Nghiên cứu quá trình lạnh đông tinh bột nghệ sử dụng cho quá trình sấy thăng hoa

MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP..................................... Error! Bookmark not defined.
LỜI CẢM ƠN....................................................................................................................... ii
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................iii
DANH MỤC HÌNH ẢNH.................................................................................................. xii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...............................................................................................xiii
TÓM TẮT ĐỒ ÁN ............................................................................................................ xiv
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. xv
CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN ............................................................................................. 1

1.1. Cơ sở lý thuyết về q trình lạnh đơng ....................................................................... 1
1.2. Phương pháp sấy thăng hoa ...................................................................................... 12
1.3. Phương pháp xác định tỷ lệ nước đóng băng ............................................................ 16
1.4. Nguyên liệu tinh bột nghệ ......................................................................................... 22
1.5. Xác định tỷ lệ nước đóng băng tinh bột nghệ trong q trình lạnh đơng.................. 29
CHƯƠNG 2

NGUN LIỆU, THIẾT BỊ VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ... 32

2.1. Nguyên liệu và thiết bị .............................................................................................. 32
2.2. Sơ đồ quy trình xây dựng mơ hình tỷ lệ nước đóng băng ......................................... 36
2.3. Sơ đồ nghiên cứu....................................................................................................... 39
2.4. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................... 41
CHƯƠNG 3

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN ..................................................................... 44

3.1. Thành phần hóa học và các thơng số nhiệt vật lý của tinh bột nghệ ướt .................. 44
3.2. Xây dựng và giải mơ hình tốn tỷ lệ nước đóng băng .............................................. 46

3.3. Thực nghiệm và tính mơ hình tốn lạnh đông tinh bột nghệ .................................... 49
3.4. Xác lập chế độ công nghệ lạnh đông tinh bột nghệ sử dụng cho sấy thăng hoa ....... 53
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 54
Kết luận ............................................................................................................................... 55
Kiến nghị ............................................................................................................................. 55
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 57

xi


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1: Q trình hình thành điểm đóng băng .................................................................. 2
Hình 1.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ lạnh đơng đến kích thước tinh thể băng ......................... 5
Hình 1.3: Đồ thị giản đồ P – t của nước .............................................................................. 13
Hình 1.4: Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ.......................................... 14
Hình 1.5: Hình ảnh tinh thể tinh bột nghệ ........................................................................... 26
Hình 1.6: Phân bố kích thước của tinh thể tinh bột nghệ .................................................... 26
Hình 1.7: Cơng thức hóa hóa học của hợp chất curcuminoid .............................................. 27
Hình 3.1: Mơ hình vật thể lạnh đơng sản phẩm tinh bột nghệ ............................................. 46
Hình 3.2: Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa thời gian và nhiệt độ lạnh đơng ...................... 51
Hình 3.3 Đồ thị thể hiện tỷ lệ nước đóng băng theo nhiệt độ .............................................. 52

xii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Quan hệ giữa áp suất (Pth) với nhiệt độ (Tth) thăng hoa của nước đá .................. 14
Bảng 1.2:Hoạt tính sinh học của các chất trong nghệ .......................................................... 23
Bảng 1.3: Thành phần chính của tinh bột nghệ ................................................................... 25
Bảng 3.1: Các thành phần trong tinh bột nghệ .................................................................... 44

Bảng 3.2: Các thông số nhiệt vật lý của tinh bột nghệ ........................................................ 45
Bảng 3.3: Các thông số nhiệt vật lý của tinh bột nghệ ........................................................ 46
Bảng 3.4: Kết quả thực nghiệm và tính tốn các thơng số τ, Ts, Tc, Ta, L của tinh bột nghệ
............................................................................................................................................. 50
Bảng 3.5: Kết quả thực nghiệm và tính tốn các giá trị Cn, Cnd, Cck, ∅1, ∅2, ∅3 của tinh bột
nghệ. ..................................................................................................................................... 50
Bảng 3.6: Tỷ lệ nước đóng băng theo thời gian................................................................... 51

xiii


TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Tinh bột nghệ là một trong những sản phẩm mới có nhiều giá trị về y học, thực phẩm
cũng như trong làm đẹp. Tuy nhiên các hướng phát triển mới của sản phẩm này vẫn chưa
được tập trung nghiên cứu. Tinh bột nghệ được nghiên cứu có tác dụng tá dược trong
chống lại bênh dạ dày và thử nghiệm chống ung thư miệng. Thành phần chính của tinh bột
nghệ là curcumin. Curcumin đã được chứng minh là một chất có nhiều tác dụng sinh học,
chống viêm, chất chống oxy hóa, giảm lượng lipid trong máu. Curcumin cịn được nghiên
cứu là có tác dụng chống một số bệnh ung thư. Sấy thăng hoa là một công nghệ sản xuất
thực phẩm mới giữ được giá trị dinh dưỡng cũng như cảm quan của thực phẩm. Trong
nghiên cứu này tác giả đã tìm ra được nhiệt độ đóng băng phù hợp cho tinh bột nghệ phục
vụ cho quá trình sấy thăng hoa bằng phương pháp thực nghiệm và xây dựng mơ hình tốn.
Sau khi xây dựng mơ hình tốn ta tiến hành thế số liệu. thông số nhiệt vật lý của tinh bột
nghệ vào ta sẽ có tỷ lệ nước đóng băng ở nhiệt độ và thời gian xác định.
Đối với quá trình sấy thăng hoa tinh bột nghệ, để tỷ lệ nước đóng băng đạt 100% thì
nhiệt độ làm lạnh đông phải là -23,2oC. Đây là nhiệt độ phù hợp cho q trình lạnh đơng
tinh bột nghệ.

xiv

MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Nghệ được xem là một loại dược phẩm q hiếm vì trong nghệ có chứa thành phần
curcumin, nó được xem là hoạt chất sinh học quan trọng dùng để phòng chống và chữa
nhiều loại bệnh cho con người như: dạ dày, ung thư, viêm khớp...Vì vậy người ta ln tìm
cách chiết xuất tinh bột nghệ chứa hàm lượng lướn curcumin để làm thuốc. Tuy nhiên ở
điều kiện chế biến thông thường sẽ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Do vậy việc tìm
phương pháp chế biến thích hơp để bảo tồn hàm lượng curcumin là một vấn đề vô cùng
quan trọng cần đặt ra để giữ được chất lượng của chúng.
Phương pháp sấy thông thường ở nhiệt độ cao, một số phương pháp sấy ở nhiệt độ
thấp, sản phẩm sẽ tiếp xúc với khơng khí sẽ khơng đảm bảo. Với sấy thăng hoa, do q
trình được tiến hành ở nhiệt độ thấp dưới điểm ba thể O(0,0098oC;4,48 mmHg) . Ở điều
kiện này thì sản phẩm sau khi sấy gần như giữ được các tính chất ban đầu tự nhiên của
chúng, cho ra sản phẩm sấy với chất lượng cao nhất so với các phương pháp sấy khác, nó
bảo tồn được các hoạt chất sinh học trong tinh bột nghệ.
Tuy nhiên, quá trình sấy thăng hoa trải qua nhiều giai đoạn rất phức tạp, tinh bột
nghệ phải qua giai đoạn lạnh đông, tiếp theo là sấy thăng hoa và cuối cùng là sấy chân
khơng (nếu có) khi độ ẩm chưa đạt u cầu.
Vì khối lượng cơng việc nghiên cứu sấy thăng hoa tinh bột nghệ lớn nên đề tài của
tơi chỉ tập trung “Nghiên cứu q trình lạnh đơng tinh bột nghệ sử dụng cho q trình sấy
thăng hoa”
Đề tài nghiên cứu nhằm giải quyết các mục tiêu sau: đảm bảo tỷ lệ nước đóng băng
100% trong thời gian ngắn nhất để chi phí năng lượng thấp nhất.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Nghiên cứu quá trình lạnh đơng tinh bột nghệ sử dụng cho sấy thăng hoa nhằm tạo
ra tinh bột nghệ có chất lượng tốt tinh bột nghệ sao cho nước đóng băng hồn toàn và trong
thời gian ngắn nhất.
3. Đối tượng nghiên cứu của đề tài
Đối tượng nghiên cứu: Lạnh đông với nguyên liệu tinh bột nghệ

Kết quả đạt được là mơ hình tốn để nước trong tinh bột nghệ đóng băng 100%
4. Phạm vi và giới hạn của đề tài
xv


Nghiên cứu q trình lạnh đơng tinh bột - giai đoạn đầu của quá trình sấy thăng
hoa.
5. Nội dung nghiên cứu
-

Tổng quan về tinh bột nghệ và quá trình lạnh đơng.

-

Phân tích q trình lạnh đơng và các mơ hình tốn xác định tỷ lệ nước đóng băng.

