Nghiên cứu vị trí phân loại, thành phần hóa học và khả năng kháng vi sinh vật của tinh dầu và cao chiết ethanol từ thân, rễ của loài thiên niên kiện pi e ( homalomena pierrreana engl) báo cáo đề tài khoa học cấp trường

Nhiều nhà nghiên cứu về vấn đề trên đã thiết lập các mô hình toán dựa vào khối lượng và thông số nhiệt vật lý khác có trong thực phẩm như thành phần hóa học, khối lượng riêng và nhiệt độ

1

BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌCCẤP TRƯỜNG

Tên đề tài: NGHIÊN CỨU VỊ TRÍ PHÂN LOẠI, THÀNH PHẦN HÓA HỌC VÀ KHẢ NĂNG KHÁNG VI SINH VẬT CỦA TINH DẦU VÀ CAO CHIẾT ETHANOL TỪ THÂN RỄ CỦA LOÀI

THIÊN NIÊN KIỆN PI-E (Homalomena pierreana Engl.)

Mã số đề tài: 184.TP12

Chủ nhiệm đề tài: Văn Hồng Thiện

Đơn vị thực hiện: Viện Công nghệ Sinh học và Thực phẩm

Hồ sơ bao gồm:

- Bản tự nhận xét kết quả thực hiện đề tài NCKH cấp Trường

- Báo cáo tổng kết kết quả thực hiện đề tài NCKH cấp Trường

- Báo cáo chi tiết đề tài nghiên cứu khoa học cấp Trường

- Các phụ lục quyết định phê duyệt đề tài và minh chứng

Tp Hồ Chí Minh - 2019

BỘ CÔNG THƯƠNG CỘNG H HỘI CHỦ NGH VIỆT N

VỀ KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG

1 Tên đề tài: Nghiên cứu vị trí phân loại, thành phần hóa học và khả năng kháng vi sinh vật

của tinh dầu và cao chiết ethanol từ thân rễ của loài Thiên niên kiện pi-e (Homalomena

pierreana)

2 Mã số: 184.TP12

3 Chủ nhiệm đề tài: Văn Hồng Thiện

4 Cơ quan chủ trì đề tài: Viện Công nghệ sinh học và thực phẩm

5 Thời gian thực hiện (Bắt đầu – Kết thúc): 10/2018 đến 10/2019

6 Tổng kinh phí thực hiện đề tài: 40 triệu đồng

Trong đó, kinh phí từ NSNN: 40 triệu đồng

7 Nhận xét về kết quả thực hiện Đề tài so với Hợp đồng:

7.1/ Về mức độ hoàn thành khối lượng công việc:

- Đã hoàn thành đầy đủ nội dung công việc của đề tài với các sản phẩm đã đăng ký

- Sản phẩm dạng 3: đăng 2 bài báo khoa học trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ,

Trường Đại học Công Nghiệp Tp HCM như là sản phẩm trong thuyết minh đề tài Ngoài ra,

một kết quả khác của đề tài cũng đã gửi đăng ở Tạp chí Indian Journal of Natural Products

and Resources, một Tạp chí hạng Scopus và hiện đang trong quá trình phản biện

3

- Sản phẩm đào tạo: 2 sinh viên đại học khóa 11 (thuộc lớp ĐHSH11ATT) đã bảo vệ thành công khóa luận và được hội đồng bảo vệ khóa luận tốt nghiệp thông qua vào tháng 6 năm 2019

7.2/ Về tình hình sử dụng kinh phí của Đề tài:

Đã sử dụng hơn số tiền được tạm ứng đợt 1 và đợt 2 để mua hoá chất, nguyên vật liệu cho các nghiên cứu của đề tài

7.4/ Các nhận xét khác về quá trình thực hiện và kết quả của Đề tài:

Trong quá trình thực hiện đề tài, nhóm nghiên cứu đã nghiêm túc thực hiện các nội dung nghiên cứu Từ đó, các nội dung của đề tài đã hoàn thành trong thời gian quy định là

12 tháng

Thành phố Hồ Chí Minh, Ngày 10 tháng 10 năm 2019

Người tự nhận xét

Văn Hồng Thiện

4

BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌCCẤP TRƯỜNG

Tên đề tài:

NGHIÊN CỨU VỊ TRÍ PHÂN LOẠI, THÀNH PHẦN HÓA HỌC VÀ KHẢ NĂNG KHÁNG VI SINH VẬT CỦA TINH DẦU VÀ CAO CHIẾT ETHANOL TỪ THÂN RỄ CỦA LOÀI

THIÊN NIÊN KIỆN PI-E (Homalomena pierreana Engl.)

Mã số đề tài: 184.TP12

Chủ nhiệm đề tài: Văn Hồng Thiện

Đơn vị thực hiện: Viện Công nghệ Sinh học và Thực phẩm

Tp Hồ Chí Minh - 2019

5

PHẦN I THÔNG TIN CHUNG

I Thông tin tổng quát

1.1 Tên đề tài: Nghiên cứu vị trí phân loại, thành phần hóa học và khả năng kháng vi sinh

vật của tinh dầu và cao chiết ethanol từ thân rễ của loài thiên niên kiện pi-e (Homalomena

pierreana Engl.)

1.2 Mã số: 184.TP12

1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài

TT Họ và tên

(học hàm, học vị) Đơn vị công tác Vai trò thực hiện đề tài

1 Văn Hồng Thiện Viện Công nghệ Sinh

1.5 Thời gian thực hiện: 12 tháng

1.5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 10 năm 2018 đến tháng 10 năm 2019

1.5.2 Gia hạn (nếu có): không gia hạn

1.5.3 Thực hiện thực tế: 12 tháng, từ tháng 10 năm 2018 đến tháng 10 năm 2019

1.6 Những t ay đổi so với thuyết min ban đầu (nếu có):

Không thay đổi nội dung so với thuyết minh ban đầu

1.7 Tổng kin p í được phê duyệt của đề tài: 40 triệu đồng

II Kết quả nghiên cứu

1 Đặt vấn đề

Thiên niên kiện (Homalomena) là một chi có chứa dược tính của họ Ráy (Araceae)

và đã được sử dụng nhiều trong các bài thuốc dân gian (Phạm Hoàng Hộ, 2000) Nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước cũng đã cho thấy thành phần hóa học cũng như công dụng kháng khuẩn, kháng oxi hóa của các hợp chất được chiết xuất từ các bộ phận của một số

loài Thiên niên kiện Chẳng hạn, Hu et al (2008) khảo sát thành phần hóa học của loài H

occulta và cho thấy nhiều hợp chất thuộc nhóm Sesquiterpene được chiết xuất từ loài này có

khả năng kháng khuẩn và kháng oxi hóa Gần đây, Văn Hồng Thiện và cộng sự (2015) đã

sử dụng phương pháp sắc kí ghép khối phổ và cho thấy được 9 hợp chất có trong cao chiết

ethanol từ thân rễ của loài H cochinchinensis gồm: 1β, 4β, 6β, 11-tetrahydroxyeudesmane

