Nghiên cứu phương pháp lựa chọn rượu mùi dùng pha chế coctail nền rượu tequila

BỘ CƠNG THƯƠNG
ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC
KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng trường điện từ trong cấp đông
thực phẩm nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm
Mã số đề tài: 171.1081
Chủ nhiệm đề tài: ThS Nguyễn Thị Tâm Thanh
Đơn vị thực hiện: Khoa Cơng nghệ Nhiệt Lạnh

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2019


LỜI CẢM ƠN

Để đạt được những kết quả lý thuyết lẫn thực nghiệm, trong quá trình thực hiện
đề tài, chủ nhiệm đề tài và các thành viên thực hiện đã nhận được sự hỗ trợ tích cực từ
phía Nhà trường, Khoa, các đồng nghiệp và các em sinh viên. Cảm ơn sự hỗ trợ về mặt
kinh phí của Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh, sự hỗ trợ về cơ sở
vật chất của khoa công nghệ Nhiệt Lạnh, cảm ơn sự giúp đỡ về mặt lý thuyết và thực
tiễn của các Thầy, Cô đồng nghiệp và sự hỗ trợ các em sinh viên.

2


PHẦN I. THƠNG TIN CHUNG
I. Thơng tin tổng qt
1.1. Tên đề tài: Nghiên cứu ứng dụng trường điện từ trong cấp đông thực phẩm

nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm
1.2. Mã số: 171.1081
1.3. Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài
TT

Họ và tên
(học hàm, học vị)

Đơn vị cơng tác

Vai trị thực hiện đề
tài

ThS. NCS. Nguyễn Thị Tâm
Chủ nhiệm đề tài
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh
Thanh
2 ThS. NCS. Phạm Quang Phú Khoa Cơng nghệ Nhiệt Lạnh
Thành viên chính
3 ThS. Trần Việt Hùng
Khoa Cơng nghệ Nhiệt Lạnh
Thành viên chính
4 ThS. Nguyễn Trung Kiên
Khoa Cơng nghệ Nhiệt Lạnh
Thành viên chính
5 ThS. Lê Đình Nhật Hồi
Khoa Cơng nghệ Nhiệt Lạnh
Thành viên chính
6 ThS. Đồn Thị Hồng Hải
Khoa Cơng nghệ Nhiệt Lạnh

Thành viên chính
7 ThS. Nguyễn Duy Khanh
Khoa Cơng nghệ Điện Tử
Thành viên chính
8 TS. Phạm Trần Bích Thuận Khoa Cơng nghệ Điện Tử
Thành viên chính
9 ThS. NCS. Nguyễn Văn Điền Khoa Cơng nghệ Điện Tử
Thành viên chính
10 TS. Phạm Thị Hồng Phượng Khoa Cơng nghệ Hóa Học
Thành viên chính
1.4. Đơn vị chủ trì:
1.5. Thời gian thực hiện:
1.5.1. Theo hợp đồng: từ tháng 07 năm 2017 đến tháng 12 năm 2018
1.5.2. Gia hạn (nếu có): đến tháng 09 năm 2019
1.5.3. Thực hiện thực tế: từ tháng 07 năm 2019 đến tháng 10 năm 2019
1

1.6. Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có): khơng
1.7. Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: 100 triệu đồng.
II. Kết quả nghiên cứu
1. Đặt vấn đề
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 yêu 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.
Trong ngành công nghệ chế biến thực phẩm, trong thực tế thường làm lạnh đông
thực phẩm ở các môi trường làm lạnh sau:
− Mơi trường khơng khí: dùng khơng khí lạnh trao đổi nhiệt đối lưu với thực phẩm cần
làm lạnh.

− Môi trường lỏng: dùng chất tải lạnh lỏng trung gian để trao đổi nhiệt với thực phẩm,
thông thường môi trường lỏng là nước, các dung mơi hữu cơ khơng có tính độc hại
với thực phẩm cần làm lạnh.
3


Tất cả các dạng cấp đơng trên đều có có chung nhược điểm:
− Quá trình truyền nhiệt diễn ra từ lớp bên ngoài vào bên trong (mặc dù tốc độ làm lạnh
khác nhau), kết quả trong quá trình truyền nhiệt trường nhiệt độ trong thực phẩm
không đều (nhiệt độ bên ngoài thấp hơn bên trong) dẫn đến phân áp suất hơi nước
bên ngoài nhỏ hơn bên trong và nước bên trong thực phẩm có xu hướng chuyển động
ra bên ngồi.
− Do quá trình chuyển động của nước, làm cho nước trong thực phẩm được phân bố
lại, q trình kết đơng nước tạo ra những mảng băng lớn, làm rách màng tế bào. Khi
rã đơng, nước tập trung lớp ngồi thực phẩm sẽ chảy thốt ra ngồi làm cho thực
phẩm bị mất nước, các mơ cơ khơng cịn căng cứng như ban đầu mà mềm nhão.
Như vậy, để đảm bảo chất lượng thực phẩm cần thiết phải làm lạnh sao cho q
trình kết đơng diễn ra trong tồn bộ thể tích thực phẩm, khi đó sẽ hạn chế q trình dịch
chuyển nước và các tinh thể đá tạo nên trong thực phẩm sẽ mịn hơn, khơng làm rách
màng tế bào.
Ngồi những cơng nghệ cấp đơng được trình bày ở trên với những áp dụng về
máy móc và kỹ thuật tân tiến hơn so với trong nước, công nghệ cấp đông trên thế giới
đã và đang cải thiện không ngừng để nâng cao chất lượng cũng như cải thiện môi trường
làm việc tốt hơn. Một số hướng công nghệ cấp đông tiên tiến hiện nay như cấp đông áp
suất cao, cấp đông được hỗ trợ siêu âm, cấp đông được hỗ trợ điện trường, cấp đông
được hỗ trợ từ trường, cấp đông được hỗ trợ vi sóng,...
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 đơng lạnh phụ thuộc vào
q trình chuyển đổi pha hoặc quá trình kết tinh của sự thay đổi nước thành đá. Kích
thước của các tinh thể đá 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 suy
giảm cấu trúc và màu sắc của sản phẩm. Vì lý do này, nhiều công nghệ mới nổi đã được
phát triển để kiểm sốt q trình kết tinh và cải thiện tốc độ hình thành và phát triển tinh
thể đá. Hầu hết các công nghệ này tận dụng lợi thế từ các tính chất vật lý và các đặc
trưng của phân tử nước. Trong môi trường điện trường hoặc từ trường sẽ làm rối loạn
sự yên tĩnh của phân tử nước. Nhiễu loạn điện và từ là những yếu tố có thể sắp xếp lại
các mạng liên kết hydro tồn tại trong nước.
Các điểm nổi bật liên quan đến lĩnh vực đông lạnh dưới ảnh hưởng của các trường
điện và từ dần được công bố. Phần lớn các nghiên đã cơng bố tập trung chủ yếu vào các
tính chất nước trong môi trường điện trường hoặc từ trường trong quá trình cấp đơng.
Cấp đơng dưới các điều kiện này là q trình làm lạnh tiên tiến có thể kiểm sốt được
mầm tinh thể đá và ảnh hưởng đến cấu trúc hình thành của các tinh thể. Nước là một
thành phần thực phẩm chính và nó ảnh hưởng lớn đến chất lượng thực phẩm. Do đó, các
kỹ thuật này là các công cụ đầy hứa hẹn cải thiện việc bảo quản thực phẩm thông qua
đông lạnh. Các ứng dụng gần đây của các điện trường tĩnh và các trường dao động tần
số vô tuyến trên thực phẩm cho thấy sự thiệt hại đến vi cấu trúc do các tinh thể băng đá
đã được giảm đáng kể.
Ở Việt Nam, hiện chưa có nghiên cứu nào về ứng dụng trường điện từ trong cấp
đông thực phẩm được công bố, cho nên hướng đề tài nghiên cứu là hướng mới, tiếp cận
với kỹ thuật cấp đơng mới và có một số ý nghĩa khoa học như sau:

4


− Chế tạo được mơ hình nghiên cứu về cấp đơng có sự hỗ trợ của trường điện từ
phục vụ cho việc học tập và nghiên cứu khoa học của giảng viên, sinh viên ngành
công nghệ Nhiệt Lạnh, điện tử và thực phẩm.
− Phát triển một công nghệ cấp đông giúp sản phẩm đạt chất lượng cao, có khả
năng cạnh tranh với các sản phẩm cấp đông trên thị trường quốc tế.
− Nghiên cứu và tối ưu hóa được các yếu tố cơng nghệ của q trình cấp đơng có

sự hỗ trợ của trường điện từ nhằm tạo ra các chế độ cấp đơng phù hợp với q
trình cơng nghệ.
2. Mục tiêu
a. Mục tiêu tổng quát
Góp phần phát triển dạng tủ cấp đơng trường điện từ có thời gian cấp đông thấp
hơn và chất lượng sản phẩm cao hơn so với tủ đơng gió, tủ đơng tiếp xúc và tủ đông
IQF khác để phục vụ các nghiên cứu trong công nghệ chế biến thực phẩm ứng dụng
trong thực tiễn.
b. Mục tiêu cụ thể
− Nghiên cứu ảnh hưởng trường điện từ đến q trình cấp đơng thực phẩm (cụ thể
là cá da trơn fillet) và ảnh hưởng của các thông số cơng nghệ đến q trình cấp
đơng trường điện từ.
− Nghiên cứu, thiết kế chế tạo mơ hình tủ cấp đơng có sự hỗ trợ của trường điện
từ, năng suất 2kg/mẻ.
− Xây dựng và tối ưu hóa các thơng số cơng nghệ đối với cá da trơn fillet để có
được sản phẩm cấp đông đạt chất lượng cao, độ hao hụt khối lượng sau cấp đông
thấp.
3. Phương pháp nghiên cứu
− 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 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 đơng thực phẩm.
− Phương pháp giải tích: tính tốn theo các cơng thức lý thuyết để thiết kế thiết bị
cấp đơng có hỗ trợ trường điện từ phù hợp với quy mơ thí nghiệm.
− Phương pháp mơ hình vật lý: chế tạo mơ hình vật lý để tiến hành khảo nghiệm,
đánh giá.
4. Tổng kết về kết quả nghiên cứu
Đề tài đã tiến hành nghiên cứu ứng dụng từ trường trong cấp đông sản phẩm cá
tra fillet. Từ kết quả nghiên cứu lý thuyết đã tiến hành thiết kế và chế tạo mơ hình vật lý

có các thơng số kỹ thuật như sau:
−
−
−
−
−

Năng suất cấp đông cá tra fillet: 2 kg/mẻ.
Nhiệt độ cấp đông: -40C
Nhiệt độ tâm sản phẩm: -18C
Thời gian cấp đơng: <45 phút
Kích thước mơ hình: 800x800x1200 (mm)
5


Để đánh giá ảnh hưởng của từ trường dao động đến thời gian cấp đơng, các thí
nghiệm đã được thực hiện ở các mức nhiệt độ môi trường cấp đông khác nhau: -40C, 35C và -30C cùng ở vận tốc khơng khí 5m/s. Kết quả thực nghiệm cho thấy việc ứng
dụng từ trường dao động đã phần nào làm giảm được thời gian cấp đông thực phẩm, cụ
thể thời gian cấp đông đã giảm được từ 2,8% đến 14,17% ở nhiệt độ cấp đông -30C, từ
2,41% đến 21,73% ở nhiệt độ cấp đông -35C và từ 11,11% đến 25,07% ở nhiệt độ cấp
đông -40C.
Để đánh giá ảnh hưởng của từ trường tĩnh đến thời gian cấp đơng, các thí nghiệm
đã được thực hiện ở các mức nhiệt độ môi trường cấp đông khác nhau: -40C, -35C và
-30C cùng với vận tốc khơng khí 5m/s. Kết quả thực nghiệm cho thấy việc ứng dụng
từ trường tĩnh với mật độ từ thông lớn hơn 400 Gauss (0,04T) giúp giảm đáng kể thời
gian cấp đông cá tra fillet, cụ thể thời gian cấp đông đã giảm được từ 34,7% đến 38% ở
nhiệt độ cấp đông -30C, từ 34,9% đến 50,7% ở nhiệt độ cấp đông -35C và từ 49,5%
đến 56,7% ở nhiệt độ cấp đông -40C.
Tiến hành cấp đông cá tra fillet trên mơ hình với năng suất 2kg/mẻ ở cùng nhiệt
độ và vận tốc khơng khí theo 03 phương pháp khác nhau: khơng có từ trường, có hỗ trợ

bởi từ trường dao động và có hỗ trợ bởi từ trường tĩnh. Khi cấp đơng có hỗ trợ từ trường
tĩnh, thời gian cấp đơng ngắn nhất nên chi phí điện năng cho 1kg sản phẩm cũng thấp
nhất. Suất tiêu hao năng lượng giữa cấp đơng khơng có hỗ trợ từ trường và có hỗ trợ bởi
từ trường dao động không chênh lệch quá lớn (khoảng 7%, 9,5% và 15% tương ứng ở
nhiệt độ -30C, -35C và -40C) trong khi so với cấp đông có hỗ trợ từ trường tĩnh là
khoảng 36%, 43,7 và 50% tương ứng ở nhiệt độ -30C, -35C và -40C. Điều này cho
thấy từ trường tĩnh giúp giảm chi phí năng lượng đáng kể cho q trình cấp đơng cá tra
fillet.
Để đánh giá chất lượng sản phẩm sau khi cấp đông, các mẫu cá tra fillet sau khi
cấp đông bằng 03 phương pháp (khơng từ trường, có hỗ trợ từ trường dao động, có hỗ
trợ từ trường tĩnh) được rã đông tự nhiên, cùng với mẫu cá tra fillet không cấp đông
được kiểm nghiệm cơ lý tại Viện công nghệ Sinh học và Thực phẩm, trường Đại học
Công nghiệp Tp.HCM. Kết quả phân tích bằng phương pháp cắt và nén cho thấy độ
cứng, độ đàn hồi, độ dẻo và độ dính bề mặt của cá tra fillet khi khơng cấp đông là lớn
nhất. Sản phẩm cá được rã đông sau khi cấp đơng khơng có từ trường có độ cứng thấp
nhất, khi được cấp đơng có từ trường tĩnh, sản phẩm giữ được tính chất cơ lý tốt nhất.
5. Đánh giá các kết quả đã đạt được và kết luận
Kết quả thực nghiệm bước đầu 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 không khí. Đồng thời kết quả phân tích cơ lý trên 04 mẫu cá
cũng cho thấy sản phẩm được cấp đông có từ trường giữa được độ cứng, độ đàn hồi và
độ dẻo tốt hơn so với mẫu cá được cấp đơng khơng có hỗ trợ từ trường. Điều này cũng
cho thấy hướng đi đúng trong nghiên cứu đưa trường điện từ vào hỗ trợ cho cấp đông
cá tra fillet nhằm giảm thời gian cấp đơng, giảm chi phí năng lượng và nâng cao chất
lượng sản phẩm.
Do mật độ từ thông của từ trường tĩnh cao hơn nên thời gian cấp đông giảm đáng
kể so với cấp đông thông thường. Đối với từ trường dao động, vẫn chưa chế tạo được
bộ thu-phát có mật độ từ thơng cao hơn nên kết quả thực nghiệm vẫn chưa đánh giá
được toàn diện.
6

