Nghiên cứu động học và đánh giá phương pháp sấy chân không vi sóng một số loại thực phẩm

TÓM TẮT Nghiên cứu động học và đánh giá phương pháp sấy chân không – vi sóng một số loại thực phẩm được thực hiện với 4 loại nguyên liệu là khóm Cầu Đúc độ ẩm 82±1%, căn bản ướt, xoài

CHẤP THUẬN CỦA HỘI ĐỒNGLuận văn này, với đề tựa là “Nghiên cứu động học và đánh giá phương

pháp sấy chân không – vi sóng một số loại thực phẩm”, do học viên Trần

Tấn Hậu thực hiện theo sự hướng dẫn của TS Nguyễn Văn Cương đã báo cáo

và được hội đồng chấm luận văn thông qua ngày 27/ 11 /2014

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian học tại trường tôi đã nhận được rất nhiều sự quan

tâm giúp đỡ của gia đình, thầy cô, các bạn học viên và sinh viên trong trường

Qua đây tôi xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến gia đình tôi, cha mẹ và

các anh chị em tôi đã động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và

công tác

Xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến thầy Nguyễn

Văn Cương, Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí, khoa Công nghệ, trường Đại học Cần

Thơ đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi hoàn

thành tốt luận văn này

Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến thầy Phạm Phi

Long, thầy Đặng Thành Công, Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí, khoa Công nghệ,

trường Đại học Cần Thơ đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này

Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn đến các thầy cô và cán bộ trong Bộ

môn Công nghệ Sau thu Hoạch, Công nghệ Thực phẩm, khoa Nông nghiệp và

Sinh học Ứng dụng, trường Đại học Cần Thơ đã truyền đạt những kiến thức

quý giá và hỗ trợ giúp tôi trong suốt thời gian học tại trường

Xin được gửi lời cảm ơn đến tất cả các anh chị, các bạn học viên cao học

Ngành Công nghệ Sau thu Hoạch k19 đã đóng góp ý kiến, động viên và giúp

đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Xin được gửi lời cảm ơn đến Ban lãnh đạo Viện lúa ĐBSCL và Bộ môn

Cơ điện – Nông nghiệp đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành luận

văn này

Sau cùng xin được gửi lời chúc đến quý thầy cô và các bạn học viên

ngành Công nghệ Sau thu Hoạch lời chúc sức khỏe và thành đạt

Chân thành cảm ơn!

Cần thơ, ngày 11 tháng 11 năm 2014 Học viên thực hiện

Trần Tấn Hậu

TRẦN TẤN HẬU, 2014 “Nghiên cứu động học và đánh giá phương pháp

sấy chân không – vi sóng một số loại thực phẩm” Luận văn thạc sĩ khoa học

ngành Công nghệ Sau thu Hoạch Khoa Nông nghiệp và Sinh học Ứng dụng,

Trường Đại học Cần Thơ 81 trang Người hướng dẫn khoa học: Ts

NGUYỄN VĂN CƯƠNG

TÓM TẮT

Nghiên cứu động học và đánh giá phương pháp sấy chân không – vi sóng

một số loại thực phẩm được thực hiện với 4 loại nguyên liệu là khóm Cầu Đúc

(độ ẩm 82±1%, căn bản ướt), xoài cát Chu (độ ẩm 79±1%, căn bản ướt), cà

rốt (độ ẩm 89±1%, căn bản ướt) và tôm (độ ẩm 81±1%, căn bản ướt) với mục

tiêu xác định đường cong động học quá trình sấy; đánh giá chất lượng sản

phẩm sau khi sấy (cảm quan, hàm lượng vitamin C, cấu trúc bên trong sản

phẩm), đồng thời kiểm tra khả năng ngậm nước lại của sản phẩm sấy; xây

dựng mô hình toán để xác định hệ số khuếch tán ẩm (D eff ); phân tích, so sánh

phương pháp sấy chân không – vi sóng với các phương pháp sấy đối lưu, sấy

chân không và xác định các điều kiện sấy chân không – vi sóng thích hợp cho

từng loại sản phẩm Phương pháp thí nghiệm quá trình sấy chân không vi

sóng được bố trí theo thành phần điểm trung tâm với 2 thông số đầu vào là áp

suất chân không và công suất phát vi sóng ứng với các điều kiện sấy ở 60 ÷

120 mbar và 150 ÷ 250 W đối với khóm; 60 ÷ 120 mbar và 600 ÷ 800 W/ 300

÷ 500 W/ 150 ÷ 250 W đối với xoài; 60 ÷ 120 mbar và 250 ÷ 350 W đối với cà

rốt; 60 ÷ 120 mbar và 300 ÷ 500 W đối với tôm Sản phẩm sau khi sấy được

đánh giá cảm quan theo phương pháp phân tích mô tả định lượng (QDA), hàm

lượng vitamin C của sản phẩm theo phương pháp iot, mô hình Lewis được sử

dụng để xác định hệ số khuếch tán ẩm của quá trình sấy được thực hiện Kết

quả cho thấy rằng sản phẩm thu được từ quá trình sấy chân không vi sóng cho

chất lượng cảm quan tốt nhất về màu sắc, hình dạng; thời gian sấy ngắn;

thành phần vitamin C bên trong sản phẩm cao hơn so với các phương pháp

sấy khác Hệ số khuếch tán ẩm của quá trình sấy dao động từ 1,80x10 -9 đến

3,88x10 -9 (m 2 /s) đối với khóm, từ 3,61x10 -9 đến 5,31x10 -9 (m 2 /s) đối với xoài,

từ 4,00x10 -9 đến 6,73x10 -9 (m 2 /s) đối với cà rốt và từ 1,20x10 -7 đến 9,69x10 -8

(m 2 /s) đối với tôm.

Từ khóa: sấy chân không vi sóng, mô hình toán, động học quá trình sấy,

sấy chân không, sấy vi sóng

TRAN TAN HAU, 2014 “Research on drying kinetics and assess method

microwave vacuum drying some food” Master Thesis of Science in

Postharvest Technology College of Agriculture and Applied Biology, Can

Tho University 81 pages Science instructor: Dr Nguyen Van Cuong

ABSTRACT

Research on drying kinetics and assess method microwave vacuum

drying some food is done with 4 ingredients are “Cầu Đúc” pineapple

(moisture content of 82±1%, wb), “Cát Chu” mango (moisture content of

79±1%, wb), carrots (moisture content of 89±1%, wb) and shrimp (moisture

content of 81±1%, wb) with the objective of determining the kinetic curves of

drying; undervest the quality of the product after drying (organoleptic,

vitamin C, texture), also examine the possibility of re-hydrated dried product,

constructed of mathematical model, determined the moisture diffusion

coefficient (D eff ); analyzed, compare microwave vacuum drying method with

hot-air drying, vacuum drying and determined the conditions, microwave

vacuum drying process suitable for each type of product Experimental

methods of drying vacuum microwave components are arranged according to

the center point with two input parameters is vacuum pressure and and

microwave power with drying conditions at 60 ÷ 120 mbar and 150 ÷ 250 W

for pineapples; 60 ÷ 120 mbar and 600 ÷ 800 W/ 300 ÷ 500 W/ 150 ÷ 250 W

for mango; 60 ÷ 120 mbar and 250 ÷ 350 W for carrots; 60 ÷ 120 mbar và

300 ÷ 500 W for shrimp Product drying assessed organoleptic by the method

quantitative descriptive analysis (QDA), vitamin C by the method Iot, Lewis

model was used to determine the moisture diffusion coefficient of the drying

process was done The results showed that the product obtained by the process

of microwave vacuum drying for best organoleptic quality of color, shape;

short drying time; vitamin C in the higher side compared to other drying

methods The moisture diffusion coefficient of the drying process ranged from

1,80x10 -9 to 3,88x10 -9 (m 2 /s) for pineapple, from 3,61x10 -9 to 5,31x10 -9 (m 2 /s)

for mango, from 4,00x10 -9 to 6,73x10 -9 (m 2 /s) for carrot and from 1,20x10 -7 to

