Nghiên cứu công nghệ sản xuất nước ép thanh long

Phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu trong nghiên cứu công nghệ sản xuất nước ép thanh long ruột đỏ .... Ngoài ra, loại quả này còn mang lại nhiều lợi ích cho sức khỏe bởi nó chứa hàm lượn

TỔNG QUAN

Tổng quan về nguyên liệu

2.1.1 Nguồn gốc thực vật và đặc điểm hình thái của thanh long ruột đỏ

Thanh long là một loài cây được trồng chủ yếu để lấy quả và cũng là tên của một vài chi của họ xương rồng thanh long là loài thực vật bản địa tại Mexico, các nước Trung Mỹ và Nam

Mỹ Hiện nay, các loài cây này được trồng nhiều tại các nước thuộc khu vực Đông Nam Á như Việt Nam, Malaysia, Thái Lan, Philippines, Indonesia, Trung Quốc,…Cây thanh long có tên khoa học là Hylocereus undatus thuộc họ xương rồng Hylocereus [38] Tại Việt Nam gọi là thanh long, tên tiếng Anh là Pitahaya hay còn gọi là Dragon fruit

Hiện nay, loài cây này cũng được trồng ở các nước trong khu vực Đông Nam Á như Việt Nam, Malaysia, Thái Lan, Philippines, Indonesia (đặc biệt là ở miền tây đảo Java); miền nam Trung Quốc, Đài Loan và một số khu vực khác Thanh long được trồng ở Việt Nam ít nhất là

100 năm sau khi được người Pháp mang tới Trái thanh long đã đưa đưa lên thành hàng hóa từ thập niên 1980 [44]

Hình 2 1 Cây và trái thanh long

Thanh long trồng ở nước ta có thân, cành trườn bò trên trụ đỡ, trong khi ở một số nước trồng loại thanh long thân cột Thân chứa nhiều nước nên nó có thể chịu hạn một thời gian dài Thân, cành thường có ba cánh dẹt, màu xanh lục nhạt, nhiều lá đài và cánh hoa dính vào nhau thành ống Có nhiều tiểu nhuỵ, bầu hạ cho quả thịt với lớp vỏ ngòai màu đỏ tươi Quả dài 18-

20cm, đưòng kính từ 12-15cm Sau lớp vỏ hơi dầy màu đỏ là phần thịt mầu trắng xanh (hoặc đỏ) với rất nhiều hạt màu đen nhỏ hơn hạt vừng

Các hạt thanh long như hạt vừng đen nằm lẫn lộn trong ruột Lớp cùi thịt trong ruột thường được ăn dưới dạng quả tươi, có mùi vị thơm dịu, ngọt vừa phải và ít cung cấp calo [6] Quả có thể chế biến thành nước quả hay rượu vang, hoa có thể ăn hay ngâm vào nước giống như chè Mặc dù các hạt bé tí xíu của chúng được ăn với thịt của ruột quả nhưng chúng không bị tiêu hoá

Hình 2 2 Thanh long được cắt đôi

Hoa thanh long là hoa lưỡng tính, rất to, có chiều dài trung bình 25 – 35cm , nhiều lá dài và cành hoa dính với nhau thành ống, nhiều tiểu nhị và nhụy cái dài 18 – 24cm, đường kính 5 –

8 mm, nhụy cái chia làm nhiều nhánh Hoa thường nở tập trung từ 20 – 23 giờ đêm và đồng loạt Từ nở đến tàn kéo dài độ 2 – 3 ngày Thời gian từ khi xuất hiện nụ tới hoa tàn độ 20 ngày Các đợt nụ đầu tiên rụng từ 30 – 40% , về sau tỉ lệ này giảm dần khi gặp điều kiện ngoại cảnh thuận lợi Thơi gian hoa thụ phấn đến khi thu hoạch 22 – 25 ngày [3]

Khác hẳn với chồi cành, rễ thanh long không mọng nước nên nó không phải nơi tích trữ nước giúp cây chịu hạn Cây thanh long có hai loại rễ: địa sinh và khí sinh Rễ địa sinh phát triển từ phần lồi của gốc hom Sau khi đặt hom từ 10-20 ngày thì từ gốc hom xuất hiện các rễ tơ màu trắng, số lượng rễ tăng dần và kích thước của chúng tăng dần theo tuổi cây, những rễ lớn đạt đường kính từ 1-2 cm Rễ địa sinh có nhiệm vụ bám vào đất và hút các chất dinh dưỡng nuôi cây Rễ phân bố chủ yếu ở tầng mặt đất (0-15cm) Rễ khí sinh mọc dọc theo thân cây phần trên không, bám vào cây để giúp cây leo lên giá đã Những rễ khí sinh nằm gần mặt đất sẽ di chuyển xuống đất [3]

Hiện nay, loài cây này cũng được trồng ở các nước trong khu vực Đông Nam Á như Việt Nam, Malaysia, Thái Lan, Philippines, Indonesia (đặc biệt là ở miền tây đảo Java); miền nam Trung Quốc, Đài Loan và một số khu vực khác Ở nước ta, thanh long được phân bố chủ yếu ở vùng Nam Bộ, đặc biệt ở các tỉnh Bình Thuận, Long An và Tiền Giang

Thanh long được phân loại theo các tiêu chí: xét theo màu sắc vỏ và ruột; xét về khu vực tròng trọt tại Việt Nam

2.1.3.1 Xét theo màu sắc vỏ và ruột

 Hylocereus undatus thuộc chi Hylocereus, ruột trắng với vỏ hồng hoặc đỏ

 Hylocereus costaricensis (đồng nghĩa: Hylocereus polyrhizus) thuộc chi Hylocereus, ruột đỏ với vỏ hồng hay đỏ

 Hylocereus megalanthus, trước đây được coi là thuộc chi Selenicereus, ruột trắng với vỏ vàng

 Hylocereus undatus costaricensis thuộc chi Hylocereus, ruột tím hồng với vỏ hồng hay đỏ

2.1.3.2 Xét theo khu vực trồng trọt tại Việt Nam

Giống cây được trồng chủ yếu ở Việt Nam là loại ruột trắng vỏ đỏ, nổi tiếng nhất là dòng thanh long Bình Thuận và Chợ Gạo (Tiền Giang) Năm 1994, Viện Nghiên cứu Cây Ăn Trái Miền Nam đã nhập từ Colombia giống thanh long ruột đỏ Ngoài ra, Viện còn còn du nhập 6 giống thanh long từ Đài Loan là A1, B1, VN, C1A15, C1A6, ruột đỏ và đã được trồng khảo sát tại vườn Viện Nghiên cứu Cây Ăn Trái Miền Nam [3]

Hình 2 4 Thanh long ruột trắng với vỏ hồng hoặc đỏ

Hình 2 5 Thanh long ruột đỏ với vỏ hồng hoặc đỏ

Hình 2 6 Thanh long ruột trắng vỏ vàng

Hình 2 7 Thanh long ruột tím vỏ đỏ

Thanh long Bình Thuận có cành phát triển mạnh, to và dài, trái dạng hơi tròn, khối lượng 300-500 g/trái, vỏ mỏng, vỏ có độ dày 2 - 2.5cm, gai nở to, vỏ có màu đẹp Tỷ lệ thịt trái chiếm

68 – 72% so với tổng khối lượng toàn trái Thịt chắc giòn, vị ngọt thanh, hạt nhỏ, khối lượng

1000 hạt là từ 1.1 – 1.2g, hàm lượng chất khí 13 – 14%, pH dịch ép 4.8 – 5.0 [3] Hiện nay thanh long Bình Thuận còn có vỏ xanh dành cho xuất khẩu

 Thanh long Chợ Gạo (Tiền Giang)

Thanh long Chợ Gạo mỏng, trái nặng 300 – 450g Người trồng thanh long ở Chợ Gạo ít dùng trụ san để đỡ, thay vào đó cho thanh long leo lên thân cây vông nhằm tạo ra sự khác biệt về hương vị

So sánh chất lượng giữa hai loại thanh long, về mặt cảm quan thanh long Bình Thuận đẹp hơn, vỏ dày hơn nên thời gian bảo quản và giữ màu sắc kéo dài hơn, thuận lợi trong vận chuyển

- 10 - tiêu thụ Về mặt chỉ tiêu hóa học, thanh long Bình Thuận có hàm lượng protein, vitamin C, Ca,

P, Mg, Na cao hơn thanh long Chợ Gạo nhưng hàm lượng glucose, fructose thấp hơn Cả hai dòng thanh long này đều trổ hoa theo mùa từ tháng 5 – 10 âm lịch, ra hoa cùng thời điểm với nhau và tỉ lệ đậu trái trên hoa nở là 100%

Cơ sở khoa học về công nghệ lạnh đông

2.2.1 Định nghĩa về quá trình lạnh đông thực phẩm

Lạnh đông là quá trình làm giảm nhiệt độ của thực phẩm dưới nhiệt độ của điểm đóng băng để nước bên trong thực phẩm chuyển pha từ thể lỏng sang thể rắn, làm mất môi trường sống của vi sinh vật, hầu hết các vi sinh vậy đều bị ức chế, ngưng các quá trình sinh hóa và trao đổi chất (nếu có), những phản ứng ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm sẽ bị đình chỉ hoặc diễn ra ở cường độ rất thấp [17] Khi đó, chất lượng của sản phẩm sẽ được giữ ổn định, kéo dài thời gian sử dụng để phục vụ cho thương mại, xuất khẩu và tiêu dùng [7]

2.2.2 Phân loại phương pháp lạnh đông

2.2.2.1 Lạnh đông rời Đây là quá trình lạnh đông mà trong đó các cá thể thực phẩm không có sự liên kết với nhau do hiện tượng liên kết của nước [8] So với phương pháp lạnh đông khối thì phương pháp lạnh đông rời tiết kiệm được nhiều chi phí sản xuất và đảm bảo yêu cầu làm đông nhanh, do giữ nguyên kích thước và hình dạng sản phẩm Vì vậy sẽ tiêu thụ và sử dụng thuận tiện, dễ dàng hơn so với sản phẩm lạnh đông khối Tuy nhiên do tác động của môi trường không khí nên phương pháp lạnh đông rời chỉ được áp dụng cho những trường hợp đặc biệt về bản chất hoặc

- 19 - cấu trúc chất lượng thực phẩm Những thực phẩm này phải có khả năng tự bảo vệ khi chịu ảnh hưởng của môi trường không khí trong quá trình làm đông và bảo quản, lạnh đông rời không cần châm nước, không có khuôn

Thực phâm lạnh đông rời được thực hiện chủ yếu trong môi trường không khí, một số trường hợp làm đông bằng tủ đông tiếp xúc, tủ đông băng chuyền Khi đó bề mặt thực phẩm được bao bọc bằng vật liệu cách ẩm để ngăn cách chúng không tiếp xúc trực tiếp và không liên kết với nhau Hiện nay, đông rời được thực hiện trên thiết bị băng chuyền IQF cấp đông nhanh hoặc thiết bị đông tầng sôi

