NGHIÊN cứu ĐỘNG học QUÁ TRÌNH sấy RAU QUẢ BẰNG máy sấy CHÂN KHÔNG VI SÓNG

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SẤY RAU QUẢ
BẰNG MÁY SẤY CHÂN KHÔNG VI SÓNG
RESEARCH ON KINETICS OF FRUIT AND VEGETABLE DRYING PROCESS
BY MICROWAVE VACUUM DRYER
TS. Nguyễn Văn Cương1a*, TS. Nguyễn Văn Khải1b
1
Khoa Công Nghệ, Đại học Cần Thơ
a
;
TÓM TẮT
Sấy chân không vi sóng là một trong những kỹ thuật sấy tiên tiến được ứng dụng để sấy các
sản phẩm chất lượng cao. Trong sấy chân không vi sóng, nhiệt được tạo ra trong toàn bộ thể tích
sản phẩm, bằng việc chuyển trực tiếp năng lượng điện từ thành năng lượng chuyển động phân tử
nước trong sản phẩm, ở điều kiện chân không. Bài viết này trình bày những kết quả nghiên cứu
động học quá trình sấy chân không vi sóng đối với xoài cát, khóm và tôm sú trên máy sấy chân
không vi sóng µWaveVac0150-lc (Püschner – Đức) ở những điều kiện khác nhau về áp suất chân
không và mức phát năng lượng vi sóng. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng sản phẩm sấy có chất
lượng cao về màu sắc, cấu trúc, ít bị co rút bề mặt khi so với các phương pháp sấy đối lưu và sấy
chân không có gia nhiệt. Thời gian sấy giảm từ 14 ÷ 15 giờ (khi sấy đối lưu không khí nóng) và từ
7÷ 9 giờ (khi sấy chân không có gia nhiệt) còn khoảng 12÷ 70 phút (khi sấy chân không vi sóng).
Tốc độ sấy bằng chân không vi sóng có thể đạt được giá trị 6 ÷ 7% ẩm/phút, 8 ÷ 10% ẩm/phút và
12 ÷ 14% ẩm/phút tương ứng với xoài, khóm và tôm sú. Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng hệ
số khuếch tán ẩm trong quá trình sấy (D eff ) có giá trị cao hơn khoảng 25÷50 lần so với phương
pháp sấy đối lưu; tương ứng đối với xoài, khóm và tôm sú lần lượt là 3,6 ÷ 5,3*10-9 m2/s, 1,8 ÷
3,8*10-9 m2/s và 4,0 ÷ 6,7*10-9 m2/s.
Từ khóa: sấy chân không vi sóng, động học quá trình sấy, hệ số khuếch tán ẩm, sấy
rau quả.
ABSTRACT
Microwave vacuum drying is one of the advanced drying techniques which are applied to

dryhigh quality products. In microwave vacuum drying, the heat is generated in the entire
volume of product.Electrical energy is directly converted into motion energy of water
molecules inside the product in vacuum condition. This paper presents the study results of the
kinetic of microwave vacuum drying for mango, pineapple and shrimp on dryer
µWaveVac0150-lc (Puschner - Germany), in different conditions of vacuum pressure and
microwave energy level. The results showed that dried products have the high-quality of color,
structure, surface shrinkage in comparison to products dried by the convective drying and
vacuum drying. Drying time reduced from 14 ÷ 15 hours (with hot air convection drying) and
from 7 ÷ 9 hours (with vacuum drying) to about 12 ÷ 70 minutes (with microwave vacuum
drying). Drying ratio of microwave vacuum drying can reach to 6 ÷ 7% /min, 8 ÷ 10% /min and
12 ÷ 14%/min with mango, pineapple and shrimp, respectively. The results also showed that the
values of effective diffusivity coefficient (D eff ) of moisture during microwave vacuum drying
process are about 25 ÷ 50 times superior than that obtained from the convection drying method.
The D eff corresponding to the mango, pineapple and shrimp are 3,6 ÷5,3*10-9 m2/s, 1,8 ÷
3,8*10-9m2/s and 4,0 ÷ 6,7*10-9m2/s, respectively.
Keywords: microwave vacuum drying, drying kinetics, effective diffusivity coefficient,
fruit and vegetable drying.
686


