NGHIÊN cứu ẢNH HƯỞNG TIỀN xử lý SIÊU âm đến tốc độ sấy và màu sắc THƯỢNG ĐẲNG sâm

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

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG TIỀN XỬ LÝ SIÊU ÂM ĐẾN TỐC ĐỘ SẤY VÀ
MÀU SẮC THƯỢNG ĐẲNG SÂM
STUDY ON INFLUENCE OF ULTRASOUND PRE-TREATMENT ON THE DRYING
RATE AND COLOR OF VIETNAMESE GINSENG
Nguyễn Xuân Quang1a, Nguyễn Hay2b, Nguyễn Ngọc Phương1c, Bùi Ngọc Hùng2d
1
Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM
2
Trường ĐH Nông Lâm TP. HCM
a
,
c
,
TÓM TẮT
Tiền xử lý trước khi sấy được xem là một giải pháp hữu ích nhằm giảm thời gian sấy và
đảm bảo chất lượng một số nông sản thực phẩm sau khi sấy. Nghiên cứu này khảo sát ảnh
hưởng của tiền xử lý sử dụng siêu âm năng lượng cao đến tốc độ sấy và sự thay đổi màu sắc của
Thượng đẳng sâm bằng cách dùng phương pháp thực nghiệm. Tiền xử lý được thực hiện ở 2
mức cường độ âm 14,33 W/cm2 và 27,47 W/cm2 trong thời gian 10 phút, sau đó sấy đối lưu ở
400C. Kết quả cho thấy thời gian sấy có thể giảm khoảng 980 phút (khi sấy đối lưu không có
tiền xử lý) xuống còn khoảng 680 phút (khi sấy đối lưu có tiền xử lý siêu âm với cường độ công
suất27,47 W/cm2) và các thông số màu sắc cũng thay đổi so với sấy đối lưu ở cùng điều kiện
Từ khóa: Thượng đẳng sâm, siêu âm năng lượng cao, tốc độ sấy, tiền xử lý, màu sắc.
ABSTRACT
Pretreatment is considered a useful method to reduce drying time and ensure the quality
of some agricultural food products. This study investigates the affect of pre-treatment using
high-intensity ultrasonic ondrying rate and color change of Vietnamese ginsengusing
empirical methods. Pretreatment were carried out at two ultrasonic intensity levels of 14,33
W/cm2 and 27,47 W/cm2 during 10 minutes, then dried at 400C convection. The results show

that the drying total time reduced from 980 minutes (convective drying without pre-treated) to
680 minutes (convective drying with pre-treated at 27,47 W/cm2) and the parameters of color
is changed as well compared to convective drying at the same conditions.
Key word: VietNamese ginseng, high-intensity ultrasonic, drying rate, pretreatment, color.
1. GIỚI THIỆU
Thượng đẳng sâm là một cao sản trong nông nghiệp dùng làm thực phẩm và dược liệu.
Nghiên cứu cho thấy rễ của Thượng đẳng sâm có công dụng tăng lực, hạ đường huyết, điều
hòa miễn dịch [1-4]. Thượng đẳng sâm trồng nhiều ở các nước Đông Nam Á, ở Việt Nam
trong thời gian gần đây được trồng với quy mô trang trại tại tỉnh Lâm Đồng.
Thượng đẳng sâm được thu hoạch sau 1 đến 4 năm canh tác. Tùy theo độ tuổi Thượng
đẳng sâm có giá trị khác nhau. Sau khi thu hoạch phần rễ được rửa sạch và bảo quản từ 2 đến
6 tuần ở nhiệt độ thấp khoảng 60C. Hiện nay, để tạo sản phẩm khô lát dùng trong chế biến và
bảo quản Thượng đẳng sâm sau khi thu hoạch được thái lát mỏng rồi phơi trong bóng râm [4].
Tuy nhiên trong phương pháp này thời gian phơi để đạt được độ ẩm mong muốn 10% là khá
dài làm ảnh hưởng đến màu sắc và thành phần chất dinh dưỡng. Nhiều nghiên cứu trên thế
giới về kỹ thuật tiền xử lý sử dụng sóng siêu âm cho các loại nông sản thực phẩm: cà rốt, rong
biển, táo, dưa hấu…rồi sấy đối lưu. Kết quả cho thấy thời gian sấy giảm, sự thay đổi màu sắc
ít và sóng siêu âm có thể làm thay đổi cấu trúc tế vi của sản phẩm [5],[7]. Siêu âm năng lượng
832


