Động học sự thay đổi cấu trúc (độ cứng) đôi khi tuân theo phương trình biến đổi cấu trúc phân đoạn (fractional conversion model) (Vu et al., 2004). Khi đó, cấu trúc (độ cứng) không đổi và được biểu diễn là H∞.
H H 0 kt e H H 0. Thời gian t (phút) ln(H/H0)
(2.3) Với: f: hệ số biến đổi cấu trúc phân đoạn
H∞: cấu trúc còn lại sau quá trình xử lý nhiệt kéo dài H∞ gần như bằng 0 và phương trình (2.3) có thể viết thành
(2.4)
Đồ thị logarithm của (1-f) theo thời gian là một đường thẳng với hằng số tốc độ (k) được biểu thị bằng giá trị âm của hệ số góc (Levenspiel, 1972)
(2.5)
Vậy phương trình (2.5) giống phương trình (2.1) khi H∞ gần bằng 0
Đế tính toán cấu trúc còn lại sau quá trình xử lý nhiệt kéo dài, mô hình biến đổi cấu trúc phân đoạn sau nên được sử dụng
(2.6)
Sự sắp xếp lại phương trình (2.6) sẽ thành phương trình (2.7)
(2.7)
Hình 2.9: Động học sự thay đổi độ cứng theo phản ứng biến đổi cấu trúc phân đoạn
0 0 H H H f kt H H f 0 ln ) 1 ln( kt H H H H f 0 ln ) 1 ln( kt e H H H H 0 H/H0 H∞ Thời gian (phút)
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG TIỆN VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 3.1 PHƯƠNG TIỆN THÍ NGHIỆM
3.1.1 Thời gian. địa điểm
Địa điểm: thí nghiệm được tiến hành tại phòng thí nghiệm, Bộ môn công nghệ Thực Phẩm, Khoa Nông nghiệp và Sinh học Ứng dụng, Trường Đại học Cần Thơ.
Thời gian: thí nghiệm được tiến hành từ tháng 8/2014 đến tháng 12/2014.
3.1.2 Dụng cụ, thiết bị, hóa chất
Dụng cụ, thiết bị:
Bể điều nhiệt (water bath).
Ống chứa mẫu làm bằng thép không rỉ có đường kính 13 mm và chiều dài 150 mm. Ống cắt mẫu làm bằng thép không rỉ có đường kính 12 mm
Máy phân tích cấu trúc (Texture Analyser TA - XT2i) Hóa chất: dung dịch calci chloride với các nồng độ: 0,5%.
Hình 3.1: Máy đo cấu trúc texture Analyser TA - XT2i Hình 3.2: Dao cắt và ống chứa mẫu
3.2 PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM
3.2.1 Chuẩn bị mẫu
Cà rốt sau khi mua về, dùng dao cắt thành từng đoạn ngắn sau đó dùng ống cắt mẫu làm bằng thép không rỉ cắt cà rốt thành từng đoạn hình trụ (hạn chế lấy phần lõi ở mức thấp nhất) có kích thước như nhau (12 mm × 10 mm).
