Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sấy bơm nhiệt tuần hoàn kín để nâng cao chất lượng một số rau quả Việt Nam

Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sấy bơm nhiệt tuần hoàn kín để nâng cao chất lượng một số rau quả Việt Nam Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sấy bơm nhiệt tuần hoàn kín để nâng cao chất lượng một số rau quả Việt Nam luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ***************** PHẠM ANH TUẤN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ SẤY BƠM NHIỆT TUẦN HỒN KÍN ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG MỘT SỐ RAU QUẢ VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2011 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ********************** PHẠM ANH TUẤN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ SẤY BƠM NHIỆT TUẦN HỒN KÍN ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG MỘT SỐ RAU QUẢ VIỆT NAM CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ BẢO QUẢN VÀ SƠ CHẾ NÔNG LÂM SẢN SAU THU HOẠCH MÃ SỐ: 62.54.10.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS LÊ NGUYÊN ĐƯƠNG TS CHU VĂN THIỆN HÀ NỘI - 2011 - 1- CHƢƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặc tính chất lƣợng sản phẩm rau sấy 1.1.1 Đặc tính sản phẩm rau sấy  Hình dáng, kích thước: ngoại hình sản phẩm rau sấy, tùy vào mục đích sử dụng rau sấy đƣợc chế biến theo dạng lát mỏng, bột hay dạng miếng đƣợc kiểm tra trình sản xuất từ khâu phân loại, thái, nạo, nghiền, ép  Màu sắc mùi vị: đặc tính quan trọng sản phẩm rau sấy, phƣơng pháp đánh giá cảm quản màu sắc mùi vị đƣợc đánh giá phƣơng pháp phân tích Đối với màu sắc sử dụng dụng cụ quang học để đo nồng độ dịch chiết từ sản phẩm với mùi vị sử dụng phƣơng pháp trích ly chƣng cất để tách thành phần chất dễ bay có tính đặc thù tạo nên mùi vị đặc trƣng rau cụ thể  Thành phần chất dinh dưỡng: rau có chứa thành phần quan trọngcủa nhóm thực phẩm, bao gồm thành phần nhƣ hydrat cacbon, protein, chất béo, vitamin khoáng chất Chất lƣợng dinh dƣỡng đƣợc đánh giá độ sinh lƣợng, độ tiêu hố hấp thụ thức ăn, ngồi cịn chất tạo mùi vị để kích thích ngon miệng nhiều thành phần rau cịn có khả chữa bệnh [18]  Sự ngấm nước: mức độ thời gian ngấm nƣớc hay hấp thụ nƣớc bù nƣớc yêu cầu sản phẩm rau sấy, đại lƣợng đánh giá khả hồi nguyên sản phẩm sau sấy so với trạng thái ban đầu Công thức xác định độ ngấm nƣớc nhƣ sau: Hệ số ngấm nƣớc  Trong đó: Gn G0 (1.1) - 2- Gn - Khối lƣợng sản phẩm ngấm nƣớc trở lại G0 - Khối lƣợng sản phẩm sấy Hệ số ngấm nƣớc lớn với thời gian ngấm nƣớc ngắn cho thấy khả hồi nguyên sản phẩm tốt mong muốn đạt đƣợc trình sấy sản phẩm rau thực phẩm  Độ ẩm sản phẩm: đặc tính kỹ thuật quan trọng khả bảo quản sảnphẩm sau q trình sấy, mặt khác cịn yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng cảm quan hiệu suất thành phẩm