Sấy là sự bốc hơi nước của sản phẩm bằng nhiệt ở nhiệt độ bất kì, là quá trình khuếch tán do chênh lệch ẩm ở bề mặt và bên trong vật liệu, hay nói cách khác qúa trình sấy được thực hiện là do có sự chênh lệch áp suất giữa áp suất hơi nước riêng phần trên bề mặt nguyên liệu và áp suất hơi nước trong không khí trong môi trường bên ngoài.
Gọi p1: áp suất riêng phần của hơi nước trên bề mặt nguyên liệu. P2: áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí.
Quá trình sấy sẽ xảy ra hay nước trong nguyên liệu sẽ bay hơi khi p1 > p2 và kết thúc quá trình sấy khi đạt trạng thái cân bằng.
Quá trình bay hơi nước ra khỏi nguyên liệu trãi qua hai giai đoạn:
- Nước trên bề mặt nguyên liệu bay hơi, tạo nên chênh lệch về độ ẩm giữa bề mặt nguyên liệu và bên trong nguyên liệu.
- Nước phía trong nguyên liệu khuếch tán ra bề mặt, rồi tiếp tục bay hơi
Ngành CNTP – Khoa Nông Nghiệp và Sinh học Ứng dụng 23 2.3.1 Sơ lược về sấy rau quả
Một số tính chất của rau quả liên quan đến quá trình sấy:
Trong quá sấy, rau quả xảy ra mộ loạt biến đổi hóa sinh, hóa lý, cấu trúc cơ học và các biến đổi bất lợi khác làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Những biến đổi cơ học bao gồm sự biến dạng, nứt, cong queo, biến đổi độ xốp… Hàm lượng vitamin trong rau quả sấy thường thấp hơn trong rau quả tươi vì chúng bị phá hủy một phần trong quá trình sấy và xử lý trước khi sấy.
Để tránh hoặc làm chậm các biến đổi không thuận nghịch ấy,cũng như tạo điều kiện để ẩm thoát ra khỏi rau quả một cách dễ dàng, cần có chế độ sấy thích hợp cho từng loại sản phẩm.
Chần hấp nhằm tạo những biến đổi hóa lý thuận lợi cho quá trình sấy sau này. Dưới tác dụng của hơi nước, các vi sinh vật bị tiêu diệt, các hệ thống enzym mất hoạt tính, hạn chế tối đa khả năng biến màu trong khi sấy của rau quả. Những sản phẩm nhiều tinh bột khi chần sẽ làm hồ hóa tinh bột, phá vỡ cân bằng bên trong tế bào dẫn đến sự thay đổi cấu trúc hệ thống có lợi cho quá trình trao đổi nhiệt lúc sấy.
2.3.2 Các giai đoạn của quá trình sấy
Nếu chế độ sấy tượng đối dịu, nghĩa là nhiệt độ và tốc độ chuyển động của không khí không lớn, đồng thới vật có độ ẩm tương đối cao, thì quá trình sấy sẽ xảy ra theo 3 giai đoạn: giai đoạn làm nóng vật liệu, giai đoạn sấy tốc độ không đổi và giai đoạn sấy tốc độ giảm dần.
Giai đoạn làm nóng vật liệu
Giai đoạn này bắt đầu từ khi đưa vật liệu vào buồng sấy tiếp xúc với không khí nóng cho tới khi nhiệt độ bằng nhiệt độ bầu ướt. Trong quá trình này toàn bộ vật sấy được gia nhiệt. Do được làm nóng nên độ ẩm của vật có giảm nhẹ do bóc hơi còn nhiệt độ của vật thì tăng dần từ nhiệt độ ban đầu đến khi bằng nhiệt độ của nhiệt kế bầu ướt.