-

Xác định mơ hình tỷ lệ nước đóng băng phù hợp áp dụng cho sản phẩm tinh bột

nghệ.
-

Tiến hành thực nghiệm và xây dựng tỷ lệ nước đóng băng.

-

Xác lập chế độ lạnh đơng tinh bột nghệ áp dụng cho q trình sấy thăng hoa.

-

Tổng kết và kết luận.

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

-

Ý nghĩa khoa học

Tổng hợp cơ sở lý luận khoa học về các yếu tố ảnh hưởng đến qúa trình lạnh đơng

tinh bột nghệ.
-

Xây dựng mơ hình tốn cho q trình lạnh đơng tinh bột nghệ.

-

Làm nền tảng cho các nghiên cứu xây dựng quy trình sấy thăng tinh bột nghệ cũng

như lạnh đông các sản phẩm khác.


Ý nghĩa thực tiễn

Công nghệ sấy thăng hoa thường dùng để chế biến những thực phẩm cao cấp vì
khơng làm phá hủy màu sắc, mùi vị, giữ được các đặc tính tốt của nguyên liệu ban đầu…
Công nghệ này được coi là một trong những công nghệ chế biến tiên tiến nhất trong ngành
công nghệ thực phẩm hiện nay. Về mặt ý nghĩa thực tiễn, đây là hướng ứng dụng chế biến
thực phẩm đầy tiềm năng ở hiện tại và sẽ phát triển mạnh trong tương lai. Xây dựng chế độ

công nghệ sấy thăng hoa để khi quá trình sấy được tiến hành sẽ tạo ra những sản phẩm có
chất lượng, giảm tổn thất các chất có hoạt tính sinh học và độ ẩm đạt yêu cầu.
7. Bố cục đề tài
Đề tài được trình bày trong 70 trang, gồm 3 chương: chương 1. Tổng quan; chương
2. Nguyên liệu và Phương pháp nghiên cứu; chương 3. Kết quả và bàn luận; Kết luận và
kiến nghị. Ngồi ra cịn có phần mở đầu, tài liệu tham khảo, danh sách bảng biểu và danh
sách hình ảnh.

xvi


CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
1.1

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ QUÁ TRÌNH LẠNH ĐƠNG

1.1.1

Khái niệm lạnh đơng và cơ sở khoa học của q trình lạnh đơng

Lạnh đơng là một q trình bảo quản thực phẩm và vật liệu sinh học khác một cách có
hiệu quả vì sự biến đổi của nước từ trạng thái lỏng thành tinh thể đá làm giảm hoạt động
của nhiều enzyme và vi sinh vật [2].
Quá trình đơng lạnh hạ nhiệt độ của sản phẩm từ nhiệt độ ban đầu xuống dưới điểm
đóng băng của dịch bào. Tại nhiệt độ này các tinh thể băng bắt đầu hình thành trong mơ tế
bào (nhiệt độ kết tinh hay nhiệt độ nóng chảy). Khi nhiệt độ hạ xuống thêm nữa càng có
nhiều tinh thể băng hình thành làm cho nồng độ dung dịch trong thực phẩm được cô đặc
lại. Trong q trình lạnh đơng thực phẩm, yếu tố quan trọng nhất quyết định đến sự đóng
băng là nồng độ phân tử gam của dịch tế bào. Bởi vì như chúng ta biết mỗi một phân tử
dịch tế bào đều liên kết với một phân tử nhất định. Để đóng băng được những mỗi phân tử

nước liên kết này cần phải làm lạnh đến 1,84oC. Đó chính là độ hạ băng điểm ∆t trong
định luật Raun: [44]
∆t= -k.∆C với k=1,84; ∆C= n
Nên ∆t = -1,84.n

(1.1)

Trong đó: ∆t là độ biến thiên nhiệt độ đông đặc
k là hằng số đông đặc
n là nồng độ phân tử gam
Như vậy độ hạ bằng điểm ∆t tỷ lệ thuận với nồng độ chất hòa tan trong dịch bào. Cho
nên trong kỹ thuật lạnh đông thực phẩm người ta chú ý tăng nồng độ phân tử dịch bào của
các sản phẩm lạnh đông, để hạ điểm đóng băng, ứng với nhiệt độ đơng lạnh thấp, từ đó tạo
điều kiện cho các sản phẩm đóng băng với tinh thể đá nhỏ, không làm vỡ cấu trúc tế bào
sản phẩm.
Q trình lạnh đơng phải được tiến hành nhanh nhất có thể, với tốc độ phù hợp như
thế sẽ ít hoặc khơng làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Tránh lạnh đơng chậm, bởi
vì lạnh đơng chậm sẽ tạo ra các tinh thể nước đá lớn, gây hiện tượng phá vỡ cấu trúc tế bào
làm các sản phẩm bị chảy nước dịch bào và sản phẩm bị nhũn ra sau khi bị tan giá. Ngược
lại làm lạnh đơng nhanh dẫn đến sự hình thành các phân tử nước đá nhỏ giữ gìn gần như
nguyên vẹn chất lượng thực phẩm [34]. Ở khoảng nhiệt độ (-20÷-10)oC các tinh thể tạo
thành có kích thước lớn khơng đều, ở nhiệt độ (-22÷-20)oC các tinh thể tạo thành có kích
1


thước nhỏ đều. Nếu nhiệt độ (-40÷-10)oC thì các tinh thể đá tạo ra rất nhỏ và nếu nhiệt độ
đông lạnh đạt -80oC thì chất lỏng sẽ khơng tạo thành các tinh thể mà chỉ tạo thành các chất
rắn vô định hình.
Hiện tượng ở nhiệt độ dưới 0oC, dưới điểm kết tinh mà nước chưa kết tinh thành đá
gọi là hiện tượng quá lạnh. Hiện tượng quá lạnh phụ thuộc vào nồng độ chất tan, cấu trúc

màng tế bào và tốc độ hạ nhiệt của môi trường xung quanh. Nhiệt độ điểm q lạnh và
nhiệt độ điểm đóng băng hồn toàn khác nhau.
Các tinh thể đá xuất hiện ở điểm quá lạnh, tỏa ra ẩn nhiệt đóng băng làm tăng nhiệt độ
thực phẩm. Bởi vì, tốc độ thải nhiệt khơng kịp với tốc độ sinh nhiệt do tạo mầm tinh thể đá.
Ở điểm này, chủ yếu nước tự do cấu trúc bị tách ra và kết tinh. Nhiệt độ thực phẩm tăng
đến mức cao nhất và dừng ở đó một lúc để hình thành q trình đóng băng nước đây là
điểm đóng băng, sau đó tiếp tục giảm nhiệt độ. Mỗi loại thực phẩm sẽ có điểm quá lạnh và
điểm đóng băng khác nhau [32].

Hình 1.1: Q trình hình thành điểm đóng băng
Q trình lạnh đơng trải qua 3 giai đoạn được thể hiện như hình 1.1 :


Giai đoạn 1: Giai đoạn AB làm lạnh, hạ
nhiệt độ sản phẩm từ nhiệt độ phòng 25oC xuống nhiệt độ kết tinh => hiện tượng quá
lạnh. Hiện tượng quá lạnh phụ thuộc vào nồng độ chất tan, cấu trúc màng tế bào, tốc
độ làm lạnh đông. Nhiệt độ quá lạnh sẽ ảnh hưởng đến chất lượng q trình lạnh
đơng. Nếu độ q lạnh lớn ( nhiệt độ quá lạnh thấp) thì sự tạo thành tinh thể đã sẽ
chậm, nhưng khi đã tạo được mầm tinh thể đá thì sẽ xảy ra nhanh chóng, đồng loạt
và hạt tinh thể đá rất nhuyễn. Nếu độ q lạnh tăng đến một mức nào đó sẽ khơng tạo
được tinh thể đá mà chỉ tạo được chất rắn vơ định hình.



Giai đoạn 2: Giai đoạn BCD - Giai đoạn kết tinh nhiệt độ kết tinh không thay đổi Tkt
= const. Giai đoạn này gồm các giai đoạn nhỏ: BC khi nhiệt độ thực phẩm đạt đến
2


nhiệt độ kết tinh nhưng nước chưa kết tinh, nhiệt độ giảm dưới điểm kết tinh. Lúc

này ẩm bắt đầu kết tinh. Quá trình BC xảy ra rất nhanh. Sau đó nhiệt độ sản phẩm sẽ
tăng bằng nhiệt độ kết tinh và thực hiện quá trình kết tinh. Qúa trình kết tinh về lý
thuyết nhiệt độ không thay đổi nhưng thực tế nhiệt độ thay đổi.