Quan hệ độ ẩm cuối w2 với độ ẩm ban đầu w1, trọng lƣợng ban đầu G1 trọng lƣợng cuối sản phẩm G2 đƣợc biểu diễn theo công thức [19]: G1 100  w2  G2 100  w1 (1.2) Hoạt độ nƣớc (aW) sở để xác định độ ẩm bảo quản cho loại rau sấy, tỷ số áp suất nƣớc bề mặt vật liệu (p) áp suất nƣớc nƣớc nguyên chất (p0) điều kiện xác định độ ẩm tƣơng đối trạng thái cân thiết bị chứa kín với vật liệu ẩm đƣợc đƣa vào [33]: aW  p p0  ERH 100 (1.3) Trong đó: ERH% độ ẩm cân bằng, aw đƣợc biển diễn từ đến thông số thể hàm lƣợng nƣớc tự có sản phẩm mà vi sinh vật sử dụng để phát triển làm hƣ hỏng sản phẩm thực phẩm nhƣ xúc tác cho phản ứng hóa học xảy nhƣ q trình oxy hóa chất béo, protein gây mùi thiu, khó chịu cho sản phẩm  Dư lượng hố chất: mức u cầu tối thiểu cịn tồn dƣ trong sản phẩm mà không làm ảnh hƣởng đến chất lƣợng gây độc hại thể ngƣời Các qui định khác nồng độ SO lại sản phẩm, số nƣớc qui định giới hạn giới hạn dƣới chất Một số nƣớc khác đề nghị loại trừ việc sử dụng SO để chế biến số loại sản phẩm, việc - 3- tranh luận đặc tính hoạt động lƣu huỳnh tiếp tục, nhƣng ngƣời ta có khuynh hƣớng sử dụng SO song hạn chế nồng độ SO2 Giới hạn cho phép 2000 - 2500 mg SO2/kg cho loại rau [92]  Nhiễm vi sinh vật: yếu tố tạo môi trƣờng cho phát triển vi sinh vật thực phẩm, độ ẩm, pH, nhiệt độ, oxy thời gian Rau loại thực phẩm môi trƣờng cho hoạt động vi sinh vật nên cần hạn chế yếu tố ảnh hƣởng nhƣ gia tăng khả nhiễm khuẩn từ công đoạn trƣớc thu hoạch mà xử lý sơ chế chƣa đảm bảo rửa nguồn nƣớc bị nhiễm khuẩn, gây từ ngƣời mang vi khuẩn [7], [8], [9], [15] 1.1.2 Chất lượng tiêu chuẩn đánh giá chất lượng rau sấy Rau sấy loại thực phẩm chất lƣợng gồm nhóm tiêu chuẩn chất lƣợng: dinh dƣỡng, cảm quan vệ sinh ATTP Mặt khác rau sấy loại hàng hoá nên ngồi chất lƣợng thực phẩm cịn phải thoả mãn chất lƣợng dịch vụ chất lƣợng cơng nghệ (hình 1.1) Nhu cầu thoả mãn lợi ích Chất lượng dinh dưỡng - Hàm lượng: Vitamin, protein, chất béo, khoáng chất - Độ sinh lượng - Độ tiêu hoá hấp thụ thức ăn Chất lượng cảm quan - Màu sắc - Mùi vị - Độ ngấm nước - Độ ẩm Chất lượng vệ sinh ATTP - Tạp chất - Vi sinh vật có hại - Dư lượng hố chất Chất lượng dịch vụ - Qui cách mẫu mã - Kiểu dáng Hình 1.1 Phân nhóm chất lƣợng rau sấy theo thuộc tính sử dụng Trong chất lƣợng dinh dƣỡng tiêu chuẩn quan trọng đƣợc tính đến hàm lƣợng chất dinh dƣỡng chứa rau Mức dinh dƣỡng đánh giá - 4- hai phƣơng diện, số lƣợng lƣợng tiềm tàng dƣới dạng hợp chất hố học cung cấp cho q trình tiêu hố chuyển hố lƣợng đo đƣợc calorimet kế, chất lƣợng cân thành phần dinh dƣỡng theo đối tƣợng tiêu thụ với có mặt chất vi lƣợng cần thiết [28] Chất lƣợng sản phẩm rau sấy bị tác động nhiều yếu tố ảnh hƣởng trƣớc, sau trình sấy, yếu tố có ảnh hƣởng lớn ln diễn q trình sấy Mục tiêu nâng cao chất lượng rau sấy cần nghiên cứu hạn chế mức độ biến đổi chất lượng sản phẩm