Thiết lập chế độ sấy vi sóng tối ưu cho màng gấc bằng phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu trên cơ sở thuật toán vượt khe

Nghiên cứu sự biến đổi hàm lượng carotenoids của gấc trong các điều kiện khác nhau về chỉ số công suất riêng phần W/g trong quá trình sấy vi sóng .... Nghiên cứu sự biến đổi hàm lượng ca

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN TUẤN LINH

THIẾT LẬP CHẾ ĐỘ SẤY VI SÓNG TỐI ƯU CHO MÀNG GẤC BẰNG PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HÓA ĐA MỤC TIÊU TRÊN CƠ SỞ

THUẬT TOÁN VƯỢT KHE

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT NHIỆT

Hà Nội – 2018

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN TUẤN LINH

THIẾT LẬP CHẾ ĐỘ SẤY VI SÓNG TỐI ƯU CHO MÀNG GẤC BẰNG PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU HÓA ĐA MỤC TIÊU TRÊN CƠ SỞ

THUẬT TOÁN VƯỢT KHE

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của tập thể hướng dẫn Tất cả những tài liệu mà luận văn có trích dẫn đã được liệt kê đầy đủ và rõ ràng, ngoài ra tác giả không trích dẫn bất kỳ tài liệu nào khác Các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai khác công bố trong bất kỳ công trình nào

Tác giả luận văn

Nguyễn Tuấn Linh

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau Đại học và các Giáo sư, Tiến sỹ của Viện Khoa học & Công nghệ Nhiệt Lạnh, Viện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm đã tạo điều kiện thuận lợi và góp nhiều ý kiến quý báu giúp tôi hoàn thành luận văn này

Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới PGS TSKH Nguyễn Văn Mạnh và TS Nguyễn Đức Trung đã hết lòng hướng dẫn, giúp đỡ, tin tưởng và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Tôi xin chân thành cảm ơn nhóm thực hiện đề tài T2016-PC-033 “Nghiên cứu phương pháp sấy màng gấc nguyên chất từ màng gấc nhằm giảm thiểu sự tốn thất β-Caroten và Licopen” đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho tôi tìm hiểu tài liệu và thực hiện các thí nghiệm thực tế

Tôi xin cảm ơn bố mẹ, người thân và bạn bè đã ủng hộ và động viên tôi trong quá trình nghiên cứu

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận văn

Nguyễn Tuấn Linh

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CÁC BẢNG v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vi

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Tổng quan về cây gấc 3

1.1.1 Nguồn gốc và đặc điểm thực vật học 3

1.1.2 Thành phần dinh dưỡng trong quả gấc 4

1.1.3 Tình hình sản xuất và tiêu thụ gấc 7

1.2 Hợp chất carotenoid 8

1.2.1 Cấu tạo hóa học 8

1.2.2 Sự tổng hợp carotenoids 9

1.2.3 Giá trị sinh học của hợp chất carotenoids 10

1.2.4 Ảnh hưởng của yếu tố ngoại cảnh đến sự biến đổi carotenoids 13

1.3 Kỹ thuật sấy vi sóng 14

1.3.1 Cơ chế làm nóng của vi sóng 14

1.3.2 Đặc điểm của sấy vi sóng 15

1.3.3 Cấu tạo chung của hệ thống sấy vi sóng 16

1.4 Các vấn đề tồn tại và nội dung nghiên cứu 21

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT TỐI ƯU HÓA VÀ PHÁT TRIỂN TỐI ƯU HÓA ĐA MỤC TIÊU TRÊN CƠ SỞ THUẬT TOÁN VƯỢT KHE 23

2.1 Khái niệm về bài toán tối ưu hóa và ý nghĩa của nó 23

2.2 Phương pháp giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu 27

2.2 Khái quát về bước chuyển động trong quá trình tối ưu hóa lặp 31

2.3 Nguyên lý chuyển động vượt khe 37

2.4 Phương pháp xác định bước vượt khe 39

2.3.1 Xác định bước vượt khe dựa theo đạo hàm 39

2.3.2 Xác định bước vượt khe dựa theo giá trị hàm 41

2.5 Sơ đồ nguyên lý thuật toán tối ưu hóa vượt khe 44

2.6 Bước vượt khe và hướng trục giao tực nón (hướng chiều Affine) 46

CHƯƠNG 3: BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ SẤY TỐI ƯU 53

3.1 Thiết bị thí nghiệm 53

3.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm 55

3.2.1 Phương pháp lấy mẫu và xử lý mẫu 55

3.2.2 Nghiên cứu sự biến đổi hàm lượng carotenoids của gấc trong các điều kiện khác nhau về chỉ số công suất riêng phần (W/g) trong quá trình sấy vi sóng 55

3.2.3 Nghiên cứu sự biến đổi hàm lượng carotenoids của gấc trong các điều kiện khác nhau về tốc độ gió (m/s) trong quá trình sấy vi sóng 57

3.2.4 Xác định hàm lượng lycopene và β-carotene 58

3.3 Kết quả thí nghiệm 58

3.4 Chuẩn hóa các hàm mục tiêu 59

3.5 Thống nhất hóa các mục tiêu 68

3.6 Thiết lập hàm mục tiêu tương đương vô điều kiện 69

3.7 Cực tiểu hóa hàm mục tiêu tương đương 70

3.8 Kết luận 73

KẾT LUẬN CHUNG VÀ ĐỀ XUẤT HƯỚNG NGHIÊN CỨU 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

PHỤ LỤC I: CODE PASCAL 78

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Thành phần dinh dưỡng trong quả gấc

Bảng 1.2: Thành phần acid béo trong màng đỏ quả gấc

Bảng 1.3: Một số chuẩn thiết kế ống dẫn sóng

Bảng 3.1: Bố trí thí nghiệm trong các điều kiện khác nhau về công suất riêng phẩn

Bảng 3.2: Bố trí thí nghiệm trong các điều kiện khác nhau về tốc độ gió

Bảng 3.3: Kết quả thí nghiệm kiểm tra ảnh hưởng của tốc độ gió đến hàm lượng lycopene và β-carotene

Bảng 3.4: Kết quả thí nghiệm kiểm tra ảnh hưởng của công suất vi sóng riêng phần đến hàm lượng lycopene và β-carotene

Bảng 3.5: Kết quả thí nghiệm kiểm tra ảnh hưởng của tốc độ gió đến hàm lượng lycopene và β-carotene đã chuẩn hóa

Bảng 3.6: Kết quả thí nghiệm kiểm tra ảnh hưởng của công suất vi sóng riêng phần đến hàm lượng lycopene và β-carotene đã chuẩn hóa

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Cấu tạo một số hợp chất carotenoids (Kopczynski, 2005)

Hình 1.2: Sự trao đổi chất và sinh tổng hợp carotenoids (Shan Lu & Li Li, 2008) Hình 1.3: Quá trình chuyển hóa beta-carotene thành vitamin A

Hình 1.4: Sự biến đổi của hợp chất carotenoids

Hình 2.1: Cực đại của của f(x) cũng chính là cực tiểu của –f(x)

Hình 2.2 Nguyên tắc chuyển động vượt khe

Hình 2.3 Sự biến thiên hàm mục tiêu dọc theo hướng chuyển động

Hình 2.4 Lưu đồ thuật toán xác định bước vượt khe dựa theo đạo hàm theo hướng Hình 2.5 Dấu hiệu vượt khe dựa theo giá trị hàm tại ba điểm liên tiếp