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Sấy chân không vi sóng là một công nghệ sấy tiên tiến được ứng dụng trong lĩnh vực sấy
các dược phẩm, sản phẩm thực phẩm có giá trị dinh dưỡng cao, cũng như trong sấy và bảo quản
rau quả. Trong sấy chân không vi sóng, năng lượng điện từ của vi sóng được chuyển trực tiếp
thành năng lượng chuyển động của phân tử nước trong sản phẩm, nhiệt được sinh ra bên trong
sản phẩm do sự ma sát giữa các phân tử nước khi đổi chiều ở điều kiện chân không. Vi sóng có
thể truyền sâu vào bên trong vật liệu, nhiệt được sinh ra bên trong toàn bộ thể tích sản phẩm,
làm cho tốc độ bốc hơi ẩm tăng [1]. Môi trường chân không trong quá trình sấy tạo ra một sự
chênh lệch áp suất hơi nước, làm giảm nhiệt độ bay hơi nước. Sự giảm áp suất môi trường làm

cho sự thoát hơi nước trong các lỗ rỗng của vật liệu dễ dàng hơn. Do đó, trong sấy chân không
sẽ giảm được nhiệt độ sấy, cải thiện được chất lượng của sản phẩm sấy [2]. Khi kết hợp phương
pháp sấy chân không và năng lượng vi sóng sẽ làm tăng hiệu suất năng lượng sấy, quá trình gia
nhiệt trong vật liệu đồng đều hơn, giảm thời gian sấy, tăng chất lượng sản phẩm, giảm được
những phản ứng không mong muốn xảy ra đối với sản phẩm dễ bị oxy hóa. Với phương pháp
sấy chân không vi sóng, sản phẩm sấy có cấu trúc và màu sắc tốt, giảm độ co rút bề mặt, thời
gian sấy giảm nhiều khi so sánh với các phương pháp sấy khác [3]. Động học quá trình sấy chân
không vi sóng đã được nghiên cứu khá nhiều với những mô hình toán học khác nhau, đối với
các loại thực phẩm rau quả như dâu tây [4], cà rốt [5], nấm rơm [6], tỏi [7], khoai tây [8] và một
số sản phẩm khác.
Ở Việt Nam, cho đến nay chưa có nhiều ứng dụng phương pháp sấy chân không vi sóng,
chưa có những nghiên cứu sâu về động học quá trình sấy các sản phẩm với thiết bị sấy chân
không vi sóng. Trong nghiên cứu này, động học quá trình sấy các sản phẩm xoài cát, khóm và
tôm sú được thực hiện bằng thiết bị sấy chân không vi sóng µWaveVac0150-lc (Püschner –
Đức). Hệ số khuếch tác ẩm được tính toán phân tích dựa trên cơ sở ứng dụng định luật 2 của
Fick và giải pháp Crank [9]. Các thí nghiệm được thực hiện tại Phòng thí nghiệm máy và thiết bị
chế biến lương thực – thực phẩm, Khoa Công nghệ - Đại học Cần Thơ.
2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Vật liệu thí nghiệm
Xoài cát có độ ẩm (80 ± 1)% (wb) được cắt thành lát mỏng có bề dày 5 mm. Mẫu sấy có
khối lượng 100 g được sấy chân không vi sóng ở điều kiện áp suất 60 ÷ 100 mbar, với ba mức
năng lượng là 800 ÷ 600 W, 500 ÷ 300 W và 250 ÷ 150 W. Xoài sấy thu được có độ ẩm là 5%.
Khóm có độ ẩm ban đầu là (82± 1)% (wb) được gọt vỏ, cắt thành lát mỏng bề dày 5 mm.
Mẫu được sấy bằng chân không vi sóng ở độ chân không từ 60 ÷ 120 mbar, năng lượng phát vi
sóng 150 ÷ 250 W. Khóm sấy có độ ẩm là 4%.
Tôm sú có độ ẩm (81±1)% (wb) được bóc vỏ trước khi sấy. Mẫu tôm được sấy chân
không vi sóng ở điều kiện áp suất 60 ÷ 120 mbar, cường độ vi sóng là 300 ÷ 500 W. Tôm sú sau
khi sấy có độ ẩm 8%.
Nhiệt độ sản phẩm trong sấy chân không vi sóng dao động từ 40°C đến 46°C tùy theo
điều kiện phát năng lượng vi sóng. Các mẫu đối chứng của từng sản phẩm được sấy đối lưu

không khí nóng ở nhiệt độ 60 °C, và sấy chân không ở 70 mbar, 60°C với các thiết bị sẵn có ở
phòng thí nghiệm.
2.2. Thiết bị sấy chân không vi sóng µWaveVac0150-lc
Thí nghiệm sấy được thực hiện trên thiết bị sấy chân không vi sóng µWaveVac0150-lc,
cấu tạo của thiết bị được trình bày ở Hình 1. Vật liệu sấy được xác định khối lượng và độ ẩm ban
đầu, sau đó mẫu thí nghiệm được đặt lên bàn quay trong buồng sấy. Các chế độ sấy được thiết
lập và cài đặt thông số trên màn hình điều khiển PLC, hoặc bằng chương trình máy tính. Trong
quá trình sấy, khối lượng mẫu, lượng ẩm bay hơi, nhiệt độ, áp suất trong buồng sấy được giám
687


