b. Nhận xét về nội dung của luận văn tốt nghiệp
2.3 Cơ Sở Lý Thuyết Cho Quá Trình Tách Nƣớc Bằng Thẩm Thấu
Động lực của quá trình tách nƣớc thẩm thấu chủ yếu là gradient nồng độ đƣợc cung cấp bởi dung dịch thẩm thấu với áp suất thẩm thấu vƣợt qua áp suất thẩm thấu tế bào. Hầu hết quá trình truyền khối diễn ra thông qua màng bán thấm của tế bào. Trong suốt thời gian tách nƣớc thẩm thấu, dòng nƣớc xuất phát từ bên trong thực phẩm đến dung dịch thẩm thấu, chất tan trong dung dịch thẩm thấu cũng đi vào thực phẩm. Thông thƣờng nƣớc đƣợc di chuyển đi nhiều hơn là chất tan bởi vì sự khác biệt khả năng thẩm thấu của các màng tế bào (Rodriges và Mauro, 2004, trích dẫn bởi Warczok, 2005). Đồng thời, các chất tan trong thực phẩm (các đƣờng, acid hữu cơ, chất khoáng, vitamin,…) chảy vào dung dịch thẩm thấu do các màng tế bào không hoàn toàn chọn lọc (Mayor et al., 2005, trích dẫn bởi Warczok, 2005). Sự mất mát chất dinh dƣỡng này phụ thuộc một cách mạnh mẽ vào loại thực phẩm và có thể đƣợc xem nhƣ là không đáng kể. Tuy nhiên, nó có thể ảnh hƣởng đến những đặc tính cảm quan của thực phẩm. Những tỷ lệ khử nƣớc cao nhất đƣợc quan sát ở thời điểm bắt đầu của quá trình tách nƣớc thẩm thấu. Sau khi đạt tới trạng thái cân bằng về hóa học và thành phần, khối lƣợng và thể tích thực phẩm tăng lên trở lại và sự thẩm thấu diễn ra.
Chương 2. Lược Khảo Tài Liệu
SVTH: Huỳnh Văn Đạt 11
Hình 5: Đƣờng biểu diễn quá trình tách nƣớc thẩm thấu lâu dài (theo Fito and Chiralt, 2003, trích dẫn bởi trích dẫn bởi Warczok, 2005)
Thông tin từ hình trên rất hữu ích trong việc dự đoán quá trình tách nƣớc thẩm thấu, bởi nó giúp điều chỉnh thời gian cho các quá trình khác nhau nhƣ ngâm đƣờng, ƣớp muối hoặc khử nƣớc.
Trên quy mô tế bào, sự hấp thu lƣợng nƣớc hay chất tan trong quá trình tách nƣớc thẩm thấu xảy ra qua các khe mao quản, cấu thành hầu hết không gian ngoại bào. Không gian này có thể đƣợc lấp đầy bởi nƣớc hay các chất tan, nó tạo thành con đƣờng đi chính cho sự truyền khối. Kiểu vận chuyển này đƣợc gọi là “apoplast”. Trong đƣờng dẫn truyền khối khác, gọi là “symplast”, dòng nƣớc và các chất tan chảy xuyên qua các khe gian bào nhờ sự khác biệt áp lực tế bào. Nƣớc cũng đƣợc vận chuyển trực tiếp từ bề mặt mô đến dung dịch, nhƣng nhỏ hơn hai con đƣờng truyền khối trên (Shi và Le Manguer, 2003, trích dẫn bởi Warczok, 2005). Trong quá trình tách nƣớc thẩm thấu, các mô bên trong không bị ảnh hƣởng và sự vận chuyển theo một trong những phƣơng thức đã mô tả. Trong khi đó, các lớp bên ngoài tạo thành vùng thấm qua, nơi một số tế bào bị tổn thƣơng hoặc thu nhỏ lại vì áp lực thẩm thấu và hầu hết các chất tan thẩm thấu có thể đƣợc tìm thấy chỉ trong trong vùng thấm qua ngay cả khi ngâm trong thời gian dài (Shi và Le Maguer, 2002, trích dẫn bởi Warczok, 2005). Sơ đồ sự chuyển khối trong mô đã xử lý này đƣợc thể hiện ở hình 4.
