Báo cáo Thực tập quá trình thiết bị CNTP HCMUTE

Sấy là một công đoạn sau thu hoạch để bảo quản sản phẩm, làm giảm hàm lượng ẩm trong sản phẩm, tăng thời gian bảo quản cũng như hạn chế được sự phát triển của hệ vi sinh vật gây hư hỏng sản phẩm. Các phương pháp sấy Sấy được phân thành hai loại: sấy tự nhiên và sấy nhân tạo. Sấy tự nhiên Sấy tự nhiên là quá trình bốc hơi nước bằng năng lượng mặt trời hay gió. Đây là phương pháp không tiêu tốn nhiều năng lượng và chi phí cho việc sấy. Tuy nhiên năng suất của phương pháp thấp do chúng ta không thể chủ động điều chỉnh năng lượng sấy cũng như thời gian sấy (Võ Văn Bang, Vũ Bá Minh, 2004). Sấy nhân tạo Sấy nhân tạo là quá trình sấy được thực hiên trong các thiết bị sấy để cung cấp nhiệt cho vật liệu sấy. Tùy vào phương pháp truyền nhiệt mà phân loại: Sấy đối lưu: không khí nóng hoặc khói lò được dùng làm tác nhân sấy có nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ phù hợp, chuyển động chảy trùm lên vật sấy làm cho ẩm trong vật sấy bay hơi rồi đi theo tác nhân sấy. Không khí có thể chuyển động cùng chiều, ngược chiều hoặc cắt ngang dòng chuyển động của sản phẩm.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC & THỰC PHẨM

MỤC LỤC

BÀI 1 THÍ NGHIỆM SẤY VẬT LIỆU ẨM 1

1 Tổng quan 1

1.1 Tổng quan về sấy 1

1.2 Tổng quan về vật liệu ẩm 5

1.2.1 Phân loại vật liệu ẩm 5

1.2.2 Các dạng liên kết ẩm với vật liệu 6

1.3 Tổng quan về nguyên liệu sấy 7

2 Mục đích thí nghiệm 8

3 Dụng cụ - thiết bị 8

4 Tiến hành thí nghiệm 9

4.1 Sơ đồ tiến hành thí nghiệm 9

4.2 Các bước tiến hành thí nghiệm 9

5 Kết quả và bàn luận 11

5.1 Kết quả thí nghiệm 11

5.1.1 Kết quả phương pháp sấy hồng ngoại 11

5.1.2 Sấy đối lưu 15

5.1.3 Sấy lạnh 18

5.2 Bàn luận 22

5.2.1 Bàn luận về kết quả thí nghiệm 22

5.2.2 Bàn luận về tính chất cảm quan 24

TÀI LIỆU THAM KHẢO 27

BÀI 2 THÍ NGHIỆM LẠNH ĐÔNG THỰC PHẨM 28

1 Tổng quan 28

1.1 Quá trình lạnh đông 28

1.2 Các phương pháp lạnh đông 28

1.3 Tổng quan nguyên liệu lạnh đông 29

1.4 Tính chất vật lí của thực phẩm 30

1.6 Cơ sở khoa học của lạnh đông thực phẩm 31

1.5 Tính chất vật lí và hóa học của thực phẩm 34

1.7 Những biến đổi của thực phẩm khi làm đông 34

1.8 Thành phần hóa học của thực phẩm ảnh hưởng đến các quá trình truyền khi lạnh đông 37

1.9 Môi trường làm đông thực phẩm 38

1.10 Mạ băng sản phẩm đông lạnh 38

1.10 Các phương pháp làm đông chia theo dạng sản phẩm 40

1.11 Bảo quản sản phẩm đông lạnh: 41

1.12 Tan giá sản phẩm đông lạnh 43

2 Mục đích thí nghiệm 45

3 Dụng cụ, thiết bị và nguyên liệu thực nghiệm 46

4 Cơ sở lí thuyết 46

5 Tiến hành thí nghiệm 47

6 Kết quả và bàn luận 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58

BÀI 3 THÍ NGHIỆM TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG 59

1 Tổng quan 59

1.1 Phương thức trao đổi nhiệt 59

1.2 Sự chuyển động của lưu chất 59

1.3 Chế độ chuyển động của của lưu chất 60

1.4 Thiết bị trao đổi nhiệt 62

2 Mục đích thí nghiệm 65

3 Dụng cụ và thiết bị thực hiện 66

4 Phương pháp tiến hành thực nghiệm 66

5 Kết quả và bàn luận 67

5.1 Kết quả 67

5.1.1 Thí nghiệm truyền nhiệt ống lồng ống xuôi dòng 67

5.1.2 Thí nghiệm truyền nhiệt ống lồng ống ngược dòng 72

5.2 Bàn luận 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 79

DANH MỤC BẢNG Bài 1 THÍ NGIỆM SẤY VẬT LIỆU ẨM

Bảng 1.1 Bảng số liệu của phương pháp sấy hồng ngoại 12

Bảng 1.2 Bảng số liệu của phương pháp sấy đối lưu 15

Bảng 1.3 Bảng số liệu phương pháp sấy lạnh 18

Bảng 1.4 Ưu, nhược điểm của ba phương pháp sấy sử dụng 22

Bảng 1.5 Đánh giá cảm quan các mẫu sấy củ cải 25

Bài 2 THÍ NGHIỆM LẠNH ĐÔNG THỰC PHẦM Bảng 2.1 Bảng số liệu về nhiệt độ lạnh đông của củ cải trắng 48

Bài 3 THÍ NGHIỆM TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG Bảng 3.2 Số liệu của thí nghiệm truyền nhiệt ống lồng ống xuôi dòng 67

Bảng 3.3 Số liệu của thí nghiệm truyền nhiệt ống lồng ống ngược dòng 72

DANH MỤC HÌNH Bài 1 THÍ NGIỆM SẤY VẬT LIỆU Ẩ Hình 1.1 Tủ sấy đối lưu 1

Hình 1.2 Hệ thống sấy hồng ngoại 2

Hình 1.3 Hệ thống sấy lạnh 2

Hình 1.4 Hệ thống sấy chân không nhiệt độ thấp 3

Hình 1.5 Củ cải trắng 7

Hình 1.6 Sơ đồ thực nghiệm quá trình sấy 9

Hình 1.7 Đường cong sấy W = f (τ) 10

Hình 1 8 Đường cong tốc độ sấy u = f(W) 11

Hình 1.9 Đường cong sấy hồng ngoại của củ cải trắng 13

Hình 1.10 Đường cong tốc độ sấy hồng ngoại của củ cải trắng 14

Hình 1.11 Đường cong sấy đối lưu của củ cải trắng 16

Hình 1.12 Đường cong tốc độ sấy đối lưu của củ cải trắng 17

Hình 1.13 Đường cong sấy lạnh của củ cải trắng 20

Hình 1.14 Đường cong tốc độ sấy lạnh của củ cải trắng 21

Hình 1.15 Mẫu củ cải trắng trước khi sấy 24

Hình 1 16 Sản phẩm củ cải trắng sấy hồng ngoạ 24

Hình 1.17 Sản phẩm củ cải trắng sấy đối lưu 25

Hình 1.18 Sản phẩm củ cải trắng sấy lạnh 25

Bài 2 THÍ NGHIỆM LẠNH ĐÔNG THỰC PHẦM Hình 2 1 Củ cải trắng 29

Hình 2 2 Hình dạng củ cải trước khi lạnh đông 30

Hình 2 3 Quan hệ nhiệt độ môi trường lạnh với độ mất nước tương đối 36

Hình 2 4 Quá trình lạnh đông thực phẩm 46

Hình 2 5 Sơ đồ tiến hành thí nghiệm 47

Hình 2 6 Đồ thị đường cong lạnh đông củ cải 53

Hình 2 7 Củ cải trước và sau khi lạnh đông 55

Bài 3 THÍ NGHIỆM TRUYỀN NHIỆT ỐNG LỒNG ỐNG Hình 3 1Không khí chuyển động tự nhiên 60

