TỔNG QUAN
Giới thiệu chung về nguyên liệu cá hồi
Cá hồi, thuộc họ Salmonidae, nổi bật với các chấm đen hình cánh sao trên thân và vân màu hồng đặc trưng ở cá đực khi vào mùa sinh sản từ tháng 2 đến tháng 5, có thể kéo dài đến tháng 8 Loài cá này bơi ngược dòng để đẻ trứng, sinh ra ở vùng nước ngọt, di cư ra biển và sau đó trở lại nước ngọt để sinh sản, mặc dù một số cá thể sống luôn ở môi trường nước ngọt Thịt cá hồi có màu đỏ tươi, được minh họa như hình 1.1.
Cá hồi phát triển tối ưu trong điều kiện nhiệt độ nước từ 10-20°C và có thể chịu đựng nhiệt độ lên đến 24°C trong thời gian ngắn, nhưng không thể sống nếu nhiệt độ vượt quá 24°C Hàm lượng oxy hòa tan trong nước cũng rất quan trọng, cá hồi phát triển tốt khi oxy hòa tan lớn hơn 7 mg/l, tuy nhiên chúng có thể tồn tại ở mức 6 mg/l Độ pH lý tưởng cho cá hồi nằm trong khoảng 6,7-8,6, do đó, việc lựa chọn thủy vực tự nhiên và hệ thống nước chảy cần chú ý đến các yếu tố này.
Cá hồi SaPa, giống cá hồi vân, được nuôi thành công đầu tiên tại Việt Nam với sự hỗ trợ từ Phần Lan Vào tháng 10-2002, Viện Nghiên cứu nuôi trồng thủy sản I và các chuyên gia Phần Lan đã thực hiện chuyến khảo sát tại Tây Bắc Việt Nam, phát hiện nhiều vùng có nguồn nước lạnh phù hợp để nuôi cá hồi vân, trong đó Thác Bạc, Sa Pa là địa điểm lý tưởng với nhiệt độ mùa hè không vượt quá 20°C Dựa trên kết luận này, Bộ Thủy sản đã phê duyệt Dự án nhập công nghệ sản xuất giống cá hồi vân.
Hình 1.2 Ảnh cá hồi vân.
Cá hồi vân (Rainbow trout) thuộc loài Oncorhynchus, thuộc bộ Salmoniformes và họ Salmonidae, có nguồn gốc từ vùng biển Thái Bình Dương, đặc biệt là khu vực Bắc Mỹ Cá có đặc điểm nổi bật với các chấm đen hình cánh sao trên cơ thể Trong mùa sinh sản, cá đực xuất hiện với vân màu hồng dọc lườn, trong khi thịt cá có màu hồng tươi hấp dẫn.
Dự án nhập công nghệ sản xuất giống cá hồi vân được thực hiện từ tháng 8-
Từ năm 2004 đến tháng 7 năm 2006, dự án chuyển giao công nghệ nuôi trồng thủy sản được thực hiện giữa Trung tâm đổi mới nghề cá Phần Lan (FIC) và Viện Nghiên cứu nuôi trồng thủy sản I Dự án nhận được khoản tài trợ 100 nghìn euro từ Chính phủ Phần Lan, cùng với kinh phí 2,23 tỷ đồng từ Nhà nước Việt Nam.
Hình 1.3 Hồ nuôi cá hồi tại SaPa.
Một số lợi ích của việc nuôi cá hồi:
- Trứng cá hồi được sản xuất tại các trại giống để cung cấp cá con cho các cơ sở nuôi trồng
- Thịt cá hồi dưới dạng tươi hoặc đông lạnh được dùng làm thức ăn giàu dinh dưỡng cho con người
- Xông khói cá hồi, cá phế liệu từ cá hồi thì được dùng làm nguyên liệu chế biến thức ăn cho tôm, cá, gia súc…
Đánh giá tổng quan về các thành phần trong cá hồi
Thịt cá hồi là thực phẩm bổ dưỡng, được tiêu thụ rộng rãi trên toàn cầu nhờ vào lợi ích sức khỏe mà nó mang lại Việc nuôi cá hồi không chỉ phục vụ nhu cầu tiêu dùng của con người mà còn tạo ra giá trị kinh tế lớn cho nhiều quốc gia Sản phẩm từ thịt cá hồi được đánh giá cao về giá trị dinh dưỡng, góp phần vào chế độ ăn uống lành mạnh.
Bảng 1.1 Thành phần dinh dưỡng của cá hồi
Thành phần dinh dưỡng Đơn vị đo lường Hàm lượng dinh dưỡng trong mỗi 100g cá hồi
Cá hồi được nhiều chuyên gia dinh dưỡng công nhận là loại cá giàu axit béo Omega-3 nhất, mang lại nhiều lợi ích cho sức khỏe.
Omega-3 là axit béo thiết yếu, mang lại nhiều lợi ích cho sức khỏe tim mạch, giúp giảm nguy cơ mắc bệnh tim Đối với trẻ nhỏ, Omega-3 đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển não bộ Hơn nữa, axit béo này còn hỗ trợ cải thiện tình trạng của những bệnh nhân mắc trầm cảm và mất trí nhớ.
Omega 3 dùng để giúp mắt đỡ mỏi, đỡ khô hơn khi học tập hay thường xuyên ngồi máy vi tính
Cá hồi là loại cá giàu protein, protein đóng vai trò giúp xây dựng cơ bắp, xương và các mô da trên cơ thể
Protein đóng vai trò quan trọng trong việc sản sinh và tái tạo hệ mô, như phục hồi vết thương và hỗ trợ sự phát triển của tóc Không có protein, các tế bào và hệ thống trong cơ thể không thể tái tạo Protein là yếu tố chính trong cấu trúc của cơ bắp, máu, bạch huyết, hormone, enzym, kháng thể và các tuyến bài tiết Cơ thể bình thường chỉ có mật và nước tiểu không chứa protein, cho thấy vai trò thiết yếu của nó trong mọi chức năng sống, bao gồm tuần hoàn, hô hấp, sinh dục, tiêu hóa, bài tiết và hoạt động thần kinh Hơn nữa, protein còn tham gia vào việc vận chuyển chất dinh dưỡng và kích thích cảm giác thèm ăn.
Vitamin A không chỉ nâng cao thị lực mà còn hỗ trợ sự phát triển thể chất của trẻ nhỏ Ngoài ra, vitamin A còn có tác dụng làm đẹp da, chống viêm và đặc biệt hoạt động như một chất chống oxy hóa, giúp ngăn ngừa ung thư.
Các hiệp hội sức khỏe toàn cầu khuyến nghị nên ăn cá thường xuyên, đặc biệt là các loại cá giàu dinh dưỡng như cá hồi, ít nhất hai lần mỗi tuần để duy trì sức khỏe tốt.
Vitamin nhóm B đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển hóa protein, carbohydrate và chất béo, giúp cung cấp năng lượng cho cơ thể Ngoài ra, vitamin này còn hỗ trợ sự phát triển của tế bào thần kinh, DNA và tế bào máu Vì là loại vitamin hòa tan, nhóm vitamin này dễ bị mất đi khi thực phẩm được chế biến quá kỹ, đặc biệt là khi chế biến cá hồi.
Vitamin D là loại giúp cơ thể hấp thụ canxi và phốt pho, đảm bảo hỗ trợ hệ miễn dịch và giúp xương, răng phát triển chắc khỏe hơn
Selen là một khoáng chất quan trọng, hỗ trợ các chất chống oxy hóa và tăng cường hệ miễn dịch Nó có khả năng làm chậm sự phát triển của khối u và kéo dài thời gian sống cho bệnh nhân ung thư Ngoài ra, selen còn giúp giảm nguy cơ tiền sản giật ở phụ nữ mang thai và phòng ngừa các bệnh như đái tháo đường và thoái hóa hoàng điểm ở người cao tuổi.
Kali đóng vai trò quan trọng trong việc cân bằng lượng dịch và chất khoáng trong cơ thể, đồng thời giúp điều chỉnh huyết áp và hỗ trợ sự liên kết chặt chẽ giữa các cơ.
Cá hồi là nguồn thực phẩm giàu dinh dưỡng, cung cấp nhiều thành phần có lợi cho sức khỏe như Omega-3, protein, vitamin D, B, kali và selen Các chuyên gia dinh dưỡng khuyến nghị nên tiêu thụ cá hồi ít nhất hai lần mỗi tuần để tối ưu hóa lợi ích cho cơ thể.