Giai đoạn 3: Giai đoạn lạnh đơng sâu, có thể gọi là q trình cân bằng nhiệt. Sau khi
kết tinh xong nhiệt sẽ giảm đến nhiệt độ cuối cùng theo yêu cầu công nghệ đặt ra.
Trong suốt giai đoạn đầu của quá trình làm lạnh, nhiệt độ giảm nhanh xuống dưới

điểm lạnh đông của nước (0oC). Nước trong tế bào vẫn chưa đóng băng, vì trong tế bào có
chất tan cần hạ nhiệt độ <0oC mới tạo mầm tinh thế. Khi đó lượng nhiệt yêu cầu tách ra lớn
trong giai đoạn 2 để chuyển lượng lớn nước liên kết thành nước đá, sự thay đổi nhiệt độ rất
ít và giai đoạn này được gọi là giai đoạn ngưng nhiệt. Có khoảng 3/4 nước được chuyển
đổi tạo thành nước đá, nhiệt độ một lần nữa bắt đầu giảm và trong suốt giai đoạn thứ 3 này
hầu như lượng nước cịn lại đóng băng. Một lượng nhỏ nhiệt đã được tách ra trong suốt
giai đoạn 3 này.
Khi nhiệt độ của sản phẩm giảm xuống dưới 0oC, dung dịch đầu tiên được làm lạnh
xuống nhanh, sau đó dung dịch bắt đầu kết tinh hoặc hình thành kết tủa và tinh thể nước đá
hình thành ở giai đoạn 2. Đầu tiên có một ít phân tử, đó là những phân tử nhỏ của chất lơ
lửng khơng hịa tan trong chất lỏng hoặc sự kết hợp ngẫu nhiên của các phân tử nước để
tạo thành tinh thể nước đá theo tiêu chuẩn.
Sang giai đoạn 2, các tinh thể lớn dần lên, lượng nhiệt tách ra chậm kết quả làm cho
quá trình lạnh đơng chậm lại, tinh thể đá hình thành với kích thước lớn hơn và số lượng ít
hơn, có thể gây ra sự phá vỡ vách tế bào, kết quả làm mất chất dịch và làm thay đổi cấu
trúc của sản phẩm khi tan giá. Ngược lại, lượng nhiệt tách ra nhanh là kết quả của q trình
lạnh đơng nhanh, tạo ra số lượng lớn tinh thể nước đá nhỏ. Vì vậy giảm sự hao hụt chất
dịch và sự phá vỡ vách tế bào.
1.1.2

Các phương pháp lạnh đông

1.1.2.1 Phương pháp lạnh đơng chậm
Trong q trình lạnh đơng chậm, nhiệt độ khơng khí cao hơn -25oC và tốc độ đối lưu
của khơng khí nhỏ hơn 1m/s nên thời gian làm đơng lạnh thường kéo dài 15-20 giờ tùy
thuộc vào kích thước và chủng loại sản phẩm. Số tinh thể đá hình thành trong gian bào và
tế bào rất ít, kích thước lớn, gây cọ xát giữa tinh thể đá và màng tế bào. Sự cọ xát này làm
rách màng tế bào, phá hủy cấu trúc mô tế bào của sản phẩm, vì vậy sản phẩm sau khi tan
3


giá thì dịch bào chảy ra ngồi làm sản phẩm giảm giá trị dinh dưỡng và cảm quan [34].
Khơng khí lưu thơng có hệ số truyền nhiệt thấp nên địi hỏi thời gian dài mới cung cấp đủ
nhiệt, dẫn đến giảm chất lượng sản phẩm. Tuy nhiên lợi ích của việc sử dụng phương pháp
này là ổn định nhiệt độ, nhiệt độ liên tục giúp giảm hiện tượng tái kết tinh [23]. Phương
pháp này đã được áp dụng thành ông để bảo quản mô phân sinh của đậu Hà Lan, khoai,
săn, dâu tây [35].
1.1.2.2 Phương pháp lạnh đông nhanh
Phương pháp lạnh đông nhanh là một phương pháp làm tăng tuổi thọ của thực phẩm
dễ bị hư hỏng do nhiệt độ thấp làm ức chế enzyme và những thay đổi của vi sinh vật [45].
Môi trường lạnh đông nhanh thường là khơng khí hoặc là chất lỏng có nhiệt độ nhỏ hơn 35oC với tốc độ lưu lượng khí 3-4 m/s cho các phịng nhỏ, hầm lạnh đơng nhanh. Thời gian
làm lạnh đông nhanh các tinh thể đá trong sản phẩm đá tạo thành nhỏ, ít gây tác dụng cơ
học nên ít phá hủy cấu trúc tế bào, có thể giữ được 95% phẩm chất của sản phẩm[44]. Các
chất lỏng thường là dung dịch hỗn hợp của nhiều muối để dung dịch càng thấp càng tốt.
Nhược điểm của môi trường lỏng là gây bẩn và hỏng rỉ thiết bị, đồng thời muối thấm vào
sản phẩm làm ảnh hưởng đến chất lượng cũng như bề ngồi sản phẩm.
Lạnh đơng nhanh có rất nhiều ưu điểm như: đảm bảo khá tốt đặc tính của thực phẩm
về cả chất lượng dinh dưỡng cũng như cảm quan đồng thời giảm thời gian lạnh đông
xuống 3-4 lần, hạn chế tổn thất khối lượng đến 1,5-2 lần. Phương pháp lạnh đông nhanh
thường sử dụng cho thịt đông lạnh, phi lê cá, gà và sản phẩm đóng gói [23].
1.1.2.3 Phương pháp lạnh đông cực nhanh (siêu nhanh)

Lạnh đông nhanh được thực hiện bằng một trong ba phương pháp chung: ngâm trực
tiếp thực phẩm hoặc các thực phẩm đóng gói trong một chất làm lạnh, tiếp xúc gián tiếp
với chất làm lạnh ví dụ làm lạnh đơng sau quả trong CO2 lỏng, N2 lỏng [34]. Thời gian
lạnh đông sản phẩm cực nhanh chỉ khoảng 0,5-5 phút. Do làm lạnh đông nhanh nên năng
suất tăng đáng kể. Lạnh đông theo phương pháp này cấu trúc cũng như tính chất sản phẩm
vẫn cịn ngun vẹn. Kỹ tht lạnh đơng cực nhanh, các tinh thể đá tạo thành ở dạng vơ
định hình nên không phá vỡ cấu trúc tế bào đồng thời còn tiêu diệt nhiều loại vi sinh vật.
Người ta thường dùng Nito lỏng vì nito lỏng bay hơi ở áp suất thường cho nhiệt độ thấp 196oC, nito lỏng gần như khí trơ nên hạn chế được q trình oxy hóa sản phẩm. Ở Việt
Nam ta cũng đã tiến hành lạnh đơng cực nhanh một số sản phẩm có giá trị cao. Ngồi ra
cịn có phương pháp lạnh đơng IQF (individual quick-frozen) truyền nhiệt rất hiệu quả và
4


các sản phẩm có kích thước nhỏ như: đậu Hà Lan, đậu cắt, rau cắt hạt lựu và hải sản góp
phần vào việc hình thành băng trên sản phẩm do đó giữ được chất lượng sản phẩm thiết
yếu [21].

Hình 1.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ lạnh đơng đến kích thước tinh thể băng
Ảnh hưởng của phương pháp lạnh đông đến kích thước và vị trí của tinh thể băng
được thể hiện ở hình 1.2. Cấu trúc của tinh thể băng khi cấp đơng bằng phương pháp lạnh
đơng gió bên trong tinh thể băng kích thước nhỏ, bên ngồi tinh thể băng kích thước lớn.
Đối với phương pháp lạnh đơng chậm tinh thể băng có kích thước rất lớn và phương pháp
lạnh đơng cực nhanh thì tinh thể có kích thước cực kỳ nhỏ phù hợp cho các sản phẩm có
giá trị dinh dưỡng cao.
1.1.3

