NGHIÊN cứu ĐỘNG học QUÁ TRÌNH sấy RAU QUẢ BẰNG máy sấy CHÂN KHÔNG VI SÓNG

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng sản phẩm sấy có chất lượng cao về màu sắc, cấu trúc, ít bị co rút bề mặt khi so với các phương pháp sấy đối lưu và sấy chân không có gia nhiệt.. Trong sấ

NGHIÊN C ỨU ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SẤY RAU QUẢ

B ẰNG MÁY SẤY CHÂN KHÔNG VI SÓNG

RESEARCH ON KINETICS OF FRUIT AND VEGETABLE DRYING PROCESS

BY MICROWAVE VACUUM DRYER

TS Nguy ễn Văn Cương1a*, TS Nguy ễn Văn Khải1b

1Khoa Công Nghệ, Đại học Cần Thơ

a nvcuong@ctu.edu.vn; b nvkhai@ctu.edu.vn

Sấy chân không vi sóng là một trong những kỹ thuật sấy tiên tiến được ứng dụng để sấy các

sản phẩm chất lượng cao Trong sấy chân không vi sóng, nhiệt được tạo ra trong toàn bộ thể tích

sản phẩm, bằng việc chuyển trực tiếp năng lượng điện từ thành năng lượng chuyển động phân tử nước trong sản phẩm, ở điều kiện chân không Bài viết này trình bày những kết quả nghiên cứu động học quá trình sấy chân không vi sóng đối với xoài cát, khóm và tôm sú trên máy sấy chân không vi sóng µWaveVac0150-lc (Püschner – Đức) ở những điều kiện khác nhau về áp suất chân không và mức phát năng lượng vi sóng Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng sản phẩm sấy có chất lượng cao về màu sắc, cấu trúc, ít bị co rút bề mặt khi so với các phương pháp sấy đối lưu và sấy chân không có gia nhiệt Thời gian sấy giảm từ 14 ÷ 15 giờ (khi sấy đối lưu không khí nóng) và từ 7÷ 9 giờ (khi sấy chân không có gia nhiệt) còn khoảng 12÷ 70 phút (khi sấy chân không vi sóng)

Tốc độ sấy bằng chân không vi sóng có thể đạt được giá trị 6 ÷ 7% ẩm/phút, 8 ÷ 10% ẩm/phút và

12 ÷ 14% ẩm/phút tương ứng với xoài, khóm và tôm sú Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng hệ

số khuếch tán ẩm trong quá trình sấy (Deff) có giá trị cao hơn khoảng 25÷50 lần so với phương pháp sấy đối lưu; tương ứng đối với xoài, khóm và tôm sú lần lượt là 3,6 ÷ 5,3*10-9 m2/s, 1,8 ÷ 3,8*10-9 m2/s và 4,0 ÷ 6,7*10-9 m2/s

Từ khóa: sấy chân không vi sóng, động học quá trình sấy, hệ số khuếch tán ẩm, sấy

rau quả

ABSTRACT

Microwave vacuum drying is one of the advanced drying techniques which are applied to dryhigh quality products In microwave vacuum drying, the heat is generated in the entire volume of product.Electrical energy is directly converted into motion energy of water molecules inside the product in vacuum condition This paper presents the study results of the kinetic of microwave vacuum drying for mango, pineapple and shrimp on dryer µWaveVac0150-lc (Puschner - Germany), in different conditions of vacuum pressure and microwave energy level The results showed that dried products have the high-quality of color, structure, surface shrinkage in comparison to products dried by the convective drying and vacuum drying Drying time reduced from 14 ÷ 15 hours (with hot air convection drying) and from 7 ÷ 9 hours (with vacuum drying) to about 12 ÷ 70 minutes (with microwave vacuum drying) Drying ratio of microwave vacuum drying can reach to 6 ÷ 7% /min, 8 ÷ 10% /min and

12 ÷ 14%/min with mango, pineapple and shrimp, respectively The results also showed that the values of effective diffusivity coefficient (Deff) of moisture during microwave vacuum drying process are about 25 ÷ 50 times superior than that obtained from the convection drying method The Deff corresponding to the mango, pineapple and shrimp are 3,6 ÷5,3*10-9 m2/s, 1,8 ÷ 3,8*10-9m2/s and 4,0 ÷ 6,7*10-9m2/s, respectively

