Nghiên cứu quy trình sản xuất gạo mầm và tối ưu hóa quá trình sấy lạnh gạo mầm

Gạo mầm được ngâm và ủ cho nảy mầm từ gạo lứt nên có giá trị dinh dưỡng cao, đồng thời hàm lượng chất xơ cao, chỉ số đường huyết thấp rất có lợi cho chế độ ăn của người bị bệnh tiểu đườn

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA VÀ THỰC PHẨM

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH SẢN XUẤT GẠO MẦM

VÀ TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH SẤY LẠNH GẠO MẦM

GVHD: TS LÊ ĐỨC TRUNG SVTH: PHẠM THỊ NHƯ QUỲNH MSSV: 11116053

S K L 0 0 3 9 3 4

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH SẢN XUẤT GẠO

MẦM VÀ TỐI ƯU HÓA QUÁ TRÌNH

SẤY LẠNH GẠO MẦM

GVHD : TS LÊ ĐỨC TRUNG SVTH : PHẠM THỊ NHƯ QUỲNH MSSV : 11116053

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Phạm Thị Như Quỳnh MSSV: 11116053

gạo mầm và các nghiên cứu về gạo mầm Tổng quan về hệ thống sấy lạnh, phương pháp quy hoạch thực nghiệm và tối ưu hóa

3 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 19/01/2015

4 Ngày hoàn thành đồ án: 16/07/2015

5 Họ tên người hướng dẫn: TS Lê Đức Trung

Nội dung và yêu cầu đồ án tốt nghiệp đã được thông qua bởi

Trưởng Bộ môn Công nghệ Thực phẩm

Tp.HCM, ngày tháng năm 2015

Trưởng Bộ môn Người hướng dẫn

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô Khoa Công nghệ hóa học và thực phẩm - Trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh đã tận tình dạy bảo, xây dựng những kiến thức cơ bản cần thiết cho tôi trong suốt quá trình học tập tại trường

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến TS Lê Đức Trung, người thầy đã giúp đỡ và hướng dẫn tận tình cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp Đồng thời tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô, anh chị trong Viện Nghiên cứu nuôi trồng thủy sản II

đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất, trang thiết bị để giúp tôi hoàn thành luận văn

Mặc dù gặp nhiều khó khăn trong thời gian vừa qua nhưng được sự động viên, giúp

đỡ của gia đình, thầy cô, các anh chị đi trước và bạn bè, tôi đã hoàn thành đúng thời hạn các nhiệm vụ được giao Tuy nhiên cũng không thể tránh khỏi những thiết sót, mong quý thầy cô đóng góp ý kiến và sửa chữa để nội dung được hoàn thiện hơn Tôi xin chân thành cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2015

Phạm Thị Như Quỳnh

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung được trình bày trong khóa luận tốt nghiệp là của riêng tôi Tôi xin cam đoan các nội dung được tham khảo trong khóa luận tốt nghiệp đã được trích dẫn chính xác và đầy đủ theo qui định

Ngày 15 tháng 07 năm 2015

Ký tên

TÓM TẮT KHÓA LUẬN

Gạo mầm là gạo đã nảy mầm nhờ ngâm ủ Quá trình chuyển hoá sinh học trong thời gian tạo mầm tạo cho gạo mầm có giá trị dinh dưỡng khác với gạo trắng thông thường Đặc biệt gạo mầm có chứa nhiều GABA (Gamma-Aminobutyric Acid), là chất được cho là

mầm và tối ưu hóa quá trình sấy lạnh gạo mầm

Gạo lứt đỏ ST có hàm lượng GABA là 42,18 μg/g được sử dụng làm nguyên liệu để

sau 5h ngâm gạo lứt đạt khả năng hút nước bão hòa Sau đó gạo được ủ ở nhiệt độ phòng, tiến hành khảo sát tỷ lệ nảy mầm ở 12, 18, 24, 30, 36, 42h ủ và đo hàm lượng GABA ở 32h, 36h, 40h Sau 42h tỷ lệ nảy mầm đạt 85,33%; hàm lượng GABA trong quá trình ủ cao nhất tại 36h, đạt 247,44 μg/g Gạo mầm sau ủ được xử lý vi sinh vật bằng phương pháp

tốc độ TNS (tác nhân sấy) 0,6m/s, 1,2m/s và 1,8m/s; độ ẩm từ 35,03 – 35,03 % xuống 9,12 – 10,45 % Kết quả phân tích cho thấy, nhiệt độ sấy và tốc độ tác nhân sấy càng cao thì tổn thất hàm lượng GABA càng lớn Tuy nhiên khi tốc độ tác nhân sấy thấp làm kéo dài thời gian sấy, ảnh hưởng tới năng suất và chất lượng gạo sau sấy

TNS ở buồng sấy là 1,22m/s thì hàm lượng GABA của gạo mầm đạt cao nhất Ngoài ra,

nguyên liệu gạo lứt ban đầu

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

TÓM TẮT KHÓA LUẬN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC HÌNH vii

DANH MỤC BẢNG viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Giới thiệu về gạo lứt 3

1.1.1 Khái niệm, phân loại và cấu tạo: 3

1.1.2 Thành phần dinh dưỡng 4

1.2 Giới thiệu về hoạt chất GABA 5

1.3 Quá trình nảy mầm gạo lứt 6

1.3.1 Cơ chế tổng hợp GABA trong quá trình nảy mầm 6

1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nảy mầm 8

1.3.2.1 Độ chín, hình dạng, kích thước và thành phần hóa học của hạt 8

1.3.2.2 Nước 9

1.3.2.3 Không khí ( oxy và cacbornic ) 9

1.3.2.4 Nhiệt độ 9

1.3.2.5 Các tác nhân kích thích 9

1.4 Giới thiệu về sản phẩm gạo mầm 10

1.5 Các nghiên cứu về gạo mầm trên thế giới và trong nước 12

1.6 Sấy lạnh và hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt 16

1.5.1 Sấy lạnh 16

1.5.2 Hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt 17

1.5.2.1 Giới thiệu 17

1.5.2.2 Chất lượng sản phẩm sau khi sấy 18

1.5.2.3 Ưu và nhược điểm của phương pháp sấy lạnh kiểu bơm nhiệt 18

1.7 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm 18

1.7.1 Giới thiệu về quy hoạch thực nghiệm 18

1.7.2 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm yếu tố toàn phần 19

1.7.3 Phương án cấu trúc có tâm 20

1.7.4 Phương án trực giao cấp hai 22

1.7.5 Thiết lặp bài toán từng mục tiêu và đa mục tiêu 25

CHƯƠNG 2: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27

2.1 Đối tượng, hóa chất, thiết bị, dụng cụ và địa điểm tiến hành thí nghiệm 27

2.1.1 Đối tượng: 27

2.1.2 Hóa chất: 27

2.1.3 Thiết bị, dụng cụ thí nghiệm 27

2.1.4 Địa điểm thực hiện: 27

2.2 Phương pháp thực hiện 28

2.2.1 Phương pháp nghiên cứu công nghệ sản xuất 28

2.2.1.1 Đề xuất quy trình công nghệ 28

2.2.1.2 Giải thích quy trình 28

2.2.2 Sơ đồ nghiên cứu: 29

2.2.3 Phương pháp xác định các chỉ tiêu hóa lý 31

2.2.4 Phương pháp đánh giá thị hiếu người tiêu dùng: 31

2.2.5 Phương pháp xử lý số liệu: 32

2.2.6 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm và tối ưu hóa đa mục tiêu 32

2.3 Cách tiến hành thí nghiệm: 32

2.3.1 Thí nghiệm 1: Khảo sát nguyên liệu đầu vào 32

2.3.2 Thí nghiệm 2: Khảo sát khả năng hút nước của hạt trong quá trình ngâm 32

2.3.3 Thí nghiệm 3: Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ủ đến tỷ lệ nảy mầm và hàm lượng GABA tích lũy trong quá trình ủ mầm 32

