- Việc sấy màng đỏ hạt gấc bằng bơm nhiệt cho phép bảo quản sản phẩm sau thu hoạch đạt chất lượng dinh dưỡng và màu sắc g p phần cho ngành dược phẩm. - Ngoài ra sản phẩm đề tài là mơ hình máy sấy bơm nhiệt sấy hoạt động đạt hiệu
quả theo mục tiêu đ ng g p 01 mẫu máy cho thực ti n sản xuất công nghiệp.
E. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phươn pháp kế thừa
- Kế thừa các cơng trình, kết quả nghiên cứu của các tác giả trong và ngoài nước ở lĩnh vực sấy bơm nhiệt và sấy quả gấc n i chung.
được ứng dụng trong thực tế, chọn lọc những kết quả c thể kế thừa sử dụng trong đề tài nghiên cứu theo hướng lựa chọn.
- Xác định những vấn đề cần nghiên cứu bổ sung hoặc nghiên cứu kiểm chứng trong phạm vi sấy nông sản n i chung và sấy gấc n i riêng.
- Kế thừa kinh nghiệm sử dụng, kinh nghiệm sấy bơm nhiệt của các nước tiên tiến áp dụng chọn lọc vào điều kiện trong nước.
Phươn pháp iải tí h
- Tính tốn q trình sấy lý thuyết, quá trình sấy thực tế, thời gian sấy và các thông số liên quan từ đ tính các thiết bị trao đổ nhiệt, máy nén, buồng sấy, quạt.
- Thiết kế, chế tạo thiết bị cho máy sấy bơm nhiệt theo mục tiêu.
- Tính tốn lý thuyết, áp dụng qui hoạch thực nghiệm làm tiền đề cho nghiên cứu thực nghiệm.
Phươn pháp n hiên ứu thự n hiệm
Thiết kế, chế tạo máy sấy bơm nhiệt phù hợp với đặc điểm của vật liệu và thu thập đầy đủ số liệu về các yếu tố đầu vào và các giá trị đầu ra.
Bố trí thí nghiệm thăm dị, kết hợp với tham khảo tài liệu tiến hành thí nghiệm đơn yếu tố từ đ xác định miền tối ưu h a các thơng số đầu vào.
Bố trí thí nghiệm đa yếu tố theo qui hoạch thực nghiệm trên cơ sở miền tối ưu h a tìm được theo phương án qui hoạch trực giao cấp 2.
So sánh và đánh giá hiệu quả và chất lượng sản phẩm sấy với các phương pháp sấy và các công bố khác.
Phươn pháp thốn kê và xử lý số liệu
Sử dụng phương pháp phân tích hồi quy đa yếu tố với sự trợ giúp của phần mềm SPSS Statistics 15.02.1 để đánh giá ảnh hưởng của từng thông số đầu vào.
F. Tổng quát các nội dung thực hiện đề tài
Nội dung thực hiện qua các chương sau đây: Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Cơ sở lý thuyết thực hiện đề tài
Chương 3: Tính tốn, thiết kế mơ hình máy sấy bơm nhiệt, xây dựng các thông số công nghệ ảnh hưởng đến quá trình sấy áo hạt gấc.
Chương 4: Thực nghiệm xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy áo hạt gấc và tối ưu h a các thông số công nghệ.
Chƣơng 1 TỔNG QUAN
1 1 Tổng quan về v t iệu sấy
Gấc (Momordica cochinchinensis Spreng) được phân loại như botanically Family Cucurbitaceae, Chi Momordica, và loài Cochinchinensis. Nó là một trong những loại trái cây truyền thống trong khu vực Đông Nam n i chung và Việt Nam nói riêng.
