KỸ THUẬT GIA NHIỆT OHMIC

BÀI TIỂU LUẬN HỌC PHẦN VẬT LÝ HỌC THỰC PHẨM ĐỀ TÀI: KỸ THUẬT GIA NHIỆT OHMIC (OHMIC HEATING) VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM KHOA CƠ KHÍ VÀ CÔNG NGHỆ

BÀI TIỂU LUẬN HỌC PHẦN VẬT LÝ

HỌC THỰC PHẨM

ĐỀ TÀI: KỸ THUẬT GIA NHIỆT OHMIC (OHMIC HEATING)

VÀ ỨNG DỤNG TRONG CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Sinh Viên Thực Hiện :

Giảng Viên Giảng Dạy :

MỤC LỤC

I ĐẶT VẤN ĐỀ 1

II NỘI DUNG 2

2.1 Khái niệm 2

2.2 Nguyên lý hoạt động 2

2.3 Ưu điểm, nhược điểm 4

2.3.1 Ưu điểm 4

2.3.2 Nhược điểm 5

2.4 Phân tích ứng dụng của kỹ thuật trong công nghệ thực phẩm (chú trọng đến sự biến đổi các tính chất vật lý của nguyên liệu/ sản phẩm, thực phẩm) 6

2.4.1 Ảnh hưởng của các công nghệ chế biến nhiệt mới đến chất lượng cảm quan của thịt và các sản phẩm thịt 7

2.4.2 Ảnh hưởng của công nghệ chế biến thực phẩm mới đối với chất chống oxy hóa đồ uống 11

2.4.3 Cải thiện chế biến nhiệt để sửa đổi kết cấu thực phẩm 14

IV KẾT LUẬN 16

Tài liệu tham khảo: 17

I ĐẶT VẤN ĐỀ

Xử lý nhiệt là một công đoạn quan trọng trong công nghệ chế biến thực phẩm

để bất hoạt vi sinh vật gây hại cho sức khỏe của người tiêu dùng cũng như gây ra các biến đổi làm giảm phẩm cấp của sản phẩm Tuy nhiên trong phương pháp gia nhiệt thông thường sử dụng trong môi trường truyền nhiệt chủ yếu là hơi nước để cung cấp nhiệt cho khối thực phẩm bằng cơ chế đối lưu hoặc dẫn nhiệt có tốc độ truyền nhiệt chậm vì độ dẫn nhiệt của thực phẩm thấp Do đó, để nhiệt độ tại tâm khối thực phẩm đạt được nhiệt độ cần thiết đã gây ra sự quá nhiệt cho lớp ngoài, từ

đó làm mất dinh dưỡng, giảm giá trị cảm quan và lãng phí năng lượng Trong những năm gần đây, có nhiều kĩ thuật hiện đại được nghiên cứu và ứng dụng có khả năng bất hoạt vi sinh vật hiệu quả hơn kỹ thuật gia nhiệt thông thường với chế

độ “ôn hòa” hơn Trong số những kỹ thuật tiên tiến đó, gia nhiệt Ohm là một kỹ thuật gia nhiệt phù hợp cho thực phẩm, đặc biệt là dạng lỏng

Cơ chế của kỹ thuật gia nhiệt này là một quá trình sinh nhiệt trong khối thực phẩm khi có một dòng điện xoay chiều đi qua Do tính chất cản trở dòng điện của thực phẩm nên một phần kỹ thuật này là gia nhiệt đồng đều, nhanh chóng nên ít gây tổn hại đến những thành phần nhạy nhiệt Chất lượng sản phẩm cao vì ít biến đổi về cấu trúc, dinh dưỡng, cảm quam và tăng độ an toàn vi sinh

II NỘI DUNG

2.1 Khái niệm

Gia nhiệt Ohm (OH), còn gọi là gia nhiệt Joule, là một quá trình sinh nhiệt khi cho một dòng điện xoay chiều đi qua khối thực phẩm, trong đó thực phẩm đống vai trò như một điện trở, cản trở dòng điện nên điện năng chuyển thành nhiệt năng bên trong khối thực phẩm OH cung cấp nhiệt nhanh và đồng nhất cho khối thực phẩm

