Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sấy bơm nhiệt tuần hoàn kín để nâng cao chất lượng một số rau quả Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
*****************

PHẠM ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SẤY BƠM NHIỆT TUẦN
HỒN KÍN ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG MỘT SỐ
RAU QUẢ VIỆT NAM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
**********************

PHẠM ANH TUẤN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SẤY BƠM NHIỆT TUẦN
HỒN KÍN ĐỂ NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG MỘT SỐ
RAU QUẢ VIỆT NAM

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ BẢO QUẢN VÀ SƠ CHẾ NÔNG LÂM
SẢN SAU THU HOẠCH
MÃ SỐ: 62.54.10.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS. LÊ NGUYÊN ĐƯƠNG
2. TS. CHU VĂN THIỆN

HÀ NỘI - 2011


- 1-

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Đặc tính và chất lƣợng của sản phẩm rau quả sấy
1.1.1. Đặc tính của sản phẩm rau quả sấy
 Hình dáng, kích thước: là ngoại hình của sản phẩm rau quả sấy, tùy vào mục
đích sử dụng rau quả sấy có thể đƣợc chế biến theo dạng lát mỏng, bột hay
dạng miếng và đƣợc kiểm tra trong quá trình sản xuất từ các khâu phân loại,
thái, nạo, nghiền, ép ...
 Màu sắc và mùi vị: là một đặc tính quan trọng của sản phẩm rau quả sấy,
phƣơng pháp đánh giá cảm quản thì màu sắc và mùi vị cịn đƣợc đánh giá bằng
phƣơng pháp phân tích. Đối với màu sắc sử dụng dụng cụ quang học để đo nồng
độ dịch chiết ra từ sản phẩm và với mùi vị có thể sử dụng phƣơng pháp trích ly
hoặc chƣng cất để tách các thành phần chất dễ bay hơi có tính đặc thù tạo nên
mùi vị đặc trƣng của rau quả cụ thể.
 Thành phần các chất dinh dưỡng: rau quả có chứa những thành phần quan
trọngcủa các nhóm thực phẩm, bao gồm các thành phần nhƣ hydrat cacbon,
protein, chất béo, vitamin và các khoáng chất. Chất lƣợng dinh dƣỡng đƣợc
đánh giá bằng độ sinh năng lƣợng, độ tiêu hố và hấp thụ thức ăn, ngồi ra cịn
là chất tạo mùi vị để kích thích ngon miệng và trong nhiều thành phần trong rau
quả cịn có khả năng về chữa bệnh [18].
 Sự ngấm nước: mức độ và thời gian ngấm nƣớc hay hấp thụ nƣớc hoặc bù nƣớc

là một trong những yêu cầu cơ bản đối với sản phẩm rau quả sấy, là đại lƣợng
đánh giá khả năng hồi nguyên của sản phẩm sau khi sấy so với trạng thái ban
đầu.
Công thức xác định độ ngấm nƣớc nhƣ sau:
Hệ số ngấm nƣớc 
Trong đó:

Gn
G0

(1.1)


- 2-

Gn - Khối lƣợng sản phẩm ngấm nƣớc trở lại
G0 - Khối lƣợng sản phẩm sấy
Hệ số ngấm nƣớc càng lớn với thời gian ngấm nƣớc ngắn cho thấy khả năng hồi
nguyên của sản phẩm càng tốt là sự mong muốn đạt đƣợc trong quá trình sấy các
sản phẩm rau quả thực phẩm.
 Độ ẩm sản phẩm: là đặc tính kỹ thuật quan trọng đối với khả năng bảo quản
sảnphẩm sau q trình sấy, mặt khác cịn là yếu tố ảnh hƣởng đến chất lƣợng
cảm quan và hiệu suất thành phẩm. Quan hệ giữa độ ẩm cuối w2 với độ ẩm ban
đầu w1, trọng lƣợng ban đầu G1 và trọng lƣợng cuối của sản phẩm G2 đƣợc biểu
diễn theo công thức [19]:
G1 100  w2

G2 100  w1

(1.2)

Hoạt độ nƣớc (aW) là cơ sở để xác định độ ẩm bảo quản cho mỗi loại rau quả
sấy, là tỷ số giữa áp suất hơi nƣớc trên bề mặt của vật liệu (p) và áp suất hơi
nƣớc của nƣớc nguyên chất (p0) trong cùng 1 điều kiện xác định hay chính là độ
ẩm tƣơng đối ở trạng thái cân bằng trong thiết bị chứa kín với vật liệu ẩm đƣợc
đƣa vào [33]:
aW 

p
p0



ERH
100

(1.3)

Trong đó: ERH% là độ ẩm cân bằng, aw đƣợc biển diễn từ 0 đến 1 là thông số
thể hiện hàm lƣợng nƣớc tự do có trong sản phẩm mà vi sinh vật có thể sử dụng
để phát triển và làm hƣ hỏng các sản phẩm thực phẩm cũng nhƣ xúc tác cho các
phản ứng hóa học xảy ra nhƣ q trình oxy hóa chất béo, protein...gây mùi ơi
thiu, khó chịu cho sản phẩm.
 Dư lượng hố chất: là mức yêu cầu tối thiểu còn tồn dƣ trong trong sản phẩm
mà không làm ảnh hƣởng đến chất lƣợng và gây độc hại đối với cơ thể con
ngƣời. Các qui định khác nhau về nồng độ SO 2 còn lại trong sản phẩm, một số
nƣớc còn qui định giới hạn trên và giới hạn dƣới của chất này. Một số nƣớc khác
đề nghị loại trừ việc sử dụng SO 2 để chế biến một số loại sản phẩm, mặc dù việc

- 3-

tranh luận về đặc tính hoạt động của lƣu huỳnh vẫn còn tiếp tục, nhƣng hiện nay
ngƣời ta vẫn có khuynh hƣớng sử dụng SO 2 song hạn chế nồng độ SO2. Giới hạn
cho phép là 2000 - 2500 mg SO2/kg cho các loại rau quả [92].
 Nhiễm vi sinh vật: những yếu tố tạo môi trƣờng cho sự phát triển của vi sinh vật
là thực phẩm, độ ẩm, pH, nhiệt độ, oxy và thời gian. Rau quả là một loại thực
phẩm và là môi trƣờng cho sự hoạt động của vi sinh vật nên cần hạn chế các yếu
tố ảnh hƣởng cũng nhƣ gia tăng khả năng nhiễm khuẩn từ công đoạn trƣớc và
trong thu hoạch mà khi xử lý sơ chế chƣa đảm bảo và có thể khi rửa bằng nguồn
nƣớc đã bị nhiễm khuẩn, cũng có thể gây ra từ ngƣời mang vi khuẩn...[7], [8],
[9], [15].
1.1.2. Chất lượng và tiêu chuẩn đánh giá chất lượng rau quả sấy
Rau quả sấy là một loại thực phẩm về chất lƣợng gồm các nhóm tiêu chuẩn chất
lƣợng: dinh dƣỡng, cảm quan và vệ sinh ATTP. Mặt khác rau quả sấy là một loại
hàng hố nên ngồi chất lƣợng thực phẩm còn phải thoả mãn về chất lƣợng dịch vụ
và chất lƣợng cơng nghệ (hình 1.1).
Nhu cầu thoả mãn lợi ích
Chất lượng dinh
dưỡng
- Hàm lượng:
Vitamin, protein,
chất béo, khoáng
chất...
- Độ sinh năng
lượng
- Độ tiêu hoá và hấp
thụ thức ăn

Chất lượng

cảm quan
- Màu sắc
- Mùi vị
- Độ ngấm
nước
- Độ ẩm

Chất lượng vệ
sinh ATTP
- Tạp chất
- Vi sinh vật có
hại
- Dư lượng hố
chất

Chất lượng
dịch vụ
- Qui cách
mẫu mã
- Kiểu dáng

Hình 1.1. Phân nhóm chất lƣợng rau quả sấy theo thuộc tính sử dụng
Trong đó chất lƣợng dinh dƣỡng là tiêu chuẩn quan trọng đƣợc tính đến hàm
lƣợng các chất dinh dƣỡng chứa trong rau quả. Mức dinh dƣỡng có thể đánh giá


