Sấy là quá trình sử dụng nhiệt để làm giảm hàm lượng ẩm có trong nguyên liệu dựa trên động lực của quá trình là sự chênh lệch áp suất hơi riêng phần của nước trên bề mặt nguyên liệu và môi trường xung quanh. Trong quá trình sấy, nước di chuyển từ nguyên liệu ra môi trường xung quanh được chia ra làm hai quá trình: nước khuếch tán từ bên trong nguyên liệu ra bề mặt của nguyên liệu do sự chênh lệch về hàm lượng ẩm bên trong và bề mặt; và sự khuếch tán của nước từ bề mặt nguyên liệu ra môi trường xung quanh do sự chênh lệch về áp suất hơi riêng phần của hơi nước.
TỔNG QUAN VỀ SẤY VẬT LIỆU ẨM
Tổng quan về phương pháp sấy
Sấy là quá trình sử dụng nhiệt để giảm độ ẩm trong nguyên liệu, dựa trên sự chênh lệch áp suất hơi nước giữa bề mặt nguyên liệu và môi trường xung quanh Trong quá trình này, nước di chuyển từ bên trong nguyên liệu ra ngoài, bao gồm hai giai đoạn: nước khuếch tán từ bên trong ra bề mặt do chênh lệch độ ẩm, và nước khuếch tán từ bề mặt ra môi trường xung quanh do sự chênh lệch áp suất hơi riêng phần.
1.1 Mục đích của quá trình sấy:
- Giảm khối lượng nguyên liệu.
- Giảm chi phí chuyên chở đồng thời tăng giá trị cảm quan cho sản phẩm.
- Ức chế hoặc tiêu diệt vi sinh vật gây hư hỏng thực phẩm.
- Kéo dài tuổi thọ thực phẩm nhờ giảm hoạt độ nước.
- Hạn chế sự hoạt động của enzyme không mong muốn trong thành phần hóa học của thực phẩm.
1.2 Các giai đoạn trong quá trình sấy:
Trong giai đoạn đốt nóng vật liệu, nhiệt độ của vật liệu ẩm sẽ từ từ tăng cho đến khi đạt đến nhiệt độ kế ước Giai đoạn này thường diễn ra nhanh chóng và độ ẩm của nguyên liệu giảm đi không đáng kể.
Giai đoạn sấy đẳng tốc là quá trình trong đó nước trong nguyên liệu hóa hơi mà không làm thay đổi nhiệt độ, dẫn đến việc cung cấp nhiệt để hóa hơi nước Trong giai đoạn này, độ ẩm của nguyên liệu giảm theo dạng tuyến tính theo thời gian sấy, chủ yếu là nước tự do Tốc độ sấy trong giai đoạn này giữ hằng số, và lý thuyết cho rằng giai đoạn sấy đẳng tốc sẽ kéo dài cho đến khi độ ẩm của nguyên liệu đạt tới độ ẩm tới hạn.
Trong giai đoạn sấy giảm tốc, nước tự do trong nguyên liệu đã hoàn toàn bay hơi, chỉ còn lại nước liên kết Năng lượng cần thiết để bay hơi nước liên kết lớn hơn so với nước tự do và tăng lên khi độ ẩm giảm Do đó, tốc độ bay hơi ẩm trong giai đoạn này giảm dần theo thời gian Khi độ ẩm của nguyên liệu không thể giảm thêm nữa, quá trình sấy được coi là kết thúc.
Phân loại: dựa vào tính chất lý học, người ta chia vật liệu ẩm thành 3 loại:
Vật liệu keo có tính dẻo do cấu trúc hạt, với nước tồn tại dưới dạng liên kết hấp thụ hoặc thẩm thấu Các vật liệu này thường co lại nhiều sau khi sấy nhưng vẫn duy trì được tính dẻo Một số ví dụ điển hình của vật liệu keo bao gồm gelatin, sản phẩm từ bột nhào và tinh bột.
Vật liệu xốp mao dẫn chứa nước ở dạng liên kết cơ học nhờ áp lực mao quản, hay còn gọi là lực mao dẫn Những vật liệu này thường không co lại sau khi sấy, nhưng lại dễ bị vỡ vụn Ví dụ điển hình của loại vật liệu này bao gồm muối ăn và đường tinh thể.
Vật liệu keo xốp mao dẫn là sự kết hợp giữa tính chất của vật liệu xốp và các vật liệu keo Cấu trúc của chúng có tính mao dẫn, với các thành mao dẫn dẻo, có khả năng trương lên khi hút ẩm và co lại khi sấy khô Loại vật liệu này chiếm tỷ lệ lớn trong tự nhiên, bao gồm các sản phẩm như ngũ cốc, họ đậu, bánh mì và rau quả.
Trạng thái của nước trong vật liệu ẩm:
Trong thực phẩm, nước có thể ở dạng tự do hay liên kết.
Nước tự do là loại nước có mặt trong các thành phần tế bào, khoảng gian bào và mạch dẫn, không bị hấp thụ bởi các phần tử tích điện hay liên kết hóa học Loại nước này có khả năng dễ dàng bị loại bỏ trong quá trình sấy.
- Nước liên kết: gồm 3 dạng
Nước liên kết hóa học là loại nước gắn chặt với nguyên liệu, thường tồn tại dưới dạng nước hydrate Loại nước này chỉ được tách ra khi có phản ứng hóa học và thường yêu cầu nhiệt độ cao để thực hiện Khi nước liên kết bị tách ra, tính chất vật lý và hóa học của vật liệu sẽ thay đổi.
•Nước hấp phụ: độ bền liên kết trung bình, thường thấy nhất là liên kết hydro.