Những biến đổi trong quá trình lạnh đơng

1.1.3.1 Những biến đổi vật lý
Trong q trình làm lạnh đơng, các tinh thể đá được hình thành. Khi tinh thể đá lớn

lên, nó làm phá vỡ cấu trúc tế bào. Trong q trình cấp đơng nước tách ra và đông thành
các tinh thể, làm cho sản phẩm trở nên rắn, tăng thể tích một ít. Khi nước trong thực phẩm
kết tinh tạo thành mạng tinh thể xem kẽ giữa các thành phần khác tạo nên cấu trúc vững
chắc, nhưng khi làm tan băng, phục hồi trạng thái ban đầu thì cấu trúc thực phẩm bị mềm
yếu hơn, kém đàn hồi hơn do các tinh thể làm rách cấu trúc tế bào thực phẩm. Trong thiết
bị lạnh sẽ có độ ẩm thấp, vì nước bị ngưng tụ ở góc làm lạnh, sản phẩm có thể bị khơ và
thể hiện sự “cháy lạnh” là ngun nhân hình thành những vùng có màu xám trên bề mặt
thực phẩm sau khi kết tinh, sau khi làm tan giá để lại trên bề mặt sản phẩm những lỗ nhỏ,
sâu. Trong q trình làm đơng màu sắc của thực phẩm thay đổi, mức độ biến đổi độ cứng
5


phụ thộc vào kích thước tinh thể đá. Nếu kích thước càng nhỏ, số lượng tinh thể nhiều thì
sự biến đổi càng ít. Nước có thể kết tinh trong cấu trúc thực phẩm, trọng lượng của nó ít
thay đổi, nhưng khi làm tan nước đá để phục hồi trạng thái thực phẩm thì một phần nước
nóng chảy sẽ chảy ra ngoài dẫn đến hao hụt trọng lượng và biến đổi chất lượng sản phẩm.
Mức độ mất nước của thực phẩm phụ thuộc vào nhiệt độ thực phẩm và nhiệt độ mơi trường
thực phẩm.
Khi làm đơng, nước sẽ đóng băng làm cho thể tích của chúng tăng lên khoảng 8-10%,
tùy theo từng loại thực phẩm khác nhau thì thể tích của chúng khác nhau.
Đối với các sản phẩm đông lạnh trong q trình bảo quản nếu chúng ta khơng duy trì
được nhiệt độ bảo quản ổn định sẽ dẫn đến sự kết tinh lại của nước đá. Đây là hiện tượng
gây ảnh hưởng xấu cho sản phẩm bảo quản. Do nồng độ chất tan trong các tinh thể nước đá
khác nhau thì khác nhau, nên nhiệt độ kết tinh và nhiệt độ nóng chảy cũng khác nhau.
Sự biến đổi về màu sắc: Đồng 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 ánh quang của các tinh thể nước đá.
Bay hơi nước: Trong quá trình làm lạnh đơng có hiện tượng mất nước, giảm trọng
lượng sản phẩm. Đó là sự bay hơi nước vào khơng khí từ bề mặt sản phẩm, do chênh lệch
mật độ (P) giữa khơng khí sát bề mặt và khơng khí xung quanh. Ẩm bốc lên từ bề mặt sản

phẩm vào khơng khí xung quanh, nếu sản phẩm có bề mặt cịn ướt thì khi cấp đơng chúng
sẽ đơng lại, sau đó diễn ra q trình thăng hoa. Nếu chênh lệch nhiệt độ bề mặt sản phẩm
và khơng khí trong buồng cấp đơng càng lớn thì ẩm bốc càng mạnh, gây hao hụt khối
lượng. Sự mất nước trải qua ba giai đoạn: Giai đoạn 1: khi nước chưa đóng băng, có hiện
tượng bay hơi nước từ bề mặt thực phẩm ra môi trường ra môi trường lạnh do chênh lệch
nhiệt độ. Giai đoạn 2: khi nước đã đóng băng, có sự di chuyển nước từ nơi có nhiệt độ cao
đến nơi có nhiệt độ thấp. Làm tăng lượng nước tự do, giảm lượng nước liên kết. Giai đoạn
3: khi làm tan băng, một phần nước nóng chảy khơng thể quay lại vị trí cũ do cấu trúc và
tính chất các chất bị thay đổi dẫn đến hao hụt khổi lượng.
Khuếch tán nước: Khi cấp đông xảy ra hiện tượng khuếch tán nước trong cấu trúc thực
phẩm, nước khuếch tán là do các nguyên nhân: Sự lớn lên của các tinh thể nước đá ln
thu hút nước từ những vị trí chưa kết tinh dẫn đến làm cho nước từ nơi có nồng độ chất tan
thấp chuyển đến nơi có nồng độ chất tan cao. Sự di chuyển của nước thực hiện nhờ tính
bán thấm và mao dẫn của cấu trúc thực phẩm. Động lực của quá trình khuếch tán, làm cho
6


nước di chuyển từ tế bào ra gian bào và từ trong ra ngồi, từ vị trí liên kết ra tự do. Khi
nước khuếch tán cấu trúc tế bào co rút, một số chất tan biến hình.
1.1.3.2 Những biến đổi hóa học
Những biến đổi hóa học chủ yếu là sự biến tính protein hịa tan trong nước và sự tạo
thành axit lactic từ q trình chuyển hóa glucose. Bình thường các chất protein hòa tan
cùng với chất béo, glucose và các loại muối tạo thành dung dịch. Khi nước bị kết tinh làm
cho các phân tử protein bị biến đổi cấu trúc, làm giảm đi những trung tâm liên kết với nước
trong cấu trúc phân tử của chúng.
Trong điều kiện nhiệt độ thấp, những biến đổi sinh hóa trong thực phẩm được hạn chế
rất nhiều so với quá trình làm lạnh thường. Do q trình đóng băng của sản phẩm, các phản
ứng sinh hóa nói chung bị kìm hãm với các mức độ khác nhau. Tại nhiệt độ -18oC thì sự hư
hỏng do hóa học và enzyme xảy ra rất thấp. Trong q trình bảo quản đơng lạnh các biến
đổi sinh hóa, hóa học diễn ra chậm. Các thành phần dễ bị biến đổi là các protein hòa tan,

lipid, vitamin, chất màu…Sự biến đổi protein: trong các loại protein thì protein hòa tan
trong nước là dễ bị phân giải nhất, sự phân giải chủ yếu dưới dạng tác dụng của enzyme có
sẵn trong thực phẩm. Sự khuếch tán nước do kết tinh lại là thăng hoa của nước đá gây nên
sự biến tính protein hịa tan. Biến đổi protein làm giảm chất lượng sản phẩm khi sử dụng.
Đó là điều kiện thuận lợi cho q trình oxy hóa chất béo xảy ra. Q trình oxy hóa này sinh
ra các hợp chất có mùi vị xấu làm giảm giá trị của sản phẩm. Các chất màu bị oxy hóa
cũng làm thay đổi màu sắc của sản phẩm. Ngoài ra, khi làm đơng thì mùi, vị của thực
phẩm cũng thay đổi tuy khơng đáng kể nhưng nó cũng ảnh hưởng. Các chất béo khi đơng
lạnh dễ oxy hóa, dễ bị chua do lipit thủy phân và hàm lượng axit béo tự do tăng lên, axit
béo tự do có thể phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian bảo quản, ngoài sự thay đổi của chất
béo thì vitamin cũng thay đổi nhất là các vitamin tan trong chất béo như Vitamin A, D.
1.1.3.3 Biến đổi vi sinh
Hầu hết các vi sinh vật đều bị tiêu diệt, những vi sinh vật đã xâm nhập trong cấu trúc
thực phẩm khó bị tiêu diệt hơn vi sinh vật trên bề mặt. Mức độ tiêu diệt vi sinh vật phụ
thuộc vào nhiệt độ chủ yếu là nhiệt độ cấp đông và mức độ hoạt động của chúng trước khi
làm đông. Nấm men ở trạng thái hoạt động, nấm mốc và những vi khuẩn gram âm phần
lớn bị tiêu diệt ở nhiệt độ lạnh. Các vi khuẩn gram dương và bào tử của nấm mốc chống
chịu tốt với bảo quản lạnh đông. Các bào tử của vi khuẩn ít bị ảnh hưởng của nhiệt độ lạnh.

7


Trước khi làm lạnh thực phẩm thường được rửa sạch để loại bỏ các tạp chất nơi chưa nhiều
loại vi sinh vật.
Đối với sản phẩm đơng lạnh có nhiệt độ thấp hơn -15oC và được bảo quản ổn định thì
số lượng vi sinh vật giảm theo thời gian. Ngược lại nếu sản phẩm làm đông không đều, vệ
sinh không đúng tiêu chuẩn, nhiệt độ bảo quản không ổn định sẽ làm cho các sản phẩm bị
lây nhiễm vi sinh vật, chúng hoạt động gây thối rửa sản phẩm và giảm chất lượng sản
phẩm. Khi tốc độ hạ nhiệt trong quá trình làm lạnh càng nhanh thì sự sinh trưởng của vi
sinh vật bị ức chế càng mạnh.

