Nghiên cứu tối ưu hóa công nghệ sấy cá sặc bằng phương pháp sấy phối hợp bơm nhiệt và bức xạ hồng ngoại

Bài viết trình bày về điều kiện sấy bơm nhiệt kết hợp bức xạ hồng ngoại trên đối tượng cá sặc dựa theo mô hình thực nghiệm đa nhân tố bậc 1 của Box-Wilson. Kết quả cho thấy mô hình toán học Y= 7,11 - 0,05X1 -0,49X2 + 0,75X3- 0,7 X1X2 - 0,8 X1X3+ 0,07X2X3, thể hiện mối tương quan giữa thời gian sấy (Y) và các nhân tố tác động (nồng độ sorbitol (X1), nhiệt độ sấy (X2), và tốc độ gió (X3), trong đó vận tốc gió (X2) ảnh hưởng lên thời gian sấy mạnh hơn so với các yếu tố khác.

Chuyên san Phát triển Khoa học và Công nghệ số 7(1), 2021 NGHIÊN CỨU TỐI ƯU HĨA CƠNG NGHỆ SẤY CÁ SẶC BẰNG PHƯƠNG PHÁP SẤY PHỐI HỢP BƠM NHIỆT VÀ BỨC XẠ HỒNG NGOẠI Lê Thị Hồng Ánh 1, Dương Hồng Quân1, Nguyễn Thị Phượng1, Nguyễn Thị Thảo, Minh1, Đặng Xuân Cường2 , Hoàng Thái Hà1 Trường Đại học Cơng nghiệp Thực phẩm Thành phố Hồ Chí Minh, Số 140 Lê Trọng Tấn-Quận Tân Phú, TP.HCM Viện nghiên cứu Ứng dụng Cơng nghệ Nha Trang- Khánh Hịa TĨM TẮT Bài báo trình bày điều kiện sấy bơm nhiệt kết hợp xạ hồng ngoại đối tượng cá sặc dựa theo mơ hình thực nghiệm đa nhân tố bậc Box-Wilson Kết cho thấy mơ hình tốn học Y= 7,11 - 0,05X1 -0,49X2 + 0,75X3- 0,7 X1X2 - 0,8 X1X3+ 0,07X2X3, thể mối tương quan thời gian sấy (Y) nhân tố tác động (nồng độ sorbitol (X1), nhiệt độ sấy (X2), tốc độ gió (X3), vận tốc gió (X2) ảnh hưởng lên thời gian sấy mạnh so với yếu tố khác Điều kiện sấy tối ưu sorbitol 10,6%, nhiệt độ sấy 53oC, tốc độ gió 2,1m/s, thời gian sấy 7,57 Cá sặc khô điều kiện tối ưu đạt chất lượng cảm quan, vệ sinh an toàn thực phẩm độ an toàn cao so với phương pháp sấy khơng khí sấy mặt trời Kết sở khoa học cho việc hoàn thiện triển khai rộng rãi phương pháp sấy sản xuất Từ khóa: cá sặc, bơm nhiệt, xạ hồng ngoại, sấy, Box-Wilson STUDY ON THE DRYING CONDITION OPTIMIZATION OF THE HEATING PUMP AND THE INFRARED RADIATION FOR THE TRICHOGASTER PESTORALIS Le Thi Hong Anh , Duong Hong Quan1, Nguyen Thi Phuong1, Nguyen Thi Thao, Minh1, Dang Xuan Cuong2 , Hoang Thai Ha1 Ho Chi Minh City University of Food Industry Nha trang Institute of Technology Research & Application ABTRACT The paper focused on the drying condition of the infrared radiation combining the heat pump for the silver jewfish basing on the level multi-factor experimental planning model of Box-Wilson The results showed the mathematical model (Y= 7.11 – 0.05X1 0.49X2 + 0.75X3- 0.7 X1X2 – 0.8 X1X3+ 0.07X2X3) that expressed the relationship between the drying time (Y) and the impact factors (the sorbitol concentration (X1), the drying temperature (X2), and the wind speed (X3), in which the the wind speed (X3) affected the