Giai đoạn tốc độ sấy không đổi
Kết thúc giai đoạn gia nhiệt, nhiệt độ vật bằng nhiệt độ bầu ướt, tiếp tục cung cấp nhiệt khi đó ẩm trong vật liệu sẽ bóc hơi, còn nhiệt độ trong vật giữ không đổi nên nhiệt độ cung cấp chỉ làm hòa hơi nước. Ẩm sẽ hóa hơi ở lớp vật liệu sát bề mặt vật trước rồi sau đó nước ở bên trong vật sẽ truyền ra ngoài bề mặt vật để hóa hơi.
Giai đoạn sấy tốc độ giảm dần
Kết thúc giai đoạn sấy tốc độ không đổi nước tự do sẽ bay hơi hết, còn lại trong vật liệu là nước liên kết. Năng lượng để bay hơi nước liên kết lớn hơn so với nước tự do
Ngành CNTP – Khoa Nông Nghiệp và Sinh học Ứng dụng 24 và càng tăng lên khi độ ẩm của vật càng nhỏ. Do vậy tốc độ bay hơi ẩm trong giai đoạn này nhỏ hơn giai đoạn sấy tốc độ không đổi, hay tốc độ sấy trong giai đoạn này nhỏ hơn và giảm đi theo thời gian sấy (Hoàng Văn Chước, 2004).
2.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy
2.3.3.1 Nhiệt độ sấy
Nhiệt độ sấy càng cao thì tốc độ sấy càng nhanh, quá trình sấy càng có hiệu quả cao, nhưng không thể sử dụng nhiệt độ quá cao cho rau quả hay lương thực vì chúng là sản phẩm chịu nhiệt kém. Nếu nhiệt độ trong sản phẩm trong quá trình sấy cao hơn 60oC thì protein bị biến tính. Nếu trên 90oC thì fructose bắt đầu bị caramen hóa, các phản ứng tạo ra melanoidin, polimer hóa các hợp chất cao phân tử…xảy ra mạnh và cao hơn nữa thì sản phẩm sấy có thể bị cháy. Nếu nguyên liệu ít thành phần protein thì nhiệt độ sấy có thể len đến 80 – 90oC. Nếu tiếp xúc nhiệt trong thời gian ngắn như sấy phun thì nhiệt độ sấy có thể lên đến 150oC.
Qúa trình sấy còn phụ thuộc vào tốc độ tăng nhiệt độ của vật liệu sấy. Nếu tốc độ tăng nhiệt quá nhanh làm cho vận tốc bốc hơi bề mặt vật liệu lớn hơn vận tốc chuyển dịch ẩm từ các lớp bên trong ra thì bề mặt vật liệu sấy bị rắn lại và ngăn quá trình thoát ẩm. Ngược lại nếu quá trình tăng nhiệt chậm thì cường độ thoát ẩm yếu. Khi cấu tạo thiết bị và sắp xếp vật liệu sấy không phù hợp thì sức cản lưu thông không khí lớn, tạo ra khu vực chết và khu vực quá nhiệt. Ở khu vực quá nhiệt thì sản phẩm khô cháy, còn ở khu vực chết thì sản phẩm không bốc hơi được, có khi còn ẩm them. Trong quá trình lưu thông. Tác nhân sấy giảm dần nhiệt độ và tăng
dần độ ẩm, khả năng sấy giảm dần (Quách Đĩnh và cộng sự, 2008).
2.3.3.2 Độ ẩm không khí
Muốn nâng cao khả năng hút ẩm của không khí thì phải giảm độ ẩm tương đối của nó xuống và cách tăng nhiệt độ trong quá trình sấy là biện pháp để làm điều đó, hay bằng cách làm khô không khí, tốt nhất là bằng cả hai cách.
