Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ CHẦN (HẤP) CÁ CƠM THEO NGUYÊN LÝ CHẦN (HẤP) LIÊN TỤC STUDY ON DETERMINATION OF PARBOILING CONDITION FOR ANCHOVY BY CONTINUOUS PARBOILING METHOD PGS.TS Lê Anh Đức Trường Đại học Nông Lâm TP.HCM leanhduc@hcmuaf.edu.vn TÓM TẮT Quy trình sản xuất cá cơm khô thực qua công đoạn chần (hấp) sau phơi sấy khô Việc chần cá thực thủ công, theo mẻ công việc nặng nhọc, làm việc môi trường nóng nguy hiểm, nhiệt độ chần thời gian chần thực theo chủ quan người thao tác nên chất lượng cá cơm sau chần không cao Trên sở mô hình thiết bị chần cá cơm suất 20 kg/h hoạt động theo nguyên lý chần liên tục thiết kế chế tạo, nghiên cứu quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố theo phương pháp toán “hộp đen” Kết nghiên cứu xác định phương trình mô tả ảnh hưởng nhiệt độ dung dịch nước chần (T, oC) thời gian chần (tg, s) đến tiêu kinh tế kỹ thuật trình chần tỷ lệ đạm cá cơm sau chần so với cá cơm tươi (D, %) chi phí điện riêng cho trình chần cá cơm (Ar, kWh/kg): D = –493,432 + 14,1634.T + 0,5067.tg – 2,8571.10–3.T.tg – 0,0860.T2 – 1,7445.10–3.tg2 Ar = –0,6924 + 0,0128.T + 3,1620.10–3.tg – 1,1607.10–5.T.tg – 5,9184.10–5.T2 – 6,6562.10–6.tg2 Các thông số hoạt động tối ưu tiêu tối ưu trình chần xác định: Dmax = 98,39% Armin = 0,11 kWh/kg-cá với thời gian chần 90 giây nhiệt độ dung dịch nước chần 85oC Cá cơm sau chần đạt vệ sinh an toàn thực phẩm theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6848:2001 Từ khóa: cá cơm, nhiệt độ chần, thời gian chần, hàm lượng đạm, chi phí điện riêng ABSTRACT The production process of dried anchovy is done through stages of parboiling and then drying The parboiling stage is manually operated without a machine, this is a hard work Parboiling temperature and parboiling time are performed according to the operator's experience, so quality of parboiled anchovy is low Based on anchovy parboiling machine with capacity of 20 kg/h which is manufactured, the study used multi-factorial experiment planning method with “black box” model The study results determined regression equations describe the effect of parboiling temperature (T, oC) and parboiling time (tg, s) on technical and economic norms of parboiling stage, including protein content (D, %) and specific energy consumption for parboiling stage (Ar, kWh/kg): D = –493.432 + 14.1634T + 0.5067tg – 2.857110–3Ttg – 0,0860T2 – 1.744510–3tg2 Ar = –0.6924 + 0.0128T + 3.162010–3tg – 1.160710–5Ttg – 5.918410–5T2 – 6.656210–6tg2 Result of solving optimal problem gave optimal drying of anchovy parboiling such as: optimal norms for steam process: Dmax = 98.39% Armin = 0.11 kWh/kg-anchovy at parboiling time of 90 seconds and parboiling temperature of 85oC Biochemical indicators of anchovy after parboiling met TCVN 6848:2001 Vietnamese standard Keywords: anchovy, parboiling temperature, parboiling time, protein content, specific energy consumption 852 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV ĐẶT VẤN ĐỀ Cá cơm loại hải sản đặc trưng loại cá khai thác quanh năm vùng biển tỉnh miền Trung số tỉnh khác Sau thu hoạch, phần nhỏ cá cơm tiêu dùng dạng tươi, lại để làm mắm sơ chế thành cá cơm khô, cá cơm sơ chế thành cá khô chiếm chủ yếu Quy trình sản xuất sơ chế cá cơm khô sau đánh bắt, cá đưa vào chần (hấp) sau phơi sấy khô Thực tế việc chần cá cơm thực