Bƣớc hồi phục Bƣớc khử nƣớc
- Sự mất nƣớc
- Sự tăng thêm chất rắn
- Sự biến dạng các tế bào và hệ thống tế bào - Sự tích lũy năng lƣợng tự do cơ học
- Luồng thủy động lực từ dung dịch ngoài - Sự phục hồi chậm khối lƣợng và thể tích - Sự phóng thích năng lƣợng tự do cơ học
Thời gian xử lý
Trạng thái cân bằng về hóa học và thành phần
Thay đổi k
hối lƣ
Chương 2. Lược Khảo Tài Liệu
SVTH: Huỳnh Văn Đạt 12
Hình 6: Truyền khối trong mô quả trong suốt quá trình tách nƣớc thẩm thấu Các nghiên cứu chi tiết về truyền khối trong suốt quá trình tách nƣớc thẩm thấu đã cho thấy nó là một quá trình phức tạp, trong quá trình đó một loạt các hiện tƣợng xảy ra: sự đối lƣu và sự khuếch tán trong dung dịch thẩm thấu và trong không gian gian bào chứa đầy chất lỏng, sự di chuyển chất lỏng xuyên qua các lỗ xốp nhỏ do các lực mao quản và kiểu vận chuyển “symplastic” giữa các tế bào.
Mavroudis et al. (2004) (trích dẫn bởi Warczok, 2005) đã thử nghiệm làm rõ sự hấp thu chất tan trong quá trình tách nƣớc thẩm thấu bằng việc đánh giá khả năng tiếp cận của không gian gian bào (lỗ xốp nhỏ) ở bên trong và bên ngoài của vỏ quả táo. Kết quả cho thấy rằng độ xốp giảm khoảng 50-60% và mật độ khối tăng lên khoảng 10% giữa vỏ và quả táo. Các tác giả thấy rằng sự xuyên qua lỗ xốp của quả táo không thể giải thích các phạm vi hay tốc độ của sự hấp thu các chất rắn. Sự trao đổi khối lƣợng có thể đôi khi có ảnh hƣởng lên đặc tính dinh dƣỡng và cảm quan của thực phẩm bị khử nƣớc (Sablani et al., 2002; Prothon et al., 2004, trích dẫn bởi Warczok, 2005).
Trở kháng trên sự hóa nâu bởi enzyme là đáng kể trong thực phẩm đã đƣợc xử lý khử nƣớc. Quiles et al. (2005) (trích dẫn bởi Warczok, 2005) đã nghiên cứu hoạt tính của polyphenol oxidase trong táo sau khi tách nƣớc theo phƣơng pháp thẩm thấu. Do nƣớc thoát ra khỏi thực phẩm và dung dịch thẩm thấu xâm nhập vào thực phẩm, không khí đã bị thay thế bởi đƣờng. Điều này làm giảm hiệu lực của oxy trong xung quanh cấu trúc vi mô của polyphenol oxidase, làm suy giảm hoạt tính của nó cũng nhƣ sự hóa nâu bởi enzyme.
Mô quả Dung dịch thẩm thấu
Hòa tan các chất từ dung dịch thẩm thấu
Nƣớc
Hòa tan các chất và khí từ quả
Chương 2. Lược Khảo Tài Liệu
SVTH: Huỳnh Văn Đạt 13
2.3.2 Vai Trò Của Tách Nƣớc Thẩm Thấu Trong Chế Biến Thực Phẩm Phẩm
Tách nƣớc thẩm thấu là một trong những phƣơng pháp bảo quản thực phẩm đầu tiên; và nó đang trở thành một bƣớc xử lý bổ sung hấp dẫn trong dây chuyền chế biến thực phẩm tích hợp (Rastogi et al., 2002, trích dẫn bởi Warczok, 2005). Những nghiên cứu hiện đại đầu tiên về tách nƣớc thẩm thấu đƣợc thực hiện bởi Pointing và cộng sự vào năm 1966, và kể từ đó quy trình tách nƣớc thẩm thấu đã đƣợc quan tâm nhiều hơn. Tiềm năng của tách nƣớc thẩm thấu cũng đƣợc công nhận bởi ủy ban Châu Âu bằng việc sang lập dự án mang tên “Nâng cao chất lƣợng thực phẩm bằng việc áp dụng phƣơng pháp xử lý thẩm thấu trong các quy trình truyền thống và các quy trình mới”.