Hình 2.6 Xác định bước vượt khe dựa theo giá trị hàm

Hình 2.7 Sơ đồ thuật toán tối ưu hóa vượt khe

Hình 2.8 Sự hình thành hướng chiếu Afine

Hình 2.9 Quá trình cực tiểu hoá theo thuật toán VAF

Hình 3.1.Thiết bị sấy vi sóng vận hành từ máy tính

Hình 3.2 Thiết bị sấy và hệ thống điều khiển

Hình 3.3 Màng gấc trên khay sấy

Hình 3.4: Mô hình hóa kết quả thí nghiệm ảnh hưởng vận tốc gió đến hàm lượng lycopene

Hình 3.5 Các hệ số phương trình dạng bậc 2 trơn từng khúc của hàm H11

Hình 3.6: Mô hình hóa kết quả thí nghiệm ảnh hưởng vận tốc gió đến

hàm lượng β-carotene

Hình 3.7: Các hệ số phương trình dạng bậc 2 trơn từng khúc của hàm H21

Hình 3.8: Mô hình hóa kết quả thí nghiệm ảnh hưởng vận tốc gió đến

hàm lượng lycopene

Hình 3.9 Các hệ số phương trình dạng bậc 3 trơn từng khúc của hàm H12

Hình 3.10: Mô hình hóa kết quả thí nghiệm ảnh hưởng vận tốc gió đến

hàm lượng β-carotene

Hình 3.11 Các hệ số phương trình dạng bậc 3 trơn từng khúc của hàm H22

MỞ ĐẦU

Carotenoids được biết đến là một chất có giá trị lớn về y học, các hợp chất carotenoids như β-carotene, lycopene, lutein và zeaxanthin có khả năng kháng sự phát triển tế bào ung thư da, ung thư phổi, điều trị bệnh tim mạch và bệnh đục thủy tinh thể (Braun & Cohen, 2007) Trong nhóm carotenoids, lycopene có tác dụng hỗ trợ làm giảm nguy cơ mắc bệnh ung thư tuyến tiền liệt (Karppi et al., 2009), còn lutein giúp làm giảm nguy cơ mắc bệnh ung thư nội mạc tử cung, buồng trứng (Braun & Cohen, 2007) Trong tự nhiên, carotenoids có mặt trong nhiều loại thực vật như đu đủ, carốt, cà chua, gấc và nhiều loại quả khác, đây là nguồn cung cấp carotenoids quan trọng cho cơ thể con người Song, giá trị dinh dưỡng về carotenoids của các loại thực vật này khác nhau và được quyết định bởi thành phần, hàm lượng các hợp chất trong nhóm carotenoids Đối với các sản phẩm chế biến giàu carotenoids từ thực vật, sự biến đổi carotenoids xảy ra bởi sự tác động của nhiệt độ cao, ánh sáng và một số điều kiện khác, do đó trong các kỹ thuật chế biến, việc đảm bảo hạn chế tối đa sự biến đổi thành phần và hàm lượng carotenoids đóng vai trò quyết định chất lượng dinh dưỡng của sản phẩm

Tại Việt Nam, gấc là một loại trái cây rất giàu carotenoit, hàm lượng β-carotenoit trong quả gấc cao nhất so với các loại trái cây khác (Vuong, 2000), hàm lượng lycopene gấp 76 lần so với cà chua (Ishida et al., 2004), đồng thời trong màng hạt gấc còn chứa một lượng lớn vitamin E (Vuong et al., 2006) Bởi vậy, gấc đã được khai thác làm nguyên liệu chế biến nhiều sản phẩm giàu carotenoids như: dầu gấc, bột gấc, viên nang mềm dầu gấc… Nhiều kỹ thuật, công nghệ chế biến đã được áp dụng như kỹ thuật sấy phun, sấy đối lưu trong chế biến các sản phẩm từ gấc Việc

sử dụng phương pháp sấy bằng nhiệt độ làm giảm hàm lượng các hợp chất carotenoids trong gấc (Yardfon et al., 2014) Khi sấy gấc bằng phương pháp sấy đông khô cho chất lượng tốt nhất, hàm lượng carotenoids bị sụt giảm ít nhất so với các phương pháp sấy khác (T.H.Tran et al., 2007), nhưng phương pháp này không

thể áp dụng trong quy mô công nghiệp vì chi phí rất lớn

Gần đây, kỹ thuật sấy vi sóng - một kỹ thuật áp dụng hiệu ứng nhiệt chuyển hóa năng lượng bức xạ điện từ trong một vùng không gian hẹp được ứng dụng trong qua trình sấy gấc Phương pháp này cho phép thoát ẩm trên một nền nhiệt độ thấp và thời gian sấy nhanh Việc áp dụng nhiệt độ thấp trong quá trình sấy có thể hạn chế

sự tác động của nhiệt độ đến sự biến đổi thành phần và hàm lượng carotenoids Các nghiên cứu ứng dụng sấy vi sóng trong nước đáng chú ý là của Nguyễn Đức Trung

và cộng sự bước đầu cho thấy khả năng làm tăng tốc độ thoát ẩm của sản phẩm

màng gấc so với sấy đối lưu và sấy đông khô Tuy hàm lượng lycopene và

β-carotene sau sấy thực hiện trên thiết bị sấy vi sóng cho kết quả tốt hơn sấy đối lưu,

nhưng những kết quả thí nghiệm cho thấy việc sử dụng công suất vi sóng riêng phần lớn hoặc kéo dài thời gian sấy làm giảm hàm lượng nhóm lycopene Hơn nữa, cho đến nay, các kết quả nghiên cứu về tối ưu hóa đa mục tiêu có ràng buộc cho quá trình sấy vi sóng được công bố trong nước là rất ít Vì vậy, để nâng cao hiệu quả quá trình sấy màng gấc trong thiết bị sấy vi sóng, góp phần nâng cao chất lượng và giá trị sản phẩm màng gấc sau thu hoạch, rất cần những nghiên cứu toàn diện và kỹ lưỡng về chế độ sấy màng gấc trong thiết bị này

Với những phân tích trên đây, mục tiêu nghiên cứu của đề tài đặt ra là xây dựng phương pháp và giải quyết bài toàn thiết lập chế độ sấy vi sóng tối ưu cho màng gấc

nhằm cực đại hóa hàm lượng lycopene và β-carotene thu được trên sản phẩm sau

sấy Nội dung nghiên cứu dựa trên cơ sở phát triển áp dụng lý thuyết tối ưu hóa đa mục tiêu có ràng buộc bằng thuật toán vượt khe Kết quả nghiên cứu nhằm làm cơ

sở cho việc thiết lập chế độ sấy vi sóng cho sản phẩn màng gấc và phát triển cho các loại sản phẩm nông sản khác

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về cây gấc

1.1.1 Nguồn gốc và đặc điểm thực vật học

Gấc tên khoa học Momordica cochinchinesis là một loại cây ở khu vực

Đông Nam Á, được tìm thấy trên khắp các vùng từ miền Nam Trung Quốc đến Đông Bắc Úc bao gồm Thái Lan, Lào, Myanmar, Campuchia và Việt Nam Quả của nó được sử dụng trong ẩm thực lẫn trong y học (https://vi.wikipedia.org/wiki/Gấc) Gấc có thể trồng bằng hạt hay dâm cành vào tháng 2-3, trồng một năm thu hoạch nhiều năm, mùa thu hoạch quả gấc vào tháng 8-9 đến tháng 1-2 năm sau

