Luận án tiến sĩ Công nghệ thực phẩm: Nghiên cứu kỹ thuật sấy đối lưu bởi tác nhân sấy nhiệt độ thấp có sự kết hợp của microwave trên nguyên liệu khổ qua (Momordica charantia L.)

Kết quả nghiên cứu cho thấy: 1- Phương pháp sấy kết hợp không khí khô nhiệt độ thấp 20-30°C với bức xạ vi sóng trong suốt quá trình sấy có thể khắc phục nhược điểm của phương pháp sấy nh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THỊ VÂN LINH

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT SẤY ĐỐI LƯU BỞI

TÁC NHÂN SẤY NHIỆT ĐỘ THẤP CÓ SỰ KẾT HỢP CỦA

MICROWAVE TRÊN NGUYÊN LIỆU KHỔ QUA

(MOMORDICA CHARANTIA L.)

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

TP HỒ CHÍ MINH - NĂM 2021

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN THỊ VÂN LINH

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT SẤY ĐỐI LƯU BỞI

TÁC NHÂN SẤY NHIỆT ĐỘ THẤP CÓ SỰ KẾT HỢP CỦA

MICROWAVE TRÊN NGUYÊN LIỆU KHỔ QUA

i

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Chữ ký

Nguyễn Thị Vân Linh

ii

TÓM TẮT LUẬN ÁN

Rau trái là nguồn thực phẩm quan trọng giàu vitamin, khoáng, chất xơ cùng hoạt tính chống oxy hóa Rau trái thường chứa lượng ẩm rất cao cùng hoạt động sinh lý vẫn tiếp diễn sau thu hoạch nên được xếp vào nhóm thực phẩm dễ bị hư hỏng gây ra tổn thất lớn sau thu hoạch Để hạn chế tổn thất sau thu hoạch, kỹ thuật sấy thường được sử dụng nhằm loại bỏ ẩm khỏi nguyên liệu nhờ vậy làm tăng tính ổn định của sản phẩm đồng thời thuận tiện đóng gói và phân phối Kỹ thuật sấy đối lưu nhiệt độ thấp có sự kết hợp của vi sóng (viết tắt là LTMWAD) là một kỹ thuật sấy mới ở thế giới và Việt Nam Trong nghiên cứu này, công suất vi sóng riêng (viết tắt là MWPD) được khảo sát từ 1,5 đến 4,5 W/g để đảm bảo độ đồng nhất khi gia nhiệt, và nhiệt độ tác nhân sấy (viết tắt là Tair) được khảo sát từ 20 đến 30°C để đảm bảo sấy ở nhiệt độ thấp dưới nhiệt độ phòng Luận án đã nghiên cứu, đánh giá, xác định được đặc tính, bản chất sấy và quy luật ảnh hưởng của kỹ thuật LTMWAD với vật liệu nghiên cứu là khổ qua Khổ qua được chọn lựa làm vật liệu đại diện để nghiên cứu vì đây là một nguyên liệu giàu hoạt chất chống oxy hóa như phenolic, vitamin C,… và được sử dụng đa dạng làm thực phẩm, thực phẩm chức năng, thành phần dược phẩm Kết quả nghiên cứu cho thấy:

1- Phương pháp sấy kết hợp không khí khô nhiệt độ thấp (20-30°C) với bức xạ vi sóng trong suốt quá trình sấy có thể khắc phục nhược điểm của phương pháp sấy nhiệt độ thấp về thời gian sấy (như là đạt độ ẩm sản phẩm 0,01 g/gck sau 160 phút sấy ở 4,5 W/g, 30°C, hoặc sau 330 phút khi sấy ở 3,0 W/g, 20°C) và khắc phục nhược điểm của phương pháp sấy bằng vi sóng về phân bố nhiệt nhờ tăng động lực thoát ẩm và duy trì được nhiệt

độ vật liệu sấy thấp (dưới 35°C) và gần nhiệt độ tác nhân sấy Điều này sẽ hạn chế phân hủy các hợp chất có hoạt tính sinh học

2- Trong điều kiện cố định các yếu tố liên quan đến vật liệu sấy thì các nhân tố liên quan đến quá trình sấy (MWPD, Tair, vận tốc tác nhân sấy) có mức độ ảnh hưởng khác nhau đến quá trình sấy LTMWAD MWPD, và Tair là những nhân tố ảnh hưởng phức tạp khi đồng thời ảnh hưởng đến khả năng thoát ẩm khỏi vật liệu cũng như tốc độ của các phản ứng phân hủy trong suốt quá trình sấy Trong khi đó, ở cùng một điều kiện MWPD và Tair, vận tốc tác nhân sấy chỉ ảnh hưởng ý nghĩa đến khả năng thoát ẩm khỏi vật liệu sấy

L*a*b*) và mô hình bậc 0 dùng để dự báo sự thay đổi của giá trị DE trong quá trình sấy khổ qua Mô hình Peleg phù hợp để mô tả sự hút nước của cát lát khổ qua sấy khô 4- Trong khoảng công suất vi sóng riêng và nhiệt độ tác nhân sấy khảo sát, khi tăng MWPD và/hoặc tăng Tair đã làm tăng tốc độ thoát ẩm và tăng cả tốc độ biến đổi thành phần hóa học (TPC, vitamin C), tăng tốc độ thay đổi màu sắc (thông số L*, a*, b*, DE) Khi thay đổi Tair từ 20 đến 30°C, MWPD thay đổi từ 1,5 đến 4,5 W/g , năng lượng hoạt hóa cho quá trình quá với quá trình thoát ẩm thay đổi từ 1,025 đến 0,670 W/g đối với quá trình sấy bỏ qua sự co rút của mẫu sấy, và thay đổi từ 1,064 đến 0,743 W/g đối với quá trình sấy không bỏ qua sự co rút của mẫu sấy Đối với quá trình phân hủy TPC và vitamin C thì năng lượng hoạt hoá thay đổi lần lượt từ 1,610 đến 1,195 W/g, và từ 2,719 đến 1,515 W/g

5 Mối tương quan giữa thời gian bán hủy của TPC, vitamin C, hằng số thời gian của các thông số màu sắc, hằng số động học hút nước của lát khổ qua sấy khi sấy LTMWAD với MWPD (thay đổi từ 1,5 đến 4,5 W/g, biến mã hóa x1) và Tair (thay đổi từ 20 đến 30°C, biến mã hóa x2) đã được xác định như sau:

iv

7- Khổ qua với đặc tính xốp và hút nước nên trong suốt quá trình sấy đã xảy ra hiện tượng co rút đáng kể Trong nghiên cứu này đã xác định hiện tượng co rút này ở khổ qua đã ảnh hưởng lớn đến các giá trị đặc trưng cho hiệu quả thoát ẩm (hệ số khuếch tán ẩm), sự co rút làm cho các giá trị khuếch tán ẩm hiệu dụng giảm trong suốt quá trình sấy Bên cạnh đó, khi sấy với mức MWPD thấp (1,5 W/g) sự co rút tăng khi tăng nhiệt

độ tác nhân sấy sẽ gây trở lực làm giảm khả năng thoát ẩm khỏi vật liệu sấy Sự co rút cũng đã làm biến đổi cấu trúc bên trong, gây ra những tổn thương bất thuận nghịch trong quá trình sấy làm cho mẫu sấy không thể trở lại trạng thái ban đầu sau quá trình hút nước Sự gẫy vỡ cấu trúc này còn làm tăng độ dốc suy giảm hàm lượng TPC, vitamin C trong quá trình sấy khi độ ẩm của vật liệu sấy đạt tới điểm tới hạn khoảng 5,5 đến 6 g/gck

v

ABSTRACT

Fruits and vegetables are important sources of essential nutrients such as vitamins, minerals, and fiber with high antioxidant capacity Because of high moisture content, they are classified as highly perishable commodities leading to a high loss of quality after harvest Drying technology was conducted to reduce postharvest loss After the drying process, the moisture was removed from fruits and vegetables, leading to the dried products were improved storage stability and required minimum in packaging and transportation loads Drying techniques that combined low-temperature convective drying and microwave radiation (LTMWAD) are relatively new drying methods in the world and Vietnam In this study, microwave power density, MWPD, was investigated, ranging from 1,5 to 4,5 W/g to ensure uniform heating, and air-drying temperature, Tair, was changed from 20 to 30°C to perform the drying process at a temperature less than room temperature The thesis has elucidated the nature and characteristics of the LTMWAD drying technique and its influence on the qualities of bitter melons Bitter melon was chosen as materials because they are rich in bioactive compounds, for example, flavonoids, phenolics, and vitamin C, with high antioxidant capacity Additionally, bitter melon has various usages, such as food, functional food, or pharmaceutical composition The results showed that:

1- Longer drying time is one of the main disadvantages of low temperature drying method while heterogenous thermal distribution is a limitation of microwave-assisted drying method Air drying at low temperature (20-30°C) combined with microwave radiation during the drying process could overcome the disadvantages of the two methods mentioned above by increasing the driving force of moisture removal and maintaining low temperature of dried materials (below 35°C) which was close to the temperature of drying agent Specifically, for product moisture to reach 0.01 g/g d.b., the drying time at 3.0 W/g and 20°C was 330 minutes whereas at 4.5 W/g and 30°C, the total time of 160 minutes was required This also helps to restrain the breakdown of biologically active compounds in bitter melons

2- Microwave power density (MWPD) and air-drying temperature (Tair) were the most critical factors in the LTMWAD These factors significantly impacted the drying rate

a*, b* values and the zero-order model for the change of DE values during LTMWAD, respectively The rehydration kinetic could be characterized by the Peleg equation 4- The results showed that the increase of MWPD and/or Tair increased moisture removal rate, the rate of changes in the chemical composition content (TPC, vitamin C), and the rate of color (L*, a*, b*, DE) changes Activation energies for the evaporation process were from 1,025 to 0,670 W/g without shrinkage phenomena and from 1,064 to 0,743 W/g with shrinkage phenomena, when Tair changed from 20 to 30°C and MWPD varied from 1,5 to 4,5 W/g And, Activation energies for vitamin C and TPC degradation reactions also were found to be from 1,610 to 1,195 W/g, and from 2,719 to 1,515 W/g, respectively

5- Using linear regression of the experimental data, the half-life of TPC, vitamin C degradation, the kinetic time of color parameters change, and parameters of rehydration kinetic were correlated to microwave power density (MWPD) and Tair according to the following equations:

viii

LỜI CÁM ƠN

Để thành công thực hiện luận án, tôi xin trân trọng:

Cám ơn quý thầy cô Hội đồng cấp Khoa, Phản biện độc lập, Hội đồng cấp Trường đã

có những đóng góp ý nghĩa để hoàn thiện đề tài

Cám ơn quý thầy cô Bộ môn Công nghệ thực phẩm trường Đại học Bách Khoa đã có những góp ý quý báu về định hướng đề tài

Cám ơn Khoa Kỹ thuật Thực phẩm và Môi trường, Trường Đại học Nguyễn Tất Thành

đã hỗ trợ điều kiện thiết bị, hóa chất, dụng cụ trong suốt thời gian thực hiện luận án Cám ơn TS GVC Trần Bích Lam và TS Huỳnh Tiến Phong đã tận tâm hướng dẫn, chia

sẻ kiến thức cho tôi trong suốt quá trình thực hiện luận án Trong quá trình thực hiện đề tài có rất nhiều khó khăn, chân thành cám ơn cô T B Lam và thầy H.T Phong đã đồng hành cùng tôi trong quãng thời gian này

