Báo cáo nghiên cứu nông nghiệp " Nghiên cứu sấy lúa tầng sôi bằng phương pháp bề mặt đáp ứng " pot

Nghiên cứu sấy lúa tầng sôi bằng phương pháp bề mặt đáp ứng TÓM TẮT Phương pháp bề mặt đáp ứng Response Surface Method được ứng dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ sấy tầng sôi nhi

Phần 5 Nghiên cứu sấy lúa tầng sôi bằng phương pháp bề mặt đáp

ứng

Phần 5 Nghiên cứu sấy lúa tầng sôi bằng phương pháp bề mặt

đáp ứng

TÓM TẮT

Phương pháp bề mặt đáp ứng (Response Surface Method) được ứng dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ sấy tầng sôi nhiệt độ cao đến chất lượng xay xát, độ cứng và mức độ hồ hóa của một số giống gạo Việt Nam Trên cơ sở đó tìm ra được các vùng điều kiện tối ưu của sấy tầng sôi nhiều giai đoạn cho tỉ lệ thu hồi gạo nguyên tốt nhất Chế độ sấy tối ưu OP1 xác định bằng phương pháp RSM cho giống IR50404 ở nhiệt độ sấy lượt 1 là 83oC trong 2,5 phút, lượt 2 là 57oC trong 4.9 phút, thời gian sấy khay 35oC là 4.4 giờ Điều kiện sấy tối ưu OP2 đối với giống lúa Jasmine nhiệt độ sấy lượt 1 là 87 oC trong 2,5 phút, lượt 2 là 57 oC trong 4.9 phút, thời gian sấy khay 35oC là 3.2 giờ Phần trăm hồ hóa (GI – Gelatinization Index %) dao động trong khoảng 0.4 – 1.7 %, độ cứng của gạo sấy tầng sôi nhiều giai đoạn khoảng 16 – 40

N Các vùng sấy tối ưu được so sánh với chế độ sấy 2 giai đoạn gồm sấy tầng sôi 80oC (2,5 phút) rồi sấy khay 35oC trong 8 giờ (C1) hay sấy khay 40oC trong 5,5 giờ (C2) Mẫu đối chứng là sấy khay 35oC trong 16 giờ (Ref) Kết quả cho thấy tỉ lệ thu hồi gạo nguyên không khác biệt giữa các nghiệm thức (P>0,05) Đánh giá cảm quan chất lượng cơm nấu từ gạo sấy tầng sôi cho thấy ở nhiệt độ sấy càng cao thì điểm cảm quan cơm càng giảm Điều này được giải thích là do hiện tượng hồ hóa riêng phần trong sấy tầng sôi ở nhiệt độ cao ảnh hưởng đến chất lượng nấu, đặc biệt là độ trắng cơm

GIỚI THIỆU

Sấy lúa đã được nghiên cứu nhiều ở Việt Nam từ thập niên 1980 Nhiều ứng dụng thành công

như máy sấy tĩnh, sấy rất rẻ (Phan Hiếu Hiền và ctv, 1996), một số đang giai đoạn thử nghiệm như sấy tầng sôi, sấy hai giai đoạn (Phan Hiếu Hiền và ctv, 1996; Trương Vĩnh và ctv,

1996) Các loại máy sấy tháp áp dụng không thành công do không sấy được lúa ướt và chi phí sấy cao

Sutherland và Ghaly (1990) thí nghiệm sấy tầng sôi dạng mẻ ở Úc cho thấy tỉ lệ gạo nguyên không thay đổi ở nhiệt độ 60-90 oC khi giảm ẩm độ từ 26 % xuống 18 % Máy sấy tầng sôi liên tục 1 tấn/giờ do Viện Kỹ thuật King Mongkut Thornburi (KMITT) Thái Lan phát triển