1.1.4

Ứng dụng của quá trình lạnh đơng

1.1.4.1 Ứng dụng kỹ thuật lạnh trong bảo quản thực phẩm
Lĩnh vực quan trọng nhất của kỹ thuật lạnh cũng như lạnh đông là bảo quản thực
phẩm. Thực phẩm như các loại rau, quả, thịt, cá, sữa… là những thức ăn dễ bị ôi thiu do vi
khuẩn gây ra và do một số phản ứng oxy hóa gây ra. Nhưng khi ở nhiệt độ thấp các vi sinh
vật ngừng hoạt động, có thể chết, ngồi ra khi nhiệt độ thấp làm cho q trình oxy hóa
khơng xảy ra. Vì vậy giữ được thực phẩm như ở trạng thái ban đầu. Nhiệt độ thấp các phản
ứng hóa sinh trong thực phẩm bị ức chế. Trong phạm vi nhiệt độ bình thường cứ giảm
10oC thì tốc độ phản ứng giảm 1/3 đến 1/2 lần. Nhiệt độ thấp tác dụng đến hoạt động của
men phân giải nhưng không tiêu diệt được chúng. Nhiệt độ xuống dưới 0oC, phần lớn các
enzyme bị đình chỉ. Tuy nhiên một số men như lipaza, trypsin, catalaza ở nhiệt độ -191oC
cũng không bị phá huỷ. Nhiệt độ càng thấp khả năng phân giải giảm, ví dụ men lipaza
phân giải mỡ. Các tế bào thực vật có cấu trúc đơn giản, hoạt động sống có thể độc lập với
cơ thể sống. Vì vậy khả năng chịu lạnh cao, đa số tế bào thực vật không bị chết khi nước
trong nó chưa đóng băng.
Để bảo quả thực phẩm người ta có thể thực hiện nhiều cách như: phơi, sấy khơ, đóng
hộp và bảo quản lạnh. Tuy nhiên phương pháp bảo quả lạnh tỏ ra có ưu điểm nổi bật
vì: hầu hết thực phẩm, nơng sản đều thích hợp đối với phương pháp này. Việc thực hiện
bảo quản nhanh chóng và rất hữu hiệu phù hợp với tính chất mùa vụ của nhiều loại thực
phẩm nông sản, bảo tồn tối đa các thuộc tính tự nhiên của thực phẩm, giữ gìn được hương
vị, màu sắc, các vi lượng và dinh dưỡng trong thực phẩm.
Ngồi ra cơng nghệ lạnh đơng cịn được ứng dụng trong cơng nghệ sấy thăng hoa. Vật
liệu sấy được làm đông lạnh ở to= -20oC và sau đó hút chân khơng nên sấy thăng hoa là
một phương pháp hiện đại hầu như không làm giảm chất lượng của thực phẩm, và nước
8

được rút ra gần như hoàn toàn. Ứng dụng trong sản xuất bia, nước ngọt . Đối với nhà máy
sản xuất bia hiện đại, lạnh được sử dụng ở các khâu cụ thể như sau: Sử dụng để làm lạnh
nhanh dịch đường sau khi nấu; bảo quản và nhân men giống.
1.1.4.2 Ứng dụng trong cơng nghiệp hố chất
Trong cơng nghiệp hố chất như hố lỏng các chất khí là sản phẩm của cơng nghiệp
hố học như clo, amơniắc, cacbonnic, sunfuarơ, các loại chất đốt, các khí sinh học... Hố
lỏng và tách các chất khí từ khơng khí là một ngành cơng nghiệp hết sức quan trọng, có ý
nghĩa vơ cùng to lớn với ngành luyện kim, chế tạo máy, y học, ngành sản xuất chế tạo cơ
khí, phân đạm, chất tải lạnh... Các loạt khí trơ như nêơn, agơn... được sử dụng trong cơng
nghiệp hố chất và sản xuất bóng đèn. Cao su và các chất dẻo khi hạ nhiệt độ xuống thấp
sẽ trở nên dòn và dễ vỡ như thuỷ tinh. Nhờ đặc tính này người ta có thể chế tạo được cao
su bột. Khi hoà trộn với bột sắt để tạo nên cao su từ tính hoặc hồ trộn với phụ gia nào đó
có thể đạt được độ đồng đều rất cao.
1.1.4.3 Ứng dụng trong điều hồ khơng khí
Ngày nay kỹ thuật điều hồ được sử dụng rất rộng rãi trong đời sống và trong công
nghiệp. Khâu quan trọng nhất trong các hệ thống điều hồ khơng khí đó là hệ thống lạnh.
Máy lạnh được sử dụng để xử lý nhiệt ẩm khơng khí trước khi cấp vào phịng. Máy lạnh
khơng chỉ được sử dụng để làm lạnh về mùa hè mà còn được đảo chiều để sưởi ấm mùa
đơng.
Trong các ngành cơng nghiệp nhẹ điều hồ khơng khí cũng được sử dụng nhiều như
trong cơng nghiệp dệt, công nghiệp thuốc lá...
1.1.4.4 Ứng dụng trong kỹ thuật đo và tự động
Áp suất bay hơi của một chất lỏng ln phụ thuộc vào nhiệt độ vì vậy người ta ứng
dụng hiện tượng này trong các dụng cụ đo lường như đồng hồ áp suất, nhiệt kế, trong các
rơ le áp suất. Hiệu ứng nhiệt điện phản ánh mối quan hệ của độ chênh nhiệt độ 2 đầu cặp
nhiệt với dòng điện chạy qua mạch cặp nhiệt điện. Ứng dụng hiện tượng này người ta đã
tạo ra các dụng cụ đo nhiệt độ, áp suất hoặc thiết bị điều khiển tự động.
1.1.5

Các phương pháp lạnh đơng

Có 3 phương pháp cơ bản được ứng dụng cho q trình lạnh đơng (chủ yếu sử dụng

cho lạnh đông thủy hải sản). Việc lựa chọn phương pháp nào sẽ dựa trên giá thành, chức
năng và tính khả thi phụ thuộc vào một số nhân tố và loại sản phẩm. Có 3 phương pháp
chính để lạnh đông là:
9


1. Lạnh đơng bằng khơng khí: ở đây khơng khí lạnh được thổi qua liên tục trên sản
phẩm.
2. Lạnh đông dạng đĩa hay lạnh đông tiếp xúc: sản phẩm được đặt tiếp xúc với lỗ rỗng
đĩa thiết bị lạnh đông bằng kim loại mà ở đó chất lỏng làm lạnh được đưa ngang qua.
3. Lạnh đông dạng phun hoặc ngâm vào dung dịch: sản phẩm được đặt trực tiếp với
chất lỏng làm lạnh.
1.1.5.1 Lạnh đơng dạng khí thổi (đơng gió)
Ưu điểm lớn nhất của thiết bị lạnh đơng dạng khí thổi là tính linh hoạt của nó. Nó có
thể thích ứng với sự thay đổi hình dạng bất thường của sản phẩm. Khi sản phẩm có hình
dạng và kích thước thay đổi trong phạm vi rộng, lạnh đơng dạng khí thổi được chọn là tốt
nhất. Tuy nhiên, vì tính linh động này mà nó thường gây khó khăn cho người sử dụng vì
khơng thể biết được ứng dụng chính xác của nó. Thiết bị này dễ dàng sử dụng nhưng tính
chính xác và hiệu quả khơng cao. Sản phẩm có thể lạnh đơng trong thời gian thích hợp, tốc
độ dịng thổi của khơng khí nên đạt ở mức cân bằng cao. Để đạt được tốc độ lạnh đồng
nhất sau khi qua thiết bị lạnh đơng, dịng khơng khí thổi vào yêu cầu phải giống nhau trên
mỗi con cá và mỗi bao gói. Tốc độ khơng khí thổi 5 m/s thường được áp dụng cho hầu hết
các dạng lạnh đông bằng khí thổi. Thiết bị lạnh đơng khí thổi liên tục có thể điều chỉnh tốc
độ khí thổi vào khi vượt q giá trị cho phép. Tốc độ dịng khí thổi cao, khoảng 10 - 15 m/s
có thể mang lại giá trị kinh tế cao cho thiết bị lạnh đông dạng liên tục. Nhược điểm của
thiết bị lạnh đơng dạng khí thổi là tính khơng hiệu quả và dịng khí thổi vào không đồng
nhất trên sản phẩm.
1.1.5.2 Lạnh đông dạng đĩa (tiếp xúc)

Lạnh đông dạng đĩa được ứng dụng cho lạnh đơng các loại thực phẩm dạng khối
(block) nhưng nó khơng linh hoạt như dạng khí thổi. Thiết bị có thể là dạng đứng hoặc
nằm ngang tùy theo cách sắp xếp của đĩa. Các đĩa được làm bằng nhôm, dạng cắt ngang,
sắp xếp thành hàng và chất lỏng làm lạnh sẽ đi qua đó. Q trình trao đổi nhiệt diễn ra
ngang qua mặt trên và mặt dưới của đĩa. Quá trình lạnh đơng được hình thành nhờ sự tiếp
xúc trực tiếp giữa đĩa lạnh và sản phẩm. Kích cỡ tối đa của khối sản phẩm ứng dụng trong
phương pháp này thường là 1,07 mm x 535 mm. Tuy nhiên, kích cỡ của khối sản phẩm có
thể thay đổi tùy theo sản phẩm và bề dày của khối sản phẩm có thể thay đổi dao động trong
khoảng từ 25 đến 130 mm. Kích cỡ của khối sản phẩm được chọn lựa phụ thuộc vào loại
cá đem đi lạnh đông.
10


Mức độ tiếp xúc và khả năng truyền nhiệt từ thực phẩm vào dàn lạnh giảm do:
-

Nhiệt truyền qua nhiều lớp kim loại

-

Các bề mặt tiếp xúc khơng phẳng

-

Kích thước, hình dạng các khn đựng thực phẩm khơng đúng tiêu chuẩn

-

Chiều cao khuôn và bề dày sản phẩm khác nhau

-

Sự ép nén không đạt yêu cầu.