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
cao là sóng âm có tần số trên 20 kHz. Không giống như sóng điện từ, siêu âm năng lượng cao
là sóng cơ, có thể truyền trong môi trường rắn, lỏng, khí. Vật liệu đặt trong môi trường lỏng
có sóng siêu âm, dưới tác động ở các chu kỳ nén và giãn của sóng âm tạo ra các bong bóng vô
cùng nhỏ ở giao diện lỏng – rắn làm cho bề mặt vật liệu bị mòn, ngăn chặn sự đông cứng và
bám dính, đồng thời tạo ra những mao dẫn trong lòng vật liệu [6].
Hiện nay, nghiên cứu áp dụng kỹ thuật mới hỗ trợ trong quá trình sấy để giảm chi phí
năng lượng riêng, duy trì thành phần chất dinh dưỡng sản phẩm trong nông nghiệp đang được
các nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm. Với mục đích trên, mục tiêu của nghiên cứu

này là khảo sát ảnh hưởng tiền xử lý sử dụng sóng siêu âm đến tốc độ sấy và sự thay đổi màu
sắc của Thượng đẳng sâm Việt Nam và so sánh phương pháp sấy đối lưu có tiền xử lý và
không có tiền xử lý bằng sóng siêu âm.
2. VẬT LIỆU, THIẾT BỊ VÀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
2.1. Vật liệu
Vật liệu sấy dùng thí nghiệm là Thượng đẳng sâm tươi thu hoạch ở 3 năm tuổi được
canh tác tại tỉnh Lâm Đồng bởi công ty Cao Lâm. Kích thước của sâm có đường kính khoảng
10-15mm, chiều dài khoảng 80-110mm, độ ẩm trung bình ban đầu 93,4% (cơ sở ướt), khối
lượng trung bình 18-30 g/củ.
2.2. Thiết bị nghiên cứu
- Thiết bị dùng để tiền xử lý: Nguồn phát sóng siêu âm (1) có tần số (20±0,8) kHz,
công suất có thể thay đổi được và lớn nhất 1200W. Bộ phát sóng siêu âm (2) đầu phát có
đường kính 22mm, được ngâm sâu khoảng 20mm trong nước cất chứa trong cốc thủy tinh (3).
Cảm biến đo nhiệt độ (4) có độ phân giải 0,10C (của hãng Omron) được đặt trong cốc thủy
tinh để đo nhiệt độ của nước trong quá trình xử lý, nhiệt độ của nước được đọc và chuyển
thành dữ liệu thông qua bộ chỉ thị nhiệt độ (5) và gởi về máy tính (6) để lưu trữ. Toàn bộ
thiết bị được thể hiện trên hình 1
Toàn bộ thiết bị được thể hiện trên hình 1
6
5
2
4

1
3

Hình 1. Sơ đồ thiết bị tiền xử lý siêu âm
Năng lượng cung cấp cho bộ phát sóng siêu âm thay đổi, khi đó biên độ dao động thay
đổi làm cho công suất siêu âm P tác động lên mẫu thay đổi. Công suất siêu âm P được xác
định bởi các dụng cụ đo (Mason và các cộng sự, 1990) và theo công thức (1), nhiệt độ nước

cất trong cốc thủy tinh ban đầu và sau khi xử lý 10 phút được ghi lại để xác định tốc độ thay
đổi nhiệt độ.
Công suất bộ phận phát sóng siêu âm trong môi trường nước được tính theo công thức (1):

 dT 
P  mC p 

 dt t 0
833

(1)


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Trong đó, m là khối lượng nước (kg), Cp là nhiệt dung riêng của nước (4,18 kJ kg-10C-1),
(dT/dt) là tốc độ thay đổi nhiệt độ trong quá trình tiền xử lý (0C/phút).
Cường độ công suất sóng siêu âm (UI) phát ra từ đầu phát với đường kính đầu phát D
cho bởi công thức (2) như sau:

UI 

4P
 D2

(2)

Trong đó: UI cường độ công suất sóng siêu âm (W/cm2), P công suất siêu âm (W), D là
đường kính của đầu phát sóng siêu âm (cm).
Trong nghiên cứu này, công suất của bộ phát sóng siêu âm được chỉnh ở 2 mức bằng
cách thay đổi nguồn phát, kết quả tính toán cường độ âm ở 2 mức này là 14,33 W/cm2 và