Tổng quan về lĩnh vực bảo quản và chế biến cá hồi fillet
1.3.1 Hiện trạng sản cá hồi fillet đông lạnh trên thế giới
Sản lượng cá hồi thấp nhưng lại có giá trị thương mại cao, xuất khẩu đạt hơn
Vào năm 2013, giá trị thương mại của cá hồi đạt 14 tỷ USD, chủ yếu do sản xuất tập trung ở một số quốc gia như Na Uy, Chi Lê, Canada và Anh Cá hồi đánh bắt tự nhiên tại Mỹ và Nga thường được chế biến tại châu Á, đặc biệt là Trung Quốc Sản lượng cá hồi toàn cầu được thể hiện qua hình 1.4.
Na Uy hiện là nước xuất khẩu cá hồi lớn nhất thế giới với sản lượng khoảng 1 triệu tấn mỗi năm, đồng thời là nhà cung cấp chính cho thị trường EU và Nga Cá hồi Na Uy có giá trị thương mại cao nhất trong ngành thủy sản khi xuất khẩu sang EU.
Chile đứng thứ hai thế giới về xuất khẩu cá hồi với khoảng 500.000 tấn, chủ yếu sang Mỹ, Nhật Bản và Brazil Kể từ khi Nga ban hành lệnh cấm nhập khẩu vào năm 2014, dòng thương mại cá hồi đã có sự chuyển biến, với Chile tăng cường xuất khẩu sang Nga, trong khi Na Uy chuyển hướng xuất khẩu sang các thị trường khác như EU, Mỹ và một số thị trường mới nổi tại châu Á và Trung Đông.
Hình 1.4 Sản lượng cá hồi ở Đại Tây Dương
1.3.2 Hiện trạng sản xuất cá hồi file đông lạnh ở Việt Nam
Cá hồi được du nhập vào Việt Nam vào năm 2005 và được nuôi trồng ở miền Bắc, với 50.000 trứng nhập từ Phần Lan thử nghiệm tại trung tâm nghiên cứu thủy hải sản nước lạnh ở Sa Pa, nơi có nhiệt độ nước lạnh từ 8-12 độ C, đạt tỷ lệ nở thành công lên đến 95% trong vòng 10 ngày Hiện nay, cá hồi đã được ấp nở và nuôi tại nhiều địa điểm như Lai Châu, Lâm Đồng, và Lào Cai Loài cá này được xem là có giá trị kinh tế cao, phù hợp với môi trường nước lạnh và kỹ thuật nuôi trồng đã phát triển tương đối hoàn chỉnh Nhiều cơ sở nuôi cá hồi tại Việt Nam hiện nay đang mang lại nguồn thu nhập lớn cho người dân.
Cá hồi nuôi tại Việt Nam được phát triển nhằm đáp ứng nhu cầu tiêu thụ trong nước và giảm thiểu lượng cá hồi nhập khẩu Chính phủ đang khuyến khích mở rộng mô hình nuôi cá hồi để tạo cơ hội cho các ngành chế biến, khai thác và xuất khẩu sang các nước Đông Nam Á và nhiều thị trường quốc tế khác.
1.3.3 Tiêu hao năng lượng, hao hụt khối lượng và thời gian trong quá trình cấp đông
Điện năng đóng vai trò quan trọng trong nhà máy chế biến thủy sản, với mức tiêu hao khoảng 0,4 đến 0,45 kWh/kg cho mỗi kg sản phẩm chế biến Đặc biệt, điện năng sử dụng cho quá trình làm lạnh và cấp đông chiếm một tỷ lệ đáng kể trong tổng tiêu thụ.
Tiết kiệm năng lượng trong hệ thống cấp đông có thể giảm khoảng 30% tổng năng lượng tiêu thụ điện của nhà máy Việc áp dụng các giải pháp này không chỉ giúp giảm tiêu hao năng lượng trên mỗi đơn vị sản phẩm mà còn làm giảm giá thành sản xuất cho thành phẩm.
Trong quá trình làm lạnh và cấp đông thực phẩm, sự chênh lệch nhiệt độ và áp suất nước giữa bên trong và bên ngoài sản phẩm dẫn đến hao hụt khối lượng do bốc hơi nước Đặc biệt, khi diện tích bề mặt sản phẩm lớn và thời gian làm lạnh sơ bộ kéo dài, độ hao hụt càng tăng Tại các nhà máy chế biến thủy sản, thời gian cấp đông thường được xác định dựa trên kinh nghiệm thực tế của kỹ thuật viên, với việc đánh giá bằng màu sắc sản phẩm sau cấp đông hoặc đo nhiệt độ ở tâm sản phẩm Để tối ưu hóa quy trình, cần nghiên cứu chi tiết về mức độ và tỷ lệ ảnh hưởng đến quá trình cấp đông Một công cụ đơn giản để xác định thời gian cấp đông và mô phỏng nhiệt độ sẽ mang lại lợi ích lớn cho các nhà máy chế biến thủy hải sản.
Tổng quan về công nghệ lạnh đông
1.4.1 Lịch sử về công nghệ cấp đông thực phẩm Đông lạnh từ lâu đã được sử dụng như một phương pháp bảo quản và lịch sử cho thấy nó chủ yếu được định hình bởi sự phát triển công nghệ Một lượng nhỏ băng được sản xuất mà không sử dụng "đông lạnh tự nhiên" vào năm 1755 được coi là cột mốc đầu tiên trong quá trình đông lạnh Đầu tiên, hệ thống muối đá được sử dụng để bảo quản cá và sau đó, vào cuối năm 1800, việc đóng băng được đưa vào các hoạt động quy mô lớn như một phương pháp bảo quản thương mại Thịt, cá và bơ, các sản phẩm chính được bảo quản, thực phẩm được đông lạnh trong các khoang lưu trữ và được xử lý như hàng hóa số lượng lớn
Trong những năm qua, các nhà khoa học đã nỗ lực để thành công trong các thử nghiệm đông lạnh thương mại đối với thực phẩm, đặc biệt là trái cây Việc đông lạnh trái cây trong mùa cao điểm giúp bảo quản cho việc chế biến thành mứt, thạch, kem và các sản phẩm bánh khác Mặc dù đông lạnh thương mại trái cây và quả mọng nhỏ bắt đầu từ năm 1905 tại Mỹ, nhưng việc đông lạnh rau quả chỉ mới phát triển từ năm 1917 Các công ty tư nhân đã thử nghiệm đông lạnh rau quả, nhưng chất lượng không đạt yêu cầu do enzyme suy giảm nếu không được xử lý trước.
Vào năm 1929, các nhà nghiên cứu đã nhận ra rằng việc làm bất hoạt enzyme trước khi đóng băng là cần thiết để ngăn chặn sự suy giảm và mất mùi vị do suy thoái enzyme Ngành công nghiệp cấp đông hiện đại bắt đầu vào năm 1928 với sự phát triển của máy làm lạnh tiếp xúc hai bởi nhà công nghệ Clarence Birdseye Cuộc cách mạng trong quy trình và thiết bị đóng băng nhanh chóng đã giúp ngành công nghiệp trở nên linh hoạt hơn, đặc biệt với việc sử dụng máy làm đông lạnh nhiều tấm.
Hệ thống cấp đông mới cho phép thực phẩm đóng gói được đông lạnh nhanh chóng qua đường hầm đóng băng, mang lại lợi thế lớn cho việc đông lạnh thương mại trái cây và rau quả Việc đông lạnh nhanh các gói kích cỡ người tiêu dùng đã giúp rau quả đông lạnh trở nên phổ biến vào cuối những năm 1930 Trong khi đông lạnh thực phẩm trở thành một ngành công nghiệp chính ở các nước phát triển, thì ở các nước đang phát triển, ngành này vẫn chưa phát triển do chi phí đầu tư ban đầu cho thiết bị cao Mặc dù quá trình đóng băng và chi phí lưu trữ chỉ chiếm khoảng 10% tổng chi phí sản xuất, nhưng chi phí năng lượng cho sử dụng công nghiệp lại tương đối cao Do đó, cần thiết phải có chính sách thuế năng lượng thấp hơn từ chính phủ các nước đang phát triển để thúc đẩy ngành chế biến thực phẩm, đặc biệt là trong lĩnh vực đóng băng.
Ngày nay, đông lạnh là phương pháp duy nhất có quy mô lớn giúp kết nối các mùa và điều chỉnh sự thay đổi trong cung và cầu nguyên liệu thô như thịt, cá, bơ, trái cây và rau quả Phương pháp này còn tăng cường khả năng vận chuyển thực phẩm trên những khoảng cách địa lý xa Việc kiểm soát quy trình cấp đông, từ chuẩn bị trước khi đông lạnh đến bảo quản sau khi đông lạnh, là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm Do đó, việc hiểu rõ lý thuyết về quá trình đóng băng và các thông số liên quan là cần thiết.