Cám ơn TS Lưu Xuân Cường và ThS Huỳnh Bảo Long đã cùng tôi lên ý tưởng và chế tạo hệ thống sấy đối lưu nhiệt độ thấp có sự kết hợp với bức xạ vi sóng

Cám ơn Giáo sư Paul Takhistov ở Đại Học Rutgers (New Jersey, USA) đã cho phép tôi

sử dụng phần mềm Comsol Multiphysics để mô phỏng quá trình đun nóng lát khổ qua Cám ơn Giáo sư Sitaraman Krishnan (Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Clarkson University, Potsdam, NY, USA) đã hướng dẫn tôi phát triển mô hình tiên đoán sự biến đổi hàm lượng vitamin C và phenolic trong suốt quá trình sấy Cám ơn thầy Sitaraman Krishnan đã phản biện một phần kết quả luận án

Cám ơn ThS Nguyễn Phước Bảo Duy đã hỗ trợ tôi trong việc lập trình code MATLAB

để đánh giá mức độ tương thích của mô hình đến dữ liệu thực nghiệm và ước lượng các

hệ số trong các mô hình

Cám ơn ThS Nguyễn Quốc Duy đã hỗ trợ trong việc phát triển phương pháp phân tích Cám ơn TS Trần Thị Như Trang đã hỗ trợ cho việc báo cáo tại hội nghị quốc tế Cám ơn các em sinh viên ngành Công nghệ thực phẩm trường Đại học Nguyễn Tất Thành các khóa 13CTP, 13DTP, 14DTP, 15DTP và 16DTP đã đồng hành cùng tôi trong suốt thời gian thực hiện luận án

Cám ơn gia đình đã động viên, hỗ trợ tinh thần tôi suốt thời gian thực hiện luận án Chân thành cám ơn

ix

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH xiii

DANH MỤC BẢNG BIỂU xv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT xvi

MỞ ĐẦU 1

Tính cấp thiết của luận án 1

Mục tiêu của luận án 2

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4

CÔNG NGHỆ SẤY RAU TRÁI Ở NHIỆT ĐỘ THẤP 4

1.1.1 Giới thiệu về quá trình sấy ở nhiệt độ thấp 4

1.1.2 Những biến đổi chất lượng của rau trái khi sấy ở nhiệt độ thấp 4

1.1.3 Thành tựu trong và ngoài nước liên quan đến sấy nhiệt độ thấp 7

1.1.4 Ưu nhược điểm khi sấy rau trái ở nhiệt độ thấp 10

CÔNG NGHỆ SẤY RAU TRÁI DƯỚI TÁC DỤNG CỦA VI SÓNG (MICROWAVE) 10

1.2.1 Giới thiệu vi sóng và cơ chế gia nhiệt của vi sóng 10

1.2.2 Sấy rau trái dưới tác dụng của bức xạ MW 11

1.2.3 Những biến đổi chất lượng của rau trái khi sấy có sự tác dụng của MW 12 1.2.4 Thành tựu trong và ngoài nước về quá trình sấy rau trái dưới tác dụng của MW 17

1.2.5 Ưu và nhược điểm của quá trình sấy rau trái dưới tác dụng của MW 19

GIÁ TRỊ CỦA KHỔ QUA VÀ NGHIÊN CỨU SẤY KHỔ QUA 21

1.3.1 Gọi tên và phân loại khổ qua 21

1.3.2 Thành phần hóa học và giá trị dược lý của khổ qua 21

1.3.3 Những nghiên cứu liên quan đến quá trình sấy khổ qua 24

Tổng kết chương 1 25

CHƯƠNG 2 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 27

NGUYÊN LIỆU – HÓA CHẤT – THIẾT BỊ 27

2.1.1 Nguyên liệu khổ qua 27

2.1.2 Hóa chất 27

x

2.1.3 Thiết bị phân tích 28

THIẾT BỊ SẤY ĐỐI LƯU BỞI TÁC NHÂN SẤY NHIỆT ĐỘ THẤP CÓ SỰ KẾT HỢP VỚI MICROWAVE 29

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 30

BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM 32

2.4.1 Đánh giá khả năng kết hợp vi sóng với không khí khô nhiệt độ thấp trong việc giải phóng nhiệt của vật liệu sấy 32

2.4.2 Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện sấy 33

2.4.3 Nghiên cứu động học sấy trong quá trình sấy LTMWAD 34

2.4.4 Nghiên cứu động học biến đổi của một số thành phần hóa học trong suốt quá trình sấy LTMWAD 35

2.4.5 Nghiên cứu động học biến đổi màu sắc trong suốt quá trình sấy LTMWAD 35

2.4.6 Nghiên cứu động học hydrate hóa của các lát khổ qua sau khi sấy bằng LTMWAD 36

CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 36

2.5.1 Phương pháp nghiên cứu mô phỏng thiết lập điều kiện sấy 36

2.5.2 Phương pháp nghiên cứu động học sấy trong quá trình sấy LTMWAD 40

2.5.3 Phương pháp nghiên cứu động học biến đổi thành phần hóa học trong suốt quá trình sấy 49

2.5.4 Phương pháp nghiên cứu động học biến đổi màu sắc trong suốt quá trình sấy 54

2.5.5 Phương pháp nghiên cứu động học hydrate hóa của lát khổ qua sấy 55

CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 56

2.6.1 Xác định độ ẩm 56

2.6.2 Xác định pH dịch ép khổ qua 56

2.6.3 Xác định sự co rút của lát khổ qua 56

2.6.4 Xác định các chuẩn số 57

2.6.5 Xác định hàm lượng phenolic tổng 57

2.6.6 Xác định hàm vitamin C 57

2.6.7 Xác định khả năng chống oxy hóa (khử DPPH) 58

2.6.8 Xác định khả năng khử sắt (FRAP) 58

2.6.9 Xác định thông số màu sắc 58

2.6.10 Xác định tỷ lệ hút nước 58

xi

XỬ LÝ SỐ LIỆU 58

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 60

TÍNH CHẤT CỦA NGUYÊN LIỆU KHỔ QUA TRONG NGHIÊN CỨU 60 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG KẾT HỢP VI SÓNG VỚI KHÔNG KHÍ NHIỆT ĐỘ THẤP TRONG VIỆC GIẢI PHÓNG NHIỆT CỦA VẬT LIỆU SẤY 61

3.2.1 Mô phỏng phân bố điện từ trong lò vi sóng và phân bố nhiệt ở các lát khổ qua 61

3.2.2 Đánh giá khả năng kết hợp vi sóng với không khí nhiệt độ thấp trong việc giải phóng nhiệt của vật liệu sấy 64

KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA ĐIỀU KIỆN SẤY ĐẾN KHẢ NĂNG THOÁT ẨM VÀ CHẤT LƯỢNG LÁT KHỔ QUA SẤY KHÔ 65

3.3.1 Ảnh hưởng của MWPD 66

3.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ tác nhân sấy 69

3.3.3 Ảnh hưởng của vận tốc tác nhân sấy 71

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC SẤY TRONG QUÁ TRÌNH SẤY LTMWAD 74

3.4.1 Mô hình toán học tiên đoán sự thay đổi tỉ lệ ẩm trong suốt quá trình sấy 75 3.4.2 Ảnh hưởng của điều kiện sấy LTMWAD đến hệ số khuếch tán ẩm 81

3.4.3 Năng lượng hoạt hoá cho quá trình thoát ẩm khi sấy các lát khổ qua bằng phương pháp LTMWAD 82

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC BIẾN ĐỔI MỘT SỐ THÀNH PHẦN HÓA HỌC CỦA KHỔ QUA TRONG SUỐT QUÁ TRÌNH SẤY LTMWAD 84

3.5.1 Ảnh hưởng của quá trình sấy LTMWAD đến sự biến đổi của TPC 85

3.5.2 Ảnh hưởng của quá trình sấy LTMWAD đến sự biến đổi của vitamin C 89

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC BIẾN ĐỔI MÀU SẮC CỦA CÁC LÁT KHỔ QUA SẤY LTMWAD 92

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC HYDRATE HÓA CỦA CÁC LÁT KHỔ QUA SẤY KHÔ BẰNG PHƯƠNG PHÁP LTMWAD 97

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 104

KẾT LUẬN 104

KIẾN NGHỊ 106

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 107

TÀI LIỆU THAM KHẢO 108

xii

PHỤ LỤC A CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH 126

A1 XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG TPC 126

A2 XÁC ĐỊNH HÀM LƯỢNG VITAMIN C 126

A3 XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG KHỬ GỐC DPPH 127

A4 XÁC ĐỊNH KHẢ NĂNG KHỬ SẮT 128

PHỤ LỤC B CÁC KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM KHÁC 130

B1 KẾT QUẢ BIẾN ĐỔI HÀM LƯỢNG TPC TRONG SUỐT QUÁ TRÌNH LTMWAD 130

B2 KẾT QUẢ BIẾN ĐỔI HÀM LƯỢNG VITAMIN C TRONG SUỐT QUÁ TRÌNH LTMWAD 130

B3 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH HỒI QUY PHI TUYẾN ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ TƯƠNG THÍCH CỦA CÁC MÔ HÌNH ĐẾN SỰ BIẾN ĐỔI THÀNH PHẦN TPC VÀ VITAMIN C TRONG SUỐT QUÁ TRÌNH LTMWAD 130

PHỤ LỤC C XỬ LÝ THỐNG KÊ DỮ LIỆU THỰC NGHIỆM 133

xiii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 a) Khổ qua giống Momordica charantia L.Var charantiaL và b) giống

Momordica charantia L.Var abbreviata Ser 21

Hình 1.2 Lát khổ qua tươi; lát khổ qua sau khi sấy bằng không khí nóng (a); sấy thăng hoa (b); và sấy hồng ngoại (c) [5] 25Hình 2.1 a) Nguyên liệu khổ qua trong nghiên cứu và b) Lát khổ qua trước khi sấy 27Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của thiết bị sấy bằng không khí đối lưu nhiệt độ thấp

có tác dụng của MW; 1—Cửa vào; 2—Quạt hút; 3—Giàn lạnh; a—Máy nén; b—Dàn nóng; c—Van tiết lưu; 4—Dàn nóng; 5—Cặp điện trở; 6—Bộ phận điều khiển phát vi sóng;7—Magnetron kèm tấm chắn; 8—Đĩa xoay; 9—Vật liệu sấy;10—Cửa ra; b) Hình ảnh thiết bị thực tế 29Hình 2.3 Phân tích yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy LTMWAD 30Hình 2.4 Nội dung nghiên cứu phương pháp sấy LTMWAD trên nguyên liệu khổ qua 31Hình 2.5 Các bước thực hiện mô phỏng trong nghiên cứu thiết lập điều kiện sấy