•Nước liên kết mao quản: là dạng liên kết yếu Nước từ bên ngoài theo các mao quản xâm nhập vào bên trong nguyên liệu.
1.4 Phân loại sấy: gồm hai nhóm chính
Sấy tự nhiên là phương pháp phơi vật liệu ẩm ngoài trời, sử dụng bức xạ mặt trời và độ ẩm thoát ra ngoài không khí, thường được hỗ trợ bởi gió tự nhiên Phương pháp này có ưu điểm như đơn giản, vốn đầu tư thấp, và bề mặt trao đổi lớn, nhưng cũng gặp phải nhược điểm như khó cơ giới hóa, chi phí lao động cao, cường độ sấy không cao, chất lượng sản phẩm chưa đảm bảo, và yêu cầu diện tích mặt bằng lớn.
Sấy nhân tạo là quá trình sử dụng thiết bị để loại bỏ độ ẩm khỏi vật liệu, với nhiều phương pháp khác nhau Dựa vào cách cung cấp nhiệt, sấy nhân tạo có thể được phân loại thành các loại khác nhau.
• Phương pháp sấy đối lưu: là phương pháp sấy cho tiếp xúc trực tiếp vật liệu sấy với tác nhân sấy là không khí nóng, khói lò…
• Phương pháp sấy hồng ngoại: là phương pháp sấy dùng năng lượng của tia hồng ngoại do nguồn nhiệt phát ra truyền cho vật liệu sấy.
Phương pháp sấy tiếp xúc là kỹ thuật sấy mà trong đó tác nhân sấy không tiếp xúc trực tiếp với vật liệu, mà truyền nhiệt gián tiếp qua một vách ngăn.
Phương pháp sấy bằng điện trường dòng cao tầng sử dụng năng lượng điện trường với tần số cao để làm nóng đồng đều toàn bộ chiều dày của lớp vật liệu.
Phương pháp sấy thăng hoa là kỹ thuật sấy hiệu quả, diễn ra trong môi trường chân không với áp suất và nhiệt độ thấp Quá trình này làm cho nước tự do trong vật liệu đóng băng và chuyển trực tiếp từ trạng thái rắn sang hơi, giúp bảo toàn chất lượng sản phẩm.
Trong các phương pháp kể trên phương pháp sấy đối lưu, bức xạ và tiếp xúc được dùng rộng rãi hơn cả, nhất là phương pháp sấy đối lưu
Các phương pháp sấy được thực hiện trong nhiều loại thiết bị khác nhau, bao gồm sấy đối lưu với các thiết bị như sấy buồng, sấy hầm, sấy băng tải, sấy kiểu tháp, sấy thùng quay, sấy tầng sôi và sấy thổi kiểu khí động Phương pháp sấy bức xạ sử dụng thiết bị sấy bức xạ với nguyên liệu khí hoặc dây điện trở Trong khi đó, phương pháp sấy tiếp xúc có thể được thực hiện qua các thiết bị như sấy tiếp xúc với bề mặt nóng, sấy tiếp xúc kiểu tay quay và sấy tiếp xúc chất lỏng.
Các thiết bị sấy
Sấy đối lưu được phân thành hai loại chính: sấy động, khi vật liệu sấy di chuyển theo dòng khí, và sấy tĩnh, khi vật liệu sấy đứng yên trong khi dòng khí di chuyển qua Ngoài ra, không khí nóng có thể di chuyển theo nhiều hướng khác nhau: cùng chiều, ngược chiều hoặc cắt ngang so với dòng chuyển động của sản phẩm.
Bảng 1 So sánh các hình thức chuyển động khác nhau của tác nhân sấy. a) Thiết bị sấy với nguyên liệu tĩnh:
Khi đó, dòng tác nhân sấy sẽ được thổi song song hay vuông góc với bề mặt nguyên liệu
Thiết bị sấy thùng (bin dryer):
Thiết bị sấy có hình dạng hộp chữ nhật hoặc hình trụ nằm ngang, bên trong chứa tấm lưới để dàn đều nguyên liệu cần sấy Tác nhân sấy được nạp từ dưới tấm lưới, di chuyển qua lớp nguyên liệu theo hướng vuông góc với bề mặt và thoát ra ngoài với tốc độ khoảng 0,5 m/s Thiết bị này có giá thành thấp, cấu trúc đơn giản và dễ vận hành, thường được sử dụng để sấy rau tươi ở giai đoạn cuối sau khi nguyên liệu đã được sấy sơ bộ xuống độ ẩm 15% trong các thiết bị sấy khác.
Hình 1 Thiết bị sấy thùng.
Thiết bị sấy khay (tray dryer):
Hình 2 Thiết bị sấy khay.
Thiết bị sấy có hình dạng hộp chữ nhật với các khay xếp song song theo phương nằm ngang, cho phép chiều cao nguyên liệu sấy từ 2-6 cm Không khí nóng được thổi vào bên trong thiết bị theo hướng song song với bề mặt nguyên liệu, với tốc độ dòng tác nhân sấy khoảng 0,5-5,0 m/s Với cấu tạo đơn giản, thiết bị này dễ vận hành và có chi phí đầu tư thấp.
Thiết bị sấy hầm (tunnel dryer)
Thiết bị sấy có hình dạng hộp chữ nhật, với nguyên liệu được đặt trên các giàn có bánh xe để dễ dàng di chuyển Việc nhập và tháo nguyên liệu được thực hiện bằng cách đẩy các giàn xe vào hoặc ra khỏi hầm sấy Tác nhân sấy được thổi theo hướng song song với chiều dài hoặc chiều rộng của hầm, giúp tối ưu hóa quá trình sấy.
