Nghiên cứu công nghệ sấy chuối bằng phương pháp sấy lạnh

i TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: Lê Thị Thanh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA VÀ THỰC PHẨM

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ SẤY CHUỐI

BẰNG PHƯƠNG PHÁP SẤY LẠNH

GVHD: ThS NGUYỄN TẤN DŨNG SVTH: LÊ THỊ THANH CHÂU MSSV: 11116007

S K L 0 0 3 9 3 0

i

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Lê Thị Thanh Châu

Xây dựng mối quan hệ giữa các yếu tố ảnh hưởng đến hàm mục tiêu

Thiết lập và giải bài toán tối ưu của công nghệ sấy bằng phương pháp sấy lạnh

Xác lập chế độ công nghệ và xây dựng quá trình sấy

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện đồ án, chúng tôi đã gặp không ít khó khăn, nhưng luôn nhận được sự giúp đỡ tận tình từ phía thầy cô, gia đình và bạn bè, chúng tôi xin chân thành cám ơn tất cả mọi người

Chúng tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến:

Ban giám hiệu nhà trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật, quý thầy cô đã tạo điều kiện thuận lợi cho chúng tôi trong suốt quá trình làm đồ án, quá trình học tập, tận tình giảng dạy và truyền đạt những kiến thức quý báu trong suốt thời gian theo học tại trường

Các thầy, cô quản lý phòng thí nghiệm của trường Sư Phạm Kỹ Thuật đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, giúp đỡ chúng tôi trong suốt thời gian thực hiện đồ án

Thầy Nguyễn Tấn Dũng đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn những kinh nghiệm cũng như kiến thức chuyên ngành để chúng tôi có thể hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp của mình

Chúng tôi cũng xin cám ơn đến gia đình và bạn bè luôn giúp đỡ và động viên trong suốt thời gian chúng tôi học tập và thực hiên đồ án tốt nghiệp

Một lần nữa chúng tôi xin chân thành cám ơn và kính chúc mọi người sức khỏe, học tập và làm việc tốt

Tp.HCM, ngày… tháng … năm 2015

Sinh viên thực hiện

iii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung đƣợc trình bày trong khóa luận tốt nghiệp là của riêng tôi Tôi xin cam đoan các nội dung đƣợc tham khảo trong khóa luận tốt nghiệp đã đƣợc trích dẫn chính xác và đầy đủ theo qui định