drying time stronger than other factors The optimization condition of drying was the sorbitol concentration of 10,6%, the drying temperature at 530C, the wind speed of 2.1m/s, and the drying time for 7.57 hours Dried silver jewfish at the optimum condition got the sensory quality, food hygiene, and safety higher than the air drying and sun drying methods The results are a scientific basis for completing the technology and widely deploying the drying method in production Keywords: Trichogaster pestoralis, heat pump, infrared radiation, drying, Box-Wilson thước lớn và có giá trị kinh tế cao Hệ thống phân loại cá sặc rằn: Bộ Perciformes ĐẶT VẤN ĐỀ Cá sặc rằn thuộc cá Vược Ở Nam có ba loài cá sặc (sặc rằn, sặc bướm và sặc điệp), cá sặc rằn là loài cá có kích 31 Chun san Phát triển Khoa học và Công nghệ số 7(1), 2021 nhiệt độ sấy thấp để hạn chế đến mức thấp giảm sút chất lượng sản phẩm nhiệt, phù hợp với vật liệu sấy có liên kết keo- mao dẫn thịt, cá nói chung cá sặc nói riêng [1], [2], [3], [4] Hơn cơng nghệ sấy cịn giúp hạn chế biến tính làm giảm đặc tính quan trọng ngun liệu sấy khả tái hydrat hóa sau sấy [5], [6], [7] Vì vậy, việc nghiên cứu xác định chế độ sấy tối ưu cho sản phẩm cá sặc phương pháp sấy phối hợp bơm nhiệt xạ hồng ngoại để hồn thiện cơng nghệ sấy nhằm triển khai ứng dụng rộng rãi sản xuất vấn đề cấp thiết Họ Belontiidae Giớng Trichogaster Lồi Trichogaster pectoralis Regan,1909 Trong khu vực Đông Nam châu Á, cá sặc rằn phân bố Thái Lan, Campuchia, miền Nam và có có sớ nước di nhập loài này nuôi và phát triển Malaysia, Indonesia, Banglades Cá sặc rằn là loài cá nước ngọt, phân bớ nhiều loại hình mặt nước sơng, hồ, kênh, rạch, mương vườn, ruộng lúa Ở nước ta, vùng miền Đông Nam Bộ và đồng sông Cửu Long là nơi có cá sặc rằn sớng chủ yếu vùng trũng, ngập nước quanh năm Chúng thích sớng vùng nước cạn có nguồn thức ăn tự nhiên phong phú Hiện sản phẩm cá sặc bảo quản tươi dạng đông lạnh, ướp muối chế biến dạng khơ, khới lượng cá sặc chế biến dạng khô tăng nhanh kéo dài thời gian bảo quản, dễ chế biến thành nhiều ăn ngon như: chiên thường, chiên giịn, chiên sớt, nướng,…trong cá sặc sấy khơ thành các ăn đặc sản như: cá sặc khơ chấm muối ớt, cá sặc khô nắng chiên tỏi ớt cá sặc khơ chiên giịn, Để làm khơ cá sặc, hiện người ta dùng phương pháp phơi nắng, dùng lị sấy thủ cơng với tác nhân sấy khói lị thiết bị sấy với tác nhân sấy khơng khí đớt nóng qua calorife kiểu khíkhói, Các phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, chi phí đầu tư thấp có nhược điểm phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, sản phẩm khô không đồng đều, tốn nhiều diện tích sân phơi, cơng lao động phụ khó áp dụng khí hóa, tự