luận án tiến sĩ nghiên cứu ứng dụng từ trường để nâng cao hiệu quả cấp đông fillet cá tra việt nam

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA </b>

NGUYỄN THỊ TÂM THANH

<b>NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TỪ TRƯỜNG ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ CẤP ĐÔNG FILLET </b>

<b>CÁ TRA VIỆT NAM </b>

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

<b>ĐÀ NẴNG - 2023</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 2</span><div class="page_container" data-page="2">

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

<b>TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA </b>

NGUYỄN THỊ TÂM THANH

<b>NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TỪ TRƯỜNG ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ CẤP ĐÔNG FILLET </b>

<b>CÁ TRA VIỆT NAM </b>

<b>Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b>LỜI CAM ĐOAN </b>

Tác giả xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.

Nguyễn Thị Tâm Thanh

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

<b>TĨM TẮT </b>

Cấp đơng là q trình làm nhanh thực phẩm đến nhiệt độ bảo quản để đưa vào bảo quản lâu dài. Trong quá trình cấp đơng, các tinh thể băng được hình thành từ nước không liên kết trong thực phẩm. Khi cấp đông với thời gian lâu, do chênh lệch nhiệt độ bên trong và bên ngoài thực phẩm nên phân áp suất nước bên trong lớn hơn và nước có xu hướng chuyển dịch từ bên trong ra bên ngoài, tạo thành các tinh thể lớn chèn ép và làm rách màng tế bào thực phẩm, cấu trúc bị phá vỡ. Khi rã đơng, nước bên trong thực phẩm chảy ra bên ngồi làm hao hụt thực phẩm cũng như làm giảm các tính chất ban đầu của nó. Ngược lại khi q trình làm lạnh diễn ra nhanh, trong thể tích thực phẩm tạo nên nhiều tâm kết đơng, nước ít dịch chuyển, các tinh thể tạo nên mịn hơn, cấu trúc thực phẩm được bảo toàn. Như vậy chất lượng thực phẩm sau cấp đông phụ thuộc rất nhiều vào thời gian cấp đơng, hay nói cách khác là tốc độ truyền nhiệt.

Các kết quả nghiên cứu lý thuyết được trình bày trong luận án này đã giải quyết được các bài toán cơ bản liên quan đến sự phân bố từ trường trong buồng cấp đơng, bài tốn truyền nhiệt – truyền chất kết hợp và xác định thời gian cấp đông lý thuyết trong trường hợp cấp đông gió thơng thường. Đối với q trình cấp đơng có hỗ trợ từ trường, cơ sở lý thuyết và các mơ hình tốn về sự ảnh hưởng của từ trường đến các tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm trong q trình cấp đơng vẫn chưa được nghiên cứu nên chưa đủ cơ sở để mô phỏng lý thuyết q trình này. Thay vào đó, để đánh giá ảnh hưởng của từ trường đến q trình cấp đơng, một số thực nghiệm đã được tiến hành ở 03 phương pháp cấp đơng khác nhau (cấp đơng gió khơng có từ trường, có hỗ trợ từ trường dao động và có hỗ trợ từ trường tĩnh) dưới 03 mức nhiệt độ cấp đông (-30C, -35C, -40C). Kết quả thực nghiệm này đã được đưa vào tính tốn và phân tích hồi quy phi tuyến nhằm xác định phương trình đường cong cấp đông theo nhiệt độ không thứ nguyên. Từ kết quả này, sử dụng phương pháp lặp và phương pháp đồng dạng nhiệt để tính tốn hệ số truyền nhiệt. Kết quả cuối cùng cho thấy khi cấp đông có từ trường tĩnh, hệ số truyền nhiệt là lớn nhất và cao hơn khoảng 9,4% so với cấp đông gió thơng thường.

Kết quả thực nghiệm đơn yếu tố cho thấy từ trường có ảnh hưởng đến thời gian cấp đông, cụ thể là giúp giảm thời gian cấp đơng và chi phí điện năng khi ở cùng điều kiện nhiệt độ và vận tốc khơng khí. Điều này cũng cho thấy hướng đi đúng trong nghiên cứu đưa trường điện từ vào hỗ trợ cho cấp đông fillet cá tra nhằm giảm thời gian cấp đông, giảm chi phí năng lượng và nâng cao chất lượng sản phẩm.

Từ kết quả thí nghiệm đơn yếu tố, 29 thí nghiệm đa yếu tố đã được thiết lập theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2 nhằm đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến thời gian cấp đông, tỷ lệ hao hụt khối lượng và độ màu của sản phẩm fillet cá tra. Kết quả phân tích số liệu đã xây dựng được 03 phương trình hồi quy tương quan giữa các hàm mục tiêu và biến đầu vào, đồng thời cho thấy các thơng số này ảnh hưởng lớn đến q trình cấp đơng. Song song đó, phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu cũng được áp dụng để xác định giá trị hợp lý của các thông số công nghệ khi tiến

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

hành cấp đơng có sự hỗ trợ từ trường tĩnh, cụ thể là nhiệt độ cấp đơng -42,7C, vận tốc khơng khí 5,8 m/s, chiều dày fillet cá tra 15,4 mm và mật độ từ thông tối ưu đạt 564,5 Gauss. Đối với từ trường dao động, do mật độ từ thông thay đổi theo thời gian nên các thí nghiệm đa yếu tố chưa thực hiện được.

Thông qua kết quả nghiên cứu của luận án này, có thể nhận thấy rằng, ngồi việc giúp giảm thời gian cấp đơng, từ trường còn giúp đảm bảo chất lượng sản phẩm đến sau khi rã đông, được chứng minh cụ thể thông qua các thông số như màu sắc, độ cứng, độ dẻo, độ dai và tỷ lệ hao hụt khối lượng sau rã đông.

Về màu sắc, so sánh giữa phương pháp cấp đơng có hỗ trợ từ trường và cấp đơng

<i>gió thơng thường, giá trị L* thấp hơn 15%, giá trị a* và b* cao hơn lần lượt là 49,9% và </i>

23,8% cho thấy sản phẩm được cấp đơng có hỗ trợ từ trường giữ được các chất carotenoid (carotene và xanthophyll) ổn định hơn.

Về tính chất cơ lý, các phân tích thử cắt cho thấy độ cứng và ứng suất cắt của fillet cá tra khi cấp đơng có hỗ trợ từ trường lớn hơn khoảng 6,1% so với phương pháp cấp đơng gió thơng thường. Đồng thời, các phân tích TPA cho thấy so với các sản phẩm được cấp đơng gió thơng thường thì các sản phẩm được cấp đơng có hỗ trợ từ trường giữ được độ đàn hồi, độ dẻo và độ dai cao hơn lần lượt là 2,9%, 27,5% và 33,2%.

Mặt khác, phân tích tỷ lệ hao hụt khối lượng sau khi rã đông của các mẫu cá được cấp đơng có hỗ trợ từ trường cũng thấp hơn 55,7% cũng phản ánh tương tự kết quả đo cơ lý và cho thấy khi cấp đơng có hỗ trợ từ trường, các tinh thể băng được hình thành với kích thước nhỏ hơn và đồng đều nên khi rã đông sẽ giúp giữ được vị ngon của sản phẩm.

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

<b>ABSTRACT </b>

Freezing is a long-term process of preserving food, helping food between its nutrients and a long shelf life. During the freezing process, ice crystals are formed from unbound water in the lattice of the material and from the water in each cell, so the product is frozen. As a result, these ice crystals tend to develop into relatively large crystals within the material; therefore, they tend to damage structures by disruption of cell walls as well as disrupt the integrity of frozen products. When defrosted, water inside the food flows outside causing drip loss as well as reducing its original properties. On the contrary, when the freezing process takes place rapidly, in the volume of food creates many freezing centers, less water shifts, the crystals make up smoother, therefore the food structure is preserved. Thus, the quality of food after freezing depends a lot on the freezing time, or in other words, the rate of heat transfer.

The theoretical research results presented in this thesis have solved the basic problems related to the distribution of the magnetic field (MF) in the freezing chamber, the problem of heat and mass transfer and the determination of the theoretical freezing time in the case of air blast freezing. For the magnetic assisted freezing process, the theoretical basis and mathematical models of the effect of the MFs on the thermophysical properties of food during freezing have not yet been reported, so there is not enough basis to simulate this process theory. Instead, to assess the effects of the MFs on the freezing process, several experiments were conducted in 03 different freezing methods (air blast freezing (ABF), oscillating magnetic field (OMF) and static magnetic field (SMF) assisted freezing process) in condition of 03 freezing temperatures (-30C , -35C, -40C). The experimental results were included in nonlinear regression and analysis to determine the equation of the freezing curve according to the dimensionless temperature. From this result, the unique iterative algorithm was used to calculate the heat transfer coefficient. The final result shows that on SMF process, the heat transfer coefficient is the largest and up to 9.4% higher than the ABF process.

The results of single-factor experiments show that the magnetic field affects freezing time, in particular it helps to reduce freezing time and energy costs at the same conditions of air temperature and velocity. This also shows the right direction in research to bring magnetic fields into support for freezing Pangasius fillet in order to reduce freezing time, reduce energy costs and improve product quality.

From the results of single-factor experiments, 29 multi-factor experiments were established according to the method of orthogonal experiment planning level 2 to evaluate the effects of technological parameters on freezing time and freezing loss and color of Pangasius fillets. The results of data analysis have built three regression equations correlated between the target functions and input variables, and at the same time showed that these parameters have a great influence on the freezing process. In parallel, the multi-target optimization method is also applied to determine the fair value

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

of the technological parameters when conducting freezing with the support of static magnetic fields. For oscillating magnetic fields, because the flux density changes over time, multi-factor experiments have not been performed.

Through the research results of this thesis, it can be seen that, in addition to reducing freezing time, the magnetic field also helps to ensure product quality until after thawing, which is specifically demonstrated through parameters such as color, hardness, stringiness, gumminess, chewiness and thawing loss.

In terms of color, the comparison between SMF and ABF method, the L* value 15% lower, the value a* and b* higher 49.9% and 23.8%, respectively, showed that the magnetic-assisted frozen product kept the carotenoids (carotene and xanthophyll) more stable.

Regarding mechanical-physical properties, the shear test analysis showed that the hardness and peak stress of the Pangasius fillet when frozen with SMF was about 6.1% greater than that of ABF method. At the same time, the TPA analysis shows that compared to ABF products, the SMF products retain more stringiness, gumminess and chewiness 2.9%, 27.5% and 33.2%, respectively.

On the other hand, analysis of the weight loss rate after thawing of frozen samples with SMF was also 55.7% lower ABF samples, similarly reflecting the results of mechanical – physical measurement and showed when frozen static magnetic field, ice crystals are formed with smaller and uniform sizes, so defrosting helps to retain the delicious taste of the product.

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

<b>LỜI CẢM ƠN </b>

Tơi xin trân trọng cảm ơn PGS. TS. Võ Chí Chính và TS. Nguyễn Thành Văn cùng các đồng nghiệp tại Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng và Trường Đại học Cơng nghiệp Tp. Hồ Chí Minh đã hỗ trợ và đóng góp ý kiến để hồn thành Luận án Tiến sĩ này.

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

<b>MỤC LỤC </b>

<b>DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH ... x </b>

<b>DANH MỤC BẢNG BIỂU ... xii </b>

<b>DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT ... xiii </b>

<b>MỞ ĐẦU ... xvi </b>

<b>CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ... 1 </b>

1.1. Chất lượng thủy sản và ảnh hưởng của q trình cấp đơng ... 1

1.1.1. Cá tra và fillet cá tra ... 2

1.1.2. Chỉ tiêu chất lượng sản phẩm ... 4

1.1.3. Cấp đông thực phẩm ... 4

1.2. Các phương pháp và thiết bị cấp đông thông dụng ... 5

1.2.1. Các phương pháp cấp đông ... 5

1.2.2. Các thiết bị cấp đông thông dụng ... 6

1.3. Các cơng nghệ cấp đơng hiện đại ... 7

1.4. Tình hình nghiên cứu về ứng dụng từ trường trong cấp đơng thực phẩm... 11

1.4.1. Tình hình nghiên cứu ngồi nước ... 11

1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ... 19

1.5. Các vấn đề nghiên cứu của luận án ... 20

1.5.1. Mục tiêu nghiên cứu ... 20

1.5.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ... 20

1.5.3. Nội dung nghiên cứu ... 20

1.5.4. Phương pháp nghiên cứu ... 21

<b>CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ CẤP ĐƠNG CĨ HỖ TRỢ TỪ TRƯỜNG ... 22 </b>

2.1. Tổng quan về từ trường ... 22

2.1.1. Khái niệm từ trường ... 22

2.1.2. Từ trường tĩnh ... 23

2.1.3. Từ trường biến thiên (dao động) theo thời gian ... 23

2.1.4. Từ trường và biến đổi pha của nước ... 24

2.2. Tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm ... 26

2.3. Cấp đông hỗ trợ từ trường ... 29

2.3.1. Nguyên lý hoạt động của cấp đông hỗ trợ từ trường ... 29

2.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình cấp đơng có hỗ trợ từ trường ... 31

2.4. Mơ hình bài tốn cấp đơng fillet cá tra ... 32

2.4.1. Hệ số truyền nhiệt trong q trình cấp đơng ... 34

2.4.2. Các phương pháp xác định hệ số trao đổi nhiệt ... 34

2.4.3. Phương pháp xác định hệ số trao đổi nhiệt của thực phẩm có hình dạng bất kì .. 37

2.5. Xác định các thơng số nhiệt vật lý của fillet cá tra ... 40

2.5.1. Cơ sở lý thuyết xác định các thông số nhiệt vật lý ... 40

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

2.5.2. Tính tốn các thông số nhiệt vật lý của fillet cá tra ... 45

2.6. Xác định thời gian cấp đông lý thuyết ... 47

2.7. Lý thuyết mơ phỏng q trình cấp đông thực phẩm và phân bố từ trường ... 50

2.7.1. Mơ phỏng q trình cấp đơng fillet cá tra ... 51

2.7.2. Mô phỏng phân bố từ trường trong thiết bị cấp đông ... 53

<b>CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA TỪ TRƯỜNG ĐẾN Q TRÌNH CẤP ĐƠNG GIĨ .. </b>

