NGHIÊN cứu xác ĐỊNH CHẾ độ CHẦN (hấp) cá cơm THEO NGUYÊN lý CHẦN (hấp) LIÊN tục

Hai yếu tố có tính chất quyết định đến chất lượng cá cơm sau khi chần là nhiệt độ dung dịch nước chần và thời gian chần chỉ được xác định bằng kinh nghiệm của người thao tác [4], trong t

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CHẦN (HẤP) CÁ CƠM

THEO NGUYÊN LÝ CHẦN (HẤP) LIÊN TỤC

STUDY ON DETERMINATION OF PARBOILING CONDITION FOR ANCHOVY

BY CONTINUOUS PARBOILING METHOD

PGS.TS Lê Anh Đức

Trường Đại học Nông Lâm TP.HCM

leanhduc@hcmuaf.edu.vn

TÓM TẮT

Quy trình sản xuất cá cơm khô được thực hiện qua công đoạn chần (hấp) sau đó phơi hoặc sấy khô Việc chần cá được thực hiện thủ công, theo mẻ và là công việc rất nặng nhọc, làm việc trong môi trường nóng bức và nguy hiểm, nhiệt độ chần và thời gian chần được thực hiện theo chủ quan của người thao tác nên chất lượng cá cơm sau khi chần không cao Trên cơ

sở mô hình thiết bị chần cá cơm năng suất 20 kg/h hoạt động theo nguyên lý chần liên tục đã được thiết kế chế tạo, nghiên cứu đã quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố theo phương pháp bài toán “hộp đen” Kết quả nghiên cứu xác định được các phương trình mô tả ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch nước chần (T, oC) và thời gian chần (tg, s) đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của quá trình chần là tỷ lệ đạm của cá cơm sau khi chần so với cá cơm tươi (D, %) và chi phí điện năng riêng cho quá trình chần cá cơm (Ar, kWh/kg):

D = –493,432 + 14,1634.T + 0,5067.tg – 2,8571.10–3.T.tg – 0,0860.T2 – 1,7445.10–3.tg2

Ar = –0,6924 + 0,0128.T + 3,1620.10–3.tg – 1,1607.10–5.T.tg – 5,9184.10–5.T2 – 6,6562.10–6.tg2 Các thông số hoạt động tối ưu và các chỉ tiêu tối ưu của quá trình chần đã được xác định: Dmax = 98,39% và Armin = 0,11 kWh/kg-cá với thời gian chần là 90 giây và nhiệt độ của dung dịch nước chần là 85oC Cá cơm sau khi chần đạt vệ sinh an toàn thực phẩm theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6848:2001

Từ khóa: cá cơm, nhiệt độ chần, thời gian chần, hàm lượng đạm, chi phí điện năng riêng

ABSTRACT

The production process of dried anchovy is done through stages of parboiling and then drying The parboiling stage is manually operated without a machine, this is a hard work Parboiling temperature and parboiling time are performed according to the operator's experience, so quality of parboiled anchovy is low Based on anchovy parboiling machine with capacity of 20 kg/h which is manufactured, the study used multi-factorial experiment planning method with “black box” model The study results determined regression equations describe the effect of parboiling temperature (T, oC) and parboiling time (tg, s) on technical and economic norms of parboiling stage, including protein content (D, %) and specific energy consumption for parboiling stage (Ar, kWh/kg):

D = –493.432 + 14.1634T + 0.5067tg – 2.857110–3Ttg – 0,0860T2 – 1.744510–3tg2

Ar = –0.6924 + 0.0128T + 3.162010–3tg – 1.160710–5Ttg – 5.918410–5T2 – 6.656210–6tg2 Result of solving optimal problem gave optimal drying of anchovy parboiling such as: optimal norms for steam process: Dmax = 98.39% và Armin = 0.11 kWh/kg-anchovy at parboiling time of 90 seconds and parboiling temperature of 85oC Biochemical indicators of anchovy after parboiling met TCVN 6848:2001 Vietnamese standard

