đồ án thiết kế hệ thống sấy hầm khoai mì năng suất 3 tấn nguyên liệu mẻ

- Sắn ngọt: gồm tất cả các loại sắn có hàm lượng cyanhydric thấp, loại sắn này có hàm lượng tinh bột thấp, ăn tươi không bị ngộ độc.. Vỏ củ Vỏ thịt - Dày hơn vỏ gỗ, có cấu tạo từ các lớp

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1 Tổng quan về nguyên liệu

Hình 2.1 Cây sắn (Khoai mì)

1.1 Đặc điểm cây sắn

Cây sắn hay còn gọi là cây khoai mì là cây lương thực ưa ấm nên được trồng nhiều ở

những nước có khí hậu nhiệt đới, có tên khoa học là Manihot esculenta Crantza.

1.2 Tình hình trồng sắn

Cây sắn được trồng trên 92 nước của vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới và là nguồn lương thực của khoảng 500 triệu người (nguồn CIAT, 1993)

Ở Việt Nam, sắn cùng với khoai là cây lương thực quan trọng thứ ba sau lúa và ngô Vùng Đông Nam Bộ là địa bàn trọng điểm sản xuất sắn hàng hóa với ưu thế vốn có về khí hậu, đất đai, giao thông vận tải, cơ sở hạ tầng, số dự án đầu tư vào chế biến và tiêu thụ sắn của nước ngoài

Diện tích trồng sắn của Việt Nam trong những năm tới dự kiến sẽ không tăng nhiều Tuy nhiên, sẽ gia tăng năng suất và sản lượng do việc áp dụng trồng các giống sắn mới có

năng suất củ tươi và năng suất bột cao, đồng thời với việc đẩy mạnh các biệnh pháp thâm canh như bón phân cân đối, trồng xen canh, có hệ thống canh tác thích hợp trên đất dốc

và rải vụ thu hoạch

Bảng 2.1: Đặc điểm một số giống sắn ([6])

Năng suất củ tươi (tấn/ha) 38,6 27,2 20,2 19,8 20

Thời gian thu hoạch (tháng) 7 ÷ 12 6÷ 9 7 ÷ 12 6÷ 9 6÷ 9

1.3Phân loại, cấu tạo, thành phần hóa học của củ sắn

1.3.1 Phân loại

Sắn có nhiều loại khác nhau về màu sắc, thân cây, lá, vỏ củ, thịt củ Tuy nhiên, trong công nghiệp sản xuất tinh bột người ta phân sắn thành hai loại sắn đắng và sắn ngọt

- Sắn đắng: cho năng suất cao, củ to, hàm lượng tinh bột trong củ cao, có nhiều nhựa củ, hàm lượng cyanhydric cao, ăn tươi bị ngộ độc

- Sắn ngọt: gồm tất cả các loại sắn có hàm lượng cyanhydric thấp, loại sắn này có hàm lượng tinh bột thấp, ăn tươi không bị ngộ độc

Hiện nay, loại sắn mà nông dân tỉnh Tây Ninh đang trồng chủ yếu là loại sắn đắng và các giống sắn này cho năng suất và hàm lượng tinh bột tương đối cao

1.3.2 Cấu tạo củ

Củ sắn thường thuôn dài ở hai đầu, tùy theo tính chất đất và điều kiện trồng mà kích thước của củ dao động trong khoảng:

- Chiều dài từ 0,1 ÷ 0,5m

- Đường kính củ từ 2 ÷ 8cm

Củ thường có 4 phần chính gồm: vỏ gỗ, vỏ củ, thịt củ và lõi

Hình 2.2: Cấu tạo mặt cắt ngang của củ sắn

a Vỏ gỗ (Vỏ lụa)

- Giữ vai trò bảo vệ củ Có thành phần chủ yếu là cellulose và hemicellulose

- Không có chứa tinh bột, chiếm 0,5% ÷ 2% trọng lượng củ

b Vỏ củ (Vỏ thịt)

- Dày hơn vỏ gỗ, có cấu tạo từ các lớp tế bào thành dày, thành tế bào có cấu tạo chủ yếu là cellulose, bên trong là hạt tinh bột, chất chứa Nitơ và dịch bào (nhựa) có ảnh hưởng tới màu của tinh bột khi chế biến

- Trong dịch bào có tanin, sắc tố, độc tố, các enzyme

- Vỏ củ có chứa từ 5% ÷ 8% hàm lượng tinh bột khi chế biến

c Thịt củ

- Là thành phần chủ yếu của củ

- Gồm các tế bào nhũ mô: vỏ tế bào là cellulose, pentozan; bên trong là hạt tinh bột, nguyên sinh chất, các glucid hòa tan và nhiều chất vi lượng khác