có kết quả đáng khích lệ giảm ẩm độ 25 % xuống 19 % Trong vòng 2 năm (1994-1996) Thái Lan đã thương mại hóa 60 máy năng suất 5-10 tấn/giờ (Soponronnarit, 1996) Các kinh nghiệm của Thái lan cho thấy để chất lượng gạo không bị ảnh hưởng, với năng suất nhỏ (< 2

tấn/giờ), nhiệt độ áp dụng 100-120 oC, với năng suất lớn (> 2 tấn/giờ), nhiệt độ áp dụng cao hơn 120-150 oC Kinh nghiệm cũng cho thấy để giảm ẩm độ từ cao xuống 18 %, máy nhỏ tiêu hao 1.64 MJ/kg nước bốc hơi và máy lớn là 2.5-4 MJ/kg nước bốc hơi Chi phí năng lượng sẽ rất cao (8.6 MJ/kg nước bốc hơi) khi sấy từ 18 % xuống 16.5 %

Công nghệ sấy 2 giai đoạn bắt đầu triển khai ở Việt Nam thông qua chương trình hợp tác nghiên cứu giữa Khoa Cơ Khí Công Nghệ ĐHNL TP HCM và Trung tâm Nghiên cứu Nông nghiệp Quốc tế của Úc (ACIAR) từ năm 1994 (dự án PN-9008) Giai đoạn 1 sấy hạt ẩm độ cao xuống 18-20 % bằng máy sấy tầng sôi và giai đoạn 2 sấy xuống 14 % bằng máy sấy bảo

quản nhiệt độ môi trường (Trương Vĩnh và ctv, 1997) Máy sấy tầng sôi 1 và 5 tấn/giờ đã

được triển khai cho giai đoạn 1 và máy sấy bảo quản 80 tấn/mẻ được triển khai giai đoạn 2 tại Nông trường Sông hậu (Cần Thơ) Kết quả cho chi phí sấy là 36 VND/kg lúa (USD 3.27/ton) cho máy sấy tầng sôi 5 tấn/giờ và 79 VND/kg lúa (USD 7.18/ton) cho cả hai giai đoạn Trong lúc đó máy sấy tĩnh chỉ là 39 VND/kg (USD 3.55/ton), máy sấy tháp là 2.5 – 5 lần cao hơn

máy sấy tĩnh, khoảng USD 8.86-17.7/ton (Phan Hiếu Hiền và ctv, 1996) Về năng suất, một

máy sấy tĩnh 8 tấn/mẻ 11 giờ tương đương 0.73 tấn/giờ, trong lúc đó hệ thống sấy 2 giai đoạn

là 0.63 tấn/giờ (Trương Vĩnh và ctv, 1997) Từ kinh nghiệm của dự án PN-9008 và Thái lan,

với lúa ẩm độ cao, chúng ta có những nhận xét sau:

- Sấy tầng sôi phù hợp để sấy giai đoạn 1, từ ẩm độ cao xuống 18 %

- Sấy bảo quản ở nhiệt độ 29-32 oC cho chất lượng gạo tốt nhưng kéo dài thời gian nên năng suất sấy giảm

- Sấy tháp chi phí sấy cao

- Sấy tĩnh ẩm độ chưa đều và còn mang tính thủ công trong các khâu xử lý lúa

Hiện tại, máy sấy tĩnh đang chiếm ưu thế nhất là phục vụ ở các địa bàn xa do công nghệ đơn giản và giá thành rẻ, chất lượng sấy chấp nhận Việc hoàn thiện công nghệ sấy tĩnh là điều nên tiến hành Đây là một trong những mục tiêu của chương trình CARD 026/VIE05

Tuy nhiên, ở những nơi tập trung lúa như nhà máy xay, kho bảo quản, công nghệ sấy năng suất cao và cơ giới hóa các khâu xử lý lúa cần được quan tâm ứng dụng Trong khuôn khổ chương trình CARD 026/VIE05, sấy tầng sôi được lựa chọn làm công đoạn sấy nhanh, có thể giải quyết 1 hoặc 2 giai đoạn trong qui trình sấy Giai đoạn 2 trước đây của máy sấy bảo quản

sử dụng nhiệt độ thấp (29-32 oC) nên thời gian kéo dài Với sản xuất 3 vụ lúa/năm như hiện nay ở ĐBSCL, việc bảo quản lâu chưa phải là nhu cầu trước mắt Do vậy, tăng năng suất sấy

