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 tt

tương đối  đạt đến bão hịa có sai số từ tương đối từ 10 ± 20% Sai số độ hao hụt tự nhiên (do bay nước hao hụt đường hô hấp) 4.07% vải 1.79% với nhãn Đây điểm điểm thứ - Trên sở áp dụng mơ hình mơ tích hợp q trình hơ hấpbay hơi-cân lượng xác định được, thông số bảo quản tốt vải 5oC, bao gói LDPE với độ dày 0.035mm, tốt với nhãn 4oC màng bao gói LDPE với độ dày 0.06mm Các kết kiểm chứng thực nghiệm mặt thời gian chất lượng bảo quản, cho thấy có tương đồng điều kiện bảo quản tốt với chất lượng cao độ hao hụt quả, chứng tỏ mơ hình xây dựng có độ tin cậy cao, sử dụng nghiên cứu Đây điểm thứ tư luận án - Trên sở mơ hình hơ hấp - bay - cân lượng hoàn thiện, kiểm sốt thơng số mơi trường khí bao quanh q trình bảo quản, cho phép đề xuất quy trình thiết kế bao gói bảo quản vải nhãn mùa vụ thu hoạch điều kiện khí cải biến với khối lượng thực nghiệm tối thiểu phạm vi cơng nghiệp, dẫn đến tăng hiệu tính khả thi phương pháp bảo quản Đồng thời cho phép tìm chế độ bảo quản tối ưu nhằm đảm bảo tối đa chất lượng sản phẩm kéo dài thời gian bảo quản, giảm hao hụt điều kiện thực tế Đây điểm thứ năm luận án Kiến nghị - Tiếp tục nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng nhiệt độ, độ ẩm tới tham số động học mơ hình hơ hấp dạng Michaelis-Menten cho vải nhãn; - Tiếp tục hồn thiện mơ hình hơ hấp-bay hơi-cân lượng theo hướng tính đến ảnh hưởng độ hao hụt khối lượng, dao động nhiệt độ bảo quản tới tham số dự báo; - Tiến hành đo độ thấm khí loại bao gói khơng cho O2 CO2 mà cho N2, Ar nước; - Đề xuất hệ thống thiết bị lạnh thích hợp thí nghiệm bảo quản quy mơ sản xuất; - Gắn tốn thay đổi chất lượng với thay đổi tham số bảo quản để dự đốn xác thời gian bảo quản chất lượng 24 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Cơng nghệ chế biến bảo quản rau nước ta nhiều bất cập nên lượng tổn hao sau thu hoạch rau Việt Nam lớn, đồng thời chất lượng bảo quản không cao, thời gian bảo quản ngắn Do đó, vấn đề cấp bách cần giải nghiên cứu cải tiến công nghệ bảo quản rau sau thu hoạch nhằm kéo dài thời gian bảo quản nâng cao chất lượng, giảm tổn thất sau thu hoạch theo hướng hạn chế tối đa việc sử dụng hóa chất cơng nghệ bảo quản Ở nước ta, vải nhãn loại có tính thời vụ với khoảng thời gian thu hái ngắn ngày từ 2-3 tháng, sản lượng thu hái tập trung với khối lượng lớn Trong đó, loại nhiệt đới thuộc loại có cường độ hô hấp cao phát thải ethylen thuộc loại trung bình cao, vỏ mỏng nên khó bảo quản vận chuyển, với cơng nghệ bảo quản lạc hậu nay, sản lượng xuất khiêm tốn khoảng vài trăm tấn/năm, hoàn toàn không tương xứng với tiềm xuất hai loại Do đó, cần thiết phải nghiên cứu hồn thiện cơng nghệ bảo quản hai loại nêu Bên cạnh phương pháp bảo quản lạnh, phương pháp bảo quản bao gói khí cải biến (Modified Atmosphere Packaging - MAP) sử dụng rộng rãi giới như phương pháp bảo quản rau tươi hiệu kinh tế Trong khu vực, Hàn Quốc Thái Lan hai nước châu Á điển hình sử dụng thành cơng phương pháp để bảo quản rau tươi Ở Việt Nam, MAP Viện điện nông nghiệp công nghệ sau thu hoạch Bộ Nông nghiệp phát triển nông thôn nghiên cứu từ năm 2002 Tuy nhiên nghiên cứu đa phần mang tính chất thực nghiệm, chưa nghiên cứu q trình hơ hấp - trao đổi chất - trao đổi lượng trình bảo quản, nên ứng dụng MAP chưa đạt hiệu cao Vì vậy, khơng khống chế tìm chế độ bảo quản thích hợp cho loại Để khống chế tìm chế độ bảo quản thích hợp cho loại quả, cần phải có mơ hình dự đốn nồng độ, nhiệt độ, độ hao hụt bao gói loại Trong khuôn khổ luận văn này, tác giả xây dựng mơ hình hơ hấp - bay - cân lượng sở phương trình cân lượng vật chất để dự đốn thơng số Các thơng số tính tốn tự động từ chương trình mơ Matlab tác giả viết Mục tiêu luận án Mục tiêu luận án nghiên cứu hồn thiện cơng nghệ bảo quản vải nhãn phương pháp bao gói khí cải biến (MAP) sở nghiên cứu q trình hơ hấp - bay - cân lượng nhằm tăng chất lượng kéo dài thời gian bảo quản Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu xây dựng mơ hình xác định cường độ hô hấp vải nhãn điều kiện mơi trường khí cải biến (MAP) sở nghiệm hệ phương trình men-chất