đến mức thấp nhiệm vụ đặt đề tài 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu yếu tố biến đổi ảnh hƣởng đến chất lƣợng rau sấy Sau tổng hợp kết nghiên cứu với đối tƣợng rau nói chung biến đổi chất lƣợng sản phẩm tác động nhiều yếu tố nhƣ: biến đổi vật lý, biến đổi hoá lý, biến đổi hoá học, biến đổi sinh hoá, biến đổi hoạt động vi sinh vật biến đổi thành phần dinh dƣỡng 1.2.1 Biến đổi vật lý  Hình thành ứng suất co giản: trình sấy cấu trúc rau có tƣợng co ngót thể tích, độ co ngót ban đầu từ bề mặt chuyển dần vào tâm vật liệu sấy Sự tạo thành vết nứt, gãy, tế bào bị nén ép, vặn vẹo làm cho vật liệu có bề mặt bị co ngót, nhăn nheo Sự hình thành vết nứt trình phức tạp bị ảnh hƣởng yếu tố độ ẩm nhiệt độ [30], [69]  Biến cứng bề mặt: q trình sấy chất hồ tan di chuyển theo nƣớc từ bên bề mặt ngồi sản phẩm, bay nƣớc làm đặc chất tan bề mặt kết hợp với nhiệt độ cao gây phản ứng lý hố phức tạp chất tan hình thành nên lớp vỏ cứng, hay gọi tƣợng "cứng vỏ" (cas hardening), làm giảm tốc độ sấy tạo nên phân bố ẩm không đồng [92]  Sự thay đổi độ hòa tan: nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến độ hòa tan, bao gồm điều kiện xử lý, điều kiện lƣu trữ, thành phần cấu tạo, độ pH, kích thƣớc vật - 5- liệu nhiệt độ sấy tăng dẫn đến biến đổi protein làm giảm độ hòa tan, hay protein bị biến chất nhiều độ hịa tan giảm, [79] Một số kết nghiên cứu biến đổi cấu trúc rau sấy cho thấy: Trong trình sấy tế bào bị áp suất thẩm thấu, tính thấm màng tế bào bị thay đổi, chất tan di chuyển, polysacarit protein tế bào bị đơng tụ, từ dẫn đến thay đổi cấu trúc, làm thất thoát chất dễ bay q trình khơng thuận nghịch Nhiệt q trình sấy làm giảm khả hydrat hoá tinh bột tính đàn hồi thành tế bào, làm biến tính protein Sự biến đổi cấu trúc q trình gia nhiệt nhiệt độ lớn 60 0C xảy đơng tụ protein biến tính tinh bột xảy nhiệt độ cao 80 0C nguyên nhân dẫn đến khả hồi ngun ngấm nƣớc trở lại khơng có tính thuận nghịch [43] Quá trình hấp thụ nƣớc, nhìn chung tốc độ tăng nhanh giai đoạn đầu sau giảm dần Sự hấp thụ độ ẩm nhanh qúa trình hấp thụ bề mặt hấp thụ mao dẫn yếu tố ảnh hƣởng đến trình bù nƣớc Những yếu tố phụ thuộc độ xốp, ống mao dẫn lỗ gần bề mặt, bọt khí, trạng thái kết tinh vơ định hình, chất rắn hịa tan, độ khô, anion, độ pH nhiệt độ nƣớc dùng để ngâm nguyên liệu [67], [91] Độ xốp, ống mao dẫn khe nứt gần bề mặt làm tăng cƣờng q trình bù nƣớc, xuất bọt khí đƣợc tách vật cản xâm nhập nƣớc Để hạn chế biến cứng bề mặt vật liệu sấy cần kiểm soát điều kiện sấy cần tránh chênh lệch ẩm cao bên bề mặt sản phẩm [30]  Sự thay đổi hoạt độ nước: loại vi sinh vật có giá trị aw thấp mà dƣới chúng khơng phát triển lâu dài đƣợc [20], [39], [70] Chỉ số họat độ nƣớc (bảng 1.1) dự đốn đƣợc loại vi sinh vật có khả phát triển không phát triển giá trị aw định Nhƣ độ ẩm, nhiệt độ thời gian yếu tố mà ngƣời