Với kết quả nghiên cứu bước đầu, cần tiến hành thêm nhiều nghiên cứu thực
nghiệm hơn nữa ở các điều kiện khác nhau, đồng thời đưa thêm ảnh hưởng của điện
trường, vi sóng hay siêu âm vào hỗ trợ trong q trình cấp đơng mới có thể chứng minh
rõ rệt được ảnh hưởng của trường điện từ trong cấp đông thực phẩm.
6. Tóm tắt kết quả
The research has applied the magnetic fields in frozen Catfish fillet products.
From the results of theoretical research, the physical model has been designed and
manufactured with the following specifications:
− Frozen Catfish fillet capacity: 2 kg / batch.
− Air freezing temperature: -40C
− Product center temperature: -18C
− Freezing time: <45 minutes
− Freezer size: 800x800x1200 (mm)
To assess the effect of oscillating magnetic field on freezing time, experiments
were performed at different air freezing temperatures: -40C, -35C and -30C with air
velocity of 5 m/s. Experimental results show that the application of the oscillating
magnetic field has reduced the freezing time of food, in particular, the freezing time has
decreased from 2.8% to 14.17% at freezing temperatures -30C, from 2.41% to 21.73%
at -35C freezing temperature and from 11.11% to 25.07% at -40C freezing
temperature.
To assess the effect of a static magnetic field on freezing time, experiments were
performed at different freezing ambient temperatures-40C, -35C and -30C with air
velocity of 5 m/s. Experimental results show that the application of a static magnetic
field with a magnetic flux density greater than 400 Gauss (0.04T) significantly reduces
the freezing time of Catfish fillets, specifically the freezing time has been reduced from
34, 7% to 38% at freezing temperature -30C, from 34.9% to 50.7% at freezing
temperature -35C and from 49.5% to 56.7% at freezing temperature -40 C C.
The fish fillets had been frozen on the batch freezer with a capacity of 2kg at the

same temperature and air velocity by 03 different methods: Air blast freezing (ABF)
without magnetic field, ABF supported by oscillating magnetic field (OMF) and
supported by static magnetic field (SMF). When freezing is supported by the static
magnetic field, the freezing time is the shortest so the electricity cost for 1kg of product
is also the lowest. The energy consumption rate between freezing and freezing is not
supported by the magnetic field and the fluctuating magnetic field does not differ too
much (about 7%, 9.5% and 15% respectively at -30C, -35C and -40C) while
compared to freezing, static magnetic field support is about 36%, 43.7 and 50%,
respectively at -30C, -35C and -40C. This shows that the static magnetic field helps
to significantly reduce energy costs for freezing fillet processing.
To assess the quality of the product after freezing, catfish fillet samples after
freezing by 03 methods (ABF, OMF, SMF) are thawed naturally, with fresh catfish fillet
samples which have been mechanically tested at the Institute of Biotechnology and
Food, Ho Chi Minh City University of Industry. The results of analysis by shear and
7


compression methods show that the hardness, springiness, gumminess and adhesiveness
of Catfish fillets when not frozen are the largest. Fish products that are thawed after
freezing do not have a magnetic field with the lowest hardness, when frozen with static
magnetic fields, the product retains the good physical and mechanical properties.
III. Sản phẩm đề tài, công bố và kết quả đào tạo
3.1. Kết quả nghiên cứu (sản phẩm dạng 1,2,3)
Yêu cầu khoa học hoặc/và chỉ tiêu
kinh tế - kỹ thuật
TT
Đăng ký
Đạt được
1 Mô hình tủ − Năng suất cấp đơng cá tra − Năng suất cấp đông cá tra
cấp đông hỗ

fillet: 2kg/mẻ.
fillet: 2-5 kg/mẻ.
trợ
trường − Nhiệt độ cấp đông: -40C
− Nhiệt độ cấp đông: -40C
điện từ
− Nhiệt độ tâm sản phẩm: - − Nhiệt độ tâm sản phẩm: 18C
18C
− Thời gian cấp đông: <45 − Thời gian cấp đông: <40
phút
phút
− Suất tiêu hao điện năng: − Suất tiêu hao điện năng:
1000-1200 Wh/kg SP
<1000 Wh/kg SP
− Kích thước mơ hình: − Kích thước mơ hình:
800x800x1200 (mm)
800x800x1200 (mm)
2 Bộ bản vẽ
thiết kế chế
tạo và quy - Bản vẽ tổng thể bố trí mơ - 01 Bản vẽ tổng thể bố trí mơ
trình
vận hình, thiết bị.
hình, thiết bị.
hành, bảo trì, - Bản vẽ chi tiết các thiết bị - 07 Bản vẽ chi tiết các thiết bị
sửa chữa các chính của mơ hình.
chính của mơ hình.
thiết bị mơ - Bộ tài liệu quy trình vận hành, - 01 Bộ tài liệu quy trình vận
hình tủ cấp bảo trì, sửa chữa các thiết bị hành, bảo trì, sửa chữa các thiết
đơng hỗ trợ mơ hình.
bị mơ hình.

trường điện
từ.
3 Bài báo về Kết quả nghiên cứu thực A study on the texture quality
thực nghiệm nghiệm đánh giá các yếu tố of
Vietnamese
catfish
đánh giá các ảnh hưởng đến quá trình cấp (Pangasius Hypophthalmus)
yếu tố ảnh đơng có hỗ trợ trường điện từ. fillets after different freezing
hưởng đến Kết quả phân tích vi mơ cấu processes,
2019
3rd
q trình cấp trúc tinh thể băng trong sản International Conference on
đơng có hỗ phẩm cấp đơng.
Sustainable Development and
trợ
trường Đăng
trên
tạp
chí Green Technology (SDGT
điện từ.
ISI/SCOPUS
2019), IOP Conference Series:
Earth and Environmental
Science (EES) (ISSN: 17551315), SCOPUS index
Tên sản
phẩm

8

4

Bài báo về
nghiên cứu
tính tốn thiết
bị thí nghiệm
để chế tạo mơ
hình
cấp
đơng trường
điện từ hoặc
cơ sở lý
thuyết và ứng
dụng trường
điện từ cấp
đơng
thực
phẩm.

-Tính tốn, thiết kế buồng cấp
đơng gió theo năng suất đăng
kí. Tính tốn, lựa chọn các
thiết bị trong hệ thống cấp
đơng.
-Tính tốn, thiết kế, chế tạo
thiết bị tạo trường điện từ phù
hợp với quy mơ thí nghiệm.
-Chế tạo mơ hình tủ cấp đơng
ứng dụng trường điện từ đảm
bảo tính hợp lý và khoa học.

-Đăng trên tạp chí đại học
cơng nghiệp Tp. Hồ Chí
Minh

3.2. Kết quả đào tạo
Thời gian
TT Họ và tên
thực hiện đề tài

Nghiên cứu ảnh hưởng từ
trường tĩnh đến thời gian cấp
đông đối với fillet cá tra
(Pangasius) Việt Nam, Tạp chí
Khoa học và Cơng nghệ, Đại
học cơng nghiệp Tp. Hồ Chí
Minh

Tên đề tài
Tên chuyên đề nếu là NCS
Tên luận văn nếu là Cao học

Đã bảo vệ

Nghiên cứu sinh
Học viên cao học
Sinh viên Đại học
IV. Tình hình sử dụng kinh phí
T
T
A

1
2
3
4
5
6
7
8
B
1
2

Nội dung chi

Kinh phí
được duyệt
(triệu đồng)

Chi phí trực tiếp
Th khốn chuyên môn
28,846
Nguyên, nhiên vật liệu, cây con..
34,450
Thiết bị, dụng cụ
36,704
Công tác phí
Dịch vụ th ngồi
Hội nghị, hội thảo,thù lao nghiệm thu giữa kỳ
In ấn, Văn phịng phẩm
Chi phí khác

Chi phí gián tiếp
Quản lý phí
Chi phí điện, nước

Tổng số

100,000

Kinh phí
thực hiện
(triệu đồng)

Ghi
chú

28,846
98,450
122,000

249,296

Phần
chênh
lệch do
cá
nhân tự
chi trả

9

V. Kiến nghị
-

Cần tiến hành thêm các thực nghiệm để đánh giá thêm ảnh hưởng của các mức
từ trường khác nhau đến chất lượng cấp đông thực phẩm. Thực nghiệm đánh giá
ảnh hưởng của điện trường khó triển khai do cường độ điện trường quá lớn, gây
nguy hiểm cho người thí nghiệm.