(1), 1β, 4β, 7α-trihydroxyeudesmane (2), δ-cadinene (3), oplodiol (4), homalomenol A (5), cetylbullatantriol (6), bullatantriol (7), α-cadinol (8), maristeminol (9)

Homalomena pierreana là một loài thuộc chi Thiên niên kiện và được mô tả lần đầu

bởi Engler và Krause (1912) với mẫu vật được ghi nhận có ở khu vực Đông Dương Các nghiên cứu tổng thể ở họ Ráy về sau ở Việt Nam đều không phát hiện lại loài này, các tác giả chỉ nghi nhận lại theo các tài liệu lịch sử và không xác định được vị trí phân bố, chẳng

hạn, Nguyễn Văn Dư (2005) cho rằng, loài H pierreana có Quảng Nam, Quảng Ngãi và

Nam Bộ Tuy nhiên, theo Phạm Hoàng Hộ (2000) và Nguyễn Văn Dư (2006 và 2017), loài

H pierreana có khu vực phân bố ở Nam Bộ nhưng chưa biết rõ vị trí Hơn nữa, chủ nhiệm

đề tài trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu sinh về họ Ráy cũng đã trực tiếp khảo sát tiêu bản về họ này tại các phòng mẫu vật ở Việt Nam như: Viện Sinh thái tài nguyên sinh vật (HN), Đại học Khoa học Tư nhiên Hà Nội (HNU), Đại học Khoa học Tư nhiên Tp HCM (PHH), Viện Sinh học Nhiệt đới (VNM), Viện Sinh thái học Miền Nam (SGN) và đã

xác nhận rằng, tiêu bản của loài H pierreana không xuất hiện tại các phòng mẫu trên Vì

vậy, kết luận của Phạm Hoàng Hộ (2000) và Nguyễn Văn Dư (2006 và 2017) về vị trí phân

bố của loài H pierreana chỉ có ở Nam Bộ và chưa biết rõ vị trí là hoàn toàn có cơ sở Gần đây, Van et al (2018) đã phát hiện lại loài này ở VQG Phú Quốc, qua đó, nhóm tác giả này

đã chính thức ghi nhận lại vị trí phân bố của loài H pierreana ở Việt Nam

Cho đến thời điểm hiện tại, loài H pierreana được xem là một loài hiếm và chưa

từng được nghiên cứu về các đặc tính di truyền, thành phần hóa học cũng như các đặc tính kháng khuẩn Do đó, việc đề xuất hướng nghiên cứu của đề tài là cần thiết về mặt khoa học cũng như tính ứng dụng của loài này trong tương lai Ngoài ra, hiện nay, một số loài thuộc chi Thiên niên kiện ở Việt Nam vẫn có nhiều ý kiến trái chiều về vị trí phân loại bởi nhiều

nhà nghiên cứu (Li et al., 1979; Phạm Hoàng Hộ, 2000; Govaerts et al., 2002; Nguyễn Văn

Dư, 2017) Do vậy, việc ứng dụng các chỉ thị phân tử nhằm mục đích xác định chính xác vị trí phân loại của một số loài thuộc chi Thiên niên kiện ỡ Việt nam là việc làm cần thiết

- Thu thập mẫu vật tươi từ một số khu vực phía Nam Việt Nam

- Nghiên cứu áp dụng chỉ thị phân tử nhằm xác định vị trí phân loại chi Thiên niên kiện ở Việt Nam

- Phân tích thành phần hóa học từ tinh dầu và cao ethanol của loài H pierreana

- Nghiên cứu tính kháng khuẩn từ tinh dầu và cao ethanol của loài H pierreana

3 P ương p áp ng iên cứu

3.1 P ương p áp định lo i loài

Sử dụng phương pháp hình thái so sánh bằng cách đối chiếu và so sánh với các mô tả

về các loài tương tự đã công bố trước đây (Phạn Hoàng Hộ, 2000; Nguyễn Văn Dư, 2005,

2006 và 2017; Boyce et al., 2012) cũng như các mẫu vật lưu tại các Phòng mẫu thực vật

gồm, (1) Trường Đại học Khoa học tự nhiên Hà Nội (HNU), (2) Đại học Khoa học tự nhiên

Tp HCM (PHH), (3) Viện Sinh học nhiệt đới (VNM), (4) Viện Sinh thái học Miền Nam (SGN), (5) Viện sinh thái và Tài nguyên sinh vật (HN) Ngoài ra, các hình quét của các tiêu bản họ Ráy từ các bộ sưu tập của bảo tàng Paris (P) và Kew (K) cũng được tham khảo

3.2 P ương p áp tác c iết DNA tổng số

DNA được ly trích từ mẫu lá bằng bộ kít Gene Jet Plant Genomic DNA Purification Mini Kit của hãng Thermo, Mỹ theo quy trình của nhà sản xuất cung cấp (Phụ lục 1)

3 3 P ương p áp PCR k uếc đ i vùng trình tự trnL intron và trnL-trnF IGS

Phản ứng PCR khuếch đại vùng trình tự trnL intron và trnL-trnF IGS được thực hiện

trên máy PCR Mastercycler (Eppendorf, Đức) với các thành phần bao gồm: 12,5 µl GoTaq Green Master Mix (Promega, Mỹ), 1,25µl mỗi mồi xuôi và ngược có nồng độ 10 µM, 9,5 µl nước khử ion và 0,5 µl DNA mẫu Chu kỳ nhiệt cho phản ứng PCR gồm: 5 phút ở 95°C; 35

chu kỳ gồm: biến tính (1 phút ở 94°C), bắt cặp mồi (1 phút 30 giây ở 55o C) và tổng hợp mạch mới (1 phút 30 giây ở 72°C); hoàn thiện phản ứng ở 72°C trong 10 phút

Mồi (primer) cho các phản ứng nhân bản vùng trình tự trnL intron và trnL-trnF IGS của loài nghiên cứu được được tham khảo từ nghiên cứu của Taberlet et al (1991) Sản

phẩm PCR được tinh sạch và giải trình tự tại Công ty TNHH Công nghệ Sinh học Nam Khoa (quận 7, Tp Hồ Chí Minh)

3 4 P ương p áp iệu chỉnh trình tự và xây dựng cây phát sinh loài

Kết quả giải trình tự 2 chiều được kiểm tra độ chính xác với sự hỗ trợ của phần mềm FinchTV và Seaview Các trình tự được sắp gióng bằng phần mềm ClustalX2.1 (Thompson

et al., 1994), xây dựng cây phát sinh loài của các mẫu nghiên cứu và các trình tự từ

Genbank bằng phần mềm MEGA5 (Kimura, 1990) theo phương pháp Neighbor-joining và phần mềm Mr.Bayes (Ronquist và Huelsenbeck, 2003) theo phương pháp Bayesian với

nhóm ngoại là loài Acorus calamus (Cusimano et al., 2011) Bảng tính khoảng cách di

truyền giữa các loài thuộc chi Thiên niên kiện được xây dựng dựa trên phần mềm MEGA5 (Kimura, 1990) Ngoài ra, việc so sánh cặp giữa các mẫu nghiên cứu được thực hiện bằng phần mềm Biodeit theo phương pháp sắp gióng toàn cục (Hall, 1999)