ở giai đoạn 2 sẽ phù hợp hơn trong giai đoạn hiện nay

Trong các nghiên cứu của chương trình CARD 026/VIE05, chế độ sấy tầng sôi giai đoạn 1 để giảm ẩm độ lúa xuống 18% đã được xác định là tốt ở 80 oC trong 2.5 phút sau đó ủ 40 phút ở

75oC (Tuyền và ctv, 2007) Thông tin này sẽ được áp dụng trong nghiên cứu này

Mục đích của nghiên cứu này là ứng dụng phương pháp bề mặt đáp ứng nhằm xác định qui trình sấy nhiều giai đoạn tối ưu trên cơ sở có tỉ lệ gạo nguyên cao, gạo không bị hồ hóa

VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Máy sấy tầng sôi

Thí nghiệm sử dụng máy sấy tầng sôi dạng mẻ qui mô phòng thí nghiệm (HPFD150) do trường Đại học Nông Lâm Tp.HCM thiết kế và chế tạo Máy gồm có 3 phần chính: (i) buồng sấy hình trụ cao 40 cm có đường kính 15 cm; (ii) bộ phận cung cấp nhiệt có công suất 5kW;

và (iii) quạt ly tâm dẫn động bằng động cơ điện 0.75 kW Nhiệt độ đầu vào khoảng 20 – 100

oC được điều khiển bằng bộ điều nhiệt Hanyoung Electronics Inc., Model DX7, Seoul, Korea) Nhiệt độ đầu ra theo dõi bằng dây cảm biến nhiệt Daewon

Mẫu gạo

Hai giống lúa thu hoạch vào tháng 03 năm 2008 là IR50404 tại Kiên Giang và Jasmine tại Long An được sử dụng trong thí nghiệm này Lúa tươi ở đồng, sau khi làm sạch được chuyển về phòng thí nghiệm và trữ ở tủ mát 4-5 oC Trước khi sấy, lấy lúa từ tủ mát đem ngâm nước (thời gian 1giờ 30 phút) để ráo 30 phút đến độ ẩm khoảng 28%

Thí nghiệm 1 Qui trình sấy tầng sôi tìm giá trị trung tâm

Trong nghiên cứu này, để áp dụng phương pháp bề mặt đáp ứng cho qui trình sấy nhiều giai đoạn, cần phải xác định vài thông số trung tâm Các thông số lưa chọn là: 4 thông số trong các thông số sau: nhiệt độ sấy lượt 1, thời gian sấy lượt 1, nhiệt độ sấy lượt 2, thời gian sấy lượt 2, thời gian sấy ở 35 oC Thông số trung tâm sấy lượt 1 là nghiệm thức tốt trong nghiên

cứu của Tuyền và ctv (2007) là nhiệt độ sấy 80 oC trong 2.5 phút cho lượt 1 và ủ 40 phút tại nhiệt độ hạt Thí nghiệm phải tiến hành để xác định thông số trung tâm sấy lượt 2 (nhiệt độ, thời gian) và thông số trung tâm thời gian sấy 35oC