Hình 3 2 Không khí chuyển động cưỡng bức 60

Hình 3 3Mô tả các chế độ dòng chảy 61

Hình 3 4 Thiết bị trao đổi nhiệt cùng chiều 63

Hình 3 5 Thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều 63

Hình 3 6Thiết bị trao đổi nhiệt chéo nhau 63

Hình 3 7 Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống 64

Hình 3 8 Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống dùng trong thí nghiệm 65

BÀI 1 THÍ NGHIỆM SẤY VẬT LIỆU ẨM

1 Tổng quan

1.1 Tổng quan về sấy

Sấy là một công đoạn sau thu hoạch để bảo quản sản phẩm, làm giảm hàm lượng

ẩm trong sản phẩm, tăng thời gian bảo quản cũng như hạn chế được sự phát triển của

hệ vi sinh vật gây hư hỏng sản phẩm

Sấy nhân tạo

Sấy nhân tạo là quá trình sấy được thực hiên trong các thiết bị sấy để cung cấp nhiệtcho vật liệu sấy Tùy vào phương pháp truyền nhiệt mà phân loại:

Sấy đối lưu: không khí nóng hoặc khói lò được dùng làm tác nhân sấy có nhiệt độ,

độ ẩm, tốc độ phù hợp, chuyển động chảy trùm lên vật sấy làm cho ẩm trong vật sấy bay hơi rồi đi theo tác nhân sấy Không khí có thể chuyển động cùng chiều, ngược chiều hoặc cắt ngang dòng chuyển động của sản phẩm Sấy đối lưu có thể thực hiện theo mẻ (gián đoạn) hay liên tục

Hình 1.1 Tủ sấy đối lưu

Sấy tiếp xúc: là phương pháp sấy không cho tác nhân sấy tiếp xúc trực tiếp vật liệu sấy, mà tác nhân sấy truyền nhiệt cho vật liệu sấy gián tiếp qua một vách ngăn (Võ Văn Bang, Vũ Bá Minh, 2004)

Sấy bằng tia hồng ngoại: Sấy bằng tia hồng ngoại là phương pháp sấy dùng năng lượng điện trường có tần số cao để đốt nóng trên toàn bộ chiều dày của lớp vật liệu (Võ Văn Bang, Vũ Bá Minh, 2004)

Hình 1 2 Hệ thống sấy hồng ngoại

Sấy lạnh: là phương pháp sấy trong điều kiện nhiệt độ và độ ẩm của tác nhân sấy thấp hơn nhiều so với môi trường Nhiệt độ thấp để đảm bảo đặc tính cảm quan của thực phẩm còn ẩm thấp để tạo ra chênh lệch ẩm cho ẩm trong vật liệu được thoát ra dễ

dàng

Hình 1.3 Hệ thống sấy lạnh

Sấy thăng hoa: Sấy thăng hoa là quá trình tách ẩm ra khỏi vật sấy bằng sự thăng hoacủa nước Quá trình thăng hoa là quá trình chuyển trực tiếp từ thể rắn sang thể hơi Ở điều kiện bình thường, ẩm trong thực phẩm ở dạng lỏng, nên để thăng hoa chúng cần được chuyển sang thể rắn bằng phương pháp lạnh đông Chính vì vậy nên phương pháp này còn có thể gọi là phương pháp Sấy lạnh đông (Freeze Drying hay

Hình 1.4 Hệ thống sấy chân không nhiệt độ thấp

Sấy tầng sôi: dùng không khí nóng thổi từ đáy buồng, thổi bùng lớp vật liệu lên làmvật liệu ở trạng thái lơ lửng gọi là tầng sôi

Sấy phun: nguyên liệu được nhập vào thiết bị vào vòi phun thành các hạt sương, tácnhân sấy sẽ trộn lẫn vào và tách ẩm ra

Các yếu tố phân biệt các phương pháp sấy

Do điều kiện sấy trong mỗi trường hợp sấy rất khác nhau nên có nhiều kiểu thiết bị sấy khác nhau, vì vậy có nhiều cách phân loại phương pháp sấy.

 Dựa vào tác nhân sấy: thiết bị sấy bằng không khí hoặc thiết bị sấy bằng khói

lò, ngoài ra còn có các thiết bị sấy bằng phương pháp đặc biệt như sấy thăng hoa, sấy bằng tia hồng ngoại hay bằng dòng điện cao tần (Nguyễn Tấn Dũng, 2013)

 Dựa vào áp suất làm việc: sấy chân không, thiết bị sấy ở áp suất thường (Võ

Văn Bang, Vũ Bá Minh, 2004)

 Dựa vào phương thức làm việc: sấy liên tục hay sấy gián đoạn (Võ Văn Bang,

Vũ Bá Minh, 2004)

 Dựa vào phương pháp cung cấp nhiệt cho quá trình sấy: thiết bị sấy tiếp xúc,

hoặc thiết bị sấy đối lưu, thiết bị sấy bức xạ (Nguyen Tan Dzung, 2012)

 Dựa vào cấu tạo thiết bị: phòng sấy, hầm sấy, sấy băng tải, sấy trục, sấy thùng

quay, sấy phun, sấy tầng sôi… (Nguyễn Tấn Dũng, 2013)

 Dựa vào chiều chuyển động của tác nhân sấy và vật liệu sấy: cùng chiều,

nghịch chiều và giao chiều (Nguyễn Tấn Dũng, 2013)

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy

Tốc độ sấy phụ thuộc vào một số yếu tố sau (Nguyễn Tấn Dũng, 2013):

 Bản chất vật liệu sấy: cấu trúc, thành phần hóa học, đặc tính liên kết ẩm

 Hình dáng vật liệu sấy: kích thước mẫu sấy, chiều dày lớp vật liệu Diện tích

bề mặt riêng của vật liệu càng lớn thì tốc độ sấy càng nhanh

 Độ ẩm ban đầu, độ ẩm cuối và độ ẩm tới hạn của vật liệu

 Chênh lệch giữa nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối của không khí sấy, nhiệt độ cuối cao thì nhiệt độ trung bình của không khí càng cao, do đó tốc độ sấy cũng tăng Nhưngnhiệt độ cuối không nên quá cao vì không sử dụng triệt để nhiệt

 Độ ẩm, nhiệt độ và tốc độ của không khí

 Tính chất của tác nhân sấy

 Tốc độ sấy còn phụ thuộc rất lớn vào cấu tạo máy sấy, phương thức và chế độ sấy

Tác nhân sấy

Tác nhân sấy là những chất dùng để chuyên chở lượng ẩm tách ra từ vật liệu sấy Khi sấy, môi trường buồng sấy luôn được bổ sung ẩm thoát ra từ vật liệu ẩm Nếu lượng ẩm này không được mang đi thì độ ẩm tương đối trong buồng sấy sẽ tăng lên, đến một lúc nào đó sẽ đạt được giá trị cân bằng và quá trình thoát ẩm sẽ ngưng lại Do

đó cùng với việc cung cấp nhiệt độ cho vật liệu để hoá hơi ẩm phải đồng thời tải ẩm đãthoát ra khỏi buồng sấy (Võ Văn Bang, Vũ Bá Minh, 2004)

Trong quá trình sấy tác nhân sấy thường là các chất khí như: khói, hơi quá nhiệt và nhiều nhất là không khí vì có giá thành rẻ và cũng là nguồn tài nguyên vô tận của bầu khí quyển Ngoài ra, còn có thể sử dụng tác nhân sấy là chất lỏng như các loại dầu hay một số loại muối nóng chảy (Nguyễn Tấn Dũng, 2013)

Động lực quá trình sấy

Quá trình sấy là một quá trình chuyển khối có sự tham gia của pha rắn rất phức tạp

vì nó bao gồm cả quá trình khuếch tán bên trong và bên ngoài vật liệu rắn đồng thời với quá trình truyền nhiệt Đây là một quá trình nối tiếp, nghĩa là quá trình chuyển lượng nước trong vật liệu từ pha lỏng sang pha hơi, sau đó tách pha hơi ra khỏi vật liệuban đầu (Nguyen Tan Dzung, Trinh Van Dzung, Tran Duc Ba, 2012)