động hóa Một kỹ thuật sấy có nhiều ưu điểm sấy phối hợp bơm nhiệt xạ hồng ngoại Công nghệ giảm thời gian sấy, cho phép sấy VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Vật liệu nghiên cứu Vật liệu thí nghiệm Vật liệu nghiên cứu cá sặc tươi dùng nghiên cứu có khới lượng từ 100150 gram/con, thu mua từ huyện Cần Giờ - Tp.Hồ Chí Minh có độ ẩm ban đầu 78,68 % Cá sau thu mua ướp đá và bảo quản thùng xốp cách nhiệt và vận chủn đến phịng thí nghiệm Trường Đại học Cơng nghiệp Thực phẩm Tp.Hồ Chí Minh tiến hành rửa sạch nước ḿi có nồng độ 1% khoảng phút để loại bỏ tạp chất, sau ngâm dung dịch sorbitol có nồng độ từ 2-12% tùy theo thí nghiệm, thời gian 30 phút với mục đích để cá sặc khơ có khả tái hydrat hóa (khả hồn ngun) trở lại trạng thái gần giống ban đầu cá giữ màu tự nhiên, chần qua nước sôi 90oC thời gian 15 giây, vớt ra, để ráo Sau cá sặc đem sấy thiết bị sấy thí nghiệm kiểu bơm nhiệt phới hợp xạ hồng ngoại đến độ ẩm từ 24 ±0,3 32 Chuyên san Phát triển Khoa học và Công nghệ số 7(1), 2021 Thiết bị thí nghiệm Sử dụng thiết bị sấy thí nghiệm phới hợp bơm nhiệt và xạ hồng ngoại Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm Thành phớ Hồ Chí Minh chế tạo Sơ đồ ngun lý cấu tạo thiết bị sấy hình Nguyên lý làm việc thiết bị sấy sau: Khơng khí ẩm quạt hút từ buồng sấy làm lạnh tách ẩm qua giàn lạnh, sau gia nhiệt qua giàn nóng đến nhiệt độ định, thổi qua bề mặt nguyên liệu gia nhiệt đèn xạ hồng ngoại để nhận ẩm từ vật liệu sấy Khơng khí đưa trở giàn lạnh thành vịng tuần hồn Hình Thiết bị sấy lạnh kết hợp xạ hồng ngoại Ký hiệu: Vỏ tủ sấy; Giá đỡ nguyên liệu dạng lưới; Nguyên liệu sấy; Đèn xạ hồng ngoại; Bộ phận phân phối gió; Dàn lạnh; Dàn ngưng (dàn nóng); Máy nén lạnh; Van tiết lưu Từ hệ toạ độ Z1 , Z2 , Z3 chuyển sang hệ Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm toạ độ không thứ nguyên X1, X2, X3 Áp dụng phương pháp qui hoạch thực theo công thức sau: nghiệm để nghiên cứu ảnh hưởng đồng Z  Zi0 (2) Xi  i thời yếu tố vào: Nồng độ sorbitol Z1 Zi (%), nhiệt độ sấy: Z2 (0C), vận tốc gió Z3 Z  Zid (3) Zi  it (m/s) đến thời gian sấy Y(h) Ma trận thí nghiệm xây dựng theo Xi - giá trị mã hố yếu tớ thứ i ( i =  3) phương án qui hoạch thực nghiệm bậc Zit, Zio, Zid- giá trị thực yếu tớ thứ i Box-Wilson Sớ lượng thí nghiệm mức trên, mức sở mức theo phương án này tính theo cơng ΔZi- khoảng biến thiên yếu tố thứ i thức [5]: Zit, Zio, Zid có giá trị mã hóa -1; 0; +1 N = 2m (1) Mức biến thiên, khoảng biến thiên và giá Trong đó: trị mã hoá của các yếu tớ lựa 2m- sớ thí nghiệm mức và chọn theo bảng m- số yếu tố ảnh hưởng; Với số yếu tố vào m = tổng sớ thí nghiệm N = 23=8 Bảng Mức biến thiên, khoảng biến thiên giá trị mã hoá