LTMWAD 33Hình 3.1 Sự phân bố trường điện từ dưới tác động của MW được mô phỏng bằng phần mềm COMSOL 62Hình 3.2 Mô phỏng phân bố nhiệt trên các lát khổ qua dưới tác dụng của MW sau 60 giây bằng phần mềm Comsol Multiphysics phiên bản 5.2 (hình chiếu từ trên xuống) (a); các lát khổ qua gia nhiệt MW 150 W (b); 300 W (c); 450 W (d) trong 5 phút 63Hình 3.3 Nhiệt độ trung bình của các lát khổ qua trong suốt quá trình sấy kết hợp không khí khô nhiệt độ thấp với bức xạ MW 65Hình 3.4 Ảnh hưởng của MWPD lên quá trình sấy khổ qua (a) Thời gian sấy ở những MWPD khác nhau (b) Sự co rút của khổ qua trong suốt quá trình sấy (c) Tốc độ sấy

từ độ ẩm ban đầu (d) Tốc độ sấy tương ứng từ độ ẩm 6 g/gck (được phóng to từ hình 3.4c) 67Hình 3.5 Ảnh hưởng của Tair lên quá trình sấy khổ qua (a) Thời gian sấy ở những Tair khác nhau (b) Tốc độ sấy từ độ ẩm ban đầu ở những Tair khác nhau 70Hình 3.6 Ảnh hưởng của vận tốc tác nhân sấy lên quá trình sấy khổ qua (a) Thời gian sấy ở những vận tốc tác nhân sấy khác nhau (b) Tốc độ sấy ở những vận tốc tác nhân sấy khác nhau 72Hình 3.7 Sự thay đổi tỉ lệ ẩm (MR) theo thời gian khi sấy khổ qua với MWPD thay đổi từ 1,5 W/g đến 4,5 W/g ở Tair 20°C (a), 25°C (b), và 30°C (c) 75Hình 3.8 Các giá trị hệ số khuếch tán ẩm tương ứng với từng điều kiện sấy LTMWAD khác nhau 81Hình 3.9 (a) Sự thay đổi hàm lượng TPC tại các MWPD theo thời gian khi sấy ở 25°C; (b) Logarit của nồng độ chuẩn theo thời gian; (c) Thời gian bán hủy TPC trong khổ qua khi sấy LTMWAD dưới những MWPD và Tair khác nhau 85

xiv

Hình 3.10 Sự thay đổi hàm lượng TPC tại các MWPD theo độ ẩm (g/gck) khi sấy LTMWAD ở 20°C (a); 25°C (b); 30°C (c) 87Hình 3.11 (a) Sự phân hủy vitamin C tại các MWPD theo thời gian khi sấy ở 25°C; (b) Logarit của nồng độ chuẩn theo thời gian; Thời gian bán hủy vitamin C trong khổ qua khi sấy LTMWAD dưới những MWPD và Tair khác nhau 90Hình 3.12 Sự thay đổi hàm lượng vitamin C tại các MWPD theo độ ẩm (g/gck) khi sấy LTMWAD ở 20°C (a); 25°C (b); 30°C (c) 90Hình 3.13 Dữ liệu thông số màu sắc theo thời gian Đường cong nét đứt được xác định từ phương trình động học bậc 1 (hình a, b, c) Các giá trị của hằng số thời gian, t (giờ) (hình d, e, f) 93Hình 3.14 Ảnh hưởng của điều kiện sấy đến giá trị DE trong suốt quá trình sấy khổ qua bằng phương pháp LTMWAD Các đường thẳng hồi quy được xác định từ phương trình động học bậc 0 (hình a, b, c) Các giá trị của hằng số thời gian, Các giá trị hằng

số thời gian, t (phút) (hình d) 94Hình 3.15 Lát khổ qua tươi (a) và lát khổ qua sau khi sấy ở 4,5 W/g, 30 °C 95Hình 3.16 Các giá trị RR thay đổi trong suốt quá trình hút nước hoàn nguyên ở các điều kiện nhiệt độ hút nước khác nhau 25 °C (a, b, c), 50 °C (d, e, f), và 80°C (g, h, i) 98Hình 3.17 Các thông số động học ước lượng từ mô hình Peleg ở những điều kiện hút nước khác nhau; a), b), và c) giá trị k1 tương ứng với động học hút nước ở 25, 50, và

80oC; d), e), và f) giá trị k2 tương ứng với động học hút nước ở 25, 50, và 80oC 99Hình 3.18 Sự thay đổi hình thái lát khổ qua trong quá trình hút nước a) khổ qua sau khi sấy; b) khổ qua hút nước sau 1 giờ ở 25, 50, và 80°C; c) khổ qua hút nước sau 5 giờ ở 25, 50, và 80°C (lần lượt từ trái quá phải) 103

xv

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh các kỹ thuật sấy kết hợp MW khi sấy rau trái 20

Bảng 1.2 Giá trị dinh dưỡng trong 100 g khổ qua 22

Bảng 2.1 Danh mục các loại hóa chất sử dụng trong nghiên cứu 28

Bảng 2.2 Danh mục các thiết bị sử dụng trong nghiên cứu 28

Bảng 2.3 Phương trình tiên đoán tính chất nhiệt của các thành phần trong thực phẩm (-40 ≤ T ≤ 150°C) 39

Bảng 2.4 Các mô hình toán học tiên đoán các giá trị tỉ lệ ẩm khi sấy khổ qua 42

Bảng 3.1 Tính chất nguyên liệu khổ qua dùng trong nghiên cứu 60

Bảng 3.2 Các thông số sử dụng trong mô phỏng ở 25°C 61

Bảng 3.3 Hàm lượng vitamin C, TPC và khả năng chống oxy hóa (phân tích DPPH, FRAP) trong khổ qua sấy ở những MWPD khác nhau 69

Bảng 3.4 Hàm lượng vitamin C, TPC và khả năng chống oxy hóa (phân tích DPPH, FRAP) trong khổ qua sấy ở những Tair khác nhau 70

Bảng 3.5 Hàm lượng vitamin C, TPC và khả năng chống oxy hóa (phân tích DPPH, FRAP) trong khổ qua sấy ở những vận tốc tác nhân sấy khác nhau 73

Bảng 3.6 Kết quả phân tích hồi quy phi tuyến dữ liệu thực nghiệm khi sấy LTMWAD các lát khổ qua ở những chế độ sấy khác nhau 75

Bảng 3.7 Các giá trị Ea khi sấy lát khổ qua ở những điều kiện sấy khác nhau 82

Bảng 3.8 Các giá trị RRe, HR tương ứng với những điều kiện sấy LTMWAD và nhiệt độ hút nước khác nhau 101

xvi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

AFD Atmospheric freeze-drying – sấy ở áp suất gần khí quyển

D eff The effective moisture diffusivity – Hệ số khuếch tán ẩm hiệu dụng

DPPH 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl

E a Activation energy – Năng lượng hoạt hóa

gck gam chất khô

GAE Gallic acid equivalent – acid galic tương đương

LTMWAD Low-temperature microwave assisted drying – Sấy đối lưu với tác nhân

sấy nhiệt độ thấp có sự kết hợp với bức xạ vi sóng

M Moisture content – độ ẩm (cơ sở khô) của vật liệu sấy

MR Moisture ratio – tỷ lệ ẩm

MW Microwave – vi sóng

MWPD Microwave power density – Công suất riêng vi sóng biểu diễn bằng tỷ lệ

công suất vi sóng trên một đơn vị khối lượng nguyên liệu ban đầu

POD Peroxidase

PPO Polyphenoloxidase

R 2 Determination coefficient – Hệ số xác định

RMSE Root Mean Square Error – Giá trị hiệu dụng của sai số

RR Rehydration ratio – Tỉ lệ hydrate hóa

T air Nhiệt độ tác nhân sấy

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

TPC Total phenolic content – Hàm lượng phenolic tổng

TE Trolox equivalent – Trolox tương đương

USDA United States Department of Agriculture – Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ

c2 Chi-square – Khi bình phương

1

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của luận án

Rau trái là nguồn thực phẩm giàu các thành phần hóa học như vitamin, các hợp chất có hoạt tính chống oxy hóa, chất xơ, muối khoáng… liên quan mật thiết đến sức khỏe người

sử dụng Rau trái thường chứa hàm lượng nước cao, các hoạt động sinh lý vẫn duy trì sau khi thu hoạch nên nhóm nguyên liệu này được xếp vào nhóm thực phẩm dễ hư hỏng dẫn đến tổn thất lớn sau thu hoạch Ngoài ra, khi vào vụ thu hoạch có một lượng lớn rau trái không kịp tiêu thụ tươi dẫn đến việc lãng phí khi phải đổ bỏ Do vậy, kỹ thuật sấy thường được áp dụng để hạn chế tổn thất sau thu hoạch, kéo dài hạn sử dụng cũng như tạo ra sản phẩm mới là rau trái sấy khô Sau khi loại ẩm thì sản phẩm rau trái sấy sẽ đạt được sự ổn định về chất lượng trong thời gian dài hơn, ngoài ra còn thuận tiện trong việc đóng gói, vận chuyển, lưu trữ

Kỹ thuật sấy khá đa dạng với nhiều cách thức khác nhau tùy thuộc vào đối tượng sấy cũng như yêu cầu sản phẩm sau khi sấy Với một nguyên liệu rau trái giàu giá trị sinh học thì cần phải phát triển một phương pháp sấy phù hợp để vừa loại ẩm hiệu quả, vừa giữ lại các hoạt chất trong nguyên liệu Trong các kỹ thuật sấy truyền thống thì phổ biến nhất là kỹ thuật sấy đối lưu bằng không khí nóng với không khí từ môi trường bên ngoài được gia nhiệt rồi tiếp xúc với vật liệu sấy để tách ẩm Trong phương pháp này, chiều khuếch tán nhiệt ngược chiều với chiều khuếch tán ẩm dẫn đến thời gian sấy kéo dài

Để tăng động lực sấy, thông thường người ta sử dụng nhiệt độ cao 50–70°C nhưng điều này sẽ gây tổn thất lớn về giá trị dinh dưỡng cũng như cảm quan của sản phẩm Để giảm thiểu tác động này, các kỹ thuật sấy ở nhiệt độ thấp như sấy thăng hoa, sấy chân không được áp dụng giúp cải thiện đáng kể chất lượng sản phẩm sấy Tuy nhiên các kỹ thuật sấy này chỉ thích hợp cho các sản phẩm giá trị cao, vì nhược điểm chính của những kỹ thuật này là thời gian sấy kéo dài (hàng chục giờ) Mặt khác, có nhiều sản phẩm sau khi kết thúc quá trình sấy, độ ẩm còn lại trong mẫu khá cao (> 20%), và chi phí đầu tư thiết

bị cũng như vận hành cao

2

Gần đây, nhiều nghiên cứu đã chứng minh kỹ thuật sấy có sự kết hợp của vi sóng làm giảm rõ rệt thời gian sấy và cải thiện chất lượng sản phẩm sấy so với những kỹ thuật sấy truyền thống Trong luận án này, chúng tôi trình bày nghiên cứu của mình về một kỹ thuật mới, sử dụng năng lượng bức xạ của vi sóng, thúc đẩy quá trình khuếch tán trong, kết hợp đồng thời với không khí khô ở nhiệt độ thấp (£ 30°C) để quá trình thoát ẩm trong vật liệu trở nên hiệu quả hơn Sự kết hợp giữa phương pháp sấy đối lưu và sấy vi sóng đã được thực hiện trong một số nghiên cứu sấy nông sản ở trong và ngoài nước, tuy nhiên với sự kết hợp ở khoảng nhiệt độ thấp của tác nhân sấy đối lưu với vi sóng là một phương pháp mới Phương pháp này được kỳ vọng là một kỹ thuật sấy hiệu quả để tách ẩm cho các nguyên liệu giàu hoạt tính sinh học Vật liệu thí nghiệm được chọn lựa

là khổ qua vì đây là một loại trái được sử dụng nhiều mục đích, giàu các hơp chất polyphenol, giàu vitamin C với hoạt tính chống oxy hóa cao…