3.5 Ly trích tinh dầu bằng p ương p áp lôi cuốn ơi nước

Tinh dầu từ mẫu lá tươi của mẫu nghiên cứu được ly trích bằng phương pháp chưng cất hơi nước cổ điển bằng bộ chưng cất Clevenger theo quy trình như sau: mẫu lá được rửa sạch, để ráo nước, sau đó cho 500g vào cối say với 1500ml nước cất Cho tất cả vào bình cầu chưng cất và lắp hệ thống, thời gian chưng cất để thu tinh dầu là 4 giờ Nước bay hơi sẽ lôi cuốn tinh dầu Hỗn hợp hơi nước và tinh dầu được ngưng tụ nhờ hệ thống làm lạnh, đọng lại thành chất lỏng ở ống gạn của hệ thống

3 6 P ương p áp p ân tíc t àn p ần hóa học GC/MS

Mẫu tinh dầu sau khi ly trích được đem phân tích thành phần hóa học bằng phương

pháp sắc ký khí ghép khối phổ GC/MS trên máy Aligent GC 7890A-MS 5975C; cột 5MS (30m × 250µm × 0,25µm); sử dụng helium làm khí mang ở áp suất 13,209psi; thể tích 0,2µl; chương trình nhiệt là: nhiệt độ đầu 600C, tăng 30C/phút đến 2400

ZB-C

9

3 7 P ương p áp t o cao ethanol

Củ tươi bào mỏng, sấy khô ở nhiệt độ 500C đến khi khối lượng không đổi Đem xay thành bột Cân 100g bột mẫu ngâm với 1000ml ethanol 99% trong 14 ngày ở nhiệt độ phòng Lọc bỏ bã thu được dịch chiết Cô cạn dịch chiết dưới áp suất chân không ở 600C thu

dược dạng cao màu nâu (Altemimi et al., 2017) Để đảm bảo cao chiết không còn ethanol,

chúng tôi sử dụng thiết bị sấy thăng hoa để đuổi hết ethanol trong mẫu

3 8 P ương p áp sắc lý ghép khối phổ

Mẫu cao chiết sau khi sấy thăng hoa được gửi phân tích sắc lý ghép khối phổ (LC/MS) tại Phòng phân tích trung tâm, Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp HCM, sử dụng (1) hệ thống khối phổ MS/MS phân giải cao micrOTOF-QII Bruker Daltonic (Đức) có cấu tạo gồm: nguồn tạo ion theo kiểu ESI, bộ lọc ion gồm Dual Ion Funnel ghép với Hexapole, bộ cô lập khối Analytical Quadrupole, nguồn ion hóa nội CID, bộ tách khối phân giải cao TOF, đầu dò ion multichannel; (2) Các dữ liệu được xử lý trên phần mềm Data Analysis (Bruker, Đức); (3) Hệ thống sắc ký lỏng siêu cao áp Agilent 1200 (Hoa Kỳ) bao gồm: bơm đôi cao áp (trộn dòng áp suất cao), bộ tiêm mẫu tự động, lò cột; (4) bộ bơm mẫu trực tiếp bằng Syringe (kdScientifit, Hoa Kỳ)

3 9 P ương p áp xác định ho t tính kháng khuẩn

Phương pháp xác định hoạt tính kháng khuẩn từ cao chiết ethanol của thân rễ loài H

pierreana được thực hiện theo Bauer et al (1996) Các chủng vi khuẩn được nuôi cấy trong

môi trường LB Broth cho tới khi đạt được độ đục là 0.5 theo tiêu chuẩn McFarland Dịch vi khuẩn này được sử dụng để kiểm tra hoạt tính kháng khuẩn của dung dịch nghiên cứu trong các dung môi khác nhau

Hút 0,1ml dịch vi khuẩn được trãi trên đĩa Petri chứa môi trường LB Agar theo phương pháp trãi đĩa Các đĩa giấy thấm vô trùng chứa 15ul dung dịch dung dịch nghiên cứu được đặt lên bề mặt đĩa Petri đã dàn đều vi khuẩn Tiếp theo, các đĩa Petri được để yên trong 4o

C cho dung dịch nghiên cứu thấm vào môi trường thạch trong 2 giờ và sau đó được đem ủ ở

37oC trong 16-18 giờ Đĩa kháng sinh Gentamycin (Nam Khoa, Việt Nam) được sử dụng như đối chứng dương cho các thí nghiệm Làm song song mẫu chứng âm đối với các dung môi dung hòa tan dịch nghiên cứu

Khả năng kháng khuần của các dung dịch nghiên cứu đối với các chủng vi khuẩn được

đo bằng đường kính vòng vô khuẩn sau 16-18h nuôi ủ

Các thí nghiệm kháng khuẩn được bố trí ngẫu nhiên, lặp lại 3 lần Sử dụng phương pháp phân tích phương sai (ANOVA) theo kiểm định LSD để kết luận sự sai khác giữa trung bình các nghiệm thức Số liệu được thu thập và xử lý thống kê bằng phần mềm Statgraphics Centurion 15.2 và phần mềm Excel 2010 dùng để tính toán trung bình và độ lệch chuẩn của các phép đo

4 Tổng kết về kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu của đề tài đã đạt được một số hiệu quả về mặt khoa học và đào tạo như sau:

- Lần đầu cung cấp dữ liệu phân tử (vùng trình tự trnL intron và trnL-trnF IGS)

cho 5 loài thuộc chi Thiên niên kiện ở Việt Nam

- Lần đầu cung cấp dữ liệu về thành phần hóa học cũng như khả năng kháng khuẩn

của tinh dầu và cao chiết ethanol có trong thân rễ của loài H pierreana

- Kết quả của đề tài góp phần đào tạo 2 kỹ sư ngành Công nghệ sinh học thông qua

2 khóa luận tốt nghiệp, đã bảo vệ thành công vào tháng 5/2019

Xác định được thành phần hóa học cũng như khả năng kháng khuẩn từ tinh dầu và

cao chiết ethanol của loài H pierreana Từ đó, hướng tới ứng dụng loài này vào thực tiễn

trong tương lai

6 Tóm tắt kết quả

Tóm tắt

Thiên niên kiện (Homalomena) là một chi có nhiều loài có dược tính và được sử dụng

nhiều trong y học cổ truyền ở Việt Nam và một số nước trên thề giới Ở Việt Nam, chi này

11

hiện có 5 loài gồm H conchinchinensis, H occulta, H pendula, H pierreana và H

vietnamensis Nghiên cứu này sử dụng các phương pháp sinh học phân tử, sắc ký khí ghép

khối phổ (GC/MS), sắc ký lỏng ghép khổi phổ (LC/MS) và phương pháp kháng khuẩn nhằm xác định mối quan hệ di truyền của các loài thuộc chi Thiên niên kiện ở Việt Nam cũng như cho thấy thành phần hóa học, khả năng kháng khuẩn từ tinh dầu và cao chiết ethanol của

loài Thiên niên kiện Pi-e (H pierreana) Kết quả phân tích vùng trình tự trnL intron và

trnL-trnF IGS của 5 loài thuộc chi Thiên niên kiện ở Việt Nam đã làm sáng tỏ một số vấn