-

Tiếp tục nghiên cứu xây dựng các chế độ cấp đông tối ưu cho các sản phẩm khác
như cá ngừ, cá thu, thịt bị,....

-

Phát triển mơ hình theo dạng cấp đông liên tục để đạt năng suất cao hơn. Cải tiến
hệ thống diều khiển và áp dụng thêm các phương pháp khác góp phần tiết kiệm
năng lượng hơn nữa.

-

Về cấp quản lý, xem xét kết hợp với Viện công nghệ sinh học-thực phẩm để áp
dụng rộng rãi các kết quả của đề tài và phát triển trên nhiều dạng sản phẩm khác
nhau.

VI. Phụ lục sản phẩm
1. Bản vẽ thiết kế
2. Hướng dẫn vận hành, bảo trì, bảo dưỡng
3. Bài báo khoa học

Tp. HCM, ngày 18 tháng 12 năm 2019
Chủ nhiệm đề tài

ThS. Nguyễn Thị
Tâm Thanh

Phòng QLKH&HTQT

KHOA CN NHIỆT LẠNH

TS. Đường Công Truyền

10


Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH THỜI GIAN CẤP ĐƠNG
THỰC PHẨM
2.1. Tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm
Tính chất nhiệt vật lí của thực phẩm là những thơng số quan trọng đối với kỹ thuật
bảo quản lạnh đông, yếu tố này có mặt trong q trình biến đổi trạng thái thông qua
những quan hệ về trao đổi nhiệt và ảnh hưởng đến tốc độ truyền nhiệt trong khi cấp
đơng.
Các thơng số chính của q trình cấp đơng bao gồm: khối lượng riêng ρ(kg/m3),
nhiệt dung riêng C(kJ/kg.K), hệ số dẫn nhiệt λ(W/m.K), hệ số khuếch tán a=λ/C.ρ (m2/s),
enthalpy H(kJ/kg). Việc tìm hiểu và xây dựng mơ hình xác định các tính chất nhiệt vật
lý khơng ngồi mục đích là đưa ra quy trình cơng nghệ chế biến và bảo quản đơng lạnh
hợp lí, hiệu quả nhằm nâng cao chất lượng, giá trị dinh dưỡng của thực phẩm[4].
Nhiều nhà nghiên cứu về vấn đề trên đã thiết lập các mô hình tốn dựa vào khối

lượng và thơng số nhiệt vật lý khác có trong thực phẩm như thành phần hóa học, khối
lượng riêng và nhiệt độ. Kết quả cho thấy hệ số dẫn nhiệt chịu ảnh hưởng của cả thành
phần hóa học, khối lượng riêng và nhiệt độ trong khi đó nhiệt dung riêng chỉ bị chi phối
bởi thành phần hóa học và nhiệt độ. Một vài mơ hình xây dựng hệ số dẫn nhiệt, nhiệt
dung riêng của các thành phần chính là các hàm tuyến tính theo nhiệt độ từ -400C÷1500C.
Tuy nhiên thực chất mối quan hệ giữa hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng với nhiệt độ là
không tuyến tính. Do đó việc xác định yếu tố đó một cách chính xác thì tương đối phức
tạp và chưa đáp ứng yêu cầu. Chỉ có xác định thành phần khối lượng riêng của thực
phẩm đã có rất nhiều nghiên cứu nên cơng thức xác định có tính chính xác cao[15].
Một vấn đề đặt ra là thơng thường các tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm được
tính tốn dễ dàng khi nhiệt độ của chúng trên điểm kết tinh. Tại điểm kết tinh nước bắt
đầu đóng băng, q trình biến đổi trạng thái của nước diễn ra, nhiệt độ càng xuống thấp
lượng tinh thể đá tạo thành càng nhiều. Tính chất giữa tinh thể đá và nước là rất khác
nhau vì vậy mà các tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm lại thay đổi rất lớn, các thông
số nhiệt vật lý như nhiệt dung riêng và hệ số dẫn nhiệt lại dao động nhiều xung quanh
điểm kết tinh vì vậy xem xét quá trình biến đổi và xác định giá trị các thông số nhiệt vật
lý trên và dưới điểm kết tinh cũng thật sự không dễ dàng.
Trong công nghệ cấp đông, thông số quan trọng cần xác định để thiết kế quá trình
và thiết bị trong làm lạnh và cấp đông là thời gian và phụ tải nhiệt. Việc xác định kích
thước của thiết bị làm lạnh, cấp đơng chính xác khi ta biết được năng suất và thời gian
ổn định của sản phẩm. Cho nên việc xác định chính xác các thơng số nhiệt vật lý của
sản phẩm trong quá trình thật sự rất cần thiết.
2.2. Mơ hình xác định tính chất nhiệt vật lý sử dụng trong mơ phỏng q trình cấp
đơng thực phẩm
2.2.1. Cơ sở lý thuyết
❖ Thành phần băng, nước kết đông và nước không kết đông
35


Sự thay đổi pha của nước, giữa nước và băng trong thực phẩm đã ảnh hưởng đến

sự thay đổi tính chất của một số loại thực phẩm trong quá trình kết đông và rã đông.
Tổng thành phần của nước trong thực phẩm đơng lạnh gồm có ba phần: Nước có thể kết
đông, nước không thể kết đông và nước đã kết đông được thể hiện như sau:
xw 0 = x fw + xuw + xi

(2.1)

Trong đó :
xw0 : Thành phần của nước tại điểm đóng băng trong thực phẩm
x fw : Thành phần nước có thể kết đơng
xuw : Thành phần nước không thể kết đông
xi :Thành phần băng
Mặc khác tổng lượng nước trong một nguyên liệu thực phẩm bằng tổng hai thành
phần nước có thể kết đơng và nước không thể kết đông:
xw = x fw + xuw

(2.2)

Phương pháp xác định các thành phần khác nhau của nước trong thực phẩm là điều
kiện cần thiết để có thể ước tính được các tính chất nhiệt của thực phẩm. Nước khơng
kết đơng là thành phần khơng kết đơng có trong nguyên liệu thực phẩm khi cấp đông
thực phẩm ở môi trường -400C. Kí hiệu của thành phần nước khơng kết đông là xuw
thường được đo và biểu hiện dưới dạng tỷ lệ kg nước không kết đông trên tổng kg chất
rắn khô, B[15]:
(2.3)
xuw = B.xs 0 = B(1 − xw0 )
Giá trị B cho các loại thực phẩm khác nhau được cho trong bảng 2.1.
Bảng 2.1 Phạm vi giá trị của B để tính tốn thành phần nước khơng kết đông [15]
Nguyên liệu thực phẩm

B

Thịt, cá

0,14 – 0,32

Sucrose

0,30

Glocose
Trứng
Bánh mỳ
Rau

0,15 – 0,20
0,11
0,11 – 0,14
0,18 – 0,25

Riedel đã cung cấp những cơ sở dữ liệu cho thấy sự biến đổi nhanh chóng của
thành phần nước khơng kết đơng trong q trình cấp đông của thực phẩm ở trong một
phạm vi khá rộng. Biểu đồ dưới đây sẽ cho thấy sự thay đổi thành phần của băng ứng
với nhiệt độ của một loại thực phẩm trong q trình kết đơng[4].