9,69x10 -8 (m 2 /s) for the shrimp

Keywords: microwave vacuum drying, mathematical model, drying kinetic,

vacuum drying, microwave drying

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam kết luận văn này được hoàn thành dựa trên các kết quả

nghiên cứu của tôi và các kết quả của nghiên cứu này chưa được dùng cho bất

cứ luận văn cùng cấp nào khác

Ký tên Ký tên

Ts Nguyễn Văn Cương Trần Tấn Hậu

MỤC LỤC

CHẤP THUẬN CỦA HỘI ĐỒNG i

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT iii

ABSTRACT iv

LỜI CAM ĐOAN v

MỤC LỤC vi

DANH SÁCH BẢNG iix

DANH SÁCH HÌNH xi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xiii

CHƯƠNG I 1

GIỚI THIỆU 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 2

1.2.1 Mục tiêu chung 2

1.2.2 Mục tiêu cụ thể 2

CHƯƠNG II 3

LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 3

2.1 Tổng quan về nguyên liệu 3

2.1.1 Xoài cát Chu 3

2.1.2 Khóm Cầu Đúc 5

2.1.3 Cà rốt 7

2.1.4 Tôm sú 9

2.2 Cơ sở quá trình sấy 11

2.2.1 Các thông số của không khí ẩm 11

2.2.2 Quan hệ giữa vật liệu ẩm và không khí chung quanh 12

2.2.3 Các dạng liên kết ẩm 13

2.2.4 Quá trình truyền nhiệt và truyền ẩm 14

2.2.5 Động học quá trình sấy 16

2.3 Các phương pháp sấy 18

2.3.1 Sấy đối lưu 18

2.3.2 Sấy chân không 19

2.4 Năng lượng vi sóng và môi trường chân không 19

2.4.1 Năng lượng vi sóng 19

2.4.2 Môi trường chân không 21

2.4.3 Sấy chân không kết hợp với vi sóng 22

CHƯƠNG III 23

PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23

3.1 Phương tiện nghiên cứu 23

3.1.1 Thời gian và địa điểm 23

3.1.2 Nguyên liệu 23

3.1.3 Hóa chất sử dụng 23

3.1.4 Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm 23

3.2 Phương pháp nghiên cứu 27

3.2.1 Phương pháp chuẩn bị mẫu 27

3.2.2 Phương pháp phân tích 28

3.2.3 Phương pháp xử lý số liệu 29

3.3 Phương pháp bố trí thí nghiệm 29

3.3.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát 29

3.3.2 Bố trí thí nghiệm 30

3.3.3 Xây dựng mô hình toán để xác định hệ số khuếch tán (Deff) của quá trình sấy chân không – vi sóng 39

3.3.4 So sánh các phương pháp sấy 42

CHƯƠNG IV 44

KẾT QUẢ THẢO LUẬN 44

4.1 Khóm Cầu Đúc 44

4.1.1 Quá trình sấy chân không vi sóng tìm giá trị biên 44

4.1.2 Quá trình sấy chân không vi sóng của khóm 44

4.1.3 Hệ số khuếch tán của quá trình sấy khóm 48

4.1.4 So sánh các phương pháp sấy 50

4.2 Xoài cát Chu 53

4.2.1 Quá trình sấy chân không vi sóng tìm giá trị biên 53

4.2.2 Quá trình sấy chân không vi sóng của xoài 53

4.2.3 Hệ số khuếch tán của quá trình sấy xoài 57

4.2.4 So sánh các phương pháp sấy 59

4.3 Cà rốt 61

4.3.1 Quá trình sấy chân không vi sóng tìm giá trị biên 61

4.3.2 Quá trình sấy chân không vi sóng cà rốt 62

4.3.3 Hệ số khuếch tán của quá trình sấy cà rốt 65

4.3.4 So sánh các phương pháp sấy 67

4.4 Tôm 70

4.4.1 Quá trình sấy chân không vi sóng tìm giá trị biên 70

4.4.2 Quá trình sấy chân không vi sóng của tôm 71

4.4.3 Hệ số khuếch tán của quá trình sấy tôm 74

4.4.4 So sánh các phương pháp sấy 75

4.5 Cấu trúc bên trong của các sản phẩm sấy 78

CHƯƠNG V 79

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 79

5.1 Kết luận 79

5.2 Đề nghị 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

PHỤ LỤC A: CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 85

PHỤ LỤC B: SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM SẤY KHÓM 92

PHỤ LỤC C: SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM SẤY XOÀI 111

PHỤ LỤC D: SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM SẤY CÀ RỐT 132

PHỤ LỤC E: SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM SẤY TÔM 150

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 2.1 Thành phần dinh dưỡng của xoài trong 100 g ăn được 4

Bảng 2.2 Thành phần dinh dưỡng của khóm trong 100 g ăn được 6

Bảng 2.3 Thành phần dinh dưỡng của cà rốt trong 100 g ăn được 8

Bảng 2.4 Thành phần hóa học của tôm 10

Bảng 3.1 Các phương pháp phân tích 28

Bảng 3.2 Xác định điều kiện giới hạn sấy chân không vi sóng trên từng loại nguyên liệu (công suất phát vi sóng) thí nghiệm 1a 30

Bảng 3.3 Xác định điều kiện giới hạn sấy chân không vi sóng trên từng loại nguyên liệu (áp suất chân không) thí nghiệm 1b 31

Bảng 3.4 Xác định điều kiện giới hạn sấy chân không vi sóng của khóm (công suất phát vi sóng) thí nghiệm 1a 31

Bảng 3.5 Xác định điều kiện giới hạn sấy chân không vi sóng của khóm (áp suất chân không) thí nghiệm 1b 31

Bảng 3.6 Xác định điều kiện giới hạn sấy chân không vi sóng của xoài (công suất phát vi sóng) thí nghiệm 1a 32

Bảng 3.7 Xác định điều kiện giới hạn sấy chân không vi sóng của xoài (áp suất chân không) thí nghiệm 1b 32

Bảng 3.8 Xác định điều kiện giới hạn sấy chân không vi sóng của cà rốt (công suất phát vi sóng) thí nghiệm 1a 33

Bảng 3.9 Xác định điều kiện giới hạn sấy chân không vi sóng của cà rốt (áp suất chân không) thí nghiệm 1b 33

Bảng 3.10 Xác định các điều kiện giới hạn sấy chân không vi sóng của quá trình sấy tôm 33

Bảng 3.11 Các giá trị biên của bố trí thí nghiệm sấy khóm với 2 thông số (Pck, MW) 35

Bảng 3.12 Các giá trị biên của bố trí thí nghiệm sấy khóm với 2 thông số (Pck, MW) theo code và thông số thật 35

Bảng 3.13 Các giá trị biên của bố trí thí nghiệm sấy xoài với 2 thông số (Pck, MW) 36

Bảng 3.14 Các giá trị biên của bố trí thí nghiệm sấy xoài giai đoạn 1 với 2 thông số (Pck, MW) theo code và thông số thật 36

Bảng 3.15 Các giá trị biên của bố trí thí nghiệm sấy xoài giai đoạn 2 với 2 thông số (Pck, MW) theo code và thông số thật 37

Bảng 3.16 Các giá trị biên của bố trí thí nghiệm sấy xoài giai đoạn 3 với 2 thông số (Pck, MW) theo code và thông số thật 37

Bảng 3.17 Các giá trị biên của bố trí thí nghiệm sấy cà rốt với 2 thông số (Pck, MW) 38

Bảng 3.18 Các giá trị biên của bố trí thí nghiệm sấy cà rốt với 2 thông số (Pck,

MW) theo code và thông số thật 38

Bảng 3.19 Các giá trị biên của bố trí thí nghiệm sấy tôm với 2 thông số (Pck, MW) 39

Bảng 3.20 Các giá trị biên của bố trí thí nghiệm sấy tôm với 2 thông số (Pck, MW) theo code và thông số thật 39

Bảng 3.21 Một số mô hình thường được sử dụng trong quá trình sấy 40

Bảng 4.1 Các giá trị biên của quá trình sấy khóm 44

Bảng 4.2 Giá trị K, Deff, R2 của 13 mẫu khóm sấy 49

Bảng 4.3 Các giá trị biên của quá trình sấy xoài 53

Bảng 4.4 Giá trị K, Deff, R2 của 13 mẫu xoài sấy 57

Bảng 4.5 Các giá trị biên của quá trình sấy cà rốt 62

Bảng 4.6 Giá trị K, Deff, R2 của 13 mẫu cà rốt sấy 66

Bảng 4.7 Các giá trị biên của quá trình sấy tôm 70

Bảng 4.8 Giá trị K, Deff, R2 của 13 mẫu tôm sấy 74

DANH SÁCH HÌNH

Hình 2.1 Xoài cát Chu 3

Hình 2.2 Một số sản phẩm từ xoài sấy 5

Hình 2.3 Khóm Cầu Đúc ở Hậu Giang 5

Hình 2.4 Một số sản phẩm từ khóm sấy 7

Hình 2.5 Củ cà rốt 7

Hình 2.6 Một số sản phẩm từ cà rốt sấy 9

Hình 2.7 Tôm sú (Penaeus monodon) 9

Hình 2.8 Một số sản phẩm từ tôm sấy 11

Hình 2.9 Đường cong hấp thụ và thải ẩm đẳng nhiệt 12

Hình 2.10 Trạng thái tương tác giữa ẩm và môi trường 13

Hình 2.11 Đường cong sấy 17

Hình 2.12 Đường cong tốc độ sấy 18

Hình 2.13 Sóng điện từ 20

Hình 2.14 Phân tử nước 21

Hình 3.1 Thiết bị sấy chân không vi sóng 24

Hình 3.2 Sơ đồ cấu tạo của hệ thống thiết bị sấy chân không vi sóng WaveVac0150-lc 25

