Tìm hiểu nguyên tắc gia nhiệt bằng sóng hồng ngoại và ví dụ

Tìm hiểu nguyên tắc gia nhiệt bằng sóng hồng ngoại và ví dụ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH

TRUNG TÂM MÁY VÀ THIẾT BỊ

TIỂU LUẬN

KỸ THUẬT THỰC PHẨM 2

ĐỀ TÀI:

TÌM HIỂU NGUYÊN TẮC GIA NHIỆT BẰNG SÓNG

HỒNG NGOẠI VÀ MỘT SỐ VÍ DỤ MINH HỌA

GVHD: Ths Trần Hoài Đức Lớp: DHTP5 Nhóm 2

Nguyễn Đỗ Hà Giang 09076841 Trần Thị Mỹ Hạnh 09202211 Lưu Văn Tấn Mạnh 09083631 Nguyễn Thị Bích Tuyền 09207021

Tp Hồ Chí Minh, tháng 3 năm 2011

MỤC LỤC

I LỜI NÓI ĐẦU 3

II NỘI DUNG 5

2 Nhiệt bức xạ 5

2.1 Sóng hồng ngoại 5

2.1.1 Lý Thuyết 5

2.1.2 Thiết bị 7

2.1.3 Ứng dụng trong thực phẩm 8

2.1.3.1 Lò vi sóng 10

2.1.3.2 Lò nướng 11

2.1.3.3 Tủ tiệt trùng 11

2.2 Chiếu xạ 12

2.2.1 Lý thuyết 12

2.2.2 Thiết bị 15

2.2.3 Ứng dụng 17

2.2.3.1 Tiệt trùng 17

2.2.3.2 Giảm tác nhân gây bệnh 17

2.2.3.4 Kéo dài thời hạn sử dụng 18

2.2.3.5 Kiểm soát sự chín 18

2.2.3.6 Dinh dưỡng và cảm quan 18

III KẾT LUẬN 19

IV TÀI LIỆU THAM KHẢO 21

I LỜI NÓI ĐẦU

Trong công nghiệp hóa chất và thực phẩm, đa số các quá trình chỉ xảy ra theomột chiều hướng nhất định ở một điều kiện công nghệ nhất định ở một điều kiện côngnghệ nhất định để đạt một kết quả tối ưu Trong điều kiện công nghệ thường lien quanđến các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình mà ở đó nhiệt độ là một thông số thường ảnhhưởng đến hầu hết các quá trình Do đó các quá trình cần tiến hành ở điều kiện nhiệt độxác định thì kết quả của quá trình mới đảm bảo được điều kiện nhiệt độ của quá trình theoyêu cầu công nghệ, trong công nghiệp thường tiên hành các quá trình đun nóng, làmnguội…nghĩa là ta phải cung cấp hoặc giải phóng bớt năng lượng để giữ nhiệt độ khôngđổi Bản chất các quá trình đó chính là truyền nhiệt

Và quá trình truyền nhiệt là quá trình một chiều, đó là nhiệt chỉ được truyền từnơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp và truyền từ vật này sang vật khác hay từkhông gian này sang không gian khác thường theo một phương thức cụ thể nào đó hoặc

là tổ hợp nhiều phương thức truyền nhiệt phức tạp Các phương thức truyền nhiệt về cơbản gồm dẫn nhiệt, nhiệt đối lưu, nhiệt bức xạ

Một trong ba phương thức truyền nhiệt quan trọng chính là nhiệt bức xạ Nhưchúng ta đã biết mọi vật có nhiệt độ khác nhau không tuyệt đối, do kết quả của quá trìnhdao động điện từ của các phân tử và nguyên tử, đều có khả năng bức xạ năng lượng Cácdao động điện từ sẽ được truyền đi trong không gian theo mọi hướng gọi là sóng điện từ.Các song điện từ có cùng bàn chất chỉ khác nhau về chiều dài bước sóng Tùy theo bướcsóng mà người ta chia thành sóng vũ trụ, sóng rơnghen, sóng tử ngoại, sóng hồngngoại…Nhiệt độ của vật thể càng cao thì lượng nhiệt được truyền đi dưới dạng sóng nănglượng càng lớn Các sóng bức xạ này phát ra trong không gian khi gặp vật thể khác, nó cóthể bị hấp thụ toàn bộ hay một phần để biến thành nhiệt năng Chính vì đặc điểm này màsóng hồng ngoại được sử dụng rộng rãi trong phương pháp gia nhiệt bằng sóng hồngngoại Và phương pháp này được ứng dụng rộng rãi, phổ biến trong ngành kỹ thuật nhiệtnói chung và trong công nghệ chế biến thực phẩm nói riêng, chẳng hạn như thiết bị: lò visóng, lò nướng bánh mì,…Biết được tầm quan trong của phương pháp gia nhiệt bằngsóng hồng ngoại nên nhóm chúng em xin chọn đề tài “tìm hiểu nguyên tắc gia nhiệt bằngsóng hồng ngoại và một số ví dụ minh họa” để làm tiểu luận cho môn kỹ thuật thực phẩm