1.1.5.3 Lạnh đông dạng phun và ngâm thẩm thấu
Đây là loại thiết bị thường được ứng dụng để cấp đông sản phẩm IQF. Dạng thiết bị
lạnh đơng này ít được sử dụng rộng rãi trong công nghệ chế biến cá lạnh đông mà chỉ
thường được sử dụng để lạnh đông các sản phẩm đặc biệt hoặc sản phẩm có giá trị kinh tế
cao.
a. Cấp đơng dạng ngâm thẩm thấu
Sử dụng phương pháp cấp đông dạng ngâm phải đảm bảo sự tiếp xúc tốt giữa bề mặt
thủy sản và môi trường lạnh đông để đảm bảo q trình truyền nhiệt xảy ra được tốt. Mơi
trường lạnh đơng thường sử dụng là dung dịch muối NaCl, có điểm eutectic là -21,2oC. Để
đạt được điểm lạnh đông này, nhiệt độ nước muối khoảng -15oC được ứng dụng cho tiến
trình lạnh đơng. Trong suốt q trình vận chuyển sản phẩm đến kho bảo quản, nhiệt độ sản
phẩm phải được giữ ở mức càng thấp càng tốt.
Lạnh đông cá ngừ lớn trong dung dịch nước muối có thể kéo dài đến 3 ngày để đạt
được q trình lạnh đơng hồn tồn. Sử dụng thiết bị lạnh đơng dạng khí thổi ở nhiệt độ
càng thấp càng tốt từ -50oC đến -60oC, thời gian lạnh đơng ít hơn 24 giờ. Lạnh đơng trong
dung dịch nước muối trước kia được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp lạnh đông cá,
ngày nay phương pháp lạnh đông này đã được thay thế bằng phương pháp lạnh đơng dạng
khí thổi.
b. Lạnh đơng dạng phun (cấp đơng băng chuyền)
Lạnh đông dạng phun cũng giống như lạnh đông dạng hỗn hợp trong ống sinh hàn.
Tốc độ lạnh đông bằng phương pháp lạnh đông hỗn hợp trong ống sinh hàn rất nhanh nhờ
sự tiếp xúc trực tiếp với sản phẩm. Trong phương pháp này, hơi lạnh được phun vào sản
phẩm và nhiệt tách ra làm thay đổi trạng thái môi trường lạnh.
* CO
Với phương pháp lạnh đông này oxyt carbon lỏng được phun trên sản phẩm ngang qua
các ống trên băng tải, phía dưới có các vịi phun. CO sẽ thay đổi trạng thái khi ngang qua

11


các vòi phun và hấp thụ một lượng nhiệt lớn. Kết quả làm cho sản phẩm lạnh xuống nhanh.
Trong một số hệ thống, các lớp CO rắn (nước đá khô) được đặt nằm dưới băng tải và sản
phẩm được đặt nằm phía trên. CO lỏng sau đó được phun trên đầu; sự thăng hoa của nước
đá khô xảy ra ở nhiệt độ -78oC, có thể làm lạnh đơng xuống ít nhất -75oC. Q trình lạnh
đơng xảy ra trong những trường hợp này rất nhanh và sự mất dịch sẽ giảm xuống ít hơn
1%.
* N2 lỏng
Trong trường hợp lạnh đơng bằng N2 lỏng, khí hóa lỏng được phun lên sản phẩm thổi
ngang qua băng tải đang chuyển động. Khí N2 đi ngược chiều với băng tải. Vì vậy cá nên
được làm lạnh sơ bộ trước khi đưa đến phun N2 lỏng. Ở áp suất bình thường, nitơ lỏng sơi
ở -196oC, vì vậy nó cần được làm lạnh sơ bộ xuống trong đường ống trước để tránh cho
sản phẩm bị nức ra do quá trình làm lạnh xuống quá nhanh (tức thời). Sau khi phun, sản
phẩm cần phải được để ổn định trước khi đưa ra khỏi băng tải của phòng lạnh đơng. Điều
này có thể do ảnh hưởng của sự chênh lệch nhiệt độ từ mơi trường bên ngồi với nhiệt độ
tâm sản phẩm để đưa đến trạng thái cân bằng. Sản phẩm sau khi đạt đến trạng thái cân
bằng hoàn tồn được đưa đến phịng bảo quản lạnh.
Cả CO và N2 cũng có thể sử dụng trong phương pháp lạnh đơng bằng khí thổi với thiết
bị lạnh đơng dạng xoắn ốc.
Xét về mặt kinh tế, các phương pháp lạnh đông được áp dụng để chế biến sản phẩm cá
lạnh đông phải tạo ra được sản phẩm đảm bảo chất lượng, đáp ứng yêu cầu người tiêu
dùng. VD. Phương pháp lạnh đông dạng đĩa được sử dụng để lạnh đông cá dạng khối
(block). Sử dụng bất kỳ dạng lạnh đông nào khác cho kết quả khơng đồng nhất ở các phía.
Điều này dẫn đến giảm hiệu suất của tiến trình chế biến ở giai đoạn sau. Lạnh đơng dạng
khí thổi có thể ứng dụng cho mọi loại sản phẩm.
1.2

PHƯƠNG PHÁP SẤY THĂNG HOA

Công nghệ sấy thăng hoa là một trong những cơng nghệ sấy tiên tiến nhất hiện nay,

q trình sấy được thực hiện dưới điểm ba thể trạng thái của ẩm O (0,00980C; 4,58mmHg),
tại nhiệt độ là nhiệt độ kết tinh của ẩm trong sản phẩm. Ở điều kiện này thì sản phẩm sau
khi sấy gần như giữ được các tính chất ban đầu tự nhiên của chúng, cho ra sản phẩm sấy
với chất lượng cao nhất so với các phương pháp sấy khác [39].

12


1.2.1

Cơ sở khoa học của công nghệ sấy thăng hoa

Giản đồ trạng thái của nước trên đồ thị p – t: Nước trong thực phẩm tự nhiên luôn tồn
tại ở ba thể, thể lỏng – rắn – khí, sấy thực phẩm là làm cách nào đó để lấy lượng nước
trong thực phẩm ra khỏi nguyên liệu để làm tăng độ khơ, giảm độ ẩm và kéo dài thời gian
sử dụng.

Hình 1.3: Đồ thị giản đồ P – t của nước
Dựa vào hình 1.3 đồ thị giản đồ p – t của nước, ta thấy rằng có hai phương pháp sấy
chính:


Phương pháp 1: chuyển nước ở thể lỏng trực tiếp sang thể hơi (theo đường a –
b – c). Phương pháp này là sấy nhiệt bình thường, làm thay đổi rất nhiều đến
đặc tính dinh dưỡng của thực phẩm.



Phương pháp 2: chuyển nước ở thể lỏng sang thể rắn sau đó tạo điều kiện cho
thể rắn thăng hoa, phương pháp này gọi là sấy thăng hoa ở nhiệt độ thấp. Đây
là một trong những phương pháp tiên tiến nhất hiện nay, bởi vì sản phẩm sau
sấy giữ lại được tồn bộ đặc tính tự nhiên cũng như phẩm chất dinh dưỡng của
thực phẩm [39].