Do đó, không xảy ra sự quá nhiệt giữa lớp bề mặt và tâm khối thực phẩm Sản phẩm sau xử lý nhiệt bằng phương pháp OH sẽ ít xuất hiện những biến đổi về dinh dưỡng, cảm quan Tuy nhiên, hiệu quả của OH phụ thuộc độ dẫn điện của thực phẩm, thay đổi theo từng loại nguyên liệu và tùy thuộc vào thông số của hệ thống (tần số dòng điện, cường độ điện trường) của quá trình OH Cần khảo sát và kiểm soát chặt chẽ các thông số để nâng cao hiệu quả quá trình xử lý

2.2 Nguyên lý hoạt động

Hệ thống sưởi Ohmic dựa trên sự truyền dòng điện xoay chiều (AC) qua một

cơ thể, chẳnh hạn như hệ thống thực phẩm dạng lỏng, đống vai trò như một điện trở trong đó nhiệt được tạo ra

Điện áp xoay chiều được đặt vào các điện cực ở hai đầu của thân sản phẩm Tốc độ nóng tỷ lệ thuận với bình phương cường độ điện trường và độ dẫn điện Cường độ điện trường có thể thay đổi bằng cách điều chỉnh khe hở điện cực hoặc điện áp đặt vào Tuy nhiên yếu tố quan trọng nhất là độ dẫn điện của sản phẩm và

sự phụ thuộc vào nhiệt độ của nó Nếu sản phẩm có nhiều hơn một pha, chẳng hạn như trong trường hợp hỗn hợp chất lỏng và hạt, độ dẫn điện của tất cả các pha phải được xem xét Độ dẫn điện tăng lên khi nhiệt độ tăng, cho thấy rằng việc sưởi ấm bằng ohmic trở nên hiệu quả hơn khi nhiệt độ tăng, về mặt lý thuyết có thể dẫn đến hiện tượng nóng chảy Sự khác biệt về điện trở và sự phụ thuộc nhiệt độ của nó giữa hai pha có thể làm cho các đặc tính sưởi ấm của hệ thống trở nên phức tạp Vì

độ dẫn điện bị ảnh hưởng bởi hàm lượng ion, nên có thể điều chỉnh độ dẫn điện của sản phẩm (cả 2 pha) với mức ion để đạt được hiệu quả sưởi ấm ohmic

Trong quá trình sưởi ấm bằng ohmic, các vi sinh vật được cho là bất hoạt nhiệt Các đóng góp khác cho cơ chế tiêu diệt cũng được đề xuất Cơ chế tích điện nhẹ có thể xảy ra trong quá trình gia nhiệt ohmic hoạt động ở tần số thấp (50 – 60 Hz) cho phép tích tụ điện tích và tạo thành các lỗ trên thành tế bào

Quá trình gia nhiệt ohmic dòng liên tục:

Sản phẩm, thực phẩm dạng sệt có chứa các hạt đi vào hệ thống gia nhiệt ohmic dòng liên tục thông qua phễu bơm thức ăn Sau đó, sản phẩm chạy qua một loạt điện cực trong cột ohmic, nơi nó được làm nóng đến nhiệt độ xử lý Sau đó sản phẩm đi vào các ống giữ trong một thời gian cố định để đạt được độ vô trùng thương mại Tiếp theo, sản phẩm chạy qua bộ làm mát hình ống và vào các bồn chứa, nơi nó được lưu trữ cho đến khi chiết rót và đóng gói

Hầu hết các cấu hình hệ thống sưởi ấm ohmic bao gồm ba mô-đun; lò sưởi lắp ráp, cung cấp điện và bảng điều khiển

2.3 Ưu điểm, nhược điểm

2.3.1 Ưu điểm

Làm nóng nguyên liệu thực phẩm bằng cách sinh nhiệt bên trong mà không bị giới hạn bởi sự truyền nhiệt thông thường và một số hiện tượng không đồng nhất thường liên quan đến việc gia nhiệt bằng lò vi sóng do sự thâm nhập điện môi hạn chế Quá trình gia nhiệt diễn ra theo thể tích và sản phẩm không trải qua một gradient nhiệt độ lớn bên trong khi nó nóng lên

Giảm nguy cơ bám bẩn trên bề mặt truyền nhiệt và cháy sản phẩm, thực phẩm dẫn đến hư hỏng cơ học tối thiểu và chất dinh dưỡng tốt hơn, giữ lại vitamin

Hiệu quả sử dụng năng lượng cao vì 90% năng lượng điện được chuyển hóa thành nhiệt

Tối ưu hóa vốn đầu tư và an toàn sản phẩm.