2 này, mong rằng qua bài tiểu luận này chúng em có thể hiểu rõ hơn, sâu hơn về phươngpháp này

II NỘI DUNG

2 Nhiệt bức xạ

2.1 Sóng hồng ngoại

2.1.1 Lý Thuyết

Năng lượng hồng ngoại là bức xạ điện từ (Hình 18.1) được phát ra bởi vật thểnóng Khi nó được hấp thụ, bức xạ năng lượng của mình cho lên để làm nóng vật liệu

Tỷ lệ truyền nhiệt phụ thuộc vào:

 Các thuộc tính bề mặt của hai tài liệu

 Các hình dạng của các cơ quan phát và nhận

 Nhiệt độ bề mặt của vật liệu sưởi ấm và nhận

Hình 18.1Tất cả các vật thể đều phát xạ hồng ngoại như là một đặc tính nhiệt độ củachúng Năng lượng hồng ngoại được tạo ra do rung động và chuyển động quay củanguyên tử và phân tử, nhiệt độ càng cao, nguyên tử và phân tử chuyển động càng nhiều,càng tạo ra nhiều bức xạ hồng ngoại Năng lượng này sẽ được camera chụp ảnh hồngngoại phát hiện, camera hồng ngoại không phát hiện nhiệt độ, chúng phát hiện bức xạnhiệt

Lượng nhiệt phát ra từ một bộ tản nhiệt hoàn hảo (gọi là một cơ thể màu đen)được tính bằng cách sử dụng các phương trình Stefan-Boltzmann:

Stefan-phần nhỏ liên tục của lý thuyết tối đa Khái niệm của các cơ quan màu xám được sửdụng, và các phương trình Stefan-Boltzmann được sửa đổi để:

4

AT

Q  Lượng năng lượng hấp thu, và do đó mức độ sưởi ấm, thay đổi từ số không

hấp thụ để hoàn thành Điều này được xác định bởi các thành phần của thực phẩm, màhấp thụ bức xạ đến mức độ khác nhau, và bước sóng của năng lượng bức xạ Một số bức

xạ này được hấp thụ và một số là phản xạ trở lại trong thực phẩm

Lượng bức xạ hấp thụ bởi một cơ thể màu xám được gọi là sự hấp thụ ( ) và có sốlượng bằng phát xạ (Bảng 18.3) Bức xạ mà không hấp thu được phản ánh và điều nàyđược thể hiện như là phản xạ (1- ) Có hai loại phản xạ: đó diễn ra ở bề mặt của thựcphẩm và rằng đó diễn ra sau khi bức xạ đi vào cơ cấu thực phẩm và trở thành khuếch tán

do tán xạ Bề mặt phản xạ tạo ra bóng quan sát thấy trên các vật liệu đánh bóng trong khi

cơ thể suy ra những màu sắc và hoa văn của vật liệu

Các bước sóng của bức xạ hồng ngoại được xác định bởi nhiệt độ của nguồn.Nhiệt độ sản xuất cao hơn bước sóng ngắn hơn có độ sâu lớn hơn của sự thâm nhập Tỷ

lệ thực của truyền nhiệt cho thực phẩm, do đó tương đương với tỷ lệ hấp thu trừ đi tỷ lệphát thải:

nơi T1 (K) nhiệt độ của nhiệt độ phát và T2( K) nhiệt độ của chất hấp thụ.