Gấc là loài cây thân thảo dây leo thuộc chi mướp đắng Đây là loài cây đơn tính khác gốc, cây cái và cây đực riêng biệt Cây gấc leo khỏe, chiều dài có thể mọc đến 15m, thân có tiết diện góc (https://vi.wikipedia.org/wiki/Gấc) Gấc mỗi năm khô héo một lần nhưng vào mùa xuân năm sau, từ gốc mọc ra thân mới, mỗi gốc có nhiều dây, mỗi dây có nhiều đốt, mỗi đốt có lá Lá gấc mọc so le, chia thùy khía sâu, đường kính phiến lá 12-20cm, dưới đáy lá hình tim, trên mặt

có màu xanh lục sẫm Gấc có hoa cái và hoa đực riêng biệt, hoa thường nở vào tháng 4-5, cánh hoa có màu vàng nhạt Quả non thường ra vào tháng 6, hình bầu dục dài 15-20cm, đít nhọn, bên ngoài có nhiều gai nhỏ, khi chín có màu đỏ cam Trong quả có nhiều hạt xếp thành hàng dọc, quanh hạt có màng màu đỏ máu Hạt rất cứng, màu nâu đen, quanh mép có răng cưa tù và rộng, chiều dài khoảng 25-35mm, rộng 19-31mm, dầy 10mm, bên trong hạt có nhân chứa nhiều dầu ( Đỗ Tất Lợi, 2004)

Khối lượng quả gấc không đồng đều, thay đổi tùy thuộc vào giống, điều kiện ngoại cảnh và chế độ chăm sóc Trong điều kiện chăm sóc tốt, mỗi gốc dây gấc có thể cho 100 quả/năm, trung bình từ 30-50 quả/năm, trọng lượng mỗi quả

có thể thay đổi từ vài trăm gam đến 1,2-1,5kg, thậm chí lên tới 2-3kg (Đỗ Tất Lợi, 2004) Dựa vào đặc điểm hình thái, màu sắc gấc được chia thành các giống khác nhau:

- Gấc nếp: quả to trọng lượng quả trung bình từ 1,5-2kg, nhiều hạt, gai to,

ít gai, khi chín chuyển sang màu đỏ cam Bổ quả ra bên trong cùi có màu vàng tươi, màng bao bọc hạt có màu đỏ tươi rất đậm và dày thớ

- Gấc tẻ: quả nhỏ trung bình khoảng 1kg, vỏ dày tương đối ít hạt, gai nhọn, nhiều gai, quả chín bổ ra bên trong cùi có màu vàng nhạt, màng bao quanh hạt thường có màu đỏ nhạt

- Gấc lai: quả tròn to, chất lượng tốt, trọng lượng trung bình đạt 2-3kg, quả ít gai, có màu xanh đen, khi chín có màu đỏ, màng bao quanh hạt có màu đỏ thẫm, cho năng suất cao

Gấc là một loại cây ưa sáng ngày ngắn, cây sinh trưởng tốt trong điều kiện chiếu sáng mạnh nhưng quả phát triển tốt trong điều kiện chiếu sáng giảm Giai đoạn quả đang lớn nếu gặp ánh sáng chiếu trực tiếp quả rất dễ bị rám, thối hoặc sớm rụng Vì vậy, trồng gấc nên làm giàn để nâng cao chất lượng và phẩm chất của quả Nhiệt độ trung bình cho trái gấc phát triển từ 25-270C, hạt gấc có thể nảy mầm ở nhiệt độ 13-150C nhưng tốt nhất ở 250C Gấc có khả năng chịu hạn tốt hơn chịu úng Giai đoạn từ khi mới trồng đến trước khi ra hoa yêu cầu độ ẩm của đất đạt 65-70%, giai đoạn ra hoa cần độ ẩm đạt 75%, khi trồng nên làm vồng, ụ hay trồng ở nơi có khả năng tiêu thoát nước tốt

(http://www.haiduongdost.gov.vn/nongnghiep/?menu=news&catid=1&itemid=187&)

1.1.2 Thành phần dinh dưỡng trong quả gấc

Quả gấc là một loại trái cây bổ dưỡng với nhiều dưỡng chất, vitamin cần thiết cho cơ thể, đặc biệt giàu β-caroten và lycopen, mang lại lợi ích sức khỏe cho người sử dụng Theo số liệu công bố bởi Viện dinh dưỡng (2007), trong 100g quả gấc (phần ăn được) chứa: 77g nước; 10,5g glucid; 2,1g protein; 7,9g lipid; 1,8g chất xơ Ngoài ra còn chứa calci, sắt, kẽm, các vitamin B1, PP, C, E,

và các hợp chất carotenoids (Vuong et al., 2002) Thành phần dinh dưỡng trong

quả gấc thể hiện ở Bảng 1.1

Bảng 1.1: Thành phần dinh dưỡng trong quả gấc

Dinh dưỡng Giá trị trên 100g phần ăn được

Hàm lượng β-carotene trong gấc cao nhất so với các loại trái cây khác (Vuong, 2000), đây là nguồn viatamin A thiên nhiên vô cùng quý giá giúp phòng ngừa và điều trị một số bệnh về mắt, phòng chống ung thư phổi và điều trị bệnh tim mạch (Braun & Cohen, 2007) Lycopene trong gấc gấp 76 lần trong cà chua (Ishida

et al., 2004), có tác dụng chống oxy hóa, chống lão hóa tế bào, làm giảm nguy cơ

mắc ung thư tuyến tiền liệt (Braun & Cohen, 2007)

Trong quả gấc thì màng đỏ bao quanh hạt gấc có chứa lượng acid béo cao hơn các bộ phận khác (22% khối lượng màng hạt), bao gồm hàm lượng cao các acid

không no (34,08% acid oleic; 31,43% acid linoleic) và hàm lượng thấp hơn các acid béo no, trong đó acid palmitic chiếm khoảng 22,04% Thành phần acid béo trong màng đỏ bao quanh hạt thể hiện ở Bảng 1.2

Bảng 1.2: Thành phần acid béo trong màng đỏ quả gấc

Tên acid Khối lượng (mg/100g) Tổng số acid béo (%)

Trong các bộ phận của quả gấc thì phần hạt từ lâu đã được sử dụng trong đông y giúp điều trị một số bệnh như quai bị, mụn nhọt, trĩ, phụ nữ sưng vú…( https://vi.wikipedia.org/wiki/Gấc) Thành phần của hạt gồm có: 6% nước; 55,3% chất béo; 16,6% chất đạm; 1,8% tannin; 2,8% xenluloza; 2,9% chất vô cơ; 2,9%

đường; 11,7% chất khoáng Ngoài ra còn có một lượng nhỏ các men photphatoza, invectaza và peroxydaza Theo tiến sĩ Đỗ Tất Lợi (2004), trong hạt gấc không có alkaloid, chứa 47% (so với nhân hạt) dầu béo đặc ở nhiệt độ thường khi mới ép có màu xanh lục nhạt nhưng khi tác dụng nhiệt hay để lâu do tác động của oxy và ánh sáng sẽ sẫm màu Dầu có tính chất nửa khô, nếu trộn với dầu khô có thể dùng trong

Gấc được dùng trong cả ẩm thực lẫn y học Trong ẩm thực, phần màng đỏ bao quanh hạt gấc thường được dùng để nấu xôi tạo nên sắc đỏ rất bắt mắt bởi vậy, xôi gấc thường được dùng trong các dịp khao vọng, đình đám trong các dịp lễ tết hay cưới hỏi Lá gấc non thái chỉ còn được dung như một loại gia vị không thể thiếu trong món củ niễng xào rươi, một món ăn đặc biệt ở miền Bắc Trong y học, màng

đỏ của hạt được dùng để hỗ trợ điều trị bệnh khô mắt, giúp tăng cường thị lực, là nguồn bổ sung vitamin A dồi dào dưới dạng carotenoid Hạt gấc là một vị thuốc trong Đông y có tên goi là “mộc tiết tử” giúp điều trị các trường hợp sang thương, mụn nhọt, trĩ, sưng vú ở phụ nữ…( https://vi.wikipedia.org/wiki/Gấc) Ngoài ra, rễ

gấc sao vàng, tán nhỏ dùng chữa trị tê thấp, sưng chân (Đỗ Tất Lợi, 2004) Chính bởi gấc có nhiều công dụng như vậy cho nên trong những năm trở lại đây đã có nhiều sản phẩm từ gấc được thương mại hóa như dầu gấc, viên nang mềm dầu gấc, nước ép hoa quả, bột gấc…để có thể đáp ứng nhu cầu ngày một tăng của thị trường