Hình 3 Thiết bị sấy hầm. b) Thiết bị sấy với lớp nguyên liệu chuyển động tương đối
Thiết bị hoạt động theo phương pháp liên tục Thiết bị ở dạng băng tải, dạng tháp hay dạng đĩa.
Thiết bị sấy với lớp nguyên liệu chuyển động tương đối có cấu trúc tương tự như thiết bị sấy hầm, nhưng bên trong có một hoặc nhiều băng tải Băng tải có chiều rộng lên đến 3m và chiều dài 20m, giúp nguyên liệu được đặt trên đó di chuyển khi băng tải hoạt động Dòng tác nhân sấy có thể di chuyển cùng chiều, ngược chiều hoặc kết hợp, tạo điều kiện tối ưu cho quá trình sấy.
Khi sử dụng thiết bị sấy băng tải, sản phẩm có thể vẫn giữ độ ẩm cao từ 10-20% sau khi ra khỏi máy Để đạt được độ ẩm mong muốn, các nhà sản xuất có thể áp dụng thiết bị sấy thùng để tiếp tục quá trình sấy Thiết bị này hoạt động hiệu quả trong việc sấy nguyên liệu ở trạng thái xáo trộn, giúp giảm độ ẩm một cách đồng đều.
Thiết bị sấy thùng quay
Hình 5 Thiết bị sấy thùng quay.
Thiết bị sấy dạng hình trụ nằm ngang có khả năng xoay quanh trục nhờ bộ truyền bánh răng, bên trong có các cánh đảo Thùng sấy được đặt nghiêng khoảng 5 độ từ đầu nhập liệu đến tháo liệu, giúp nguyên liệu bên trong được nâng lên và đổ xuống trong quá trình quay, đồng thời chuyển động tịnh tiến từ nhập đến tháo liệu Ưu điểm của thiết bị này là quá trình sấy diễn ra đều đặn với cường độ sấy cao, tuy nhiên, nhược điểm là vật liệu dễ bị gãy vụn và tạo ra bụi.
Thiết bị sấy tầng sôi
Hình 6 Thiết bị sấy tầng sôi.
Nguyên liệu sấy có thể ở dạng hạt hoặc bột, và trong phương pháp sấy tầng sôi, nguyên liệu được giữ ở trạng thái lơ lửng nhờ dòng tác nhân sấy, giúp tăng diện tích tiếp xúc và làm ẩm bốc hơi nhanh chóng Thiết bị sấy có tấm lưới hỗ trợ nguyên liệu và phân bố tác nhân sấy đều, đồng thời tạo ra các dòng không khí nóng để duy trì trạng thái lơ lửng trong quá trình sấy Phương pháp này có ưu điểm là cường độ sấy lớn, dễ dàng điều chỉnh nhiệt độ và cho phép nguyên liệu khô đều.
Thiết bị sấy phun là công nghệ được sử dụng để chuyển đổi nguyên liệu ở dạng lỏng hoặc huyền phù thành bột Phương pháp này ngày càng trở nên phổ biến trong việc sấy các sản phẩm như sữa bột, bột rau quả, trà hòa tan, cà phê hòa tan, bột trứng và nhiều sản phẩm khác.
Cường độ sấy trong thiết bị này tỉ lệ thuận với bề mặt tiếp xúc giữa chất lỏng và tác nhân sấy, với đường kính giọt sương từ 10 đến 60μ Nhiệt độ dòng khí có thể đạt 75°C, phụ thuộc vào tính chịu nhiệt của vật liệu Dòng khí ra khỏi thiết bị sấy cần qua hệ thống cyclon để thu hồi bụi sản phẩm Thiết bị này nổi bật với khả năng sấy nhanh, cho ra sản phẩm ở dạng bột mịn Nhờ vào quá trình sấy nhanh, nhiệt độ vật liệu không tăng cao, cho phép sấy các loại vật liệu không chịu nhiệt độ cao Hơn nữa, chi phí vận hành thấp và tháp sấy có năng suất lớn.
Nhược điểm của thiết bị sấy này bao gồm kích thước phòng sấy lớn và vận tốc tác nhân sấy nhỏ, dẫn đến cường độ sấy chỉ đạt từ 2 đến 25 kg/h.m³ Điều này không chỉ tiêu tốn nhiều năng lượng mà còn làm cho thiết bị trở nên phức tạp, đặc biệt là ở cơ cấu phun bụi và hệ thống thu hồi bụi sản phẩm.
Hình 7 minh họa các dạng cơ cấu phun sương, bao gồm: a) cơ cấu phun một dòng; b) cơ cấu phun hai dòng (phun khí động); và c) cơ cấu phun ly tâm với các rãnh thoát có hình tròn, hình chữ nhật và hình oval.
Hình 8 Hệ thống thiết bị sấy phun.
Phương pháp sấy tiếp xúc thường được thực hiện bằng thiết bị sấy trục hoặc sấy đĩa Việc sử dụng môi trường chân không có thể giúp tăng tốc độ sấy và giảm nhiệt độ sấy nguyên liệu.
Hình 9 Thiết bị sấy tiếp xúc
4- Cửa kết nối với hệ thống chân không. a) thiết bị sấy một trục (áp suất thường); b) thiết bị sấy hai trục (áp suất thường); c) thiết bị sấy một trục (chân không). Ưu điểm chính so với sấy đối lưu:
+ Không cần thiết phải đun nóng lượng lớn không khí trước khi sấy do đó hiệu quả nhiệt cao hơn
+ Quá trình sấy có thể thực hiện không cần sự có mặt của oxy nên các thành phần dễ bị oxy hoá của nguyên liệu được bảo vệ.
