NHỮNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ STH THỰC PHẨM

- Theo A.I Liapis [59], các TSNVL của VLA chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, do hàm lượng ẩm trong VLA chiếm tỉ lệ lớn nên các TSNVL của ẩm ảnh hưởng lớn

1.5. NHỮNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VỀ STH THỰC PHẨM

Lịch sử công nghệ STH (Sublimation Lyophilization, Freeze drying) luôn gắn liền với lịch sử phát triển của ngành Công nghệ nhiệt lạnh và ngành Vật lý chân

không. Tuy đã phát hiện về hiện tượng thăng hoa nước đá thành hơi rất sớm của người Trung Quốc (1019) nhưng trong suốt khoảng thời gian dài chưa có một cơ sở

lý thuyết thăng hoa nào ra đời. Một nghiên cứu của Black [1] về ẩn nhiệt hóa hơi

(rhh, J.kg-1), ẩn nhiệt thăng hoa (rth, J.kg-1), ẩn nhiệt đóng băng (L, J.kg-1) của nước, nhiệt độ ngưng tụ, kết tinh, hóa hơi và thăng hoa, đây là công trình mang tính then chốt, nó làm cơ sở khi nghiên cứu lạnh đông, sấy và STH sau này [1, 25, 29].

Một số phát hiện của Simonersi, Ecuadonol và các cộng sự [72, 73], về thăng

hoa vật chất (nước, các hợp chất hữu cơ, một số chất vô cơ đặc biệt, …) từ thể rắn

sang thể hơi, nhưng chỉ dừng lại ở mức độ nhận biết. Một phát minh của G.I.Lappa Starsinexki [25, 29] làm khô SP bằng cách hạ thấp nhiệt độ VLA xuống làm ẩm

đóng băng, sau đó đưa VLA vào môi trường chân không để thăng hoa từ thể rắn

trực tiếp sang thể hơi, [25, 57]. Từ đây kỹ thuật STH bắt đầu có những nghiên cứu

về lý thuyết, tại hội nghị khoa học về STH ở London (1929), M. Held bằng TN đã

đưa ra MHT (1.27) mô tả động học STH, xem bảng 1.9.

Bảng 1.9. Một số MHT mô tả động học quá trình STH

Ở MHT (1.27), với W0 độ ẩm ban đầu của VLA, %; A0, A1, A2, B, n, m, r: là các hệ số xác định bằng TN; q độ chênh nhiệt độ giữa MTS với VLA; t : thời gian

sấy, h. Có thể thấy (1.27) chỉ áp dụng cho trường hợp cụ thể, chưa mang tính khái

quát. Hội nghị khoa học về truyền nhiệt, truyền khối trong STH toàn Liên Bang Nga mở rộng (1956) đã đề nghị các phương trình hay định luật có thể sử dụng khi xây dựng và giải MHT trong điều kiện STH đó là định luật bảo toàn vật chất và

năng lượng của M.V. Lomonosov, hệ phương trình dẫn nhiệt trong chất rắn, lỏng

của J.B.J. Fourier, Newton, Rickman, dẫn khối của Fick, các phương trình truyền

nhiệt bằng bức xạ của Planck. R, Stefan, Bozltmann, Enstein, Kirchhoff, … và việc

nghiên cứu xây dựng MHT mô tả động học QTS sẽ cho biết cơ chế của quá trình cấp nhiệt và tách ẩm [57]. Một số nghiên cứu của Becker, Fish, Nickerson [25, 82]

đã ứng dụng định luật Fick đưa ra MHT (1.28) mô tả QTS VLA.

Chrife, Roman, et al [82], đã giải (1.28) đưa ra MHT (1.29) để sấy VLA dạng tấm phẳng, như: bột sắn dây định dạng tấm phẳng, táo xắt lát tấm phẳng.

Lawrence, Scott, et al, Andrieu[82], đã giải (1.28) đưa ra MHT (1.30) để sấy

Becker, Sallans, Kitic, Alves - Filho, Rumseyet al [82] đã giải (1.28) đưa ra

MHT (1.31) để sấy VLA hình cầu, như: quả óc chó, đậu nành, đậu ván,…

Có thể thấy từ (1.29), (1.30) và (1.31) muốn tính toán động học của QTS thì

trước hết phải xác định hệ số khuếch tán D và ms, hai đại lượng này khó xác định. Chẳng hạn đối với VLA rắn cho đến nay vẫn chưa có phương pháp xác định chính xác. Vì vậy, việc áp dụng các MHT (1.29), (1.30) và (1.31) để mô tả động học cho QTS không thể thực hiện được.