Với nhiều ứng dụng trong chế biến sản phẩm thực phẩm cũng như dược phẩm cho nên nhu cầu về nguyên liệu gấc để sản xuất cũng từ đó mà tăng lên Thị trường trong nước tiêu thụ khoảng trên 1 triệu tấn/năm để sản xuất các sản phẩm như nước ép, thực phẩm chức năng, gia vị thay thế phẩm màu…Bên cạnh đó thị trường xuất khẩu cũng ngày càng trở nên lớn mạnh với đa dạng các mặt hàng như gấc quả, bột gấc, gấc tươi đông lạnh, dầu gấc Các nước tiêu thụ nhiều gấc của nước

ta điển hình như Nhật Bản trên 4 triệu tấn/năm, Thái lan khoảng 1 triệu tấn/năm, các nước Châu Âu trên 2 triệu tấn/năm, Hoa Kì từ 500-1000 tấn/năm và Ấn Độ là 300-500 tấn/năm (http://www.slideshare.net/CtyThaoNguyenXanh/d-n-xy-dng-vng-nguyn-liu-trng-gc-xut-khu-48126369)

1.2 Hợp chất carotenoid

1.2.1 Cấu tạo hóa học

Carotenoids là một nhóm đa dạng các sắc tố từ vàng đến đỏ được tìm thấy trong rất nhiều các loại hoa, trái cây và rau Chúng không chỉ được tổng hợp trong các sinh vật quang hợp, vi khuẩn lam mà còn tổng hợp bởi một số vi khuẩn không quang hợp và nấm (Shan Lu & Li Li, 2008) Carotenoids tan trong dung môi hữu cơ, không hòa tan trong nước Cấu tạo của carotenoids là chuỗi hydrocacbon gồm các đơn vị isoprene, các carotenoids có chuỗi hydrocacbon chưa bão hòa, nối π tiếp cách có thể khép vòng ở đầu, đôi khi có sự đối xứng trong phân tử Dựa vào đặc điểm cấu trúc phân tử carotenoids chia làm hai nhóm Nhóm thứ nhất, trong công thức phân tử có chưa oxy được gọi là xanthophylls như lutein, zeaxanthin và nhiều dẫn xuất chứa nhóm hydroxyl, aldehyde và keton Nhóm thứ hai, cấu tạo phân tử chỉ có cacbon và hydro không chứa oxy như lycopene, β-carotene, α-carotene được goi là carotene (https://en.wikipedia.org/wiki/Carotenoid)

Hình 1.2: Cấu tạo một số hợp chất carotenoids (Kopczynski, 2005)

1.2.2 Sự tổng hợp carotenoids

Carotenoids trong thực vật được sinh tổng hợp bắt đầu với sự tổng hợp isopentenyl diphosphate (IPP) và dimethylallyl diphosphate (DMAPP) thông qua 2-C-methyl-D-erythritol 4-phosphate (MEP) con đường sử dụng glyceraldehydes-3-phosphate (GAP) và pyruvate là chất ban đầu IPP và DMAPP được sử dụng để hình thành các trung tâm trung gian diphosphate geranylgeranyl (GGDP) Sự tổng hợp phytoene bằng việc ngưng thụ hai phân tử GGDP bởi hai phân tử phytonene synthase (PSY)

là bước đầu tiên cho sự hình thành các hợp chất carotenoids Các PSY xúc tác tạo sản phẩm phytoene, hai đồng phân cis-trans isomerase của Z-ISO và xúc tác chuyển hóa poly-cis-phytoene thành dạng trans-lycopene Từ lycopene có hai hướng, dưới xúc tác bởi lycopene ε-cyclase (LCYE) và lycopene β-cyclase (LCYB) tạo ra α-caroten hoặc nếu chỉ có sự xúc tác của lycopene β-cyclase (LCYB) sẽ tạo ra β-carotene Do đó, LCYE đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định tỷ lệ β-carotene/α-caroten a-Carotene Từ GGDP, reductase geranylgeranyl (GGR) xúc tác

giảm GGDP vào phytol trở thành chuỗi bên của chlorophyll, phylloquinone và tocopherols GGDP cũng là chất nền cho ent-copalyl diphosphate synthase (CPS) cùng với ent-kaurene synthase (KS) cho sự trao đổi chất và sinh tổng hợp

gibberellins (Hình 1.2) Một nhánh trao đổi chất quan trọng tồn tại cùng với con đường tổng hợp carotenoids là sự sinh tổng hợp của thiamine và pyridoxal từ 1-deoxy-D-xylulose 5-phosphate (DXP) ( Shan Lu & Li Li, 2008) Sự trao đổi chất và sinh tổng hợp carotenoids được thể hiện ở Hình 1.2

Hình 1.2: Sự trao đổi chất và sinh tổng hợp carotenoids (Shan Lu & Li Li, 2008)

1.2.3 Giá trị sinh học của hợp chất carotenoids

Carotenoids là chất chống oxy hóa mạnh mẽ giúp bảo vệ chống lại “stress oxy hóa”

bằng cách dập tắt các oxy đơn gốc tự do, ức chế sự peroxide chất béo (Semba et al.,

2007) Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng các hợp chất β-carotene, lycopene, lutein và zeaxathin có khả năng chống lại một loạt các bệnh như ung thư, bệnh tim mạch, thoái hóa điểm vàng và đục thủy tinh thể

β-carotene có nhiều tác dụng tốt cho sức khỏe, lợi ích đầu tiên phải kể đến đó là khả năng chuyển hóa thành vitamin A trong cơ thể Quá trình chuyển hóa β-carotene thành vitamin

A (Hình 1.3) là một quá trình phức tạp và diễn ra ở thành ruột non, β-carotene không chuyển hóa hết mà chỉ khoảng 70-80% chúng chuyển hóa thành vitamin A (Nguyễn Minh Thủy, 2005) Vitamin A được biết đến với vai trò giúp sáng mắt, điều trị một số bệnh như bệnh khô mắt, quáng gà, trẻ em chậm lớn, dễ mắc bệnh truyền nhiễm đường

hô hấp, bệnh trứng cá, da tóc móng khô giòn, làm chóng lành vết thường vết bỏng

(https://vi.wikipedia.org/wiki/Vitamin_A), ngăn chặn và làm chậm biến chứng tiền ung thư biểu bì (Nguyễn Minh Thủy, 2005) Chính vì vậy, việc tiêu thụ các thực phẩm giàu β-carotene giúp tổng hợp dồi dào lượng vitamin A tự nhiên tốt cho cơ thể

Hình 1.3: Quá trình chuyển hóa beta-carotene thành vitamin A

(Nguyễn Minh Thủy, 2005) β-carotene có khả năng ngăn ngừa sự phát triển của một số bệnh ung thư như ung thư da, ung thư miệng, ung thư vú và đặc biệt là ung thư phổi (Braun & Cohen, 2007) Theo một nghiên cứu của Krinsky & Johnson (2005) đã kết luận rằng có một mối tương quan giữa lượng β-carotene trong huyết thanh máu và khả năng phòng chống ung thư Các nghiên cứu phòng chống ung thư đã cho thấy việc giảm khả

năng ung thư, đặc biệt là ung thư dạ dày khi có sự bổ sung β-carotene, vitamin E và selen (Krinsky & Johnson, 2005)