chủ động điều khiển để kiểm soát phát triển vi khuẩn với đối tƣợng sản phẩm cụ thể mà hoạt độ nƣớc yếu tố gốc, [33] - 6- Bảng 1.1 Quan hệ hoạt độ nƣớc phát triển vi sinh vật 1.0 - 0.95 Hầu hết vi khuẩn, vài nấm men, sinh vật gây bệnh thối hỏng 0.95 - 0.91 Hầu hết cocci, lactobacilli, nấm mốc, Salmonella, vi khuẩn lactic quần thể gây thối hỏng 0.91 - 0.87 Hầu hết nấm men, mycotoxin (1 sản phẩm nấm mốc), thối hỏng thƣờng nấm men nấm mốc 0.87 - 0.80 Sự phát triển Staphylococcus aureusmay 0.80 - 0.75 Hầu hết nấm mốc, mầm bệnh từ vi khuẩn không phát triển 0.75 - 0.65 Hầu hết vi khuẩn ƣu mặn 0.65 - 0.60 Nấm mốc Xerophilic < 0.60 Không phát triển 1.2.2 Biến đổi hố lý Xảy q trình chuyển dời ẩm từ bên vật liệu ẩm tới bề mặt ngồi nó, từ bề mặt ẩm bay khuếch tán vào luồng khơng khí (tác nhân sấy) bao quanh vật liệu sấy Quá trình chuyển ẩm từ bên sản phẩm sấy thực đƣợc nhờ lực khuếch tán thẩm thấu, lực mao quản, gọi độ dẫn ẩm Nhờ có độ dẫn ẩm, ẩm chuyển dời theo hƣớng từ trung tâm bề mặt vật liệu Khái niệm nƣớc liên kết nƣớc tự đƣợc phát triển từ nguyên tắc sấy khái niệm quan trọng sản phẩm sấy tính ổn định q trình chế biến bảo quản Một sản phẩm không chứa nƣớc gọi theo thuật ngữ thực phẩm khơ hồn tồn Nƣớc có thực phẩm tồn theo dạng trạng thái khác nhau, với tính chất khác hẳn với tính chất nƣớc tinh khiết, nƣớc dạng xác định nƣớc liên kết Tuy nhiên, tỷ lệ nƣớc liên kết phụ thuộc vào định nghĩa kỹ thuật đo đƣợc sử dụng Năng lƣợng liên kết trạng thái nƣớc liên kết khác ảnh hƣởng tới q trình sấy khơ cần có thêm lƣợng để tách nƣớc liên kết khỏi nƣớc tự do, [85] - 7- 1.2.3 Biến đổi hoá học  Phản ứng tạo màu: trình sấy chủ yếu xẩy phản ứng tạo màu không enzim nhƣ phản ứng caramen hoá phản ứng melanoid Các yếu tố ảnh hƣởng đến phản ứng tạo màu không enzim nhƣ độ ẩm, nhiệt độ, độ pH Tốc độ phản ứng tạo màu nhanh phạm vi độ ẩm trung bình giảm độ ẩm thấp cao Tạo màu có khuynh hƣớng xảy vào giai đoạn sấy, phân tử hịa tan di chuyển phía trung tâm Tạo màu xẩy cuối giai đoạn sấy độ ẩm vật liệu giảm bốc hơi, nhiệt độ vật liệu có xu hƣớng tăng Các kết nghiên cứu cho thấy: - Phản ứng tạo màu không enzim xảy nhiệt độ 80 - 90°C với thời gian nhiệt độ tăng Qúa trình axit amino đƣờng phản ứng tạo màu Lysine, hystidine,threonine, methionine cysteine số loại axit amino có liên quan đến phản ứng tạo màu [44] - Potter nhận định tạo màu melanoid tiếp tục hầu nhƣ nhanh trình sấy hàm lƣợng độ ẩm giảm từ 15% - 20%, độ ẩm giảm xuống thấp phản ứng diễn chậm [87] - Nhiệt oxy hoá trình sấy gây thay đổi hố học carotenoit clorophyl Hoạt độ nƣớc nhân tố quan trọng làm giảm chất diệp lục gây biến đổi màu sắc vật liệu Một lý khác màu quang ơxy hóa sắc tố mà ngun nhân liên kết ánh sáng với oxi Quá trình sấy nhiệt độ cao xẩy hồ hoá tinh bột dẫn đến màu sắc vị lạ [94] Tóm lại phản ứng tạo màu làm thay đổi màu sắc, giảm