Hoàn thiện công nghệ bảo quản quả vải, nhãn trong môi trường lạnh kết hợp bao gói khí cải biến bằng mô hình hô hấp bay hơi cân bằng năng lượng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HỒ HỮU PHÙNG HỒN THIỆN CƠNG NGHỆ BẢO QUẢN QUẢ VẢI, NHÃN TRONG MÔI TRƯỜNG LẠNH KẾT HỢP BAO GĨI KHÍ CẢI BIẾN BẰNG MƠ HÌNH HƠ HẤP - BAY HƠI - CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT Hà Nội – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HỒ HỮU PHÙNG HỒN THIỆN CƠNG NGHỆ BẢO QUẢN QUẢ VẢI, NHÃN TRONG MÔI TRƯỜNG LẠNH KẾT HỢP BAO GĨI KHÍ CẢI BIẾN BẰNG MƠ HÌNH HƠ HẤP - BAY HƠI - CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG Ngành: Kỹ thuật nhiệt Mã số: 9520115 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS Nguyễn Việt Dũng GS TSKH Trần Văn Phú Hà Nội - 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu kết nghiên cứu nêu luận án trung thực chưa khác cơng bố cơng trình Thay mặt tập thể hướng dẫn PGS TS Nguyễn Việt Dũng i Ngày 20 tháng 10 năm 2020 Tác giả Hồ Hữu Phùng LỜI CẢM ƠN Với tất kính trọng, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới: PGS TS Nguyễn Việt Dũng - người thầy dìu dắt, bảo tận tình, chu đáo cho thời gian bắt đầu nghiên cứu khoa học, từ làm luận văn thạc sỹ xuyên suốt trình làm luận án GS TSKH Trần Văn Phú – người thầy tận tâm với nghiệp khoa học, động viên, khuyến khích định hướng, giúp đỡ cho tơi hồn thành luận án Tôi xin trân trọng cảm ơn tập thể Bộ môn Kỹ thuật lạnh ĐHKK cán Viện KH&CN Nhiệt - Lạnh quan tâm giúp đỡ, động viên để tơi hồn thành luận án Tôi xin trân trọng cảm ơn tập thể cán Viện Cơ điện Nông nghiệp Công nghệ STH, đặc biệt TS Nguyễn Thị Minh Nguyệt giúp đỡ nhiều mặt, đặc biệt hỗ trợ tơi thực nhiều thí nghiệm q trình thực luận văn Đặc biệt, tơi xin gửi lời cảm ơn đến người thương yêu - mẹ tôi, vợ tôi, anh chị em - luôn đồng hành, động viên tơi hồn thành luận án, nguồn động viên lớn để tơi hồn thiện luận án Nhân dịp này, cho phép cảm ơn đến bạn bè đồng nghiệp động viên, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC BẢNG ix DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ x MỞ ĐẦU TỔNG QUAN VỀ BẢO QUẢN RAU QUẢ 1.1 Tổng quan thị trường rau Việt Nam 1.2 Tổng quan bảo quản rau tươi 11 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình bảo quản 11 Các phương pháp bảo quản rau tươi 15 Công nghệ nhiệt độ thấp kết hợp với bao gói khí cải biến 23 1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu 26 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 26 Tình hình nghiên cứu nước 37 1.4 Kết luận 38 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 39 2.1 Tổng quan trình hô hấp rau tươi 39 Cường độ hô hấp hệ số hô hấp 40 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ hô hấp 42 2.2 Xây dựng mơ hình hô hấp 42 Q trình hơ hấp 42 Mơ hình hơ hấp Michaelis-Menten 