1.4.2 Các phương pháp và thiết bị kết đông thực phẩm
Thiết bị cấp đông có rất nhiều dạng, hiện nay ở nước ta sử dụng phổ biến các hệ thống như sau:
- Kho cấp đông gió (Air Blast Freezer);
- Tủ cấp đông tiếp xúc (Contact Freezer);
- Hệ thống cấp đông dạng rời, có băng chuyền IQF;
- Hệ thống cấp đông có băng chuyền cấp đông thẳng;
- Hệ thống cấp đông có băng chuyền dạng xoắn;
- Hệ thống cấp đông siêu tốc;
- Hệ thống cấp đông nhúng N2 lỏng
1.4.2.1 Phương pháp cấp đông gió
Kho cấp đông gió là thiết bị quan trọng trong ngành chế biến thực phẩm, đặc biệt là để cấp đông hải sản và nguyên liệu thực phẩm Phương pháp cấp đông này sử dụng gió lạnh cưỡng bức, trong đó dàn lạnh tạo ra luồng không khí lạnh với nhiệt độ thấp Hệ thống quạt gió sẽ phân phối luồng khí này đều khắp kho, đảm bảo sản phẩm được cấp đông hiệu quả và đồng nhất.
Tủ cấp đông gió là thiết bị lý tưởng để bảo quản các sản phẩm đông rời với khối lượng nhỏ, rất phù hợp cho các xí nghiệp vừa và nhỏ.
Tủ cấp đông gió hoạt động dựa trên phương pháp cấp đông bằng gió lạnh cưỡng bức, tương tự như kho lạnh cấp đông gió Thiết kế của tủ cấp đông gió và kho lạnh này có nhiều điểm tương đồng, với các bộ phận chính bao gồm dàn lạnh, quạt gió và khay chứa Sản phẩm được xếp trên khay và được làm lạnh bằng luồng gió lạnh có nhiệt độ xuống tới -35 o C.
1.4.2.2 Phương pháp cấp đông tiếp xúc
Khác với phương pháp cấp đông gió thích hợp cho sản phẩm nhỏ, tủ cấp đông tiếp xúc thường được sử dụng cho các mặt hàng dạng block Sản phẩm được đặt trong khay nhôm có nắp và xếp trên các tấm trao đổi nhiệt của tủ đông Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra trực tiếp từ sản phẩm qua khay đến các tấm trao đổi nhiệt, nhờ vào hệ thống xy-lanh thủy lực, chúng ta có thể điều chỉnh để các tấm trao đổi nhiệt tiếp xúc tốt với hai mặt của sản phẩm Việc truyền nhiệt diễn ra đồng thời ở cả hai bề mặt khay, giúp giảm thời gian cấp đông.
1.4.2.3 Dây chuyền cấp đông IQF
Hệ thống cấp đông IQF là giải pháp cấp đông siêu tốc cho sản phẩm rời, đặc biệt hiệu quả trong ngành chế biến thủy sản và thực phẩm Với công suất đa dạng từ 250 kg/h đến 500 kg/h, hệ thống này đáp ứng linh hoạt theo nhu cầu của khách hàng và đảm bảo quá trình cấp đông liên tục qua băng chuyền.
Nguyên lý hoạt động của buồng IQF sử dụng băng tải phẳng bằng thép không rỉ, nơi sản phẩm được di chuyển liên tục Hàng ngàn tia và màn khí lạnh với tốc độ cao thổi trực tiếp lên bề mặt sản phẩm và băng tải, kết hợp với hệ số dẫn nhiệt cao, giúp làm lạnh nhanh sản phẩm qua hai phương pháp trao đổi nhiệt đối lưu và tiếp xúc Quá trình này diễn ra đồng thời trên tất cả bề mặt sản phẩm, mang lại hiệu quả đông lạnh nhanh hơn so với phương pháp IQF truyền thống.
1.4.2.4 Làm lạnh bằng hổn hợp đá và muối
Phương pháp làm lạnh bằng cách pha muối với nước đá là giải pháp hiệu quả cho những nơi không có điện Hỗn hợp này có khả năng tạo ra nhiệt độ lạnh khác nhau tùy thuộc vào tỷ lệ muối sử dụng, nhưng chỉ đạt khoảng 12 độ C Mặc dù đơn giản và dễ thực hiện, phương pháp này chỉ thích hợp cho việc bảo quản thực phẩm tươi trong thời gian ngắn, vì thực phẩm có thể mất trọng lượng và giảm màu sắc bề mặt.
1.4.3 Tác dụng của lạnh đông trong quá trình bảo quản và chế biến
Bảo quản thực phẩm bằng nước đá chỉ có thể giữ được trong tối đa 14 ngày, trong khi phương pháp làm lạnh đông cho phép bảo quản thực phẩm trong thời gian dài hơn Đặc biệt đối với ngành chế biến thủy sản, việc bảo quản đông là cần thiết do ngư trường xa cảng cá và chợ, giúp đảm bảo độ tươi cho sản phẩm Công nghệ lạnh đông cũng tạo ra các sản phẩm chế biến sẵn, sẵn sàng để sử dụng ngay.
Khi nước đóng băng, vi sinh vật sẽ chuyển sang trạng thái không hoạt động và một phần sẽ bị tiêu diệt, giúp giảm thiểu sự hư hỏng của thực phẩm Phương pháp làm lạnh đông không chỉ bảo quản thực phẩm mà còn tạo ra giá trị cảm quan mới cho một số sản phẩm Nước đá giữ cho các thành phần trong thực phẩm được ổn định, tạo ra độ vững chắc và lớp bảo vệ bên ngoài chống lại va chạm cơ học cũng như các tác động từ môi trường.
Những biến đổi trong quá trình cấp đông cá hồi file
1.5.1 Sự kết tinh của nước
Trong quá trình cấp đông, nước trong thực phẩm tách ra và hình thành các tinh thể, khiến sản phẩm trở nên rắn và tăng thể tích một chút Khi nước kết tinh, nó tạo ra mạng tinh thể xen kẽ giữa các thành phần khác, tạo nên cấu trúc vững chắc Tuy nhiên, khi làm dã đông, cấu trúc thực phẩm trở nên mềm yếu và kém dàn hồi hơn, do các tinh thể làm rách liên kết tế bào.
1.5.2 Biến đổi màu sắc Ðồng thời với quá trình trên màu sắc thực phẩm cũng biến đổi do hiệu ứng quang học do tinh thể đá khúc xạ ánh sáng Màu sắc thực phẩm khi nước đóng băng phụ thuộc tính chất quang ánh sáng của các tinh thể nuớc đá
Trong quá trình làm lạnh đông, sản phẩm có thể bị mất nước và giảm trọng lượng do hiện tượng bay hơi nước từ bề mặt thực phẩm vào không khí Sự chênh lệch mật độ giữa không khí sát bề mặt sản phẩm và không khí xung quanh là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng này Khi sản phẩm nhập khẩu có bề mặt ẩm, quá trình đông lạnh sẽ khiến nước bốc hơi và sau đó diễn ra thăng hoa Nếu chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt sản phẩm và không khí trong buồng cấp đông lớn, hiện tượng bốc hơi sẽ diễn ra mạnh mẽ, dẫn đến hao hụt khối lượng sản phẩm.
Khi thực phẩm được cấp đông, hiện tượng khuyếch tán nước trong cấu trúc xảy ra do sự chênh lệch nhiệt độ và mật độ Tinh thể nước đá phát triển sẽ thu hút nước từ các khu vực chưa kết tinh, dẫn đến sự di chuyển của nước từ nơi có nồng độ chất tan thấp đến nơi có nồng độ chất tan cao Quá trình này diễn ra nhờ tính bám thấm và mao dẫn của cấu trúc thực phẩm.
Sự kết tinh nước trong thực phẩm
Nước trong thực phẩm, đặc biệt là trong thủy hải sản, chiếm tỷ lệ cao từ 75% đến 85% Dựa vào mức độ liên kết, nước trong thực phẩm được phân chia thành hai dạng: nước tự do và nước liên kết.
Trong tế bào, nước tự do được giữ lại bởi mạng lưới cấu trúc thông qua các mối liên kết cơ học, khiến nó dễ dàng bị tách ra Nước này, được gọi là nước yên tĩnh, tồn tại trong mạng lưới cấu trúc của mô cơ dưới dạng dung môi, giúp khuếch tán các chất qua màng tế bào Tuy nhiên, để tách nước yên tĩnh ra khỏi mô cơ, cần phải sử dụng máy hút mạnh, vì nếu không, có thể làm hỏng cấu trúc của mô do tính phức tạp của các vi mao quản.