36


Hình 2.1 Thành phần băng (xi) ứng với nhiệt độ trong q trình kết đơng
❖ Điểm kết đơng

Điểm kết đơng ban đầu là điểm trạng thái quan trọng không những cho việc tính
tốn tính chất nhiệt vật lý mà cịn cho việc xác định điều kiện bảo quản thích hợp của
thực phẩm đông lạnh. Trong môi trường nước thường luôn ln có những phân tử chất
rắn với kích thước nhỏ, ở nhiệt độ gần 0C những phân tử chất rắn này sẽ ngừng chuyển
động, lực kết hợp giữa chúng với các phân tử nước xung quanh lớn hơn lực kết hợp giữa
các phân tử nước với nhau. Vì vậy, các phân tử nước liên kết với các phân tử chất rắn ở
0C để tạo thành những mầm tinh thể. Trong cấu trúc thực phẩm, nước chịu nhiều tác
động ở các chất tan, chất khơng tan, ở những vị trí khác nhau trạng thái của chúng khác
nhau, vì vậy nhiệt độ điểm kết tinh của nước trong thực phẩm khác nhau sẽ khác nhau.

Hình 2.2 Quá trình hình thành điểm kết đơng
Trong khi làm lạnh đơng có hiện tượng q lạnh, tức là hạ nhiệt độ đến dưới 0C
mà vẫn chưa có hiện tượng đóng băng. Các tinh thể đá xuất hiện ở điểm quá lạnh, tỏa ra
ẩn nhiệt đóng băng làm tăng nhiệt độ thực phẩm. Bởi vì, tốc độ thải nhiệt không kịp với
tốc độ sinh nhiệt do tạo ra mầm tinh thể đá. Ở điểm này, chủ yếu nước tự do cấu trúc bị
tách ra và kết tinh. Nhiệt độ thực phẩm tăng lên đến một mức cao nhất và dừng ở đó một
lúc để hồn thành q trình đóng băng nước (nước tự do – cấu trúc) đây là điểm kết
đơng, sau đó tiếp tục giảm nhiệt độ. Q trình này mơ tả ở hình 2.2, ở mỗi loại thực
37


phẩm khác nhau thì có điểm q lạnh và điểm kết đông khác nhau. Những giá trị tiêu
biểu của nhiệt độ kết đông ban đầu cho cá, thịt, trái cây và rau quả trong vùng từ -2,0
đến -0,5C. Với những thực phẩm có độ ẩm cao ( >55% nước, chất ẩm) là -1,0C [4].
Sự chậm đóng băng là do sự chậm tạo thành tâm kết đông, mà sự chậm tạo thành
tâm kết đông lại phụ thuộc vào nồng độ phân tử của các dịch bào. Một số nhà nghiên
cứu ở Anh công bố thêm vào năm 1961 về các nguyên nhân khác cũng có ảnh hưởng
đến sự đóng băng tinh thể là do nhiệt độ môi trường làm lạnh đông và hệ thống ống mao
dẫn của sản phẩm.
Mỗi phân tử gam liên kết với một lượng nước nhất định. Muốn tách được lượng

nước này ra cần giảm nhiệt độ một lượng t = 1,840 C . Đó là độ hạ băng điểm t trong
định luật Raoult:

t = 1,84n

(2.4)

Trong đó:
n - Nồng độ phân tử gam, n = m/M
m - Khối lượng chất hòa tan, g
M - Phân tử lượng của chất hòa tan
Như vậy, độ hạ băng điểm cho nước kết tinh phụ thuộc vào nồng độ phân tử chất tan
của dịch bào, mối tương quan giữa nhiệt độ điểm kết đông và nồng độ chất tan trong
thực phẩm được thể hiện qua hình 2.3 [16].

Hình 2.3 Quan hệ giữa nhiệt độ điểm kết đông của thực phẩm với nồng độ chất tan
❖ Mối quan hệ giữa hàm lượng nước và điểm kết đông của thực phẩm
Sự chuyển pha nước – nước đá trong khi làm lạnh đông thực phẩm có ảnh hưởng
cơ bản đến giá trị tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm, cho nên điều đặt ra là cần phải
xác định hàm lượng đá chính xác.
Ở dưới điểm đông ban đầu thành phần khối lượng nước mà được kết tinh lại là
một hàm của nhiệt độ. Thông thường thì thực phẩm chứa đựng nước, chất rắn hồ tan
và khơng hịa tan. Trong q trình đơng lạnh khi một phần nước kết tinh, nồng độ chất

38


rắn khơng hịa tan trong dung dịch cịn lại trở nên đậm đặc hơn do đó làm chậm hạ nhiệt
độ kết đông.
Dựa trên định luật Raoult, Chen (1985) đã đưa ra biểu thức để xác định thành phần

khối lượng của băng trong thực phẩm[15]:
xi =

xs Rto2 ( t f − t )
M s Lvt f t

(2.5)

Trong đó:
xs - Thành phần khối lượng của các chất rắn trong khối thực phẩm
Ms - Khối lượng phân tử của chất rắn có thể hòa tan hòa tan được trong khối
thực phẩm
R - Hằng số khí lý tưởng, 8,314 [kJ/kmol. K]
t0 - Điểm đơng ban đầu của nước, t0 = 0C
Lv - Nhiệt ẩn đông đặc của nước ở 0C, 333,6 [kJ/kg]
tf - Điểm kết đông ban đầu của thực phẩm [0C]
t - Nhiệt độ của thực phẩm [0C]
- Mối liên hệ giữa khối lượng phân tử của chất rắn hòa tan trong thực phẩm được xác
định như sau[15]:
Ms =

xs Rto2
− ( xwo − xb ) lot f

(2.6)

Trong đó:
xwo - Thành phần khối lượng của nước nguyên thủy có trong khối thực phẩm.
xb - Thành phần khối lượng giới hạn của nước trong khối thực phẩm: xb = 0, 4.x p
xp - Thành phần khối lượng của protein có trong khối thực phẩm

Thay cơng thức (2.6) vào công thức (2.5) ta được công thức xác định thành phần khối
lượng của nước đá trong khối thực phẩm (Miles 1974):
 t 
xi = ( xwo − xb ) 1 − f 
t 


(2.7)

2.2.2. Lý thuyết xác định thơng số nhiệt vật lý của q trình cấp đông
a. Nhiệt dung riêng
❖ Nhiệt dung riêng và phương pháp đo
Nhiệt dung riêng của thực phẩm được định nghĩa là lượng nhiệt cần thiết của một
kg thực phẩm trao đổi với mơi trường xung quanh để nhiệt độ của nó biến đổi là một
độ. Đơn vị của nhiệt dung riêng là (kJ/kg.K). Việc xác định nhiệt dung riêng từng thành
phần của hỗn hợp là điều kiện đủ để ước tính nhiệt dung riêng của hỗn hợp.
Nhiệt dung riêng thường được đo bằng phương pháp đo nhiệt lượng. Tuy nhiên
những phương pháp này chỉ ứng dụng tốt trong việc xác định nhiệt dung riêng của thực
phẩm khi có sự chuyển đổi pha xảy ra ở một nhiệt độ nhất định và sự thay đổi pha trong
39


q trình kết đơng thực phẩm xảy ra khơng được vượt quá phạm vi nhiệt độ cho phép.
Kết quả là phương pháp đo nhiệt lượng chỉ được ứng dụng giới hạn trong việc xác định
nhiệt dung riêng của thực phẩm đơng lạnh. Vì vậy phải có phương pháp khác để xác
định giá trị thực nghiệm enthalpy của thực phẩm đông lạnh trong một phạm vi nhiệt độ
cho phép. Phương pháp phân tích nhiệt vi sai của enthalpy có thể được sử dụng để tính
tốn nhiệt dung riêng hiệu dụng của thực phẩm dựa trên cơ sở thực nghiệm của enthalpy
và nhiệt độ
Bảng 2.2. Các phương trình dự đốn nhiệt dung riêng các thành phần của thực phẩm

theo nhiệt độ[15]
Thành phần chính
Cacbonhydrat

Cơng thức
C = 1,5488 + 1,9625 x 10-3t – 5,9399 x10-6t2

a

Chất xơa

C = 1,8459 + 1,8306 x 10-3t – 4,6509 x10-6t2

Proteina

C = 2,0082 + 1,2089 x 10-3t – 1,2139 x10-6t2

Chất béoa

C = 1,9842 + 1,4733 x 10-3t – 4,8008 x10-6t2

Troa

C = 1,0926 + 1,8896 x 10-3t – 3,6817 x10-6t2

Nướcb

C = 4,0817 – 5,3062 x 10-3t + 9,9516 x10-6t2

Nướcc

C = 4,0817 – 5,3062 x 10-3t + 9,9516 x10-6t2

Băng

C = 2,0623 + 6,0769 x 10-3t

a

t : -40 đến – 150C

b
c

t : -40 đến 0C

t : 0 đến 150C

❖ Biến thiên nhiệt dung riêng
Các thành phần trong thực phẩm như nước, protein, mỡ, hyđrocacbon, chất xơ,…
thay đổi khác nhau đối với mỗi loại thực phẩm và cũng thay đổi trong cùng một loại
thực phẩm khi nhiệt độ thay đổi.
Cơng thức chung để tính nhiệt dung riêng của các thực phẩm theo nhiệt dung riêng
của các thành phần là
C =  (C j x j )
n

