TỐI ưu hóa CHO GIAI đoạn cấp ĐÔNG tôm ĐÔNG LẠNH

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

BÀI TẬP PHÒNG VỆ THỰC PHẨM
TỐI ƯU HOÁ CHO GIAI ĐOẠN CẤP ĐÔNG
TRONG SẢN XUẤT TÔM LẠNH ĐÔNG

Tp. Hồ Chí Minh ngày 1 tháng 12 năm 2015

1. Công đoạn cấp đông trong sản xuất tôm đông lạnh
1.1. Mục đích:
1


Hạ thấp nhiệt độ thân tôm xuống dưới điểm đóng băng để làm chậm sự hư hỏng của
thực phẩm đồng thời kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm.
1. 2. Yêu cầu:
-

Công nhân trang bị đầy đủ bảo hộ lao động.
Đảm bảo vệ sinh và an toàn cá nhân.
Đảm bảo đúng nhiệt độ tủ cấp đông cho sản phẩm.

1.3. Cách thực hiện:
Thao tác:
-

Trước khi xếp vào tủ đông, tôm được thay nước mới.
Khuôn tôm được đậy nắp truyền nhiệt bằng nhôm.

Khởi động tủ đông đến khi nhiệt độ của tủ đạt yêu cầu.
Xếp các khuôn tôm lên các tấm panel của tủ cấp đông.
Hạ các tấm cấp đông, ép chặt khuôn tôm và tiến hành cấp đông.
Tủ cấp đông IQF

1.4.

Thông số kĩ thuật

Thực hiện khảo sát và chọn 4 biến:
Tên biến
Đơn vị tính
Nhiệt độ sản phẩm
Độ C
()
Nhiệt độ tủ đông
Độ C
2

Giá trị thấp nhất

Giá trị cao nhất

-22

-14

-50

-30

Nhiệt độ xung
quanh cabin)
Thời gian đông )

Độ C

0

4

Giờ

4

6

Xác định hiệu quả quá trình cấp đông bằng phương pháp tối ưu hóa
1. Phương pháp tối ưu hoá các yếu tố trong giai đoạn cấp đông tôm trong sản
xuất tôm đông lạnh (Xác định các yếu tố tối ưu hoá)
Quy hoạch thực nghiệm: Phương pháp bề mặt đáp ứng (Response Surface Method RSM) với phương án quay bậc 2 có tâm (cánh tay đòn α = 1,682) được áp dụng để tối ưu
hóa các điều kiện của quá trình cấp đông tôm. Các thông số cần tối ưu gồm có: nhiệt độ
sản phẩm, thời gian cấp đông, nhiệt độ tủ đông và nhiệt độ xung quanh cabin.
2. Tiến hành tối ưu hoá cho quá trình đông lạnh
a. Bảng mức các yếu tố
Khi tối ưu hoá các yếu tố của quá trình cấp đông đến hiệu quả cấp đông, trước đó đã
tiến hành khảo sát sơ bộ ảnh hưởng riêng lẻ của từng yếu tố: nhiệt độ sản phẩm, thời gian
cấp đông, nhiệt độ tủ đông và nhiệt độ xung quanh cabin. Kết quả khảo sát sơ bộ được sử
dụng làm nền tảng cho việc xác định ảnh hưởng tổng hợp của các yếu tố của quá trình

đông lạnh.
Khi xây dựng bài toán tối ưu, các yếu tố cấp đông: nhiệt độ tâm sản phẩm (X 1, oC),
nhiệt độ tủ cấp đông (X2,oC) , nhiệt độ xung quanh cabin (X3,OC), thời gian cấp đông (X4,
giờ), và được khảo sát đồng thời nhằm 2 mục đích: (1) Xây dựng phương trình hồi qui
thực nghiệm mô tả mối quan hệ giữa các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả quá trình cấp
đông, (2) Tìm ra điều kiện của quá trình đông lạnh để hiệu quả quá trình đông lạnh đạt
cao nhất.
Xây dựng các bảng mức của các yếu tố (bảng giá trị đã làm bằng phần mềm MODDE
5.0
3


Công thức tính giá trị X (Mức yếu tố):

α=
Các mức yếu tố trong thí nghiệm tối ưu hoá như sau (bảng 1):
Bảng 1.Các mức của yếu tố trong thí nghiệm tối ưu hóa
Trong đó: , ta có bảng sô liệu sau
Yếu tố thí
Mức yếu tố
-1
0
+1
+
nghiệm
Nhiệt độ sản
-24.73
-22
-18
-14