Trong kỹ thuật làm lạnh và cấp đông, việc xác định các dạng liên kết của nước trong nguyên liệu là rất quan trọng để lựa chọn phương pháp và chế độ cấp đông cũng như bảo quản lạnh đông phù hợp Tuy nhiên, kết quả thí nghiệm cho thấy việc xác định nước liên kết gặp nhiều khó khăn, phụ thuộc vào tình trạng và tính chất của sản phẩm, cũng như điều kiện và phương tiện thí nghiệm.
Nước không chỉ đơn thuần là dung môi mà còn liên kết với các protein hòa tan cùng với các chất vô cơ và hữu cơ khác, tạo nên cấu trúc khung của mô cơ.
Nước liên kết khác với nước thường và nước tự do ở chỗ nó không phải là dung môi, đóng băng ở nhiệt độ rất thấp và cần nhiều nhiệt năng để bay hơi Đôi khi, ngay cả ở nhiệt độ thấp, nước liên kết vẫn chưa đóng băng do các liên kết chặt chẽ với các cấu tử khác Mặc dù nước hấp thụ ở dạng sol hay gel đều có bản chất hoá lý tương tự, nhưng trong bắp cơ, vai trò của chúng lại khác nhau, với dạng gel tạo ra mạng cấu trúc tế bào.
Hàm lượng nước liên kết trong thực phẩm phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm tính chất và thành phần của chất khô, độ phân tán của hệ thống keo, sự hiện diện và nồng độ của các chất điện ly, cũng như phản ứng của môi trường Ngoài ra, mức độ chín tới của thực phẩm cũng ảnh hưởng đáng kể đến hàm lượng nước liên kết.
1.6.2 Cơ chế đóng băng khi cấp đông
Nước trong thực phẩm tồn tại dưới hai dạng: liên kết và tự do Dạng tự do, mặc dù không hoàn toàn giống như nước nguyên chất, vẫn có khả năng đóng băng hạn chế, dẫn đến hiện tượng quá lạnh khi đông lạnh Tuy nhiên, nước tự do dễ đóng băng hơn nước liên kết Điểm đóng băng của các sản phẩm thực phẩm khác nhau phụ thuộc vào tỷ lệ giữa nước tự do và nước liên kết; khi tỷ lệ này thay đổi, điểm đóng băng cũng sẽ thay đổi theo.
Nước trong thực phẩm có nhiệt độ đóng băng thấp hơn 0°C do sự hòa tan của các chất Khi nhiệt độ thực phẩm giảm, nước trong thực phẩm bắt đầu đóng băng dần dần, tùy thuộc vào mức độ liên kết với tế bào Khi nhiệt độ đạt đến mức đông lạnh, tinh thể đá sẽ xuất hiện trước tiên ở gian bào.
Khi nước trong gian bào đóng băng, nó sẽ kết tinh, dẫn đến việc nồng độ chất tan trong tế bào tăng cao hơn.
Áp suất thẩm thấu tăng lên khiến nước trong tế bào có xu hướng thoát ra ngoài qua gian bào và màng bám thấm Khi tốc độ làm lạnh chậm, nước trong tế bào thoát ra sẽ làm các tinh thể lớn lên mà không hình thành tinh thể mới Ngược lại, nếu tốc độ làm lạnh nhanh, tinh thể sẽ hình thành cả bên ngoài lẫn bên trong tế bào, tạo ra các tinh thể đá đồng đều.
Khi quá trình hạ nhiệt diễn ra chậm, tế bào sẽ mất nước, dẫn đến việc hình thành các tinh thể đá lớn, gây áp lực và làm rách màng tế bào Điều này khiến cấu trúc mô cơ bị biến dạng, giảm chất lượng sản phẩm Khi nước tự do đã đóng băng hoàn toàn, quá trình tiếp theo sẽ ảnh hưởng đến nước liên kết, bắt đầu từ những liên kết yếu cho đến những liên kết mạnh hơn.
Làm lạnh đông nhanh tạo ra mầm tinh thể đá nhỏ và nhiều, giúp bảo toàn chất lượng sản phẩm tốt hơn Ngược lại, làm lạnh đông chậm dẫn đến mầm tinh thể đá lớn và ít, ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng sản phẩm.
Các yếu tố ảnh hưởng đến sự cấp đông
1.7.1 Ảnh hưởng của tốc độ cấp đông đến sản phẩm
Tốc độ làm lạnh đông chịu ảnh hưởng từ nhiều yếu tố, trong đó nhiệt độ của buồng cấp đông là yếu tố quan trọng nhất Dựa vào tốc độ làm đông, người ta có thể phân loại các phương pháp làm đông khác nhau.
Cấp đông chậm: Khi tốc độ cấp đông dưới 0,5 cm/h và thời gian cấp đông lớn hơn 10 giờ
Cấp đông nhanh: Khi tốc độ cấp đông từ 1 ÷ 3 cm/h và thời gian cấp đông từ
Cấp đông cực nhanh: Khi tốc độ cấp đông lớn hơn hoặc bằng 15cm/h, thời gian cấp đông dưới 20 phút
Khi quá trình đông lạnh diễn ra chậm, nước khuyếch tán nhiều và các tinh thể nước đá sẽ hút nước để tăng thể tích mà không hình thành các mầm tinh thể mới Kết quả là số lượng tinh thể nước đá ít, nhưng kích thước lại lớn và không đồng đều, điều này ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc liên kết tế bào của thực phẩm.
Khi thực hiện quá trình cấp đông nhanh, nước ít bị khuyếch tán, giúp các tinh thể hình thành đồng đều và nhanh chóng trong cấu trúc Kết quả là số lượng tinh thể nhiều, kích thước nhỏ và đồng nhất, mang lại hiệu quả tối ưu cho quá trình đông lạnh.
Cấp đông cực nhanh giúp ngăn chặn sự khuyếch tán nước, cho phép các phân tử nước kết tinh tại các vị trí liên kết với chất tan Nhờ vậy, các tinh thể nước có kích thước rất nhỏ, giữ nguyên các tính chất của thực phẩm.
1.7.2 Ảnh hưởng của chất lượng ban đầu
Thực phẩm tươi sống khi được làm lạnh đông sẽ giữ được chất lượng tối ưu nhờ vào cấu trúc và liên kết tự nhiên của nước Tuy nhiên, nếu cấu trúc này bị hư hỏng do va chạm hoặc quá trình tự phân giải, thối rữa, khả năng giữ nước sẽ giảm, dẫn đến tăng tỷ lệ nước tự do và giảm tính đàn hồi của thực phẩm.
Giảm tính đàn hồi trong thịt động vật xảy ra do quá trình co cứng, dẫn đến khả năng giữ nước giảm Khi nước kết tinh, nó sẽ khuyếch tán nhiều, làm cho cấu trúc liên kết tế bào bị giãn nở và rách vỡ, từ đó làm giảm chất lượng sản phẩm.
1.7.3 Tác động của sự kết tinh nước đối với thực phẩm
Có sự phân bố lại nước trong thực phẩm không chỉ giữa gian bào và tế bào mà còn theo chiều sâu của sản phẩm
Có sự biến đổi tế bào do sự phân bố lại nước, do tạo thành lớp đá, vỡ tế bào, biến đổi cấu trúc sợi cơ
1.7.4 Ảnh hưởng của quá trình trao đổi chất trên bề mặt thực phẩm đến quá trình cấp đông cá hồi
Trong quá trình cấp đông thực phẩm, nhiệt và chất được truyền đồng thời, đặc biệt là ở thực phẩm dạng đặc như thịt và cá Theo nghiên cứu của Campanone, đối với thịt bò, lớp thoát ẩm chỉ khoảng 0,7 mm, trong khi thời gian cấp đông có thể kéo dài tới 300 phút Điều này cho thấy chiều dày lớp thoát ẩm rất nhỏ so với kích thước tổng thể của khối thực phẩm, thường từ 50 mm đến 60 mm.
Dựa trên các dữ liệu nghiên cứu, quá trình truyền chất bên trong thực phẩm có thể được bỏ qua, vì quá trình cấp đông chủ yếu là một quá trình dẫn nhiệt thuần túy Ảnh hưởng của quá trình truyền chất chỉ được xem xét ở bề mặt của thực phẩm.