Keywords: anchovy, parboiling temperature, parboiling time, protein content, specific

energy consumption

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Cá cơm là một loại hải sản đặc trưng và là loại cá được khai thác quanh năm tại vùng biển của các tỉnh miền Trung và một số tỉnh khác Sau khi thu hoạch, một phần nhỏ cá cơm được tiêu dùng ở dạng tươi, còn lại là để làm mắm hoặc sơ chế thành cá cơm khô, trong đó cá cơm được sơ chế thành cá khô chiếm chủ yếu

Quy trình sản xuất sơ chế cá cơm khô hiện nay là sau khi được đánh bắt, cá được đưa vào chần (hấp) sau đó phơi hoặc sấy khô Thực tế hiện nay việc chần cá cơm được thực hiện thủ công, theo từng mẻ và phải có hai người cùng thao tác Nồi chứa dung dịch nước chần được đặt âm dưới đất và sử dụng nhiên liệu đốt là củi hoặc than, vì vậy người vận hành phải làm việc trong môi trường nguy hiểm và rất nóng bức do hơi nóng của lò đốt và của nồi dung dịch chần bốc hơi

Hai yếu tố có tính chất quyết định đến chất lượng cá cơm sau khi chần là nhiệt độ dung dịch nước chần và thời gian chần chỉ được xác định bằng kinh nghiệm của người thao tác [4], trong thực tế do nhiệt độ của dung dịch chần thay đổi liên tục (phụ thuộc vào độ cháy của nhiên liệu, lượng nhiên liệu mỗi lần cấp vào, thời điểm cấp nhiên liệu, sự giảm nhiệt độ dung dịch chần sau mỗi mẻ chần) và cũng không thể kiểm soát nên thời gian chần mỗi mẻ cũng thay đổi theo và thời gian này hoàn toàn tùy vào kinh nghiệm của người chần, vì vậy cá cơm tươi vốn rất nhiều đạm sau khi chần đã bị suy giảm chất lượng dinh dưỡng mà không thể kiểm soát được

Do nhu cầu tiêu thụ cá cơm khô trong nước cũng như phục vụ xuất khẩu ngày càng tăng

và yêu cầu của người tiêu dùng ngày càng khắt khe nên việc nghiên cứu chế độ chần cá cơm tối ưu nhằm đảo bảo chất lượng cá sau khi chần là cao nhất với chi phí chần thấp nhất cần được nghiên cứu

2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Mô hình thiết bị sử dụng trong nghiên cứu chế độ chần cá cơm đã được tính toán thiết

kế, chế tạo và thử nghiệm sơ bộ với năng suất 20 kg/h, mô hình hoạt động theo nguyên lý chần liên tục Các thông số vận hành của thiết bị chần như nhiệt độ dung dịch nước chần và thời gian chần được cài đặt, hiển thị và giám sát tự động [2]

Hình 1 Thiết bị hấp cá cơm theo nguyên lý hấp liên tục sử dụng trong thực nghiệm

Cá cơm dùng trong thí nghiệm là cá cơm tươi, chiều dài trung bình của thân cá 60 - 65

mm Dung dịch chần là dung dịch nước muối có tỷ lệ muối 3%

Phương pháp đo đạc trong thực nghiệm: các thông số có thể đo trực tiếp như nhiệt độ, thời gian, lượng điện tiêu thụ… được đo đạc bằng các dụng cụ đo chuyên dùng, các thông số còn lại được xác định thông qua các công thức quy đổi

Chất lượng cá cơm sau khi chần được kiểm định hàm lượng đạm tổng theo TCVN 8134:2009 [5], kiểm tra E.coli theo TCVN 6848:2001 [6], độ chín và nguyên vẹn của cá sau khi chần được đánh giá bằng cảm quan [7]

Phương pháp quy hoạch thực nghiệm: được thực hiện theo mô hình bài toán “hộp đen”