Động lực của quá trình sấy là sự chênh lệch độ ẩm ở trong lòng vật liệu và bên trên

bề mặt vật liệu (Nguyễn Tấn Dũng, 2013) Quá trình khuếch tán chuyển pha này chỉ xảy ra khi áp suất hơi trên bề mặt vật liệu lớn hơn áp suất riêng phần của hơi nước trong môi trường không khí xung quanh (Võ Văn Bang, Vũ Bá Minh, 2004)

1.2 Tổng quan về vật liệu ẩm

1.2.1 Phân loại vật liệu ẩm

Vật liệu ẩm là những vật liệu có cấu trúc xốp và mao dẫn (do hấp phụ nước) Tuỳ từng đặc tính của vật liệu mà tính năng liên kết hay hấp phụ nước khác nhau Dựa vào đặc điểm này, người ta chia vật liệu thành ba loại như sau (Nguyễn Tấn Dũng, 2016):

 Vật liệu keo: Đặc tính lưu biến của loại vật liệu này có tính đàn hồi, khi hút ẩm trương phồng nở ra và khi tách ẩm co lại Đối với loại thực phẩm chứa hàm lượng tinh bột và lipid nhiều thì thường có tính keo Trong tự nhiên nhiều loại vật liệu có tính đànhồi lớn nên khó tách ẩm trong quá trình sấy

 Vật liệu xốp mao dẫn: Đặc tính lưu biến của nó là tính đàn hồi rất bé, khi hút

ẩm cũng như khi tách nước thì thể tích và kích thước của nó gần như không thay đổi, bởi vì kích thước các lỗ xốp rất ít thay đổi khi hút ẩm Chẳng hạn như: than, gỗ, các loại củ, rau, quả,…

 Vật liệu keo xốp mao dẫn: Đây là loại vật liệu có tính chất lưu biến rất phức tạp, vật liệu vừa có tính keo, vừa có tính xốp mao dẫn Trong thế giới tự nhiên, hầu hếtcác loại thực phẩm gia súc, gia cầm, thuỷ hải sản thuộc nhóm vật liệu này, đặc biệt là vật liệu thuỷ hải sản nhóm giáp xác như: tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ

1.2.2 Các dạng liên kết ẩm với vật liệu

Nước có trong vật liệu ẩm có thể chia làm hai nhóm: nước tự do và nước liên kết Nước tự do nằm ở bề mặt của vật, có áp suất riêng bằng áp suất hơi nước bão hòa ứng với nhiệt độ hiện tại của vật ẩm Nước tự do nằm trong vật ẩm là lượng nước tạo ra trên bề mặt của vật ẩm hơi nước có áp suất riêng đạt giá trị bão hòa ở nhiệt độ hiện tại của vật ẩm Nước liên kết tạo ra trên vật ẩm hơi nước có áp suất riêng nhỏ hơn áp suất bão hòa ứng với nhiệt độ của vật (Nguyễn Tấn Dũng, 2013)

Nước liên kết trong vật liệu thường ở hai dạng là liên kết hoá lý và liên kết cơ lý Trong đó liên kết hoá lý không thể khử bằng các quá trình sấy, còn liên kết cơ lý có thểtách ẩm được nhờ sấy Các dạng liên kết cơ lý gồm có liên kết hấp phụ, liên kết mao dẫn và liên kết thẩm thấu (Nguyễn Tấn Dũng, 2016)

1.3 Tổng quan về nguyên liệu sấy

Để tiến hành thí nghiệm sấy vật liệu ẩm, nhóm em chọn củ cải trắng là nguyên liệu

để thu thập kết quả, xử lý số liệu, xây dựng đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy

Hình 1.5 Củ cải trắng

Củ cải trắng là cây thân thảo có màu trắng, vị cay nồng Loại nhỏ có một vài lá dài khoảng 13cm với rễ tròn đường kính lên đến 2,5 cm hoặc nhỏ hơn, rễ dài lên đến 7cm Củ cải phát triển phân nhánh, lá dài rất đơn giản, lá có thùy đầu cuối to, các thùybên nhỏ dần

Củ cải được trồng hàng năm, phát triển nhanh trong điều kiện mát mẻ Củ cải có chu kì thu hoạch ngắn Sau khi thu hoạch củ cải có thể được bảo quản trong 2, 3 ngày

ở nhiệt độ phòng hoặc 2 tháng ở 00C với độ ẩm tương đối khoảng 90 – 95% mà không làm giảm chất lượng

Thành phần hóa học của củ cải – củ cải là một nguồn giàu carbohydrat, kali, magie, đồng, canxi,…và đặc biệt là các chất chống oxy hóa nhờ các hợp chất phenolic,

flavonoid, vitamin và các acid folic,…Củ cải trắng chứa 92% nước, 1,5% protid, 3,7% glucid, 1,8 cellulozo Hàm lượng protein trong củ cải chiếm 1,5 % so với trọng lượng khô Lượng protein này không chỉ phụ thuộc vào quá trình phát triển của cá thể, điều kiện sống, cách xử lí, bảo quản củ cải Củ cải cũng được cho là nguồn giàu các nguyên

tố vi lượng với 40 ppm calci, 15ppm magie, 41ppm phospho, 242mg/100g nguyên liệutươi (Bảng Thành phần thực phẩm, 2007)

2 Mục đích thí nghiệm

Khảo sát quá trình sấy bằng thực nghiệm để:

- Xây dựng đường cong sấy để mô tả động học cho quá trình sấy, trên cơ sở đó cho phép xác lập chế độ công nghệ quá trình sấy:

Với: W là độ ẩm vật liệu sấy, (%);

τ là thời gian sấy, (h);

- Xây dựng đường cong tốc độ sấy:

- Xác định được tính chất keo hay xốp của vật liệu

- Chỉ ra ưu, nhược điểm của từng phương pháp sấy từ đó chọn lựa phương pháp sấy sao cho phù hợp với từng loại vật liệu sấy

3 Dụng cụ - thiết bị

- Máy sấy đối lưu

- Máy sấy hồng ngoại

4.1 Sơ đồ tiến hành thí nghiệm

Nguyên liệu sấy

Cắt, theo hình và xác định

bề dày

Xác định độ ẩm ban đầu, sấy và xác định độ ẩm theo thời gian

Thành phẩm

Hình 1.6 Sơ đồ thực nghiệm quá trình sấy

4.2 Các bước tiến hành thí nghiệm

Tiến hành sấy vật liệu với các phương pháp sấy khác nhau: sấy đối lưu, sấy hồng ngoại và sấy lạnh Đối với mỗi phương pháp sấy tiến hành các bước thí nghiệm như sau:

Bước 1: Xác định độ ẩm ban đầu của vật liệu sấy W0 (%);

Xác định khối lượng ban đầu của vật liệu sấy G0 (kg)

Bước 2: Lập bảng biến thiên để xây dựng đường cong sấy

Bước 3: Xác định độ ẩm của vật liệu sấy biến thiên theo thời gian sấy

G0(100 – W0) = Gj(100 – Wj) (1.3)Sau thời gian τ = τj, đem mẫu cân xác định Gj (kg)

Δ τ = τj+1 – τj = (10 – 12) phút

Tiến hành cân mẫu sau mỗi (10 – 12) phút

Tính toán theo công thức (1.4) rồi ghi vào bảng biến thiên

Sấy đến khi khối lượng của vật liệu sấy không đổi thì ngừng thí nghiệm

Bước 4: Xây dựng đường cong sấy

Xử lý số liệu thực nghiệm ở bảng biến thiên phía độ ẩm vật liệu sấy theo thời gian sấy, để xác định được đường cong sấy và mô phỏng trên đồ thị

Phương trình (1.5) được biểu diễn trên đồ thị như sau:

Hình 1.7 Đường cong sấy W = f (τ)