Quá trình trao đổi chất giữa thực phẩm và môi trường là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ hao hụt và chất lượng sản phẩm Trong giai đoạn làm lạnh sơ bộ, nước ở pha lỏng sẽ bay hơi vào môi trường cấp đông Sau đó, nước trên bề mặt thực phẩm chuyển từ pha lỏng sang pha rắn, tạo thành lớp băng trên bề mặt.
Chênh lệch phân áp suất hơi nước dẫn đến quá trình thăng hoa trên bề mặt lớp băng, gây hiện tượng hụt khối của thực phẩm Thuật ngữ "Dehydration" (sự thoát ẩm) mô tả hiện tượng hóa hơi/thăng hoa trên bề mặt thực phẩm, trong đó quá trình này thu nhiệt lượng từ thực phẩm và môi trường thông qua ẩn nhiệt chuyển pha Tuy nhiên, hầu hết các mô hình tính toán hiện nay về quá trình trao đổi giữa thực phẩm và môi trường cấp đông đều không tính đến ảnh hưởng của quá trình dehydration này.
Quá trình trao đổi nhiệt giữa thực phẩm và môi trường cấp đông diễn ra qua hai hình thức chính: trao đổi nhiệt đối lưu và bức xạ thuần túy, cùng với việc trao đổi nhiệt do quá trình trao đổi chất.
XÁC ĐỊNH THỜI GIAN CẤP ĐÔNG CÁ HỒI
Xác định thời gian cấp đông bằng phần mềm tính toán
2.1.1 Bài toán dẫn nhiệt trong thực phẩm cấp đông
2.1.1.1 Bài toán dẫn nhiệt không ổn định trong quá trình cấp đông
Lịch sử nghiên cứu và phát triển lĩnh vực bảo quản và đông lạnh thực phẩm đã chứng kiến nhiều mô hình khác nhau mô tả quá trình cấp đông, được công bố trên toàn thế giới Tất cả các mô hình này chủ yếu dựa trên hệ phương trình vi phân dẫn nhiệt phi tuyến, kết hợp với điều kiện biên của thực phẩm trong môi trường đông lạnh Phương trình vi phân dẫn nhiệt theo Carslaw và Jaeger là một trong những nền tảng quan trọng trong nghiên cứu này.
[16] mô tả quá trình lạnh đông thực phẩm viết cho phân tố có toạ độ véc tơ r, thời điểm như sau:
Nhiệt dung riêng C(T) của thực phẩm phụ thuộc vào nhiệt độ, đo bằng kJ/kg.K Khối lượng riêng ρ(T) cũng thay đổi theo nhiệt độ, được tính bằng kg/m³ Hệ số dẫn nhiệt λ(T) tương ứng với nhiệt độ của thực phẩm, đo bằng W/m.K Ngoài ra, nguồn nhiệt q(r, τ) sinh ra từ sự chuyển pha của nước phụ thuộc vào tọa độ và thời gian, tính bằng W/m³.
T(r ,τ) – Nhiệt độ của phân tố phụ thuộc vào tọa độ và thời gian, K
Phương trình mô tả một phân tố của đối tượng được cấp đông, khi kết hợp các phân tố sẽ tạo thành hệ phương trình vi phân dẫn nhiệt, phản ánh quá trình dẫn nhiệt không ổn định bên trong vật thể Tại bề mặt vật thể, bài toán dẫn nhiệt kết hợp với các điều kiện biên nhằm xác định quá trình trao đổi nhiệt với môi trường cấp đông Trong lĩnh vực làm lạnh và cấp đông thực phẩm, thường gặp điều kiện biên loại 3 hoặc điều kiện biên liên hợp (loại 4) Điều kiện biên loại 3 thể hiện trường hợp bề mặt thực phẩm tiếp xúc trực tiếp với môi trường làm lạnh, từ đó cho phép xác định quy luật truyền nhiệt giữa bề mặt sản phẩm và môi trường qua công thức cụ thể.
(2.2) Điều kiện biên ban đầu của hệ phương trình vi phân là trường nhiệt độ trong thực phẩm đồng đều nhau và bằng nhiệt độ môi trường không khí:
Tổng hợp phương trình vi phân dẫn nhiệt của Fourier cho phép chúng ta phân tích sự phân bố nhiệt độ trong lòng sản phẩm và thời gian cấp đông, đồng thời áp dụng các điều kiện biên để đạt được kết quả chính xác.
Phương pháp giải tích xem quá trình chuyển pha là lý tưởng, trong đó sự chuyển pha và giải phóng nhiệt ẩn diễn ra ở nhiệt độ điểm băng không đổi, ký hiệu là t f Bên cạnh đó, giữa vùng đóng băng và vùng chưa đóng băng tồn tại một bề mặt phân pha, trong đó các thông số nhiệt vật lý được coi là hằng số.
Phương pháp giải tích phổ biến nhất cho bài toán lạnh đông là phương trình Plank, còn được biết đến với tên gọi phương pháp giả ổn định Thời gian cấp đông, τ plank, được xác định khi bề mặt phân pha đạt tới tâm sản phẩm.
P, R – là các hệ số hình học
• Tấm phẳng rộng vô hạn: P=1/2, R=1/8
• Hình trụ dài vô hạn: P=1/4, R=1/16 Q= P/4
Phương pháp giải tích truyền thống thường sử dụng các giả thuyết không phù hợp với tính chất vật lý thực tế của sản phẩm, dẫn đến kết quả tính toán thời gian cấp đông dựa trên nghiệm thuần túy của Plank có độ sai lệch lớn, đặc biệt với thực phẩm có cấu trúc phức tạp và hình dạng phi tiêu chuẩn, với sai số lên đến 50% Để khắc phục những nhược điểm này, nhiều nhà nghiên cứu đã cải tiến mô hình của Plank bằng cách bổ sung các hệ hiệu chỉnh, như được trình bày trong bảng 2.1.
Bảng 2.1 Công thức tính thời gian kết đông
STT Tác giả Công thức
1 tc mt mt kt e kt bd t t t t mC t t t q
Giả thuyết về quá trình chuyển pha cho rằng sự chuyển pha và giải phóng nhiệt ẩn trong quá trình đóng băng diễn ra ở nhiệt độ không đổi, với sự tồn tại của bề mặt phân pha giữa vùng đã đóng băng và chưa đóng băng Tuy nhiên, thực tế cho thấy quá trình kết đông xảy ra ở nhiệt độ thay đổi do sự phát triển của mầm tinh thể băng, và không có bề mặt phân pha tồn tại.
Đối với thực phẩm như cá hồi, việc xác định các thông số nhiệt vật lý gặp nhiều khó khăn, khiến việc áp dụng các mô hình để xác định gian cấp đông trở nên không khả thi Do đó, cần sử dụng phương pháp số để giải quyết các bài toán liên quan.
Phương pháp số để giải hệ phương trình bao gồm hai bước chính: đầu tiên, rời rạc hóa các miền liên tục để tạo ra các phương trình vi phân thường (ODE) tương ứng với các nút nhiệt độ; sau đó, giải bộ phương trình ODE bằng cách chuyển đổi phương trình vi phân thành phương trình đại số tuyến tính thông qua phép xấp xỉ sai phân Bộ phương trình vi phân thường có thể được biểu diễn dưới dạng ma trận.
T là vecto các nút nhiệt độ
C là ma trận nhiệt dung, bao gồm nhiệt dung riêng c; λ là ma trận dẫn nhiệt, bao gồm hệ số dẫn nhiệt λ; và f là ma trận nguồn nhiệt, bao gồm nguồn nhiệt bên trong và dòng nhiệt từ biên.
Phương pháp sai phân hữu hạn
Phương pháp SPHH là một trong những kỹ thuật phổ biến và hiệu quả nhất để giải quyết các bài toán liên quan đến vật thể có hình dạng đơn giản như tấm phẳng, hình trụ, hình cầu và hình hộp chữ nhật Trong quá trình giải, không gian và thời gian của bài toán được rời rạc hóa thông qua việc sử dụng các đường song song với các trục tọa độ để chia lưới Các giá trị nghiệm, chẳng hạn như nhiệt độ, áp suất và nồng độ, được giả định là tập trung tại nút trung tâm của từng ô lưới, trong khi giá trị nghiệm trong khu vực xung quanh nút không được xem xét.