Chính vì vậy, A.V. Luikov[57] đã nghiên cứu xây dựng MHT mô tả cho quá

trình STH một cách tổng quát như sau, xem bảng 1.10.

Bảng 1.10. Một số MHT truyền nhiệt tách ẩm trong điều kiện STH

Chú thích: k là hệ số ảnh hưởng của dòng bức xạ nhiệt; R (m) nửa bề dày của tấm phẳng hoặc bán kính của hình trụ hay hình cầu; H (m) chiều cao hình trụ; x là bề dày lớp khô; L0 (J/kg) là ẩn nhiệt thăng hoa, t (0C) là trường nhiệt độ của vùng (1) lớp khô ẩm đã thăng hoa; vùng (2) lớp ẩm rắn chưa thăng hoa; ack là hệ số dẫn nhiệt độ của lớp khô.

Hình 1.12. Quan hệ giữa ae - Pth, Luikov A.V.

Để giải (1.32) cần phải xác định HSTN (ae, W.m-2.K-1), HSTN môi trường

STH phụ thuộc vào áp suất (Pth < 4,58 mmHg) hay nhiệt độ thăng hoa, bởi vì Tth = f(Pth), được xác định[57] theo MHT (1.33), với k là hệ số ảnh hưởng của phần diện tích hướng dòng bức xạ nhiệt, e =qd 1/ (1 /e + e -1 1/ 2 1)= 0,867: độ đen quy dẫn; với

e1= 0,96, e2 = 0,9: độ đen của vật bức xạ và VLA. Giải (1.32) thay vào

(1.34), (1.35), (1.36), (1.37) tìm được W(t), sau đó thay

vào (1.38) sẽ thiết lập đường

cong STH [57] cho các trường

hợp cụ thể. Bằng TN trên khoai tây và cà rốt dạng tấm phẳng, ở Tf = -80C, Pth = 0,02 mmHg, k = 0,95. Hoover, Mellor et al. [82] đã kiểm chứng (1.34) sai số so với TN:

đối với khoai tây là 5,67%, còn đối với cà rốt 4,89%, xem hình 1.11. Có thể thấy

rằng, (1.34) phù hợp khi sử dụng tính toán xác định đường cong STH cho các loại

VLA dạng tấm phẳng “vô hạn”.

Theo một số nghiên cứu của A.V. Luikov [57], Copson, Gould, Kenyon, Bellows, King [82], đã đưa ra nhiều

MHT STH cho các loại VLA (thực

phẩm, dược phẩm) dạng tấm phẳng “vô

hạn”, hình trụ “vô hạn” và hình cầu, áp dụng phù hợp cho từng trường cụ thể,

[25, 57, 82]. Tuy nhiên, để giải được

(1.32) A.V. Luikov thì phải xác định hệ số k, cũng như xác định HSTN của môi trường, đây là vấn đề khó khăn và phức tạp, theo Simatos et al [82] hệ số k trong

(1.33) cần phải xác định từ TN. Do đó để tiện cho việc áp dụng MHT này xác định đường cong STH, tác giả đề nghị chọn k = (0,75 ¸ 1), và khi k = 1, thì quan hệ giữa

HSTN với áp suất môi trường STH xác định theo đồ thị hình 1.12, nhưng vẫn chưa

Hình 1.11. Đường cong STH của khoai tây và cà rốt.

MHT-1: (1.34) tính cho khoai tây MHT-2: (2.34) tính cho cà rốt.

thể giải thích chính xác một số vấn đề động học của quá trình, theo nghiên cứu

Greenfield, Moller[46], đã dựa trên MHT A.V. Luikov[57]và định luật khuếch tán

của Fick đưa ra MHT STH cho VLA dạng tấm phẳng “vô hạn” tương tự như hệ phương trình (1.29) và (1.34), tuy nhiên khi giải hệ phương trình này gặp nhiều khó khăn vì không đủ điều kiện biên, đồng thời D và ms của VLA không thể xác định được, đây là vấn đề giới hạn của MHT này.