43 Các dạng mơ hình hơ hấp khai triển 44 2.3 Mơ hình trao đổi nhiệt-trao đổi chất 46 Các giả thiết tính tốn mơ hình 46 Mơ hình tốn q trình hơ hấp - trao đổi chất 47 Phương trình cân entanpy 48 2.4 Phương pháp giải mơ hình tốn học 57 Các bước giải mơ hình toán học 57 Phần mềm mô 58 2.5 Kết luận 59 iii NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 60 3.1 Phương pháp xác định cường độ hô hấp 60 Phương pháp hệ kín (Closed system) 60 Phương pháp hệ hở (Flow-though system) 61 Phương pháp hệ màng (Permeable system) 61 Lựa chọn phương pháp thí nghiệm 61 3.2 Đối tượng thí nghiệm 62 Đối tượng 1: Quả vải (Litchi chinensis Sonn.) 62 Đối tượng 2: Quả nhãn (Dimocarpus longan) 62 3.3 Số lượng tổ chức thí nghiệm 62 Thí nghiệm vải 62 Thí nghiệm nhãn 64 3.4 Thiết bị thí nghiệm 65 Máy phân tích khí 65 Bộ đo nhiệt độ, độ ẩm 66 Tủ lạnh thí nghiệm 68 3.5 Quy trình thí nghiệm 68 3.6 Xử lý kết nghiên cứu thực nghiệm 69 3.7 Kết nghiên cứu thực nghiệm 71 Xác định tham số mơ hình nồng độ khí bao gói MAP .71 Xác định tham số mơ hình cường độ hơ hấp 74 3.8 Kết luận 88 DỰ ĐOÁN CÁC THƠNG SỐ BẢO QUẢN 89 4.1 Dự đốn thơng số mơi trường bình kín 89 Dự đốn nồng độ khí bình kín cho vải 89 Dự đốn nồng độ khí bình kín cho nhãn 94 4.2 Dự đốn thơng số bao gói MAP .100 Lựa chọn màng bao gói 100 Dự đốn nồng độ khí bao gói 101 Dự đốn nhiệt độ độ ẩm bao gói .108 Dự đoán độ hao hụt tự nhiên bao gói 110 4.3 Đánh giá chất lượng bảo quản kiểm chứng mô hình mơ 110 Kết thực nghiệm bảo quản vải bao gói .110 Kết thực nghiệm bảo quản nhãn bao gói 113 4.4 Đề xuất ứng dụng 117 iv 4.5 Kết luận 120 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 121 KẾT LUẬN .121 KIẾN NGHỊ 122 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 123 TÀI LIỆU THAM KHẢO 124 PHỤ LỤC 130 Phụ lục 1: Kim ngạch xuất rau Việt Nam 130 Phụ lục 2: Nhiệt độ độ ẩm bảo quản tối ưu 131 Phụ lục 3: Độ thấm khí số Plastic Film 136 Phụ lục 4: Nhận dạng tham số mơ hình cường độ hơ hấp 137 v DANH MỤC Ký hiệu: [CO2] : Nồng độ CO2 (% [CO2]i : Nồng độ CO2 tro [CO2]0 : Nồng độ CO2 bên [O2] : Nồng độ O2 (%) [O2]i : : Nồng độ O2 bên [O2]0 : : Nồng độ O2 bên AS : Diện tích bề mặt Ap : Diện tích bao gói Ca : Nhiệt dung riêng Cs D1 : Nhiệt dung riêng : Chiều dài theo m D2 : Chiều dài theo m D3 : Chiều dài theo ph di : Độ chứa (kg hp : Hệ số trao đổi nh hs KmCO2 : Hệ số trao đổi nh : Hằng số Michael KmO2 : Hằng số Michael Kmc : Hằng số kìm hãm Kmu : Hằng số kìm hãm Kmn : Hằng số kìm hãm L : Độ dày màng bao bao gói (μm) ṁ1 : Lưu lượng nước bốc từ bề mặt bên bao gói (kg/h) ṁ2 : Lưu lượng nước thấm bao gói mơi trường bên ngồi (kg/h) ṁw mw : Cường độ nước bề mặt (kg/(m h) PCO2 : Độ thấm khí CO2 màng bao gói (ml.μm.m h atm ) PO2 : Độ thấm khí O2 màng bao gói, (ml.μm.m h atm ) PH2O : Độ thấm khí CO2 màng bao gói (ml.