Trong số các hợp chất carotenoids, lycopene có khả năng chống oxy hóa cao nhất, giúp bảo vệ tế bào lipid, protein, DNA từ sự tác động của oxy hóa Các nghiên cứu dịch tễ học, nuôi cấy mô các dòng tế bào ung thư ở người, động vật và thử nghiệm lâm sàng trên người đã chứng minh lycopene có tác dụng hỗ trợ phòng chống ung

thư (Karppi et al., 2009) Một nghiên cứu dịch tễ học của Braun & Cohen (2007)

cho thấy một chế độ ăn có bổ sung lycopene giúp giảm nguy có mắc ung thư tuyến tiền liệt, thử nghiệm lâm sàng cũng cho thấy những người bị ung thư tuyến tiền liệt khi sử dụng nước sốt cà chua giàu lycopene giúp giảm một lượng đáng kể kháng nguyên tuyến tiền liệt cấp (PSA) Lycopene còn có tác dụng ức chế sự phát triển của một số bệnh ung thư khác như ung thư vú, phổi, cổ tử cung, buồng trứng và tuyến tụy (Rao & Rao, 2007) Bên cạnh đó, lycopene còn giúp phòng chống bệnh tim mạch, làm giảm cholesterol lipoprotein tỷ trọng thấp, ngăn ngừa nguy cơ nhồi máu cơ tim (Rao & Rao, 2007)

Cùng với β-carotene, lycopene thì hai hợp chất carotenoid khác là lutein và

zeaxanthin cũng được các nhà nghiên cứu quan tâm vì những lợi ích sức khỏe mà

nó đem lại Lutein và zeaxanthin giúp giảm nguy cơ mắc bệnh đục thủy tinh thể, thoái hóa điểm vàng, viêm võng mạc (Braun & Cohen, 2007) Theo nghiên cứu của Ferrari (2007), những người tiêu thụ nhiều thực phẩm có chứa lutein và zeaxanthin giúp giảm 22% nguy cơ mắc bệnh đục thủy tinh thể Nghiên cứu dịch tễ học cho thấy có sự giảm nguy cơ bị thoái hóa điểm vàng ở mắt khi sử dụng nhiều các loại

rau, trái cây chứa lutein và zeaxanthin (Roberts et al., 2009) Lutein và zeaxanthin

còn có tác dụng lọc ánh sáng màu xanh trên mô võng mạc có tác dụng giảm sai lệch màu trong bước sóng ánh sáng nhìn thấy (Krinsky & Johnson, 2005) Không chỉ có tác dụng tốt cho mắt, lutein còn có tác dụng làm giảm nguy cơ mắc các bệnh ung thư như nội mạc tử cung, cổ tử cung, buồng trứng và ung thư thanh quản (Braun & Cohen, 2007)

1.2.4 Ảnh hưởng của yếu tố ngoại cảnh đến sự biến đổi carotenoids

Các hợp chất carotenoids rất dễ bị tổn thất trong quá trình chế biến và tồn trữ thực phẩm, nguyên nhân là do enzyme lipoxygenase thúc đẩy quá trình oxy hóa

carotenoid, tạo thành các peroxide làm sẫm màu thực phẩm Một nguyên nhân nữa dẫn đến sự oxy hóa carotenoids là tác động của nhiệt độ và ánh sáng, bởi các nối đôi trong phân tử carotenoids rất nhạy cảm với hai yếu tố này (Nguyễn Minh Thủy, 2005) Sự oxy hóa làm mất màu carotenoids là một vấn đề quan trọng được chú ý nhiều trong chế biến các loại thực phẩm chứa nhiều hợp chất này Thời gian chế biến nhiệt càng dài, nhiệt độ càng cao làm cho sự tổn thất carotenoids càng nhiều

Sự tác động của yếu tố như acid, nhiệt xử lý, ánh sáng dẫn đến sự đồng phân hóa từ dạng trans-carotenoid thành dạng cis-carotenoid (Hình 2.4) diễn ra nhanh hơn từ đó làm tổn thất lượng carotenoids trong thực phẩm

Trans-carotenoids

Oxy hóa Đồng phân hóa

Epoxy carotenoids oxy hóa Cis-carotenoids

Apocarotenoids

Hợp chất có khối lượng phân tử thấp

Hình 1.4: Sự biến đổi của hợp chất carotenoids

(Nguyễn Thị Lý và Trần Thị Hồng Vân, 2005)

1.3 Kỹ thuật sấy vi sóng

Vi sóng (microwave) là một loại sóng cực ngắn hay còn gọi là sóng siêu tần, sóng

UHF.Vi sóng nằm trong phổ của quang phổ điện từ có bước sóng từ 1mm đến 1m

tương ứng với tần số từ 300 MHz đến 300 GHz Trong khoảng phổ này có tần số được sử dụng cho điện thoại di động, radar, thông tin liên lạc, truyền hình vệ tinh,

… Ủy ban Truyền thông liên bang Mỹ (FCC) đã đề ra hai dải tần số phổ biến nhất được sử dụng cho ISM (công nghệ, khoa học, y tế) là 0,915 và 2,45 GHz Lò vi sóng cho hộ gia đình hiện nay thường hoạt động ở tần số 2,45 GHz trong khi đo hệ thống lò vi sóng công nghiệp hoạt động ở tần số 915 MHz và 2,45 GHz

lại theo hướng của điện trường Dưới tần số cao của điện trường, điều này xảy ra hàng triệu lần mỗi giây và gây ra ma sát nội bộ của các phân tử dẫn đến sự nóng lên của vật liệu

Cơ chế làm nóng của vi sóng cũng có thể do sự di chuyển dao động của các ion trong thực phẩm tạo ra nhiệt dưới sự hiện diện của một điện trường dao động với tần số cao Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến cơ chế làm nóng của vi sóng và phân phối nhiệt của nó nhưng quan trọng nhất trong số đó là các tính chất điện môi và độ sâu thâm nhập của vi sóng

1.3.2 Đặc điểm của sấy vi sóng

Công nghệ sấy vi sóng là một công nghệ tiên tiến dựa trên hiệu ứng nhiệt của

chuyển hóa năng lượng bức xạ điện từ trong một vùng không gian hẹp Hiệu năng sấy (tỷ số của lượng ẩm thoát ra theo mỗi đơn vị năng lượng năng lượng) cao do quá trình phát nhiệt diễn ra chủ yếu đối với nước nên thời gian sấy nhanh do ẩm được đẩy từ sâu bên trong vật liệu ra ngoài Hơn nữa, công nghệ sấy này cho phép thoát ẩm trên một nền nhiệt độ thấp vì thế chất dinh dưỡng trong vật liệu sấy được giữ lại cao hơn

Bức xạ điện từ hình thành bởi nguồn phát vi sóng Tốc độ tăng nhiệt độ của vật liệu điện môi bị gia nhiệt bởi vi sóng cao hơn nhiều lần so với các phương pháp truyền nhiệt thông thường (dẫn nhiệt, bức xạ, đối lưu) Công suất nhiệt hình thành tức thời trên khối vật liệu chủ yếu do sự quay tròn của các phân tử lưỡng cực gây ra bởi sự thay đổi liên tục theo thời gian của trường điện từ với tần số của vi sóng trong

khoảng từ 300MHz đến 300GHz Nhiệt năng được hình thành và lan tỏa ngay trong lòng vật liệu khiến cho vật liệu được làm nóng một cách nhanh chóng ở cả tâm cũng như toàn bộ khối vật liệu Với các phương pháp truyền nhiệt thông thường, trường nhiệt độ được hình thành có quán tính lớn, quá trình truyền nhiệt trong thời gian dài kéo theo sự thất thoát nhiệt năng lớn cũng như hạn chế năng suất của thết bị Riêng với phương pháp truyền nhiệt bằng vi sóng cho tốc độ tăng nhiệt độ nhanh, vì vậy

mà nhiều nước trên thế giới đã áp dụng công nghệ này vào các quá trình liên quan

như sấy, rang, nung… Các lĩnh vực sản xuất ứng dụng vi sóng nhiều có thể kể đến các nhà máy dược phẩm, nhà máy chế biến thực phẩm chất lượng cao, nhà máy sản xuất gốm xứ