Hình 3.3: Cà rốt sau khi cắt
3.2.2 Phương pháp bố trí thí nghiệm
Thí nghiệm 1: Khảo sát sự thay đổi cấu trúc cà rốt ở các chế độ xử lý nhiệt khác nhau
Mục đích: tìm ra quy luật thay đổi cấu trúc của cà rốt ở các chế độ xử lý nhiệt khác nhau. Bố trí thí nghiệm:
Thí nghiệm được bố trí với 2 nhân tố và lặp lại 2 lần
Nhân tố A: Nhiệt độ xử lý (0C)
A1: 80 A2: 85 A3: 90 A4: 95 A5: 100
Nhân tố B: Thời gian xử lý nhiệt (phút)
B1: 0 B2: 5 B3: 10 B4: 20 B5: 40
B6: 60 B7:90 B8: 120 B9: 160 B10: 200 Cách bố trí thí nghiệm được thể hiện ở bảng 3.1
Bảng 3.1: Cách bố trí thí nghiệm với hai nhân tố A (nhiệt độ xử lý, 0C) và nhân tố B (thời gian xử lý nhiệt, phút)
Nhân tố B
B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 B8 B9 B10
A1 A1B1 A1B2 A1B3 A1B4 A1B5 A1B6 A1B7 A1B8 A1B9 A1B10 A2 A2B1 A2B2 A2B3 A2B4 A2B5 A2B6 A2B7 A2B8 A2B9 A2B10 A3 A3B1 A3B2 A3B3 A3B4 A3B5 A3B6 A3B7 A3B8 A3B9 A3B10 A4 A4B1 A4B2 A4B3 A4B4 A4B5 A4B6 A4B7 A4B8 A4B9 A4B10
Nhân tố A
Tổng số nghiệm thức: 5 × 10 = 50 nghiệm thức Sơ đồ bố trí thí nghiệm:
Tiến hành thí nghiệm:
Cà rốt sau khi được xử lý cơ học (cắt thành các mẫu hình trụ có kích thước như nhau 12 mm × 10 mm) được cho vào các ống hình trụ làm bằng thép không rỉ (10 mẫu/1ống), tiếp đó rót nước cất vào đầy ống và đậy kín. Các ống có chứa mẫu được tiến hành xử lý nhiệt ở các nhiệt độ khác nhau: 800C, 850C, 900C, 950C, 1000C bằng việc sử dụng bể điều nhiệt (water bath). Làm nguội và tiến hành đo cấu trúc của cà rốt sau mỗi khoảng thời gian xử lý 0, 5, 10, 20,…200 phút ứng với từng mức nhiệt độ.
Thí nghiệm 2: Khảo sát sự thay đổi cấu trúc của cà rốt có ngâm trong dung dịch calcium chloride (nồng độ 0,5% trong 1 giờ) ở các chế độ xử lý nhiệt khác nhau.
Xác định ảnh hưởng của việc ngâm trong dung dịch CaCl2 ở nồng độ 0,5% đến sự thay đổi cấu trúc cà rốt.
Nguyên liệu
Xử lý cơ học
Đo cấu trúc Làm nguội Cho vào ống chứa
mẫu
Xử lý nhiệt (B1, B2, B3,... B10)
A3
Thí nghiệm được tiến hành với 2 lần lặp lại.
Bước 1: Thí nghiệm được tiến hành với 1 nhân tố nồng độ ngâm CaCl2 trong 1 giờ
Bước 2: Tiến hành xử lý nhiệt các mẫu đã bố trí ở thí nghiệm 1 theo 2 nhân tố nhiệt độ (A) và thời gian (B).
Tiến hành thí nghiệm:
Thí nghiệm được tiến hành tương tự như thí nghiệm 1. Tuy nhiên trước khi cho mẫu cà rốt vào các ống thép không rỉ, cà rốt được ngâm trong dung dịch muối CaCl2 ở nồng độ 0,5% trong 1 giờ. A5 Nguyên liệu Xử lý cơ học Ngâm CaCl2 (1 giờ) A1 Đo cấu trúc Làm nguội Xử lý nhiệt (B1, B2, B3,... B10) A3 A2 A4
3.2.3 Phương pháp đo đạc và xử lý số liệu
3.2.3.1 Phương pháp đo cấu trúc
Cấu trúc (độ cứng) của cà rốt được đo bằng thiết bị phân tích cấu trúc Texture Analyser TA - XT2i với các thông số:
Lực nén: 25kg Tốc độ nén: 1mm/s
Đầu đo (probe): đầu đo hình trụ bằng nhôm có đường kính 25 mm Khoảng cách phá vỡ: 30%
Cấu trúc (độ cứng) được định nghĩa là lực tác động lớn nhất của lần nén thứ nhất. Kết quả thu được là giá trị độ cứng trung bình cộng của 10 lần đo.
3.2.3.2 Phương pháp xử lý số liệu
Số liệu sau khi thu thập được xử lý, phân tích biến đổi động học bằng chương trình SAS 9.1 và phần mềm Microsoft Excel. Từ kết quả thu được sau khi xử lý số liệu tiến hành phân tích động học sự thay đổi sự thay đổi đặc tính cấu trúc của cà rốt theo nhiệt độ và thời gian xử lý nhiệt khác nhau qua thông số k ở thí nghiệm 1; theo nồng độ ngâm trong dung dịch calcium chloride và xử lý ở các khoảng nhiệt độ khác nhau qua thông số k ở thí nghiệm 2.