μm.m h atm ) : Lượng nước bên bao gói (kg) -2 -1 -2 -1 -2 -1 vi -1 -1 -1 Pi : Phân áp suất nước bên bao gói (atm) Po : Phân áp suất nước bên bao gói (atm) Ph” : Phân áp suất bão hịa Patm : Áp suất khí (atm) QS : Nhiệt hô hấp sản phẩm (J.h-1.kg-1) Qext : Nhiệt trao đổi đối lưu qua bề mặt sản phẩm (J.h ) R : Hằng số chất khí (8.314 J.mol K ) -1 -1 -1 RO2 : Cường độ hơ hấp tính theo l RCO2 φi : Cường độ hơ hấp tính theo l : Độ ẩm tương đối không φo : Độ ẩm tương đối không φi,i : Độ ẩm tương đối ban đầu củ φi : Độ ẩm tương đối khơng Ti : Nhiệt độ khơng khí bên tron To : Nhiệt độ khơng khí bên ngo Ti,i τ : Nhiệt độ ban đầu không : Thời gian (h) V : Thể tích tự bao gói (ml) VmO2 : Cường độ hơ hấp cực đại tính theo lượng O2 hấp thụ (ml.kg h ) VmCO2 Wa : Cường độ hơ hấp cực đại tính theo lượng CO2 phát thải (ml.kg h ) Ws : Khối lượng rau (kg) α : Hệ số chuyển đổi (0.7 ÷ 1.0) -1 -1 -1 -1 : Khối lượng khơng khí khơ bao gói (kg) L(T): Nhiệt ẩn hóa nước (J.kg-1) Ghi chú: Các ký hiệu "." chữ số thể cho số thập phân; ký hiệu "," thể o cho "nhóm" số Đơn vị nhiệt độ T độ C ( C), trừ có ghi khác Từ viết tắt: CA Điều chỉnh khí (Controlled Atmosphere) LDPE Bao bì polyetylen mật độ thấp (Low Density Polyetylen) MAP Cải biến khí (Modified Atmosphere Packaging) vii MM Mơ hình Michaelis-Menten MMC Mơ hình hơ hấp kiểu kìm hãm cạnh tranh (Competitive inhibition type) MM U Mơ hình hơ hấp kiểu kìm hãm phi cạnh tranh (Uncompetitive inhibition type) MM U Mơ hình hơ hấp kiểu kìm hãm khơng cạnh tranh (Noncompetitive inhibition type) MM NC Mơ hình hơ hấp kiểu kìm hãm kết hợp (Combination inhibition type) AR Cường độ hô hấp (Respiration Rate) RQHệ số hô hấp (Respiration Quotient) T T Tính tốn M H Hàm lượng chất khơ hịa tan T S S Mơ hình Sản phẩm Rau dền Chơm chơm Cây đại hồng Cải Thụy Điển Cây diếp củ Cây hải cao (Santol) Cây bà la môn Dưa leo không hạt Đậu Hà Lan Vú sữa gai Rau bina Bí, mùa hè Bí, mùa đơng Dâu tây Vú sữa Khoai lang Quả me Quả quýt Củ khoai mơn Tomatillos Cà chua, xanh Cà chua, chín đỏ Củ cải Cây cải non Ugli fruit Hạt dẻ Cải xoong Dưa hấu White sapote Măng tây trắng Winged bean Củ từ Yucca root 135 Phụ lục 3: Độ thấm khí số Plastic Film Bảng 0.3 Độ thấm khí O2 CO2 số plastic film [64] Độ Loại film dày m 10 20 PE 30 40 10 20 LDPE 30 40 10 20 LLDPE 30 40 10 20 PEmpCH 30 40 10 20 PEmpSX 30 40 10 20 HDPE 30 40 10 20 PP 30 40 30 OTR 65 136 Phụ lục 4: Nhận dạng tham số mơ hình cường độ hơ hấp o PL 4.1: Nhận dạng mơ hình cường độ hơ hấp cho vải (5 C) MƠ HÌNH MMC O2 Vm 44.6641 CO2 24.6610 TT RO2 TT 7.2718 7.2024 7.1336 7.0656 6.9982 10 6.9314 6.8652 6.7997 6.7348 6.6706 11 12 6.6069 6.5439 13 14 15 16 17 6.4814 6.4196 6.3583 6.2976 6.2376 18 19 20 21 22 6.1780 6.1191 6.0607 6.0029 5.9456 23 24 5.8888 5.8326 25 26 27 28 29 5.7770 5.7219 5.6673 5.6132 5.5596 30 31 5.5066 5.4540 137 