- Phân bố hàm lượng tinh bột trong thịt củ giảm dần từ phần thịt củ sát vỏ đến lõi

- Ngoài các lớp tế bào nhũ mô còn có các tế bào thành cứng không chứa tinh bột (cấu tạo từ cellulose) cứng như gỗ gọi là xơ Loại tế bào này thường thấy ở đầu cuống của củ sắn lưu niên và những củ biến dạng trong quá trình phát triển

d Lõi sắn

- Thường ở tâm dọc suốt từ cuống tới đuôi củ, ở cuống to nhất rồi nhỏ dần tới đuôi

củ

- Chiếm 0,3% ÷ 1% trọng lượng toàn củ, có thành phần chủ yếu là cellulose và hemicellulose

- Sắn có lõi lớn và nhiều xơ sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất và năng suất nghiền khi chế biến

Ngoài các thành phần trên, củ sắn còn cuống và rễ đuôi Các thành phần này có cấu tạo chủ yếu là là cellulose nên gây khó khăn trong chế biến

1.3.3 Thành phần hóa học của củ sắn

Thành phần hóa học của củ sắn dao động trong khoảng khá rộng tùy thuộc vào: giống, tính chất đất, điều kiện phát triển của cây, thời gian thu hoạch (đây là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hàm lượng tinh bột có trong củ)

Bảng 2.2: Tỷ lệ % (theo khối lượng) của các thành phần có trong củ sắn ([7])

1.3.3.1 Chất dinh dưỡng có trong củ

a Tinh bột

Tinh bột là thành phần quan trọng của củ khoai mì, bao gồm hai thành phần:

- Amylo: 15 ÷ 25%

- Amylopectin: 75 ÷ 85%

Hàm lượng tinh bột trong củ khoai mì phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: điều kiện khí hậu, giống, thời gian thu hoạch, bảo quản… nhưng quan trọng nhất là thời gian thu hoạch Chẳng hạn như: sắn 6 tháng thì thu hoạch khoảng từ tháng 10 ÷ 11 là tốt nhất (thời gian thu hoạch phụ thuộc vào giống sắn) sẽ cho năng suất và hàm lượng tinh bột cao nhất Còn nếu thu hoạch sớm thì năng suất củ thấp, lượng tinh bột ít, lượng chất hòa tan cao Còn thu hoạch trễ quá thì hàm lượng tinh bột sẽ giảm, thành phần xơ tăng, một phần tinh bột bị thủy phân thành đường để nuôi mầm non

Tinh bột trong khoai mì tồn tại dưới dạng các hạt tinh bột có kích thước 3 ÷ 34m Tinh bột khoai mì có một số tính chất đặc trưng rất có lợi khi sử dụng chúng làm nguyên liệu trong chế biến thực phẩm như:

- Tinh bột khoai mì không có mùi nên rất thuận tiện khi sử dụng chúng cùng với các thành phần có mùi trong thực phẩm

- Tinh bột khoai mì trong nước sau khi được gia nhiệt sẽ tạo thành sản phẩm có dạng sệt trong suốt nên rất thuận tiện trong việc sử dụng chúng cùng với các tác nhân tạo màu khác

- Tỉ lệ amylopectin : amylose trong tinh bột khoai mì cao (80:20) nên gel tinh bột có

độ nhớt, độ kết dính cao và khả năng gel bị thoái hóa rất thấp

Hình 2.3: Hạt tinh bột khoai mì qua kính hiển vi điện tử quét

b Đường

- Đường trong củ chủ yếu là glucose và một ít maltose, saccharose

- Trong quá trình chế biến các đường này sẽ hòa tan trong nước và theo nước dịch

ra ngoài

c Protid

- Protid là thành phần chưa được nghiên cứu kỹ, tuy nhiên vì hàm lượng thấp nên ít ảnh hưởng tới quy trình công nghệ

- Trong củ sắn, hàm lượng acid amine không được cân đối: thừa arginine nhưng lại thiếu các acid amine chứa lưu huỳnh

Bảng 2.3: Thành phần một số acid amine có trong củ sắn ([7])

Acid amine Hàm lượng (mg/100g protid)

