Tổng quan nghiên cứu

Phụ phẩm lá ngoài cải thảo (Brassica rapa subsp. Pekinensis) chiếm khoảng 35% tổng sinh khối cây cải thảo, với sản lượng toàn cầu ước tính khoảng 24 triệu tấn năm 2018. Đây là nguồn nguyên liệu giàu các hợp chất hoạt tính sinh học như phenolic và flavonoid, có tiềm năng ứng dụng trong thực phẩm bảo vệ sức khỏe, dược phẩm và mỹ phẩm. Tuy nhiên, phụ phẩm này thường bị bỏ đi sau thu hoạch, gây lãng phí tài nguyên và ô nhiễm môi trường.

Quá trình sấy nhiệt là phương pháp phổ biến để bảo quản và chế biến phụ phẩm sau thu hoạch, giúp giảm độ ẩm, kéo dài thời gian bảo quản và tạo ra sản phẩm bột tiện lợi. Tuy nhiên, nhiệt độ và thời gian sấy ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm cuối cùng, đặc biệt là hàm lượng phenolic và hoạt tính kháng oxy hóa. Nghiên cứu này nhằm khảo sát ảnh hưởng của các thông số sấy như nhiệt độ (50 - 90℃) và tốc độ gió (0.5 - 1.2 m/s) đến chất lượng bột phụ phẩm lá ngoài cải thảo, đồng thời xây dựng các phương trình động học mô tả quá trình sấy và phân hủy phenolic.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào phụ phẩm lá ngoài cải thảo thu hoạch tại tỉnh Lâm Đồng, Việt Nam, trong khoảng thời gian từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2024. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu hóa quy trình chế biến phụ phẩm cải thảo, góp phần nâng cao giá trị gia tăng và phát triển bền vững ngành công nghệ thực phẩm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết quá trình sấy: Quá trình sấy được chia thành hai giai đoạn chính là giai đoạn đẳng tốc (tốc độ bay hơi ẩm không đổi) và giai đoạn giảm tốc (tốc độ bay hơi giảm dần). Sự truyền nhiệt và khử ẩm được mô tả qua các mô hình toán học như mô hình Henderson và Pabis, mô hình Newton, và các mô hình khuếch tán ẩm.

  • Động học phân hủy phenolic: Sự phân hủy phenolic trong quá trình sấy được mô hình hóa theo phương trình Arrhenius và mô hình Eyring-Stearn, cho phép xác định hằng số tốc độ phân hủy (kin), năng lượng hoạt hóa (Ea), enthalpy (∆H), entropy (∆S) và năng lượng tự do Gibbs (∆G).

  • Khái niệm phenolic và hoạt tính kháng oxy hóa: Phenolic là nhóm hợp chất có vai trò quan trọng trong khả năng chống oxy hóa, giúp bảo vệ tế bào khỏi tổn thương do gốc tự do. Hoạt tính kháng oxy hóa được đánh giá qua các phương pháp DPPH và FRAP.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nguyên liệu là phụ phẩm lá ngoài cải thảo tươi thu hoạch từ nông trại tại tỉnh Lâm Đồng. Mẫu được xử lý chần và không chần trước khi sấy.

  • Thiết kế thí nghiệm: Sấy mẫu ở các nhiệt độ 50, 60, 70, 80, 90℃ với tốc độ gió cố định 1.2 m/s để khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ; khảo sát ảnh hưởng tốc độ gió ở các mức 0.5, 0.8, 1.0, 1.2 m/s ở nhiệt độ tối ưu 80℃. Mỗi thí nghiệm lặp lại 3 lần.

  • Phân tích chất lượng: Đo độ ẩm, hàm lượng phenolic tổng (mg GAE/kg chất khô), hoạt tính kháng oxy hóa theo DPPH và FRAP (µmol TE/kg chất khô). Đánh giá tính chất hóa lý của bột như hàm lượng protein, chất xơ, tinh bột, màu sắc, khả năng hút nước và hút dầu.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng mô hình Henderson và Pabis để mô hình hóa động học sấy, phương trình Arrhenius để tính toán động học phân hủy phenolic. Phân tích phương sai ANOVA với mức ý nghĩa 5% để đánh giá sự khác biệt giữa các mẫu.

