Sấy là một phương pháp bảo quản thực phẩm đơn giản, an toàn và dễ sử dụng, nó làm giảm độ ẩm của thực phẩm đến mức cần thiết, do đó vi khuẩn, nấm mốc và nấm men bị ức chế hoặc không phát triển và hoạt động được. Sấy cũng làm giảm hoạt độ của các enzyme, giảm kích thước và trọng lượng của sản phẩm.
Sấy là quá trình làm khô các vật thể, các vật liệu, các sản phẩm bằng phương pháp bay hơi nước. Trong quá trình sấy xảy ra các quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất cụ thể là quá trình truyền nhiệt từ chất tải nhiệt cho vật sấy. Qúa trình
truyền ẩm từ trong vật sấy vào môi trường. Các quá trình truyền nhiệt, truyền chất trên xảy ra đồng thời trên vật sấy, chúng có ảnh hưởng qua lại lẫn nhau [2],[3].
Hay nói cách khác, sấy là một quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu bằng cách cung cấp cho nó một lượng nhiệt, nhiệt được cung cấp nhằm thực hiện các nhiệm vụ sau:
+ Nung nóng vật liệu với nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ bầu ướt tương ứng với môi trường xung quanh.
+ Vận chuyển ẩm từ các lớp bên trong ra các lớp bên ngoài.
+ Vận chuyển ẩm từ lớp bề mặt bên ngoài của vật liệu sấy vào môi trường không khí.
Sấy có thểđược chia làm 2 phương pháp:
+ Sấy tự nhiên (phơi nắng): sử dụng năng lượng mặt trời để tách ẩm ra khỏi vật liệu sấy. Đây là phương pháp sấy đơn giản, dễ thực hiện và giảm chi phí do tận dụng nguồn năng lượng tự nhiên. Tuy nhiên chất lượng sản phẩm không cao, ngoài ra còn phụ thuộc vào thời tiết và dễ bị bụi.
+ Sấy nhân tạo: sử dụng tác nhân sấy để thực hiện quá trình sấy. Tác nhân sấy thường được sử dụng là không khí ẩm, khói lò, hơi nước quá nhiệt… tuy nhiên không khí ẩm vẫn là tác nhân được sử dụng phổ biến nhất.
Tác nhân sấy được sử dụng nhằm thực hiện các nhiệm vụ sau: + Vận chuyển lượng nhiệt cung cấp cho vật liệu sấy.
+ Vận chuyển lượng ẩm tách ra khỏi vật liệu sấy ra bên ngoài.
Sấy nhằm các mục đích sau:
+ Chế biến: Chúng ta có thể sử sụng phương pháp sấy để chế biến các mặt hàng ăn liền.
+ Vận chuyển dễ dàng: Do khi tách bớt ẩm ra khỏi vật liệu sấy thì quá trình vận chuyển sẽđơn giản và giảm chi phí rất nhiều.
+ Kéo dài thời gian bảo quản: Nguyên nhân do giảm lượng nước tự do trong thực phẩm, là môi trường không thuận lợi cho vi sinh vật và enzyme hoạt động.
Trong quá trình sấy xảy ra 2 quá trình cơ bản:
+ Quá trình trao đổi nhiệt: Vật liệu sấy sẽ nhận nhiệt từ các tác nhân sấy để tăng nhiệt độ và đểẩm bay hơi vào môi trường
+ Quá trình trao đổi ẩm: Quá trình này diễn ra do sự chênh lệch giữa độ ẩm tương đối của môi trường không khí xung quanh động lực của quá trình này là do sự chênh lệch áp suất hơi trên bề mặt vật liệu sấy và áp suất hơi riêng phần của hơi nước trong môi trường không khí. Quá trình thải ẩm diễn ra cho tới khi độ ẩm của vật ẩm bằng độ ẩm của môi trường không khí xung quanh. Do đó trong quá trình sấy ta không thể sấy đến độ ẩm của vật ẩm nhỏ hơn độ ẩm của môi trường không khí. Độ ẩm của môi trường không khí xung quanh càng nhỏ thì quá trình sấy càng nhanh và độ ẩm cuối của vật liệu sấy càng thấp. Qua đó có thể kết luận độ ẩm của môi trường không khí xung quanh là động lực của quá trình sấy, đây cũng là nguyên nhân tại sao khi sấy ở nhiệt độ cao và độ ẩm thấp thì thời gian sấy giảm đi nhiều [8].