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
4.1 SỰ THAY ĐỔI CẤU TRÚC CÀ RỐT TRONG QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NHIỆT Ở CÁC KHOẢNG NHIỆT ĐỘ VÀ THỜI GIAN XỬ LÝ KHÁC NHAU Ở CÁC KHOẢNG NHIỆT ĐỘ VÀ THỜI GIAN XỬ LÝ KHÁC NHAU
Cấu trúc rau quả là một trong những đặc tính quan trọng nhất ảnh hưởng đến chất lượng của rau quả trong quá trình chế biến. Trong quá trình chế biến nhiệt, cấu trúc của tế bào rau quả bị ảnh hưởng rất lớn, pectin bị phá vỡ và những đặc tính vật lý của tế bào cũng thay đổi theo. Khả năng cải thiện cấu trúc cà rốt không chỉ được đánh giá bằng sự thay đổi độ cứng sau quá trình tiền xử lý có hoặc không có enzyme mà còn phải đánh giá dựa vào khả năng duy trì độ cứng sau quá trình gia nhiệt ở nhiệt độ cao nhất định và thời gian dài. Phương pháp nghiên cứu động học, tức là thay đổi cấu trúc do nhiệt theo thời gian được sử dụng. Phương pháp này dựa vào giá trị độ cứng của cà rốt ở từng khoảng thời gian gia nhiệt để tìm ra quy luật biến đổi cấu trúc. Độ cứng của cà rốt được thể hiện qua lực nén tác động lên mẫu cà rốt có kích thước 12 mm × 10 mm bởi đầu đo của thiết bị phân tích cấu trúc với các thông số cho trước.
Do nguồn nguyên liệu không ổn định nên độ cứng tương đối sẽ được thay thế cho giá trị độ cứng. Trong đó độ cứng tương đối là tỉ số giữa độ cứng của mẫu cà rốt đã qua xử lý so với độ cứng của mẫu cà rốt ban đầu.
Các kết quả sau khi đo đạc được thu thập, xử lý bằng chương trình SAS 9.1 và Microsoft Excel và được trình bày ở bảng 4.1
Bảng 4.1: Giá trị hằng số tốc độ k và độ cứng còn lại sau thời gian gia nhiệt kéo dài H∞ của cà rốt ở các chế độ xử lý nhiệt khác nhau Nhiệt độ xử lý (0C) K (1/phút) H0 H∞ (g lực) H∞/ H0 80 0,0186 ± 0,0015 10687,7 1940,13 ± 259,33 0,18153 ± 0,0243 85 0,0373 ± 0,0027 9048,68 1180,28 ± 149,2 0,13044 ± 0,0165 90 0,0872 ± 0,0079 8690,72 848,345 ± 150,48 0,09762 ± 0,0173 95 0,1468 ± 0,0113 6223,94 480,104 ± 81,5 0,07714 ± 0,0131 100 0,22 ± 0,0219 6571,16 420,984 ± 93,18 0,06407 ± 0,0142
Hình 4.1: Đồ thị động học sự thay đổi độ cứng của cà rốt ở các chế độ xử lý nhiệt khác nhau
Từ kết quả bảng 4.1 và hình 4.1 cho thấy hằng số tốc độ phản ứng k và giá trị độ cứng cuối của cà rốt phụ thuộc vào nhiệt độ gia nhiệt. Hằng số tốc độ phản ứng k tăng dần theo nhiệt độ, ở nhiệt độ 800C hằng số tốc độ phản ứng k có giá trị nhỏ nhất là 0,0186 và đạt giá trị lớn nhất (theo thí nghiệm) là 0,22 ở 1000C. Điều này cho thấy khi nhiệt độ càng tăng thì tốc độ phá hủy cấu trúc xảy ra càng nhanh. Mặt khác, giá trị độ cứng cuối của cà rốt giảm dần theo nhiệt độ gia nhiệt, ở nhiệt độ 800C độ cứng cuối cùng có giá trị là 1940,13 (g lực) trong khi ở 1000C giá trị độ cứng cuối cùng là 420,984 (g lực).