<b> ... 56 </b>

3.1. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm ... 56

3.1.1. Mơ hình cấp đơng hỗ trợ từ trường ... 56

3.1.2. Khảo sát phân bố từ trường trong buồng cấp đông ... 59

3.1.3. Quy trình tiến hành thực nghiệm ... 62

3.1.4. Xác định các yếu tố ảnh hưởng đến q trình cấp đơng ... 65

3.1.5. Đánh giá hoạt động của mơ hình ... 65

3.2. Kết quả mô phỏng ... 73

3.2.1. Phân bố từ trường dao động trong buồng cấp đông ... 73

3.2.2. Phân bố từ trường tĩnh trong buồng cấp đơng ... 75

3.3. Tính tốn thời gian cấp đơng fillet cá tra khơng có từ trường ... 78

3.3.1. Tính tốn thời gian cấp đơng lý thuyết ... 78

3.3.2. Kết quả mơ phỏng q trình cấp đơng khơng có từ trường ... 81

3.4. Tính tốn hệ số truyền nhiệt trong q trình cấp đơng ... 84

<b>CHƯƠNG 4 TỐI ƯU HĨA CÁC THƠNG SỐ VẬN HÀNH Q TRÌNH CẤP ĐƠNG GIĨ CĨ HỖ TRỢ TỪ TRƯỜNG TĨNH... 90 </b>

4.1. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố ... 90

4.1.1. Xác định các thông số đầu vào ... 93

4.1.2. Xác định các thông số đầu ra (hàm mục tiêu) ... 93

4.2. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố ... 94

4.2.1. Thiết lập bài toán thực nghiệm đa yếu tố ... 94

4.2.2. Thiết lập phương trình hồi quy thực nghiệm ... 96

4.3. Tối ưu hóa q trình cấp đơng ... 101

4.4. Đánh giá suất tiêu hao điện năng cho q trình cấp đơng ... 103

<b>CHƯƠNG 5 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM CẤP ĐÔNG ỨNG DỤNG TỪ TRƯỜNG ... 107 </b>

5.1. Tầm quan trọng của chất lượng đến sản phẩm cấp đông ... 107

5.2. Các chỉ tiêu chất lượng sản phẩm cấp đông ... 107

5.2.1. Màu sắc ... 107

5.2.2. Cấu trúc của thực phẩm ... 109

5.2.3. Độ ngon ... 112

5.2.4. Hương vị... 113

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

5.3.1. Vật liệu ... 114

5.3.2. Phương tiện ... 114

5.4. Kết quả phân tích chất lượng ... 118

5.4.1. Kết quả phân tích màu sắc ... 118

5.4.2. Đánh giá tỷ lệ hao hụt khối lượng sau rã đông ... 122

5.4.3. Kết quả phân tích cơ lý ... 123

5.4.4. So sánh chất lượng với sản phẩm thương mại ... 127

5.5. Đánh giá và thảo luận ... 128

<b>CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN... 131 </b>

6.1. Các kết quả đạt được ... 131

6.2. Những đóng góp mới của luận án ... 132

6.3. Các tồn tại, hạn chế ... 134

6.4. Khuyến nghị các hướng nghiên cứu tiếp theo ... 135

<b>DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ... 136 </b>

<b>TÀI LIỆU THAM KHẢO ... 137 </b>

<b>PHỤ LỤC ... 144 </b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 12</span><div class="page_container" data-page="12">

<b>DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH </b>

Hình 1.1 Xuất khẩu thủy sản Việt Nam từ 1997-2020 và các sản phẩm chính ... 2

Hình 1.2 Tình hình xuất khẩu cá tra giai đoạn 2008-2019 ... 3

Hình 1.3 Minh họa q trình hình thành tinh thể băng trong cấp đơng (cơng ty ABI) . 12Hình 2.1 Q trình hình thành điểm kết đơng của nước trong thực phẩm ... 27

Hình 2.2 Quan hệ giữa nhiệt độ điểm kết đông của thực phẩm với nồng độ chất tan . 28Hình 2.3 Thay đổi thành phần băng theo nhiệt độ trong q trình kết đơng ... 29

Hình 2.4 Sơ đồ ngun lý cấp đông hỗ trợ từ trường dao động ... 30

Hình 2.5 Bố trí mẫu fillet cá tra trong buồng cấp đơng ... 33

Hình 2.6 Mơ hình q trình cấp đơng... 33

Hình 2.7 Đường cong cấp đơng điển hình theo nhiệt độ khơng thứ ngun ... 36

Hình 2.8 Thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt dạng que thăm ... 43

Hình 2.9 Đồ thị biểu diễn các tính chất nhiệt của fillet cá tra theo nhiệt độ ... 46

Hình 2.10 Lưu đồ tính tốn thời gian cấp đơng lý thuyết ... 47

Hình 2.11 Hình dạng của miếng cá trên mơ phỏng và thực tế ... 51

Hình 2.12 Chia lưới trên tồn bộ miếng cá ... 52

Hình 2.13 Mơ tả điều kiện cách từ ... 55

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý của mơ hình cấp đơng thí nghiệm ... 56

Hình 3.2 Đồ thị P-h và các thông số trạng thái của chu trình theo Coolpack ... 57

Hình 3.3 Sơ đồ khối điều khiển bộ phát từ trường dao động ... 58

Hình 3.4 Minh họa dạng sóng ngõ ra sau khi điều chỉnh ... 58

Hình 3.5 Bộ phát từ trường dao động và từ trường tĩnh sau khi thiết kế ... 58

Hình 3.6 Vị trí đo từ trường trong thí nghiệm ... 60

Hình 3.7 Phân bố từ trường dao động theo vị trí ... 60

Hình 3.8 Phân bố từ trường tĩnh theo vị trí ... 61

Hình 3.9 Qui trình tiến hành thực nghiệm ... 63

Hình 3.10 Mơ hình và các thiết bị đo phục vụ thí nghiệm ... 64

Hình 3.11 Mơ tả vị trí lắp đặt cảm biến nhiệt độ trong tâm miếng fillet cá tra ... 64

Hình 3.12 Đường cong cấp đơng trên mơ hình cấp đơng gió khơng có từ trường ... 67

Hình 3.13 Đường cong cấp đơng fillet cá tra ở khi hỗ trợ từ trường dao động ... 69

Hình 3.14 Đường cong cấp đông fillet cá tra ở khi hỗ trợ từ trường tĩnh ... 71

Hình 3.15 So sánh thời gian cấp đông fillet cá tra giữa 3 phương pháp ... 72

Hình 3.16 Kích thước hình học của buồng cấp đơng có hỗ trợ từ trường dao động ... 73

Hình 3.17 Kết quả chia lưới mơ phỏng từ trường dao động ... 74

Hình 3.18 Phân bố từ trường dao động tại tâm miếng cá , t=0,005s ... 74

Hình 3.19 Phân bố mật độ từ thơng tại 09 vị trí đo theo thời gian ... 75

Hình 3.20 Kích thước hình học của buồng cấp đơng có hỗ trợ từ trường tĩnh ... 75

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

Hình 3.22 Phân bố hướng của các đường sức từ ... 76

Hình 3.23 Phân bố từ trường tại mặt cắt ở tâm miếng cá ... 77

Hình 3.24 So sánh mật độ từ thơng trung bình giữa mơ phỏng và thực nghiệm ... 78

Hình 3.25 Mật độ từ thông trên mặt cắt dọc miếng cá ở khoảng cách nam châm 50mm ... 78

Hình 3.26 Đồ thị so sánh thời gian cấp đông của các phương pháp khác nhau ... 80

Hình 3.27 Phân tích thống kê thời gian cấp đông theo 04 phương pháp ... 81

Hình 3.28 Đường cong cấp đơng tại bề mặt và tâm fillet cá tra ở các nhiệt độ khác nhau ... 81

Hình 3.29 Kết quả mơ phỏng nhiệt độ trong q trình cấp đơng tại 11 mặt cắt ... 83

Hình 3.30 Phân bố hàm lượng băng bên trong miếng cá theo thời gian ... 83

Hình 3.31 Mơ hình tính tốn hệ số truyền nhiệt trong q trình cấp đơng ... 84

Hình 3.32 Mơ tả phương pháp đo nhiệt độ trong q trình cấp đơng ... 85

Hình 3.33 Lưu đồ tính tốn hệ số trao đổi nhiệt ... 86

Hình 4.1 Minh họa mơ hình hộp đen ... 90

Hình 4.2 Minh họa các biến đầu vào và hàm mục tiêu của thực nghiệm ... 94

Hình 4.3 Đồ thị bề mặt đáp ứng của hàm thời gian cấp đơng ... 97

Hình 4.4 Đồ thị bề mặt đáp ứng của hàm tỷ lệ hao hụt khối lượng sau cấp đơng ... 99

Hình 4.5 Đồ thị bề mặt đáp ứng của hàm tổng số chênh lệch màu trung bình ... 101

Hình 4.6 Mặt đáp ứng khi tối ưu hóa ... 103

Hình 4.7 So sánh suất tiêu hao điện năng ở nhiệt độ -30C ... 105

Hình 4.8 So sánh suất tiêu hao điện năng ở nhiệt độ -35C ... 105

Hình 4.9 So sánh suất tiêu hao điện năng ở nhiệt độ -40C ... 106

Hình 5.1 Hệ màu CIE ... 109

Hình 5.2 Lưỡi cắt Warner-Bratzler và lưỡi cắt Kramer ... 111

Hình 5.3 Mơ tả phương pháp TPA ... 112

Hình 5.4 Vị trí đo và máy đo màu CR-410 ... 115

Hình 5.5 Cân mẫu cá trước và sau rã đơng ... 116

Hình 5.6 Máy đo cấu trúc thực phẩm CT3-4500 và màn hình điều khiển ... 117

Hình 5.7 Vị trí lấy mẫu phân tích cấu trúc ... 117

Hình 5.8 Các giá trị đo màu mẫu cá khi cấp đơng khơng có từ trường (mẫu I) ... 120

Hình 5.9 Các giá trị đo màu mẫu cá khi cấp đơng có từ trường (mẫu I) ... 121

Hình 5.10 Tỷ lệ hao hụt khối lượng khi rã đơng ... 123

Hình 5.11 Biểu đồ lực cắt mẫu cá khi cấp đông khơng từ trường (mẫu III) ... 123

Hình 5.12 Biểu đồ lực cắt mẫu cá khi cấp đơng có từ trường tĩnh (mẫu IV) ... 124

Hình 5.13 Biểu đồ phân tích TPA mẫu cá khi cấp đông không từ trường (mẫu III) .. 126

Hình 5.14 Biểu đồ phân tích TPA mẫu cá khi cấp đơng có từ trường tĩnh (mẫu IV) . 126Hình 5.15 Đồ thị so sánh tính chất cơ lý của các mẫu VQ-ABF-SMF ... 128

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

<b>DANH MỤC BẢNG BIỂU </b>

Bảng 1.1 Diện tích và sản lượng cá tra của ĐBSCL từ năm 2015 -2019 ... 3

Bảng 1.2 Chỉ tiêu cảm quan của fillet cá tra... 4

Bảng 1.3 Chỉ tiêu lý-hóa của fillet cá tra ... 4

Bảng 1.4 So sánh các công nghệ cấp đông hiện đại ... 9

Bảng 2.1 Các giá trị p<small>1</small>, p<small>2</small>, p<small>3</small> và E<small>0 </small> ... 39

Bảng 2.2 Các phương trình dự đoán nhiệt dung riêng của thành phần ... 40

Bảng 2.3 Các phương trình dự đốn hệ số khuếch tán nhiệt của các thành phần ... 42

Bảng 2.4 Các phương trình dự đoán hệ số dẫn nhiệt của các thành phần ... 44

Bảng 2.5 Các phương trình dự đốn khối lượng riêng của các thành phần ... 44

Bảng 2.6 Thành phần của fillet cá tra ... 45

Bảng 2.7 Hệ số P và R phụ thuộc vào hình dạng thực phẩm ... 48

Bảng 2.8 Tổng hợp mơ hình tốn xác định thời gian cấp đơng ... 49

Bảng 3.1 Kết quả tính tốn chu trình lạnh ... 57

Bảng 3.2 Thơng số cơ bản của các thiết bị trong hệ thống cấp đông ... 59

Bảng 3.3 Thơng số trung bình của mật độ từ thơng dao động tại 9 vị trí đo ... 61

Bảng 3.4 Thơng số trung bình của mật độ từ thơng tĩnh tại 9 vị trí đo ... 61

Bảng 3.5 Tổng hợp các dụng cụ đo phục vụ thí nghiệm ... 62

Bảng 3.6 Các thông số thực nghiệm ... 64

Bảng 3.7 Kết quả thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của từ trường dao động ... 68

Bảng 3.8 Kết quả thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của từ trường tĩnh ... 70

Bảng 3.9 Giá trị từ trường tĩnh đo được từ kết quả mơ phỏng ... 76

Bảng 3.10 Tóm tắt các đại lượng thơng số nhiệt vật lý trong q trình cấp đông ... 78

Bảng 3.11 Bảng tổng hợp thời gian cấp đông fillet cá tra ... 82

Bảng 3.12 Các thông số tính tốn hệ số trao đổi nhiệt ... 84

Bảng 3.13 Phân tích dữ liệu cấp đơng theo mơ hình tốn ... 85

Bảng 3.14 Các hệ số tính tốn <small>1</small> và E ... 86

Bảng 3.15 So sánh hệ số truyền nhiệt trung bình ... 87

Bảng 4.1 Miền thực nghiệm đa yếu tố ... 95

Bảng 4.2 Ma trận thực nghiệm trực giao cấp 2 ... 95

Bảng 4.3 Kết quả phân tích thống kê hàm Y<small>1</small> ... 96

Bảng 4.4 Kết quả phân tích thống kê hàm Y<small>2</small> ... 98

Bảng 4.5 Kết quả phân tích thống kê hàm Y<small>3</small> ... 100

Bảng 4.6 Kết quả thực nghiệm đánh giá suất tiêu hao điện năng ... 104

Bảng 5.1 Kết quả đo màu của mẫu fillet cá tra tươi ... 115

Bảng 5.2 Kết quả đo màu khi cấp đơng khơng có từ trường ... 119

Bảng 5.3 Kết quả đo màu khi cấp đơng có hỗ trợ từ trường tĩnh ... 119

Bảng 5.4 Kết quả đo tỷ lệ hao hụt khối lượng khi cấp đông ... 122

Bảng 5.5 Kết quả đo cơ lý bằng phương pháp cắt... 124

Bảng 5.6 Kết quả đo cơ lý bằng phương pháp TPA ... 125

Bảng 5.7 Kết quả phân tích cơ lý mẫu công ty Vinh Quang ... 127

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

<b>DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT </b>

CÁC KÝ HIỆU

<i>a </i> Hệ số khuếch tán nhiệt, m<small>2</small>/s

<i>A </i> Diện tích của bề mặt vật liệu, m<small>2</small>

<i>c </i> Nhiệt dung riêng, J/(kg.K)

<i>c</i><small>f </small> Nhiệt dung riêng của thực phẩm đã kết đơng hồn tồn

<i>C<small>F</small></i> Nồng độ ẩm (kg ẩm/m<small>3</small>)

<i>c</i><small>j</small> Nhiệt dung riêng của các thành phần thực phẩm, kJ/kgK

<i>c<small>pi</small></i> Nhiệt dung riêng của thực phẩm đã kết đông, kJ/(kg.K)

<i>c<small>u</small></i> Nhiệt dung riêng của thực phẩm chưa kết đông, kJ/(kg.K)

<i>FL </i> Tỷ lệ hao hụt khối lượng sau cấp đông (Freezing loss), %

<i>G<small>1</small></i> Khối lượng fillet cá tra trước khi cấp đông, g

<i>G<small>2</small></i> Khối lượng fillet cá tra sau khi cấp đông, g

<i>h </i> Enthalpy, kJ/kg

<i>h<small>F</small></i> Enthalpy của chất khuếch tán,

<i>h</i><small>j </small> Enthalpy của các thành phần trong thực phẩm.