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
sát qua màn hình PLC và được ghi nhận lại thông qua loadcell và bộ điều khiển. Khi độ ẩm vật
liệu sấy đạt yêu cầu, quá trình sấy kết thúc và sản phẩm được tháo ra ngoài. Thiết bị hoạt động
được nhờ sự hỗ trợ của bơm chân không, bộ phận phát vi sóng và các ống dẫn vi sóng. Áp suất
chân không trong buồng sấy có thể đạt30 mbar, cường độ phát năng lượng vi sóng có điều chỉnh
giá trị từ 0 đến 2000 W.

Hình 1: Thiết bị sấy chân không vi sóng µWaveVac0150-lc
2.3. Phương pháp nghiên cứu
2.3.1. Phương pháp bố trí thí nghiệm
Thí nghiệm sấy chân không vi sóng được thực hiện với 2 yếu tố, ở 5 mức độ (-α; -1; 0; +1;
+α) bằng phương pháp bố trí thành phần trung tâm (RSM). Động học quá trình sấy của từng
mẫu được xác định bằng cách xác định khối lượng mẫu trong quá trình sấy. Các giá trị thông số
áp suất chân không, cường độ vi sóng được thể hiện trong Bảng 1.
2.3.2. Xác định động học quá trình sấy
Động học quá trình sấy được xác định dựa trên phương pháp của Mounir và Allaf [10],
trong đó hệ số khuếch tán ẩm (D eff ) được tính toán dựa theo định luật 2 của Fick. Khối lượng
sản phẩm sấy được ghi nhận ở những thời điểm khác nhau trong suốt thời gian sấy để xây dựng
đường cong sấy. Quá trình khuếch tán ẩm bên trong vật liệu được giả thiết theo trục bề dày của

vật sấy. Ở giai đoạn cuối quá trình sấy, giả sử vật liệu không bị co rút bề mặt, bằng cách sử dụng
các giá trị ban đầu và điều kiện biên thích hợp, Crank đưa ra phân tích các giải pháp hình học
khác nhau và xem vật liệu sấy (xoài, khóm, tôm) dạng tấm phẳng, phương trình 2 của Fick với
giải pháp Crank có thể được áp dụng. Phương trình ẩm được xác định theo công thức (1).
W −W

2
𝑀𝑀𝑀𝑀 = W ∞−W = ∑∞
1 Ai exp(−q i t)
∞

o

(1)

Khai triển Taylor phương trình (1) và chỉ xác định giá trị số hạng thứ nhất, bỏ qua các số
hạng từ thứ 2 trở đi, có thể xác định một cách gần đúng phương trình:

Trong đó:

W −W

𝑀𝑀𝑀𝑀 = W ∞−W = A. exp(−
∞

o

π2 Deff
4 dp2

t)

(2)

Wo , W,W∞ : độ ẩm của sản phẩm ở thời điểm ban đầu t → 0, thời điểm t và khi t →∞.

Ai và q i : các hệ số Crank, phụ thuộc vào hình dạng hình học của sản phẩm.

dp: nửa bề dày của sản phẩm theo hướng truyền ẩm trong sản phẩm được xem như vật
liệu đồng chất, đẳng hướng.
688


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Hàm Ln(MR) = f(t) thể hiện quan hệ hồi quy giữa logarit độ giảm ẩm với thời gian sấy và
là một hàm bậc nhất với hệ số góc k =

π2 .𝐷𝐷𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒
4dp2

.

8

ln(MR)= ln �𝜋𝜋2 � − (

π2 .𝐷𝐷𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒𝑒
4dp2

)t

(3)

Bằng việc xây dựng đồ thị và xác định giá trị hệ số góc k, hệ số khuếch tán ẩm bên trong
vật liệu trong quá trình được xác định:
Deff =

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

4dp2
π2

k

(4)

3.1. Đường cong giảm ẩm của quá trình sấy
Đường cong giảm ẩm của quá trình sấy đối với xoài cát thể hiện ở Hình 2. Kết quả nghiên
cứu cho thấy rằng: thời gian sấy xoài bằng phương pháp chân không vi sóng (45 phút) giảm đi 10
lần so với sấy chân không (450 phút), giảm 19 lần so với sấy đối lưu không khí nóng (870 phút).
Đối với khóm, thời gian sấy chân không vi sóng giảm 8 lần so với sấy chân không, giảm 12
lần so với sấy đối lưu. Để thu được sản phẩm sấy có độ ẩm 4%, thời gian sấy là 70 phút, 570 phút
và 840 phút lần lượt đối với sấy chân không vi sóng, sấy chân không và sấy đối lưu (Hình 3).