  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2024, bao gồm thu nhận nguyên liệu, xử lý mẫu, tiến hành sấy, phân tích và xử lý số liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình sấy và độ ẩm:

    • Độ ẩm ban đầu của mẫu không chần là 88%, mẫu có chần là 93%.
    • Thời gian sấy để đạt độ ẩm bảo quản (10-12%) giảm từ 210 phút (50℃) xuống còn 135 phút (90℃) đối với mẫu không chần, giảm từ 200 phút xuống 120 phút đối với mẫu có chần.
    • Hằng số tốc độ sấy (k) tăng theo nhiệt độ, với giá trị k ở 90℃ cao hơn 1.39 lần (không chần) và 1.53 lần (có chần) so với 50℃.

  2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng phenolic tổng:

    • Hàm lượng phenolic tổng ban đầu khoảng 8461 mg GAE/kg chất khô (không chần) và 8398 mg GAE/kg chất khô (có chần).
    • Sau sấy ở 80℃, hàm lượng phenolic còn lại là 4977 mg GAE/kg (có chần) và 4343 mg GAE/kg (không chần), tương ứng giữ lại 59.2% và 51.3% so với mẫu tươi.
    • Ở nhiệt độ thấp (50℃), hàm lượng phenolic giảm nhiều hơn do hoạt động enzyme oxy hóa chưa bị vô hoạt hoàn toàn.

  3. Động học phân hủy phenolic:

    • Hằng số phân hủy phenolic (kin) lớn nhất tại 90℃ là 0.004 phút⁻¹ (không chần) và 0.0035 phút⁻¹ (có chần).
    • Thời gian bán hủy (t₁/₂) phenolic giảm khi nhiệt độ tăng, cho thấy nhiệt độ cao thúc đẩy quá trình phân hủy phenolic.
    • Mô hình Eyring-Stearn phù hợp với dữ liệu thực nghiệm với hệ số tương quan R² > 0.95.

  4. Ảnh hưởng của tốc độ gió đến quá trình sấy và chất lượng:

    • Tăng tốc độ gió từ 0.5 đến 1.2 m/s làm giảm thời gian sấy khoảng 20-30%.
    • Hàm lượng phenolic và hoạt tính kháng oxy hóa được giữ lại tốt hơn ở tốc độ gió cao do thời gian sấy ngắn hơn.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy quá trình chần trước khi sấy giúp vô hoạt enzyme, giảm thiểu sự phân hủy phenolic do enzyme oxy hóa, từ đó giữ lại hàm lượng phenolic và hoạt tính kháng oxy hóa cao hơn. Nhiệt độ sấy cao (80-90℃) rút ngắn thời gian sấy, giảm tổn thất phenolic do thời gian tiếp xúc nhiệt ngắn, mặc dù nhiệt độ cao có thể gây phân hủy nhiệt một phần phenolic. Tốc độ gió cao hỗ trợ quá trình bay hơi nước nhanh hơn, giảm thời gian sấy và bảo toàn chất lượng sản phẩm.

So với các nghiên cứu trước đây trên bông cải xanh và các loại rau họ cải khác, kết quả tương đồng về ảnh hưởng của nhiệt độ và xử lý chần đến chất lượng phenolic và hoạt tính kháng oxy hóa. Việc áp dụng mô hình Henderson và Pabis cùng mô hình Arrhenius giúp dự đoán chính xác động học sấy và phân hủy phenolic, hỗ trợ tối ưu hóa quy trình công nghiệp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đường cong tỷ số ẩm theo thời gian, biểu đồ biến đổi hàm lượng phenolic và hoạt tính kháng oxy hóa theo nhiệt độ và tốc độ gió, cũng như bảng tổng hợp các thông số động học và nhiệt động lực học.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình chần trước khi sấy nhằm vô hoạt enzyme, giảm tổn thất phenolic và tăng chất lượng bột phụ phẩm. Thời gian chần 2 phút ở 80℃ được khuyến nghị.

  2. Sấy ở nhiệt độ 80℃ với tốc độ gió 1.2 m/s để cân bằng giữa thời gian sấy ngắn và bảo toàn hoạt chất sinh học, đạt độ ẩm bảo quản khoảng 12.8% trong 130 phút.