- 4-

trên hai phƣơng diện, về số lƣợng là năng lƣợng tiềm tàng dƣới dạng hợp chất hố
học có thể cung cấp cho q trình tiêu hố và chuyển hố năng lƣợng và đo đƣợc

bằng calorimet kế, về chất lƣợng là cân bằng các thành phần dinh dƣỡng theo từng
đối tƣợng tiêu thụ với sự có mặt của các chất vi lƣợng cần thiết [28].
Chất lƣợng sản phẩm rau quả sấy luôn bị tác động của nhiều yếu tố ảnh hƣởng
trƣớc, trong và sau q trình sấy, trong đó các yếu tố có ảnh hƣởng lớn nhất ln
diễn ra trong quá trình sấy.
Mục tiêu nâng cao chất lượng rau quả sấy cần nghiên cứu hạn chế mức độ
biến đổi chất lượng sản phẩm đến mức thấp nhất là nhiệm vụ đặt ra của đề tài.
1.2. Tổng quan tình hình nghiên cứu về các yếu tố biến đổi ảnh hƣởng đến
chất lƣợng của rau quả sấy
Sau đây là tổng hợp những kết quả nghiên cứu với đối tƣợng rau quả nói chung
về sự biến đổi chất lƣợng sản phẩm do tác động của nhiều yếu tố nhƣ: biến đổi vật
lý, biến đổi hoá lý, biến đổi hoá học, biến đổi sinh hoá, biến đổi do sự hoạt động của
vi sinh vật và biến đổi về thành phần dinh dƣỡng.
1.2.1. Biến đổi vật lý
 Hình thành ứng suất co giản: trong quá trình sấy cấu trúc của rau quả có hiện
tƣợng co ngót về thể tích, độ co ngót ban đầu từ bề mặt và chuyển dần vào tâm
vật liệu sấy. Sự tạo thành các vết nứt, gãy, các tế bào bị nén ép, vặn vẹo làm cho
vật liệu có bề mặt bị co ngót, nhăn nheo. Sự hình thành vết nứt là một quá trình
phức tạp bị ảnh hƣởng bởi các yếu tố độ ẩm và nhiệt độ [30], [69].
 Biến cứng bề mặt: trong q trình sấy chất hồ tan di chuyển theo nƣớc từ bên
trong ra bề mặt ngoài của sản phẩm, sự bay hơi nƣớc làm cô đặc các chất tan ở
bề mặt kết hợp với nhiệt độ cao đã gây ra các phản ứng lý hoá phức tạp của các
chất tan và hình thành nên lớp vỏ cứng, hay gọi là hiện tƣợng "cứng vỏ" (cas
hardening), làm giảm tốc độ sấy và tạo nên sự phân bố ẩm không đồng đều [92].
 Sự thay đổi về độ hòa tan: nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến độ hòa tan, bao gồm các
điều kiện xử lý, điều kiện lƣu trữ, thành phần cấu tạo, độ pH, kích thƣớc vật


- 5-

liệu... khi nhiệt độ sấy tăng dẫn đến sự biến đổi của protein làm giảm độ hòa tan,
hay protein bị biến chất nhiều thì độ hịa tan càng giảm, [79].
Một số kết quả nghiên cứu về sự biến đổi cấu trúc của rau quả sấy cho thấy:
Trong quá trình sấy tế bào bị mất áp suất thẩm thấu, tính thấm của màng tế bào bị
thay đổi, các chất tan di chuyển, polysacarit và protein tế bào bị đông tụ, từ đó dẫn
đến sự thay đổi cấu trúc, làm thất thốt các chất dễ bay hơi là những q trình
khơng thuận nghịch. Nhiệt trong quá trình sấy làm giảm khả năng hydrat hố của
tinh bột và tính đàn hồi của thành tế bào, làm biến tính protein. Sự biến đổi cấu trúc
do quá trình gia nhiệt ở nhiệt độ lớn hơn 60 0C xảy ra sự đông tụ của protein và sự
biến tính của tinh bột xảy ra ở nhiệt độ cao hơn 80 0C là nguyên nhân dẫn đến khả
năng hồi ngun khi ngấm nƣớc trở lại khơng có tính thuận nghịch [43].
Q trình hấp thụ nƣớc, nhìn chung tốc độ tăng nhanh ở giai đoạn đầu sau đó
giảm dần. Sự hấp thụ độ ẩm nhanh do qúa trình hấp thụ bề mặt và hấp thụ mao dẫn
là yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình bù nƣớc. Những yếu tố này phụ thuộc độ xốp,
ống mao dẫn và các lỗ gần bề mặt, các bọt khí, trạng thái kết tinh vơ định hình, chất
rắn hịa tan, độ khơ, anion, độ pH và nhiệt độ của nƣớc dùng để ngâm nguyên liệu
[67], [91]. Độ xốp, ống mao dẫn và các khe nứt gần bề mặt làm tăng cƣờng quá
trình bù nƣớc, trong khi đó sự xuất hiện của các bọt khí đƣợc tách là vật cản chính
đối với sự xâm nhập của nƣớc. Để hạn chế sự biến cứng bề mặt vật liệu sấy cần
kiểm soát điều kiện sấy cần tránh chênh lệch ẩm quá cao giữa bên trong và bề mặt
sản phẩm [30].


Sự thay đổi về hoạt độ nước: mỗi loại vi sinh vật có một giá trị aw thấp nhất mà
nếu dƣới đó thì chúng khơng phát triển lâu dài đƣợc [20], [39], [70]. Chỉ số họat
độ nƣớc (bảng 1.1) có thể dự đốn đƣợc các loại vi sinh vật có khả năng phát
triển hoặc khơng phát triển ở giá trị aw nhất định. Nhƣ vậy độ ẩm, nhiệt độ và
thời gian là những yếu tố mà con ngƣời có thể chủ động điều khiển để kiểm sốt
sự phát triển của vi khuẩn với mỗi đối tƣợng sản phẩm cụ thể mà trong đó hoạt
độ nƣớc là yếu tố gốc, [33].

- 6-

Bảng 1.1. Quan hệ giữa hoạt độ nƣớc và sự phát triển của vi sinh vật
1.0 - 0.95

Hầu hết vi khuẩn, một vài nấm men, các sinh vật gây bệnh và
thối hỏng

0.95 - 0.91

Hầu hết cocci, lactobacilli, một ít nấm mốc, Salmonella, vi khuẩn
lactic là những quần thể chính gây thối hỏng

0.91 - 0.87

Hầu hết nấm men, mycotoxin (1 sản phẩm của nấm mốc), sự thối
hỏng thƣờng do bởi nấm men và nấm mốc

0.87 - 0.80

Sự phát triển Staphylococcus aureusmay

0.80 - 0.75

Hầu hết nấm mốc, các mầm bệnh từ vi khuẩn không phát triển

0.75 - 0.65

Hầu hết vi khuẩn ƣu mặn

0.65 - 0.60

Nấm mốc Xerophilic

< 0.60

Không phát triển

1.2.2. Biến đổi hố lý
Xảy ra q trình chuyển dời ẩm từ bên trong vật liệu ẩm tới bề mặt ngoài của nó,
từ bề mặt ẩm bay hơi khuếch tán vào luồng khơng khí (tác nhân sấy) bao quanh vật
liệu sấy. Q trình chuyển ẩm từ bên trong sản phẩm sấy thực hiện đƣợc nhờ lực
khuếch tán thẩm thấu, lực mao quản, gọi là độ dẫn ẩm. Nhờ có độ dẫn ẩm, ẩm sẽ
chuyển dời theo hƣớng từ trung tâm ra bề mặt vật liệu. Khái niệm nƣớc liên kết và
nƣớc tự do đƣợc phát triển từ nguyên tắc sấy và khái niệm này quan trọng đối với
các sản phẩm sấy vì tính ổn định của nó trong q trình chế biến và bảo quản. Một
sản phẩm không chứa nƣớc gọi theo thuật ngữ là thực phẩm khơ hồn tồn. Nƣớc
có trong thực phẩm tồn tại theo dạng và trạng thái khác nhau, với các tính chất khác
hẳn với tính chất của nƣớc tinh khiết, nƣớc dạng này có thể xác định là nƣớc liên
kết. Tuy nhiên, tỷ lệ nƣớc liên kết phụ thuộc vào định nghĩa và kỹ thuật đo đƣợc sử
dụng . Năng lƣợng liên kết của các trạng thái nƣớc liên kết khác nhau ảnh hƣởng tới
quá trình sấy khơ do cần có thêm năng lƣợng để tách nƣớc liên kết ra khỏi nƣớc tự
do, [85].