Ngày tháng năm 2015

Ký tên

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP i

LỜI CẢM ƠN ii

LỜI CAM ĐOAN iii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH vii

DANH MỤC BẢNG viii

MỞ ĐẦU xi

TÓM TẮT ĐỒ ÁN xiii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1

1.1 Cơ sở lý thuyết quá trình sấy 1

1.1.1 Cơ sở quá trình sấy 1

1.1.2 Động học của quá trình sấy 1

1.1.3 Khái niệm sấy 2

1.1.4 Bản chất quá trình sấy 2

1.1.5 Đặc điểm của quá trình sấy 2

1.1.6 Mục đích quá trình sấy 3

1.1.7 Phân loại quá trình sấy 4

1.2 Cơ sở lý thuyết sấy lạnh và hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt 5

1.2.1 Sấy lạnh 5

1.2.2 Hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt 6

1.2.3 Ưu và nhược điểm 7

1.2.4 Các biến đổi trong quá trình sấy 8

1.3 Nguyên liệu chuối 9

1.3.1 Đặc điểm sinh học 9

1.3.2 Thành phần hóa học và dinh dưỡng 13

1.3.3 Giá trị sử dụng 15

1.4 Tình hình sản xuất và tiêu thụ chuối trong nước và thế giới 16

1.4.1 Tình hình ngoài nước 16

1.4.2 Tình hình trong nước 18

1.5 Các nghiên cứu trong và ngoài nước 20

v

1.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy lạnh 21

1.6.1 Yếu tố nguyên liệu 21

1.6.2 Yếu tố công nghệ 22

1.6.3 Yếu tố phụ thuộc 23

1.6.4 Yếu tố thiết bị 23

1.7 Kết luận 23

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 25

2.1 Nguyên liệu 25

2.2 Thiết bị và dụng cụ 25

2.2.1 Thiết bị chính 25

2.2.2 Thiết bị phụ và dụng cụ 25

2.2.3 Hóa chất 26

2.3 Sơ đồ nghiên cứu 27

2.4 Phương pháp nghiên cứu 30

2.4.1 Phương pháp xác định ẩm 30

2.4.2 Phương pháp xác định hàm lượng tro TCVN 1456 – 83 30

2.4.3 Phương pháp xác định đường khử 31

2.4.4 Phương pháp xác định vitamin C 31

2.4.5 Phương pháp xác định acid tổng 32

2.4.6 Phương pháp xác định chi phí năng lượng 33

2.5 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm và tối ưu hóa 33

2.5.1 Thiết lập bài toán tối ưu cho các hàm mục tiêu thành phần 33

2.5.2 Thiết lập bài toán tối ưu cho đa mục tiêu 36

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 39

3.1 Xác định chỉ tiêu đầu vào của nguyên liệu 39

3.2 Kết quả thực nghiệm 40

3.3 Xây dựng mối quan hệ giữa các yếu tố công nghệ ảnh hưởng với các hàm mục tiêu 41

3.3.1 Xây dựng mối quan hệ giữa các yếu tố công nghệ ảnh hưởng tới hàm mục tiêu độ ẩm 41

3.3.2 Xây dựng mối quan hệ giữa các yếu tố công nghệ ảnh hưởng tới hàm mục tiêu vitamin C 46

3.3.3 Xây dựng mối quan hệ giữa các yếu tố công nghệ ảnh hưởng tới mục tiêu

hàm lượng đường 51

3.3.4 Xây dựng mối quan hệ giữa các yếu tố công nghệ ảnh hưởng tới hàm mục tiêu chi phí năng lượng 56

3.4 Xây dựng và giải bài toán tối ưu một mục tiêu 62

3.4.1 Giải bài toán tối ưu một mục tiêu hàm độ ẩm 62

3.4.2 Giải bài toán tối ưu một mục tiêu hàm lượng vitamin C 62

3.4.3 Giải bài toán tối ưu một mục tiêu hàm lượng đường 63

3.4.4 Giải bài toán tối ưu một mục tiêu hàm chi phí năng lượng 63

3.5 Xây dựng và giải bài toán tối ưu đa mục tiêu 63

3.6 Xác lập chế độ công nghệ và xây dựng quy trình sấy 65

3.7 Kết quả cảm quan sản phẩm với các sản phẩm chuối sấy 67

3.8 Thảo luận 69

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 71

4.1 Kết luận 71

4.2 Kiến nghị 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

vii

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 1 Động học quá trình sấy 2

Hình 1 2 Hệ thống sấy lạnh DSL-P-T-02 6

Hình 1 3 Sơ đồ nguyên lí hoạt động 6

Hình 1 4 Đồ thị trạng thái t-d 6

Hình 1 5 Hình ảnh cây chuối 9

Hình 1 6 Các giai đoạn chín của chuối 12

Hình 1 7 Các sản phẩm từ chuối 16

Hình 1 8 Tỷ lệ về xuất khẩu chuối của các nước trên thế giới giai doạn 2003-2007[5] 18

Hình 1 9 Tỷ lệ nhập khẩu chuối của các nước trên thế giới 2002-2006 [5] 18

Hình 1 10 Một số sản phẩm chuối sấy trên thị trường 21

Hình 2 1 Hình ảnh chuối nguyên liệu 25

Hình 2 2 Thiết bị sấy lạnh và cấu tạo bên trong 26

Hình 2 3 Sơ đồ nghiên cứu 27

Hình 2 4 Sơ đồ sấy chuối dự kiến 28

Hình 2 5 Sơ đồ bài toán tối ưu hóa 33

Hình 2 6 Bài toán đa mục tiêu 36

Hình 3 1 Sản phẩm chuối sấy lạnh 65

Hình 3 2 Quy trình sấy chuối 66

Hình 3 3 Các mẫu cảm quan theo thứ tự từ trái qua phải 67

Hình 3 4 Biểu đồ đánh giá sự yêu thích các sản phẩm theo các chỉ tiêu màu sắc, mùi, vị và độ dẻo 67