 Giai đoạn 1: đun nóng vật liệu sấy và làm bay hơi nước bề mặt, giai đoạn này đường cong sấy ở dạng phi tuyến

 Giai đoạn 2: quá trình bay hơi nước do quá trình khuếch tán nội và khuếch tán ngoại xảy ra đồng thời, giai đoạn này là sấy đẳng tốc, đường cong sấy ở dạng tuyến tính

 Giai đoạn 3: quá trình bốc hơi ẩm còn lại cho đến khi đạt tới độ ẩm cân bằng, quá trình này đường cong sấy ở dạng phi tuyến rất phức tạp

Bước 5: Xây dựng đường cong tốc độ sấy

Hình 1.8 Đường cong tốc độ sấy u = f(W)

Từ phương trình W = f (τ) lấy đạo hàm 2 vế, rồi nhân tử cho G và nhân mẫu cho F, sẽ nhận được:

Với: F (m2) là diện tích trao đổi nhiệt của vật liệu sấy;

Sau khi có số liệu thực nghiệm, tiến hành vẽ đường cong sấy và đường cong tốc

độ sấy và so sánh với đường cong theo lý thuyết Nêu nguyên nhân dẫn đến hiện tượngsai số

5 Kết quả và bàn luận

5.1 Kết quả thí nghiệm

5.1.1 Kết quả phương pháp sấy hồng ngoại

Độ ẩm ban đầu của vật liệu sấy Wo(%)

Wo = =

Trong đó:

m1: khối lượng của mẫu ban đầu (g)

m2: khối lượng của mẫu sau sấy (g)

mo: khối lượng của đĩa (g)

Khối lượng ban đầu của vật liệu sấy Go = 58.48 g

Kích thước mẫu ban đầu: l = 3 cm, w = 3 cm, h = 0.2 cm

Số lượng mẫu: 16 miếng

Hình 1.9 Đường cong sấy hồng ngoại của củ cải trắng

Giai đoạn 1: Phương trình tốc độ sấy uAB = x (-0,0052t + 0,0804) g/cm2.phút

Giai đoạn 2: Phương trình tốc độ sấy uBC = x 0.983 g/cm2.phút

Wo

T(phút)

Giai đoạn 3: Phương trình tốc độ sấy uCD = x (-0.0334t + 4.6502) g/cm2.phút

Hình 1.10 Đường cong tốc độ sấy hồng ngoại của củ cải trắng

Nhận xét quá trình sấy hồng ngoại:

 Ở giai đoạn 1 (từ t = 0 đến t = 45 phút): Qua khảo sát đo độ ẩm và đối chiếu

với đồ thị trên lý thuyết, nhóm nhận thấy ở giai đoạn này lượng nước thoát ra khỏi vật liệu tuân theo quy luật sấy động học Lượng ẩm giảm dần từ độ ẩm 93.8% ở t = 0

xuống 84.57% ở t = 45 phút (độ ẩm vật liệu giảm 9.23% trong 45 phút đầu)

Tuy nhiên, trong giai đoạn này, đường cong tốc độ sấy thực tế không giống với

đường cong tốc độ sấy lý thuyết, có thể là do một vài nguyên nhân sau:

 Các nhóm chưa có sự thống nhất về thời gian đóng mở tủ sấy nên lúc này nhiệt

độ sấy chưa cố định

 Sai số do con người (trong quá trình cân vật liệu…)

 Ở giai đoạn 2 (từ t = 45 phút đến t = 120 phút): Từ việc phân tích và so sánh

trên đồ thị đường cong sấy lý thuyết, có thể thấy lúc này lượng ẩm thực tế sụt giảm

nhanh đáng kể Con số này giảm dần từ độ ẩm 84.57% ở t = 45 phút xuống còn

12.21% ở t = 120 phút (giảm đến 72.36% trong vòng 75 phút kế tiếp)

Wo

Ở giai đoạn 3 (từ t = 120 phút đến t = 140 phút): Đường cong sấy lúc này có

dạng phi tuyến phức tạp Ẩm giảm dần từ t = 120 phút đến t = 140 phút (đến độ ẩm không đổi ≈ 5.82%) => Đường cong tốc độ sấy như hình vẽ vì củ cải trắng là vật liệu

có tính xốp

5.1.2 Sấy đối lưu

Độ ẩm ban đầu của vật liệu sấy Wo(%)

Wo= 100== 95.4%

m1: khối lượng của mẫu ban đầu (g)

m2: khối lượng của mẫu sau sấy (g)

mo: khối lượng của đĩa (g)

Khối lượng ban đầu của vật liệu sấy: Go= 58.85g

140 3.09 12.39 0.118

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0.00

Hình 1.11 Đường cong sấy đối lưu của củ cải trắng

Giai đoạn 1: Phương trình tốc độ sấy uAB = x (-0,0004t + 0,1462) g/cm2.phút

Giai đoạn 2: Phương trình tốc độ sấy uBC = x 0.79 g/cm2.phút

Giai đoạn 3: Phương trình tốc độ sấy uCD = x (-0.0134t + 2.1664) g/cm2.phút

T(phút)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.000

Hình 1.12 Đường cong tốc độ sấy đối lưu của củ cải trắng

Nhận xét quá trình sấy đối lưu:

 Ở giai đoạn 1 (từ t = 0 đến t = 20 phút): giai đoạn này độ ẩm có sụt giảm ít hơn

so với phương pháp hồng ngoại nhưng thời gian diễn tiến nhanh hơn Cụ thể, độ ẩm

giảm từ 95.4% ở t = 0 xuống còn 92.66% ở t = 20 phút (độ ẩm vật liệu giảm 2.74%

trong 20 phút đầu)

Đường cong tốc độ sấy xảy ra một vài sai số Do lượng nước bốc hơi bề mặt thấp

nên độ ẩm giảm nhẹ, sự thay đổi vận tốc sấy không đáng kể, ngoài ra sai số này còn cóthể do thao tác đo vật liệu, nhiệt độ tủ sấy không ổn định, thời gian sấy, trong quá trìnhđem mẫu đi cân có sự hút ẩm trở lại

 Ở giai đoạn 2 (từ t = 20 phút đến t = 120 phút): lúc này độ ẩm trong mẫu củ

cải trắng có sự sụt giảm đáng kể (giảm 71.58% ẩm trong 100 phút kế tiếp) Có thể

nhận thấy, khi so sánh với giai đoạn 2 của quá trình sấy bằng phương pháp hồng ngoại,

độ ẩm của củ cải trắng giảm chậm hơn

 Ở giai đoạn 3 (từ t = 120 phút đến t = 160 phút): độ ẩm lúc này tuân theo quy

luật hàm phi tuyến phức tạp Độ ẩm có sự sụt giảm nhẹ do lúc này nước tự do đã bay hơi gần hết, chỉ còn lại nước liên kết trong vật liệu

5.1.3 Sấy lạnh

Độ ẩm ban đầu của vật liệu sấy Wo(%)

Wo= 100== 95.4%

m1: khối lượng của mẫu ban đầu (g)

m2: khối lượng của mẫu sau sấy (g)

mo: khối lượng của đĩa (g)

Khối lượng ban đầu của vật liệu sấy Go= 59.04g

150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 0

Hình 1.13 Đường cong sấy lạnh của củ cải trắng

Giai đoạn 1: Phương trình tốc độ sấy uAB = x (0.00008t + 0.0102) g/cm2.phút

Giai đoạn 2: Phương trình tốc độ sấy uBC = x 0.1544 g/cm2.phút

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0.000

Giai đoạn 3: Phương trình tốc độ sấy uCD = x (-0.0084t + 4.7173) g/cm2.phút

Hình 1.14 Đường cong tốc độ sấy lạnh của củ cải trắng

Nhận xét quá trình sấy lạnh:

Wth

u =const

 Ở giai đoạn 1 (từ t = 0 đến t = 160 phút): So với phương pháp sấy đối lưu và

sấy hồng ngoại, thì giai đoạn này sấy lạnh cần khá nhiều thời gian (sau 160 phút mới đạt 92.71% ẩm)