2.3.4 Thí nghiệm 4: Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ ẩm và hàm lượng GABA trong quá trình sấy gạo gạo mầm 33

2.3.5 Thí nghiệm 5: Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ tác nhân sấy đến độ ẩm và hàm lượng GABA trong quá trình sấy gạo mầm 34

2.3.6 Thí nghiệm 6: Tối ưu hóa quá trình sấy 34

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 36

3.1 Kết quả khảo sát các thông số ban đầu nguyên liệu gạo lứt đỏ ST 36

3.2 Khảo sát khả năng hút ẩm của gại trong quá trình ngâm 36

3.3 Khảo sát ảnh hưởng thời gian ủ đến tỷ lệ nảy mầm và hàm lượng GABA 37

3.4 Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ ẩm và hàm lượng GABA theo thời gian sấy: 40

3.5 Khảo sát tốc độ tác nhân sấy đến khả năng thoát ẩm và hàm lượng GABA 43

3.6 Tối ưu hóa quá trình sấy lạnh 44

3.6.1 Giải BTTƯ một mục tiêu-hàm mục tiêu y1- độ ẩm 44

3.6.2 Giải BTTƯ một mục tiêu-hàm mục tiêu y2- tổn thất hàm lượng GABA 45

3.7 Khảo sát thực nghiệm cho thông số tối ưu 47

3.8 Đánh giá hàm lượng dinh dưỡng của sản phẩm gạo mầm thu được 47

3.9 Đánh giá cảm quan và thị hiếu sản phẩm gạo mầm thu được 48

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 50

4.1 Kết luận: 50

4.2 Kiến nghị: 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Phân biệt gạo lứt, gạo trắng và gạo mầm 3

Hình 1.2 Công thức cấu tạo hóa học của GABA 5

Hình 1.3 Con đường hình thành GABA 7

Hình 1.4 Sự hình thành GABA trong ty thể thực vật 8

Hình 1.5 Thiết bị sấy nhiệt độ thấp 17

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy sấy bơm nhiệt 17

Hình 1.7: Sơ đồ thí nghiệm phương án cấu trúc có tâm, hai yếu tố 21

Hình 1.8: Sơ đồ thí nghiệm phương án cấu trúc có tâm, ba yếu tố 21

Hình 1.9: Bài toán từng mục tiêu 25

Hình 1.10: Bài toán đa mục tiêu 25

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình sản xuất gạo mầm 28

Hình 2.2 Sơ đồ nghiên cứu 30

Hình 2.3: Sơ đồ mô tả đối tượng công nghệ của quá trình sấy lạnh gạo mầm 34

Hình 3.1 Sự thay đổi của độ ẩm theo thời gian ngâm 37

Hình 3.2 Sự phát triển về kích thước của mầm gạo theo thời gian ủ 38

Hình 3.3 Tỷ lệ nảy mầm của gạo lứt theo thời gian ủ 39

Hình 3.4 Sự biến đổi của hàm lượng GABA sau 32h, 36h và 40h ủ 40

Hình 3.5 Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của nhiệt độ đến khả năng thoát ẩm 41

Hình 3.6 Đồ thị thể hiện ảnh hưởng của tốc độ TNS đến khả năng thoát ẩm 43

Hình 3.7 Thành phẩm gạo mầm sau sấy và đóng gói hút chân không 47

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Các chỉ tiêu chất lượng của gạo lứt và gạo trắng 4

Bảng 1.2 Hoạt tính của các dưỡng chất trong gạo mầm 11

Bảng 1.3: Xác định số thí nghiệm qua hệ số m 20

Bảng 1.4: Ma trận quy hoạch cấu trúc có tâm cấp hai, hai yếu tố 22

Bảng 1.5: Giá trị α2 theo k và n0 23

Bảng 2.1: Các phương pháp xác định các chỉ tiêu phân tích 31

Bảng 2.2: Bảng hướng dẫn đánh giá cảm quan sản phẩm 31

Bảng 2.2: Thiết lập bảng các mức yếu tố ảnh hưởng 35

Bảng 2.3: Ma trận TYT 22 với biến thực và biến mã hóa 35

Bảng 2.4: Thành lập ma trận thực nghiệm dựa trên các yếu tố mã hóa 35

Bảng 3.1 Các chỉ tiêu vật lý, hóa lý của nguyên liệu gạo lứt đỏ ST 36

Bảng 3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến chất lượng của sản phẩm sau khi sấy 41

Bảng 3.3 Ảnh hưởng của tốc độ tác nhân sấy đến độ ẩm và hàm lượng GABA 44

Bảng 3.4: Mô hình quy hoạch thực nghiệm cho hàm y1 – độ ẩm 44

Bảng 3.5 Mô hình quy hoạch thực nghiệm cho hàm y2 – tổn thất hàm lượng GABA 45

Bảng 3.6: Kết quả tối ưu các hàm đơn mục tiêu 46

Bảng 3.7 Kết quả các giá trị tối ưu của các hàm đơn mục tiêu tương ứng 46

Bảng 3.8 Kết quả khảo sát lại các hàm mục tiêu ứng với các thông số tối ưu 47

Bảng 3.9 So sánh các chỉ tiêu cơ bản giữa gạo lứt và gạo mầm 48

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

BTTƯ: Bài toán tối ưu

GABA: Gamma- aminobutyric acid

GAD : Glutamate decarboxylase

PTHQ: Phương trình hồi quy

QHTN: Quy hoạch thực nghiệm

SSA : Succinic semialdehyde

SSADH : Succinic semialdehyde dehydrogenase

TNS: Tác nhân sấy

MỞ ĐẦU

Trong xã hội ngày càng pháp triển như hiện nay thì đời sống cũng như nhu cầu của con người ngày càng cao, thực phẩm không chỉ phục vụ cho nhu cầu ăn uống mà còn phải cung cấp đầy đủ các dưỡng chất cho cơ thể Nhưng mặt trái của xã hội là tình trạng con người mắc các bệnh nan y ngày cao, đặc biệt là bệnh đái tháo đường hay còn gọi là tiểu đường Căn bệnh mà cơ thể không sử dụng được insulin hay không sản xuất đủ insulin làm cho lượng đường trong máu không được chuyển đổi thành năng lượng cho cơ thể, dẫn đến chỉ số đường huyết cao, ảnh hưởng rất lớn đến sức khỏe Vì vậy con người luôn nghiên cứu để tìm ra các loại thực phẩm với chỉ số đường huyết thấp khuyên dùng cho người bị tiểu đường, một trong số đó là gạo lứt Một điều bất cập là gạo lứt rất khó ăn và khó nấu, vì thế mà sản phẩm gạo mầm ra đời Gạo mầm được ngâm và ủ cho nảy mầm từ gạo lứt nên

có giá trị dinh dưỡng cao, đồng thời hàm lượng chất xơ cao, chỉ số đường huyết thấp rất có lợi cho chế độ ăn của người bị bệnh tiểu đường và đặc biệt là hàm lượng GABA (một acid amin tự do, phân bố rộng rãi trong tự nhiên, và là một chất dẫn truyền thần kinh trong não

và tủy sống của động vật có vú) tăng gấp 10 lần so với gạo thường, 4-6 lần so với gạo lứt Gạo mầm dễ ăn và dễ nấu hơn gạo lứt nên là một sản phẩm thiết thực cho chúng ta