<i>L </i> Số hệ số có nghĩa trong phương trình hồi quy

<i>L</i><small>0</small> Nhiệt ẩn đơng đặc của nước tính theo kg, 333,6 kJ/kg

<i>t</i><small></small> Nhiệt độ môi trường, C

<i>T<small>0</small></i> Nhiệt độ bắt đầu kết đông của nước tinh khiết, 273K hay t<small>0</small> = 0C

<i>t</i><small>f</small> Nhiệt độ bắt đầu kết đông của thực phẩm, C

<i>t</i><small>r </small> Nhiệt độ tham chiếu, C

<i>t</i><small>s</small> Nhiệt độ bề mặt, C

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

<i>t</i> Độ giảm nhiệt độ <i><small>rfr</small></i>

<i>V</i><small>s </small> Thể tích của mẫu thử

<i>V</i><small>w </small> Thể tích nước được đưa vào

<i>x</i><small>b </small> Thành phần khối lượng của nước liên kết trong thực phẩm, <i><small>x</small>_b</i> <small>=0, 4.</small><i><small>x</small>_px<small>fw</small></i> Thành phần nước có thể kết đơng

<i>x</i><small>i </small> Thành phần khối lượng của băng

<i>x</i><small>j</small> Thành phần khối lượng của các thành phần có thực phẩm (carbohydrate, chất xơ, protein, chất béo, tro, nước, băng)

<i>x</i><small>j</small>^v Thành phần thể tích của thành phần thứ j

<i>x</i><small>p </small> Thành phần khối lượng của protein có trong thực phẩm

<i>x</i><small>s </small> <i>Thành phần khối lượng của các chất rắn trong thực phẩm, x<small>s</small> =1- x<small>w0</small></i>

<i>x<small>uw</small></i> Thành phần nước không thể kết đông

<i>x</i><small>w0 </small> Thành phần khối lượng của nước ban đầu trong thực phẩm

<small></small> Lượng thay đổi enthalpy từ t<small>f</small> đến t<small>r</small>.

<i>Δc </i> Hiệu nhiệt dung riêng của nước và của băng, <i>c = c<small>w</small> – c<small>i</small> </i>

 Hệ số tỏa nhiệt đối lưu, W/(m<small>2</small>.K)

 Độ dày từ tâm thực phẩm ra bên ngoài, m;

 Khối lượng riêng, kg/m<small>3</small> Hệ số dẫn nhiệt, W/(m.K)

<i>ε </i> Độ rỗng (độ xốp) của thực phẩm

<i><small>0</small></i> Độ thẩm điện tuyệt đối của môi trường chân không, <small>0</small> = 10<small>-9</small>/36 (F/m) <small>0</small> Độ thẩm từ tuyệt đối của môi trường chân không, <small>0</small> = 4.10<small>-7</small> (H/m)

<small>F</small> Thời gian cấp đông, s

i Hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm đã kết đông, W/(m.K)

<i><small>j</small></i> Khối lượng riêng của các thành phần thực phẩm

<i><small>r</small></i> Độ thẩm điện tương đối của vật liệu

<i><small>r</small></i> Độ thẩm từ tương đối của vật liệu

</div><span class="text_page_counter">Trang 17</span><div class="page_container" data-page="17">

CÁC TỪ VIẾT TẮT

ABF Air blast freezing AC Alternating current AFP Antifreeze proteins CAS Cell Alive System

COP Coefficient of Performance DC Direct current

EF Electrically disturbed freezing EMF Electromagnetic field

HPF High pressure freezing IQF Individual quickly freezer MF Magnetically disturbed freezing MWF Microwave assisted freezing ODF Osmo-dehydro-freezing

OMF Oscillating magnetic field assisted freezing RSM Response surface methodology

SMF Static magnetic field assisted freezing STD Standard Deviation

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TPA Texture profile analysis UAF Ultrasound assisted freezing

VASEP Vietnam Association of Seafood Exporters and Producers WHC Water Holding Capacity

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

<b>MỞ ĐẦU </b>

<b>1. Tính cấp thiết của đề tài </b>

Ngày nay ngành công nghiệp chế biến thực phẩm ở Việt Nam đã và đang trên đà phát triển mạnh. Các sản phẩm chế biến tiêu thụ trong nước và xuất khẩu ngày một đa dạng với các u cầu địi hỏi ngày càng cao về tiêu chí an tồn, chất lượng và giá trị, tuy nhiên đóng góp chủ lực vào nền kinh tế quốc dân, đặc biệt là thị trường xuất khẩu vẫn là các sản phẩm thủy sản. Với các mục tiêu phát triển ngành thủy sản đến năm 2030 thành ngành kinh tế quan trọng của quốc gia, sản xuất hàng hóa lớn gắn với cơng nghiệp hóa - hiện đại hóa, phát triển bền vững và chủ động thích ứng với biến đổi khí hậu thì việc đẩy mạnh nghiên cứu các cơng nghệ liên quan đến nuôi trồng, chế biến và bảo quản thủy sản là điều cấp thiết hiện nay.

Cá tra là lồi cá nước ngọt được ni và xuất khẩu nhiều nhất so với các loại thủy sản nước ngọt khác và được ví là ngành xuất khẩu tỷ đô của Việt Nam. Fillet cá tra (phi lê cá tra) là bán thành phẩm đã qua các công đoạn xử lý như tách nội tạng, xương và da,... có thể sử dụng cho nhiều mục đích chế biến khác nhau. Tuy nhiên chúng rất dễ ươn hỏng nếu không được bảo quản thích hợp, thơng thường các sản phẩm này được bảo quản bằng hình thức cấp đơng, nhiệt độ tại tâm của fillet cá tra không lớn hơn -18°C (TCVN 8338:2010).

Q trình cấp đơng thực phẩm bị ảnh hưởng bởi thành phần chủ đạo của chúng là nước. Chất lượng cuối cùng của sản phẩm đông lạnh phụ thuộc vào quá trình chuyển đổi pha từ nước thành băng. Kích thước của các tinh thể băng là rất quan trọng đối với chất lượng cuối cùng của thực phẩm đơng lạnh vì nó có thể gây tác động không thể phục hồi cấu trúc tế bào do đó làm suy giảm cấu trúc và màu sắc của sản phẩm. Vì lý do này, nhiều cơng nghệ cấp đơng mới đã được phát triển để kiểm sốt q trình kết tinh và cải thiện tốc độ hình thành và phát triển tinh thể băng. Sự tác động điện và từ là những yếu tố có thể sắp xếp lại các mạng liên kết hydro tồn tại trong nước.

Với những phân tích nêu trên, nghiên cứu về q trình cấp đơng có hỗ trợ từ trường đối với fillet cá tra Việt Nam là nhu cầu cấp thiết nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm sau cấp đơng đồng thời giảm chi phí năng lượng trong q trình cấp đơng, từ đó nâng cao lợi thế cạnh tranh trên thị trường xuất khẩu đối với sản phẩm cá tra ở Việt Nam.

<b>2. Mục tiêu nghiên cứu </b>

− Phân tích được ảnh hưởng của từ trường đến hệ số truyền nhiệt trong quá trình cấp đông fillet cá tra.

− Đánh giá được ảnh hưởng của các thông số công nghệ (nhiệt độ, vận tốc, chiều dày, mật độ từ thơng) đến chi phí và chất lượng cấp đơng có hỗ trợ từ trường tĩnh. Trên cơ sở đó xây dựng được chế độ cấp đông phù hợp với sản phẩm fillet cá tra Việt Nam.

− Phân tích được ảnh hưởng của từ trường đến chất lượng sản phẩm fillet cá tra sau khi cấp đơng dựa trên các tiêu chí như màu sắc, độ cứng, độ đàn hồi, độ dẻo, độ dai và tỷ lệ hao hụt khối lượng sau rã đơng. Đồng thời, phân tích và so sánh được

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

<b>3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu </b>

<i>a. Đối tượng nghiên cứu </i>

− Fillet cá tra được nuôi ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long (cụ thể là tỉnh Tiền Giang).

− Cấp đơng gió có sự hỗ trợ của từ trường.

<i>b. Phạm vi nghiên cứu </i>

Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm q trình cấp đơng fillet cá tra trên mơ hình cấp đơng gió có hỗ trợ từ trường, năng suất 2 kg/mẻ.

<b>4. Phương pháp nghiên cứu </b>

Để thực hiện được các nội dung nêu trên thì luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu cơ bản như sau:

− Phương pháp chuyên gia: sử dụng kiến thức thực tế cũng như lý thuyết của các chuyên gia trong lĩnh vực cấp đông thực phẩm; các tác giả đã có các cơng trình cơng bố về kỹ thuật và thiết bị cấp đông thực phẩm.

− Phương pháp kế thừa: kế thừa kiến thức lý thuyết và các cơng trình đã cơng bố trong các tài liệu kỹ thuật, sách, tạp chí chuyên ngành trên thế giới và trong nước. − Phương pháp giải tích tốn học: sử dụng để giải quyết các bài tốn trao đổi nhiệt,

các thơng số nhiệt vật lý và thời gian cấp đông thực phẩm.

− Phương pháp mô phỏng: xác định phân bố nhiệt độ và thời gian cấp đông fillet cá tra, xác định phân bố từ trường trong buồng cấp đông.

− Phương pháp sử dụng mơ hình vật lý: Thiết kế, chế tạo mơ hình vật lý nhằm xây dựng và xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cấp đông và chất lượng sản phẩm.

− Phương pháp thực nghiệm: bao gồm thực nghiệm đơn yếu tố và thực nghiệm đa yếu tố, sử dụng quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2 và phép hồi quy phi tuyến, nhằm tính tốn hệ số truyền nhiệt và xác định các thông số công nghệ phù hợp.

<b>5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn </b>

Với kết quả dự kiến đạt được của đề tài nghiên cứu ứng dụng từ trường để nâng cao chất lượng cấp đông fillet cá tra tại Việt Nam sẽ mang lại nhiều lợi ích tích cực. Về mặt lý thuyết, đề tài góp phần hồn thiện cơ sở lý thuyết về ứng dụng từ trường trong cấp đơng nói chung, cũng như kỹ thuật nói riêng. Kết quả đạt được của đề tài nghiên cứu sẽ là cơ sở để áp dụng phương pháp cấp đông từ trường thay thế cho các phương pháp cũ trước đây.

Về mặt kỹ thuật, đề tài góp phần phát triển dạng tủ cấp đơng từ trường có thời gian cấp đơng thấp hơn và chất lượng sản phẩm cao hơn so với tủ đông gió, tủ đơng tiếp xúc và tủ đơng IQF khác ở quy mô lớn, năng suất cao hơn.

Về mặt học thuật, luận án sẽ đóng góp cũng như làm rõ phân bố trường nhiệt độ, phân bố hàm lượng băng bên trong sản phẩm fillet cá tra và các phương trình xác định thời gian cấp đơng, chi phí năng lượng và chất lượng sản phẩm trong quá trình cấp đông từ trường.

Về mặt thực tiễn, luận án sẽ tạo ra một loại thiết bị cấp đông mới có chất lượng cao, nhưng thời gian cấp đơng nhanh hơn các thiết bị cấp đông khác.

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

<b>6. Bố cục của luận án </b>

Cấu trúc của luận án như sau:

<b>Chương 1: Tổng quan. Chương này đề cập đến vai trò và tầm quan trọng của q trình </b>

cấp đơng đến chất lượng thủy sản, đặc biệt là fillet cá tra. Đồng thời cũng giới thiệu các phương pháp cấp đông truyền thống và hiện đại, phân tích tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước, từ đó đặt ra mục tiêu, đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu cho luận án.

<b>Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết về cấp đơng có hỗ trợ từ trường. Trong chương </b>

này, các đặc điểm của công nghệ cấp đông từ trường và các yếu tố ảnh hưởng đến q trình cấp đơng đã được giới thiệu. Thêm vào đó, cơ sở lý thuyết xác định các tính chất nhiệt vật lý của fillet cá tra cũng được đề xuất dựa trên cơ sở kế thừa các nghiên cứu trước đây. Đồng thời, các mơ hình toán đã được thiết lập để xác định hệ số truyền nhiệt, hệ số trao đổi nhiệt và thời gian cấp đông – là các thông số quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả của q trình cấp đơng có hỗ trợ từ trường.