đề về phân loại mà các nghiên cứu trước đây có nhiều ý kiến trái chiều, theo đó, đã cho thấy

loài H conchinchinensis và H aromatica là 2 loài hoàn toàn tách biệt so với loài H occulta Kết quả xác định thành phần hóa học và khả năng kháng khuẩn của loài H pierreana cho

thấy, trong tinh dầu ly trích từ thân rễ và lá của loài nghiên cứu có chứa tương ứng 9 và 10

hợp chất; cao chiết ethanol từ thân rễ loài H pierreana có chứa 10 hợp chất Ngoài ra, cao chiết và tinh dầu của loài H pierreana có khả năng năng kháng lại các chủng vi khuẩn kiểm định gồm 2 chủng gram dương (B cereus và S aureus) và 4 chủng gram âm (E coli, P

aeruginosa, S enteritidis và S typhimurium)

Từ khóa: Homalomena, cây phát sinh loài, tinh dầu, cao chiết ethanol, kháng khuẩn

Abstract

Homalomena is a genus of the Araceae family which contains several remedies used

extensively in traditional Vietnamese medicine In Vietnam, this genus includes five

species: H conchinchinensis, H occulta, H pendula, H pierreana, and H vietnamensis In this study, molecular biology techniques, gas chromatography–mass spectrometry, and liquid chromatography–mass spectrometry were used to determine taxonomic relationships

of Homalomena genus in Vietnam, chemical composition of ethanol extract and essential oil from H pierreana rhizome The analysis results of trnL intron và trnL-trnF IGS of five species belonging to Homalomena genus elucidated that H conchinchinensis and H

aromatica are two different species as compared with H occulta, which was one of the

unclear problem about classification of Homalomena genus Chemical compositions of essential oil extracted from H pierreana rhizome and leaf contained 9 and 10 compounds, respectively Additionally, the presence of 10 compounds in ethanol extract of H pierreana

rhizome was confirmed Futhermore, the anti-bacterial activity of essential oil and ethanol

extract of this species against 6 tested organisms, including of 2 Gram posivitie bacteria (B

cereus and S aureus) and 4 Gram negative bacteria (E coli, P aeruginosa, S enteritidis,

and S typhimurium) also proved

Keywords: Homalomena, phylogeny, essential oil, ethanol extract, antibacterial

activity

III Sản phẩm đề tài, công bố và kết quả đào t o

3.1 Kết quả nghiên cứu (sản phẩm d ng 1,2,3)

3 Sản phẩm dạng IV Tham gia đào tạo 2 khóa luận tốt nghiệp

Ghi chú:

- Các ấn phẩm khoa học (bài báo, báo cáo KH, sách chuyên khảo…) chỉ được chấp nhận nếu có ghi nhận địa chỉ và cảm ơn trường ĐH Công Nghiệp Tp HCM đã cấp kính phí thực hiện nghiên cứu theo đúng quy định

- Các ấn phẩm (bản photo) đính kèm trong phần phụ lục minh chứng ở cuối báo cáo (đối với ấn phẩm là sách, giáo trình cần có bản photo trang bìa, trang chính và trang cuối kèm thông tin quyết định và số hiệu xuất bản)

3.2 Kết quả đào t o

TT Họ và tên

Thời gian thực hiện

Sinh viên Đại học

1 Nguyễn

Thanh Lan

6 tháng Xác định mã vạch DNA, thành phần hóa học và

kháng khuẩn từ cao chiết ethanol của loài thiên niên

kiện Pi-e (Homalomena pierreana)

13

- Kèm bản photo trang bìa chuyên đề nghiên cứu sinh/ luận văn/ khóa luận và bằng/giấy chứng nhận nghiên cứu sinh/thạc sỹ nếu học viên đã bảo vệ thành công luận án/ luận văn;( thể hiện tại phần cuối trong báo cáo khoa học)

IV Tình hình sử dụng kinh phí

T

Kinh phí được duyệt

(triệu đồng)

Kinh phí thực hiện

(triệu đồng)

Ghi chú

A Chi phí trực tiếp

2 Nguyên, nhiên vật liệu, cây con 29,932 29,932

V Kiến nghị (về phát triển các kết quả nghiên cứu của đề tài)

- Cần có các nghiên cứu về bảo tồn cũng như phát triển tiềm năng của loài H

pierreana nhằm có thể ứng dụng loài này vào thực tiễn trong tương lai

- Nghiên cứu nhiều phương pháp tách chiết tinh dầu nhằm nâng cao hiệu suất chưng cất

- Nghiên cứu ứng dụng thêm nhiều chỉ thị phân tử nhằm làm rõ hơn nữa mối quan hệ

về mặt phân loại của các loài Thiên niên kiện ở Việt Nam

VI Phụ lục sản phẩm (liệt kê minh chứng các sản phẩm nêu ở Phần III)

Tp HCM, ngày tháng năm

Chủ nhiệm đề tài Phòng QLKH&HTQT (ĐƠN VỊ)

Trưởng (đơn vị)

Các thông số chính của quá trình cấp đông bao gồm: khối lượng riêng ρ(kg/m3), nhiệt dung riêng C(kJ/kg.K), hệ số dẫn nhiệt λ(W/m.K), hệ số khuếch tán a=λ/C.ρ (m2/s), enthalpy H(kJ/kg) Việc tìm hiểu và xây dựng mô hình xác định các tính chất nhiệt vật

lý không ngoài mục đích là đưa ra quy trình công nghệ chế biến và bảo quản đông lạnh hợp lí, hiệu quả nhằm nâng cao chất lượng, giá trị dinh dưỡng của thực phẩm[4] Nhiều nhà nghiên cứu về vấn đề trên đã thiết lập các mô hình toán dựa vào khối lượng và thông số nhiệt vật lý khác có trong thực phẩm như thành phần hóa học, khối lượng riêng và nhiệt độ Kết quả cho thấy hệ số dẫn nhiệt chịu ảnh hưởng của cả thành phần hóa học, khối lượng riêng và nhiệt độ trong khi đó nhiệt dung riêng chỉ bị chi phối bởi thành phần hóa học và nhiệt độ Một vài mô hình xây dựng hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng của các thành phần chính là các hàm tuyến tính theo nhiệt độ từ -400C÷1500C Tuy nhiên thực chất mối quan hệ giữa hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng với nhiệt độ là không tuyến tính Do đó việc xác định yếu tố đó một cách chính xác thì tương đối phức tạp và chưa đáp ứng yêu cầu Chỉ có xác định thành phần khối lượng riêng của thực phẩm đã có rất nhiều nghiên cứu nên công thức xác định có tính chính xác cao[15] Một vấn đề đặt ra là thông thường các tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm được tính toán dễ dàng khi nhiệt độ của chúng trên điểm kết tinh Tại điểm kết tinh nước bắt đầu đóng băng, quá trình biến đổi trạng thái của nước diễn ra, nhiệt độ càng xuống thấp lượng tinh thể đá tạo thành càng nhiều Tính chất giữa tinh thể đá và nước là rất khác nhau vì vậy mà các tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm lại thay đổi rất lớn, các thông

số nhiệt vật lý như nhiệt dung riêng và hệ số dẫn nhiệt lại dao động nhiều xung quanh điểm kết tinh vì vậy xem xét quá trình biến đổi và xác định giá trị các thông số nhiệt vật

lý trên và dưới điểm kết tinh cũng thật sự không dễ dàng

Trong công nghệ cấp đông, thông số quan trọng cần xác định để thiết kế quá trình

và thiết bị trong làm lạnh và cấp đông là thời gian và phụ tải nhiệt Việc xác định kích thước của thiết bị làm lạnh, cấp đông chính xác khi ta biết được năng suất và thời gian