thủ công, theo mẻ phải có hai người thao tác Nồi chứa dung dịch nước chần đặt âm đất sử dụng nhiên liệu đốt củi than, người vận hành phải làm việc môi trường nguy hiểm nóng nóng lò đốt nồi dung dịch chần bốc Hai yếu tố có tính chất định đến chất lượng cá cơm sau chần nhiệt độ dung dịch nước chần thời gian chần xác định kinh nghiệm người thao tác [4], thực tế nhiệt độ dung dịch chần thay đổi liên tục (phụ thuộc vào độ cháy nhiên liệu, lượng nhiên liệu lần cấp vào, thời điểm cấp nhiên liệu, giảm nhiệt độ dung dịch chần sau mẻ chần) kiểm soát nên thời gian chần mẻ thay đổi theo thời gian hoàn toàn tùy vào kinh nghiệm người chần, cá cơm tươi vốn nhiều đạm sau chần bị suy giảm chất lượng dinh dưỡng mà kiểm soát Do nhu cầu tiêu thụ cá cơm khô nước phục vụ xuất ngày tăng yêu cầu người tiêu dùng ngày khắt khe nên việc nghiên cứu chế độ chần cá cơm tối ưu nhằm đảo bảo chất lượng cá sau chần cao với chi phí chần thấp cần nghiên cứu VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Mô hình thiết bị sử dụng nghiên cứu chế độ chần cá cơm tính toán thiết kế, chế tạo thử nghiệm sơ với suất 20 kg/h, mô hình hoạt động theo nguyên lý chần liên tục Các thông số vận hành thiết bị chần nhiệt độ dung dịch nước chần thời gian chần cài đặt, hiển thị giám sát tự động [2] Hình Thiết bị hấp cá cơm theo nguyên lý hấp liên tục sử dụng thực nghiệm Cá cơm dùng thí nghiệm cá cơm tươi, chiều dài trung bình thân cá 60 - 65 mm Dung dịch chần dung dịch nước muối có tỷ lệ muối 3% Phương pháp đo đạc thực nghiệm: thông số đo trực tiếp nhiệt độ, thời gian, lượng điện tiêu thụ… đo đạc dụng cụ đo chuyên dùng, thông số lại xác định thông qua công thức quy đổi 853 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Chất lượng cá cơm sau chần kiểm định hàm lượng đạm tổng theo TCVN 8134:2009 [5], kiểm tra E.coli theo TCVN 6848:2001 [6], độ chín nguyên vẹn cá sau chần đánh giá cảm quan [7] Phương pháp quy hoạch thực nghiệm: thực theo mô hình toán “hộp đen” Bố trí thí nghiệm theo kiểu ngẫu nhiên hoàn toàn Các số liệu thí nghiệm xử lý theo phương pháp phân tích phương sai dạng hồi quy phi tuyến Phương trình mô tả quan hệ yếu tố toán “hộp đen” có dạng [1]: k k i 1 i 1 y  bo   bi x i   biix i2  k  bijx i x j i 1, j i Trong đó: bo, bi, bii, bij hệ số hồi quy xác định thực nghiệm Phương pháp tối ưu hóa [3]: toán tối ưu hóa đa mục tiêu xây dựng theo phương pháp thừa số Lagrange: chọn hàm cần tối ưu làm hàm cần tìm cực trị: f(x1,…, xk), hàm lại hàm ràng buộc: gi(x1,…, xk) = 0, (i = 1: n) Lập hàm Lagrange: n F( x,  )  f ( x )    i g i ( x ) i 1 Trong λ = (λ1,… λm) thừa số Lagrange Sau tìm cực trị không điều kiện hàm F(x, λ) Phương pháp Lagrange quy việc giải hệ phương trình F x  F   Sử dụng phần mềm Statgraphic Ver.7.0 để thiết kế thí nghiệm xử lý số liệu thí nghiệm, phần mềm Microsoft Excel để lập giải toán tối ưu hóa KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 Kết xây dựng kế hoạch thực nghiệm theo mô hình toán “hộp đen” Các thông số đầu toán “hộp đen” đặc trưng cho mục đích nghiên cứu: Hàm lượng đạm cá cơm cao so với loại cá khác Trong trình chần nay, chế độ chần chủ yếu theo kinh nghiệm chưa hợp lý nên lượng đạm cá cơm sau chần bị giảm sút nghiêm trọng Vì lượng đạm cá cơm sau chần tiêu sử dụng để đánh giá chất lượng cá cơm sau chần Yếu tố thứ hai có liên quan đến tiêu kinh tế lượng tiêu thụ cho trình chần cá Năng lượng quy đổi tính kg cá gọi chi phí điện riêng cho trình chần Như vậy, thông số đầu toán “hộp đen” bao gồm: D: tỷ lệ đạm cá cơm sau chần so với cá cơm tươi, % Ar: chi phí điện riêng cho trình chần cá cơm, kWh/kg-cá Các thông số đầu vào toán “hộp đen”: vào thực tế chần cá nay, vào lý thuyết mô hình hóa mục đích nghiên cứu, thông số đầu vào vùng nghiên cứu thực nghiệm thông số đầu vào toán “hộp đen” sau: Nhiệt độ nước dung dịch chần phạm vi 75 - 95oC, khoảng biến thiên T = 7oC Thời gian chần dao động phạm vi - phút, khoảng biến thiên tg = 40 giây Bài toán “hộp đen” mô tả trình nghiên cứu trình bày hình Xác định trọng tâm kế hoạch thực nghiệm bước biến thiên yếu tố: Phương án thực nghiệm bậc hai dạng bất biến quay chọn Cánh tay đòn  xác định theo công thức: 854 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV  k 24 = 1,414 Trong k số yếu tố nghiên cứu (k = 2) ξ T Quá trình chần cá cơm tg D Ar Hình Mô hình toán “hộp đen” mô tả trình nghiên cứu Nhiệt độ nước chần cá: T (oC) - Mức sở: To = 85oC - Mức trên: T  = To +  = 92oC - Mức dưới: T  = To –  = 78oC - Điểm trên: T = To + .T = 95oC - Điểm dưới: T = To – .T = 75oC Thời gian chần cá: tg (giây) - Mức sở: tg o = 120 s - Mức trên: tg  = tg o +  = 160 s - Mức dưới: tg  = tg o –  = 80 s - Điểm trên: tg  = tg o + .tg = 177 s - Điểm dưới: tg  = tg o – .tg = 63 s Mức khoảng biến thiên trình bày bảng Bảng Mức khoảng biến thiên yếu tố đầu vào toán “hộp đen” Mức thực nghiệm Nhiệt độ nước chần (T, oC) Thời gian chần (tg, s) Điểm 95 177 Mức 92 160 Mức sở 85 120 Mức 78 80 Điểm 75 63 40 Khoảng biến thiên Với hai yếu tố đầu vào trên, tổng số thí nghiệm N = 2k + 2.k + no = 13 thí nghiệm Trình tự thực nghiệm theo phương pháp ngẫu nhiên hoàn toàn 855 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 3.2 Kết thực nghiệm xử lý số liệu thực nghiệm Tiến hành thực nghiệm theo ma trận thí nghiệm lập Các số liệu thu sau phân tích tính toán đưa vào ma trận thí nghiệm để làm liệu nhằm tính hệ số mô hình Các mẫu cá cơm sau chần để nguội đến nhiệt độ phòng, sau cấp đông, hút chân không gửi xét mẫu nhằm kiểm tra hàm lượng đạm tiêu vi sinh Các số liệu thực nghiệm tiến hành phân tích phương sai dạng đa thức bậc hai Trong trình phân tích phương sai, hệ số hồi quy không đảm bảo độ tin cậy bị loại bỏ khỏi mô hình Độ tin cậy hệ số hồi quy kiểm tra theo tiêu chuẩn Student, tính phù hợp mô hình kiểm tra theo tiêu chuẩn Fisher Hình Quá trình khảo nghiệm chần cá cơm mẫu cá cơm sau chần Kết quy hoạch thực nghiệm xử lý số liệu xác định hai phương trình hồi quy biểu diễn ảnh hưởng nhiệt độ dung dịch nước chần thời gian chần đến tỷ lệ đạm cá cơm sau chần so với cá cơm tươi chi phí điện riêng cho trình chần Đồ thị biểu diễn mối quan hệ thông số biểu diễn hình hình Phương trình hồi quy mô tả tỷ lệ đạm cá cơm sau chần so với cá cơm tươi (%): D = –493,432 + 14,1634.T + 0,5067.tg – 2,8571.10–3.T.tg – 0,0860.T2 – 1,7445.10–3.tg2 (R2 = 0,985) 102 D(%) 92 82 72 62 75 79 83 87 91 95 T(oC) 180 160 140 120 100 80 60 tg(s) Hình Đồ thị biểu diễn mối quan hệ D - T - tg 856 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Pareto Chart for D B:tg -33.58 A:T -30.65 AA -21.32 BB -14.12 AB -3.07 10 20 30 40 standardized effects Hình Đồ thị biểu diễn mức độ ảnh hưởng yếu tố đến hàm D Kết biểu diễn mối quan hệ D - T - tg đồ thị hình cho thấy tỷ lệ hàm lượng