Phần 2 Tổng quan nghiên cứu
2.6. Sự kết tinh của đường và Các phương pháp xử lý kết tinh đường trong
2.6.2. Các phương pháp phá kết tinh mật ong quá trình tồn trữ
2.6.2.1. Phá kết tinh mật ong bằng phương pháp cơ lý
a. Phá kết tinh mật ong theo phương pháp sử dụng nhiệt kết hợp cánh khuấy
Quá trình phá kết tinh mật ong được thực hiện theo nguyên lý gia nhiệt làm nóng mật và tiến hành khuấy đảo trong quá trình xử lý. Nhiệt lượng được cung cấp bằng gas hoặc hơi quá nhiệt thông qua lớp áo nước bên ngồi thùng chứa mật có cánh khuấy. Nhiệt độ mật ong bên trong thùng được cấp nhiệt khoảng 55oC kết hợp khuấy liên tục trong khoảng 1,5 giờ góp phần phá tan các tinh thể trong mật ong. Tuy nhiên, phương pháp xử lý này sẽ làm cho mật không đồng đều và lớp mật tiếp xúc với đáy thùng có nhiệt độ cao hơn nên dễ làm thay đổi chất lượng mật.
b. Phá kết tinh mật ong theo nguyên lý chân không ở nhiệt độ thấp
Mật ong được đun nóng ở nhiệt độ thấp trong điều kiện chân khơng làm nóng chảy các tinh thể đường trong mật. Trong điều kiện chân khơng nên mật ong được đun nóng kết hợp với cánh khuấy phù hợp đến điểm các tinh thể bị nóng chảy nhưng chất lượng mật ong đảm bảo. Tuy nhiên, chi phí đầu tư và độ phức tạp của thiết bị chân không là trở ngại lớn cho phương pháp phá kết tinh này.
c. Phá kết tinh mật ong bằng phòng ủ
Để phá kết tinh theo nguyên lý phịng ủ, mật được cho vào thùng chứa có hệ số dẫn nhiệt lớn như kim loại để tăng cường khả năng trao đổi nhiệt từ phòng ủ với mật bên trong. Nhiệt độ bên trong phịng ủ duy trì ở 40÷45oC. Tuy nhiên, phương pháp này mất rất nhiều thời gian.
2.6.2.2. Phương pháp phá kết tinh mật ong bằng sóng siêu âm
a. Cơ chế hoạt động sóng siêu âm
Sóng âm thanh là sự rung động truyền qua môi trường, chẳng hạn như khơng khí, nước và kim loại. Sóng siêu âm được định nghĩa là “âm thanh khơng
nghe được với tần số cao đối với con người”, tần số thường vượt quá 20 kHz (hình 2.13) (Sonotec, 2022).
Hình 2.13. Các dãy tần số sóng siêu âm
Nguồn: Sonotec (2022)
Sóng siêu âm là sóng cơ học hình thành do sự lan truyền dao động của các phần tử trong khơng gian có tần số lớn hơn giới hạn trên ngưỡng nghe của con người. Sóng siêu âm có bản chất là sóng kéo và sóng nén, nghĩa là trong trường siêu âm các phần tử dao động theo phương cùng với phương truyền của sóng (Blog, 2022; Villamiel & Montilla, 2017). Trong q trình phát sóng siêu âm đã tạo ra chu trình kéo và nén, khi nén các phân tử ở gần nhau hơn tạo nên các bọt khí nhỏ, khi kéo sẽ làm cho các phân tử tách nhau tạo ra áp suất âm, khí và hơi nước xâm nhập vào trong bọt làm cho các bọt khí - hơi nước lớn dần (hình 2.14). Sau một số chu trình kéo-nén, kích thước của bọt tăng đến trị số tối đa, bọt sẽ bị vỡ, khí và hơi được thốt ra ngồi. Ngồi ra, sóng siêu âm truyền vào trong lịng chất lỏng sẽ gây nên sự kích thích mãnh liệt. Tại bề mặt tiếp xúc giữa 2 pha lỏng- rắn hay khí-rắn, sóng siêu âm gây nên sự hỗn loạn cực độ do tạo thành những vi xoáy. Hiện tượng này làm giảm ranh giới giữa các pha, tăng cường sự chuyển khối đối lưu và thúc đẩy quá trình khuếch tán, nhờ đó đã làm tăng nhanh sự đồng nhất giữa pha lỏng và pha rắn mà ở một vài trường hợp quá trình khuấy trộn thông thường không đạt được (Ye, 2015; Villamiel & Montilla, 2017).