Những ƣu diểm chính của tách nƣớc thẩm thấu:
- Cải thiện và bảo vệ các đặc tính về dinh dƣỡng. Thực phẩm đã qua xử lý thẩm thấu đƣợc tìm thấy có chứa một lƣợng cao những vitamin và các nguyên tố vi lƣợng tự nhiên. Những chất này cũng có thể đƣợc ngâm tẩm bằng các chất bổ sung trong quá trình ngâm.
- Cải thiện các đặc tính về chức năng. Nó làm giảm độ hoạt động của nƣớc, làm tăng sự ổn định của vi khuẩn và làm trì hoãn các phản ứng gây hƣ hỏng thực phẩm. Điều này có ảnh hƣởng tích cực đến thời hạn sử dụng của thực phẩm.
- Giảm bớt năng lƣợng và thời gian cần thiết cho sự khử nƣớc.
- Tiến hành đơn giản, chi phí thấp về trang thiết bị và hoạt động của thiết bị. (Moreno et al., 2000; Moreira et al., 2003, trích dẫn bởi Warczok, 2005)
Những nghiên cứu của một số tác giả đã chỉ ra rằng quá trình tách nƣớc thẩm thấu với một nồng độ cao của chất tan có một số lợi thế nhƣ nâng cao chất lƣợng về mặt hƣơng vị, màu sắc và cấu trúc, hiệu quả về sử dụng năng lƣợng, giảm chi phí về đóng gói và phân phối, không cần đòi hỏi hóa chất xử lý, giữ ổn định sản phẩm cũng nhƣ các chất dinh dƣỡng trong thời gian lƣu giữ (Charles Tortoe, 2009).
Quá trình tách nƣớc bằng thẩm thấu bao gồm việc ngâm các loại thực phẩm (trái cây, rau, cá và thịt) trong dung dịch ƣu trƣơng nhƣ đƣờng, muối, cồn hay các dung dịch có thể hòa tan tinh bột nhằm cục bộ khử nƣớc thực phẩm (Mújica- Paz et al., 2003, Erle và Schubert, 2001, trích dẫn bởi Warczok, 2005). Trong quá trình xử lý xuất hiện hai dòng chảy chính đồng thời di chuyển ngƣợc chiều nhau: dòng chất tan đƣợc chuyển từ dung dịch vào trong thực phẩm và dòng
Chương 2. Lược Khảo Tài Liệu
SVTH: Huỳnh Văn Đạt 14
nƣớc chảy ra khỏi thực phẩm vào dung dịch. Quá trình tách nƣớc thẩm thấu thƣờng diễn ra trong dung dịch lỏng đang bị xáo động, làm giảm trở kháng ngoài và làm tăng tốc độ truyền khối tổng cộng.
Mặc dù sự di chuyển của chất tan đƣợc giả định theo kiểu khuếch tán, nhƣng thực tế lƣợng nƣớc mất đi thƣờng lớn hơn sự tăng thêm của chất rắn. Điều này là do hiện tƣợng vận chuyển thẩm thấu ngang qua các lớp màng bán thấm các tế bào. Do đó, quá trình này đƣợc gọi là quả trình ”tách nƣớc thẩm thấu”, mặc dù có lẽ thuật ngữ thích hợp nhất sẽ là ”quá trình mất nƣớc đƣợc thúc đẩy bởi sự khác biệt về nồng độ” (theo Anikó Matusek và Péter Merész, 2003).
Hiệu quả của quá trình tách nƣớc thẩm thấu có thể bị chi phối bởi một số yếu tố (Uddin et al., 2004; Ozen et al, 2002, trích dẫn bởi Warczok, 2005):
- Thành phần và nồng độ của dung dịch thẩm thấu.
- Các đặc tính hóa-lý và cấu trúc của đặc tính thực phẩm: độ xốp của tế bào và khả năng thẩm thấu của biểu bị và màng tế bào.
- Các thông số của quá trình vận hành: thời gian, nhiệt độ (thông thƣờng tối ƣu nhất là 20o
C-50oC), áp suất làm việc (áp suất khí quyển, áp suất chân không) và tốc độ khuấy.
- Mối quan hệ giữa thể tích dung dịch thẩm thấu và nguyên liệu đã khử nƣớc.
- Quá trình tiền xử lý thực phẩm: cơ học và hóa học.