Sấy bức xạ là phương pháp sử dụng năng lượng từ tia hồng ngoại (bước sóng 760 - 1000μm) để làm nóng nguyên liệu, giúp tăng nhiệt độ của chúng Trong quá trình này, nguyên liệu hấp thu năng lượng và ẩm sẽ được thải ra môi trường qua hiện tượng đối lưu Tuy nhiên, trong quá trình sấy, xuất hiện gradient nhiệt lớn giữa bề mặt và tâm mẫu, với nhiệt độ bề mặt có thể cao hơn từ 20 – 50 độ C so với tâm mẫu Gradient nhiệt này ngược chiều với gradient ẩm, gây khó khăn cho việc khuếch tán ẩm từ tâm ra bề mặt, ảnh hưởng đến cấu trúc và chất lượng sản phẩm sau sấy.
Tổng quan về nguyên liệu
Khoai lang (Ipomoea batatas L.) là một loại cây thuộc họ Convolvulaceae, có nguồn gốc từ khu vực nhiệt đới châu Mỹ và đã được trồng cách đây hơn 5.000 năm Loại cây này đã được phổ biến từ rất sớm, đặc biệt là ở khu vực Caribe Vào năm 1492, Christopher Columbus đã phát hiện khoai lang trồng ở Hispaniola và Cuba trong chuyến hành trình đầu tiên của ông đến Châu Mỹ Kể từ đó, khoai lang đã lan rộng không chỉ ở Châu Mỹ mà còn ra khắp thế giới Hiện nay, khoai lang được trồng rộng rãi ở các khu vực nhiệt đới và ôn đới ấm, nơi có đủ lượng nước để hỗ trợ sự phát triển của nó.
Khoai lang là loại củ không có lõi Dọc thân củ có hệ thống xơ nối ngọn với đuôi củ Cấu tạo gồm ba phần:
Vỏ ngoài của củ chiếm 1% trọng lượng, bao gồm các tế bào chứa sắc tố, chủ yếu là cellulose và hemicellulose Vai trò chính của vỏ là bảo vệ củ khỏi các tác động bên ngoài và hạn chế sự bay hơi nước trong quá trình bảo quản.
- Vỏ cùi: chiếm 5-12% gồm những tế bào chứa tinh bột, nguyên sinh chất và dịch thể. Hàm lượng tinh bột ở vỏ ít hơn ở phần thịt.
- Thịt củ: gồm các tế bào nhu mô có chứa tinh bột, hợp chất nitơ và một số nguyên tố vi lượng
Khoai lang được chia làm nhiều loại như:
Khoai lang trắng: loại to, vỏ trắng, ruột trắng hay vàng sẫm, nhiều bột.
Khoai lang nghệ, khoai lang bí: củ dài, vỏ đỏ, ruột vàng hay vàng tươi.
Khoai lang tím: vỏ tím, ruột tím.
Thành phần hóa học trong khoai lang:
Bảng 2 Thành phần hóa học của khoai lang.
Glucid là thành phần chính của chất khô trong củ, chiếm 80-90% tổng lượng chất khô, chủ yếu bao gồm tinh bột và đường Ngoài ra, còn có các hợp chất khác như pectin và hemicellulose, tuy nhiên, chúng chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ Tỷ lệ glucid có thể biến động tùy thuộc vào giống củ, độ chín, cũng như thời gian bảo quản và chế biến.
Trong quá trình sinh trưởng và phát triển, glucid biến đổi không ngừng từ dạng này sang dạng khác.
Tinh bột là thành phần quan trọng nhất của glucid, chiếm 60-70% chất khô trong khoai lang Hạt tinh bột có hình đa diện và hàm lượng của nó phụ thuộc vào các yếu tố như điều kiện canh tác và lai giống Tinh bột thường chiếm từ 17-24% trọng lượng củ khoai lang, và khi khoai chín, hàm lượng tinh bột tăng lên, với khoảng 13-23% amylose và 77-78% amylopectin.
Khoai lang chứa các loại đường chủ yếu như glucose, fructose, saccharose và maltose, với hàm lượng đường dao động từ 5-10% trọng lượng Giống khoai lang là yếu tố ảnh hưởng lớn nhất đến hàm lượng đường, bên cạnh đó, thời gian bảo quản và thu hoạch cũng đóng vai trò quan trọng.
Khoai lang có hàm lượng protein khoảng 5% trong chất khô, tuy nhiên mức độ này có thể thay đổi tùy thuộc vào giống khoai, điều kiện canh tác và môi trường.
Khoai lang không chỉ chứa một lượng vitamin C đáng kể mà còn cung cấp nhiều vitamin khác như B1, B2, B6, B5 và B9 Đặc biệt, các giống khoai ruột vàng còn chứa caroten, một chất dinh dưỡng quan trọng Ngoài ra, khoai lang còn là nguồn cung cấp chất xơ và các khoáng chất cần thiết cho cơ thể.
Một số công dụng mà khoai lang mang lại:
+ Tốt cho người bệnh tiểu đường.
+ Chống lại các gốc tự do.
+ Giúp mắt sáng, da khỏe.
+ Giảm nguy cơ ung thư vú.
+ Điều trị bệnh loét dạ dày.
+ Kích thích tiêu hóa, chữa táo bón. + Phòng bệnh xương khớp.