- 7-

1.2.3. Biến đổi hoá học

 Phản ứng tạo màu: trong quá trình sấy chủ yếu xẩy ra phản ứng tạo màu khơng
do enzim nhƣ phản ứng caramen hố và phản ứng melanoid. Các yếu tố ảnh
hƣởng đến phản ứng tạo màu không do enzim nhƣ độ ẩm, nhiệt độ, độ pH. Tốc
độ phản ứng tạo màu nhanh trong phạm vi độ ẩm trung bình và giảm khi độ ẩm
rất thấp hoặc rất cao. Tạo màu có khuynh hƣớng xảy ra vào giữa giai đoạn sấy,
khi đó các phân tử hịa tan di chuyển về phía trung tâm. Tạo màu cũng xẩy ra ở
cuối giai đoạn sấy khi độ ẩm của vật liệu giảm và ít bốc hơi, khi đó nhiệt độ của
vật liệu có xu hƣớng tăng.
Các kết quả nghiên cứu cho thấy:
- Phản ứng tạo màu không do enzim xảy ra ở nhiệt độ 80 - 90°C với thời gian và
nhiệt độ cùng tăng. Qúa trình mất đi cả axit amino và đƣờng là do phản ứng tạo
màu. Lysine, hystidine,threonine, methionine và cysteine là một số loại axit amino
có liên quan đến phản ứng tạo màu [44].
- Potter đã nhận định rằng tạo màu melanoid tiếp tục hầu nhƣ rất nhanh trong quá
trình sấy khi hàm lƣợng độ ẩm giảm từ 15% - 20%, nếu độ ẩm giảm xuống thấp
hơn nữa thì phản ứng sẽ diễn ra chậm hơn [87].
- Nhiệt và sự oxy hố trong q trình sấy gây ra những thay đổi hoá học đối với
carotenoit và clorophyl. Hoạt độ nƣớc là một trong những nhân tố quan trọng làm
giảm chất diệp lục gây biến đổi màu sắc của vật liệu. Một lý do khác của sự mất
màu này là do sự quang ơxy hóa của các sắc tố mà nguyên nhân là do sự liên kết
giữa ánh sáng với oxi. Quá trình sấy ở nhiệt độ cao xẩy ra sự hồ hoá của tinh bột
cũng dẫn đến màu sắc và vị lạ [94].
Tóm lại phản ứng tạo màu làm thay đổi màu sắc, giảm giá trị dinh dƣỡng, độ hòa
tan, tạo vị lạ và những thay đổi về mặt cấu trúc của vật liệu sấy.
 Phản ứng oxy hóa lipit: Rau quả loại giàu chất béo trong và sau q trình sấy dễ
bị ơi khét, tạo nên vị lạ và mất đi các vitamin hòa tan chất béo, đặc biệt nếu
lƣợng nƣớc bị giảm quá nhiều đó là do phản ứng oxy hố lipit. Các yếu tố tác
động đến phản ứng oxy hóa lipit bao gồm độ ẩm, axit béo, oxy, nhiệt độ, sự có

- 8-

mặt của các kim loại và chất chống oxy hóa tự nhiên, hoạt động của các
enzyme, tia UV, hàm lƣợng protein, axit amino tự do và các phản ứng hóa học
khác. Trong đó độ ẩm và nhiệt độ là yếu tố ảnh hƣởng mạnh đến mức độ oxy
hóa.
Một số kết quả nghiên cứu cho thấy:
Oxy hóa chất béo thƣờng xảy ra trong quá trình tách nƣớc, một trong những
nguyên nhân làm sản phẩm bị biến màu từ protein không béo. Hiệu quả của các sản
phẩm tạo màu không lên men nhằm ngăn chặn q trình oxy hóa lipit là một trong
các cơ chế đƣợc Karel chứng minh là có thể ngăn chặn q trình oxy hóa. Lipit trên
bề mặt và lipit đƣợc nén trong ma trận cacbonhydrat, polisaccarit hoặc protein thì
lipit trên bề mặt sẽ bị oxy hóa nhanh chóng khi cho ra ngồi khơng khí. Tuy nhiên,
các lipit đƣợc nén thì khơng bị oxy hóa cho đến khi kết cấu của ma trận bị nén
đƣợc điều chỉnh và bị sự hấp thụ nƣớc phá hủy [99].
Sự oxy hoá của các chất béo không no tạo ra các hydroperoxit tham gia tiếp vào
các phản ứng polyme hoá, phản ứng tách nƣớc hoặc oxy hoá để tạo thành aldehyt,
keton và các axít gây mùi ơi thiu khó chịu.
Sự tạo thành hay duy trì chất dễ bay hơi đã tạo nên hƣơng vị mới hay loại bỏ
hƣơng vị khỏi nguyên liệu trong quá trình sấy, làm thay đổi thành phần của các chất
dễ bay hơi do làm bay hơi phần lớn các chất dễ bay hơi và tạo nên hỗn hợp mùi
mới bởi các phản ứng hóa học. Khả năng tổn thất chất dễ bay hơi là đáng kể xảy ra
trong giai đoạn đầu của quá trình sấy vào giai đoạn cuối mức độ tổn thất có thể là
khơng xảy ra hoặc rất ít do sự khuếch tán có chọn lọc [107].
1.2.4. Biến đổi sinh hố
Giai đoạn đầu của q trình sấy nhiệt độ của vật liệu tăng dần với tốc độ chậm,
tạo ra sự hoạt động mạnh mẽ của các hệ enzim nhất là các enzim oxy hoá khử gây
biến đổi xấu đến chất lƣợng của vật liệu sấy. Trong giai đoạn sấy chính sự hoạt
động của enzim giảm theo xu hƣớng độ ẩm vật liệu giảm. Giai đoạn sau sấy một số
enzim nhất là enzim oxy hố khử khơng bị hồn tồn đình chỉ mà cịn tiếp tục hoạt

động yếu trong thời gian bảo quản và tới một giai đoạn có thể phục hồi khả năng


- 9-

hoạt động. Trong thực tế cho thấy nếu các enzim khơng mất hoạt tính do xử lý sơ bộ
hoặc do tác dụng của nhiệt độ trong quá trình sấy và bảo quản có thể dẫn đến sự tạo
màu do hoạt động của enzim polyphenoloxidaza gây ra sự sẫm màu hoặc thuỷ phân
lipid làm giảm chất lƣợng của sản phẩm. Vì vậy thƣờng diệt peroxydaza hay
polyfenoloxydaza trƣớc khi sấy bằng các phƣơng pháp xử lý nguyên liệu tiền sấy
[1], [92].
1.2.5. Biến đổi do sự hoạt động của vi sinh vật
Bào tử vi sinh vật hầu nhƣ không bị tiêu diệt trong quá trình sấy. Do hiện tƣợng
bị ẩm cục bộ nên vi sinh vật vẫn có thể phát triển trong vật liệu sấy tuy không
nhiều [7], [8].
Thực phẩm sấy an toàn đƣợc xét đến các chỉ tiêu về mức độ tồn tại các vi sinh vật
gây bệnh và các hợp chất hóa học độc hại có ảnh hƣởng đến sức khoẻ của con
ngƣời. Tiêu chuẩn vi sinh thƣờng dựa trên chỉ số tổng số vi sinh hoặc lƣợng mầm
bệnh. Lƣợng vi khuẩn và sự biến đổi của nó trong quá trình sấy hay bảo quản là vơ
cùng quan trọng đối với việc thiết lập một tiêu chuẩn đảm bảo về vệ sinh ATTP
[95].
1.2.6. Biến đổi thành phần dinh dưỡng
Các số liệu về sự tổn thất về chất dinh dƣỡng của các tác giả khác nhau thƣờng
khơng thống nhất, có thể do có sự khác nhau đáng kể trong q trình chuẩn bị sấy,
cơ chế sấy, nhiệt độ và thời gian sấy, nguồn gốc và thời vụ thu hoạch của nguyên
liệu cũng nhƣ điều kiện bảo quản khác nhau.
Sự hao hụt vitaminA và axit ascorbic trong sản phẩm rau quả sấy có thể bị phá
hủy trong mơi trƣờng khơng có oxi, cho dù hầu hết các axit amino gần nhƣ là bền
vững trong quá trình sấy bằng nhiệt. Các chất dinh dƣỡng tan trong chất béo nhƣ
các axit béo không thay thế và các vitaminA, D, E, K phần lớn chứa trong phần

