quá trình cô đặc công nghệ chế biến thực phẩm

mf – lưu lượng nguyên liệu đi vào thiết bị cô đặckg/sxf – hàm lượng chất khô trong nguyên liệu %w/w θf – nhiệt độ ban đầu của nguyên liệu cần cô đặc oC ms –lưu lượng hơi nước bão hòa để

Mục lục

Bảng phân công công việc 2

Lời mở đầu 3

A Khái quát về quá trinh cô đặc 4

I Bản chất và mục đích của quá trình cô đặc 4

II Các yếu tố kỹ thuật của quá trình cô đặc thực phẩm 6 III Biến đổi của thực phẩm trong quá trình cô đặc 9

IV Đặc điểm của nguyên liệu 11

V Các yếu tố ảnh hưởng 11

B Phương pháp thực hiện quá trình cô đặc 15

I Phương pháp 15

II Giới thiệu thiết bị cô đặc 17

III Ưu điểm nhượt điểm của các thiết bị 24

C Ví dụ quá trình cô đặc trong sản xuất 25

I Sản xuất sữa đặc có đường 25

II Sản xuất cà chua cô đặc 27

Tài liệu kham khảo 30

Bảng phân công công việc

A Khái quát về quá trình

C Ví dụ quá trình cô đặc

trong sản xuất Nguyễn Thị Mai Ly

Lời nói đầu

Công nghiệp thực phẩm là ngành công nghiêp chuyên sản xuất và chế biến các sản phẩm thực phẩm nhờ áp dụng máy móc và thiết

bị hiện đại.Từ nguyên liệu ban đầu để tạo ra sản phẩm thì phải trải qua nhiều quá trình chế biến phức tạp, chúng ta cần phảI nắm rõ những biến đổi về các tính chất như các biến đổi về vật lý cũng như hoá học của từng sản phẩm để có phương pháp chế biến thích hợp

Các quá trình chế biến bầng nhiệt chủ yếu như :quá trình sấy, quá trình chưng cất, quá trình trích ly, quả trình cô đặc…… Mỗi quá trình áp dụng cho từng loại thực phẩm khác nhau

Sau đây em xin giới thiệu một số ứng dụng của quá trình cô đặc trong công nghệ thực phẩm và những vấn đề cần quan tâm

A. Khái quát về quá trình cô đặc

I. Bản chất và mục đích của quá trình cô đặc

có dạng lỏng và nồng độ chất khô có thể lên đến 80%

Hiện nay có nhiều phương pháp khác nhau để tách nước ra khỏi thực phẩm lỏng như thẩm thấu ngược - sử dụng membrane (reverse osmosis), cô đặc lạnh đông (freeze concentration), cô đặc bằng nhiệt… Trong đó, phương pháp cô đặc bằng nhiệt tốn nhiều chi phí năng lượng Tuy nhiên, ưu điểm vượt trội của phương pháp cô đặc có thể tang lên rất cao so với các phương pháp tách nước khác.Trong quá trình cô đặc nhiệt, người ta thường sử dụng hơi nước bão hòa để nâng nhiệt độ nguyên liệu cần cô đặc đến điểm sôi Khi đó, nước từ trạng thái lỏng sẽ chuyển qua trạng thái hơi và thoát vào môi trường xung quanh Tốc độ bốc hơi nước phụ thuộc vào tốc độ truyền khối của bọt hơi Quá trình cô đặc bằng nhiệt được mô tả theo sơ đồ trên hình:

mf – lưu lượng nguyên liệu đi vào thiết bị cô đặc(kg/s)

xf – hàm lượng chất khô trong nguyên liệu (%w/w)

θf – nhiệt độ ban đầu của nguyên liệu cần cô đặc (oC)

ms –lưu lượng hơi nước bão hòa để gia nhiệt cho nguyên liệu cần cô đặc (kg/s)

θs –nhiệt độ hơi bão hòa (oC)

mp –lưu lượng sản phẩm cô đặc thoát ra khỏi thiết bị (kg/s)

xp –hàm lượng chất khô trong sản phẩm cô đặc (%w/w)

mv –lưu lượng hơi thứ thoát ra khoỉ thiết bị (kg/s)

θb –nhiệt độ sôi của nguyên liệu cần cô đặc (oC)

Hình 1: Sơ đồ quá trình cô đặc bằng nhiệt

Mục đích:

- Chuẩn bị: quá trình cô đặc bằng nhiệt có thể có mục đích công nghệ là

chuẩn bị, giúp cho các quá trình tiếp theo trong quy trình sản xuất được thực hiện dễ dàng và đạt hiệu quả kinh tế cao hơn

Ví dụ như trong công nghệ sản xuất trà hòa tan, dịch trich thu được từ nguyên liệu trà có nồng độ chất khô dao động trong khoảng 2,5-5,0% Người ta sẽ cô đặc bốc hơi dịch trích đến nồng độ chất khô 25-50% trước khi thực hiện quá trình sấy phun tạo sản phẩm bột trà hòa tan Như vậy, quá trình cô đặc dịch trích

có mục đích chuẩn bị cho quá trình sấy phun để nó diễn ra dễ dàng hơn, đồng thời tiết kiệm chi phí năng lượng trong toàn bộ quy trình sản xuất

Trong công nghệ sản xuất saccharose, dịch nước mía hoặc dịch trích từ củ cải đường sau công đoạn tinh sạch sẽ được đưa đi cô đặc bốc hơi trước khi thực hiện quá trình kết tinh đường Trong trường hợp này, quá trình cô đặc nhiệt cũng có mục đích chuẩn bị cho quá trình kết tinh tiếp theo

- Khai thác: quá trình cô đặc nhiệt sẽ tách bớt nước ra khỏi thực phẩm, do

đó sản phẩm trở nên “nhẹ hơn” và nồng độ các chất dinh dưỡng trong sản phẩm sẽ gia tăng

Ví dụ như trong công nghệ sản xuất nước trái cây cố đặc, sữa cô đặc … quá trình cô đặc là khai thác

- Bảo quản: quá trình cô đặc bằng nhiệt làm giảm lượng nước và tăng hàm

lượng chất khô trong sản phẩm Do đó, hoạt độ của nước trong sản phẩm sau cô đặc sẽ giảm đi Đây là một yếu tố quan trọng gây ức chế hệ vi sinh vật trong sản phẩm và góp phần kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm

Ví dụ: nếu so sanh sữa tươi với sữa cô đặc hoặc nước trái cây với nước trái cây

cô đặc thì các sản phẩm cô đặc sẽ có thời gian bảo quản lâu hơn

II. Các yếu tố kỹ thuật của quá trình cô đặc thực phẩm

 Quá trình cô đặc thực phẩm có 3 thông số cơ bản: nhiệt độ sôi, thời gian sản phẩm lưu lại trong thiết bị (thời gian cô đặc) và cường độ bốc hơi

- Khi tiến hành một quá trình cô đặc thực phẩm người ta đun nóng khối sản phẩm tới nhiệt độ sôi Nước trong sản phẩm bốc hơi cho đến khi nồng độ chất khô đã đến nồng độ yêu cầu thì ngừng quá trình cô đặc và cho sản phẩm ra khỏi thiết bị.

- Nhiệt độ sôi của sản phẩm phụ thuộc áp suất hơi ở trên bề mặt, nồng độ chất khô và tính chất vật lý, hóa học của sản phẩm

Độ chân không (mmHg) Nhiệt độ sôi (oC)

Quan hệ giữa nghiệt độ chân không và độ sôi của nước

Khi áp suất hơi trên bề mặt của sản phẩm càng thấp thì nhiệt độ sôi của sản phẩm càng thấp Vì vậy việc tạo độ chân không trong thiết bị cô đặc sẽ giảm được nhiệt độ sôi của sản phẩm Hay nói cách khác là điều chỉnh nhiệt độ sôi bằng cách thay đổi độ chân không

- Khi nồng độ chất khô trong sản phẩm càng lớn thì nhiệt độ sôi càng cao Trong quá trình cô đặc, nồng độ chất khô tăng dần nên nhiệt độ sôi của sản phẩm cũng tăng dần.