<b>Chương 3: Kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm ảnh hưởng của từ trường đến q trình cấp đơng gió. Trên cơ sở lý thuyết được nghiên cứu ở chương 2, </b>

thiết bị cấp đơng quy mơ thí nghiệm đã được thiết kế, mô phỏng và chế tạo nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của từ trường đến q trình cấp đơng. Kết quả thực nghiệm đã được tiến hành trên 03 phương pháp: cấp đơng gió khơng từ trường, cấp đơng có hỗ trợ từ trường dao động và cấp đơng có hỗ trợ từ trường tĩnh nhằm so sánh thời gian cấp đông và sử dụng làm cơ sở dữ liệu để xác định hệ số truyền nhiệt trong quá trình cấp đơng.

<b>Chương 4: Tối ưu hóa các thơng số vận hành q trình cấp đơng gió có hỗ trợ từ trường tĩnh. Chương này trình bày phương pháp quy hoạch thực nghiệm nhằm tối </b>

ưu hóa các thơng số vận hành của q trình cấp đơng fillet cá tra có hỗ trợ từ trường tĩnh. Kết quả đã xác định được các mối tương quan giữa 03 hàm mục tiêu (Thời gian cấp đông, tỷ lệ hao hụt khối lượng sau cấp đông, tổng số chênh lệch màu trung bình) với 04 thơng số có ảnh hưởng lớn đến q trình cấp đơng bao gồm nhiệt độ mơi trường cấp đơng, vận tốc khơng khí qua bề mặt mẫu, chiều dày trung bình của mẫu và mật độ từ thơng trung bình. Từ đó, bài tốn tối ưu hóa đa mục tiêu đã được thiết lập và giải quyết bằng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM).

<b>Chương 5: Đánh giá chất lượng sản phẩm cấp đông ứng dụng từ trường. Trong </b>

chương này, một số chỉ tiêu chất lượng quan trọng liên quan đến thực phẩm sau khi cấp đông như màu sắc, độ cứng, độ dẻo, độ dai,…đã được phân tích và đánh giá dựa trên các mẫu đã được cấp đơng có hỗ trợ từ trường ở chế độ vận hành tối ưu, như đã xác định ở chương 4. Đồng thời các chỉ tiêu này cũng được so sánh với các mẫu fillet cá tra chưa cấp đông và các mẫu cá được cấp đơng bằng phương pháp cấp đơng gió thơng thường đang được phân phối trên thị trường. Kết quả phân tích cho thấy từ trường trong cấp đơng có tác động đến cấu trúc và màu sắc của fillet cá tra, giúp mẫu cá đạt được chất lượng tốt hơn so với phương pháp cấp đơng gió thơng thường.

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

CHƯƠNG 1 <b>TỔNG QUAN </b>

Chương này đề cập đến vai trị và tầm quan trọng của q trình cấp đông đến chất lượng thủy sản, đặc biệt là fillet cá tra. Đồng thời cũng giới thiệu các phương pháp cấp đơng truyền thống và hiện đại, phân tích tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước, từ đó đặt ra mục tiêu, đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu cho luận án.

<b>1.1. Chất lượng thủy sản và ảnh hưởng của q trình cấp đơng </b>

Trong q trình cấp đơng thực phẩm xảy ra hiện tượng dịch chuyển nước do chênh lệch nhiệt độ bên trong và bề mặt sản phẩm, nước dịch chuyển ra bên ngoài với lượng lớn nên tạo thành tinh thể băng lớn làm chọc thủng màng tế bào. Khi rã đông, nước chảy ra ngoài thực phẩm mang theo lượng lớn chất dinh dưỡng. Đối với các q trình cấp đơng nhanh, thời gian cấp đơng ngắn sẽ giúp giảm kích thước tinh thể băng và tăng chất lượng thực phẩm sau khi rã đông. Do vậy, thời gian cấp đông là yếu tố quan trọng nhất, quyết định đến chất lượng thực phẩm nói chung cũng như chất lượng thủy sản nói riêng.

Ngành thủy sản đóng vai trị rất quan trọng trong nền kinh tế của Việt Nam hiện nay. Với các mục tiêu phát triển ngành thủy sản đến năm 2030 thành ngành kinh tế quan trọng của quốc gia, sản xuất hàng hóa lớn gắn với cơng nghiệp hóa - hiện đại hóa, phát triển bền vững và chủ động thích ứng với biến đổi khí hậu; có cơ cấu và hình thức tổ chức sản xuất hợp lý, năng suất, chất lượng, hiệu quả cao; có thương hiệu uy tín, khả năng cạnh tranh và hội nhập quốc tế;… (theo Quyết định 339/QĐ-TTg ngày 11 tháng 03 năm 2021 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Chiến lược phát triển thủy sản Việt Nam đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2045) thì việc đẩy mạnh nghiên cứu các công nghệ liên quan đến nuôi trồng, chế biến và bảo quản thủy sản là điều cấp thiết hiện nay. Theo thống kê của VASEP, giá trị xuất khẩu thủy sản chiếm 9 – 10% tổng kim ngạch xuất khẩu quốc gia (Giá trị xuất khẩu năm 2020 là 8,5 tỷ USD), tổng sản lượng thủy sản năm 2020 chiếm 8,4 triệu tấn, và là ngành đứng thứ 5 về giá trị xuất khẩu (sau các ngành điện tử, may mặc, dầu thô, giày dép).

Cũng theo VASEP, xuất khẩu thủy sản ở nước ta từ năm 1997 đến năm 2020 tăng gấp 11 lần, tăng trưởng trung bình hàng năm 10% từ 758 triệu USD lên 8,5 tỷ USD, trong đó hai loại sản phẩm xuất khẩu chiếm tỷ lệ lớn là tôm và cá tra với tỷ lệ tăng trưởng trung bình hàng năm lần lượt là 10% và 26%. Hình 1.1 cho thấy tốc độ tăng trưởng xuất khẩu thủy sản và các sản phẩm thủy sản xuất khẩu chính ở nước ta hiện nay.

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

<i><small>Nguồn: VASEP, 2021 </small></i>

<i>Hình 1.1 Xuất khẩu thủy sản Việt Nam từ 1997-2020 và các sản phẩm chính </i>

Theo thống kê của tổ chức nơng lương thế giới (FAO), Việt Nam đứng thứ ba thế giới (sau Trung Quốc và Nauy) về xuất khẩu cá và các sản phẩm từ cá (về giá trị, năm 2018) trong đó chủ yếu là các sản phẩm từ cá tra, đặc biệt là fillet cá tra [1].

Cần phải cơng nhận rằng sự an tồn thực phẩm đi đôi với chất lượng thực phẩm và là yếu tố quyết định đến sức khỏe của con người. Chính vì vậy mà các thị trường xuất khẩu lớn như châu Âu và Mỹ thường quy định rất nghiêm ngặt về an toàn thực phẩm. Đối với cá và các sản phẩm từ cá, do sự tồn tại của phần lớn nước tự do và hàm lượng chất dinh dưỡng cao làm cho các sản phẩm này dễ bị hư hỏng trong thời gian ngắn khi không được bảo quản ở nhiệt độ thấp. Thường rất khó để duy trì chất lượng các sản phẩm từ cá do khoảng cách giữa người tiêu dùng với vùng thu hoạch và chế biến, dễ tạo điều kiện cho vi sinh vật có hại phát triển. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm thủy sản là thành phần lipid, protein không bền nhiệt và sự đa dạng của các enzym phân giải protein trong mơ cá. Do vậy, q trình cấp đông sản phẩm ở nhiệt độ thấp giúp hạn chế các phản ứng sinh hóa bất lợi, đảm bảo chất lượng thực phẩm và làm tăng tính cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường xuất khẩu. Mặc khác, thời gian cấp đông ngắn cũng giúp giảm nguy cơ phát triển các vi sinh vật có hại, giảm chi phí năng lượng, tăng năng suất và chất lượng sản phẩm.

Theo Jacek Jaczynski và cộng sự [2], tốc độ phát triển của vi sinh vật và các phản ứng sinh hóa bất lợi trong cá phụ thuộc vào nhiệt độ và hoạt độ nước. Do vậy, cấp đông là phương pháp hiệu quả giúp bảo quản thực phẩm lâu hơn và nhiệt độ cấp đông là yếu tố quan trọng. Tuy nhiên, tùy thuộc vào tốc độ cấp đông, nước tự do có thể tạo thành các tinh thể băng và chúng làm phá vỡ các cấu trúc cơ, có thể dẫn đến sự biến tính của protein trong cơ cá. Việc giảm thiểu sự hình thành tinh thể băng có kích thước lớn sẽ giúp tăng chất lượng sản phẩm thơng qua việc giảm thời gian cấp đơng.

Chính vì vậy, nghiên cứu về các cơng nghệ cấp đơng hiện đại giúp giảm thời gian và chi phí cấp đông, tăng chất lượng sản phẩm là xu hướng tất yếu hiện nay trong ngành xuất khẩu thủy sản, đặc biệt là cá tra và sản phẩm từ cá tra.

<b>1.1.1. Cá tra và fillet cá tra </b>

<i>Cá tra nuôi hay thường gọi là cá tra (Pangasius hypophthalmus) thuộc loài cá da </i>

trơn trong họ Pangasiidae phân bố ở lưu vực sông Mekong, được nuôi nhiều ở bốn nước:

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

Lào, Việt Nam, Campuchia và Thái Lan. Đây là loài cá đại diện cho họ cá tra và được nuôi nhiều ở Việt Nam, đặc biệt là vùng đồng bằng Sơng Cửu Long. Cá tra là lồi cá nước ngọt được nuôi và xuất khẩu nhiều nhất so với các loại thủy sản nước ngọt khác và được ví là ngành xuất khẩu tỷ đơ của Việt Nam (hình 1.2, theo VASEP).

<i>Hình 1.2 Tình hình xuất khẩu cá tra giai đoạn 2008-2019 </i>

Cá tra đã được nuôi và phát triển chủ yếu ở 10 tỉnh đồng bằng sông Cửu Long của Việt Nam, bao gồm: An Giang, Đồng Tháp, Tiền Giang, Cần Thơ, Vĩnh Long, Bến Tre, Hậu Giang, Sóc Trăng, Trà Vinh, Kiên Giang, và hai tỉnh (Tây Ninh và Quảng Nam) với tổng diện tích canh tác đạt 6.418 ha (năm 2018) và 6.675 ha (năm 2019). Các tỉnh Cần Thơ, An Giang và Đồng Tháp là những vùng nuôi lớn nhất cá tra ở đồng bằng sông Cửu Long, chiếm hơn 75% tổng sản lượng cá tra cả nước. Năm 2019, Việt Nam xuất khẩu cá tra sang 131 thị trường đạt 1,61 tỷ USD, chiếm 80,4% tổng giá trị xuất khẩu (theo VASEP).

Theo ước tính của Tổng cục Thủy sản, năm 2019, diện tích ni cá tra toàn vùng ĐBSCL đạt 6.675 ha (tăng 4% so với năm 2018), nhưng sản lượng đạt 1,58 triệu tấn, tăng 10% so với năm 2018.

<i>Bảng 1.1 Diện tích và sản lượng cá tra của ĐBSCL từ năm 2015 -2019 </i>

Năm 2015 2016 2017 2018 2019 Diện tích

(nghìn ha) ^{5,623 5,893 6,078 6,418 6,675}Sản lượng

(triệu tấn) ^1,11 ^1,19 ^1,25 ^1,42 ^1,58

Fillet cá tra (phi lê cá tra) là miếng cá được cắt/lạng ra từ thân con cá, dọc theo xương sống, đây là bán thành phẩm đã qua các công đoạn xử lý như tách nội tạng, xương và da,... có thể sử dụng cho nhiều mục đích chế biến khác nhau. Tuy nhiên chúng rất dễ ươn hỏng nếu khơng được bảo quản thích hợp, thơng thường các sản phẩm này được bảo quản bằng hình thức cấp đơng, nhiệt độ tâm của fillet cá tra không lớn hơn -18°C (TCVN 8338:2010). Các sản phẩm từ cá tra rất đa dạng và phong phú như cá tra nguyên con, fillet cá tra sửa sạch, fillet cá tra không chỉnh sửa, cá tra đông khối, cá tra cắt khoanh, cá tra tẩm gia vị, cá tra tẩm bột, cá tra cắt miếng, cá tra xiên que, cá tra cuộn hoa hồng, cá tra cắt sợi.

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

<b>1.1.2. Chỉ tiêu chất lượng sản phẩm </b>

Theo tiêu chuẩn quốc gia về fillet cá tra đông lạnh TCVN 8338:2010. a. Chỉ tiêu về cảm quan

<i>Bảng 1.2 Chỉ tiêu cảm quan của fillet cá tra </i>

1. Màu sắc Trắng tự nhiên đặc trưng của sản phẩm, khơng có màu lạ. 2. Mùi Thơm đặc trưng của sản phẩm, không có mùi lạ.

3. Vị Đặc trưng của sản phẩm, khơng có vị lạ.

4. Trạng thái Cơ thịt mịn, săn chắc, có tính đàn hồi, vết cắt nhẵn, khơng sót xương, da, mỡ, cơ thịt đỏ, phần thịt bụng được xử lý sạch, cho phép tối đa 2 điểm máu hoặc đường gân máu trên thịt.

Băng được mạ đều trên bề mặt sản phẩm. 5. Tạp chất Không cho phép.