Dễ dàng kiểm soát quá trình với tính năng bật và tắt tức thì

Giảm chi phí bảo trì (không có bộ phận chuyển động), hiệu suất chuyển đổi năng lượng cao

Bảo quản và phân phối ở nhiệt độ môi trường khi kết hợp với thiết bị vô trùng Một hệ thống yên tĩnh, thân thiện với môi trường

Không truyền nhiệt dư sau khi ngắt dòng

 Ưu điểm đặc biệt là hâm nóng ohmic có thể cải thiện chất lượng thực phẩm

và tiết kiệm chi phí và năng lượng cho người chế biến. Hệ thống sưởi Ohmic có thể tạo ra thực phẩm an toàn, chất lượng cao và để xác nhận bất kỳ quy trình thương mại nào bằng cách chứng minh thực nghiệm ứng dụng của nó. Thời hạn sử dụng của thực phẩm được chế biến theo phương pháp ohmally tương đương với thời hạn

sử dụng của các sản phẩm được chế biến vô trùng và đóng hộp

2.3.2 Nhược điểm

- Thiếu thông tin khái quát

- Yêu cầu điều chỉnh theo độ dẫn của chất lỏng

- Dãi tần hẹp

- Khó theo dõi và kiểm soát

- Khớp nối phức tạp giữa nhiệt độ và phân phối hồ sơ điện

2.4 Phân tích ứng dụng của kỹ thuật trong công nghệ thực phẩm (chú trọng đến sự biến đổi các tính chất vật lý của nguyên liệu/ sản phẩm, thực phẩm).

Hệ thống gia nhiệt Ohmic đã được sử dụng từ những năm 1920 để thanh trùng sữa, quá trình bắt đầu với tên gọi Electropure Sau đó, một số đổi mới công nghiệp

và bằng sáng chế đã được phát triển, chẳng hạn như ứng dụng để nấu xúc xích Tuy nhiên, sự gia tăng giá điện, sự phát triển của các quy trình xử lý nhiệt mới (như xử

lý UHT) và các vấn đề ăn mòn của các điện cực tiếp xúc với các sản phẩm thực phẩm đã làm giảm đáng kể sự quan tâm của công nghệ này Cho đến những năm

1980, các ứng dụng làm nóng ohmic chủ yếu được giảm xuống để rã đông thịt và

cá đông lạnh

Từ những năm 1980, việc sử dụng hệ thống sưởi ohmic đã trải qua một sự hồi sinh và được điều chỉnh cho phù hợp với các hoạt động khác nhau trong ngành công nghiệp thực phẩm: tẩy trắng rau, làm nóng sơ bộ, chuẩn bị các sản phẩm thịt

đã chế biến, hoặc thanh trùng và khử trùng các sản phẩm lỏng hoặc rắn / lỏng Mối quan tâm mới này chủ yếu đến từ sự đổi mới của vật liệu (trơ, chẳng hạn như titan

và titan đã được mạ hóa) và cấu hình điện cực được chấp nhận, cũng như sự phát triển của tần số rất cao - theo thứ tự kHz - hạn chế hiện tượng ăn mòn

Hệ thống sưởi Ohmic đã được nghiên cứu nhiều lần trong lên men rượu và đã thể hiện sự quan tâm đến việc sử dụng nó trong sản xuất rượu vang, trong đó hoạt động lên men của nấm men sẽ được cải thiện, hoặc trong sản xuất bánh mì, có thể làm cho bột nhào lên men nhanh hơn bằng cách giảm giai đoạn trễ của nấm men Tuy nhiên, các ứng dụng công nghiệp của nó trong lĩnh vực này vẫn còn hạn chế;

Có vẻ như việc sử dụng duy nhất của sưởi ấm ohmic trong lĩnh vực sản xuất bánh

mì là để sản xuất Panko (Vụn bánh mì Nhật Bản)