Theo nghiên cứu của Lichtfield, Liapis [89]đã phát triển (1.34) A.V. Luikov

đưa ra MHT mô tả quá trình STH cho VLA (dược phẩm, thực phẩm và các chế

phẩm sinh học) được định hình ở dạng tấm phẳng “vô hạn” [57].

( )( ) ( ) ( ) ( ) 2 w ck ck ck 2 g w 0 b 2 1 1 1 1 1 2 1 1 ck 1 1 1 ck ck w 0 w g s J t t t c c x x d J W W ; x R d t t c x t t d c t c t J L J c t x x d ì ¶ ¶ ¶ r = l - ï ¶t ¶ ï ¶ ï x ï = - - x £ £ ï t í ï r ¶ = l ¶ ï ¶t ¶ ï ï ¶l - l ¶ + r - r x= - + ï ¶ ¶ t î (1.39)

Với x - bề dày lớp khô (m); R - nửa bề dày tấm phẳng (m); L0 - ký hiệu

chung cho ẩn nhiệt thăng hoa và ẩn nhiệt hóa hơi (J.kg-1); t(x, t) = t: trường nhiệt độ

vùng khô (0C); t1(x, t) = tth = const: trường nhiệt độ vùng đóng băng (0C); cg - nhiệt

dung riêng của hơi bốc ra (J.kg-1K-1); Jw - lượng hơi ẩm bốc ra trong 1 đơn vị thời

gian (kg.s-1.m-2); W0 - khối lượng ẩm ban đầu có trong VLA (kg); Wb - khối lượng ẩm còn lại có trong VLA (kg). Có thể thấy rằng, không thể xác định chính xác được

x, và khi áp dụng tính toán, tác giả đã lấy giá trị Jw trung bình. Cho nên sai số của

(1.39) so với TN trên bí đỏ là 21,15% tương đối lớn. Theo Skhalloufi, J.L. Robert, C. Ratti [80] cho rằng (1.39) chưa thể sử dụng tính toán động học cho quá trình STH, bởi vì Jw hiện nay vẫn chưa có phương pháp xác định.

Một số kết quả nghiên cứu khác của Liapis, Bruttini et al, Sadikoglu, Liapis [59] và Felix Franks [63] bằng TN STH trên các chế phẩm sinh học (enzyme, vắcxin, ... và các hoạt chất sinh học) đã cho thấy khi nhiệt độ SP trong quá trình

STH không thay đổi, nếu áp suất buồng STH giảm thì khả năng thăng hoa của ẩm

tăng, khi áp suất buồng STH không thay đổi, nếu nhiệt độ tấm bức xạ tăng thì khả năng tách ẩm tăng, Millman M. J, George, Datta và cộng sự [79, 86] cho rằng, kết

Theo A.V. Luikov [57], Rasmuson, Lewis M.J, Pikal. M.J, Shah.S, S. Cardon et al, [65, 66] đã sử dụng MHT (1.34) tính toán STH các SP dược phẩm,

kiểm chứng bằng TN cho thấy, sai số của (1.34) đối với VLA dạng tấm phẳng “vô

hạn” nhỏ hơn 6,02%, còn dạng tấm phẳng hữu hạn, hình trụ và hình cầu không phù hợp vì sai số quá lớn, trên 24,36%. Theo Chandan Bhugra, F. Jameel, Rambhatla et al [66] đưa ra MHT (1.40) mô tả động học STH với VLA dạng tấm phẳng hữu hạn.

( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) 2 2 w w ck ck ck 2 2 g w 0 b 2 2 1 1 1 1 1 1 2 2 1 1 1 ck 1 1 1 ck ck w 0 w g s J t J t t t t c c x y x y d J W W ; x R d t t t c x y t t t t d c t c t J L J c t x y x y d ì ¶ æ¶ ¶ ö æ¶ ¶ ö ï r =l çç + ÷÷- çç + ÷÷ ¶t ¶ ¶ ï è¶ ¶ ø è ø ï x ï =- - x£ £ ï t ï í æ ö ¶ ¶ ¶ ï r =lç + ÷ ï ¶t ç¶ ¶ ÷ è ø ï ï æ¶ ¶ ö æ¶ ¶ ö x ïlç + ÷-l ç + ÷+ r - r =- + ï è¶ ¶ ø è¶ ¶ ø t î (1.40)

Bằng TN trên các chế phẩm sinh học: protease, trypsinase được định dạng

tấm phẳng hữu hạn, nhiệt độ môi trường STH Tf = -50C, Pth = 0,01 mmHg thì sai số

của (1.40) đối với protease là 5,87%, còn trysinase là 6,03%. Với kết quả này Marchello J.M [47] cho rằng (1.40) áp dụng thích hợp cho VLA dạng phẳng hữu

hạn. Liapis I. A [59] đã kiểm chứng (1.40) bằng TN trên chuối, kết quả cho thấy sai số lớn hơn 31,51%. Như vậy (1.40) không thể áp dụng cho VLA dạng hình trụ.

Theo nghiên cứu của Millman M. J., et al [47], đã sử dụng (1.35) của A.V. Luikov, tính toán STH cho VLA (thực phẩm) dạng hình trụ “vô hạn” [56, 57], với

(1.35) Liapis A.I. và cộng sự, [59, 81], đã kiểm chứng bằng TN trên xúc xích bò và tổ yến (dạng sợi), với Tf = -100C, Pth = 0,004 mmHg thì kết quả cho thấy sai số giữa

MHT với TN là 7,21% (xúc xích bò); 6,73% (tổ yến). Các tác giả cho rằng (1.35) có thể sử dụng tính toán STH cho các loại VLA dạng trụ “vô hạn”, cũng bằng TN trên

các SP vitamine như: M1 chứa 63% thiamine (B1), M2 chứa 68% Riboflavin (B2)

được định hình ở dạng trụ “vô hạn”. Hammami, et al đã kiểm chứng (1.35), xem hình 1.13 và bảng 1.11, [76, 78]. Với W0 độ ẩm ban đầu, W độ ẩm của VLA biến

thiên trong QTS, MHT-1, TN-1 mô tả STH của M1 chứa 63% thiamine (B1), còn MHT-2, TN-2 mô tả STH của M2 chứa 68% Riboflavin (B2). Kết quả cho thấy, sai số của (1.35) với TN, đối với B1 là 6,57%, còn B2 là 6,84%. Kết quả cho thấy,

(1.35) có thể sử dụng tính toán STH đối với VLA dạng trụ “vô hạn”. Tuy nhiên với

TN trên cá viên của Ronmold Zylla và cộng sự [76], kết quả đã nhận được (1.35) sai số trên 27,93%. Vì vậy, (1.35) không thể sử dụng cho VLA dạng hình cầu.

Một nghiên cứu khác của J.L. Robert, C. Ratti, J.P. George [79], A.K. Datte, J. Stawczyk [76], đã sử dụng MHT (1.37) A.V. Luikov [57], tính toán STH cho VLA (dược phẩm, chế phẩm sinh học, thực

phẩm) dạng hình cầu, kiểm chứng bằng TN trên VLA nho và táo, với Tf = 100C; Pth = 0,05 mmHg; k = 0,86. Kết quả cho thấy, sai số (1.37) so với TN là 7,31% (nho); 6,92% (táo). Theo S.C.Tsinontides, P.Rajniak và cộng sự [54, 82], cũng đã kiểm chứng (1.37) trên VLA: bột cá và bột axit amine dạng

viên, kết quả nhận được là sai số của MHT

so với TN là 6,57% (bột cá); 5,98% (bột axit amine). Vì vậy, Rubens M.F, Eduardo cho rằng (1.37) có thể sử dụng tính toán động học STH cho VLA dạng hình cầu.

Theo Millman M. J., Liapis I. A [47] cho rằng lượng ẩm bề mặt của VLA ms

không thể xác định chính xác được, vì bề dày lớp ẩm bề mặt ds là bao nhiêu cũng

không biết được và khi ds thay đổi thì ms sẽ thay đổi, do đó MHT (1.30) khó có thể

mô tả động học STH một cách chính xác.