Phương pháp SPHH đã chuyển đổi các phương trình vi phân đạm hàm riêng thành các phương trình đại số, tạo thành hệ phương trình địa số với n phương trình tương ứng với nhiệt độ của n nút cần tìm Độ chính xác của nghiệm trong phương pháp này có thể được cải thiện bằng cách tăng số nút Phương pháp sai phân hữu hạn rất hiệu quả trong việc giải quyết nhiều bài toán truyền nhiệt phức tạp mà phương pháp giải tích gặp khó khăn Tuy nhiên, khi đối mặt với vật thể có hình dạng bất quy tắc hoặc điều kiện biên bất thường, việc áp dụng phương pháp SPHH có thể gặp khó khăn.
Theo phương pháp SPHH, nhiệt độ tại các điểm nút được xác định như sau:
Từ phương trình vi phân dẫn nhiệt, chuyển về phương trình ma trận đặc trưng p 1 p i j i j i 1 j i 1 j i 1 j i j i 1 j
Phương pháp sai phân hữu hạn là một kỹ thuật đơn giản và dễ dàng lập trình, thích hợp cho việc giải các bài toán vi phân bậc 2 và cao hơn Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp này là khó áp dụng cho các vật thể có hình dạng phức tạp, do việc chia lưới không gian gặp nhiều khó khăn.
Phương pháp phần tử hữu hạn
Phương pháp PTHH là một kỹ thuật số để giải các bài toán mô tả bởi các phương trình vi phân đạo hàm riêng với điều kiện biên cụ thể Phương pháp này rời rạc miền nghiệm liên tục thành các miền con gọi là phần tử hữu hạn, với cấu trúc khác nhau tùy theo yêu cầu của bài toán Các phần tử này được liên kết chặt chẽ qua các nút, và việc tìm kiếm lời giải chính xác được thay thế bằng việc tìm dạng gần đúng tại các nút thông qua hàm xấp xỉ trên từng phần tử Hàm xấp xỉ này, được gọi là hàm đặc trưng của phần tử, có thể được xác định bằng phương pháp biến phân hoặc phương pháp số dư trọng số.
Theo phương pháp PTHH, nhiệt độ tại các điểm nút được xác định như sau:
Từ phương trình vi phân dẫn nhiệt, chuyển về phương trình ma trận đặc trưng:
là ma trận nhiệt dung riêng
là ma trận hệ số dẫn nhiệt
{f}[N] q dS[N] qdS[N] T dSlà ma trận phụ tải nhiệt
Nhiệt độ tại các điểm nút xác định bằng cách rời rạc phương trình ma trận đặc trưng theo thời gian có dạng tổng quát: p 1 p p
Xác định thời gian cấp đông bằng thực nghiệm
2.2.1 Xây dựng chế độ cấp đông
Trong nghiên cứu về quá trình cấp đông cá hồi, tác giả đã thiết lập các chế độ nhiệt độ khác nhau để đánh giá sự biến đổi thời gian cấp đông, bao gồm -25°C, -30°C, -35°C, -40°C và -45°C Mỗi chế độ được thực hiện ba lần để đảm bảo độ chính xác trong đánh giá, như thể hiện trong bảng 2.4 Kết quả cho thấy nhiệt độ cấp đông có ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ kết đông của cá hồi.
Bảng 2.4 Thông số các chế độ cấp đông cá hồi
Trong đó: W là chiều rộng của khối cá
F là thiết diện mặt tiếp xúc với dòng khí lạnh của khối cá
V là thể tích khối cá
Tc là nhiệt độ không khí cấp đông
2.2.2 Thiết bị dùng trong thí nghiệm cấp đông
2.2.2.1 Thiết bị cấp đông a Thiết bị cấp đông
Thiết bị Benary Refrigeration Trainer (Model KTE-5000LT) của hãng Kteng, sản xuất tại Hàn Quốc, được sử dụng để cấp đông cá hồi fillet Hệ thống này bao gồm tủ cấp đông ghép tầng, trong đó tầng 1 sử dụng môi chất R22.
2 sử dụng môi chất R404 Tủ cấp đông KTE – 5000 LT có khả năng tạo ra môi
23 trường có độ âm sâu là -60 o C, dải nhiệt độ thí nghiệm của thiết bị là -25 o C đến -
Tốc độ gió tối đa đạt được là 4,5 m/s, dải tốc độ gió thí nghiệm của thiết bị là 1,5m/s đến 4,5 m/s Khoang cấp đông của tủ có kích thước 360 mm x 360 mm x
360 mm, được cách nhiệt và cách ẩm tốt
Hình 2.7 Thiết bị cấp đông
Thiết bị này bao gồm:
Bảng điều khiển của hệ thống làm lạnh bao gồm các thiết bị quan trọng như NFB, công tắc bật tắt, đồng hồ đo Am-Vm, bộ rung, đèn (đỏ, xanh lục, cam), công tắc áp suất cao, công tắc từ, rơle, công tắc nhiệt và nút ấn, cùng với đầu vào nguồn Những thiết bị này phối hợp hoạt động để đảm bảo hệ thống làm lạnh chạy hiệu quả thông qua nhiều mạch điện.
Hệ thống cơ khí được chia thành hai chu trình tách biệt Chu kỳ 1 bao gồm máy nén, bình ngưng với động cơ quạt, bộ thu, máy sấy lọc, mắt gas, van điện từ và van tiết lưu tay Trong khi đó, chu kỳ 2 gồm máy nén, tầng, máy thu, máy sấy lọc, mắt gas, van điện từ, van giãn nở, thiết bị bay hơi có động cơ quạt, buồng lạnh, bình tích áp và đồng hồ đo áp suất cao Nguyên lý hoạt động của hệ thống này dựa trên sự tuần hoàn và xử lý khí trong các thiết bị khác nhau để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Nguyên lý của chu trình máy lạnh ghép tầng là kết hợp các chu trình lạnh đơn giản một cấp hoặc hai cấp, trong đó thiết bị bay hơi của tầng trên làm mát thiết bị ngưng tụ của tầng dưới Toàn bộ nhiệt thải ra từ thiết bị ngưng tụ ở tầng dưới cung cấp cho thiết bị bay hơi của tầng trên, do đó, phụ tải nhiệt của thiết bị ngưng tụ tầng dưới bằng với phụ tải nhiệt của thiết bị bay hơi tầng dưới Để đảm bảo sự truyền nhiệt hiệu quả, nhiệt độ ngưng tụ tầng dưới phải lớn hơn nhiệt độ bay hơi tầng trên.
Các tầng vận hành độc lập, dẫn đến sự khác biệt về môi chất giữa các tầng Môi chất ở tầng dưới có nhiệt độ đông đặc thấp hơn so với tầng trên Mỗi tầng có thể sử dụng máy lạnh nhiều cấp, và khi so sánh giữa hệ thống lạnh nhiều cấp và hệ thống lạnh nhiều tầng (mỗi tầng là một máy lạnh một cấp), máy lạnh ghép tầng cho độ lạnh sâu hơn Tuy nhiên, nếu thông số ở một tầng bị sai lệch, các tầng khác cũng sẽ bị ảnh hưởng.
Hình 2.8 Nguyên lý thiết bị cấp đông [10]
Nguyên lý hoạt động của thiết bị: Trong chu trình gồm 2 vòng tuần hoàn
Hình 2.9 Sơ đồ khối thiết bị cấp đông
Chu trình máy lạnh tầng dưới sử dụng môi chất lạnh R22, bắt đầu từ hơi tại trạng thái (1) được máy nén 1 hút vào, nén lên áp suất ngưng tụ tại trạng thái (2) Sau đó, hơi đi vào thiết bị trao đổi nhiệt, nhả nhiệt đẳng áp cho môi chất tầng trên và ngưng tụ thành lỏng cao áp tại trạng thái (3) Tiếp theo, sau khi đi qua thiết bị tiết lưu 1, áp suất và nhiệt độ giảm xuống trạng thái (4) Cuối cùng, môi chất vào thiết bị bay hơi để nhận nhiệt từ đối tượng cần làm lạnh, sôi hóa và trở lại trạng thái (1), tiếp tục chu trình.
Chu trình máy lạnh tầng trên sử dụng môi chất R23, bắt đầu bằng việc máy nén 2 hút hơi từ thiết bị bay hơi (trạng thái 1’) và nén lên áp suất ngưng tụ (trạng thái 2’) Sau đó, hơi đi vào thiết bị trao đổi nhiệt, nơi nhận nhiệt từ môi chất tầng dưới và ngưng tụ thành lỏng cao áp (trạng thái 3’) Tiếp theo, lỏng cao áp đi qua thiết bị tiết lưu 2 để giảm áp suất và nhiệt độ xuống trạng thái bay hơi (trạng thái 4) Cuối cùng, lỏng này vào thiết bị bay hơi, nhận nhiệt từ đối tượng cần làm lạnh, sôi hóa thành hơi và quay trở lại máy nén 1, tiếp tục chu trình.