Cân 210 g lúa IR50404 (tương ứng về bề dày lớp lúa 2 cm trong máy sấy tầng sôi) đã hồi ẩm cho mỗi nghiệm thức sấy Ở lượt 1, sấy mẫu lúa bằng máy sấy tầng sôi ở 80 oC trong 2.5 phút Ngay sau sấy, mẫu lúa lập tức được đem đi ủ trong tủ ấm ở nhiệt độ hạt (73 oC) trong 40 phút Trong thí nghiệm này nhiệt độ hạt được đo ngay sau khi tháo liệu từ máy sấy tầng sôi bằng hộp đựng cách nhiệt tự chế Tủ ấm cần chỉnh sẵn nhiệt độ theo đúng nhiệt độ hạt khi ra khỏi máy sấy tầng sôi sau lượt 1 Kết thúc quá trình ủ, mẫu lúa được sấy lần 2 ở nhiệt độ và thời gian đã thiết kế trên Bảng 1 (45-75 oC, thời gian 2.5-3 phút), cụ thể thực hiện sấy tầng sôi các

mẫu ứng với các cặp nhiệt độ (oC) lần 1, 2 như sau : 75), 70), 65), 60), (80-55), (80-50), (80-45) Mỗi thí nghiệm sau khi sấy được đo ẩm độ hạt, để trong bình kín tránh hồi ẩm (24 h) rồi xay xát, xác định tỉ lệ hồ hóa và tỉ lệ thu hồi gạo nguyên Kết quả của thí nghiệm này được trình bày trong Bảng 2

Bảng 1 Thiết kế chi tiết các thí nghiệm sấy tìm thông số trung tâm cho lượt 1 và 2

80oC 2.5 40’ (1)

80oC 2.5 40’ (2)

80oC 2.5 40’ (3)

80oC 2.5 40’ (4)

75oC 3 (1)

75oC 2.5 (2)

70oC 3 (3)

70oC 2.5 (4)

80oC 2.5 40’ (5)

80oC 2.5 40’ (6)

80oC 2.5 40’ (7)

80oC 2.5 40’ (8)

65oC 3 (5)

65oC 2.5 (6)

60oC 3 (7)

60oC 2.5 (8)

80oC 2.5 40’ (9)

80oC 2.5 40’ (10)

80oC 2.5 40’ (11)

80oC 2.5 40’ (12)

55oC 3 (9)

55oC 2.5 (10)

50oC 3 (11)

50oC 2.5 (12)

80oC 2.5 40’ (13)

80oC 2.5 40’ (14)

45oC 3 (13)

45oC 2.5 (14)

Bảng 2 Độ ẩm sau khi sấy và tỉ lệ thu hồi gạo nguyên (giống gạo IR50404)

Thí nghiệm 2 Sấy tầng sôi lúa bằng phương pháp bề mặt đáp ứng

Chọn thông số nghiên cứu và giá trị trung tâm

Từ kết quả thí nghiệm 1 và kết quả nghiên cứu của Tuyền và ctv (2007), ta có giá trị trung tâm cho các thông số nghiên cứu và khoảng biến thiên chọn như sau (chọn 4 thông số T 1 , t 2,

T 2 và t 3):

Lượt 1: T 1= 80 oC 5± trong thời gian t 1 = 2.5 phút, ủ 40 phút tại nhiệt độ hạt

Lượt 2: T 2= 50 oC 5± trong thời gian t 2 = 3.5 ±1 phút

Thời gian sấy nhiệt độ thấp 35 oC: t 3 = 3 1± giờ

Các giá trị mã hoá:

X 1 = T 1 (T 1: nhiệt độ sấy lượt 1) (oC)

X 2 = T 2 (T 2: nhiệt độ sấy lượt 2) (oC)

X 3 = t 2 (t2: thời gian sấy lượt 2) (phút)

X 4 = t 3 (t3: thời gian nhiệt độ thấp) (giờ)

Trong đó X là biến mã hoá Ta có biến thực Z như sau:

5

80

1

1

−

= Z

5

50

2 2

−

= Z

1

5 3

3 3

−

= Z

1

3

4 4

−

= Z

Chọn theo mô hình DraperLin, 4 yếu tố kiểu trực giao, thiết kế từ chương trình Statgraphic ta

được 16 nghiệm thức, chọn thêm 4 nghiệm thức trung tâm để đủ bậc tự do cho hồi quy có

tương tác bậc 3 Thiết kế thí nghiệm dưới dạng mã hóa cho trên Bảng 3 và cho biến thực trên