đạm cá cơm sau chần cao nhiệt độ chần thấp thời gian chần ngắn Tuy nhiên kết thực nghiệm cho thấy nhiệt độ chần thấp thời gian chần ngắn cá cơm không đạt độ chín theo yêu cầu Nếu tăng thời gian chần nhằm làm giảm nhiệt độ chần, giúp giữ dinh dưỡng cá đặc thù thiết bị hoạt động theo nguyên lý liên tục nên làm giảm suất chần thiết bị, việc giảm suất dẫn đến tăng chi phí điện riêng cho trình chần Kết phân tích mức độ ảnh hưởng yếu tố đến hàm D đồ thị hình cho thấy thời gian chần yếu tố có ảnh hưởng nhiều đến hàm lượng đạm cá cơm sau chần yếu tố có quan hệ tỷ lệ nghịch với hàm lượng đạm cá sau chần Điều giải thích thời gian chần kéo dài làm tăng thời gian tiếp xúc nhiệt (xử lý nhiệt) cá cơm với dung dịch nước chần, dẫn đến phân hủy chất dinh dưỡng có cá cơm Yếu tố nhiệt độ chần có quan hệ tỷ lệ nghịch với hàm lượng đạm cá sau chần Phương trình hồi quy mô tả chi phí điện riêng cho trình chần: Ar = –0,6924 + 0,0128.T + 3,1620.10–3.tg – 1,1607.10–5.T.tg – 5,9184.10–5.T2 – 6,6562.10–6.tg2 (R2 = 0,988) (X 1E-3) 154 Ar(kWh/kg) 134 114 94 74 54 75 79 83 87 91 95 T(oC) 180 160 140 120 100 80 60 tg(s) Hình Đồ thị biểu diễn mối quan hệ Ar - T - tg Kết biểu diễn mối quan hệ Ar - T - tg đồ thị hình cho thấy chi phí điện riêng cho trình chần thấp nhiệt độ chần thấp thời gian chần ngắn Tuy nhiên trình bày phần trên, kết thực nghiệm cho thấy nhiệt độ chần thấp thời gian chần không đủ cá cơm không đạt độ chín theo yêu cầu 857 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Pareto Chart for Ar B:tg 50.14 BB -21.54 A:T 20.55 AA -5.87 AB -4.99 10 20 30 40 50 60 standardized effects Hình Đồ thị biểu diễn mức độ ảnh hưởng yếu tố đến hàm Ar Kết phân tích mức độ ảnh hưởng yếu tố đến hàm Ar đồ thị hình cho thấy thời gian chần yếu tố có ảnh hưởng lớn đến chi phí điện riêng cho trình chần yếu tố có quan hệ tỷ lệ thuận với chi phí điện riêng Hiện tượng giải thích phân tích mối quan hệ D - T - tg đồ thị hình trình bày Như vậy, mối quan hệ nhiệt độ chần thời gian chần cá cơm cần xác định mức để tỷ lệ đạm cá cơm sau chần cao chi phí điện riêng cho trình chần thấp Vấn đề giải qua kết nghiên cứu toán tối ưu đa mục tiêu 3.3 Kết xây dựng giải toán tối ưu đa mục tiêu Chỉ tiêu tối ưu hàm lượng đạm hàm lượng đạm cá cơm sau chần đạt giá trị lớn nhất, tương đương tỷ lệ đạm cá cơm sau chần so với cá cơm tươi đạt giá trị lớn (Dmax) Chỉ tiêu tối ưu chi phí điện riêng chi phí điện riêng cho trình chần cá cơm đạt giá trị thấp (Armin) Như vậy, chế độ chần tối ưu cho trình chần cá cơm theo nguyên lý chần liên tục phải đảm bảo cho hàm lượng đạm cá cơm sau chần cao với chi phí điện riêng cho trình chần thấp Thông số tối ưu giá trị thông số đảm bảo trị số tiêu tối ưu Xuất phát từ mục đích nghiên cứu, toán tối ưu đa mục tiêu lập sở hai hàm D Ar đặc trưng cho tiêu nghiên cứu:  Hàm mục tiêu: D  max Ar   Hàm điều kiện: 1,414 ≥ Ti, tgi ≥ – 1,414 (i = ÷ n) Kết giải toán tối ưu đa mục tiêu theo phương pháp thừa số Lagrange xác định thông số tối ưu tiêu tối ưu sau: + Chế độ chần tối ưu: - Nhiệt độ dung dịch nước chần 85oC - Thời gian chần cá 90 giây + Chỉ tiêu tối ưu: - Tỷ lệ đạm cá cơm sau chần so với cá cơm tươi đạt 98,39% - Chi phí điện riêng cho trình chần 0,11 kWh/kg-cá cơm 858 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Kết khảo nghiệm chế độ chần tối ưu cho thấy chất lượng cá cơm sau chần đạt yêu cầu, đánh