yếu tố Zi Các mức Các yếu tố ảnh hưởng Z1 (%) Z2 (0C) Z3 (m/s) Nồng độ sorbitol Nhiệt độ Vận tốc gió Mức (+1) 12 60 Mức sở(0) 55 Mức dưới(-1) 50 Khoảng biến thiên ΔZi 5 33 Chuyên san Phát triển Khoa học và Công nghệ sớ 7(1), 2021 Mơ hình toán các hàm thời gian sấy Y biểu diễn phương trình hồi qui bậc [5]: m m 1 i 1 i 1 Y  b o   bi x i   - Thời gian sấy Y(h) là khoảng thời gian thực hiện mẻ sấy tính từ lúc bắt đầu sấy đến sản phẩm đạt độ khô theo yêu cầu công nghệ 24% và xác định đồng hồ đo thời gian thông dụng - Tỷ lệ tái hydrat hóa Hw (%): cân 20 gam (m1) cá sặc sấy khô cho vào vào 250ml nước cất Sau 15 phút vớt cá ra, để ráo nước phút cân khối lượng mẫu cá sặc ngâm nước (m2) Tỷ lệ tái hydrat hóa cá sặc tính theo cơng thức [1]: 𝑚 −𝑚 H𝑤 = (%) (7) m b xx ji 1 ij i j (4) Sau kiểm tra tính tương thích mơ hình, mơ hình bậc khơng thích ứng ta có thể chủn sang mơ hình bậc Phương pháp xác định thơng số cơng nghệ q trình sấy Các yếu tố ảnh hưởng (các yếu tố vào): - Nhiệt độ dịng khí sấy xác định thiết bị đo nhiệt độ điện tử hiện số mã hiệu SGK-MF-904 (Hồng Kơng), khoảng đo -40oC÷ 200oC, sai sớ ± 0,5oC - Vận tớc gió xác định thiết bị đo tớc độ gió Testo 405 - V1 (Đức) - Dung dịch sorbitol: tinh khiết hãng Merck (Đức) cung cấp - Độ ẩm vật liệu sấy xác định phương pháp sấy đến khối lượng không đổi 1050C Độ ẩm mẫu tính theo cơng thức [6]: (G +G ) X = x100% (5) 𝑚1 - Chất lượng cảm quan cá khô Q (điểm) đánh giá theo phương pháp cho điểm với thang điểm 20 mô phỏng theo TCVN 3215-79 - Phương pháp xác định vi sinh vật: Xác định tổng số vi sinh vật hiếu khí (Cfu/g) theo TCVN5367: 1991; Xác định E coli (Cfu/g) theo TCVN 7924-2008; Xác định Coliforms (Cfu/g) TCVN 4882:2007; Xác định Samonella (Cfu/g) TCVN 4829: 2005; Xác định V cholerae (Cfu/g)TCVN 79051:2008; xác định S aureus (Cfu/g) TCVN 4830-1: 2005 Phương pháp xử lý số liệu thí nghiệm Mỗi nghiệm thức lặp lại lần Phân tích thớng kê, ANOVA, hồi quy tới ưu hóa phần mềm Statgraphics centurion XVI, Excel KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Kết nghiên cứu thực nghiệm sấy cá sặc Tiến hành thí nghiệm sấy cá sặc theo phương án quy hoạch thực nghiệm bậc Box-Willson Ma trận kết thí nghiệm ghi bảng Giá trị thí nghiệm hàm thời gian sấy Y trung bình cộng lần thí nghiệm lặp lại (G1 −G) Trong đó: X- Độ ẩm vật liệu sấy (%) G1- Khối lượng cốc sấy mẫu thử trước sấy (g) G2- Khối lượng cốc thử mẫu thử sau sấy (g) G- Khối lượng cốc sấy (g) - Mức độ biến đổi độ ẩm q trình sấy tính theo cơng thức thực nghiệm [1]: 𝐺 (100−𝑊1 ) 𝑊2 = 100 − (%) (6) 𝐺2 Trong đó: G1, G2: Khới lượng ngun liệu trước sau sấy (g) W1, W2: Độ ẩm nguyên liệu trước sau sấy (%) Các tiêu kinh tế- kỹ thuật (các thông số ra) 34 Chuyên