Hình 2.14. Quá trình hình thành và phá vỡ bọt khí
Nguồn: Blog (2022)
Sóng siêu âm phân thành 3 loại: Siêu âm tần số thấp (20÷100kHz): Ứng dụng trong điều khiển quá trình kết tinh, loại khí khỏi thực phẩm dạng lỏng, vơ hoạt enzyme. Siêu âm tần số cao (100kHz÷MHz): Xác định tính chất hóa lý của thực phẩm cũng như thành phần cấu trúc và trạng thái vật lý của thực phẩm. Siêu âm chẩn đốn (5÷10MHz): Phần lớn, những nghiên cứu về sóng siêu âm trong thực phẩm thường giới hạn trong khoảng 20÷40kHz (Pmg, 2021).
b. Thiết bị phát sóng siêu âm
Thiết bị phát sóng siêu âm gồm 3 bộ phận chính: máy phát điện, bộ chuyển đổi và bộ phận phát sóng.
Máy phát điện là một nguồn cung cấp năng lượng cho hệ thống siêu âm, làm cho bộ chuyển đổi hoạt động sinh ra dòng điện với một mức năng lượng được xác định và hiệu chỉnh một cách gián tiếp qua việc cài đặt hiệu điện thế (V) và cường độ dòng điện (I). Hiệu điện thế biểu thị bằng thế năng, cường độ dòng điện biểu thị bằng điện tích của các electron di chuyển qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian. Thơng thường các máy phát điện được thiết kế trong khoảng tần số (2040 kHz).
Bộ chuyển đổi: xem như một chi tiết trung tâm, vai trị của nó dùng để phát sóng siêu âm, chuyển đổi điện năng thành cơ năng, năng lượng âm thanh bằng việc rung động cơ học tại những tần số siêu âm, thường tạo ra tiếng huýt trong chất lỏng.
Bộ phận phát có nhiệm vụ phát ra sóng siêu âm từ bộ chuyển đổi vào trong mơi trường. Bộ phận phát có hai dạng chính: bộ phận phát gắn cố định vào mặt dưới của bể siêu âm và bộ phận phát dạng thanh gắn trực tiếp vào bể siêu âm.
Trong sóng siêu âm, rung động âm thanh thường được tạo ra bởi một bộ chuyển đổi áp điện, bao gồm hai phần tử gốm ln thay đổi kích thước của chúng một cách chính xác và có thể lập lại để đáp ứng với điện trường. Vì vậy, nếu một điện trường xoay chiều được đặt vào, các phần tử gốm di chuyển lên, xuống và có thể lập đi, lập lại ở mức độ cao hình 2.15 (Bermudez-Aguirre, 2017).
a) Gắn cố định vào mặt ngoài của bể siêu âm
b) Gắn trực tiếp vào trong bể siêu âm
Hình 2.15. Bộ phận phát sóng siêu âm
c. Ý nghĩa và ứng dụng công nghệ siêu âm
Ứng dụng của sóng âm tần số 20kHz trong thực phẩm dùng để bảo quản, chiết xuất và biến đổi các chất chống oxy hóa, hoạt tính sinh học. Siêu âm gây ra sự phá hủy các hạt tinh thể, mơ cơ học bởi chu trình kéo và nén, đồng nhất hóa pha lỏng-rắn hoặc khí-rắn,… Sóng siêu âm tần số trên 20 kHz có thể tiêu diệt vi khuẩn bằng cách làm thủng thành tế bào vi khuẩn và màng tế bào (Mumtaz & cs., 2019).
Mật ong là một dung dịch đường có xu hướng kết tinh. Đây là một q trình khơng mong muốn cần phải tránh trong qui trình sản xuất mật ong. Công nghệ siêu âm giúp hòa tan các tinh thể monohydrat D- glucosa (phá kết tinh) đồng thời loại bỏ các tinh thể xuất hiện trong mật ong góp phần làm chậm quá trình kết tinh trở lại của mật ong trong quá trình tồn trữ.