ổn định của sản phẩm Cho nên việc xác định chính xác các thông số nhiệt vật lý của sản phẩm trong quá trình thật sự rất cần thiết

2.2 Mô hình xác định tính chất nhiệt vật lý sử dụng trong mô phỏng quá trình cấp đông thực phẩm

2.2.1 Cơ sở lý thuyết

❖ Thành phần băng, nước kết đông và nước không kết đông

Sự thay đổi pha của nước, giữa nước và băng trong thực phẩm đã ảnh hưởng đến

sự thay đổi tính chất của một số loại thực phẩm trong quá trình kết đông và rã đông Tổng thành phần của nước trong thực phẩm đông lạnh gồm có ba phần: Nước có thể kết đông, nước không thể kết đông và nước đã kết đông được thể hiện như sau:

thường được đo và biểu hiện dưới dạng tỷ lệ kg nước không kết đông trên tổng kg chất rắn khô, B[15]:

Giá trị B cho các loại thực phẩm khác nhau được cho trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Phạm vi giá trị của B để tính toán thành phần nước không kết đông [15]

Hình 2.1 Thành phần băng (x i ) ứng với nhiệt độ trong quá trình kết đông

❖ Điểm kết đông

Điểm kết đông ban đầu là điểm trạng thái quan trọng không những cho việc tính toán tính chất nhiệt vật lý mà còn cho việc xác định điều kiện bảo quản thích hợp của thực phẩm đông lạnh Trong môi trường nước thường luôn luôn có những phân tử chất rắn với kích thước nhỏ, ở nhiệt độ gần 0C những phân tử chất rắn này sẽ ngừng chuyển động, lực kết hợp giữa chúng với các phân tử nước xung quanh lớn hơn lực kết hợp giữa các phân tử nước với nhau Vì vậy, các phân tử nước liên kết với các phân tử chất rắn ở 0C để tạo thành những mầm tinh thể 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 điểm kết tinh của nước trong thực phẩm khác nhau sẽ khác nhau

Hình 2.2 Quá trình hình thành điểm kết đông

Trong khi làm lạnh đông có hiện tượng quá lạnh, tức là hạ nhiệt độ đến dưới 0C

mà vẫn chưa có hiện tượng đóng băng 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 ra mầm tinh thể 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 kết đông, sau đó tiếp tục giảm nhiệt độ Quá trình này mô tả ở hình 2.2, ở mỗi loại thực

phẩm khác nhau thì có điểm quá lạnh và điểm kết đông khác nhau Những giá trị tiêu biểu của nhiệt độ kết đông ban đầu cho cá, thịt, trái cây và rau quả trong vùng từ -2,0 đến -0,5C Với những thực phẩm có độ ẩm cao ( >55% nước, chất ẩm) là -1,0C [4]

Sự chậm đóng băng là do sự chậm tạo thành tâm kết đông, mà sự chậm tạo thành tâm kết đông lại phụ thuộc vào nồng độ phân tử của các dịch bào Một số nhà nghiên cứu ở Anh công bố thêm vào năm 1961 về các nguyên nhân khác cũng có ảnh hưởng đến sự đóng băng tinh thể là do nhiệt độ môi trường làm lạnh đông và hệ thống ống mao dẫn của sản phẩm

Mỗi phân tử gam liên kết với một lượng nước nhất định Muốn tách được lượng nước này ra cần giảm nhiệt độ một lượng 0

m - Khối lượng chất hòa tan, g

M - Phân tử lượng của chất hòa tan

Như vậy, độ hạ băng điểm cho nước kết tinh phụ thuộc vào nồng độ phân tử chất tan của dịch bào, mối tương quan giữa nhiệt độ điểm kết đông và nồng độ chất tan trong

thực phẩm được thể hiện qua hình 2.3 [16]

Hình 2.3 Quan hệ giữa nhiệt độ điểm kết đông của thực phẩm với nồng độ chất tan

❖ Mối quan hệ giữa hàm lượng nước và điểm kết đông của thực phẩm

Sự chuyển pha nước – nước đá trong khi làm lạnh đông thực phẩm có ảnh hưởng

cơ bản đến giá trị tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm, cho nên điều đặt ra là cần phải xác định hàm lượng đá chính xác

Ở dưới điểm đông ban đầu thành phần khối lượng nước mà được kết tinh lại là một hàm của nhiệt độ Thông thường thì thực phẩm chứa đựng nước, chất rắn hoà tan

và không hòa tan Trong quá trình đông lạnh khi một phần nước kết tinh, nồng độ chất

rắn không hòa tan trong dung dịch còn lại trở nên đậm đặc hơn do đó làm chậm hạ nhiệt

M L t t

−

Trong đó:

xs - Thành phần khối lượng của các chất rắn trong khối thực phẩm

Ms - Khối lượng phân tử của chất rắn có thể hòa tan hòa tan được trong khối thực phẩm

R - Hằng số khí lý tưởng, 8,314 [kJ/kmol K]

t0 - Điểm đông ban đầu của nước, t0 = 0C

Lv - Nhiệt ẩn đông đặc của nước ở 0C, 333,6 [kJ/kg]

tf - Điểm kết đông ban đầu của thực phẩm [0C]

=

Trong đó:

xwo - Thành phần khối lượng của nước nguyên thủy có trong khối thực phẩm

xb - Thành phần khối lượng giới hạn của nước trong khối thực phẩm: x b = 0, 4.x p

xp - Thành phần khối lượng của protein có trong khối thực phẩm

Thay công thức (2.6) vào công thức (2.5) ta được công thức xác định thành phần khối lượng của nước đá trong khối thực phẩm (Miles 1974):

2.2.2 Lý thuyết xác định thông số nhiệt vật lý của quá trình cấp đông

a Nhiệt dung riêng

❖ Nhiệt dung riêng và phương pháp đo

Nhiệt dung riêng của thực phẩm được định nghĩa là lượng nhiệt cần thiết của một

kg thực phẩm trao đổi với môi trường xung quanh để nhiệt độ của nó biến đổi là một

độ Đơn vị của nhiệt dung riêng là (kJ/kg.K) Việc xác định nhiệt dung riêng từng thành phần của hỗn hợp là điều kiện đủ để ước tính nhiệt dung riêng của hỗn hợp