 Ở giai đoạn 2 (từ t = 160 phút đến t = 540 phút): Sau 460 phút thì độ ẩm giảm

đến giá trị 12.67% Nhìn chung, so với hai phương pháp sấy trên thì sấy lạnh cũng mấtkhá nhiều thời gian cho giai đoạn này Với tính chất sấy ở nhiệt độ thấp nên độ ẩm có

xu hướng giảm chậm dần đều => đồ thị có độ dốc nhẹ Điều này chưa hoàn toàn chính xác khi đối chiếu trên đồ thị lý thuyết, nguyên nhân là do nhiệt độ của quá trình sấy thấp, lượng nước tự do trong vật liệu không thể thoát ra ngoài một cách nhanh chóng

=> Thời gian sấy kéo dài, độ ẩm giảm khá chậm

 Ở giai đoạn 3 (từ t = 540 phút đến t = 560 phút): Lúc này, đường cong sấy ở

dạng phi tuyến, độ ẩm giảm dần từ 12.67% xuống còn 11.75%

5.2 Bàn luận

5.2.1 Bàn luận về kết quả thí nghiệm

Nhìn chung, quá trình sấy của bất kỳ vật liệu ẩm nào cũng đều trải qua ba giai đoạn.Giai đoạn 1: Đây được xem là giai đoạn chủ yếu làm bay hơi lượng nước trên bề mặt của vật liệu ẩm, đồng thời thì lượng nhiệt cấp vào dùng để đốt nóng vật liệu ẩm sẽphục vụ cho quá trình sấy được diễn ra thuận tiện hơn Đường cong sấy lúc này có dạng phi tuyến, thời gian xảy ra rất ngắn

Giai đoạn 2: Giai đoạn sấy đẳng tốc, lúc này vật liệu còn nhiều nước, tốc độ khuếch tán của nước bên trong vật liệu lớn hơn tốc độ bay hơi ở trên bề mặt vật liệu Vì thế trong giai đoạn này, tốc độ sấy phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ bay hơi ẩm trên bề mặt vật liệu, nghĩa là phụ thuộc vào các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, tốc độ và độ ẩm không khí sấy Đường cong sấy có dạng tuyến tính

Giai đoạn 3: Giai đoạn sấy giảm tốc, lúc này vật liệu tương đối khô, lượng nước trong vật liệu còn ít, nên tốc độ khuếch tán nước trong vật liệu giảm xuống nhỏ hơn tốc độ bay hơi ẩm trên bề mặt vật liệu Vào cuối giai đoạn này, nhiệt độ của vật liệu sấy tăng dần cho đến khi bằng nhiệt độ của tác nhân sấy (khi đạt đến trạng thái cân bằng động) Vì vậy, cần phải khống chế nhiệt độ của tác nhân sấy không vượt quá nhiệt độ cho phép của vật liệu sấy

Ưu và nhược điểm của các phương pháp sấy hồng ngoại, sấy đối lưu, sấy lạnh:

Bảng 1 4 Ưu, nhược điểm của ba phương pháp sấy sử dụng

- Vật liệu dễ cháy do bề mặt vật sấy bị đốt nóng nhanh, tạo ra chênh lệch nhiệt độ lớn giữa bề mặt và lớp sâu bên dưới, dẫn tới chất lượng sản phẩm không như ý muốn (cong vênh, nứt

- Quá trình sấy không đồng đều

Sấy lạnh

- Điều khiển tự động, chính xác, đa dạng chức năng…

- Tiết kiệm năng lượng với 2lần thu hồi nhiệt

- Thiết bị đắt tiền

- Thời gian sấy kéo dài

Một số nguyên nhân dẫn đến sai số trong quá trình sấy:

 Sai số do thiết bị

 Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến giá trị cân

 Do các thao tác tiến hành thí nghiệm của người làm thí nghiệm không chuẩn giữa các thí nghiệm với nhau cũng như việc canh thời gian và đo khối lượng vật liệu mỗi 5 hoặc 10 phút không chuẩn sẽ gây ra sai số cho thí nghiệm Từ đó ảnh hưởng nhiều đến việc xây dựng đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy

 Ảnh hưởng của nguyên liệu: Nguyên liệu càng bé, càng mỏng thì tốc độ sấy càng nhanh, nhưng nếu nguyên liệu có kích thước quá bé và quá mỏng sẽ làm cho nguyên liệu bị cong, dễ gãy, vỡ

 Ảnh hưởng của không khí:

 Nhiệt độ của không khí: Trong các điều kiện khác nhau không đổi như độ ẩm không khí, tốc độ gió,… việc nâng cao nhiệt độ sẽ làm tăng nhanh tốc độ làm khô do lượng nước trong nguyên liệu giảm xuống càng nhiều Nhiệt độ sấy thích hợp được xác định phụ thuộc vào độ dày, diện tích bề mặt vật sấy Khi sấy ở những nhiệt độ khác nhau thì nguyên liệu có thể có những biến đổi khác nhau.

 Độ ẩm của không khí: độ ẩm tương đối của không khí cũng là nhân tố ảnh hưởng quyết định đến quá trình làm khô, độ ẩm không khí càng lớn thì quá trình làm khô sẽ chậm lại

 Tốc độ chuyển động của không khí: tốc độ gió quá lớn hoặc quá nhỏ đều không

có lợi cho quá trình sấy Vì tốc độ chuyển động của không khí quá lớn khó giữ nhiệt lượng trên nguyên liệu để cân bằng quá trình sấy, còn tốc độ quá nhỏ sẽ làm cho quá trình sấy chậm lại Vì vậy, cần phải có một tốc độ gió thích hợp, nhất là giai đoạn đầu của quá trình làm khô

 Ảnh hưởng của hướng gió: hướng gió cũng rất ảnh hưởng đến quá trình làm khô, khi hướng gió song song với bề mặt nguyên liệu thì tốc độ làm khô rất nhanh

5.2.2 Bàn luận về tính chất cảm quan

Hình 1.15 Mẫu củ cải trắng trước khi sấy

Hình 1.16 Sản phẩm củ cải trắng sấy hồng ngoạ

Hình 1.17 Sản phẩm củ cải trắng sấy đối lưu

Hình 1.18 Sản phẩm củ cải trắng sấy lạnh Bảng 1 5 Đánh giá cảm quan các mẫu sấy củ cải

Trạng thái

Bị biến dạng,nhăn nhúm, cong,

vênh

Ít bị biến dạngnhất

Bị teo lại (biếndạng nhiều nhất)

giòn bên trong còn hơi ẩm

Dựa vào bảng đánh giá trên, ta có thể thấy đối với bài thí nghiệm của nhóm cùng với vật liệu là củ cải trắng, sấy đối lưu sẽ cho sản phẩm có giá trị cảm quan tốt nhất (màu sắc và hình dạng ít bị biến đổi nhất và mùi vị thì vẫn còn lại nên vẫn giữ được nét đặc trưng của củ cải trắng)

Một số nguyên nhân dẫn đến giá trị cảm quan chưa tốt của sản phẩm

 Mẫu cắt quá mỏng, khi sấy dễ bị teo và biến dạng

 Trong quá trình làm các nhóm không thống nhất với nhau, mở tủ sấy thường xuyên nên nhiệt độ thay đổi thất thường, không cố định

 Sản phẩm sấy hồng ngoại bị biến dạng, có màu sẫm cùng mùi hơi khét có thể là

do trong quá trình sấy các thông số thiết bị chưa chuẩn, nhiệt độ quá cao làm cho bề mặt vật liệu bị đốt nóng nhanh, dẫn đến sản phẩm bị cháy và biến dạng