2.1.2 Thiết bị

Các loại máy sưởi nóng bức xạ bao gồm kim loại phẳng hoặc hình ống, máysưởi bằng gốm, và thạch anh hoặc halogen ống được gắn với sợi điện (Bảng 18.4) Cácứng dụng chính của năng lượng bức xạ là sấy khô độ ẩm thấp thực phẩm (chobreadcrumbs Ví dụ, ca cao, bột, hạt, mạch nha, các sản phẩm mì và trà) và nướng hoặc lònướng Sản phẩm đi qua đường hầm, bên dưới các máy sưởi rạng rỡ, trên một băng tải(Ginzberg, 1969) Tuy nhiên, sử dụng rộng rãi như là một nguồn năng lượng để sấy khôphần lớn thực phẩm vì độ sâu giới hạn của sự thâm nhập Năng lượng bức xạ cũng được

sử dụng trong máy sấy chân không và máy sấy băng nội, trong máy sấy thăng hoa gia tốc,trong một số lò vi sóng trong nước để có màu nâu trên bề mặt thực phẩm

Bảng 18.4 Đặc điểm của bước sóng hồng ngoại

Quátrìnhnhiệt độtối đa

Đối lưunhiệt

Hệ thốngsưởi ấm,thời gianlàm mát

Dự kiếncuộcsống

2.1.3 Ứng dụng trong thực phẩm

Việc làm nóng bề mặt nhanh chóng của các loại thực phẩm có trong các hợpchất ẩm và hương vị hay mùi hương Thay đổi để bề mặt các thành phần của thực phẩmcũng tương tự như xảy ra trong quá trình nướng

Nguồn hồng ngoại trong các thiết bị được phát ra với bước sóng 1,8–3,4micron, và sóng hồng ngoại được sử dụng trong việc chế biến nông sản, thực phẩm đượcxem như một thiết bị sấy khô nông sản vì dải biến thiên nhiệt độ trong thiết bị có thể từ37oC – 2000C Nguồn năng lượng của sóng hồng ngoại khi tiếp xúc với nông sản sẽ làmcho các phần tử rung động và dẫn đến sự tăng nhiệt độ bên trong sản phẩm một cáchnhanh chóng cùng với sự gia tăng về áp suất hơi nước Các hạt ngũ cốc, hạt đậu khi đượcchiếu sóng hồng ngoại chỉ trong thời gian 50 giây, nhiệt độ bên trong hạt đã tăng lên900C hoặc với thời gian 90 giây, nhiệt độ đã tăng lên 1100 C

Tác dụng của sóng hồng ngọai khi chiếu vào nông sản (đặc biệt là các loại hạt)

sẽ tạo ra các sản phẩm có giá trị dinh dưỡng cao, mùi vị thơm hơn, tinh bột trong hạt sẽđược hồ hóa triệt để hơn, không có hiện tượng lại bột, và như vậy khả năng tiêu hóa thựcphẩm sẽ tốt hơn Ví dụ hạt lúa mì được chiếu sóng hồng ngoại thì khả năng tiêu hóa là90%, trong khi đó sự tiêu hóa của những hạt lúa mì không chiếu sóng hồng ngoại chỉ đạt30%

Sóng hồng ngoại khi chiếu vào nông sản còn làm tăng hàm lượng axit amin tự

do, đồng thời ức chế một số enzymer bất lợi (như Trypsin trong hạt đậu tương) và do đólàm tăng khả năng tiêu hóa đậu tương lên rất nhiều Hoặc khi chiếu sóng hồng ngoại vàonhững hạt ngũ cốc có chứa axit béo, sẽ làm giảm họat tính các enzym (men) oxy hóa chấtbéo và nó sẽ hạn chế các quá trình oxy hóa chất béo khi bảo quản, hạt sẽ không bị ôi,khét và đắng

Mặt khác khi chế biến các sản phẩm thực phẩm ăn liền, tia hồng ngoại còn cótác dụng diệt khuẩn rất tốt mà không làm mất giá trị dinh dưỡng của nông sản thực phẩm

Một số sản phẩm thức ăn gia súc được chế biến sấy chín bằng tia hồng ngoại

có tác dụng rất tốt đối với vật nuôi Ngoài tác dụng làm tăng khả năng tiêu hóa lên tới

80-90 %, còn làm tăng cảm giác ngon miệng, nâng cao tỷ lệ tăng trọng nhanh, ăn ít mà tăngtrọng lớn, dẫn đến tỷ lệ chuyển đổi thức ăn cao hơn (ví dụ nuôi heo: 2,5kg thức ăn/1kgthịt) Những nông sản dùng làm thức ăn gia súc mà được chiếu tia hồng ngoại thì nănglượng chuyển hóa bao giờ cũng cao hơn những nông sản không chiếu

