BTTƯ hóa đa mục tiêu cho quá trình sấy thăng hoa sữa chua 95

2.6.Phương pháp đánh giá cảm quan sản phẩm sữa chua sấy thăng hoa 96

2.7.Một số công cụ toán học và công nghệ hỗ trợ quá trình nghiên cứu 97

2.8.So sánh với các sản phẩm trên thị trường hiện nay 97

3.CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 99

3.1.Xác định thành phần hóa học và dinh dưỡng của nguyên liệu 99

3.2.Xây dựng bảng yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến quá trình nghiên cứu sản xuất sữa chua sấy thăng hoa 100

3.2.1 Nhiệt độ sấy thăng hoa 100

3.2.3 Thời gian sấy thăng hoa 101

3.3.Xây dựng và giải toán mô hình toán – hàm mục tiêu chi phí năng lượng 103

3.4.Xây dựng và giải mô hình toán – hàm mục tiêu độ ẩm sản phẩm 106

3.5.Xây dựng và giả mô hình toán – hàm mục tiêu độ giòn xốp của sản phẩm 108

3.6.Xây dựng và giả mô hình toán – hàm mục tiêu số lượng VSV còn sống sót 111 3.7.Xây dựng và giải các BTTƯ hóa để xác định chế độ công nghệ cho quy trình sấy thăng hóa sữa chua 113

3.7.1 Xây dựng BTTƯ một mục tiêu: 113

3.7.2 Xây dựng BTTƯ đa mục tiêu bằng phương pháp điểm không tưởng 115

3.8.Kết quả kiểm chứng bằng thực nghiệm 116

3.9.Bàn luận về kết quả thực nghiệm 118

3.10.Đánh giá chất lượng mẫu tối ưu 119

3.11.Xây dựng quy trình sản xuất sữa chua sấy thăng hoa tối ưu 121

3.12.Định giá sản phẩm 123

3.13.Triển vọng trong ứng dụng công nghệ sấy thăng hoa 124

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 125

1 Kết luận 125

2 Kiến nghị 107

TÀI LIỆU THAM KHẢO 127

PHỤ LỤC 132

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Giản đồ trạng thái pha của nước 24

Hình 1.2 Đồ thị hoạt động trong buồng sấy thăng hoa 26

Hình 1.3 Ảnh hưởng của quá trình lạnh đông đến cấu trúc nguyên liệu 31

Hình 1.4 Buồng sấy thăng hoa 33

Hình 1.5 Thiết bị ngưng tụ 34

Hình 1.6 Máy bơm chân không 34

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy thăng hoa 35

Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống sấy thăng hoa lạnh đông riêng 37

Hình 1.9 Sơ đồ hệ thống sấy thăng hoa tự cấp đông DS1 và DS2 38

Hình 1.10 Sơ đồ hệ thống sấy thăng hoa liên tục 39

Hình 1.11 Máy sấy thăng hoa DS-6 [10] 42

Hình 1.12 Hệ thống sấy thăng hoa DS-10 [10] 43

Hình 1.13 Một số loại trái cây sấy thăng hoa 43

Hình 1.14 Máy sấy thăng hoa hai buồng Ultra 35 Super ES 44

Hình 1.15 Máy sấy thăng hoa FD-JP -01 của Nhật [10] 45

Hình 1.16 Máy sấy thăng hoa FD-JP-02 của Nhật 46

Hình 1.17 Vi khuẩn trong sữa chua 48

Hình 1.18 Quả lựu 54

Hình 1.19 Tình hình thị trường tiêu thụ sữa chua trên toàn thế giới (2021) 56

Hình 1.20 Tình hình sản xuất sữa chua ở Châu Âu (2020) 58

Hình 1.21 Tình hình tiêu thụ sữa chua ở Châu Phi 59

Hình 1.22 Quy trình sản xuất sữa chua 60

Hình 1.23 Quy trình sấy thăng hoa sữa chua Lựu 62

Hình 1.24 Sơ đồ mô tả các yếu tố ảnh đầu vào và các yếu tố sản phẩm đầu ra 68

Hình 2.1 Sữa chua tiệt trùng không đường Vinamilk 73

Hình 2.2 Sữa đặc Ông thọ có đường với hàm lượng protein là 4,8% 75

Hình 2.3 Sữa chua vị Lựu 77

Hình 2.4 Quy trình sản xuất sữa chua thủ công 78

Hình 2.5 Sữa chua nguyên liệu rót vào khuôn silicon 80

Hình 2.6 Sữa chua sau khi được cấp đông 80

Hình 2.7 Tủ lạnh âm sâu Arctiko 81

Hình 2.8 Hệ thống sấy thăng hoa DS-12 81

Hình 2.9 Cân đo ẩm hồng ngoại Precisa (Model XM 50) 82

Hình 2.10 Máy phân tích kết cấu TPA Brookfield Ametek (Model CT3) 82

Hình 2.11 Sơ đồ nghiên cứu hệ thống sản xuất sữa chua sấy thăng hoa 84

Hình 2.12 Màn hình Chương trình điều khiển hệ thống sấy thăng hoa DS–12 85

Hình 2.13 Màn hình chương trình làm việc của thiết bị đo cấu trúc 89

Hình 2.14 Sơ đồ mối quan hệ mô tả sự ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ đến các hàm mục tiêu 91

Hình 2.15 Sơ đồ bố trí thí nghiệm: Phương án cấu trúc có tâm cấp 2, ba yếu tố 93

Hình 2.16 Không gian hàm mục tiêu của BTTƯ hai mục tiêu 96

Hình 2.17 Một số loại sữa chua sấy thăng hoa trên thị trường 98

Hình 3.1 Mẫu sữa chua tối ưu sấy thăng hoa 117

Hình 3.2 Kết quả đánh giá cảm quan 120

Hình 3.3 Quy trình công nghệ sữa chua sấy thăng hoa với thông số kỹ thuật tối ưu 121 Hình 3.4 Sữa chua sấy được bán tại BHX 123