6. Khối lượng Khối lượng tịnh của mỗi đơn vị sản phẩm trên mẫu kiểm sau khi rã đông nhanh để ráo nước, cho phép sai khác 2,5%; song giá trị trung bình của tổng số mẫu kiểm, phải đạt giá trị ghi trên bao bì.

b. Chỉ tiêu về hóa học

<i>Bảng 1.3 Chỉ tiêu lý-hóa của fillet cá tra </i>

2. Hàm lượng tổng số Nitơ bazơ bay hơi, tính bằng mg/100g sản phẩm, khơng lớn hơn

25 3. Hàm lượng phospho, tính theo P<small>2</small>O<small>5</small>, g/kg sản phẩm 5

4. Dư lượng kháng sinh, tính bằng mg/kg sản phẩm Khơng cho phép 5. Dư lượng thuốc bảo vệ thực vật, tính bằng mg/kg sản phẩm Không cho phép

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

Tốc độ cấp đông cũng liên quan đến chất lượng và độ tươi của thực phẩm vì những tính chất này phụ thuộc vào hàm lượng băng trong q trình cấp đơng. Trước đây, các phương pháp cấp đơng truyền thống thường gây ra sự biến tính protein - là một trong những nhược điểm không mong muốn nhất trong thực tế. Các phương pháp cấp đông nhanh thật sự cần thiết để giảm thiểu kích thước tinh thể băng, do đó bảo tồn được các thành phần dinh dưỡng và giảm thiệt hại về cấu trúc tế bào của thực phẩm [5]. Cấp đông fillet cá tra là một quá trình phức tạp chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như: Nhiệt độ và vận tốc không khí trong mơi trường cấp đơng, thời gian cấp đơng, kích thước và hình dạng của sản phẩm,…

<b>1.2. Các phương pháp và thiết bị cấp đông thông dụng 1.2.1. Các phương pháp cấp đông </b>

<i>a) Cấp đông đối lưu cưỡng bức trong mơi trường khơng khí </i>

Khơng khí được làm lạnh từ -45 đến -35C và được quạt thổi qua bề mặt thực phẩm để làm lạnh chúng. Phương pháp này giúp kiểm sốt q trình cấp đơng tốt hơn so với đối lưu tự nhiên vì nó giúp nhiệt độ khơng khí trong tồn bộ buồng cấp đơng đồng đều hơn và có thể thay đổi hệ số truyền nhiệt trên bề mặt sản phẩm bằng cách thay đổi vận tốc khơng khí. Đối với các sản phẩm mỏng có diện tích bề mặt lớn, việc tăng hệ số truyền nhiệt có thể dẫn đến giảm đáng kể thời gian cấp đông.

Ưu điểm: cấu tạo đơn giản, dễ thực hiện

Nhược điểm: do tiếp xúc với khơng khí nên dễ bị oxy hóa; hệ số trao đổi nhiệt không cao nên thời gian cấp đông dài, đặc biệt đối với sản phẩm dạng block, thường sử dụng cho sản phẩm dạng rời.

<i>b) Cấp đông tiếp xúc </i>

Q trình truyền nhiệt từ sản phẩm sang khơng khí và sau đó từ khơng khí đến thiết bị bay hơi là một nhược điểm của các phương pháp cấp đơng gió. Q trình này có thể được giảm đi một giai đoạn nếu cho sản phẩm tiếp xúc trực tiếp với môi chất lạnh. Phương pháp cấp đông tiếp xúc được thực hiện bằng cách đặt các sản phẩm giữa hai tấm kim loại chứa đầy môi chất lạnh. Phương pháp này có ưu điểm là tăng hiệu quả truyền nhiệt do sự tiếp xúc giữa các vật rắn với nhau, đồng thời nhiệt độ cấp đông thấp hơn do bỏ qua bước truyền nhiệt giữa khơng khí với sản phẩm. Ngồi ra, phương pháp này cịn có ưu điểm là khơng sử dụng quạt và có kích thước buồng cấp đông nhỏ hơn so với hệ thống cấp đông đối lưu hoặc nhúng lỏng. Phương pháp này phù hợp nhất với các sản phẩm có dạng khối phẳng được đặt giữa hai tấm kim loại song song do bề mặt tiếp xúc lớn hơn.

Thời gian cấp đơng nhanh hơn vì mơi chất lạnh làm lạnh trực tiếp thực phẩm, tránh được tiếp xúc với khơng khí nên tránh được hiện tượng oxy hóa, thường dùng cho dạng block. Cấu tạo phức tạp, mỗi mẻ cấp đông có khối lượng thấp nên năng suất khơng cao.

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

<i>c) Cấp đông trực tiếp trong môi trường lỏng </i>

Trong phương pháp này, sản phẩm được nhúng trực tiếp trong môi trường lỏng, thường là nitơ lỏng nên có thời gian cấp đơng ngắn hơn do hệ số truyền nhiệt cao hơn so với khơng khí. Sản phẩm có thể để trần hoặc bọc bao bì trong trường hợp tránh sự hấp thụ chất lỏng hoặc sự nhiễm chéo giữa các sản phẩm với nhau. Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp này là công nghệ và thiết bị phức tạp nên ít phổ biến.

<b>1.2.2. Các thiết bị cấp đông thông dụng </b>

<i>a) Hầm đông gió </i>

Thiết bị thường bao gồm một buồng cách nhiệt chứa các quạt hút khơng khí qua thiết bị bay hơi và sau đó ln chuyển khơng khí qua các sản phẩm thực phẩm. Sản phẩm thường được treo hoặc gắn trên giá đỡ để đảm bảo khơng khí lạnh có thể đi qua bề mặt của từng sản phẩm riêng biệt. Điều quan trọng là phải hướng khơng khí và đặt các sản phẩm sao cho luồng khơng khí thổi qua càng nhiều càng tốt và tránh bố trí khiến khơng khí lạnh quay lại thiết bị bay hơi mà không tiếp xúc với sản phẩm.

<i>b) Hệ thống cấp đông IQF </i>

Hệ thống cấp đông nhanh đối với sản phẩm dạng rời được đặt trên một băng chuyền (dạng phẳng, dạng lưới, dạng xoắn) giúp quá trình được diễn ra liên tục và mỗi sản phẩm được cấp đông với tốc độ phù hợp. Vận tốc và nhiệt độ khơng khí trong mơi trường cấp đông tương đối lớn do vậy thời gian cấp đông nhanh.

<i>c) Hệ thống cấp đông siêu tốc </i>

Quá trình sử dụng trực tiếp một hoặc nhiều luồng khí lạnh có vận tốc rất cao (lên đến 50 m/s) tác động lên bề mặt thực phẩm để cấp đơng. Những luồng khí này thổi bay lớp khơng khí giữ nhiệt xung quanh sản phẩm. Kết quả là lớp biên xung quanh sản phẩm hỗn loạn hơn và sự trao đổi nhiệt trở nên hiệu quả hơn, do đó có thể tạo ra sự đóng băng nhanh hơn đáng kể so với các hệ thống cấp đơng gió thơng thường.

<i>d) Tủ đông tiếp xúc </i>

Sản phẩm cấp đông được đặt trong các khay cấp đông sau đó đặt trực tiếp lên các tấp lắc hoặc lên các mâm cấp đông. Các tấm lắc kim loại bên trong rỗng để cho môi chất lạnh chảy qua, nhiệt độ bay hơi đạt từ -45 đến -40C. Nhờ tiếp xúc với các tấm lắc có nhiệt độ rất thấp, quá trình trao đổi nhiệt tương đối hiệu quả và thời gian làm đông được rút ngắn đáng kể so với làm đông dạng khối trong các kho cấp đông gió [6].

<i>e) Hệ thống cấp đơng nhúng lỏng nitơ </i>

Cách bố trí phổ biến nhất đối với hệ thống cấp đông lỏng nitơ là một băng tải liên tục chuyển sản phẩm qua một kênh dẫn. Lỏng nitơ ở khoảng -196°C được cấp vào ở cuối kênh này. Khi lỏng nitơ lấy nhiệt ra khỏi sản phẩm, nó sơi và hơi nitơ lạnh được hướng về phía đầu kênh dẫn, do đó làm mát sản phẩm đầu vào. Tùy thuộc vào thành phần và nhiệt độ ban đầu của sản phẩm mà có thể cần từ 0,3 đến 1,5 kg nitơ lỏng để cấp đơng hồn tồn 1 kg sản phẩm [7].

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

<b>1.3. Các công nghệ cấp đông hiện đại </b>

Trong vài thập kỷ qua, đã có sự quan tâm khoa học đáng kể trong việc phát triển các hệ thống mới có thể cải thiện chất lượng cảm quan hoặc kinh tế trong cấp đông thực phẩm. Năm 2002, Li và Sun [8] xem xét và so sánh bốn công nghệ cấp đông: cấp đông ở áp suất cao, cấp đông khử hydro, các ứng dụng của protein chống đông (Antifreeze protein) và protein tạo mầm băng (ice nucleation protein). Năm 2003, Fikiin [9] đã xem xét công nghệ thủy phân, cấp đông nhúng, áp suất cao và cấp đông hỗ trợ cộng hưởng từ. Kể từ đó, các nghiên cứu sâu hơn về các công nghệ và nghiên cứu về một số phương pháp cấp đông mới (tĩnh điện, siêu âm, vi sóng, và cấp đơng hỗ trợ sóng vơ tuyến) đã được công bố. Các công nghệ trường điện từ bao gồm cả trường điện cao áp, từ trường và tần số vô tuyến đã được thử nghiệm cho cấp đông thực phẩm ([10], [11], [12], [13]). Một số công nghệ cấp đơng hiện đại có thể liệt kê như sau:

Công nghệ cấp đông hỗ trợ áp suất cao: q trình cấp đơng thực phẩm được thực hiện trong mơi trường có áp suất rất cao, (điển hình là từ 200 đến 400 MPa). Khi nước bị đóng băng ở áp suất khí quyển, thể tích của chúng sẽ tăng lên gây tổn thương mô trong thực phẩm. Về mặt lý thuyết, cấp đông dưới áp suất cao dẫn đến băng khơng giãn nở về thể tích trong q trình hình thành nên có thể làm giảm tổn thương mô [14].

Công nghệ cấp đông hỗ trợ điện trường: Nguyên lý là áp dụng một điện trường vào thực phẩm sẽ định hướng các phân tử cực, chẳng hạn như nước, do đó kiểm sốt siêu lạnh và kết tinh băng. Cho đến nay, cấp đông hỗ trợ tĩnh điện chỉ mới được nghiên cứu ở quy mơ phịng thí nghiệm [15], [16].

Cơng nghệ cấp đơng hỗ trợ từ trường: q trình cấp đơng được hỗ trợ bởi từ trường (tĩnh, dao động hoặc kết hợp cả hai). Sản phẩm được đặt giữa hai cực của từ trường, khơng khí lạnh di chuyển ngang qua bề mặt sản phẩm. Xuất phát từ ý tưởng này, Owada và cộng sự [17], [18] cùng với công ty ABI (Chiba, Nhật Bản) đã đăng kí sáng chế về CAS – Hệ thống tế bào cịn ngun vẹn. Cơng nghệ này sử dụng nam châm vĩnh cửu và cuộn cảm ứng để tạo ra từ trường dao động yếu trong buồng cấp đông. Trong sáng chế này, Owada và cộng sự đã công bố rằng từ trường dao động tác động lên các phân tử nước phân cực để trì hỗn sự hình thành các tinh thể băng. Cho dù điều này vẫn còn chưa rõ ràng từ bất kỳ tài liệu hay bằng sáng chế nào của công ty ABI.

Cơng nghệ cấp đơng hỗ trợ sóng vơ tuyến: q trình cấp đơng được hỗ trợ bởi một sóng vơ tuyến, để khai thác vịng quay lưỡng cực nước gây ra bởi sóng vơ tuyến nhằm phá vỡ q trình tạo mầm và hình thành băng trong quá trình đóng băng. Anese và cộng sự [19] đã chứng minh rằng q trình cấp đơng thịt lợn thăn được hỗ trợ bởi các xung vô tuyến điện áp thấp (2 kV) tạo ra ít lỗ rỗng giữa các tế bào và ít phá vỡ tế bào đối với cấu trúc vi mô của thịt. Hiện nay, cấp đông hỗ trợ vơ tuyến cũng như cấp đơng hỗ trợ vi sóng) vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu và phát triển ban đầu.

Cơng nghệ cấp đơng hỗ trợ vi sóng: nguyên lý của công nghệ này tương tự như cấp đơng hỗ trợ sóng vơ tuyến, ở đây vi sóng (tần số 2450 MHz) được sử dụng để hỗ trợ q trình cấp đơng. Việc cấp sóng diễn ra định kì chứ khơng liên tục. Hai nghiên cứu

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

được công bố vào những năm 1990 cho thấy một số khả năng đóng băng được hỗ trợ bằng lị vi sóng nhưng các ưu điểm của cơng nghệ này cho đến nay vẫn chưa rõ ràng [15], [20].

Công nghệ cấp đông hỗ trợ siêu âm: q trình cấp đơng được hỗ trợ bởi một dạng sóng siêu âm với tần số thấp (18-20 kHz đến 100 kHz) và cường độ cao (thường cao hơn 1 W/cm<small>2</small>) [21]. Về lý thuyết, siêu âm tạo ra các bọt khí trong tồn bộ sản phẩm, giúp hình thành nhiều hơn các tinh thể băng có kích thước nhỏ.

Các tác động của công nghệ cấp đông hiện đại đến tinh thể băng, cấu trúc tế bào và chất lượng thực phẩm được trình bày trên bảng 1.4.

− Một số công nghệ cấp đông vẫn đang trong q trình nghiên cứu và triển khai ở quy mơ thí nghiệm như: cấp đơng hỗ trợ áp suất cao, hỗ trợ điện trường, vi sóng, sóng vơ tuyến, sóng siêu âm do tính phức tạp của hệ thống, khó áp dụng ở quy mô lớn hay vấn đề an tồn khi hệ thống hoạt động.

− Cơng nghệ cấp đông siêu tốc đã được áp dụng trong thực tế nhưng với việc sử dụng các luồng khí lạnh/mơi chất lạnh với vận tốc rất cao sẽ làm tăng chi phí vận hành, nên khả năng áp dụng cho các thực phẩm thơng dụng là rất khó.

Dựa trên các ưu điểm của công nghệ cấp đông hiện đại và tính khả thi khi triển khai trong điều kiện thực tế ở Việt Nam cũng như hướng tới việc thương mại hóa các thiết bị cấp đơng hiện đại, cơng nghệ cấp đơng hỗ trợ từ trường có nhiều đặc điểm đáp ứng các yêu cầu này. Do vậy, trong phạm vi nghiên cứu của luận án này, chỉ tập trung nghiên cứu về phương pháp cấp đơng có sự hỗ trợ từ trường, áp dụng đối với sản phẩm fillet cá tra Việt Nam nhằm giúp giảm thời gian và chi phí năng lượng cho q trình cấp đông cũng như nâng cao chất lượng sản phẩm, hướng tới tăng tính cạnh tranh cho các sản phẩm fillet cá tra trên thị trường xuất khẩu thế giới.

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

<i>Bảng 1.4 So sánh các công nghệ cấp đông hiện đại </i>

<b>Công nghệ cấp đông </b>

<b>Hỗ trợ áp suất cao[14], [22], [23] </b>

Thay đổi hình thái của tinh thể băng nhờ áp suất cao; Tăng độ siêu lạnh.