Hình 3 5 Biểu đồ đánh giá sự yêu thích giữa các sản phẩm 68

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 1 Hàm lượng các thành phần dinh dưỡng(trong 100g) của chuối chín và một số

loại trái cây khác 14

Bảng 1 2 Giá trị dinh dưỡng trong 100g chuối tươi. 15

Bảng 1 3 Sản xuất chuối hàng năm trên thế giới so với các loại trái cây và rau quả khác (theo cơ sở dữ liệu thống kê 16

Bảng 1 4 Sản lượng chuối trồng theo vùng 19

Bảng 2 1 Chỉ tiêu vi sinh 29

Bảng 2 2 Các mức yếu tố ảnh hưởng 34

Bảng 2 3 Các biến của ma trận quy hoạch 34

Bảng 2 4 Các thí nghiệm ở tâm 35

Bảng 3 1 Hàm lượng chỉ tiêu nguyên liệu đầu vào 39

Bảng 3 2 Kết quả thực nghiệm 40

Bảng 3.3 a Kết quả xử lý thục nghiệm hàm mục tiêu độ ẩm theo ma trận trực giao cấp 2 41 Bảng 3.3 b Hệ số của PTHQ cho độ ẩm 43

Bảng 3.3 c Phương sai tái hiện cho độ ẩm 43

Bảng 3.3 d Sai số của phương trình trong PTHQ của độ ẩm 44

Bảng 3.3 e Kiểm tra tính ý nghĩa của hệ số theo tiêu chuẩn Student của độ ẩm 44

Bảng 3.3 f Kết quả tính và ( - của độ ẩm 44

Bảng 3.3 g Kiểm định Fisher của PTHQ hàm độ ẩm 45

Bảng 3.4 a Kết quả xử lý hàm mục tiêu Vitamin C theo ma trận trực giao cấp 2 46

Bảng 3.4 b Hệ số của PTHQ cho vtamin C 48

Bảng 3.4 c Phương sai tái hiện cho vitamin C 49

Bảng 3.4 d Sai số của hệ phương trình trong PTHQ của vitaminC 49

Bảng 3.4 e Kiểm tra tính ý nghĩa của hệ số theo tiêu chuẩn Student của vitamin 49

Bảng 3.4 f Kết quả tính và ( - của vitaminC 50

Bảng 3.4 g Kiểm định Fisher của PTHQ hàm vitamin C 50

Bảng 3.5 a Kết quả xử lý thực nghiệm hàm mục tiêu hàm lượng đường theo ma trận trực giao cấp 2 51

Bảng 3.5 b Hệ số của PTHQ cho hàm lượng đường 54

Bảng 3.5 c Phương sai tái hiện cho hàm lượng đường 54

ix

Bảng 3.5 d Sai số của hệ phương trình trong PTHQ của lượng đường 54

Bảng 3.5 e Kiểm tra ý nghĩa của hệ số theo tiêu chuẩn Student của lượng đường 54

Bảng 3.5 f Kết quả tính và ( - của lượng đường 55

Bảng 3.5 g Kiểm định Fisher của PTHQ hàm lượng đường 55

Bảng 3.6 a Kết quả xử lý thực nghiệm hàm mục tiêu chi phí năng lượng theo ma trận trực giao cấp 2 57

Bảng 3.6 b Hệ số của PTHQ cho hàm chi phí năng lượng 59

Bảng 3.6 c Phương sai tái hiện cho hàm chi phí năng lượng 59

Bảng 3.6 d Sai số trong PTHQ của hàm chi phí năng lượng 60

Bảng 3.6 e Kiểm tra hệ số ý nghĩa theo tiêu chuẩn Student chi phí năng lượng 60

Bảng 3.6 f Kết quả tính và ( - chi phí năng lượng 61

Bảng 3.6 g Kiểm định Fisher của PTHQ hàm chi phí năng lượng 61

Bảng 3.7 1 Yếu tố ảnh hưởng và hàm mục tiêu sau khi tối ưu hóa 65

Bảng 3.8 1 Bảng kết quả chỉ tiêu vi sinh 66

DANH SÁCH CHỮ VIẾT TẮT

Việt Nam là một trong những nước có nền nông nghiệp rất phát triển, đồng thời nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa nên các sản phẩm nông sản và rau củ quả phát triển tươi tốt quanh năm, nông sản thực phẩm đa dạng, phong phú và có sản lượng rất lớn