Nếu độ ẩm của không khí thấp sẽ làm nguyên liệu sấy nứt hoặc tạo ra lớp vỏ khô trên bề mặt, làm ảnh hưởng xấu đến quá trình thoát hơi ẩm tiếp theo. Nhưng nếu độ ẩm không khí quá cao sẽ làm tốc độ sấy giảm. Khi ra khỏi lò sấy, không khí mang theo hơi ẩm của nguyên liệu nên độ ẩm tăng lên. Nếu không khí đi ra có độ ẩm quá thấp sẽ tốn năng lượng. Ngược lại, nếu không khí ra có độ ẩm quá cao sẽ đọng sương làm hư hỏng sản phẩm sấy. Đối với rau quả, trong thiết bị kiểu buồng hay hầm độ ẩm tương đối của không khí là 10 – 30% và khi ra độ ẩm RH tăng lên 40 – 60%. Còn ở thiết bị sấy phun, RH tương ứng là 5 – 10% và 20 – 40%. Ở các thiết bị sấy thủ công, độ ẩm vào rất cao, do vậy phải tăng nhiệt độ lên cao cho RH thấp hơn.
Ngành CNTP – Khoa Nông Nghiệp và Sinh học Ứng dụng 25
Khi nâng nhiệt độ cao lại ảnh hưởng chất lượng sản phẩm (Quách Đĩnh và cộng sự,
2008).
2.3.3.3 Lưu lượng của không khí
Trong thiết bị sấy, dòng không khí nóng có thể lưu thông hoặc song song cùng chiều hay ngược chiều với hướng chuyển động của vật liệu sấy, hoặc thẳng gốc hay lưu thông trên bề mặt sấy đứng yên.
Trong quá trình sấy không khí có thể lưu thông tự nhiên hoặc cưỡng bức. Trong các lò sấy, không khí lưu thông tự nhiên với tốc độ nhỏ (nhỏ hơn 0,4m/s), do vậy thời gian sấy thường kéo dài, làm chất lượng sản phẩm sấy không cao, để khắc phục nhược điểm này người ta phải dung quạt để thông gió cưỡng bức với tốc độ trong khoảng 0,4 – 4m/s trong các thiết bị sấy. Nếu tốc độ gió quá lớn (trên 4m/s) sẽ gây
tổn thất nhiệt lượng (Quách Đĩnh và cộng sự, 2008).
2.3.3.4 Độ dày của lớp vật liệu sấy
Độ dày của lớp nguyên liệu có ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình sấy, nguyên liệu càng mỏng thì thời gian sấy càng nhanh và đồng đều, tuy nhiên nếu quá mỏng sẽ làm giảm năng suất của máy sấy. Ngược lại nếu lớp nguyên liệu dày thì giảm sự lưu thông của không khí, dẫn đến “đổ mồ hôi” do hơi ẩm đọng lại.
Trong những điều kiện giống nhau về chế độ sấy (nhiệt độ, áp suất khí quyển) thì tốc độ sấy tỉ lệ thuận với diện tích bề mặt và tỷ lệ nghịch với chiều dày nguyên liệu. Tùy vào bản thân nguyên liệu mà người ta chọn chế độ sấy khô cho phù hợp, người ta thường quan tâm đến thành phần quá học của nguyên liệu để quyết định: nước, lipit, protein, chất khoáng, vitamin, kết cấu tổ chức thịt quả chắc hay lỏng lẻo… 2.3.4 Các phương pháp sấy
Sấy có thể được chia ra làm hai loại: sấy tự nhiên và sấy nhân tạo. Sấy tự nhiên là dùng năng lượng của ánh sang mặt trời, không sử dụng thiết bị, còn sấy nhân tạo thì được thực hiện trong thiết bị sấy.
Đựa vào phương pháp cung cấp nhiệt có thể chia sấy nhân tạo ra thành các loại khác nhau: sấy đối lưu, sấy bức xạ, sấy tiếp xúc, sấy thăng hoa, sấy điện trở…
2.3.4.1 Sấy tự nhiên
Sấy tự nhiên (phơi nắng) được tiến hành ở ngoài trời bằng bức xạ mặt trời, thời gian sấy tự nhiên rất dài vì không điều khiển được quá trình sấy, sản phẩm sau sấy có ẩm cao nhất là điều kiện ở khí hậu nhiệt đới.
