Báo cáo rất đầy đủ, chi tiết được thực hiện bởi nhóm học viên sau đại học tại Đại học Bách khoa TPHCM. Bài báo cáo khái quát những đặc điểm của cây đậu nành, những đặc điểm của trái đậu nành non. Từ đó đặt ra các giả thuyết để xây dựng thành công mô hình toán cho quá trình truyền nhiệt khi chần đậu nành trong nước sôi. Bài báo là tài liệu tham khảo quan trọng cho các học viên sau đại học đang học tại ĐHBK TPHCM.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM
KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
BÀI TẬP LỚN TRUYỀN NHIỆT
Trang 2I TỔNG QUAN VỀ ĐẬU NÀNH VÀ CHẦN ĐẬU NÀNH 4
1 Khái quát về cây đậu nành và thành phần dinh dưỡng 4
1.1 Đặc điểm sinh học 4
1.2 Thành phần dinh dưỡng của đậu nành 6
2 Quá trình chần thực phẩm 9
2.1 Cơ sở khoa học 9
2.2 Mục đích công nghệ và phạm vi thực hiện 9
2.3 Các yếu tố ảnh hưởng 10
2.4 Các biến đổi của nguyên liệu 10
2.5 Mô hình thiết bị chần 12
3 Chần đậu nành 13
3.1 Sơ đồ chần đậu nành 13
3.2 Quy trình thực hiện 14
3.3 Tiêu chuẩn trực quan của trái đậu sau khi chần 14
3.4 Tiến hành thí nghiệm 14
II MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA QUÁ TRÌNH 15
1 Phương trình cân bằng nhiệt lượng 16
1.1 Phương trình vi phân cơ bản 16
1.2 Các điều kiện đơn trị 16
2 Giải phương trình vi phân cơ bản 16
III TÍNH THỬ KẾT QUẢ XỬ LÝ SẢN PHẨM 17
IV NHẬN XÉT QUÁ TRÌNH VÀ ƯU NHƯỢC ĐIỂM 18
1 Nhận xét và so sánh với thực nghiệm 18
2 Ưu nhược điểm của mô hình toán đã dùng ở trên 19
2.1 Ưu điểm 19
2.2 Nhược điểm 19
V ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 19
1 Mô hình tính toán khác 19
1.1 Tính nhiệt độ tâm trái đậu sau khi chần 19
Trang 31.2 Nhiệt lượng truyền vào trái đậu Q 20
2 Phương hướng cải thiện mô hình 20
VI Ý KIẾN RIÊNG CỦA CÁC THÀNH VIÊN TRONG NHÓM 20
TÀI LIỆU THAM KHẢO 21
I TỔNG QUAN VỀ ĐẬU NÀNH VÀ CHẦN ĐẬU NÀNH
1 Khái quát về cây đậu nành và thành phần dinh dưỡng
- Ngành: Magnoliophyta
- Lớp: Magnoliopsida
Trang 4khuẩn Rhizobium japonicum sinh sống Vi khuẩn này hình gậy, sống trong đất, có
khả năng đi vào rễ và cố định đạm từ khí trời Một cây đậu có khoảng vài trăm nốtsần phân bố trên các rễ ở độ sâu 1m Vi khuẩn thường xuyên thâm nhập vào rễ, ởphần giữa đỉnh rễ và long hút nhỏ nhất tạo thành một chuỗi nhiễm là một ống có lỗ
hở Mỗi vi khuẩn được bao bọc một màng tạo thành túi, nếu vi khuẩn đi vào chấtnguyên sinh của tế bào rễ mà không được bọc màng thì nốt sần nó tạo thành không
có tác dụng Nốt sần có tập tính sinh trưởng hữu hạn và bám vào rễ, phần giữa nốtsần là tế bào nhu mô túi Bacteroids Nốt sần có thể tăng trưởng đến 60 ngày thì bắtđầu giảm tuổi thọ và tiến ra ngoài và cuối cùng bị thối Đạm được cố định ởBacteroids Sản phẩm đầu tiên của cố định đạm là NH3 hầu hết là do vi khuẩn
Brady Rhizobium japonicum tiết ra, NH3 sau đó chuyển hóa vào glutamine vàglutamate ở cylosol tế bào chủ, các nhà khoa học cũng cho rằng NH3 oxi hóa thành
NO3- trong Bacteroids
Thân: đậu nành có màu xanh hoặc tím ít phân cành, có từ 14 -15 lóng, chiều
cao cây trung bình từ 0,5 - 1,2 m
Lá: gồm có các dạng lá theo từng thời kỳ sinh trưởng, phát triển của cây: lá
mầm, lá đơn và lá kép có 3 lá chét
Hoa: Cây đậu nành có nhiều hoa nhưng tỷ lệ hoa không thành quả chiếm
đến 20-80% Hoa đậu nành thuộc hoa cánh bướm, ống đài năm cánh không bằng
Trang 5nhau, mọc thành chùm trung bình mỗi chùm có từ 7 – 8 hoa, hoa có màu tím hoặctrắng Tràng hoa gồm cánh hoa cờ phía sau, hai cánh bên và cánh thìa phía trướctiếp xúc nhau nhưng không dính vào nhau Bộ nhị gồm 10 nhị chia làm hai nhóm,nhóm 1 gồm 9 nhị và cuống dính nhau thành 1 khối, nhóm hai chỉ có một nhụyhoa, nhụy hoa có một noãn Vòi nhụy cong về phía nhị.