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1: Đặt tính hai chủng khởi đầu Streptococcus thermophilus & Lactobacillus

bulgaricus 48

Bảng 1.2 Thành phần hóa học trong 100g sữa chua 51

Bảng 1.4 Các chỉ tiêu cảm quan của sữa chua 55

Bảng 1.5 Các chỉ tiêu hoá - lý của sữa chua 56

Bảng 1.6 Hàm lượng kim loại nặng của sữa chua 56

Bảng 1.7 Các chỉ tiêu sinh vật về sữa chua 56

Bảng 1.8 Chỉ tiêu đánh giá cảm quan 59

Bảng 1.9 Chỉ tiêu vi sinh 59

Bảng 1.10 Chỉ tiêu hóa lý 59

Bảng 2.1 Các chỉ tiêu cảm quan của sữa tiệt trùng 73

Bảng 2.2 Các chỉ tiêu hóa – lý của sữa tiệt trùng 74

Bảng 2.3 Hàm lượng kim loại nặng của sữa tiệt trùng 74

Bảng 2.4 Các chỉ tiêu vi sinh vật của sữa tiệt trùng 74

Bảng 2.5 Các chỉ tiêu cảm quan của sữa đặc có đường 75

Bảng 2.6 Các chỉ tiêu hóa – lý của sữa đặc có đường 75

Bảng 2.7 Hàm lượng kim loại nặng của sữa đặc có đường 76

Bảng 2.8 Các chỉ tiêu vi sinh vật của sữa đặc có đường 76

Bảng 2.9 Các chỉ tiêu cảm quan của sữa chua 77

Bảng 2.10 Các chỉ tiêu hóa – lý của sữa chua 77

Bảng 2.11 Hàm lượng kim loại nặng của sữa chua 77

Bảng 2.12 Các chỉ tiêu vi sinh vật của sữa chua 78

Bảng 2.13 Danh dách dụng cụ và vật liệu để sản xuất sữa chua sấy thăng hoa 83

Bảng 2.14 Thông số đo cấu trúc mẫu sữa chua sấy thăng hoa 88

Bảng 2.15 Các mức yếu tố ảnh hưởng quá trình sấy thăng hoa sữa chua 91

Bảng 2.16 Ma trận thực nghiệm trực giao cấp 2, k = 3, n0 = 4 91

Bảng 2.17 Thang điểm để đánh giá cảm quan 97

Bảng 3.1 Thành phần hóa học 100g phần sữa chua nguyên liệu 99

Bảng 3.2 Các giá trị của nguyên liệu sữa chua đạt yêu cầu 99

Bảng 3.3 Các mức yếu tố ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến quá trình sấy thăng hoa sản phẩm sữa chua 102

Bảng 3.4 Số liệu thực nghiệm của các hàm mục tiêu 103Bảng 3.5 Ma trận quy hoạch thực nghiệm với hàm mục tiêu là chi phí năng lượng 104Bảng 3.6 Hệ số phương trình hồi quy bj và bjk với hàm mục tiêu là chi phí năng lượng 105Bảng 3.7 Hệ số phương sai tj với hàm mục tiêu là chi phí năng lượng 105Bảng 3.8 Các giá trị phương sai và kiểm định tiêu chuẩn Fisher với hàm mục tiêu là chi phí năng lượng 105Bảng 3.9 Ma trận quy hoạch thực nghiệm với hàm mục tiêu là độ ẩm 106Bảng 3.10 Hệ số phương trình hồi quy bj và bjk với hàm mục tiêu là độ ẩm của sản phẩm 107Bảng 3.11 Hệ số phương sai tj với hàm mục tiêu là độ ẩm của sản phẩm 107Bảng 3.12 Các giá trị phương sai và kiểm định tiêu chuẩn Fisher với hàm mục tiêu là

độ ẩm 108Bảng 3.13 Ma trận quy hoạch thực nghiệm với hàm mục tiêu là độ giòn xốp của sản phẩm 109Bảng 3.14 Hệ số phương trình hồi quy bj và bjk với hàm mục tiêu là độ giòn sốp của sản phẩm 110Bảng 3.15 Hệ số phương sai tj với hàm mục tiêu là độ giòn xốp của sản phẩm 110Bảng 3.16 Các giá trị phương sai và kiểm định tiêu chuẩn Fisher với hàm mục tiêu là

độ giòn xốp 110Bảng 3.17 Ma trận quy hoạch thực nghiệm với hàm mục tiêu là % lượng VSV còn sống sót của sản phẩm 111Bảng 3.18 Hệ số phương trình hồi quy bj và bjk với hàm mục tiêu là độ giòn sốp của sản phẩm 112Bảng 3.19 Hệ số phương sai tj với hàm mục tiêu là độ giòn xốp của sản phẩm 112Bảng 3.20 Các giá trị phương sai và kiểm định tiêu chuẩn Fisher với hàm mục tiêu là

số lượng VSV còn sống sót 112Bảng 3.21 Giá trị tối ưu của từng hàm mục tiêu 114Bảng 3.22 Kết quả phần mềm xử lý số liệu Excel Solver 116Bảng 3.23 Kết quả kiểm chứng thực nghiệm 117

TÓM TẮT KHÓA LUẬN

Đề tài “Nghiên cứu quy trình công nghệ sản xuất sản phẩm sữa chua Lựu

bằng phương pháp sấy thăng hoa” được thực hiện để thiết lập và xây dựng ma trận

thực nghiệm trực giao cấp 2 để xác định các hàm mục tiêu như chi phí năng lượng, độ

ẩm, độ giòn xốp và tỉ lệ VSV còn sống sót Từ đó, giải quyết các bài toán tối ưu để xác định chế độ công nghệ tối ưu như nhiệt độ, áp suất và thời gian sấy thăng hoa bằng phương pháp điểm không tưởng Đồng thời, đánh giá chất lượng sản phẩm bằng cách xác định thành phần hóa học và dinh dưỡng, chỉ tiêu vi sinh, kim loại nặng và đánh giá cảm quan để đánh giá độ ưa thích của sản phẩm đối với thị hiếu người tiêu dùng

Chế độ công nghệ tối ưu sấy thăng hoa xoài keo mà chúng tôi được xác định là: nhiệt độ là 35,5oC, áp suất là 0,03 mmHg và thời gian là 35,27 giờ Kết quả sau khi phân tích thực nghiệm cho thấy, chi phí năng lượng để sản xuất 500g sản phẩm là 19,24 kWh

và phù hợp với điều kiện đặt ra là nhỏ hơn C1 = 19,51 kWh/kg Độ ẩm sản phẩm thu được sau khi thực nghiệm kiểm chứng là 5,25% nằm trong phạm vi độ ẩm là (0.5-6) %, vừa đem lại cấu trúc giòn xốp đặc trưng của sản phẩm vừa tạo điều kiện bất lợi cho các

vi sinh vật gây hại và giúp kéo dài thời gian bảo quản cho sản phẩm Độ giồn xốp là 18,65N là kết quả tối ưu hơn so với các nghiên cứu trước đó Tỉ lệ hàm lượng VSV 68.98% cho kết quả gần tốt với các tối ưu hóa

Kết quả phân tích sản phẩm sữa sấy thăng hoa ở chế độ công nghệ tối ưu được ghi nhận là không có sự phát hiện của Coliforms, Clostridium perfringens, Escherichia coli, số bào tử nấm men và nấm mốc Kết quả này phù hợp với quy chuẩn của QCVN 8-3:2012/BYT dành cho sản phẩm sữa chua sấy