Giảm sự giãn nở thể tích của các tinh thể băng bên trong;

Hình thành các tinh thể băng với kích thước nhỏ và đồng nhất; Giảm sự phá vỡ cấu trúc vi tế bào.

Gây ra sự biến tính protein do áp suất cao;

Mất khả năng sống của tế bào khi vượt quá khả năng chịu áp lực;

Thay đổi đặc điểm của màng tế bào.

Các thực phẩm ở dạng rắn như thủy hải sản, trái cây, thịt.

<b>Hỗ trợ siêu âm[24]–[26] </b>

Tăng cường hiệu quả truyền nhiệt và truyền chất;

Thúc đẩy quá trình tạo mầm.

Hình thành các tinh thể băng với kích thước nhỏ;

Các tinh thể băng hình thành gần tâm sản phẩm;

Kiểm sốt được kích thước và hình dạng tiunh thể băng.

Có thể làm hỏng cấu trúc tế bào của các mô do sự phá vỡ tế bào bằng siêu âm.

Phù hợp với thực phẩm ở dạng rắn và dạng lỏng.

<b>Hỗ trợ điện </b>

<b>trường[27]–[29] </b> ^{Kiểm sốt kích thước của các}tinh thể băng bằng cách thúc đẩy quá trình tạo mầm băng; Tăng độ siêu lạnh.

Hình thành các tinh thể băng với kích thước nhỏ;

Giảm đáng kể thiệt hại đối với cấu trúc vi mô của thịt và chất lượng sản phẩm đông lạnh được cải thiện.

Không rõ ràng Một vài loại thịt như thịt gà, cá ngừ.

<b>trường[30]–[34] </b> ^{Spin hạt nhân và điện tích của}các phân tử nước được giữ trật tự theo hướng từ trường để ngăn chặn sự hình thành các tinh thể băng lớn

Đẩy nhanh quá trình kết đơng; Hình thành các tinh thể băng với kích thước nhỏ;

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

<b>Hỗ trợ sóng vơ tuyến[19] </b>

Khơng rõ ràng Hình thành các tinh thể băng với kích thước nhỏ;

Giảm tổn thất do rỉ dịch;

Không rõ ràng Chủ yếu ở trái cây

<b>Hỗ trợ vi sóng[8], [20], [35] </b>

Khơng rõ ràng Hình thành các tinh thể băng với kích thước nhỏ;

Giảm đáng kể thiệt hại đối với cấu trúc vi mô của thịt và chất lượng sản phẩm đông lạnh được cải thiện.

Không rõ ràng Chủ yếu ở trái cây

<b>Cấp đông siêu tốc[34], [36] Ultra rapid freezing </b>

Tốc độ kết đơng cao dẫn đến sự hình thành lượng lớn các tinh thể băng có kích thước nhỏ

Đảm bảo tính toàn vẹn về cấu trúc và chất lượng của các sản phẩm đông lạnh.

Bề mặt thực phẩm bị ảnh hưởng do chênh lệch nhiệt độ lớn

Các sản phẩm như thịt, cá, thuốc dược phẩm.

</div><span class="text_page_counter">Trang 31</span><div class="page_container" data-page="31">

<b>1.4. Tình hình nghiên cứu về ứng dụng từ trường trong cấp đông thực phẩm 1.4.1. Tình hình nghiên cứu ngồi nước </b>

Hiện nay, do nhu cầu chất lượng cuộc sống ngày càng cao, thực phẩm cũng ngày càng đòi hỏi chất lượng cao hơn, do đó cơng nghệ cấp đơng trên thế giới đã và đang cải thiện không ngừng để nâng cao chất lượng. Việc ứng dụng các cấp đông tiên tiến như cấp đông áp suất cao, cấp đông được hỗ trợ siêu âm, cấp đông được hỗ trợ điện trường, từ trường và vi sóng ngày càng được quan tâm và có một số ứng dụng trong thực tế [24]. Q trình đơng lạnh của các mẫu thực phẩm bị ảnh hưởng bởi thành phần chủ đạo của chúng là nước. Chất lượng cuối cùng của sản phẩm đông lạnh phụ thuộc vào quá trình chuyển đổi nước thành băng. Kích thước của các tinh thể băng là rất quan trọng đối với chất lượng cuối cùng của thực phẩm đơng lạnh vì nó có thể gây tác động khơng thể phục hồi cấu trúc tế bào do đó làm giảm cấu trúc và màu sắc của sản phẩm. Vì lý do này, nhiều công nghệ mới đã được phát triển để kiểm sốt q trình kết đơng và cải thiện tốc độ hình thành và phát triển tinh thể băng. Hầu hết các công nghệ này tận dụng lợi thế từ các tính chất vật lý và các đặc trưng của phân tử nước [25].

Pang và cộng sự [30] đã xác nhận ảnh hưởng của từ trường lên sức căng bề mặt. Nghiên cứu này báo cáo rằng cường độ dòng điện hoặc độ dẫn điện của nước được từ hóa là lớn hơn nước tinh khiết. Hu và cộng sự [37] công bố nghiên cứu mô phỏng động học phân tử liên quan đến các tác động lên sự tăng trưởng băng đá trong môi trường gồm điện trường và từ trường. Liên quan đến nước ở dạng lỏng, họ nhận thấy rằng các cấu trúc liên kết hydro và các tính chất vật lý có thể thay đổi đáng kể khi các trường bên ngoài đạt đến các giá trị 10<small>9</small> V/m và 10 T.

Các tác giả cho rằng từ trường tác động đến các phân tử nước nhằm sắp xếp định hướng của các hạt nhân, có lẽ là nhờ hiệu ứng nghịch từ. Inaba và cộng sự [38] đã tiến hành một nghiên cứu về các ảnh hưởng của từ trường về q trình kết đơng của nước tinh khiết và nước thông thường. Kết quả chỉ ra rằng, đối với nước, nhiệt độ kết đông cao hơn khi chịu tác động bởi từ trường 6 T. Chênh lệch nhiệt độ khi biến đổi pha do từ trường tỷ lệ thuận với bình phương của mật độ từ thơng. Suzuki và cộng sự [39] đã nghiên cứu ảnh hưởng của một từ trường yếu (khoảng 0,0005T) lên q trình cấp đơng một số thực phẩm bằng tủ đông được thiết kế đặc biệt với một thiết bị phát từ trường. Các tác giả thấy rằng từ trường yếu khoảng 0,0005 T không tạo nên sự khác biệt đáng kể đến nhiệt độ trong suốt q trình cấp đơng hoặc lên các chất lượng của các thực phẩm đông lạnh trong các điều kiện thí nghiệm.

Hiện nay với các phương pháp cấp đơng truyền thống thì rất khó bảo quản được thực phẩm lâu dài vì xảy ra hiện tượng mất màu, tổn thất do rỉ dịch và phát ra mùi khó chịu sau khi cấp đông và rã đông. Nguyên nhân chính của việc rỉ dịch là thời gian cấp đơng dài. Nước tự do có thể di chuyển khi bị cấp đông tạo thành các tinh thể băng lớn và dẫn đến sự phá hủy cấu trúc tế bào của các sản phẩm đơng lạnh như trong Hình 1.3.

</div><span class="text_page_counter">Trang 32</span><div class="page_container" data-page="32">

<small>a) cấp đông không hỗ trợ từ trường </small>

<small>b) Cấp đơng theo cơng nghệ CAS </small>

<i>Hình 1.3 Minh họa quá trình hình thành tinh thể băng trong cấp đông (công ty ABI) </i>

Trong công nghệ cấp đông thực phẩm, tốc độ cấp đông là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến kích thước, hình dạng và sự phân bố của các tinh thể băng trong các sản phẩm. Kết quả của q trình cấp đơng nhanh là sự hình thành tinh thể băng nhỏ hơn và đồng đều, ngăn ngừa thiệt hại cấu trúc [40]. Để tăng cường tốc độ cấp đơng, kiểm sốt q trình tạo mầm băng, giảm thời gian cấp đông và duy trì sự ổn định nhiệt độ, các cơng nghệ khác nhau đã được nghiên cứu và công bố như cấp đông hỗ trợ áp suất cao [22], [35], [41], công nghệ protein chống đông (AFPs) [8], cấp đông hỗ trợ siêu âm [5], [21], [25], cấp đông siêu lạnh [42] và hệ thống tế bào còn nguyên vẹn (CAS) sử dụng phương pháp cấp đông nhanh.

<i>a) Ứng dụng từ trường trong cấp đơng ở quy mơ thí nghiệm </i>

Tủ cấp đơng thơng thường có thể tìm gặp trong cả phịng thí nghiệm và ở quy mơ thương mại nhưng việc ứng dụng từ trường trong cấp đông cũng còn rất hạn chế và đa phần là ở quy mơ thí nghiệm. Một số nghiên cứu tổng quan về vấn đề này cũng đã đề cập đến ứng dụng của từ trường trong cấp đông [43], [44], [32].

Khi xem xét việc sử dụng từ trường tĩnh để hỗ trợ và đẩy nhanh q trình cấp đơng, cần chú ý đến nghiên cứu về ứng dụng của từ trường trong cấp đông nước được thực hiện bởi Aleksandrov và cộng sự [45]. Các tác giả quan sát thấy độ siêu lạnh biến thiên với từ trường tĩnh trong phạm vi 0-0,5 T và độ siêu lạnh có thể khơng đáng kể hoặc không xảy ra khi mật độ từ thông cao hơn 0,5 T. Hạn chế của nghiên cứu này là mới chỉ dừng lại ở việc xác định ảnh hưởng của từ trường đối với nước.

Mok và cộng sự [46] đã phân tích ảnh hưởng của việc sử dụng từ trường tĩnh đến thời gian cấp đông của dung dịch NaCl 0,9%. Các tác giả này đã cấp đông ở nhiệt độ thấp với các mật độ từ thông khác nhau trên một tế bào thử nghiệm với hai thiết lập các

</div><span class="text_page_counter">Trang 33</span><div class="page_container" data-page="33">

mT) hoặc từ trường hút (480 mT) để tác động lên một mẫu nằm ở vị trí cách đều so với bề mặt nam châm. Các tác giả phát hiện rằng sự sắp xếp lực đẩy giúp giảm thời gian cấp đông nhiều nhất, trong nghiên cứu này là thấp hơn 32,1% và 42% so với khi khơng có nam châm và khi chỉ có lực hút. Những kết quả đó cho thấy có thể tạo ra các hiệu ứng khác nhau dựa vào cách phân bố mật độ và hướng của từ trường.

Zhao và cộng sự [47] thì tiến hành thực nghiệm cấp đông dung dịch NaCl 0,9%, nước khử ion và dung dịch ethylene glycol 5% trong từ trường tĩnh. Khi có hỗ trợ từ trường tĩnh (<50 mT), nghiên cứu cho thấy nhiệt độ tạo mầm và thời gian chuyển pha của nước khử ion không bị ảnh hưởng bởi từ trường, nhưng đối với dung dịch NaCl 0,9% và dung dịch ethylene glycol 5% thì lại có tác dụng. Ngồi ra, nhiệt độ tạo mầm của dung dịch NaCl 0,9% khi được cấp đơng có hỗ trợ từ trường cũng thấp hơn so với khơng có từ trường, trong khi thời gian chuyển pha lại ngắn hơn 55,4% so với khơng có từ trường. Tuy nhiên, nhiệt độ tạo mầm của dung dịch ethylene glycol 5% khi có từ trường cao hơn so với khơng có từ trường.

Liu và cộng sự [48] nghiên cứu ảnh hưởng của từ trường lên sự thay đổi pha của cà rốt. Nghiên cứu đã tiến hành với từ trường tĩnh và từ trường dao động ở các mức 0; 0,46; 0,9; 1,8; 3,6 và 7,2 mT cùng tần số 50 Hz và đã chứng minh được rằng cả từ trường tĩnh và dao động đều có thể giảm thời gian chuyển pha và mật độ từ thông càng cao thì độ trễ của thời gian thay đổi pha càng lớn và giai đoạn chuyển pha càng ngắn. Các tác giả cũng không chứng minh được giữa từ trường tĩnh và dao động cái nào tốt hơn, mà chỉ đưa ra rằng với các mật độ từ thông khác nhau, các tác động sẽ khác nhau và cho thấy rằng trong các ứng dụng thực tế, có thể cần phải nghiên cứu để xác định phạm vi mật độ từ thông phù hợp.

Thông qua các nghiên cứu này, ảnh hưởng của từ trường lên các mẫu thí nghiệm khác nhau (nước, dung dịch, thực phẩm) đều đã được chứng minh. Tuy nhiên, với sự hạn chế về mặt số lượng thực nghiệm cũng như các nghiên cứu liên quan để có thể so sánh, đối chiếu lẫn nhau thì các kết quả nghiên cứu này vẫn chưa thể áp dụng trong quy mô công nghiệp cũng như trên nhiều đối tượng thực phẩm khác nhau.

<i>b) Ứng dụng từ trường trong cấp đông ở quy mô công nghiệp </i>

Trong những năm gần đây, nhiều bằng sáng chế đã được đăng kí nhằm cố gắng tận dụng các hiệu ứng của từ trường đến đặc tính của nước để cải thiện q trình cấp đơng thực phẩm, đá viên, thức ăn chăn nuôi, tế bào sống, hoa quả, hóa chất và dược phẩm và một số sản phẩm khác (theo phụ lục 1.1, 1.2, 1.3) [17], [49]–[51]. Tất cả các bằng sáng chế này cho rằng việc áp dụng từ trường trong q trình cấp đơng sẽ giúp kiểm sốt q trình kết đơng nước và làm tăng độ siêu lạnh. Khi q trình cấp đơng xảy ra, bằng cách hạ thấp nhiệt độ xuống dưới điểm cấp đông hoặc bằng cách hỗ trợ từ trường, các tinh thể băng nhỏ được hình thành trong tồn bộ thể tích của sản phẩm. Tuy nhiên, từ trường với mật độ từ thông thấp khi được sử dụng gây ra những nghi ngờ về tác động của từ trường đến nước, vốn là chất có độ nhạy từ thấp.

</div><span class="text_page_counter">Trang 34</span><div class="page_container" data-page="34">

Hầu hết các nhà phát minh đều cho rằng từ trường hoạt động bằng cách sắp xếp các điện tử và hạt nhân của các nguyên tử theo hướng của từ trường. Khi một từ trường được áp dụng, các hạt nhân hydro của phân tử nước sẽ hoạt động giống như thanh nam châm mini và sẽ được sắp xếp song song với từ trường bên ngoài. Đồng thời, các hạt nhân sẽ quay theo hướng của từ trường. Theo các bằng sáng chế, điều này sẽ tăng cường dao động nhiệt của hạt nhân hydro, độ siêu lạnh và truyền nhiệt trong toàn bộ sản phẩm [18], [49], [53]. Hơn nữa, liên kết hydro của các phân tử nước cũng sẽ bị ảnh hưởng và một số tác giả cho rằng kích thước cụm của nước tự do sẽ có xu hướng giảm [17], [18], [49], [50]. Theo Sato và Fujita [50], khi các cụm nước bị phân mảnh theo cách này, chất lượng (hình thức, hương vị và mùi thơm) của các sản phẩm được đông lạnh hầu như không bị suy giảm và các tinh thể băng nhỏ được hình thành. Mặt khác, Owada và các cộng sự cho rằng việc giảm kích thước cụm nước tự do có thể làm tăng lượng nước ràng buộc không thể cấp đông và điều này liên quan đến việc giữ được độ tươi của sản phẩm lâu hơn [17], [18], [49]. Các công bố cho thấy rằng các cụm nước nhỏ có khả năng hình thành liên kết hydro với các nhóm cực của cấu trúc bậc ba của protein và carbohydrate và gắn chặt vào chúng. Do đó, từ trường sẽ làm giảm lượng nước cấp đơng và do đó cũng làm giảm lượng tinh thể băng. Hơn nữa, từ trường cũng sẽ ngăn các cấu trúc cấp ba khỏi bị oxy hóa bằng cách thúc đẩy cấu trúc hydrat hóa trên chúng.

Các bằng sáng chế được công bố sử dụng cả từ trường tĩnh và từ trường dao động (Phụ lục 1.1), riêng biệt hoặc kết hợp [17], [18], [49]. Các trường này có thể liên tục [54], [55] hoặc xung [50], [56], từ trường tĩnh có thể được tạo ra bởi nam châm vĩnh cửu hoặc bằng nam châm điện, thường được ưa thích vì chi phí vận hành thấp hơn. Từ trường dao động được tạo ra bởi các cuộn dây hoạt động với dòng điện xoay chiều. Khi từ trường tĩnh và dao động được kết hợp, chồng chéo theo cùng một hướng hay không, các hiệu ứng mong muốn đối với cấp đông được tăng cường và chi phí vận hành có thể giảm [17], [18], [49]. Khi được sử dụng riêng biệt, từ trường dao động được lựa chọn nhiều hơn từ trường tĩnh do tính linh hoạt của chúng [50]. Tuy nhiên, từ trường dao động tạo ra các điện trường dao động. Những điện trường cảm ứng này cũng có thể gây ra các trở ngại cho sự hình thành tinh thể băng. Do đó, các phân tử nước, có lưỡng cực điện, sẽ được định hướng theo hướng dao động của điện trường cảm ứng. Sự rung động và ma sát của các phân tử nước sẽ tạo ra nhiệt cũng cản trở sự kết tinh nước. Theo Hirasawa và cộng sự [55], kết hợp giữa điện trường dao động và cảm ứng cho phép đạt độ siêu lạnh lớn. Hơn nữa, Owada và Kurita [17] công bố rằng điện trường này sẽ tạo ra các electron tự do thu được từ các phân tử nước và oxy trong thiết bị cấp đông. Theo các tác giả, các gốc hydroxyl sau đó được tạo ra phá hủy màng tế bào của vi khuẩn và do đó làm giảm lượng vi sinh vật trong sản phẩm đông lạnh. Owada và Saito [49] cũng nhận xét rằng các electron tự do sẽ tránh được quá trình oxy hóa sản phẩm bị cấp đơng.

Các bằng sáng chế hiện có về cấp đơng hỗ trợ từ trường không công bố hoặc hướng dẫn lựa chọn các giá trị tối ưu của từ trường. Do đó, phạm vi mật độ từ thông và

</div><span class="text_page_counter">Trang 35</span><div class="page_container" data-page="35">

trong khoảng 0,1 mT đến 2 T trong khi tần số dao động trong khoảng từ 50 Hz đến 10 MHz. Tuy nhiên, các thông số được kiểm tra và công bố bởi các nhà phát minh lại hạn chế đáng kể hơn: mật độ từ thông giữa 0,1 mT [54] và 800 mT [50] và tần số trong khoảng từ 50 Hz [18] đến 200 kHz [54]. Hầu hết các tác giả cho rằng mật độ từ thông và tần số không bị hạn chế, nhưng theo Mihara và cộng sự [54] và Ino và cộng sự [53], các giá trị tối ưu phải được chọn dựa trên các đặc tính cụ thể của sản phẩm được đơng lạnh (kích thước, loại, trở kháng). Hình dạng sóng (ví dụ hình sin, hình vng hoặc hình tam giác) trong từ trường dao động không được mô tả thường xuyên, nhưng một số nhà phát minh thích ứng dụng sóng hình chữ nhật hơn [53]. Các thơng số khác của q trình cấp đông như tốc độ cấp đông và nhiệt độ cấp đơng thậm chí cịn ít hạn chế hơn và có thể dao động tương ứng trong khoảng 0,1 đến 1°C / phút và trong khoảng nhiệt độ cấp đông -2°C đến -100°C (Phụ lục 1.1).

Tính đồng nhất của từ trường được ứng dụng cấp đông cũng là một vấn đề cần xem xét. Theo Owada [18], nếu từ trường không được áp dụng đồng đều, tác dụng của chúng sẽ không đồng nhất lên sản phẩm cấp đông và do đó, chất lượng sản phẩm có thể bị ảnh hưởng. Owada [18] nhận thấy rằng tính đồng nhất của từ trường dao động tăng lên bằng cách xử lý số lượng lớn các cuộn dây song song, nối tiếp hoặc theo chiều ngang dọc theo giá đỡ mẫu. Sato và Fujita [50] cũng thiết kế một số phương án khả thi cho phép ứng dụng đồng nhất các từ trường trên sản phẩm.

Trong hầu hết các bằng sáng chế được công bố, các phương án ưu tiên kết hợp nam châm vĩnh cửu và/hoặc cuộn điện từ với các thiết bị khác để cải thiện quá trình cấp đơng. Do đó, sự kết hợp giữa các từ trường với điện trường [17], [18], [49], [55] và/hoặc các thiết bị truyền năng lượng khác như sóng siêu âm, vi sóng, tia hồng ngoại, tia cực tím và một số các loại khác, cũng đã được mô tả [17], [18], [49]–[51], [57], [58].

Tương tự như trong các tủ đông thông thường để cải thiện sự truyền nhiệt, các tác giả cũng cũng đề cập đến các phương án như sau: cách nhiệt để duy trì nhiệt độ tủ đông [17], [18], [53], [58], dùng quạt để lưu thông khơng khí lạnh trong tủ đơng [17], [18], [50], [53], dùng chất khử trùng khơng khí để tránh ơ nhiễm sản phẩm [49], [55], phân bố luồng khơng khí lạnh đồng đều [18] và thiết bị hút ẩm khơng khí để tránh đọng sương [50].

Thiết bị được cấp bằng sáng chế bao gồm các giải pháp cho cấp đông theo mẻ và cấp đông liên tục. Hệ thống cấp đơng liên tục có thể là băng chuyền thẳng hoặc băng chuyền xoắn. Do đó, các tủ đơng liên tục đòi hỏi các phương án phức tạp hơn khi ứng dụng từ trường đồng nhất, có thể thay đổi tĩnh hoặc thời gian, trong q trình cấp đơng hồn tồn [18], [50], [53], [57].

Ngồi ra, từ trường có thể được áp dụng khơng chỉ trong q trình cấp đơng mà cịn trong q trình bảo quản và rã đơng. Do đó, Ino và cộng sự [53] được cấp bằng sáng chế hệ thống mà trong đó từ trường dao động được áp dụng trong q trình rã đơng sau khi bảo quản. Theo các tác giả, phương pháp này cho phép bảo quản tốt hơn chất lượng thực phẩm.

</div><span class="text_page_counter">Trang 36</span><div class="page_container" data-page="36">

Hiện nay, các loại tủ đơng có hỗ trợ từ trường đã được sản xuất và bán trên tồn thế giới (tủ đơng CAS của cơng ty ABI và tủ đông Proton của công ty Ryoho, Nhật Bản). Ảnh hưởng của từ trường đối với quá trình cấp đông đã được nghiên cứu trên nước tinh khiết và dung dịch NaCl 0,9% [59], các sản phẩm sinh học [44], càng cua [60], đặc biệt đối với các sản phẩm có đặc tính từ tính [45]. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, với sự hỗ trợ của từ trường tĩnh có mật độ từ thơng từ 0,36÷1,08 mT thì thời gian cấp đơng ngắn hơn so với cấp đông thông thường [44].

<i>c) Những tồn tại trong nghiên cứu về công nghệ cấp đông hỗ trợ từ trường </i>

Để nghiên cứu làm rõ các ảnh hưởng của từ trường dao động yếu đến cấp đông thực phẩm, các tác giả Suzuki và cộng sự [39], Watanabe và cộng sự [33] đã tiến hành cấp đông một số thực phẩm trong điều kiện có và khơng có hỗ trợ từ trường dao động (0,5 mT / 50 Hz). Các nghiên cứu cho thấy khơng có bất kỳ ảnh hưởng nào của từ trường dao động đến độ siêu lạnh và thời gian cấp đông. Hơn thế nữa, kích thước và hình dạng của các tinh thể băng, cấu trúc vi mô, tổn thất do rỉ dịch (drip loss), màu sắc, kết cấu và đánh giá cảm quan là tương đối giống nhau trong tất cả các sản phẩm đông lạnh. Điều quan trọng cần lưu ý là các tác giả này đã thực hiện tất cả các thí nghiệm trong mơ hình phịng thí nghiệm và do đó, vấn đề đặt ra là liệu các đặc tính của từ trường được áp dụng có giống hệt như các ứng dụng trong tủ đông thương mại hay không. Điều này rất khó để xác định vì các nhà sản xuất thường không cung cấp các dữ liệu kỹ thuật này (ví dụ như từ trường tĩnh hay dao động hoặc cả hai; giá trị mật độ từ thông và tần số; có kết hợp với sóng điện trường hay vi sóng, v.v.).

Để xác định tính đúng đắn của những công bố này, một số tác giả đã so sánh chất lượng của một số thực phẩm đông lạnh trong cả tủ đơng thương mại có hỗ trợ từ trường và các tủ cấp đông thông thường [61]–[66]. Tuy nhiên, một số nghiên cứu đưa ra rất ít hoặc khơng có thơng tin về đặc điểm của từ trường được áp dụng. Hơn nữa, hầu hết các thí nghiệm đã được thực hiện ở nhiệt độ rất thấp, nghĩa là ở −45C và thấp hơn. Tại các điều kiện này, chất lượng thực phẩm đơng lạnh đã có thể được bảo quản tốt bằng các phương pháp cấp đơng thơng thường và do đó sẽ gặp nhiều khó khăn trong việc quan sát các thay đổi về mặt chất lượng khi cấp đơng có hỗ trợ từ trường. Ngồi ra, các thay đổi về đặc tính của thực phẩm (kích thước, hình dạng, cấu trúc và thành phần) cũng ảnh hưởng đến việc đánh giá chất lượng sản phẩm. Với sản phẩm fillet cá tra Việt Nam thì các nghiên cứu về ứng dụng từ trường trong cấp đông và đánh giá chất lượng sản phẩm khi so sánh với các phương pháp cấp đông truyền thống hầu như chưa được công bố.

Yamamoto và cộng sự [63] đã so sánh chất lượng của ức gà đông lạnh, ở nhiệt độ −45C, trong cả tủ cấp đông nhanh thông thường và tủ đông CAS. Sau một tuần bảo quản ở −30C, tác giả nhận thấy khơng có sự khác biệt nào giữa các mẫu. Tuy nhiên, sau sáu tháng kể từ khi lưu trữ, các giá trị ứng suất của mẫu cấp đông CAS vẫn giữ gần giống như mẫu được lưu trữ trong một tuần, trong khi các giá trị ứng suất của các mẫu cấp đông truyền thống và mẫu cấp đông nhanh lại tăng lên đáng kể. Tương tự

</div><span class="text_page_counter">Trang 37</span><div class="page_container" data-page="37">

trong tủ đông CAS ở -45C, mẫu được cấp đơng trong tủ đơng gió ở -35C và mẫu đơng trong kho lạnh ở -30C. Mặc dù tốc độ cấp đông đạt được ở mỗi thiết bị rất khác nhau nhưng sự khác biệt về chất lượng giữa các mẫu cũng không đáng kể. Ngược lại, các tác giả [64]–[67] đã nghiên cứu trên thịt bò, thịt lợn, và thịt gà trong tủ đông CAS ở -55C và tủ đơng gió tại -45C cho thấy cấp đơng hỗ trợ từ trường giúp giảm tổng thời gian cấp đông và giữ được chất lượng của các mẫu tốt hơn so với cấp đơng gió. Tuy nhiên, nhiệt độ của tủ đông hỗ trợ từ trường và tủ đông thông thường quá khác nhau để có thể rút ra được những cải tiến dành riêng cho cấp đông hỗ trợ từ trường. Để phân biệt chính xác hiệu quả của từ trường, các thí nghiệm cấp đơng có và khơng có ứng dụng từ trường nên được thực hiện trong cùng một thiết bị. Đây là cách duy nhất để loại trừ ảnh hưởng của các biến khác ngoài từ trường (nhiệt độ cấp đơng, vận tốc khơng khí, vị trí mẫu trong tủ đông, v.v.). Theo cách này, James và cộng sự [61] đã so sánh các đường cong cấp đông của củ tỏi được đông lạnh (với mật độ từ thơng 0,1 – 0,4 mT) và khơng có từ trường trong tủ đông CAS. Nghiên cứu cho thấy không có bất kỳ ảnh hưởng nào của từ trường đối với quá trình siêu lạnh trong các mẫu hoặc đối với động học của q trình cấp đơng. Như vậy có thể thấy vẫn cịn nhiều mâu thuẫn trong việc xác định ảnh hưởng của từ trường đến thời gian cấp đông hay đối với các sản phẩm khác nhau thì ảnh hưởng của từ trường cũng khác nhau. Rõ ràng rằng, theo các tài liệu đã được công bố, chưa có nghiên cứu nào trong các tài liệu phân tích chi tiết ảnh hưởng của từ trường dao động đến chất lượng thực phẩm trong các tủ đông điện từ thương mại.