xúc tác Michaelis-Menten Xây dựng mơ hình dự đốn nồng độ, nhiệt độ, độ ẩm khơng khí bao gói từ kiểm soát điều kiện bảo quản dự đoán độ hao hụt tự nhiên, thời gian bảo quản, sở tích hợp mơ hình MichaelisMenten cho hơ hấp-bay hơi-cân lượng mơi trường khí bao gói, bao gói mơi trường bảo quản Đánh giá mơ hình thực nghiệm Xây dựng mơ hình tính tốn lượng nước ngưng, độ hụt tự nhiên quả, từ làm sở để dự đốn thời gian bảo quản môi trường MAP Đề xuất quy trình thiết kế lựa chọn loại bao bì MAP Đối tượng nghiên cứu Đối tượng 1: Quả vải Đối tượng 2: Quả nhãn Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết xây dựng mơ hình cường độ hơ hấp dựa mơ hình Michaelis-Menten xây dựng mơ hình hơ hấp - bay - cân lượng quan điểm đẳng áp - đẳng entanpy Các mơ hình kiểm chứng độ xác thực nghiệm Ý nghĩa khoa học ý nghĩa thực tế - Đã xác định cường độ hô hấp vải, nhãn điều kiện môi trường khí cải biến (MAP) phương pháp tính tốn khoa học, có độ tin cậy cao - Xây dựng mơ hình cường độ hơ hấp rau phụ thuộc vào nồng độ khí, mơ theo dạng nghiệm phương trình Michaelis-Menten, cho kết có độ tin cậy cao, kết mô phù hợp với kết thực nghiệm Phần mềm mô dễ sử dụng, có độ xác cao - Phát triển thành cơng mơ hình tốn học cho phép dự đốn nhiệt độ, độ ẩm tương đối, lượng nước ngưng tụ độ hao hụt tự nhiên bao gói MAP Kết tính tốn mơ hình cho sai số khoảng cho phép Bước 4: Lựa chọn bao gói thích hợp có thị trường chế tạo bao gói thích hợp cho loại trên; Bước 5: Sử dụng mơ hình hơ hấp - bay dự đốn thơng số bảo quản, so sánh với thực nghiệm Đánh giá lại độ chuẩn xác bao gói; Bước 6: Tiến hành bảo quản quy mô thực Trước đóng vào bao gói, vải nhãn qua xử lý vi sinh vật làm lạnh tới vùng nhiệt độ bảo quản 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận - Mơ hình cường độ hơ hấp rau phụ thuộc vào nồng độ khí nhiệt độ, mô theo dạng nghiệm phương trình Michaelis-Menten, tốc độ hệ phản ứng men-xúc tác cho kết thuyết phục Đây nghiên cứu cách toàn diện đầy đủ mơ hình hơ hấp cho vải nhãn mơi trường khí cải biến Việt Nam - Trong công thức dạng Michaelis-Menten dùng để mô cường độ hơ hấp mơi trường MAP, nhìn chung mơ hình hơ hấp kiểu kìm hãm phi cạnh tranh (MMU) cho kết mơ tả xác Áp dụng mơ hình cho sai số kết mô nồng độ O2 MAP tùy theo chế độ dao động từ 2.13% ÷ 3.78% vải 2.29 ÷ 9.01% nhãn Sai số nồng độ CO2 dao động từ 3.91% ÷12.46% vải 3.81% ÷7.46% nhãn Đây đóng góp thứ luận án - Để xác định tham số mơ hình MMU, luận án đề xuất sử dụng phương pháp thí nghiệm hệ kín, đo thay đổi nồng độ khí hệ thiết bị phân tích khí phát triển thuật tốn xử lý số liệu phương pháp quy hoạch phi tuyến cực tiểu hóa sai số Phương pháp thí nghiệm cho phép xác định xác rút ngắn thời gian thực nghiệm xác định cường độ hô hấp loại rau quả, không vải nhãn mà cho loại rau khác Đây đóng góp thứ hai đề tài - Trên sở tích hợp mơ hình hơ hấp, phương trình khuếch tán khí qua thành bao gói theo dạng định luật Fick, phương trình hơ hấp bay - cân lượng mơi trường khí bao gói MAP Luận án phát triển thành cơng mơ hình tốn học cho phép xác định nhiệt độ độ ẩm, lượng nước ngưng tụ, độ hao hụt rau bao gói bảo quản (MAP) Kết tính tốn mơ hình so với thực nghiệm có sai số nhiệt độ khơng vượt q ± 0.15oC, thời gian độ ẩm 0.025 0.035 0.015 0.025 0.035 8o C 37.35 37.53 36.32 35.82 36.00 0.82 0.80 0.61 0.60 0.61 16.05 16.30 15.65 15.55 15.40 Kết thực nghiệm bảo quản nhãn bao gói MAP Nhãn thí nghiệm bao gói túi LDPE 0.06mm cho kết tốt với vỏ tươi, ruột cứng, trắng tỷ lệ thối hỏng thấp sau tuần bảo quản (tỷ lệ hỏng 8.03%) Nhãn bảo quản túi lưới (đối chứng) bị hao hụt khối lượng nhiều, sau tuần vỏ mềm, khơng cịn độ tươi, mùi thơm giảm Bảng 4.7 Phân tích chất lượng nhãn Mẫu thí nghiệm Ban đầu LDPE 0.015 mm LDPE 0.025 mm LDPE 0.035 mm LDPE 0.06 mm Thời gian tuần tuần tuần tuần tuần tuần tuần tuần tuần tuần tuần tuần Vitamin C (mg/100g) 115.51 109.20 98.31 90.92 103.50 86.41 88.46 111.60 86.08 86.87 101.93 113.79 93.00 Chỉ tiêu đánh giá Axit TSS Hao hụt (%) (oBx) (g) 1.20 19.0 0.99 16.8 20 0.90 16.9 40 0.96 16.3 59 1.17 18.1 20 0.74 16.3 79 0.94 16.1 60 1.10 18.0 20 0.85 17.4 60 1.02 17.0 70 0.97 