Mục tiêu của luận án

Mục tiêu của nghiên cứu này là làm rõ hiệu quả và đặc tính tách ẩm khỏi các lát khổ qua bằng phương pháp sấy kết hợp tác nhân không khí khô nhiệt độ thấp với năng lượng vi sóng, đồng thời xây dựng các mô hình động học biến đổi của các chỉ tiêu chất lượng (tỉ

lệ ẩm, thành phần phenolic, vitamin C, màu sắc, khả năng hút nước hoàn nguyên) nhằm

hướng đến ứng dụng sấy cho các loại nông sản khác

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Trong luận án này, chúng tôi tiến hành các nghiên cứu, ở quy mô phòng thí nghiệm, quá trình sấy lát khổ qua với phương pháp sấy đối lưu bằng tác nhân không khí khô ở nhiệt

độ thấp kết hợp vi sóng (viết tắt là LTMWAD) Trong hệ thống sấy này, quá trình khuếch tán nội được thúc đẩy bởi tác nhân bức xạ vi sóng, trong khí đó quá trình khuếch tán ngoại được thúc đẩy bởi tác nhân không khí đối lưu nhiệt độ thấp Tác nhân không khí sấy từ môi trường bên ngoài (thông thường ở trạng thái 30°C, 70%) sẽ được đưa đến trạng thái bão hòa, ngưng tụ và tách ẩm ra Không khí đã tách ẩm (có độ ẩm tuyệt đối 10,6 gam ẩm/kg không khí khô) được thổi đến bộ phận gia nhiệt lên 20 đến 30°C trước khi vào buồng sấy Trong suốt quá trình sấy, bức xạ vi sóng cùng với không khí khô sẽ tác động tới quá trình truyền nhiệt và truyền khối để tách ẩm ra khỏi vật liệu

3

Nghiên cứu của luận án tập trung vào phân tích và đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ quan trọng của quá trình sấy LTMWAD đến khả năng thoát ẩm, động học biến đổi của một số thành phần hóa học, động học biến đổi màu sắc, động học hydrate hóa của mẫu sấy thông qua việc phân tích dữ liệu thực nghiệm, từ đó đưa ra những nhận định về tiềm năng ứng dụng cũng như cách thức cải tiến của phương pháp sấy này

Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học

Trong luận án này, sự kết hợp giữa bức xạ vi sóng với tác nhân sấy nhiệt độ thấp được thử nghiệm, phân tích và đánh giá trong quá trình sấy lát khổ qua Kết quả của luận án cung cấp thông tin về tác động, ảnh hưởng của một phương pháp sấy ở nhiệt độ thấp đến quá trình thoát ẩm, động học biến đổi của thành phần hóa học có hoạt tính sinh học (phenolic tổng, vitamin C), động học biến đổi vật lý (màu sắc), và động học biến đổi về hóa lý (khả năng hydrate hóa)

Ý nghĩa thực tiễn

Những kết quả về phân tích cơ chế tác động, đánh giá mức độ ảnh hưởng của quá trình sấy kết hợp vi sóng với tác nhân sấy nhiệt độ thấp đến khả năng thoát ẩm cũng như những biến đổi chất lượng trên một loại nông sản là cơ sở để phát triển, cải tiến phương pháp sấy cũng như cung cấp cơ sở dữ liệu để thiết kế, tính toán quá trình sấy ở quy mô sản xuất nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm sấy, kéo dài thời gian sử dụng và hướng đến tiết kiệm chi phí năng lượng

4

CÔNG NGHỆ SẤY RAU TRÁI Ở NHIỆT ĐỘ THẤP

1.1.1 Giới thiệu về quá trình sấy ở nhiệt độ thấp

Theo Santacatalin và cộng sự (2014) thì quá trình sấy ở nhiệt độ thấp (low-temperature drying) là một quá trình sấy được diễn ra với tác nhân sấy có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ phòng [1] Tuy nhiên, theo tác giả Al-kharabsheh và Goswami (2004) quá trình sấy diễn

ra trong khoảng nhiệt độ 15 đến 50 °C được xem là quá trình sấy ở nhiệt độ thấp [2] Những quá trình sấy ở nhiệt độ thấp phổ biến được biết đến hiện nay như quá trình sấy thăng hoa, sấy bơm nhiệt, sấy chân không,… Trong công nghệ sấy ở nhiệt độ thấp, quá trình sấy có thể thúc đẩy quá trình khuếch tán ngoài thông qua việc tách ẩm khỏi tác nhân sấy hoặc thúc đẩy quá trình khuếch tán trong bằng việc kết hợp với các phương pháp khác như siêu âm, bức xạ vi sóng, …

1.1.2 Những biến đổi chất lượng của rau trái khi sấy ở nhiệt độ thấp

1.1.2.1 Biến đổi về vật lý

Những yếu tố vật lý được nghiên cứu trong sấy chủ yếu bao gồm màu sắc, mùi hương, khả năng hút nước và cấu trúc sản phẩm Màu sắc là tiêu chí khá quan trọng vì góp phần ảnh hưởng đến chất lượng và sự yêu thích của người tiêu dùng đối với sản phẩm Mùi của thực phẩm rất quan trọng vì phản ánh mức độ biến đổi và tác động đến khứu giác người tiêu dùng Cấu trúc sản phẩm vừa liên quan đến xúc giác của người tiêu dùng vừa quan trọng trong công tác vận chuyển, lữu trữ Đặc tính hút nước của sản phẩm sấy khô cho biết khả năng hồi phục cấu trúc hay mức độ tổn thương cấu trúc Tất cả các thuộc tính nêu trên ảnh hưởng trực tiếp tới quyết định sử dụng sản phẩm của người tiêu dùng Thông thường, không gian màu Lab được sử dụng để định lượng màu sắc của sản phẩm

L là thông số đo độ sáng, a đo sắc đỏ và xanh lá, b đo sắc vàng và xanh dương trong đó các giá trị L, a, và b được tính toán bằng hàm căn bậc 2 của không gian CIE XYZ Ngoài

ra, trong nhiều nghiên cứu các thông số màu sắc cũng thường được trình bày dưới những giá trị L*, a* và b*, đầy là thông số được tính toán bằng hàm căn bậc 3 của không gian CIE XYZ Các thông số này đánh giá ở sản phẩm sấy hoặc được theo dõi trong suốt quá

5

trình sấy Sự thay đổi màu sắc liên quan đến các phản ứng hóa nâu hay phân hủy diệp lục tố diễn ra trong suốt quá trình sấy nông sản Các phản ứng này bao gồm cả phản ứng enzyme và phản ứng phi enzyme Sự gia tăng giá trị a cho thấy màu sản phẩm tăng sắc

đỏ, tức là phản ứng hóa nâu đã xảy ra trong quá trình chế biến [3] Trong quá trình sấy

lá bạc hà ở nhiệt độ thấp bằng hệ thống sấy bơm nhiệt liên tục cho thấy giá trị L, a, b trong mẫu sấy đều thấp hơn so với mẫu tươi [4] Kết quả liên quan mật thiết đến sự phân hủy của các thành phần hóa học (polyphenol, chlorophyll) trong lá bạc hà trong suốt quá trình sấy Tuy nhiên trong quá trình sấy thăng hoa các lát khổ qua thì thông số L* không đổi, tăng giá trị a* và giảm giá trị của b* [5]

Sự thay đổi ở mùi hương sản phẩm trong quá trình chế biến sẽ ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm [3] Trong nghiên cứu về khả năng giữ mùi trong táo sau khi sấy của nhóm tác giả Krokida và cộng sự (2005), cho thấy các hợp chất mùi chính trong táo rất dễ bị bay trong suốt quá trình sấy ở nhiệt độ cao Quá trình sấy thăng hoa được nhóm nghiên cứu thực hiện đánh giá và so sánh với quá trình sấy táo bằng không khí nóng Cho thấy các hợp chất mùi vẫn bị tổn thất trong quá trình sấy thăng hoa Sự mất mùi chủ yếu xảy

ra vào giai đoạn đầu quá trình sấy và ít tổn thất ở giai đoạn quá trình sấy [6]

Quá trình sấy ảnh hưởng lớn đến khả năng hydrate hóa của mẫu sấy Các nghiên cứu chỉ ra mẫu sấy thường không thể trở lại trạng thái ban đầu vì hiện tượng co rút xảy ra trong suốt quá trình sấy kèm sự gẫy vỡ của cấu trúc tế bào làm giảm khả năng hút và giữ nước của sản phẩm Khi tác giả Santacatalina và cộng sự (2016) nghiên cứu sấy các lát táo ở nhiệt độ thấp (10°C và -10°C) với vận tốc sấy cố định 2 m/s và khảo sát sự hỗ trợ của sóng siêu âm (0, 25, 50, và 75 W) Kết quả cho thấy mẫu sấy thăng hoa (sóng siêu âm 0 W) có khả năng hydrate hóa nhanh hơn ở mẫu sấy 10°C (sóng siêu âm 0 W)

do cấu trúc xốp lớn hơn [7] Bên cạnh đó, sự hỗ trợ của sóng siêu âm trong suốt quá trình sấy không ảnh hưởng đến khả năng hút nước của mẫu sấy

Cấu trúc là một trong những đặc tính quan trọng thể hiện chất lượng sản phẩm Các tính chất cấu trúc thường được biểu hiện bằng các phép thử cơ học mô tả biến dạng dẻo và biến dạng đàn hồi của nguyên liệu Các thuộc tính cấu trúc của sản phẩm sấy thường được đo bằng lực đâm xuyên, là phép đo độ cứng của sản phẩm Đôi khi phép đo này được khảo sát trong suốt quá trình sấy [8] Kết quả nghiên cứu về cấu trúc của sản phẩm

6

sấy chưa được giới nghiên cứu quan tâm nhiều Trong suốt quá trình sấy, độ cứng của rau trái sẽ thay đổi và phụ thuộc khá lớn vào phương pháp tách ẩm Đối với quá trình sấy các lát táo ở nhiệt độ thấp ghi nhận việc giảm độ cứng so với mẫu tươi Và độ mềm của mẫu sấy phụ thuộc vào nhiệt độ sấy Cụ thế nếu sấy lát táo ở 10°C sẽ có độ cứng lớn hơn so với sấy ở -10°C Vì khi sấy ở điều kiện thăng hoa thì sự phát triển của các tinh thể đá làm phá hủy cấu trúc mạng lưới của chất rắn Ngoài ra tác giả Santacatalina

và cộng sự (2016) còn phát hiện nếu sấy lát táo ở 10°C thì việc có hoặc không có sự hỗ trợ của sóng siêu âm cũng không ảnh hưởng đến việc giảm độ cứng ở mẫu sấy [7]

1.1.2.2 Biến đổi thành phần dinh dưỡng

Đối với những sản phẩm sấy, xét về mặt dinh dưỡng, chất lượng sản phẩm tốt khi hàm lượng các chất có hoạt tính sinh học cao hơn Cũng theo Santacatalina và cộng sự (2016), hàm lượng TPC trong các lát táo sấy ở nhiệt độ thấp giảm 56,8 và 77,4% so với mẫu tươi Nguyên nhân phân hủy polyphenol có thể liên quan đến việc các tế bào bị mất cấu trúc trong quá trình sấy ở nhiệt độ thấp làm giải phóng enzyme oxy hóa sớm hơn Theo nhận định của nhóm tác giả, khi sấy ở nhiệt độ rất thấp thì những phân hủy TPC do nhiệt

có thể không xảy ra [7] Trong khi đó, hàm lượng ascorbic acid trong mẫu sấy ở nhiệt

độ thấp bị suy giảm 76,0 đến 46,1% Nếu có sự hỗ trợ của sóng siêu âm (mức 25 và 50W) sẽ làm tổn thất khi sấy thăng hoa cao hơn so với sấy ở 10°C Tuy nhiên nếu không

có sự hỗ trợ của siêu âm hoặc có sự hỗ trợ của sóng siêu âm công suất 75W thì mẫu sấy