 Sản phẩm sấy lạnh tuy sấy ở nhiệt độ thấp, giúp giữ được mùi vị cho củ cải, nhưng do thời gian sấy quá dài, giờ học không đủ để sấy 1 lần nên nhóm phải đem mẫu về nhà và sấy tiếp vào ngày hôm sau có thể trong quá trình bị gián đoạn đó, vật liệu bị hút ẩm trở lại, cũng như để ngoài không khí quá lâu khiến vật liệu bị oxy hoá nên dẫn đến tình trạng sản phẩm bị thâm, và biến dạng nhiều nhất

 Trong quá trình cân, vật liệu tiếp xúc lâu với không khí dễ bị oxy hoá

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Tấn Dũng 2013 Quá trình và thiết bị Công nghệ Hóa học và Thực phẩm Tập 2: Các quá trình và thiết bị truyền nhiệt Phần 3: Các quá trình và thiết bị làm lạnh và lạnh đông NXB Đại học Quốc gia TP HCM 406 trang

[2] Nguyễn Tấn Dũng 2016 Kỹ thuật và công nghệ sấy thăng hoa NXB Đại học Quốc gia TP.HCM 432 trang

[3] Nguyen Tan Dzung, Trinh Van Dzung, Tran Duc Ba 2012 Building The Method to Determine The Rate of Freezing Water of Penaeus Monodon, Adv Journal

of Food Science and Techonology, Vol 4, Issue 5, United Kingdom

[4] Nguyen Tan Dzung 2012 Optimization the Freezing Process of Penaeus Monodon To Determine Technological Mode, International Journal of Chemical Engineering and Application, Vol 3, No 3, June 2012, p 187 – 194

[5] Viện Dinh dưỡng Bảng thành phần thực phẩm 2007 Bộ Y tế

[6] Võ Văn Bang – Vũ Bá Minh 2004 Quá trình và thiết bị trong Công nghệ hóa học và Thực phẩm – Tập 3: Truyền khối NXB Đại học Quốc gia TP.HCM 388 trang

BÀI 2 THÍ NGHIỆM LẠNH ĐÔNG THỰC PHẨM

1 Tổng quan

1.1 Quá trình lạnh đông

Đông lạnh là một phương pháp tiên tiến kéo dài thời hạn bảo quản của thực phẩm, chất dinh dưỡng được giữ lại và sản phẩm còn được giữ lại như lúc ban đầu Mục đích của quá trình lạnh đông là hạn chế sự hoạt động của vi sinh vật (đặc biệt là vi sinh vật

ưa lạnh), hạn chế sự hư hỏng của thực phẩm, nâng cao chất lượng thực phẩm (Lê Chí Hiệp, 2004)

Quá trình lạnh đông thực phẩm là quá trình làm giảm nhiệt độ của thực phẩm dưới nhiệt độ của điểm đóng băng để nước bên trong thực phẩm chuyển pha từ thể lỏng sang thể rắn, làm mất môi trường sống của vi sinh vật, làm mất môi trường nước thể lỏng, ngưng các qúa trình sinh hóa, ngưng quá trình trao đổi chất (nếu có), kéo dài thờihạn sử dụng, phục vụ cho thương mại, xuất khẩu và tiêu dùng

Bảo quản thực phẩm bằng phương pháp lạnh đông là một ngành kĩ thuật rất quan trọng, có ý nghĩa lớn về mặt kinh tế Thực phẩm như các loại rau quả, thịt cá, sữa,…là những thức ăn dể bị ôi thiu do vi khuẩn và một số phản ứng oxy hóa gây ra Nhưng khi

ở nhiệt độ thấp các vi sinh vật ngừng hoạt động, có thể chết, ngoài ra khi ở nhiệt độ thấp các quá trình oxy hóa sản phẩm dường như không xảy ra Vì vậy giữ được thực phẩm như trạng thái ban đầu, kỹ thuật lạnh ứng dụng trong bảo quản thực phẩm hết sức là quan trọng Bảo quản thực phẩm bằng phương pháp lạnh đông nó giúp người làm công tác kỹ thuật chế biến biết cách tổ chức để giảm tổn thất trong quá trình bảo quản (Nguyễn Tấn Dũng, 2013)

Ngoài ý nghĩa kinh tế ứng dụng lạnh trong bảo quản thực phẩm, kỹ thuật lạnh còn được ứng dụng trong sấy thăng hoa, trong công nghiệp hóa chất, điều hòa không khí, tạo ra chất siêu dẫn, ứng dụng trong sinh học và một số ứng dụng trong các lĩnh vực khác như kỹ thuật đo, tự động,…(Trần Thanh Kỳ, 2004)

1.2 Các phương pháp lạnh đông

Phương pháp lạnh đông chậm: nhiệt độ không khí cao hơn – 250C Vận tốc không khí đối lưu nhỏ hơn 1m/s Tốc độ lạnh đông dưới 0,5cm/h Thời gian lạnh đông kéo dài từ 10 – 15 giờ (Nguyễn Tấn Dũng, 2013)

Phương pháp lạnh đông nhanh: không khí lạnh có nhiệt độ từ -35÷-400C Vận tốc không khí đối lưu là 3m/s, tốc độ lạnh đông từ 1÷3cm/h Thời gian lạnh đông kéo dài 2–10 giờ (Nguyễn Tấn Dũng, 2013)

Phương pháp lạnh đông cực nhanh: nhiệt độ không khí -40÷-430C Tốc độ cấp đônglớn hơn hoặc bằng 15cm/h Thời gian cấp đông rất ngắn 10–15 phút (<20 phút)

(Nguyễn Tấn Dũng, 2013)

1.3 Tổng quan nguyên liệu lạnh đông

Trong bài thí nghiệm này, để tiến hành lạnh đông thực phẩm, nhóm xin chọn

nguyên liệu là củ cải trắng

Hình 2 1 Củ cải trắng

Củ cải hay còn gọi là rau Lú Bú Củ cải là cây thân thảo có màu trắng, vị cay nồng Loại nhỏ có một vài lá dài khoảng 13cm với rễ tròn đường kính lên đến 2,5 cm hoặc nhỏ hơn, rễ dài lên đến 7cm Củ cải phát triển phân nhánh, lá dài rất đơn giản, lá có thùy đầu cuối to, các thùy bên nhỏ dần Đây là vật liệu xốp nên sau khi lạnh đông, củ cải có xu hướng dộp đi, mất đi cấu trúc ban đầu của củ cải

Củ cải được trồng hàng năm, phát triển nhanh trong điều kiện mát mẻ Củ cải có chu kì thu hoạch ngắn Sau khi thu hoạch củ cải có thể được bảo quản trong 2,3 ngày ởnhiệt độ phòng hoặc 2 tháng ở 00C với độ ẩm tương đối khoảng 90-95% mà không làmgiảm chất lượng.

Thành phần hóa học của củ cải – củ cải là một nguồn giàu carbohydrat, kali, magie, đồng, canxi,…và đặc biệt là các chất chống oxy hóa nhờ các hợp chất phenolic,

flavonoid, vitamin và các acid folic,…Củ cải trắng chứa 92% nước, 1,5% protid, 3,7% glucid, 1,8 cellulozo Hàm lượng protein trong củ cải chiếm 1,5 % so với trọng lượng khô Lượng protein này không chỉ phụ thuộc vào quá trình phát triển của cá thể, điều kiện sống, cách xử lí, bảo quản củ cải Củ cải cũng được cho là nguồn giàu các nguyên

tố vi lượng với 40 ppm calci, 15ppm magie, 41ppm phospho, 242mg/100g nguyên liệutươi

1.4 Tính chất vật lí của thực phẩm

Hình dạng của thực phẩm

Hình dạng hình học của thực phẩm có liên quan đến khả năng trao đổi nhiệt, khả năng này phụ thuộc vào khoảng cách và diện tích bề mặt trao đổi nhiệt Trong tự nhiên, hình dạng của thực phẩm rất phong phú và phức tạp, trong thực tế, khi chế biến thì thường đưa các sản phẩm thực phẩm về các hình dạng chuẩn như hình hộp lập phương, hình hộp chữ nhật, hình trụ và hình cầu hoặc có thể dùng phương pháp so sánh tương đương với hình dạng chuẩn (Nguyễn Tấn Dũng, 2013) Trong thí nghiệm này, ta cắt củ cải trắng về dạng hình lập phương