Keywords: microwave vacuum drying, drying kinetics, effective diffusivity coefficient,

fruit and vegetable drying

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Sấy chân không vi sóng là một công nghệ sấy tiên tiến được ứng dụng trong lĩnh vực sấy các dược phẩm, sản phẩm thực phẩm có giá trị dinh dưỡng cao, cũng như trong sấy và bảo quản rau quả Trong sấy chân không vi sóng, năng lượng điện từ của vi sóng được chuyển trực tiếp

thành năng lượng chuyển động của phân tử nước trong sản phẩm, nhiệt được sinh ra bên trong

sản phẩm do sự ma sát giữa các phân tử nước khi đổi chiều ở điều kiện chân không Vi sóng có

thể truyền sâu vào bên trong vật liệu, nhiệt được sinh ra bên trong toàn bộ thể tích sản phẩm, làm cho tốc độ bốc hơi ẩm tăng [1] Môi trường chân không trong quá trình sấy tạo ra một sự chênh lệch áp suất hơi nước, làm giảm nhiệt độ bay hơi nước Sự giảm áp suất môi trường làm cho sự thoát hơi nước trong các lỗ rỗng của vật liệu dễ dàng hơn Do đó, trong sấy chân không

sẽ giảm được nhiệt độ sấy, cải thiện được chất lượng của sản phẩm sấy [2] Khi kết hợp phương pháp sấy chân không và năng lượng vi sóng sẽ làm tăng hiệu suất năng lượng sấy, quá trình gia nhiệt trong vật liệu đồng đều hơn, giảm thời gian sấy, tăng chất lượng sản phẩm, giảm được

những phản ứng không mong muốn xảy ra đối với sản phẩm dễ bị oxy hóa Với phương pháp

sấy chân không vi sóng, sản phẩm sấy có cấu trúc và màu sắc tốt, giảm độ co rút bề mặt, thời gian sấy giảm nhiều khi so sánh với các phương pháp sấy khác [3] Động học quá trình sấy chân không vi sóng đã được nghiên cứu khá nhiều với những mô hình toán học khác nhau, đối với các loại thực phẩm rau quả như dâu tây [4], cà rốt [5], nấm rơm [6], tỏi [7], khoai tây [8] và một

số sản phẩm khác

Ở Việt Nam, cho đến nay chưa có nhiều ứng dụng phương pháp sấy chân không vi sóng, chưa có những nghiên cứu sâu về động học quá trình sấy các sản phẩm với thiết bị sấy chân không vi sóng Trong nghiên cứu này, động học quá trình sấy các sản phẩm xoài cát, khóm và tôm sú được thực hiện bằng thiết bị sấy chân không vi sóng µWaveVac0150-lc (Püschner – Đức) Hệ số khuếch tác ẩm được tính toán phân tích dựa trên cơ sở ứng dụng định luật 2 của Fick và giải pháp Crank [9] Các thí nghiệm được thực hiện tại Phòng thí nghiệm máy và thiết bị

chế biến lương thực – thực phẩm, Khoa Công nghệ - Đại học Cần Thơ

2.1 Vật liệu thí nghiệm

Xoài cát có độ ẩm (80 ± 1)% (wb) được cắt thành lát mỏng có bề dày 5 mm Mẫu sấy có

khối lượng 100 g được sấy chân không vi sóng ở điều kiện áp suất 60 ÷ 100 mbar, với ba mức năng lượng là 800 ÷ 600 W, 500 ÷ 300 W và 250 ÷ 150 W Xoài sấy thu được có độ ẩm là 5% Khóm có độ ẩm ban đầu là (82± 1)% (wb) được gọt vỏ, cắt thành lát mỏng bề dày 5 mm

Mẫu được sấy bằng chân không vi sóng ở độ chân không từ 60 ÷ 120 mbar, năng lượng phát vi sóng 150 ÷ 250 W Khóm sấy có độ ẩm là 4%

Tôm sú có độ ẩm (81±1)% (wb) được bóc vỏ trước khi sấy Mẫu tôm được sấy chân không vi sóng ở điều kiện áp suất 60 ÷ 120 mbar, cường độ vi sóng là 300 ÷ 500 W Tôm sú sau khi sấy có độ ẩm 8%

Nhiệt độ sản phẩm trong sấy chân không vi sóng dao động từ 40°C đến 46°C tùy theo điều kiện phát năng lượng vi sóng Các mẫu đối chứng của từng sản phẩm được sấy đối lưu không khí nóng ở nhiệt độ 60 °C, và sấy chân không ở 70 mbar, 60°C với các thiết bị sẵn có ở phòng thí nghiệm