Hình 3.3 Cân điện tử 26

Hình 3.4 Cân phân tích ẩm 26

Hình 3.5 Tủ sấy đối lưu không khí nóng 27

Hình 3.6 Thiết bị sấy chân không 27

Hình 3.7 Các nguyên liệu dùng làm thí nghiệm 28

Hình 3.8 Sơ đồ quy trình thí nghiệm tổng quát 29

Hình 3.9 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 34

Hình 3.10 Sơ đồ xây dựng mô hình toán xác định hệ số khuếch tán ẩm (Deff) 40 Hình 4.1 Đường cong sấy của các mẫu khóm có cùng Pck 45

Hình 4.2 Đường cong sấy của các mẫu khóm có cùng MW 45

Hình 4.3 Đường cong tốc độ sấy của các mẫu khóm có cùng Pck 46

Hình 4.4 Đường cong tốc độ sấy của các mẫu khóm cócùng MW 47

Hình 4.5 Giá trị cảm quan của các mẫu khóm 47

Hình 4.6 Các mẫu khóm sấy bằng phương pháp chân không vi sóng 48

Hình 4.7 Quan hệ giữa các giá trị Thời gian - Pck – MW của khóm sấy 50

Hình 4.8 Đường cong sấy của khóm ứng với 3 phương pháp sấy 50

Hình 4.9 Giá trị cảm quan của các mẫu khóm ứng với 3 phương pháp sấy 51

Hình 4.10 Các mẫu khóm sấy của 3 phương pháp sấy 51

Hình 4.11 Giá trị vitamin C của khóm ứng với 3 phương pháp sấy 52

Hình 4.12 Đường cong ngậm nước lại của 3 phương pháp sấy khóm 52

Hình 4.13 Đường cong sấy của các mẫu xoài có cùng Pck 54

Hình 4.14 Đường cong sấy của các mẫu xoài có cùng MW 55

Hình 4.15 Đường cong tốc độ sấy của các mẫu xoài có cùng Pck 55

Hình 4.16 Đường cong tốc độ sấy của các mẫu xoài có cùng MW 56

Hình 4.17 Giá trị cảm quan của các mẫu xoài 56

Hình 4.18 Các mẫu xoài sấy của giai đoạn 3 57

Hình 4.19 Quan hệ giữa các giá trị Thời gian - Pck – MW của xoài 58

Hình 4.20 Đường cong sấy của xoài ứng với 3 phương pháp sấy 59

Hình 4.21 Giá trị cảm quan của các mẫu xoài ứng với 3 phương pháp sấy 60

Hình 4.22 Các mẫu xoài sấy ứng với 3 phương pháp sấy 60

Hình 4.23 Giá trị vitamin C của xoài ứng với 3 phương pháp sấy 60

Hình 4.24 Đường cong ngậm nước lại của 3 phương pháp sấy xoài 61

Hình 4.25 Đường cong sấy của các mẫu cà rốt có cùng Pck 62

Hình 4.26 Đường cong sấy của các mẫu cà rốt có cùng MW 63

Hình 4.27 Đường cong tốc độ sấy của các mẫu cà rốtcó cùng Pck 64

Hình 4.28 Đường cong tốc độ sấy của các mẫu cà rốt có cùng MW 64

Hình 4.29 Giá trị cảm quan của các mẫu cà rốt 65

Hình 4.30 Các mẫu cà rốt sấy bằng phương pháp chân không vi sóng 65

Hình 4.31 Quan hệ giữa các giá trị Thời gian - Pck – MW của cà rốt 67

Hình 4.32 Đường cong sấy của cà rốt ứng với 3 phương pháp sấy 68

Hình 4.33 Giá trị cảm quan các mẫu cà rốt ứng với 3 phương pháp sấy 68

Hình 4.34 Các mẫu sấy cà rốt của 3 phương pháp sấy 69

Hình 4.35 Giá trị vitamin C của cà rốt ứng với 3 phương pháp sấy 69

Hình 4.36 Đường cong ngậm nước lại của 3 phương pháp sấy cà rốt 70

Hình 4.37 Đường cong sấy của các mẫu tôm có cùng Pck 71

Hình 4.38 Đường cong sấy của các mẫu tôm có cùng MW 71

Hình 4.39 Đường cong tốc độ sấy của các mẫu tôm có cùng Pck 72

Hình 4.40 Đường cong tốc độ sấy của các mẫu tôm có cùng MW 73

Hình 4.41 Giá trị cảm quan của các mẫu tôm 73

Hình 4.42 Các mẫu tôm sấy bằng phương pháp chân không vi sóng 74

Hình 4.43 Quan hệ giữa các giá trị Thời gian - Pck – MW của tôm 75

Hình 4.44 Đường cong sấy của tôm ứng với 3 phương pháp sấy 76

Hình 4.45 Giá trị cảm quan các mẫu tôm ứng với 3 phương pháp sấy 76

Hình 4.46 Các mẫu tôm sấy của 3 phương pháp sấy 77

Hình 4.47 Đường cong ngậm nước lại của 3 phương pháp sấy tôm 77

Hình 4.48 Các mẫu của xoài chụp lại qua KHV ViewPoint650/ VT1 78

Hình 4.49 Các mẫu của cà rốt chụp lại qua KHV ViewPoint650/ VT1 78

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

USDA Agricultural Research ServiceUnited States Department

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU

1.1 Đặt vấn đề

Đồng bằng Sông Cửu Long (ĐBSCL) là nơi có nhiều sản phẩm nông

nghiệp có giá trị kinh tế cao, việc thu hoạch và chế biến cũng như bảo quản

sản phẩm còn nhiều vấn đề liên quan đến thời vụ, các sản phẩm trong vùng

không chỉ gắn liền với địa danh quen thuộc mà còn mang lại nguồn thu nhập

đáng kể cho bà con nông dân như xoài cát Chu ở Cao Lãnh thuộc tỉnh Đồng

Tháp, khóm Cầu Đúc ở Vị Thanh thuộc tỉnh Hậu Giang

Cùng với sự phát triển kinh tế ngày càng cao, mức sống người dân từng

bước được nâng cao, nhu cầu tiêu dùng của xã hội về sản phẩm hàng hóa ngày

càng đa dạng và phong phú Trong đó đặc biệt là các sản phẩm nông sản sấy

khô đã và đang rất được ưa chuộng trên thị trường hiện nay

Những phương pháp sấy sản phẩm hiện nay ở nước ta đa phần là sấy

bằng không khí nóng, sấy chân không, sấy lạnh, sấy năng lượng mặt trời và

các phương pháp sấy khác đã thể hiện được những ưu điểm nhất định ứng với

từng loại sản phẩm nông sản Tuy nhiên, còn một số hạn chế về màu sắc và

chất lượng dinh dưỡng bên trong của sản phẩm sau khi sấy không được đảm

bảo, thời gian sấy tăng, chi phí năng lượng tăng

Công nghệ sấy chân không là một công nghệ sấy tiên tiến, giải quyết

được những nhược điểm của những phương pháp sấy khác trong việc đảm bảo

chất lượng sản phẩm cả về mặt cảm quan và giá trị dinh dưỡng bên trong sản

phẩm Hiện nay công nghệ này đã được áp dụng rộng rãi ở nhiều nước phương

Tây và một số nước Châu Á với ưu điểm vượt trội so với các công nghệ sấy

khác, thời gian sấy ngắn, nhiệt độ sấy thấp, chất lượng sản phẩm sau khi sấy

luôn giữ được gần như đầy đủ các tính chất đặc trưng ban đầu

Công nghệ sấy chân không – vi sóng ra đời đã cho thêm một sự chọn lựa

về phương pháp, công nghệ sấy với mục tiêu giữ được chất lượng sản phẩm

sau khi sấy tăng giá trị kinh tế, tăng thu nhập

Với những lý do và tình hình đặt ra trên đây, đề tài “Nghiên cứu động

học và đánh giá phương pháp sấy chân không – vi sóng một số loại thực

phẩm” được chọn và thực hiện nhằm mục tiêu nghiên cứu khả năng ứng dụng

và đánh giá công nghệ sấy chân không – vi sóng, đánh giá so sánh với các

công nghệ sấy truyền thống khác

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

1.2.1 Mục tiêu chung

Nghiên cứu động học quá trình sấy xoài, khóm, cà rốt và tôm bằng

phương pháp sấy chân không – vi sóng, đánh giá khả năng ứng dụng của công

nghệ sấy chân không – vi sóng; xây dựng mô hình toán để xác định hệ số

khuếch tán ẩm của quá trình sấy chân không – vi sóng

1.2.2 Mục tiêu cụ thể

Căn cứ vào mục tiêu chung của đề tài, những nhiệm vụ cần phải thực

hiện được trong quá trình nghiên cứu gồm:

- Xây dựng đường cong động học quá trình sấy đối với các sản phẩm sấy:

xoài, khóm, cà rốt và tôm

- Đánh giá chất lượng sản phẩm sau khi sấy bằng chân không – vi sóng:

cảm quan, hàm lượng vitamin C, cấu trúc bên trong sản phẩm

- Kiểm tra khả năng ngậm nước lại của sản phẩm sấy (rehydration)