chất rắn của sản phẩm và chúng không bị cô đặc trong khi sấy. Tuy nhiên nƣớc là
dung môi của các kim loại nặng, là những chất xúc tác của q trình oxy hố các
chất dinh dƣỡng khơng no. Khi nƣớc bị mất đi, chất xúc tác trở nên hoạt động hơn


- 10 -

và làm tăng tốc độ oxy hoá. Các vitamin tan trong chất béo bị biến đổi mất đi khi
tiếp xúc với peroxit đƣợc sinh ra do sự oxy hố chất béo [92].
Q trình gia nhiệt là ngun nhân biến đổi chất của protein thậm chí dƣới 60°C
nhƣng vẫn không đủ lớn để gây biến dạng. Mức độ biến dạng đƣợc quan sát ở nhiệt
độ 60°C đƣợc cho là do độ co ngót của chất tạo keo, mức độ biến tính thấp ở trạng
thái vật liệu có độ ẩm trung bình và cao hơn khi độ ẩm của vật ở trạng thái cao và
thấp hơn [76].
Hiện tƣợng đông tụ ở nhiệt độ 70 - 75°C là nguyên nhân của mối liên kết chéo
tăng và sự mất nƣớc của protein, mức độ biến dạng tăng ở nhiệt độ cao cho thấy sự
hòa tan của chất tạo keo. Các sản phẩm bị phân hủy của màng tế bào là những hạt
lớn và thƣờng đƣợc liên kết với lớp màng mỏng, những sản phẩm này có thể vẫn
giữ ngun vẹn thậm chí sau khi sấy nóng ở nhiệt độ 100°C sau 1 giờ . Để giảm độ
đơng tụ trong q trình sấy cần phải tăng tốc sấy nhanh để dung lƣợng độ ẩm giảm
xuống tại điểm mà độ đông tụ bị ngăn chặn. Mặt khác khi tăng tốc độ sấy có thể
hình thành nên một lớp vỏ ngăn cản q trình thốt ẩm. Độ đông tụ cũng phụ thuộc
vào độ nhớt của dung dịch cơ đặc, sức căng bề mặt và kích thƣớc vật liệu [31].
Đánh giá chung


Rau quả nói chung là các vật liệu khơng bền nhiệt, trong q trình sấy nhiệt độ
là yếu tố ảnh hƣởng mạnh nhất trực tiếp và gián tiếp dẫn đến sự biến đổi chất
lƣợng của rau quả sấy:

- Ảnh hưởng trực tiếp: sự biến đổi cấu trúc và bề mặt sản phẩm, sự biến tính của
protein và tinh bột, sự phân huỷ các vitamin, sự bay hơi của các thơm... tuỳ theo
tính chất và thành phần của mỗi loại rau quả có sự biến đổi chất lƣợng là khác nhau,
nói chung nhiệt độ trên 60 0C protein biến tính, trên 800C tinh bột bị hồ hố và ở
nhiệt độ hơn thì đƣờng fructoza bắt đầu bị caramen hoá, các phản ứng tạo ra
melanoidin, polime hoá các hợp chất cao phân tử xảy ra mạnh. Nhƣ vậy để hạn chế
tác động ảnh hƣởng trực tiếp của nhiệt độ đến chất lƣợng của sản phẩm rau quả nói
chung nên sấy ở mức nhiệt độ < 60 0C.


- 11 -

- Ảnh hưởng gián tiếp: theo xu hƣớng nhiệt độ tăng dẫn đến tăng tốc độ của các
phản ứng hoá học mà chủ yếu là phản ứng tạo màu khơng có enzim và phản ứng
oxyhố. Nhiệt độ có tác động đến sự hoạt động hay đình chỉ và bị tiêu diệt của vi
sinh vật trong quá trình sấy, nói chung nhiệt độ quá cao hoặc hoặc quá thấp đã hạn
chế đƣợc ảnh hƣởng từ vi sinh vật, ở dải nhiệt độ trung bình từ 10 - 600C tạo môi
trƣờng hoạt động cho nhiều loại vi sinh vật nấm mốc gây tác động xấu đến chất
lƣợng rau quả trong q trình sấy.
 Các yếu tố khác có ảnh hƣởng đến sự biến đổi chất lƣợng của rau quả sấy nhƣ:
tốc độ sấy hay tốc độ thoát ẩm mạnh hay yếu tuỳ thuộc vào cơ chế sấy có ảnh
hƣởng lớn đến sự thay đổi cấu trúc và bề mặt vật liệu sấy, trong đó các yếu tố
ảnh hƣởng ngồi nhiệt độ là áp suất môi trƣờng sấy, độ ẩm tác nhân sấy, độ ẩm
vật liệu sấy, kích thƣớc hình học của vật liệu.
1.3. Giải pháp công nghệ nâng cao chất lƣợng sản phẩm rau quả sấy
Để hạn chế sự biến đổi chất lƣợng của rau quả trong quá trình sấy, từ các kết quả
nghiên cứu và ứng dụng cho thấy sự cần thiết phải nghiên cứu và hồn thiện qui
trình cơng nghệ sấy thích hợp nhằm tạo ra chất lƣợng sản phẩm tốt nhất. Trong đó
hai cơng đoạn quan trọng quyết định đến chất lƣợng của sản phẩm sau quá trình sấy
là cơng đoạn xử lý ngun liệu tiền chế biến và công đoạn sấy.

1.3.1. Xử lý nguyên liệu tiền chế biến
Trong q trình chế biến rau quả nói chung và rau quả sấy nói riêng, cơng đoạn
xử lý ngun liệu tiền chế biến chủ yếu đƣợc sử dụng bằng các phƣơng pháp chần
và Sunfit hố hoặc có thể kết hợp bằng hai phƣơng pháp tuỳ theo đặc tính của mỗi
loại rau quả.
1.3.1.1. Chần
Là q trình làm nóng sản phẩm bằng nƣớc nóng hoặc hấp nhờ hơi bảo hồ. Mục
đích của quá trình nhằm ngăn ngừa sự hoạt động của các enzim trong rau quả là
nguyên nhân tạo nên vị lạ, mất màu tự nhiên, làm giảm chất lƣợng dƣỡng chất và
làm thay đổi về cấu trúc trong nguyên liệu trƣớc khi chế biến. Mặt khác cịn có tác