2.2 Thiết bị sấy chân không vi sóng µWaveVac0150-lc

Thí nghiệm sấy được thực hiện trên thiết bị sấy chân không vi sóng µWaveVac0150-lc,

cấu tạo của thiết bị được trình bày ở Hình 1 Vật liệu sấy được xác định khối lượng và độ ẩm ban đầu, sau đó mẫu thí nghiệm được đặt lên bàn quay trong buồng sấy Các chế độ sấy được thiết

lập và cài đặt thông số trên màn hình điều khiển PLC, hoặc bằng chương trình máy tính Trong quá trình sấy, khối lượng mẫu, lượng ẩm bay hơi, nhiệt độ, áp suất trong buồng sấy được giám

sát qua màn hình PLC và được ghi nhận lại thông qua loadcell và bộ điều khiển Khi độ ẩm vật

liệu sấy đạt yêu cầu, quá trình sấy kết thúc và sản phẩm được tháo ra ngoài Thiết bị hoạt động được nhờ sự hỗ trợ của bơm chân không, bộ phận phát vi sóng và các ống dẫn vi sóng Áp suất chân không trong buồng sấy có thể đạt30 mbar, cường độ phát năng lượng vi sóng có điều chỉnh giá trị từ 0 đến 2000 W

Hình 1: Thi ết bị sấy chân không vi sóng µWaveVac0150-lc 2.3 Phương pháp nghiên cứu

2.3.1 Phương pháp bố trí thí nghiệm

Thí nghiệm sấy chân không vi sóng được thực hiện với 2 yếu tố, ở 5 mức độ (-α; -1; 0; +1; +α) bằng phương pháp bố trí thành phần trung tâm (RSM) Động học quá trình sấy của từng

mẫu được xác định bằng cách xác định khối lượng mẫu trong quá trình sấy Các giá trị thông số

áp suất chân không, cường độ vi sóng được thể hiện trong Bảng 1

2.3.2 Xác định động học quá trình sấy

Động học quá trình sấy được xác định dựa trên phương pháp của Mounir và Allaf [10], trong đó hệ số khuếch tán ẩm (Deff) được tính toán dựa theo định luật 2 của Fick Khối lượng

sản phẩm sấy được ghi nhận ở những thời điểm khác nhau trong suốt thời gian sấy để xây dựng đường cong sấy Quá trình khuếch tán ẩm bên trong vật liệu được giả thiết theo trục bề dày của

vật sấy Ở giai đoạn cuối quá trình sấy, giả sử vật liệu không bị co rút bề mặt, bằng cách sử dụng các giá trị ban đầu và điều kiện biên thích hợp, Crank đưa ra phân tích các giải pháp hình học khác nhau và xem vật liệu sấy (xoài, khóm, tôm) dạng tấm phẳng, phương trình 2 của Fick với

giải pháp Crank có thể được áp dụng Phương trình ẩm được xác định theo công thức (1)

𝑀𝑀𝑀𝑀 = W∞ −W

W ∞ −W o= ∑ A∞ iexp (−qi2t)

Khai triển Taylor phương trình (1) và chỉ xác định giá trị số hạng thứ nhất, bỏ qua các số

hạng từ thứ 2 trở đi, có thể xác định một cách gần đúng phương trình:

𝑀𝑀𝑀𝑀 = W∞ −W

W∞−Wo= A exp (−π2Deff

Trong đó:

Wo, W,W∞: độ ẩm của sản phẩm ở thời điểm ban đầu t → 0, thời điểm t và khi t →∞

Aivà qi: các hệ số Crank, phụ thuộc vào hình dạng hình học của sản phẩm

dp: nửa bề dày của sản phẩm theo hướng truyền ẩm trong sản phẩm được xem như vật

liệu đồng chất, đẳng hướng

Hàm Ln(MR) = f(t) thể hiện quan hệ hồi quy giữa logarit độ giảm ẩm với thời gian sấy và

là một hàm bậc nhất với hệ số góc k =π2.𝐷𝐷𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒

4dp 2 ln(MR)= ln �𝜋𝜋82� − (π2.𝐷𝐷𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒

Bằng việc xây dựng đồ thị và xác định giá trị hệ số góc k, hệ số khuếch tán ẩm bên trong

vật liệu trong quá trình được xác định:

3.1 Đường cong giảm ẩm của quá trình sấy

Đường cong giảm ẩm của quá trình sấy đối với xoài cát thể hiện ở Hình 2 Kết quả nghiên

cứu cho thấy rằng: thời gian sấy xoài bằng phương pháp chân không vi sóng (45 phút) giảm đi 10

lần so với sấy chân không (450 phút), giảm 19 lần so với sấy đối lưu không khí nóng (870 phút) Đối với khóm, thời gian sấy chân không vi sóng giảm 8 lần so với sấy chân không, giảm 12

lần so với sấy đối lưu Để thu được sản phẩm sấy có độ ẩm 4%, thời gian sấy là 70 phút, 570 phút

và 840 phút lần lượt đối với sấy chân không vi sóng, sấy chân không và sấy đối lưu (Hình 3)

Hình 2: Đường cong sấy đối với xoài Hình 3: Đường cong sấy đối với khóm

Trong trường hợp tôm sú, kết quả thí nghiệm cho thấy thời gian sấy chân không vi sóng là

12 phút, giảm đi 45 lần so với sấy chân không (550 phút), và giảm 82 lần so với sấy đối lưu không khí nóng (990 phút), để có được tôm sấy với độ ẩm 8% (Hình 4)

Hình 4: Đường cong sấy đối với tôm sú

Tốc độ sấy (tốc độ thoát ẩm) trung bình trong quá trình sấy bằng chân không vi sóng có

thể đạt được giá trị 6 ÷ 7 % ẩm/phút, 8 ÷ 10 % ẩm/phút và 12 ÷ 14 % ẩm/phút tương ứng với sản

phẩm xoài, khóm và cà rốt

3.2 Xác định hệ số khuếch tán (D eff ) c ủa quá trình sấy

Theo phân tích để xác định hệ số khuếch tán ẩm, đồ thị hàm số𝐿𝐿𝐿𝐿 �𝑊𝑊∞−𝑊𝑊

𝑊𝑊∞−Wo� = 𝑓𝑓(𝑡𝑡) được xác định ứng với từng thí nghiệm sấy, các đường thẳng tiếp cậm với các đường cong này thu được với R² ≥ 0,89 đối với xoài, R² ≥ 0,84 đối với khóm và R² ≥ 0,94 đối với tôm sú Từ đó, các

hệ số k được xác định và cho phép tính toán hệ số khuếch tán ẩm bên trong vật liệu sấy theo công thức 4 Các kết quả thí nghiệm sấy với các phương pháp được thể hiện trong Bảng 1

Hệ số khuếch tán của quá trình sấy chân không vi sóng có giá trị từ 3,6 ÷ 5,3*10-9 m2s-1 đối với xoài, 1,8 ÷ 3,8*10-9 m2s-1đối với khóm, 4,0 ÷ 6,7*10-9 m2s-1đối với tôm

Giá trị hệ số khuếch tán ẩm trong quá trình sấy của sấy chân không vi sóng lớn hơn khoảng 25 lần so với phương pháp sấy chân không, 50 lần so với phương pháp sấy đối lưu Điều này cho thấy rằng, sự khuếch tán ẩm bên trong vật liệu khi sấy chân không vi sóng diễn ra dễ dàng hơn, nhờ vào sự gia tăng áp suất hơi nước trong vật liệu khi gia nhiệt sản phẩm

B ảng 1: Bảng kết quả thí nghiệm sấy xoài, khóm và tôm sú bằng các phương pháp sấy

S ản

ph ẩm trước & sau Độ ẩm (%)

khi s ấy

S ấy chân không

vi sóng (a)

S ấy chân không (b)

S ấy đối lưu (c)

Th ời gian sấy (phút)

(m 2 s -1 )

Trước Sau P ck

(mbar)

Vi sóng (W)

P ck

(mbar)

T (°C)

T (°C) (a) (b) (c)

150 ÷ 800

7 (a)3,6÷5,3*10 -9

(b) 1,3*10-10

(c) 0,7*10-10

150 ÷ 250

6 (a)1,8÷3,8*10 -9

(b)- (c)

300 ÷ 500

9 (a)4,0÷6,7*10 -9

(b) -

(c)-Hình 5: (c)-Hình d ạng và màu sắc sản phẩm xoài, khóm và tôm sấy

a Sấy chân không vi sóng, b Sấy chân không, c Sấy đối lưu không khí nóng

3.3 Đánh giá cảm quan của sản phẩm sấy

Kết quả thí nghiệm cho thấy màu sắc của sản phẩm xoài, khóm và tôm sau khi sấy đối với

sấy chân không vi sóng tốt hơn so với sấy chân không và sấy đối lưu không khí nóng Tất cả các

mẫu sấy chân không vi sóng đều có màu sắc tươi, sáng, có hình dạng không bị co rút bề mặt (xem Hình 5)

