Quá trình và thiết bị tiệt trùng sữa đậu nành năng suất 1000 lit sản phẩmh

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM - - ĐỒ ÁN KỸ THUẬT THỰC PHẨM Đề tài : Quá trình và thiết bị tiệt trùng sữa đậu nành năng suất 1000 lit sản phẩm/h GVHD : TS Trần Thị Thu Hằng Nhóm : 14D Lớp : K64CNTPD – Tiết 1-5 – Thứ 5, tuần 10, 11, 12 Hà Nội - 2021 1 DANH SÁCH THÀNH VIÊN TRONG NHÓM STT Họ và tên Mã SV Lớp 1 Vũ Phương Thảo 642900 K64CNTPD 2 Nguyễn Thị Thúy 642896 K64CNTPD 3 Trần Thị Thư 646099 K64CNTPD 4 Nguyễn Thị Úy Thương 646734 K64CNTPD 5 Trần Thị Thùy Trang 646189 K64CNTPD 6 Ngô Thị Hải Yến 646098 K64CNTPD 2 Đánh giá MỤC LỤC 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tìm hiểu về đậu nành và sản phẩm sữa đậu nành 1.1.1 Tìm hiểu về đậu nành Hình 1.1 Hạt đậu nành a Nguồn gốc • Đậu nành (hay còn gọi là đậu tương) có tên khoa học là Glycine Max Merrill thuộc họ Đậu (Fabaceae), là một loại ngũ cốc giàu chất dinh dưỡng như protein, lipid, glucid, vitamin và muối khoáng, có đặc tính sinh học cao do chứa hầu hết các acid amin không thay thế và có thể hỗ trợ khi thiếu thức ăn từ động vật Vì thế, đậu nành là nguồn thực phẩm rất quan trọng, đồng thời cũng là loại ngũ cốc quan trọng của ngành lương thực thực phẩm thế giới • Đậu nành có nguồn gốc tại Mãn Châu (Trung Quốc) khoảng 5000 năm trước đây, nhưng mãi về sau (khoảng 3000 năm trước) mới được ghi vào cổ thư là một nông phẩm chính của miền bắc Trung Quốc Từ đây, đậu nành được lan truyền khắp thế giới • Cây đậu nành là cây thực phẩm có hiệu quả kinh tế lại dễ trồng Sản phẩm từ cây đậu nành được sử dụng rất đa dạng như dùng trực tiếp hạt thô hoặc chế biến thành đậu phụ, ép thành dầu đậu nành, nước tương, làm bánh kẹo, sữa đậu nành, okara đáp ứng nhu cầu đạm trong khẩu phần ăn hàng ngày của người cũng như gia súc (Theo wikipedia) 4 b Đặc điểm • Hình dáng: + Quả đậu nành dài khoảng 5 – 6 cm, hơi cong hình lưỡi liềm, có lông mềm bao phủ bên ngoài, mỗi quả có từ 1 – 4 hạt, thường là 3 hạt + Hạt đậu hình cầu hoặc bầu dục Trọng lượng 1000 hạt từ 60 – 400g • Màu sắc hạt: Hạt có nhiều màu sắc khác nhau như vàng, đen nhạt, nâu, xanh lá, nhưng hạt màu vàng được sử dụng phổ biến hơn cả • Cấu tạo hạt: 3 phần là vỏ hạt, phôi, tử diệp + Vỏ: chiếm khoảng 8% khối lượng hạt, là lớp ngoài cùng, thường có màu vàng hay màu trắng Vỏ bảo vệ phôi mầm chống lại nấm và vi khuẩn + Phôi: chiếm 2% khối lượng hạt, là rễ nảy mầm - phần sinh trưởng của hạt khi hạt lên mầm + Tử điệp: gồm hai lá mầm tích trữ nguồn dinh dưỡng của hạt, chiếm phần lớn khối lượng hạt (khoảng 90%), chứa hầu hết chất đạm và chất béo của hạt (Mai Lê và các tác giả, 2013) c Thành phần hóa học trong hạt đậu nành Thành phần hóa học cơ bản của hạt đậu nành được thể hiện trong bảng sau: Các