16.6 20 0.88 16.9 40 0.94 16.6 39 Tỷ lệ hỏng (%) 2.21 31.73 72.89 36.55 60.34 3.61 22.89 65.66 6.02 7.25 8.03 4.4 Đề xuất ứng dụng Quy trình thiết kế bao gói bảo quản khí cải biến: Bước 1: Tập hợp thơng số liên quan tới độ thấm khí bao gói điều kiện bảo quản CA quả; Bước 2: Sử dụng phương pháp thí nghiệm nhanh dạng bình kín, xác định tham số hơ hấp đối tượng thí nghiệm nêu theo dạng mơ hình Michaelis-Menten; Bước 3: Sử dụng hệ phương trình (4.5) để xác định yêu cầu cụ thể bao gói MAP; 22 - Trên sở mơ hình hơ hấp – bay – cân lượng hoàn thiện, kiểm sốt thơng số mơi trường khí bao quanh q trình bảo quản, đồng thời cho phép đề xuất quy trình thiết kế bao gói bảo quản vải nhãn mùa vụ thu hoạch bao gói khí cải biến với khối lượng thực nghiệm tối thiểu phạm vi cơng nghiệp - Áp dụng mơ hình dự đốn thơng số q trình bảo quản rút ngắn thời gian khối lượng thí nghiệm, cho phép tìm chế độ bảo quản tối ưu nhằm đảm bảo tối đa chất lượng sản phẩm kéo dài thời gian bảo quản, giảm hao hụt điều kiện thực tế Tính luận án - Đây lần có nghiên cứu tồn diện đầy đủ mơ hình hơ hấp-bay hơi-cân lượng cho vải nhãn môi trường khí cải biến Việt Nam - Đã xây dựng phương pháp thí nghiệm hệ kín, đo nồng độ khí hệ thiết bị phân tích khí thuật toán xử lý số liệu Phương pháp thí nghiệm cho phép xác định xác rút ngắn thời gian thực nghiệm xác định cường độ hô hấp loại rau không vải nhãn mà cho loại khác - Từ nghiên cứu mô phỏng, sở tích hợp mơ hình hơ hấp, phương trình khuếch tán khí qua thành bao gói theo dạng định luật Fick, phương trình cân nhiệt ẩm mơi trường khí bao gói MAP, phát triển thành cơng mơ hình tốn học cho phép xác định nhiệt độ độ ẩm, lượng nước ngưng tụ, độ hao hụt rau môi trường MAP Kết tính tốn mơ hình cho sai số khoảng cho phép, đặc biệt độ hao hụt tự nhiên đóng góp mới, quan trọng luận án - Trên sở mơ hình hồn thiện, kiểm sốt thơng số mơi trường khí bao quanh q trình bảo quản, đồng thời cho phép đề xuất quy trình thiết kế bao gói bảo quản vải, nhãn mùa vụ thu hoạch môi trường khí cải biến với khối lượng thí nghiệm tối thiểu phạm vi công nghiệp, dẫn đến tăng hiệu tính khả thi phương pháp bảo quản Đây đóng góp quan trọng cho việc đề xuất cơng nghệ bảo quản vải nhãn thực tiễn sản xuất - Xây dựng thành cơng mơ hình dự đốn thơng số q trình bảo quản, rút ngắn thời gian khối lượng thí nghiệm, cho phép tìm chế độ bảo quản tối ưu nhằm đảm bảo tối đa chất lượng sản phẩm kéo dài thời gian bảo quản, giảm hao hụt điều kiện thực tế Kết có ý nghĩa ứng dụng to lớn Bố cục luận án - Mở đầu - Chương Tổng quan bảo quản rau - Chương Cơ sở lý thuyết - Chương Nghiên cứu thực nghiệm - Chương Dự đốn thơng số bảo quản - Kết luận kiến nghị - Danh mục công trình cơng bố luận văn - Tài liệu tham khảo Chương 1: TỔNG QUAN VỀ BẢO QUẢN RAU QUẢ 1.1 Tổng quan thị trường rau tươi Việt Nam Việt Nam nước nằm khu vực nhiệt đới gió mùa, có khí hậu nóng ẩm mưa nhiều nên thảm thực vật phong phú Kể từ đầu thập kỷ 90, bắt đầu trình Mở cửa Hội nhập với kinh tế giới, diện tích rau, hoa, Việt Nam phát triển nhanh chóng ngày có tính chuyên canh cao Xuất rau Việt Nam đạt mức tăng trưởng kỷ lục ngày đóng vai trị quan trọng kim ngạch xuất nước 1.2 Tổng quan công nghệ bảo quản rau tươi Để hạn chế tổn thất sau thu hoạch, kéo dài thời gian bảo quản đảm bảo chất lượng rau tươi từ thu hái đến tiêu thụ, cần phải đảm bảo: Quản lý kỹ thuật xử lý thu hái; Công nghệ bảo quản phù hợp; Vận chuyển tốt, giảm hao hụt, hư hỏng Công nghệ bảo quản không đảm bảo yêu cầu kéo dài thời gian bảo quản, đảm bảo chất lượng rau quả, hạn chế tổn thất mà phải đơn giản, rẻ tiền, áp dụng cho khối lượng sản phẩm hoa tươi Ngày người ta thường kết hợp phương pháp bảo quản lạnh truyền thống phương pháp bảo quản bao gói khí cải biến (Modified Atmosphere Packaging - MAP) để kéo dài thời gian bảo quản MAP kỹ thuật sử dụng để kéo dài thời gian sử dụng cho thực phẩm tươi qua sơ chế Nhiệm vụ bao gồm giảm cường độ hơ hấp cách trì mơi trường khí cải biến bên bao gói chất dẻo thấm Do thiết kế MAP cần tìm loại bao bì thích hợp cho thỏa mãn yếu tố: đạt tỷ lệ thẩm thấu khí tốt, tương thích với cường độ hô hấp sản