Kết quả này cũng cho thấy phản ứng phá vỡ cấu trúc của cà rốt do nhiệt độ tuân theo động học phản ứng biến đổi cấu trúc phân đoạn. Khi cà rốt được gia nhiệt ở thời gian dài, độ cứng của cà rốt giảm nhanh ở thời gian đầu và sau đó giảm chậm dần nhưng không tiến về giá trị 0 (Hình 4.1). Điều này phù hợp với giả thuyết, nghĩa là chỉ một phần cấu trúc cà rốt bị phá hủy bởi nhiệt độ cao. Kết quả thu được có thể giải thích dựa vào đặc điểm cấu tạo mô tế bào của cà rốt có chứa nhiều cellulose và hemicellulose. Do đó, nếu thời gian gia nhiệt hợp lý sẽ giúp cải thiện độ cứng nếu kéo dài thì cà rốt sẽ bị mềm.
Từ đồ thị hình 4.1 cho thấy tỉ lệ H/H0 (tỉ lệ giá trị độ cứng sau khi xử lý nhiệt so với giá trị độ cứng của mẫu cà rốt ban đầu) giảm dần theo thời gian xử lý nhiệt từ 5 đến 200 phút. Điều này chứng tỏ tốc độ giảm cấu trúc tăng dần theo thời gian và theo chế độ xử lý nhiệt. Nhiệt độ càng cao thì tỉ lệ độ cứng tương đối còn lại càng giảm.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 50 100 150 200 Thời gian (phút) H /H o 80 85 90 95 100
Dưới tác động của nhiệt độ, độ cứng của cà rốt có sự thay đổi rất lớn so với mẫu cà rốt tươi ban đầu, thời gian gia nhiệt càng dài thì độ cứng của cà rốt càng giảm. Tuy nhiên, tỉ lệ H/H0 còn lại tương đối lớn. Đồng thời, tỉ lệ H/H0 ở các chế độ xử lý nhiệt cũng khác nhau.
4.2 SỰ THAY ĐỔI CẤU TRÚC CÀ RỐT KHI NGÂM CALCIUM CHLORIDE Ở NỒNG ĐỘ 0,5% TRONG 1 GIỜ THEO CÁC CHẾ ĐỘ XỬ LÝ NHIỆT KHÁC NỒNG ĐỘ 0,5% TRONG 1 GIỜ THEO CÁC CHẾ ĐỘ XỬ LÝ NHIỆT KHÁC NHAU
Muối CaCl2 được sử dụng nhằm mục đích làm giảm ảnh hưởng bất lợi của nhiệt độ đến cấu trúc của các sản phẩm xử lý nhiệt (Alonso, 1997; suutatirinen, 2000). Khả năng cải thiện độ cứng của cà rốt phụ thuộc rất lớn vào phản ứng của ion Ca2+ và pectin có độ methoxyl thấp để tạo thành calci-pectate. Các kết quả đo đạc trong quá trình nghiên cứu được tính toán, xử lý và trình bày ở bảng 4.2:
Bảng 4.2:Giá trị hằng số tốc độ k và độ cứng còn lại sau thời gian gia nhiệt kéo dài H∞ của cà rốt ở các chế độ xử lý nhiệt khác nhau Nhiệt độ xử lý (0C) K (1/phút) H0 H∞ (g lực) H∞/ H0 80 0,0144 ± 0,00202 11418,828 2924,3 ± 491,8 0,2561 ± 0,0431 85 0,0214 ± 0,00129 11851,297 1669,1 ± 206,7 0,1408 ± 0,0174 90 0,042 ± 0,00312 11157,771 1203,2 ± 188,5 0,1078 ± 0,0169 95 0,1206 ± 0,0116 9720,538 859,1 ± 166,6 0,0884 ± 0,0171 100 0,1624 ± 0,0121 9269,046 685,3 ± 114 0,0739 ± 0,0123
Hình 4.2: Động học sự thay đổi độ cứng của cà rốt sau khi ngâm trong calcium chloride (nồng độ 0,5%, thời gian 1 giờ) ở các chế độ xử lý nhiệt khác nhau
Từ kết quả thí nghiệm ở bảng 4.2 và hình 4.2 cho thấy, động học sự thay đổi cấu trúc của cà rốt khi có bổ sung CaCl2 cũng mô tả theo phương trình biến đổi cấu trúc phân đoạn, nghĩa là trong tế bào thực vật có sự tồn tại của cấu trúc không bền nhiệt và cấu trúc bền nhiệt. Tương tự như trong trường hợp xử lý nhiệt cà rốt ở thí nghiệm 1, khi nhiệt độ xử lý càng tăng (từ 800C đến 1000C) cùng với việc ngâm trong dung dịch CaCl2 0,5%, hằng số tốc độ k (1/phút) cũng tăng dần và tỉ lệ H/H0 giảm dần, giá trị độ cứng còn lại (H∞) cao nhất ở nhiệt độ 800C (2924,3 g lực) và thấp nhất ở nhiệt độ 1000C (685,3 g lực).