27,47 W/cm2.
- Thiết bị sấy đối lưu: Thượng đẳng sâm sau khi tiền xử lý 10 phút để ráo nước, thái
mỏng 2mm, bỏ vào khay (6) và đặt trong buồng sấy (5) ở nhiệt độ (40±0,5)0C, vận tốc gió
khoảng 0,8m/s. Trong quá trình sấy các thông số tác nhân sấy được duy trì ở giá trị cài đặt bởi
bộ hiệu chỉnh PID và PLC (12), khối lượng mẫu được đo trực tiếp và được lưu trữ vào máy
tính giám sát trạng thái và thu thập dữ liệu (13), sơ đồ thiết bị máy sấy được thể hiện như hình
2. Quá trình sấy kết thúc khi độ ẩm của vật liệu sấy đạt đến độ ẩm cân bằng.
13
12
PID
10
11
PID

7

9
8

4

5

3
6

1

2

Hình 2. Sơ đồ thiết bị sấy đối lưu
1. Quạt; 2. Điện trở gia nhiệt; 3,8. Cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm; 4. Cảm biến đo vận tốc;
5. Buồng sấy; 6. Khay chứa mẫu; 7. Loadcell; 9. Đầu cân; 10. Bộ hiệu chỉnh nhiệt độ;
11. Bộ hiệu chỉnh tốc độ gió; 12. Bộ điều khiển; Máy tính giám sát trạng thái và thu thập dữ liệu
Trong quá trình sấy, dữ liệu khối lượng mẫu sấy được thu thập để tính độ ẩm của vật
liệu theo thời gian. Độ ẩm của vật liệu sấy(M) (tính theo cơ sơ khô) tại một thời điểm t được
xác định theo công thức (3)

 ( M  1)Wt 
M  0
 1
W
0



(3)

Trong đó, M0 là độ ẩm ban đầu của vật liệu (tính ở cơ sở khô (kg nước/ kg vật liệu
khô)), Wt là khối lượng mẫu sấy ở thời điểm t (g), W0 là khối lượng mẫu ban đầu (g)
Tốc độ sấy (tốc độ giảm ẩm) được xác định theo công thức (4)

v

M t t  M t
t

(4)

Trong đó: Mt, Mt+Δt, lần lượt là độ ẩm tại thời điểm t và t+Δt

834


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
- Đánh giá màu sắc: Màu sắc của sản phẩm sau khi sấy là một trong những tiêu chuẩn
đánh giá chất lượng của Thượng đẳng sâm, thông số màu CIE Lap (L*, a*, b*) được sử dụng
để mô tả sự thay đổi màu sắc trong quá trình sấy, các giá trị L*, a*, b* được đo bởi máy đo
màu (X-Rite Inc Grand Rapids MI của Mỹ) và là giá trị trung bình của 3 lần đo lặp lại. Mức
độ thay đổi màu sắc so với giá trị chuẩn được xác định theo công thức (5):


E  ( L  Lref )2  (a  aref
)2  (b  bref
)2

(5)

Trong đó, L*ref, a*ref, b*ref là các giá trị chuẩn, trong nghiên cứu này sử dụng các giá trị
ban đầu (trước khi sấy) làm giá trị chuẩn
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
- Hai quy trình xử lý Thượng đẳng sâm được thể hiện theo lưu đồ sau:

Quy trình 1

Quy trình 2

Nguyên liệu (sâm củ)

Nguyên liệu (sâm củ)

Thái lát khoảng 2 mm

Tiền xử lý siêu âm 10 phút với
cường độ công suất 14,33
W/cm2 hoặc 27,47 W/cm2

Sấy đối ưu ở 400C
cho đến khi khối
lượng không đổi

Sấy đối lưu ở 400C
cho đến khi khối lượng
không đổi

Để ráo nước

Dừng và đo màu sắc

Dừng và đo màu sắc

Thái lát khoảng 2 mm

Hình 3. Các quy trình xử lý khi thực nghiệm
- Tốc độ giảm ẩm: Thực nghiệm cho thấy, tiền xử lý siêu âm ảnh hưởng đến tốc độ
giảm ẩm Thượng đẳng sâm khi sấy đối lưu. Tốc độ giảm ẩm chậm khi không có tiền xử lý,
giảm ẩm nhanh khi có tiền xử lý bằng sóng siêu âm với cường độ công suất sóng siêu âm cao,
thời gian sấy 19g nguyên liệu cho đến khi khối lượng không đổi phụ thuộc vào cường độ công
suất của sóng siêu âm khi tiền xử lý: 680 phút, 760 phút và 980 phút tương ứng khi tiền xử lý
27,47 W/cm2, 14,33 W/cm2 và không tiền xử lý. Độ thị giảm ẩm theo thời gian được thể hiện
ở hình 4. Vì vậy, khi tăng cường độ công suất sóng siêu âm thì thời gian sấy giảm, giảm chi

phí năng lượng riêng.