1.3.2 Các giai đoạn trong quá trình sấy [3]
Quá trình làm khô vật liệu ẩm đuợc chia thành 3 giai đoạn
Giai đoạn nung nóng vật liệu sấy:
Giai đoạn này bắt đầu từ khi đưa vật vào buồng sấy tiếp xúc với không khí nóng cho tới khi nhiệt độ vật đạt được bằng nhiệt độ kế ước. Trong quá trình sấy này toàn bộ vật được gia nhiệt. Ẩm lỏng trong vật được gia nhiệt cho đến khi đạt được nhiệt độ sôi ứng với phần áp suất hơi nước trong môi trường không khí trong buồng sấy. Do được làm nóng nên độẩm của vật có giảm chút ít do bay hơi ẩm còn nhiệt độ của vật thì tăng dần cho đến khi bằng nhiệt độ kế ước. Tuy vậy, sự tăng nhiệt độ trong quá trình xảy ra không đều ở phần ngoài và phần trong vật. Vùng trong vật đạt đến nhiệt độ kế ước chậm hơn. Đối với vật dễ sấy thì giai đoạn này làm nóng vật xảy ra nhanh.
Đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy trong giai đoạn này là một đường cong lồi do năng lượng liên kết của nước liên kết cơ lý nhỏ, mà giai đoạn này chủ yếu tách nước liên kết cơ lý.
Giai đoạn sấy đẳng tốc:
Kết thúc giai đoạn gia nhiệt, nhiệt độ vật bằng nhiệt độ kếước. Tiếp tục cung cấp nhiệt, ẩm trong vật sẽ hoá hơi còn nhiệt độ của vật giữ không đổi nên nhiệt cung cấp chỉ để làm hóa hơi. Ẩm sẽ hóa hơi ở lớp vật liệu sát bề mặt vật, ẩm lỏng ở bên trong vật sẽ truyền ra ngoài bề mặt vật để hóa hơi. Do nhiệt độ không khí nóng không đổi, nhiệt độ vật cũng không đổi nên chênh lệch nhiệt độ giữa vật và môi trường cũng không đổi. Điều này làm cho tốc độ giảm của độ chứa ẩm vật theo thời gian cũng không đổi, có nghĩa là tốc độ sấy không đổi. Do đó đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy trong giai đoạn này là một đường thẳng. Ẩm tách ra trong giai đoạn này chủ yếu là ẩm liên kết cơ lý và liên kết hóa lý.
Giai đoạn sấy giảm tốc:
Kết thúc giai đoạn sấy tốc độ không đổi ẩm tự do đã bay hơi hết, còn lại trong vật là ẩm liên kết. Năng lượng để bay hơi ẩm liên kết lớn hơn ẩm tự do và càng tăng lên khi độ ẩm của vật càng nhỏ. Vì vậy tách ẩm cũng khó khăn hơn và cần năng lượng lớn hơn nên đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy có dạng cong. Quá trình sấy càng tiếp diễn, độ ẩm của vật càng giảm, tốc độ sấy cũng giảm cho đến khi độẩm của vật bằng độ ẩm cân bằng với điều kiện môi trường không khí ẩm trong buồng sấy thì quá trình thoát ẩm của vật ngưng lại, có nghĩa là tốc độ sấy bằng không.
1.3.3 Các loại nguyên liệu ẩm và các dạng liên kết của nước trong nguyên liệu ẩm liệu ẩm
1.3.3.1 Các loại nguyên liệu ẩm
Nguyên liệu ẩm được chia thành 3 nhóm:
+ Loại thể keo: Là loại có tính đàn hồi, khi làm mất nước thì co rút lại kích thước của nó thay đổi rất lớn nhưng vẫn giữđược tính đàn hồi. Ví dụ: gelatin.
+ Loại thể keo xốp: Là loại nguyên liệu giòn, khi khử nước không thay đổi thể tích nhưng trở nên giòn và xốp, dễ nghiền nát, tán thành bột như than, gỗ, phấn, đường, muối…
+ Thể loại keo xốp: Là loại nguyên liệu mang tính chất của hai loại thể trên vừa keo và vừa xốp, vách ống tiêm mao mang tính đàn hồi khi bị khử nước thì thể tích co rút lại loại nguyên liệu này phổ biến như: cá, thịt, bột…
1.3.3.2 Các dạng liên kết của nước trong nguyên liệu ẩm
Nước tự do: Có đầy đủ tính chất của nước bình thường, tức là đóng băng ở nhiệt độ 0°C, sôi ở 100°C áp suất 1 atm. Nhưng tùy vị trí ở trong thực phẩm mà nước tự do chia làm 2 loại:
+ Nước tự do cấu trúc: Nằm trong mao quản, trong khe hở giữa các tế bào, có thể di chuyển trong thực phẩm qua hệ thống lỗ nhỏ, các ống thông, loại này có thể ép ra được bằng lực ép cơ học.
+ Nước tự do cố định: Bị nhốt trong các không gian tạo ra bởi mạng lưới các mô liên kết, nước này không di chuyển được và không thể ép ra ngoài bằng lực cơ học thông thường. Nó có nhiệt độ đóng băng thấp hơn nước tự do cấu trúc, và khó tách ra hơn nước tự do cấu trúc trong quá trình sấy.