Rahima (2014) đã sử dụng phương pháp gia nhiệt và sóng siêu âm có tần số 20 kHz để nghiên cứu phá kết tinh trong mật ong. Kết quả cho thấy sóng siêu âm với tần số 20kHz có thể phá kết tinh trong 150g mật ong với thời gian 3 phút. Trong khi đó, mặc dù được làm nóng tới 70oC phương pháp gia nhiệt khơng thể phá huỷ hoàn toàn kết tinh trong 150g mật ong sau 34 phút. Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, mật ong được xử lý bằng sóng siêu âm khơng bị kết tinh trở lại sau 350 ngày. Nghiên cứu khác đã cho thấy rằng nếu mật ong được xử lý bằng sóng siêu âm tại tần số 18kHz dưới nhiệt độ từ 10 đến 38oC trong thời gian 5 phút thì sự kết tinh và lên men trong mật ong sẽ được ngăn chặn hoàn toàn.
Nghiên cứu Tosi & cs. (2004) và Turhan & cs. (2008) cho thấy, việc sử dụng nhiệt độ cao 80oC trong thời gian ngắn 30÷60 giây làm giảm độ nhớt, nấm, vi sinh vật, ức chế q trình phát triển kết tinh từ 4÷8 tuần.
Kết quả nghiên cứu của Rahima, (2014) cho thấy mật ong được xử lý siêu âm ở tần số 40kHz và nhiệt độ 40÷50oC trong thời gian 120 phút có khả năng tiêu diệt được 50% một số nấm men Saccharomyces cerevisiae. Khả năng tiêu diệt được vi sinh vật cũng như chuyển hóa glucose, hạn chế sẫm màu trong mật ong được xác định có liên quan đến enzyme glucose-oxidase.
Nghiên cứu của Janghu & cs. (2017) cho thấy mật ong được xử lý siêu âm ở tần số 20kHz và giữ nhiệt độ ổn định 40÷50oC cũng có khả năng kiểm sốt một số vi sinh vật hiếu khí như coliforms, nấm men và nấm mốc; đồng thời tại điều kiện tối ưu hóa khả năng hoạt động của enzyme diastase.
Nghiên cứu Kabbani & cs. (2011) cho thấy sóng siêu âm tần số 40 kHz ở 40÷60oC trong thời gian 60 phút có khả năng phá tinh thể và tiêu diệt nấm men trong mật ong, không làm mật ong sinh ra HMF và duy trì tốt các yếu tố chất lượng. Quá trình phá kết tinh thể hiện rõ ràng và giữ trạng thái lỏng dài hơn so với xử lý nhiệt đơn thuần mà không cần tăng nhiệt độ.
Nghiên cứu Thrasyvoulou & cs. (1994) phá kết tinh mật ong bằng sóng siêu âm 23kHz ở 60oC trong 30 phút, sự gia tăng trung bình của hàm lượng HMF thấp hơn đáng kể (86%) so với xử lý nhiệt (129%), giữ ở trạng thái lỏng trong thời gian dài hơn so với mật ong đã qua xử lý nhiệt.
Nghiên cứu Lê Anh Đức (2019), thiết kế chế tạo và khảo nghiệm thiết bị phá kết tinh mật ong ứng dụng sóng siêu âm, tần số 28kHz thời gian 50 phút. Kết quả cho thấy hiệu quả rõ rệt khi ứng dụng sóng siêu âm xử lý mật ong so với phương pháp xử lý dùng nhiệt, thời gian xử lý giảm 45% và năng lượng cho quá trình xử lý phá kết tinh giảm 30%.
Do những hạn chế của những phương pháp phá kết tinh của mật ong theo phương pháp truyền thống là khơng kiểm sốt được sự kết tinh của mật ong, cũng như các điều kiện bảo quản. Do đó, trước nhu cầu thực tế phương pháp phá kết tinh trong mật ong bằng sóng siêu âm đạt được kết quả cao, kiểm sốt q trình lên men và chỉ số HMF trong mật ong. Sóng siêu âm là cơng nghệ được cho hiệu quả nhất trong chế biến mật ong trong giai đoạn hiện nay.
Hiện nay các thiết bị cơ đặc mật ong ở Việt Nam chưa có khả năng phá kết tinh trong mật ong triệt để. Phần lớn mật ong sau khi cô đặc bằng bơm nhiệt hoặc cơ đặc khơng khí nóng, trong q trình tồn trữ (khoảng 2÷3 tháng) là có thể bị kết tinh trở lại. Điều này ảnh hưởng rất lớn đến giá trị của mật ong Việt Nam xuất khẩu trên thị trường thế giới. Do đó, phương pháp sử dụng sóng siêu âm để phá kết tinh là một trong những phương pháp nghiên cứu tiên tiến và rất có chiều hướng pháp triển ở tương lai.