Liên quan đến từ trường tĩnh, việc so sánh kết quả từ phịng thí nghiệm thường gặp khó khăn do hai lý do chính: (1) các thơng số của từ trường tĩnh thực sự được áp dụng trong các thí nghiệm thường khơng được cơng bố chi tiết và phân bố từ trường trong khơng gian thí nghiệm hồn tồn bị bỏ qua; (2) số lượng thí nghiệm đôi khi không đủ để phát hiện được bản chất ngẫu nhiên của quá trình tạo mầm băng và số liệu thống kê thường khơng rõ ràng. Do đó, cần thiết phải có nhiều hơn nữa các thí nghiệm được thực hiện và công bố nhiều kết quả trên các phịng thí nghiệm khác nhau. Để làm như vậy, từ trường tĩnh sử dụng phải được đo thông số đầy đủ và được điều khiển chính xác. Khi đánh giá tác động của từ trường tĩnh đối với độ siêu lạnh, cần có đủ số lượng thí nghiệm cấp đơng có và khơng có hỗ trợ từ trường tĩnh để mơ tả chính xác các hàm xác suất thống kê. Ngồi ra, khi so sánh động học q trình cấp đơng, kích thước mẫu và tốc độ cấp đơng phải được điều chỉnh sao cho có thể dễ dàng phát hiện sự khác biệt về thời gian ở các giai đoạn cấp đông. Mặc khác, khi đánh giá hiệu quả của từ trường tĩnh trong việc cải thiện quá trình cấp đơng thực phẩm, kích cỡ mẫu phải phù hợp với thực tế và phải biểu diễn được các phân bố từ trường và nhiệt độ trong không gian bố trí mẫu cấp đơng. Trong trường hợp này, cần ghi nhận sự thay đổi nhiệt độ không chỉ ở tâm của mẫu mà còn ở bề mặt mẫu. Tuy nhiên, cũng cần chú ý rằng để phát hiện chính xác thời gian xảy ra quá trình tạo mầm là rất khó khăn do q trình này xảy ra khơng đồng nhất trên toàn bộ mẫu và sự khác nhau về cấu trúc của mẫu ở các vị trí.

</div><span class="text_page_counter">Trang 38</span><div class="page_container" data-page="38">

Trong một nghiên cứu gần đây, Otero và cộng sự [44] cho rằng tính khơng ổn định của từ trường dao động được áp dụng trong các tủ đông thương mại khiến người ta nghi ngờ về tác động của từ trường yếu đến nước - một chất có độ nhạy từ thấp- thường chiếm khối lượng lớn trong thực phẩm cấp đơng. Đó có thể là một trong những lý do tại sao mật độ từ thông và/hoặc tần số của từ trường không được nêu chi tiết trong một số bài báo khoa học về cấp đơng có hỗ trợ từ trường được thực hiện trên tủ đông do công ty ABI sản xuất [64]–[67]. Hầu hết mật độ từ thông của từ trường trong các thiết bị sử dụng trong nhiều nghiên cứu là khá thấp, dao động từ 0,098 mT [61] đến 2 mT [63], với tần số của từ trường dao động trong khoảng 1,8 Hz [60] và 60 Hz [68]. Khả năng tác động trực tiếp của các từ trường yếu đến nước được công bố trong các bằng sáng chế của công ty ABI [17], [49] đã gây ra những nghi ngờ khác nhau trong các nghiên cứu gần đây [69], [44], [52].

Tóm lại, các dữ liệu thực nghiệm được công bố trong các bài báo vẫn chưa chứng minh rõ ràng tác động của từ trường đến quá trình cấp đơng và chất lượng sản phẩm trong các tủ đông hỗ trợ từ trường thương mại, điều mà các cơng ty đã khẳng định là có tác động tích cực và đã được đăng kí bằng sáng chế. Một số bài báo cho thấy kết quả tích cực, nhưng những nghiên cứu khác cũng cho thấy khơng có tác dụng của từ trường trong cấp đông thực phẩm. Có rất nhiều khó khăn liên quan đến cả từ trường và cấp đông làm cản trở khả năng nghiên cứu lý thuyết lẫn thực nghiệm và tính chính xác của các kết quả công bố. Tuy nhiên, cũng cần lưu ý rằng, mặc dù có một số báo cáo về ảnh hưởng của từ trường trong cấp đông nhưng hầu hết các nghiên cứu vẫn chưa được thực hiện trên cùng đối tượng và trong các điều kiện cấp đơng như nhau nên rất khó để so sánh được với nhau. Do đó, điều cấp thiết là phải có một nghiên cứu khoa học chứng minh được ảnh hưởng của từ trường đến q trình cấp đơng và/hoặc nâng cao chất lượng sản phẩm hay nó chỉ là một cơng bố mang tính quảng cáo của các nhà sản xuất.

Để thực hiện thành công nghiên cứu này, các thí nghiệm cần được tiến hành trong những điều kiện cụ thể được đo đạc chính xác và số lượng thí nghiệm đủ lớn cũng nhưng khả năng tiến hành trên nhiều mơ hình khác nhau. Tác động của từ trường lên q trình cấp đơng cần được đánh giá từ đơn giản đến phức tạp, đó là trong nước tinh khiết và tiếp theo là trên các mẫu phức tạp hơn (dung dịch muối, thực phẩm mẫu, thực phẩm thực tế và mẫu sinh học). Đối với nước và các dung dịch muối, đã có nhiều thí nghiệm cơng bố ảnh hưởng của từ trường đến q trình cấp đơng, nhưng đối với thực phẩm thì các cơng bố vẫn chưa được tiến hành trên cùng loại thực phẩm với các kích thước giống nhau để có thể tiến hành so sánh, đặc biệt là đối với sản phẩm fillet cá tra. Khi thiết kế các thí nghiệm, phải đặc biệt chú ý mơ tả chính xác mẫu và thiết bị cấp đông và để xác định tất cả các yếu tố có thể có ảnh hưởng đến kết quả thí nghiệm. Cần nghiên cứu cả từ trường tĩnh và từ trường dao động. Mật độ từ thông của từ trường trong tủ đông ABI thường thấp hơn 1 mT khiến người ta nghi ngờ về ảnh hưởng của từ trường yếu này đối với việc cấp đông nước và các sản phẩm sinh học. Do đó, cần tiến hành nhiều thực

</div><span class="text_page_counter">Trang 39</span><div class="page_container" data-page="39">

nghiệm với các cường độ và tần số từ trường khác nhau để xác minh tính hiệu quả của từ trường trong cấp đơng.

<b>1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước </b>

Các nghiên cứu trong nước về q trình cấp đơng tập trung vào các sản phẩm như thực phẩm có dạng trụ vơ hạn và cầu, tơm và fillet cá tra, trong đó sử dụng phương pháp cấp đơng gió thơng thường hoặc cấp đông IQF. Nghiên cứu được công bố trong luận án tiến sĩ của tác giả Đỗ Hữu Hoàng [70] đã xây dựng được chế độ cấp đông hợp lý cho sản phẩm fillet cá tra bằng phương pháp cấp đông IQF. Tuy nhiên, nghiên cứu này không đề cập đến các phương pháp cấp đơng hiện đại [71].

Có rất nhiều nghiên cứu về cá tra nhưng ở phạm vi nuôi trồng và chế biến cũng như sản xuất gelatin từ cá tra được thực hiện bởi nhiều tác giả, nhất là tại trường đại học Cần Thơ. Tuy nhiên, các nghiên cứu về công nghệ cấp đông các sản phẩm từ cá tra thì chưa được cơng bố.

Các công nghệ cấp đông hiện đại, đặc biệt là cấp đơng có hỗ trợ từ trường là hướng nghiên cứu mới trong nước, cho đến thời điểm này chưa tìm thấy được các nghiên cứu công bố về vấn đề này.

<b>1.4.3. Những vấn đề còn tồn tại của các công nghệ cấp đông hiện đại </b>

Một số công nghệ cấp đông hiện đại về cơ bản là cải tiến các phương pháp hiện có (thổi khơng khí và ngâm trong tác nhân lạnh) bằng cách tạo ra tốc độ truyền nhiệt bề mặt cao hơn so với các hệ thống trước đây nhằm cải thiện chất lượng sản phẩm thơng qua q trình kết đơng nhanh. Trong các trường hợp này, các ưu điểm của công nghệ phụ thuộc vào kích thước của sản phẩm. Nhiều loại thực phẩm có độ dẫn nhiệt kém làm hạn chế tốc độ làm lạnh ở các sản phẩm có kích thước lớn nên việc tăng diện tích bề mặt truyền nhiệt sẽ không làm tăng tốc độ kết đông trong thực phẩm dày có tỷ lệ bề mặt so với khối lượng thấp, chẳng hạn như khối thịt, nhưng đối với các loại thực phẩm có dạng mỏng (fillet cá, tơm, mực,..) thì tốc độ kết đơng sẽ được cải thiện đáng kể.

Các công nghệ cấp đông khác (như thay đổi áp suất, tĩnh điện, điện trường, từ trường, vi sóng, sóng vơ tuyến và siêu âm) là nhằm hỗ trợ cho các hệ thống kết đơng hiện có nhằm cải thiện sản phẩm chất lượng thơng qua việc kiểm sốt kích thước tinh thể băng được hình thành trong q trình cấp đơng thực phẩm. Ngun lý của các cơng nghệ này là giúp quá trình tạo mầm xảy ra ngay lập tức và đồng nhất trong toàn bộ thực phẩm. Do đó, dẫn đến giảm thời gian chuyển pha, giảm ứng suất cơ học trong quá trình hình thành các tinh thể băng và các tinh thể băng nhỏ hơn được sự phân bố đồng đều trong thực phẩm. Về lý thuyết, điều này sẽ đặc biệt có ích khi cấp đơng thực phẩm có kích thước lớn với độ dẫn nhiệt kém. Một số nghiên cứu đã công bố về việc phá vỡ quá trình tạo mầm băng và ngăn chặn sự hình thành các tinh thể băng lớn.

Theo các kết quả nghiên cứu đã công bố và dựa trên bảng tổng hợp ở các phụ lục 1.1, 1.2, 1.3, các công nghệ cấp đông hiện đại đã được nghiên cứu trên thế giới và một số đã có sản phẩm thương mại thì hướng nghiên cứu về cấp đơng có hỗ trợ từ trường là

</div><span class="text_page_counter">Trang 40</span><div class="page_container" data-page="40">

có tính khả thi cao. Theo phụ lục 1.3, hai dạng từ trường cơ bản là từ trường tĩnh và từ trường dao động đều có thể ứng dụng để hỗ trợ cho q trình cấp đơng. Một số nghiên cứu cho thấy công nghệ cấp đông có hỗ trợ từ trường giúp giảm thời gian cấp đơng và giữ được màu sắc, tính chất cơ lý và hương vị tương tự như của thực phẩm ban đầu.

Các dữ liệu thực nghiệm đã được tổng hợp trong luận án này (phụ lục 1.1, 1.2, 1.3) nhưng đa số các công bố đều ở phạm vi bằng sáng chế hoặc nghiên cứu thử nghiệm do vậy chưa có bằng chứng cụ thể, đặc biệt đối với cấp đông fillet cá tra. Điều quan trọng là các nghiên cứu này đang được thực hiện ở nhiều điều kiện khác nhau (ví dụ mật độ từ thơng khác nhau) nên chưa có cơ sở để đánh giá ngang hàng với nhau về thời gian cấp đông cũng như chất lượng sản phẩm. Do đó, việc thực hiện một đề tài nghiên cứu về hỗ trợ từ trường trong cấp đơng mang tính cấp thiết trong nghiên cứu khoa học để chứng minh rằng liệu cấp đông hỗ trợ từ trường có hiệu quả trong việc tăng cường độ siêu lạnh và/hoặc cải thiện chất lượng sản phẩm hay không.

<b>1.5. Các vấn đề nghiên cứu của luận án 1.5.1. Mục tiêu nghiên cứu </b>

− Phân tích được ảnh hưởng của từ trường đến hệ số truyền nhiệt trong q trình cấp đơng fillet cá tra.

− Đánh giá được ảnh hưởng của các thông số công nghệ (nhiệt độ, vận tốc, chiều dày, mật độ từ thông) đến chi phí và chất lượng cấp đơng có hỗ trợ từ trường tĩnh. Trên cơ sở đó xây dựng được chế độ cấp đông phù hợp với sản phẩm fillet cá tra Việt Nam.

− Phân tích được ảnh hưởng của từ trường đến chất lượng sản phẩm fillet cá tra sau khi cấp đông dựa trên các tiêu chí như màu sắc, độ cứng, độ đàn hồi, độ dẻo, độ dai và tỷ lệ hao hụt khối lượng sau rã đơng. Đồng thời, phân tích và so sánh được với sản phẩm fillet cá tra cấp đông thương mại trên thị trường xuất khẩu.

<b>1.5.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu </b>

<i>a. Đối tượng nghiên cứu </i>

− Fillet cá tra được nuôi ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long (cụ thể là tỉnh Tiền Giang)

− Cấp đơng gió có sự hỗ trợ của từ trường.

<i>b. Phạm vi nghiên cứu </i>

Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm q trình cấp đơng fillet cá tra trên mơ hình cấp đơng gió có hỗ trợ từ trường, năng suất 2 kg/mẻ.

<b>1.5.3. Nội dung nghiên cứu </b>

Để thực hiện được các mục tiêu nêu trên thì luận án cần giải quyết các vấn đề cụ thể như sau:

(i). Tính tốn, xác định các thông số nhiệt vật lý của fillet cá tra theo nhiệt độ dựa trên các thành phần chính.

</div>