  3. Xây dựng hệ thống kiểm soát nhiệt độ và tốc độ gió tự động trong dây chuyền sấy để đảm bảo ổn định chất lượng sản phẩm, giảm thiểu sai số và tổn thất.

  4. Phát triển sản phẩm bột phụ phẩm cải thảo ứng dụng trong thực phẩm chức năng, gia vị tự nhiên, hoặc bổ sung chất xơ và chất chống oxy hóa trong thực phẩm chế biến.

  5. Khuyến khích nghiên cứu tiếp theo về ảnh hưởng của các phương pháp sấy khác như sấy lạnh, sấy chân không để so sánh hiệu quả bảo toàn chất lượng và chi phí năng lượng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô hình động học hữu ích cho các đề tài liên quan đến bảo quản và chế biến nông sản.

  2. Doanh nghiệp chế biến thực phẩm và nông sản: Tham khảo quy trình sấy tối ưu để phát triển sản phẩm bột phụ phẩm cải thảo chất lượng cao, nâng cao giá trị gia tăng.

  3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách nông nghiệp: Cung cấp cơ sở khoa học cho các chương trình phát triển nông nghiệp tuần hoàn, giảm lãng phí phụ phẩm nông nghiệp.

  4. Nhà sản xuất thiết bị sấy và công nghệ chế biến: Tham khảo các thông số kỹ thuật và mô hình động học để thiết kế, cải tiến thiết bị phù hợp với nguyên liệu đặc thù.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần xử lý chần trước khi sấy phụ phẩm cải thảo?
    Chần giúp vô hoạt enzyme oxy hóa như polyphenoloxidase, giảm sự phân hủy phenolic trong quá trình sấy, từ đó giữ lại hoạt tính kháng oxy hóa cao hơn.

  2. Nhiệt độ sấy tối ưu để bảo toàn phenolic là bao nhiêu?
    Nhiệt độ 80℃ được xác định là tối ưu, cân bằng giữa thời gian sấy ngắn và giữ lại khoảng 51-59% hàm lượng phenolic so với mẫu tươi.

  3. Tốc độ gió ảnh hưởng thế nào đến chất lượng bột?
    Tăng tốc độ gió giúp giảm thời gian sấy, hạn chế tổn thất phenolic và hoạt tính kháng oxy hóa do giảm thời gian tiếp xúc nhiệt.

  4. Mô hình Henderson và Pabis có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
    Mô hình này mô tả chính xác động học sấy của phụ phẩm cải thảo, giúp dự đoán tỷ số ẩm theo thời gian và tối ưu hóa quy trình sấy.

  5. Có thể ứng dụng kết quả nghiên cứu này vào sản xuất công nghiệp không?
    Có, quy trình và thông số sấy được đề xuất phù hợp để áp dụng trong sản xuất bột phụ phẩm cải thảo quy mô công nghiệp, nâng cao giá trị sản phẩm và giảm lãng phí.

Kết luận

  • Phụ phẩm lá ngoài cải thảo chứa hàm lượng phenolic và hoạt tính kháng oxy hóa cao, có tiềm năng ứng dụng trong thực phẩm chức năng và bảo vệ sức khỏe.
  • Quá trình sấy nhiệt ảnh hưởng rõ rệt đến chất lượng bột, trong đó nhiệt độ 80℃ và tốc độ gió 1.2 m/s là điều kiện tối ưu.
  • Xử lý chần trước khi sấy giúp bảo toàn phenolic và rút ngắn thời gian sấy.
  • Mô hình Henderson và Pabis cùng phương trình Arrhenius mô tả chính xác động học sấy và phân hủy phenolic.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để phát triển quy trình chế biến phụ phẩm cải thảo, góp phần nâng cao giá trị gia tăng và phát triển bền vững ngành công nghệ thực phẩm.

Hành động tiếp theo: Áp dụng quy trình sấy tối ưu trong sản xuất thử nghiệm quy mô công nghiệp, đồng thời mở rộng nghiên cứu các phương pháp sấy khác để nâng cao chất lượng sản phẩm.