phần của hạt đậu Tỷ lệ % trọng lượng hạt Nguyên hạt 100 Nhân (Tử diệp) Vỏ hạt Phôi Thành phần, % trọng lượng khô Protein (%) Lipid (%) Cacbohydrate (%) 40 20 35 4,9 90 43 23 29 5 8 8,8 1 86 4,2 2 41 11 43 4,4 Bảng 1.1 Thành phần hóa học của hạt đậu nành • Nước: Trong đậu nành chứa khoảng 5% hàm lượng nước 5 Tro (%) • Protein: Đậu nành chứa từ 35 - 45% protein nên đậu nành còn gọi là thịt thực vật, có đủ 8 loại acide amine cần thiết mà cơ thể không tự tổng hợp được (aa không thay thế); casein đậu nành có nhiều thành phần như casein sữa bò và tốt hơn Các acid amin không thay thế Giá trị (%) Tryptophan 1.1 Leucine 8.4 Isoleucine 5.8 Valine 5.8 Threonine 4.8 Lysine 6.0 Methionine 1.4 Phenylalanine 3.8 Bảng 1.2 Hàm lượng acid amin không thay thế trong protein đậu nành • Lipid: Hàm lượng lipid trong đậu nành dao động từ 13,5 – 24 %, trung bình chiếm 18% trọng lượng chất khô Trong các chất béo, loại chất béo không no (tốt) chiếm tỷ lệ đến hơn 80%, ngoài ra còn có phospholipide, quan trọng là leucithin làm hạ cholesterol Lipid có nhiều nhất ở nhân hạt, có 2 thành phần lipid chính là glyceride và leucithin • Cacbohydrate: Hàm lượng Cacbohydrate trong đậu nành chiếm khoảng 34% khối lượng khô, trong đó hàm lượng tinh bột không đáng kể, chủ yếu là các loại đường tan (10%) và chất xơ không tan (20%) • Vitamin và chất khoáng: chất khoáng chiếm hàm lượng khá nhỏ trong hạt đậu nành, trong đó có là canxi, photpho, mangan, kẽm, sắt Đậu nành chứa nhiều loại vitamin khác nhau như A, B(1,2), E, K, nhưng hàm lượng thấp 1.1.2 Tìm hiểu về sữa đậu nành 6 Hình 1.3 Sữa đậu nành a.Khái niệm • Sữa đậu nành là sản phẩm thu được từ quá trình nấu dịch sữa đậu (tức dung dịch thu được khi tiến hành trích ly hạt đậu nành) Đây là dạng nhũ tương có giá trị dinh dưỡng tương tự sữa bò, có ưu điểm là tránh được những bệnh truyền nhiễm từ động vật lây sang Ngoài ra, do một số tính chất riêng, sữa đậu nành đặc biệt dùng rất tốt cho người già, người bệnh tiểu đường, táo bón và trẻ em mà cơ thể bị dị ứng với sữa động vật (sữa bò, sữa dê, ) • Sữa đậu nành là một nguồn dinh dưỡng giàu protein và vitamin nhóm B, trong sữa đậu nành có chứa chất isoflavones có tác dụng làm giảm LDL (cholesterol có hại) Tuy nhiên trong sữa đậu nành không có nhiều Calcium nên các nhà sản xuất thường bổ sung Calcium vào sản phẩm a Thành phần dinh dưỡng Tỉ lệ giữa đậu nành và nước trong quá trình sản xuất sữa đậu nành có thể thay đổi từ 1:5 đến 1:10, sự thay đổi này sẽ ảnh hưởng đến thành phần và chất lượng của sữa, điều đó được thể hiện trong bảng sau: Tỉ lệ Đậu : Nước 1:5 1:6 1:7 1:8 1:9 Tổng hàm lượng chất khô (%) 9.18 8.74 7.89 7.15 6.30 Protein (%) Chất béo (%) Carbohydrat e (%) Tro (%) 4.5 4.2 3.8 3.4 2.9 2.4 2.2 1.9 1.7 1.5 1.8 1.9 1.8 1.7 1.6 