Việt Nam có các loại giống Gấc: Gấc nếp, Gấc tẻ, Gấc đen, Gấc lai. Bình quân 1.5 kg/ trái trồng khắp các vùng, tuy nhiên chưa c qui hoạch thành vùng nguyên liệu để sản xuất công nghiệp, chủ yếu là sản xuất nhỏ lẻ. Hiện nay nhu cầu sản xuất và xuất khẩu lớn. Các thị trường chính như: Hoa Kỳ, Ấn Độ, Nhật Bản, Thái Lan, thị trường Châu Âu và thị trường trong nước dùng cho nước giải khát, thực phẩm chức năng… Hiện nay giá bột gấc sấy khô khoảng 700.000 – 1.000.000 đồng /kg. Việc sử dụng các loại thực phẩm carotenoid c nguồn gốc tự nhiên để chất bổ sung dinh dưỡng hiện đang nhận được sự quan tâm đáng kể từ các nhà sản xuất thực phẩm và người tiêu dùng. Sản lượng Gấc hiện nay chưa đáp ứng được nhu cẩu xuất khẩu do chế biến và bảo quản sau thu hoạch còn lạc hậu và nhỏ lẻ.
1- Vỏ quả gấc; 2 – Lớp màu vàng; 3 – Màng đỏ hạt gấc
1 2 Thành phần dinh dƣỡng của quả gấc
Gấc có chứa hàm lượng lycopene và β-carotene cao gấp nhiều so với các loại trái cây và rau quả c chứa lycopene và β-carotene khác [1] (bảng.1.2), hàm lượng β- carotene cao hơn tám lần so với cà rốt [2]. Gấc c ng chứa hàm lượng đáng kể của α- tocopherol(vitamin E) [2] và các axit béo. Đ là các chất rất quan trọng cần duy trì trong chế biến sản phẩm từ trái cây gấc. Bột gấc khô phải giữ được hàm lượng các chất dinh dưỡng và màu sắc như ban đầu.
Carotenoid đã được sử dụng nhiều như là một chất tạo màu thực phẩm tự nhiên do màu vàng-cam-màu đỏ hấp dẫn là chất dinh dưỡng có lợi cho sức khỏe, là tiền chất của vitamin A và có hoạt chất chống oxy hóa mạnh mẽ [3,4,5,6]. Do đ việc chế biến và bảo quản để duy trì màu sắc và chất lượng rất quan trọng. Nhiều công ty dược phẩm sử dụng carotenoid là giải pháp hiệu quả nhất để phòng ngừa thiếu vitamin và điều trị các bệnh khác nhau. Đặc biệt, việc tiêu thụ hàng ngày của các loại thực phẩm giàu chất lycopene giảm nguy cơ ung thư tuyến tiền liệt và bệnh tim mạch vành.
Thành phần khối lượng gấc tươi gồm lớp da 18%, lớp thịt màu vàng 49%, màng đỏ hạt 18%, hạt 14% so với toàn bộ quả [2]
H nh 1 3. Hàm lượng β - carotene trong gấc và một số loại rau quả [8,9]
Màng đỏ hạt gấc c ng chứa một lượng đáng kể của các axit béo, 50 là axit béo không no[1,2]. xit béo rất c lợi cho sức khỏe con người. Với hàm lượng cao của chất béo trong màng đỏ hạt gấc đ ng một vai trò quan trọng trong việc hấp thụ các chất dinh dưỡng và carotenes tan trong chất béo khác. Ngoài hàm lượng carotenoid đáng kể nồng độ của α-tocopherol (vitamin E) trong gấc, ở mức 76 mg/g trọng lượng tươi, c ng là tương đối cao [1].