- 12 -

dụng di chuyển các bóng khí từ bề mặt rau quả và khoảng không gian bào, làm
giảm lƣợng vi khuẩn ban đầu, làm sạch nguyên liệu thô [37], [73].
Thời gian và nhiệt độ chần là những yếu tố quan trọng để đạt đƣợc chất lƣợng
cao nhất đối với loại sản phẩm sấy. Nhiệt độ bình thƣờng để chần khoảng từ 80°C
đến 100°C. Gần đây, ngƣời ta đang đề xuất tiến hành quá trình chần trong thời gian
dài với nhiệt độ thấp hơn có thể cải thiện chất lƣợng sản phẩm cao hơn, với nhiệt độ
từ 50°C đến 70°C [75].
Thời gian chần có liên quan đến hƣơng vị và thuộc tính nhạy cảm của mỗi đối
tƣợng rau quả sấy. Tuy nhiên q trình chần cũng có một số nhƣợc điểm nhƣ có thể
thay đổi cấu trúc, màu sắc và hƣơng liệu do q trình gia nhiệt nóng, đồng thời q
trình này cịn làm mất đi các chất rắn hịa tan nhƣ các loại vitamin, đặc biệt trong
trƣờng hợp chần bằng nƣớc [39], [98]. Chần cịn có thể làm thay đổi trạng thái hóa
học, vật lý của các dƣỡng chất và vitamin [51].
1.3.1.2. Sunfit hố
Sunfit hố có thể bảo vệ đƣợc cấu trúc, hƣơng vị, hàm lƣợng vitamin và màu sắc,
làm cho sản phẩm có chất lƣợng cao hơn. Xử lý bằng Sunfít hố có tác động

chuyển dịch khơng khí trong mô của nguyên liệu, làm mềm thành tế bào để quá
trình sấy đƣợc thực hiện dễ dàng hơn, mặt khác có thể diệt các enzim là nguyên
nhân tạo màu, diệt nấm mốc.
Hàm lƣợng sunfít và các chất phụ gia cho phép trong thực phẩm sấy ở các quốc
gia đƣợc quy định khơng giống nhau. Nhóm chun gia Viện Cơng Nghệ Thực
Phẩm (IFT) cho biết, theo qui định về lƣợng sunfua trong rau quả với giới hạn cho
phép là 2000 mg/kg rau quả. Rau quả xử lý có thể đƣợc ngâm trong nƣớc có hàm
lƣợng sunfua hoặc bisunffit nồng độ 2000 - 2500mg/ lít hoặc có thể đƣợc tạo ra
khi đốt nóng sunfua cùng với oxy trong khơng khí, sau đó chuyển sang phịng hun
khói [62].
Phản ứng hóa học của quá trình sunfit khi đƣợc bổ sung vào trái cây, rau quả là
rất phức tạp. Lƣợng sunfit liên kết phụ thuộc vào độ pH; nhóm aldehyt carbonil,


- 13 -

axetaldehyt carbonil, axit pyruvic; và mức độ khả dụng của oxy, đƣờng và tinh bột
[40], [42], [83].
Các yếu tố ảnh hƣởng đến q trình sunfit hố với rau quả gồm: nồng độ và
nhiệt độ của dung dịch ngâm, thời gian ngâm, hình dáng bên ngồi và đặc tính của
các mẫu nhƣ đã bóc vỏ, khơng bóc vỏ, cịn nguyên hoặc đƣợc thái lát [104].
Từ những kết quả nghiên cứu về hai giải pháp xử lý nguyên liệu tiền chế biến
cho thấy tác dụng về tính cải thiện chất lƣợng của nó. Tuy vậy với đối tƣợng rau
quả cụ thể cần nghiên cứu và thực nghiệm để xác định đƣợc chế độ cơng nghệ xử
lý thích hợp tƣơng ứng với công nghệ sấy ứng dụng.
1.3.2. Giải pháp xác định cơ chế sấy phù hợp
1.3.2.1. Cơ sở xác định cơ chế sấy
Để xác định cơ chế sấy phù hợp với đối tƣợng rau quả, sau đây ta có thể so sánh
đánh giá giữa hai cơ chế sấy khác nhau cùng sử dụng tác nhân sấy là khơng khí
đƣợc biểu diễn trên đồ thị I - d (hình 1.2):

φSáy

I
(kcal/kgkkk)

B1

tB1

B2

φmt
A

tB2
tmt
tB3

φbh = 100%
B3
C1
C2
C3

d3

d2

d1

d (g/kgkkk)

Hình 1.2. Biểu diễn quan hệ nhiệt độ và độ ẩm tác nhân sấy theo
hai cơ chế sấy khác nhau


- 14 -

Trong q trình sấy nói chung động lực để tách ẩm đƣợc xác định [16]:
- Động lực để dẫn truyền ẩm từ tâm vật liệu ra bề mặt vật liệu sấy L1 tỷ lệ thuận với
độ chênh lệch áp suất hơi nƣớc trong lòng vật pv và trên bề mặt vật liệu pbm:
L1 ~ (pv - pbm)

(1.4)

- Động lực để dẫn truyền ẩm từ bề mặt vật liệu ra môi trƣờng L2 tỷ lệ với độ chênh
lệch áp suất hơi nƣớc trên bề mặt vật liệu pbm và áp suất hơi nƣớc của môi trƣờng
ph:

L2 ~ (pbm - ph)

(1.5)

Nhƣ vậy nếu gọi L là động lực của quá trình sấy thì L tỷ lệ thuận với độ chênh
lệch (pv - ph) hay:

L ~ (pv - ph)

(1.6)

Nhƣ vậy:
 Cơ chế sấy bằng đốt nóng khơng khí: từ trạng thái khơng khí mơi trƣờng A
(φmt, tmt) đƣợc đốt nóng đến trạng thái B1 (φsấy, tB1) đã tạo đƣợc động lực sấy L2 nhờ
giảm độ ẩm tƣơng đối của khơng khí (φ sấy

<

φmt) mặt khác tạo đƣợc động lực L1 nhờ

có nguồn năng lƣợng nhiệt cung cấp cho vật liệu sấy (tB1 > tmt).
 Cơ chế sấy bằng làm lạnh không khí: từ trạng thái khơng khí mơi trƣờng A(φ mt,
tmt) đƣợc làm lạnh xuống trạng thái bảo hoà C 1 và làm lạnh tiếp đến trạng thái điểm
C2 thực hiện quá trình tách ẩm (d = d1 - d2), sau đó khơng khí đƣợc gia nhiệt đến
trạng thái B2 (φsấy , tB2).
Với 2 cơ chế sấy đã nêu thì: cùng tạo ra đƣợc động lực sấy L2 nhƣ nhau do có
cùng trạng thái độ ẩm tƣơng đối φsấy, mặt khác cơ chế sấy đốt nóng khơng khí có
tB1 > tB2 nên động lực sấy L1 lớn hơn so với cơ chế sấy làm lạnh khơng khí, chênh
lệch về động lực L1 giữa hai cơ chế sấy càng lớn khi nhiệt độ tB2 càng giảm. Tuy
vậy với đối tƣợng sản phẩm dễ bị biến đổi chất lƣợng ở nhiệt độ cao nhƣ rau quả thì
cơ chế sấy nhờ làm lạnh khơng khí theo cơng nghệ sấy bơm nhiệt (HPD) là một giải
pháp đã kết hợp đƣợc hai mục tiêu về chất lƣợng và động lực sấy. Nhƣ vậy tuỳ theo
yêu cầu công nghệ và đối tƣợng sản phẩm cụ thể khi sử dụng cơ chế HPD có thể
điều khiển nhiệt độ trên hoặc dƣới nhiệt độ của mơi trƣờng (ví dụ t B2 > tmt > tB3) mà
vẫn tạo ra đƣợc động lực sấy.