Không giống như các thiết bị sấy đối lưu thông thường- nhiệt độ tác nhân sấy thoát

ra khỏi buồng sấy thấp hơn nhiệt độ tác nhân sấy khi vào buồng sấy, chiều truyền nhiệt (từ tác nhân sấy ra đến vật liệu) và truyền ẩm (từ vật liệu ra tác nhân sấy) là ngược nhau Đối với thiết bị sấy vi sóng, hiện tượng diễn ra hoàn toàn ngược lại tức

là chiều truyền nhiệt và truyền ẩm cùng chiều nhau (cùng từ vật liệu ra đến tác nhân sấy) Bức xạ điện từ được truyền dẫn không cần dây dẫn điện, môi trường truyền dẫn có thể là một số phi kim, không khí hoặc chân không Khả năng truyền lan với tốc độ ánh sáng trong môi trường không khí cùng với khả năng đâm xuyên vào sâu bên trong vật liệu cũng như việc hình thành bức xạ đồng thời trên toàn bộ khối vật liệu của vi sóng là những đặc điểm nổi bật được tận dụng trong thiết bị sấy vi sóng Điều này giúp tác nhân sấy đi vào buồng sấy là không khí có nhiệt độ thường, hấp thụ ẩm và lấy nhiệt từ vật liệu khiến cho tác nhân sấy đi ra có nhiệt độ cao hơn tác nhân sấy đi vào

Ngoài sự khác biệt trên, phương pháp sấy vi sóng còn có tốc độ sấy cao hơn các phương pháp sấy đối lưu thông thường khác, dựa vào tính tương tác của lượng ẩm chứa trong vật liệu với năng lượng bức xạ điện từ của vi sóng nên ẩm từ tâm vật liệu ra khỏi bề mặt vật liệu thoát ra khỏi buồng sấy nhờ sự lôi cuốn của tác nhân sấy Tuy nhiên, trong quá trình sấy, vật liệu có thể bị cháy do lượng nước trong vật liệu liên tục giảm mà công suất vi sóng dư sẽ làm nóng các vật liệu phi kim còn lại như lồng sấy, đĩa sấy và vật liệu cần sấy, làm cho vật liệu bị phát nhiệt quá ngưỡng gây ra hiện tượng cháy vật liệu Vì vậy, trong quá trình sấy, công suất phát của nguồn phát liên tục được điều chỉnh giảm xuống để tránh hiện tượng này

1.3.3 Cấu tạo chung của hệ thống sấy vi sóng

Hệ thống sấy vi sóng có cấu tạo khác biệt so với các hệ thống gia nhiệt vi sóng thông thường khác ở chỗ có đường dẫn tác nhân sấy đi vào và đi ra Tác nhân sấy

có nhiệm vụ lôi cuốn hơi ẩm thoát ra từ vậy liệu đi vào khoang sấy Cấu tạo chung của hệ thống sấy vi sóng được thể hiện ở Hình 1.6

Hình 1.6: Cấu tạo chung của hệ thống sấy vi sóng

1.3.3.1 Nguồn phát vi sóng

Đầu phát vi sóng là nguồn năng lượng hình thành dao động sóng điện từ vi sóng Để

có thể đạt công suất cao và tần số yêu cầu làm nóng thực phẩm của vi sóng hầu hết nguồn phát vi sóng sử dụng là ống chân không Các đầu phát vi sóng bức xạ điện từ được sử dụng như: Magnetrons, Klystrons, Gyrotrons, ống phát sóng Trong các loại nguồn phát vi sóng trên thì đèn Magnetrons (Hình 1.7) hay được dùng nhất

Tác nhân sấy đi vào

Tác nhân sấy đi ra

Đầu phát

vi sóng

Ống dẫn sóng

Khoang sấy bức xạ vi sóng

Bộ điều hợp tải

và làm mát

Bức xạ vi sóng

Hình 1.7: Nguồn phát vi sóng dạng đèn Magnetrons

(http://vietnamese.alibaba.com/g/microwave-power-magnetron.html)

Trong một magnetron một nam châm bên ngoài được sử dụng để tạo ra một từ trường với điện trường và từ trường được ứng dụng để tạo ra một lực vòng tròn trên electron khi nó được gia tốc đến cực dương Lực này làm cho electron di chuyển theo hướng xoắn ốc, và điều này tạo ra một đám mây xoáy của các điện tử Khi các electron đi qua các khoang cộng hưởng, các khoang thiết lập dao động trong đám mây điện tử, và tần số của dao động phụ thuộc vào kích thước của các khoang.Năng lượng điện từ được kết hợp từ một trong các khoang cộng hưởng để các đường dây truyền tải thông qua một đường cáp đồng trục hoặc ống dẫn sóng

Hình 1.8: Hình ảnh về đèn magnetron

Hình 1.9: Cấu tạo bên trong đèn magnetron

Có hai phương pháp thường được sử dụng để kiểm soát sản lượng điện trung bình của ống magnetron.Công suất đầu ra của magnetron có thể được kiểm soát thông qua việc điều chỉnh thời gian hoạt động hoặc điều chỉnh dòng điện âm cực hoặc cường độ từ trường

1.3.3.2 Ống dẫn sóng và bộ điều hợp tải

Bức xạ điện từ được truyền dẫn trong khoang bức xạ điện từ chứa vật liệu cần gia nhiệt thông qua ống dẫn sóng và bộ điều hợp tải Ống dẫn sóng phổ biến có cấu tạo dạng hình hộp chữ nhật với hai đầu hở, một đầu kết nối với đầu phát vi sóng một đầu kết nối với khoang bức xạ vi sóng để tránh rò rỉ vi sóng Trong nhiều trường hợp khác nhau, cấu tạo của ống dẫn sóng có thể khác đi dể phù hợp nhưng bản chất không thay đổi

Hình 1.10: Cấu trúc ống dẫn sóng

Một trong những thông số quan trọng của ống dẫn sóng là các kích thước của hình chữ nhật (chiều rộng và chiều cao) tại các mặt cắt ngang của ống dãn sóng từ đầu phát vi sóng tới khoang bức xạ sóng Thông số này tỷ lệ thuận với bước sóng của nguồn phát và tỷ lệ nghịch với tần số kích thích của nguồn phát vì thế nó được đưa ngay vào mã thiết kế Việc chọn phù hợp thông số này sẽ tạo ra phẩm chất tốt cho chum bức xạ điện từ vi sóng với dải tần hẹp, tập trung vào giá trị tần số cộng hưởng giúp nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng

trí này Đây là một trong những lưu ý quan trọng trong thiết kế và chế tạo hệ thống sấy vi sóng bởi sóng dò không chỉ ảnh hưởng tới các thiết bị điện tử, đo lường, điều khiển mà còn ảnh hưởng tới sức khỏe con người Giải pháp để ngăn chặn việc vi sóng bị rò rỉ là sử dụng các lưới kim loại có kích thước mắt lưới nhỏ (nhỏ hơn 10% bước sóng) lắp đặt tại các vị trí dẫn và thoát khí

1.4 Các vấn đề tồn tại và nội dung nghiên cứu

Như đã trình bày ở trên, , gấc là một loại trái cây rất giàu carotenoit, hàm lượng carotenoit trong quả gấc cao nhất so với các loại trái cây khác (Vuong, 2000), hàm

β-lượng lycopene gấp 76 lần so với cà chua (Ishida et al., 2004), đồng thời trong màng hạt gấc còn chứa một lượng lớn vitamin E (Vuong et al., 2006) Bởi vậy, gấc