Ngành CNTP – Khoa Nông Nghiệp và Sinh học Ứng dụng 26 Sấy tự nhiên có nhiều nhược điểm, quá trình sấy phụ thuộc hoàn toàn vào thời tiết, ngày đêm, độ ẩm tương đối của không khí, độ ẩm sau sấy cao, thời gian sấy lâu. Tuy vậy, nó có ưu điểm là tiết kiệm chi phí và kỹ thuật đơn giản.
2.3.4.2 Sấy nhân tạo
Quá trình sấy cần cung cấp năng lượng nghĩa là dùng tác nhân sấy như: không khí nóng, khói lò, hỗn hợp không khí nóng và khói lò…để làm khô vật liệu sấy. Đây là quá trình phổ biến vì chủ động được trong mọi điều kiện thời tiết, sấy nhanh và tiện lợi hơn so với sấy tự nhiên.
Quá trình sấy nhân tạo tiếp diễn theo 3 giai đoạn: đốt nóng nguyên liệu, sấy với tốc độ không đổi, sấy với tốc độ sấy giảm dần.
Hàm ẩm trong vật liệu sấy bao gồm: nước tự do và nước liên kết. Khi sấy chỉ có nước tự do là mất đi.
Tốc độ bay hơi của nước tự do được hiểu theo định luật bay hơi trên bề mặt tự do – tức là phụ thuộc vào áp suất hơi nước và áp suất hơi nước của không khí.
Gọi:
Pvl: áp suất riêng phần của hơi nước trên bề mặt nguyên liệu. Ph: áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí.
Khi ở cùng điều kiện nhiệt độ:
Pvl < Ph thì vật liệu sấy hút thêm nước vào cho đến khi cân bằng.
Pvl = Ph thì vật liệu sấy ở trạng thái cân bằng ẩm, độ ẩm của vật liệu sấy không thay đổi.
Pvl > Ph thì nước trong vật liệu sấy sẽ bốc hơi cho đến khi đạt trạng thái cân bằng.
Mỗi vật liệu chỉ có thể sấy đến độ ẩm cân bằng. Trạng thái cân bằng ẩm phụ thuộc vào trạng thái của môi trường xung quanh như: nhiệt độ, độ ẩm tương đối… Do đó, nếu để vật liệu đã sấy khô ra ngoài không khí thì trong một thời gian ngắn vật liệu sấy sẽ hút ẩm trở lại để đạt được một cân bằng mới tương ứng với môi trường xung quanh.
Quá trình bốc hơi ra khỏi vật liệu sấy cũng phải qua hai giai đoạn:
Nước trên bề mặt vật liệu bốc hơi, tạo nên sự chênh lệch độ ẩm giữa bề mặt vật liệu và trong lòng vật liệu.
Ngành CNTP – Khoa Nông Nghiệp và Sinh học Ứng dụng 27 Nước trong lòng vật liệu khuếch tán ra bề mặt vật liệu theo đúng quy luật khuếch tán rồi tiếp tục bay hơi.
Hai giai đoạn này xảy ra đồng thời cùng một lúc, nhưng tùy theo từng thời gian cụ thể trong quá trình sấy mà một trong hai giai đoạn đó có tác dụng quyết định đến tốc độ sấy.
Qúa trình sấy vật liệu ướt đến độ ẩm cân bằng gồm hai giai đoạn chính như sau: Giai đoạn đẳng tốc: khi này vật liệu còn nhiều nước do đó tốc độ khuếch tán của nước từ bên trong vật liệu lớn hơn tốc độ bay hơi trên bề mặt vật liệu. Vì thế, tốc độ sấy trong giai đoạn này phụ thuộc chủ yếu vào tốc độ bay hơi trên bề mặt vật liệu. Lượng nước khuếch tán từ trong ra bề mặt vật liệu đủ và kịp thời để bốc hơi nên lượng ẩm bay hơi đều đặn và tốc độ sấy là hằng số. Do đó, tốc độ sấy không phụ thuộc vào các yếu tố bên trong vật liệu như: chiều dày vật liệu, độ ẩm ban đầu của vật liệu… mà chỉ phụ thuộc vào các yếu tố bên ngoài như: nhiệt độ, tốc độ, độ ẩm của tác nhân sấy. Nếu muốn tốc độ sấy tăng thì cần thay đổi các yếu tố bên ngoài.