Sau khi thực hiện đánh giá cảm quan bằng phương pháp cho điểm trên thang 9 điểm, có thể thấy rằng điểm đánh giá cảm quan của cả 4 chỉ tiêu đều nằm trong khoảng điểm từ 6 đến 7 tương ứng với từ “hơi thích” đến “tương đối thích” Cụ thể,điểm cảm quan mùi là 6,23; điểm cảm quan vị là 7,33; điểm cảm quan cấu trúc là 7,06 và điểm cảm quan màu sắc là 6,87

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Từ nhiều năm trước đây cho đến tận bây giờ, các loại thực phẩm được chế biến

từ sữa và đặc biệt là sữa chua được sử dụng rất phổ biến và rộng rãi trên thế giới nói riêng và Việt Nam nói chung Sản phẩm này được con người tiêu thụ như là một loại thực phẩm dinh dưỡng và thiết yếu, nó có thể giúp tăng cường hệ miễn dịch và sức khỏe của người sử dụng Một số lợi ích của sữa chua mang lại đó chính là cung cấp các vitamin nhóm B và protein dồi dào, có lợi cho hệ tiêu hoá vì sữa chua có chứa probiotics – giúp tăng cường sức khỏe hệ thống miễn dịch của cơ thể Việc sử dụng sữa chua dưới dạng lỏng cũng có rất nhiều hạn chế như khó bảo quản ở điều kiện nhiệt độ thường, vận chuyển từ nơi sản xuất đến nơi tiêu thụ còn nhiều khó khăn Hiện nay các loại sữa chua trên thị trường có thời gian sử dụng thấp từ 1 tháng kể từ ngày sản xuất khi ta bảo quản

từ 6 – 8oC Vì vậy, việc tìm ra một phương pháp bảo quản mới là cực kì quan trọng Để đáp ứng được nhu cầu bảo quản sữa chua từ 6 đến 12 tháng ở nhiệt độ phòng, tăng tính tiện dụng khi vận chuyển và nhanh chóng khi sử dụng, quá trình nghiên cứu và phát triển các công nghệ bảo sản sau thu hoạch của sữa chua đã ra đời Tuy nhiên kỹ thuật sấy thăng hoa trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng còn chưa phát triển do máy móc nhập ngoại đắc tiền, chi phí lắp đặt cao Nên việc thiết kế và chế tạo hệ thống sấy thăng hoa để bảo quản sữa chua rất cần thiết và cấp bách ở thời điểm hiện tại Để sữa chua giữ được các đặc tính sinh học vốn có của nó, không bị mất đi các giá trị dinh dưỡng thì các kỹ thuật sấy sử dụng nhiệt thông thường (sấy đối lưu) có thể làm biến tính

và phá hủy các chất dinh dưỡng

Do đó, để đáp ứng các yêu cầu khắt khe trong sữa chua thì kỹ thuật sấy thăng hoa

là kỹ thuật có thể đáp ứng được Ưu điểm của kỹ thuật sấy thăng hoa đó là môi trường sấy được tiến hành ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp chính vì thế mà kỹ thuật này gần như giữ được tất cả các tính chất tự nhiên ban đầu của vật liệu, đặc biệt trong nghiên cứu này

là sữa chua, thành phần protein của sữa chua gần như không bị thủy phân và biến tính, các thành phần đường và lipid dường như không bị thủy phân, các vitamin và enzyme không bị phá hủy trong quá trình sấy… Không những thế sản phẩm sấy thăng hoa có thế bảo quản ở nhiệt độ thường và thời gian bảo quản từ 6 tháng đến 12 tháng Chính nhờ những ưu điểm này mà kỹ thuật sấy thăng hoa được coi là kỹ thuật có tính ưu việt

Chính vì vậy, công nghệ sản xuất sấy thăng hoa là một trong những công nghệ mới trong nền công nghiệp thực phẩm tạo ra những sản phẩm có chất lượng cao nhất Công nghệ sấy thăng hoa xảy ra ở nhiệt độ thấp từ đó giúp giảm thiểu thiệt hại các chất nhạy cảm với nhiệt và bảo toàn được các đặc điểm cảm quan

2 Mục tiêu đề tài

Bài nghiên cứu hướng đến mục tiêu tính toán, xây dựng quy trình sản xuất sữa chua sấy thăng hoa và xác lập chế độ (thời gian, nhiệt độ, áp suất) với thông số công nghệ tối ưu trên thiết bị sấy thăng hoa DS –12 để tạo ra các sản phẩm có chất lượng tốt nhất, đáp ứng sự đa dạng cho thị trường tiêu dùng trong nước và xuất khẩu để nâng cao

vị thế của Việt Nam trong việc tiếp cận và áp dụng công nghệ cao trong lĩnh vực nông

sản nói riêng và trong ngành công nghiệp thực phẩm nói chung

3 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu đề tài

Đối tượng nghiên cứu: Nguyên liệu sữa chua vị Lựu và chế độ công nghệ sấy

thăng hoa ( thời gian, nhiệt độ, áp suất) tối ưu hóa cho nguyên liệu

Giới hạn nghiên cứu: Đề tài này tiến hành xác lập chế độ công nghệ tối ưu cho

sản phẩm sữa chua sấy thăng hoa trên hệ thống sấy thăng hoa DS – 12 Từ đó xây dựng

quy trình công nghệ cho sản phẩm sữa chua Lựu sấy thăng hoa

4 Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan về nguyên liệu sữa chua và lựu

- Các phương pháp xác định thành phần hóa học và dinh dưỡng của nguyên liệu sữa chua và sản phẩm sữa chua sấy thăng hoa

- Mô tả động học, xây dựng và giải bài toán tối ưu hóa nhằm xác lập chế độ cho công nghệ sản xuất sữa chua sấy thăng hoa

- Tiến hành thực nghiệm để thiết lập quy trình công nghệ sản xuất sản phẩm sữa chua bằng phương pháp sấy thăng hoa

- Định mức nguyên liệu và tính toán giá thành cho sản phẩm

5 Phương pháp nghiên cứu

- Đề tài được nghiên cứu theo phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

- Phương pháp phân tích: Xác định thành phần hóa học của nguyên liệu và các hàm mục tiêu về chất lượng sản phẩm

- Phương pháp tiếp cận hệ thống để phân tích xác lập mối quan hệ giữa đại lượng đầu vào

- Phương pháp mô hình hóa và tối ưu hóa ma trận thực nghiệm trực giao cấp 2 bằng phương pháp điểm không tưởng