(2.8)

j =1

Cj –Nhiệt dung riêng của các thành phần thực phẩm, kJ/kgK
xj – Thành phần khối lượng của các thành phần thực phẩm, %
Đối với thực phẩm chưa kết đơng, nếu chưa biết chính xác về thành phần cấu tạo của
thực phẩm thì theo Chen (1985)[15] được tính theo công thức sau:
C pu = 4,19 − 2,30.xs − 0,628.xs3

(2.9)

Trong đó:
xs – Thành phần khối lượng của thể rắn trong khối thực phẩm: xs =1- xwo
xwo – Thành phần khối lượng nước nguyên thủy có trong thực phẩm
40


Đối với thực phẩm đã kết đơng do có sự chuyển pha nên tính tốn nhiệt dung riêng khó
khăn và phức tạp hơn. Nhiệt dung riêng phải được kể đến gồm cả nhiệt hiện và nhiệt ẩn.
Có rất nhiều các cơng thức của nhiều tác giả đưa ra để tính nhiệt dung riêng của sản
phẩm được kết đông.
Theo Schwartzberg (1976)[17] cơng thức chung để dự đốn nhiệt dung riêng của
thực phẩm là:
 R.t02

C = C pu + ( xb − xwo ) C + Exs 
− 0,8C 
2
 M wt


(2.10)

Trong đó:
ΔC - Hiệu nhiệt dung riêng của nước và của nước đá
ΔC = Cw - Ci
E - Tỷ số khối lượng phân tử của nước Mw và thành phần thể rắn Ms, E = Mw/Ms
Schwartzberg [18] đã phát triển và mở rộng cơng thức tính nhiệt dung riêng xuống dưới
điểm kết đông như sau:
 Lv .( t0 − t f ) 
C pi = C f + ( xw0 − xb ) . 

 t0 − t 

(2.11)

Với: Cf - Nhiệt dung riêng của thực phẩm đã kết đơng hồn tồn
Chen (1985) đã đưa ra phương trình phát triển từ phương trình của Siebel (1892) tính
nhiệt dung riêng như sau[15]:
C pi = 1,55 + 1,26.xs +

xs Rt02
M st 2

(2.12)

Thay (2.5) vào phương trình (2.12) ta được
C pi = 1,55 + 1,26.xs +

( xw0 − xb ).Lv .t f
t2

(2.13)

Quan sát biểu đồ dưới đây để thấy được sự thay đổi của nhiệt dung riêng ứng với
nhiệt độ cho một loại thực phẩm trong q trình cấp đơng.

Hình 2.4 Biểu đồ nhiệt dung riêng theo nhiệt độ trong suốt quá trình cấp đông
b. Enthalpy
❖ Enthalpy và phương pháp đo.
41


Enthalpy được định nghĩa là hàm lượng nhiệt trên một đơn vị khối lượng của một
nguyên liêu thực phẩm. Đơn vị của enthalpy là (kJ/kg).
Phương pháp đo phổ biến để xác định enthalpy của thực phẩm đông lạnh là phương
pháp đo nhiệt lượng. Tuy nhiên việc xác định enthalpy có thể dựa vào tỷ lệ kết đông cho
một vài loại thực phẩm khác nhau. Enthalpy trong thực phẩm đông lạnh có thể thay đổi
trong thời gian bảo quản ngay cả ở nhiệt độ khơng đổi nếu có sự thay đổi tỷ lệ phần trăm
nước không kết đông trong thực phẩm. Vì vậy Riedel đã xây dựng các cơ sở dữ liệu cơ
bản của enthalpy cho một số loại thực phẩm đông lạnh trong một phạm vi rộng và một
phần cơ sở dữ liệu được cho trong trong Bảng 2.3. Trong Bảng 2.3 enthalpy được giả
định là không ở -400C, biểu hiện cho sự thay đổi enthalpy theo nhiệt độ của thực phẩm
được thể hiện như Hình 2.3.
❖ Biến thiên enthalpy của thực phẩm
Sự biến thiên enthalpy của các loại thực phẩm dùng để đánh giá năng lượng phải
thêm vào hay lấy đi tương ứng với sự thay đổi nhiệt độ. Ở trên điểm kết đông enthalpy
chứa đựng nhiệt hiện, ở dưới điểm kết đông enthalpy chứa đựng nhiệt ẩn. Enthalpy có
thể xác định dựa vào định nghĩa nhiệt dung riêng đẳng áp [4].
 H 
C =


 t  p

(2.14)

Đối với thực phẩm chưa kết đơng: Vì mỗi loại thành phần trong thực phẩm tại
nhiệt độ trên điểm kết đông ban đầu của chúng đều có enthalpy ứng với nhiệt dung riêng
trên điểm kết đông. Nên enthalpy của thực phẩm chưa kết đông được xác định dựa vào
nhiệt dung riêng bằng cách lấy tích phân phương trình (2.14).

(

H =  ( H j x j ) =   C j x j dt
n

n

j =1

j =1

)

(2.15)

Trong đó: Hj - Enthalpy của các thành phần trong thực phẩm.
Theo phương pháp tính của Chen (1985), nếu như các dữ liệu thành phần không đầy đủ
thì enthalpy của thực phẩm chưa kết đơng được tính dựa vào cơng thức [13]:
H = H f + (t − t f )(4,19 + 2,30 xs − 0,628 xs3 )

(2.16)

Đối với thực phẩm đã kết đông: Theo Schwartzberg (1976)[17] enthalpy của thực phẩm
được tính bằng cách lấy tích phương trình (2.15) từ nhiệt độ tr đến nhiệt độ t.


 
Rt02
H = ( t − tr )  Cu + ( xb − xwo )  C + Exs 


18 ( t0 − tr )( t0 − t )  

(2.17)

Thường thì nhiệt độ tham chiếu tr được lấy ở -400C (233,2 K) ở điểm mà enthalpy có
giá trị bằng 0.
Enthalpy dưới điểm kết đơng cịn được xác định theo công thức của Chen (1985)[15]

x Rt 2 
H = ( t − t f ) 1,55 + 1, 26 xs + s o 
M s ttr 


(2.18)

42


Hình 2.5 Biểu đồ enthalpy theo nhiệt độ trong suốt q trình cấp đơng
Qua thực nghiệm Chao và Tao (1981)[4] đã xây dựng mối quan hệ tính enthalpy của

một số loại thực phẩm. Mối quan hệ này được đặc trưng bởi: hàm lượng nước, nhiệt độ
ban đầu, nhiệt độ cuối, thành phần thực phẩm (thịt, cá, hoa quả, …)
z
H = H f  yt + (1 − y )t 



(2.19)