Trong điều kiện nhiệt độ cao, hoạt động sinh lý của củ khoai diễn ra mạnh mẽ, dẫn đến tiêu hao tinh bột nhanh chóng Vỏ khoai mỏng và bảo vệ kém khiến củ dễ bị sây sát và thối, tạo điều kiện cho sâu hại xâm nhập, gây hiện tượng khoai hà và thối rỗng, đồng thời tạo môi trường thuận lợi cho nấm mốc phát triển Để bảo quản khoai lang tươi lâu, nông dân thường áp dụng một số biện pháp hiệu quả.
Để bảo quản khoai hiệu quả, cần đào hầm sâu dưới đất ở vị trí cao ráo, sạch sẽ và không có nước ngầm Hầm phải được thiết kế theo kiểu lòng chum, có nắp đậy kín và rãnh thoát nước Sau khi đào, hầm cần được để khô trước khi chứa khoai, và nên cho khoai vào hầm vào những ngày khô ráo, đồng thời cẩn thận trong quá trình vận chuyển Trong tháng đầu tiên, nên mở nắp hầm 1-2 lần để thoát nhiệt, tránh tình trạng bốc nóng Nếu độ ẩm trong hầm quá cao, cần sử dụng chất hút ẩm để duy trì điều kiện bảo quản tốt nhất.
Để bảo quản khoai, cần chọn vị trí hầm bán lộ thiên ở nơi cao ráo, khô ráo và không có mạch nước ngầm Hầm nên được đào sâu hơn 1 mét, với bức tường đất xung quanh miệng hầm và cửa ra vào để lên xuống Hầm phải có nắp đậy kín và mái che để cách ly với môi trường, giúp khoai được bảo quản lâu hơn.
Phương pháp bảo quản bằng cách ủ cát khô là một lựa chọn đơn giản và dễ thực hiện, tương tự như việc bảo quản trong hầm kín Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là không hoàn toàn kín, do đó vẫn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và độ ẩm bên ngoài Để bảo quản hiệu quả khi để ngoài trời, cần xây dựng lán che mưa nắng.
Khoai lang có thể được bảo quản trong điều kiện thoáng mát trong khoảng thời gian 10-15 ngày Để bảo quản hiệu quả, cần chọn những củ khoai có chất lượng tốt, đều nhau và xếp thành từng đống hoặc luống Nơi bảo quản nên cao ráo, thoáng mát, tránh ánh nắng trực tiếp và không có mưa dột.
Bảo quản khoai lang trong thời gian dài gặp nhiều khó khăn, vì vậy để nâng cao hiệu quả sử dụng, chúng ta có thể chế biến khoai lang thành các sản phẩm khác nhau như khoai lang sấy dẻo và mứt khoai lang.
Mục đích thí nghiệm
Khảo sát quá trình sấy thực nghiệm để:
- Xây dựng đường cong sấy để mô tả động học cho quá trình sấy, trên cơ sở đó cho phép xác lập chế độ công nghệ quá trình sấy:
W =f ( t ) Với: W: độ ẩm vật liệu sấy (%) t: thời gian sấy (h)
- Xây dựng đường cong tốc độ sấy: u=− GdW
F dt = f (W ) Với: u: tốc độ sấy (kg/(m 2 h))
G: khối lượng vật liệu sấy (kg) W: độ ẩm vật liệu sấy (%)
- Xác định các thông số sấy: tốc độ sấy đẳng tốc, độ ẩm tới hạn, độ ẩm cân bằng, thời gian sấy đẳng tốc và giảm tốc.
- Xác định được tính chất keo hay xốp của vật liệu
- Chỉ ra ưu, nhược điểm của từng phương pháp sấy từ đó chọn lựa phương pháp sấy sao cho phù hợp với từng loại vật liệu sấy.
Dụng cụ - Thiết bị thí nghiệm
Tiến hành thí nghiệm
Chọn củ khoai lang tươi, kích thước đồng đều và không bị lồi lõm để dễ dàng cắt Sau khi rửa sạch và gọt vỏ, khoai lang được cắt thành những lát có kích thước trung bình 30mm x 20mm x 2mm.
Cắt thành các miếng có kích thước giống nhau
Hình 15 Khoai lang sau khi cắt thành các miếng có kích thước giống nhau.
- Xác đinh độ ẩm ban đầu
Chuẩn bị đĩa petri chịu nhiệt, rửa sạch và sấy khô ở nhiệt độ 100 - 105ºC cho đến khi đạt khối lượng không đổi Cắt khoai lang thành những miếng nhỏ, cân để xác định khối lượng ban đầu (m) Sau đó, cân đĩa petri cùng mẫu khoai lang để xác định khối lượng trước khi sấy (m1) Điều chỉnh nhiệt độ tủ sấy lên 105ºC và tiến hành sấy mẫu cùng đĩa petri cho đến khi khối lượng không đổi, kiểm tra khối lượng mỗi giờ Khi lấy mẫu ra khỏi tủ sấy, làm nguội trong bình hút ẩm khoảng 3 phút rồi cân lại, lặp lại quá trình sấy cho đến khi khối lượng không đổi.
Công thức: Độ ẩm (W, %) của khoai lang được tính theo công thức sau:
Trong đó: m: khối lượng khoai lang ban đầu (g) m1: khối lượng khoai lang ban đầu và đĩa petri (g) m2: khối lượng của khoai lang sau khi sấy và đĩa petri (g)
- Xác định độ ẩm vật liệu sấy biến thiên theo thời gian
Xác định độ biến thiên độ ẩm của vật liệu theo hai phương pháp sấy sau: sấy đối lưu (ở 70 o C), sấy hồng ngoại.