Bảng 4

Bảng 3 Thiết kế thí nghiệm bề mặt đáp ứng

Biến mã hóa

Bảng 4 Giá trị biến thực trong thí nghiệm sấy tầng sôi bằng phương pháp bề mặt đáp ứng

Biến thực

Qui trình thực hiện

Lúa tươi đo độ ẩm, trong trường hợp để trong tủ mát thì ngâm nước (cho lúa trở về nhiệt độ môi trường) sau đó làm ráo 30 phút Cân khối lượng lúa 250 g cho mỗi nghiệm thức sấy Sấy lượt 1 (nhiệt độ sấy: theo các giá trị trong bảng thiết kế thí nghiệm là: 73, 75, 80, 85, 87 oC), thời gian sấy lượt 1: 2.5 phút, ủ trong tủ sấy trong thời gian 40 phút Sấy lượt 2 ở nhiệt độ và thời gian sấy đã thiết kế trên Bảng 4 Sấy nhiệt độ thấp 35 oC như trong thiết kế Bảng 4 Sau khi sấy xong đóng gói bảo quản trong 24 h sau đó đem đi xay xát

Thí nghiệm 3 So sánh các chế độ sấy tối ưu

Thí nghiệm bố trí kiểu khối ngẫu nhiên đầy đủ gồm 4 nghiệm thức OP1, OP2, C1 and C2 Các nghiệm thức OP1 và OP2 là nghiệm thức sấy tối ưu 3-giai đoạn từ thí nghiệm 2 cho lúa IR50404 và Jasmine Các nghiệm thức sấy 2 giai đoạn gồm sấy tầng sôi 80oC trong 2,5 phút sau đó sấy khay 35oC (C1) và 40oC (C2) Mẫu đối chứng (Ref) sấy khay ở 35oC Tất cả các mẫu được sấy cho đến ẩm độ 13,5-14% căn bản ướt 3 khối ứng với 3 đợt nguyên liệu của 3 ngày bảo quản Xác định tỉ lệ thu hồi gạo nguyên và đánh giá cảm quan cơm nấu từ gạo sấy tầng sôi ở các chế độ tối ưu khác nhau và mẫu đối chứng Đánh giá cảm quan được thực hiện theo phương pháp cho điểm trên thang điểm 5 gồm có 6 chỉ tiêu mùi, vị ngon, độ mềm, độ dính, độ trắng và độ bóng

Đo đạc các chỉ tiêu

Ẩm độ

Lúa được đo ẩm độ ban đầu (hoặc ẩm độ sau khi ngâm), ẩm độ sau khi sấy lượt 1, ẩm độ sau khi sấy lượt 2, ẩm độ sau khi sấy lượt 2 để nguội, ẩm độ sau khi sấy nhiệt độ thấp và ẩm độ sau một ngày bảo quản Ẩm độ được đo bằng máy Kett, mỗi lần đo đều được lặp lại ba lần sau dó xử lý trung bình tránh sai số Cách đo các chế độ trên máy: đối với lúa mới lấy từ máy sấy đo ở chế độ ‘paddy in dryer’, còn lúa sau khi đã để ngoài môi trường để nguội hoặc sau một ngày đo ở chế độ paddy thông thường Hai kết quả giữa ‘paddy’ và ‘paddy in dryer’ chênh lệch nhau khoảng 1.5- 2.0 đơn vị

Tỉ lệ thu hồi gạo nguyên

Cân chính xác 180 g lúa và đem xay, lấy 100 g trong số đó cho vào máy xát trắng trong 60 giây Gạo sau khi được xát trắng được phân loại bằng máy phân loại để tách gạo nguyên, cám

và tấm ra khỏi nhau Sau khi xay, các sản phẩm phụ như lúa sót, trấu được tách khỏi gạo lức

và tỉ lệ của chúng được tính và ghi nhận dựa trên tổng khối lượng lúa đưa vào Gạo nguyên là các hạt bảo đảm được ít nhất 75% chiều dài ban đầu sau khi xay xát