Vì vậy, nghiên cứu phát triển công nghệ sấy các loại nông sản thực phẩm được coi là nhiệm vụ, chiến lược quan trọng trong việc phát triển kinh tế Công nghệ sấy phát triển tạo

ra những sản phẩm có giá trị, chất lượng và xuất khẩu có giá trị kinh tế như chuối sấy, mít sấy, sầu riêng sấy, khoai lang sấy…

Kĩ thuật sấy lạnh là một trong những kĩ thuật tiên tiến So với nhiều phương pháp sấy khác, sấy lạnh là một phương pháp có thể đáp ứng các yêu cầu chất lượng khắt khe như hình dáng kích thước, màu sắc, mùi vị, thành phần dinh dưỡng… và là phương pháp rút ngắn được thời gian sấy một cách đáng kể Việt Nam với rất nhiều trái cây ngon, rẻ nhưng cũng rất bổ dưỡng và không thể không kể đến trái chuối Việt Nam Chuối được coi là một trong những nguồn cung cấp nhiều năng lượng, chuối chứa hàm lượng đường cao, tinh bột, lipit và một số vitamin quan trọng( vitamin C, B1…)… có tác dụng ngăn chặn các cơn co thắt cơ bắp, chống lại bệnh ung thư

Trên các cơ sở đó chúng tôi chọn đề tài “ Nghiên cứu quy trình sấy chuối bằng công nghệ sấy lạnh” với mục đích xây dựng quy trình sấy chuối mới góp phần đa dạng hóa sản phẩm Với phương pháp sấy lạnh thì sản phẩm chuối sấy sẽ giữ được các yêu cầu về chất lượng như hình dạng, màu sắc, mùi vị… như ban đầu

3 Phạm vi và đối tượng nghiên cứu

Đối tượng: vật liệu sấy là chuối mốc( chuối lùn) là nguyên liệu chính để sấy thực

nghiệm

Đốí tượng nghiên cứu là máy sấy lạnh hoạt động theo kiểu bơm nhiệt

Giới hạn: Tiến hành nghiên cứu trong quy mô phòng thí nghiệm, với các loại máy

móc, thiết bị, cơ sở vật chất sẵn có

Xây dựng quy trình sấy chuối bằng phương pháp sấy lạnh

Nghiên cứu ba yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy là nhiệt độ, tốc độ sấy và thời gian sấy

4 Nội dung nghiên cứu

Tổng quan về nguyên liệu chuối, công nghệ sấy, công nghệ sấy lạnh

Phân tích đối tượng công nghệ xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hàm mục tiêu cần quan tâm

Xây dựng mối quan hệ giữa các yếu tố ảnh hưởng đến hàm mục tiêu

Thiết lập và giải bài toán tối ưu của công nghệ sấy bằng phương pháp sấy lạnh Xác lập chế độ công nghệ và xây dựng quá trình sấy

Tổng kết và kết luận kết quả thí nghiệm

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

 Ý nghĩa khoa học:

Xây dựng được quy trình sấy lạnh chuối, làm cơ sở lí luận phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy lạnh chuối

Làm cơ sở, nền tảng cho việc nghiên cứu sấy lạnh cho các loại nông sản có cấu trúc

và thành phần tương tự như mít, khoai lang…

 Ý nghĩa thực tiễn:

Tạo ra sản phẩm chuối sấy có tính ứng dụng cao Sản phẩm có thể sử dụng thay thế sản phẩm chuối tươi hoặc như một món ăn giải trí nhưng vẫn giữ được giá trị dinh dưỡng cao

Đồng thời, sản phẩm chuối sấy có hàm lượng nước thấp giúp kéo dài thời gian bảo quản, giảm chi phí vận chuyển Do đó, sản phẩm có thể xuất khẩu đi xa, kéo dài thời gian

sử dụng và giới thiệu được với bạn bè thế giới về trái chuối của Việt Nam, tăng giá trị xuất khẩu

xiii

TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Với đề tài “Nghiên cứu quy trình sản xuất chuối sấy bằng phương pháp sấy lạnh”, đầu tiên, chúng tôi đã xây dựng quy trình công nghệ dự kiến cho quá trình sấy, xác định công đoạn chính của quá trình là công đoạn sấy và chọn phương pháp sấy lạnh để thực hiện