Bên cạnh những giá trị về mặt dinh dưỡng, sức khỏe thì gạo mầm còn tạo cơ hội cho

sự đa dạng hóa các sản phẩm trên thị trường, đồng thời nâng giá trị của hạt gạo về mặt kinh

tế Trong khi Việt Nam là nước đứng thứ 2 về xuất khẩu lúa gạo, với lợi thế về nguồn nguyên liệu dồi dào này thì chúng ta cũng có thể dễ dàng sản xuất ra nhiều mặt hàng từ gạo

có giá trị cao như gạo mầm, nhưng trên thị trường Việt Nam sản phẩm gạo mầm còn rất ít phổ biến và các công trình nghiên cứu về gạo mầm rất ít, chỉ có công ty bảo vệ thực vật An Giang đã nghiên cứu thành công và đưa vào sản xuất thực tế

Từ thực tiễn đó, chúng tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu quy trình sản xuất gạo

mầm và tối ưu hóa quá trình sấy lạnh gạo mầm” làm khóa luận tốt nghiệp

 Mục tiêu của đề tài:

Nghiên cứu quy trình sản xuất gạo mầm với chất lượng cao và được người tiêu dùng chấp nhận

Tối ưu hóa quá trình sấy lạnh nhằm hạn chế tổn thất hàm lượng GABA

 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu: gạo lứt đỏ ST (gạo lứt đỏ Sóc Trăng)

 Nội dung nghiên cứu:

- Tìm hiểu về nguyên liệu gạo lứt, hoạt chất GABA (gamma-amino butyric acid), gạo mầm và các nghiên cứu về gạo mầm Tìm hiểu về hệ thống sấy lạnh, phương pháp quy hoạch thực nghiệm và tối ưu hóa

- Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ngâm đến khả năng hút nước của gạo lứt

- Khảo sát ảnh hưởng của thời gian ủ đến tỷ lệ nảy mầm và hàm lượng GABA

- Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ sấy đến độ ẩm và hàm lượng GABA

- Khảo sát ảnh hưởng của tốc độ tác nhân sấy đến độ ẩm và hàm lượng GABA

- Tối ưu hóa quá trình sấy lạnh gạo mầm và giải bài toán tối ưu hóa

- Đánh giá cảm quan gạo mầm thành phẩm

 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

Gạo mầm có ý nghĩa thực sự to lớn đối với các bệnh nhân bị tiểu đường, đồng thời

nó có nhiều dưỡng chất quý có thể được sử dụng như thực phẩm chức năng

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu về gạo lứt

1.1.1 Khái niệm, phân loại và cấu tạo:

Gạo lứt (còn gọi là gạo lật, gạo lức, brown rice) là loại gạo chỉ xay bỏ vỏ trấu vẫn còn lớp cám bọc bên ngoài nên thường có màu nâu, bẻ đôi thấy lõi trắng bên trong, nếu giã sạch lớp cám này sẽ cho ra loại gạo trắng giống như gạo trắng chúng ta ăn hằng ngày Đây

Gạo lứt gồm có ba loại chính:

Gạo lứt tẻ hột dài (long grain brown)

Gạo lứt tẻ hột tròn (short grain brown rice)

Gạo lứt nếp (sweet brown rice)

Hạt gạo lứt gồm 3 phần chính: vỏ, phôi và nội nhũ Lớp vỏ thường có màu trong

mờ, hơi xám và dễ bị tách ra trong quá trình xát trắng gạo Khi lớp vỏ có màu đỏ hoặc màu đen thì gọi là gạo đỏ hay gạo than Vỏ được cấu tạo từ nhiều lớp tế bào, lớp ngoài cùng gồm các tế bào có kích thước lớn sắp xếp theo chiều dọc hạt, lớp giữa gồm các tế bào tương tự như lớp ngoài nhưng sắp xếp theo chiều ngang hạt Lớp vỏ có chứa nhiều chất béo và protein nhưng rất ít tinh bột (chiều dày lớp vỏ phụ thuộc vào giống, điều kiện trồng trọt) Ngăn cách giữa lớp vỏ hạt và nội nhũ là lớp alorong Trong tế bào alorong có chứa các hợp chất proteinide (35-45%), lipid (8-9%), vitamin và tro (11-14%), đường (6-8%),

Hình 1.1 Phân biệt gạo lứt, gạo trắng và gạo mầm [6]

1.1.2 Thành phần dinh dưỡng

Thành phần của gạo lứt gồm tinh bột, chất đạm, chất béo, chất xơ cùng các vitamin như B1, B2, B3, B6; các acid như pantothenic (vitamin B5), paraaminobenzoic (PABA), folic (vitamin M), phytic; các nguyên tố vi lượng như canxi, sắt, magiê, selen, glutathion (GSH), kali và natri [19]

Gạo trắng qua quá trình xay, giã, 77% vitamin B3, 80% vitamin B1, 90% vitamin B6, một nửa lượng mangan và hầu hết chất xơ bị mất đi Các chuyên gia dinh dưỡng cũng nhận thấy, một lon gạo lứt khi nấu thành cơm chứa 84 mg magiê, trong khi đó ở gạo trắng chỉ có 19 mg Lớp cám của gạo lứt cũng chứa một chất dầu đặc biệt có tác dụng điều hòa

Bảng 1.1 Các chỉ tiêu chất lượng của gạo lứt và gạo trắng [19]

Chỉ tiêu Gạo lứt Gạo trắng

1.2 Giới thiệu về hoạt chất GABA

Hình 1.2 Công thức cấu tạo hóa học của GABA [50]

bố rộng rãi trong tự nhiên, và là một chất dẫn truyền thần kinh trong não và tủy sống của động vật có vú [24]

GABA được tổng hợp lần đầu tiên vào năm 1883 và được biết tới như một sản phẩm của quá trình trao đổi chất trong cơ thể một số loài thực vật và vi khuẩn Năm 1950 GABA được phát hiện là thành phần bên trong của hệ thống thần kinh trung ương các loài động vật có vú, ở não mô khoảng 0,1-0,6 mg/g GABA được sinh ra chủ yếu bởi các phản ứng khử carboxyl của acid L-glutamic, xúc tác bởi enzyme, glutamate decarboxylase (GAD) [EC4.1.1.15] [25]

GABA có một số chức năng sinh lý như dẫn truyền thần kinh và cảm ứng có tác

Các phương pháp để làm tăng nồng độ GABA của thực phẩm đã được nghiên cứu

Cả GABA tự nhiên và tổng hợp đều được sử dụng làm thực phẩm chức năng tại

Mỹ GABA tự nhiên được sản xuất qua quá trình lên men sử dụng Lactobacillus hilgardii

– vi khuẩn được dùng để lên men rau quả có trong món ăn truyền thống Kimchi của Hàn Quốc [39]

GABA ức chế huyết áp và cải thiện chứng mất ngủ, và rối loạn kiểm soát quan sát trong suốt thời kỳ mãn kinh [35]

Liều lượng điển hình của GABA để giải tỏa lo âu hoặc điều trị rối loạn giấc ngủ là

100 – 200 mg, 3 lần sử dụng trên ngày Liều lượng GABA được phát hiện có ích với một

1.3 Quá trình nảy mầm gạo lứt

1.3.1 Cơ chế tổng hợp GABA trong quá trình nảy mầm

Trong quá trình nảy mầm để phôi tăng trưởng cần phải cung cấp chất dinh dưỡng như đạm, hydrocacbon, khoáng, chất béo… các chất dinh dưỡng tích tụ trong nội nhũ ở trạng thái không hòa tan (protein) ngưng tụ thành từ chất nguyên sinh có trong tế bào nội nhũ, tinh bột và xiết chặt mạng lưới được bao bọc bởi xenlulo Khi mầm phát triển, phải hòa tan các chất dự trữ, tấn công màng tế bào để chúng có khả năng thẩm thấu tốt hơn và cho phép các chất dinh dưỡng hòa tan đi qua đến phôi để sử dụng Công việc này được thực hiện bởi các enzyme và chính phôi là nơi tiết ra các enzyme Các enzyme này khuếch tán qua ngù, thấm vào nội nhũ Một phần các chất như amino acid, peptide, maltose, muối khoáng thẩm thấu qua ngù và được tế bào của phôi hấp thụ Rễ mọc ra từ đuôi hạt và phát triển nhanh [44]