- Xây dựng mô hình toán, xác định hệ số khuếch tán ẩm (Deff) của quá

trình sấy chân không – vi sóng

- Phân tích, so sánh phương pháp sấy chân không – vi sóng với các

phương pháp sấy đối lưu, sấy chân không

- Xác định các điều kiện, quy trình sấy chân không – vi sóng thích hợp

cho từng loại sản phẩm sấy

CHƯƠNG II LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU

2.1 Tổng quan về nguyên liệu

2.1.1 Xoài cát Chu

2.1.1.1 Nguồn gốc, đặc điểm và quá trình phát triển

Xoài cát Chu (tên khoa học là Mangifera indica) là giống xoài truyền

thống của địa phương từ lâu đời (Hình 2.1) Xoài cát Chu được nông dân chọn

trồng nhiều bởi đặc tính dễ ra hoa, đậu quả và cho năng suất cao Xoài cát Chu

có chất lượng trái ngon, khi chín vỏ quả có màu vàng tươi, thịt quả mịn màu

vàng nhạt, ít xơ, có độ ngọt vừa phải (độ Brix 14,4%), tỷ lệ ăn được cao

76,5%, mùi thơm khá đặc trưng (Nguyễn Bảo Vệ và Lê Thanh Phong, 2011)

Hiện nay xoài cát Chu được trồng khá phổ biến ở ĐBSCL, tập trung ở

các tỉnh Đồng Tháp, Tiền Giang, Vĩnh Long, Cần Thơ và các tỉnh Đông Nam

Bộ, nhưng trồng nhiều nhất vẫn là ở vương quốc xoài Cao Lãnh, Đồng Tháp

(Trần Văn Hâu và Lê Thanh Điền, 2011)

Hình 2.1 Xoài cát Chu

2.1.1.2 Thành phần hóa học

Xoài được xem là vua của tất cả các loại trái cây vì hương vị ngọt ngào,

thơm ngon và mang lại giá trị dinh dưỡng cao Theo các chuyên gia phân tích

thì quả xoài chứa nhiều vitamin A, C và các khoáng chất như sắt, phốt pho,

natri, canxi, magiê, kẽm, đồng, mangan, kali, acid pantothenic Vỏ được sử

dụng như một nguồn pectin trong khi đó hạch quả chứa nhiều tinh bột, chất

béo và tannin (Watt and Merril, 1963; Malik et al., 1994) Các thành phần hóa

học khác của xoài được thể hiện trong Bảng 2.1

Bảng 2.1 Thành phần dinh dưỡng của xoài trong 100 g ăn được

Xoài là một loại nông sản rất được ưa chuộng ở nước ta và các nước trên

thế giới với phẩm chất thơm ngon và giàu chất dinh dưỡng phần lớn xoài được

tiêu thụ ở dạng tươi và khoảng 1 - 2% sản lượng được xử lý để chế biến ra các

sản phẩm sấy (Berardini et al., 2005; Jedele et al., 2003) (Hình 2.2)

Ngày nay xoài sấy rất được ưa chuộng và xuất hiện rộng rãi trên thị

trường thực phẩm Theo Akpinar and Bicer (2004) mục đích sấy là loại bỏ

nước đến mức mà tại đó sự hư hỏng và sự suy thoái của các phản ứng vi sinh

được giảm đi đáng kể Abdelgader and Ismail (2011) cho rằng tỉ lệ khô của

xoài sấy theo phương pháp chân không cao hơn so với phương pháp sấy thông

thường và chỉ số màu nâu cũng thấp hơn đáng kể Ngoài ra sấy còn giúp cho

sản phẩm được bảo quản lâu hơn, không gian nhỏ hơn để lưu trữ và trọng

lượng nhẹ hơn trong việc vận chuyển (Ertekin and Yaldiz, 2004)

Hình 2.2 Một số sản phẩm từ xoài sấy

2.1.2 Khóm Cầu Đúc

2.1.2.1 Nguồn gốc, đặc điểm và quá trình phát triển

Ở Việt Nam, cây khóm “Queen” được trồng nhiều ở các tỉnh như Quảng

Nam, Thanh Hóa, Tiền Giang, Long An, Kiên Giang và một số tỉnh khác,

chiếm khoảng 2% tổng sản lượng trên toàn thế giới, đứng vị trí thứ 11 về sản

lượng khóm trên thế giới (FAO, 2005)

Khóm Cầu Đúc thuộc giống Queen (Nữ hoàng) được trồng nhiều ở các

tỉnh ĐBSCL, trong đó Hậu Giang là vùng trồng khóm Cầu Đúc với sản lượng

lớn Nét riêng của giống khóm này là trái có hình dáng thanh nhã, cuống ngắn,

lõi nhỏ, mắt lồi, hố mắt hơi sâu, thịt màu vàng sậm, ít xơ, ít nước, ăn giòn và

ngọt Đặc biệt, trái khóm Cầu Đúc (Hình 2.3) có thể để khoảng 10 - 15 ngày

không bị thối (Sở Nông nghiệp và PTNT Hậu Giang, 2013)

Hình 2.3 Khóm Cầu Đúc ở Hậu Giang

2.1.2.2 Thành phần hóa học

Khóm là loại quả được trồng phổ biến từ lâu đời ở vùng nhiệt đới và cận

nhiệt đới bởi hương vị hấp dẫn và hàm lượng acid cân bằng trong thành phần

dinh dưỡng của khóm (Bartolomé et al., 1995) Khóm chứa 12 - 15% đường

trong đó hai phần ba là sucrose và phần còn lại là glucose và fructose Thành

phần acid trong khóm là 0,6 – 1,2% trong đó 87% là acid citric và 13% là acid

malic (Masniza et al., 2011) Thành phần hóa học của khóm thay đổi theo

giống, độ chín, thời vụ, địa điểm và điều kiện trồng trọt (Quách Đĩnh và ctv.,

1996) Theo nghiên cứu của viện dinh dưỡng Nông nghiệp Hoa kỳ (USDA),

2013, thành phần dinh dưỡng của khóm được thể hiện trong Bảng 2.2

Bảng 2.2 Thành phần dinh dưỡng của khóm trong 100 g ăn được

Với sản xuất khóm trên thế giới hơn 18 triệu tấn trong năm 2009 (FAO,

2011), trong đó có khoảng 70% khóm sản xuất trên thế giới được tiêu thụ dạng

tươi ở thị trường nội địa (Loeillet, 1997), 30% còn lại được xuất khẩu hoặc

chế biến thành các sản phẩm có giá trị kinh tế cao đặc biệt là các sản phẩm

sấy Các sản phẩm sấy khô ngày càng trở nên phổ biến bởi khả năng bảo quản

lâu hơn và dần dần thay thế các sản phẩm tươi trên thị trường với chất lượng

cao theo xu hướng ngày càng tăng trên toàn thế giới (Esper and Mühlbauer,

1996) Mặt khác, khóm sử dụng phương pháp sấy bằng năng lượng mặt trời

cho sản phẩm sấy khô hơn, chất lượng tốt hơn và giảm đáng kể thời gian sấy

so với phơi nắng (Bala et al., 2001).

Hình 2.4 Một số sản phẩm từ khóm sấy

2.1.3 Cà rốt

2.1.3.1 Nguồn gốc, đặc điểm và quá trình phát triển

Cà rốt (tên khoa học: Daucus carota subsp sativus) là một loại cây có

củ, thường có màu vàng cam, đỏ, vàng, trắng hay tía (Hình 2.5) Phần ăn được

của cà rốt là củ, thực chất chính là rễ cái của cà rốt Hiện nay cà rốt được trồng

nhiều nơi trên thế giới và phổ biến ở một số tỉnh của Việt Nam như: Lâm

Đồng, các tỉnh miền Bắc, miền Trung, một số tỉnh thuộc miền Đông Nam Bộ

(Tôn Nữ Minh Nguyệt và ctv., 2009)

Hình 2.5 Củ cà rốt

Cà rốt có nguồn gốc từ Afghanistan cách đây khoảng 5000 năm

(Mackevic, 1929) sau đó được lan truyền đến các vùng Địa Trung Hải, Bắc

Âu ở thế kỷ 15 và một số nước Châu Á (Trung Quốc ở thế kỷ 14, Nhật Bản

vào thế kỷ 17), ban đầu chỉ sử dụng cà rốt như là một loại thảo dược (Banga,

1957; 1963) Trên thế giới hiện nay hàng năm sản xuất 27 triệu tấn cà rốt,

trong đó Trung Quốc, Nga và Hoa Kỳ sản xuất 45% sản lượng thế giới (FAO,

2008)