- Nhiệt độ sôi thấp thì tính chất của thực phẩm ít bị biến đổi như sinh tố ít bị tổn thất, màu sắc ít bị biến đổi, mùi thơm cũng ít bị bay hơi Nhiệt độ sôi thấp còn làm giảm tốc độ ăn mòn và kéo dài thời gian bền của vật liệu làm thiết bị cô đặc

Thời gian cô đặc

- Là thời gian lưu lại của sản phẩm trong thiết bị cô đặc cho sự bốc hơi nước ra khỏi nguyên liệu để đạt đến độ khô yêu cầu

- Thời gian cô đặc phụ thuộc vào phương pháp làm việc của thiết bị

và cường độ bốc hơi của sản phẩm Các thiết bị cho nguyên liệu vào, sản phẩm ra liên tục và sản phẩm có cường độ bốc hơi lớn thì thời gian lưu lại của sản phẩm trong thiết bị càng ngắn

Cường độ bốc hơi

Cường độ bốc hơi của sản phẩm phụ thuộc cường độ trao đổi nhiệt giữa hơi nóng và sản phẩm bốc hơi Cường độ trao đổi nhiệt được đặc

trưng bằng hệ số truyền nhiệt của quá trình cô đặc Hệ số truyền nhiệt càng lớn, cường độ bốc hơi càng cao.

III. Biến đổi của thực phẩm trong quá trình cô đặc

Trong quá trình cô đặc, nhiều biến đổi vật lý xảy ra trong nguyên liệu như hàm lượng chất khô tăng, độ nhớt tăng, tỷ trọng tăng… Tuy nhiên, khối lượng và thể tích nguyên liệu giảm đi, hoạt độ của nước trong nguyên liệu cũng giảm

Cần lưu ý là khi nồng độ chất khô của nguyên liệu tăng lên theo thời gian cô đặc thì nhiệt độ sôi của nguyên liệu cũng tăng theo

Hoặc như trong quá trình cô đặc nước trái cây, các vitamin như vitamin C sẽ bị phân hủy Biến đổi này cũng làm giảm giá trị dinh dưỡng của sản phẩm

Trong quá trình cô đặc, do nước bốc hơi nên giá trị của pH của thực phẩm cũng thay đổi theo

Tốc độ của các phản ứng hóa học xảy ra trong quá trình cô đặc bằng nhiệt sẽ phụ thuộc chủ yếu vào giá trị nhiệt độ và thời gian cô đặc

Ví dụ như trong công nghệ sản xuất nước trái cây cô đặc, sữa cô đặc… quá trình

cô đặc bốc hơi làm tăng nồng độ các chất dinh dưỡng trong sản xuất Trong trường hợp này, mục đích công nghệ quá trình cô đặc là khai thác

Quá trình cô đặc bằng nhiệt làm giảm hàm lượng nước và tăng hàm lượng chất kho trong sản phẩm Do đó, hoạt độ của nước trong sản phẩm sau cô đặc sẽ giảm đi Đây là một yếu tố quan trọng gây ức chế hệ vi sinh vật trong sản phẩm

và góp phần kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm

Ví dụ: nếu so sánh sữa tươi với sữa cô đặc hoặc nước trái cây với nước trái cây

cô đặc thì các sản phẩm cô đặc sẽ có thời gian bảo quản lâu hơn

Biến đổi hóa lý quan trọng trong quá trình cô đặc bằng nhiệt là sự chuyển pha của nước Nước tồn tại ở trạng thái lỏng trong nguyên liệu trước khi cô đặc sẽ chuyển sang trạng thái hơi và thoát ra môi trường bên ngoài

Trong quá trình cô đặc, có thể xảy ra sự đông tụ protein trong nguyên liệu nếu nhiệt độ cô đặc cao và đủ làm biến tính bất thuận nghịch protein Để hạn chế hiện tượng này, các nhà sản xuất cần tìm hiểu kỹ về thành phần hóa học của nguyên liệu và chọn nhiệt độ cô đặc phù hợp

Khi cô đặc ở áp suất thường, do nhiệt độ cô đặc cao (không thấp hơn 100oC) nên các enzyme trong nguyên liệu bị vô hoạt, nhiều vi sinh vật bị ức chế Các biến đổi hóa sinh và sinh học gần như không xảy ra

Khi cô đặc ở áp suất chân không, do nhiệt độ cô đặc thấp nên một số enzyme

và vi sinh vật chịu nhiệt có thể hoạt động được Cần lưu ý là các bào tử có thể hoạt hóa ở nhiệt độc 70oC

Quá trình cô đặc xảy ra làm hạn chế khả năng hoạt động của vi sinh vật ở nồng độ cao