-11.27
phẩm ()
Nhiệt độ tủ đông
-56.82
-50
-40
-30
-23.18
Nhiệt độ cabin)
-1.36
0
2
4
5.36
Thời gian đông )
3.32
4
5
6
6.68
Các mức của biến mã hóa: mức trên, +1; mức cơ sở, 0; mức dưới,-1; α = 1,682
a. Ma trận thực nghiệm
Bảng số liệu về biến mã hóa (bên trái), giá trị y thực nghiệm (Observed), y dự
đoán (Predicted) (bảng bên phải) đã xử lý bằng phần mềm MODDE 5.0
4


b.

5

b. Phương trình hồi quy
Số thí nghiệm được tính theo công thức:
N = 2k + 2.k +no
Trong đó:
●
●

k: số yếu tố thí nghiệm (k = 4)
no: số thí nghiệm tại tâm (no = 8)

Vậy số lượng thí nghiệm thực hiện là:
N = 2k + 2.k +no = 24 + 2.4 + 8 = 32 (thí nghiệm)
Mỗi thí nghiệm lặp 1 lần nên ta có: 32 x2 =64 (thí nghiệm)
Phương trình hồi quy thực nghiệm là một đa thức bậc 2 có dạng:
Phương trình hồi quy tuyến tính có dạng :
y = b0 + b1x1 + b2x2 + b3x3 + b4x4 + b11x12 + b22x22 + b33x32 + b44x42 b12x1x2 + b13x1x3 +
b14x1x4 + b23x2x3 + b24x2x4 + b34x3x4

Trong đó:
● Y là hàm mục tiêu (hiệu quả cấp đông).
● Xi và Xj là các mức của biến độc lập (yếu tố thí nghiệm) đại diện cho ảnh hưởng
của X1, X2, X3 lên hàm mục tiêu Y.
● β0 là hằng số; βi,βii, βij là các hệ số của phương trình hồi quy.
Bảng số liệu ANOVA
Các hệ số, xây dựng phương trình hồi quy tuyến tính
6

Để xây dựng mô tả toán học dưới dạng phương trình hồi quy, cần phải tiến hành xác
định các hệ số của phương trình. Các hệ số của phương trình hồi quy có giá trị như sau:
b0 = 91,889

b1 = 0,49446

b2 = 0,144444

b3= 0,175

b4 = 0,247223

b11 = - 0,674248

b22 = - 2,02428

b33 = - 1,84925

b44 = -1,99926

b13 = 0,0968745

b24 = 0,0843756

b14 = 0,0843746

7


b34 = 0,0781259

Kết quả cho thấy 2 hệ số b12 và b23 không có ý nghĩa thống kê (P > 0,05). Như vậy,
hệ số b12 và b23 bị loại khỏi phương trình hồi quy. Phương trình hồi quy thực nghiệm có
dạng sau:
Ta có phương trình hồi quy tuyến tính
y = 91.889 + 0.494446x1 + 0.144444x2 + 0.175x3 + 0.247223x4 – 0.674248x12 –
2.02428x22 – 1.84925x32 – 1.99926x42 + 0.0968745x1x3 + 0.0843746x1x4 +
0.0843756x2x4 + 0.0781259x3x4

Chạy tối ưu hóa

8


a. Kiểm tra tính tương thích
Kết quả kiểm tra tính tương thích của phương trình hồi quy với thực nghiệm cho
thấy các yếu tố thí nghiệm có ảnh hưởng mạnh lên hiệu quả quá trình cấp đông (P <
0,05).
Tính tương thích của phương trình hồi quy (lack of fit) được kiểm tra với sự hỗ trợ
của phần mềm Modde 5.0. Kết quả kiểm định “lack of fit” là không có ý nghĩa thống kê
(Lack of fit có P= 0,443 như vậy P > 0,05) nên phương trình hồi qui có sự tương thích
cao với thực nghiệm.