ảng 1 1. Thành phần muối khoáng và các vitamin trong các loại quả [10,11]
Loại quả Muối khoáng mg trong 100g Vitamin(mg%) Ca P Fe Carotene B1 B2 PP C Gấc 56 6,4 - 91,6 - - - - Bí đỏ 24 16 0,5 0,2 0,06 0,03 0,4 8 Cà rốt 43 39 0,08 5 0,06 0,06 0,4 8 Cà chua 12 26 1,4 2 0,06 0,04 0,5 40
ảng 1 2. Thành phần h a học trên 100g gấc 10,11] Thành phần Đơn vị Hàm lượng Nước % 77 Protein g 2,1 Lipid g 7,9 Glucid g 10,5 Cellulose g 1,8 Tro mg 0,7 Ca mg 56 P mg 6,4 Calories kcal 125
1 3 Tổng quan về sấy bơm nhiệt
Sấy khô là một trong những cách phổ biến nhất để bảo quản các sản phẩm thực phẩm. Nhiều công nghệ sấy đã được phát triển qua nhiều năm, chẳng hạn như sấy khơng khí nóng, sấy chân khơng, và sấy chân không thăng hoa v.v… Chất lượng của các sản phẩm khô bị ảnh hưởng mạnh bởi phương pháp sấy [12,13,14,15].
Gần đây, c rất nhiều sự quan tâm đến việc sử dụng máy sấy bằng máy bơm nhiệt (HPDs) để sấy khô trái cây, rau và các vật liệu sinh học. Sấy là một quá trình nhiệt động lực học phức tạp phụ thuộc vào loại sản phẩm, khối lượng, nhiệt độ và độ ẩm ban đầu của vật liệu. Mặt khác quá trình sấy phụ thuộc vào lưu lượng, độ ẩm, nhiệt và tốc độ chuyển động của tác nhân sấy. Như vậy hệ thống sấy bơm nhiệt c sự tương tác phức tạp giữa các quá trình sấy đối lưu và chu trình nhiệt động của máy lạnh cho nên cần tiếp cận lý thuyết và thực nghiệm cẩn thận, không nên xem xét độc lập [13,14,15].
Thiết kế của hệ thống bơm nhiệt tùy vào các ứng dụng khác nhau, nhưng thành phần chính của máy bơm nhiệt vẫn là máy nén, ngưng tụ, van tiết lưu, bay hơi làm lạnh
[10]. Qua khảo sát các thiết bị sấy bơm nhiệt hiện nay trên thế giới c ng như ở VN, các thiết bị này chủ yếu tập trung vào việc thải bỏ nhiệt dư thừa từ dàn nóng ra ngồi hoặc cải tạo hệ thống theo hướng phức tạp thêm đồng nghĩa với việc tăng chi phí đầu tư mà chưa chú trọng tới vấn đề hoạt động của máy bơm nhiệt theo từng giai đoạn hoặc thời điểm của quá trình sấy cho phù hợp nhằm tránh sự cố và nâng cao hiệu suất năng lượng tổng thể của máy sấy bơm nhiệt [14].
Q trình sấy khơ màng đỏ hạt gấc đã được thực hiện bằng nhiều biện pháp: phơi nắng, sấy bằng khí n ng và sấy phun, phương pháp sấy phun ở nhiệt độ 120C trong vài phút và c sử dụng chất phụ gia cho kết quả khả quan [16]. Phương pháp sấy bằng khí n ng ở các nhiệt độ 50, 60, 70, 80 và 90C [17] cho thấy rằng khi sấy ở nhiệt độ dưới 60C sản phẩm cho chất lương và màu sắc tốt nhất nhưng thời gian kéo dài hơn. Khi sấy ở nhiệt độ cao quá 60C trong thời gian dài, sản phẩm càng bị sẫm màu và c mùi khét, hàm lượng các hoạt chất chống oxi h a giảm rất nhanh. Như vậy chất lượng và màu sắc của loại sản phẩm này phụ thuộc rất nhiều vào thời gian sấy và nhiệt độ tác nhân sấy tức là phương pháp sấy. Hàm lượng các chất dinh dưỡng quan trọng của quả gấc ít bị phân hu khi nhiệt độ tác nhân sấy thấp hơn 60C do đ sấy bơm nhiệt có thể thích hợp cho sản phẩm này [18,19,21]. Để đánh giá chất lượng sản phẩm bột gấc sấy khô phụ thuộc vào phương pháp sấy, tác giả dựa vào các tiêu chí quan trọng là hàm lượng β- carotene, màu sắc của sản phẩm so với nguyên liệu đầu vào, tốc độ giảm ẩm trung bình trong vật liệu, chi phí năng lượng tính trên một đơn vị sản phẩm.