Trong đó:
t - Độ giảm nhiệt độ t =

t − tr
t f − tr

tr - Nhiệt độ tham chiếu
y, z - Các tham số liên hệ
Phân tích các số liệu trong tài liệu Chao và Tao đã xây dựng được các quan hệ xác định
y và z để sử dụng công thức (2.19)
• Đối với thịt:
y = 0,316 − 0, 247 ( xwo − 0, 73) − 0, 688 ( xwo − 0, 73)
z = 22,95 − 54, 68 ( y − 0, 28 ) − 5589, 03 ( y − 0, 28 )

2

(2.20)

2

• Đối với trái cây, rau và nước trái cây:

y = 0,362 − 0, 0498 ( xwo − 0, 73) − 0, 688 ( xwo − 0, 73)
z = 2, 72 − 129, 04 ( y − 0, 23) − 481, 46 ( y − 0, 23)

2

2

(2.21)

c. Hệ số khuếch tán nhiệt
❖ Biến thiên hệ số khuếch tán nhiệt trong q trình cấp đơng
Tính chất vật lý quan trọng trong quá trình truyền nhiệt là hệ số khuếch tán nhiệt,
xuất hiện trong phương trình của Fourier:

43


  2 t  2t  2t 
t
= a 2 + 2 + 2 

y
z 
 x

(2.22)

Bảng 2.3 Các phương trình dự đốn hệ số khuếch tán nhiệt của các thành phần [15]
Thành phần chính
Carbohydrate

Cơng thức tính*
a = 8, 0842  10−2 + 5, 3052  10−4 t − 2, 3218  10−6 t 2

Xơ

a = 7,3979 10−2 + 5,1902 10−4 t − 2,2202 10−6 t 2

Protein

a = 6,8714 10−2 + 4,7578 10−4 t − 1,4646 10−6 t 2

Mỡ

a = 9,8777 10−2 − 1,2569 10−4 t − 3,8286 10−8 t 2

Tro
Nước

a = 1,246110−2 + 3,7312 10−4 t − 1,2244 10−6 t 2

Băng

a = 1,1756 − 6,0833 10−3 t + 9,5037 10−5 t 2

a = 1,3168 10−1 + 6,2477 10−4 t − 2,4022 10−6 t 2

* nhiệt độ từ -40C đến 150C

Hệ số khuếch tán nhiệt a [m2/s] được tính như sau:

a=


C

(2.23)

λ - Hệ số dẫn nhiệt [W/m.K]
C - Nhiệt dung riêng [kJ/kg.K]

 - Khối lượng riêng [kg/m3]
Mà , C,  đều là những hàm số biến thiên theo nhiệt độ. Như vậy, ứng với mỗi
khoảng nhiệt độ khác nhau thì hệ số khuếch tán nhiệt sẽ khác nhau nghĩa là a cũng là
một hàm số biến thiên theo nhiệt độ a(t).

Hình 2.6 Quan hệ giữa hệ số khuếch tán nhiệt và nhiệt độ
44


Ngồi cách tìm hệ số a bằng cơng thức (2.23) ta cịn có một số ít giá trị a ứng với những
giá trị nhiệt độ cụ thể nhờ vào kết quả thực nghiệm.
d. Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng
❖ Định nghĩa
Hệ số dẫn nhiệt của của nguyên liệu thực phẩm là thước đo khả năng dẫn nhiệt của
thực phẩm. Theo định luật Fourier thì hệ số dẫn nhiệt là nhiệt lượng Q truyền qua một
tấm vật liệu mỏng được xác định như sau[4]:
t −t 
Q =  A 1 2 
(2.24)
  

Trong đó:
A là diện tích của bề mặt vật liệu (m2)
t1, t2 là nhiệt độ của bề mặt vật liệu ( C)
 là độ dày của vật liệu (m)
 là hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm (W/m. C)
❖ Thông số và các đại lượng đo của hệ số dẫn nhiệt[2]
Các phương pháp đo lường hệ số dẫn nhiệt được nhóm lại ở trạng thái ổn định.
Tấm chắn nhiệt và cảm biến nhiệt là hai thiết bị thí nghiệm được sử dụng để đo hệ số
dẫn nhiệt, đối với những loại thực phẩm có hệ số dẫn nhiệt thấp thì phải mất một khoảng
thời gian khá dài để đạt được trạng thái ổn định, kết quả làm biến đổi độ ẩm và làm thay
đổi đặc tính của thực phẩm do tiếp xúc quá lâu ở nhiệt độ cao. Các thiết bị tiêu chuẩn
kỹ thuật được sử dụng để đo hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm như tấm chắn nhiệt chỉ làm
việc tốt đối với các vật liệu sinh học nhưng khơng thích hợp đối với các loại thực phẩm
do thời gian dài để cân bằng nhiệt, độ ẩm thay đổi và khơng thích hợp đối với các mẫu
lớn.
Vì vậy thiết bị kỹ thuật để đo hệ số dẫn nhiệt của nguyên liệu thực phẩm đòi hỏi
thời gian đo ngắn và mẫu tương đối nhỏ. Thăm dò các nguồn nhiệt dẫn nhiệt, dựa trên
các kỹ thuật chuyển đổi, được khuyến khích để ứng dụng cho các loại thực phẩm nhất.

Hình 2.7 Mặt cắt của thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt với đường kính D và chiều dài L
Qua q trình thí nghiệm và khảo sát trên các loại thực phẩm với thiết bị đo hệ số dẫn
nhiệt thì nhiệt dung riêng của thực phẩm được rút ra bởi công thức :
ln ( 2 −  1 ) ( 1 −  0 ) 
(2.25)
 =Q 
4 ( t2 − t1 )
Trong đó :
 là hệ số dẫn nhiệt của vật mẫu.
Q là nguồn nhiệt phát ra khi gia nhiệt đầu dò.
t1, t2 là nhiệt độ của cặp nhiệt thăm dò ứng với các thời điểm 1 và 2.

Sự biến đổi hệ số dẫn nhiệt trong thực phẩm đông lạnh như là một hàm của độ ẩm và
nhiệt độ được đưa ra trong Bảng 2.4.
45


Bảng 2.4 Các phương trình dự đốn hệ số dẫn nhiệt của các thành phần [15]
Thành phần chính Cơng thức tính
Carbohydrate
 = 0,20141 + 1,3874 x 10-3t – 4,3312 x 10-6 t2
Xơ
 = 0,18331 + 1.2497 x 10-3t – 3,1683 x 10-6 t2
Protein
= 0,17881 + 1,1958 x 10-3t – 2,7178 x 10-6 t2
Mỡ
 = 0,18071+ 1,1958 x 10-3t – 1,7749 x 10-6 t2
Tro
 = 0,32962 + 1,4011 x 10-3t – 2,9069 x 10-6 t2
Nước
 = 0,57109 + 1,7625x 10-3t – 6,7026 x 10-6 t2
Băng
 = 2,2196 – 6,2489 x 10-3t + 1,0154 x 10-4t2
*: nhiệt độ từ -40C đến 150C
❖ Biến thiên hệ số dẫn nhiệt
Hệ số dẫn nhiệt nói lên mối quan hệ giữa tốc độ truyền nhiệt với gradien nhiệt
độ. Hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm phụ thuộc vào thành phần, sự sắp xếp cấu trúc vật lý
của mỗi thành phần và nhiệt độ của thực phẩm. Cấu trúc của thực phẩm có ảnh hưởng
đáng kể đến hệ số dẫn nhiệt của nó. Những loại thực phẩm có chứa nhiều chất xơ có hệ
số dẫn nhiệt khác nhau tùy thuộc vào sự sắp xếp các sợi xơ theo chiều song song hoặc
vng góc. Độ xốp cũng có một ảnh hưởng lớn đến hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm. Đối
với thực phẩm có cấu trúc và thành phần phức tạp rất khó để xác định chính xác biểu đồ

hệ số dẫn nhiệt của chúng.