Phenylalanine 33

d Vitamin và khoáng

- Củ sắn có chứa nhiều Vitamin C và Canxi

- Ngoài ra trong củ sắn còn có Vitamin B và nhiều loại khoáng khác

1.3.3.2 Các hợp chất khác

Ngoài những chất dinh dưỡng trên, trong củ sắn còn có chứa độc tố, tanin, sắc tố và các hệ enzyme phức tạp Đây là những chất gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng tinh bột sau này (chủ yếu về màu sắc)

a Độc tố

Trong củ khoai mì, HCN tồn tại dưới dạng cyanogenic glucoside gồm 2 loại linamarin

và lotaustralin

- Linamarin có công thức phân tử C10H17O6N và công thức cấu tạo là:

CH3

O

C6H11O5

- Độc tố này được phát hiện lần đầu bởi Peckolt và được gọi là manihotoxin

- Dưới tác dụng của dịch vị có chứa HCl hoặc men tiêu hóa, chất này bị phân hủy

và giải phóng ra acid cyanhydric là chất độc đối với người

C10H17O6N + H 2 O C6H12O6 + (CH3)2O + HCN

- Lotaustralin có công thức phân tử là C11H119O6N và công thức cấu tạo là:

CH2

O

C6H11O5

CH3

Tùy theo giống sắn, điều kiện đất đai, chế độ canh tác và thời gian thu hoạch mà hàm lượng HCN có khác nhau

Sự phân bố chất độc trong củ sắn không đều: cuống củ chứa nhiều chất độc hơn giữa

củ, lớp vỏ thịt chứa nhiều HCN hơn cả kế đến là lõi sắn, phần thịt sắn có chứa chất độc ít hơn

Các glucoside này hòa tan tốt trong nước nên trong quá trình sản xuất tinh bột, độc tố

sẽ theo nước dịch thải ra ngoài Vì vậy mặc dù sắn đắng có hàm lượng độc tố cao nhưng sản phẩm tinh bột từ sắn vẫn có thể sử dụng làm thực phẩm

Do các glucoside này tập trung nhiều ở vỏ củ do đó khi chế biến nên tách dịch bào nhanh để không ảnh hưởng đến màu sắc của tinh bột sau này vì HCN sẽ tác dụng với Fe cho ra muối cyanate sắt có màu xám làm đen bột

b Enzyme

Các enzyme trong sắn tới nay chưa được nghiên cứu kỹ Người ta cho rằng trong số các enzyme có trong củ sắn thì hệ enzyme polyphenoloxydase là enzym có ảnh hưởng lớn đến chất lượng sắn trong quá trình bảo quản và chế biến

Khi chưa đào lên, các enzyme này trong củ sẽ hoạt động yếu và ổn định nhưng khi đào củ lên thì các enzyme này có điều kiện để hoạt động mạnh, khi đó enzyme polyphenoloxydase sẽ xúc tác quá trình oxy hóa polyphenol tạo octorinon sau đó tổng hợp các chất không có bản chất phenol (các acid amine) tạo ra các sản phẩm có màu

Trong nhóm enzyme polyphenoloxydase có những enzyme oxy hóa các monophenol

mà điển hình là tyrosinase xúc tác sự oxy hóa acid amin tyrosine tạo ra quinon tương ứng Các quinon sau một loạt chuyển hóa sinh ra sắc tố màu xám đen gọi là melanin Đây

là một trong những nguyên nhân làm cho thịt sắn có màu đen (dân gian gọi là chạy nhựa)

Hình 2.4: Cơ chế tạo thành melanin từ tyrosine với sự xúc tác của enzym tyrosinase

Ngoài tyrosinase, các enzyme oxy hóa khử khác cũng góp phần làm tổn thất chất khô

c Tanin

- Hàm lượng tanin trong sắn ít nhưng sản phẩm oxy hóa của tanin là chất flobafen

có màu đen khó tẩy

- Ngoài ra phản ứng giữa tanin với sắt tạo tanat sắt có màu đen cũng khó tẩy

1.4Đánh giá chất lượng của củ sắn

Có hai phương pháp để đánh giá chất lượng của củ sắn

1.4.1 Phương pháp cảm quan

Xác định củ tốt xấu (có chạy nhựa hay không) và xác định tương đối hàm lượng tinh bột có trong củ

a Dùng phương pháp cảm quan để xác định củ mới và cũ

- Bẻ đôi củ sắn, nhìn vào bề mặt cắt ngang: nếu củ trắng tươi thì tốt có thể để lại sản xuất sau

- Nếu củ bị quầng đen, xám hay xanh đen tức là củ “chạy chỉ” nên đưa vào sản xuất ngay

b Dùng phương pháp cảm quan để xác định đúng tuổi sắn thu hoạch

- Chọn củ sắn trung bình trong khóm sắn rồi bẻ làm đôi, nếu ta chỉ dùng một lực vừa phải để bẻ gẫy và thấy thịt sắn chắc và khô, màu thịt củ trắng đục thì có thể coi như là đã thu hoạch sắn đúng tuổi, tỷ lệ tinh bột sẽ đạt ở mức cao