Trái: Thuộc loại quả nang tự khai, bên ngoài vỏ có lớp lông mọc theo cụm,
từ ba đến năm cụm, mỗi quả dài từ 3-8cm, mỗi quả thường có 2-3 hạt, có khi có 4hạt, đường kính hạt 5-11mm
Hạt: hạt có hình tròn, bầu dục, tròn dẹp; màu vàng, vàng xanh, nâu đen.
Trọng lượng hạt: 7 - 25g/100 hạt Hạt đậu nành cũng như hạt của nhiều họ đậukhác là không có nội nhũ mà chỉ có một lớp vỏ bao quang một phôi lớn Hình dạnghạt co hình cầu, dẹt, dài và oval Ở hạt trưởng thành đầu của rốn là lỗ nõn, lỗ nàyđược bao phủ bởi một lớp màng, ở đầu kia là rãnh nhỏ Vỏ hạt đậu nành gồm balớp: biểu bì, hạ bì, và lớp nhu mô bên trong
Hình 1.2 Trái và hạt đậu nành
1.2 Thành phần dinh dưỡng của đậu nành
Bảng 1.1 Thành phần hóa học của các bộ phận ở đậu nành
Trang 6Bảng 1.2 Thành phần hóa học của đậu nành
1.2.1 Protein và các acid amine
Thành phần protein tổng trong hạt đậu nành dao động từ 29.6-50.5% (trungbình là 36-40%) Các nhóm protein đơn giản (% so với tổng protein): albumin (6-8%), globulin (25-34%), glutelin (13-14%), prolamin chiếm lượng nhỏ không đángkể
Globulin đậu nành được chia thành bốn phân đoạn theo đơn vị lắngSvedberg khi hòa tan trong dung dịch đệm phosphate ở pH 7.6, bốn phân đoạn nàybao gồm: 2S (15%), 7S (34%), 11S (41.9%), và 15S (9.1%) Phân đoạn 11S và15S là những protein tinh khiết chứa glycinin và polymer của glycinin Phân đoạn
Trang 77S thì ít đồng nhất hơn, thành phần chính là β-conglycinin, chiếm tỷ lệ thấp hơn làγ-conglycinin, lipoxygenase, α-amylase và hemagglutenin Phân đoạn 2S bao gồmchất ức chế trypsin, cytochrome C và α-conglycenin.