Hình 2: Đường cong sấy đối với xoài

Hình 3: Đường cong sấy đối với khóm

Trong trường hợp tôm sú, kết quả thí nghiệm cho thấy thời gian sấy chân không vi sóng là
12 phút, giảm đi 45 lần so với sấy chân không (550 phút), và giảm 82 lần so với sấy đối lưu

không khí nóng (990 phút), để có được tôm sấy với độ ẩm 8% (Hình 4).

Hình 4: Đường cong sấy đối với tôm sú

689


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Tốc độ sấy (tốc độ thoát ẩm) trung bình trong quá trình sấy bằng chân không vi sóng có
thể đạt được giá trị 6 ÷ 7 % ẩm/phút, 8 ÷ 10 % ẩm/phút và 12 ÷ 14 % ẩm/phút tương ứng với sản
phẩm xoài, khóm và cà rốt.
3.2. Xác định hệ số khuếch tán (D eff ) của quá trình sấy
𝑊𝑊 −𝑊𝑊

Theo phân tích để xác định hệ số khuếch tán ẩm, đồ thị hàm số𝐿𝐿𝐿𝐿 �𝑊𝑊 ∞−W � = 𝑓𝑓(𝑡𝑡) được
∞

o

xác định ứng với từng thí nghiệm sấy, các đường thẳng tiếp cậm với các đường cong này thu
được với R² ≥ 0,89 đối với xoài, R² ≥ 0,84 đối với khóm và R² ≥ 0,94 đối với tôm sú. Từ đó, các
hệ số k được xác định và cho phép tính toán hệ số khuếch tán ẩm bên trong vật liệu sấy theo
công thức 4. Các kết quả thí nghiệm sấy với các phương pháp được thể hiện trong Bảng 1.
Hệ số khuếch tán của quá trình sấy chân không vi sóng có giá trị từ 3,6 ÷ 5,3*10-9 m2s-1
đối với xoài, 1,8 ÷ 3,8*10-9 m2s-1 đối với khóm, 4,0 ÷ 6,7*10-9 m2s-1 đối với tôm.
Giá trị hệ số khuếch tán ẩm trong quá trình sấy của sấy chân không vi sóng lớn hơn
khoảng 25 lần so với phương pháp sấy chân không, 50 lần so với phương pháp sấy đối lưu. Điều
này cho thấy rằng, sự khuếch tán ẩm bên trong vật liệu khi sấy chân không vi sóng diễn ra dễ
dàng hơn, nhờ vào sự gia tăng áp suất hơi nước trong vật liệu khi gia nhiệt sản phẩm.
Bảng 1: Bảng kết quả thí nghiệm sấy xoài, khóm và tôm sú bằng các phương pháp sấy

70

70

T
(°C)

T (°C)

(a)

(b)

(c)

60

60

45

450

870

60

60

60

60

70

12

570

550

840

990

R2

D eff
(m2s-1)

0,89 ÷ 0,97

8

70

Thời gian sấy
(phút)

(a)3,6÷5,3*10-9

0,82 ÷ 0,96

81

3.5

P ck
(mbar)

Sấy
đối lưu
(c)

(a)1,8÷3,8*10-9

0,94 ÷ 0,99

82

Vi sóng
(W)

60 ÷ 120

5

150 ÷
800

80

P ck
(mbar)

60 ÷ 120

Tôm

Sau

Sấy chân
không
(b)

60 ÷ 120

Khóm

Trước

Sấy chân không
vi sóng
(a)

150 ÷
250

Xoài

Độ ẩm (%)
trước & sau
khi sấy

300 ÷
500

Sản
phẩm

(a)4,0÷6,7*10-9

(b) 1,3*10-10
(c) 0,7*10-10

(b)(c) -

(b) (c)-

Hình 5: Hình dạng và màu sắc sản phẩm xoài, khóm và tôm sấy
a. Sấy chân không vi sóng, b. Sấy chân không, c. Sấy đối lưu không khí nóng.
690


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
3.3. Đánh giá cảm quan của sản phẩm sấy
Kết quả thí nghiệm cho thấy màu sắc của sản phẩm xoài, khóm và tôm sau khi sấy đối với
sấy chân không vi sóng tốt hơn so với sấy chân không và sấy đối lưu không khí nóng. Tất cả các
mẫu sấy chân không vi sóng đều có màu sắc tươi, sáng, có hình dạng không bị co rút bề mặt