- Ngoài ra còn sử dụng các phần mềm hỗ trợ như: Microsoft Excel, Microsoft Word…

6 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn

6.1 Ý nghĩa khoa học

Đề tài này làm cơ sở khoa học cho việc xây dựng các thông số công nghệ tối ưu của sản phẩm sữa chua sấy thăng hoa nói riêng và các sản phẩm từ rau quả sấy thăng hoa nói chung Từ kết quả của nghiên cứu này, các nhà khoa học sẽ tiếp tục phát triển

và hoàn thiện bằng việc đánh giá chất lượng sản phẩm sau khi sấy

6.2 Ý nghĩa thực tiễn

Đối với nhu cầu người tiêu dùng ngày càng đa dạng và khắt khe dẫn đến thị trường ngày càng cạnh tranh thì việc tạo ra sản phẩm mới đáp ứng sự so sánh và chọn lựa của khách hàng là cần thiết Vì thế đề tài sẽ góp phần tạo tiền đề cho sự phát triển công nghệ sấy thăng hoa nói chung và công nghệ sấy thăng hoa sữa chua nói riêng giúp giữ lại các dưỡng chất quan trọng và mang đến cho các doanh nghiệp một phương pháp bảo quản mới Sự cải tiến và đổi mới các sản phẩm chính là cách để các doanh nghiệp tham gia vào cuộc đua thị trường khắc nghiệt hiện nay

7 Bố cục của báo cáo

Luận văn nghiên cứu này được trình bày trong các chương bao gồm:

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan

Chương 2: Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương 3: Kết quả và bàn luận

Kết luận – Kiến nghị

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

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

và 0,0098oC được thể hiện trong hình 1.1

Hình 1.1 Giản đồ trạng thái pha của nước

Ở điều kiện áp suất PM không đổi, vì nhiệt được cấp vào nên ta thấy nhiệt độ của nước tăng từ TM đến TG, với nhiệt độ tăng như thế này nước đang ở trạng thái lỏng sau khi được cấp nhiệt vào sẽ chuyển thành dạng hơi hoặc khí (hình 1.1) ta sẽ thấy ở đường nhiệt đi từ M–G Hiện tượng này thường xảy ra trong quá trình sấy nhiệt bình thường

Ở điều kiện áp suất PM < 760 mmHg cho thấy rằng áp suất sẽ giảm và nhiệt độ sấy không đổi Xem hình 1.1 thì quá trình sẽ diễn ra theo đường M – L Hiện tượng này xuất hiện trong quá trình sấy chân không

Ở điều kiện PM không đổi sẽ làm giảm nhiệt độ của nước từ TM xuống TN = TR =

TH trạng thái pha của nước sẽ diễn ra theo M – N, tại M nước đang ở trạng thái lỏng và tại N nước ở trạng thái rắn Hiện tượng này xảy ra trong quá trình lạnh đông

Ở điều kiện áp suất PR không đổi < PO = 4.58mmHg với O là điểm ba thể của nước có nhiệt độ 0.0098°C và áp suất 4.58 mmHg, lúc này nước đang ở trạng thái rắn

và có nhiệt độ TH = TR Giản đồ hình 1.1 cho thấy ứng với một giá trị TH sẽ có một giá trị áp suất thăng hoa tương ứng là PH Vì vậy nếu đặt nước đá trong môi trường có áp suất là PR với PH < PR < PO = 4.58 mmHg tương ứng thì ta sẽ có nhiệt độ thăng hoa là

Tth = TF > TH khi đó nước chưa đến điểm thăng hoa ngay (điểm R) mà nó phải thực hiện giai đoạn truyền nhiệt từ R – F để nâng nhiệt độ từ TR = TH lên đến TF (tương ứng PR =

PF), lúc này nước đá mới bắt đầu thăng hoa, tuy ở cùng nhiệt độ nhưng áp suất của điểm

R và H khác nhau

Diễn biến của quá trình sẽ đi theo đường R – Q và cần một lượng nhiệt cấp vào

Q = GndCnd(TF–TH), trong đó Gnd :khối lượng riêng của nước đá và Cnd :nhiệt dung riêng của nước đá, do đó tiêu tốn năng lượng và thời gian để nâng nhiệt trước khi thăng hoa Nếu đặt nước đá trong môi trường có áp suất là ở điểm D, lúc này nhiệt độ ở điểm D sẽ nhỏ hơn điểm H, lúc này nước đá sẽ thăng hoa tại điểm H (điểm thăng hoa thực tế là điểm E) điều này có thể thấy được ở áp suất điểm PD < PH, lúc này chỉ cần cấp một lượng nhiệt sao cho ΔT = TH – TD chính vì thế mà tra có thể rút ngắn được thời gian thăng hoa của nước, các hiện tượng này thường xảy ra trong sấy thăng hoa Vì vậy điều kiện đầu tiên quyết định để nước đá thăng hoa là khi được đặt trong môi trường có nhiệt

độ và áp suất nhỏ hơn điểm ba thể của nước hoặc tại điểm O (0.0098°C; 4.58 mmHg)

1.1.2 Nguyên lý hoạt động

Quá trình sấy thăng hoa gồm 3 giai đoạn:

- Giai đoạn làm lạnh đông

- Giai đoạn sấy thăng hoa

- Giai đoạn sấy chân không nhiệt độ thấp

Hình 1.2 Đồ thị hoạt động trong buồng sấy thăng hoa

Đồ thị hoạt động trong buồng sấy thăng hoa sử dụng nhiệt là nguồn bức xạ với nhiệt độ lạnh đông dao động trong khoảng (-35 ÷ -30)0C Với kí hiệu như sau:

1- nhiệt độ của tấm gia nhiệt kim loại, 2- nhiệt độ của môi trường sấy thăng hoa, 3- nhiệt độ của vật liệu sấy, 4- nhiệt độ ở lối ra của buồng sấy, 5- độ ẩm của vật liệu sấy,