Các phương pháp được tiến hành theo các bước thí nghiệm như sau:
Xác định độ ẩm ban đầu của vật liệu sấy W0 (%);
Xác định khối lượng ban đầu của vật liệu sấy G0 (kg);
Bước 2: Lập bảng biến thiên để xây dựng đường cong sấy;
Bảng Độ ẩm vật liệu sấy biến thiên theo thời gian τ τ = 0 τ = τ1 τ = τj
Bước 3: Xác định độ ẩm của vật liệu sấy biến thiên theo thời gian sấy
Sau thời gian: τ = τj, đem mẫu cân xác điịnh được Gj (kg);
Tiến hành cân mẫu sau mỗi (10 - 12) phút.
Tiến hành tính toán và nhập kết quả vào bảng x.
Sấy đến khối lượng không đổi thì ngừng thí nghiệm
Bước 4: Xây dựng đường cong sấy
Xử lý số liệu thực nghiệm ở bảng x biến thiên độ ẩm vật liệu sấy theo thời gian sấy, để xác định đường cong sấy và mô phỏng đồ thị.
Phương trình trên được biểu diễn trên đồ thị như sau:
Hình 16 Đường cong sấy W = f(τ) +) Giai đoạn 1: đun nóng vật liệu sấy và làm bay hơi nước bề mặt, giai đoạn này dường cong sấy ở dạng phi tuyến
Giai đoạn 2 của quá trình sấy diễn ra khi nước bay hơi thông qua khuếch tán nội và khuếch tán ngoại đồng thời, tạo thành giai đoạn sấy đẳng tốc Trong giai đoạn này, đường cong sấy thể hiện dạng tuyến tính, cho thấy sự ổn định trong quá trình bay hơi.
Giai đoạn 3 của quá trình sấy là giai đoạn bốc hơi ẩm còn lại cho đến khi đạt được độ ẩm cân bằng Trong giai đoạn này, đường cong sấy thể hiện sự phi tuyến rất phức tạp.
Bước 5: Xây dựng đường cong sấy
Hình 17 Đường cong tốc độ sấy u = f(W)
Từ phương trình (1.5) lấy đạo hàm hai vế, rồi nhân tử cho G và nhân mẫu cho F, sẽ nhận được:
Với: F (m2) là diện tích trao đổi nhiệt của vật liệu sấy;
Sau khi thu thập số liệu thực nghiệm, các nhóm đã tiến hành vẽ đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy, đồng thời so sánh với đường cong lý thuyết Việc này giúp xác định nguyên nhân gây ra sai số trong quá trình thí nghiệm.
Kết quả - Nhận xét
Bảng 3 Độ ẩm vật liệu sấy (khoai lang) biến thiên theo thời gian bởi máy sấy đổi lưu.
STT Thời gian (phút) Khối lượng (g) Độ ẩm (%)
Khoai lang cắt thành nhiều miếng với độ ẩm ban đầu W0= 58.77%.
Sau 10 phút, tiến hành cân thu được G1= 10.74 và độ ẩm W1 được tính như sau:
Sau 10 phút cân mẫu, quá trình này sẽ được lặp lại cho đến khi khối lượng ổn định Sau 100 phút, mẫu đạt khối lượng không đổi là G10 = 5.22g, với độ ẩm W11 được xác định.
70 Đường cong sấy đối lưu thời gian ( phút ) độ ẩm (%)
Hình 18 Đường cong tốc độ sấy đối lưu
Từ đường cong sấy ta thấy:
Giai đoạn 1 của quá trình sấy là giai đoạn đun nóng vật liệu và làm bay hơi nước bề mặt, với đường cong sấy thể hiện dạng phi tuyến Phương trình mô tả quá trình này là y = -0.0059x² - 0.248x + 58.77, và giá trị R² = 1 cho thấy rằng phương trình đường cong sấy có tính chính xác cao và có thể được chấp nhận trong tính toán.
60 f(x) = − 0.00590000000000001 x² − 0.248 x + 58.77 R² = 1 đường cong sấy giai đoạn 1 thời gian (phút ) độ ẩ m (% )
Giai đoạn 2 của quá trình sấy diễn ra khi nước bay hơi thông qua khuếch tán nội và ngoại đồng thời Theo lý thuyết, giai đoạn này được gọi là sấy đẳng tốc, với đường cong sấy thể hiện dạng tuyến tính Phương trình thực tế cho giai đoạn này được xác định là y = -0.8724x + 68.754.
Với r² = 0,9992 cho thấy phương trình đường cong sấy (2) có ý nghĩa trong tính toán và có thể chấp nhận được
60 f(x) = − 0.8724 x + 68.754 R² = 0.999238612082992 đường cong sấy giai đoạn 2 thời gian (phút ) độ ẩ m (% )
Giai đoạn 3 trong quá trình sấy là giai đoạn bốc hơi ẩm còn lại cho đến khi đạt độ ẩm cân bằng, được gọi là sấy giảm tốc Đường cong trong giai đoạn này gần giống với lý thuyết, mặc dù đường cong sấy phi tuyến rất phức tạp Phương trình sấy thực tế của giai đoạn này được biểu diễn bằng công thức: y = 0.0057x² - 1.1117x + 62.522.
Với R² = 0,9727 cho thấy phương trình đường cong sấy (3) có ý nghĩa trong tính toán và có thể chấp nhận được
18 f(x) = 0.00570178571428574 x² − 1.11167500000001 x + 62.522285714286 R² = 0.972651602218443 đường cong sấy giai đoạn 3 thời gian (phút) độ ẩ m ( % )
Vì tốc độ sấy u= - GdW Fdt Diện tích trao đổi nhiệt của vật liệu sấy F= 3 x 2 = 6 (cm 2 )
Với G: khối lượng vật liệu sấy (kg)
F: diện tích bề mặt trao đổi nhiệt (m 2 )
Bảng 4 Tốc độ sấy đối lưu.