Nước liên kết: Tùy mức độ liên kết mà nó được chia thành các loại nước liên kết khác nhau.
+ Nước liên kết hóa học: Độ bề liên kết rất lớn. Loại này không lấy ra được khỏi thực phẩm bằng phương pháp thông thường như ép, sấy và không thể đóng băng. Nước liên kết hóa học nằm trong cấu trúc bậc 3 của protein và trong lớp nước đơn phân tử trong các hạt sol và gel.
+ Nước liên kết hóa lí: Có độ bền liên kết trung bình, có thể tách ra khỏi thực phẩm nhưng phải có một năng lượng rất lớn mới tách ra được (sấy ở nhiệt độ cao, thời gian dài), nước liên kết hóa lí không ép ra khỏi nguyên liệu được.
+ Nước liên kết mao quản (nước liên kết cơ giới): Độ bền liên kết yếu, khó phân biệt được với nước tự do, có thể di chuyển dịch qua dịch lại giữa ranh giới nước tự do và nước liên kết. Loại này nằm trong mao quản và mạng lưới của mô liên kết nhưng nằm gần ở thành mạch và có tương tác với thành mạch.
Quá trình thoát ẩm ra khỏi vật liệu trong quá trình sấy được chia làm hai quá trình:
Quá trình khuếch tán nội:
Là quá trình dịch chuyển ẩm từ các lớp bên trong ra các lớp bề mặt của vật ẩm. Động lực của quá trình này là do sự chênh lệch nồng độ ẩm giữa các lớp bên trong và các lớp bề mặt. Nếu sự chênh lệch càng lớn tức là gradien độẩm càng lớn thì tốc độ khuếch tán nội càng nhanh. Ngoài ra, quá trình khuếch tán nội còn diễn ra do sự chênh lệch nhiệt độ giữa các lớp bên trong và các lớp bề mặt. Qua nghiên cứu người ta thấy rằng ẩm dịch chuyển từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp. Vì vậy tùy thuộc vào phương pháp sấy và thiết bị sấy mà dòng ẩm dịch chuyển dưới tác dụng của nồng độẩm và dòng ẩm dịch chuyển dưới tác dụng của nhiệt độ có thể cùng chiều hoặc ngược chiều nhau.
Nếu hai dòng ẩm dịch chuyển cùng chiều với nhau sẽ làm thúc đẩy quá trình thoát ẩm, rút ngắn thời gian sấy. Nếu hai dòng dịch chuyển ẩm ngược chiều nhau sẽ kiềm hãm quá trình thoát ẩm và kéo dài thời gian sấy.
Quá trình khuếch tán ngoại:
Là quá trình dịch chuyển ẩm từ lớp bề mặt của vật liệu sấy vào môi trường không khí xung quanh. Động lực của quá trình này là sự chênh lệch áp suất hơi trên bề mặt của vật ẩm và áp suất riêng phần của hơi nước trong môi trường không khí [7].
Mối quan hệ giữa khuếch tán nội và khuếch tán ngoại:
Khuếch tán nội và khuếch tán ngoại có quan hệ chặt chẽ với nhau, quá trình khuếch tán nội là động lực cho khuếch tán ngoại và ngược lại quá trình khuếch tán ngoại là động lực cho quá trình khuếch tán nội. Tức là, khi khuếch tán ngoại được tiến hành thì khuếch tán nội mới có thể tiếp tục và như thế độ ẩm của nguyên liệu mới được giảm dần.
Nếu khuếch tán nội lớn hơn khuếch tán ngoại thì quá trình bốc hơi sẽ nhanh hơn, nhưng điều này rất khó xảy ra. Khuếch tán nội của nước trong nguyên liệu thường nhỏ hơn khuếch tán ngoại. Khi khuếch tán nội nhỏ hơn khuếch tán ngoại thì quá trình bay hơi sẽ bị gián đoạn
Trong quá trình làm khô, ở giai đoạn hàm ẩm trong nguyên liệu nhiều thì sự chênh lệch về độẩm càng lớn. Vì vậy, khuếch tán nội thường phù hợp với khuếch tán ngoại, do đó tốc độ làm khô sẽ nhanh. Nhưng ở giai đoạn cuối thì lượng nước trong còn lại trong nguyên liệu ít, tốc độ bay hơi ở mặt ngoài nhanh mà tốc độ khuếch tán nội chậm, vì vậy tốc độ khô ở mặt ngoài nhanh tạo thành một màng cứng làm ảnh hưởng rất lớn cho quá trình khuếch tán nội. Do đó ảnh hưởng đến quá trình làm khô nguyên liệu.
Tuy nhiên trong quá trình sấy ta phải làm sao cho hai quá trình này cân bằng nhau, tránh trường hợp khuếch tán ngoại lớn hơn khuếch tán nội, vì khi đó sẽ làm cho sự bay hơi ở lớp bề mặt diễn ra mãnh liệt làm cho bề mặt sản phẩm trở nên khô cứng, hạn chế sự thoát ẩm. Khi xảy ra hiện tượng đó ta khắc phục bằng cách sấy gián đoạn (quá trình ủẩm ) mục đích là để thúc đẩy khuếch tán nội[2][7].
1.3.5 Yêu cầu của sản phẩm sấy [8]
Sản phẩm đạt độ ẩm yêu cầu là Wyc ≥ Wth, độẩm cuối của sản phẩm sấy phải đạt Wc=17÷18%, phải đồng đều vềđộ ẩm và trạng thái, ít biến đổi so với tính chất ban đầu (cấu trúc, cảm quan, hàm lượng chất dinh dưỡng) hoặc khả năng hồi phục tính chất ban đầu).
1.3.6 Một số nhân tốảnh hưởng đến tốc độ sấy
Chất lượng sản phẩm là tập hợp những tính chất của sản phẩm, thể hiện mức độ thỏa mãn đến nhu cầu định trước trong điều kiện xác định về kinh tế, kỹ thuật và xã hội. Một số yếu tốảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm là:
Ảnh hưởng của nguyên liệu:
Chất lượng sản phẩm trước hết là phụ thuộc vào chất lượng của nguyên liệu. Khi nguyên liệu đã biến đổi hoặc hư hỏng thì không còn cách nào phục hồi tốt lại được và như vậy đồng nghĩa với giá trị dinh dưỡng của nguyên liệu bị giảm nên sản phẩm trong quá trình sấy và sau quá trình sấy có chất lượng kém. Do đó việc chọn nguyên liệu trước khi chế biến rất quan trọng.
Kích thước của nguyên liệu cũng có ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và tốc độ sấy. Ví dụ: nếu nguyên liệu có diện tích bề mặt lớn, bề dày nhỏ thì thời gian
sấy nhanh. Ngược lại, nguyên liệu có diện tích nhỏ bề dày lớn thì thời gian sấy lâu và làm nguyên liệu biến đổi trong quá trình sấy, sản phẩm kém chất lượng, dễ hư hỏng.
Ảnh hưởng của nhiệt độ:
Trong các điều kiện khác nhau không đổi như độ ẩm không khí, tốc độ gió, …. Việc tăng cao nhiệt độ sẽ tăng nhanh quá trình làm khô. Lượng nước trong nguyên liệu sẽ giảm xuống, ở đây nhiệt độ sấy cao tốc độ sấy khô sẽ nhanh hơn, nhưng tăng nhiệt độ cũng trong giới hạn cho phép, nhiệt đô làm khô cao sẽ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, làm cháy sẫm màu và tạo màng cứng ở ngoài cản trở sự di chuyển nước từ trong ra. Nếu nhiệt độ làm khô quá thấp, dưới giới hạn cho phép thì quá trình làm khô sẽ giảm dẫn đến sản phẩm bị thâm. Nhiệt độ thích hợp được xác định phụ thuộc vào nguyên liệu béo hay gầy, kết cấu tổ chức tế bào và các yếu tố khác. Đối với nguyên liệu gầy thường làm khô ở nhiệt độ cao hơn nguyên liệu béo.
Ảnh hưởng của tốc độ chuyển động của không khí:
Tốc độ chuyển động của không khí có ảnh hưởng lớn đến quá trình sấy. Tốc độ gió quá lớn hoặc quá nhỏ đều không có lợi cho quá trình sấy, vì tốc độ chuyển động của không khí quá lớn khó giữ ổn định nhiệt độ để cân bằng quá trình sấy, còn tốc độ gió quá nhỏ làm cho quá trình khô chậm, dẫn đến ảnh hưởng chất lượng sản phẩm. Hướng gió cũng ảnh hưởng đến quá trình làm khô, khi hướng gió song song với bề mặt nguyên liệu thì tốc độ làm khô nhanh nhất. Nếu hướng gió thổi tới nguyên liệu một góc 45° thì tốc độ làm khô tương đối chậm, còn gió thổi tới thẳng góc với bề mặt nguyên liệu thì tác dụng làm khô kém.
Ảnh hưởng của độẩm tương đối không khí:
Độ ẩm tương đối của không khí cũng là nhân tố ảnh hưởng quyết định đến quá trình sấy. Độẩm không khí càng lớn thì quá trình làm khô càng chậm. Các nhà bác học Liên Xô cũ và các nước khác cho biết rằng độ ẩm tương đối của không khí