2.2.2.2 Lạnh đông khối Đây là quá trình làm đông mà trong đó các cá thể thực phẩm liên kết với nhau nhờ sự liên kết của nước So với phương pháp lạnh đông rời thì chi phí sản xuất của lạnh đông khối lớn hơn nhiều, do phải làm đông, bảo quản và vận chuyển một lượng nước có thể chiếm tới 25% khối lượng của sản phẩm và khi kích thước của sản phẩm tăng thì thời gian lạnh đông kéo dài [9] Đồng thời việc tan giá phục hồi lại trạng thái như ban đầu của thực phẩm gặp khó khăn, thời gian tan giá kéo dài Tuy nhiên, lớp nước đá bao bọc trên bề mặt thực phẩm sẽ có tác dụng bảo vệ cho thực phẩm chống lại những tác động cơ học trong hộp xếp vận chuyển, đồng thời giữ cho nhiệt độ bên trong của sản phẩm được ổn định hơn, do đó phương pháp này được áp dụng để lạnh đông các loại thực phẩm có bản chất nguyên khối hoặc có yêu cầu công nghệ làm cho chúng đã bị mất lớp vỏ bảo vệ bên ngoài thực phẩm [11]

2.2.2.3 Quá trình lạnh đông chậm

Do sự giảm nhiệt độ diễn ra chậm, quá trình kết tinh nước đá có điều kiện để hút các phân tử nước xung quanh dẫn đến số lượng tinh thể ít, thể tích và kích thước tinh thể nước đá lớn

[60] Do đó, khi làm đông chậm nó tác động nhiều đến cấu trúc thực phẩm

2.2.2.4 Quá trình lạnh đông nhanh

Do sự trao đổi nhiệt lớn, nhiệt độ thực phẩm giảm nhanh, mức độ di chuyển của nước trong quá trình kết tinh ít, nên các tinh thể nước đá có kích thước nhỏ, số lượng tinh thể nhiều

Vì vậy, khi làm đông nhanh nó ít ảnh hưởng đến cấu trúc và chất lượng thực phẩm [61]

2.2.2.5 Quá trình lạnh đông cực nhanh (tức thời)

Chuyển nước về trạng rắn ở ngay vị trí tồn tại ban đầu của chúng, với nhiệt độ kết tinh thấp Các tinh thể nước đá có kích thước rất nhỏ, ở dạng sợi nhỏ, một số trường hợp các tinh thể nước đá ở dạng vô định hình.Như vậy, khi làm đông cực nhanh thì hầu như không ảnh hưởng cấu trúc và trạng thái chất lượng của thực phẩm [10]

2.2.3 Nguyên lý cơ bản của công nghệ lạnh đông

Nguyên lý cơ bản của công nghệ lạnh đông phụ thuộc vào sự kết tinh nước Sự kết tinh nước là hiện tượng cơ bản làm thay đổi các tính chất của thực phẩm; nước chuyển sang trạng thái rắn làm mất đi môi trường lỏng của sự hoạt động vi sinh vật và các enzyme trong thực phẩm

[11] Sự giảm mức năng lượng do kết tinh của nước rất lớn so với các quá trình giảm nhiệt độ, đây là những yếu tố chủ yếu dẫn đến sự tiêu diệt hoặc kìm chế hoạt động sống của vi sinh vật, hạn chế tác động của enzyme [12] Do đó, làm giảm đi rất nhiều những biến đổi hóa học của thực phẩm

Khi nước kết tinh sẽ dãn nở thể tích và làm rách vỡ các cấu trúc bên trong của thực phẩm dẫn đến làm thay đổi một số tính chất của thực phẩm [10] Quá trình kết tinh nước làm tăng tốc độ mất nước, đồng thời có thể gây biến tính một số chất dinh dưỡng có liên kết tốt với nước dẫn đến làm giảm mùi vị, khả năng hút nước và giữ nước của thực phẩm, ngoài ra còn có thể thay đổi màu sắc thực phẩm [64]

Quá trình kết tinh của nước là quá trình tạo ra các mầm tinh thể và tăng kích thước của chúng, quá trình làm giảm nhiệt độ tức là quá trình giảm mức năng lượng, đãn đến giảm sự chuyển động tự do về nhiệt của các phân tử chất lỏng, đến một mức độ nào đó lực liên kết giữa các phân tử có thể cố định chúng lại tại những vị trí xác điịnh tạo thành tinh thể nước đá [7] Ở trong nước thường có những phân tử chất rắn với kích thước nhỏ, ở nhiệt độ 0 0 C những phân tử chất rắn này sẽ ngừng chuyển động nhiệt, 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 0 C để tạo thành những mầm tinh thể Xu hướng chủ yếu là các mầm tinh thể hút các phân tử nước để tăng kích thước tinh thể và ít có xu hướng tăng thêm số lượng mầm tinh thể [13]

Trong cấu trúc thực phẩm, nước chịu nhiều tác động của các chất tan và chất không tan, ở những vị trí khác nhau thì trạng thái của chúng khác nhau Vì vậy, nhiệt độ kết tinh của nước trong các loại thực phẩm sẽ khác nhau

2.2.4 Các biến đổi xảy ra trong quá trình lạnh đông thực phẩm

Sự biến đổi về mặt hóa học chủ yếu là sự biến tính protein hòa tan trong nước và sự tạo thành axit lactic từ quá trình chuyển hóa glucose (glucogen), bình thường các chất protein hòa tan cùng chất béo, glucose và các loại muối tạo thành dung dịch Khi nước kết tinh chúng tách ra khỏi phân tử protein làm cho các phân tử protein bị biến đổi cấu trúc và làm giảm đi những trung tâm liên kết với nước trong cấu trúc phân tử của chúng [44] Do đó, khi phục hồi trạng

- 21 - thái ban đầu thì khả năng hút nước và giữ nước của thực phẩm giảm, các biến đổi này sẽ được hạn chế khi kích thước các tinh thể nước đá giảm

Công nghệ sản xuất nước ép thanh long

2.3.1 Tiêu chuẩn chất lượng của sản phẩm nước ép thanh long

Bảng 2 6 Chỉ tiêu cảm quản của sản phẩm [15]

Màu sắc Đặc trưng của nguyên liệu

Mùi vị Đặc trưng của nguyên liệu

Trạng thái Dạng lỏng đồng đều, có thể chứa các phần không đồng nhất đặc trưng của nguyên liệu

Bảng 2 7 Chỉ tiêu vi sinh của sản phẩm [15]

Chỉ tiêu Đơn vị Mức tối đa cho phép

Tổng số vi sinh vật hiếu khí CFU/g < 10 4

Tổng số bào tử nấm men – nấm mốc CFU/g 10 2

Bảng 2 8 Chỉ tiêu kim loại nặng của sản phẩm [15]

Chỉ tiêu Mức tối đa cho phép

2.3.2 Quy trình công nghệ và thuyết minh quy trình

Lạnh đông Tan giá Lọc Phối chế Đồng hóa

Chiết rót Bài khí Thanh trùng Bảo ôn

Bảng 2 9.Quy trình công nghệ sản xuất nước ép thanh long

- Nhằm phân loại được các nguyên liệu đồng đều về kích thước, hình dáng,màu sắc và độ chín để tối đa về mặt chât lượng cho nguyên liệu [16]

- Cách tiến hành: Thanh long khi được nhập về thì lựa chọn các trái tươi, không hư hỏng, có kích thước đồng đều nhau và phù hợp, loại bỏ các nguyên liệu chưa đạt như sâu bệnh, héo, quá mềm, bở, sâu bệnh sẽ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm

- Loại bỏ các tạp chất cơ học (bụi, đất…), nhựa của quá, các hóa chất (thuốc trừ sâu, thuốc bảo vệ thực vật, …) [16]

- Làm giảm hàm lượng vi sinh vật có trên bề mặt quả nguyên liệu

- Tạo điều kiên thuận lợi cho các quá trình công nghệ Khi lạnh đông và rã đông, kích thước nhỏ giúp thời gian cấp đông và thời gian rã đông càng ngắn; giúp tiết kiệm chi phí năng lượng và ngăn ngừa được phần nào sự ảnh hưởng của thời gian cấp đông và rã đông đến chất lượng sản phẩm [17]

- Thanh long sau khi được lựa chọn, phân loại, xử lý vỏ, cắt bỏ những phần bị dập, hỏng thì được cắt ngang làm đôi; sau đó cắt lát từng miếng mỏng có độ dày 0.5 cm để chuẩn bị cho công đoạn tiếp theo

- Tạo quá trình kết tinh nước đá có điều kiện để hút các phân tử nước xung quanh dẫn đến số lượng tinh thể ít, thể tích và kích thước tinh thể nước đá lớn trong nguyên liệu để hỗ trợ cho quá trình lấy dịch ép trong nguyên liệu [7]

- Sau khi tiến hành cắt lát thì cho nguyên liệu đã xử lý vào các túi zip lớn, được cấp đông và diễn ra quá trình lạnh đông chậm trong tủ lạnh đông

- Các tinh thể đá lớn được tạo thành trong quá trình lạnh đông sẽ xé nhỏ các cấu tử trong nguyên liệu giúp dịch ép thu được nhiều hơn và hiệu suất cao hơn [9]

- Nguyên liệu sau khi lạnh đông được lấy ra tan giá tại nhiệt độ phòng để thu được hỗn hợp bã và dịch ép, chuẩn bị cho quá trình lọc dịch ép

- Phân tách riêng hỗn hợp không đồng nhất qua lớp lọc (bã giữ lại bên trên và dịch lọc đi xuống dưới lớp lọc) [18]

- Giúp quá trình truyền nhiệt diễn ra tốt hơn, tăng giá trị cảm quan cho sản phẩm Cách tiến hành:

- Cho hỗn hợp sau khi tan giá được lọc qua lớp vải lọc nước ép nhiều lần

- Lọc bỏ hoàn toàn các lớp bã và lấy được phần dịch ép

- Chia nhỏ các cấu tử có kích thước lớn thành các hạt có kích thước nhỏ hơn và đồng đều trong dung dịch

- Quá trình giúp cho dung dịch đồng nhất, không có hiện tượng tách lớp, và quá trình thanh trùng diễn ra thuận lợi hơn Đồng thời giúp cải thiện giá trị cảm quan về màu sắc, mùi vị và trạng thái của sản phẩm [16]

- Sau quá trình lọc ta đem sản phẩm đi đồng hóa, sử dụng thiết bị đồng hóa dạng trục khuấy với tốc độ 7 rpm trong vòng 10 phút

- Giải áp suất bên trong chai khi thanh trùng, tránh hiện tượng chênh lệch áp suất quá lớn giữa trong và ngoài chai làm bật nắp [16]

- Hạn chế sự phát triển của vi sinh vật hiếu khí tồn tại trong chai sau khi thanh trùng

- Tạo độ chân không trong chai sau khi làm nguội, tránh hiện tượng hư hỏng chai khi bảo quản ở các điều kiện khác

- Sản phẩm nước ép sau khi được đồng hóa sẽ được chiết rót vào các chai thủy tinh, cần được rót cẩn thận và đúng định mức để tránh gây hao hụt sản phẩm

- Chai thủy tinh cần được xử lý trước khi tiến hành chiết rót sản phẩm

- Giảm áo suất bên trong chau khi thanh trùng để chai không bị nứt vỡ, biến dạng, bật nắp các mối hàn [17]

- Tạp cho chai an toàn với tác động môi trường xung quanh khi va đập cơ học

- Hạn chế sự phát triển vi sinh vật hiếu khí tồn tại sau khi thanh trùng

- Ngăn ngừa phản ứng oxy hóa của oxy trong không khí với thực phẩm bên trong chai

- Các chai chưa đậy nắp được bài khí trong nồi nước đã được đun sẵn ở nhiệt độ 75-

80 0 C trong vòng 5 phút Sau đó đậy nắp chai, ghép mí chai để chuẩn bị cho quá trình thanh trùng

- Tiêu diệt phần lớn các vi sinh vật gây bệnh trong thực phẩm và ức chế quá trình sinh tổng hợp của chúng

- Kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm

- Tăng hạn sử dụng cho sản phẩm

- Thanh trùng các sản phẩm ở nhiệt độ khảo sát trong 5 phút

- Loại bỏ được sản phẩm hư hỏng, phồng chai, bung nắp

- Loại bỏ được rủi ro sản phẩm không đạt chất lượng

- Các sản phẩm sau khi thanh trùng làm nguội, được chuyển đến kho lạnh chứa thành phẩm để bảo ôn Trong thời gian bảo ôn, các thành phần hóa học trong sản phẩmđược tiếp tục ổn định về mặt phẩm chất và có thể phát hiện được sản phẩm hư hỏng

2.3.3 Phân tích các yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến quá trình sản xuất nước ép thanh long

2.3.3.1 Các yếu tố công nghệ

Yếu tố công nghê Yếu tố phụ thuộc Yếu tố nguyên liệu

- Các thông số nhiệt vật lý của vật liệu: nhiệt dung riêng, khối lượng riêng, hệ số dẫn nhiệt, hệ số khuếch tán ẩm,…

- Nhiệt độ, nhiệt độ kết tinh

- Thành phần hóa học, các tính chất và đặc thù hóa lý, sinh hóa của nguyên liệu

Yếu tố thiết bị Sản phẩm

- Độ tổn thất hàm lượng vitamin C

Hình 2 16 Các yếu tố tác động đến quá trình sản xuất nước ép thanh long

Trên cơ sở phân tích công nghệ sản xuất nước ép thanh long cho thấy các yếu tố tác động đầu vào bao gồm yếu tố nguyên liệu, yếu tố thiết bị, yếu tố công nghệ và yếu tố phụ thuộc vào các yếu tố đầu ra là các hàm mục tiêu như chi phí năng lượng, hiệu suất dịch ép, độ tổn thất hàm lượng vitamin C và màu của sản phẩm Để đơn giản nhưng không làm mất tính khái quát khi xây dựng mối quan hệ giữa các yếu tố tác động đầu vào và đầu ra, ở nghiên cứu này chỉ tập Đối tượng công nghệ sản xuất nước ép thanh long

- 38 - trung xét đến các yếu tố thời gian lạnh đông, thời gian cấp đông và nhiệt độ thanh trùng sản phẩm

Thời gian lạnh đông: Đây là yếu tố công nghệ giúp thúc đẩy sự kết tinh các tinh thể đá trong nguyên liệu diễn ra nhiều và tốt hơn Ở thời gian cấp đông càng nhiều thì tinh thể đá tạo thành càng nhiều trong nguyên liệu tạo đông lực trong quá trình rã đông diên ra tốt hơn, thu được lượng dịch ép nhiều và nhanh hơn, giúp rút ngắn thời gian rã đông để tránh quá trình thất thoát hàm lượng vitamin C trong sản phẩm Tuy nhiên, nếu thời gian cấp đông quá dài sẽ gây tổn hao chi phí năng lượng Bên cạnh đó, thời gian cấp đông phải đảm bảo đủ và liên tục để toàn bộ vật liệu đều được lạnh đông và hình thành tinh thể đá trong nguyên liệu

Thời gian rã đông: Cùng với thời gian lạnh đông thì thời gian rã đông cũng là một yếu tố công nghệ tạo ra động lực cho quá trình thu dịch ép từ nguyên liệu, từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất dịch ép, chất lượng sản phẩm và chi phí năng lượng của sản phẩm tạo thành Khi thời gian rã đông lớn thì hiệu suất dịch ép thu được cao nhưng sẽ gây ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm đặc biệt là gây tổn thất hàm lượng vitamin C cho sản phẩm, thời gian kéo dài sẽ gây thiệt hại kinh tế cho doanh nghiệp

Nhiệt độ thanh trùng: Nhiệt độ thanh trùng cũng là một trong những yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến tiêu chí chất lượng sản phẩm Khi nhiệt độ thanh trùng cao sẽ tiêu diệt tốt các vi sinh vật và các chất gây ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, kéo dài thời gian sử dụng sản phẩm, bảo quản sản phẩm tốt hơn Tuy nhiên, nhiệt độ thanh trùng cao gây tổn thất các chất dinh dưỡng trong sản phẩm đặc biệt là hàm lượng vitamin C và gây hao tổn chi phí năng lượng

2.3.3.2 Hàm mục tiêu dùng để đánh giá chất lượng, hiệu quả kinh tế và thời gian bảo quản sản phẩm nước ép thanh long

Trong quá trình sản xuất nước ép thanh long, khi thời gian cấp đông càng ngắn và nhiệt độ thanh trùng càng thấp thì sẽ giúp giảm chi phí năng lượng từ đó hiệu quả kinh tế của doanh nghiệp sẽ tăng lên đáng kể Chi phí năng lượng giảm tới cực tiểu y1min và phải nằm trong giới hạn cho phép dưới C1, khi vượt quá ngưỡng C1 sẽ gây khó khăn cho việc tiêu thụ và sản xuất Trong đó: C1 là chi phí năng lượng tối đa có thể chấp nhận được cho 1 kg sản phẩm, được tính toán thông qua giá thành của 1 kg sản phẩm nước ép thanh long là F (đồng), định mức nguyên liệu cho 1 kg sản phẩm là N (kg), giá thành 1kWh điện F0 (đồng), giá thành ngyên liệu là F1 (đồng/kg), chi phí nhân công F2 (đồng/kg), lợi nhuận C0 (đồng/kg) Do vậy C1 được xác định qua công thức sau:

NGUYÊN LIỆU, DỤNG CỤ, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nguyên liệu nghiên cứu

Loại thanh long được sử dụng là loại thanh long ruột dỏ vỏ đỏ vì đây là một trong những giống thanh long được trồng phổ biến ở các tỉnh miền Tây Nam Bộ, có quá trình canh tác đơn giản, phù hợp với điều kiện khí hậu, thổ nhưỡng nên năng suất cao Ngoài ra, thanh long ruột đỏ vỏ đỏ thịt quả có màu sắc hấp dẫn, có nhiều Vitamin C, các nguyên tố khoáng như sắt, phospho, kali… có chứa phytoalbumin mà giá trị cao là tính chất chống oxy hóa Hàm lượng đường của thanh long ruột đỏ thấp hơn các loại quả nhiệt đới khác vì vậy rất phù hợp với những người mắc bệnh tiểu đường và huyết áp cao Ngoài ra, quả thanh long ruột đỏ còn có hàm lượng sorbitol cao, năng lượng thấp hơn các loại quả khác vì vậy rất tốt cho người lớn tuổi Phần thịt quả chiếm 70%, hạt 4%, vỏ 26% trọng lượng quả tươi Đặc biệt hàm lượng Vitamin C có trong thanh long ruột đỏ có nồng độ cao [39] Ngoài ra, thanh long ruột đỏ có độ ẩm cao (87.6g/100g quả tươi) nên rất thích hợp trong quá trình sản xuất nước ép và thu được hiệu suất dịch ép cao Giúp tăng cảm quan cho sản phẩm sẽ giúp sản phẩm được người tiêu dùng ưu chuộng hơn Nguyên liệu tươi được tuyển chọn theo các tiêu chí ở mục 2.1.9 , được cung cấp từ một nguồn cố định để đảm bảo đồng nhất về ngoại hình và chất lượng Yêu cầu thanh long không bị xây xát hay dập, vỏ không được bị đục ruồi

3.1.2 Phương pháp xử lý nguyên liệu

Nguyên liệu thanh long ruột đỏ sẽ được đem đi rửa bằng nước sạch để loại bỏ các tạp chất bám xung quanh nguyên liệu Sau đó, nguyên liệu được bóc vỏ, cắt đôi và cắt lát phần được cắt đôi theo chiều ngang của quả với độ dày mỗi lát là 1 cm Kế đến, các lát thanh long được bỏ vào túi zip và rải đều lên các khay inox hình chữ nhật Cuối cùng, bỏ các khay đã rải đều các lát thanh long vào ngăn đông của tủ đông

Hình 3 1.Nguyên liệu thanh long tươi sau khi xử lý và xếp khay

Dụng cụ và thiết bị nghiên cứu

Dụng cụ phục vụ cho nghiên cứu này sẽ bao gồm:

- Cân khối lượng (Precisa Thụy Sĩ – model LS2200), thang đo 0 ÷ 200g, sai số ± 0,1g

- Beaker, pipette, burette, ống bóp, ca đong,… và các hóa chất theo từng phương pháp đo

- Watt kế, nhiệt kế thủy tinh

- Bể điều nhiệt: WNB22 (22 lít, 50/60Hz, 500W), model SV1422 sản xuât tại Đức, được đặt tại Xưởng công nghệ 3 khoa CNHH và TP trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật

- Tủ lạnh đông thực phẩm: J.P Selecta, model Templow S, 220-240V, 50Hz, được đặt tại Xưởng công nghệ 3 khoa CNHH và TP trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật

Hình 3 3 Tủ lạnh đông thực phẩm

- Máy đồng hóa: IKA T18 digital package (rpm x 1000), model T18D sản xuất tại Đức, được đặt tại Xưởng công nghệ 1 khoa CNHH và TP trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật

- Thiết bị đo màu cầm tay Konica Minotla – CR 400

Hình 3 4 Máy đo màu cầm tay

Phương pháp nghiên cứu

3.3.1 Phương pháp phân tích và tiếp cận hệ thống

Phân tích đối tượng công nghệ lạnh đông chậm và thanh trùng

Yêu cầu thiết bị: cấu hình, công suất Yếu tố nguyên liệu: thành phần hóa học, các đặc tính hóa lý,…

Phân tích các yếu tố đầu vào:thời gian lạnh đông, thời gian rã đông, nhiệt độ thanh trùng

Phân tích các đại lượng đầu ra: chi phí năng lượng, hiệu suất dịch ép, độ tổn thất hàm lượng vitamin C, độ tổn thất màu