0.48 0.44 0.39 0.35 0.30 7 1 : 10 5.57 2.6 1.4 1.3 0.27 Bảng 1.3 Tỉ lệ giữa đậu nành và nước ảnh hưởng tới thành phần của sữa (không kèm Saccharose) (Theo tiêu chuẩn SDA (Seventh-day Adventist) của Mỹ về sữa đậu nành) c)Các thành phần có trong sữa đậu nành  Hạt đậu nành Đậu nành là nguyên liệu chính trong công nghệ sản xuất sữa đậu nành vì vậy nên chất lượng đậu nành hạt trước khi đưa vào sản xuất rất quan trọng Nó quyết định tỉ lệ thu hồi protein và chất lượng sản phẩm đặc biệt là giá trị cảm quan, do đó đậu nành phải được lựa chọn đúng tiêu chuẩn *Yêu cầu đối với nguyên liệu hạt đậu nành • • • • Chín thành thục về phương diện sinh lý, loại bỏ những hạt non, lép Hạt phải khô, sạch, không sâu, không mọt, không có mùi hôi thối Độ ẩm thấp (10 – 14 %) Vỏ hạt nguyên vẹn, nhẵn và có màu vàng sẫm tránh những hạt có vỏ màu xanh • Hạt nứt không quá 5% khối lượng, hỏng không quá 2% khối lượng, hạt xanh không quá 2%, tạp chất không quá 3% khối lượng  Nước Nước là thành phần cơ bản không thể thiếu trong sản xuất sữa đậu nành Nước chiếm 70 – 80 % trong sữa đậu nành thành phẩm Thành phần, các tính chất lý hóa, vi sinh của nước sẽ có ảnh hưởng trực tiếp đến kỹ thuật sản xuất và chất lượng sản phẩm Do đó, nước dùng trong sản xuất sữa đậu nành có yêu cầu nghiêm ngặt như sau: • Chỉ tiêu cảm quan: Nước sản xuất phải là nước sạch, trong suốt, không màu, không mùi, không có vị lạ • Chỉ tiêu hóa học: pH = 6 – 7 , là loại nước mềm, hàm lượng các muối và kim loại phải theo chỉ tiêu cho phép • Chỉ tiêu vi sinh: không có vi sinh vật gây bệnh, tổng số vi sinh vật hiếu khí dưới 100 con/ml, v.v  Đường -Trong sữa đậu nành lượng đường chiếm khoảng 3-10%, có thể sử dụng từ nhiều nguồn khác nhau, nhưng thông dụng nhất là đường Saccarose kết tinh (dạng đường 8 tinh luyện (RE) hay đường cát trắng (RS) trong đó đường cát trắng chia làm 3 hạng: thượng hạng, hạng 1, hạng 2) -Đường là thành phần chính trong nước giải khát và mức độ quan trọng chỉ đứng sau nước, nó ảnh hưởng lớn đến chất lượng nước giải khát nói chung và sữa đậu nành nói riêng -Đường được bổ sung vào sữa đậu nành ngoài mục đích cung cấp năng lượng còn có tác dụng điều vị và mùi thơm của sữa  Phụ gia • NaHCO3 -Là chất bột trắng có tính kiềm, tan trong nước -Được dùng để khử mùi, làm giảm mùi hăng của đậu và làm gia tăng khả năng trích ly protein -Hàm lượng NaHCO3 sử dụng trong thức uống được giới hạn bởi GMP • Kali sorbate C6H7KO2 -Là muối của kali với acid sorbic, có dạng bột hoặc dạng hạt màu trắng và tan nhiều trong nước, không độc với cơ thể con người, không gây mùi lạ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm -Có tác dụng ức chế mạnh nấm men và nấm mốc nhưng lại ít tác dụng đến vi khuẩn -Hàm lượng Kali sorbat cho phép sử dụng trong đồ uống là 1000ppm • Cacboxy Methyl Cellulose (CMC) -Dạng màu trắng, có tính hút ẩm, dễ phân tán trong nước và rượu -Chủ yếu được dùng để điều khiển độ nhớt của sản phẩm mà không tạo gel -Mức độ sử dụng của CMC là 0,05 - 0,5% trên toàn bộ sản phẩm • Chất nhũ hóa và chất ổn định -Chống lại sự thay đổi tính chất vật lí của sữa -Làm ổn định dung dịch -Bền hệ nhũ tương , tạo độ đồng nhất cho sản phẩm -Tránh sự tách pha, tách lớp, tạo màng xung quanh bề mặt hạt béo, hình thành những màng bảo vệ bao bọc các hạt của pha phân tán, làm cho chúng không thể kết hợp lại với nhau 9 -Không kết bông, lắng cặn, tạo gel -Thông thường sử dụng : + Chất nhũ hóa: ester của các acid béo (E471) + Chất ổn định: carrageenan (E407) 1.2 Tìm hiểu về quá trình tiệt trùng a Khái niệm • Quá trình tiệt trùng là quá trình xử lý nhằm tiêu diệt tất cả các loại vi sinh vật (vi khuẩn, nấm men, nấm mốc), kể cả dạng bào tử của chúng trong thực phẩm • Tiệt trùng thương phẩm hay tiệt trùng công nghiệp không nhất thiết phải tiệt trùng tuyệt đối, vẫn có thể còn sót lại một số tế bào sống • Thực phẩm sau tiệt trùng không được phép có mặt các vi sinh vật gây bệnh, sinh độc tố gây mất an toàn thực phẩm Có thể có một số lượng chấp nhận được các vi sinh vật gây hư hỏng (TS Trần Thị Thu Hằng) b Mục đích • Chế biến: Tiệt trùng được xem là một phương pháp chế biến nhiệt trong công nghiệp thực phẩm: làm chín sản phẩm • Bảo quản: Làm vô hoạt bất thuận nghịch enzyme và ức chế hệ vi sinh vật trong thực phẩm, nhờ đó sẽ kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm (TS Trần Thị Nhung,2015) c Phân loại • Tiệt trùng sau khi đã đóng bao bì (In-bottle sterilization): + Sau khi trải qua một loạt các công đoạn xử lý trước đó, sản phẩm được cho vào bao bì và mang đi tiệt trùng Quá trình này thường diễn ra ở 108 – 110oC trong 25 – 35 phút + Có hai dạng thiết bị thường được sử dụng: tiệt trùng gián đoạn và tiệt trùng liên tục • Tiệt trùng trước khi đóng bao bì: Tiệt trùng UHT ( hay còn gọi là quá trình vô trùng) Có 2 loại hệ thống UHT thường thấy trên thị trường: + Hệ thống trực tiếp: Hệ thống phun hơi, hệ thống truyền hơi + Hệ thống gián tiếp: Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm (bản), thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống, … 10 Q4= 1052,73 × 3,89 × (137 – 20) = 2160 × 4,195 × (Tnước – 10)  T nước = 62,880C Vậy nước sau khi làm mát cho sữa có nhiệt độ là 62,880C - Nhiệt lượng sữa tỏa ra trong quá trình làm nguội: Q4 = m × Cp1 × ∆t Q4 = 1052,73 × 3,89 × (137 – 20) = 479129(kJ) 4.5 Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường - Trong quá trình truyền nhiệt sẽ không tránh khỏi các tổn thất nhiệt do thành thiết bị tiếp xúc với môi trường xung quanh - Giả sử tổn thất nhiệt ra môi trường là 