Về mặt dinh dưỡng, protein đậu nành đứng đầu trong nguồn đạm từ thực vật,khơng những cĩ hàm lượng protein cao mà cịn về chất lượng của các loại proteinnày
Protein đậu nành dễ tan trong nước, cĩ nhiều các acid amin thiết yếu, trừmethionine và tryptophan, chứa khá nhiều lysine thường dùng bổ sung vào các sảnphẩm từ ngũ cốc khác
Bảng 1.3 Thành phần amino acid trong protein đậu nành
1.2.2 Lipid
Chất béo trong đậu nành dao động từ 13.5-24%, trung bình 18% Trong đĩ,các acid béo no (acid stearic, acid archidonic) chiếm khoảng 6.4-15.1% và các acidbéo khơng no (acid enoleic, acid linoleic, acid linolenic, acid oleic) chiếm 80-93.6% Trong dầu đậu nành cịn chứa một lượng nhỏ phosphatid, đặc biệt nhiềulecithin cĩ nhiều tác dụng tốt cho sức khỏe
- Chỉ số Iốt của đậu nành là 122 150
- Chỉ số xà phòng của đậu nành từ 188 195 mg
1.2.3 Carbohydrate
Trang 8Carbohydrate trong đậu nành chiếm khoảng 34% trọng lượng khô, với lượngtinh bột không đáng kể Carbohydrate được chia làm hai loại: loại tan trong nướcnhư: sucrose (2.5-8.2%), raffinose (0.1-1.0%), stachyose (1.4-4.1%) Với raffinose
và stachyose có vai trò trong việc bảo vệ hạt đậu trong điều kiện khô hạn, khôngphải là những đường có thể tiêu hóa và do đó chúng góp phần làm đầy hơi và khóchịu ở người và các động vật sử dụng sản phẩm đậu nành Các loại carbohydratkhông tan là những polysaccharide phức tạp như: cellulose, hemicelluloses, pectin
Đậu nành chứa nhiều vitamin có lợi cho sức khỏe
Bảng 1.5: Thành phầm vitamin trong đậu nành
1.2.6 Một số thành phần khác
* Isoflavone: Đậu nành còn chứa các isoflavone genistein và daidzein, là
các dạng của phytoestrogen, thành phần được cho là hữu ích trong phòng chốngbệnh ung thư và các rối loạn nội tiết tố Hàm lượng isoflavone trong đậu nành theo
Trang 9trọng lượng khô là 3mg/g Isoflavone là những hợp chất phenol, được sản xuất bởicác cây họ đậu và các loại hạt khác (kể cả đậu phộng và đậu xanh)
* Glyceollin: là những phân tử thuộc họ pterocarpan, được tìm thấy trong
đậu nành và có hoạt động kháng nấm mốc đối với nấm Aspergillus sojae, thườngđược sử dụng để lên men đậu nành sản xuất nước tương
* Các enzyme:
- Urease: chống lại sự hấp thụ các chất đạm qua ruột do đó không nên ăn
đậu nành sống
- Lipase: thủy phâ glycerid tạo thành glycerin và acid béo
- Phospholipase: thủy phân este của acid acetic
- Lipoxygenase: xúc tác phản ứng chuyển H2 trong acid béo
* Các chất màu: như clorofil, xantofil,…có hàm lượng trong hạt và dầu rất
ít nhưng có cường độ mạnh, tan mạnh trong dầu nhất là ở nhiệt độ cao
2 Quá trình chần thực phẩm
2.1 Cơ sở khoa học
Chần là một trong các quá trình xử lý các nguyên liệu thực phẩm bằng nhiệt,thực hiện bằng cách nhúng nguyên liệu vào nước hay dung dịch, tùy theo tính chấtnguyên liệu và yêu cầu chế biến ở nhiệt độ 75-1000C trong thời gian 3-15 phút
- Làm giảm tỷ lệ tổn thất nguyên liệu, nâng cao hiệu suất chế biến: Đối vớinguyên liệu thực vật, quá trình chần làm cho tinh bột bị hồ hóa, giúp nguyên liệu
Trang 10đàn hồi, khó gẫy vỡ khi xếp hộp Mặt khác, khi chần protopectin thủy phân thànhpectin hòa tan, làm cho việc bóc vỏ bỏ hạt nhanh và phế liệu ít Làm tăng độ thẩmthấu của chất nguyên sinh, làm cho dịch bào thoát ra dễ dàng (khi ép nước quả)hoặc dung dịch nước rót dễ ngấm vào nguyên liệu (trong sản xuất quả nước đường,mứt miếng, rau ngâm giấm) Đối với nguyên liệu động vật, khi xử lý nhiệt thìcolagen chuyển thành gelatin giúp cho quá trình tách thịt ra khỏi xương, da dễdàng, do đó nâng cao hiệu suất chế biến.
- Làm giảm lượng vi sinh vật bám trên bề mặt của nguyên liệu: Mặc dù xử
lý ở nhiệt độ không cao lắm, với thời gian không dài, nhưng có thể tiêu diệt một số
vi sinh vật kém chịu nhiệt bám trên bề mặt nguyên liệu
- Làm cho rau quả có màu sáng hơn do phá hủy một số chất màu khi chầntrong dung dịch acid citric hoặc NaHSO3 những chất này sẽ phá hủy một số hợpchất màu, làm cho nguyên liệu có màu sáng hơn Khi chần còn loại bỏ được cáckhí có trong gian bào nguyên liệu hạn chế sự oxi hóa ở các quá trình tiếp theo, loại
bỏ một số các chất có mùi vị không thích hợp như vị đắng của các hợp chất lưuhuỳnh
2.3 Các yếu tố ảnh hưởng
Trong quá trình chần ngoài mục đích vô hoạt enzyme,… còn phải đảm bảochất lượng sản phẩm tránh những biến đổi không mong muốn do đó thực phẩm cầnđược gia nhiệt nhanh, các yếu tố thời gian và nhiệt độ được coi là hai yếu tố quantrọng nhất, như vậy việc lựa chọn nhiệt độ và thời gian phù hợp cho mỗi loạinguyên liệu có ý nghĩa rất quan trọng
Thời gian gia nhiệt phụ thuộc vào các yếu tố:
- Loại nguyên liệu: cấu trúc, thành phần hóa học…
- Kích thước nguyên liệu
- Nhiệt độ gia nhiệt
2.4 Các biến đổi của nguyên liệu
2.4.1 Vật lý
Trang 11Làm thay đổi thể tích, khối lượng nguyên liệu, giảm cấu trúc cứng, giòn, tạomùi nấu, mất chất khô.