Hình 2 2 Hình dạng củ cải trước khi lạnh đông

Đối với hình cầu, nguồn nhiệt từ điểm giữa của nó truyền ra bề mặt xung quanh với cùng khoảng cách nửa bề dày được thực hiện ở mọi hướng Ở hình trụ, điều này được thực hiện trên một mặt phẳng, còn ở hình hộp, nó chỉ thực hiện trên một đường thẳng,

vì vậy với cùng nửa bề dày thì khả năng trao đổi nhiệt của hình cầu là lớn nhất và hìnhhộp là nhỏ nhất (Nguyễn Tấn Dũng, 2003)

Thực tế cho thấy muốn tăng thời gian trao đổi nhiệt thì phải tăng chỉ số hình dạng

và ngược lại Chỉ số hình dạng là tỷ số giữa diện tích bề mặt với thể tích của vật, có thể

so sánh chỉ số hình dạng của các vật thể có hình dạng chuẩn khác nhau trong trường hợp có cùng nửa bề dày Nửa bề dày là khoảng cách từ trung tâm của vật thể đến bề mặt có khả năng trao đổi nhiệt lớn nhất của nó (Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy, 2004)

1.6 Cơ sở khoa học của lạnh đông thực phẩm

Sự kết tinh của nước trong thực phẩm khi lạnh đông

Sự kết tinh nước là hiện tượng cơ bản làm thay đổi các tính chất của thực phẩm Nước chuyển sang trạng thái rắn làm mất đi môi trường lỏng cho sự hoạt động vi sinh vật và các enzyme trong thực phẩm Sự giảm mức năng lượng do kết tinh của nước rất lớn so với các quá trình giảm nhiệt độ, đây là những yếu tố chủ yếu dẫn tới tiêu diệt hoặc kìm chế hoạt động sống của vi sinh vật, hạn chế tác động của enzyme Do đó, làm giảm đi rất nhiều những biến đổi hóa học của thực phẩm, ngoài ra cấu trúc thực

phẩm được nước đá bảo vệ hạn chế tác động của môi trường bên ngoài trong quá trình vận chuyển, bảo quản Vì vậy, làm đông là biện pháp bảo vệ tốt nhất những tính chất ban đầu của thực phẩm trong một thời gian rất dài (Cleland A.C và cộng sự, 1982).Khi nước kết tinh sẽ giản nở thể tích, thường làm rách vỡ cấu trúc bên trong của thực phẩm, dẫn đến làm thay đổi một số tính chất của nó Quá trình kết tinh nước làm tăng tốc độ mất nước, đồng thời có thể gây biến tính những chất dinh dưỡng có liên kết tốt với nước, dẫn đến giảm mùi vị, khả năng hút nước và giữ nước của thực phẩm, ngoài ra nó còn thay đổi màu sắc thực phẩm (Cleland A.C và cộng sự, 1982)

Quá trình kết tinh nước

Quá trình kết tinh của nước là quá trình tạo thành các mầm tinh thể và tăng kích thước của chúng Quá trình giảm nhiệt độ tức là quá trình giảm mức năng lượng, dẫn đến sự giảm chuyển động tự do về nhiệt của các phần tử chất lỏng, đến một mức độ nào đó lực liên kết giữa các phần tử có thể cố định chúng lại tại những vị trí xác định tạo thành tinh thể nước đá Ở trong nước thường luôn luôn có những phần tử rắn chắc với kích thước nhỏ Ở nhiệt độ gần 00C những phần tử chất rắn sẽ ngừng chuyển động nhiệt, lực liên kết giữa các phân tử nước với nhau Vì vậy, các phần tử liên kết với các phân tử chất rắn ở 00C để tạo thành những mầm tinh thể Do đó, xu thể chủ yếu là các mầm tinh thể hút các phần tử nước để tăng kích thước tinh thể và ít có xu hướng tăng thêm số lượng mầm tinh thể (Cleland A.C và cộng sự, 1982)

Trong cấu trúc thực phẩm, nước chịu nhiều tác động ở các chất tan, chất không tan,

ở những vị trí khác nhau trạng thái của chúng khác nhau Vì vậy, nhiệt độ nước trong thực phẩm khác nhau là khác nhau

Những yếu tố ảnh hưởng tới sự kết tinh nước

Nồng độ chất ban đầu: khi tăng nồng độ các chất tan thì nhiệt độ kết tinh của nước giảm, bởi vì các chất hòa tan sẽ kéo các phân tử nước ngăn cản chúng kết hợp với nhau

Khi nhiệt độ kết tinh của nước trong thực phẩm càng giảm thì các tinh thể nước đá tạo thành có kích thước nhỏ, dài, mức độ ảnh hưởng đến cấu trúc thực phẩm giảm Ở nhiệt độ khoảng (-20 – -10)0C các tinh thể đá tạo thành có kích thước lớn không đều, ởnhiệt độ (-22 – -20)0C các tinh thể đá tạo thành có kích thước nhỏ đều Nếu nhiệt độ

thấp hơn nữa thì các tinh thể đá tạo thành có kích thước rất nhỏ, số lượng tinh thể rất lớn (Nguyễn Tấn Dũng, 2013).

Hiện tượng ở nhiệt độ dưới 00C, dưới điểm kết tinh mà nước chưa kết tinh thành đá gọi là hiện tượng quá lạnh Hiện tượng quá lạnh phụ thuộc vào nồng độ chất tan, cấu trúc màng tế bào và tốc độ hạ nhiệt độ của môi trường xung quanh Nhiệt độ điểm quá lạnh và nhiệt độ điểm đóng băng hoàn toàn khác nhau (Nguyễn Tấn Dũng, 2013).Các tinh thể đá xuất hiện ở điểm quá lạnh, tỏa ra ẩn nhiệt đóng băng làm tăng nhiệt

độ thực phẩm Bởi vì tốc độ thải nhiệt không kịp với tốc độ sinh nhiệt do tạo mầm tinhthể đá Ở điểm này, chủ yếu nước tự do cấu trúc bị tách ra và kết tinh Nhiệt độ thực phẩm tăng lên đến một mức cao nhất và dừng ở đó một lúc để hoàn thành quá trình đóng băng nước (nước tự do – cấu trúc) đây là điểm đóng băng, sau đó tiếp tục giảm nhiệt độ Ở mỗi loại thực phẩm khác nhau thì có điểm quá lạnh và điểm đóng băng khác nhau (Nguyễn Tấn Dũng, 2013)

Tốc độ làm đông: có thể đo bằng tốc độ chuyển dịch của vạch phân cách giữa miền nước đang kết tinh và miền nước chưa kết tinh, thông thường phân biệt quá trình làm lạnh đông với tốc độ chậm, nahnh và rất nhanh Đối với nhiều loại thực phẩm giới hạn giữa làm đông chậm và làm đông nhanh có thể là 3cm/h, nhưng nói chung tốc độ làm đông sẽ ảnh hưởng đến tinh thể nước đá và chất lượng thực phẩm (Nguyễn Tấn Dũng, 2013)

Quá trình làm đông chậm: do sự giảm nhiệt độ diễn ra chậm, quá trình kết tinh nước

đá có điều kiện để hút các phân tử nước xung quanh dẫn đến số lượng tinh thể ít, thể tích và kích thước tinh thể nước đá lớn Do đó, khi làm đông chậm nó tác động nhiều đến cấu trúc thực phẩm (Nguyễn Tấn Dũng, 2013)

Quá trình làm đông nhanh: do sự trao đổi nhiệt lớn, nhiệt độ thực phẩm giảm nhanh,mức độ di chuyển của nước trong quá trình kết tinh ít, nên các tinh thể nước đá có kíchthước nhỏ, số lượng tinh thể nhiều Vì vậy, khi làm đông nhanh nó ít ảnh hưởng đến cấu trúc, chất lượng thực phẩm (Nguyễn Tấn Dũng, 2013)

Quá trình làm đông cực nhanh: chuyển nước về trạng thái rắn ở ngay vị trí tồn tại ban đầu của chúng, với nhiệt độ kết tinh thấp Các tiinh thể nước đá có kích thước rất nhỏ, ở dạng sợi nhỏ, một số trường hợp các tinh thể nước đá ở dạng vô định hình Như

vậy khi làm đông cực nhanh thì hầu như không ảnh hưởng đến cấu trúc, chất lượng của thực phẩm (Nguyễn Tấn Dũng, 2013).