đã được khai thác làm nguyên liệu chế biến nhiều sản phẩm giàu carotenoids như: dầu gấc, bột gấc, viên nang mềm dầu gấc… Nhiều kỹ thuật, công nghệ chế biến đã được áp dụng như kỹ thuật sấy phun, sấy đối lưu trong chế biến các sản phẩm từ gấc Việc sử dụng phương pháp sấy bằng nhiệt độ làm giảm hàm lượng các hợp

chất carotenoids trong gấc (Yardfon et al., 2014) Khi sấy gấc bằng phương pháp

sấy đông khô cho chất lượng tốt nhất, hàm lượng carotenoids bị sụt giảm ít nhất so

với các phương pháp sấy khác (T.H.Tran et al., 2007), nhưng phương pháp này

không thể áp dụng trong quy mô công nghiệp vì chi phí rất lớn

Gần đây, kỹ thuật sấy vi sóng - một kỹ thuật áp dụng hiệu ứng nhiệt chuyển hóa năng lượng bức xạ điện từ trong một vùng không gian hẹp được ứng dụng trong qua trình sấy gấc Phương pháp này cho phép thoát ẩm trên một nền nhiệt độ thấp và thời gian sấy nhanh Việc áp dụng nhiệt độ thấp trong quá trình sấy có thể hạn chế

sự tác động của nhiệt độ đến sự biến đổi thành phần và hàm lượng carotenoids Các nghiên cứu ứng dụng sấy vi sóng trong nước đáng chú ý là của Nguyễn Đức Trung

và cộng sự bước đầu cho thấy khả năng làm tăng tốc độ thoát ẩm của sản phẩm

màng gấc so với sấy đối lưu và sấy đông khô Tuy hàm lượng lycopene và

β-carotene sau sấy thực hiện trên thiết bị sấy vi sóng cho kết quả tốt hơn sấy đối lưu,

nhưng những kết quả thí nghiệm cho thấy việc sử dụng công suất vi sóng riêng phần lớn hoặc kéo dài thời gian sấy làm giảm hàm lượng nhóm lycopene Hơn nữa, cho đến nay, các kết quả nghiên cứu về tối ưu hóa đa mục tiêu có ràng buộc cho quá trình sấy vi sóng được công bố trong nước là rất ít Vì vậy, để nâng cao hiệu quả quá trình sấy màng gấc trong thiết bị sấy vi sóng, góp phần nâng cao chất lượng và giá trị sản phẩm màng gấc sau thu hoạch, rất cần những nghiên cứu toàn diện và kỹ lưỡng về chế độ sấy màng gấc trong thiết bị này

Đề tài “Thiết lập chế độ sấy vi sóng tối ưu cho màng gấc bằng phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu trên cơ sở thuật toán vượt khe” nhằm xác định trị số tối ưu của các thông số chế độ cơ bản trên thiết bị sấy vi sóng là công suất riêng phần và tốc độ gió

tác động đến quá trình sấy màng gấc để đảm bảo hàm lượng lycopene và β-carotene

của sản phẩm sau sấy đạt mức tốt nhất, ứng dụng cho thiết kế và vận hành thiết bị sấy vi sóng

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT TỐI ƯU HÓA VÀ PHÁT TRIỂN TỐI ƯU HÓA

ĐA MỤC TIÊU TRÊN CƠ SỞ THUẬT TOÁN VƯỢT KHE

2.1 Khái niệm về bài toán tối ưu hóa và ý nghĩa của nó

Như chúng ta đã biết thì trong mọi quá trình lập dự án, thiết kế hay vận hành và điều khiển một hệ thống, chúng ta thường muốn tìm ra phương án tối ưu nhất Tối

ưu nhất ở đây được hiểu theo nghĩa là giá thành, chi phí, nguyên vật liệu bỏ ra là thấp nhất, hiệu quả thu được là cao nhất, tiết kiệm thời gian nhất, chất lượng sản phẩm đạt cao nhất Khi chuyển về dưới dạng mô hình toán học thì các bài toán nêu trên đều trở thành bài toán tìm cực trị (hoặc cực tiểu hoặc cực đại) của một hàm Hàm có thể được nêu dưới dạng tường minh hoặc dạng hộp đen tuỳ theo từng

trường hợp cụ thể, tuy nhiên bao giờ cũng hình thành một quan hệ hàm giữa các yếu

tố đầu vào và yếu tố đầu ra

Ngành khoa học nghiên cứu bài toán tìm cực trị, cụ thể thường là cực tiểu, được gọi

là Tối ưu hoá hay Quy hoạch toán học Bài toán tìm cực đại cũng sẽ được quy về

bài toán tìm cực tiểu, f(x)→max có thể biến đổi tương đương thành − f(x)→min

Hình 2.1: Cực đại của của f(x) cũng chính là cực tiểu của –f(x)

Thông thường, các biến số đầu vào của hàm số thường bị giới hạn bởi những điều kiện kỹ thuật cụ thể, ví dụ như nhiệt độ của quá trình bị giới hạn, kích thước của thiết bị bị giới hạn, đây chính là hình hộp khống chế các khoảng biến Ngoài việc các biến bị giới hạn, bài toán tối ưu thường có các yêu cầu kèm theo, ví dụ như thời gian của dự án, của quá trình phải nhỏ hơn 1 thời gian yêu cầu nào đó, số vốn đầu

tư cung cấp cho dự án là cố định …Do đó một bài toán tối ưu hoá vô điều kiện được phát biểu như sau:

trong đó, x={x1,x2, ,x n} – véctơ tối ưu hoá; f(x) – hàm tối ưu hóa hay thường gọi

là hàm mục tiêu; E n – không gian Ơclit n chiều

Nếu tồn tại bất cứ điều kiện nào đối với miền biến thiên của các biến số thì ta có bài toán tối ưu hoá có ràng buộc

Bài toán tối ưu hoá có điều kiện (ràng buộc) được phát biểu như sau:

g i(x)0, =1,

,

q j

h j(x)=0, =1,

,

trong đó, f(x) – hàm mục tiêu; g i(x) – hàm ràng buộc.bất đẳng thức; h j(x)

– hàm ràng buộc đẳng thức

Nếu ràng buộc ban đầu có dạng g i(x)0 thì có thể biến đổi thành −g i(x)0 Nếu tồn tại nhiều mục tiêu muốn đạt tối ưu, thì hệ thức (2.1) hay (2.2) viết lại là:

Điều này thể hiện được vai trò quan trọng của ngành Tối ưu hóa đối với khoa học,

kỹ thuật nói riêng và đời sống xã hội nói chung

Về ý nghĩa của bài toán tối ưu hoá, chúng ta có thể thấy, tối ưu hoá là một trong những vấn đề có tính kinh điển của toán học, có ảnh hưởng sâu rộng tới các lĩnh vực khoa học – công nghệ và kinh tế - xã hội Việc xác định được phương án tối ưu khi thiết lập dự án, thiết kế, vận hành, điều khiển một hệ thống công nghệ cũng như các quá trình khác trong đời sống kinh tế - xã hội sẽ giúp chúng ta có phương án hợp lý nhất, tốt nhất, chỉ khi dựa trên lời giải tối ưu thì chúng ta mới có khả năng lập kế hoạch hợp lý, tiết kiệm chi phí, tài nguyên, nguồn lực mà lại cho hiệu quả cao nhất, tránh gây lãng phí nguồn lực và thời gian trong mọi công việc

Những bài toán tối ưu hóa trong lĩnh vực nhiệt có thể kể như sau:

- Giải hệ phương trình hay bất phương trình bằng phương pháp tối ưu hoá;

- Xác định quy luật biến thiên của một chuỗi số liệu thực nghiệm;