Công nghệ sản xuất nước ép thanh long ruột đỏ

Lạnh đông chậm thanh long ruột đỏ

Nghiên cứu chế độ công nghệ lạnh đông chậm và thanh trùng

Cài đặt và vận hành hệ lạnh đông Đánh giá chất lượng sản phẩm Kiểm tra kết quả

Sản phẩm và bảo quản Kết luận

Sai Đúng Đúng Đúng Đúng Đúng

Phát triển công nghệ sau thu hoạch

Hình 3 5 Sơ đồ nghiên cứu hệ thống sản xuất nước ép thanh long ruột đỏ

Phương pháp phân tích và tiếp cận hệ thống có vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu tìm ra công nghệ thích hợp để ứng dụng trong bảo quản sản phẩm Dựa trên cơ sở xem xét đối tượng công nghệ là một hệ thống, phương pháp này là một phương pháp luận dùng để nghiên cứu tác động lên đối tượng công nghệ cần xem xét với góc nhìn bao quát nhằm giải quyết các vấn đề đặt ra Hệ thống được phân hoạch hoặc tích hợp, thực thể nhận được từ sự phân hoạch hay tích hợp cũng được xem là một hệ thống [25], [26] Đối tượng công nghệ “nước ép thanh long ruột đỏ” cũng được xem là một hệ thống và việc nghiên cứu được thực hiện bằng các bước cụ thể, thiết thực nhằm giải quyết các vấn đề về công nghệ theo sơ đồ logic ở hình 3.2 Có thể thấy, đối tượng công nghệ này khá phức tạp khi bao gồm cả hệ thống thiết bị lạnh đông và quá trình kết tinh tinh thể đá trong quá trình lạnh đông Từ đó, tác động đến chi phí năng lượng, hiệu suất dịch ép, độ tổn thất hàm lượng vitamin

C, độ tổn thất màu của sản phẩm

3.3.2 Phương pháp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lạnh đông

Tiến hành xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lạnh đông chậm nguyên liệu thanh long ruột đỏ thông qua các thông số: nhiệt độ lạnh đông, thời gian lạnh đông và thời gian rã đông bằng các cảm biến được tích hợp trong hệ thống lạnh đông chậm

Các thông số được ghi nhận sẽ truyền tín hiệu và biểu thị trên màn hình điều khiển hệ thống lạnh đông

3.3.3 Phương pháp xác định thành phần hóa học của nguyên liệu ban đầu

Bảng 3 1 Các phương pháp xác định thành phần hóa học của nguyên liệu tươi

STT Chỉ tiêu xác định Đơn vị Phương pháp tham khảo

3.3.4 Phương pháp đánh giá chất lượng sản phẩm

3.3.4.1 Phương pháp đánh giá thành phần hóa học của sản phẩm

Bảng 3 2 Các phương pháp đánh giá thành phần hóa học của sản phẩm

STT Chỉ tiêu đánh giá Đơn vị Phương pháp tham khảo

3 Vitamin C mg/100ml Phương pháp chuẩn độ Iot

3.3.4.2 Phương pháp đánh giá chỉ tiêu vi sinh của sản phẩm

Vệ sinh an toàn thực phẩm là vấn đề rất quan trọng, luôn được các nhà sản xuất và người tiêu dùng cực kì quan tâm Vì vậy, bảng 3.2 dưới đây sẽ trình bày các chỉ tiêu vi sinh, độc tố vi nấm cần được phân tích trong sản phẩm nước ép thanh long ruột đỏ

Bảng 3 3 Các phương pháp đánh giá chỉ tiêu vi sinh

1 Tổng số vi sinh vật hiếu khí CFU/g TCVN 4884-1:2015 [27]

6 Tổng số bào tử nấm men – nấm mốc CFU/g TCVN 8275-2:2010 [32]

3.3.4.3 Phương pháp đánh giá hàm lượng kim loại nặng của sản phẩm

Bảng 3 4 Các phương pháp đánh giá chỉ tiêu kim loại nặng

1 Chì (Pb) mg/kg Ref AOAC 2015.01 [54]

2 Cadimi (Cd) mg/kg Ref AOAC 2015.01 [54]

3.3.5 Phương pháp xác định hàm mục tiêu của sản phẩm trong quá trình công nghệ 3.3.5.1 Xác định chi phí năng lượng Để xác định chi phí năng lượng cho quá trình lạnh đông, dùng thiết bị Watt kế Như vậy, chi phí năng lượng của mẫu lạnh đông chậm được xác định theo biểu thức sau: y 1 = P τ

G (kWh/ml) Trong đó: y1: chi phí năng lượng (kWh/ml)

G: thể tích sản phẩm sau khi lạnh đông chậm, rã đông và lọc (ml)

I: số chỉ Ampe kế (A) cosφ: hệ số công suất

P: số chỉ trên Watt (kW)

3.3.5.2 Xác định hiệu suất dịch ép

Xác định hiệu xuất dịch ép của quá trình sản xuất thông qua độ chênh lệch thể tích có trong khối lượng nguyên liệu ban đầu sử dụng so với thể tích sản phẩm thu được sau quá trình sản xuất

Ca đong 100 ml, 250 ml, 500 ml

Cân khối lượng (Precisa Thụy Sĩ – model LS2200), thang đo 0 ÷ 200g, sai số ± 0,1g

Cân khối lượng nguyên liệu ban đầu sử dụng Sau quá trình sản xuất thu được nước ép thanh long ruột đỏ và xác định thể tích sản phẩm thu được Số liệu thu được tính toán theo công thức để xác định đúng hiệu xuất dịch ép của quá trình sản xuất

Hiệu suất dịch ép của sản phẩm được xác định bằng công thức sau:

C2: hiệu suất dịch ép thu được (%) m: khôi lượng thịt quả ban đầu (g)

V: thể tích dịch ép thu được (g)

87,6%: độ ẩm có trong 100g thanh long ruột đỏ

3.3.5.3 Xác định độ tổn thất hàm lượng vitamin C

Vitamin C (acid ascorbic) là một hợp chất chưa no có chứa nhóm endiol Tất cả vitamin

C sẽ bị oxy hóa bởi iode theo phương trình phản ứng như sau:

IO 3 − + 5I − + 6H + → 3I2 + 3H2O Acid ascorbic + I2 → Acid dehydroascorbic + 6HI Phần iode còn dư sẽ phản ứng tạo màu xanh với dung dịch tinh bột, đây là dấu hiệu cho thấy dấu hiệu đã kết thúc [45]

 Dụng cụ và hóa chất:

Dung dịch hồ tinh bột 1%

Lấy 5 ml dung dịch mẫu cho vào bình định mức 100 ml, sau đó định mức đến vạch bằng dung dịch HCl 1% Sau 10 phút, tiến hành lắc đều dung dịch Tiếp theo, dùng pipette hút 10 ml dung dịch cần xác định cho vào erlen, thêm 2-3 giọt hồ tinh bột và tiến hành định phân bằng I2

/ KI 0,001N cho tới khi xuất hiện màu xanh

Thực hiện song song các mẫu kiểm chứng Thay 10 ml dung dịch acid ascorbic bằng 10 ml nước cất Lặp lại 3 lần để có kết quả chính xác hơn

Hàm lượng vitamin C được tính theo công thức:

X: hàm lượng vitamin C của dung dịch mẫu (mg) a: thể tích I2 / KI 0,001N định phân dịch chiết cần xác định vitamin C (ml) b: thể tích I2 / KI 0,001N định phân mẫu kiểm chứng (ml)

V: thể tích bình định mức (ml)

V1: thể tích mẫu thí nghiệm (ml)

0,088: sô mg vitamin C ứng với 1 ml dung dịch I2 / KI 0,001N

3.3.5.4 Xác định độ lệch màu của sản phẩm

Sử dụng máy đo màu cầm tay để đo không gian màu L*a*b* (CIELAB), là không gian màu được xác định bởi các ủy ban quốc tế về chiếu sáng (viết tắt là CIE) [48]

Thiết bị đo màu Konica Minotla – CR 400

CIELAB biểu thị màu sắc dưới các giá trị sau [48]

- L*: Biểu thị độ đậm nhạt (độ sáng) theo cảm nhận màu sắc

- a*: Biểu thị thang đo màu đỏ (+) và màu xanh lục (-)

- b*: Biểu thị thang đo màu vàng (+) và màu xanh lam (-)

- ∆L*: Biểu thị độ đậm nhạt của màu so với màu gốc ( L*mẫu cần so - L*mẫu gốc)

- ∆a* : Biểu thị độ sai lệch thang màu đỏ hoặc xanh lục của màu so với màu gốc ( a*mẫu cần so - a*mẫu gốc)

- ∆ b* : Biểu thị độ sai lệch thang màu xanh lam hoặc màu vàng của màu so với màu gốc ( b*mẫu cần so - b*mẫu gốc)

- ∆E*(y4) : Biểu thị mức độ sai lệch của màu được hiển thị so với màu gốc, ∆E* càng thấp thì độ lệch càng thấp nên màu càng chuẩn ( càng gần với màutiêu chuẩn), ∆E* càng cao thì độ lệch càng lớn ∆E* được tính theo công thức [49]:

- Trong đó, thang đo từ 0-100 của ∆E* :[65]

+ ∆E* < 1,5 : màu giữa các mẫu có sự khác biệt rất nhỏ, mắt thường không thể nhìn thấy + 1,5 < ∆E*< 3: màu giữa các mẫu có sự khác biệt tuy nhiên chỉ khi ∆E* > 2 thì mắt thường mới có thể nhân thấy sự khác biệt

+ ∆E* > 3: màu giữa các mẫu có sự khác biệt rất lớn và có thể phân loại về mặt phân tích

3.3.6 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm

Phương pháp này giúp giảm số thí nghiệm phải tiến hành, từ đó kết quả chính xác, nhanh chóng và chi phí thực hiện thấp hơn Từ sơ đồ hình 2.17, ta có:

Các yếu tố ảnh hưởng:

- Z2: thời gian rã đông (phút)

- y1: chi phí năng lượng (kW/h)

- y3: độ tổn thất hàm lượng vitamin C (%)

Tiến hành xây dựng mô hình toán thực nghiệm trực giao cấp 2 với k = 3 Các biến x1, x2, x3 là các mã hóa của Z1, Z2, Z3

 Mô hình toán thực nghiệm có dạng:

Y1 = f (x1, x2, x3 ) (3.1) Trong đó x1, x2, x3 là các mã biến hóa của các biến thực Z1, Z2, Z3 được tính [22]:

∆Z j , j = 1÷3 (3.1a) Với: Z j min ≤ Z j ≤ Z j max ; Z j 0 = Z j max + Z j min

 Số thí nghiệm được thiết kế theo phương án thực nghiệm [23], [24], [25]:

2 k : số thí nghiệm cơ sở ( điểm thí nghiệm ở mức ±1)

2k: số thí nghiệm ở điểm (*) (điểm thí nghiệm ở cánh tay đòn ±α n0 > 1: số thí nghiệm của phương án thực nghiệm ở tâm (0)

 Cánh tay đòn của điểm (*) [23], [24], [25] được xác định: α = √√N 2 k−2 − 2 k−1 = √√18 × 2 3−2 − 2 3−1 = 1.414 (3.3) y2 y4 y3 y1

HƯƠNG ĐỐI TƯỢNG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT NƯỚC ÉP THANH LONG RUỘT ĐỎ

Hình 3 7 Sơ đồ mối quan hệ giữa các yếu tố ảnh hưởng và các hàm mục tiêu [22]

 Điều kiện để ma trận trực giao [23], [24], [25]: λ = 1

Bảng 3 5 Các mức yếu tố ảnh hưởng

Các mức thực nghiệm Khoảng biến thiên ΔZ i

Cạnh dưới cánh tay đòn, -α (-1,414)

Cạnh trên cánh tay đòn, +α (+1,414)

Tiến hành thiết lập ma trận quy hoạch thực nghiệm phương án trực giao cấp 2, k = 3, n0 = 4