Theo Kyuya Nakagawa [72, 81], Mike Pikal, Mark Manning, Marchello J.M et al [83], đã sử dụng (1.36) A.V. Luikov [57], tính toán STH cho VLA dạng hình trụ hữu hạn, John Carpenter et al [83] kiểm chứng bằng TN trên xúc xích bò, kết

Bảng 1.11. Số liệu tính toán MHT

(1.35) và TN xác định TLBHA

Hình 1.13. Biểu diễn quan hệ TLBHA X = W/W0

với t bằng TN và MHT (1.35)

MHT-1, TN-1: sử dụng (1.35) tính STH và TN cho M1. MHT-2, TN-2: sử dụng (1.35) tính STH và TN cho M2.

Hình 1.14. Mô hình VLA dạng cầu

quả cho thấy sai số MHT (1.36) so với TN là 4,81%. Vì vậy, John Carpenter đề

nghị (1.36) sử dụng tính toán STH cho VLA dạng hình trụ hữu hạn.

Nếu sử dụng MHT dạng tấm phẳng (1.34) để tính toán STH cho VLA thủy

sản (tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ) thì sai số của MHT so với TN lớn hơn 36,21%. Kết quả tính toán MHT và TN xem ở đồ thịở hình 1.15

Có thể thấy, MHT dạng tấm phẳng chưa phù hợp, không thể sử dụng tính toán động học STH cho thủy sản (tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ). Còn nếu sử dụng MHT dạng hình trụ (1.36) thì sai số của MHT so với TN lớn hơn 26,79%. Kết quả

tính toán MHT và TN xem ở hình 1.16. Như vậy, cũng không thể sử dụng tính toán động học STH cho thủy sản (tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ).

Nhận xét: từ kết quả nghiên cứu của các tác giả trên đã cho thấy:

- Cho đến nay, việc xây dựng MHT TNTA đồng thời để tính toán cho QTS nói chung và STH nói riêng vẫn chưa có phương pháp nào đáng tin cậy, bởi vì trong MHT (1.28), (1.32) có các đại lượng như: hệ số khuếch tán (D, m2.s-1), lượng ẩm bề

Hình 1.15. Mô phỏng đường cong STH ở Pth = 0,1 mmHg, T¥ = 350C của MHT (1.34) dạng tấm phẳng áp dụng cho tôm sú

Hình 1.16. Mô phỏng đường cong STH ở Pth = 0,1 mmHg, T¥ = 350C của MHT (1.36) dạng trụ hữu hạn áp dụng cho tôm sú

mặt của VLA (ms, kg), bề dày của lớp ẩm bề mặt VLA (ds, m) không thể xác định. Do đó, A.V. Luikovđã xây dựng MHT TNTA từ cân bằng nhiệt và vật chất để mô

tả động học cho QTS, từ đó triển khai áp dụng cho những trường hợp cụ thể.

- Việc xây dựng và giải MHT để xác định động học cho quá trình STH khá phức tạp, bởi vì nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: hình dạng kích thước hình học,

các đặc tính hóa, lý của VLA, các tính chất nhiệt vật lý của VLA, nhiệt độ, áp suất

của MTS, nhiệt độ thăng hoa ẩm và nhiệt độ của VLA cuối giai đoạn lạnh đông, phương thức cấp nhiệt, …v.v. Nhưng kết quả nhận được dùng để tính toán và vận

hành hệ thống STH, đồng thời làm cơ sở cho việc xác lập CĐCN.

- Tuy đã có nhiều MHT được xây dựng để tính toán cho quá trình STH ở

giai đoạn 2, 3 và chủ yếu áp dụng cho các mô hình vật thể dạng phẳng, dạng cầu,

dạng trụ. Nhưng không thể áp dụng cho các loại thủy sản (tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ), bởi vì sai số của các MHT này so với TN khá lớn, xem hình 1.15 và 1.16.

- Hiện nay, ứng dụng STH trong chế biến bảo quản thực phẩm được phổ

biến hơn, đặc biệt là các loại thực phẩm có giá trị kinh tế. Tuy nhiên, đối với loại

thủy sản nhóm giáp xác (tôm sú, tôm bạc và tôm thẻ) nuôi thương phẩm ở các tỉnh ĐBSCL từ trước đến này vẫn chưa có công trình nào công bố số liệu TN hay MHT phù hợp với mô hình vật thể thực, mô tả quá trình TNTA trong điều kiện STH.