phẩm bảo quản, giúp tạo mơi trường khí cải biến cân thích hợp bên bao gói Hình 4.34 Dự đốn nhiệt độ Hình 4.35 Dự đốn độ ẩm bao bao gói LDPE 0.06mm cho nhãn gói LDPE 0.06mm cho nhãn Nhận xét:  Các mô hình cho thấy khơng khí bao gói bão hịa tương đối nhanh, lớp khơng khí tự bao gói nhỏ độ thấm nước qua màng chậm tốc độ thoát nước bề mặt  Với loại bao gói khác có sẵn thị trường, kết dự đốn từ mơ hình hô hấp-bay cho thấy việc điều khiển độ ẩm < 100% đạt với loại bao gói này, cần thiết phải sử dụng biện pháp khác để điều khiển độ ẩm 4.2.3 Dự đoán độ hao hụt tự nhiên bao gói Bảng 4.4 Độ hao hụt tự nhiên bao gói Đối tượng Vải Nhãn Loại màng Độ dày (mm) Nhiệt độ (oC) Thời gian (ngày) LDPE LDPE 0.035 0.06 14 14 Độ hụt Độ hụt Chênh Tỷ lệ TT (g) TN lệch độ hao hụt (g) hụt (g) (%) 18.5 17.8 21 20 2.5 2.2 4.07 1.79 4.3 Đánh giá chất lượng bảo quản vải nhãn Kết thực nghiệm bảo quản vải bao gói MAP Sau ngày, mẫu vải 8oC xuất vết thâm đen, biểu thối hỏng Các mẫu nhiệt độ 2oC 5oC tốt Sau 14 ngày, mẫu nhiệt độ 8oC có mùi chua, vết thâm thối Bảng 4.6 Phân tích chất lượng vải Thời gian Nhiệt độ ngày Thường 14 ngày 2oC 5oC Mẫu bao bì LDPE (mm) 0.015 0.025 0.035 0.015 Vitamin C (mg/100g) Ctb 35.93 42.95 41.60 41.73 38.93 21 Axit (%) Atb 2.06 0.85 0.88 0.86 0.85 TSS (oBx) TSStb 17.75 16.70 16.55 16.70 16.25 Hình 4.28 Dự đốn nồng độ khí bao gói LDPE 0.060mm cho nhãn Nồng độ O2 đạt đến trạng thái cân 3.64% sau 120h nồng độ CO2 đạt cân 14.33% sau 157h Thông số gần với thông số bảo quản tối ưu vải, so với loại bao gói LDPE có độ dày nhỏ bao gói LDPE 0.06mm cho tỷ lệ thối hỏng thấp 4.2.2 Dự đoán nhiệt độ độ ẩm bao gói Dự đốn nhiệt độ độ ẩm bao gói vải Kết dự đoán nhiệt độ độ ẩm bao gói LDPE 0.035mm cho vải thể Hình 4.32 Hình 4.33 cho thấy: nhiệt độ bao gói ổn định 5.11oC sau 40 h độ ẩm tương đối đạt trạng thái bão hòa 100% sau 14 phút, với giả thiết nhiệt độ độ ẩm buồng lạnh trì ổn định 5.0oC 80.0% Hình 4.32 Dự đốn nhiệt độ Hình 4.33 Dự đốn độ ẩm bao bao gói LDPE 0.035mm cho vải gói LDPE 0.035mm cho vải Dự đốn nhiệt độ độ ẩm bao gói nhãn Nhiệt độ độ ẩm tương đối buồng bảo quản trì 4oC 80% Nhiệt độ khơng khí bao gói đạt trạng thái ổn định 4.04oC sau 60 h và độ ẩm tương đối đạt trạng thái bão hòa sau 21 phút 20 Giải toán bảo quản tươi rau nhiệt độ thấp kết hợp với bao gói nồng độ khí cải biến -MAP, thực chất giải tốn mơ hình hóa hơ hấp – bay – cân lượng điều kiện khí có thành phần thay đổi Qua cho phép xác định xác thay đổi trường nồng độ khí bao gói, nhiệt độ, độ ẩm, lượng nước ngưng dòng nhiệt tỏa từ sản phẩm theo thời gian, đồng thời xác định thời gian làm lạnh cần thiết, lựa chọn màng bao gói phù hợp Điều cho phép thiết kế công nghệ bảo quản lạnh tối ưu cho loại rau 1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu 1.3.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước Mơ hình hóa cường độ hô hấp-bay hơi-tỏa nhiệt trọng tâm thiết kế MAP cho rau tươi Phương trình đơn giản trình bày Henig Gilbert (1975), dạng mơ hình tuyến tính Một số mơ hình khác hàm đa thức với hệ số điều chỉnh (Yang Chinnan, 1988), hàm số mũ (Beaudry, 1993; Talasila, 1992) Hầu hết mơ hình phát triển cách coi cường độ hô hấp hàm nồng độ thời gian Các nghiên cứu khác sửa đổi tham số mơ hình phù hợp cho phụ thuộc nhiệt độ phép nội suy tuyến tính sử dụng mối quan hệ Arrhenius (Singh cộng sự, 2014) Cường độ hô hấp có quan hệ nghịch đảo với nhiệt độ thời gian bảo quản cường độ hô hấp sản phẩm tươi cao thời gian bảo quản ngắn (Garcia Barrett, 2002) Do đó, mơ hình Arrhenius giới thiệu áp dụng để dự đốn cường độ hơ hấp nhiệt độ khác (Xanthopoulos cộng sự, 2012) [47] Dựa chế hô hấp bị chi phối phản ứng enzyme, nhiều nhà nghiên cứu sử dụng mơ hình động học enzyme MichaelisMenten để mô tả cường độ hô hấp rau tươi Mơ hình cung cấp mơ tả đơn giản, dựa giả định khuếch tán hịa tan O2 CO2 mơ thực vật điều chỉnh phản ứng xúc tác enzyme Hằng số phương trình sử dụng để giải thích cho khả chống khuếch tán khí độ hịa tan vỏ thịt sản phẩm Tuy nhiên, số loại rau quả, O2 CO2 có ảnh hưởng đến chất lượng, đó, ảnh hưởng CO2 đưa vào phương trình Michaelis-Menten với vai trị