2.7. TỔNG HỢP LUẬN GIẢI NHỮNG VẤN ĐỀ CẦN NGHIÊN CỨU
Trên cơ sở kết quả nghiên cứu tổng quan về cơ đặc mật ong chúng tơi có kết luận nhằm định hướng cho nghiên cứu tiếp theo như sau:
1. Về công nghệ: Áp dụng công nghệ cô đặc mật ong trong điều kiện chân không cho phép giảm nhiệt độ cơ đặc nhờ đó đã nâng cao được chất lượng mật ong, đặc biệt là giảm được hàm lượng HMF có thể gây độc ảnh hưởng đến sức khoẻ người sử dụng, nhiệt độ cho phép <50oC. Đồng thời ứng dụng phá kết tinh
bằng sóng siêu âm là cơng nghệ mới giúp cho mật ong không bị kết tinh trở lại trong thời gian tồn trữ đã góp phần làm tăng giá trị cảm quan của sản phẩm.
2. Về thiết bị cô đặc: Hiện nay trong sản xuất mật ong ở Việt Nam, chủ yếu vẫn sử dụng thiết bị cô đặc bằng bơm nhiệt hoặc sấy phun với tác nhân sấy là khơng khí nóng ở nhiệt độ cao (45÷55oC),... Các thiết bị cơ đặc này có ưu điểm: cấu tạo thiết bị đơn giản, chi phí đầu tư thiết bị thấp nhưng còn tồn tại nhiều nhược điểm: thời gian cô đặc kéo dài, hàm lượng dinh dưỡng, màu sắc và mùi vị đều bị giảm sút nhiều so với mật ong trước khi đưa vào cô đặc. Các thiết bị cơ đặc ở nước ngồi tiên tiến như thiết bị sấy thăng hoa. thiết bị sấy bơm nhiệt,… tạo ra chất lượng sản phẩm cao nhưng thiết bị có cấu tạo phức tạp, đắt tiền và năng suất thiết bị thấp,… Để nghiên cứu thiết kế thiết bị cô đặc, tác giả cần kế thừa ưu điểm của “Thiết bị cô đặc mật ong kiểu chân khơng dạng ống” (hình 2.6) là: dung dịch được đun nóng trong các ống nhỏ, dài nên nhiệt độ trong dung dịch đều, cường độ tuần hoàn lớn, cường độ bốc hơi cao trong và ưu điểm của thiết bị cô đặc chân không dạng nồi (hình 2.11) là: ứng dụng công nghệ siêu âm phá được hiện tượng kết tinh của mật ong trong q trình cơ đặc và kéo dài thời gian kết tinh trở lại trong quá trình tồn trữ, đồng thời tiêu diệt nấm men và vi sinh vật trong mật ong..
3. Về nghiên cứu lý thuyết: Những nghiên cứu lý thuyết về quá trình và thiết bị cô đặc mật ong cịn q ít. Có một số cơng trình nghiên cứu (mục 2.5.1 và 2.5.2) chủ yếu xác định các thông số vật lý của q trình cơ đặc mật ong: như nhiệt độ sôi của dung dịch, khối lượng riêng, độ nhớt động học, tính chất nhiệt của các thành phần trong dung dịch,...làm cơ sở hồn thiện cơng nghệ cơ đặc mật ong. Việc nghiên cứu xác định các thông số về cấu tạo và chế độ cô đặc mật ong còn rất hạn chế. Với mục tiêu của luận án là thiết kế thiết bị cô đặc, cần thiết phải xây dựng mơ hình tốn q trình trao đổi nhiệt ẩm trong buồng cô đặc nhằm biểu diễn mối quan hệ của các tham số về cấu tạo và chế độ làm việc của thiết bị cơ đặc, từ đó có thể xác định các thơng số cơ bản về cấu tạo và chế độ cô đặc nhằm định hướng ban đầu cho việc thiết kế. Vì vậy, các cơng thức xác định các tính chất vật lý nêu trên là cơ sở quan trọng, góp phần hồn thiện mơ hình tốn mà luận án cần kế thừa.
4. Về nghiên cứu thực nghiệm: Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm để xác định một số thông số tối ưu làm cơ sở cho việc hồn thiện cơng nghệ và thiết kế cải tiến thiết bị cô đặc nhằm triển khai áp dụng rộng rãi trong sản xuất.