C nhiều nghiên cứu công bố sản phẩm sấy bằng bơm nhiệt c chất lượng và màu sắc tốt hơn so với sấy khí n ng, độ co ng t và hấp thụ nước của sản phẩm c ng tốt hơn, t lệ khơng khí hồi lưu để đạt hiệu quả hút ẩm cao nhất là khoảng 60% – 80%, vận tốc tối ưu khi sấy bơm nhiệt là 2 – 3m/s [20] và công nghệ sấy bơm nhiệt c ng phù hơp với sấy thực phẩm, và các loại trái, thảo mộc c mùi thơm và tinh dầu [29].
Trong giai đoạn sấy giảm tốc, tốc độ thoát ẩm trong vật liệu chậm lại do vật liệu tạo màng trên bề mặt ngăn cản, độ khuyếch tán ẩm hiệu quả nhỏ, lúc này để hỗ trợ bơm nhiệt tăng tốc độ sấy c thể dùng s ng điện từ hoặc hồng ngoại với tần số thích hợp để tăng tốc độ bay hơi ẩm [22,23].
Nhằm giảm tác động của oxi trong khơng khí đối với chất lượng sản phẩm, người ta đề xuất sử dụng tác nhân sấy là khí trơ (Nitrogen hoặc cacbondioxit) với nhiệt độ sấy là 45C, độ ẩm tương đối buồng sấy duy trì ở khoảng 10 kết quả cho thấy màu sắc và chất lượng sản phẩm được cải thiện theo hướng tốt hơn thậm chí về hương vị cịn tốt hơn sấy đơng khơ, hệ số khuyếch tán là 44 cao hơn 16,34 so với sấy khí n ng, việc kết hợp bơm nhiệt với tác nhân sấy là khi trơ cho hiệu quả trao đổi nhiệt cao hơn, tốc độ khuyếch tán ẩm nhanh hơn và bảo vệ chất lượng sản phẩm tốt hơn [24].
C ng c thể kết hợp sấy bơm nhiệt với áp suất tác nhân sấy trong buồng sấy đạt trang thái chân không, nghiên cứu [25] chứng minh rằng áp suất tác nhân sấy càng nhỏ thì điểm sôi càng thấp và thời gian sấy được đẩy nhanh, khả năng bù nước của sản phẩm tốt hơn, hình dáng khi sấy ở áp suất 10kPa ít bị co ng t hơn khi sấy ở áp suất 40kPa.
Để nâng cao hiệu quả năng lượng, nghiên cứu c ng công bố việc sử dụng bơm nhiệt kết hợp với chất hút ẩm (Silicagel) hệ thống bơm nhiệt và hệ thống hút ẩm làm việc song song qua 3 giai đoạn, giai đoạn đầu độ ẩm lớn và tốc độ bốc hơi ẩm từ vật liệu cao, sử dụng bơm nhiệt để sấy, giai đoạn 2 lượng ẩm giảm cho dòng tác nhân sấy đi qua bộ phận hút ẩm để tiếp tục sấy, giai đoạn 3 là dùng bơm nhiệt để cấp nhiệt hồn ngun chất hút ẩm thơng qua hệ thống van điều khiển. Việc vận hành sấy bơm nhiệt c hỗ trợ của chất hút ẩm phù hơp với nhiều loại vật liệu sấy và c khả năng tiết kiệm được 30-50 năng lượng điện, tuy nhiên hiệu suất tiết kiệm năng lượng c ng phụ thuộc vào nồng độ hơi ẩm trong tác nhân sấy và nhiệt độ tái sinh chất hút ẩm [26] c ng tương tự như vậy nếu sấy bơm nhiệt gián đoạn, nghĩa là c thời gian ủ khi tốc độ sấy giảm xuống, điều này c thể kéo dài thời gian sấy nhưng tiết kiệm năng lượng từ 30- 50% [26, 27].