Độ cứng gạo

Độ cứng của gạo được đo bằng phép đo uốn 3 điểm (three-point bending test) Trong phép đo này, công cụ đo được phát kiến tại trường Đại học Queensland (Úc) gồm có một đĩa chứa mẫu với nhiều kích cỡ khác nhau Mỗi khoang chứa mẫu sâu 2.0 mm và dài 9.0 mm Đầu đo

là một mảnh thép không rỉ có kích thước dày*rộng*dài là 1*32*111 mm Điểm cuối của đầu

đo được mài cùn để giảm hiệu ứng cắt vốn dẫn đến sai số trong khi đo Đầu đo này được gắn

vào máy đo cấu trúc TA-XTplus (Micro Stable Systems Co., Anh quốc)

Phép đo được thực hiện ở chế độ nén Vận tốc trước đo, đo và sau đo lần lượt là 1 mm/s, 2 mm/s, và 10 mm/s Lực phá vỡ (N) là lực tối đa để làm gãy hạt tính trung bình trên 50 hạt gạo lức nguyên vẹn cho mỗi nghiệm thức Các giá trị này được truy xuất bằng phần mềm Texture Exponent (Micro Stable Systems Co., Anh quốc)

Phần trăm hồ hóa

Mức độ hồ hóa của gạo sấy tầng sôi được tiến hành theo phương pháp đo hồ hóa của Chiang

và Johnson (1976)

Xử lý số liệu

Xử lý ANOVA (phân tích phương sai) số liệu và thiết kế, xử lý số liệu bề mặt đáp ứng bằng phần mềm thống kê Statgraphics® 3.0 (StatPoint, Inc.)

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Thí nghiệm 1 Sấy tầng sôi tìm giá trị trung tâm

Kết quả ẩm độ và tỉ lệ thu hồi gạo nguyên cho giống IR50405 được trình bày trong Bảng 2 Dựa vào kết quả phân tích ANOVA cho thấy, nhiệt độ có ảnh hưởng đáng kể đến tỉ lệ thu hồi của gạo nguyên sau khi sấy tầng sôi mẫu lúa IR50404 ở độ tin cậy 95% Thời gian sấy ít có ảnh hưởng đến đến tỉ lệ thu hồi gạo nguyên đối với mẫu lúa sấy tầng sôi IR50404 ở độ tin cậy 95% Tỉ lệ gạo nguyên cao nhất ở vùng nhiệt độ 50 oC Giá trị này được chọn làm thông số trung tâm trong thí nghiệm bề mặt đáp ứng Thời gian thông gió (sấy 35 oC) các mẫu sau lượt

2 cho thấy tất cả các mẫu đều đạt dưới 14% ẩm độ sau 3 giờ

Thí nghiệm 2 Sấy tầng sôi bằng phương pháp bề mặt đáp ứng

Giống lúa IR50404

Bảng 5 liệt kê kết quả ẩm độ của 22 nghiệm thức thiết kế bằng phương pháp bề mặt đáp ứng trên giống lúa IR50404 Các kết quả đo đạc tỉ lệ thu hồi gạo nguyên, độ cứng, phần trăm hồ hóa được trình bày trong Bảng 6 Các kết quả cho thấy với tỉ lệ gạo nguyên cao thì độ cứng cũng tăng theo Độ ẩm không đạt (trên 14% cơ sở ướt) dẫn đến tỉ lệ gạo nguyên cũng như độ cứng giảm Kết quả phân tích hồi qui đa biến theo phương pháp loại dần các thành phần trong

mô hình đa thức bậc 3 của số liệu TLTH cho phương trình hồi qui có ý nghĩa và được biểu diễn dưới hàm sau:

TLTH (%) = 48.765 + 3.050X 1 + 2.017X 2 + 0.467X 3 + 11.879X 4 – 3.508X 1 2 – 6.345X 4 2 –