Trạng thái chất lượng của thực phẩm: thường gắn liền với trạng thái của nước trong thực phẩm Trong thực phẩm nước tồn tại ở hai dạng, nước tự do không tham gia vào cấu trúc thực phẩm, nước liên kết tham gia vào liên kết với các thành phần chất tan, với những chất rắn trong cấu trúc thực phẩm Khi chất lượng thực phẩm giảm thì dẫn đến tỷ lệ nước tự do tăng, nước liên kết giảm Đặc biệt trong quá trình biến đổi tự nhiên với giai đoạn co cứng (tê cứng) của động vật làm những trung tâm giữ nước trong cấu trúc thực phẩm giảm dẫn đến khi nước kết tinh khả năng di chuyển của nướctăng, các tinh thể nước đá có cấu trúc tăng, khối lượng thực phẩm giảm và làm ảnh hưởng xấu đối với chất lượng thực phẩm (Nguyễn Tấn Dũng, 2013)

Khi lạnh đông thực phẩm thì cần phải xác định nhiệt độ lạnh đông tối ưu Ứng với nhiệt độ cấp đông tối ưu đó thì lượng nước tự do và lượng nước liên kết hóa lý trong thực phẩm phải kết tinh trên 86% đối với bảo quản lạnh, vì tại giá trị này nước tồn tại

ở môi trường lỏng trong thực phẩm rất bé, không đủ điều kiện cho vi sinh vật sinh trưởng và phát triển và bị giết chết Còn đối với lạnh đông dùng để sấy thăng hoa thì yêu cầu nước trong thực phẩm phải kết tinh hòa toàn thì mới đảm bảo được chất lượngcủa sản phẩm sau khi sấy (Nguyễn Tấn Dũng, 2013)

1.5 Tính chất vật lí và hóa học của thực phẩm

Tính chất vật lý của thực phẩm cũng ảnh hưởng rất nhiều đến quá trình trao đổi nhiệt khi làm lạnh đông thực phẩm Trong quá trình chế biến thực phẩm, để nâng cao chất lượng thực phẩm, giữ nguyên giá trị dinh dưỡng của nó thì cần phải biết được các tính chất vật lý, hóa học, sinh học; từ đó mới đưa ra được quy trình công nghệ chế biếnmột cách hợp lý và hiệu quả nhất, mang lại lợi ích cho con người và cho xã hội

(Nguyễn Tấn Dũng, 2013)

Thành phần hóa học của thực phẩm ảnh hưởng đến các quá trình truyền nhiệt khi lạnh đông Thực phẩm luôn chứa đựng các thành phần dinh dưỡng như protein, lipit, gluxit, vitamin, khoáng và nước, ngoài ra còn chứa một số các hợp chất có hoạt tính sinh học mạnh là thành phần rất quan trọng cho con người Và trong thực phẩm luôn tồn tại các dạng liên kết hóa học giữa protein, lipit và gluxit, một số các hợp chất khác

với nhau Trong thành phần liên kết đó đa phần có mặt các phân tử nước tham gia, sự liên kết này nó ảnh hưởng đến rõ rệt trong quá trình làm lạnh và lạnh đông Nước trong thực phẩm luôn tồn tại ở hai dạng nước tự do và nước liên kết Nước tự do là loạinước tham gia vào quá trình vận chuyển các chất dinh dưỡng qua màng tế bào Nó là nguyên nhân gây ra sự chênh lệch áp suất thẩm thấu trong quá trình sống của tế bào trao đổi chất và năng lượng, nước tự do thường nằm chủ yếu ở gian bào, còn nước liênkết tham gia vào cấu trúc của tế bào Trong quá trình làm lạnh thì nước tự do luôn kết tinh sau đó mới đến nước cấu trúc, do ảnh hưởng thành phần các chất tan mà các loại nước này có nhiệt độ đông đặc thấp hơn 00C, nhiệt độ đông đặc của chúng khoảng từ -10÷ -50C tùy thuộc vào thành phần của thực phẩm (Nguyễn Tấn Dũng, 2013).

1.7 Những biến đổi của thực phẩm khi làm đông

Những biến đổi vật lí

Trong quá trình lạnh đông trạng thái của sản phẩm trở nên cứng, rắn do sự kết tinh của nước, nhưng khi phục hồi lại trạng thái ban đầu (làm tan nước đá của thực phẩm, tan giá) thì độ cứng, độ đàn hồi, tính chặt chẽ cấu trúc của thực phẩm giảm đó là do những tác động đến thực phẩm của sự giản nở các tinh thể nước đá làm rách vỡ cấu trúc thực phẩm Trong quá trình làm đông màu sắc của thực phẩm thay đổi, mức độ biến đổi cứng phụ thuộc vào kích thước tinh thể nước đá, nếu kích thước càng nhỏ, số lượng tinh thể nhiều thì sự biến đổi càng ít, sự mất nước của thực phẩm trong quá trìnhlàm đông diễn ra khá phức tạp chủ yếu do sự kết tinh của nước Khi nước kết tinh bắt đầu từ bên ngoài rồi đến bên trong, các tinh thể nước đá hình thành đầu tiên ở những

vị trí nước tự do Chúng có khả năng th hút nước từ vị trí nước kết hợp gây nên sự chuyển dịch của nước, ngoài ra khi nước ở vị trí tự do kết tinh nồng độ các chất tan ở đây tăng dần gây nên sự chênh lệch áp suất thẩm thấu Sự chệnh lệch hàm lượng nước dẫn đến nước sẽ dịch chuyển từ nơi vị trí hàm lượng cao về vị trí có hàm lượng thấp, mặc khác quá trình trao đổi nhiệt cũng tác động đến sự khuếch tán của nước, nước chuyển động từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp (Nguyễn Tấn Dũng, 2008)

Còn ở trên bề mặt thực phẩm, khi nước chưa đóng băng thì có sự bay hơi nước với cường độ lớn, khi nước đóng băng thì có sự thăng hoa của các tinh thể nước đá với mức độ thăng hoa không nhiều Như vậy, nước có thể kết tinh trong trong cấu trúc thực phẩm trọng lượng của nó ít thay đổi, nhưng khi làm tan nước đá, để phục hồi trạng thái thực phẩm thì một phần nước nóng chảy sẽ chảy ra ngoài dẫn đến hao hụt trọng lượng và một số biến đổi về hình thái chất lượng thực phẩm Mức độ mất nước của thực phẩm phụ thuộc vào nhiệt độ của thực phẩm và nhiệt độ môi trường thực phẩm được biểu thị trên đồ thị hình 2.3, ở nhiệt độ âm càng sâu thì độ mất nước càng giảm và ngược lại:

∆g: độ mất nước tương đối của thực phẩm, %

t: nhiệt độ của thực phẩm, 0C

t0: nhiệt độ môi trường làm lạnh thực phẩm, 0C

Hình 2.3 Quan hệ nhiệt độ môi trường lạnh với độ mất nước tương đối

Khi làm đông, nước sẽ đóng băng làm cho thể tích của chúng tăng lên khoảng từ 10%, tùy theo các loại thực phẩm khác nhau thì thể tích của chúng tăng khác nhau Đốivới loại thực phẩm thủy hải sản vì thành phần của nước chiếm đến 90% thì thể tích thực phẩm sau khi cấp đông là 10%, còn đối với gia súc, gia cầm thì nhỏ hơn 8% (Nguyễn Tấn Dũng, 2013)

8-Những biến đổi về hóa học