ở 10°C tổn thất nhiều hơn so với mẫu sấy thăng hoa [7] Trong quá trình sấy lá bạc hà ở nhiệt độ thấp bằng hệ thống sấy bơm nhiệt liên tục, đã giữ lại 60,34 đến 70,11% hàm lượng ascorbic acid và cải thiện chất lượng lá bạc hà sấy [4] hơn so với sấy đối lưu chỉ giữ lại 34,89 đến 46,82% [9], sấy bằng năng lượng mặt trời chỉ giữ lại được 13,36% [10] Do vậy phương pháp sấy ở nhiệt độ thấp cho thấy phù hợp để sấy các loại rau lá xanh [4] Hàm lượng chlorophyll sau quá trình sấy thường bị suy giảm, kết quả nghiên cứu của Venkatachalam và cộng sự (2019) cho thấy dù thành phần chlorophyll bị phân hủy trong suốt quá trình sấy nhưng lá bạc hà sấy bơm nhiệt ở nhiệt độ thấp giữ lại được đến 86% hàm lượng chlorophyll Ở mẫu sấy nhiệt độ thấp cũng có giá trị “-a” cao hơn

so với lá bạc hà sấy bằng không khi nóng nhờ hàm lượng chlorophyll cao

cơ học gây ra bởi sóng siêu âm sẽ làm giả phóng các enzyme oxy hóa và các hợp chất nội bào làm gia tăng sự phân hủy TPC tương tự như cơ chế trong sấy thăng hoa [11]

1.1.3 Thành tựu trong và ngoài nước liên quan đến sấy nhiệt độ thấp

1.1.3.1 Thành tựu trong nước liên quan đến sấy nhiệt độ thấp

Trong vòng 10 năm trở lại đây, việc nghiên cứu công nghệ sấy nông sản, thủy sản trong nước đã đạt một số thành tựu đáng kể, góp phần cải thiện chất lượng, nâng cao vị thế sản phẩm thực phẩm Việt Nam Theo báo cáo phân tích xu hướng công nghệ của Trung tâm Thông tin và Thống kê Khoa học Công nghệ về những xu hướng ứng dụng công nghệ sấy tiên tiến trong bảo quản và chế biến nông sản, thủy sản thì trên nhóm nguyên liệu chủ đạo gồm gạo, ngô, cà phê, thủy sản và rau quả, đã ứng dụng các công nghệ sấy tiên tiến nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm sấy và giảm thiểu tổn thất sau thu hoạch [12] Một số ví dụ điển hình như: hệ thống sấy bơm nhiệt đa năng các sản phẩm ong mật của tác giả Vũ Kế Hoạch và Lê Anh Đức (2013), hệ thống sấy chân không của tác giả Nguyễn Trọng Tài và Lê Thanh Sơn dùng sấy cơm sầu riêng 500 kg/mẻ (2015)

Phương pháp sấy ở nhiệt độ thấp đã được nghiên cứu cải thiện bằng sự hỗ trợ của hệ thống bơm nhiệt và của hệ thống năng lượng mặt trời, được thiết kế chế tạo ở trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh Ứng dụng phương pháp sấy này trên các nguyên liệu rau trái, thủy sản thu được kết quả sau: mực sấy 480 phút ở 35°C còn ẩm 58%, dâu tây sấy 20 giờ ở 30°C độ ẩm còn 29%, mít sấy ở 40°C sau 11 giờ còn ẩm 18% Một nghiên cứu khác của Lê Anh Đức và Nguyễn Hữu Hòa (2014) đã tiến hành sấy nấm Đông cô bằng phương pháp sấy bơm nhiệt, sấy ở 45°C mất 7 giờ, độ ẩm sản phẩm khoảng 10,83%

8

Năm 2019, Phạm Văn Toản đã hoàn thành luận án tiến sĩ nghiên cứu sấy mực ống bằng thiết bị sấy bơm nhiệt kết hợp bức xạ hồng ngoại Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu Phạm Văn Toản, Lê Anh Đức và Nguyễn Hay đã xây dựng mô hình toán để mô phỏng quá trình truyền nhiệt và truyền ẩm sau đó tiến hành thực nghiệm Điều kiện tối

ưu của nhóm nghiên cứu này xác định là ở nhiệt độ 46,5°C, vận tốc tác nhân sấy 1,1 m/s

và công suất phát bức xạ hồng ngoại là 528 W, thời gian sấy của quá trình là 459 phút (7,65 giờ) và ẩm sản phẩm là khoảng 25%

Tác giả Nguyễn Tấn Dũng đã nghiên cứu nhiều quá trình sấy ở nhiệt độ thấp khác nhau

và đã tìm ra điều kiện sấy tối ưu cho từng quá trình Cụ thể, khi sấy lát cà rốt bằng phương pháp sấy lạnh, đã xác định điều kiện tối thiểu năng lượng tiêu thụ, lượng nước

dư, khả năng chống hydrate hóa, tổn thất thành phần b-caroten là ở nhiệt độ ngưng tụ

ẩm 15,62°C, nhiệt độ buồng sấy là 35,79°C, vận tốc tác nhân sấy là 11,74 m/s, thời gian sấy 16,05 giờ [13] Đối với quá trình sấy mít bằng phương pháp sấy hồng ngoại, tác giả Nguyễn Tấn Dũng và cộng sự (2016) cũng đã xác định được nhiệt độ sấy tối ưu 63,43°C với công suất phát bức xạ là 6,40 trong 7,13 giờ sấy [14] Tác giả Nguyễn Tấn Dũng (2016) cũng đã nghiên cứu sấy thăng hoa cho sản phẩm sữa ong chúa nhằm giữ lại chất lượng tốt nhất Kết quả tối ưu hóa quá trình đã xác định được nhiệt độ buồng sấy tối ưu

là 20,58°C, áp suất trong buồng sấy là 0,411 mmHg và thời gian sấy là 18,283 giờ [15] Gần đây, hệ thống sấy thăng hoa thế hệ mới DS-9 (Version 4) của TS Nguyễn Tấn Dũng (2018) được tối ưu hóa về mặt năng lượng quá trình sấy trong điều kiện thăng hoa cho thấy khả năng ứng dụng hiệu quả trong việc tách ẩm nông sản và giữ chất lượng sản phẩm, thích hợp dùng để sấy các dược liệu và sản phẩm thực phẩm cao cấp

1.1.3.2 Thành tựu ngoài nước liên quan đến sấy nhiệt độ thấp

Năm 2006, Nagaya và cộng sự, đã thực hiện một nghiên cứu ở Nhật, gia tăng tốc độ sấy bằng cách gắn hệ thống hút ẩm để duy trì độ ẩm không khí ở mức 15% [16] Nhờ vậy quá trình sấy ở nhiệt độ dưới 49°C diễn ra nhanh chóng, màu sắc rau sấy gần với màu nguyên liệu tươi (đối với bắp cải, cà tím, cà rốt, rau diếp,…) Rau diếp sấy khô duy trì lượng vitamin C cao, và nấm sấy có chất lượng tốt Sấy bằng hệ thống này nhanh gấp

9

12 lần so với sấy bằng mặt trời, và gấp 6 lần so với sấy bằng hệ thống hút ẩm truyền thống

Ondier và cộng sự đã nghiên cứu sấy gạo thô bằng không khí có nhiệt độ thấp (26–34°C)

và độ ẩm thấp (19–68%) [17] Kết quả chỉ rằng khi giảm độ ẩm trong tác nhân sấy sẽ ảnh hưởng lớn đến tốc độ thoát ẩm vật liệu sấy khi sấy ở nhiệt thấp (26°C) hơn là khi sấy ở nhiệt cao hơn (30 và 34°C) Sấy ở điều kiện nhiệt độ thấp và RH thấp không ảnh hưởng xấu đến hiệu suất thu hồi hoặc màu sắc sản phẩm

Đối với việc sấy những sản phẩm giàu chất mùi như các loại rau làm gia vị thì việc khó

khăn nhất là giữ lại chất mùi đặc trưng của nguyên liệu Như rau ngò (Petroselinum

crispum L.) là một loại gia vị phổ biến Khi sấy rau ngò, ở nhiệt độ cao dễ làm tổn thất

chất mùi cũng như tạo ra mùi lạ vì quá trình oxi hóa chất mùi Diaz-Maroto và cộng sự (2002) đã dùng nguyên liệu rau ngò tươi bảo quản ở 5°C, sau đó kiểm tra ở những chế

độ sấy sau: (1) sấy ở nhiệt độ phòng (25°C, RH 39%) trong 8 ngày, (2) sấy ở 45°C khoảng 15 giờ, (3) sấy thăng hoa bằng thiết bị Telstar model Cryodos-50 ở nhiệt độ -53,2°C và áp suất 1,1x10-2 mB trong 24 giờ [18] Kết quả sấy rau ngò ở nhiệt độ phòng

là phương pháp sấy ít làm biến đổi các thành phần chất mùi Trong khi 2 phương pháp còn lại đều làm giảm hầu hết các thành phần chất mùi, đặc biệt là những chất mùi góp phần tạo nên đặc tính rau ngò thương mại như p-men-tha-1,3,8-triene và apiole

Gần đây phương pháp sấy thăng hoa ở áp suất gần khí quyển (atmospheric freeze-drying, AFD) được thực hiện để cải thiện quá trình sấy thăng hoa từ đầu thập niên 90, chuyển sang vận hành sấy liên tục Một hệ thống AFD bơm nhiệt xử lý nguyên liệu táo hạt lựu

10 mm, được nghiên cứu bởi Stawczyk và cộng sự (2005) để mô tả ảnh hưởng động học quá trình sấy lên chất lượng sản phẩm (tốc độ tách nước, co rút, màu sắc, và khả năng chống oxi hóa) [19] Kết quả nghiên cứu được so sánh với quá trình sấy đối lưu và sấy thăng hoa Phát hiện ra rằng quá trình AFD chạy ở nhiệt độ khoảng -10°C cho cấu trúc thực phẩm có độ xốp cao, ngược lại sấy ở khoảng 0°C thì làm giảm chất lượng sản phẩm Tất cả táo sấy bằng AFD đều có hoạt tính chống oxi hóa cao hơn sấy đối lưu bằng không khí nóng

10

Quá trình sấy ở nhiệt độ thấp gặp phải vấn đề là động lực của quá trình thoát ẩm không cao, do đó cần sự tăng cường tốc độ sấy Gần đây các nhà nghiên cứu tập trung nghiên cứu sự hỗ trợ của sóng siêu âm (một kỹ thuật không gia nhiệt) để hỗ trợ quá trình sấy lạnh Việc sử dụng sóng siêu âm tần số thấp cường độ cao (20 – 100 kHz) đã được nghiên cứu kết hợp sấy nóng các loại rau trái và kết quả cho thấy nó có tác dụng làm giảm thời gian sấy hiệu quả [20] Việc dùng siêu âm cường độ cao để sấy những sản phẩm nhạy cảm nhiệt hoặc ứng dụng trong các quá trình sấy ở nhiệt độ thấp là rất tiềm năng và đáp ứng nhu cầu thực tế [21]

1.1.4 Ưu nhược điểm khi sấy rau trái ở nhiệt độ thấp

1.1.4.1 Ưu điểm

Phương pháp sấy ở nhiệt độ thấp được phát triển và nghiên cứu với mục tiêu chính là giữ lại chất lượng sản phẩm như khả năng giữ lại màu sắc sản phẩm, cấu trúc ít bị co rút, hạn chế phân hủy vitamin, và các hợp chất có hoạt tính sinh học khác,… [22]