2.1.3.2 Thành phần hóa học

Cà rốt là một trong những loại rau trồng rộng rãi và lâu đời nhất trên thế

giới Trong củ cà rốt là một nguồn tuyệt vời của vitamin A (carotenoid), giàu

hàm lượng vitamin C, vitamin K, chất xơ, kali, vitamin B1, vitamin B2 và các

thành phần khác Trong 100 g cà rốt tươi thường chứa 88% nước và cung cấp

giá trị năng lượng là 48 calorie Các thành phần quan trọng khác của cà rốt

được thể hiện trong Bảng 2.3 (Tanumihardjo and Sara, 2010)

Bảng 2.3 Thành phần dinh dưỡng của cà rốt trong 100 g ăn được

Cà rốt là một trong những loại củ rất phổ biến trên thế giới Cà rốt rất

giàu chất dinh dưỡng với hàm lượng β-carotene cao nhất trong số các thực

phẩm (Eim et al., 2011) Bên cạnh các sản phẩm chế biến từ cà rốt thì các sản

phẩm sấy khô (Hình 2.6) đã và đang rất được ưa chuộng (Sharma et al., 2012)

Theo Trung tâm khuyến nông Hải Dương (2009) cà rốt có thể phơi nắng hoặc

sấy khô ở 70 ÷ 75 oC đến độ ẩm cuối cùng là 10% có thể bảo quản trong thời

gian dài bằng túi polyetylen hoặc giấy chống ẩm, để nơi khô ráo, thoáng mát

Sản phẩm sau khi sấy có thể thay đổi do nguyên liệu đầu vào, độ ẩm ban đầu,

nhiệt độ sấy, độ ẩm không khí và nhiệt độ phòng

Hình 2.6 Một số sản phẩm từ cà rốt sấy

2.1.4 Tôm sú

2.1.4.1 Nguồn gốc, đặc điểm và quá trình phát triển

Tôm sú (Penaeus monodon) là loài sống ở nơi đáy bùn pha cát với độ

sâu từ ven bờ đến 40 m nước (Hình 2.7) Khi tôm trưởng thành thường di

chuyển xa bờ vì chúng thích sống vùng nước sâu hơn (Holthuis, 1980)

Hình 2.7 Tôm sú (Penaeus monodon) Trong tự nhiên tôm sú nước mặn đến mùa sinh sản sẽ tiến vào gần bờ để

đẻ trứng, trứng nở ra ấu trùng và trải qua năm thời kỳ biến thái: Naupilus,

Zoea, Mysis, Postlarvae, Juvenile Từ đây ấu trùng theo sóng biển dạt vào cửa

sông nơi nước biển và nước sông pha trộn lẫn nhau nên độ mặn thấp hơn, việc

giảm độ mặn trong thời gian sinh trưởng của ấu trùng ảnh hưởng đến sự đa

dạng và phân bố của loài tôm (Vance et al., 1985) Đây chính là điều kiện tốt

cho ấu trùng phát triển Tôm sú có đặc điểm sinh trưởng nhanh, trong 3 ÷ 4

tháng có thể đạt cở trung bình 40 ÷ 50 g (Holthuis, 1980)

2.1.4.2 Thành phần hóa học

Thành phần hóa học của tôm sú bao gồm protein, nước, lipid, glucid,

calcium, phosphate, sắt và các thành phần khác Các thành phần này khác

nhau thay đổi phụ thuộc vào giống, loài, giới tính, độ tuổi, thành phần thức ăn,

điều kiện môi trường sống và những biến đổi sinh lý của tôm (Karakoltsidis et

al., 1995; Yanar et al., 2004)

Đầu tôm, vỏ tôm chứa hàm lượng cao các khoáng chất đặc biệt là canxi,

phospho, natri và kẽm Trong đó, hàm lượng acid amin có trong vỏ tôm có giá

trị cao hơn đầu tôm (Ibrahim et al., 1999) Các thành phần hóa học khác của

tôm được thể hiện trong Bảng 2.4 (Hertrampf and Piedad-Pascual, 2000)

Bảng 2.4 Thành phần hóa học của tôm

Tôm có giá trị dinh dưỡng rất cao nên thường được sử dụng làm thức ăn

hàng ngày như : tôm luộc, tôm nướng và một số sản phẩm chế biến khác Bên

cạnh đó ngoài việc bảo quản tôm bằng các sản phẩm đông lạnh thì việc sấy

tôm để duy trì chất lượng cũng như kéo dài thời gian tồn trữ cũng là vấn đề

cần được chú trọng (Hình 2.8)

Hình 2.8 Một số sản phẩm từ tôm sấy

2.2 Cơ sở quá trình sấy

2.2.1 Các thông số của không khí ẩm

2.2.1.1 Độ ẩm tuyệt đối

Độ ẩm tuyệt đối là lượng hơi nước (tính bằng g hoặc kg) chứa trong 1 m3

không khí ẩm Độ ẩm tuyệt đối được tính theo công thức sau:

Độ ẩm tương đối φ của không khí ẩm là tỷ lệ phần trăm giữa khối lượng

hơi nước và khối lượng hơi nước cực đại Độ ẩm tương đối được tính theo

Trong đó, G h.max: là khối lượng hơi nước cực đại, kg;

φ: là độ ẩm tương đối của không khí, %

Chuyển đổi giữa hai độ ẩm:

%100

2.2.2 Quan hệ giữa vật liệu ẩm và không khí chung quanh

2.2.2.1 Độ ẩm cân bằng

Độ ẩm cân bằng của một vật là độ ẩm mà ở vị trí đó, trong một môi

trường nhất định, không diễn ra quá trình thoát hơi nước từ sản phẩm ra môi

trường xung quanh hoặc ngược lại không có quá trình hút ẩm từ môi trường

xung quanh vào sản phẩm

Độ ẩm cân bằng phụ thuộc vào áp suất riêng phần của hơi nước trong

không khí, tức là phụ thuộc vào độ ẩm tương đối của không khí φ (RH)

Quan hệ hàm số: ωcb = f(RH) có thể được xác định bằng thực nghiệm và được

gọi là đường đẳng nhiệt Đối với quá trình hút ẩm từ môi trường, đường cong

ωcb = f(RH) gọi là đường hấp thụ đẳng nhiệt Đối với quá trình bay hơi ẩm từ

vật, đường cong xây dựng được là đường thải ẩm đẳng nhiệt Hình 2.9 (Nguyễn

Minh Thủy và ctv., 2013)

.Hình 2.9 Đường hấp thụ và giải hấp thụ đẳng nhiệt

(Nguồn: http://freewebs.com)

2.2.2.2 Độ ẩm tới hạn

Độ ẩm cân bằng của vật ẩm trong môi trường không khí có độ ẩm tương

đối φ = 100% gọi là độ ẩm tới hạn ωth Độ ẩm này là giới hạn của quá trình hấp

thụ ẩm của vật hay là giới hạn của độ ẩm liên kết Ẩm thâm nhập vào vật sau

này gọi là ẩm tự do (Hình 2.10) Trên đường cong vận tốc sấy, ωth là điểm uốn

giữa giai đoạn vận tốc sấy không đổi và giai đoạn vận tốc sấy thay đổi (Nguyễn

Minh Thủy và ctv., 2013)

Hình 2.10 Trạng thái tương tác giữa ẩm và môi trường

2.2.3 Các dạng liên kết ẩm

Các liên kết giữa ẩm với vật khô có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình sấy