Sự hô hấp của hạt thực chất là quá trình oxi hóa- khử sinh học Để thực hiện quá trình này, phải qua giai đoạn thủy phân các hợp chất cao phân tử thành các hợp chất thấp phân tử, giai đoạn ngâm và nảy mầm đã thực hiện điều này Giai đoạn tiếp theo của quá trình phân giải chất hữu cơ là những sản phẩm trung gian tạo thành đi vào chu trình Krebs Dưới sự xúc tác của các hệ enzyme oxy hóa- khử và qua nhiều chu trình phức tạp, cơ chất

bị phân giải theo phản ứng tổng quát :

C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O + Q

Để cho quá trình oxy hóa khử xảy ra, nhất thiết phải có :

- Cơ chất : trong trường hợp hạt nảy mầm, cơ chất là những sản phẩm thấp phân tử

đã được vận chuyển về phôi

- Oxy : có thể được cung cấp từ ngoài vào hoặc sử dụng nguồn oxy nội tế bào Nguồn cơ chất như monosaccharide, amino acid… Tự bản thân nó đã tiềm ẩn một nguồn năng lượng đó không tự nó phát ra Nguồn năng lượng tiềm tàng đó được giải phóng khi các cấu tử hợp thành phân tử của cơ chất được phân chia và sắp xếp lại để tạo ra một dạng liên kết mới Tác nhân hoạt hóa là những enzyme có ở trong phôi của hạt Ngoài

ra còn có sự tham gia của enzyme glutamate decarbonxylase chuyển hóa acid glutamic

thành –aminobutyric acid Ở thực vật, con đường hình thành GABA chủ yếu gồm 3 enzyme :

- Enzyme glutamate cytosolic decarboxylase (GAD, EC 4.1.1.15 ) xúc tác dẫn đến hình thành GABA bởi decarbonxylation trực tiếp mà không thể đảo ngược của acid L- Glutamic

- Enzyme ti thể của GABA transaminase (GABA, EC 2.6.1.19) là xúc tác chuyển đổi để biến đổi thuận nghịch GABA succunic semialdehyde bằng cách sử dụng hoặc pyruvate hoặc α-ketoglutarate là amino acceptors

- Một con đường được xúc tác bởi semialdehyde succinic dehydro genase (SSADH,

EC 1.2.1.16) mà không thể khôi phục khả năng oxi hóa succinic semialdehyde thành succinat Trong ba enzyme, phản ứng xúc tác bởi GAD được xem là có tỉ lệ hạn chế trong

Hình 1.3 Con đường hình thành GABA [10]

GAD : glutamate decarboxylase GABA : GABA-transminase

SSA : succinic semialdehyde SSADH : succinic semialdehyde dehydrogenase Trong tế bào chết, glutamate được hình thành từ lục lạp, tiếp đó glutamate được enzyme GAD (GAD : decardoxulase glutamate ) xúc tác phản ứng tạo thành GABA GAD

được chuyển thành semialdehyde succinic nhờ GABA transaminase sử dụng hoặc là

ketoglutarate- (của GABA-TK) hoặc pyruvate (của GABA-TP) (Hình 1.4) Cả hai sản

phẩm của phản ứng xúc tác bởi SSADH (succinat và NADH) là chất nền cho chuỗi hô hấp

ti thể trong đó sản xuất ATP như là một sản phẩm cuối cùng Một phần succinic semialdehyde được đưa ra màng ti thể trong môi trường tế bào chất dưới tác dụng của

Hình 1.4 Sự hình thành GABA trong ty thể thực vật [32]

1.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình nảy mầm

1.3.2.1 Độ chín, hình dạng, kích thước và thành phần hóa học của hạt

Hạt nảy mầm tốt ở giai đoạn chín sinh lý, tuy nhiên vẫn có khả năng nảy mầm ở giai đoạn trước chín sinh lý Các thành phần có trong hạt gạo ảnh hưởng đến khả năng hút

ẩm của hạt Với những giống gạo có hàm lượng amylopectin cao, tốc độ hút ấm sẽ chậm hơn Còn hàm lượng lipid (chủ yếu tập trung ở vỏ cám bên ngoài) càng cao thì khả năng khuếch tán ầm qua lớp vỏ cám này càng thấp, dẫn đến tốc độ hút ẩm chậm Về hình dạng, những hạt nào có diện tích xung quanh lớn (tỷ lệ diện tích bề mặt/ thể tích lớn ) thì tốc độ quá trình hút ẩm diễn ra nhanh [6]

1.3.2.2 Nước

Nước là yêu cầu cơ bản của sự nảy mầm bởi vì nó cần thiết cho các enzyme hoạt động, phá vỡ vỏ cám và cận chuyển vật chất Hạt giống nảy mầm khi hàm lượng nước của hạt đạt 25-35%, hạt không nảy mầm nếu hàm lượng nước của hạt < 13%, độ ẩm hạt > 40%

1.3.2.3 Không khí ( oxy và cacbornic )

khẳng định sự nảy mầm của hầu hết các loài đều cần oxy Khi CO2 cao hơn 0,03% làm chậm sự nảy mầm trong khi nitơ không ảnh hưởng đến quá trình nảy mầm Hô hấp là một quá trình oxy hóa cần thiết và cần cung cấp đầy đủ oxy, nếu hàm lượng oxy thấp sẽ làm chậm quá trình nảy mầm của hạt Mặc dù lúa là loại cây có thể nảy mầm trong điều kiện thiếu oxy nhưng mầm yếu Khi hàm lượng oxygen hòa tan trong nước tăng, khả năng

“đánh thức” các enzyme trao đổi chất bên trong phôi diễn ra nhanh hơn Do đó, trong

1.3.2.4 Nhiệt độ

Sự nảy mầm của hạt là tổ hợp của các quá trình bao gồm nhiều phản ứng và pha khác nhau, một trong những tác nhân là nhiệt độ Nhiệt độ tối ưu là nhiệt đó mà hạt có % nảy mầm cao nhất Nhiệt độ yêu cầu có thể thay đổi theo các giai đoạn khác nhau của sự nảy mầm và phản ứng với nhiệt độ phụ thuộc vào loài, giống, vùng gieo trồng và thời gian thu hoạch Nhiệt độ càng cao, tốc độ hút ẩm càng tăng do khả năng khuếch tán ẩm vào trong hạt càng tốt Tuy nhiên, tổn thất chất khô do hiện tượng hòa tan vào nước lại tăng lên, đồng thời, có thể vô hoạt hệ enzyme có trong phôi, làm phôi chết và hạt không thể nảy mầm Có nhiều báo cáo trích dẫn một số loài nảy mầm tối ưu khi có nhiệt độ dao động thường xuyên, cho rằng khi nhiệt độ thay đổi là nguyên nhân thay đổi cấu trúc của các phân tử trong hạt Một vài nghiên cứu khác cho rằng khi nhiệt độ thay đổi tạo ra sự cân

thành sắc tố ở quả và lá Cường độ ánh sáng và chất lượng ánh sáng đều ảnh hưởng đến sự nảy mầm Ảnh hưởng của cường độ sáng (lux) là khác nhau giữa các loài, một số loài yêu cầu ánh sáng yếu 100 lux đến cường độ rất cao 2160 lux Chất lượng ánh sáng nảy mầm tốt nhất là ánh sáng đỏ (660-700nm), trong khi đó bước sóng <290nm sẽ kìm hãm sự nảy mầm Các yếu tố ảnh hưởng đến sự mẫn cảm ánh sáng của hạt là loài và giống như các yếu