- Xấp xỉ tối ưu một đại lượng vật lý nhiệt bởi một hàm toán học;

- Nhận dạng và mô hình hoá đối tượng điều khiển;

- Tối ưu hoá chất lượng quá trình điều khiển;

- Tối ưu hóa chế độ cháy của lò hơi;

- Phân phối phụ tải tối ưu giữa các tổ máy nhiệt điện trong nhà máy điện;

- Phân phối phụ tải tối ưu giữa các máy lạnh trong hệ thống lạnh và điều hòa không khí;

- …

Trong các lĩnh vực đời sống sinh hoạt và xã hội cũng như trong công nghệ hay thực tế sản xuất, người ta thường nhắm đến nhiều mục đích, nhiều tiêu chí cần đạt Mỗi tiêu chí mong muốn đạt càng cao càng tốt Nhưng thành quả đạt được các mục đích mong muốn thì phụ thuộc vào hành động và điều kiện hoàn cảnh nhất định Như vậy, tùy mức độ thể hiện mờ hay tỏ nhưng luôn luôn có sự hiện diện của bài toán tối ưu đa mục tiêu

Về hình thức, bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu viết dưới dạng:

n

E k

với điều kiện:

I i

h i(x) = 0 , = 1 , , (2.4)

J j

2.2 Phương pháp giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu

Lý thuyết tối ưu hóa đa mục tiêu là một lĩnh vực toán học được phát triển từ khá lâu với nhiều kết quả phong phú, ví dụ xem trong [ЛавреитьевО.И.-1986, Kalyanmoy Deb-2001, B.M.Trí-2005] Tuy nhiên, với mục đích thực tiễn áp dụng cho những bài toán cụ thể trong lĩnh vực nhiệt, chúng ta chỉ tập trung vào những phương pháp giải phù hợp và dễ áp dụng nhất Phương pháp luận chung là đưa các mục tiêu về một mục tiêu thống nhất trên dựa trên một nguyên tắc thỏa hiệp nhất định Sau đó, đưa bài toán tối ưu hóa có ràng buộc về một hàm mục tiêu vô điều kiện tương đương để tìm lời giải lời giải thỏa hiệp Quá trình giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu bao gồm4 bước chính sau:

1-Chuẩn hoá các hàm mục tiêu, nhằm đưa chúng về dạng phi thứ nguyên

2-Thống nhất hóa các mục tiêu trên cơ sở một nguyên tắc thỏa hiệp nhất định

3- Thiết lập hàm mục tiêu vô điều kiện, tương đương với bài toán một mục tiêu

4-Cực tiểu hóa hàm mục tiêu tương đương bằng thuật toán tối ưu hóa vô điều kiện

Điểm cực tiểu của hàm mục tiêu tương đương chính là lời giải của bài toán tối

ưu hóa đa mục tiêu ban đầu

Bước 1.Chuẩn hoá các hàm mục tiêu:

Bước này thực hiện việc biến đổi tương đương các hàm mục tiêu của bài toán ban đầu về dạng phi thứ nguyên và biến thiên trong vùng nhất định, ví dụ trong khoảng [0;1] Biến đổi tương đương ở đây nhằm đưa các mục tiêu về một sân chơi bình đẳng nhưng không làm thay đổi lời giải của bài toán đa mục tiêu ban đầu Tính chất và điểm tối ưu của hàm mục tiêu sẽ không thay đổi nếu ta dùng phép biến đổi tuyến tính như sau:

min max

min

)()(

k k

k k

k

f f

f f

trong đó f kmin , f kmax – cận dưới và cận trên của chỉ tiêu tối ưu thứ k

Từ đó nhận được các chỉ tiêu tương đương không có thứ nguyên:

n

E K

H H

x), ( ), , ( ) min

1 (2.7)

Bước 2.Thống nhất hóa các mục tiêu

Trong các bài toán tối ưu hóa thực tế, người đặt hàng thường đòi hỏi đi đến lời giải cuối cùng và cụ thể đo đếm được Mặt khác, trong bài toán tổng thể của hệ thống lớn thì mỗi bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu cũng chỉ là một bài toán con nên cần đơn giản hóa và rút ngắn thời gian tìm lời giải

Do vậy, cách tiếp cận hiệu quả nhất thường áp dụng trong thực tế (theo Paretto) là thống nhất hóa các mục tiêu, đưa về dạng bài toán một mục tiêu Phổ biến ba cách thống nhất hóa các mục tiêu, như sau:

1) Xây dựng mục tiêu thống nhất bằng tổngcác hàm mục tiêu có trọng số:



=

= K

k k k

f

1

) ( )

(x  x , (2.8)

trong đó: 1,2, ,K – các trọng số

2) Xác định mục tiêu thống nhất theo qui tắc min-max:

K k

H - giới hạn nhượng bộ của chỉ tiêu phụ thứ k

Bài toán tối ưu hoá tương ứng, sau khi thống nhất các mục tiêu, có dạng:

n

E com

với điều kiện:

I i

h i(x) = 0 , = 1 , , (2.12)

J j

g j(x)0, =1, , (2.13)

, , 1 , 0 )

quả tính toán vào thực tế Đó là công việc mất nhiều tời gian và đòi hỏi sự kiên nhẫn và thận trọng

Bước 3.Thiết lậphàm mục tiêu tương đương vô điều kiện

Bài toán (2.11)-(2.14) có dạng một bài toán tối ưu hóa phi tuyến tổng quát Tồn tại nhiều cách giải khác nhau trong lý thuyết qui hoạch phi tuyến Trong số đó,

có thể sử dụng phương pháp nhân tử Lagrange hoặc phương pháp qui về bài toán vô điều kiện tương đương bằng các hàm phạt Tuy nhiên, phương pháp sau có hiệu quả

và áp dụng đơn giản hơn đối với lĩnh vực kỹ thuật và công nghệ nhiệt nên ta chọn

và sẽ trình bầy chi tiết theo phương pháp này

Hàm mục tiêu tương đương vô điều kiện được thành lập, như sau:

n

E K

k

k H J

j

j g I

i

i h

f J

+

+

(

1 1

1

, (2.15)

trong đó: f com(x) - hàm mục tiêu thống nhất hóa nhận được trên cơ sở một nguyên

lý thỏa hiệp nhất định giữa các mục tiêu; P – hệ số phạt

Các hàm phạt trong (2.15) xây dựng như sau:

là hàm phạt có tác dụng đảm bảo điều kiện ràng buộc bất đẳng thức: g j(x),

k

1

2 ) ) ( ( , 0 min )

Bước 4.Cực tiểu hóa hàm mục tiêu tương đương

Lời giải của bài toán (2.11)-(2.14) xác định bằng cách cực tiểu hóa hàm mục tiêu tương đương (2.15) Đặc điểm của hàm mục tiêu này là có tính khe rất rõ rệt Hơn nữa, trong nhiều trường hợp đó là hàm không khả vi liên tục và thậm chí chỉ làm hàm tính được, tức không cho dưới dạng biểu thức giải tích hiện

Với tất cả những đặc điểm phức tạp như trên, công cụ hiệu quả nhất hiện nay

để giải bài toán tối ưu hóa vô điều kiện (2.15) là sử dụng thuật toán Vượt khe hướng chiếu Affine [Mạnh-1992-99]

2.2 Khái quát về bước chuyển động trong quá trình tối ưu hóa lặp

Chúng ta đã xét khái quát các thuật toán kinh điển giải bài toán tối ưu vô điều kiện Nguyên lý chung của các thuật toán này là thực hiện liên tiếp các bước lặp, đưa quĩ đạo tìm kiếm tiến dần đến nghiệm tối ưu Mỗi bước lặp thực hiện theo phương trình:

,

2 , 1 , 0 ,

s x

x  , (2.16)