Tiêu diệt vi sinh vật khi ở nhiệt độ cao

+ Hơi :130 – 150 ° C vi sinh vật chết + Bx : 65 – 68 % hạn chế vi sinh vật

Phải thực hiện nghiêm ngặt để bảo đảm các cấu tử quý của sản phẩm ,mùi vị đặc trưng được giữ nguyên , đạt đươc mức độ yêu cầu , các thành phần chủ yếu không được thay đổi

Phải giữ nguyên cấu tử quý thu hồi dung dịch lỏng rắn

Có thể cô đặc ở trạng thái áp suất , ap suất chân không , chân không ,

để hạn chế sự tổn thất vitamin đảm bảo thành phần hoá học không được mất đi , hạn chế tăng màu , tổn thất đường …

IV. Đặc điểm của nguyên liệu

- Nguyên liệu đưa vào cô đặc ở dạng dung dịch gồm dung môi là nước và các chất hoà tan gồm rất nhiều cấu tử phụ thuộc vào loạI thực phẩm và chất lượng sản phẩm cân cô đặc

- Các chất hoà tan không bay hơi trong quá tring cô đặc chủ yếu là đường , cà chua , vitamin C và các hợp chất khác như peptin , chất xơ , chất màu , chất thơm , tinh bột

V. Các yếu tố ảnh hưởng

- Sự chênh lệch nhiệt độc của hơi bão hòa (tác nhân gia nhiệt) và nhiệt độ sôi của nguyên liệu.

Nếu sự chênh lệch giữa nhiệt độ của hơi bão hòa và nhiệt độ sôi của nguyên liệu càng lớn thì tốc độ truyền nhiệt sẽ càng lớn Để tăng sự chênh lệch nhiệt độ nói trên, các nhà sản xuất có thể sử dụng một trong hai phương pháp sau đây + Tăng nhiệt độ và áp suất hơi bão hòa: phương pháp này có nhược điểm là nếu nhiệt độ của hơi bão hòa quá cao thì các cấu tử mẫn cảm nhiệt có trong nguyên liệu cần cô đặc sẽ bị biến đổi và ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm.

+ Giảm nhiệt độ sôi của nguyên liệu bằng cách cô đặc trong môi trường chân không: khi đó, nhiệt độ sôi của nguyên liệu cần cô đặc sẽ phụ thuộc vào áp lực trên bề mặt dung dịch, nồng độ chất khô của nguyên liệu và chiều cao cột thủy tinh tong thiết bị cô đặc

Mối quan hệ giữa nhiệt độ sôi của một dung dịch và áp suất được thể hiện trong phương trình Clapeyron:

trong đó:

P – áp suất hơi trên bề mặt dung dịch

T – nhiệt độ tuyệt đối; ∆Hv – nhiệt hóa hơi

R –hằng số khí; C- hằng số

Trong công nghiệp thực phẩm, các nhà sản xuất thường chọn phương pháp cô đặc chân không, nhiệt độ sôi của nguyên liệu có thể giảm xuống xấp xỉ 40oC Phương pháp này sẽ hạn chế tổn thất các cấu tử mẫn cảm với nhiệt có nguyên liệu cần cô đặc.

- Hiện tượng cặn bám trên bề mặt trao đổi nhiệt

Trong thiết bị cô đặc bốc hơi, bề mặt truyền nhiệt có hai mặt tiếp xúc: một mặt tiếp xúc với nguyên liệu cần cô đặc và một mặt tiếp xúc với hơi bão hòa Một số cấu tử của nguyên liệu trong quá trình cô đặc có thể bị bám dính trên bề mặt truyền nhiệt Ngoài ra, theo Fellows (2000) thì hơi bão hòa (tác nhân gia nhiệt) cũng có thể làm ăn mòn bề mặt của quá trình

Để hạn chế hiện tượng cặn bám trên bề mặt trao đổi nhiệt, các nhà sản xuất có thể gia tăng tốc độc dòng chảy nguyên liệu trong thiết bị Ngoài ra, sau mỗi mẻ sản xuất, chúng ta cần làm vệ sinh cẩn thận để làm trôi đi các cấu tử bám trên bề mặt truyền nhiệt

Lớp nguyên liệu chản dòng với bề mặt tiếp xúc tuyền nhiệt (lớp màng biên) thường tạo ra một trở lực lớn cho quá trình truyền nhiệt Để làm giảm chiều dày của màng biên này, các nhà sản xuất có thể thạo ra một dòng đối lưu tự nhiên hoặc cưỡng bức trong thiết bị cô đặc