6- áp suất của buồng sấy

1.1.2.1 Giai đoạn lạnh đông

Các nguyên liệu chuẩn bị được bắt đầu cấp đông để độ ẩm trong nguyên liệu sấy

từ thể lỏng sang trọng thể rắn Các nguyên liệu được làm đông từ (20-25)°C đến

((-20)-(-25))°C, ở nhiệt độ này độ ẩm trong sản phẩm gần như kết tinh hoàn toàn Tùy theo mỗi loại thực phẩm mà nhiệt độ lạnh đông sẽ khác nhau Từ hình 1.2, đường (3) là đường biểu diễn nhiệt độ của nguyên liệu sấy, ở giai đoạn này thì áp suất trong buồng sấy (đường (6)) và buồng lạnh đông thay đổi không đáng kể, bằng với áp suất của khí quyển Nguyên nhân là vì khi thực hiện quá trình cấp đông thì làm giảm nhiệt độ dẫn đến áp suất giảm theo (thể tích buồng sấy là không thay đổi và luôn ở trạng thái kín) bởi vì quá trình làm lạnh, nhiệt độ không khí giảm dẫn đến áp suất giảm mà thể tích buồng sấy không thay đổi và khép kín Nên ở giai đoạn này độ ẩm giảm đi không đáng kể, chủ yếu

là quá trình thăng hoa và bay hơi nước trên bề mặt sản phẩm Sự bay hơi ẩm là do sự chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước trong môi trường sấy thăng hoa trên bề mặt

thực phẩm Đồng thời, sự chênh lệch nhiệt độ lạnh đông của sản phẩm với nhiệt độ lạnh đông của môi trường cũng là nguyên nhân làm thoát hơi ẩm để có xu hướng dẫn đến trạng thái cân bằng nhiệt

1.1.2.2 Giai đoạn sấy thăng hoa

Khi sản phẩm đạt đến nhiệt độ cấp đông phù hợp thì quá trình làm lạnh thì quá trình làm lạnh sẽ được ngừng lại và chuyển sang giai đoạn sấy thăng hoa, bơm chân không bắt đầu hoạt động để hút hết không khí bên trong buồng sấy, áp suất lúc này hạ rất nhanh và gần như không thay đổi Pm = (0,001 ÷ 1) mmHg (đường (6)) Vì sự chênh lệch giữa áp suất của hơi nước Pmn và áp suất riêng phần của hơi nước ở nguyên liệu sấy

là quá lớn, cùng với lượng nhiệt bức xạ từ các tấm gia nhiệt bằng kim loại tỏa ra để đốt nóng đã làm cho nhiệt độ nguyên liệu sấy và nhiệt độ trong buồng sấy thăng hoa chênh lệch khá lớn Điều này dẫn đến lượng ẩm trong nguyên liệu thăng hoa mãnh liệt và giảm rất nhanh (đường (5))

Chính vì vậy, giai đoạn sấy thăng hoa có thể được coi là giai đoạn sấy với tốc độ không đổi, trong đó phần nhiệt lượng bức xạ mà sản phẩm sấy nhận được trong giai đoạn này được sử dụng để chuyển thành ẩn nhiệt thăng hoa Lượng nhiệt được bức xạ

từ các tấm kim loại mà vật liệu sấy nhận được trong giai đoạn sấy thăng hoa được sử dụng để trở thành nhiệt ẩn thăng hoa và nhiệt độ của nguyên liệu sấy gần như không có

sự thay đổi Trong thực tế, nhiệt độ nguyên liệu sấy có hiện tượng tăng nhưng rất chậm

và tăng dần từ (-35 ÷ -30)0C đến 0,00980C (nhiệt độ kết tinh của sản phẩm Tkt) Trong giai đoạn sấy thăng hoa, phần nước hấp thụ (nước không đông lạnh) trong nguyên liệu

đã sấy khô sẽ được hấp phụ (sấy chân không nhiệt độ thấp) Thời gian mà tại đó không còn lớp đóng băng nữa (nghĩa là bề mặt không có sự thăng hoa nữa) Đây là dấu hiệu sự kết thúc của giai đoạn sấy sơ cấp

Ở giai đoạn này thì nhiệt độ của lối ra buồng sấy gần như không đổi (đường (4)) Điều này dẫn đến nhiệt độ của bình ngưng tụ cũng không thay đổi trong suốt giai đoạn sấy thăng hoa Nhiệt độ của các tấm gia nhiệt kim loại gần như không đổi trong suốt giai đoạn sấy thăng hoa theo đường (1) và đường (2) (hình 1.2) Nhiệt độ của các tấm kim loại này thường xê dịch trong khoảng (0÷45)0C và nhiệt độ của môi trường sấy thăng hoa tương ứng là khoảng (0÷40)0C

Đặc biệt, kết thúc quá trình thăng hoa Để nâng cao chất lượng sản phẩm sau khi sấy thì ẩm kết tinh phải thăng hoa hết, độ ẩm sản phẩm đạt yêu cầu và nhiệt độ sản phẩm

lớn hơn nhiệt độ kết tinh của nước trong sản phẩm (Tkt) Khi đó, độ ẩm còn lại trong sản phẩm rất nhỏ, chủ yếu là ẩm liên kết chỉ tồn tại ở pha lỏng

1.1.2.3 Giai đoạn sấy chân không

Kết thúc giai đoạn thăng hoa, nhiệt độ thực phẩm sấy đạt tới Tkt (oC), áp suất môi trường sấy không đổi, nhưng áp suất riêng phần của nước còn lại trong sản phẩm lớn, biến thiên trong khoảng từ (0,001÷1) mmHg, tuy nhiên thì áp suất riêng phần của nước còn lại bên trong vật liệu sấy cao hơn 4,58 mmHg (áp suất ở điểm ba) Điều này làm ẩm

ở bên trong vật liệu sấy trở lại trạng thái lỏng Bơm chân không luôn duy trì áp suất buồng sấy từ (0,001÷1) mmHg nên các tấm gia nhiệt luôn bức xạ đến vật liệu sấy để ẩm liên tục thay đổi pha từ lỏng sang hơi rồi bay vào môi trường bên trong buồng sấy và đi

về thiết bị ngưng tụ Giai đoạn sấy này liên quan đến việc loại bỏ nước không được đóng băng (đây được gọi là nước hấp thụ hoặc nước liên kết) Và sự chênh lệch giữa nhiệt độ nguyên liệu sấy với áp suất riêng phần của hơi nước vẫn chính là động lức cho quá trình bay hơi và khuếch tán này Giai đoạn sấy chân không nhiệt độ thấp bắt đầu vào cuối giai đoạn sấy thăng hoa và hơi nước đã hấp phụ được vận chuyển qua các lỗ rỗng của nguyên liệu sấy

Kết thúc giai đoạn sấy chân không nhiệt độ thấp thì độ ẩm của sản phẩm đầu ra

sẽ đạt yêu cầu hoặc nhiệt độ của môi trường sấy, các tấm gia nhiệt kim loại và nhiệt độ nguyên liệu sấy phải bằng nhau Từ hình 1.2, ta thấy đường (1), đường (2) và đường (3) giao nhau tại một điểm Tại điểm giao nhau xảy ra hiện tượng cân bằng ẩm và cân bằng nhiệt; hàm lượng nước trong nguyên liệu sấy không thể bốc hơi được nữa dẫn đến độ

ẩm của sản phẩm đầu ra đạt đến độ ẩm cân bằng (đường (5))