chất ức chế q trình hơ hấp Ảnh hưởng sử dụng để mơ tả mơ hình mơ hình ức chế cạnh tranh, phi cạnh tranh không cạnh tranh Phương pháp mơ hình hóa động học enzyme số nghiên cứu áp dụng để mô tả mối quan hệ hô hấp nồng độ khí bao gồm tác dụng CO2 với cường độ hơ hấp [52] Q trình bay nước trình sinh lý quan trọng bảo quản rau tươi [44] Có ba cách tiếp cận thường sử dụng cho mơ hình tốn học tượng thoát nước từ rau Cách thứ dựa phương trình khuếch tán định luật Fick (Leonardi cộng sự, 2000) với giả thiết lớp biên khơng khí bề mặt bão hịa có nhiệt độ nhiệt độ bề mặt Tuy nhiên nghiên cứu gần cho thấy với cấu trúc xốp rỗng có ống mao dẫn việc thoát ẩm bề mặt khơng liên tục nên mơ hình thực nghiệm có phạm vi ứng dụng hẹp [58] Cách tiếp cận thứ hai dựa cân nhiệt khối lượng [57], [59], [60] Cách tiếp cận gần với chất vật lý-sinh lý trình thoát ẩm gắn với trao đổi nhiệt ẩn với môi trường MAP Kang Lee (1998) [59] phát triển mơ hình nước để dự đoán tổn thất khối lượng rau tươi điều kiện môi trường thường mơi trường điều chỉnh khí Song cộng (2002) [57] đề xuất mơ hình hơ hấp cách áp dụng đồng thời nguyên tắc truyền nhiệt truyền chất để biết trình sinh lý rau tươi MAP Lu cộng (2013) [60] phát triển mơ hình nước dựa thay đổi khối lượng nước môi trường MAP Tuy nhiên hạn chế phương pháp việc xác định nhiệt ẩn thơng qua phương trình cân nhiệt không đủ để mô tả trình trao đổi liên hợp lượng-khối lượng phức tạp với mơi trường MAP, vi phạm định luật II Nhiệt động Cách tiếp cận thứ ba tổng quát dựa trình bay đẳng áp-entanpy theo đề xuất Trumac-Onhishenko, mà chất xây dựng mơ hình tổng qt cân dịng lượng-vật chất, đồng thời có liên quan chặt chẽ với q trình hơ hấp đảm bảo nghiệm điều kiện định luật II Nhiệt động Nhược điểm phương pháp cơng thức phức tạp địi hỏi kỹ thuật tính tốn cao [61] 1.3.2 Tình hình nghiên cứu nước Ở Việt Nam, cơng trình khoa học nghiên cứu bảo quản rau nhiệt độ thấp khơng nhiều khả áp dụng cịn hạn chế, chưa nghiên cứu cách có hệ thống Một số nghiên cứu bật nói tới nghiên cứu Cao Văn Hùng [1], Nguyễn Thị Minh Nguyệt cộng [62], Phạm Anh Tuấn cộng [63] Trong lĩnh vực chế tạo màng bao gói bật nghiên cứu xây dựng đặc tính loại màng bao gói [64], nghiên cứu chế tạo màng bao gói 4.2 Dự đốn thơng số bao gói 4.2.1 Dự đốn nồng độ khí bao gói Bảng 4.1 Thơng số bao gói bảo quản vải LDPE Nhiệt độ o C Diện tích m2 0.1 Độ dày μm 15 PO2 8,396 PCO2 30,394 PH2O 48,000 0.414 kg LDPE 0.1 25 6,182 17,141 42,000 0.406 kg LDPE 0.1 35 3,968 3,888 31,000 Khối lượng Màng bao gói 0.454 kg Độ thấm khí (m-2.d-1.atm-1) Kiểm chứng mơ hình dự đốn bao gói LDPE 0.035mm, cho thấy: Hình 4.27 Dự đốn nồng độ khí bao gói LDPE 0.035mm cho vải Nồng độ khí O2 giảm dần CO2 tăng dần bên bao gói LDPE 0.035mm Nồng độ O2 đạt đến trạng thái cân 14.12% sau 61h nồng độ CO2 đạt đến trạng thái cân 3.36% sau 30h Bảng 4.3 Thơng số bao gói bảo quản nhãn Độ Nhiệt Diện Khối Độ thấm khí (m-2.d-1.atm-1) Màng độ tích dày lượng bao gói o C m2 mm PO2 PCO2 PH2O 1.0 kg LDPE 0.12 0.015 8,328 29,389 45,000 1.0 kg LDPE 0.12 0.025 6,114 16,136 40,000 1.0 kg LDPE 0.12 0.035 3,900 2,883 30,000 1.0 kg LDPE 0.12 0.060 787 2670 22,000 19 4.1.2 Dự đốn nồng độ khí bình kín cho nhãn 4oC: Hình 4.17 Dự đốn nồng độ O2 CO2 theo mơ hình MMC nhãn (4oC) Hình 4.18 Dự đốn nồng độ O2 CO2 theo mơ hình MMU nhãn (4oC) Hình 4.19 Dự đốn nồng độ O2 CO2 theo mơ hình MMN nhãn (4oC) Hình 4.20 Dự đốn nồng độ O2 CO2 theo mơ hình MMNC nhãn (4oC) Kết luận: - Các mơ hình MMU, MMN MMNC dự đoán nồng độ O2 CO2 xác, mơ hình MMU cho kết dự đốn xác O2 với R2 = 0.9977 δTB = 1.04% Đối với CO2 độ xác ba mơ hình tương đương: R2 = 0.9538 δTB = 27.90% Mơ hình MMC cho kết dự đốn nồng độ CO2 xác - Ở nhiệt độ 4oC (nằm vùng bảo quản tối ưu), dạng mơ hình cho kết dự đốn nồng độ khí O2 CO2 phù hợp với liệu thực nghiệm, tương tự vải, với nhãn mơ hình MMU cho kết dự đoán gần với liệu thực nghiệm - Mơ hình MMU áp dụng rộng rãi nghiên cứu MAP cho nhiều loại khác như: xoài [66] [69], blueberry [51][78], đào [78][79] Do đó, tác giả sử dụng mơ hình MMU để tính tốn, kiểm chứng dự đoán trường nồng độ, nhiệt độ, độ ẩm, độ hao hụt