Bố trí thí nghiệm theo kiểu ngẫu nhiên hoàn toàn Các số liệu thí nghiệm được xử lý theo phương pháp phân tích phương sai dạng hồi quy phi tuyến Phương trình mô tả quan hệ giữa các yếu tố của bài toán “hộp đen” có dạng [1]:





















i j , 1 i

j i ij k

1 i

2 i ii k

1 i i i

b y

Trong đó: bo, bi, bii, bij là các hệ số hồi quy được xác định bằng thực nghiệm

Phương pháp tối ưu hóa [3]: bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu được xây dựng theo phương pháp thừa số Lagrange: chọn hàm cần tối ưu làm hàm cần tìm cực trị: f(x1,…, xk), hàm còn lại là hàm ràng buộc: gi(x1,…, xk) = 0, (i = 1: n) Lập hàm Lagrange:

) x ( g )

x ( ) , x ( F

n 1 i

i i













Trong đó λ = (λ1,… λm) là các thừa số Lagrange

Sau đó tìm cực trị không điều kiện của hàm F(x, λ) Phương pháp Lagrange quy về việc giải hệ phương trình F x0 và F 0

Sử dụng phần mềm Statgraphic Ver.7.0 để thiết kế thí nghiệm và xử lý số liệu thí nghiệm, phần mềm Microsoft Excel để lập và giải bài toán tối ưu hóa

3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

3.1 Kết quả xây dựng kế hoạch thực nghiệm theo mô hình bài toán “hộp đen”

Các thông số đầu ra của bài toán “hộp đen” đặc trưng cho mục đích nghiên cứu:

Hàm lượng đạm trong cá cơm là rất cao so với các loại cá khác Trong quá trình chần hiện nay, do chế độ chần chủ yếu theo kinh nghiệm và chưa hợp lý nên lượng đạm của cá cơm sau khi chần bị giảm sút nghiêm trọng Vì vậy lượng đạm của cá cơm sau khi chần là một trong những chỉ tiêu được sử dụng để đánh giá chất lượng cá cơm sau khi chần

Yếu tố thứ hai có liên quan đến chỉ tiêu kinh tế là năng lượng tiêu thụ cho quá trình chần cá Năng lượng này được quy đổi tính trên 1 kg cá và được gọi là chi phí điện năng riêng cho quá trình chần Như vậy, các thông số đầu ra của bài toán “hộp đen” bao gồm:

D: tỷ lệ đạm của cá cơm sau khi chần so với cá cơm tươi, %

Ar: chi phí điện năng riêng cho quá trình chần cá cơm, kWh/kg-cá

Các thông số đầu vào của bài toán “hộp đen”: căn cứ vào thực tế chần cá hiện nay, căn

cứ vào lý thuyết mô hình hóa và mục đích nghiên cứu, các thông số đầu vào và vùng nghiên cứu thực nghiệm của các thông số đầu vào của bài toán “hộp đen” như sau:

Nhiệt độ nước dung dịch chần trong phạm vi 75 - 95oC, khoảng biến thiên T = 7oC Thời gian chần dao động trong phạm vi 1 - 3 phút, khoảng biến thiên tg = 40 giây Bài toán “hộp đen” mô tả quá trình nghiên cứu được trình bày trên hình 2

Xác định trọng tâm kế hoạch thực nghiệm và bước biến thiên của các yếu tố:

Phương án thực nghiệm bậc hai dạng bất biến quay được chọn Cánh tay đòn  được xác định theo công thức:

k

2



Trong đó k là số yếu tố nghiên cứu (k = 2)

Hình 2 Mô hình bài toán “hộp đen” mô tả quá trình nghiên cứu

Nhiệt độ nước chần cá: T (oC)

T = To+  = 92oC

T = To–  = 78oC

- Điểm sao trên: T= To+ .T = 95oC

- Điểm sao dưới: T= To– .T = 75oC

Thời gian chần cá: tg (giây)

tg = tgo+  = 160 s

o

tg –  = 80 s

- Điểm sao trên: tg= tgo+ .tg = 177 s

- Điểm sao dưới: tg= tgo– .tg = 63 s

Mức và khoảng biến thiên trình bày trong bảng 1

Bảng 1 Mức và khoảng biến thiên các yếu tố đầu vào của bài toán “hộp đen”