Trong thực tế sản xuất hiện nay, người ta sử dụng tia hồng ngoại trong nhiềulĩnh vực chế biến như xử lý các loại hạt làm thức ăn gia súc, thanh trùng sữa tươi (vớithời gian rất ngắn 15 giây), gia nhiệt bề mặt các sản phẩm để tạo màu sắc đẹp hơn (ví dụcác loại bánh nướng), sấy khô các loại dược liệu, sấy khô các loại gia vị mà màu sắc ítbiến đổi Người ta còn dùng tia hồng ngoại để nướng bánh, sản xuất thực phẩm ăn nhanh

và ngũ cốc dinh dưỡng (cereals) dùng trong điểm tâm

Hiện nay có nhiều Công ty chuyên sản xuất thiết bị chiếu tia hồng ngoại dùngtrong chế biến thực phẩm như Công ty Charnwood, Charnwood milling, Micronizing,Newton, Simpson, Sharman Những thiết bị của các Công ty này có công suất chế biến từ750kg – 2200kg/giờ, với công suất điện tiêu thụ từ 14-20 kw/tấn hạt

Nguyên liệu (hạt) trước hết được làm sạch sơ bộ, loại bụi bậm, rác, tạp chất, sau

đó được tạo ẩm để đưa độ ẩm của hạt đạt từ 18-20% Rồi từ một hệ thống băng chuyền,hạt được chuyển sang khu vực xử lý hồng ngoại trong khoảng từ 50giây – 90giây (tùytheo mục đích sử dụng và tùy theo loại nguyên liệu) để làm chín tinh bột; và sau đó tiếptục chuyển qua một hệ thống máy ép trục để ép nguyên liệu đã chín thành lát mỏng, rồilàm khô… Tinh bột trong hạt được hồ hóa triệt để sau khi ép mỏng, do đó chất lượng sảnphẩm được tăng lên, đồng thời làm tăng khả năng hấp thu, tiêu hóa của con người (và cảgia súc) đối với sản phẩm nông sản chế biến

2.1.3.1 Lò vi sóng

Monowave 300 là thiết bị

phản ứng bằng vi sóng hiệu quả cao

được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng

tổng hợp bằng vi sóng quy mô nhỏ và

trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu

và phát triển Ngày nay dưới tác dụng

của sóng vi sóng không chỉ được áp

dụng cho tổng hợp hữu cơ – mà tổng

hợp vô cơ, khoa học vật liệu, hóa học

polymer, và các kỹ thuật khác cũng

được thực hiện thành công

Tính năng hiệu quả sử dụng

 Công suất vi sóng không xung đầu ra 850 W

 Mật độ trường cực cao

 Đo nhiệt đọ đồng thời bằng sensor hồng ngoại và sợi quang

 Các điều kiện nhiệt độ/áp suất đạt được ở mức cao nhất

 Nhiệt đồ cực kỳ đồng đều

 Tốc độ gia nhiệt nhanh (3-9 °C/giây)

 Thiết bị khuấy từ hiệu quả

 Khoang chứa tự xoay để gia nhiệt hiệu quả cho bất kỳ dung môi nào ởbất kỳ thể tích nào có thể áp dụng

2.1.3.2Lò nướng

2.1.3.3 Tủ tiệt trùng

Hiện nay, trên thị trường có nhiều loại tủ với các thể tích to nhỏ cho các nhàhàng, khách sạn và hộ gia đình Đây là một dạng tủ chứa chén bát, ly tách với khả năngkhử trùng bằng khí ozone và tia hồng ngoại, bảo đảm được vệ sinh an toàn khi ăn uống

Với các cỡ tủ 100 lít trở lên, số

lượng vật dụng đặt trong tủ tăng lên nhiều hơn

và khả năng sấy khô cũng gia tăng Các loại tủ

lớn được trang bị số đèn hồng ngoại nhiều hơn

các cỡ nhỏ Việc tiệt trùng được thực hiện

dưới hai hình thức: khí ozone đối với các sản

phẩm kém chịu nhiệt như chén, đĩa nhựa và

gia nhiệt bằng tia hồng ngoại Thời gian tiệt

trùng bằng khí ozone dao động trong khoảng

15-60 phút, thời gian phát nhiệt bằng tia hồng

ngoại khoảng 60 phút

Tủ bao gồm hai ngăn, ngăn trên dùng phương thức tiệt trùng bằng khí ozoneđối với các vật dụng không chịu được nhiệt độ cao; ngăn dưới dùng phương thức gianhiệt bằng tia hồng ngoại đối với các vật dụng có thể chịu được nhiệt độ cao Ngăn tủtrên và dưới đều vận hành độc lập, hoàn toàn không ảnh hưởng đến nhau

2.1 Chiếu xạ

2.2.1 Lý thuyết

Ionising bức xạ có dạng sóng từ các đồng vị với một mức độ thấp hơn, từ quang và điện tử Nó được cho phép tại 38 quốc gia để bảo quản thực phẩm bằng cáchphá hủy các vi sinh vật hoặc sự ức chế của những thay đổi sinh hóa (Bảng 8.1).

