Chương 1 CƠ SỞ CỦA QUÁ TRÌNH LÀM LẠNH 1. TÁC DỤNG CỦA NHIỆT ĐỘ THẤP ĐỐI VỚI THỰC PHẨM Năm 1745, nhà bác học Nga Lomonosov trong một luận án nổi tiếng “Bàn về nguyên nhân của nóng và lạnh” đã cho rằng: “những quá trình sống và thối rửa diễn ra nhanh hơn do nhiệt độ cao và kìm hãm chậm lại do nhiệt độ thấp”. Biến đổi hóa sinh của thực phẩm tăng nhanh ở nhiệt độ cao làm phân giải enzyme trong bản thân thực phẩm, còn ở nhiệt độ thấp các phản ứng hóa sinh trong thực phẩm bị ức chế hoặc giảm. Trong phạm vi nhiệt độ bình thường cứ giảm 100C thì tốc độ phản ứng giảm xuống từ 1/2 đến 1/3 lần.
Nhiệt độ tác dụng đến hoạt động của các enzyme phân giải, nhưng nhiệt độ thấp không tiêu diệt được các enzyme mà chỉ có tác dụng kìm hãm sự hoạt động các enzyme. Nhiệt độ xuống dưới 00C, phần lớn hoạt động của enzyme bị đình chỉ, tuy nhiên một số enzyme như lipase, trypsin, catalase ở nhiệt độ tuyệt đối -191,70C cũng không bị phá huỷ. Nhiệt độ càng thấp khả năng phân giải càng giảm, khi nhiệt độ giảm thì hoạt động sống của tế bào giảm là do: - Cấu trúc tế bào bị co rút. - Độ nhớt dịch tế bào tăng.
- Sự khuếch tán nước và các chất tan của tế bào giảm. - Hoạt tính của enzyme có trong tế bào giảm. Các tế bào thực vật có cấu trúc đơn giản, hoạt động sống có thể độc lập với cơ thể sống, vì vậy khả năng chịu lạnh cao, đa số tế bào thực vật không bị chết khi nước trong nó chưa đóng băng. Tế bào động vật có cấu trúc và hoạt động sống phức tạp, gắn liền với cơ thể sống.
Vì vậy khả năng chịu lạnh kém hơn. Đa số tế bào động vật chết khi nhiệt độ giảm xuống dưới 40C so với thân nhiệt bình thường của nó. Tế bào động vật chết chủ yếu là do độ nhớt tăng và sự phân lớp của các chất tan trong cơ thể. Một số loài động vật có khả năng tự điều chỉnh hoạt động sống khi nhiệt độ giảm, cơ thể giảm các hoạt động sống đến mức nhu cầu bình thường của điều kiện môi trường trong một khoảng thời gian nhất định.
Khi tăng nhiệt độ, hoạt 11 động sống của chúng phục hồi, điều này được ứng dụng trong vận chuyển động vật, đặc biệt là thuỷ sản ở dạng tươi sống, đảm bảo chất lượng tốt và giảm chi phí vận chuyển. Ảnh hưởng của nhiệt độ thấp đối với vi sinh vật và khả năng chịu lạnh của mỗi loài vi sinh vật có khác nhau, một số loài vi sinh vật bị tiêu diệt ở nhiệt độ 200C, một số loài khác thì ở nhiệt độ thấp hơn. Khi nhiệt độ tiếp tục hạ xuống thấp, ở điều kiện nước kết đông, nước trong tế bào vi sinh vật đông đặc làm phá vỡ màng tế bào sinh vật. Mặt khác nhiệt độ lạnh đông, nước đóng băng làm mất môi trường khuếch tán chất tan, gây biến tính nước làm cho vi sinh vật bị tiêu diệt.
Trong tự nhiên có 3 loại vi sinh vật thường phát triển theo chế độ nhiệt riêng: vi khuẩn ưa lạnh (Psychrophiles) nhiệt độ thích hợp từ 10 - 200C, vi khuẩn ưa ấm (Mesophiles) nhiệt độ thích hợp từ 20 - 400C và vi khuẩn ưa nóng (Thermophiles) nhiệt độ thích hợp 50 - 600C. Nấm mốc chịu đựng nhiệt độ lạnh tốt hơn, nhưng ở nhiệt độ -100C hầu hết nấm mốc đều ngừng hoạt động, ngoại trừ các loài Mucor, Rhizopus, Penicillium. Để ngăn ngừa sự phát triển của nấm mốc cần phải duy trì nhiệt độ thấp dưới -150C. Các loài nấm có thể sống ở nơi khan nước, nhưng tối thiểu hàm lượng nước phải đạt 15%.