Mức thực nghiệm Nhiệt độ nước chần (T, oC) Thời gian chần (tg, s)

Với hai yếu tố đầu vào như trên, tổng số thí nghiệm là N = 2k + 2.k + no = 13 thí nghiệm Trình tự thực nghiệm theo phương pháp ngẫu nhiên hoàn toàn

Quá trình chần

cá cơm

ξ

tg

Ar

3.2 Kết quả thực nghiệm và xử lý số liệu thực nghiệm

Tiến hành thực nghiệm theo ma trận thí nghiệm đã lập Các số liệu thu được sau khi phân tích tính toán được đưa vào ma trận thí nghiệm để làm dữ liệu nhằm tính các hệ số của

mô hình

Các mẫu cá cơm sau khi chần được để nguội đến nhiệt độ phòng, sau đó cấp đông, hút chân không và gửi xét mẫu nhằm kiểm tra hàm lượng đạm và các chỉ tiêu vi sinh

Các số liệu thực nghiệm được tiến hành phân tích phương sai dạng đa thức bậc hai Trong quá trình phân tích phương sai, những hệ số hồi quy không đảm bảo độ tin cậy sẽ bị loại bỏ khỏi mô hình Độ tin cậy của các hệ số hồi quy kiểm tra theo tiêu chuẩn Student, tính phù hợp của mô hình được kiểm tra theo tiêu chuẩn Fisher

Hình 3 Quá trình khảo nghiệm chần cá cơm và các mẫu cá cơm sau khi chần

Kết quả quy hoạch thực nghiệm và xử lý số liệu đã xác định được hai phương trình hồi quy biểu diễn sự ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch nước chần và thời gian chần đến tỷ lệ đạm của cá cơm sau khi chần so với cá cơm tươi và chi phí điện năng riêng cho quá trình chần Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa các thông số biểu diễn trên hình 4 và hình 6

Phương trình hồi quy mô tả tỷ lệ đạm của cá cơm sau khi chần so với cá cơm tươi (%):

D = –493,432 + 14,1634.T + 0,5067.tg – 2,8571.10–3.T.tg – 0,0860.T2 – 1,7445.10–3.tg2

(R2 = 0,985)

75 79 83

87 91 95

T(oC)

60 100 140 180

tg(s)

62 72 82 92 102

Hình 4 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ D - T - tg

0 10 20 30 40 standardized effects

AB BB AA A:T B:tg

-3.07 -14.12 -21.32 -30.65 -33.58

Hình 5 Đồ thị biểu diễn mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến hàm D

Kết quả biểu diễn mối quan hệ D - T - tg bằng đồ thị trên hình 4 đã cho thấy tỷ lệ hàm lượng đạm của cá cơm sau khi chần sẽ cao khi nhiệt độ chần thấp và thời gian chần ngắn Tuy nhiên kết quả thực nghiệm cho thấy nếu nhiệt độ chần quá thấp và thời gian chần ngắn thì cá cơm không đạt độ chín theo yêu cầu Nếu tăng thời gian chần nhằm làm giảm nhiệt độ chần, giúp giữ dinh dưỡng trong cá thì do đặc thù của thiết bị là hoạt động theo nguyên lý liên tục nên sẽ làm giảm năng suất chần của thiết bị, việc giảm năng suất này còn dẫn đến tăng chi phí điện năng riêng cho quá trình chần

Kết quả phân tích mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến hàm D bằng đồ thị trên hình 5 cho thấy thời gian chần là yếu tố có ảnh hưởng nhiều đến hàm lượng đạm của cá cơm sau khi chần và yếu tố này có quan hệ tỷ lệ nghịch với hàm lượng đạm của cá sau khi chần Điều này

có thể giải thích là khi thời gian chần kéo dài sẽ làm tăng thời gian tiếp xúc nhiệt (xử lý nhiệt) của cá cơm với dung dịch nước chần, dẫn đến sự phân hủy của các chất dinh dưỡng có trong

cá cơm Yếu tố nhiệt độ chần cũng có quan hệ tỷ lệ nghịch với hàm lượng đạm của cá sau khi chần