X-Ứng dụng Liều lượng nhiều

(kGy)

Ví dụ về các loạithực phẩm

Các nước với chếbiến thương mạiTiệt trùng các vật

Rau thơm, gia vị Bỉ, Canada, Croatia,

Cộng hòa Séc, ĐanMạch, Phần Lan,Israel, Hàn Quốc(đại), Mexico, NamPhi, Hoa Kỳ, ViệtNam

Tiêu hủy tác nhân

gây bệnh

10-25Gia hạn cuộc sống

lạnh từ 5 ngày đến 1

tháng

quanh thịt (ngoàiliều lượng cho phép)

Bỉ, Canada, Croatia,Cộng hòa Séc, ĐanMạch, Phần Lan,Pháp, Iran, Hà Lan,Nam Phi, Thái Lan,

 Đóng gói và thực phẩm đông lạnh có thể được điều trị

 Thực phẩm tươi có thể được bảo quản trong một hoạt động đơn lẻ, vàkhông sử dụng chất bảo quản hóa chất

 Nhu cầu năng lượng là rất thấp

 Thay đổi trong giá trị dinh dưỡng của thực phẩm có thể so sánh với cácphương pháp khác của thực phẩm

 Chế biến được tự động kiểm soát và có chi phí vận hành thấpMột bất lợi lớn là chi phí vốn cao của nhà máy chiếu xạ, nhưng lo ngại về việc

sử dụng thực phẩm chiếu xạ cũng đã được thể hiện bằng một số (ví dụ Webb và Lang(1990) và Webb và Henderson (1986)) mối quan tâm khác, ví dụ về an toàn vận hành,được thảo luận bởi Webb và Lang (1987) và của Welt (1985) Họ mô tả những vấn đềchính như:

 Quá trình có thể được sử dụng để loại bỏ vi khuẩn tải cao để làm chokhác

 Sẽ có một nguy cơ sức khỏe nếu độc tố vi khuẩn sản xuất bị pháhủy sau khi đã bị ô nhiễm thực phẩm với độc tố

 Phát triển có thể có của khả năng chống bức xạ trong các vi sinh vật

 Mất giá trị dinh dưỡng

 Cho đến gần đây, các thủ tục phân tích không đủ để phát hiện liệucác loại thực phẩm đã được chiếu xạ

 Công kháng do lo ngại của các phóng xạ gây ra hoặc lý do khác kếtnối với những lo ngại về ngành công nghiệp hạt nhân

Những mối quan ngại đã được giải quyết bằng các FAO / IAEA / WHO Uỷban chuyên gia về chiếu xạ thực phẩm lành của (JECFI) đã kết luận rằng các liều trungbình tối đa là 10 kGy 'trình bày không có nguy hiểm không có độc tính và dinh dưỡnghoặc vi sinh các vấn đề đặc biệt trong các loại thực phẩm ( Tổ chức Y tế Thế giới, 1977,1981) Điều này đã được sự hỗ trợ của Ủy ban Tư vấn về chiếu xạ thực phẩm Cáckhuyến nghị JECFI được sau đó thành lập thành một tiêu chuẩn Codex Alimentarius của

Ủy ban người được đề nghị một mã quốc tế cho hoạt động của cơ sở bức xạ Trong hầuhết các quốc gia mà chiếu xạ được phép, các quy định ghi nhãn là ở lực lượng mà ra mộtyêu cầu các nhà sản xuất để cho biết rằng các thức ăn hoặc bất kỳ thành phần được liệt

kê đã được xử lý bằng chiếu xạ Ngoài ra, các loại thực phẩm bán buôn đều phải có nhãnbằng cụm từ "xử lý bằng chiếu xạ, không xạ một lần nữa" Điều này, cùng với mộtchương trình nghiên cứu phương pháp để phát hiện xem các loại thực phẩm đã được