Hình 2.8: Biểu đồ hệ số dẫn nhiệt theo nhiệt độ trong suốt quá trình cấp đơng
Theo mơ hình đẳng hướng, trong hệ hai thành phần gồm pha liên tục và không liên
tục trong đó hệ số dẫn nhiệt khơng phụ thuộc vào hướng dòng nhiệt, Kopelman (1966)
đã phát triển các biểu thức sau cho tính hệ số dẫn nhiệt[15].
 1 − L2

 = c 

2
1 − L (1 − L ) 

(2.26)

Trong đó:
λc - Hệ số dẫn nhiệt của pha liên tục
3
L3- Thành phần thể tích phân bố của pha khơng liên tục, L2 = ( L3 ) , L = L3
2/3

46


Trong công thức (2.26) hệ số dẫn nhiệt của pha liên tục được xem là lớn hơn rất
nhiều so với hệ số dẫn nhiệt của pha không liên tục. Tuy nhiên, nếu hệ số dẫn nhiệt của
pha không liên tục lớn hơn hệ số dẫn nhiệt của pha liên tục nhiều thì biểu thức sau được
sử dụng để tính tốn hệ số dẫn nhiệt của hỗn hợp đẳng hướng[15].



1− M

1 − M (1 − L ) 

 = c 

(2.27)

Trong đó:
M = L2(1-λd/λc)
λd - Hệ số dẫn nhiệt của pha không liên tục.
Đối với hệ hai thành phần không đẳng hướng thì hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc vào hướng
dịng nhiệt trong các loại vật liệu thực phẩm có thớ. Kopelman (1966) đã phát triển hai
biểu thức để tính tốn hệ số dẫn nhiệt. Trong trường hợp dòng nhiệt song song với các
thớ thực phẩm Kopeman đã đề xuất ra biểu thức sau đây để tính hệ số dẫn nhiệt λ–.








= = c 1 − N 2 1 −

d
c




 

(2.28)

Trong đó:
N2 – Thành phần thể tích phần khơng liên tục trong vật liệu thực phẩm có thớ
Nếu dịng nhiệt vng góc với các thớ của thực phẩm thì biểu thức tính hệ số dẫn
nhiệt có dạng:
 1− p 
⊥ = c 

1 − p (1 − N ) 

(2.29)

Trong đó: p = N (1 − λd/λc)
Levy (1981)[19] đã giới thiệu phương trình Maxwell-Eucken đã được sửa đổi và tính
hệ số dẫn nhiệt cho hệ hai thành phần như sau:
=

2 ( 2 +  ) + 2 (  − 1) F1 

( 2 +  ) − (  − 1) F1

(2.30)

Trong đó:
Λ - Tỷ số dẫn nhiệt (Λ = λ1/λ2)
λ1, λ2 - Hệ số dẫn nhiệt của thành phần thứ nhất và thành phần thứ hai.

Tham số F1 được Levy giới thiệu như sau:
0.5 

2 8R 

 2

2



F = 0.5  − 1 + 2 R  −  − 1 + 2 R  − 1 

1
1
1
  
  

 





(2.31)

Trong đó:

(  − 1)

=
2
(  + 1) + (  / 2 )
2

(2.32)

47


và R1 là thể tích của thành phần 1, hoặc
 1
   
R1 = 1 +  − 1 1  
  2  
  x1

Trong đó:

−1

(2.33)

x1 – Khối lượng của thành phần 1
1, 2 – Khối lượng riêng của thành phần thứ nhất và thứ hai

Để sử dụng phương pháp Levy cần thực hiện theo các bước sau:
1. Tính tỉ số hệ số dẫn nhiệt 
2. Xác định thể tích của thành phần 1 (dùng cơng thức 2.33)
3. Tính  theo cơng thức (2.32)

4. Xác định F1 theo cơng thức (2.31)
5. Tính hệ số dẫn nhiệt của hệ hai thành phần qua công thức (2.30)
Nhiều nhà nghiên cứu đã đề nghị sử dụng mơ hình đặc tính dẫn nhiệt song song
và vng góc dựa trên mơ hình tương tự như trở kháng điện (Murakami và Oko
1989)[4].
Mơ hình hệ số dẫn nhiệt theo hướng song song là tổng các hệ số dẫn nhiệt của
các thành phần trong thực phẩm với các thành phần thể tích tương ứng:

= =  xiv i

(2.34)

Trong đó: xiv - Thành phần thể tích của thành phần thứ i.
Thành phần thể tích của thành phần thứ i được xác định theo công thức
xiv =

xi / i
 xi / i

(

)

(2.35)

Mơ hình hệ số dẫn nhiệt theo hướng vng góc là nghịch đảo của tổng các thành
phần thể tích chia cho các hệ số dẫn nhiệt của các thành phần thực phẩm tương ứng.
⊥ =

1

 ( xiv /  )

(2.36)

i

Hai mơ hình này được dùng để dự đoán giới hạn trên và giới hạn dưới của hệ số
dẫn nhiệt của hầu hết các loại thực phẩm.
e. Khối lượng riêng
❖ Biến thiên khối lượng riêng
Khối lượng riêng được định nghĩa là khối lượng trên đơn vị thể tích, đơn vị trong
hệ SI là kg/m3. Vì các mẫu thực phẩm có các hình dạng và kích thước khác nhau khó
xác định chính xác thể tích của thực phẩm nên đối với thực phẩm là chất rắn thì ta cho
một khối lượng mẫu thử vào bình hiệu chỉnh thể tích, đổ đầy bằng nước chưng cất ở
22oC và tính tốn khối lượng riêng theo cơng thức sau:
m
m
(2.37)
=
=
Vs

V − Vw

48


Trong đó:

m và Vs - Khối lượng và thể tích của mẫu thử

Vw - thể tích nước được đưa vào

Bảng 2.5 Các phương trình dự đốn khối lượng riêng của các thành phần [15]
Thành phần chính
Carbohydrate
Xơ
Protein
Mỡ
Tro

Cơng thức tính
 = 1,5591103 − 3,1046  10−1t
 = 1,3115 103 − 3,6589 10−1t
 = 1,3299  103 − 5,1840  10−1t
 = 9,2559 103 − 4,1757 10−1t
 = 2,4238 103 − 2,8063 10−1t

Nước

 = 9,9718 102 + 3,1439 10−3 t − 3,7574 10−3 t 2

Băng

 = 9,1689 102 − 1,307110−1t

*: nhiệt độ từ -40C đến 150C
Hình 2.9 nói lên sự thay đổi khối lượng riêng theo nhiệt độ đối với thực phẩm có
độ ẩm cao trong suốt q trình đơng lạnh. Khối lượng riêng của thực phẩm làm lạnh
đông và rã đông là hằng số, theo Helman sự thay đổi trong khối lượng riêng của trái dâu
trong suốt q trình đơng lạnh từ 5 đến -40oC là thấp hơn 10%. Tuy nhiên có sự giảm

đáng kể về khối lượng riêng tại bên dưới điểm đóng băng khi thành phần đá trong sản
phẩm tăng lên. Như vậy khối lượng riêng của thực phẩm đông lạnh thay đổi và phụ
thuộc hàm lượng đá hình thành trong q trình đơng lạnh.
Khối lượng riêng của thực phẩm đơng lạnh được xác định như sau:

1



=

xuw

uw

+

xs

+

s

xi

i

(2.38)

Trong đó:

 - Khối lượng riêng

uw , s , i - Khối lượng riêng của nước không đông, thành phần thể rắn và băng
xuw , xs , xi - Phần trăm khối lượng tương ứng của các thành phần.

Trạng thái rỗng xốp của thực phẩm ảnh hưởng rất lớn đến khối lượng riêng vì vậy
Mannaperunma và Singh[18] đã hiệu chỉnh công thức trên thành:
1



=

1
1− 

n

xj


j =1

(2.39)

j

Với: ε- Độ rỗng xốp của thực phẩm, đối với các sản phẩm thịt, cá ε=0
x j ,  j - Thành phần khối lượng và khối lượng riêng của các thành phần thực phẩm

49