Tiếp theo, chúng tôi thực hiện theo quy trình và xác định sơ bộ các yếu tố ảnh hướng đến quá trình sấy lạnh và các yếu tố nào ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Do bản thân nguyên liệu chuối là thức ăn giàu giá trị dinh dưỡng và cung cấp nhiều năng lượng, đồng thời sau khi sấy sản phẩm chuối trở nên ngọt và thơm hơn nên chúng tôi đã đặt chỉ tiêu đầu

ra là độ ẩm, hàm lượng đường, hàm lượng vitamin C và chi phí năng lượng sau sấy, và yếu

tố đầu vào là nhiệt độ, tốc độ sấy và thời gian sấy

Sau đó chúng tôi tiến hành sấy khảo sát sơ bộ để chọn khoảng nhiệt độ, tốc độ và thời gian sấy thích hợp, chúng tôi tiến hành xây dựng mô hình và thực hiện tối ưu hóa với

ba yếu tố đầu vào và bốn hàm mục tiêu đã nói trên

Kết quả của quá trình tối ưu hóa chúng tôi chọn được chế độ sấy thích hợp cho công nghệ sấy chuối này là 38,62(0C) với tốc độ sấy là 9,172 (m/s) trong 29,21 (h)

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP GVHD: ThS NGUYỄN TẤN DŨNG

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1 Cơ sở lý thuyết quá trình sấy

1.1.1 Cơ sở quá trình sấy

Sấy là quá trình loại bỏ bất kỳ chất lỏng nào ra khỏi vật liệu, kết quả là tăng hàm lượng chất khô Thực tế đối với chất lượng lương thực và thực phầm là loại bỏ nước ra khỏi sản phẩm Sấy vật liệu ẩm nhằm mục đích: giảm khối lượng, tăng độ bền, tăng nhiệt cháy, tăng độ ổn định khi bảo quản (nông sản)

Sấy là quá trình công nghệ phức tạp Về nguyên tắc, có nhiều phương pháp sấy vật liệu khác nhau Theo dấu hiệu về năng lượng ta có hai phương pháp chính:

 Loại bỏ ẩm nước ra khỏi vật liệu, không làm thay đổi trạng thái liên kết: vẫn ở dạng lỏng

 Loại bỏ ẩm khi thay đổi trạng thái liên kết: lỏng biến thành hơi

Loại đầu có thể được thể hiện bằng phương pháp cơ học (ép, ly tâm, lọc) Loại thứ hai liên quan đến chi phí nhiệt để hâm nóng vật liệu ẩm, bốc hơi nước trên bề mặt vật liệu

và làm sôi lỏng trên bề mặt vật liệu và dần thoát ra ngoài [7], [21]

1.1.2 Động học của quá trình sấy

Tất cả các vật liệu rắn ẩm đều có khả năng hút ẩm từ môi trường xung quanh hoặc nhả ẩm ra ngoài môi trường Sự chuyển động hơi nước theo chiều nào phụ thuộc vào trạng thái môi trường xung quanh hoặc tính chất nguyên liệu

Điều kiện để nước bay hơi từ vật liệu ẩm vào môi trường xung quanh là PA( áp suất hơi của nước trên bề mặt vật liệu) lớn hơn pA( áp suất riêng phần của hơi nước trong môi trường xung quanh)

Áp suất hơi nước trên bề mặt PA phụ thuộc vào độ ẩm của vật liệu, nhiệt độ và dạng liên kết ẩm với vật liệu Khi nhiệt độ và độ ẩm tăng thì PA tăng, khi lực liên kết ẩm với vật liệu càng lớn thì PA càng giảm

Với độ ẩm tương đối φ = 1, khi đó PA = pA = Pbão hòa (áp suất hơi bão hòa), được gọi là điểm hút nước, độ ẩm vật liệu tương ứng với điều kiện trên được gọi là độ ẩm hút nước Lượng ẩm ứng với vật liệu có độ ẩm lớn hơn độ ẩm hút nước gọi là ẩm không liên kết Quá trình sấy thường chỉ bốc được ẩm không liên kết và một phần lượng ẩm liên kết Lượng ẩm bốc hơi gọi là ẩm tự do [16],[21]