9


c. Vẽ biểu đồ, biện luận

10

Sự ảnh hưởng của các yếu tố thí nghiệm lên hiệu quả đông lạnh được thể hiện trên
biểu đồ đường đồng mức như trong hình sau:

Hình 1: Thời gian và nhiệt độ xung quanh cabin

11


Hình 2: Mối tương quan giữa hiệu suất, nhiệt độ tủ đông và nhiệt độ tâm sản phẩm

Hình 3: Mối tương quan giữa hiệu suất, nhiệt độ tủ đông, nhiệt độ tâm sản phẩm và nhiệt
độ xung quanh cabin.

12


Nhìn chung, hiệu quả quá trình đông lạnh tăng dần cùng với sự gia tăng của các yếu
tố thí nghiệm đến một giá trị tới hạn, tuy nhiên khi các mức yếu tố tăng quá mức tới hạn
này thì hiệu quả quá trình giảm xuống.
Trong hình 1, thể hiện sự ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ xung quanh cabin và thời
gian đông lạnh lên hiệu quả quá trình , hiệu quả này tăng đến 91,98% khi các yếu tố nhiệt
độ và thời gian đều tăng, tuy nhiên khi nhiệt độ vượt quá 2 oC và thời gian đến 5h thì hiệu
suất giảm xuống, có nghĩa là khi gia nhiệt quá nhiệt độ và thời gian này thì chất lượng
tôm sau đông lạnh bắt đầu giảm xuống (điều này thể hiện rõ ở biểu đồ dạng mặt phẳng)
Trong hình 2, thể hiện sự ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ tủ đông và nhiệt độ của tâm
sản phẩm , hiệu quả này cũng tăng lên đến 91,98% tương ứng khi nhiệt độ hấp tăng đến
13

-40oC và nhiệt độ tân sản phẩm -18 oC. Cũng theo quy luật trên, vượt quá các giá trị này
thì hiệu quả quá trình hấp làm nguội giảm xuống.
Khi khảo sát từng yếu tố riêng lẻ, yếu tố nhiệt độ đông lạnh, thời gian đông lạnh và
nhiệt độ tâm sản phẩm cũng ảnh hưởng tác động riêng lẻ đến hiệu quả của quá trình:
-

Nhiệt độ đông lạnh càng thấp → hiệu quả quá trình càng cao.
Thời gian đông lạnh càng dài → hiệu quả quá trình càng cao.
Nhiêt độ tâm sản phẩm càng cao → hiệu quả càng cao.
Kết quả tối ưu hoá cho thấy, khi tổ hợp cả 3 yếu tố thí nghiệm thì hiệu quả quá trình

đông lạnh cao nhất là 91,98% với điều kiện như sau: nhiệt độ tủ đông là -40 oC, thời gian
đông lạnh là 5h và nhiệt độ tâm sản phẩm là -16,5oC.
KẾT LUẬN
Hiệu quả quá trình đông lạnh đạt giá trị cao nhất là 91,98%, tương ứng với điều
kiện tối ưu hoá của quá trình đông lạnh như sau:
●
●
●
●

Nhiệt độ tủ đông là -40 oC
Thời gian đông lạnh là 5h.
Nhiệt độ nhiệt độ tâm sản phẩm là -16,5oC.
Nhiệt độ xung quanh cabin là 2oC.
Nhiệt độ tủ đông: Nhiệt độ để đông lạnh qui định tại mức -50 đến -30 oC. Qua thực

nghiệm chọn được giá trị nhiệt độ tối ưu là -40oC.
Thời gian đông lạnh: Thời gian càng dài, tôm bị tổn hao chất dinh dưỡng càng
nhiều và càng tốn năng lượng, thời gian ngắn thì không đủ để kết đông toàn bộ nước

trong tôm và ức chế toàn bộ vi sinh vật cũng như mục đích công nghệ của sản phẩm chưa
cao, qua thực nghiệm chọn được giá trị thời gian đông lạnh tối ưu là 5 giờ.
Nhiệt độ tâm sản phẩm: Nhiệt độ tâm sản phẩm tối thích ở đây khoảng -16,50C.
Nhiệt độ xung quanh cabin: tối thích là 2oC

14


Tóm lại, giai đoạn cấp đông là một trong những giai đoạn quan trọng trong sản xuất
tôm lạnh đông vì sẽ tạo khả năng bảo quản lâu dài, hiệu quả cấp đông đạt tối ưu thì sẽ
tiêu diệt vi sinh vật, hạn chế đến mức tối đa những biến đổi về chất lượng, dinh dưỡng và
cảm quan của tôm sau quá trình chế biến.

15