bình kín bao gói cho nhãn phần luận án 18 triển khai sản xuất thử nghiệm màng bao gói [65], [66] Trong lĩnh vực bảo quản vải, nhãn tươi nhiệt độ thấp, Lê Xuân Tuấn có số đề xuất xử lý lạnh sơ bảo quản quy mô lớn nhiệt độ thấp [67] Tuy nhiên, hầu hết nghiên cứu mang tính chất thực nghiệm, thiếu nghiên cứu q trình hơ hấp-trao đổi chấtnhiệt mơi trường MAP nên ứng dụng cịn bị hạn chế chưa đạt hiệu cao Sự thiếu hụt mô hình dự đốn nồng độ, nhiệt độ bao gói loại quả, dẫn tới không khống chế tìm chế độ bảo quản thích hợp cho loại 1.4 Kết luận Để kéo dài thời gian bảo quản tăng chất lượng bảo quản hoa sau thu hoạch cần phải khống chế trình hơ hấp, mà đặc trưng cường độ hơ hấp, với yếu tố ảnh hưởng mạnh nhiệt độ nồng độ khí Do đó, cần sử dụng công nghệ lạnh để giảm nhiệt độ kết hợp với thay đổi nồng độ khí bảo quản Cơng nghệ MAP có nhiều ưu điểm cơng nghệ CA giá thành rẻ nhiều, dễ chế tạo sử dụng, tạo mơi trường khí ổn định, bảo quản với số lượng lớn nên phát triển mạnh Cần tiếp tục phát triển mơ hình tốn học q trình nước có độ xác cao khơng q phức tạp ứng dụng cho nhiều loại khác Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Mơ hình hơ hấp Michaelis-Menten Dựa ba kiểu kìm hãm tốc độ phản ứng trên, Peppelenbos Leven (1996) đưa bốn kiểu mơ hình kìm hãm hơ hấp sau: RO2  RO2  VmO2  O2  CO2 O2  K mO2  1   K mcO  VmO2  O2 K mO2      CO   O2  1   K mnO2    (2.5) (2.7) RO2  RO2  VmO2  O2  CO2 K mO2  O2  1   K muO  VmO2  O2  CO2 K mO2 1   K mcO      (2.6)      O2  1  CO2   K muO      2.2 Mơ hình trao đổi nhiệt-trao đổi chất 2.2.1 Mơ hình hơ hấp-trao đổi chất Phương trình cân chất cho thành phần khí khơng ngưng bao gói MAP dạng phương trình vi phân [4]:  d [O2 ] 100  Ap  PO  Patm  [O2 ]o  [O2 ]i       WS  RO  dt V  L 100    (2.10) (2.8)  d[CO2 ] 100  Ap  PCO2  Patm  [CO2 ]0  [CO2 ]i       WS  RCO2  dt V  L 100    (2.11) d [ N ] 100  Ap  PN  Patm  [ N ]0  [ N ]i      dt V  L 100   (2.12) d[ Ar ] 100  Ap  PAr   Patm  [ Ar]0  [ Ar ]i      100 dt V  L   (2.13) 2.2.2 Phương trình cân entanpy Phương trình cân entanpy viết cho hệ bao gồm: +∆ (2.14) ∆ =∆ Trong đó: - Hp : entanpy quả, kJ - HMAP : entanpy hỗn hợp khí bao gói MAP, kJ - Hair : entanpy khơng khí bên ngồi bao gói, kJ Từ phương trình (2.14), tính tốn kết sau: Phương trình vi phân nhiệt độ bên bao gói: = ∙ ∙ ∙( ∙ ) ∙ ( ) ∙ ( ) ∙ ( ) ( )∙ ( ) 4.1.1 Dự đốn nồng độ khí bình kín cho vải Nồng độ khí dự đốn mơ hình hơ hấp dạng MMC, MMU, MMN MMNC Kết dự đoán so sánh với liệu thực nghiệm để kiểm chứng độ xác mơ hình: Hình 4.5 Dự đốn nồng độ O2 CO2 theo mơ hình MMC vải (5oC) Hình 4.6 Dự đốn nồng độ O2 CO2 theo mơ hình MMU vải (5oC) (2.53) Độ hao hụt tự nhiên nước tổn thất chất khơ: ∆ ∆ ∆ =−∆ − ∙ ∙ ∙ ( ) (2.54) Độ ẩm khơng khí bao gói xác định từ công thức: =( ∙ ∙ )∙ " ( )∙ (2.55) Lượng nước ngưng xác định sau [69]: ∆ = ( ) ( ) ∙∆ (2.57) Hình 4.7 Dự đốn nồng độ O2 CO2 theo Hình 4.8 Dự đốn nồng độ O2 CO2 theo mơ hình MMN vải (5oC) mơ hình MMNC vải (5oC) Các tính tốn mơ phần mềm MATLAB (R2019b, MathWorks®, USA): Kết kiểm chứng mơ hình nhiệt độ 5oC cho thấy: - Các mơ hình dự đốn nồng độ O2 xác, mơ hình MMU cho kết dự đốn xác với sai số tương quan R2 = 0.9715 sai số tương đối trung bình bình 0.72% - Đối với nồng độ CO2, mơ hình MMU, MMN MMNC cho kết có độ xác cao với R2 = 0.9908 δTB = 6.95% Mô hình MMC dự đốn nồng độ khí kém, sai lệch lớn so với số liệu thực nghiệm, không đánh giá độ xác mơ hình - Kết dự đốn nồng độ khí dạng mơ hình MMU cho kết tốt nhất, gần với liệu thực nghiệm Mơ hình MMU mơ hình lựa chọn tính tốn mơ 17 Bảng 3.7 Các tham số mơ hình hơ hấp nhãn nhiệt độ 4oC Mơ hình MMC MMU MMN Vm Km Kmc Kmu R2 Kmn O2 4.9340 0.3196 0.291 - - 0.9999 CO2 5.1447 0.0500 0.0356 - - 0.7969 227.9976 999.966 - 3.0081 - 0.9998 5.4992 0.0001 - 9.3819 - 0.8539 69.7854 292.0014 - - 142.306 1.0000 - - 9.3820 0.8539 O2 CO2 O2 CO2 5.4992 0.0001 MMN O2 C CO2 4.9306 0.2560 0.2443 268.6218 - 0.9998 5.4992 0.0001 1,000.0 - 0.8539 9.3819 Kết luận - Phương pháp thí nghiệm hệ kín phương pháp có độ xác cao, phù hợp với điều kiện Việt Nam để tính tốn cường độ hơ hấp vải nhãn - Các mơ hình cường độ hơ hấp theo dạng mơ hình kìm hãm hơ hấp theo phương trình Michaelis-Menten cho kết kiểm chứng O2 tốt, kết kiểm chứng CO2 hơn, nhiên độ xác chấp nhận Đây kết tốt so với cơng bố ngồi nước - Ở nhiệt độ thấp gần điểm băng, hô hấp kém, cường độ hơ hấp nhỏ, đồng đều, phụ thuộc vào nồng độ khí bao gói Đồng thời nhiệt độ thấp, độ xác thiết bị đo giảm xuống, dẫn đến độ xác mơ hình - Từ kết nghiên cứu cho thấy khơng có dạng mơ hình cường độ hơ hấp phù hợp cho tồn loại quả, nhiệt độ khác Vì vậy, việc xây dựng phần mềm xử lý số liệu, phương pháp, quy trình thí nghiệm, để xác định mơ hình cường độ hô hấp điều kiện bảo quản khác biện pháp cần thiết Chương 4: DỰ ĐỐN CÁC THƠNG SỐ BẢO QUẢN 4.1 Dự đốn thơng số bình kín Nồng độ khí dự đốn mơ hình hơ hấp dạng MMC, MMU, MMN MMNC so sánh với liệu thực nghiệm để kiểm chứng độ xác mơ hình 16 Hình 2.7 Giao diện phần mềm mơ 2.3 Kết luận Trên sở kết hợp mơ hình hơ hấp theo dạng Michaelis-Menten (2.5÷2.8) với hệ số mơ hình xác định từ thực nghiệm phương trình khuếch tán khí qua thành bao gói, có hệ phương trình (2.10÷2.13) dùng để dự đốn nồng độ khí bao gói phương trình (2.53), (2.55) để xác định biến thiên nhiệt độ độ ẩm bao gói MAP Hệ phương trình vi phân đại số lập trình ngơn ngữ Matlab hình thành mơ hình hơ hấp - bay - cân lượng cho rau bao gói MAP Mơ hình cần thiết để thiết kế lựa chọn bao gói kiểm sốt thơng số q trình bảo quản, góp phần hồn thiện cơng nghệ MAP cho ứng dụng thực tế Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 3.1 Phương pháp xác định cường độ hô hấp Cường độ hô hấp đại lượng xác định thông qua đo nồng độ CO2 O2 Phương pháp hệ kín phương pháp phù hợp nhất, có độ xác cao, thời gian thí nghiệm ngắn, thiết bị dễ thực 3.2 Đối tượng thí nghiệm Đối tượng 1: Quả vải (Litchi chinensis Sonn.): Trồng huyện Lục Ngạn, Bắc Giang Các mẫu thí nghiệm thí nghiệm độ chín [17] Đối tượng 2: Quả nhãn (Dimocarpus longan): Trồng xã Đại Thành, Quốc Oai, Hà Nội Các mẫu thí nghiệm thí nghiệm độ chín [80], [82], [84] 3.3 Số lượng tổ chức thí nghiệm 3.3.1 Thí nghiệm vải Thí nghiệm 1: Thí nghiệm bình kín chế độ nhiệt độ 2oC, 5oC 8oC Khối lượng mẫu thí nghiệm 0.5 kg đặt hộp nhựa có nắp gioăng kín dung tích 5500 ml Tổng số thí nghiệm 27 mẫu Thí nghiệm 2: Thí nghiệm bao bì MAP nhiệt độ 5oC bao gói LDPE có độ dày 0.015mm, 0.025mm 0.035mm với kích thước 25x20cm Tổng số chế độ thí nghiệm Thí nghiệm 3: Xác định O2, CO2, T, φ Tổng số chế độ thí nghiệm Thí nghiệm 4: Xác định chất lượng bảo quản vải Tổng số mẫu phân tích mẫu 3.3.2 Thí nghiệm nhãn Thí nghiệm 1: Thí nghiệm bình kín chế độ nhiệt độ 1oC, 4oC 10oC Khối lượng mẫu thí nghiệm 1.0 kg đặt hộp nhựa có nắp gioăng kín dung tích 5500ml Tổng số 27 chế độ thí nghiệm Thí nghiệm 2: Thí nghiệm bao bì MAP nhiệt độ 4oC với loại bao bì LDPE có độ dày 0.015 mm; 0.025 mm; 0.035 mm 0.06 mm Tổng số 12 chế độ thí nghiệm Thí nghiệm 3: Xác định O2, CO2, T, φ Tổng số 12 chế độ thí nghiệm Thí nghiệm 4: Xác định chất lượng bảo quản nhãn Tổng số mẫu phân tích 12 mẫu 3.4 Thiết bị thí nghiệm 3.4.1 Máy phân tích khí GS6600 Headspace Analysers Mơ hình O2 MMN CO2 O2 MMNC CO2 Vm Km 44.7479 100.000 25.5805 0.0001 99.9999 250.0662 25.5805 0.0001 Kmc Kmu 9.7224 100.00 100.00 1.7793 Kmn 9.9337 1.7793 - R2 0.9758 0.9595 0.9778 0.9595 3.6.2 Mơ hình cường độ hơ hấp nhãn Đánh giá mơ hình cường độ hơ hấp nhãn nhiệt độ 4oC: - Đối với O2, mơ hình cường độ hơ hấp cho kết tính tốn xác Đặc biệt mơ hình MMN cho kết nhận dạng có độ xác với R2 ≈ 1.0 sai số tương đối trung bình δTB = 0.05% Các mơ hình cịn lại có hệ số tương quan R2 > 0.998 δTB < 0.09% - Mơ hình MMN cho kết kiểm chứng tốt cho O2 CO2 ngược lại MMNC cho kết kiểm chứng - Đối với CO2, mơ hình MMU, MMN MMNC cho kết kiểm chứng tương đương nhauvới R2 = 0.8539 δTB = 3.39%; mơ hình MMC cho kết với R2 = 0.7969 δTB = 4.05% Dải đo O2: 0,001 to 100%; Dải đo CO2: 0.1 to 100% Thời gian lấy mẫu: < 5s (O2), < 10s (CO2) Độ xác O2: ± 0.2% với [O2] = 10% ~ 100%; ±0.02% với [O2] = 1% ~ 9,99%; ± 0.005% với [O2] = 0% ~ 0.999% Độ xác CO2: ± 2% 3.4.2 Bộ đo nhiệt độ, độ ẩm HIOKI 2300 Series Thông số kỹ thuật cảm biến sau: Dải đo Nhiệt độ: -40oC~85oC (bước đo: 0.1oC) Độ ẩm: 0.0~100.0% (bước đo: 0.1%) Độ Nhiệt độ: -40.0~-0.1oC: ± 1.0oC; 0.0~35.0oC: ± 0.5oC xác 35.0~70.0oC: ± 1.0oC; 70.0~85.0oC: ± 2.0oC Độ ẩm: Độ xác phụ thuộc dải nhiệt độ độ ẩm 3.4.3 Tủ lạnh thí nghiệm FOC225E Cooled Incubator Dải nhiệt độ: 3~50oC; Độ ổn định nhiệt độ: ± 0.5oC Độ đồng nhiệt độ : ± 0.5oC; Độ xác nhiệt độ: 0.1oC Khả hiển thị : chữ số, bước 0.1oC 10 Hình 3.31 Mơ hình cường độ hô hấp nhãn (4oC) theo dạng MMC Hình 3.32 Mơ hình cường độ hơ hấp nhãn (4oC) theo dạng MMU Hình 3.33 Mơ hình cường độ hơ hấp nhãn (4oC) theo dạng MMN Hình 3.34 Mơ hình cường độ hơ hấp nhãn (4oC) theo dạng MMNC 15 hình kiểm chứng, nhiên kết chấp nhận với với R2 = 0.9648 δTB = 2.83% - Mơ hình MMU, MMN MMNC cho kết kiểm chứng tương đương CO2 với hệ số tương quan R2 = 0.9595 δTB = 6.12%; mơ hình MMC cho kết kiểm chứng xác với R2 = 0.9394 δTB = 7.63% - Mơ hình cường độ hơ hấp theo dạng MMNC mơ hình có độ xác cao kiểm chứng cho dải nhiệt độ 5oC Hệ số tương quan R2 O2 CO2 0.9778 0.9595, sai số số tương đối trung bình δTB O2 CO2 2.23% 6.12% 3.5 Quy trình thí nghiệm Hình 3.8 Quy trình thí nghiệm 3.5 Kết nghiên cứu thực nghiệm 3.5.1 Nhận dạng nồng độ khí theo thời gian vải Hình 3.19 Mơ hình cường độ hơ hấp vải (5oC) theo dạng MMC Hình 3.20 Mơ hình cường độ hơ hấp vải (5oC) theo dạng MMU Hình 3.21 Mơ hình cường độ hơ hấp vải (5oC) theo dạng MMN Hình 3.22 Mơ hình cường độ hơ hấp vải (5oC) theo dạng MMNC Hình 3.9 Nhận dạng tham số nồng độ khí vải theo thời gian (2oC) Bảng 3.4 Các tham số mơ hình hơ hấp vải nhiệt độ 5oC Mơ hình O2 MMC CO2 O2 MMU CO2 Vm Km 44.6641 100.000 24.6610 0.0120 45.1854 99.9998 25.5805 0.0001 Kmc 8.4163 0.0012 14 Kmu 1.5211 1.7793 Kmn - R2 0.9775 0.9394 0.9648 0.9595 11 Hình 3.10 Nhận dạng tham số nồng độ khí vải theo thời gian (5oC) Hình 3.13 Nhận dạng tham số nồng độ khí nhãn thời gian (4oC) o Hình 3.11 Nhận dạng tham số nồng độ khí vải theo thời gian (8 C) Bảng 3.1 Nhận dạng tham số nồng độ khí vải T 2oC 5oC 8oC Nồng độ [O2] [CO2] [O2] [CO2] [O2] [CO2] a -0.064599382 13.979537 -0.3366049 12.126232 -0.02866126 b 21.087136 0.16942214 7.0306469 0.39614446 8.9322839 0.21307492 c 451.432730 0.82303392 104.29482 0.65910587 102.60309 0.8185161 R2 0.98597608 0.99548264 0.98597608 0.99548264 0.98289109 0.99633290 Nhận xét: Với hệ số sai số tương quan R ≈ 0.99 cho thấy dạng phương trình lựa chọn phù hợp Các tham số a, b, c hàm số nồng độ khí theo thời gian cho vải kết có độ xác cao Hình 3.14 Nhận dạng tham số nồng độ khí nhãn thời gian (10oC) Bảng 3.2 Nhận dạng tham số nồng độ khí nhãn T 1o C 3.5.2 Nhận dạng nồng độ khí theo thời gian nhãn Các tham số mơ hình tổng hợp bảng 3.5 Kết nhận dạng xác với hệ số tương quan R2 > 0.99 4o C 10oC Hình 3.12 Nhận dạng tham số nồng độ khí nhãn theo thời gian (1oC) 12 Nồng độ [O2] [CO2] [O2] [CO2] [O2] [CO2] a 17.269909 0.027629626 1.0313984 0.97555065 -1.9220345 1.5661639 b 3.7164747 0.68848227 19.731206 0.14262616 22.184581 0.12900529 c 53.064918 0.4023979 206.24941 0.8686086 145.14493 0.97619808 R2 0.99278190 0.99812557 0.99872307 0.99936641 0.99668730 0.99889578 3.6 Mơ hình cường độ hơ hấp 3.6.1 Mơ hình cường độ hơ hấp vải Kết kiểm chứng mơ hình cường độ hô hấp vải nhiệt độ 5oC thể hình từ 3.19 đến 3.22 sau: Từ dạng mơ hình cường độ hơ hấp 5oC, thấy: - Cường độ hơ hấp O2 tính tốn từ mơ hình MMNC cho kết tốt với hệ số tương quan R2 = 0.9778 sai số tương đối trung bình δTB = 0.04% Các mơ hình MMC, MMN cho kết gần với mơ hình MMNC Mơ hình MMU cho độ xác loại mơ 13 ... khơng khí bao gói từ kiểm sốt điều kiện bảo quản dự đoán độ hao hụt tự nhiên, thời gian bảo quản, sở tích hợp mơ hình MichaelisMenten cho hơ hấp- bay hơi- cân lượng mơi trường khí bao gói, bao gói. .. nghiên cứu hoàn thiện công nghệ bảo quản vải nhãn phương pháp bao gói khí cải biến (MAP) sở nghiên cứu q trình hơ hấp - bay - cân lượng nhằm tăng chất lượng kéo dài thời gian bảo quản Nội dung... hồn thiện, kiểm sốt thơng số mơi trường khí bao quanh trình bảo quản, đồng thời cho phép đề xuất quy trình thiết kế bao gói bảo quản vải nhãn mùa vụ thu hoạch bao gói khí cải biến với khối lượng