Khối lượng (g) Độ ẩm (%) Tốc độ sấy
1.4 Đường cong tốc độ sấy u=f(W)
Hình 19 Đồ thị đường cong tốc độ sấy u = f(W) Nhận xét đường cong tốc độ sấy so với lý thuyết
So sánh với đường cong tốc độ sấy theo lý thuyết
Trong giai đoạn 1 của quá trình sấy, lý thuyết cho rằng tốc độ sấy sẽ tạo thành một đường thẳng khi độ ẩm giảm dần Tuy nhiên, thực tế cho thấy tốc độ thoát ẩm không đồng đều và không tỷ lệ trực tiếp với sự giảm độ ẩm W Điều này dẫn đến việc đường cong tốc độ sấy thực tế không giống như đường thẳng theo lý thuyết ban đầu.
Trong giai đoạn 2, tốc độ sấy được biểu diễn bằng đường thẳng màu xanh, cho thấy tốc độ sấy không đổi và độ ẩm giảm dần đều Mặc dù lý thuyết cho rằng đây là đường đẳng tốc, nhưng kết quả thu được lại cho thấy đồ thị có dạng đường cong trong giai đoạn này, điều này hoàn toàn phù hợp với lý thuyết ban đầu.
Giai đoạn 3 của quá trình sấy là giai đoạn giảm tốc, trong đó tốc độ sấy giảm nhanh chóng Đường cong tốc độ sấy không theo dạng thẳng như lý thuyết, cho thấy độ ẩm của vật liệu trong giai đoạn này không ổn định.
- Xây dựng đường cong sấy
Bảng 5 Độ ẩm vật liệu sấy (khoai lang) biến thiên theo thời gian.
Hình 20 Đồ thị đường cong sấy W= f(ꞇ)
Giai đoạn 1 của quá trình sấy là giai đoạn đun nóng vật liệu và làm bay hơi nước bề mặt Trong giai đoạn này, đường cong sấy thể hiện sự phi tuyến Phương trình mô tả quá trình này được xác định là: y = –0.0286x² + 0.1441x + 58.77.
60 f(x) = − 0.0285635069285819 x² + 0.144058017359517 x + 58.77 Đường cong sấy giai đoạn 1
Giai đoạn 2 của quá trình sấy là giai đoạn bay hơi nước, trong đó khuếch tán nội và khuếch tán ngoại diễn ra đồng thời Theo lý thuyết, giai đoạn này được coi là sấy đẳng tốc với đường cong sấy có dạng tuyến tính Tuy nhiên, thực tế cho thấy đường cong sấy không hoàn toàn thẳng Phương trình thực tế mô tả quá trình này được xác định là: y = – 0.009x² – 1.6356x + 80.53.
60.00 f(x) = 0.00903611352718157 x² − 1.63562361080134 x + 80.5301155195095 R² = 0.991909269017648 Đường cong sấy giai đoạn 2
Giai đoạn 3 của quá trình sấy là giai đoạn bốc hơi ẩm còn lại cho đến khi đạt độ ẩm cân bằng, được gọi là sấy giảm tốc Trong giai đoạn này, đường cong sấy có dạng phi tuyến phức tạp và gần tương đồng với lý thuyết Phương trình sấy thực tế cho giai đoạn này được biểu diễn bằng công thức: y = 0.0014x² – 0.2996x + 25.328.
14.00 f(x) = 0.00139860015468474 x² − 0.299578910315323 x + 25.328366459614 R² = 0.89818899563779 Đường cong sấy giai đoạn 3
Xây dưng đường cong tốc độ sấy
Diện tích trao đổi nhiệt của vật liệu sấy: F = 3x2 = 6 cm 2
Tốc độ sấy được tính theo công thức: u=− G dW
1.4 Đường cong tốc độ sấy u = f(W) u=f(W)
Hình 21 Đồ thị đường cong tốc độ sấy u=f (W )
1 Nhận xét đường cong tốc độ sấy và so sánh với lý thuyết
So sánh với đường cong tốc độ sấy theo lý thuyết
Trong giai đoạn 1, theo lý thuyết, tốc độ sấy được mô tả bằng một đường thẳng, cho thấy sự tăng dần của tốc độ thoát ẩm tỷ lệ thuận với độ ẩm W Tuy nhiên, thực tế cho thấy tốc độ thoát ẩm không đồng đều và không tỷ lệ trực tiếp với sự giảm độ ẩm, dẫn đến đường cong tốc độ sấy thực tế không phải là đường thẳng như lý thuyết ban đầu.
Trong giai đoạn 2, tốc độ sấy được biểu diễn bằng đường thẳng màu xanh, cho thấy tốc độ sấy không đổi và độ ẩm giảm dần đều Mặc dù lý thuyết cho rằng đây là đường đẳng tốc, nhưng thực tế cho thấy đường tốc độ sấy không phải là đường thẳng, nghĩa là tốc độ sấy không phải là hằng số.
- Giai đoạn 3: Tốc độ sấy của giai đoạn này giảm nhanh Và đây là giai đoạn sấy giảm tốc.
So với lý thuyết, đồ thị đường cong sấy và đồ thị tốc độ sấy không chính xác do nhiều nguyên nhân:
Kích thước lát khoai lang cắt không được đều nhau vì quy trình cắt được tiến hành bằng phương pháp thủ công.
Xác định độ ẩm ban đầu của vật liệu không chính xác.