Nhiệt dung riêng thường được đo bằng phương pháp đo nhiệt lượng Tuy nhiên những phương pháp này chỉ ứng dụng tốt trong việc xác định nhiệt dung riêng của thực

quá trình kết đông thực phẩm xảy ra không được vượt quá phạm vi nhiệt độ cho phép Kết quả là phương pháp đo nhiệt lượng chỉ được ứng dụng giới hạn trong việc xác định nhiệt dung riêng của thực phẩm đông lạnh Vì vậy phải có phương pháp khác để xác định giá trị thực nghiệm enthalpy của thực phẩm đông lạnh trong một phạm vi nhiệt độ cho phép Phương pháp phân tích nhiệt vi sai của enthalpy có thể được sử dụng để tính toán nhiệt dung riêng hiệu dụng của thực phẩm dựa trên cơ sở thực nghiệm của enthalpy

❖ Biến thiên nhiệt dung riêng

Các thành phần trong thực phẩm như nước, protein, mỡ, hyđrocacbon, chất xơ,… thay đổi khác nhau đối với mỗi loại thực phẩm và cũng thay đổi trong cùng một loại thực phẩm khi nhiệt độ thay đổi

Công thức chung để tính nhiệt dung riêng của các thực phẩm theo nhiệt dung riêng của các thành phần là

1

n

j j j

=

Cj –Nhiệt dung riêng của các thành phần thực phẩm, kJ/kgK

xj – Thành phần khối lượng của các thành phần thực phẩm, %

Đối với thực phẩm chưa kết đông, nếu chưa biết chính xác về thành phần cấu tạo của thực phẩm thì theo Chen (1985)[15] được tính theo công thức sau:

xs – Thành phần khối lượng của thể rắn trong khối thực phẩm: x s =1- x wo

xwo – Thành phần khối lượng nước nguyên thủy có trong thực phẩm

Đối với thực phẩm đã kết đông do có sự chuyển pha nên tính toán nhiệt dung riêng khó khăn và phức tạp hơn Nhiệt dung riêng phải được kể đến gồm cả nhiệt hiện và nhiệt ẩn

Có rất nhiều các công thức của nhiều tác giả đưa ra để tính nhiệt dung riêng của sản phẩm được kết đông

Theo Schwartzberg (1976)[17] công thức chung để dự đoán nhiệt dung riêng của thực phẩm là:

2

.0,8

E - Tỷ số khối lượng phân tử của nước Mw và thành phần thể rắn Ms, E = Mw/Ms

Schwartzberg [18] đã phát triển và mở rộng công thức tính nhiệt dung riêng xuống dưới điểm kết đông như sau:

Với: Cf - Nhiệt dung riêng của thực phẩm đã kết đông hoàn toàn

Chen (1985) đã đưa ra phương trình phát triển từ phương trình của Siebel (1892) tính nhiệt dung riêng như sau[15]:

2 0 2

Enthalpy được định nghĩa là hàm lượng nhiệt trên một đơn vị khối lượng của một nguyên liêu thực phẩm Đơn vị của enthalpy là (kJ/kg)

Phương pháp đo phổ biến để xác định enthalpy của thực phẩm đông lạnh là phương pháp đo nhiệt lượng Tuy nhiên việc xác định enthalpy có thể dựa vào tỷ lệ kết đông cho một vài loại thực phẩm khác nhau Enthalpy trong thực phẩm đông lạnh có thể thay đổi trong thời gian bảo quản ngay cả ở nhiệt độ không đổi nếu có sự thay đổi tỷ lệ phần trăm nước không kết đông trong thực phẩm Vì vậy Riedel đã xây dựng các cơ sở dữ liệu cơ bản của enthalpy cho một số loại thực phẩm đông lạnh trong một phạm vi rộng và một

phần cơ sở dữ liệu được cho trong trong Bảng 2.3 Trong Bảng 2.3 enthalpy được giả

định là không ở -400C, biểu hiện cho sự thay đổi enthalpy theo nhiệt độ của thực phẩm được thể hiện như Hình 2.3

❖ Biến thiên enthalpy của thực phẩm

Sự biến thiên enthalpy của các loại thực phẩm dùng để đánh giá năng lượng phải thêm vào hay lấy đi tương ứng với sự thay đổi nhiệt độ Ở trên điểm kết đông enthalpy chứa đựng nhiệt hiện, ở dưới điểm kết đông enthalpy chứa đựng nhiệt ẩn Enthalpy có thể xác định dựa vào định nghĩa nhiệt dung riêng đẳng áp [4]

p

H C

t



Đối với thực phẩm chưa kết đông: Vì mỗi loại thành phần trong thực phẩm tại

nhiệt độ trên điểm kết đông ban đầu của chúng đều có enthalpy ứng với nhiệt dung riêng trên điểm kết đông Nên enthalpy của thực phẩm chưa kết đông được xác định dựa vào

nhiệt dung riêng bằng cách lấy tích phân phương trình (2.14)

Trong đó: Hj - Enthalpy của các thành phần trong thực phẩm

Theo phương pháp tính của Chen (1985), nếu như các dữ liệu thành phần không đầy đủ thì enthalpy của thực phẩm chưa kết đông được tính dựa vào công thức [13]:

Hình 2.5 Biểu đồ enthalpy theo nhiệt độ trong suốt quá trình cấp đông

Qua thực nghiệm Chao và Tao (1981)[4] đã xây dựng mối quan hệ tính enthalpy của một số loại thực phẩm Mối quan hệ này được đặc trưng bởi: hàm lượng nước, nhiệt độ

ban đầu, nhiệt độ cuối, thành phần thực phẩm (thịt, cá, hoa quả, …)

❖ Biến thiên hệ số khuếch tán nhiệt trong quá trình cấp đông

Tính chất vật lý quan trọng trong quá trình truyền nhiệt là hệ số khuếch tán nhiệt, xuất hiện trong phương trình của Fourier:



λ - Hệ số dẫn nhiệt [W/m.K]

C - Nhiệt dung riêng [kJ/kg.K]

 - Khối lượng riêng [kg/m3]

Mà , C,  đều là những hàm số biến thiên theo nhiệt độ Như vậy, ứng với mỗi

khoảng nhiệt độ khác nhau thì hệ số khuếch tán nhiệt sẽ khác nhau nghĩa là a cũng là một hàm số biến thiên theo nhiệt độ a(t)

Hình 2.6 Quan hệ giữa hệ số khuếch tán nhiệt và nhiệt độ

Ngoài cách tìm hệ số a bằng công thức (2.23) ta còn có một số ít giá trị a ứng với những giá trị nhiệt độ cụ thể nhờ vào kết quả thực nghiệm

d Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng

❖ Định nghĩa

Hệ số dẫn nhiệt của của nguyên liệu thực phẩm là thước đo khả năng dẫn nhiệt của thực phẩm Theo định luật Fourier thì hệ số dẫn nhiệt là nhiệt lượng Q truyền qua một tấm vật liệu mỏng được xác định như sau[4]:

A là diện tích của bề mặt vật liệu (m2)

t1, t2 là nhiệt độ của bề mặt vật liệu ( C)

 là độ dày của vật liệu (m)

 là hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm (W/m C)

❖ Thông số và các đại lượng đo của hệ số dẫn nhiệt[2]