Ngoài ra, ánh sáng ảnh hưởng mạnh nhất đối với sự nảy mầm của hạt là ngay sau khi thu hoạch và giảm dần theo tuổi của hạt

Ngoài ra, trong quá trình ngâm, nếu trong nước ngâm có các chất kích thích sinh

1.4 Giới thiệu về sản phẩm gạo mầm

Gạo mầm được sản xuất bằng cách ngâm gạo lứt trong nước với nhiệt độ và thời

Gạo mầm có chứa vitamin, khoáng chất, chất xơ và các thành phần hiệu quả như acid phytic [8] và acid ferulic [39]. Mặc dù gạo lứt có giá trị dinh dưỡng cao nhưng ít phổ biến bởi vì nó không thể nấu được như cách nấu của các loại gạo bình thường

Tiêu thụ gạo lứt trở nên phổ biến ở Nhật Bản trở lại trong năm 1970 vì giàu chất xơ

và chất dinh dưỡng khác có trong gạo lứt Tuy nhiên, sự phổ biến không kéo dài do thực tế rằng gạo lức đã được nấu chín trong nồi áp suất và vẫn còn khó nhai và ít ngon Gạo mầm vượt qua những vấn đề đó vì có thể nấu được trong nồi cơm điện thông thường và đủ mềm

để nhai ngay cả đối với trẻ em Gạo mầm có một hương vị êm dịu và cảm giác mềm khi

Khía cạnh dinh dưỡng

Các loại phân tích trên gạo mầm tiến hành tại Nhật Bản chỉ ra rằng trong quá trình nảy mầm, chất dinh dưỡng trong gạo lứt thay đổi đáng kể, không chỉ có các chất dinh dưỡng tăng mà các thành phần mới cũng được hình thành từ các thay đổi bên trong do nảy mầm Các chất dinh dưỡng đã tăng lên đáng kể bao gồm GABA, lysine, vitamin E, chất

mầm là inositols, acid ferulic, phytic acid, tocotrienols, kali, kẽm, g-oryzanol, và ức chế

trắng và hơn hai lần so với gạo lứt Hơn nữa, gạo mầm chứa ít calo và đường hơn ở gạo trắng [19].

Các GABA cung cấp nhiều lợi thế như ngăn ngừa bệnh Alzheimer và huyết áp

ra những mầm gạo lức có chứa một chất ức chế mạnh của enzyme protylendopetidase liên

Bảng 1.2 Hoạt tính của các dưỡng chất trong gạo mầm [19]

Các dưỡng chất Hoạt tính trong gạo mầm

những ảnh hưởng của sự suy nhược do xơ cứng động mạch não và ngập máu não; phòng ngừa rối loạn hô hấp đột biến; ngăn ngừa sự xáo trộn của tiền lão hóa như mất ngủ và kích thích tinh thần, kích hoạt chức năng thận

Gamma-oryzanol Tác dụng chống oxy hóa, phòng chống lão hóa da, điều hòa cholesterol Prolyl

Endopeptidase

Chất ức chế, có thể ngăn ngừa bệnh Alzheimer

Kiểm soát đường huyết

Sử dụng gạo mầm thay gạo trắng thì có hiệu quả trong việc kiểm soát nồng độ

Hiroshi thấy rằng bên cạnh có chứa thành phần hữu ích khác, gạo mầm chủ yếu có chứa hai thành phần hoạt động tích cực: GABA, một chất truyền thần kinh được dự trữ trong não và tủy sống, và chất xơ, giúp kích hoạt các nhu động ruột Nó cũng chứa acid phytic

đáng kể với một hoạt động chống ung thư mạnh mẽ và một chất ức chế hoạt động prolyl

Hạn chế tiểu đường, dễ tiêu hóa

Rasolt nhận thấy rằng acylated steryl gulcoside (ASG) là một yếu tố tăng trưởng trong gạo lức sau khi nảy mầm mà hoạt động bằng cách tăng mức độ của các enzym tốt có thể giúp làm giảm bệnh tiểu đường và rõ ràng cho thấy rằng ASG bình thường hóa các men rối loạn chức năng và giúp kiểm soát lượng đường trong máu ở bệnh nhân tiểu

mầm làm thay đổi khích thước hạt Từ đánh giá cảm quan, họ đã cho thấy rằng gạo lứt nảy

Gạo mầm có kết cấu mềm hơn so với gạo lứt bình thường do phản ứng giữa acid phytic và chất khoáng trong quá trình nảy mầm, điều này chỉ ra rằng nó có thể được dễ dàng nấu chín và dễ tiêu hóa [19].

Dinh dưỡng của hạt nảy mầm đã được nghiên cứu từ năm thập kỷ trước đây, cung cấp một lượng gạo mầm nhất định là rất tốt để ngăn ngừa đau đầu, giảm táo bón, phòng

1.5 Các nghiên cứu về gạo mầm trên thế giới và trong nước

Gạo mầm được phát triển cho thị trường Nhật Bản vào năm 1995 Sản phẩm gạo mầm được phát triển và đưa ra thị trường đầu tiên của Công ty Domer (Ueda City, Nagano Pref.) Và chính quyền thành phố, Mino-cho của Kagawa Pref., Là một trong những tổ chức đầu tiên tham gia vào việc sản xuất của gạo mầm Nó bây giờ là sản phẩm của một số công

ty tư nhân bao gồm cả hợp tác xã nông nghiệp Trong thập kỷ vừa qua, khoảng 49 mặt

Tại Nhật Bản, người dân trong thời kỳ cổ đại có thể đã ăn gạo lức ngâm [17] Komatsuzaki và cộng sự đã báo cáo tác dụng của việc ngâm và điều khí trong quá trình ủ mầm lên hàm lượng GABA trong gạo mầm Nghiên cứu của họ đã thiết lập một phương

trong hạt nảy mầm, tinh bột, polysaccharides không phải là tinh bột và protein được thủy phân một phần thành đường, oligosaccharides và các acid amin cũng xảy ra trong gạo Hiện tượng này sẽ tạo ra các chất và cải thiện chức năng sinh học của các hạt ngũ cốc Ngoài ra, khử trùng gạo mầm - một quá trình chuẩn cho các sản phẩm thương mại hóa gạo

mầm để giảm vi sinh vật, kết quả tăng lượng acid glutamic, alanin, glycerin và tạo ra một

Watanabe và cộng sự cho rằng sự thay thế của gạo lứt hoặc gạo mầm cho bột mì giảm khối lượng của bánh mì hơn bánh không có gạo lứt hoặc gạo mầm Khi thay thế cùng một lượng 10 hoặc 20% thì gạo mầm có tác dụng cải thiện rõ ràng hơn gạo lứt Vì

sự kết luận rằng sự nảy mầm của lúa mì cung cấp thêm lượng acid amin, đặc biệt là GABA Gạo mầm sản xuất sau 24 giờ ủ cho thấy 2,5 lần tăng GABA hơn trước khi nảy mầm [26] Morita đã phát triển một công nghệ để nướng bánh mì với gạo mầm, để dán mác

là bánh có gạo mầm, nó phải có ít nhất 30% gạo mầm, nhưng mà gạo nhiều lại trở ngại đến khả năng giãn nở của gluten và thoát carbon dioxide, làm cho bánh mì nhỏ hơn bình thường [27]

Các nghiên cứu trên thế giới chỉ ra rằng quá trình nảy mầm của gạo thường xảy ra ở

trình nảy mầm, còn nhiệt độ quá cao sẽ làm cho các enzyme bị biến tính và vô hoạt, phôi được xem như bị chết Nhiệt độ tối ưu cho quá trình nảy mầm của gạo là từ 30-35oC Trong quá trình nảy mầm, hạt cũng tỏa nhiệt do quá trình hô hấp, do đó phải có biện pháp