1.1.4.2 Nhược điểm:

Nhược điểm chủ yếu của quá trình sấy ở nhiệt độ thấp chính là ở động lực của quá trình sấy quá thấp khiến cho thời gian sấy kéo dài làm tốn chi phí vận hành Như trường hợp sấy lát táo để loại 80% ẩm khi sấy ở 10°C và ở -10°C tốn 17,1 và 41,7 giờ [7], sấy lá bạc hà từ độ ẩm 83,45% đến 10% bằng hệ thống sấy bơm nhiệt liên tục ở 35-37°C mất 360-660 phút (hay 6-11 giờ) [4], sấy lát kiwi bằng phương pháp thăng hoa ở 5, 10, và 15°C mất lần lượt 60, 37, và 19 giờ; nếu có sự hỗ trợ của sóng siêu âm thì giảm còn 24,

12, và 10 giờ [11]

CÔNG NGHỆ SẤY RAU TRÁI DƯỚI TÁC DỤNG CỦA VI SÓNG (MICROWAVE)

1.2.1 Giới thiệu vi sóng và cơ chế gia nhiệt của vi sóng

Vi sóng (Microwave, viết tắt là MW) là sóng điện từ có tần số từ 300 MHz đến 300 GHz, nằm trong khoảng giữa tần số sóng vô tuyến và hồng ngoại, có bước sóng ngắn hơn sóng vô tuyến và dài hơn hồng ngoại Do đó, MW thuộc vùng bức xạ không ion hóa Bộ phận phát MW trong các lò MW thương mại thường phát ra sóng có tần số 2,45 GHz, trong khi hệ thống MW công nghiệp phát ra sóng tần số 915 MHz và 2,45 GHz

11

[23] Khi MW tương tác với các nguyên liệu như thực phẩm, MW có tác dụng gia nhiệt làm phát sinh nhiệt bên trong thực phẩm Cơ chế gia nhiệt do sự tương tác giữa MW và nguyên liệu rất phức tạp Điện từ trường của MW có tác dụng định hướng, định vị và di chuyển các phân tử phân cực, electron tự do Nước và các ion hòa tan (thường là muối)

sẽ bị cưỡng bức dao động với tần số của MW làm cho nguyên liệu nóng lên Đây là yếu

tố chính quyết định nên sự gia nhiệt của MW trong thực phẩm [23]

Sự gia nhiệt do MW được thực hiện nhờ vào khả năng hấp thụ năng lượng MW và chuyển đổi nó thành nhiệt năng của nguyên liệu Nhiệt sinh ra trong thực phẩm do MW chủ yếu do cơ chế lưỡng cực và ion trong đó nước đóng vai trò rất quan trọng trong sự gia nhiệt điện môi vì tính chất lưỡng cực của nó Dưới ảnh hưởng của điện trường dao động, các phân tử nước sẽ bị phân cực và tập hợp lại theo hướng của điện trường Khi tần số của điện trường cao, sự tập hợp lại này xảy ra với tần số hàng triệu lần mỗi giây gây ra hiện tượng nội ma sát giữa các phân tử làm gia nhiệt thể tích nguyên liệu tức là gia nhiệt từ trong ra ngoài Ngoài ra, các ion có mặt trong thực phẩm cũng di chuyển dưới ảnh hưởng của một điện trường ở tần số thấp sinh ra nhiệt [23] Khi MW tương tác với nguyên liệu, năng lượng của nó sẽ bị giảm dần theo hàm mũ và chuyển thành năng lượng nhiệt của nguyên liệu Mức độ chuyển đổi năng lượng phụ thuộc vào tần số MW cũng như tính chất điện môi của nguyên liệu bị tác động

Trong vài thập kỷ gần đây, tác dụng gia nhiệt của MW đã được ứng dụng rộng rãi lĩnh vực công nghệ chế biến thực phẩm như ứng dụng trong quá trình sấy, thanh trùng, tiệt trùng, rã đông, nướng,…[24] MW được ứng dụng rộng rãi trong chế biến thực phẩm nhờ vào khả năng gia nhiệt nhanh với tác dụng gia nhiệt thể tích, rút ngắn thời gian gia nhiệt rõ rệt, an toàn, dễ thực hiện,…[24] Về mặt chất lượng của sản phẩm, dưới tác dụng gia nhiệt của MW những thay đổi về mùi vị, chất lượng dinh dưỡng của thực phẩm được xác định thấp hơn so với các kỹ thuật gia nhiệt truyền thống [25]

1.2.2 Sấy rau trái dưới tác dụng của bức xạ MW

Trong lĩnh vực sấy rau trái, bên cạnh các phương pháp sấy truyền thống như sấy đối lưu bằng không khí nóng, sấy chân không, sấy thăng hoa, sấy bằng hồng ngoại,… thì sử dụng MW để sấy là một phương thức tương đối mới, nhằm tăng hiệu quả quá trình thoát

ẩm và giảm năng lượng tiêu thụ cũng như hạn chế những biến đổi không mong muốn

12

xảy ra ở nguyên liệu sấy [26] Ở những phương pháp gia nhiệt truyền thống, năng lượng nhiệt được truyền đến bề mặt thực phẩm để gia nhiệt bằng các phương thức dẫn nhiệt, đối lưu nhiệt hoặc bức xạ nhiệt [27] Trong khi đó ở sấy có sự kết hợp của MW, nhiệt được tạo ra trực tiếp bên trong nguyên liệu và khuếch tán ra ngoài (nên gọi là gia nhiệt thể tích), làm cho tốc độ tăng nhiệt trong vật liệu nhanh hơn và quá trình truyền nhiệt cũng nhanh hơn so với gia nhiệt thông thường Sự khác biệt rõ rệt trong cơ chế gia nhiệt giữa phương thức gia nhiệt do MW và những phương thức gia nhiệt truyền thống, dẫn đến khi gia nhiệt bằng MW thì sự khuếch tán ẩm và sự khuếch tán nhiệt độ cùng chiều

từ trong ra ngoài còn ở những phương thức gia nhiệt truyền thống thì hai quá trình khuếch tán này ngược chiều nhau [28] Hiệu quả tách ẩm của MW được quan tâm về khả năng loại ẩm trong suốt giai đoạn sấy giảm tốc Trong giai đoạn sấy giảm tốc, tốc

độ khuếch tán gặp hạn chế do sự co rút của sản phẩm và độ ẩm ở bề mặt thấp Như vậy, việc ứng dụng MW trong lúc này sẽ nhằm mục đích kết thúc giai đoạn sấy giảm tốc cũng có nghĩa là kết thúc quá trình sấy [29] Theo tổng hợp về những phát triển trong nghiên cứu sấy rau trái của Zhang và cộng sự (2003) thì trong lĩnh vực sấy rau trái, kỹ thuật sấy MW đã thành công khi sấy rau giàu thành phần nhạy cảm nhiệt, và sấy trái cây với hàm lượng đường cao [30] Tất cả các quá trình sấy bằng MW rút ngắn thời gian sấy một cách rõ rệt Hầu hết các sản phẩm sấy bằng MW có chất lượng được cải thiện hoặc không khác với những sản phẩm sấy bằng những kỹ thuật sấy truyền thống [30]

1.2.3 Những biến đổi chất lượng của rau trái khi sấy có sự tác dụng của MW

1.2.3.1 Biến đổi về vật lý

Những nghiên cứu về sấy MW hoặc các kỹ thuật sấy có kết hợp MW, cho thấy những yếu tố vật lý phổ biến được khảo sát và dùng làm tiêu chí đánh giá bao gồm màu sắc, mùi hương, khả năng hút nước và cấu trúc của sản phẩm

Khi tổng quan những nghiên cứu sấy nông sản bằng kỹ thuật sấy MW, Vadivambal và Jayas (2007) phát hiện sự gia tăng của thông số a của các sản phẩm sấy MW nhỏ hơn các sản phẩm sấy bằng không khí nóng Điều này có nghĩa là sản phẩm sấy bằng kỹ thuật sấy MW ít nâu hơn so với những sản phẩm cùng loại được chế biến bằng các

phương pháp sấy truyền thống [3] Trong nghiên cứu sấy cải bó xôi (Spinacia oleracea L.) [31] và đậu bắp (Hibiscus esculenta L.) bằng kỹ thuật sấy MW hoặc sấy tỏi, rau mùi,

Đối với sự thay đổi mùi hương sản phẩm trong suốt quá trình sấy, Lin và cộng sự (1998)

đã thực hiện nghiên cứu khi sấy cà rốt cắt lát chần trong nước trước khi đem sấy bằng sấy chân không kết hợp MW và bằng không khí ở 70°C Lát cà rốt sấy chân không kết hợp MW được đánh giá có cấu trúc, mùi hương và mức độ chấp nhận chung cao hơn so với mẫu sấy bằng không khí [8] Sharma và Prasad (2001) đã thực hiện một nghiên cứu

để khảo sát tiềm năng sấy tỏi bằng không khí nóng kết hợp MW và chỉ sấy bằng không khí nóng [32] Kết quả chỉ ra rằng khi sấy bằng không khí nóng kết hợp MW giữ lại các cấu tử hương quan trọng cao hơn so với chỉ sấy bằng không khí nóng Fathima và cộng

sự (2001) đã nghiên cứu ảnh hưởng của sấy MW lên hạn sử dụng và tính chất cảm quan

(hình dạng, màu sắc, mùi hương và đặc tính chung) của rau ngò (Coriander sativum), bạc hà (Mentha spicata), lá cà ri (Trigonella foenum-graceum), rau dền (Amaranthus sp.) và thì là (Peucedanum graveolens) bằng lò MW gia dụng [36] Các thông số cảm

quan của rau dền có điểm số tương tự giữa mẫu tươi và các mẫu sấy, tuy nhiên với các loại rau khác thì điểm số mẫu sấy thấp hơn mẫu tươi Nhóm nghiên cứu kết luận rằng

MW rất phù hợp để sấy rau dền, phù hợp mức tương đối để sấy lá cà ri hay thì là, ít phù hợp để chế biến ngò hoặc bạc hà Mặc dù họ chưa đưa ra được lời giải thích cho kết quả này [36] Kết quả nghiên cứu này cho thấy được bản chất của nguyên liệu ảnh hưởng rất lớn đến cảm quan sản phẩm sấy

Đặc tính hút nước của sản phẩm sấy khô được dùng như là một tiêu chí chất lượng và

nó chỉ ra những thay đổi vật lý và hóa học trong suốt quá trình sấy Khả năng hoàn nguyên chịu ảnh hưởng bởi điều kiện quá trình, thành phần mẫu, cách chuẩn bị mẫu, mức độ phá hủy cấu trúc cũng như phá hủy hóa học khi sấy [37] Trong hệ thống sấy có

14

sử dụng MW, MW dễ dàng đâm xuyên vào bên trong vật liệu sấy và bị hấp thu và chuyển hóa thành nhiệt trực tiếp bởi lượng ẩm bên trong tạo ra một dòng hơi thoát ra ngoài [38] Ngoài việc cải thiện tốc độ sấy thì dòng hơi này có thể giúp hạn chế sự co rút của cấu trúc, đây là một vấn đề hay gặp phải ở hầu hết các kỹ thuật sấy truyền thống Những sản phẩm sấy bằng MW được kỳ vọng có tính chất hút nước tốt hơn [38] Askari

và cộng sự (2006) cho rằng các lát táo sấy bằng MW hút nước tốt hơn hẳn so với những lát sấy bằng kỹ thuật sấy thăng hoa hay sấy đối lưu bằng không khí nóng [39] Các tác giả cho rằng những lỗ hở nội bào tạo bởi năng lượng MW đóng vai trò vừa hình thành lực mao dẫn vừa hình thành bề mặt hấp thu nên sản phẩm sấy bằng MW hấp thu một lượng lớn nước trong suốt quá trình hút nước và làm tăng khả năng hút nước Khả năng hút nước của mẫu sấy MW cũng tốt hơn so với mẫu sấy bằng không khí nóng khi nghiên

cứu sấy kiwi (Actinidia deliciosa) [40], sấy ngò rí (Coriander sativum L), bạc hà (Mentha spicata L), thì là (Anethum graveolens L) và ngò tây (Petroselinum crispum