- Việc ứng dụng các sóng siêu âm trong suốt quá trình tách nƣớc thẩm thấu. Kết quả của tách nƣớc thẩm thấu là kéo dài đƣợc thời hạn sử dụng sản phẩm, ít mất mất hƣơng vị trong thực phẩm khô và bán khô, giảm thiểu tải trọng lạnh và khả năng đông lạnh thực phẩm, không gây thay đổi không mong muốn trong các kết cấu và sự chảy nhỏ giọt trong suốt quá trình rã đông (Petrotos và Lazarides, 2001, trích dẫn bởi Warczok, 2005).
Đến nay, tách nƣớc thẩm thấu đã đƣợc ứng dụng trong việc khử nƣớc trên phạm vi rộng của một loạt các loại thực phẩm và hầu hết là ứng dụng với các loại trái cây. Trái cây chứa khoảng 75% nƣớc và thực tế có thể loại bỏ đến 50% lƣợng nƣớc này. Đây cũng chính là lý do cho tính phổ biến của tách nƣớc thẩm thấu.
Chương 2. Lược Khảo Tài Liệu
SVTH: Huỳnh Văn Đạt 15
2.4 Các Yếu Tố Ảnh Hƣởng Đến Quá Trình Khuếch Tán - Tách Nƣớc Thẩm Thấu
Các yếu tố ảnh hƣởng đến sự truyền khối trong quá trình tách nƣớc thẩm thấu đó là nhiệt độ, nồng độ của dung dịch thẩm thấu (chẳng hạn nhƣ khối lƣợng phân tử của chất tan, sự hiện diện của các ion); loại chất đƣợc dùng trong thẩm thấu; chuyển động của dung dịch thẩm thấu; thời gian thẩm thấu; kích thƣớc hình học, chủng loại của nguyên liệu thực phẩm; tỷ lệ dung dịch thẩm thấu và thực phẩm; các tính chất lý hóa của nguyên liệu thực phẩm và áp suất khi vận hành quá trình. Hawkes và Flink (1978) đã nghiên cứu ảnh hƣởng của nhiệt độ và thời gian đến quá trình tách nƣớc thẩm thấu, trong khi Ertekin and Cakaloz (1996) đã khảo sát ảnh hƣởng của các chất tan đƣợc sử dụng trong quy trình. Một số các nghiên cứu gần đây đã mô tả ảnh hƣởng của các biến số đến tốc độ truyền khối (Raoult-Wack et al., 1992; Raoult-Wack, 1994; Rastogi and Raghavarao, 1994, 1995, 1997). Do tốc độ truyền khối chậm nên một số phƣơng pháp tiếp cận đã đƣợc xử dụng để đẩy nhanh tốc độ. Chúng bao gồm ứng dụng của chân không cục bộ (Fito, 1994; Fito và Pastor, 1994; Fito et al., 1996; Rastogi và Raghavarao, 1996), ứng dụng của sóng siêu âm trong quá trình xử lý (Rastogi và Niranjan, 1998), ứng dụng của áp suất thủy tĩnh cực cao (Rastogi và Niranjan, 1998) và việc sử dụng các xung điện trƣờng cực mạnh để xử lý vật liệu trƣớc khi tách nƣớc thẩm thấu (Rastogi et al., 1999).
2.4.1 Nhiệt độ dung dịch thẩm thấu
Biến số quan trọng nhất ảnh hƣởng đến động lực của quá trình truyền khối trong tách nƣớc thẩm thấu là nhiệt độ. Beristain et al. (1990) cho rằng kết quả của việc tăng nhiệt độ dung dịch thẩm thấu dẫn đến việc tăng sự mất nƣớc của nguyên liệu, trong khi sự tăng chất rắn ít bị ảnh hƣởng hơn bởi nhiệt độ. Rahman và Lamb (1990) quan sát thấy ở nhiệt độ cao chất tan không khuếch tán dễ dàng nhƣ là nƣớc qua màng tế bào; và do đó trạng thái cân bằng của quá trình thẩm thấu đạt đƣợc chủ yếu do dòng chảy của nƣớc từ tế bào; kết quả là sự tăng chất tan trong nguyên liệu thực phẩm thu đƣợc thấp hơn. Các nhiệt độ cao hơn của quy trình dƣờng nhƣ thúc đẩy quá trình mất nƣớc diễn ra nhanh hơn thông qua sự phồng lên và hóa dẻo của các màng tế bào; sự khuếch tán nƣớc ở trong thực phẩm nhanh hơn và các đặc tính chuyển khối của nƣớc tốt hơn tại bề mặt sản phẩm là do độ nhớt thấp hơn của môi trƣờng thẩm thấu. Đồng thời, sự khuếch tán của các chất rắn cũng đƣợc thúc đẩy bởi những nhiệt độ cao hơn; phần lớn quyết định bởi kích thƣớc chất tan và nồng độ của dung dịch thẩm thấu. Tuy nhiên, Lazarides (1994) đã báo cáo rằng trong quá trình tách nƣớc thẩm thấu của táo,
Chương 2. Lược Khảo Tài Liệu
SVTH: Huỳnh Văn Đạt 16
lƣợng đƣờng thu đƣợc tăng một cách cao hơn đáng kể (khoảng 55%) ở khoảng nhiệt độ 30°C-50°C so với điều kiện nhiệt độ phòng. Những giá trị hấp thụ trong thực phẩm cao hơn khi xử lý nguyên liệu trên 20°C có thể là do ảnh hƣởng của sự phồng lên và hóa dẻo của màng tế bào. Chúng làm cải thiện tính thẩm thấu của màng tế bào với các phân tử đƣờng.