Ở nhiệt độ -180C thì 86% lượng nước đóng băng, còn lại 14% không đủ cho vi sinh vật phát triển. Vì vậy để bảo quản thực phẩm lâu dài, cần duy trì nhiệt độ kho lạnh ít nhất -180C. Để bảo quản thực phẩm, người ta có thể thực hiện nhiều cách như: phơi, sấy khô, đóng hộp và bảo quản lạnh. Tuy nhiên, phương pháp bảo quản lạnh tỏ ra có ưu điểm nổi bật, vì hầu hết thực phẩm, hoa quả, nông sản thực phẩm đều thích hợp đối với phương pháp lạnh này.
Việc bảo quản lạnh dễ thực hiện, bảo quản nhanh chóng và rất hữu hiệu, phù hợp với tính chất mùa vụ của nhiều loại thực phẩm nông sản, hoa quả, tôm cá và thịt sau giết mổ. Nhiệt độ càng thấp có tác dụng bảo tồn tối đa các thuộc tính tự nhiên của thực phẩm như giữ được hương vị, màu sắc, các vi chất và dinh dưỡng trong thực phẩm. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA KỸ THUẬT LẠNH Từ lâu con người đã biết làm lạnh và sử dụng lạnh, cách đây khoảng 5000 năm con người đã biết bảo quản lương thực - thực phẩm trong các 12 hang động có nhiệt độ thấp do các mạch nước ngầm nhiệt độ thấp chảy qua. Thời gian khoảng 2500 năm trước, trong các tranh vẽ trên tường ở các kim tự tháp Ai Cập đã mô tả cảnh nô lệ quạt các bình gốm xốp cho nước bay hơi làm mát không khí.
Người Ấn Độ và người Trung Quốc cách đây 2000 năm đã biết trộn muối vào nước hoặc nước đá để tạo nhiệt độ thấp hơn. Tuy nhiên, kỹ thuật lạnh hiện đại bắt đầu kể từ thế kỷ 18 và 19 với các sự kiện nổi bật sau: năm 1750 Cullen W đã làm cho nước trong cốc đặt trong một quả chuông thủy tinh hóa đá nhờ hút chân không trong quả chuông. Năm 1761 Black J tìm ra nhiệt ẩn hóa hơi và nhiệt ẩn nóng chảy, nhờ ứng dụng kết quả nghiên cứu này vào thực tế mà những năm sau đó người ta đã hóa lỏng được nhiều chất khí khác nhau như năm 1780 Clouet và Monge lần đầu tiên hóa lỏng khí SO2, năm 1810 Leslie người Pháp đã chế tạo đầu tiên máy lạnh hấp thụ chu kỳ, với cặp môi chất H2O/H2SO4. Năm 1823, Faradays đã hóa lỏng được hàng loạt các chất khí như H2S, CO2, C2H2, NH3, O2, N2, HCl.
Năm 1824, Carnot khám phá định luật nhiệt động 2 và năm 1834, Tacob Perkins người Anh đã phát minh ra máy lạnh nén hơi đầu tiên với đầy đủ các thiết bị hiện đại gồm có máy nén, dàn ngưng, dàn bay hơi và van tiết lưu. Năm 1871, Tellier chế tạo máy nén hơi methyl ether đầu tiên. Năm 1873, Van der Waals công bố phương trình trạng thái. Năm 1874, Linde chế tạo máy lạnh nén hơi NH3 đầu tiên và nó đã làm cho việc sản xuất và sử dụng máy lạnh nén hơi thực sự phát triển rộng rãi trong nền kinh tế quốc dân.
Năm 1874 Pictet chế tạo máy lạnh nén hơi SO2, năm 1876 Tellier tổ chức tàu thủy lạnh chở thịt đông lạnh xuyên lục địa và vào năm 1878÷1882 ông cho xây dựng các kho lạnh đông cỡ lớn ở Mỹ, Anh và Argentina và năm 1884 tàu hỏa điều hòa không khí đầu tiên khánh thành chạy tuyến đường Baltimore - Ohio. Năm 1895 Linde chế tạo máy hóa lỏng không khí, năm 1906 Nernst phát hiện định luật nhiệt động học thứ 3. Máy lạnh hấp thụ khuếch tán được Gerppt người Đức đăng ký phát minh năm 1899 và được Platen cùng Munter (Thụy điển) hoàn thiện năm 1922. Máy lạnh Ejector hơi nước do Leiblane chế tạo năm 1910, nó cấu tạo rất đơn giản, năng lượng tiêu tốn là nhiệt năng do đó có thể tận dụng các nguồn phế thải.