Các kỹ thuật gia nhiệt được sử dụng phổ biến nhất cho chất lỏng và bùn dựa trên sự truyền nhiệt dẫn điện và đối lưu từ bề mặt nóng Nhiệt này có thể được cung cấp bởi môi trường nóng (thường là hơi nước) thông qua bộ trao đổi nhiệt (ví dụ,

loại vỏ và ống hoặc tấm) hoặc một bình có áo khoác được gia nhiệt Quá trình gia nhiệt này yêu cầu một gradient nhiệt độ để truyền nhiệt cho chất lỏng của quá trình,

do đó các bề mặt truyền nhiệt cần phải ở nhiệt độ cao hơn đáng kể so với sản phẩm Điều này có thể làm cho một số sản phẩm bị giảm nhiệt hoặc cháy trên bề mặt nóng ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm Sự bám bẩn này trên bề mặt đối với một

số sản phẩm dẫn đến tốc độ truyền nhiệt giảm, hiệu suất gia nhiệt kém và yêu cầu phải làm sạch thường xuyên Một hạn chế bổ sung của quá trình truyền nhiệt dẫn điện khi đun nóng chất lỏng rất nhớt và chất lỏng có hạt là sự truyền nhiệt có thể rất hạn chế, do đó quá trình gia nhiệt có thể chậm và có thể dẫn đến biên dạng nhiệt độ không đồng đều Trong những trường hợp này, có thể yêu cầu mức độ khuấy cơ học đáng kể để đạt được mức độ truyền nhiệt và tính đồng nhất cần thiết Sự khuấy động này thường có thể làm hỏng cấu trúc vật lý của sản phẩm

Vì quá trình sưởi ấm bằng ohmic tạo ra nhiệt trực tiếp trong sản phẩm, không

có bề mặt được làm nóng nên hầu như tránh được các vấn đề nêu trên

2.4.1 Ảnh hưởng của các công nghệ chế biến nhiệt mới đến chất lượng cảm quan của thịt và các sản phẩm thịt

Hệ thống sưởi ohmic có khả năng khử trùng liên tục đối với thực phẩm axit thấp có chứa các hạt Vì quy trình về cơ bản dựa trên nhiệt, nhiệt độ tối thiểu tại (các) điểm lạnh nhất và thời gian lưu lại của sản phẩm trong trường hoạt động là các yếu tố quy trình quan trọng chính để thực hiện tiệt trùng hiệu quả Xử lý nhiệt thành công hỗn hợp rắn-lỏng dựa trên vị trí thỏa đáng của các điểm lạnh trong dòng sản phẩm Tính chất điện chung của thịt đã được nghiên cứu Các nghiên cứu khác

đã báo cáo độ dẫn điện của các miếng thịt lợn khác nhau (ở 20°C) và quan sát thấy rằng nạc có tính dẫn điện cao so với mỡ Tốc độ gia nhiệt cũng được chứng minh là

tỷ lệ thuận với độ dẫn điện và bình phương cường độ điện trường Trong một nghiên cứu gần đây đã sử dụng các gradient điện áp khác nhau (20, 30 và 40 V / cm) cho hỗn hợp thịt bò-mỡ băm (ví dụ: mức chất béo bổ sung là 2%, 9% và 15%)

Các yếu tố ảnh hưởng đến độ dẫn điện đã được báo cáo là nhiệt độ và thành phần băm nhỏ Mặc dù ảnh hưởng của hàm lượng chất béo ban đầu đến độ dẫn điện là có

ý nghĩa thống kê, nhưng gradien điện áp không ảnh hưởng đến sự thay đổi độ dẫn điện trong quá trình nấu Độ dẫn điện của các mẫu tăng khi nhiệt độ tăng lên đến nhiệt độ nấu ban đầu quan trọng (60 – 70°C) tùy thuộc vào mức chất béo, sau đó giảm do thay đổi cấu trúc và sự gia tăng nước liên kết trong quá trình nấu

Một yếu tố quan trọng trong sự phát triển của hệ thống sưởi ấm ohmic để nấu thịt có thể là hàm lượng chất béo (hoặc sự hiện diện của các chất bổ trợ tương tự có tác động tiêu cực đến sự truyền nhiệt) Nếu các hạt cầu béo xuất hiện trong vùng dẫn điện cao, nơi các dòng điện có thể đi qua quả cầu, nó có thể nóng chậm hơn so với môi trường xung quanh do thiếu tính dẫn điện Trong những điều kiện như vậy, bất kỳ mầm bệnh nào tiềm ẩn trong pha chất béo có thể được xử lý ít hơn so với phần còn lại của sản phẩm Việc gia nhiệt pha chất béo sau đó có thể phụ thuộc vào tốc độ truyền năng lượng từ môi trường xung quanh Do đó, hệ số truyền nhiệt cao

có thể không nhất thiết liên quan đến trường hợp xấu nhất, vì chuyển động của chất lỏng có xu hướng làm nóng vừa phải trong những trường hợp như vậy Nếu pha giàu chất béo (độ dẫn điện thấp) được sắp xếp để chặn dòng điện một cách đáng kể, thì vùng đó có thể nóng nhanh hơn chất lỏng xung quanh Trong mọi trường hợp, phải cẩn thận trong việc thiết lập quy trình