- Nếu ta bẻ củ cũng dễ dàng nhưng thấy thịt củ sắn có màu vàng nhạt tuy chắc thịt nhưng phần giữa củ ướt và trong thì đó là sắn còn non và lượng tinh bột thu được

sẽ ít

- Nếu dùng nhiều sức mới bẻ gãy được củ hoặc củ bẻ mà không gãy đôi tức là củ thu hoạch lúc quá tuổi, lúc đó củ có xơ nhiều và lượng tinh bột cũng đã giảm

c Dùng phương pháp cảm quan thống kê trong thu mua sắn nguyên liệu

- Củ nhỏ và ngắn (chiều dài khoảng 10cm, đường kính củ chỗ lớn nhất dưới 1,5cm) không quá 4%

- Củ dập nát và gẫy vụn không quá 3%

- Lượng đất và tạp chất tối đa từ 1,5% ÷ 2%

- Không có củ thối

- Củ có dấu vết chạy nhựa nhỏ hơn 5%

1.4.2 Phương pháp thực nghiệm để xác định hàm lượng tinh bột có trong củ

- Dùng loại cân thực nghiệm do Thái Lan thiết kế

- Cân này hoạt động dựa trên sự khác nhau về tỷ trọng giữa tinh bột và nước

- Qua nhiều lần khảo sát và từ các số liệu thu được hàm lượng tinh bột tương ứng với mỗi lần là 5kg củ

1.5Vấn đề về bảo quản củ sắn

Trong quá trình bảo quản, sắn tươi thường nhiễm bệnh thối khô và thối ướt do nấm và

vi khuẩn gây nên nhất là đối với những củ bị tróc vỏ và dập nát

Một số phương pháp bảo quản khoai mì tươi:

- Bảo quản trong hầm kín: mục đích của việc bảo quản trong hầm kín là hạn chế sự hoạt động của các enzyme oxy hóa, một trong những nguyên nhân làm hư hỏng

củ Yêu cầu hầm phải kín hoàn toàn, phải có mái che để tránh nước chảy vào

- Bảo quản bằng cách phủ cát khô: chọn củ có kích thước đều, không bị dập nát xếp thành luống cao 0,5 ÷ 0,6m, rộng 1,2 ÷ 1,5m, chiều dài khoảng 4m Sau đó phủ đều cát lên, chiều dày lớp cát ít nhất là 20cm

- Bảo quản bằng cách nhúng hoặc phun dung dịch nước vôi 0,5%, sau đó dùng trấu hoặc cát phủ kín đống khoai mì, bảo quản theo phương pháp này có thể bảo quản trong 15 ÷ 25 ngày

- Theo tài liệu [8] sắn mua về không nên để quá 48 giờ sau thu hoạch nên ta phải chọn chế độ thu mua thích hợp để có thể chế biến trong vòng 24 giờ nhằm tránh trường hợp hư hỏng và giảm chất lượng tinh bột của củ

2 Tổng quan về phương pháp sấy

2.1 Bản chất của sấy

Sấy là quá trình làm bốc hơi nước ra khỏi vật liệu bằng nhiệt Mục đích của quá trình sấy là làm giảm khối lượng của vật liệu, tăng độ bền và bảo quản được tốt

Trong quá trình sấy nước được cho bay hơi ở nhiệt độ bất kỳ do sự khuếch tán bởi sự chênh lệch độ ẩm ở bề mặt và bên trong vật liệu và bởi sự chênh lệch áp suất hơi riêng phần của tại bề mặt vật liệu và môi trường chung quanh Sấy là quá trình không ổn định,

độ ẩm của vật liệu thay đổi theo không gian và thời gian

2.2 Phân loại

Phân loại các phương pháp sấy theo phương thức cung cấp nhiệt:

Phương pháp sấy đối lưu

Phương pháp sấy bức xạ

Phương pháp sấy tiếp xúc.