Năm 1911, Carrier đặt nền móng đầu tiên cho kỹ thuật điều hòa không khí. 13 Một sự kiện quan trọng của lịch sử phát triển kỹ thuật lạnh là việc sản xuất và ứng dụng Freon ở Mỹ vào năm 1930. Freon là các khí liên carbon được thay thế một phần hay toàn bộ các nguyên tử hydro bằng các nguyên tử halogen như: Cl, F, Br. Freon là những chất lạnh có nhiều đặc tính quý báu như không cháy không nổ, không độc hại, phù hợp với chu trình làm việc của máy lạnh nén hơi.
Việc phát minh freon đã góp phần tích cực vào việc thúc đẩy kỹ thuật lạnh phát triển, nhất là kỹ thuật điều hòa không khí. Năm 1954, chu trình Stirling dùng cho H2, N2 tạo nhiệt độ -150 ÷ - 2500C. Năm 1959 Gifford và Mahon M.C đã tạo ra chu trình máy lạnh nén khí (-220 ÷ -2600C), sau đó có hàng loạt các phát minh của Carres người Pháp năm 1959 về máy lạnh hấp thụ NH3/H2O đầu tiên và liên tục với các môi chất khác nhau. Năm 1960 máy nén trục vít được sử dụng trong kỹ thuật lạnh, năm 1987 tại Montreal cấm các Freon làm suy giảm tầng Ozone như R11, R12, R13B1, R113, R114, R115 và năm 1989 đã tạo được nhiệt độ 1.1 là mô hình đầu tiên do Perkins (1834) chế tạo, đăng ký bằng phát minh về máy lạnh nén hơi đầu tiên trên thế giới, với đầy đủ các thiết bị chính của một hệ thống máy lạnh nén hơi hiện đại là máy nén, dàn ngưng tụ, van tiết lưu và dàn bay hơi với môi chất là ether.
Máy lạnh nén hơi đầu tiên chạy bằng ether (Perkins – 1834) 14 Ngày nay, kỹ thuật lạnh hiện đại đã phát triển rất mạnh mẽ. Cùng với sự phát triển của khoa học, kỹ thuật lạnh và ứng dụng kỹ thuật lạnh đã có những bước tiến vượt bậc. Phạm vi nhiệt độ của kỹ thuật lạnh ngày càng được mở rộng, con người đang dần tiến tới nhiệt độ không tuyệt đối (00K). Công suất lạnh của máy cũng được mở rộng, từ máy lạnh vài mW sử dụng trong phòng thí nghiệm đến các tổ hợp lạnh có công suất triệu W ở các trung tâm điều tiết không khí.
Hệ thống lạnh ngày nay thay vì lắp ráp các chi tiết, thiết bị lại với nhau thì tổ hợp này ngày càng hoàn thiện, nên ứng dụng kỹ thuật lạnh sẽ thuận tiện và chế độ làm việc hiệu quả hơn. Hiệu suất máy lạnh tăng lên đáng kể, chi phí vật tư và chi phí cho một đơn vị lạnh giảm xuống, tuổi thọ và độ tin cậy tăng lên. Mức độ tự động hóa của các hệ thống lạnh và các máy lạnh tăng lên rõ rệt, những thiết bị tự động hóa hoàn toàn bằng điện tử và vi điện tử thay thế cho các thiết bị thao tác bằng tay, cho phép hệ thống lạnh hoạt động an toàn, ổn định, chính xác và tiết kiệm hơn. VAI TRÒ CỦA KỸ THUẬT LẠNH TRONG ĐỜI SỐNG - KINH TẾ 1.
Ứng dụng trong bảo quản thực phẩm Các thực phẩm nói chung như thịt, sữa, trứng, rau quả, trái cây và thủy sản nói riêng là môi trường gồm nhiều chất dinh dưỡng như: protein, lipid và một số khoáng chất khác rất thuận lợi cho vi sinh vật phát triển cũng như là nơi xảy ra hiện tượng trao đổi chất.