đó, độ ẩm tương đối của môi trường phải đảm bảo sao cho hạt không bị mất ẩm trong quá trình ủ (thường thực hiện ở điều kiện ẩm bão hòa) Vì trong quá trình nảy mầm, hạt phải thực hiện quá trình hô hấp ở cường độ mạnh nên phải cung cấp đầy đủ oxygen cho quá trình này Nếu không đủ oxy, có thể dẫn đến quá trình hô hấp kị khí và sinh ra ethanol, kết

Trachoo và cộng sự phát hiện ra rằng sự nảy mầm của hạt gạo tăng lên rất nhiều chất dinh dưỡng như vitamin B, đường khử, và tổng hàm lượng protein của gạo mầm cao hơn so với các gạo lứt và gạo trắng [42] Choi và cộng sự đã báo cáo rằng sau 24 h nảy mầm, các khoảng tăng chênh lệch của các chất dinh dưỡng là 3,4 lần cho fructose, 2,75 lần cho các loại đường khử, và 7.97 lần cho GABA Họ quan sát thấy rằng sự gia tăng các chất dinh dưỡng ở gạo mầm được ủ 24h cao hơn gạo mầm được ủ 48h Trong số các chất dinh

Trong một nghiên cứu năm 2007, tại Anh, gạo GABA được sản xuất rất đơn giản bằng cách sử dụng gạo lứt cho nảy mầm ở dưới điều kiện ngoại cảnh thích hợp bằng cách

ngâm gạo trong nước với nhiệt độ 35-40oC và duy trì từ 18-20 giờ Khi đó phôi gạo sẽ phát

Năm 2008, Shu X.L và các cộng sự đã nghiên cứu mô tả quá trình biến đổi và chuyển hóa của hạt gạo nảy mầm (giống II32B-ge, MH-ge2 và MH-ge3 của Trung Quốc) sau 24, 48, 72 và 96 giờ Trong quá trình sản xuất gạo GABA, cần lựa chọn giống nảy mầm tốt và kiểm soát quá trình ngâm gạo ở nhiệt độ và thời gian thích hợp [39] Trong nghiên cứu năm 2011 của Nakamura S và Ohtsubo K đã chỉ ra rằng hành đỏ làm gia tăng

sự nảy mầm của hạt gạo và ức chế nhiễm tạp vi sinh vật trong quá trình nảy mầm Sau khi

Nhật) có tỷ lệ nảy mầm cao hơn 2,3 lần, chứa hàm lượng GABA (2,3 lần) và glucose (2,9 lần) nhiều hơn so với gạo nảy mầm không sử dụng loại hành này Trong quá trình ngâm

Jiraporn Banchuen và cộng sự đã nghiên cứu tăng hàm lượng các hợp chất bằng cách tối ưu các điều kiện nảy mầm của miền Nam Thái Lan Ba giống lúa Thái Lan (cv Niaw Dam Peuak Dam, Sangyod Phatthalung và Chiang Phatthalung) đã được nảy mầm và hàm lượng GABA được theo dõi Lúc đầu gạo lứt được ngâm trong các dung dịch khác nhau (dung dịch đệm pH bằng 2, 3, 5, và 7 và nước cất) ở nhiệt độ phòng (30 ± 2°C) trong 5 giờ, tiếp theo nảy mầm ở một trong hai bình: một bình mở nắp và một bình đóng nắp trong 12,

24, 36, và 48 giờ Kết quả chỉ ra rằng hàm lượng GABA cao nhất thu được khi ngâm gạo Sangyod Phatthalung và Chiang Phatthalung trong dung dịch đệm citrate với pH=3 và ủ trong bình kín 36 giờ, và đối với gạo Niaw Dam Peuak Dam là trong 48 giờ, So với gạo lứt thường, hàm lượng GABA trong gạo lứt nảy mầm tăng 9.43-16.74 lần Nảy mầm cũng tăng acid ferulic lên 1,12-1,43 lần và hàm lượng phytate giảm đáng kể, trong khi hàm

Naruebodee Srisang và cộng sự đã cho thấy sấy tầng sôi gạo mầm ở bằng không

hưởng đáng kể đến hàm lượng GABA và kết cấu của gạo mầm khi nấu về độ cứng và độ dính, nhưng khi sấy tầng sôi bằng không khí nóng làm hạt gạo bị nứt, còn sấy bằng hơi quá nhiệt mặc dù không xuất hiện nứt nhưng các hạt gạo bị hồ hóa và dính vón cục dẫn đến tốc

Có một vấn đề xảy ra trong quá trình nảy mầm của gạo lức từ đó là sự ô nhiễm vi

hơi nước hoặc ethanol giải pháp để hạn chế sự tăng trưởng của vi sinh vật và sấy khô trước khi lưu trữ [22]

Tại Việt Nam, những nghiên cứu về gạo mầm còn rất ít Tác giả Nguyễn Thị Hiền

và các cộng sự đã nghiên cứu sản xuất bột dinh dưỡng từ gạo lứt nảy mầm dùng cho người già, người bệnh và trẻ em Các tác giả tiến hành thí nghiệm trên 6 giống thóc: CR203, tám thơm, C71, di hương, P6, nếp hoa vàng Nghiên cứu chỉ ra rằng thời gian ngâm hạt thích

già và trẻ em dưới 1 tuổi là công thức có tỷ lệ gạo lứt nảy mầm bổ sung là 60% lượng gạo

tẻ thêm vào (20% nếp, 10% đậu xanh, 10% gạo tám, 42% gạo lứt nảy mầm, 18% gạo xát) [31]

Công ty Cổ phần Bảo vệ thực vật An Giang là đơn vị đầu tiên nghiên cứu thành công và đưa vào sản xuất loại gạo mầm với thương hiệu VibiGABA Gạo VibiGABA có nguồn gốc từ giống lúa thơm hạt dài đặc chủng BN1, AGPPS 103, được trồng tại các vùng lúa nguyên liệu khép kín của Công ty Cổ phần Bảo vệ thực vật An Giang Sau khi xay xát, gạo lức được lên men trong điều kiện thích hợp để các enzyme trong hạt gạo được kích hoạt tạo nhiều chất dinh dưỡng mà đặc biệt trong số đó chính là hoạt chất GABA hàm

trình sản xuất gạo mầm (gạo GABA) từ gạo mầm Việt Nam cho thấy kết quả khả quan: Gạo mầm (gạo GABA) được sản xuất bằng cách sử dụng gạo mầm cho nảy mầm bằng cách ngâm và ủ gạo trong nước ở các điều kiện thích hợp Trong nghiên cứu này, gạo

được gạo có độ ẩm thích hợp cho quá trình bảo quản tiếp theo Hàm lượng gamma-amino

một nước có sản lượng gạo thứ 2 thế giới, nhằm khai thác hết tiềm năng của gạo, nâng cao giá trị của hạt gạo, phát triển kinh tế vì vậy gạo mầm là một sản phẩm cần được phát triển rộng rãi Tuy nhiên những nghiên cứu về gạo mầm ở Việt Nam còn rất ít nên chúng tôi cũng muốn góp sức vào sự phát triển của sản phẩm với nghiên cứu sản xuất gạo mầm từ gạo lứt đỏ ST bằng công nghệ sấy lạnh

1.6 Sấy lạnh và hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt

1.6.1 Sấy lạnh [47]

Trong phương pháp sấy lạnh, người tạo ra độ chênh lệch phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy bằng cách giảm phân áp suất trong tác nhân sấy nhờ giảm lượng chứa ẩm Ở phương pháp sấy lạnh, nhiệt độ bề mặt ngoài nhỏ hơn nhiệt độ bên trong vật, đồng thời do tiếp xúc với không khí có độ ẩm và phân áp suất hơi nước nhỏ nên lớp bề mặt cũng có phân áp suất hơi nước nhỏ hơn phía bên trong vật Nói cách khác, ở đây gradient nhiệt độ và gradient áp suất có cùng dấu nên gradient nhiệt độ không kìm hãm quá trình dịch chuyển ẩm như khi sấy nóng mà ngược lại, nó có tác dụng tăng cường quá trình dịch chuyển ẩm trong lòng vật ra ngoài để bay hơi làm khô vật Khi đó, ẩm trong vật liệu dịch chuyển ra bề mặt và từ bề mặt vào môi trường có thể lớn hơn hay nhỏ hơn nhiệt độ