- 15 -

1.3.2.2. Tính phù hợp của cơ chế HPD trong điều kiện Việt Nam

Mô phỏng miền trạng thái của khơng khí ẩm theo khí hậu của Việt Nam trên đồ
thị I - d (hình 1.3) trong giới hạn đƣờng nét đứt ABCD, thông qua số liệu thống kê
về biến động của nhiệt độ và độ ẩm trung bình trong năm với nhiệt độ 15 0C < tmt<
400C , độ ẩm 40% < φmt< 92%. Nhƣ vậy tƣơng ứng với miền trạng thái ABCD của
khơng khí ẩm, nếu sử dụng khơng khí làm tác nhân sấy bằng phƣơng pháp gia nhiệt
để tạo đƣợc thế sấy tƣơng ứng miền trạng thái EHIK có độ ẩm tƣơng đối trong
khoảng 10% < φTNS < 30% thì biến thiên của nhiệt độ trong khoảng 40 0C < tTNS<
850C, khi đó trạng thái nhiệt độ tác nhân sấy thấp khi thời tiết lạnh và hanh khơ
(phân bố phía bên trái của miền ABCD), đây là thời điểm xảy ra rất ngắn trong
năm, điều này cho thấy để tạo đƣợc thế sấy tƣơng đối ổn định với sự biến động của
thời tiết thì nhiệt độ tác nhân sấy trong khoảng 60 0C < tTNS < 850C.
H
h

I

E

K

B
C

A
D

Hàm lƣợng hơi ẩm d: g/kg khơng khí khơ
Hình 1.3 Biểu diễn miền trạng thái của tác nhân sấy theo
khí hậu Việt Nam trên đồ thị I-d

- 16 -

Từ các kết quả nghiên cứu cho thấy rau quả nói chung là vật liệu khơng bền
nhiệt, với nhiệt độ trên 60 0C là nguyên nhân của sự biến đổi chất lƣợng sản phẩm.
Nhƣ vậy với kết quả phân tích và mơ phỏng miền trạng thái của tác nhân sấy theo
khí hậu Việt Nam có khoảng biến thiên nhiệt độ 60 0C < tTNS < 850C là không phù
hợp với công nghệ sấy rau quả. Đề tài đã đề xuất công nghệ HPD với cơ chế sấy tạo
đƣợc độ ẩm thấp ở nhiệt độ thấp là một công nghệ phù hợp về mặt kỹ thuật. Tuy
nhiên để xây dựng qui trình cơng nghệ sấy thích ứng với đối tƣợng rau quả cụ thể
cần tiếp tục nghiên cứu và đánh giá về tính cải thiện chất lƣợng sản phẩm và tính
hiệu quả của q trình HPD so với các phƣơng pháp sấy nhiệt đối lƣu thông dụng.
1.4. Tổng quan tình hình nghiên cứu và ứng dụng cơng nghệ HPD
Cơng nghệ HPD là một ứng dụng từ thành tựu nghiên cứu về bơm nhiệt, vào
năm 1852 Thomson (Lord Kenvin) sáng chế ra bơm nhiệt đầu tiên trên thế giới.
Những thành công lớn nhất của bơm nhiệt bắt đầu từ những năm 1940 tập trung với
các ứng dụng để sƣởi ấm, đun nƣớc nóng và điều hồ khơng khí. Từ khi xảy ra cuộc
khủng hoảng về năng lƣợng vào đầu thập kỉ 70, bơm nhiệt bắt đầu có bƣớc tiến
nhảy vọt mới. Ngày nay bơm nhiệt đã đƣợc ứng dụng đa dạng và mở rộng cho
nhiều lĩnh vực khác nhƣ hút ẩm, sấy, chƣng cất...[12].
Trong đó sử dụng bơm nhiệt cho công nghệ sấy là một hƣớng nghiên cứu đã và
đang đƣợc rất nhiều nhà khoa học quan tâm trong những năm gần đây với 2 mục
tiêu mong muốn về: tính cải thiện chất lƣợng sản phẩm và tính hiệu quả sử dụng
năng lƣợng.
1.4.1. Tính cải thiện chất lượng sản phẩm
Gần đây, năm 1997 Conrad O.Perera và M.Shafiur Rahman [46] đã tổng hợp các
kết quả nghiên cứu ứng dụng HPD và đƣa ra đánh giá chung: nhờ cơ chế làm khô
sản phẩm trong mơi trƣờng có nhiệt độ và độ ẩm thấp, mặt khác có thể hoạt động
độc lập trong mơi trƣờng kín nên cơng nghệ HPD đƣợc coi nhƣ một giải pháp cải
thiện về chất lƣợng đối với một số sản phẩm nơng sản thực phẩm nói chung. Hàng

loạt các kết quả nghiên cứu khác trên mơ hình thực nghiệm cũng đều đƣa kết luận
về tính cải thiện chất lƣợng sản phẩm của công nghệ HPD với nhiều đối tƣợng cụ


- 17 -

thể nhƣ: vật liệu sinh học [32]; chuối [45]; hành, khoai tây, khoai lang [56]; sợi ẩm
[81]; cao su xẻ, gỗ và chuối [88] hạt thóc giống [101]; nấm [111].
Tính cải thiện chất lƣợng của cơng nghệ HPD với đối tƣợng rau quả sấy đƣợc
đánh giá thông qua các chỉ tiêu về hàm lƣợng chất thơm, màu sắc, mùi vị và thành
phần chất dinh dƣỡng đã đƣợc nghiên cứu và thực nghiệm cho các đối tƣợng cụ thể.
Năm 1994 Mason.R.L. el [74] đã đƣa ra nhận định chung về các sản phẩm rau
quả sấy khơ có một hàm lƣợng chất thơm dễ bay hơi, các vitamin không bền ở nhiệt
độ cao và dễ bị suy giảm màu sắc. Cụ thể bằng thực nghiệm với nguyên liệu gừng
sấy theo công nghệ HPD đã giữ lại đƣợc hơn 26% vị cay là thành phần hƣơng vị dễ
bay hơi vốn có của gừng, so với việc chỉ giữ lại đƣợc dƣới 20% vị cay đối với các
mẫu thƣơng mại đã đƣợc sấy theo các công nghệ khác .
Nghiên cứu của Saravacos, G. D và các cộng sự, năm 1988 [97], cho thấy tỷ lệ
hao hụt chất dễ bay hơi biến thiên cùng với độ cô đặc, những hao hụt lớn nhất xảy
ra trong các giai đoạn đầu của quá trình sấy, do q trình HPD đƣợc thực hiện trong
mơi trƣờng kín, các hỗn hợp dễ bay hơi ban đầu khuếch tán tạo nên áp suất riêng
phần đƣợc hình thành, làm chậm hơn nữa quá trình bay hơi ở sản phẩm.
Nghiên cứu của Van Blarcom.A and Mason.R.L [106], đã đƣa ra kết luận: nhờ
cơ chế sấy nhiệt độ thấp của HPD đã làm giảm các phản ứng biến màu không do
enzyme. Những hao hụt về màu sắc, hƣơng vị và giá trị dinh dƣỡng ở những sản
phẩm rau quả sấy đƣợc cho là do q trình biến màu khơng do enzyme.
Một kết quả nghiên cứu khác tƣơng tự đã ghi nhận về tốc độ phản ứng đối với
q trình biến màu khơng do enzyme ở các sản phẩm sấy mạnh nhất tại các mức ẩm
thƣờng đạt đƣợc ở cuối quá trình sấy khi đó tốc độ sấy thấp và nhiệt độ của sản
phẩm xấp xỉ với nhiệt độ của tác nhân sấy [80].

Từ các kết quả nghiên cứu [80], [106] cho thấy hoàn toàn phù hợp với tổng quan
về các yếu tố biến đổi chất lƣợng của sản phẩm rau quả sấy, trong đó ứng dụng
cơng nghệ HPD với cơ chế sấy nhiệt độ thấp đã loại trừ đƣợc những phản ứng tạo
màu khơng do enzim nhƣ các phản ứng caramen hố và phản ứng melanoid.