Bảng 3 6 Ma trận thực nghiệm trực giao cấp 2

Mỗi thí nghiệm xác định các giá trị của hàm mục tiêu được lặp lại 3 lần

 Phương trình hồi quy (PTHQ) cho 3 mục tiêu (m = 1 → 3) viết dưới dạng: ym = bm0 + ∑ k i=1 b mi x i + ∑ k i,j=1; i≠j b mij x i x j + ∑ k j=1 b mij (x j 2 − λ) (3.5)

 Xác định các hệ số của PTHQ ở (3.5) [23], [24], [25]:

Với: X, Y là các ma trận được xác định bằng thực nghiệm và ma trận B sẽ xác định dễ dàng theo (3.6)

 Tính phương sai tái hiện: s th 2 = ∑ (y u n0 0 u=1 −y ̅̅̅̅̅) u) 0 2 f 2 = ∑ (y u n0 0 u=1 −y ̅̅̅̅̅) u) 0 2 n 0 − 1 (3.7)

Với: 𝑦̅̅̅ = 𝑢 0 1 n 0 ∑ 𝑢=1 n 0 y u 0 : giá trị trung bình của y u 0 tại tâm (mức: 0)

 Xác định phương sai của các hệ số bj [23], [24], [25]: sbj = √ s th

 Xác định tiêu chuẩn Student [23]: t j = |b j | s bj (3.9)

Kiểm định tiêu chuẩn Student: nếu t j < t p (f 2 ) = t 0,05 (f 2 ) thì các hệ số b j bị loại khỏi phương trình hồi quy, ngược lại thi nhận [23], [24], [25] Với: f 2 = n 0 − 1: bậc tự do của số mẫu thí nghiệm ở tâm; n 0 : số thí nghiệm song song ở tâm; t p (f 2 ): thiêu chuẩn Student tra bảng với mức ý nghĩa p = 0,05

 Xác định sai dư [23]: s du 2 = ∑ N u=1 (𝑦 𝑢 −𝑦 ̂ 𝑢 ) 2 f 1 = ∑ N u=1 (𝑦 𝑢 −𝑦 ̂ 𝑢 ) 2

L: số hệ số bj có ý nghĩa trong phương trình hồi quy; f1 = N – L : bậc tự do

 Xác định tiêu chuẩn Fisher [23]: F = s du 2 s th 2 (3.11)

Kiểm định tiêu chuẩn Fisher: nếu F < F1-p(f1, f2) thì phương trình hồi quy tương thích với thực nghiệm, ngược lại thì không tương thích và phải chọn mô hình thực nghiệm khác, tiến hành qui hoạch thực nghiệm và xây dựng mô hình thực nghiệm lại từ đầu [23], [24], [25] Với: F1-p(f1, f2) = F0,95(f1, f2): tiêu chuẩn Fisher tra bảng ở bậc tự do f1 và f2, với mức ý nghĩa là p ≤ 0,05 (3.12)

3.3.7 Phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu trong nghiên cứu công nghệ sản xuất nước ép thanh long ruột đỏ

3.3.7.1 Bài toán tối ưu hóa một mục tiêu

Xét một đối tượng công nghệ sản xuất nước ép thanh long ruột đỏ các hàm mục tiêu cần quan tâm là yj = fj(Z) phụ thuộc vào các yếu tố công nghệ bao gồm thời gian lạnh đông (Z1), thời gian rã đông (Z2), nhiệt độ thanh trùng (Z3) Các yếu tố này tạo thành vector các yếu tố ảnh hưởng hay gọi là vector biến Z = {Z j } = (Z1, Z2, Z3) Các biến này biến thiên trong miền xác định Ω Z và các giá trị của hàm mục tiêu fj(Z) sẽ tạo thành miền giá trị Ω f [19]

Như vậy, bài toán tối ưu một mục tiêu có thể phát biểu như sau:

Hãy xác định nghiệm Zj = {Z i jopt } = (Z 1 jopt , Z 2 jopt , Z 3 jopt ) để [47]: yj = fj(Z i jopt ) = fj.(Z 1 jopt , Z 2 jopt , Z 3 jopt ) = Min (Max) {fj(Z1, Z2, Z3)} (3.13) Với: Zj = (Z 1 jopt , Z 2 jopt , Z 3 jopt ) ϵ Ω Z (3.14) j = 1÷ m, i = 1÷ n (3.15)

3.3.7.2 Bài toán tối ưu đa mục tiêu

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Xác định thành phần hóa học của nguyên liệu tươi

Xác định các thành phần dinh dưỡng có sẵn trong nguyên liệu thanh long ruột đỏ để phục vụ cho việc đánh giá chất lượng sản phẩm nước ép thanh long ruột đỏ sau khi sản xuất như độ tổn thất các loại vitamin hay độ tổn thất các hoạt chất sinh học Vì thế, cần tiến hành xác định các thành phần hóa học có trong thanh long ruột đỏ tươi Kết quả sau khi đo được trình bày ở bảng 3.1

Bảng 4 1 Thành phần hóa học của thanh long ruột đỏ tươi tính trên 100g phần ăn được

STT Thành phần Đơn vị Giá trị

Sau khi phân tích thành phần hóa học của nguyên liệu thanh long ruột đỏ cho thấy độ ẩm trong thanh long ruột đỏ chiếm hàm lượng khá cao (87,6%) Hàm lượng ẩm trong nguyên liệu tương thích với Bảng thành phần thực phẩm Việt Nam [33] Độ ẩm là một chỉ tiêu quan trọng tác động trực tiếp đến hiệu suất dịch ép của sản phẩm nước ép thanh long ruột đỏ Vì vậy, việc độ ẩm trong nguyên liệu cao sẽ giúp tăng hiệu suất dịch ép và năng suất của sản phẩm Những thành phần hóa học khác trong nguyên liệu thanh long ruột đỏ có sự chênh lệch nhưng không đáng kể so với những nghiên cứu trước [33], [40], [51] Thành phần hóa học của thanh long phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau nhưà giống thanh long ruột đỏ, độ chín, điều kiện khí hậu của khu vực canh tác và chất lượng đất canh tác từ đó dẫn đến sự khác biệt trong hàm lượng dinh dưỡng của thanh long ruột đỏ tươi

Vì thế để hạn chế những biến đổi về thành phần hóa học trong thanh long ruột đỏ thấp nhất, đảm bảo được tính đồng nhất của nguyên liệu,; phải cố định nguồn nguyên liệu từ một nguồn cố định

Xây dựng bảng yếu tố ảnh hưởng tới quá trình nghiên cứu sản xuất nước ép thanh long ruột đỏ

Thời gian lạnh đông sẽ ảnh hưởng đến kích thước và số lượng tinh thể đá được tạo thành trong nguyên liệu [52] Đây là yếu tố công nghệ quyết định đến hiệu suất dịch ép, chi phí năng lượng và chất lượng của sản phẩm Trong nghiên cứu này tiến hành khảo sát thời gian lạnh đông nguyên liệu từ 8-17h với hai thông số công nghệ được cố định là thời gian rã đông 90 phút và nhiệt độ thanh trùng 90 o C Sự biến thiên độ tổn thất hàm lượng vitamin C của nguyên liệu theo thời gian lạnh đông được trình bày ở hình 4.1

Hình 4 1 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi độ tổn thất hàm lượng vitamin C theo thời gian lạnh đông

Dựa vào bảng và đồ thị ta thấy được thời gian cấp đông ảnh hưởng nhiều tới độ tổn thất hàm lượng Vitamin C, thời gian cấp đông càng dài thì độ tổn thất hàm lượng Vitamin C trong nguyên liệu càng nhiều Nhưng thời gian cấp đông càng ít thì hiệu suất dịch ép thu được lại càng thấp do kích thước và số lượng tinh thể hình thành ít [10] Từ Hình 4.1 ta chọn thời gian cấp đông từ 8 giờ đến 15 giờ vì độ tổn thất hàm lượng Vitamin C chỉ được nằm trong khoảng dưới 10% [47]

6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Độ tổn thất hàm lượng vitamin C(%)

Thời gian lạnh đông (giờ)

Thời gian rã đông là yếu tố công nghệ quyết định đến việc các tinh theer đá xé nhỏ nguyên liệu để dịch ép được chảy ra ngoài và nhanh hơn Từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất dịch ép và chất lượng dinh dưỡng của sản phẩm Việc lựa chọn thời gian rã đông phù hợp sẽ giúp kiểm soát được hiệu suất idjch ép mong muốn, tránh gây thất thoát hàm lượng dinh dưỡng của sản phẩm Trong nghiên cứu này tiến hành khảo sát thời gian rã đông nguyên liệu từ 60 phút đến

120 phút với hai thông số công nghệ được cố định là thời gian lạnh đông 10 giờ và nhiệt độ thanh trùng 90 o C Sự biến thiên độ tổn thất hàm lượng vitamin C của nguyên liệu theo thời gian rã đông được trình bày ở hình 4.2

Hình 4 2 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi độ tổn thất hàm lượng vitamin C theo thời gian rã đông Dựa vào 4.2 sau khi khảo sát cố định thời gian lạnh đông 10 giờ và nhiệt độ thanh trùng

90 0 C, kết quả thu được thời gian rã đông càng lâu thì độ tổn thất hàm lượng vitamin C càng tăng

[1] Vì vậy lựa chọn khoảng thời gian rã đông từ 60-120 phút vì hàm lượng Vitamin C tổn thất không được vượt quá ngưỡng 10%[47]

50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100105110115120125130135140145150155160165170175180185190 Độ tổn thất hàm lượng vitamin C (%)

Nhiệt độ thanh trùng là một trong những yếu tố tác động trực tiếp đến chất lượng sản phẩm, hàm lượng dinh dưỡng của sản phẩm, đặc biệt là ảnh hưởng đến thời gian sử dụng sản phẩm Tiên hành khảo sát nhiệt độ thanh trùng từ 80 0 C đến 100 0 C, thời gian lạnh đông 10 giờ và thời gian rã đông 90 phút

Hình 4 3 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi độ tổn thất hàm lượng vitamin C theo nhiệt độ thanh trùng Dựa vào Hình 4.3 ta thấy nhiệt độ thanh trùng khác nhau thì độ tổn thất hàm lượng vitamin

C khác nhau Nhiệt độ càng lớn thì độ tổn thất hàm lượng vitamin C càng lớn và ngược lại Sau khi khảo sát ta lựa chọn khoảng nhiệt độ từ 80-94 o C vì hàm lượng Vitamin C tổn thất không được vượt quá 10% [47] Nhưng ở nhiệt độ 80-84 o C thì thời hạn sử dụng sản phẩm Khi ở nhiệt độ từ 86 o C trở lên thì thời gian sử dụng sản phẩm được tăng lên dài hơn, phù hợp với công nghệ sản xuất sản phẩm Vì vậy, ta lựa chọn khoảng nhiệt độ từ 86-94 o C để đáp ứng độ tổn thất hàm lượng vitamin C và thời gian sử dụng sản phẩm nước ép thanh long ruột đỏ

Từ kết quả khảo sát đã được trình bày ở trên, các thông số công nghệ tác động đến quá trình sản xuất nước ép thanh long bao gồm thời gian lạnh đông, thời gian rã đông và nhiệt độ thanh trùng sẽ được tóm tắt lại như sau:

78 80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 100 102 104 Độ tổn thất hàm lượng vitamin C(%

Nhiệt độ thanh trùng ( độ C)

Bảng 4 2 Bảng số liệu các mức yếu tố ảnh hưởng

Các mức thực nghiệm Khoảng biến thiên ΔZ i

Cạnh dưới cánh tay đòn, -α

Cạnh trên cánh tay đòn, +α

Xây dựng mối quan hệ giữa các yếu tố công nghệ đến hàm mục tiêu

Tiến hành thiết lập chế độ trong quá trình sản xuất nước ép thanh long ruột đỏ với các hàm mục tiêu y1: chi phí năng lượng (kWh/lít); y2: hiệu suất dịch ép (%); y3: độ tổn thất hàm lượng vitamin C (%), y4: màu của sản phẩm Các hàm mục tiêu này phụ thuốc chặt chẽ vào các yếu tố công nghệ Z1: thời gian lạnh đông (giờ); Z2: thời gian rã đông (phút); Z3: nhiệt độ thanh trùng ( 0 C)

Phân tích công nghệ đã cho thấy rằng với các hàm mục tiêu thành phần bao gồm: chi phí năng lượng cho 1 lít sản phẩm nước ép thanh long ruột đỏ là y1 (kWh/lít), hiệu suất dịch ép là y2 (%), độ tổn thất hàm lượng vitamin C là y3 (%) và màu của sản phẩm là y4; nó phụ thuộc vào các yếu tố công nghệ: thời gian lạnh đông (giờ), thời gian rã đông (phút), nhiệt độ thanh trùng y2 y4 y3 y1

HƯƠNG ĐỐI TƯỢNG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT NƯỚC ÉP THANH LONG RUỘT ĐỎ

Hình 4 4 Mô hình thực nghiệm

( 0 C) Các hàm mục tiêu được xây dựng bằng phương pháp thống kê thực nghiệm với phương án quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2 [19]

Trong đó: n0 = 4 ( bốn thí nghiệm tại tâm) và k = 3 (gồm 3 yếu tố hay 3 biến), các biến x1, x2, x3 là các biến mã hóa của Z1, Z2, Z3 Như vậy, phương án thực nghiệm theo qui hoạch trực giao cấp 2 như sau:

- Số thí nghiệm được xác định:

- Điều kiện để ma trận trực giao: λ = 1

18(2 3 + 2 × 1.414 2 ) = 0.667 Dựa vào kết quả xây dựng các mức yếu tố ảnh hưởng (Z1, Z2, Z3) hay (x1, x2, x3) ở bảng 4.2, tiến hành thực nghiệm sản xuất nước ép thanh long ruột đỏ theo mô tả bảng 3.5, ta thu được kết quả y1, y2, y3, y4 trình bày ở bảng 4.3

Bảng 4 3 Số liệu thực nghiệm xác định các hàm mục tiêu

Số thí nghiệm Biến thực Biến ảo Hàm mục tiêu

Xây dựng các hàm mục tiêu mô tả cho quá trình sản xuất nước ép thanh long ruột đỏ

Chi phí năng lượng là một tiêu chí quan trọng và ảnh hưởng trực tiếp đến giá thành sản phẩm cũng như hiệu quả kinh tế của doanh nghiệp Dựa vào kết quả thực nghiệm được trình bày ở bảng 4.4, tiến hành xử lý trên phần mềm Excel ( tính toán ở phụ lục 1.1), kết quả sau khi được tính toán đã xác định được các tham số của phương trình hồi quy

Bảng 4 4 Ma trận quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2 với hàm mục tiêu là chi phí năng lượng

Sử dụng phương pháp tính toán trong quy hoạch thực nghiệm, xác định được các hệ số của mô hình toán ở bảng 4.5

Bảng 4 5.Hệ số phương trình hồi quy bj và bjk với hàm mục tiêu là chi phí năng lượng b 0 b 1 b 2 b 3 b 12 b 13 b 23 b 11 b 22 b 33

Kiểm định bằng tiêu chuẩn Student:

Với f2 = no – 1 = 3 và p = 0,05 tra bảng Student sẽ tìm được tp(f2) = 3,182 Như vậy, tj>tp(f2) nên các hệ số b0, b1, b3, b33 tìm được đều có nghĩa

Sau khi loại bỏ cá hệ số không có nghĩa, ta nhận được phương trình hồi quy mô tả chi phí năng lượng của công nghệ sản xuất nước ép thanh long ruột đỏ có dạng:

3 ) (4.1) Điểm kiểm định sự tương thích của phương trình hồi quy với thực nghiệm, sử dụng tiêu chuẩn Fisher Với f1 = N - L = 18 – 4 = 14

Bảng 4 6 Giá trị phương sai và kiểm định Fisher với hàm mục tiêu chi phí năng lượng

Ta có: F0,95(9;3) > F nên phương trình hồi quy thực nghiệm tương thích với số liệu thực nghiệm

Nhận xét: Phương trình hồi quy cho thấy chi phí năng lượng của quá trình sản xuất nước ép thanh long ruột đỏ phụ thuộc vào ba yếu tố gồm thời gian lạnh đông, thời gian rã đông và nhiệt độ thanh trùng Điều này có nghĩa là cả ba yếu tố có sự tác động đồng đều đến chi phí năng lượng Mô hình toán (4.1) hoàn toàn tương thích với số liệu thực nghiệm Do đố, mô hình

- 66 - này có thể sử dụng để tính toán xác lập chế độ công nghệ sản xuất nước ép thanh long ruột đỏ, ứng dụng vào sản xuất

4.4.2 Xây dựng hàm mục tiêu hiệu suất dịch ép

Hiệu suất dịch ép là một tiêu chí quan trọng quyết định đến năng suất sản xuất sản phẩm nước ép thanh long ruột đỏ Việc này ảnh hưởng đến hoạt động sản xuất kinh doanh của doanh nghiệp Nếu hiệu suất dịch ép nhỏ khiến công suất bị lãng phí gây tốn kém, giảm khả năng huy động và sử dụng vốn Năng suất sản phẩm quyết định rất nhiều cho giá trị của sản phẩm đó, ảnh hưởng trực tiếp tới khả năng duy trì hoạt động và phương hướng phát triển của doanh nghiệp Dựa vào kết quả thực nghiệm được trinh bày ở Bảng 4.7, tiến hành xử lý trên phần mềm Excel ( tính toán ở phụ lục 1.2), kết quả sau khi tính toán đã xác định được các tham số của phương trình hồi quy

Bảng 4 7 Ma trận quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2 với hàm mục tiêu hiệu suất dịch ép

Bảng 4 8 Hệ số phương trình hồi quy bj và bjk với hàm mục tiêu hiệu suất dịch ép b 0 b 1 b 2 b 3 b 12 b 13 b 23 b 11 b 22 b 33

Với f2 = no – 1 = 3 và p = 0,05 tra bảng Student sẽ tìm được tp(f2) = 3,182 Như vậy, tj>tp(f2) nên các hệ số b0, b1, b2, b3, b22 tìm được đều có nghĩa

Sau khi loại bỏ cá hệ số không có nghĩa, ta nhận được phương trình hồi quy mô tả hiệu suất dịch ép của công nghệ sản xuất nước ép thanh long ruột đỏ có dạng:

Bảng 4 9 Giá trị phương sai và kiểm định Fisher với hàm mục tiêu hiệu suất dịch ép

Nhận xét: Phương trình hồi quy cho thấy hiệu suất dịch ép của quá trình sản xuất nước ép thanh long ruột đỏ phụ thuộc vào ba yếu tố gồm thời gian lạnh đông, thời gian rã đông và nhiệt độ thanh trùng Điều này có nghĩa là cả ba yếu tố có sự tác động đồng đều đến hiệu suất dịch ép Mô hình toán (4.2) hoàn toàn tương thích với số liệu thực nghiệm Do đó, mô hình này có thể sử dụng để tính toán xác lập chế độ công nghệ sản xuất nước ép thanh long ruột đỏ, ứng dụng vào sản xuất

4.4.3 Xây dựng hàm mục tiêu độ tổn thất hàm lượng vitamin C Độ tổn thất hàm lượng vitamin C là một tiêu chí rất quan trọng dùng để đánh giá chất lượng dinh dưỡng của sản phẩm nước ép thanh long ruột đỏ Vitamin C có bản chất kém bền với nhiệt hơn so với những chất dinh dưỡng khác Vậy nên nếu vitamin C được bảo toàn tốt thì những thành phần dinh dưỡng khác cũng sẽ được giữ lại trong sản phẩm tốt [49]

Dựa vào kết quả thực nghiệm được trinh bày ở Bảng 4.10, tiến hành xử lý trên phần mềm Excel ( tính toán ở phụ lục 1.3), kết quả sau khi tính toán đã xác định được các tham số của phương trình hồi quy

Bảng 4 10 Ma trận quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2 với hàm mục tiêu độ tổn thất hàm lượng vitamin C

Bảng 4 11 Hệ số phương trình hồi quy bj và bjk với hàm mục tiêu độ tổn thất hàm lượng vitamin C b 0 b 1 b 2 b 3 b 12 b 13 b 23 b 11 b 22 b 33

Với f2 = no – 1 = 3 và p = 0,05 tra bảng Student sẽ tìm được tp(f2) = 3,182 Như vậy, tj>tp(f2) nên các hệ số b0, b1, b2, b3, b23, b33 tìm được đều có nghĩa

Bảng 4 12 Giá trị phương sai và kiểm định Fisher với hàm mục tiêu độ tổn thất hàm lượng vitamin C

Nhận xét: Phương trình hồi quy cho thấy độ tổn thất hàm lượng vitamin C của quá trình sản xuất nước ép thanh long ruột đỏ phụ thuộc vào ba yếu tố gồm thời gian lạnh đông, thời gian rã đông và nhiệt độ thanh trùng Điều này có nghĩa là cả ba yếu tố có sự tác động đồng đều đến hiệu suất dịch ép Mô hình toán (4.3) hoàn toàn tương thích với số liệu thực nghiệm Do đó, mô hình này có thể sử dụng để tính toán xác lập chế độ công nghệ sản xuất nước ép thanh long ruột đỏ, ứng dụng vào sản xuất

4.4.4 Xây dựng hàm mục tiêu độ lệch màu của sản phẩm

Màu của sản phẩm được xem là một tiêu chí cần thiết để đánh giá chất lượng cảm quan sản phẩm nước ép thanh long ruột đỏ trong quá trình sản xuất, nó ảnh hưởng trực tiếp đến việc thu hút và sử dụng sản phẩm của người tiêu dùng

Dựa vào kết quả thực nghiệm được trinh bày ở Bảng 4.13, tiến hành xử lý trên phần mềm Excel ( tính toán ở phụ lục 1.4), kết quả sau khi tính toán đã xác định được các tham số của phương trình hồi quy

Bảng 4 13.Ma trận quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2 với hàm mục tiêu độ lệch màu của sản phẩm

Bảng 4 14 Hệ số phương trình hồi quy bj và bjk với hàm mục tiêu độ lệch màu của sản phẩm b 0 b 1 b 2 b 3 b 12 b 13 b 23 b 11 b 22 b 33