2.4.2 Hóa học
Làm cho quả sáng màu hơn do phá hủy một số chất màu Màu cholorophylthường tồn tại ở 2 dạng: Chlorophyl A và Chlorophyl B Trong đó Chlorophyl Atương đối nhạy cảm với nhiệt hơn chlorophyl B Chlorophyl biến đổi khi xử lýtrong môi trường acid hoặc có oxy (chorphyl có màu xanh biến đổi thànhpheophytin có màu vàng xanh – vàng olive)
Bảng 1.6: Những biến đổi của màu chlorophyll dưới tác động của nhiệt (% của hàm lượng màu tổng trong rau chưa gia nhiệt)
2524
00
00
1819
810
3024
06
03
1522
51Màu anthocyan thường tồn tại ở dạng phức hợp leucoanthocyan Anthocyan
là chất hòa tan trong nước Do đó, không nên chần nguyên liệu chứa anthocyantrong môi trường có nhiều nước, làm thất thoát vitamin C và các chất hòa tan khác,
sự bay hơi một số cấu tử hương, loại trừ một số mùi hương không thích hợp cótrong nguyên liệu
2.4.3 Hóa lý
Trang 12Độ thẩm thấu của chất nguyên sinh tăng, dịch bào thoát ra dễ dàng, nênnguyên liệu có thể thất thoát một số chất dinh dưỡng.
Thiết bị chần, được phân loại theo các nguyên tắc
- Làm việc gián đoạn hay liên tục
- Trong chân không, áp suất thường hay áp suất cao
* Thiết bị chần băng tải:
2.5.1 Cấu tạo
- Băng tải vận chuyển nguyên liệu
- Hệ thống vòi phun: phân phối nước trong 3 giai đoạn xử lý nhiệt
- Thiết bị gia nhiệt: gia nhiệt cho nước chần
- Bộ phận trao đổi nhiệt: gia nhiệt cho nước trong giai đoạn gia nhiệt sơ bộ
Hình 1.3 Mô hình thiết bị chần 2.5.2 Nguyên tắc hoạt động
Sau khi vào cửa nhập liêu, nguyên liệu được gia nhiệt sơ bộ bằng nước nóng (~70 o C) được phun qua vòi từ trên xuống.
Sau đó, nguyên liệu được chần qua nước nóng từ trên xuống Nước chần được gia nhiệt bằng hơi Để tiết kiệm năng lượng, lượng nước sau khi chần sẽ được thu hồi và tiếp
Trang 13tục được gia nhiệt, bơm tuần hoàn trở lại Sau khi chần nguyên liệu được làm nguội nhanh qua dòng nước lạnh được phun tia từ trên xuống, nước này được tái sử dụng cho giai đoạn gia nhiệt sơ bộ
Xử lý vệ sinh sơ bộ
Rửa
Chần Nước
Ghi nhận kết quả
Nước thải
Trang 143.2 Quy trình thực hiện
* Chọn nguyên liệu trái đậu nành
Trong sản xuất đậu nành phải được chọn lựa đúng tiêu chuẩn Chất lượngđậu ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm, đặc biệt là giá trị cảm quan
- Trái đậu không được quá già ít xơ, còn non mềm, không có dấu hiệu bị hưhỏng, gãy vỡ
- Vỏ trái màu xanh tự nhiên, chưa tách rời ra
- Kích thước các trái đậu đồng đều
* Xử lý vệ sinh sơ bộ: Dùng dao tách cuống từng trái, loại bỏ các chất bẩn
thô bám trên bề mặt trái đậu
* Rửa: rửa bằng nước để loại bỏ các tạp chất bám trên trái đậu như: đất, cỏ,
bụi… và cũng loại bỏ một phần vi sinh vật bám trên đó chuẩn bị cho quá trìnhchần tiếp theo
* Chần: Làm mềm quả giúp quả khó gãy vỡ cho quá trình chế biến tiếp theo.