Quá trình ẩm di chuyển trong giai đoạn sấy thăng hoa rất khác với khi ẩm di chuyển trong các phương pháp sấy khác hoạt động ở áp suất khí quyển với P = 760 mmHg = 1atm Môi trường chân không không có sự tồn tại của trường lực đàn hồi không khí nên các phân tử nước không bị va chạm vào nhau khi xảy ra hiện tượng thăng hoa

Vì thế, công nghệ sấy thăng hoa giúp bảo toàn được tính chất ban đầu có trong các sản phẩm sấy

1.1.3 Ưu và nhược điểm của sấy thăng hoa

1.1.3.1 Ưu điểm

- Thực phẩm sau khi sấy thăng hoa có thể bảo quản trong nhiều năm ở điều kiện bình thường

- Sản phẩm có khối lượng nhẹ nên thuận tiện trong việc vận chuyển

- Khi cho thực phẩm hoàn nguyên thì nó sẽ phục hồi nguyên vẹn tính chất tươi

sống, màu sắc và cả hương vị ban đầu

- Sản phẩm sấy thăng hoa có chất lượng dinh dưỡng cao, không làm biến chất Không xảy ra các quá trình vi sinh, bảo toàn lượng vitamin trong quá trình sấy

- Thể tích ban đầu của nguyên liệu được giữ nguyên nhưng xốp hơn nên sản

phẩm dễ hấp phụ nước để trở lại hình dạng ban đầu

- Cấu trúc của sản phẩm tốt, ít bị co rút và không có hiện tượng cứng vỏ

- Các hợp chất dễ bay hơi có thể bị loại bỏ bởi quá trình hút hơi do hoạt động của bơm chân không

- Vận hành máy sấy phức tạp nên yêu cầu những người vận hành cần có kiến thức và chuyên môn nhất định

1.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy thăng hoa

độ kết tinh (Tkt) của ẩm bên trong sản phẩm (Tsp ≤ Tkt)

Nếu cấp nhiệt không đúng, nhiệt độ môi trường sấy tăng, trên 35oC (T∞>35oC) khi đó nhiệt độ sản phẩm tăng, khi nhiệt độ sản phẩm lớn hơn nhiệt độ kết tinh nước đóng băng (Tsp > Tkt) thì nước sẽ tan chảy và phá vỡ hệ thăng hoa (quá trình thăng hoa

không thành công), lúc này không phải là quá trình sấy thăng hoa mà là sấy chân không

1.1.4.3 Áp suất chân không và khí quyển

Áp suất trong quá trình sấy thăng hoa cũng ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình truyền nhiệt và tách ẩm của giai đoạn sấy Quá trình sấy thăng hoa xảy ra do sự chênh lệch lớn giữa áp suất hơi trong môi trường sấy và áp suất của bề mặt nguyên liệu sấy để xảy ra hiện tượng thăng hoa Áp suất thấp trong quá trình sấy thăng hoa sẽ có lợi cho việc cung cấp nhiệt cho các tấm gia nhiệt trong buồng sấy thăng hóa, nhưng nếu áp suất quá thấp sẽ làm tăng thời gian sấy gây hạn chế tốc độ truyền ẩm hoặc áp suất quá cao sẽ dẫn đến cấu trúc nguyên liệu bị thay đổi Vì thế cần phải lựa chọn áp suất môi trường sấy phù hợp để không làm tăng nhiệt độ của nước có trong vật liệu sấy ở pha rắn đến nhiệt độ thăng hoa của áp suất môi trường sấy gây tiêu tốn năng lượng

1.1.4.4 Diện tích bề mặt

Diện tích bề mặt của nguyên liệu sấy tiếp xúc với tác nhân sấy càng lớn thì độ

ẩm được lấy đi càng nhanh Độ ẩm tương đối của không khí trong phòng sấy càng thấp, thì ẩm trong nguyên liệu sẽ được thải ra càng nhanh Diện tích bề mặt là độ dày lát của vật liệu Trong quá trình sấy, vị trí của vật liệu cũng ảnh hưởng đến chất lượng sấy Có quá nhiều nguyên liệu trong buồng sấy, nghĩa là diện tích bề mặt quá lớn Thì ở một số

vị trí, gió lưu thông có thể không đến được và tính đồng nhất sẽ bị ảnh hưởng Nếu vật

liệu được đặt quá ít, diện tích bề mặt quá nhỏ và năng lượng bị lãng phí Tốc độ sấy quá nhanh và không đáp ứng yêu cầu chất lượng cho quá trình sấy nguyên liệu

1.1.4.5 Tốc độ dòng khí

Khi tốc độ dòng khí được tăng lên Nguyên liệu được hấp thụ càng nhiều nhiệt

và tốc độ sấy càng nhanh Không chỉ bởi vì lượng hơi nước có thể được cung cấp bởi không khí nóng sẽ cao hơn không khí lạnh Mà còn hấp thụ nhiều nước hơn Không khí

ẩm bão hòa được thu thập gần bề mặt của vật liệu có thể được lấy đi kịp thời Có lợi cho

sự bay hơi hơn nữa của độ ẩm trong vật liệu Đồng thời, lượng không khí tiếp xúc với

bề mặt vật liệu tăng lên Điều này làm tăng đáng kể sự bay hơi của độ ẩm của nguyên liệu

1.1.5 Sự biến đổi chất lượng của sản phẩm sau khi lạnh đông

Quá trình lạnh đông làm thay đổi phức tạp tính chất của sữa chua Những biến đổi này phụ thuộc vào sự thay đổi tính chất hóa lý của độ ẩm và kích thước của các tinh thể ẩm được kết tinh tạo thành và tốc độ làm lạnh đông Đối với hệ thống sấy thăng hoa cần nhiệt độ môi trường lạnh đông sản phẩm từ -500C đến -400C, nhiệt độ môi trường hóa đá -300C đến -400C (-300C được xem là tốt nhất)

Trong quá trình lạnh đông, sự xuất hiện của lớp băng bên trong của nguyên liệu sữa chua được coi là sự thay đổi nhiều nhất trong cấu trúc của nguyên liệu Tùy thuộc vào từng loại nguyên liệu khác nhau để xác định được sự thay đổi cấu trúc, tùy vào loại nguyên liệu khác nhau thì mức độ biến đổi cấu trúc sẽ khác nhau Khi chuyển từ dạng lỏng sang dạng rắn, thể tích của nước tăng lên khoảng 9%

Vì vậy, sau khi thực hiện quá trình lạnh đông thể tích của nguyên liệu có thể tăng lên và phụ thuộc vào một số yếu tố như hàm lượng ẩm trong nguyên liệu, các thành phần tạo thành tinh thể,…