5% vậy lượng nhiệt tổn thất qua từng giai đoạn là + Giai đoạn 1: Q= 5% × 142960,73= 7148,04 (kJ) + Giai đoạn 2: Q= 5% × 255855,5 = 12792,78 (kJ) + Giai đoạn 4: Q = 5% × 479129 = 23956,45 (kJ)  Kết luận: Năng lượng cần cho quá trình tiệt trùng được thể hiện trong bảng sau: Quá trình Nâng nhiệt Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Giữ nhiệt Làm nguội Nhiệt lượng sữa thu vào (kJ) 142960,73 255855,5 X X Nhiệt lượng sữa tỏa ra (kJ) X X X 479129 Nhiệt lượng tổn 7148,04 12792,78 X 23956,45 thất (kJ) Bảng 4.2 Nhiệt lượng tính toán được cần cho quá trình tiệt trùng 30 CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN LỰA CHỌN THIẾT BỊ Thiết bị tiệt trùng UHT dạng tấm 5.1 Giới thiệu thiết bị - Thiết bị tiệt trùng UHT dạng tấm là phương pháp tiệt UHT được sử dụng sản suất sữa tiệt trùng, sữa dạng lỏng và nước trái cây - Sản phẩm được gia nhiệt trực tiếp với hơi nước vô trùng với nhiệt độ tiệt trùng là 137 oC trong thời gian 3 – 5s Do vậy vẫn giữ được chất dinh dưỡng, màu sắc, hương vị của sản phẩm ban đầu Hình 5.1 Thiết bị tiệt trùng UHT dạng tấm Cấu tạo: Hình 5.2 Cấu tạo thiết bị tiệt trùng dạng tấm 31 Gồm 1 loạt các bản mỏng có kích thước, cấu tạo giống nhau được gắn song song với nhau trên 1 khung đỡ - Các bản mỏng: là những tấm hình chữ nhật được làm từ thép không gỉ, có thể được dập các đường rãnh để tăng sự chuyển động hỗn loạn của các lưu thể -Mỗi tấm bảng sẽ có 4 lỗ tại 4 góc và hệ thống các đường rãnh trên khắp bề mặt để tạo sự chảy rối và tăng diện tích truyền nhiệt - Các miếng đệm bằng cao su gắn các mép của các bản để tránh hiện tượng trộn lẫn giữa thực phẩm và chất tải nhiệt; giúp định hướng dòng chất tải nhiệt hoặc dòng thực phẩm đi vào đúng các lỗ trống để tạo thành dòng chảy Hình 5.3 Cấu tạo các bản mỏng của thiết bị trao đổi nhiệt loại bản mỏng Ưu- nhược điểm: •Ưu điểm: -Hệ thống điều khiển tự động, năng suất lớn -Hiệu suất truyền nhiệt cao do diện tích trao đổi nhiệt lớn, tiết kiệm năng lượng bằng cách tái sử dụng nhiệt -Phụ tùng thay thế đơn giản, có thể tháo lắp vệ sinh và bảo trì dễ dàng -Sản phẩm đạt được chất lượng cao: Tiêu diệt được vi sinh vật bằng cách gia nhiệt và làm lạnh nhanh giúp bảo vệ những chỉ tiêu chất lượng và cảm quan của thực phẩm 32 -Kéo dài thời gian bảo quản: Tối thiểu là 6 tháng ở điều kiện thường •Nhược điểm: - Chỉ dung cho thực phẩm có độ nhớt thấp, thực phẩm lỏng -Thiết bị tiệt trùng: Phức tạp và đòi hỏi nhà máy phải duy trì bầu khí quyển vô trùng giữa khâu chế biến và đóng gói sản phẩm -Nhiệt độ tiệt trùng quá cao có thể làm cho lipid bị ôi hóa, protein bị biến tính gây đông tụ ở sữa làm giảm chỉ tiêu chất lượng sản phẩm Nguyên lí hoạt động: Hình 5.4 Nguyên lý hoạt động của thiết bị UHT dạng tấm -Sữa có nhiệt độ 40oC được bơm từ thùng tạm chứa vào thùng cân bằng và từ thùng này qua bơm => đưa vào ngăn hoàn nhiệt của thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm và được nâng nhiệt độ lên khoảng 75oC nhờ trao đổi nhiệt với nước nóng 95 oC => sữa lại được nâng nhiệt lên 137oC, giữ ở nhiệt độ này trong vài giây trong ống lưu nhiệt Sữa được làm lạnh bằng cách trao đổi nhiệt với nước lạnh xuống 20oC Cuối cùng, sữa được đưa đến bồn chờ rót vô trùng 5.2 Lựa chọn thiết bị Lựa chọn dòng sản phẩm GBE100 33 Type A B C GBE100 GBE200 GBE220 GBE240 74 86 86 86 204 226 323 457 40 43 43 43 D (mm) 170 183 279 414 E F N=number of plates 15 20 20 20 7.0+2.30xN 10.2+2.21xN 10.2+2.21xN 10.2+2.21xN Mass N=number of plates (kg) 0.42+0.05xN 0.23+0.05xN 0.26+0.08xN 0.31+0.12xN Max, water flow rate (m3 / h) 4 6 6 6 Bảng 5.1 Kích thước các loại bản mỏng -Nhiệt độ: 150oC -Áp suất: 16 bar -Vật liệu tấm bản mỏng: thép không gỉ AISI 316 / 1.4401 -Vật liệu hàn: đồng (Báo cáo môn thiết kế máy và nhà máy thực phẩm, 2010) 5.3 Tính số bản mỏng sử dụng Sử dụng thiết bị GBE100 Chiều rộng A =74 mm Chiều dài B = 204 mm Đường kính lỗ tròn E = 15 mm Diện tích 1 mặt của bản mỏng: 34 S1 = A × B – 4π × (E:2)2  S1 = 74 × 204 – 4×3,14 × (15 : 2)2 = 14389,5 (mm2 ) = 0,0143895 (m2) -Diện tích truyền nhiệt của 1 bản là: S = 2 × S1 = 2 × 0,0143895 = 0,028779(m2) -Nhiệt lượng của quá trình tiệt trùng + Quá trình nâng nhiệt (1) từ 40°C lên 75°C: Q1 = 142960,73 (kJ/h) = 39711,31(J/s) + Quá trình nâng nhiệt (2) từ 75°C lên 137°C : Q2 = 255855,5 (kJ/h) = 71070,97(J/s) + Quá trình hạ nhiệt (4) từ 137°C xuống 20°C : Q3 = 479129 (kJ/h) = 133091,39(J/s) Mà q = U×A×∆T , trong đó: + q là nhiệt lượng của quá trình(J/s) + U là hệ số truyền nhiệt (J/m2.soC) + A là diện tích truyền nhiệt (m2) +∆Tlm là biến thiên nhiệt độ (°C) (Trần Thị Thu Hằng, 2019) Lấy U = 4000, khi chất lỏng có độ nhớt thấp Diện tích trao đổi nhiệt A = (m2 ) Số tấm bản mỏng cần dùng N = A/S Trong đó: + N là số tấm bản mỏng +S là diện tích tham gia trao đổi nhiệt của 1 tấm 5.3.1 Giai đoạn nâng nhiệt từ 40 đến 75 oC Giai đoạn này được gia nhiệt bởi nước nóng 95 oC 95 20 35 36 ... q trình tiệt trùng 30 CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN LỰA CHỌN THIẾT BỊ Thiết bị tiệt trùng UHT dạng 5.1 Giới thiệu thiết bị - Thiết bị tiệt trùng UHT dạng phương pháp tiệt UHT sử dụng sản suất sữa tiệt trùng, ... Để sữa bảo quản sữa đậu nành, sữa trải qua trình tiệt trùng để tiêu diệt vi sinh vật Trong trình tiệt trùng xảy tổn thất ( khoảng 0,5%) Sữa trước tiệt trùng Sữa trước rót Tiệt trùng (m2) ( m1)... sắt Đậu nành chứa nhiều loại vitamin khác A, B(1,2), E, K, hàm lượng thấp 1.1.2 Tìm hiểu sữa đậu nành Hình 1.3 Sữa đậu nành a.Khái niệm • Sữa đậu nành sản phẩm thu từ trình nấu dịch sữa đậu