Quá trình truyền nhiệt thực hiện được thông qua sự thay đổi pha làm việc của môi chất lạnh Môi chất lạnh trong giàn bay hơi hấp thụ nhiệt và bay hơi ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp Khi hơi môi chất lạnh ngưng tụ ở nhiệt cao, áp suất cao tại dàn ngưng tụ, nó thải nhiệt ở áp suất cao hơn Khi sử dụng trong quá trình sấy, hệ thống sấy sử dụng bơm nhiệt làm lạnh không khí của quá trình đến điểm bão hòa, và sau đó ngưng tụ nước (khử ẩm), do

đó làm tăng khả năng sấy của không khí Trong quá trình này chỉ tuần hoàn mức nhiệt thấp

(nhiệt hiện và nhiệt ẩn) từ không khí Dựa vào nhiệt độ sấy người ta chia làm 2 loại:

Hệ thống sấy lạnh có nhiệt độ t<0oC:

- Hệ thống sấy thăng hoa

- Hệ thống sấy chân không

Hệ thống sấy lạnh có nhiệt độ 0oC<t< tmt:

- Phương pháp sử dụng máy hút ẩm chuyên dụng kết hợp với máy lạnh

- Phương pháp dùng bơm nhiệt có nhiệt độ thấp

Vì các thí nghiệm trong đồ án sử dụng Thiết bị sấy nhiệt độ thấp, thuộc loại dùng bơm nhiệt của Phòng sinh học thực nghiệm, Viện nghiên cứu và nuôi trồng thủy sản II Nên chúng tôi chỉ trình bày cụ thể về hệ thống sấy lạnh có sử dụng bơm nhiệt

Hình 1.5 Thiết bị sấy nhiệt độ thấp 1.6.2 Hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt [47]

1.6.2.1.Giới thiệu

 Nguyên lý hoạt động

Hệ thống hoạt động theo sơ đồ nguyên lý ở hình 1.6

Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của máy sấy bơm nhiệt

7 Thiết bị bay hơi

8 Phòng sấy

1.6.2.2 Chất lượng sản phẩm sau khi sấy

Trong phương pháp sấy lạnh, thời gian thoát ẩm lâu hơn các phương pháp sấy thông thường hay sấy chân không, nhưng các chỉ tiêu khác như màu sắc, khả năng bảo toàn các chất dinh dưỡng và vitamin là cao hơn hẳn Chính vì thế phương pháp này không chỉ để hút ẩm và sấy các loại bột, kẹo thực phẩm không chịu được nhiệt độ cao cần giữ màu, mùi

mà còn có rất nhiều triển vọng để sấy các rau quả tươi với khả năng bảo toàn tốt hơn các

1.6.2.3 Ưu và nhược điểm của phương pháp sấy lạnh kiểu bơm nhiệt [47]

Ưu điểm:

như dược liệu, các sản phẩm từ rau quả hay thực phẩm chứa nhiều vitamin

dụng nhiệt cao

Nhược điểm:

tác nhân sấy không lớn

- Trong môi trường có bụi, cần dừng máy để vệ sinh chất hấp thụ, tuổi thọ thiết bị giảm

1.7 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm [30]

1.7.1 Giới thiệu về quy hoạch thực nghiệm

Trong những thập kỹ gần đây, quy hoạch thực nghiệm (QHTN) đã giúp các cán bộ cũng như sinh viên khoa học kỹ thuật ở nhiều lĩnh vực khác nhau: sinh học, khoa học, vật

lý ứng dụng, thực phẩm,…cách tìm những điều kiện tiến hành tối ưu hóa các quá trình

phức tạp hoặc lập mô hình toán học chọn các thành phần tối ưu cho hệ nhiều thành phần

Trước lúc tiến hành thí nghiệm người nghiên cứu cần xác định sơ bộ mô hình toán học của đối tượng được nghiên cứu, cần giải thích những yếu tố nào phải thay đổi trong

quá trình làm thí nghiệm, những yếu tố nào giữ ở mức cố định và mục tiêu cần đạt được tối

ưu

Thực nghiệm có thể thực hiện bằng hai cách: thực nghiệm theo phương pháp cổ

điển và phương pháp quy hoạch tối ưu

Phương pháp cổ điển thì quá trình phụ thuộc nhiều yếu tố độc lập do đó phải làm rất nhiều thí nghiệm, trở nên cồng kềnh và gặp khó khăn trong giải thích phương trình hồi quy Phương pháp quy hoạch tối ưu cho phép thay đổi đồng thời nhiều yếu tố, xác định

được tương tác giữa các yếu tố nhờ đó giảm bớt số thí nghiệm chung

Quá trình nghiên cứu nhờ QHTN là một quá trình lặp gồm các bước:

 Phỏng đoán

 QHTN

 Thực nghiệm

 Phân tích kết quả

Phương pháp quy hoạch thực nghiệm cho phép phát hiện những phương án tối ưu

để thực hiện quá trình nghiên cứu và rút ngắn giai đoạn chuyển nghiên cứu từ phòng thí nghiệm sang sản xuất

1.7.2 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm yếu tố toàn phần

Những thực nghiệm mà mỗi tổ hợp các mức của các yếu tố đều được thực hiện để nghiên cứu gọi là thực nghiệm yếu tố toàn phần(TYT) Chẳng hạn, ta có k yếu tố và mỗi yếu tố có n mức thì số thí nghiệm phải thực hiện là:

N= nk (1.1)

trị biên của mỗi yếu tố được khảo sát Nếu các điểm được chọn làm thí nghiệm có một tâm đối xứng ta có phương án có cấu trúc tâm ( hình chữ nhật, hình vuông, hình hộp đứng…)

Điểm có tọa độ (Z10,Z20, ,Z k0) được gọi là tâm phương án

k j Z Z

2

min max

Là khoảng biến thiên của yếu tố Zj tính từ mức cơ sở

chọn tâm của miền nghiên cứu làm gốc hệ trục tọa độ

k j Z

Z Z x

j

j j

1.7.3 Phương án cấu trúc có tâm

Miền lân cận điểm cực trị là miền dừng, là miền phi tuyến tính Ngày nay đa thức bậc hai được dùng rộng rãi nhất Giả sử xét ảnh hưởng của k yếu tố vào thông số tối ưu hóa

y, phương trình hồi quy (PTHQ) bậc hai có dạng:

i j

i j ji k

j j

b b

y

1

2 1

1 0

(1.5)

Số hệ số trong đa thức bậc hai được xác định theo công thức:

)2)(

1()!