Cấu trúc bên trong của sản phẩm được xác định bằng kính hiển vi soi nổi (Viewpoint 650/VT1) Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy có sự thay đổi cấu trúc bên trong của sản phẩm

sấy đối với từng phương pháp sấy Trong đó, sản phẩm sấy bằng chân không vi sóng có cấu trúc

xốp hơn, với các lỗ rỗng bên trong, điều này giải thích cho quá trình khuếch tán ẩm và thời gian

sấy nhanh so với các phương pháp khác (Hình 6)

Hình 6: C ấu trúc sản phẩm trước và sau khi sấy được chụp từ kính hiển vi

4 K ẾT LUẬN

Động học quá trình sấy chân không vi sóng với các sản phẩm xoài, khóm và tôm sú đã được nghiên cứu.Những kết quả nghiên cứu cho thấy rằng các sản phẩm được sấy chân không vi sóng cho chất lượng màu sắc cao, hình dạng tốt, hệ số khuếch tán ẩm cao, tốc độ giảm ẩm lớn So với các phương pháp sấy chân không và sấy đối lưu không khí nóng, sấy chân không vi sóng có nhiều

ưu điểm vượt trội, đặc biệt thời gian sấy giảm đi rất nhiều; chỉ cần từ 45 đối với xoài, 70 phút với khóm, 12 phút đối với tôm để có thể làm khô sản phẩm đạt yêu cầu Nghiên cứu động học quá trình sấy cho thấy việc nghiên cứu chế tạo máy sử dụng năng lượng vi sóng là điều cần được quan tâm trong việc phát triển thiết bị sấy trong tương lai

[1] Krulis M., Kuhnert S., Leiker M., Rohm H., Influence of energy input and initial moisture

on physical properties of microwave-vacuum dried strawberries European Food Resource Technology, 2005, vol 221, pp.803-08

[2] Jaya S., Das H., A vacuum drying model for mango pulp Drying Technology, 2003,

vol.21(7), pp.1215-34

Cấu trúc xoài sấy

1 S ản phẩm tươi

2 S ấy đối lưu

3 S ấy chân không

Cấu trúc khóm sấy

1 S ản phẩm tươi

2 S ấy đối lưu

3 S ấy chân không

C ấu trúc tôm sấy

1 S ản phẩm tươi

2 S ấy đối lưu

3 S ấy chân không

[3] Figiel A., Drying kinetics and quality of beetroots dehydrated by combination of

convective and vacuum-microwave methods Food Engineering, 2010, vol.98, pp.461-70

[4] Kaensup W., Chutima S., Wongwises S., Experimental study on drying of chilli in a

combined microwave–vacuum-rotary drum dryer Drying Technology, 2002, vol 20,

pp.2067-79

[5] Zheng-Wei C., Shi-Ying X., Da-Wen S., Microwave-vacuum drying kinetics of carrot

slices.Food Engineering, 2004, vol 65, pp.157-64

[6] Giri S.K., Suresh P., Drying kinetics and rehydration characteristics of microwave-vacuum

and convective hot-air dried mushrooms Food Engineering, 2007, vol 78, pp.512-21

[7] Figiel A., Drying kinetics and quality of vacuum-microwave dehydrated garlic cloves and

slices Food Engineering, 2009, vol.94, pp.98-104

[8] Bondaruk J., Markowski M., Błaszczak W., Effect of drying conditions on the quality of

vacuum-microwave dried potato cubes.Food Engineering, 2007, vol.81, pp.306-12

[9] Crank J., The mathematics of diffusion, 2ndEdition Oxford University Press, 1975

[10] Mounir S., Allaf K., Study and modeling of solvent extraction kinetics within expanded

granule powder 10 th International Conference on Modelling & Applied Simulation (MAS),

Italy, 2011

1 TS Nguy ễn Văn Cương Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí, Khoa Công Nghệ, Đại học Cần Thơ

Email: nvcuong@ctu.edu.vn, Điện thoại: 0989909034

2 TS Nguy ễn Văn Khải Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí, Khoa Công Nghệ, Đại học Cần Thơ

Email: nvkhai@ctu.edu.vn, Điện thoại: 0904454885