Phương trình hồi quy mô tả chi phí điện năng riêng cho quá trình chần:

Ar = –0,6924 + 0,0128.T + 3,1620.10–3.tg – 1,1607.10–5.T.tg – 5,9184.10–5.T2 – 6,6562.10–6.tg2 (R2 = 0,988)

75 79 83 87 91 95

T(oC)

60 100 140 180

tg(s)

54 74 94 114 134 154

(X 1E-3)

Hình 6 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ Ar - T - tg

Kết quả biểu diễn mối quan hệ Ar - T - tg bằng đồ thị trên hình 6 cho thấy chi phí điện năng riêng cho quá trình chần sẽ thấp khi nhiệt độ chần thấp và thời gian chần ngắn Tuy nhiên như đã trình bày ở phần trên, kết quả thực nghiệm cho thấy nếu nhiệt độ chần quá thấp

và thời gian chần không đủ thì cá cơm không đạt độ chín theo yêu cầu

0 10 20 30 40 50 60

standardized effects

AB AA A:T BB B:tg

-4.99 -5.87 20.55 -21.54

50.14

Hình 7 Đồ thị biểu diễn mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến hàm Ar

Kết quả phân tích mức độ ảnh hưởng của các yếu tố đến hàm Ar bằng đồ thị trên hình 7 cho thấy thời gian chần là yếu tố có ảnh hưởng rất lớn đến chi phí điện năng riêng cho quá

trình chần và yếu tố này có quan hệ tỷ lệ thuận với chi phí điện năng riêng Hiện tượng này đã

được giải thích khi phân tích mối quan hệ D - T - tg bằng đồ thị trên hình 4 đã trình bày ở trên

Như vậy, mối quan hệ giữa nhiệt độ chần và thời gian chần cá cơm cần được xác định ở một mức nào đó để tỷ lệ đạm của cá cơm sau khi chần là cao nhất và chi phí điện năng riêng cho quá trình chần là thấp nhất Vấn đề này được giải quyết qua kết quả nghiên cứu bài toán tối ưu đa mục tiêu

3.3 Kết quả xây dựng và giải bài toán tối ưu đa mục tiêu

Chỉ tiêu tối ưu về hàm lượng đạm là hàm lượng đạm của cá cơm sau khi chần đạt được giá trị lớn nhất, tương đương tỷ lệ đạm của cá cơm sau khi chần so với cá cơm tươi đạt giá trị lớn nhất (Dmax)

Chỉ tiêu tối ưu về chi phí điện năng riêng là chi phí điện năng riêng cho quá trình chần

cá cơm đạt giá trị thấp nhất (Armin)

Như vậy, chế độ chần tối ưu cho quá trình chần cá cơm theo nguyên lý chần liên tục phải đảm bảo sao cho hàm lượng đạm của cá cơm sau khi chần cao nhất với chi phí điện năng riêng cho quá trình chần là thấp nhất Thông số tối ưu là giá trị các thông số đảm bảo trị số chỉ tiêu tối ưu

Xuất phát từ mục đích nghiên cứu, bài toán tối ưu đa mục tiêu được lập trên cơ sở hai hàm D và Ar đặc trưng cho các chỉ tiêu nghiên cứu:

 Hàm mục tiêu: D  max và Ar  min

 Hàm điều kiện: 1,414 ≥ Ti, tgi ≥ – 1,414 (i = 1 ÷ n)

Kết quả giải bài toán tối ưu đa mục tiêu theo phương pháp thừa số Lagrange đã xác định được các thông số tối ưu và chỉ tiêu tối ưu như sau:

+ Chế độ chần tối ưu:

- Nhiệt độ dung dịch nước chần 85oC

- Thời gian chần cá 90 giây

+ Chỉ tiêu tối ưu:

- Tỷ lệ đạm của cá cơm sau khi chần so với cá cơm tươi đạt 98,39%

- Chi phí điện năng riêng cho quá trình chần 0,11 kWh/kg-cá cơm

Kết quả khảo nghiệm tại chế độ chần tối ưu đã cho thấy chất lượng cá cơm sau khi chần đạt yêu cầu, đánh giá cảm quan cá cơm có chất lượng cao, không bị tróc da và nát mang, cá

có màu sáng ánh bạc, độ chín đồng đều Hàm lượng đạm của các cơm sau khi chần gần như không thay đổi so với cá cơm tươi do nhiệt độ chần không cao và thời gian chần tương đối nhanh, tuy nhiên ở chế độ chần này cá cơm đạt yêu cầu về độ chin Các mẫu cá cơm sau khi chần đã được gửi xét nghiệm các chỉ tiêu vi sinh, kết quả cho thấy cá cơm sau khi chần đạt tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6848:2001

4 KẾT LUẬN

Trên cơ sở kết hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm, nghiên cứu đã sử dụng mô hình thiết

bị chần cá cơm năng suất 20 kg/h hoạt động theo nguyên lý liên tục để nghiên cứu quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố theo phương pháp bài toán “hộp đen” nhằm xác định mối quan hệ giữa các thông số làm việc của thiết bị chần và các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật (chất lượng cá và chi phí điện năng riêng) của quá trình chần , từ đó xác định chế độ chần cá cơm tối ưu

Kết quả nghiên cứu xác định được hai phương trình, phương trình thứ nhất mô tả ảnh hưởng của nhiệt độ dung dịch nước chần (oC) và thời gian chần (s) đến tỷ lệ đạm của cá cơm sau khi chần so với cá cơm tươi (%) và phương trình thứ hai mô tả chi phí điện năng riêng cho quá trình chần cá cơm (kWh/kg) Hệ số tương quan của cả hai mô hình rất cao, cho thấy

sự phù hợp của hai mô hình so với thực nghiệm

Các thông số hoạt động tối ưu và các chỉ tiêu tối ưu của quá trình chần cá cơm theo nguyên lý chần liên tục đã được xác định, cụ thể nhiệt độ của dung dịch nước chần là 85oC và thời gian chần là 90 giây, cá cơm sau khi chần sẽ đạt tỷ lệ đạm so với cá cơm tươi là 98,39%

và chi phí điện năng riêng cho quá trình chần là 0,11 kWh/kg-cá Cá cơm sau khi chần đạt yêu cầu và đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6848:2001

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Bùi Minh Trí Xác suất thống kê và quy hoạch thực nghiệm Nhà xuất bản Khoa học Kỹ

thuật, 2005

[2] Lê Anh Đức, Nguyễn Thanh Phong Thiết kế chế tạo và thử nghiệm thiết bị chần (hấp) cá

cơm hoạt động theo nguyên lý liên tục Tạp chí Công nghiệp nông thôn, số 19/2015

[3] Nguyễn Cảnh Quy hoạch thực nghiệm, Trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh,

1993

[4] Nguyễn Hay Nghiên cứu thay đổi nhiên liệu cho lò hấp cá cơm tại tỉnh Ninh Thuận Đề

tài nghiên cứu khoa học cấp Tỉnh (Ninh Thuận), 2003

[5] Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 8134:2009 Thịt và sản phẩm thịt - Xác định hàm lượng

Nitơ (phương pháp chuẩn) Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng, Bộ Khoa học và

Công nghệ

[6] Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6848:2001 Vi sinh vật học - Hướng dẫn chung về định

lượng Coliform - Kỹ thuật đếm khuẩn lạc Bộ Khoa học Công nghệ và Môi trường

[7] Vũ Kế Hoạch, Lê Anh Đức Nghiên cứu thiết kế chế tạo và xác định chế độ công nghệ tối

ưu thiết bị hấp hải sản làm việc liên tục, năng suất 50 kg/h Tạp chí Nông nghiệp và Phát

triển nông thôn, số 7/2013, trang 42 - 45