2.2.2.2 Thiết bị đo nhiệt độ
Bộ đo nhiệt độ chuyển mạch bằng tay 8 đầu đo được sử dụng trong nghiên cứu có dải nhiệt độ từ -100 °C đến 100 °C Trong thí nghiệm, 3 đầu đo được dùng để đo nhiệt độ tại các vị trí: tâm, giữa tâm và bề mặt, cùng với việc thiết bị đã được hiệu chỉnh để đảm bảo độ chính xác Hình 2.10 minh họa thiết bị đo nhiệt độ đã được sử dụng trong thí nghiệm.
Hình 2.10 Thiết bị đo nhiệt độ
2.2.2.3 Thiết bị đo tốc độ gió
Thiết bị đo tốc độ gió được sử dụng trong nghiên cứu là thiết bị đo đa thông số không khí Schiltknecht MC20 của hãng Extech, có khả năng đo nhiệt độ, tốc độ và độ ẩm không khí Dải đo tốc độ gió của thiết bị là từ 0 đến 40 m/s, trong khi dải đo nhiệt độ không khí nằm trong khoảng -40°C đến 40°C Thiết bị đã được hiệu chỉnh để đảm bảo độ chính xác cao Hình 2.11 minh họa thiết bị đo tốc độ gió đã được sử dụng trong thí nghiệm.
Hình 2.11 Thiết bị đo tốc độ gió [11]
Để đảm bảo độ chính xác trong nghiên cứu thực nghiệm, việc đo và xác định trường tốc độ gió trong buồng cấp đông là rất cần thiết Bảng 2.5 dưới đây trình bày kết quả đo tốc độ gió trong buồng kết đông.
Bảng 2.5 Tốc độ gió trong phòng kết đông Điểm đo 1 2 3 4 5 6 7 8
Dựa vào kết quả tốc độ gió tối đa, chúng tôi xác định khu vực đặt các mẫu thực phẩm trong buồng cấp đông Tác giả đã thực hiện tính toán tốc độ gió trung bình xung quanh khối thực phẩm để đảm bảo hiệu quả đông lạnh.
2.2.3 Quy trình thực hiện cấp đông cá hồi
Quy trình thí nghiệm nghiên cứu quá trình cấp đông gió cho cá hồi fillet được miêu tả chi tiết như sau:
Mẫu thí nghiệm miếng cá hồi được chọn từ siêu thị với kích thước đồng đều Trước khi tiến hành thí nghiệm, miếng cá được để ở nhiệt độ phòng để đảm bảo nhiệt độ tại tâm và bề mặt gần như tương đương, với chênh lệch không vượt quá 1°C Để theo dõi quá trình cấp đông, miếng cá được gắn 3 cảm biến đo nhiệt độ: một ở bề mặt, một ở tâm (vị trí dày nhất) và một ở khoảng cách giữa tâm và bề mặt Hình 2.12 minh họa miếng cá trước khi đưa vào buồng cấp đông.
Hình 2.12 Miếng cá hồi được gắn cảm biến đo nhiệt độ
Để cấp đông cá hồi, nhiệt độ phòng được thiết lập ở -25 o C và duy trì ổn định Buồng cấp đông có kích thước 0,36m x 0,36m x 0,36m, trang bị 2 quạt cấp và hồi có đường kính 0,115m, với quạt cấp có tốc độ gió 4 m/s Trong quá trình cấp đông, dữ liệu nhiệt độ tại các điểm như tâm, bề mặt và giữa tâm với bề mặt được ghi lại mỗi phút Sau đó, miếng cá fillet được đưa vào buồng cấp đông và nhiệt độ cùng vận tốc gió trong buồng được giám sát liên tục.
Miếng cá hồi được đặt trên giá nhôm với kích thước 0,17 x 0,16 x 0,275 (m x m x m) trong buồng kết đông để giữ ổn định và tránh bị đung đưa bởi quạt cấp Khi nhiệt độ trung tâm đạt -18 oC, quá trình cấp đông sẽ được kết thúc và miếng cá cần được lấy ra ngay lập tức Thí nghiệm được thực hiện ở 5 chế độ nhiệt độ khác nhau (-25 oC, -30 oC, -35 oC, -40 oC, -45 oC) với các độ dày sản phẩm khác nhau, mỗi chế độ được lặp lại 3 lần.
Xác định thời gian cấp đông bằng mô phỏng
2.3.1 Đặt vấn đề mô phỏng quá trình cấp đông thực phẩm
Mô phỏng là nghiên cứu trạng thái của mô hình nhằm hiểu rõ hệ thống thực tế Quá trình này liên quan đến việc nghiên cứu trên vật thể nhân tạo để tái tạo hiện tượng cần quan sát và thực nghiệm Từ đó, người nghiên cứu có thể rút ra kết luận về các đặc tính kỹ thuật và quá trình biến đổi của đối tượng Vì vậy, mô phỏng được coi là cơ sở quan trọng trong quá trình thiết kế công nghệ.
Cấp đông thực phẩm là một quá trình phức tạp, yêu cầu nhiều thiết bị thí nghiệm hiện đại và tốn thời gian, công sức cũng như kinh phí để nghiên cứu Các thông số nhiệt vật lý của thực phẩm trong quá trình đông lạnh thay đổi theo nhiệt độ, và việc xác định các giá trị cũng như quy luật biến đổi này không hề đơn giản.
Hiện nay, sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật đã thúc đẩy việc ứng dụng công nghệ mô phỏng trong nghiên cứu và phát triển kỹ thuật Công nghệ này ngày càng trở nên phổ biến và đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả và độ chính xác của các quá trình nghiên cứu.
2.3.2 Vai trò của việc nghiên cứu mô phỏng quá trình lạnh đông
Trong quá trình làm lạnh và cấp đông thực phẩm, việc dự đoán thời gian cấp đông và theo dõi nhiệt độ của thực phẩm là rất quan trọng Giải quyết vấn đề dự đoán thời gian giúp nâng cao chất lượng chế biến, trong khi việc theo dõi nhiệt độ cho phép thiết kế hệ thống lạnh hợp lý, từ đó tiết kiệm năng lượng Tuy nhiên, việc đánh giá chất lượng quá trình chế biến lạnh trong điều kiện thực nghiệm không phải lúc nào cũng khả thi do sự đa dạng về đối tượng cấp đông và thiết bị sản xuất Do đó, cần kết hợp lý thuyết và thực nghiệm để xây dựng mô hình làm lạnh và cấp đông cho thực phẩm, một vấn đề đã được quan tâm nghiên cứu trong và ngoài nước trong nhiều thập kỷ qua.
Mô phỏng quá trình cấp đông thực phẩm mang một ý nghĩa hết sức quan trọng đối với ngành kỹ thuật như sau:
Việc áp dụng công nghệ mô phỏng giúp rút ngắn được thời gian nghiên cứu
Cắt giảm tối đa nguồn kinh phí bỏ ra để thực hiện nghiên cứu đề tài
Giải quyết được những bài toàn có độ chính xác cao
Mô tả lại quá trình hoạt đông, biến đổi của đối tượng mà không cần đến phòng thí nghiệm hay các nhà máy
Để xây dựng mô hình toán cho quá trình làm lạnh cấp đông thực phẩm, cần phát triển mô hình tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm dựa trên nhiệt độ Các thông số nhiệt vật lý này đóng vai trò quan trọng như các hệ số trong mô hình toán học, ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của kết quả.
Xác định tính chất nhiệt vật lý của đối tượng
Nước là thành phần chủ yếu trong hầu hết thực phẩm, ảnh hưởng lớn đến các tính chất vật lý nhiệt của chúng Theo Bảng 3 – ASHRAE 2010, hàm lượng nước trung bình (phần trăm theo khối lượng) của trái cây và rau quả thay đổi tùy thuộc vào giống cây, giai đoạn phát triển, điều kiện sinh trưởng và lượng ẩm mất sau thu hoạch Các giá trị trong bảng này chủ yếu áp dụng cho sản phẩm vừa thu hoạch Đối với thịt tươi, hàm lượng nước được ghi nhận tại thời điểm giết mổ hoặc sau giai đoạn lão hóa Đối với các sản phẩm chế biến hoặc bảo quản, hàm lượng nước sẽ phụ thuộc vào quy trình và loại sản phẩm cụ thể.