Hình 1.3 Ảnh hưởng của quá trình lạnh đông đến cấu trúc nguyên liệu

Khi diễn ra quá trình lạnh đông chậm (hình (a)) các tinh thể nước đá tạo thành kích thước lớn sẽ phá vỡ cấu trúc protein (do nước tách ra để kết tinh) của sản phẩm, dẫn đến biến tính protein Kết quả này sẽ dẫn đến khả năng hút nước và giữ nước sau này của protein, làm thay đổi một số tính chất sinh hóa quan trọng của sản phẩm, làm giảm chất lượng của sản phẩm Quá trình lạnh đông chậm thường sẽ làm giảm thể tích của tế bào [4]

Khi lạnh đông nhanh (hình (b)) Theo Heldman độ ẩm trong sản phẩm sẽ kết tinh

đồng loạt tại 1 điểm (giống dạng vô định hình) các tinh thể nước đá tạo thành có kích thước nhỏ, không làm phá vỡ cấu trúc protein, làm cấu trúc sản phẩm ổn định, các tính chất sinh hóa của sản phẩm được bảo toàn, chất lượng sản phẩm được bảo toàn

Theo Taylor, quá trình lạnh đông thực phẩm được tiến hành càng nhanh càng tốt

ở môi trường có nhiệt độ ẩm sâu (dưới – 50oC) Dưới nhiệt độ -50oCdễ xảy ra hiện tượng cháy lạnh tại bề mặt của sản phẩm, dẫn đến kết quả sản phẩm dễ bị biến tính, chất lượng sản phẩm giảm đi và khó hoàn nguyên trở lại trạng thái ban đầu Nếu quá trình lạnh đông càng nhanh thì sự chênh lệch áp sất riêng phần của hơi nước sẽ càng nhỏ và làm cho cấu trúc của sản phẩm sẽ ít biến đổi Tuy nhiên, đối với một số sản phẩm khác khi lạnh đông nhanh sẽ dễ bị vỡ cấu trúc và làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm [4]

1.1.6 Hệ thống và thiết bị sấy thăng hoa

1.1.6.1 Buồng sấy thăng hoa

Buồng sấy thăng hoa là nơi chứa sản phẩm và là nơi thực hiện quá trình sấy thăng hoa Buồng sấy phải có thiết kế kín để đảm bảo điều kiện chân không và các ngăn được kiểm soát nhiệt độ để theo dõi và quan sát môi trường sấy Mật độ đặt sản phẩm ở các ngăn và cường độ bay hơi là lớn nhất Đồng thời trong môi trường chân không thì truyền nhiệt và sấy nhiệt phải là lớn nhất

Buồng sấy thăng hoa thường có 3 loại như sau:

- Buồng sấy thăng hoa có hệ thống cấp đông riêng: Vật liệu trước khi sấy được cấp đông bởi thiết bị làm đông riêng biệt, sau khi quá trình cấp đông kết thúc nguyên liệu sẽ được đưa vào buồng sấy và quá trình sấy bắt đầu

- Buồng sấy thăng hoa có hệ thống cấp đông tự động: Giai đoạn nguyên liệu cấp đông bắt đầu và kết thúc trong buồng sấy thăng hoa

- Buồng sấy thăng hoa liên tục: Trước khi thực hiện giai đoạn cấp đông, nguyên liệu được tạo thành các hạt nhỏ giúp tăng diện tích tiếp xúc Sau đó được đưa

vào buồng sấy bằng các băng tải hoặc vít tải Quy trình nhập và xuất nguyên liệu phải xảy ra liên tục, vì thế đây là một hệ thống rất phức tạp vì cần phải đảm bảo điều kiện chân không từ khâu nhập liệu đến khâu tháo liệu, đặc biệt

Có 2 loại thiết bị bình ngưng là:

- Thiết bị ngưng tụ không có bộ phận cào-nạo tuyết: Thường có 2 loại Loại thứ nhất được cấu tạo bởi các ống trao đổi nhiệt có dạng ống chùm và được xếp song song với nhau, lúc này môi chất lạnh sẽ di chuyển vào bên trong ống còn hơi ẩm sẽ di chuyển bên ngoài ống Loại thứ hai được cấu tạo bởi các ống trao đổi nhiệt có dạng vòng xoắn ốc, thường thì có từ 2 đến 4 vòng xoắn vào nhau

và tùy theo công suất hệ thống sấy khác nhau

- Thiết bị ngưng tụ có bộ phận cào-nạo tuyết: Khi nước được ngưng tụ và bám lên bề mặt dàn lạnh của thiết bị ngưng tụ, thì được bộ phận cào – nạo và rơi xuống dưới, giúp tăng khả năng truyền nhiệt, tuy nhiên điều này mang lại một

nhược điểm là phải tốn thêm chi phí năng lượng để cung cấp cho bộ phận này

và quá trình gia công, sửa chửa thiết bị rất phức tạp

Hình 1.5 Thiết bị ngưng tụ 1.1.6.3 Bơm chân không

Bơm chân không có tác dụng loại bỏ không khí ngưng tụ ra khỏi buồng sấy để tạo môi trường chân không trong buồng suốt quá trình sấy thăng hoa Cường độ bay hơi

ẩm phụ thuộc vào độ chênh lệch của hơi ẩm trên bề mặt nguyên liệu sấy và áp suất riêng phần của nước Môi trường sấy thăng hoa phải tuân theo các yêu cầu như sau:

Áp suất trong môi trường sấy thăng hoa phải đảm bảo nhỏ hơn điểm ba thể (P0 = 4,58 mmHg) Hệ thống sấy phải tăng cường độ bay hơi để giảm thời gian sấy, cường độ bay hơi lớn nhất xảy ra khi áp suất của môi trường sấy thăng hoa dao động trong khoảng (0,001 ÷ 1) mmHg

Thời gian bơm chân không hút khi trong môi trường từ áp suất khi quyển đến áp suất chân không được cài đặt trên thiết bị phải đủ nhỏ vì điều này có tác dụng giúp nhiệt

độ nguyên liệu sấy không tăng trong lúc môi trường tạo chân không

Hình 1.6 Máy bơm chân không

1.1.6.4 Hệ thống đo lường, điều khiển

Hệ thống đo lường, điều khiển của quá trình sấy thăng hoa: bao gồm các thiết bị được điều khiển tự đông, thiết bị và tín hiệu được điều khiển, hoạt động một cách có tổ chức do các chương trình được thiết lập sẵn nhằm theo dõi và quan sát các yếu tố công nghệ trên màn hình hệ thống sấy thăng hoa