giá cảm quan cá cơm có chất lượng cao, không bị tróc da nát mang, cá có màu sáng ánh bạc, độ chín đồng Hàm lượng đạm cơm sau chần gần không thay đổi so với cá cơm tươi nhiệt độ chần không cao thời gian chần tương đối nhanh, nhiên chế độ chần cá cơm đạt yêu cầu độ chin Các mẫu cá cơm sau chần gửi xét nghiệm tiêu vi sinh, kết cho thấy cá cơm sau chần đạt tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6848:2001 KẾT LUẬN Trên sở kết hợp lý thuyết thực nghiệm, nghiên cứu sử dụng mô hình thiết bị chần cá cơm suất 20 kg/h hoạt động theo nguyên lý liên tục để nghiên cứu quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố theo phương pháp toán “hộp đen” nhằm xác định mối quan hệ thông số làm việc thiết bị chần tiêu kinh tế kỹ thuật (chất lượng cá chi phí điện riêng) trình chần , từ xác định chế độ chần cá cơm tối ưu Kết nghiên cứu xác định hai phương trình, phương trình thứ mô tả ảnh hưởng nhiệt độ dung dịch nước chần (oC) thời gian chần (s) đến tỷ lệ đạm cá cơm sau chần so với cá cơm tươi (%) phương trình thứ hai mô tả chi phí điện riêng cho trình chần cá cơm (kWh/kg) Hệ số tương quan hai mô hình cao, cho thấy phù hợp hai mô hình so với thực nghiệm Các thông số hoạt động tối ưu tiêu tối ưu trình chần cá cơm theo nguyên lý chần liên tục xác định, cụ thể nhiệt độ dung dịch nước chần 85oC thời gian chần 90 giây, cá cơm sau chần đạt tỷ lệ đạm so với cá cơm tươi 98,39% chi phí điện riêng cho trình chần 0,11 kWh/kg-cá Cá cơm sau chần đạt yêu cầu đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6848:2001 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Minh Trí Xác suất thống kê quy hoạch thực nghiệm Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2005 [2] Lê Anh Đức, Nguyễn Thanh Phong Thiết kế chế tạo thử nghiệm thiết bị chần (hấp) cá cơm hoạt động theo nguyên lý liên tục Tạp chí Công nghiệp nông thôn, số 19/2015 [3] Nguyễn Cảnh Quy hoạch thực nghiệm, Trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh, 1993 [4] Nguyễn Hay Nghiên cứu thay đổi nhiên liệu cho lò hấp cá cơm tỉnh Ninh Thuận Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Tỉnh (Ninh Thuận), 2003 [5] Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 8134:2009 Thịt sản phẩm thịt - Xác định hàm lượng Nitơ (phương pháp chuẩn) Tổng cục Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng, Bộ Khoa học Công nghệ [6] Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6848:2001 Vi sinh vật học - Hướng dẫn chung định lượng Coliform - Kỹ thuật đếm khuẩn lạc Bộ Khoa học Công nghệ Môi trường [7] Vũ Kế Hoạch, Lê Anh Đức Nghiên cứu thiết kế chế tạo xác định chế độ công nghệ tối ưu thiết bị hấp hải sản làm việc liên tục, suất 50 kg/h Tạp chí Nông nghiệp Phát triển nông thôn, số 7/2013, trang 42 - 45 859 ... hoạt động tối ưu tiêu tối ưu trình chần cá cơm theo nguyên lý chần liên tục xác định, cụ thể nhiệt độ dung dịch nước chần 85oC thời gian chần 90 giây, cá cơm sau chần đạt tỷ lệ đạm so với cá cơm. .. từ xác định chế độ chần cá cơm tối ưu Kết nghiên cứu xác định hai phương trình, phương trình thứ mô tả ảnh hưởng nhiệt độ dung dịch nước chần (oC) thời gian chần (s) đến tỷ lệ đạm cá cơm sau chần. .. cá cơm tươi nhiệt độ chần không cao thời gian chần tương đối nhanh, nhiên chế độ chần cá cơm đạt yêu cầu độ chin Các mẫu cá cơm sau chần gửi xét nghiệm tiêu vi sinh, kết cho thấy cá cơm sau chần