Các phương pháp đo lường hệ số dẫn nhiệt được nhóm lại ở trạng thái ổn định Tấm chắn nhiệt và cảm biến nhiệt là hai thiết bị thí nghiệm được sử dụng để đo hệ số dẫn nhiệt, đối với những loại thực phẩm có hệ số dẫn nhiệt thấp thì phải mất một khoảng thời gian khá dài để đạt được trạng thái ổn định, kết quả làm biến đổi độ ẩm và làm thay đổi đặc tính của thực phẩm do tiếp xúc quá lâu ở nhiệt độ cao Các thiết bị tiêu chuẩn

kỹ thuật được sử dụng để đo hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm như tấm chắn nhiệt chỉ làm việc tốt đối với các vật liệu sinh học nhưng không thích hợp đối với các loại thực phẩm

do thời gian dài để cân bằng nhiệt, độ ẩm thay đổi và không thích hợp đối với các mẫu lớn

Vì vậy thiết bị kỹ thuật để đo hệ số dẫn nhiệt của nguyên liệu thực phẩm đòi hỏi thời gian đo ngắn và mẫu tương đối nhỏ Thăm dò các nguồn nhiệt dẫn nhiệt, dựa trên các kỹ thuật chuyển đổi, được khuyến khích để ứng dụng cho các loại thực phẩm nhất

Hình 2.7 Mặt cắt của thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt với đường kính D và chiều dài L

Qua quá trình thí nghiệm và khảo sát trên các loại thực phẩm với thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt thì nhiệt dung riêng của thực phẩm được rút ra bởi công thức :

 là hệ số dẫn nhiệt của vật mẫu

Q là nguồn nhiệt phát ra khi gia nhiệt đầu dò

t 1, t2 là nhiệt độ của cặp nhiệt thăm dò ứng với các thời điểm 1 và 2.

Sự biến đổi hệ số dẫn nhiệt trong thực phẩm đông lạnh như là một hàm của độ ẩm và

Bảng 2.4 Các phương trình dự đoán hệ số dẫn nhiệt của các thành phần [15]

❖ Biến thiên hệ số dẫn nhiệt

Hệ số dẫn nhiệt nói lên mối quan hệ giữa tốc độ truyền nhiệt với gradien nhiệt

độ Hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm phụ thuộc vào thành phần, sự sắp xếp cấu trúc vật lý của mỗi thành phần và nhiệt độ của thực phẩm Cấu trúc của thực phẩm có ảnh hưởng đáng kể đến hệ số dẫn nhiệt của nó Những loại thực phẩm có chứa nhiều chất xơ có hệ

số dẫn nhiệt khác nhau tùy thuộc vào sự sắp xếp các sợi xơ theo chiều song song hoặc vuông góc Độ xốp cũng có một ảnh hưởng lớn đến hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm Đối với thực phẩm có cấu trúc và thành phần phức tạp rất khó để xác định chính xác biểu đồ

hệ số dẫn nhiệt của chúng

Hình 2.8: Biểu đồ hệ số dẫn nhiệt theo nhiệt độ trong suốt quá trình cấp đông

Theo mô hình đẳng hướng, trong hệ hai thành phần gồm pha liên tục và không liên tục trong đó hệ số dẫn nhiệt không phụ thuộc vào hướng dòng nhiệt, Kopelman (1966)

đã phát triển các biểu thức sau cho tính hệ số dẫn nhiệt[15]

2 2

λc - Hệ số dẫn nhiệt của pha liên tục

L3- Thành phần thể tích phân bố của pha không liên tục, 2 ( )3 2/3 3 3

,

Trong công thức (2.26) hệ số dẫn nhiệt của pha liên tục được xem là lớn hơn rất nhiều so với hệ số dẫn nhiệt của pha không liên tục Tuy nhiên, nếu hệ số dẫn nhiệt của pha không liên tục lớn hơn hệ số dẫn nhiệt của pha liên tục nhiều thì biểu thức sau được

sử dụng để tính toán hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp đẳng hướng[15]

λd - Hệ số dẫn nhiệt của pha không liên tục

Đối với hệ hai thành phần không đẳng hướng thì hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào hướng dòng nhiệt trong các loại vật liệu thực phẩm có thớ Kopelman (1966) đã phát triển hai biểu thức để tính toán hệ số dẫn nhiệt Trong trường hợp dòng nhiệt song song với các thớ thực phẩm Kopeman đã đề xuất ra biểu thức sau đây để tính hệ số dẫn nhiệt λ–

Levy (1981)[19] đã giới thiệu phương trình Maxwell-Eucken đã được sửa đổi và tính

hệ số dẫn nhiệt cho hệ hai thành phần như sau:

λ1, λ2 - Hệ số dẫn nhiệt của thành phần thứ nhất và thành phần thứ hai

Tham số F1 được Levy giới thiệu như sau:

1

 =  −

và R1 là thể tích của thành phần 1, hoặc

1 1 1

Trong đó: x1 – Khối lượng của thành phần 1

1, 2 – Khối lượng riêng của thành phần thứ nhất và thứ hai

Để sử dụng phương pháp Levy cần thực hiện theo các bước sau:

1 Tính tỉ số hệ số dẫn nhiệt 

2 Xác định thể tích của thành phần 1 (dùng công thức 2.33)

3 Tính  theo công thức (2.32)

4 Xác định F1 theo công thức (2.31)

5 Tính hệ số dẫn nhiệt của hệ hai thành phần qua công thức (2.30)

Nhiều nhà nghiên cứu đã đề nghị sử dụng mô hình đặc tính dẫn nhiệt song song

và vuông góc dựa trên mô hình tương tự như trở kháng điện (Murakami và Oko 1989)[4]

Mô hình hệ số dẫn nhiệt theo hướng song song là tổng các hệ số dẫn nhiệt của các thành phần trong thực phẩm với các thành phần thể tích tương ứng:

e Khối lượng riêng

❖ Biến thiên khối lượng riêng

Khối lượng riêng được định nghĩa là khối lượng trên đơn vị thể tích, đơn vị trong

hệ SI là kg/m3 Vì các mẫu thực phẩm có các hình dạng và kích thước khác nhau khó xác định chính xác thể tích của thực phẩm nên đối với thực phẩm là chất rắn thì ta cho một khối lượng mẫu thử vào bình hiệu chỉnh thể tích, đổ đầy bằng nước chưng cất ở

22oC và tính toán khối lượng riêng theo công thức sau:

V s V V w

 = =

Trong đó: m và Vs - Khối lượng và thể tích của mẫu thử

Vw - thể tích nước được đưa vào

Bảng 2.5 Các phương trình dự đoán khối lượng riêng của các thành phần [15]

Hình 2.9 nói lên sự thay đổi khối lượng riêng theo nhiệt độ đối với thực phẩm có

độ ẩm cao trong suốt quá trình đông lạnh Khối lượng riêng của thực phẩm làm lạnh đông và rã đông là hằng số, theo Helman sự thay đổi trong khối lượng riêng của trái dâu trong suốt quá trình đông lạnh từ 5 đến -40oC là thấp hơn 10% Tuy nhiên có sự giảm đáng kể về khối lượng riêng tại bên dưới điểm đóng băng khi thành phần đá trong sản phẩm tăng lên Như vậy khối lượng riêng của thực phẩm đông lạnh thay đổi và phụ thuộc hàm lượng đá hình thành trong quá trình đông lạnh