Nếu ẩm trong vật liệu sấy có trạng thái đóng băng ở điểm F như trên giản đồ, sau đó
được cung cấp nhiệt đến nhiệt độ tD tương ứng với điểm D thì nước ở thể rắn sẽ thực hiện
quá trình thăng hoa DE. Cũng trên giản đồ trên có thể thấy rằng áp suất càng thấp thì nhiệt
độ thăng hoa của nước càng bé. Do đó khi cấp nhiệt cho vật liệu sấy ở áp suất càng thấp thì
độ chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nhiệt và vật liệu sấy càng tăng.
Điều kiện tiên quyết để nước đá thăng hoa là chúng được đặt trong môi trường có
nhiệt độ và áp suất nhỏ hơn điểm ba thể (0,00980C; 4,58mmHg). Quá trình biến đổi pha
13


của nước luôn phụ thuộc vào hai thông số cơ bản đó là nhiệt độ và áp suất, ứng với một giá
trị áp suất nhất định sẽ có một giá trị nhiệt độ thăng hoa nhất định.
Mối quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ thăng hoa của nước đá được biểu diễn ở bảng 1.1
và hình 1.4, việc chọn áp suất môi trường sấy thăng hoa phù hợp sẽ quyết định đến thời
gian thăng hoa của nước đá, nếu áp suất môi trường sấy thăng hoa không phù hợp sẽ kéo
dài thời gian sấy thăng hoa [49].
Bảng 1.1: Quan hệ giữa áp suất (Pth) với nhiệt độ (Tth) thăng hoa của nước đá
Tth

0,0098 -1,7

-5,1

-9,8

-17,5

-26,6

-39,3

-45,4

-57,6

Pth

4,58

3

2

1

0,4

0,1

0,05

0,01

4

Hình 1.4: Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ
1.2.2

Các giai đoạn của quá trình sấy thăng hoa.

Quá trình sấy thăng hoa gồm 3 giai đoạn:
Giai đoạn 1: Cấp đông nguyên liệu.
Trong phịng thí nghiệm, ngun liệu thường được đặt trong bình thủy tinh dùng cho
máy sấy thăng hoa và quay bình thủy tinh đó trong bồn, thiết bị này được gọi là vỏ máy
cấp đơng, nó được làm lạnh bằng cơ điện lạnh, đá khô, methanol hoặc nito lỏng [32]. Khi ở
quy mơ lớn, q trình cấp đơng thường sử dụng tủ cấp đông. Điều quan trọng của bước này
là đưa nước trong nguyên liệu về điểm 3 thể, nhiệt độ thấp nhất mà tại đó các pha rắn lỏng
đều tồn tại. Trong giai đoạn này, vật liệu sấy được làm lạnh từ nhiệt độ mơi trường khoảng
(20 ÷ 25)oC xuống nhiệt độ (-18 ÷ -20)oC, ở nhiệt độ này nước trong thực phẩm đóng băng
hầu như hồn tồn. Mỗi thực phẩm khác nhau sẽ có nhiệt độ lạnh đơng khác nhau, nhưng
phải đảm bảo cho sự đông kết của nước bên trong nó phải đạt (85 ÷ 92)%. Ở giai đoạn này,
lượng ẩm thốt ra rất ít, chủ yếu là sự bay hơi và thăng hoa nước trên bề mặt thực phẩm.
14


Sự thoát ẩm này là do chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước trong khơng khí mơi
trường sấy và lớp khơng khí sát bề mặt thực phẩm. Ngồi ra cịn sự chênh lệch nhiệt độ
thực phẩm lạnh đơng với nhiệt độ môi trường lạnh đông. Đây cũng là nguyên nhân làm
bay hơi ẩm để có xu hướng đạt tới trạng thái cân bằng nhiệt. Lượng ẩm thoát ra trong giai
đoạn này khoảng (4 ÷ 10)%.
Trong giai đoạn này sản phẩm cần được làm lạnh đông rất nhanh để hình thành các
tinh thể băng nhỏ ít gây hư hại đến cấu trúc tế bào của sản phẩm. Đối với sản phẩm dạng
lỏng, phương pháp làm lạnh đông chậm được sử dụng để băng tạo thành từng lớp, các lớp
này tạo nên các kênh giúp cho hơi nước dịch chuyển dễ dàng.

Giai đoạn 2: Sấy thăng hoa
Trong giai đoạn sấy thăng hoa, áp suất được hạ xuống, và nhiệt cung cấp đủ để các
tinh thể nước đá thăng hoa. Lượng nhiệt cần thiết có thể được tính tốn bằng cách sử dụng
“ẩn nhiệt thăng hoa”. Trong giai đoạn này 95% lượng nước trong vật liệu được thăng hoa.
Giai đoạn này có thể được làm chậm lại bởi vì nếu cấp nhiệt nhiều cấu trúc sản phẩm có
thể thay đổi.
Trong giai đoạn này, áp suất được điều khiển bởi chân không tồn phần, hệ thống bơm
chân khơng sẽ làm tăng tốc độ thăng hoa, làm quá trình sấy giống như quá trình sấy thơng
thường. Trong giai đoạn thăng hoa, nhiệt độ môi trường ở lối ra buồng thăng hoa hầu như
không đổi, dẫn đến nhiệt độ ở thiết bị ngưng tụ - đóng băng hầu như cũng khơng đổi trong
suốt q trình thăng hoa. Nhiệt độ tấm gia nhiệt và nhiệt độ môi trường giữa các tấm gia
nhiệt hầu như không đổi trong suốt quá trình thăng hoa và sấy nhiệt. Trong cơng nghệ sấy
thăng hoa này thì nhiệt độ tấm gia nhiệt phải duy trì trong khoảng từ (35 ÷ 45)oC để nhiệt
độ giữa các các tấm bức xạ gia nhiệt hay nhiệt độ môi trường sấy dao động trong khoảng
(30 ÷ 40)oC là thích hợp.
Để sản phẩm sau khi sấy có chất lượng tốt thì kết thúc giai đoạn này ẩm kết tinh đã
thăng hoa hết, độ ẩm sản phẩm đạt yêu cầu và nhiệt độ sản phẩm vượt qua nhiệt độ kết tinh
của ẩm trong sản phẩm (Tkt), khi đó ẩm cịn lại trong sản phẩm rất ít, chủ yếu là ẩm liên kết
và chỉ tồn tại ở pha lỏng.
Giai đoạn 3: Sấy chân không
Sấy chân không nhiệt độ thấp chỉ xảy ra khi kết thúc quá trình sấy thăng hoa mà độ ẩm
vẫn chưa đạt yêu cầu, lúc này tiến hành giai đoạn sấy chân không nhiệt độ thấp làm bay

15


hơi lượng ẩm còn lại của sản phẩm. Cho đến khi độ ẩm sản phẩm đạt tới độ ẩm yêu cầu thì
quá trình sấy kết thúc [39].
1.3

PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH TỶ LỆ NƯỚC ĐÓNG BĂNG

1.3.1

Cơ sở khoa học của phương pháp xác định tỷ lệ nước đóng băng

Sự kết tinh của nước là hiện tượng cơ bản làm thay đổi các tính chất của thực phẩm.
Nước chuyển sang trạng thái rắn làm mất đi trạng thái lỏng cho sự hoạt động của vi sinh
vật và các enzyme trong thực phẩm. Sự mất năng lượng do kết tinh của nước rất lớn so với
các quá trình giảm nhiệt độ, đây là những yếu tố chủ yếu dẫn đến tiêu diệt hoặc kìm chế
hoạt động sống của vi sinh vật, hạn chế tác động của enzyme. Do đó, làm giảm đi rất nhiều
biến đổi hóa học của thực phẩm, ngồi ra cấu trúc thực phẩm được đá bảo vệ hạn chế tác
động của mơi trường bên ngồi trong q trình vận chuyển, bảo quản. Vì vậy, làm đơng là
biện pháp bảo vệ tốt nhất những tính chất ban đầu của thực phẩm trong một thời gian dài.
Khi nước kết tinh sẽ giãn nở thể tích, thường làm rách vỡ cấu trúc bên trong của thực
phẩm, dẫn đến làm thay đổi một số tính chất của nó. Q trình kết tinh làm tăng tốc độ mất
nước, đồng thời gây biến tính những chất dinh dưỡng có liên kết tốt với nước, dẫn đến làm
giảm mùi vị, khả năng hút nước và giữ nước của thực phẩm, ngồi ra nó cịn thay đổi màu
sắc của thực phẩm.
Quá trình kết tinh của nước là quá trình tạo thành các mầm tinh thể và tăng kích thước
của chúng. Quá trình giảm nhiệt độ tức là quá trình giảm mức năng lượng, dẫn đến giảm sự
chuyển động tự do về nhiệt của các phân tử chất lỏng, đến một mức độ nào đó lực liên kết
giữa các phân tử có thể cố định chúng lại tại những vị trí xác định, tạo thành tinh thể nước
đá. Ở trong nước thường có các phân tử chất rắn kích thước nhỏ. Ở nhiệt độ gần 0oC những
phân tử chất rắn này sẽ ngừng chuyển động nhiệt, lực kết hợp giữa các phân tử nước xung
quanh lớn hơn giữa các phân tử nước với nhau. Vì vậy các phân tử nước liên kết với các
phân tử chất rắn ở 0oC để tạo thành mầm tinh thể. Do đó, xu hướng chủ yếu là các mầm
tinh thể hút các phân tử nước để tăng kích thước tinh thể và ít có xu hướng tăng thêm số
lượng mầm tinh thể.
Xác định tỷ lệ nước đóng băng là một yếu tố quan trọng trong việc bảo quản bằng

phương pháp lạnh đông và áp dụng q trình lạnh đơng trong sấy thăng hoa. Thơng thường
trong q trình bảo quản tỷ lệ nước đóng băng thường là 80-86% nhưng q trình sấy
thăng hoa địi hỏi tỷ lệ nước đóng băng là 100% để nước chuyển từ trạng thái rắn sang
trạng thái hơi hoàn toàn.
16