Mill) [33] Tuy nhiên, khả năng hút nước của mẫu sấy còn tùy thuộc vào nhiều yếu tố, chẳng hạn như chiều dày của vật liệu, Cui và cộng sự (2003) phát hiện khả năng hút nước của tỏi dạng phiến sấy bằng sấy chân không kết hợp MW và sấy đối lưu tương tự nhau Họ cho rằng sản phẩm ở dạng lát mỏng có diện tích tiếp xúc pha rất lớn so với chiều dày thẩm thấu đã tạo điều kiện cho nước khuếch tán qua bề mặt vào bên trong mẫu một cách dễ dàng [41]

Đối với sự thay ở cấu trúc của vật liệu sấy trong nghiên cứu về quá trình sấy MW, một

số nghiên cứu được thực hiện đã so sánh cấu trúc lát cà rốt [8, 42], tỏi phiến [41, 42] và lát táo [42] khi sấy bằng các phương pháp sấy thăng hoa, sấy chân không kết hợp MW

và sấy bằng không khí nóng Trong đó mẫu sấy thăng hoa mềm nhất, tiếp đến là mẫu sấy chân không kết hợp MW và cứng nhất là mẫu sấy bằng không khí nóng Các tác giả cho rằng quá trình sấy thăng hoa đã duy trì các cấu trúc lỗ xốp của nông sản trong suốt quá trình sấy, trong khi đó cấu trúc xốp bị phá hủy vì tốc độ bốc hơi nước cao trong giai đoạn cuối của sấy chân không kết hợp MW và sấy đối lưu Sự co rút và mất lỗ xốp cũng được phát hiện trong sấy bằng không khí nóng do tốc độ khuếch tán ẩm chậm, kéo dài thời gian sấy và vì thế kết cấu bị dai, cứng [41, 42]

15

1.2.3.2 Biến đổi thành phần dinh dưỡng

Nhìn chung, xét về mặt dinh dưỡng, chất lượng sản phẩm sấy tốt khi có hàm lượng các chất có hoạt tính sinh học cao Dù mức năng lượng của MW rất thấp so với những loại bức xạ điện từ khác như tia X hay tia g, nhưng MW cũng có khả năng gây ra những biến đổi hóa học do tương tác trực tiếp với những phân tử và những liên kết hóa học [43] Khi nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình sấy chân không kết hợp MW lên các tính chất vật lý, giá trị dinh dưỡng và chất lượng cảm quan của cà rốt xắt lát, Lin và cộng sự (1998) đã phát hiện quá trình sấy bằng không khí nóng làm giảm cả hàm lượng a- và b-carotene, trong khi đó quá trình sấy chân không kết hợp MW chỉ làm tổn thất hầu hết a-carotene vốn chiếm một phần nhỏ trong tổng số carotene [8] Họ cũng chỉ ra rằng kỹ thuật sấy chân không kết hợp MW cải thiện chất lượng sản phẩm sấy tốt hơn so với sấy bằng không khí nóng Cụ thể, hàm lượng a- và b-carotene bị tổn thất 19,2% khi sấy bằng không khí nóng và chỉ tổn thất 3,2% khi sấy chân không kết hợp MW Bên cạnh

đó, hàm lượng của vitamin C có thể được giữ lại 79% so với mẫu tươi khi sấy chân không kết hợp MW, trong khi sấy bằng không khí nóng chỉ giữ lại được 38% hàm lượng vitamin C so với mẫu tươi [8] Khi sấy cà rốt và táo bằng sấy chân không kết hợp MW, sấy thăng hoa, kết hợp chân không và MW với sấy thăng hoa, và sấy bằng không khí nóng, Cui và cộng sự (2008) phát hiện sấy bằng không khí nóng làm tổn thất hàm lượng carotene cao nhất (29,4%), trong khi những kỹ thuật sấy còn lại có mức tổn thất khá thấp, cụ thể sấy chân không kết hợp MW, kết hợp chân không và MW với sấy thăng hoa, và sấy thăng hoa lần lượt có mức tổn thất là 5,1; 5,3; và 4,6% Theo nhóm nghiên cứu, sự phân hủy carotene do quá trình oxy hóa bị hạn chế trong sấy chân không kết hợp

MW, kết hợp chân không và MW với sấy thăng hoa, và sấy thăng hoa là nhờ vào thời gian sấy ngắn (sấy chân không kết hợp MW mất 0,5 đến 0,6 giờ sấy so với 5,5 giờ sấy của sấy bằng không khí nóng) và hàm lượng oxy trong buồng sấy ít trong suốt quá trình sấy (sấy thăng hoa ở 0,2 kPa) [42] Sự tổn thất carotene được xác định chủ yếu do tác động của nhiệt, oxy và enzyme lipoxygenase [44] Tuy nhiên, Nahimana và Zhang (2011) lại khẳng định carotenoid trong cà rốt khi sấy bằng sấy chân không kết hợp MW lại bị phân hủy đáng kể từ 32,8 đến 50,64% [45] Carotenoid là hợp chất nhạy cảm với ánh sáng, nhiệt và oxy, khi có mặt của các chất xúc tác thì các nối đôi liên hợp phản ứng

16

với oxy và các gốc tự do trong phân tử carotenoid tạo thành sản phẩm oxy hóa carotenoid và/hoặc những sản phẩm dẫn xuất khác Tuy nhiên, trong môi trường sấy chân không kết hợp MW có thể thấy đây là một môi trường hạn chế oxy và nhiệt Rõ ràng sự hiện diện của oxy là nguyên nhân chủ yếu gây ra sự khác biệt trong hai kết quả trên Cui và cộng sự (2008) sấy mẫu ở 2 W/g, 0,2 kPa; còn nghiên cứu của Nahimana và Zhang (2011) mẫu cà rốt được chần ở 90°C và sấy ở 1,3–2,5 W/g, 4 kPa Tức là nồng độ của oxy trong điều kiện sấy của Nahimana cao gấp 80 lần so với nghiên cứu của Cui

Khi so sánh hàm lượng ascorbic acid (vitamin C) trong các mẫu khoai tây (Solanum

tuberosum) sấy bằng MW và sấy đối lưu, Khraisheh và cộng sự (2004) phát hiện mẫu

sấy MW (10,5 W) còn 75% hàm lượng vitamin C so với ban đầu, trong khi đó lượng vitamin C trong các mẫu sấy bằng không khí (30°C) chỉ còn ít hơn 30% Thậm chí, khi sấy ở công suất MW cao hơn (38 W) lượng vitamin C còn lại trong mẫu chiếm hơn 45% Hàm lượng vitamin C trong các mẫu sấy MW được bảo tồn ít nhất gấp hai lần so với các mẫu sấy đối lưu [43] Tương tự vitamin C trong khoai tây, hàm lượng của các vitamin A, C và E trong mơ sấy bằng MW cũng cao hơn hẳn so với mơ sấy bằng hồng ngoại [46] Thời gian sấy cũng là một yếu tố quan trọng trong việc phân hủy vitamin Ozkan và cộng sự (2007) khảo sát công suất MW trong khoảng rộng từ mức rất thấp (90 W) đến mức rất cao (1000 W) khi sấy cải bó xôi Phần trăm vitamin C còn lại trong mẫu sấy so với mẫu tươi dao động từ 46,43% đến 86,83% Mẫu sấy ở công suất 90 W còn lại vitamin C thấp nhất (46,43%) và nguyên nhân được nhóm nghiên cứu đưa ra là do thời gian sấy ở chế độ này dài nhất gây ra sự tổn thất lớn ở mẫu sấy Các mẫu sấy ở mức công suất cao (500 đến 1000 W) giữ lại hàm lượng vitamin C cao nhất (trên 83%) [47] Hàm lượng ascorbic acid còn lại sau quá trình chế biến phụ thuộc vào những yếu tố chính gồm oxy, ion kim loại, ánh sáng, nhiệt độ và độ ẩm [48] Khi sấy thăng hoa do không có không khí và ánh sáng, nhiệt độ rất thấp trong suốt quá trình sấy nên hạn chế được sự oxy hóa dẫn đến màu sắc và hàm lượng ascorbic acid cũng như những hàm lượng dinh dưỡng khác trong sản phẩm được giữ lại nhiều hơn Đối với sấy chân không kết hợp MW và sấy thăng hoa thì hàm lượng ascorbic acid còn lại cũng rất cao vì không khí bị hạn chế và nhiệt độ sấy ôn hòa (25–45oC) [42] Bên cạnh vitamin, các hợp chất phenolic cũng rất được quan tâm trong quá trình chế biến rau trái Izli và cộng sự (2014)

17

nghiên cứu ảnh hưởng của các phương pháp sấy gồm sấy bằng không khí nóng (75–100°C), sấy MW (160 W) và sấy bằng không khí nóng kết hợp MW (160 W–75°C, 160 W–100°C) lên hàm lượng phenolic tổng và hoạt tính chống oxy hóa [35] Kết quả cho thấy mẫu tươi có hàm lượng phenolic tổng cao nhất, sau khi sấy thì hàm lượng phenolic tổng giảm 64–75% Không tìm thấy sự khác nhau có nghĩa giữa các mẫu sấy bằng không khí nóng, sấy bằng MW và sấy bằng không khí nóng kết hợp MW Nhóm nghiên cứu cho rằng hàm lượng phenolic tổng trong mẫu sấy bị giảm có thể là do trong suốt quá trình sấy các enzyme oxi hóa như polyphenoloxidase (PPO) và peroxidase (POD) không

bị vô hoạt ngay Các tác giả này cho rằng quá trình sấy đã tạo ra liên kết giữa polyphenol với những hợp chất khác (như protein) hoặc làm thay đổi ở cấu trúc của polyphenol mà không thể trích ly hoặc mô tả được bằng những phương pháp phân tích hiện nay [49] Các tác giả còn chỉ ra rằng mẫu tươi có hoạt tính chống oxy hóa cao hơn mẫu sấy khô Khi so các mẫu sấy ở những điều kiện sấy khác nhau thì mẫu sấy MW có hoạt tính chống oxy hóa cao hơn so với những mẫu còn lại và sự khác nhau ở những mẫu còn lại không

có ý nghĩa về mặt thống kê

1.2.4 Thành tựu trong và ngoài nước về quá trình sấy rau trái dưới tác dụng của

MW

1.2.4.1 Thành tựu trong nước liên quan đến sấy rau trái dưới tác dụng của MW

Theo báo cáo chuyên đề của Sở Khoa học Công nghệ thành phố Hồ Chí Minh năm 2019,

về hướng ứng dụng công nghệ sấy vi sóng trong bảo quản, chế biến nông sản và thực phẩm, thì hiện chỉ mới có một số ứng dụng nổi bật của vi sóng liên quan đến tiệt trùng sản phẩm, sấy phấn hoa Công ty cổ phần giải pháp nông nghiệp 5D và công ty cổ phần máy và thiết bị công nghiệp quốc tế đã thiết kế chế tạo và vận hành hệ thống vi sóng dạng hở - băng chuyền dùng tiệt trùng nước yến bằng vi sóng Trong hệ thống này sử dụng công suất MW rất cao, tối đa lên tới 12256W Công ty Thông tin Minh Dư đã nghiên cứu và chế tạo thành công máy sấy gỗ tươi hiệu Gosaviba 20 TS Lê Anh Đức (ĐH Nông Lâm Tp.HCM) đã thực hiện quá trình sấy phấn hoa theo mẻ dưới tác dụng của vi sóng [50]