Tuy nhiên, khi áp dụng chế độ xử lý nhiệt có ngâm trong CaCl2 0,5% trong 1 giờ thì khả năng cải thiện cấu trúc của cà rốt sau quá trình xử lý nhiệt tăng, hằng số tốc độ phản ứng k (1/phút) ở trường hợp có bổ sung CaCl2 nhỏ hơn so với hằng số tốc độ phá hủy cấu trúc cà rốt khi không có sự hiện diện của CaCl2.
Cấu trúc của cà rốt được cải thiện rõ nhất ở 800C thể hiện qua độ cứng tương đối (H/H0). Ở trường hợp không ngâm calci chloride, H/H0 bằng 0,2561 trong khi trường hợp không ngâm là 0,18153. Các mức nhiệt độ 85, 90, 95, 1000C cấu trúc cà rốt cũng được cải thiện, tuy nhiên không đáng kể.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 50 100 150 200 Thời gian (phút) H /H o 80 85 90 95 100
Hình 4.3: Đồ thị biểu diễn sự cải thiện độ cứng của cà rốt trong 2 trường hợp ngâm và không ngâm CaCl2
Kết quả thu được có thể giải thích dựa vào khả năng gắn kết Ca2+ vào mạch pectin tạo calci - pectate góp phần cải thiện độ cứng. Trong trường hợp này enzyme tiếp xúc với cơ chất pectin trong vách tế bào thủy phân ester tạo các gốc acid tự do, ngay khi đó sự có mặt của ion Ca2+ có trong nguyên liệu tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng tạo phức calci - pectate diễn ra nhanh chóng. Các vách tế bào lúc này tạo đươc nhiều cầu nối calci - pectate nên mô quả trở nên rắn chắc hơn (Van Buren, 1979). Đồng thời dưới sự hiện diện của ion Ca2+ cũng làm bất hoạt PG (enzyme phá vỡ cấu trúc) khi đó nguyên liệu tránh được sự tác động của enzyme này và hạn chế sự giảm cấu trúc.
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 H/ H 0 80 85 90 95 100 Nhiệt độ (0C)
Không ngâm CaCl2 Ngâm CaCl2
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ
5.1 KẾT LUẬN
Sự thay đổi cấu trúc của cà rốt ở các quá trình xử lý nhiệt khác nhau đều tuân theo mô hình phản ứng biến đổi cấu trúc phân đoạn (fractional conversion model) cả khi không ngâm và khi ngâm trong dung dịch CaCl2 0,5%. Cấu trúc cà rốt có sự thay đổi lớn dưới tác động của nhiệt độ so với mẫu cà rốt tươi ban đầu. Tuy nhiên, giá trị độ cứng còn lại của cà rốt khi kết thúc quá trình gia nhiệt tương đối cao chứng tỏ cấu trúc bền nhiệt trong cà rốt chiếm tỉ lệ lớn.
Giá trị độ cứng còn lại của cà rốt trong trường hợp có CaCl2 và không có CaCl2 đều giảm dần từ chế độ xử lý nhiệt 800C đến chế độ xử lý nhiệt 1000C. Ngược lại, hằng số tốc độ phá hủy cấu trúc cà rốt (k) tăng dần từ chế độ xử lý nhiệt 800C đến chế độ xử lý nhiệt 1000C.
Tuy nhiên, độ cứng của cà rốt đã ngâm qua CaCl2 0,5% trong 1 giờ trước khi xử lý nhiệt thì có phần được cải thiện hơn so với cà rốt không có ngâm qua CaCl2, ở nhiệt độ xử lý 800C thì cấu trúc được cải thiện tốt nhất, điều này được thể hiện qua tỉ lệ H/H0 cao, giá trị k nhỏ ở cùng chế độ xử lý nhiệt.
5.2 ĐỀ NGHỊ