giá trị dinh dƣỡng, độ hòa tan, tạo vị lạ thay đổi mặt cấu trúc vật liệu sấy  Phản ứng oxy hóa lipit: Rau loại giàu chất béo sau q trình sấy dễ bị khét, tạo nên vị lạ vitamin hòa tan chất béo, đặc biệt lƣợng nƣớc bị giảm q nhiều phản ứng oxy hố lipit Các yếu tố tác động đến phản ứng oxy hóa lipit bao gồm độ ẩm, axit béo, oxy, nhiệt độ, có - 8- mặt kim loại chất chống oxy hóa tự nhiên, hoạt động enzyme, tia UV, hàm lƣợng protein, axit amino tự phản ứng hóa học khác Trong độ ẩm nhiệt độ yếu tố ảnh hƣởng mạnh đến mức độ oxy hóa Một số kết nghiên cứu cho thấy: Oxy hóa chất béo thƣờng xảy trình tách nƣớc, nguyên nhân làm sản phẩm bị biến màu từ protein không béo Hiệu sản phẩm tạo màu không lên men nhằm ngăn chặn q trình oxy hóa lipit chế đƣợc Karel chứng minh ngăn chặn q trình oxy hóa Lipit bề mặt lipit đƣợc nén ma trận cacbonhydrat, polisaccarit protein lipit bề mặt bị oxy hóa nhanh chóng cho ngồi khơng khí Tuy nhiên, lipit đƣợc nén khơng bị oxy hóa kết cấu ma trận bị nén đƣợc điều chỉnh bị hấp thụ nƣớc phá hủy [99] Sự oxy hoá chất béo không no tạo hydroperoxit tham gia tiếp vào phản ứng polyme hoá, phản ứng tách nƣớc oxy hố để tạo thành aldehyt, keton axít gây mùi thiu khó chịu Sự tạo thành hay trì chất dễ bay tạo nên hƣơng vị hay loại bỏ hƣơng vị khỏi nguyên liệu trình sấy, làm thay đổi thành phần chất dễ bay làm bay phần lớn chất dễ bay tạo nên hỗn hợp mùi phản ứng hóa học Khả tổn thất chất dễ bay đáng kể xảy giai đoạn đầu trình sấy vào giai đoạn cuối mức độ tổn thất khơng xảy khuếch tán có chọn lọc [107] 1.2.4 Biến đổi sinh hố Giai đoạn đầu trình sấy nhiệt độ vật liệu tăng dần với tốc độ chậm, tạo hoạt động mạnh mẽ hệ enzim enzim oxy hoá khử gây biến đổi xấu đến chất lƣợng vật liệu sấy Trong giai đoạn sấy hoạt động enzim giảm theo xu hƣớng độ ẩm vật liệu giảm Giai đoạn sau sấy số enzim enzim oxy hố khử khơng bị hồn tồn đình mà cịn tiếp tục hoạt động yếu thời gian bảo quản tới giai đoạn phục hồi khả - 153 - - 154 - - 155 - - 156 - - 157 - - 158 - PHỤ LỤC Xử lý số liệu sấy cà rốt phần mềm Design-Expert version 7.1 - 159 - - 160 - - 161 - - 162 - - 163 - - 164 - - 165 - - 166 - - 167 - ... ANH TUẤN NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CƠNG NGHỆ SẤY BƠM NHIỆT TUẦN HỒN KÍN ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG MỘT SỐ RAU QUẢ VIỆT NAM CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ BẢO QUẢN VÀ SƠ CHẾ NÔNG LÂM SẢN SAU THU HOẠCH MÃ SỐ: 62.54.10.01... pháp sấy nhiệt đối lƣu thông dụng 1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ HPD Công nghệ HPD ứng dụng từ thành tựu nghiên cứu bơm nhiệt, vào năm 1852 Thomson (Lord Kenvin) sáng chế bơm. .. công nghệ HPD tƣơng lai:  Cần nghiên cứu áp dụng nâng cao hiệu suất sấy tiêu chất lƣợng sản phẩm theo công nghệ HPD kiểu động hay tầng sôi [64], [102], [103]  Cần nghiên cứu ứng dụng công nghệ