Giai đoạn tốc độ sấy giảm dần: lúc này vật liệu sấy tương đối khô, lượng nước trong vật liệu còn ít nên tốc độ khuếch tán nước từ trong vật liệu ra bề mặt ngoài giảm xuống nhỏ hơn tốc độ bay hơi của nước từ bề mặt vật liệu ra môi trường xunh quanh. Do đó tốc độ sấy trong giai đoạn này chủ yếu phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán của nước bên trong vật liệu. Lượng ẩm khuếch tán giảm dần nên lượng ẩm bay hơi cũng giảm. Vậy tốc độ sấy không phụ thuộc vào các yếu tố bên ngoài vật liệu mà phụ thuộc vào các yếu tố bên trong vật liệu. Tốc độ sấy trong giai đoạn này khó thay đổi theo ý muốn của ta vì các yếu tố bên trong vật liệu khó thay đổi, nên thời gian sấy rất dài. Do vật liệu sấy tương đối khô nên nhiệt độ của vật liệu tăng dần lên xấp xỉ bằng nhiệt độ tác nhân sấy.
Vì thế đến giai đoạn này ta phải giữ nhiệt độ tác nhân sấy nhỏ hơn hoặc bằng nhiệt độ cho phép của vật liệu sấy.
2.3.5 Những biến đồi trong quá trình sấy
2.3.5.1 Biến đổi vật lý
Có hiện tượng co thể tích, khối lượng riêng tăng lên, giảm khối lượng do lượng hơi nước bay hơi.
Biến đổi tính chất cơ lý như biến dạng, hiện tượng co, hiện tượng tăng độ giòn hoặc nứt nẻ.
Ngành CNTP – Khoa Nông Nghiệp và Sinh học Ứng dụng 28
2.3.5.2 Biến đổi hóa lý
Khuếch tán ẩm: trong giai đoạn đầu của quá trình sấy, ẩm khuếch tán từ ngoài vào trong nguyên liệu do giãn nở vì nhiệt. Đây là sự di dời ẩm gây nên do sự chênh lệch nhiệt độ giữa các phần khác nhau của nguyên liệu sấy.
Khi có hiện tượng bay hơi nước ở bề mặt, ẩm chuyển từ bề mặt nguyên liệu đến tác nhân sấy, lượng ẩm chuyển dời ấy được bù vào lượng ẩm bên trong nguyên liệu ra đến bề mặt, nếu không thì bề mặt nóng quá và sẽ phủ bằng lớp vỏ cứng ngăn cản quá trình thoát ẩm, dẫn đến sấy không đồng đều và nguyên liệu bị nứt.
Việc bay hơi từ bề mặt tạo ra sự chênh lệch ẩm giữa lớp bề mặt và các lớp bên trong nguyên liệu, kết quả làm ẩm chuyển từ các lớp bên trong ra đến bề mặt.
Quá trình chuyển ẩm từ bên trong sản phẩm sấy thực hiện nhờ lực khuếch tán thẩm thấu, lực mao quản… gọi là độ dẫn ẩm. Nhờ có độ dẫn ẩm, ẩm chuyển theo hướng từ trung tâm ra bề mặt vật liệu.
Ngoài ra sự khuếch tán ẩm trong quá trình sấy còn có hiện tượng chuyển pha từ lỏng sang hơi của nước và có ảnh hưởng của hệ keo trong quá trình sấy.
2.3.5.3 Biến đổi hóa học
Dưới tác dụng của nhiệt độ xảy ra:
Phản ứng caramel hoá: dưới tác dụng của nhiệt độ sấy, đường saccharose bị mất nước tạo thành chất màu caramel.
Phản ứng maillard: là phản ứng giữa đường khử hoặc sản phẩm có sự phân huỷ đường bởi nhiệt độ và các chất chứa nhóm amin.