Nó sẽ chi phối diễn biến của quá trình sấy Có nhiều cách phân loại các dạng

liên kết ẩm Trong đó phổ biến nhất là cách phân loại theo bản chất hình thành

liên kết của P.H Robinde (Hoàng Văn Chước, 1999) Theo cách này, tất cả

các dạng liên kết ẩm được chia thành ba nhóm chính: liên kết hoá học, liên kết

hoá lý và liên kết cơ lý

2.2.3.1 Liên kết hoá học

Liên kết hoá học giữa ẩm và vật khô rất bền vững trong đó, các phân tử

nước đã trở thành một bộ phận trong thành phần hoá học của phân tử vật ẩm

Loại ẩm này chỉ có thể tách ra khi có phản ứng hoá học và thường phải nung

nóng đến nhiệt độ cao Sau khi tách ẩm tính chất hoá lý của vật thay đổi Ẩm

này có thể tồn tại ở dạng liên kết phân tử như trong muối hydrat MgCl2.6H2O

hoặc ở dạng liên kết ion như Ca(OH)2

2.2.3.2 Liên kết hoá lý

Liên kết hoá lý không đòi hỏi nghiêm ngặt về tỷ lệ thành phần liên kết

Có hai loại: liên kết hấp phụ (hấp thụ) và liên kết thẩm thấu

Liên kết hấp phụ của nước có gắn liền với các hiện tượng xảy ra trên bề

mặt giới hạn của các pha (rắn hoặc lỏng) Các vật ẩm thường là những vật keo,

có cấu tạo hạt Bán kính tương đương của hạt từ 10-9 - 10-7 m Do cấu tạo hạt

nên vật keo có bề mặt bên trong rất lớn Vì vậy nó có năng lượng bề mặt tự do

đáng kể Khi tiếp xúc với không khí ẩm hay trực tiếp với ẩm, ẩm sẽ xâm nhập

vào các bề mặt tự do này tạo thành liên kết hấp phụ giữa ẩm và bề mặt

ωcb

Liên kết thẩm thấu là sự liên kết hoá lý giữa nước và vật rắn khi có sự

chênh lệch nồng độ các chất hoà tan ở trong và ngoài tế bào Khi nước ở bề

mặt vật thể bay hơi thì nồng độ của dung dịch ở đó tăng lên và nước ở sâu bên

trong sẽ thấm ra ngoài và ngược lại

2.2.3.3 Liên kết cơ lý

Đây là dạng liên kết giữa ẩm và vật liệu được tạo thành do sức căng bề

mặt của ẩm trong các mao dẫn hay trên bề mặt ngoài của vật Liên kết cơ học

bao gồm liên kết cấu trúc, liên kết mao dẫn và liên kết dính ướt

- Liên kết cấu trúc: là liên kết giữa ẩm và vật liệu hình thành trong quá

trình hình thành vật Để tách ẩm trong trường hợp liên kết cấu trúc bằng cách

làm cho ẩm bay hơi, nén ép vật hoặc phá vỡ cấu trúc vật Sau khi tách ẩm, vật

bị biến dạng nhiều, có thể thay đổi tính chất và thậm chí thay đổi cả trạng thái

pha

- Liên kết mao dẫn: nhiều vật ẩm có cấu tạo mao quản Trong các vật thể

này có vô số các mao quản Các vật thể này khi để trong nước, nước sẽ theo

các mao quản xâm nhập vào vật thể Khi vật thể này để trong môi trường

không khí ẩm thì hơi nước sẽ ngưng tụ trên bề mặt mao quản và theo các mao

quản xâm nhập vào trong vật thể

- Liên kết dính ướt: là liên kết do nước bám dính vào bề mặt vật Ẩm

liên kết dính ướt dễ tách khỏi vật bằng phương pháp bay hơi đồng thời có thể

tách ra bằng các phương pháp cơ học như: lau, thấm, thổi và vắt ly tâm

2.2.4 Quá trình truyền nhiệt và truyền ẩm

2.2.4.1 Quy luật truyền nhiệt - ẩm trong vật liệu sấy

Quá trình truyền nhiệt và truyền ẩm liên hợp trong VLS đều có thế tương

ứng là (1/1) và (1/2) Theo nhiệt động học các quá trình không thuận

nghịch dòng nhiệt J1 và dòng ẩm J2 được biểu diễn dưới dạng quan hệ tuyến

Trong đó, 1 là nhiệt độ, 2 là nhiệt độ và hệ số Lij (i,j = 1, 2) là các hệ số

hiện tượng và thỏa mãn quan hệ đối xứng Ondager:

Theo quan hệ (2-6) thì biểu thức (2-4) và (2-5) có thể viết lại là :

Quan hệ (2-9) chính là biểu thức toán học của định luât Fourier và (2-10)

là định luật Fick về khuếch tán phân tử (Trần Văn Phú, 2008)

2.2.4.2 Hệ phương trình truyền nhiệt và truyền ẩm

Sử dụng quan hệ Ondager dưới dạng (2-7) và (2-8) khi cân bằng nhiệt và

cân bằng ẩm cho một phân tố vô cùng nhỏ dV = dxdydz khi đó hệ phương

trình truyền nhiệt - truyền ẩm trong VLA là:

 với 20 là nhiệt độ ban đầu

và 2rlà nhiệt độ của môi trường

11 (1 )

Trong đó:  là tiêu chuẩn biến pha; Ko – tiêu chuẩn Kochovich; Pn –

tiêu chuẩn Pasnov và Lu – tiêu chuẩn Luikov (Trần Văn Phú, 2008)

2.2.4.3 Hiện tượng khuếch tán ẩm

Khi vật chất hiện diện có nồng độ khác nhau, một hiện tượng tự nhiên

xảy ra để điều hòa lại nồng độ gọi là sự khuếch tán Đây là hiện tượng tự

nhiên rất phổ biến, được thấy khắp nơi trong thiên nhiên và cả trong sinh vật,

bao gồm khuếch tán vật chất, khuếch tán chất màu

Trong hiện tượng này, chất khuếch tán di chuyển từ nơi có nồng độ cao

đến nơi có nồng độ thấp Những chất khác cũng sẽ chuyển động ngược lại để

điều hòa nồng độ Những hiện tượng này xảy ra mạnh mẽ trong thể lỏng và

thể khí, tuy nhiên hiện tượng khuếch tán chậm hơn trong thể rắn

Nếu hiện tượng khuếch tán xảy ra ở một nơi bị ngăn cản bởi các màng tự

nhiên hay nhân tạo ở đó các màng này chỉ cho phép những phân tử nhỏ đi qua,

những phân tử lớn hơn không qua được, gọi là hiện tượng thẩm thấu khi chỉ

cho nước đi qua; gọi là hiện tượng thẩm phân nếu cho thêm một cỡ nào đó các

chất tan lớn hơn đi qua Hiện tượng này phụ thuộc vào kích thước các phân tử

Những hiện tượng này thường gặp trong cơ thể sinh vật hay ở nông sản thực

phẩm

2.2.5 Động học quá trình sấy

Sự thay đổi độ ẩm và nhiệt độ đốt nóng VLA theo thời gian sấy gọi chung

là động học quá trình sấy Động học quá trình sấy chính là quan hệ giữa độ ẩm

trung bình theo thời gian ωtb=f1(t); tốc độ thoát ẩm theo thời gian dωtb/dt =f2(t);

nhiệt độ tâm to theo thời gian to=f3(t) và nhiệt độ bề mặt tb của vật liệu sấy (VLS)

theo thời gian tb=f4(t), được biểu diễn bằng đường cong sấy và đường cong tốc

độ sấy

2.2.5.1 Đường cong sấy

Trong kỹ thuật sấy, chúng ta gọi quan hệ giữa độ ẩm trung bình tích phân

ωtb và thời gian sấy t là đường cong sấy

Đường cong sấy nói chung được biểu diễn trên Hình 2.11 Có thể chia

đường cong sấy thành 3 phần tương ứng với 3 giai đoạn sấy:

- Giai đoạn đốt nóng A-B: là giai đoạn bắt đầu quá trình sấy Ở đây, nhiệt

độ VLS tăng rất nhanh nhưng độ ẩm trung bình của vật giảm không đáng kể Vì

vậy, nhiều tài liệu tham khảo bỏ qua giai đoạn này và xem quá trình sấy chỉ gồm

2 giai đoạn

- Giai đoạn tốc độ sấy không đổi B-C: trong giai đoạn này nhiệt độ vật nói

chung, nhiệt độ ở tâm và ở bề mặt vật nói riêng đạt đến một giá trị nhất định Độ

ẩm bốc hơi từ bề mặt VLS, tất cả nhiệt lượng cung cấp sẽ chi phí cho sự bốc ẩm

Nhiệt độ vật liệu giữ không đổi, độ ẩm vật liệu thay đổi nhanh Trong giai đoạn

này, tốc độ sấy không thay đổi theo thời gian

- Giai đoạn tốc độ sấy giảm dần C-D: là giai đoạn cuối của quá trình sấy

Khi đó, ẩm mao dẫn đã bay hơi gần hết và trong VLS chỉ còn lại chủ yếu là ẩm

dưới dạng hơi liên kết hấp phụ với VLK Ẩm liên kết này cần nhiều năng lượng

hơn để thoát ẩm nên độ ẩm trung bình thay đổi chậm hơn Vì vậy, người ta gọi

giai đoạn này là giai đoạn tốc độ sấy giảm dần Trong khi đó, VLS vẫn tiếp tục

được nhận nhiệt lượng từ tác nhân sấy (TNS) nên nhiệt độ VLS bắt đầu tăng

nhanh

Hình 2.11 Đường cong sấy

2.2.5.2 Đường cong tốc độ sấy

Như trên đã nói, đường cong tốc độ sấy là quan hệ dωtb/dT = f2(T) Đường

cong tốc độ sấy của các VLA khác nhau cho trên Hình 2.12 Nói chung trong hai

giai đoạn đầu: giai đoạn đốt nóng và giai đoạn tốc độ sấy không đổi với tất cả

các VLA gần như nhau Trong giai đoạn đốt nóng tốc độ sấy tăng nhanh và đạt

đến giá trị cực đại rồi giữ không đổi trong giai đoạn tốc độ sấy không đổi Đến

giai đoạn tốc độ sấy giảm dần thì tùy theo dạng liên kết ẩm mà tốc độ sấy có thể

giảm theo các đường 1,2,3; hay phức tạp hơn theo các đường 4, 5 hoặc 6

Trên Hình 2.12, đường 1 tương ứng với các VLA xốp mao dẫn có bán kính

mao dẫn lớn như giấy carton Đường 2 ứng với các VLA xốp mao dẫn có bán

kính mao dẫn bé hơn như các loại vải Đường 3 ứng với các VLA xốp mao dẫn

có bán kính mao dẫn cực bé như các loại sành sứ Điểm K1 là điểm kết thúc giai

đoạn tốc độ sấy không đổi Các đường 4, 5 và 6 đặc trưng cho các vật keo xốp

mao dẫn có cấu trúc phức tạp như các loại thực phẩm Với các VLA loại này,

ngoài điển K1 còn có điểm K2 chuyển tiếp giữa hai phần của giai đoạn tốc độ sấy

giảm dần (Trần Văn Phú, 2008)