Tóm lại, hiện trong nước đã có một số nơi sản xuất và cung cấp máy sấy vi sóng công nghiệp nhưng chưa có nhiều công bố liên quan đến tác dụng vi sóng lên sản phẩm trong

18

quá trình sấy hay điều kiện sấy vi sóng thích hợp để bảo toàn và nâng cao chất lượng sản phẩm rau quả

1.2.4.2 Thành tựu ngoài nước liên quan đến sấy rau trái dưới tác dụng của MW

Từ khi phát hiện khả năng gia nhiệt thể tích của MW có tác dụng tăng tốc quá trình truyền nhiệt và thúc đẩy quá trình loại ẩm khỏi nguyên liệu thực phẩm, trên thế giới đã

có nhiều nghiên cứu ứng dụng bức xạ MW để sấy thực phẩm Khi sấy thực phẩm chỉ bằng bức xạ MW, đã xuất hiện nhiều hạn chế khi thực nghiệm cũng như ứng dụng thương mại do sự phân bổ không đồng nhất của trường điện từ trong lò MW, sự truyền khối quá nhanh làm giảm chất lượng thực phẩm sấy [51] Làm thế nào để khắc phục nhược điểm đồng thời tận dụng ưu điểm của tác dụng MW khi sấy thực phẩm, đặc biệt

là khi sấy những thực phẩm chứa các thành phần hóa học có giá trị sinh học nhạy cảm với điều kiện chế biến, là mục tiêu chính trong nghiên cứu sấy có tác dụng của MW Để thực hiện điều này, cho tới nay, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu kết hợp giữa sấy

MW với những phương pháp sấy khác như sấy đối lưu bằng không khí nóng, sấy bơm nhiệt, sấy thăng hoa, sấy chân không,… [42, 52-56], thậm chí trong một quá trình kết hợp nhiều phương pháp sấy như là sấy bơm nhiệt cùng không khí nóng và bức xạ MW [57], sấy bơm nhiệt kết hợp cùng sấy thăng hoa và bức xạ MW [58], sấy MW kết hợp tách nước thẩm thấu và hoàn tất bằng sấy MW,… [51] Trong tổng hợp báo cáo rất đầy

đủ tác giả Zielinska và cộng sự (2019) đã cho thấy ở quy mô phòng thí nghiệm, các quá trình sấy kết hợp MW với các phương pháp sấy khác đã ảnh hưởng rất rõ rệt đến chất lượng cũng như quá trình thực hiện [51] Và các kết quả đa phần cũng chỉ ra rằng việc sấy kết hợp MW với các phương pháp khác đã tạo ra được sản phẩm có chất lượng tốt hơn với chi phí năng lượng cũng như tác động đến môi trường thấp hơn Tuy nhiên do

sự phức tạp của cấu trúc thực phẩm nên vật liệu nghiên cứu vẫn còn hạn chế Chỉ mới

có công bố thực hiện trên đậu bắp, mận, bí đỏ, măng, táo, lá oliu, lá bạc hà, ớt chuông,

cà chua, cà rốt, chuối, củ cải đường, đậu, thơm, măng tây, nấm, dâu, dâu tằm, hành tây, khoai tây [51] Các nghiên cứu ở mỗi phương pháp sấy chỉ mới ở giai đoạn phân tích, đánh giá ban đầu và cũng chỉ dừng lại khảo sát ở quy mô nhỏ phòng thí nghiệm [51]

19

1.2.5 Ưu và nhược điểm của quá trình sấy rau trái dưới tác dụng của MW

1.2.5.1 Ưu điểm của quá trình sấy rau trái dưới tác dụng của MW

Với khả năng gia nhiệt thể tích đặc trưng của sóng MW đã làm gia tăng tốc độ truyền nhiệt và truyền khối do đó đã rút ngắn thời gian sấy nhanh chóng Nhờ vậy mà hầu hết các sản phẩm sấy bằng MW có chất lượng được cải thiện hoặc không khác với những sản phẩm sấy bằng những kỹ thuật sấy truyền thống [30] Cũng nhờ vào đặc điểm gia nhiệt thể tích, mà sóng MW đã có thể hỗ trợ kết thúc giai đoạn sấy giảm tốc, cũng tức

là có khả năng kết thúc quá trình sấy [29] ở những vật liệu hạn chế tốc độ khuếch tán do

sự co rút của sản phẩm và độ ẩm ở bề mặt thấp trong giai đoạn sấy giảm tốc Ngoài ra, sấy MW cũng thành công khi sấy rau chứa các thành phần nhạy cảm nhiệt cao, và sấy trái cây với hàm lượng đường cao [30]

1.2.5.2 Nhược điểm của quá trình sấy rau trái dưới tác dụng của MW

Mặc dù, việc sử dụng MW để sấy thực phẩm mang lại những lợi ích rõ ràng như giảm thời gian sấy, giảm chi phí tuy nhiên nhiều nghiên cứu chỉ rõ rằng việc chỉ dùng MW

để sấy còn tồn đọng nhiều hạn chế quan trọng Một trong những trở ngại lớn nhất đó là trường điện từ trong buồng sấy MW không đồng nhất [59] Hệ quả của việc này sẽ gây

ra hiện tượng quá nhiệt ở các cạnh hoặc góc của sản phẩm, đặc biệt nếu gia nhiệt MW trong một khoảng thời gian dài sẽ dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ quá mức và có thể gây cháy ở những chỗ quá nhiệt Bên cạnh đó, nhiệt độ sản phẩm khi sấy bằng MW cũng rất khó kiểm soát [60] Ngoài ra, khả năng truyền khối quá nhanh của MW có thể gây ra tác động xấu đến chất lượng sản phẩm cũng như những biến đổi không mong muốn trong cấu trúc thực phẩm [61] Do vậy, nhiều nghiên cứu đề xuất và thực hiện kết hợp sấy

MW với các kỹ thuật sấy truyền thống (như sấy đối lưu bằng không khí nóng, sấy chân không, sấy phun trào, sấy thăng hoa,…) để cải thiện tốc độ sấy cũng như chất lượng sản phẩm sấy [24] Tuy nhiên ở mỗi phương pháp kết hợp với MW đều tồn động những khó khăn khi thực hiện như vấn đề về kiểm soát nhiệt độ trong buồng sấy, hiện tượng quá nhiệt ở các góc và cạnh, hiện tương phóng điện plasma khi kết hợp với sấy thăng hoa, hạn chế về vật liệu sấy (xem Bảng 1.1)

20

Bảng 1.1 So sánh các kỹ thuật sấy kết hợp MW khi sấy rau trái

Sấy đối lưu bằng không khí nóng kết hợp MW

Sấy chân không kết hợp MW

Sấy phun trào kết hợp MW

Sấy thăng hoa kết hợp MW

Mục đích Cải thiện tốc độ sấy và chất

lượng sản phẩm [29, 59] Tăng tốc quá trình sấy, giảm chi phí sấy chân

không, cải thiện chất lượng sản phẩm sấy [24]

Khắc phục hiện tượng quá nhiệt gây ra những điểm cháy trên sản phẩm sấy có hàm lượng đường cao [59]

Tăng tốc quá trình sấy nhằm giảm chi phí vận hành [62]

Đối tượng đã

nghiên cứu Táo [63], cà rốt [64], kiwi [40], măng tây [65], rau mùi,

lát bí đỏ [32]

Lát cà rốt [8, 42], tỏi [41, 42], lát táo [42] Quả việt quất, táo (malus domestica borkh) [66],

măng tây cắt lát [65]

Bắp cải [52], lát chuối [67], táo [39]

Năng lượng MW được áp dụng trong suốt quá trình sấy phun trào

(i) Năng lượng MW được

áp dụng trong suốt quá trình sấy thăng hoa

(ii) Năng lượng MW được

áp dụng sau quá trình sấy thăng hoa

Những vấn đề

còn tồn tại Vấn đề quá nhiệt chưa được kiểm soát Hiện tượng quá nhiệt ở sản phẩm vẫn xảy ra khi ứng

dụng áp suất chân không cao và sự tổn thất b-carotene lớn khi công suất

MW lớn hơn 600 W

Hạn chế về vật liệu sấy Hiện tượng phóng điện

plasma gây khó khăn trong việc thiết kế hệ thống quy

mô lớn

21

GIÁ TRỊ CỦA KHỔ QUA VÀ NGHIÊN CỨU SẤY KHỔ QUA

1.3.1 Gọi tên và phân loại khổ qua

Khổ qua có tên khoa học là Momordica charantia L., là cây leo thuộc họ bầu bí (Cucurbitaceae) Khổ qua là cây trồng phát triển mạnh ở các nước nhiệt đới và cận nhiệt

đới như Trung Quốc, Đài Loan, Malaysia, Thái Lan, Việt Nam, Indonesia, Ấn Độ và

Châu Phi Ở Việt Nam, tên dân gian của M charantia là mướp đắng vì tất cả các bộ

phận của cây đều có vị đắng Ở khu vực châu Á nó được biết đến với các tên địa phương

khác nhau như balsam pear (tiếng Anh), Karella (Hindi hoặc Urdu), Nigauri hoặc Goya (tiếng Nhật), Ku gua (Madarin), Ko guai (Đài Loan), khổ qua, mướp đắng, cẩm lệ chi… (Tiếng Việt), Ampalaya (Philippines) và Assorossie (tiếng Pháp) [69] Dựa vào hình dáng bên ngoài của quả sẽ có giống Momordica charantia L.Var charantiaL (trái to, màu xanh nhạt, gai tù và ít đắng) (Hình 1.1a) và giống Momordica charantia L.Var

abbreviata Ser (trái nhỏ, màu xanh đậm, gai nhọn và vị rất đắng) (Hình 1.1b)

Hình 1.1 a) Khổ qua giống Momordica charantia L.Var charantiaL và b) giống

Momordica charantia L.Var abbreviata Ser

1.3.2 Thành phần hóa học và giá trị dược lý của khổ qua

Khổ qua là thực vật giàu dinh dưỡng được sử dụng trong các bữa ăn và có mặt trong các sản phẩm thực phẩm chức năng, trong các bài thuốc, phổ biến ở châu Á và châu Phi nhờ vào các hợp chất có hoạt tính sinh học [69] có mặt trong khổ qua Các nghiên cứu về thành phần hóa học chính của khổ qua cho thấy trong khổ qua qua giàu vitamin, khoáng

22

và các hợp chất phenolic (đặc biệt là thành phần flavonoid và gallic acid) [70, 71] Ngoài

ra, khổ qua còn chứa những chất có hoạt tính sinh học khác như saponin, các hợp chất peptide và alkaloid [72] Nhiều nghiên cứu đã chứng minh mối liên hệ giữa khổ qua và các lợi ích về sức khoẻ, bao gồm chống ung thư, kháng vi rút, chống viêm, giảm đường huyết [73] Bảng giá trị dinh dưỡng trong 100g khổ qua tươi trong và ngoài nước được trình bày trong Bảng 1.2

Bảng 1.2 Giá trị dinh dưỡng trong 100 g khổ qua