- 18 -

Năm 1989, Okos, M. R và các đồng nghiệp [79] đã phát triển công nghệ HPD
trong môi trƣờng biến đổi (MAHPD), bằng cách khơng khí trong buồng sấy đƣợc
rút hết nhờ bơm chân khơng và nạp khí trơ (thƣờng là nitơ điơxít hay các bon
đioxít) thay thế vào môi trƣờng chân không để đạt đƣợc hàm lƣợng oxi dƣới 0,5%,
nhằm hạn chế biến đổi chất lƣợng do sự oxi hố xảy ra trong q trình sấy.
Các nghiên cứu tiếp sau về MAHPD của O’Neoll, M.B và các đồng nghiệp cho
nguyên liệu táo [78], của Hawlader [59], [60] và của Perera [85], [86] cho một số
rau quả thực phẩm với chất lƣợng của rau quả sấy MAHPD đƣợc đánh giá bằng một
số kỹ thuật nhƣ đo màu sắc bằng quang phổ kế Hunter Lab, độ đặc và xốp của các
mô trái cây đƣợc đánh giá bằng cách quét hiển vi quang học điện tử. Kết quả cho
thấy màu sắc sáng hơn, mật độ thể tích thấp hơn, kết cấu xốp, các thuộc tính tái
hydrat hóa tốt hơn so với sấy khô bằng các phƣơng pháp thông thƣờng khác.
Rahman và các đồng nghiệp [93] đã nghiên cứu các đặc tính hố lý (pH, hình
thể axit béo, tỷ suất tách nứơc, màu sắc) và vi khuẩn (aerobic plate count,
Pseudomonas, Staphylococcus, mốc) của một số rau quả và thực phẩm sấy trong
môi trƣờng phơi nắng, chân không, làm lạnh và MAHPD. Kết quả MAHPD cho
thấy mức cải thiện chất lƣợng đáng kể nhƣ giữ màu sắc, hƣơng vị do hạn chế sự
phát triển của vi sinh vật, nấm mốc, hạn chế quá trình ơxy hố và các phản ứng hố
học khác.
Tình hình nghiên cứu và ứng dụng công nghệ HPD tại Việt Nam trong những
năm gần đây cũng đạt đƣợc nhiều kết quả nổi bật đóng góp vào thành tựu khoa học
chung của thế giới. Đi đầu trong lĩnh vực này là Viện Khoa học Nhiệt Lạnh Trƣờng Đại học Bách khoa - Hà Nội, do GS.TS. Phạm Văn Tuỳ và các cộng sự

thực hiện với một số cơng trình đã cơng bố [11],[21], [22], [23].
Trong đó, cơng trình ứng dụng trong lĩnh vực chế biến thực phẩm với sản phẩm
bơm nhiệt và hút ẩm BK-BSH 18: chế độ sấy tối ƣu với nhiệt độ 25 0C và độ ẩm
33% cho sản phẩm kẹo jelly. Đây là giải pháp công nghệ không những cải thiện
đƣợc chất lƣợng sản phẩm mà còn là giải pháp thay thế có hiệu quả cho cơng nghệ
cũ sử dụng máy bài ẩm [23].


- 19 -

Kết quả nghiên cứu [22] đã đƣa ra những cơ sở định hƣớng về ứng dụng công
nghệ HPD cho các đối tƣợng rau quả thực phẩm với mục tiêu cải thiện chất lƣợng
của sản phẩm.
Một số nghiên cứu tiếp sau đã đƣợc kế thừa và phát triển trên cơ sở nghiên cứu
thực nghiệm [24], [25], [26] về mô hình HPD kiểu tĩnh với một số đối tƣợng nơng
sản thực phẩm nhƣ rau gia vị, nấm, vải quả. Kết quả đã xây dựng đƣợc mơ hình đƣa
vào sản xuất thử nghiệm qui mô nhỏ gắn với các cơ sở sản xuất. Qua thực tế sản
xuất đã đƣợc nghiệm thu đánh giá: giữ đƣợc màu sắc và mùi vị tự nhiên, điều mà
với công nghệ sấy nhiệt truyền thống không đạt đƣợc.
Nghiên cứu ứng dụng công nghệ HPD để sấy cói ngun liệu của Viện cơ điện
Nơng nghiệp và Cơng nghệ sau thu hoạch trên nguyên tắc buồng sấy đối lƣu,
ngun liệu cói đƣợc xếp trên xe gng. Năng suất buồng sấy 2 tấn/mẻ với độ ẩm
nguyên liệu cói 50 - 55% (đã qua sấy sơ bộ hoặc phơi một nắng từ độ ẩm 87 - 88%)
với chế độ sấy thích hợp ở nhiệt độ 40 0C, độ ẩm 25% tƣơng ứng các chỉ tiêu chất
lƣợng về màu xanh tự nhiên, độ dẻo và độ đàn hồi của sợi cói đạt tiêu chuẩn xuất
khẩu sang thị trƣờng Nhật Bản [27].
Qua các kết quả nghiên cứu [24], [25], [26], [27] đã rút ra một số hạn chế của
mơ hình HPD tĩnh nhƣ: độ ẩm và màu sắc của sản phẩm không đồng đều theo sự
phân bố về chiều dày lớp vật liệu sấy, trong quá trình sấy thƣờng phải đảo khay kết
hợp đảo trộn vật liệu sấy nhiều lần.

 Đánh giá về tính cải thiện chất lƣợng sản phẩm của cơng nghệ HPD:
 Hầu hết các tác giả lựa chọn đối tƣợng vật liệu sấy là những vật liệu không bền
nhiệt với cơ chế sấy của cơng nghệ HPD là hồn tồn phù hợp với mục đích cải
thiện chất lƣợng sản phẩm.
 Tuy vậy nhiều kết quả nghiên cứu với đối tƣợng sản phẩm cụ thể còn thiếu số
liệu đánh giá chất lƣợng sản phẩm trên cơ sở định lƣợng, mà chủ yếu dựa vào các
chỉ tiêu đánh giá chất lƣợng cảm quan là chƣa đủ. Mặt khác với cơ chế sấy nhiệt độ
thấp là môi trƣờng hoạt động của vi sinh vật và các hệ enzim là nguyên nhân biến
đổi chất lƣợng trong quá trình sấy, vấn đề này tuỳ theo tính chất của vật liệu sấy cần


- 20 -

có những giải pháp cụ thể thì phần lớn các nghiên cứu chƣa đề cập đến ngoài giải
pháp MAHPD. Trong khi sử dụng giải pháp MAHPD là khá phức tạp và đầu tƣ tốn
kém, tuy nhiên giải pháp MAHPD có nhiều tác dụng khác nhằm cải thiện chất
lƣợng sản phẩm do vậy cần ứng dụng cho các sản phẩm có giá trị cao và quy hiếm.
1.4.2. Tính hiệu quả sử dụng năng lượng
Là cơ sở đánh giá so sánh về chi phí tiêu thụ năng lƣợng trong cùng một điều
kiện sấy. Sau đây là những kết quả nghiên cứu đánh giá tính hiệu quả sử dụng năng
lƣợng của bơm nhiệt nói chung và HPD nói riêng:
1.4.2.1. Về lý thuyết
 Trường hợp chỉ sử dụng năng lượng nhiệt thải từ thiết bị ngưng tụ Qn:
Năng suất nhiệt của bơm nhiệt chính là phƣơng trình cân bằng nhiệt của máy lạnh:
Qn = Q0 + N

(1.7)

Trong đó hệ số nhiệt của máy lạnh là:  

QO
N

(1.8)

Hệ số nhiệt của bơm nhiệt khi sử dụng 1 chiều nóng:
 = Qn
N

hay

 = Q0  N    1 >1

(1.9)

N

Ta thấy hệ số nhiệt của bơm nhiệt luôn lớn hơn 1. Điều này cho thấy các ứng
dụng máy lạnh hiện nay chỉ quan tâm sử dụng nguồn nhiệt lạnh Q 0 và thải bỏ một
nguồn nhiệt Qn lớn hơn Q0 là chƣa tận dụng triệt để về năng lƣợng.
 Trường hợp bơm nhiệt sử dụng năng lượng hai chiều nóng lạnh:
Chỉ cần tiêu tốn nguồn năng lƣợng là N (công nén của bơm nhiệt) ta thu đƣợc cả
năng lƣợng Q 0 và năng lƣợng Qn, khi đó hệ số nhiệt của bơm nhiệt nóng lạnh là:
 = Qn  Q0  2  1
N

(1.10)

Điều này cho thấy, hệ số nhiệt của bơm nhiệt sử dụng cả hai chiều nóng lạnh lớn
hơn trên 2 lần so với hệ số nhiệt của máy lạnh. Nhƣ vậy về ý nghĩa khoa học và

thực tiễn ứng dụng công nghệ HPD là một giải pháp tiết kiệm năng lƣợng so với
máy lạnh chỉ sử dụng năng lƣợng một chiều lạnh. Điều này càng có ý nghĩa hơn


- 21 -

trong tƣơng lai khi mà nguồn năng lƣợng ngày càng cạn kiệt, vấn đề nghiên cứu và
khai thác tiềm năng sử dụng năng lƣợng của bơm nhiệt là phù hợp với thực tiễn.
1.4.2.2.