2(2

!1

C k k

(1.6)

Để xác định các hệ số trong PTHQ số thí nghiệm N trong phương án thực nghiệm không nhỏ hơn hệ số cần xác định trong phương trình Vì vậy, để ước lượng tất cả các hệ

số của đa thức bậc hai, mỗi yếu tố trong phương án có số mức không nhỏ hơn ba Nhưng

Bảng 1.3: Xác định số thí nghiệm qua hệ số m

Số thí nghiệm giảm xuống một cách đáng kể nếu dùng những phương án cấu trúc có tâm do Box và Wilson đề ra Ta nhận được phương án cấu trúc có tâm bằng cách thêm một

đảm bảo nhận được những ước lượng không lẫn lộn giữa các hiệu ứng tuyến tính và hiệu ứng tương tác đôi

Theo phương pháp chung trong quy hoạch từng bước, nếu PTHQ tuyến tính không tương thích với thực nghiệm thì cần thiết:

- Bổ sung 2k điểm (*) nằm trên các trục tọa độ của khoảng không gian yếu tố các

cách từ tâm phương án đến các điểm sao (*), được gọi là cánh tay đòn sao

Ví dụ sơ đồ phương án cấu trúc có tâm cấp hai của hai yếu tố nhận được từ phương

và bốn điểm sao (*) 5, 6, 7, 8 với các tọa độ (+, 0); (-, 0); (0, +); (0, -)

Hình 1.7: Sơ đồ thí nghiệm phương án cấu trúc có tâm, hai yếu tố

Hình 1.8: Sơ đồ thí nghiệm phương án cấu trúc có tâm, ba yếu tố

Số thí nghiệm của phương án cấu trúc có tâm cấp hai k yếu tố được tính:

2

tối ưu, thường là phương án trực giao hay phương án quay

Bảng 1.4: Ma trận quy hoạch cấu trúc có tâm cấp hai, hai yếu tố

Nội dung phương

+

- +

-

+ +

+ + + +

+ + + +

+α -α

0

0

0

0 +α -α

x

N

i ji

1.7.4 Phương án trực giao cấp hai

Ưu điểm của phương pháp trực giao là khối lượng tính toán ít, do mọi hệ số hồi quy

được xác định độc lập với nhau (tích của hai cột bất kỳ trong ma trận quy hoạch triệt tiêu)

2 2 1

N

ji li i





Có thể trực giao hóa phương án cấu trúc có tâm Để thực hiện phương án trực giao

cấp hai cấu trúc tâm ta sẽ biến đổi các cột ma trận thay x j 2 bằng biến mới x j ’, được tính theo công thức:

N

x x

x x x

N

i ji j

j j j

2 2 '

x

(1.12) Trực giao hóa biểu thức (1.9) được thực hiện bằng cách chon cánh tay đòn sao α theo các biểu thức:

Với k < 5: 4 + 2k2 – 2k-1(k + 0.5n0) = 0 (1.13) Với k  5: 4 + 2k-12 – 2k-2(k + 0.5n0) = 0 (1.14)

x

y x b

;

1 2 1

) x (x

y ) x (x b

N

i i ' jj

) (x

y x

1 2 1 (1.15)

Và phương sai S2bjcủa các hệ số bj được tính:

2

) x (x

th b

) (x

s

s jj

1 2

2 2

Với y0 là các giá trị thí nghiệm ở tâm phương án và

0

0

0 1 0

n i i

y y

N

i x ji

1 2

Sau khi tính được các hệ số của phương trình hồi quy (PTHQ) cần tiến hành kiểm

định: ý nghĩa của các hệ số hồi quy và sự tương thích của PTHQ với thực nghiệm

 Kiểm định ý nghĩa của các hệ số hồi quy

Việc kiểm định ý nghĩa của các hệ số hồi quy được thực hiện theo tiêu chuẩn

Student:

Trong đó:

bj - hệ số thứ j trong phương trình hồi quy

sb: phương sai của hệ số thứ j

Nếu tj> tp(j) thì hệ số bj khác đáng kể với không, ảnh hưởng của yếu tố xj có ý nghĩa với

Nếu tj<tp(j) thì bj bị loại khỏi PTHQ(p - mức ý nghĩa, f – bậc tự do tái hiện)

 Kiểm định sự tương thích của phương trình hồi quy

Sự tương thích của PTHQ được kiểm định theo tiêu chuẩn Fisher:

2 2

y y s

N

I i i du

b t s



1.7.5 Thiết lặp bài toán từng mục tiêu và đa mục tiêu

 Thiết lập bài toán cho một mục tiêu

Hình 1.9: Bài toán từng mục tiêu

thành nên BTTƯ một mục tiêu, để đơn giản nhưng không làm mất tính tổng quát, ta xét các hàm mục tiêu trên là đi tìm cực đại nên bài toán có thể phát biểu như sau:

Hãy tìm Z = {Zi} = (x1opt, x2opt,…, xnopt) với i =1: n

yi = fi(Zi) = fi = (x1opt, x2opt,…, xnopt) = max fi(x1, x2,…,xn)

Z = (x1, x2, …, xn)  ΩZ; i = 1: n

Hình 1.10: Bài toán đa mục tiêu

Vì đối tượng công nghệ là chung do đó không thể khảo sát riêng rẽ từng mục tiêu

một mà phải khảo sát đồng thời, vì vậy đã xuất hiện BTTƯ đa mục tiêu

Bài toán đa mục tiêu được phát biểu như sau:

Hãy tìm Z = {Zi} = (x1jopt, x2jopt,…, xnjopt) để

yi = fi(Zi) = fi = (x1jopt, x2jopt,…, xnjopt) = min fi(x1, x2,…,xn)

x1

x2

x3

 Tối ưu hóa đa mục tiêu với chuẩn tối ưu tổ hợp S

Đối với phương pháp này, từ các hàm cho từng mục tiêu sẽ được đưa về tổ hợp hàm

S, khi nghiệm không tưởng của BTTƯ đa mục tiêu không tồn tại

Xét BTTƯ m mục tiêu, sau khi giải từng BTTƯ một mục tiêu sẽ xác định được các giá trị tối ưu f1min, f2min, …, fm min và khi nghiệm không tưởng (nghiệm chung cho cả hệ) không tồn tại sẽ xác định được nghiệm không tưởng fUT= (f1min, f2min, , fmmax) Một chuẩn

tối ưu tổ hợp S được định nghĩa theo biểu thức sau:

1 2 min 1 1

2

1 2

)

Chọn chuẩn tối ưu tổ hợp S(Z) làm hàm mục tiêu, BTTƯ m mục tiêu được phát biểu lại như sau:

cực tiểu:

2 1

1

2 min

Z S ZS

S

Với Z = {Zi} = (Z1, Z2, …, Zn)  ΩZ

BTTƯ đa mục tiêu đã đề xuất cho các bài toán công nghệ nhưng chưa chứng minh

được rằng nghiệm ZS là một nghiệm Pareto tối ưu Để chứng minh được điều này cần phải

áp dụng định lý sau:

Định lý: Nghiệm ZS của BTTƯ, nếu tồn tại thì nghiệm ZS chính là nghiệm Pareto

tối ưu của BTTƯ m mục tiêu

Chứng minh: Giả sử ZS không phải là nghiệm Pareto tối ưu Khi đó sẽ tìm được

quả fk(ZS*), trong đó 1 ≤ k ≤ m, sao cho fk(ZS*) < fk(ZS) Từ đó suy ra S(ZS*) < S(ZS) Điều này mâu thuẫn với giả thiết rằng ZS là nghiệm tối ưu Vậy không thể tồn tại bất cứ nghiệm nào khác trội hơn ZS, do đó ZS phải là một nghiệm Pareto tối ưu

CHƯƠNG 2: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG

PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng, hóa chất, thiết bị, dụng cụ và địa điểm tiến hành thí nghiệm

2.1.1 Đối tượng:

Nguyên liệu gạo lứt được lựa chọn với chất lượng tốt, kích thước hạt đồng đều , tỷ lệ

hạt tấm thấp, không bị sâu mọt và không lẫn tạp chất…

Gạo lứt đỏ ST được cung cấp bởi đại lí gạo Tín Dũng, 125 Bùi Đình Tuý, 24, Bình Thạnh, TP Hồ Chí Minh

- Thiết bị sấy ở nhiệt độ thấp

- Máy sấy đối lưu

2.1.4 Địa điểm thực hiện:

Phòng sinh học thực nghiệm Viện nghiên cứu và nuôi trồng thủy sản II