Việc xác định tỷ lệ nước đóng băng là cơ sở để xác định nhiệt độ lạnh tối ưu, từ đó xác
định cho phép xác định thời gian của mơi trường lạnh đông nhất định để nhiệt độ thực
phẩm dạt tới nhiệt độ lạnh đơng tối ưu.
1.3.2

Các mơ hình xác định tỷ lệ nước đóng băng

Việc xác định tỷ lệ nước đóng băng là vấn đề khó khăn và phức tạp, vì nước trong
thực phẩm khơng phải là nước ngun chất mà dạng dung dịch mà thành phần không thể
xác định được .
1.3.2.1 Phương pháp xác định tỷ lệ nước đóng băng bằng mơ hình thực nghiệm
Mơ hình này được giáo sư Shihob, clapeiron and Lame đưa ra phương pháp thống kê
thực nghiệm
(1.2)
Với ω là tỷ lệ nước đóng băng, T(oC) nhiệt độ thực phẩm lạnh đông, B0, B1, α,β các
tham số của mơ hình xác đinh bằng thực nghiệm.
Mơ hình này được Heldman và cộng sự khái quát thành các mơ hình sau:
ω(T)= b0+(b1+b2T+b3T2).
(1.3)
Với bj(j=0÷6) xác định bằng thực nghiệm, T(0C): nhiệt độ lạnh của vật liệu ẩm.
1.3.2.2 Xác định tỷ lệ nước đóng băng theo mơ hình Planck
Mơ hình Planck đưa ra để xác định tỷ lệ nước đóng băng theo thời gian hay nhiệt độ
lạnh đơng của vật liệu dạng tấm phẳng:

ω=

(1.4)

Với:
L (kJ/kg): Ẩn nhiệt đóng băng của nước.
Wa : Độ ẩm của thực phẩm
ρ (kg/m3):

Khối lượng riêng của thực phẩm

δ = 2R (m): Bề dày của thực phẩm
τ (s): Thời gian lạnh động
τ = f(T), T(oC): Nhiệt độ lạnh đông thực phẩm
λ (W/(mK): Hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm
α (W/(m2K): Hệ số tỏa nhiệt của môi trường
17


Tkt ; Te (oC): Nhiệt độ bắt đầu ẩm trong thực phẩm kết tinh và nhiệt độ môi trường
lạnh đông.
1.3.2.3 Xác định tỷ lệ nước đóng băng theo mơ hình Luikov
Mơ hình của Luvkov đưa ra để xác định tỷ lệ nước đóng băng cho các loại vật thể
dạng tấm phẳng, hình trụ :
Đối với vật liệu dạng tấm phẳng:
(1.6)
Đối với mơ hình trụ vơ hạn
(1.7)
Đối với mơ hình trụ hữu hạn

(1.8)
Trong đó: ω (T): tỷ lệ nước đóng băng; δ (m): bề dày vật liệu ẩm; R (m) bán kính hoặc
½ bề dày; H (m) chiều cao của hình trụ; t1,t2 (oC): nhiệt độ vùng ẩm đã kết tinh và vùng
chưa kết tinh; ρ (kg/m3) khối lượng riêng của vật liệu ẩm; λ1, λ2 (W/(mK): hệ số dẫn nhiệt
của vật liệu ẩm ở vùng ẩm đã kết tinh và chưa kết tinh; α (W/(m2.K): hệ số tỏa nhiệt của
môi trường lạnh đông; W0: độ ẩm của vật liệu ẩm.
1.3.3

Các yếu tố ảnh hưởng đến tỷ lệ nước đóng băng

1.3.3.1 Nồng độ chất ban đầu
Các chất đường, béo, protein, muối… trong thực phẩm hòa tan liên kết với nước tạo
dung dịch keo. Để kết tinh các phân tử nước phải tách ra khỏi sự liên kết của các chất tan.
Vì vậy khi có các chất tan thì nhiệt độ của nước phải giảm để giảm động năng, tăng lực
liên kết giữa các phân tử nước với nhau để kết tinh. Khi tăng nồng độ các chất tan thì nhiệt
độ kết tinh của nước giảm, bởi vì các chất hịa tan sẽ kéo các phân tử nước ngăn cản chúng
kết hợp với nhau. Khi tăng nồng độ các chất tan lên một phân tử gam thì nhiệt độ kết tinh
của nước giảm xuống 1,840C. Như vậy, độ giảm nhiệt độ kết tinh phụ thuộc vào nồng độ
chất tan ở trong đó [34].
Δt = -1,84.n
18


Với n là số gam phân tử chất tan
Δt độ giảm nhiệt độ kết tinh.
Khi nhiệt độ kết tinh của nước trong thực phẩm càng giảm thì các tinh thể đá hình
thành có kích thước càng nhỏ, dài, mức độ ảnh hưởng đến cấu trúc thực phẩm giảm. Ở
nhiệt độ khoảng (-20÷-10)0C các tinh thể đá tạo thành có kích thước khơng đều, ở nhiệt độ
(-22÷-10)oC các tinh thể đá tạo thành có kích thước nhỏ đều. Nếu nhiệt độ thấp hơn nữa thì
tinh thể đá tạo thành có kích thước rất nhỏ số lượng tinh thể rất lớn.

Kích thước ngang của các tinh thể được phân chia như sau: kích thước lớn (0,2 - 0,6)
mm, kích thước vừa (0,1- 0,2) mm, kích thước bé (0,01 - 0,1) mm
Hiện tượng ở nhiệt độ dưới 0oC, dưới điểm kết tinh và nước chưa hình thành đá gọi là
hiện tượng quá lạnh. Hiện tượng quá lạnh phụ thuộc vào nồng độ chất tan, cấu trúc màng
tế bào và tốc độ hạ nhiệt của môi trường xung quanh. Nhiệt độ điểm quá lạnh và nhiệt độ
điểm đóng băng là hồn tồn khác nhau.
Các tinh thể đá xuất hiện ở điểm quá lạnh, tỏa ra ẩn nhiệt đóng băng làm tăng nhiệt độ
thực phẩm. Bởi vì tốc độ thải nhiệt khơng kịp với tốc độ sinh nhiệt do tạo mầm tinh thể đá.
Ở điểm này, chủ yếu nước tự do cấu trúc bị tách ra và kết tinh. Nhiệt độ thực phẩm tăng
lên đến một mức cao nhất và dừng lại để hoàn thành q trình đóng băng nước (tự do-cấu
trúc) đây là điểm đóng băng, sau đó tiếp tục giảm nhiệt độ. Ở mỗi loại thực phẩm khác
nhau có điểm quá lạnh và điểm đóng băng khác nhau.
1.3.3.2 Tốc độ làm đơng [40]
Tốc độ làm lạnh thực phẩm là tỷ số chiều dày lớp thực phẩm được cấp đông với thời
gian để làm cấp đơng lớp đó:
Vf =X/t

(1.9)

Tốc độ làm lạnh đơng phụ thuộc nhiều yếu tố, trong đó yếu tố nhiệt độ buồng cấp
đơng đóng vai trị quan trọng nhất. Tốc độ làm đơng có thể bằng tốc độ chuyển dịch của
vạch phân cách của miền nước đang kết tinh và miền nước chưa kết tinh, thơng thường
phân biệt q trình làm đông với tốc độ chậm, nhanh và thật nhanh. Lạnh đông chậm: khi
tốc độ dưới 0,5 cm/h và thời gian cấp đông lớn hơn 10 giờ, lạnh đông chậm: khi tốc độ 13cm/h và thời gian cấp đông từ 2-6h. Cấp đông cực nhanh khi tốc độ cấp đông lớn hơn
hoặc bằng 15cm/h; thời gian cấp đông dưới 20 phút. Đối với nhiều loại thực phẩm giới hạn
giữa lạnh đông chậm và lạnh đơng nhanh là 3cm/h, nhưng nói chung tốc độ làm đông sẽ
ảnh hưởng đến tinh thể nước đá và chất lượng thực phẩm.
19