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 MƠ HÌNH MMU O2 Vm 45.1854 CO2 25.5805 TT RO2 TT 7.2718 7.2024 7.1336 7.0656 6.9982 10 6.9314 6.8652 6.7997 6.7348 6.6706 11 12 6.6069 6.5439 13 14 15 16 6.4814 6.4196 6.3583 6.2976 138 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 MƠ HÌNH MMN O2 Vm 44.7479 CO2 25.5805 TT RO2 TT 7.2718 139 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 140 41 42 43 44 45 46 47 48 MƠ HÌNH MMNC O2 Vm 99.9999 CO2 25.5805 TT RO2 TT 7.2718 7.2024 7.1336 7.0656 6.9982 6.9314 6.8652 6.7997 10 11 12 13 6.7348 6.6706 6.6069 6.5439 6.4814 14 15 6.4196 6.3583 16 17 18 19 20 6.2976 6.2376 6.1780 6.1191 6.0607 21 22 23 24 25 6.0029 5.9456 5.8888 5.8326 5.7770 141 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 o PL 4.2: Nhận dạng mơ hình cường độ hơ hấp cho nhãn (4 C) MƠ HÌNH MMC O2 Vm 226.7188 CO2 18.3657 TT RO2 TT 4.5698 4.5477 4.5257 4.5038 4.4820 4.4603 4.4388 142 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 143 47 3.6562 48 3.6386 O2 Vm 227.0967 CO2 21.1651 TT RO2 TT 4.5698 4.5477 4.5257 4.5038 4.4820 4.4603 4.4388 4.4173 4.3959 10 4.3747 11 4.3535 12 4.3325 13 4.3115 MƠ HÌNH MMU 14 4.2906 15 4.2699 16 4.2492 17 4.2287 18 4.2082 19 4.1879 20 4.1676 21 4.1475 22 4.1274 23 4.1074 24 4.0876 25 4.0678 26 4.0481 27 4.0286 28 4.0091 29 3.9897 30 3.9704 31 3.9512 144 32 3.9321 33 3.9130 34 3.8941 35 3.8753 36 3.8565 37 3.8379 38 3.8193 39 3.8009 40 3.7825 41 3.7642 42 3.7460 43 3.7278 44 3.7098 45 3.6919 46 3.6740 47 3.6562 48 3.6386 O2 Vm 220.6941 CO2 21.1651 TT RO2 TT MÔ HÌNH MMN 4.5698 4.5477 4.5257 4.5038 4.4820 4.4603 4.4388 4.4173 4.3959 10 4.3747 11 4.3535 12 4.3325 13 4.3115 14 4.2906 15 4.2699 16 4.2492 145 17 4.2287 18 19 20 21 22 4.2082 4.1879 4.1676 4.1475 4.1274 23 24 25 4.1074 4.0876 4.0678 26 27 28 4.0481 4.0286 4.0091 29 30 31 32 33 3.9897 3.9704 3.9512 3.9321 3.9130 34 35 3.8941 3.8753 36 37 38 39 40 3.8565 3.8379 3.8193 3.8009 3.7825 41 42 43 3.7642 3.7460 3.7278 44 45 3.7098 3.6919 46 47 3.6740 3.6562 48 3.6386 O2 Vm 32.1523 CO2 21.1651 TT RO2 TT 4.5698 MÔ HÌNH MMNC 146 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 147 41 42 43 44 45 46 47 48 148 ... TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HỒ HỮU PHÙNG HỒN THIỆN CƠNG NGHỆ BẢO QUẢN QUẢ VẢI, NHÃN TRONG MÔI TRƯỜNG LẠNH KẾT HỢP BAO GĨI KHÍ CẢI BIẾN BẰNG MƠ HÌNH HƠ HẤP - BAY HƠI - CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG... nghệ bao gói khí kiểm sốt; cơng nghệ bảo quản lạnh nhanh kết hợp với chất hấp thụ etylen để bảo quản rau, hoa, tươi; công nghệ tạo màng bảo quản rau, quả, thịt, trứng; công nghệ lên men, công nghệ. .. ẩm bao gói .108 Dự đoán độ hao hụt tự nhiên bao gói 110 4.3 Đánh giá chất lượng bảo quản kiểm chứng mô hình mơ 110 Kết thực nghiệm bảo quản vải bao gói .110 Kết thực nghiệm bảo quản nhãn