Phương pháp sấy bằng điện trường dòng cao tần

Phương pháp sấy thăng hoa

2.3 Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy

Ảnh hưởng của nhiệt độ không khí: Trong các điều kiện khác nhau không đổi như

độ ẩm không khí, tốc độ gió…, việc nâng cao nhiệt độ sẽ làm tăng nhanh tốc độ sấy Nhưng nhiệt độ làm khô cao sẽ làm ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm, dễ làm cho nguyên liệu bị chín và gây nên sự tạo màng cứng ở lớp bề ngoài cản trở tới sự chuyển động của nước từ lớp bên trong ra bề mặt ngoài Nhưng với nhiệt độ làm khô quá thấp, dưới giới hạn cho phép thì quá trình làm khô sẽ chậm lại dẫn đến sự thối rữa, hủy hoại nguyên liệu Khi sấy ở những nhiệt độ khác nhau thì nguyên liệu có những biến đổi khác nhau Nếu nhiệt độ cao hơn nữa thì nguyên liệu có thể bị cháy làm mất giá trị dinh dưỡng

và mất giá trị cảm quan của sản phẩm

Ảnh hưởng của tốc độ chuyển động không khí: Tốc độ chuyển động của không khí

có ảnh hưởng lớn đến quá trình sấy, tốc độ gió quá lớn hoặc quá nhỏ đều không có lợi cho quá trình sấy Vì tốc độ chuyển động của không khí quá lớn khó giữ nhiệt lượng trên nguyên liệu để cân bằng quá tŕnh sấy, còn tốc độ quá nhỏ sẽ làm cho quá trình sấy chậm lại Hướng gió cũng ảnh hưởng rất lớn đến quá trình làm khô, khi hướng gió song song với bề mặt nguyên liệu thì tốc độ làm khô rất nhanh

Ảnh hưởng của độ ẩm tương đối của không khí: Độ ẩm tương đối của không khí

cũng là nhân tố ảnh hưởng quyết định đến quá trình làm khô, độ ẩm của không khí càng lớn thì quá trình làm khô sẽ chậm lại

Ảnh hưởng của kích thước nguyên liệu: Ảnh hưởng của kích thước nguyên liệu

Kích thước nguyên liệu cũng ảnh hưởng đến quá trình sấy Nguyên liệu càng bé, càng mỏng thì tốc độ sấy càng nhanh, nhưng nếu nguyên liệu có kích thước quá bé và quá mỏng sẽ làm cho nguyên liệu bị cong, dễ gãy vỡ

Ảnh hưởng của bản thân nguyên liệu: Tùy vào bản thân nguyên liệu mà người ta

chọn chế độ làm khô cho phù hợp, cần phải xét đến thành phần hóa học của nguyên liệu như: nước, lipit, protein, chất khoáng, Vitamin, kết cấu tổ chức chắc hay lỏng lẻo

Trong các phương pháp kể trên phương pháp sấy đối lưu, bức xạ và tiếp xúc được dung rộng rãi hơn cả, nhất là phương pháp sấy đối lưu

Mỗi phương pháp trên được thực hiện trong nhiều kiểu thiết bị khác nhau

2.4 Các thiết bị sấy

Kiểu thiết bị

sấy

Cách làm việc

Sản phẩm sấy Chế độ sấy và tiêu hao riêng nhiệt

Buồng sấy Chu kỳ Các mảng gỗ nhỏ,

rau củ quả, gạch, chất cách nhiệt, …

Nhiệt môi chất sấy 60 ÷250oC Tiêu hao riêng nhiệt q = 6000 ÷

10000 (kJ/kg ẩm) Hầm sấy Liên tục Nhiều loại sản

phẩm như kiểu buồng sấy

Nhiệt môi chất sấy 120 ÷300oC Tiêu hao riêng nhiệt q = 5000 ÷

8500 (kJ/kg ẩm) Tháp sấy Liên tục, vật

liệu rơi trong tháp

Muối, quặng, ngũ cốc

Nhiệt môi chất sấy 60 ÷180oC Tiêu hao riêng nhiệt q = 5000 ÷

6500 (kJ/kg ẩm) Thùng quay Liên tục hay

chu kỳ

Vật liệu dạng hạt, quặng, ngũ cốc, …

Nhiệt môi chất sấy -Than, quặng 650 ÷850oC -Ngũ cốc 60÷1200C Năng suất bốc hơi ẩm A= 50÷

150(kg ẩm/m3h) Tiêu hao riêng nhiệt q = 3500 ÷

5000 (kJ/kg ẩm) Sấy khí

động

Liên tục Vật liệu dạng

hạt(ẩm tự do), các chất kết tinh

Tốc độ khí 10÷40 m/s Tiêu hao riêng nhiệt

Sấy phun Liên tục Sữa, trứng và các

loại dung dịch khác

Khi t= 130÷150oC A=2÷4 (kg ẩm/m3h) t= 300÷400oC A=8÷12 (kg ẩm/m3h) t= 500÷700oC

A=15÷25 (kg ẩm/m3h) Sấy tầng sôi Liên tục hay

chu kỳ

Vật liệu có độ ẩm cao, bột nhão, hạt

Cường độ bay hơi ẩm