Để hệ thống sấy thăng hoa đạt chất lượng tốt, làm việc ổn định và thương mại hóa được cần đòi hỏi nhà chế tạo phải thiết kế, tính toán chính xác, từ diện tích bề mặt truyền nhiệt trong giai đoạn lạnh đông, giai đoạn sấy thăng hoa đến công suất các thiết

bị bên trong hệ thống

1.1.7 Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy thăng hoa

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy thăng hoa

1- Máy nén cấp 2; 2- Bình tách dầu; 3- Thiết bị ngưng tụ; 4- Bình chứa cao áp; 5- Phin lọc; 6- Mắt gas; 7- Van điện từ; 8- Van tiết lưu 1; 9- Bình tách lỏng; 10- Máy nén cấp 1; 12- Thiết bị hóa đá; 13- Bơm hút chân không; 14- Buồng thăng hoa; 15- Tấm gia nhiệt và đặt vật liệu sấy; 16- Đường xả nước ngưng; P k - Áp kế cao áp; P 0 - Áp

kế thấp áp; P TG - Áp kế trung gian; P ck - Áp kế chân không

1.1.8 Các biến đổi ảnh hưởng đến quá trình sấy thăng hoa

1.1.8.2 Biến đổi hoá học

Trường hợp sấy thăng hoa trong môi trường nhiệt độ thấp, áp suất thấp, các phân đoạn khô này ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố công nghệ như nhiệt độ, áp suất sấy môi trường và thời gian sấy Đối với sản phẩm nhiều vitamin, thông qua quá trình sấy thăng hoa nhiệt độ thấp trong môi trường chân không, sản phẩm giữ được đặc tính tự nhiên

ban đầu, vitamin được bảo toàn Theo Carslaw và Taylor, sự hao hụt các thành phần

chất khô sau khi sấy thăng hoa không vượt quá 3%, trên 3% thì phương pháp sấy thăng hoa được coi là không phù hợp [38]

Tốc độ phản ứng hóa học tăng lên Do nhiệt độ nguyên liệu tăng như phản ứng oxy hóa khử Tốc độ phản ứng hóa học chậm đi do môi trường nước bị giảm dần Hàm

ẩm giảm dần trong quá trình sấy

1.1.8.3 Biến đổi vi sinh

Trong quá trình sấy, sự trao đổi chất của tế bào và mô thực vật,động vật ngừng lại khi chuyển qua giai đoạn sấy ở nhiệt độ cao Nguyên nhân chính là do hệ thống enzyme của tế bào bị bất hoạt và không thể phục hồi Ngoài ra, các thành phần khác của

tế bào, chẳng hạn như DNA, cũng có thể bị biến tính vì nhiệt Vi sinh vật trong nguyên liệu cũng bị ức chế hoặc bị tiêu diệt trong quá trình sấy do tác động của nhiệt và hoạt tính của nước giảm [36]

Đối với các sản phẩm đông lạnh dùng để bảo quản, cần hơn 86% độ ẩm trong sản

phẩm kết tinh (Haugvalstad), làm mất môi trường sống của vi sinh vật Đồng thời ẩm

trong vi sinh vật cũng được kết tinh làm tăng thể tích và thay đổi cấu trúc của cơ thể sinh vật, màng tế bào vi sinh vật và có thể bất hoạt vi sinh vật Các sản phẩm đông lạnh

do đó kéo dài thời gian bảo quản [39]

1.1.8.4 Biến đổi hoá lý

Sự thay đổi của của nước trong quá trình thăng hoa đó là nước từ pha rắn sẽ thăng hoa thành khí, chính vì điều này mà các hợp chất dễ bay hơi có trong nguyên liệu cũng

sẽ thoát ra môi trường bên ngoài, kết quả là mùi của sản phẩm sấy sẽ giảm đi so với lúc ban đầu khi nguyên liệu chưa sấy

1.1.9 Một số hệ thống sấy thăng hoa

1.1.9.1 Sấy thăng hoa cấp đông riêng

Hệ thống máy sấy có các ngăn để chứa các khay nguyên liệu, tuy nhiên các ngăn này không có khả năng gia nhiệt tức thời bên trong buồng sấy Nguyên liệu phải được

cấp đông trước bằng tủ đông hoặc phòng cấp đông, sau đó mới được đưa vào buồng sấy trong giai đoạn thăng hoa Hơi nước sẽ là nhiệt lượng cung cấp cho quá trình thăng hoa

Vì vậy hệ thống này thường yêu cầu phải bố trí thêm một lò hơi bên ngoài

Hệ thống sấy thăng hoa cấp đông riêng: Trước khi sấy thăng hoa, nguyên liệu được cấp đông riêng ở các thiết bị cấp đông độc lập như: tủ cấp đông, phòng lạnh đông hoặc băng chuyền lạnh đông IQF, hoặc lạnh đông siêu tốc bằng khí nitơ hóa lỏng, hoặc bằng nước đá khô CO2, … Sau khi cấp đông xong, chuyển sản phẩm vào buồng sấy để thực hiện quá trình sấy thăng hoa Hiện nay, hệ thống này được chế tạo ở quy mô công nghiệp là chủ yếu Khi sấy thực phẩm, chỉ cần điều chỉnh nhiệt độ gia nhiệt ở (21)0C lên tới nhiệt độ trong khoảng (45÷65)0C, áp suất môi trường sấy không cần phải đạt dưới 4,58 mmHg và thực phẩm không cần lạnh đông thì đây chính là sấy chân không

Hình 1.8 Sơ đồ hệ thống sấy thăng hoa lạnh đông riêng

1- Buồng thăng hoa; 2- Van ; 3- Xyfon; 4- Bể chứa nước nóng; 5- Thiết bị ngưng đóng băng; 6- Bình tách dung dịch lỏng; 7- Dàn ngưng tụ; 8- Bình chứa cao áp; 9- Máy nén lạnh; 10- Bơm chân không; 11,12,13- Động cơ điện; 14- Bơm nước; 15- Phin lọc; 16- Tấm gia nhiệt; 17- Chân không kế; 18- Van điều chỉnh; 19- Khay chứa thực phẩm sấy; 20- Tấm gia nhiệt dưới; 21- Bộ điều chỉnh nhiệt; 22- Đường cấp môi chất lạnh từ van tiết lưu tới; 23- Đường môi chất ra khỏi dàn bay hơi của buồng thăng

tụ-hoa; 24- Cụm van điện từ, van tiết lưu và phin lọc

1.1.9.2 Sấy thăng hoa tự cấp đông

Máy sấy có hệ thống kệ có khả năng gia nhiệt cho nguyên liệu chủ yếu bằng cách truyền nhiệt bằng môi chất silicon Trong giai đoạn cấp đông, dòng môi chất silicon được làm lạnh sẽ chạy tuần hoàn bên trong các kệ để cấp đông cho nguyên liệu Khi