san Phát triển Khoa học và Công nghệ số 7(1), 2021 Bảng Ma trận và kết thí nghiệm theo mơ hình bậc Box-Wilson Số thí Z1 Z2 Z3 X1 X2 X3 X1X2 X1X3 X23 X123 Y nghiệm 50 + + + 7,60 12 50 + + + 9,50 60 + + + 6,40 12 60 + + + 8,00 50 + + 7,20 12 50 + + + 7,50 60 + + + 6,70 12 60 + + + + + + + 6,60 Từ kết bảng 2, sử dụng phần mềm Statgraphics centurion XVI, Excel để xác định hệ số hồi quy theo phương trình Phân tích thớng kê cho thấy sai chuẩn tất mẫu nhỏ 0,05% Kết chứng tỏ có phù hợp lý thuyết thực nghiệm, đồng thời đảm bảo độ tin cậy nghiên cứu thực nghiệm Bảng ANOVA mối tương quan chặt chẽ yếu tố tác động nghiên cứu lên hàm mục tiêu Y (R2 > 0,9) Sau tính tốn kiểm tra, đảm bảo tương thích mơ hình tốn với thực nghiệm, ta mơ hình tốn bậc là phương trình hồi quy dạng tuyến tính: Y= 7,11 - 0,05X1 -0,49X2 + 0,75X30,7 X1X2 - 0,8 X1X3+ 0,07X2X3 (7) Từ phương trình hồi quy (7) cho thấy, với các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy lựa chọn nghiên cứu này: Nồng độ sorbitol ngâm nguyên liệu X1 (%), nhiệt độ sấy X2 (0C) và vận tớc gió X3 (m/s) có ảnh hưởng lớn đến thời gian sấy và chất lượng cá sặc khơ Trong vận tớc gió có tác động mạnh đến thời gian sấy (b3=0,75), tiếp đến nồng độ sorbitol (b1= -0,05) sau là nhiệt độ sấy (b2 = -0,49) (p < 0,05) Như vậy, giới hạn miền nghiên cứu: vận tốc gió càng lớn và nồng độ sorbitol ngâm nguyên liệu sấy càng thấp thời gian sấy càng ngắn Giải phương trình hồi quy hàm thời gian sấy Y cách đạo hàm riêng đối với yếu tố Xi cho ta hệ phương trình tuyến tính Giải hệ phương trình này, giá trị tối ưu dạng mã yếu tố vào X1; X2, X3 sa X1  0, 72  X  0, 49 (8) X  0,1  Thay giá trị X1; X2, X3 từ công thức (8) vào công thức (7) xác định giá trị tối ưu hàm thời gian sấy Y=7,57 Chuyển sang giá trị thực yếu tố Xi theo công thức: Zi  Xi Zi  Zi0 (9) Thay giá trị X1; X2, X3 từ công thức (8) vào cơng thức (9), có giá trị tới ưu dạng thực yếu tố vào sau: Z1  0,72*5   10,6% (10) Z2  0,49*5  55  53 oC (11) Z3  0,1*1   2,1 m/s (12) Như vậy, chế độ tối ưu sấy cá sặc phương pháp sấy phối hợp bơm nhiệt xạ hồng ngoại là: nồng độ sorbitol 10,6%, nhiệt độ khơng khí buồng sấy 530C tớc độ gió ngang qua ngun liệu 2,1m/s Trên sở các thông số tối ưu tìm được, tiến hành thí nghiệm lặp lại chế độ tối ưu yếu tố vào: Nồng độ sorbitol Z1=10,6%, nhiệt độ dịng khí sấy Z1 = 53oC, tớc độ gió ngang qua ngun liệu là: Z3= 2,1m/s Ngoài việc kiểm định 35 Chuyên san Phát triển Khoa học và Công nghệ số 7(1), 2021 thời gian sấy, xác định điểm cảm quan chất lượng sản phẩm sấy Q (điểm), tỷ lệ tái hydrat hóa Hw (%) hoạt độ nước Mẫu sản phẩm sấy TN1 TN2 TN3 Kết thí nghiệm ghi bảng Bảng Kết thí nghiệm sấy chế độ tối ưu các yếu tố vào Nhiệt độ Tốc độ Tỷ lệ Hoạt độ Nồng độ Chất lượng dịng khí dịng khí Thời tái nước sorbitol cảm quan sấy Z2 sấy Z3 gian sấy hydrat Z1 (%) Q (điểm) ( C) (m/s τ(h) hóa Hw (%) 7,57 68,12 18,24 0,77 10,6 53 2,1 10,6 53 0,77 2,1 7,60 67,92 18,22 10,6 53 0,77 2,1 7,67 68,10 18,18 Giá trị trung bình 7,61 68,05 18,21 0,77 Qua số liệu bảng cho thấy, sai số xạ hồng ngoại, phân tích đánh giá trị tính toán theo phương trình hồi giá chất lượng theo tiêu: cảm quy thực nghiệm đối với hàm thời gian quan, vật lý, hóa học vi sinh Cùng thời sấy có thể chấp nhận Như vậy, các gian đó, tiến hành phân tích đánh giá kết nghiên cứu xác định thông số chất lượng sản phẩm cá sặc sấy tối ưu thời gian sấy cá sặc khô đảm bảo khơng khí nóng và phơi nắng với quy độ tin cậy Ngoài ra, chất lượng cảm quan trình xử lý cá sặc trước sấy tương tự đạt loại tốt (18,24 điểm), tỷ lệ tái hydrat sấy phới hợp bơm nhiệt xạ hóa 68,12% hoạt độ nước 0,77 đạt yêu hồng ngoại Kết phân tích đánh giá cầu cơng nghệ sớ tiêu chất lượng sản phẩm cá sặc khô sấy bơm nhiệt phới hợp xạ hồng Phân tích số tiêu chất lượng ngoại, sấy không khí nóng và phơi sản phẩm cá sặc khơ Cá sặc sau sấy phối hợp bơm nhiệt nắng ghi bảng Bảng Kết xác định số tiêu chất lượng sản phẩm cá sặc khô Chỉ tiêu Kết Chế độ sấy Đơn vị Sấy bơm nhiệt kết Sấy không Phơi nắng tính hợp BXHN khí nóng Nồng độ % 10,6% 10,6% 10,6% sorbitol o Nhiệt độ sấy C 53 55÷700C 33-360C Vận tớc gió m/s 2,1 1,2 m/s Đơ ẩm cá ban % 78,68 78,68 78,68 đầu Đô ẩm cá sau % 24 ± 0,3% 24 ± 0,3% 26 ± 0,3% sấy Chỉ tiêu cảm Đơn vị Sấy bơm nhiệt kết Sấy khơng Phơi nắng quan tính hợp BXHN khí nóng Màu sắc Màu xám thẫm, sau Màu xám thẫm, Màu xám ngâm nước có sau ngâm nước thẫm, sau màu xám giống cá có màu xám ngâm nước có tươi giống cá tươi 36 Chuyên san Phát triển Khoa học và Công nghệ số 7(1), 2021 Chỉ tiêu Chế độ sấy Đơn vị tính Sấy bơm nhiệt kết hợp BXHN Kết Sấy khơng khí nóng Phơi nắng Màu xám giống cá tươi Có mùi dịu đặc trưng cá, khơng có mùi vị lạ nào, sau ngâm nước giữ mùi đặc trưng cá Có vị đặc trưng cá sặc sấy khô Nguyên vẹn, độ khô cá khơng đồng Phơi nắng Có mùi dịu đặc trưng cá, khơng có mùi vị lạ nào, sau ngâm nước giữ mùi đặc trưng cá Có mùi dịu đặc trưng cá, khơng có mùi vị lạ nào, sau ngâm nước giữ mùi đặc trưng cá Vị Có vị đặc trưng cá sặc sấy khơ Có vị đặc trưng cá sặc sấy khô Trạng thái Nguyên vẹn, độ khô cá đồng Nguyên vẹn, độ khơ cá đồng Đơn vị tính % Sấy bơm nhiệt kết hợp BXHN 68,052,02 Sấy không khí nóng 62,222,10 % 0 h Đơn vị tính % % % 0,770,03 7,57 Sấy bơm nhiệt kết hợp BXHN 240,3 150,02 860,07 0,800,03 8,00 Sấy nóng 0,800,04 16 Phơi nắng 250,33 150,02 860,07 280,35 150,02 860,07 Cfu/g 2,0x102 2,6x102 3,2x102 Cfu/g Cfu/g Cfu/g Cfu/g Cfu/g