Khối lượng riêng của thực phẩm đông lạnh được xác định như sau:

x x x - Phần trăm khối lượng tương ứng của các thành phần

Trạng thái rỗng xốp của thực phẩm ảnh hưởng rất lớn đến khối lượng riêng vì vậy Mannaperunma và Singh[18] đã hiệu chỉnh công thức trên thành:

1

1

n j

Hình 2.9 Đồ thị thể hiện sự thay đổi khối lượng riêng theo nhiệt độ

2.3 Bài toán lý thuyết xác định thời gian cấp đông

Khái niệm nhiệt độ trung bình

Nhiệt độ là đại lượng dùng biểu diễn mức năng lượng của vật chất hay nói cách khác là biểu diễn mức nóng hay lạnh của vật chất Như đã đề cập ở trên quá trình đông lạnh thực phẩm đi kèm là sự hạ nhiệt độ đồng thời là thay đổi tính chất nhiệt vật lý Một vấn đề đặt ra là thực phẩm không đông lạnh tại một nhiệt độ cụ thể mà diễn ra theo từng giai đoạn trên một dãi nhiệt độ Việc xác định thời gian đông lạnh có thể tìm bằng nhiều cách và để dự đoán chính xác thì số liệu nhiệt độ đưa vào tính toán cần phải lựa chọn cẩn thận Như đã nói ở trên thiết kế một hệ thống lạnh ta phải biết phụ tải nhiệt phụ thuộc vào thời gian, muốn tính được tiêu hao năng lượng ta cần biết biến thiên trường nhiệt độ Từ đây vấn đề phải có một nhiệt độ đặc trưng cho toàn bộ quá trình được đặt

ra Trong phạm vi thực hiện có thể chia toàn bộ quá trình thành ba giai đoạn và lấy nhiệt

độ đặc trưng tính toán là trung bình cộng nhiệt độ đầu và cuối mỗi giai đoạn

❖ Giai đoạn 1: Từ nhiệt độ của sản phẩm ban đầu đến nhiệt độ điểm kết đông

❖ Giai đoạn 2: Nhiệt độ điểm kết đông

❖ Giai đoạn 3: Từ nhiệt độ điểm kết đông cho đến khi nhiệt độ tại tâm sản phẩm

yêu cầu

Các bước tính toán lý thuyết thời gian cấp đông

Bước 1 Xác định các thông số vật lý của thực phẩm như:

o Nhiệt dung riêng

o Khối lượng riêng

o Enthanpy

o Hệ số dẫn nhiệt

Bước 2 Xác định hệ số truyền nhiệt bề mặt trong quá trình làm đông

Bước 3 Xác định chiều dày của thực phẩm và các hệ số β 1 , β 2

Bước 4 Tính toán:

o Tiêu chuẩn Biot Bi

o Tiêu chuẩn Plank Pk

o Tiêu chuẩn Stefan Ste

Bước 5 Xác định thông số hình dạng của thực phẩm như P và R

Bước 6 Xác định thời gian cấp đông

2.3.1 Thống kê nghiên cứu xác định thời gian cấp đông

a Phương pháp của Plank

Công thức chung theo [4]:

2

v F

tf, t – Nhiệt độ điểm kết đông của sản phẩm, nhiệt độ môi trường

i – Hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm đã kết đông

 – Hệ số tỏa nhiệt đối lưu

Các hạn chế của công thức Plank như sau:

- Bỏ qua thời gian cần thiết để lấy đi nhiệt hiện trên điểm đóng băng ban đầu

- Không xem xét việc mất đi dần dần nhiệt ẩn trên một khoảng nhiệt độ trong quá trình cấp đông

- Các nguyên liệu cấp đông được giả thiết có hệ số dẫn nhiệt không đổi

- Giả thiết sản phẩm hoàn tất ở pha lỏng

b Phương pháp của Nagaoka

Thời gian cấp đông thực phẩm được tính theo công thức sau [4]:

c Phương pháp của Levy

Dạng phương trình cũng tương tự như Nagaoka nhưng khác nhau ở công thức tính H’

d Phương pháp của Cleland và Earle

Phương trình được hiệu chỉnh theo tiêu chuẩn Stefan và Plank [4]:

e Phương pháp của Pham

Đối với bản rộng vô hạn, thời gian cấp đông (τslab) được tính bởi công thức[4]:

r

H



slab elip



Bảng 2.7 Tổng hợp mô hình toán xác định thời gian cấp đông

Phương pháp Mô hình toán xác định thời gian cấp đông Năm

1.Plank

2

v F

2.3.2 Toán tính thời gian cấp đông cá tra

Các thành phần của cá tra fillet được tham khảo theo kết quả phân tích của [20] cho mẫu cá tra fillet ở thành phố Hồ Chí Minh

Bảng 2.8 Thành phần của cá tra fillet [20]

Stt Chỉ tiêu Đơn vị Kết quả Phương pháp phân tích

314, 281

265, 775

56, 795

94, 084 220,197

r

H H H H H

c a

Thời gian cấp đông giai đoạn 1: Vì thời gian cho giai đoạn giảm nhiệt độ ở phương

pháp Plank’s nhỏ nên có thể bỏ qua

Thời gian cấp đông giai đoạn 2:

Nhận xét:

Hình 2.10 Đồ thị so sánh thời gian cấp đông của các phương pháp khác nhau

Các phương pháp tính toán thời gian cấp đông lý thuyết cho kết quả tương đồng với nhau, duy nhất chỉ có phương pháp của Cleland & Earle là có kết quả rất cao Do đó không được sử dụng để so sánh với kết quả thực nghiệm

2.4 Tính toán, thiết kế mô hình cấp đông cá tra fillet

2.4.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống

Mô hình tủ đông được thiết kế dựa theo nguyên lý sau:

Phương pháp tính thời gian cấp đông

1-Máy nén cao áp; 2-Dàn ngưng; 3-Van tiết lưu cấp dịch trung gian; 4-Bình trung gian ống xoắn; 5-Van tiết lưu cấp dịch bay hơi; 6-Dàn lạnh; 7-Thiết bị tạo từ trường; 8- Máy nén hạ áp;

Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý tủ cấp đông thí nghiệm

Hình 2.12 Đồ thị T-s và lgP-i của chu trình máy lạnh ghép tầng

2.4.2 Số liệu thiết kế

Năng suất cấp đông cá tra fillet: 2 kg/mẻ

Nhiệt độ cá trước khi cấp đông: 12C

Nhiệt độ không khí trong tủ đông: -40C

2

1

8

7 6

4 5

7 5'

1

2 3

4 5

5' 6

6'

i

1 2 3

4 5

5' 6

2.4.3 Tính toán, thiết kế

a Kích thước mô hình

Theo [20] kích thước và khối lượng các miếng cá tra fillet nằm trong phạm vi như sau:

Bảng 2.11 Kích thước cá tra fillet [20]

Stt Khối lượng,

[gam]

Dày d, [mm]

Rộng W, [mm]

Khối lượng 1 miếng