(xem Hình 5).
Cấu trúc bên trong của sản phẩm được xác định bằng kính hiển vi soi nổi (Viewpoint
650/VT1). Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy có sự thay đổi cấu trúc bên trong của sản phẩm
sấy đối với từng phương pháp sấy. Trong đó, sản phẩm sấy bằng chân không vi sóng có cấu trúc
xốp hơn, với các lỗ rỗng bên trong, điều này giải thích cho quá trình khuếch tán ẩm và thời gian
sấy nhanh so với các phương pháp khác (Hình 6).
Cấu trúc xoài sấy
1. Sản phẩm tươi
2. Sấy đối lưu
3. Sấy chân không

1

2

3

4

4. Sấy chân không vi sóng
Cấu trúc khóm sấy
1. Sản phẩm tươi
2. Sấy đối lưu
3. Sấy chân không

1

2

4

3

4. Sấy chân không vi sóng
Cấu trúc tôm sấy
1. Sản phẩm tươi
2. Sấy đối lưu
3. Sấy chân không

1

2

3

4

4. Sấy chân không vi sóng

Hình 6: Cấu trúc sản phẩm trước và sau khi sấy được chụp từ kính hiển vi
4. KẾT LUẬN
Động học quá trình sấy chân không vi sóng với các sản phẩm xoài, khóm và tôm sú đã được
nghiên cứu.Những kết quả nghiên cứu cho thấy rằng các sản phẩm được sấy chân không vi sóng
cho chất lượng màu sắc cao, hình dạng tốt, hệ số khuếch tán ẩm cao, tốc độ giảm ẩm lớn. So với
các phương pháp sấy chân không và sấy đối lưu không khí nóng, sấy chân không vi sóng có nhiều
ưu điểm vượt trội, đặc biệt thời gian sấy giảm đi rất nhiều; chỉ cần từ 45 đối với xoài, 70 phút với
khóm, 12 phút đối với tôm để có thể làm khô sản phẩm đạt yêu cầu. Nghiên cứu động học quá
trình sấy cho thấy việc nghiên cứu chế tạo máy sử dụng năng lượng vi sóng là điều cần được quan
tâm trong việc phát triển thiết bị sấy trong tương lai.
TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]

Krulis M., Kuhnert S., Leiker M., Rohm H., Influence of energy input and initial moisture
on physical properties of microwave-vacuum dried strawberries. European Food Resource
Technology, 2005, vol. 221, pp.803-08.

[2] Jaya S., Das H., A vacuum drying model for mango pulp. Drying Technology, 2003,
vol.21(7), pp.1215-34.
691


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
[3] Figiel A., Drying kinetics and quality of beetroots dehydrated by combination of
convective and vacuum-microwave methods. Food Engineering, 2010, vol.98, pp.461-70.
[4] Kaensup W., Chutima S., Wongwises S., Experimental study on drying of chilli in a
combined microwave–vacuum-rotary drum dryer. Drying Technology, 2002, vol. 20,
pp.2067-79.
[5] Zheng-Wei C., Shi-Ying X., Da-Wen S., Microwave-vacuum drying kinetics of carrot
slices.Food Engineering, 2004, vol. 65, pp.157-64.
[6] Giri S.K., Suresh P., Drying kinetics and rehydration characteristics of microwave-vacuum
and convective hot-air dried mushrooms. Food Engineering, 2007, vol. 78, pp.512-21.
[7] Figiel A., Drying kinetics and quality of vacuum-microwave dehydrated garlic cloves and
slices. Food Engineering, 2009, vol.94, pp.98-104.
[8] Bondaruk J., Markowski M., Błaszczak W., Effect of drying conditions on the quality of
vacuum-microwave dried potato cubes.Food Engineering, 2007, vol.81, pp.306-12.
[9] Crank J., The mathematics of diffusion, 2ndEdition. Oxford University Press, 1975.
[10] Mounir S., Allaf K., Study and modeling of solvent extraction kinetics within expanded
granule powder. 10th International Conference on Modelling & Applied Simulation (MAS),
Italy, 2011.
THÔNG TIN TÁC GIẢ

1.

TS. Nguyễn Văn Cương. Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí, Khoa Công Nghệ, Đại học Cần Thơ.
Email: , Điện thoại: 0989909034

2.

TS. Nguyễn Văn Khải. Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí, Khoa Công Nghệ, Đại học Cần Thơ.
Email: , Điện thoại: 0904454885

692