Kết quả nghiên cứu đánh giá tính hiệu quả của HPD

Hiệu suất của bơm nhiệt đƣợc đánh giá thông qua hệ số hiệu quả sử dụng năng
lƣợng (COP) [46]: COP  QE
W

(1.11)

Với QE là tổng năng lƣợng tiêu tốn của thiết bị bay hơi với lƣợng nhiệt tƣơng
đƣơng của tổng năng lƣợng điện đầu vào; W công suất cần thiết để gây ra hiệu ứng
nén:
QE = Điện đầu vào + Tốc độ tách nƣớc x Lƣợng nhiệt ẩn của quá trình bay hơi
Trong trƣờng hợp bơm nhiệt hút ẩm, đơn vị đo lƣờng hữu dụng đƣợc đánh giá
bằng hệ số SMER là khả năng tách ẩm trên mỗi đơn vị điện năng tiêu thụ
[kgH2O/kWh]: COP = 1 + SMER x hfg

(1.12)

trong đó hfg là lƣợng nhiệt ẩn của quá trình bay hơi.
Hiệu suất sấy là đơn vị đo năng lƣợng đƣợc sử dụng để tách mỗi đơn vị khối

lƣợng nƣớc ra khỏi sản phẩm đƣợc ký hiệu là SEC [kJ/kgH2O]. Đơn vị đo khả năng
tách ẩm nói chung với các phƣơng pháp sấy khác nhau cùng sử dụng năng lƣợng
điện đƣợc xác định bằng hệ số SMER [kgH2O/kWh].
Kết quả nghiên cứu tổng hợp và đánh giá của Rahman, M. S. and Perera, C. O.
[92] về khả năng hút ẩm của bơm nhiệt: Hệ số SMER đối với máy hút ẩm đƣợc
thiết kế hoàn hảo nằm trong khoảng từ l - 4 kgH2O/kWh, có giá trị trung bình là 2,5
kgH2O/kWh. So sánh với nhiệt ẩn của quá trình bay hơi nƣớc là 2255 kJ/kgH2O ở
100°C, tƣơng ứng với hệ số SMER = 1,596kgH2O/kWh , điều này cho thấy máy hút
ẩm có khả năng tách nƣớc với hệ số SMER lớn hơn SMER cần thiết để đạt đƣợc
hiệu suất 100% của quá trình bay hơi.
Hiệu suất của máy sấy bằng nhiệt đối lƣu thơng thƣờng nói chung < 60% hiệu
suất bay hơi, với hệ số SMER có giá trị chỉ bằng 0,95kgH2O/kWh. Do đó, máy sấy
HPD có hiệu suất năng lƣợng cao hơn máy sấy bằng nhiệt đối lƣu cũng nhƣ máy
sấy chân không (bảng 1.2)


- 22 -

Bảng 1.2. So sánh về hiệu quả sấy của 3 phƣơng pháp sấy là HPD, sấy chân
không và sấy khí nóng [92].
Thơng số giới hạn
SMER (kg nƣớc/kWh)
Hiệu quả sấy (%)
Phạm vi nhiệt độ (°C)
Phạm vi độ ẩm (%)
Mức chi phí

Sấy nhiệt đối lưu
0,12 -1,28
35-40

40-90
Thay đổi
Cao

Sấy chân khơng
0,72 – 1,2
≤70%
30-60
Thấp
Rất cao

Sấy bơm nhiệt
1,0 – 4,0
95
10-65
10-65
Thấp

Kết quả nghiên cứu và thử nghiệm đƣợc Electricity Corporation of New Zealand
(ECNZ) [36] phát triển có SMER cao nhất là 7.94kg/kWh ở 50°C và độ ẩm tƣơng
đối 80%. Giá trị này gấp đôi SMER mà Hesse [61] báo cáo về khả năng tách ẩm của
HPD với trạng thái tác nhân sấy ở 45°C và độ ẩm tƣơng đối 80%. Nhờ đó mẫu thử
nghiệm do ECNZ phát triển thể hiện đƣợc bƣớc đột phá quan trọng đối với hiệu quả
tách ẩm của HPD.
Kết quả nghiên cứu về sự phụ thuộc của nhiệt độ và độ ẩm của tác nhân sấy ảnh
hƣởng đến hệ số SMER đã đƣợc Conrad O.Perera and và M. Shafiur Rahman [46]

SAMER ( kg/kw.h)

a ra:

8
7
6
5
4
3
2
1
0

30 độ C
45 độ C
60 độ C

0

20

40

60

80

100

Độ ẩm t-ơng đối ( %)

Hỡnh 1.4. nh hng ca nhit và độ ẩm đến hệ số SMER
Hiệu suất hút ẩm phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm tƣơng đối của dòng tác nhân

sấy, với độ ẩm của tác tác nhân sấy tăng làm chậm dần quá trình sấy nhƣng tăng
hiệu suất của quá trình sấy (hình 1.4).


- 23 -

Một số kết quả nghiên cứu thực nghiệm về công nghệ HPD đã đƣa ra số liệu về
hệ số SMER và SEC của một số đối tƣợng rau quả (bảng 1.3).
Bảng 1.3. Hệ số SMER và SEC theo cơ chế HPD cho một số rau quả sấy
TT

Vật liệu sấy

1
2
3

Cây mùi tây
Cây bạc hà
Cây cẩm quỳ

SMER
[kg H2O/kWh]
0,977
0,904
0,894

Chế độ
Tác giả
sấy HPD

Nhiệt độ M.Fatouh và
sấy 550C. các
đồng
nghiệp (2005)
[71]
Nhiệt độ Warunee Tia
sấy 52- và các đồng
550C.
nghiệp (2000)
[109]
Hiệu suất hút ẩm phụ thuộc vào

SEC
[kJ/kgH2O]
3684
3982
4029

4 Dứa
0,751
4790
5 Mầm đậu
0,619
5810
6 Cải bắp
0,499
7210
7 Chuối
0,293
12270

Về khả năng hút ẩm của bơm nhiệt cho thấy:

nhiệt độ và độ ẩm của mơi trƣờng khơng khí, hay có thể nói rằng hiệu suất hút ẩm
tỷ lệ thuận với độ chứa ẩm trong khơng khí. Mặt khác trong điều kiện ứng dụng
HPD thì động lực để tách ẩm từ vật liệu sấy ra mơi trƣờng khơng khí tỷ lệ nghịch
với độ chứa ẩm. Điều này chứng tỏ rằng ngoài yếu tố nhiệt độ và độ ẩm tác nhân
sấy còn khá nhiều yếu tố có ảnh hƣởng đến hệ số SMER. So sánh hệ số SMER thực
nghiệm với sản phẩm cụ thể là tƣơng đối thấp so với khả năng hút ẩm của bơm
nhiệt theo số liệu (bảng 1.3 và hình 1.4).
Vấn đề nghiên cứu khai thác tiềm năng nhằm ứng dụng có hiệu quả công nghệ
HPD thực sự vẫn là một đề tài đang đƣợc rất nhiều nhà khoa học quan tâm. Trong
thời gian gần đây song song với những nghiên cứu thực nghiệm là hàng loạt các
cơng trình nghiên cứu về lý thuyết đã đƣợc M.S. Soăylemez (2005) [72] tổng hợp
từ các kết quả nghiên cứu bằng phƣơng pháp số học của nhiều tác giả nhƣ
Dandamrongrak, Young, Mason (2002) [47], Khraisheh, Mc Minn, and Magee
(2000) [66], Pancharia, Popovic, and Sharma (2002) [82], Raderer, Besson, and
Sommer (2002)[89], Soponronnarit, Swasdisevi, Wetchacama, and Wutiwiwatchai
(2001) [100], Wimmerstedt (1999) [110], Youcef-Ali, Messaoudi, Desmons,
Abene, và Le Ray (2001) [112] tiến hành; hiệu suất và tối ƣu hóa bơm nhiệt đƣợc
Kent (1997) [65], Li (1999) [68], S_ahin và Kodal (1999) [96].