Hình 2.12 Đường cong tốc độ sấy

2.3 Các phương pháp sấy

2.3.1 Sấy đối lưu

Sấy đối lưu là phương pháp sấy dùng dòng khí nóng (thường là không

khí) tiếp xúc trực tiếp và truyền nhiệt cho các VLA Ẩm từ vật liệu sẽ bay hơi

vào không khí nóng và khô, sau đó không khí này sẽ thoát hơi nước đi ra

ngoài hệ thống sấy (Nguyễn Minh Thủy và ctv., 2013)

Không khí được đốt nóng bởi lò đốt, sau khi được đốt nóng, nhiệt độ

không khí này thường rất cao, có khi lên tới 1000 oC, độ ẩm tuơng đối giảm,

sau đó khí nóng ra khỏi lò đốt được trộn với khí trời để hạ nhiệt độ xuống

đúng với nhiệt độ sấy theo yêu cầu

Quá trình đốt nóng khí sấy có thể thực hiện bằng hai cách:

- Đốt trực tiếp: khí sấy từ lò đốt được trộn với khí trời thành khí sấy rồi

thổi trực tiếp vào khối vật liệu

- Đốt gián tiếp: trong đó sản phẩm cháy từ lò đốt không tiếp xúc trực tiếp

với vật liệu sấy mà thuờng phải qua bộ phận trao đổi nhiệt để có được khí

sạch

Khí sấy đuợc chuyển vào buồng sấy, nơi có chứa VLS Sấy đối lưu được

sử dụng phổ biến hơn các phương pháp sấy khác, nó thường để sấy các loại

nông sản, thường với số lượng lớn

Tùy theo trạng thái của vật liệu trong buồng sấy mà có thể sấy tĩnh và sấy

động:

- Sấy tĩnh là quá trình sấy với lớp vật liệu đứng yên, chỉ có khí sấy di

chuyển qua VLS

- Sấy động là quá trình mà vật liệu luôn chuyển động thành dòng trong

khi đó khí sấy cũng đuợc thổi vào dòng vật liệu

Sấy đối lưu hay sấy kiểu dùng không khí đốt nóng có thể sấy theo các

hình thức: sấy theo mẽ, sấy vĩ ngang, sấy tĩnh dạng tháp, sấy tuần hoàn, sấy

liên tục, sấy đồng dòng, sấy ngược dòng, sấy đảo trộn và sấy không đảo trộn

2.3.2 Sấy chân không

Trong máy sấy chân không vật liệu cần sấy khô được đặt trong buồng

kín, không khí và ẩm được rút ra ngoài nhờ bơm chân không và trở thành

buồng chân không Trong buồng chân không có gia nhiệt để kích thích ẩm bốc

ra khỏi vật liệu và trong môi trường khô ráo bốc ra với áp suất thấp nên ẩm

bốc ra rất nhanh ngay cả khi không cần nhiệt độ cao; do đó tốc độ sấy được

nâng lên đáng kể, đồng thời còn tiết kiệm năng lượng

(http://www.buschvacuum.com)

Thiết bị sấy chân không được chia thành 2 loại: sấy vật liệu ở trạng thái

tĩnh và sấy vật liệu ở trạng thái động Máy sấy chân không khi vật liệu trong

buồng ở trạng thái tĩnh nên hình dáng vật liệu không bị phá hỏng, truớc khi

sấy khô có thể tiến hành xử lí thanh trùng, còn trong buồng sấy vậy liệu ở

trạng thái động vật liệu sấy luôn luôn được đảo trộn nên sấy khô đồng đều

hơn Ưu điểm của máy sấy chân không là: sấy nhanh, nâng suất cao, không

cần thời gian làm nóng sản phẩm và sản phẩm giữ được chất lượng cảm quan

và dinh dưỡng cao

2.4 Năng lượng vi sóng và môi trường chân không

2.4.1 Năng lượng vi sóng

Vi sóng là sóng điện từ (Hình 2.13) có bước sóng nằm từ 0,3 GHz đến 300

GHz Sóng điện từ là sóng ngang có thành phần điện tích dao động theo phương

thẳng đứng và thành phần điện tử dao động theo phương nằm ngang Tần số sóng

điện từ bằng tần số của điện tích dao động và vận tốc của nó trong chân không

bằng vận tốc ánh sáng trong chân không c = 3x108

Hầu hết các lò vi sóng gia dụng đều sử dụng tần số 2450 MHz, tần số này

còn được dùng trong công nghệ chế biến nông sản và thực phẩm Sự giới hạn

tần số nhằm ngăn ngừa sự gây trở ngại những tần số dành cho truyền thông

Hình 2.13 Sóng điện từ (Nguồn: http://www.moatel.com/board/faq.html)

2.4.1.1 Tính chất của sóng điện từ

Sóng điện từ phản xạ trên các mặt kim loại và giao thoa được với nhau đều

tuân theo các quy luật truyền thẳng, phản xạ, nhiễu xạ và khúc xạ Sóng cơ học

truyền được trong những môi trường đàn hồi, còn sóng điện từ thì nó tự truyền đi

mà không cần đến sự biến dạng của môi trường truyền đi cũng như sự biến dạng

của môi trường đàn hồi Năng lượng của vi sóng là năng lượng điện từ

Khi vi sóng chạm đến vật liệu, một phần năng lượng của nó bị phản xạ

trở lại, một phần đáng kể hơn sẽ bị vật liệu hấp thu Năng lượng này chuyển

hóa thành nhiệt lượng và giảm dần khi nó truyền đi trong vật liệu

2.4.1.2 Sự tác động của vi sóng lên vật liệu

Năng lượng vi sóng là một hình thức của nhiệt điện môi, các tính chất

điện môi là một trong những yếu tố quan trọng nhất của vi sóng Đối với một

chất được xử lý bằng lò vi sóng, cần phải có một cấu trúc phân tử phân cực

điện, như trong trường hợp của một phân tử nước

Phân tử nước (Hình 2.14) được cấu tạo bởi một nguyên tử oxy và hai

nguyên tử hydro Những điện tử có huynh hướng kéo về nguyên tử oxy, kết

quả là nguyên tử hydro bị mất bớt tính điện âm và có khuynh hướng dương

Nghĩa là trong phân tử nước có hai đầu dương của hydro và một đầu âm của

oxy Sự phân cực này tạo ra một điện trường nhỏ trong mỗi phân tử nước

Điều này gây cho mỗi phân tử nước trở nên rất nhạy cảm với tia sóng cực

ngắn (vi sóng)

Trong quá trình truyền dẫn nếu vi sóng gặp các kim loại sẽ phản xạ ra

hướng khác giống như ánh sáng chiếu vào gương; nếu gặp chất cách điện như

thủy tinh, sứ thì sẽ xuyên qua; nếu gặp thực phẩm thì vi sóng sẽ bị thực phẩm

hút

Hình 2.14 Phân tử nước

2.4.2 Môi trường chân không

Quá trình sấy là một quá trình tổng hợp của 3 quá trình vật lý cơ bản: quá

trình mao dẫn, quá trình bay hơi nước và quá trình khuếch tán ẩm Khi độ ẩm

của vật liệu lớn hơn điểm bảo hòa thì quá trình mao dẫn đóng vai trò di

chuyển ẩm của vật liệu Khi vật liệu khô dần và độ ẩm giảm xuống dưới điểm

bảo hòa thì quá trình di chuyển ẩm trong vật liệu là quá trình khuếch tán đơn

thuần

Quá trình bay hơi nước trên bề mặt vật liệu phụ thuộc vào các điều kiện

vật lý giữa không khí và nước Tốc độ bay hơi của nước vào không khí phụ

thuộc vào sự chênh lệch áp suất của hơi nước trên bề mặt vật liệu (ph) và áp

suất hơi nước của môi trường đặt vật (po)