Nước là thành phần chủ yếu trong thực phẩm, và sự chuyển đổi từ nước lỏng sang băng ảnh hưởng lớn đến tính chất nhiệt vật lý của chúng Tính chất của nước và băng hoàn toàn khác nhau, do đó, việc dự đoán chính xác tỷ lệ băng trong thực phẩm theo nhiệt độ là rất quan trọng để xác định các đại lượng vật lý khác.
Để dự đoán tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm đông lạnh, việc xác định khối lượng nước đã kết tinh là rất quan trọng Phần khối lượng nước này phụ thuộc vào nhiệt độ và giảm dần dưới điểm đóng băng ban đầu Thực phẩm thường chứa nước, chất rắn hòa tan và chất rắn không hòa tan Khi nước lỏng đông lại, các chất rắn hòa tan trở nên đậm đặc hơn, dẫn đến việc giảm nhiệt độ đóng băng Mô hình dự đoán phần khối lượng nước đã kết tinh có thể được xây dựng dựa trên phương trình của Raoult.
Trong đó: xs = phần khối lượng chất rắn trong thực phẩm, %
Ms = khối lượng phân tử tương đối của chất rắn hòa tan, kg / kmol
R = hằng số khớ phổ = 8,14 kJ / (kg mol ã K)
T0 = điểm đóng băng của nước = 273,2 K
Nhiệt ẩn tan chảy của nước ở nhiệt độ 273,2 K là 333,6 kJ/kg Điểm đóng băng ban đầu của thực phẩm được ký hiệu là tf (°C), trong khi nhiệt độ thực phẩm được ký hiệu là t (°C) Khối lượng phân tử tương đối của các chất rắn hòa tan trong thực phẩm có thể được ước tính dựa trên các thông số này.
Trong đó 𝑥 𝑤𝑜 là phần khối lượng của nước trong thực phẩm không đông và
Theo Schwartzberg, 𝑥 𝑏 là phần khối lượng nước bị ràng buộc trong thực phẩm, tức là nước không có sẵn để đông lạnh do bị ràng buộc với các chất rắn Phần khối lượng nước này có thể được ước tính bằng công thức 𝑥𝑏 = 0,4𝑥𝑝, trong đó 𝑥𝑝 là phần khối lượng protein trong thực phẩm Việc thay thế phương trình 2.18 vào phương trình 2.17 sẽ tạo ra một phương pháp đơn giản để dự đoán phần băng, theo nghiên cứu của Miles.
Phương trình 2.20 không chính xác trong việc đánh giá phần băng ở nhiệt độ gần điểm đóng băng ban đầu và có xu hướng đánh giá quá cao băng ở nhiệt độ thấp Để khắc phục điều này, Tchigeov [1,28] đã đề xuất một mối quan hệ thực nghiệm nhằm ước tính phần khối lượng của băng.
Fikiin [1,30] lưu ý rằng phương trình 2.21 áp dụng cho nhiều loại thực phẩm và cung cấp độ chính xác thỏa đáng
Mô hình hóa mật độ thực phẩm và đồ uống cần hiểu biết về độ xốp và khối lượng của các thành phần Mật độ có thể được tính toán dựa trên các yếu tố này, giúp cải thiện chất lượng và tính năng sản phẩm.
Trong đó, 𝜀 là độ xốp, xi là khối lượng của các thành phần thực phẩm,
Mật độ ρ của thành phần thực phẩm và độ xốp là yếu tố quan trọng trong việc mô hình hóa mật độ của các loại thực phẩm dạng hạt, như ngũ cốc và gạo, khi được lưu trữ với số lượng lớn Đối với các loại thực phẩm khác, các yếu tố này có thể không cần thiết Cụ thể, trong trường hợp cá hồi, giá trị ε được đặt bằng 0.
Nhiệt dung riêng là thước đo năng lượng cần thiết để thay đổi nhiệt độ của thực phẩm thêm một độ, và nó có vai trò quan trọng trong việc tính toán tải nhiệt cho thiết bị làm lạnh khi xử lý thực phẩm và đồ uống Đối với thực phẩm không đông, nhiệt dung riêng giảm nhẹ khi nhiệt độ tăng từ 0 °C đến 20 °C Trong khi đó, với thực phẩm đông lạnh, nhiệt dung riêng tăng đáng kể tại điểm đóng băng ban đầu, sau đó giảm dần khi nhiệt độ tiếp tục hạ xuống Bảng 3 chương 19– ASHRAE 2010 cung cấp các giá trị nhiệt dung riêng cụ thể của nhiều loại thực phẩm ở cả trạng thái trên và dưới điểm đóng băng.
- Thực phẩm không đóng băng:
Nhiệt dung riêng của thực phẩm ở nhiệt độ trên điểm đóng băng có thể tính toán từ khối lượng trung bình của các thành phần Cụ thể, nhiệt dung riêng của cua thực phẩm không đông được xác định bằng công thức: u i i c c x, trong đó ci là nhiệt dung riêng của từng thành phần và xi là phần khối lượng tương ứng Chen đã đề xuất một mô hình đơn giản hơn để tính toán nhiệt dung riêng của thực phẩm không đông Nếu không có dữ liệu chi tiết về thành phần, có thể áp dụng biểu thức khác để xác định nhiệt dung riêng này.
Trong đú cu là nhiệt dung riờng của thực phẩm khụng đụng trong (kJ / kgãK) và xs là phần khối lượng của chất rắn trong thực phẩm
Dưới điểm đóng băng của thực phẩm, cần xem xét nhiệt hiện từ sự thay đổi nhiệt độ và nhiệt ẩn từ quá trình đóng băng Do nhiệt ẩn không được giải phóng ở nhiệt độ không đổi mà trong một phạm vi nhiệt độ, việc tính toán hiệu ứng của cả nhiệt hiện và nhiệt ẩn đòi hỏi sử dụng nhiệt dung riêng cụ thể rõ ràng Theo Schwartzberg [1,22], một phương pháp phổ biến để dự đoán nhiệt dung riêng cụ thể rõ ràng của thực phẩm là
Trong bài viết này, chúng ta sẽ đề cập đến các yếu tố quan trọng liên quan đến nhiệt dung riêng của thực phẩm và nước Cụ thể, ca đại diện cho nhiệt dung riêng của thực phẩm, được tính bằng kJ/kg.K, trong khi cu là nhiệt dung riêng của thực phẩm ở điểm đóng băng, cũng được đo bằng kJ/kg.K Bên cạnh đó, xb là khối lượng phân tử của nước bao quanh thực phẩm, tính theo tỷ lệ phần trăm, và xwo là khối lượng phân tử của nước ở điểm đóng băng, cũng được biểu thị bằng phần trăm Những thông số này đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu và tối ưu hóa quá trình bảo quản thực phẩm.
∆c: chênh lệch nhiệt dung riêng của nước và băng = 𝑐 𝑤 − 𝑐 𝑖𝑐𝑒
E: tỷ lệ khối lượng phân tử tương đối của nước Mw và chất rắn thực phẩm 𝑀 𝑠
R: hằng số chất khi = 8.314 kJ/(kg.mol.K)
T0: nhiệt độ đóng băng của nước = 273.2K
Mw: khối lượng phân tử tương đối, kg/kmol t: nhiệt độ của thực phẩm, o C
Nhiệt dung riêng của thực phẩm ở nhiệt độ dưới điểm đóng băng có thể được tính toán bằng các phương trình 2.23 hoặc 2.24 Schwartzberg [1] đã đề xuất một phương pháp thay thế để xác định nhiệt dung riêng rõ ràng của thực phẩm trong điều kiện này.
Nhiệt dung riêng của thực phẩm đông lạnh hoàn toàn thường được xác định ở nhiệt độ -40 o C Nhiệt độ đóng băng của nước là 0 o C, trong khi nhiệt độ đóng băng ban đầu của thực phẩm được ký hiệu là tf, và nhiệt độ thực phẩm hiện tại được ký hiệu là t, cả đều được đo bằng độ C.
Lo: nhiệt ẩn tan chảy của nước 33.6 kJ/kg
Các giá trị thực nghiệm nhiệt dung riêng của thực phẩm đông lạnh hoàn toàn được nêu trong Bảng 3 chương 19 – ASHRAE 2010:
Mô hình nhiệt của Chen, một phiên bản mở rộng từ phương trình Siebel, đơn giản hơn mô hình của Schwartzberg và được phát triển để cải thiện độ chính xác trong tính toán nhiệt dung riêng.
Trong đó, ca: nhiệt dung riêng, kJ/kg.K xs: khối lượng chất rắn, %
To: nhiệt độ đóng băng của nước = 273,15 K
Ms: khối lượng phân tử tương đối của chất rắn hòa tan trong thực phẩm t: nhiệt độ thực phẩm, o C