Với f2 = no – 1 = 3 và p = 0,05 tra bảng Student sẽ tìm được tp(f2) = 3,182 Như vậy, tj>tp(f2) nên các hệ số b0, b1, b2, b3, b23, b33 tìm được đều có nghĩa

Bảng 4 15 Giá trị phương sai và kiểm định Fisher hàm mục tiêu độ lệch màu của sản phẩm

Nhận xét: Phương trình hồi quy cho thấy độ lệch màu của sản phẩm trong quá trình sản xuất nước ép thanh long ruột đỏ phụ thuộc vào ba yếu tố gồm thời gian lạnh đông, thời gian rã đông và nhiệt độ thanh trùng Điều này có nghĩa là cả ba yếu tố có sự tác động đồng đều đến hiệu suất dịch ép Mô hình toán (4.4) hoàn toàn tương thích với số liệu thực nghiệm Do đó, mô hình này có thể sử dụng để tính toán xác lập chế độ công nghệ sản xuất nước ép thanh long ruột đỏ, ứng dụng vào sản xuất

Xây dựng và giải bài toán tối ưu hóa xác định chế độ công nghệ

4.5.1 Xây dựng và giải bài toán tối ưu một mục tiêu

Từ kết quả bảng 4.4, 4.7, 4.10 và 4.13 đã xây dưng được các mô hình thực nghiệm từ (4.1) đến (4.4) mô tả cho quá trình sản xuất nước ép thanh long ruột đỏ, tương ứng với các hàm mục tiêu yj ( j 1÷ 4) Các hàm mục tiêu này phụ thuộc vào các yếu tố công nghệ x1, x2, x3

Sau khi khảo sát riêng lẽ từng mục tiêu một để mô tả cho quá trình sản xuất nước ép thanh long ruột đỏ, các bài toán tối ưu một mục tiêu đã hình thành Trong đó, chi phí năng lượng sản xuất ở mức thấp nhất y1min = f1 (x1, x2, x3), hiệu suất dịch ép cần ở ngưỡng cao nhất nhất y2max

= f2 (x1, x2, x3), độtổn thất hàm lượng vitamin C ở ngưỡng thấp nhất y3min = f3 (x1, x2, x3) và cuối cùng là độ lệch màu sản phẩm so với mẫu tươi đạt cần đạt được giá trị thấp nhất y4min = f4

(x1, x2, x3) với miền giới hạn Ω 𝑥 = {−1,414 ≤ 𝑥 1 , 𝑥 2 , 𝑥 3 ≤ 1,414} Do đó, bài toán tối ưu một mục tiêu được phát biểu như sau:

[ y 1min = f 1 (x 1 opt , x 2 opt , x 3 opt ) = I 1 (x 1 , x 2 , x 3 ) → min y 2min = f 2 (x 1 opt , x 2 ogt , x 3 opt ) = I 2 (x 1 , x 2 , x 3 ) → max y 3min = f 3 (x 1 opt , x 2 opt , x 3 opt ) = I 3 (x 1 , x 2 , x 3 ) → min y 4max = f 4 (x 1 opt , x 2 opt , x 3 ct ) = I 4 (x 1 , x 2 , x 3 ) → min

Các phương trình hồi quy tương ứng với các hàm mục tiêu đã được xây dựng như sau: y1 = 4,503 + 0,752x1 + 0,233x3 + 0,247 (x3 2 – 2

3 ) Sau khi áp dụng hàm Solver trong Excel, ta thu được kết quả tính toán tối ưu cho từng bài toán tối ưu một mục tiêu Kết quả này được trình bày ở bảng 4.16

Bảng 4 16 Giá trị thông số tối ưu của từng hàm mục tiêu x1 opt x2 opt x3 opt y opt y1 min -1.414 1 -0.469 3,22 y2 max 1.414 1.414 1.414 99,63 y3 min -1.414 -1.414 -1,181 3,61 y4 min -1.414 -1.414 -1.414 1,28

Ta có kết quả các thông số tối ưu cho từng bài toản tối ưu một mục tiêu (4.1), (4.2), (4.3) và (4.4) trong vùng giới hạn thực nghiệm như sau:

 Chi phí năng lượng tối ưu của sản phẩm y1min = 3,22 kWh/lít với chế độ công nghệ gồm thời gian lạnh đông 𝑥 1 𝑜𝑝𝑡 = -1,414; thời gian rã đông 𝑥 2 𝑜𝑝𝑡 = 1 và nhiệt độ thanh trùng 𝑥 3 𝑜𝑝𝑡 = -0,469

 Hiệu suất dịch ép tối ưu của sản phẩm y2max = 99,63 % với chế độ công nghệ gồm thời gian lạnh đông 𝑥 1 𝑜𝑝𝑡 = 1,414; thời gian rã đông 𝑥 2 𝑜𝑝𝑡 = 1,414 và nhiệt độ thanh trùng 𝑥 3 𝑜𝑝𝑡 = 1,414

 Độ tổn thất hàm lượng vitamin C của sản phẩm y3min = 3,61% với chế độ công nghệ gồm thời gian lạnh đông 𝑥 1 𝑜𝑝𝑡 = -1.414; thời gian rã đông 𝑥 2 𝑜𝑝𝑡 = -1.414 và nhiệt độ thanh trùng 𝑥 3 𝑜𝑝𝑡 = -1,181

 Độ lệch màu của sản phẩm y4min = 1,28 với chế độ công nghệ gồm thời gian lạnh đông 𝑥 1 𝑜𝑝𝑡 = -1.414; thời gian rã đông 𝑥 2 𝑜𝑝𝑡 = -1.414 và nhiệt độ thanh trùng

Có thể thấy bài toán tối ưu hóa một mục tiêu từ (4.1) đến (4.4) không có nghiệm chung của hệ (𝑥1 𝑜𝑝𝑡 , 𝑥2 𝑜𝑝𝑡 , 𝑥3 𝑜𝑝𝑡 ) # (𝑥1 𝑘 𝑜𝑝𝑡 , 𝑥2 𝑘 𝑜𝑝𝑡 , 𝑥3 𝑘 𝑜𝑝𝑡 ) ∀j, k = 1 ÷ 4, j # k Như vậy, nghiệm không tưởng và phương án không tưởng không tồn tại Trong trường hợp này ta chỉ xác định được điểm không tưởng 𝑦 𝑈𝑇 = (y1min, y2max, y3min, y4min) = (3,22; 99,63; 3,61; 1,28)

4.5.2 Xây dựng và giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu bằng phương pháp điểm không tưởng

Vì các bài toán một mục tiêu từ (4.1) đến (4.4) không có nghiệm chung 𝑥 𝑈𝑇 (𝑥 1 𝑈𝑇 , 𝑥 2 𝑈𝑇 , 𝑥 3 𝑈𝑇 ) ∈ Ω 𝑥 để làm thoả mãn (y1min, y2min, y3min, y4max) nên nghiệm không tưởng và phương án không tưởng không tồn tại Do đó để thoả mãn các giá trị y1min, y2min, y3min, y4max khi x= (x1, x2, x3) biến thiên trong miền xác định Ω 𝑥 Do vậy bài toán tối ưu đa mục tiêu được phát biểu như sau:

Hãy xác định x opt = (x1 opt x2 opt, x3 opt) ∈ Ω 𝑥 với {-1.414x1, x2, x31.414} sao cho: yjmin(max) = Min(max) {fj (x1, x2, x3)} = fj (x1 opt x2 opt, x3 opt) với j= {14}

Bài toán tối ưu đa mục tiêu vừa mang cả giá trị nhỏ nhât và giá trị lớn nhất, vì thế để đơn giản trong cách giải, ta đưa các hàm mục tiêu y1, y2, y3, y4 về cùng dạng tìm giá trị cực tiểu Hệ phương trình mới sẽ có dạng:

Phương trình hồi quy cũng sẽ được viết lại như sau: y1 = 4,503 + 0,752x1 + 0,233x3 + 0,247 (x3 2 – 2

Theo lý thuyết, cần tìm các giá trị x1, x2, x3 để thõa mãn các hàm mục tiêu đều đạt giá trị max/min Nhưng thực tế, điểm cần tìm để thõa mãn các điều kiện trên không tồn tại và gọi là điểm không tưởng Vậy chỉ có thể tìm được điểm tối ưu nhất thỏa mãn các hàm mục tiêu trên sao cho khoảng cách từ điểm f UT đến điểm không tưởng là ngắn nhất

Từ các hàm mục tiêu thành phần, đưa về hàm mục tiêu tổ hợp Một chuẩn tối ưu tổ hợp S được định nghĩa như sau:

Ij(Z): là các phương trình hồi quy thực nghiệm với mục tiêu khác nhau

Ijmin: là các giá trị nhỏ nhất của từng phương trình hồi quy

S(Z): là khoảng cách từ điểm I(x) hay f(Z) đến điểm không tưởng I UT hay f UT

Thay các phương trình hồi quy thực nghiệm và giá trị nhỏ nhất của từng phương trình vào S(Z) ta được hàm sau:

Theo lý thuyết, cần tìm các giá trị x1, x2, x3 để thỏa mãn các hàm mục tiêu đều đạt giá trị nhỏ nhất nhưng thực tế, điểm cần tìm f UT để thõa mãn các điều kiện trên không tồn tại và gọi là điểm không tưởng Vậy chỉ có thể tìm được điểm tối ưu nhất thỏa mãn các hàm mục tiêu trên sao cho khoảng cách từ điểm f UT đến điểm không tưởng là ngắn nhất Áp dụng phần mềm xử lý số liệu Solver của phần mềm Excel ta tính được giá trị nhỏ nhất S(x) với điều kiện (-1.414x1, x2, x31.414) là:

Smin = 2,26 với x1 opt = -0.414; x1 opt = 0,125 và x3 opt = -0,309

Từ các giá trị x1 opt, x2 opt và x3 opt ta tìm được giá trị tối ưu ban đầu Z trước khi mã hóa tương thích là: y1 = 3,22; y2 = 0,011; y3 = 3,601; y4 = 1,283

Như vậy, sau quá trình tiến hành thí nghiệm và giải bài toán tối ưu đa mục tiêu, ta thu được kết quả chế độ công nghệ tối ưu sản xuất nước ép thanh long ruột đỏ là thời gian lạnh đông

Z1 = 10,051 (giờ); thời gian rã đông Z2 = 93,75 (phút), nhiệt độ thanh trùng Z3 = 88,76 ( 0 C), với

- 75 - các hàm mục tiêu chi phí năng lượng y1 = 3,22kWh/kg, hiệu suất dịch ép y2 ,63 (%), độ tổn thất hám lượng vitamin C y3 = 3,601 (%), và độ lệch màu sản phẩm y4 = 1,283 Kết quả này đáp ứng tốt các điều kiện về bảo quản nhằm ngăn ngừa sự phát triển của vi sinh vật gây hại, hiệu quả kinh tế cao và chất lượng dinh dưỡng đạt yêu cầu trong quá trình sản xuất nước ép thanh long ruột đỏ.