Do vậy, việc lựa chọn và áp dụng phương pháp sấy bơm nhiệt màng đỏ hạt gấc nhằm mục đích hướng đến làm đa dạng trong lựa chọn các loại máy sấy khác nhau với chi phí hợp lý, đảm bảo duy trì thành phần dinh dưỡng trong vật liệu.
Tối ưu chế độ sấy bơm nhiệt đối với từng sản phẩm cụ thể nhằm thỏa mãn các yếu tố về mức tiêu thụ năng lượng và chất lượng sản phẩm sấy. Chất lượng sản phẩm sấy bao gồm nhiều tiêu chuẩn như màu sắc, hàm lượng chất dinh dưỡng so với nguyên liệu ban đầu, độ co ng t, khả năng hút nước [26, 27]. Trong khi đ chi phí năng lượng của q trình sấy khơ phụ thuộc vào loại ngun liệu, cơ chế sấy, tính chất vật lý của nguyên liệu, phương pháp sấy, nhiệt độ sấy, q trình điều khiển và kiểm sốt thiết bị [28, 29, 30].
1.4. Cơ sở ý u n về sấy bơm nhiệt
Bơm nhiệt là thiết bị dùng để đưa một dòng nhiệt từ nguồn c nhiệt độ thấp đến nguồn c nhiệt độ cao hơn, phù hợp với nhu cầu cấp nhiệt. Để duy trì bơm nhiệt hoạt động cần tiêu tốn năng lượng như điện năng, cơ năng…
Cơ chế thoát ẩm ra khỏi VLS là quá trình khuếch tán ngoại và quá trình khuếch tán nội. Khuếch tán ngoại c xảy ra thì khuếch tán nội mới được tiến hành. Động lực của quá trình khuếch tán ngoại là sự chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước trên bề mặt VLS với áp suất riêng phần của hơi nước trong TNS. Với phương pháp sấy đối lưu bằng khơng khí n ng để tăng động lực của q trình khuếch tán ngoại bằng cách tăng nhiệt độ của TNS và thường là không khí n ng. Tuy nhiên, với phương pháp sấy trên do nhiệt độ của khơng khí tiếp xúc với ngun liệu sấy cao nên làm cho chất lượng của sản phẩm bị giảm đi nhiều [16,17, 18, 20, 21]
Với phương pháp bằng bơm nhiệt, để tăng động lực của quá trình khuếch tán ngoại người ta giảm áp suất riêng phần của hơi nước trong khơng khí ẩm và được tiến hành như sau:
Khơng khí ẩm được làm lạnh đến nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ đọng sương để tách bớt một lượng nước chứa trong khơng khí ẩm và ngun lý làm việc được thể hiện trên (hình 1.4).
1- Van tiết lưu; máy nén; 2- Van tiết lưu; 3- Dàn lạnh 1; 4- Máy nén; 5- Dàn lạnh 2; 10- Buồng sấy; 11- Khay sấy; 12- Ống thu hồi khí thải; 13- Ống cấp tác nhân
Hình 1.4 . Máy sấy bơm nhiệt
TNS đi vào buồng sấy, do chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước giữa TNS và VLS nên ẩm từ bề mặt VLS bay hơi vào TNS làm cho độ ẩm chứa trong TNS tăng lên, sau đ TNS được đi qua dàn lạnh và khơng khí ẩm được làm lạnh đến nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ đọng sương làm cho ẩm chứa trong TNS ngưng tụ trên bề mặt dàn lạnh và nước ngưng chảy vào máng hứng ra ngồi. Lượng nước ngưng tụ trên chính là lượng