Trong quá trình sấy chân không, nhiệt độ của VLS thấp, đôi khi thấp hơn

nhiệt độ của môi trường xung quanh Do đó, xảy ra sự trao đổi nhiệt giữa môi

trường xung quanh trong buồng sấy và vật liệu trong giai đoạn hút chân

không Nếu nhiệt độ của môi trường cao, sẽ có một khả năng truyền nhiệt

đáng kể làm ảnh hưởng đến quá trình sấy, đặt biệt là tốc độ sấy và chất lượng

VLS Chênh lệch áp suất hơi nước trong VLS và môi trường sấy được coi là

động lực thúc đẩy tốc độ dịch chuyển của ẩm của vật liệu trong quá trình sấy

Trong sấy chân không, sự chênh lệch áp suất này là động lực chính thúc

đẩy quá trình sấy Bởi nguyên lý cơ bản của sấy chân không đó là sự phụ

thuộc vào áp suất điểm sôi của nước Nếu hạ thấp áp suất trong một thiết bị

chân không xuống đến áp suất mà ở đó nước trong vật liệu bắt đầu sôi và bốc

hơi sẽ tạo nên một dòng ẩm chuyển động trong vật liệu theo hướng từ trong ra

bề mặt ngoài Điều này có nghĩa là ở một áp suất nhất định nước sẽ có một

điểm sôi nhất định, do vậy khi hút chân không sẽ làm cho áp suất trong vật

liệu giảm đi và đến mức nhiệt độ bên trong vật liệu đạt đến nhiệt độ sôi của

nước ở áp suất đó, nước trong vật liệu sẽ hóa hơi và làm tăng áp suất tạo nên

sự chênh lệch áp suất hơi Δp = (pbh – ph) giữa áp suất bảo hòa hơi nước trên bề

mặt vật liệu và áp suất hơi nước trong môi trường đặt vật sấy, đây chính là

điều kiện thúc đẩy quá trình di chuyển ẩm từ bên trong VLS ra bề ngoài mặt

bay hơi, giúp quá trình bay hơi diễn ra nhanh chóng VLS khô nhanh hơn rút

ngắn được thời gian sấy (Nguyễn Văn Lụa, 2014)

2.4.3 Sấy chân không kết hợp với vi sóng

Sấy bằng lò vi sóng trên rau quả thực phẩm cho thời gian sấy ngắn hơn

và chi phí năng lượng thấp hơn so với sấy bằng không khí nóng thông thường

(Yongsawatdigul and Gunasekaran, 1996) Không giống như các phương pháp

sấy khác, sự tác động của vi sóng lên thực phẩm qua sự lan truyền nhiệt lên

toàn bộ thực phẩm, nhiệt được tạo ra bên trong các lớp vật liệu và truyền năng

lượng bên trong thực phẩm trong suốt quá trình sấy nên không bị ảnh hưởng

bởi những hạn chế truyền tải nhiệt đặc biệt đối với những nguyên liệu có độ

nhớt cao (Krulis et al., 2005) Chính vì thế phương pháp sấy bằng vi sóng

nhanh hơn các phương pháp sấy khác Tuy nhiên khi áp dụng sấy vi sóng thì

nhiệt truyền không đều do vậy ảnh hưởng đến các mô bên trong thực phẩm

Để khắc phục được vấn đề này thì việc kết hợp giữa vi sóng với một phương

pháp sấy khác là một ý tưởng sáng tạo

Trong phương pháp sấy chân không, do trong môi trường chân không

thiếu oxy nên làm giảm các phản ứng xảy ra không mong muốn của thực

phẩm vì thế sản phẩm sấy khô có chất lượng cao hơn các phương pháp sấy

khác (Motevali et al., 2011b) Tuy nhiên phương pháp sấy chân không do tiêu

tốn nhiều năng lượng nên chỉ áp dụng cho các sản phẩm có giá trị cao và các

sản phẩm nhạy cảm với nhiệt (Motevali et al., 2011a; 2011b)

Theo Kim and Bhowmik (1995) và Abbasi and Azari (2009), phương

pháp chân không kết hợp với vi sóng khắc phục được nhược điểm của hai

phương pháp này là cải thiện hiệu quả năng lượng tiêu thụ và tăng chất lượng

sản phẩm sau khi sấy Với việc kết hợp hai phương pháp này được các nhà

khoa học ứng dụng trên một số rau quả thực phẩm và cho kết quả khả quan

như cà tím (Wu et al., 2007), đào (Wang và Sheng, 2006), nấm (Lombraña et

al., 2010, Motevali et al., 2011b), tỏi (Figiel, 2009) và nho (Caglar, 2009;

Ruiz Celma et al., 2009)

CHƯƠNG III PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Phương tiện nghiên cứu

3.1.1 Thời gian và địa điểm

Quá trình sấy chân không vi sóng, sấy chân không, sấy đối lưu được thực

hiện tại PTN Máy và Thiết bị chế biến LT – TP, Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí,

Khoa Công nghệ, Trường Đại học Cần Thơ và các quá trình đánh giá cảm

quan, phân tích giá trị dinh dưỡng (vitamin C) của các sản phẩm sau khi sấy

được tiến hành ở PTN Bộ môn Công nghệ Thực phẩm, Khoa Nông nghiệp và

Sinh học Ứng dụng, Trường Đại học Cần Thơ vào thời gian từ tháng 6/2014

Các hóa chất được dùng trong quá trình phân tích giá trị dinh dưỡng

(vitamin C) của các sản phẩm sau khi sấy bao gồm:

Những dụng cụ được dùng trong quá trình thí nghiệm và phân tích các

chỉ tiêu của các sản phẩm sau khi sấy gồm có:

a Thiết bị sấy chân không vi sóng

Thiết bị được sử dụng trong nghiên cứu là thiết bị sấy chân không vi

sóng WaveVac0150-lc (Hình 3.1), được sản xuất và thương mại bởi công ty

Püschner – Đức Việc nghiên cứu động học quá trình sấy được thực hiện tại

Phòng thí nghiệm máy và thiết bị chế biến lương thực – thực phẩm, khoa

Công Nghệ, Trường Đại học Cần Thơ

Hình 3.1 Thiết bị sấy chân không vi sóng

 Nguyên lý sấy chân không vi sóng

Sấy chân không vi sóng đã được nghiên cứu hơn 20 năm qua Với tần số

phát vi sóng 2450 MHz, điện trường do sóng điện từ này sinh ra có chiều thay

đổi 2450 triệu lần/giây, làm cho phân tử nước bên trong sản phẩm sẽ liên tục

đão chiều dao động 2450 triệu lần/giây Sự dao động của phân tử nước sẽ tạo

ra va chạm và gây ra ma sát giữa các phân tử nước với nhau, từ đó tạo ra nhiệt

lượng lớn làm nóng vật sấy Nước trong vật sấy sẽ được bốc hơi ra ngoài và

được hút về bơm chân không

 Cấu tạo thiết bị sấy chân không vi sóng WaveVac0150-lc

Thiết bị sấy vi sóng WaveVac0150-lc được thể hiện trong Hình 3.2,

bao gồm một số bộ phận chính sau:

Buồng sấy chân không: nguyên liệu sấy được đặt trong bình chân

không, chịu tác động của công suất phát vi sóng Trên lớp vỏ buồng sấy có hệ

thống gia nhiệt nhằm để tránh hiện tượng đọng sương của hơi nước Trong

buồng có một bàn quay có gắn loadcell dùng để chứa vật sấy

Bàn quay có loadcell: bàn quay được dùng để chứa vật liệu sấy, loadcell

được gắn phía dưới để có thể xác định được khối lượng mẫu sấy, khối lượng

hơi nước mất đi trong quá trình sấy

Hệ thống phát vi sóng: là hệ thống đèn magnetron dùng để phát vi sóng,

tạo ra nguồn năng lượng điện từ để nung nóng vật sấy trong quá trình sấy Vi

sóng được phát từ nguồn phát, sau đó được hệ thống ống dẫn sóng dẫn vào

buồng sấy chân không; công suất vi sóng có thể đạt đến 2000 W

Bơm chân không: dùng để tạo độ chân không trong buồng sấy, độ chân

không có thể đạt được là 20 mbar

IR camera: dùng để xác định nhiệt độ trên bề mặt của vật liệu sấy

Màn hình hiển thị và điều khiền PLC: tất cả các thông số cài đặt của

máy có thể được thiết lập nhờ vào màn hình điều khiển PLC Ngoài ra, sự thay

đổi của các thông số nhiệt độ, áp suất chân không, khối lượng ẩm mất đi đều

được hiển thị trên màn hình này Bên cạnh đó, máy có thể được kết nối với

máy tính và quá trình sấy được thực hiện nhờ vào các chương trình được xây

dựng với phần mềm WaveCAT

Cửa buồng sấy và ống quan sát: vật liệu sấy được quan sát nhờ vào

ống kính quan sát đặt trên cửa buồng sấy Trong quá trình sấy, cửa phải đảm

bảo được đóng kín để đảm bảo độ chân không và tránh rò vi sóng ra ngoài

Hình 3.2 Sơ đồ cấu tạo của hệ thống thiết bị sấy chân không vi sóng

WaveVac0150-lc

 Nguyên lý làm việc

Vật liệu sấy được xác định khối lượng và ẩm độ ban đầu, được đặt trên

bàn quay trong buồng sấy chân không Các thông số về công suất phát vi sóng