Trong quá trình sấy, việc cân khối lượng vật liệu sau mỗi 10 phút có thể khiến chúng hấp thụ độ ẩm trở lại Hơn nữa, việc thường xuyên mở tủ sấy sẽ gây ra sự không ổn định về nhiệt độ bên trong thiết bị, dẫn đến sự thay đổi nhiệt độ và ảnh hưởng đến hiệu quả sấy.
Khoảng thời gian lấy mẫu đem đi cân khối lượng không chính xác.
Sai số khi cân mẫu.
2 Nhận xét về cảm quan
Hình 22 Các mẫu khoai lang sau khi sấy hồng ngoại và sấy đối lưu.
Bảng 6 trình bày đánh giá cảm quan các mẫu sau khi sấy, cho thấy rằng sấy đối lưu mang lại độ sáng cao hơn so với sấy hồng ngoại, trong khi đó, độ cứng của mẫu sấy đối lưu vẫn giữ được độ cứng tốt hơn, còn mẫu sấy hồng ngoại có độ cứng giòn hơn.
Khả năng giữ được màu sắc so với ban đầu
Khả năng giữ được hình dạng ban đầu Ít giữ được hình dạng ban đầu Ít giữ được hình dáng ban đầu Độ hoàn nguyên Nhanh hơn Chậm hơn
Khoai lang sấy đối lưu có độ cứng vừa phải và màu sắc chuyển từ vàng sang vàng nhạt, với hình dạng ít bị biến dạng sau khi sấy Phương pháp sấy này sử dụng nhiệt độ cao trong thời gian ngắn, dẫn đến một phần polyphenol trong khoai lang bị oxy hóa bởi enzyme, gây ra một số vết thâm đen.
THÍ NGHIỆM LẠNH ĐÔNG THỰC PHẨM
Tổng quan phương pháp lạnh đông
Lạnh đông là phương pháp bảo quản thực phẩm bằng cách hạ nhiệt độ xuống dưới mức mà nước trong sản phẩm bắt đầu kết tinh, thường từ -10°C đến -20°C Ở nhiệt độ này, các phản ứng có hại cho chất lượng sản phẩm sẽ bị ngưng lại hoặc diễn ra rất chậm, đồng thời hầu hết vi sinh vật cũng bị ức chế hoạt động Nhờ đó, chất lượng sản phẩm được duy trì ổn định, và thời hạn sử dụng (shelf-life) của sản phẩm sẽ tăng lên theo nhiệt độ lạnh đông: nhiệt độ càng thấp, thời gian bảo quản càng dài.
Phương pháp lạnh đông để bảo quản sản phẩm có những hạn chế như thay đổi cấu trúc do hình thành tinh thể đá và yêu cầu năng lượng cao Các biến đổi cấu trúc này thường không thể phục hồi sau khi rã đông, dẫn đến việc sản phẩm không trở lại trạng thái ban đầu.
Ngoài ra, quá trình lạnh đông cần phải được cung cấp nhiều năng lượng Năng lượng này đáp ứng hai mục đích:
Năng lượng cần thiết để thực hiện quá trình lạnh đông [1] [8]
Năng lượng là yếu tố quan trọng để duy trì chất lượng sản phẩm lạnh đông, vì chúng thường được bảo quản ở nhiệt độ thấp gần với nhiệt độ đông lạnh.
Quá trình lạnh đông cần được tính toán kỹ lưỡng để đạt được sự cân bằng giữa việc kéo dài thời hạn sử dụng sản phẩm, yêu cầu về năng lượng và mức độ giảm chất lượng sản phẩm Mục tiêu là tối ưu hóa hiệu quả kinh tế trong suốt quá trình này Quá trình lạnh đông bao gồm ba giai đoạn chính.
Hình 23 Quá trình lạnh đông thực phẩm [3]
AB: làm lạnh; BC: quá lạnh; CD: kết tinh ẩm; DE: lạnh đông sâu;
ABCDE là đường lạh đông lý thuyết; ABCD’E là đường lạnh đông thực tế. a) Giai đoạn 1: giai đoạn làm lạnh (AB) và quá lạnh (BC); giai đoạn làm lạnh
Quá trình làm lạnh thực phẩm bắt đầu từ nhiệt độ phòng 25 oC xuống nhiệt độ dưới điểm kết tinh, nhưng ẩm trong thực phẩm vẫn chưa kết tinh Giai đoạn quá lạnh xảy ra khi ẩm chuyển từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn chậm, sau đó nhiệt độ thực phẩm tăng đến điểm kết tinh, lúc này ẩm bắt đầu kết tinh, gọi là hiện tượng quá lạnh Điểm đóng băng là nhiệt độ mà tại đó nước trong thực phẩm chuyển từ thể lỏng sang thể rắn ở áp suất xác định, được gọi là nhiệt độ đóng băng hay nhiệt độ kết tinh.
Nước nguyên chất có điểm đóng băng tại 0°C, nhưng nước trong thực phẩm tồn tại dưới dạng dung dịch và liên kết, dẫn đến điểm đóng băng thấp hơn 0°C Theo định luật Raoult, điểm đóng băng của nước trong thực phẩm dao động từ -2,5°C đến 0,5°C, tùy thuộc vào loại thực phẩm Cụ thể, cá biển có điểm đóng băng khoảng -1,5°C đến -1,0°C, cá nước ngọt từ -1,0°C đến -0,5°C, tôm biển từ -2,5°C đến -2,0°C, và rau củ quả từ -0,5°C đến -1,0°C Giai đoạn 2 là giai đoạn kết tinh, giả định nhiệt độ kết tinh không thay đổi.
Khi Tkt = const, quá trình kết tinh diễn ra theo đường CD trong môi trường lạnh đông với nhiệt độ âm sâu (T∞