Loại bỏ không khí trong không bào giúp tránh quá trình oxi hóa khi bảo quản sảnphẩm, ngoài ra giúp giữ được màu sắc và loại bỏ một số vi sinh vật bám trên quả
* Ghi nhận kết quả: Sau các khoảng thời gian nhất định, đánh giá chất lượng
chần bằng trực quan để xác định thời gian cần thiết cho quá trình chần Từ kết quả
đó, tính toán các số liệu tiếp sau
3.3 Tiêu chuẩn trực quan của trái đậu sau khi chần
Sản phẩm sau chần vẫn giữ được cấu trúc trái đậu ban đầu, hạt trương hơn,màu sắc xanh trong hơn Vỏ hơi dai, khó bẽ gãy Hạt đậu không mềm nứt
Trang 15- Đồng hồ bấm giây
- Rổ, vợt
3.4.2 Thí nghiệm chọn thời gian chần tối ưu
Cho nước vào xoong, đặt lên bếp đun sôi nước Cho 0,4 kg trái đậu nànhvào Sau các khoảng thời gian 30 giây, 60 giây, 90 giây, 120 giây, 150 giây lấy ramột vài trái đậu, đánh giá độ dai và độ bóng mịn của sản phẩm bằng trực quan đểchọn thời gian tối ưu nhất
Bảng 1.7 So sánh chọn lựa thời gian chần tối ưu
Thời gian chần
(giây) Đặc điểm sản phẩm Nhận xét trực quan
30 Còn giữ nguyên cấu trúc trái
đậu Không nứt, tách vỏ Giòn, màu sắc ít thay đổi
60 Còn giữ nguyên cấu trúc trái
đậu Không nứt, tách vỏ
Vỏ có màu xanh trong hơn so vớiban đầu, dai, không giòn như banđầu Hạt đậu còn nguyên trạng
90 Còn giữ nguyên cấu trúc trái
Từ các điều kiện thí nghiệm nêu trên, chọn thời gian 60 giây là thời gian tối
ưu cho việc tính toán mô hình chần sản phẩm
II MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA QUÁ TRÌNH
Xem trái đậu nành có kích thước trung bình 6 x 1 x 0.5 (cm) được tính toántheo mô hình của bản phẳng có kích thước đặc trưng L = 2.5 (mm)
Trang 16Bài toán: Đun nóng nhanh một bản phẳng có độ ẩm đồng nhất, nhiệt độ ban đầu ở tâm bản phẳng T 0 = 25 0 C = const được đặt nhanh chóng vào môi trường nước sôi có nhiệt độ T e = 100 0 C = const Xây dựng mô hình toán và xác định nhiệt độ ở tâm bản phẳng cuối quá trình và nhiệt lượng truyền vào bản phẳng.
Giả thiết: - Nhiệt độ của nước không đổi trong khi chần
- Trái đậu có cấu trúc đối xứng, đồng nhất
- Xem trái đậu là vật phẳng cổ điển
1 Phương trình cân bằng nhiệt lượng
1.1 Phương trình vi phân cơ bản
∂T
∂ τ=a
∂2T
với a = cρρ λ (các thông số vật lý của trái đậu nành)
1.2 Các điều kiện đơn trị
+ T (0, 0) = T0 (Điều kiện ban đầu) (2)
+ T (-L, τ) = T) = Te = const (3)
(điều kiện loại 1 cho trường đối xứng)
2 Giải phương trình vi phân cơ bản
Đặt φ ( τ )=1
L∫0
- L + L
Trang 17Phương trình (6) là phương trình cơ bản để tính các thông số của quá trình
chần đậu nành theo giải thiết của bài toán như trên
Trang 18III TÍNH THỬ KẾT QUẢ XỬ LÝ SẢN PHẨM
Từ phương trình cơ bản (6) đã tìm được ở trên, áp dụng đối với bài toán vớiquá trình chần trái đậu nành bằng nước đun sôi ở 1000C
Thời gian xác định để đạt yêu cầu quá trình chần là τ) = T = 1 phút = 60 (s)
Với các thông số của trái đậu nành cho ở bảng sau:
Kích thước trái đậu
nành D x R x L
(cm)
Nhiệt dungriêng c(J/kg.độ)
Khối lượngriêng ρ (kg/
m3)
Hệ số dẫnnhiệt λ(W/m.độ)
Hệ số khuếchtán nhiệt a(m2/s)
Ở thời điểm τ) = T = 60s, nhiệt độ tại tâm trái đậu là: T = 97,91 (0C)
Khi đó nhiệt lượng truyền cho trái đậu được tính:
