B GIÁO D C VÀ ÀO T O TR NG I H C C N TH GIÁO TRÌNH CH BI N VÀ T N TR L NH TH C PH M Mã s : CB 345 Biên so n: T.s NGUY N V N M N M 2006 I Giaùo trình Chế biến tồn trữ lạnh Mục lục MỤC LỤC Trang Chương I Tổng quan……………………………………………………………………………………………………………………………1 KHÁI QUÁT CHUNG CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO QUẢN THỰC PHẨM 2.1 Phương pháp sống (biosis) 2.2 Phương pháp nửa sống (Anabiosis) 2.3 Phương pháp tiêu diệt sống (Abiosis) NHỮNG THÀNH TỰU ĐẦU TIÊN TRONG TRONG LĨNH VỰC NHIỆT ĐỘ THẤP CÁC QUÁ TRÌNH CỦA MỘT DÂY CHUYỀN LẠNH GIAÙ TRỊ DINH DƯỢNG CỦA SẢN PHẨM THỰC PHẨM LẠNH .7 GIÁ TRỊ KINH TẾ XÃ HỘI CỦA VIỆC LẠNH ĐÔNG SẢN PHẨM THỰC PHẨM Chương II Làm lạnh bảo quản lạnh thực phẩm…………………………………………………………… 11 PHƯƠNG PHÁP LÀM LẠNH THỰC PHẨM 11 1.1 Giới thiệu 13 1.2 Lyù thuyết làm lạnh 13 1.3 Hệ thống làm lạnh 20 1.4 Thời gian làm laïnh 25 TỒN TRỮ LẠNH THỰC PHAÅM 27 2.1 Kiểm soát điều kiện tồn trữ .28 2.2 Kiểm tra nhiệt độ 28 2.3 Tác động thực phẩm 29 2.4 Hoạt động thực phẩm tồn trữ nhiệt độ thấp 31 2.5 Các nguyên nhân tổn thất chất lượng 33 KYÕ THUẬT ĐIỀU KHIỂN KHÍ QUYỂN TỒN TRỮ TRONG QUÁ TRÌNH BAÛO QUAÛN (Modified atmosphere technique) 35 3.1 Baûo quản khí cải biến (MAS) khí kiểm soát (CAS) 36 3.2 Bao bì khí cải biến (MAP) 39 3.3 Phương pháp điều khiển khí thực phẩm đóng gói .45 3.4 Khí sử dụng phương pháp MAP 47 3.5 Vấn đề vi sinh vật học phương phaùp MAP 50 3.6 Hệ thống bao bì hoạt động .52 Chương III Sự chuyển pha thực phẩm lạnh đông………………………………………………….60 KHAÙI QUAÙT CHUNG 60 GIỚI THIỆU VỀ SỰ CHUYỂN PHA TRONG THỰC PHẨM 61 i Giáo trình Chế biến tồn trữ lạnh Mục lục 2.1 Giới thiệu 61 2.2 Phân loại trình chuyển pha .63 SỰ CHUYỂN PHA CỦA NƯỚC TRONG THỰC PHẨM .70 3.1 Gi n ñoà pha c a n c .70 3.2 S đông lạnh tan ch y 71 3.3 S tan ch y c a dung d ch eutectic 73 3.4 Sự diện nước dạng plastic thực phẩm (Sự chuyển pha thành phần thực phẩm dạng vô định hình) 74 Chương IV Lạnh đông trữ đông thực phẩm……………………………………………………………………80 GIỚI THIỆU 81 LÝ THUYẾT LẠNH ĐÔNG THỰC PHAÅM 82 2.1 Sự hình thành tinh thể đá 84 2.2 Sự cô đặc chất tan 86 2.3 Sự thay đổi thể tích .87 TÍNH CHẤT NHIỆT ĐỘNG TRONG LẠNH ĐÔNG THỰC PHẨM 88 3.1 Độ hạ băng điểm (Freezing temperature depression) 88 3.2 Tỉ lệ nước không đóng băng 90 TÍNH CHẤT CỦA THỰC PHẨM ĐÔNG LẠNH 92 4.1 Khối lượng riêng sản phẩm (product density) 93 4.2 Nhiệt dung riêng sản phẩm 94 4.3 Hệ số truyền nhiệt sản phẩm 95 4.4 Enthalpy thực phẩm 97 4.5 Nhieät dung riêng biểu kiến thực phẩm 101 4.6 Hệ số khuếch tán nhiệt biểu kiến .101 TÍNH TOÁN THỜI GIAN LẠNH ÑOÂNG 102 5.1 Sự cần thiết việc tính toán thời gian lạnh đông .103 5.2 Công thức tính thời gian lạnh đông 103 5.3 Phương pháp dự đoán thời gian lạnh đông cách đưa dạng hình học tương tự ellipsoid 112 HỆ THỐNG LẠNH ĐÔNG 114 6.1 Hệ thống tiếp xúc trực tiếp 115 6.2 Hệ thống tiếp xúc gián tiếp 117 SỰ BIẾN ĐỔI VỀ CHẤT LƯNG SẢN PHẨM TRONG QUÁ TRÌNH LẠNH ĐÔNG 120 BẢO QUẢN THỰC PHẨM LẠNH ĐÔNG 122 8.1 Nguyên nhân làm giảm chất lượng sản phẩm thực phẩm 122 8.2 Sự ổn định sản phẩm lạnh đông 127 ii Giaùo trình Chế biến tồn trữ lạnh Mục lục TAN GIÁ THỰC PHẨM 131 9.1 Vai troø quan trọng công đoạn tan giá 131 9.2 Quá trình tan giaù 132 9.3 Yêu cầu kó thuật tan giá 133 9.4 Thiết bị tan giá 133 9.5 nh hưởng trình tan giá đến thay đổi chất lượng thực phẩm .134 Chương V Sấy thăng hoa cô đặc nhiệt độ thấp………………………………………………………… 138 SẤY THĂNG HOA (Freeze-drying) 138 1.1 Các phận máy sấy thăng hoa .140 1.2 Các giai đoạn trình sấy thăng hoa 141 1.3 Truyền nhiệt truyền khối sấy thăng hoa 142 1.4 Thieát bò .146 1.5 Ảnh hưởng thông số 147 1.6 Ảnh hưởng thực phẩm 149 CÔ ĐẶC NHIỆT ĐỘ THAÁP (Freeze-Concentration) 150 2.1 Lý thuyết 150 2.2 Hệ thống cô đặc nhiệt độ thấp 151 2.3 Tác động thông số trình 153 2.4 Ứng dụng công nghiệp thực phẩm 155 iii Giáo trình Chế biến tồn trữ lạnh Chương 1- Tổng quan CHƯƠNG TỔNG QUAN NỘI DUNG KHÁI QUÁT CHUNG CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO QUẢN THỰC PHẨM 2.1 Phương pháp sống (biosis) 2.2 Phương pháp nửa sống (Anabiosis) 2.3 Phương pháp tiêu diệt sống (Abiosis) NHỮNG THÀNH TỰU ĐẦU TIÊN TRONG LĨNH VỰC NHIỆT ĐỘ THẤP CÁC QUÁ TRÌNH CỦA MỘT DÂY CHUYỀN LẠNH GIÁ TRỊ DINH DƯỢNG CỦA SẢN PHẨM THỰC PHẨM LẠNH GIÁ TRỊ KINH TẾ XÃ HỘI CỦA VIỆC LẠNH ĐÔNG SẢN PHẨM THỰC PHẨM KHÁI QUÁT CHUNG Ngày xưa, việc tự đảm bảo nguồn thức ăn gần nhiệm vụ người Nhưng sau họ nhanh chóng hiểu thiên nhiên lúc kho rộng mở để từ nơi dễ dàng lấy thứ cần thiết Từ đó, diễn việc tìm kiếm bảo quản thức ăn Với việc mở rộng lao động người, việc bảo quản sản phẩm thực phẩm trở nên có ý nghóa lớn; đặc biệt vùng có dao động thời tiết theo mùa Con người nhanh chóng bắt đầu việc bảo quản hạt tồn trữ thịt có hiệu mà thường dẫn đến ngộ độc độc tố Ngày nay, người hiểu rằng, thực phẩm không cất giữ kỹ sau thời gian ngắn hư hỏng nguyên nhân sau: - Điều kiện bên trong: hệ enzym - Điều kiện bên ngoài: o Sự xâm nhập vi sinh vật o Các yếu tố vật lý: nhiệt độ, ánh sáng, o Hóa chất o Kim loại Giáo trình Chế biến tồn trữ lạnh Chương 1- Tổng quan CÁC PHƯƠNG PHÁP BẢO QUẢN THỰC PHẨM Theo Nikitinski, có ba phương pháp bảo quản thực phẩm 2.1 Phương pháp sống (biosis) Ở phương pháp lại phân biệt sống hoàn toàn sống không hoàn toàn Phương pháp sống dựa nguyên tắc đảm bảo cho sản phẩm thực phẩm dạng tươi sống Vì dạng sống có tính miễn dịch tự nhiên để chống lại bệnh t t bên vi sinh vật từ bên vào - Sống hoàn toàn Ở phương pháp này, thực phẩm đượïc chuyên chở từ nơi đến nơi khác trạng thái sống hoàn toàn, bảo quản tính tự nhiên - Sống không hoàn toàn Trong phương pháp này, thực phẩm đảm bảo sống, tính miễn dịch tự nhiên nguồn cung cấp sống lại không trường hợp rau cắt lìa cành, 2.2 Phương pháp nửa sống (Anabiosis) Thường sử dụng phương pháp sau để hạn chế sống: • Phương pháp nhiệt độ thấp • Phương pháp sấy khô • Phương pháp thẩm thấu • Phương pháp acid thực phẩm • Phương pháp dùng khí trơ • Phương pháp tạo điều kiện lên men có lợi 2.2.1 Phương pháp nhiệt độ thấp Đây phương pháp có nhiều ưu điểm sử dụng rộng rãi công nghệ thực phẩm nhằm bảo quản đặc điểm tự nhiên ban đầu nguyên liệu Đây phương pháp chủ yếu đề cập chương Giáo trình Chế biến tồn trữ lạnh Chương 1- Tổng quan 2.2.2 Phương pháp sấy khô Trong sản phẩm tươi, hàm lượng nước chiếm khoảng 70-90% điều kiện thuận lợi cho vi sinh vật phát triển Nếu giảm ẩm 12,5 – 14% hoạt động vi sinh vật bị ức chế nhiều độ hoạt động nước (aw) sản phẩm sấy giảm Khi làm khô đến độ ẩm tuyệt đối vi sinh vật hoàn toàn ngưng hoạt động làm tăng chi phí, hương vị sản phẩm quan trọng không cần thiết Mỗi loại sản phẩm cần sấy đến độ ẩm tới hạn Bảng 1.1: Độ ẩm tới hạn số sản phẩm, % Nguyên liệu Độ ẩm Sữa, trứng, đậu (giàu protein) 10 – 12 Quả 18 Rau 14 Nhiệt độ làm khô giới hạn khoảng 60 – 800C, sấy nhiệt độ cao thời gian ngắn 2.2.3 Áp suất thẩm thấu Ở tế bào có hai tượng: trương nguyên sinh tiêu nguyên sinh - Trương nguyên sinh: nguyên sinh chất ép sát thành tế bào xảy nồng độ chất khô môi trường nhỏ nồng độ chất khô bên dịch bào - Tiêu nguyên sinh: Đây trường hợp ngược lại xảy nồng độ chất khô môi trường lớn nồng độ chất khô bên dịch bào Nước từ tế bào qua màng bán thấm ngoài, tạo áp suất thẩm thấu lớn p = CRT = (g/M)RT với: C nồng độ phân tử dung dịch, mol/lít R số khí T nhiệt độ (tuyệt đối) môi trường g khối lượng chất tan M khối lượng phân tử chất tan Giáo trình Chế biến tồn trữ lạnh Chương 1- Tổng quan Như vậy, sử dụng chất tan có khối lượng phân tử lớn áp suất thẩm thấu nhỏ Đây sở để lựa chọn chất tan làm môi trường bảo quản 2.2.4 Acid thực phẩm Trong thực tế thường sử dụng acid citric, acid acetic, acid lactic, acid malic, với lý vi sinh vật phát triển môi trường pH tối ưu Tuỳ theo loại acid mà đặc điểm tác dụng lên vi sinh vật khác - Ở cuøng pH: Acid citric > Acid acetic > Acid lactic - Ở nồng độ : Acid citric < Acid acetic < Acid lactic 2.2.5 Khí trơ Các tế bào sống cần oxy để hô hấp Vì thế, hạn chế oxy ức chế trình sống nhiều Khí CO2 nitơ sử dụng để thay phần hay gần hoàn toàn diện oxy môi trường nhằm ngăn cản trình hô hấp mà hạ thấp tốc độ trình oxy hóa Khí CO2 có tác dụng kiềm hãm khả hoạt động vi sinh vật Với nồng độ thấp CO2 có tác dụng kích thích nấm mốc phát triển tăng nồng độ lên 1% bắt đầu kiềm hãm Aspergillus niger số nấm mốc khác Với nồng độ CO2 từ 10 – 20% kiềm hãm mạnh loại nấm mốc Nhưng dù với nồng độ 100% CO2 không đình hoàn toàn tất hoạt động vi sinh vật Cho nên, thực tế không sử dụng CO2 với nồng độ cao Bằng việc kết hợp với nhiệt độ thấp, việc điều chỉnh kiểm soát thành phần khí môi trường bảo quản theo hướng giảm oxy, tăng khí trơ (CO2 nitơ) mở hướng nghiên cứu năm gần đây: phương pháp MA CA (sẽ đề cập chương 2) 2.2.6 Tạo điều kiện lên men có lợi (Phương pháp kháng sinh-Antibiotis) Dựa nguyên tắc sử dụng vi sinh vật có lợi để ức chế vi sinh vật có hại Hương vị sản phẩm thu khác xa với hương vị nguyên liệu ban đầu 2.3 Phương pháp tiêu diệt sống (Abiosis) Phương pháp nhằm mục đích tiêu diệt enzym vi sinh vật bao gồm hai trình: trùng tiệt trùng Giáo trình Chế biến tồn trữ lạnh Chương 1- Tổng quan Tiệt trùng áp dụng cho sản phẩm thực phẩm mà vi sinh vật dễ phát triển hàm lượng chất béo protein cao, nồng độ acid thấp (cá, thịt, sữa, trứng, đậu, ) Nhiệt độ thường sử dụng 100-1210C Thanh trùng áp dụng nồng độ acid thực phẩm cao nhiệt độ thường sử dụng 80-1000C Ngoài ra, có phương pháp trùng kiểu gián đoạn, áp dụng nhiều phòng thí nghiệm, dung dịch nuôi cấy, sử dụng công nghiệp thời gian dài Tuỳ theo tính chất nguyên liệu, điều kiện chế biến dạng sản phẩm mà người ta định chọn phương pháp để chế biến bảo quản sản phẩm thực phẩm Tuy nhiên, thấy điều phương pháp bảo quản sống, phương pháp lại nhiều làm thay đổi tính chất ban đầu nguyên liệu phương pháp bảo quản sống tỏ bất tiện chi phí cao Vì vậy, để giữ tính chất tươi ban đầu nguyên liệu, việc sử dụng nhiệt độ thấp bảo quản thực phẩm xem phù hợp ngày có nhiều ưu NHỮNG THÀNH TỰU ĐẦU TIÊN TRONG LĨNH VỰC NHIỆT ĐỘ THẤP Cùng với phát triển ngành khoa học công nghiệp giới, ngành công nghiệp lạnh có bước phát triển từ kỷ XVII Thí nghiệm việc thu nhận lạnh nhân tạo thành công vào kỷ XVIII Năm 1755, William Cullen thu nhận đượïc nước đá làm bay nước chân không phòng thí nghiệm Tuy nhiên, sau kiện tiếp tục sử dụng lạnh thiên nhiên thêm 100 năm Có thể nói rằng, việc đo nhiệt độ vật chất gắn liền với việc sử dụng lạnh Năm 1597, Galileo chế tạo thành công nhiệt kế Giữa kỷ XVII, nhiệt kế rượu biết đến Năm 1714, Faraday đề nghị nhiệt kế thủy ngân năm 1742, Celcius tạo thang nhiệt kế Cuối kỷ XVII đến đầu kỷ XVIII giai đoạn phát minh quan trọng với việc xuất loạt định luật vật lý Một số định luật liên quan thể tích áp suất khí Boile tìm vào năm 1662 Năm 1779, Lambert thiết lập độ không tuyệt đối ứng với -2730C Giáo trình Chế biến tồn trữ lạnh Chương 1- Tổng quan Năm 1830, Carnot đưa chu trình nhiệt bao gồm giản nở nén khí Đầu kỷ XIX, sở sử dụng định luật bắt đầu nghiên cứu làm tảng cho kỹ thuật lạnh Năm 1834, Perkins phát minh hệ thống máy lạnh mà công việc tạo sở cho nguyên lý sử dụng ngày Năm 1871, Charles Tellier chế tạo máy lạnh làm việc với Methyl Ether Hai năm sau, Linde chế máy tương tự Kỹ thuật lạnh thực phẩm bắt đầu phát triển rộng rãi từ năm 1873 Tellier đọc báo cáo trước Viện Hàn lâm khoa học Paris “Bảo quản thịt phương pháp lạnh” Công lao ông có giá trị lớn mở đầu cho lý thuyết tồn trữ thực phẩm phương pháp lạnh mà không khí môi trường vận chuyển liên tục từ nơi sinh lạnh đến thực phẩm ngược lại CÁC QUÁ TRÌNH CỦA MỘT DÂY CHUYỀN LẠNH Đối tượng áp dụng công nghệ lạnh nguyên liệu có nguồn gốc động vật, thực vật vừa giết mổ hay thu hoạch Bên cạnh đó, bán thành phẩm qua sơ chế ngày quan tâm nhằm cung cấp thực phẩm lạnh tiện dụng cho người tiêu dùng Nhằm đảm bảo mục tiêu trì chất lượng tươi ban đầu thoả mãn an toàn vệ sinh thực phẩm, nguyên liệu bán thành phẩm phải trải qua số trình dây chuyền chế biến lạnh NGUYÊN LIỆU → LÀM LẠNH → BẢO QUẢN LẠNH → LÀM ẤM → TIÊU THỤ ↓ LẠNH ĐÔNG → TRỮ ĐÔNG → TAN GIÁ → Hình 1.1 Các giai đoạn dây chuyền lạnh Từ sơ đồ cho thấy, việc làm lạnh đông thực trực tiếp từ nguyên liệu Trường hợp gọi lạnh đông pha Bên cạnh đó, việc lạnh đông thực sản phẩm qua làm lạnh, chí bảo quản lạnh gọi lạnh đông pha Tất trình dây chuyền lạnh có ảnh hưởng đến chất lượng sau sản phẩm thực phẩm Vì thế, trình phải nghiên cứu cẩn thận trước tiến hành kiểm soát tiến trình vấn đề có tính định đến thành công việc chế biến tồn trữ thực phẩm nhiệt độ thấp Giáo trình Chế biến tồn trữ lạnh Chương V: Sấy thăng hoa cô đặc nhiệt độ thấp (hình 5.3 c) Microwave sử dụng nguồn nhiệt cho trình sấy chúng có khả thấm sâu vào sản phẩm, đem lại nâng nhiệt đồng hiệu Tốc độ sấy phụ thuộc phần lớn vào độ dẫn nhiệt thực phẩm mức độ phụ thuộc vào tính cản trở dòng (truyền khối) từ mặt thăng hoa (hình 5.3) Hình 5.3: Các dạng sấy thăng hoa Ngu n: Welti Chanes et al., 2004 Tốc độ truyền nhiệt Có ba phương pháp nhiệt truyền đến mặt thăng hoa: - Truyền nhiệt qua lớp sấy [hình 5.3 (a)] Tốc độ truyền nhiệt đến mặt thăng hoa phụ thuộc vào bề dày diện tích thực phẩm, độ dẫn nhiệt lớp sấy chênh lệch nhiệt độ bề mặt sản phẩm mặt nước đá Ở áp suất phòng sấy cố định, nhiệt độ mặt nước đá giữ không đổi Lớp sấy thực phẩm có độ dẫn nhiệt thấp cản trở mạnh dòng nhiệt Lúc trình sấy bắt đầu, lớp trở nên dày cản trở gia tăng Trong tiến trình khác, việc giảm kích thước bề dày thực phẩm tăng độ chêch lệch nhiệt độ làm tăng tốc độ truyền nhiệt Tuy nhiên, sấy thăng hoa, nhiệt độ bề mặt bị giới hạn từ 40 ÷ 650C nhằm tránh biến tính protein thay đổi hóa học khác làm giảm chất lượng thực phẩm - Truyền nhiệt qua lớp lạnh đông [hình 5.3 (b)] Tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào chiều dày độ dẫn nhiệt lớp nước đá Lúc trình sấy bắt đầu, bề dày nước đá giảm xuống tốc độ truyền nhiệt gia tăng Nhiệt độ bề mặt gia nhiệt bị giới hạn để tránh tan chảy nước đá - Gia nhiệt microwave [hình 5.3 (c)] 143 Giáo trình Chế biến tồn trữ lạnh Chương V: Sấy thăng hoa cô đặc nhiệt độ thấp Nhiệt thoát từ mặt nước đá tốc độ truyền nhiệt không ảnh hưởng độ dẫn nhiệt nước đá thực phẩm sấy, hay bề dày lớp sấy Tuy nhiên, gia nhiệt microwave kiểm soát không dễ dàng có rủi ro nhiệt cục có nước đá tan chảy Tốc độ truyền khối Khi nhiệt tiếp cận mặt thăng hoa, nâng nhiệt độ áp suất nước Khi di chuyển qua thực phẩm sấy để đến vùng có áp suất thấp phòng sấy 1g nước đá tạo thành 2m3 67 Pa, thế, sấy thăng hoa thương mại cần loại bỏ vài trăm mét khối giây qua lỗ thực phẩm khô Các nhân tố để kiểm soát gradient áp suất nước là: - Áp suất buồng sấy ; - Nhiệt độ ngưng tụ ; - Nhiệt độ nước đá mặt thăng hoa ; Trong thực tế, áp suất buồng sấy kinh tế thấp xấp xỉ 13 Pa nhiệt độ ngưng tụ thấp khoảng chừng -350C Về mặt lý thuyết, nhiệt độ nước đá nâng lên đến điểm đóng băng Tuy nhiên, nhiệt độ sụp (collapse temperature) tới hạn (bảng 5.2) chất tan thực phẩm lưu động đủ thành dòng chảy lực tác động cấu trúc thực phẩm Bảng 5.2: Nhiệt độ sụp thực phẩm sấy thăng hoa Thực phẩm Nhiệt độ, 0C Dịch trích ly cà phê (25%) Nước táo (22%) Nước nho (16%) Cà chua Bắp Khoai tây Kem Phó mát Cá Thịt bò - 200C - 41,50C - 460C - 410C - 80C ÷ -150C - 120C - 310C ÷ -330C - 240C - 60C ÷ -120C -120C Nguồn Bellows and King (1972) and Fennema (1996) Khi điều xảy xuất sụp không thuận nghịch tức thời cấu trúc thực phẩm làm hạn chế tốc độ truyền thực tế kết thúc tiến trình sấy Vì thế, thực tế có nhiệt độ nước đá cực đại, nhiệt độ ngưng tụ cực 144 Giáo trình Chế biến tồn trữ lạnh Chương V: Sấy thăng hoa cô đặc nhiệt độ thấp tiểu áp suất buồng sấy thấp Những thông số kiểm soát tốc độ truyền khối Trong sấy, hàm ẩm giảm từ mức độ cao ban đầu vùng lạnh đông xuống mức độ thấp lớp sấy, mức độ phụ thuộc vào áp suất nước buồng sấy Khi nhiệt đượïc truyền qua lớp sấy, mối quan hệ áp suất buồng sấy áp suất bề mặt nước đá là: kd Pi = Ps + - (θs - θi) b s (5.1) Ở đây: Pi (Pa) - áp suất riêng phần nước mặt thăng hoa, Ps (Pa) - áp suất riêng phần nước bề mặt, kd (W/m.K) - độ dẫn nhiệt lớp sấy, b (kg/s.m) - độ thấm lớp sấy, s (J/kg) - ẩn nhiệt thăng hoa, θs (0C) - nhiệt độ bề mặt θi (0C) – nhiệt độ mặt thăng hoa Các nhân tố kiểm soát thời gian sấy thể Karel (1974) − ρ( ) =x M M λ k (θ − θ ) td d s s (5.2) i Ởû đây: td (s) – thời gian sấy, x (mm) – bề dày thực phẩm, ρ (kg/m3) – khối lượng riêng thực phẩm sấy, M1 – hàm ẩm ban đầu M2 – hàm ẩm cuối lớp sấy Chú ý thời gian sấy tỉ lệ với bình phương bề dày thực phẩm: tăng gấp đôi bề dày tăng thời gian sấy lên lần Thí dụ Thực phẩm có hàm ẩm ban đầu 400% (căn khô) đổ thành lớp dày 0,5 cm khay đặt máy sấy thăng hoa vận hành áp suất 40Pa Thực phẩm sấy đến 8% ẩm (căn khô) nhiệt độ bề mặt tối đa 550C Giả sử áp suất mặt nước đá giữ cố định 78 Pa, tính: a) thời gian sấy b) thời gian sấy tăng bề dày lớp thực phẩm lên 0,9 cm sấy điều kiện tương tự Biết thực phẩm sấy có độ dẫn nhiệt 0,03 W/m.K, khối lượng riêng 470 kg/m3, độ thấm 2,4x10-8 kg/s ẩn nhiệt thăng hoa 2,95x103 kJ/kg 145 Giáo trình Chế biến tồn trữ lạnh Chương V: Sấy thăng hoa cô đặc nhiệt độ thấp Giải a) Từ phương trình (5.1) ta có: kd Pi = Ps + - (θs - θi) b s 0,03 78 = 40 + -(55 - θi) 2,4 x 10-8 x 2,95 x 106 Vì thế, θi = -35,70C Từ phương trình (5.2): td = x ρ (M − M )λ k d (θ s − θ i ) s (0,005)2 470(4 - 0,08)2,95 x 106 td = -8 x 0,03[55 – (-35,7)] = 6.238,5 s ≈ 1,7 h b) Từ phương trình (5.2) ta có: (0,009)2 470(4 - 0,08)2,95 x 106 td = -8 x 0,03[55 – (-35,7)] = 20.224 s ≈ 5,6 h Như vậy, việc tăng chiều dày thực phẩm từ 0,5 cm lên 0,9 cm dẫn đến kéo dài thời gian sấy thêm 3,9 1.4 Thiết bị Máy sấy thăng hoa bao gồm buồng chân không với khay chứa thực phẩm trình sấy phận gia nhiệt để cung cấp ẩn nhiệt thăng hoa Các ống xoắn ruột gà lạnh sử dụng để ngưng tụ trực tiếp từ nước đá Chúng phù hợp với thiết bị tan giá tự động để giữ lại diện tích tự ống xoắn tối đa cho việc ngưng tụ Đây điều cần thiết lượng vào sử dụng chủ yếu làm lạnh bình ngưng tụ tính kinh tế sấy thăng hoa xác định hiệu suất bình ngưng Nhiệt độ thăng hoa Hiệu suất = -Nhiệt độ tác nhân lạnh bình ngưng 146 Giáo trình Chế biến tồn trữ lạnh Chương V: Sấy thăng hoa cô đặc nhiệt độ thấp Bơm chân không loại bỏ khí không ngưng Các loại máy sấy khác đượïc đặc trưng phương pháp cung cấp nhiệt đến bề mặt thực phẩm Loại dẫn nhiệt xạ sử dụng nhiều (đối lưu nhiệt không quan trọng chân không riêng phần máy sấy thăng hoa) sấy thăng hoa microwave sử dụng Cả hai kiểu gián đoạn liên tục thấy loại máy sấy Trong sấy gián đoạn, thực phẩm làm kín buồng sấy, nhiệt độ gia nhiệt trì 100-1200C giai đoạn đầu, sau giảm thời gian sấy 6-8 Các điều kiện sấy xác xác định cho thực phẩm nhiệt độ bề mặt không vượt 600C Trong sấy thăng hoa liên tục, khay thực phẩm vào máy sấy xuyên qua khóa chân không Các dạng máy sấy thường sử dụng là: - Máy sấy thăng hoa dạng tiếp xúc (contact freeze dryer) ; - Máy sấy thăng hoa tăng tốc (Accelerated freeze driers) ; - Máy sấy thăng hoa xạ (Radiation freeze driers) ; - Máy sấy thăng hoa dạng microwave driers) (Microwave and dielectric freeze 1.5 Ảnh hưởng thông số Một số thông số trình làm ảnh hưởng đến hiệu suất trình sấy thăng hoa đặc điểm sản phẩm cuối 1.5.1 Lạnh đông (Freezing) Tốc độ lạnh đông có ảnh hưởng quan trọng đến hình dạng nước đá ảnh hưởng đến cấu trúc sau sản phẩm lạnh đông Tốc độ lạnh đông chậm tạo điều kiện hình thành tinh thể đá lớn, dẫn đến lỗ lớn hơn, dòng vật chất mạnh thời gian sấy thăng hoa ngắn (King, 1970) 1.5.2 Dòng nhiệt (Heat Flux) Dòng nhiệt đến sản phẩm yếu tố quan trọng để giảm tốc độ sấy Tuy nhiên, trình sấy bắt đầu nhanh (dòng nhiệt cao), sản phẩm tan chảy, xẹp xuống nổ bao bì (Lorentzen, 1974) Điều làm giảm giá trị sản phẩm thay đổi tính chất vật lý vật liệu sấy Nhiệt thừa làm bánh sấy bị cháy khét co lại Tốc độ gia nhiệt tối ưu hóa vận hành nhằm điều chỉnh nhiệt độ sản phẩm vùng sấy mặt thăng hoa (Lombran, 1997) 147 Giáo trình Chế biến tồn trữ lạnh Chương V: Sấy thăng hoa cô đặc nhiệt độ thấp 1.5.3 Áp suất buồng sấy (Chamber Pressure) Biến số quan trọng tiến trình sấy thăng hoa áp suất buồng sấy Áp suất kiểm soát giá trị trung bình nhiệt độ thăng hoa điều chỉnh thông số vận chuyển có ảnh hưởng đến động học việc loại bỏ Ở nhiệt độ cho, việc giảm áp suất buồng sấy làm hạ thấp áp suất bề mặt sản phẩm (pe) động lực (pf – pe) trình sấy tăng lên, nghóa tổng thời gian sấy giảm Tuy nhiên, áp suất thấp tốc độ thăng hoa làm hạn chế di chuyển nước qua sản phẩm di chuyển nước rơi vào chế độ dòng phân tử tự (Arsem, 1990) Áp suất buồng sấy ảnh hưởng đến đặc điểm di chuyển, độ dẫn nhiệt độ khuếch tán nước Trong khoảng dao động áp suất tiến trình sấy thăng hoa, độ dẫn nhiệt lớp sấy cao áp suất buồng sấy cao, kết tốc độ truyền nhiệt từ bề mặt đến lớp nước đá cao Tuy nhiên, hệ số khuếch tán nước qua lớp sấy lại thấp áp suất buồng sấy tăng cao, làm cho tốc độ truyền khối thấp Vì thế, áp suất thấp (nhiệt độ thăng hoa thấp), sấy thăng hoa thường trình kiểm soát nhiệt, áp suất tương đối cao sấy thăng hoa trở thành trình kiểm soát khối lượng Trong đa số trường hợp, tốc độ sấy bị hạn chế tốc độ truyền nhiệt qua lớp sấy (Litchfield, 1981) 1.5.4 Nhiệt độ Độ khuếch tán mùi thơm giống với nước hàm ẩm cao Vì thế, việc trì nhiệt độ thấp sấy giảm tổn thất hương thơm Điểm nóng chảy có ảnh hưởng lớn đến việc lựa chọn áp suất vận hành yếu tố sở nhiệt độ thăng hoa Thông thường, hoạt động phải giữ chân không cao để không xảy tan chảy sản phẩm Nếu nhiệt độ nước đá bình ngưng cao nhiệt độ sản phẩm, nước có khuynh hướng di chuyển phía sản phẩm trình sấy dừng lại (Niranjan, 2002) Khi nhiệt độ sấy thăng hoa đủ cao, sản phẩm đóng khối chịu tổn thất cấu trúc mãnh liệt gọi trải qua giai đoạn sụp (collapse) Collapse ảnh hưởng đến việc giữ mùi, đóng khối lại kết dính, khả hydrate hóa lại độ ẩm cuối sản phẩm Nhiệt độ collapse (Tc) có liên quan đến nhiệt độ chuyển pha thủy tinh (Tg) mà phụ thuộc vào nhiệt độ hàm ẩm (hình 5.5) Ở nhiệt độ cao Tg, độ nhớt hỗn hợp không kết tinh giảm mãnh liệt Độ nhớt giảm đến mức dễ dàng làm biến dạng, hỗn hợp chảy 148 Giáo trình Chế biến tồn trữ lạnh Chương V: Sấy thăng hoa cô đặc nhiệt độ thấp tràn đổ vỡ cấu trúc xảy Độ nhớt tới hạn dao động khoảng 105÷108 Pa (G Levi, M Karel, 1995) 1.6 Ảnh hưởng thực phẩm Thực phẩm sấy thăng hoa giữ đặc tính cảm quan chất lượng dinh dưỡng cao thời hạn bảo quản dài 12 tháng đóng gói phù hợp Các hợp chất mùi dễ bay không bị theo nước đượïc hình thành từ thăng hoa giữ lại thực phẩm Kết hoàn toàn giữ lại 80-100% mùi Cấu trúc thực phẩm sấy thăng hoa bảo quản tốt, co lại tình trạng cứng bề mặt sấy không khí nóng Cấu trúc xốp, hở (hình 5.4) cho phép tách nước nhanh hoàn toàn, dễ gãy yêu cầu Chất khô Nước đá Hình 5.4: Cấu trúc xốp thực phẩm sấy thăng hoa bảo vệ khỏi tổn hại học Chỉ có vài thay đổi nhỏ protein, tinh bột carbohydrate khác Tuy nhiên, cấu trúc xốp, hở thực phẩm giúp oxy vào gây nên hư hỏng chất béo oxy hóa Vì thế, thực phẩm bao gói khí trơ Sự thay đổi hàm lượïng thiamin acid ascorbic sấy thăng hoa vừa phải tổn thất vitamin khác không đáng kể (bảng 5.3) Bảng 5.3: Tổn thất vitamin sấy thăng hoa Thực phẩm Tổn thất, % Vitamin C Vitamin A Thiamin Riboflavin Acid Folic Niacin Đậu xanh Đậu Hà Lan Nước cam ép Thịt bò Thịt heo 26-60 8-30 - 0-24 3-5 -