835


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
16
Sấy đối lưu không có tiền xử lý
14
Sấy đối lưu có tiền xử lý 14,33 W/cm2

Độ ẩm (g nước/g vật liệu khô)

12

Sấy đối lưu có tiền xử lý 27,47 W/cm2

10

8

6

4

2

Thời gian (phút)

1000

960

920

880

840

800

760

720

680

640

600

560

520

480

440

400

360

320

280

240

200

160

120

80

40

0

0

Hình 4. Đồ thị giảm ẩm theo thời gian sấy có tiền xử lý và không tiền xử lý
- Sự thay đổi màu sắc
Sự thay đổi các thông số màu sắc của sản phẩm sau khi sấy được đo và ghi nhận lại ở bảng 1.
Dữ liệu cho thấy sấy đối lưu có tiền xử lý siêu âm mức độ thay đổi màu sắc nhiều hơn (ΔE =
26,32 tại cường độ công suất sóng siêu âm 27,47 W/cm2) so với sấy đối lưu thông thường (ΔE
= 18,26). Mức độ thay đổi màu sắc có chiều hướng tăng dần khi tăng cường độ công suất
sóng siêu âm, có thể là khi sấy lượng nước bị mất đi và khi tiền xử lý sóng siêu âm ảnh hưởng

đến cấu trúc tế vi của vật liệu
Bảng 1: Các thông số màu sắc trước và sau khi sấy đối lưu khi tiền xử lý siêu âm và
không tiền xử lý
Tiền xử lý
Tiền xử lý
Không tiền xử lý
2
2
27,47 W/cm
14,33 W/cm
Thông số
Trước khi
Sau khi
Trước
Sau khi Trước khi
Sau khi
sấy
sấy
khi sấy
sấy
sấy
sấy
L*

56,24

80,28

52,46

75,58

47,24

74,04

a*

-1,33

2,32

-1,44

2,47

-1,7

2,9

*

18,24

28,32

17,17

27,12

12,66

18,15

b

ΔE

26,32

25,57
836

18,26


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
4. KẾT LUẬN
Tiền xử lý sử dụng sóng siêu âm trước khi sấy đối lưu Thượng đẳng sâm sẽ làm cho
thời gian sấy giảm (tiền xử lý siêu âm ở mức 27,47 W/cm2 thời gian sấy giảm khoảng 30%
so với sấy đối lưu ở cùng điều kiện)dẫn đến giảm chi phí năng lượng riêng so với không
tiền xử lý. Khi tăng cường độ công suất sóng siêu âm thì tốc độ giảm ẩm của vật liệu cũng
tăng. Tiền xử lý siêu âm cũng ảnh hưởng đến màu sắc của vật liệu sau khi sấy, mức độ thay
đổi màu sắc so với mẫu tươi ban đầu càng lớn khi cường độ công suất sóng siêu âm càng
cao. Đây cũng là một giải pháp đầy hứa hẹn cho việc nghiên cứu tách ẩm cho loại cao sản
trong nông nghiệp này.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] He, JY., Ma, N., Katsuko, K., Li, ZY., & Fu, WM., The genus Codonopsis
(Campanulaceae): a review of phytochemistry, bioactivity and quality control. J Nat Med,
2015, 69, p.1–21

[2] Xiao, HW., Law, CL., Sum, DW., & Gao, ZJ., Color change Kinetics of American
Ginseng (Panax quinquefolium) Slices During Air Impingement Drying. Drying
Technology, 2014, 32, p.418-427
[3] Xu, GJ., &Xu, LS., Species systematization and quality evaluation of Chinese traditional
drugs. Fujian Science and Technology Press, Fuzhou, 1994,Vol. 1, p. 5–9
[4] />[5] Fernandes, F.E., Linhares Jr., & Rodrigues, S., Ultrasound as pre-treatment for drying of
pineapple. Ultrasonics Sonochemistry, 2008, 15, p. 1049–1054
[6] Kadam, S.U., Tiwari, B.K., &O'Donnell C.P., Effect of ultrasound pre-treament on the
drying kinetics of brown seaweed Ascophyllum nodosum. Ultrasonics Sonochemistry,
2015, 23, p.302 -307
[7] Mothibe, K.J., Zhang, M., Nsor-atindana, J., & Wang, Y.C., Use of ultrasound
pretreatment in drying of fruits: drying rates, quality attributes, and shelf life extension,
Drying Technology, 2011, 29, p.1611-1621

837