Quá trình quy mô lớn có thể được thực hiện trong bếp ohmic hạng nặng hoặc máy sưởi ohmic theo mẻ Có rất nhiều thiết kế tiềm năng cho máy sưởi ohmic, tùy thuộc vào ứng dụng Các khía cạnh thiết kế chỉ đang được hiểu Máy sưởi Ohmic cũng đang được phát triển ở chế độ hàng loạt Một dự án của NASA đã liên quan đến việc phát triển một loại túi đặc biệt có khả năng làm nóng ohmic để hâm nóng thức ăn cho các sứ mệnh không gian, cũng như khử trùng chất thải

Sưởi ấm Ohmic có một số ưu điểm hơn so với các phương pháp gia nhiệt thông thường Dòng điện đi qua vật liệu thực phẩm gây ra quá trình sinh nhiệt

nhanh chóng và do đó làm nóng thức ăn nhanh hơn Vì quá trình đốt nóng diễn ra theo thể tích nên sự tăng nhiệt độ là đồng đều Nếu thức ăn lỏng có chứa các hạt thức ăn, chúng có thể được làm nóng đồng nhất tại cùng một thời điểm trong trường hợp dẫn điện tương tự nhau Điều này làm giảm khả năng xảy ra điểm lạnh, thiệt hại do nhiệt và thất thoát dinh dưỡng, đồng thời tăng khả năng gây chết tổng thể trong hỗn hợp Có thể thu được một sản phẩm có đặc tính kết cấu chấp nhận được, giảm thiểu mùi thơm và chất lượng cảm quan cao

Hệ thống sưởi Ohmic có thể được điều chỉnh cho phù hợp với dây chuyền chế biến thực phẩm vô trùng Nhiệt độ cần thiết cho quá trình xử lý UHT có thể đạt được Thời hạn sử dụng của các sản phẩm này được kéo dài và không cần vận chuyển các sản phẩm này trong dây chuyền lạnh Nó yêu cầu kiểm soát quá trình chính xác Nhiệt độ quy định có thể đạt được nhanh hơn so với các phương pháp sưởi ấm thông thường khác Thời gian xử lý ngắn làm giảm tác động tiêu cực của quá trình gia nhiệt lên các đặc tính chất lượng Vì nó có khả năng làm nóng nguyên liệu nhanh chóng và đồng đều dẫn đến xử lý nhiệt ít tích cực hơn, nó có thể thanh trùng các thực phẩm giàu protein, chẳng hạn như trứng lỏng và váng sữa, mà không

bị đông tụ Vì sự phân hủy protein và bám bẩn trên bề mặt thiết bị trong quá trình gia nhiệt ohmic ít hơn so với các phương pháp gia nhiệt thông thường, chi phí làm sạch và bảo dưỡng thấp hơn Không cần trộn các thực phẩm dạng lỏng để làm nóng đồng nhất, điều này rất quan trọng đối với thực phẩm nhạy cảm với hư hỏng cơ học Các bộ cấp nguồn không phức tạp khi thực hiện ở tần số thấp Hiệu suất chuyển đổi năng lượng rất cao, các hệ thống có dấu chân thiết bị nhỏ và nói chung

là yên tĩnh Vì có thể bật / tắt tức thì nên có thể kiểm soát nhiệt độ chính xác

Tuy nhiên, vẫn có những vấn đề phát sinh trong hệ thống sưởi ấm ohmic Hệ thống cần cách điện thích hợp, hệ thống kiểm soát quá trình chính xác và nhân viên được đào tạo tốt Các ứng dụng công nghiệp bị hạn chế do hạn chế của người tiêu dùng đối với các sản phẩm chế biến bằng điện; do đó không có dữ liệu sẵn có về