Khi tăng độ nhớt của nguyên liệu, chỉ số Reynolds sẽ giảm nên tốc độc truyền nhiệt sẽ giảm đi

a) Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế của quá trình cô đặc

Trong quá trình cô đặc bằng nhiệt, bên trong dung dịch nguyên liệu sẽ xuất hiện những bong bóng hơi Nếu trong dung dịch nguyên liệu có chứa những cấu tử

có khả năng làm bền bọt như protein thì sẽ hình thành một lớp bọt trên bề mặt dung dịch trong thiết bị - lớp bọt này có khả năng làm giảm tốc độc thoát hơi thứ ra khỏi dung dịch cần cô đặc

- Tổn thất chất khô do hơi thứ

Trong quá trình cô đặc, hơi thứ thoát ra khỏi thiết bị có thể lôi theo một số cấu

tử (có trong nguyên liệu) ở dạng sương mù Tổn thất chất khô càng nhiều nếu sự sôi diễn ra quá mãnh liệt trong thiết bị bốc hơi Để hạn chế sự tổn thất này, các thiết bị cô đặc thường được thiết kế với khoảng không gian rộng, kèm theo bộ phận tách cấu tử bị hơi nước lôi cuốn theo

B. Phương pháp thực hiện quá trình cô đặc

I Phương pháp

 Nguyên liệu đưa vào cô đặc ở dạng dung dịch

• Gồm dung môi: nước

• Các chất hòa tan: gồm rất nhiều cấy tử, phụ thuộc vào loại, thành phần và chất lượng của sản phẩm cô đặc

_ Các chất này không bay hơi trong quá trình cô đặc Trong các chất hòa tan có chất chủ yếu (là dung dịch cần cô đặc, ví dụ: đường cà chua, glutamic, glutamate…) và các chất khác như pectin, xơ, vitamin, chất màu, chất thơm, tinh bột, protit…

Quá trình cô đặc có thể có trường hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu công nghệ, vào nồng độ cô đặc cần đạt cũng như dây chuyền thiết bị, điều kiện kỹ thuật khi cô đặc

Hiện nay quá trình cô đặc được thực hiện theo nhiều phương pháp

 Cô đặc trong thiết bị hở

 Cô đặc một nồi dưới chân không

 Cô đặc nhiều nồi

+Cách 2: (bổ sung dung dịch nguyên liệu theo chu kì) cho dung dịch vào

ở một mức 1, rồi gia nhiệt cho nước bốc hơi, khi dung dịch cạn xuống mức 2, châm bổ sung dung dịch, đưa lượng dung dịch về mức 1 Chu

trình lặp đi lặp lại nhiều lần, đến khi nồng độ dung dịch cô đặc đạt yêu cầu.

Cách này thường dùng cô đặc các dung dịch có nồng độ chất tan thấp, tuy nhiên trong quá trình cô đặc, nhiệt độ sôi tăng dần vì nồng độ dung dịch tăng dể ảnh hưởng đến màu sắc sản phẩm, cách này không áp dụng cho những chấy nhạy cảm với nhiệt

_Cách 3: (bổ sungdung dịch liên tục) mức dung dịch trong nồi cố định bằng cách bổ sung đều đều một lượng dung dịch bằng với lượng nước bốc hơi

Cô đặc một nồi dưới chân không:

Trong thiết bị chân không, nhiệt độ sôi của dung dịch thấp, vì vậy cô đặc châ không giữ được màu sắc, mùi vị tự nhiên của sản phẩm

Cô đặc nhiều nồi:

Mục đích tiết kiệm hơi

Nồi 1 đun bằng hơi đốt, các nồi sau lần lượt dùng hơi các nồi trước Hơi nước thứ nồi cuối vào thiết bị ngưng tụ Nồng độ dung dịch tăng nồi 1 đến nồi cuối, tuy nhiên số nồi càng nhiều thì hiệu quả tiết kiệm hơi càng giảm Trong thực tế công nghệ thực phẩm thường dùng từ 2 đến 4 nồi, hơi và dung dịch đi cùng chiều từ nồi đầu đến nồi cuối

Cô đặc liên tục: kết quả cô đặc tốt hơn cô đặc gián đoạn, các chỉ tiêu của thệ thống đều được điều chỉnh thự động

Các phương pháp cô đặc khác: cô màng mỏng, cô ly tâm, cô chân

không có trục quay nhiều tầng…