2.4.2 Nồng độ dung dịch thẩm thấu
Conway et al. (1983), Hawkes và Flink (1978), Lenart (1992) đã báo cáo rằng việc tăng nồng độ của dung dịch thẩm thấu dẫn đến việc tăng tƣơng ứng của sự mất nƣớc và mức độ cân bằng. Vì vậy nó làm tăng sự giảm trọng lƣợng nguyên liệu. Nguyên nhân của điều này đƣợc cho là do hoạt động của nƣớc trong dung dịch thẩm thấu bị giảm xuống với sự gia tăng nồng độ của chất tan trong dung dịch thẩm thấu (Biswal và Le Maguer, 1989; Biswal et al., 1991; Farkas và Lazar, 1969; Lenart và Flink, 1984a; Lerici et al., 1985; Magee et al., 1983; Marcotte và Maguer, 1991; Rahman và Lamb, 1990). Các nghiên cứu của Saurel et al. (1994a, b) cho thấy có một lớp hàng rào chất tan dày đặc đƣợc hình thành tại bề mặt của nguyên liệu thực phẩm khi nồng độ dung dịch tăng lên. Hàng rào này nâng cao hiệu quả của sự khử nƣớc và làm giảm tình trạng mất mát chất dinh dƣỡng trong quá trình. Một hàng rào chất tan tƣơng tự cũng đƣợc hình thành trong trƣờng hợp các dung dịch thẩm thấu có trọng lƣợng phân tử các chất tan cao hơn thậm chí ngay cả ở nồng độ thấp. Những nghiên cứu của Lazarides (1994) trên táo với một nồng độ dung dịch đƣờng cao hơn (ở 65°Brix thay vì 45°Brix) trong 3 giờ đã cho thấy sự mất nƣớc xảy ra nhanh hơn (khoảng 30%). Tuy nhiên, ông thấy rằng lƣợng đƣờng cũng đƣợc hấp thụ vào táo nhiều hơn (khoảng 80%). Các tác giả đã kết luận việc tăng nồng độ của quá trình thẩm thấu trong thời gian ngắn làm tăng cƣờng tốc độ mất nƣớc và tốc độ hấp thu các chất rắn. Ảnh hƣởng này trong quá trình thẩm thấu là do nồng độ thấp của dung dịch đƣờng sucro trong trái cây.
2.4.3 Ảnh hƣởng của loại chất thẩm thấu
Hiệu quả cụ thể của dung dịch thẩm thấu có tầm quan trọng rất lớn trong việc lựa chọn dung dịch. Chi phí chất tan, độ cảm quan của sản phẩm cuối cùng và hoạt động bảo quản sản phẩm là những yếu tố đƣợc xem xét trong việc lựa chọn các chất thẩm thấu (Torreggiani, 1995). Một số chất tan (sử dụng đơn thuần hay kết hợp với các chất tan khác) đƣợc dùng trong các dung dịch ƣu trƣơng của quá trình tách nƣớc thẩm thấu (Maguer, 1988). Các dung dịch đƣờng và muối ăn đƣợc chứng minh là những sự lựa chọn tốt nhất dựa trên hiệu quả, sự tiện lợi và