Kết quả thực nghiệm kiểm chứng và bàn luận

4.6.1 Kết quả kiểm chứng bằng thực nghiệm

Tiến hành thực hiện sản xuất nước ép thanh long ruột đỏ tại các thông số tối ưu như thời gian lạnh đông Z1 = 10,051 (giờ); thời gian rã đông Z2 = 93,75 (phút), nhiệt độ thanh trùng Z3

= 88,76 ( 0 C) để kiểm chứng lại các giá trị của các hàm mục tiêu là chi phí năng lượng y1 = 3,22 kWh/lít, hiệu suất dịch ép y2 ,63 (%), độ tổn thất hám lượng vitamin C y3 = 3,601 (%), và độ lệch màu sản phẩm y4 = 1,283

Bảng 4 17 Kết quả kiểm chứng

Hàm mục tiêu Đơn vị Kết quả y1 kWh/lít 3,31 y2 % 99,12 y3 % 3,89 y4 - 1,32

Sau khi tiến hành thực nghiệm, kết quả thu được có giá trị cao hơn nhưng không đáng kể so với hiệu quả Pareto tối ưu đã tính toán Sai số này có thể xuất phát từ nhiều nguyên nhân khác nhau như sai số do thao tác, sai số do thiết bị,…

Hình 4 5.Sản phẩm nước ép thanh long ruột đỏ ở chế độ công nghệ tối ưu Z1 = 10,051

(giờ); Z2 = 93,75 (phút), Z3 = 88,76 ( 0 C) Giá trị hàm mục tiêu thực tế nằm trong mức giới hạn cho phép đã đặt ra: y1 90%, y3 < 10%; y4 < 2 Như vậy, sản phẩm nước ép thanh long ruột đỏ vẫn đạt theo yêu cầu về bảo quản, có hiệu quả kinh tế, giữ được các thành phần dinh dưỡng cũng như đáp ứng tốt các chỉ tiêu về vi sinh vật và loại nặng

Sau quá trình thực nghiệm, mô hình hóa tối ưu bằng cách sử dụng tiêu chuẩn student và Fisher để kiểm định sự tương thích của các phương trình hồi quy từ (3.1) đến (3.4), cho thấy các phương trình hồi quy này hoài toàn phù hợp với thực nghiệm

Các chế độ công nghệ sản xuất nước ép thanh long ruột đỏ tối ưu là Z1 = 10,051 (giờ), Z2

= 93,75 (phút), Z3 = 88,76 ( 0 C) Chế độ này hoàn toàn thích hợp để đưa vào quy trình sản xuất

- 77 - thực tế Ở chế độ tối ưu này sẽ giúp tiết kiệm chi phí năng lượng, thời gian sản xuất và độ tổn thất các chất dinh dưỡng ở mức thấp nhất Vì vậy, các thông số công nghệ tối ưu nêu trên rất phù hợp để xác lập chế độ công nghệ sản xuất nước ép thanh long ruột đỏ ứng dụng giải quyết vấn đề về bảo quản, thương mại hóa sản phẩm, giải quyết tình trạng tồn dư và ứ đọng thanh long ruột đỏ ở tỉnh Bình Thuận , một trong những vựa thanh long lớn nhất nước Việt Nam Sau khi thực nghiệm, mức chi phí năng lượng thu được là 3,31 kWh/lít Kết quả này hoàn toàn phù hợp với các điều kiện ràng buộc thực tế y1 90% [5234] Nhờ chế độ công nghệ tối ưu đã giúp sản phẩm nước ép thanh long ruột đỏ giảm được chi phí sản xuất, giảm thời gian sản xuất sản phẩm, tăng thêm năng suất cho sản phẩm từ đó giúp hạ giá thành sản phẩm và tăng thêm lợi nhuận cho doanh nghiệp

Kết quả phân tích đã xác định được độ tổn thất hàm lượng vitamin C là 3,89%, kết quả này thỏa mãn yêu cầu công nghệ ( sự thất thoát các loại vitamin không vượt quá 10% đối với các sản phẩm từ trái cây) [47] Tỉ lệ thất thất thoát hàm lượng vitamin C khi lạnh đông chậm thanh long ruột đỏ tại các chế độ công nghệ đã được tối ưu giúp giảm độ tổn thất hàm lượng vitamin C ở mức thấp nhất, vitamin C là thành phần nhạy nhiệt nên khi vitamin C ít tổn thất thì các thành phần dinh dưỡng khác trong sản phẩm cũng ít tổn thất [59], giúp giữ lại phần lớn các giá trị dinh dưỡng cho sản phẩm, nâng cao giá trị sản phẩm đổi với người tiêu dùng

Kết quả sau khi kiểm chứng thực nghiệm độ lệch màu của sản phẩm nước ép thanh long ruột đỏ là 1,32 Giá trị này đáp ứng được yêu cầu về mặt công nghệ của sản phẩm đã đặt ra (nhỏ hơn 2) Sản phẩm sau quá trình sản xuất thì màu sắc sẽ không khác biệt nhiều so với mẫu tươi (mắt thường không nhận thấy rõ sự khác biệt) [48] Sau quá trình sản xuất mẫu tối ưu có giá trị CIE a* và L* nhỏ hơn giá trị CIE a* và L* của mẫu tươi ( 1,32 < 2,985), cho thấy sự thay đổi màu sắc đỏ và độ đậm trong nước ép thanh long ruột đỏ dần nhạt đi nhưng mắt thường không thể nhận thấy rõ được do độ lệnh màu của sản phẩm so với mẫu tươi nhỏ hơn 2 (∆E* < 2) [52] Công nghệ lạnh đông chậm là một công nghệ không mới lạ trong quá trình bảo quản các thực phẩm tươi sống, trái cây nhưng là công nghệ mới khi ứng dụng vào quá trình sản xuất nước ép thanh long ruột đỏ, làm tiền đề cho việc ứng dụng vào việc sản xuất các loại nước ép

- 78 - từ các trái cây mềm như thanh long Vì các loại trái cây mềm khi sử dụng máy ép truyền thống sẽ thu được rất ít dịch ép hoặc chỉ thu được hỗn hợp nhuyễn, sệt như ở dạng sinh tố Nhờ công nghệ lạnh đông chậm ứng dụng vào nguyên liệu thanh long giúp ta có thể thấy được giá trị mới của công nghệ cho các sản phẩm khác, mục đích sử dụng công nghệ này bằng nhiều cách khác nhau không chỉ là bảo quản như truyền thống Ngoài việc giải quyết được các vấn đề thanh long tồn đọng ở các tỉnh trên cả nước mà còn tạo ra nhiều cơ hội phát triển mới cho các doanh nghiệp, đa dạng hóa sản phẩm trên thị trường nội địa, thu hút được người tiêu dùng nhiều hơn Đây là một trong những hướng phát triên trong tương lai cho các doanh nghiệp nói chung và ngành thực phẩm nói riêng.

Đánh giá chất lượng của sản phẩm

Để đánh giá một cách toàn diện chất lượng của sản phẩm nước ép thanh long ruột đỏ, mẫu nước ép ở chế độ công nghệ tối ưu đã được kiểm tra các chỉ tiêu vi sinh vật, chỉ tiêu kim loại nặng và chỉ tiêu về mặt dinh dưỡng Dựa trên cơ sở đó, nghiên cứu này sẽ được đánh giá và kết luận về tính phù hợp cho thương mại hóa và sản xuất

4.7.1 Đánh giá thành phần dinh dưỡng của sản phẩm nước ép thanh long ruột đỏ

Kết quả về thành phần dinh dưỡng trong mẫu nước ép thanh long ruột đỏ với chế độ tối ưu được thể hiện ở bảng 4.18 (hoặc xem phụ lục 2.1)

Bảng 4 18 Thành phần hóa học của sản phẩm nước ép thanh long ruột đỏ tính trên 100ml nước ép

STT Chỉ tiêu xác định Đơn vị Kết quả

Nhận xét: Qua bảng kết quả 4.18, sản phẩm nước ép thanh long ruột đỏ có hàm lượng protein là 0,3%; hàm lượng carbohydrate 13,4% và hàm lượng vitamin C là 8,69 mg/100ml Sau khi thực hiện sản xuất nước ép thanh long ruột đỏ ở thông số tối ưu và đối chiếu với kết quả bảng 4.1., như vậy có thể thấy thanh long ruột đỏ có sự tổn thất về mặt dinh dưỡng nhưng sự tổn thất này không đáng kể (hàm lượng carbohydrate là 9,4% và hàm lượng vitamin C là 4,1%) Tuy nhiên độ tổn thất hàm lượng protein tương đối lớn 28,5% do protein hòa tan trong nước

- 79 - trong qua trình lạnh đông [10] khiến thất thoát hàm lượng protein khá lớn so với nguyên liệu thanh long ruột đỏ tươi

4.7.2 Đánh giá chất lượng vi sinh vật và kim loại nặng trong sản phẩm nước ép thanh long ruột đỏ

Kết quả về giới hạn ô nhiễm vi sinh vật trong mẫu nước ép thanh long ruột đỏ ở chế độ côn nghệ tối ưu được thể hiện ở bảng 4.19 (hoặc xem phụ lục 2.2)

Bảng 4 19.Giới hạn ô nhiễm vi sinh vật

STT Chỉ tiêu đánh giá Đơn vị Kết quả Giới hạn cho phép

1 Tổng số vi sinh vật hiếu khí CFU/g 4.5 x 10 1 < 10 4

2 Escherichia Coli MPN/g Không phát hiện 0

3 Staphylococcus Aureus CFU/g Không phát hiện < 20

4 Tổng số bào tử nấm men – nấm mốc CFU/g Không phát hiện 10 2

Kết quả về giới hạn ô nhiễm kim loại nặng trong mẫu nước ép thanh long ruột đỏ ở chế độ côn nghệ tối ưu được thể hiện ở bảng 4.20 (hoặc xem phụ lục 2.2)

Bảng 4 20 Giới hạn ô nhiễm kim loại nặng STT Chỉ tiêu đánh giá Đơn vị Kết quả Giới hạn cho phép

1 Chì (Pb) mg/kg Không phát hiện 0.1

2 Cadimi (Cd) mg/kg Không phát hiện 0.05

Nhận xét: Kết quả thu được ở các bảng 4.18, 4.19, 4.20 cho thấy tất cả các chỉ tiêu đều nằm trong giới hạn cho phép được quy định trong:

- Tài liệu “Hướng dẫn đánh giá các chỉ tiêu vi sinh vật trong thực phẩm” của Cơ quan bảo vệ sức khỏe Anh quốc [66]

- Quy định của Ủy ban Châu Âu (EC) số 2073/2005 [69] và số 1881/2006 [70]

Như vậy, sản phẩm nước ép thanh long ruột đỏ ở chế độ công nghệ tối ưu đáp ứng tốt các yêu cầu về vệ sinh an toàn thực phẩm và đủ điều kiện sản xuất trong công nghiệp.

Xây dựng quy trình công nghệ sản xuất nước ép thanh long ruột đỏ

4.8.1 Sơ đồ quy trình công nghệ

Xử lý nguyên liệu Cắt lát

Lạnh đông Tan giá Lọc Phối chế Đồng hóa

Chiết rót Bài khí Thanh trùng Bảo ôn

Nhiệt độ 91,85 0 C Thời gian 5 phút Thời gian 5 phút – tốc độ 7 rpm

Hình 4 6.Quy trình công nghệ sản xuất nước ép thanh long ruột đỏ