Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Việt Nam sở hữu điều kiện khí hậu nhiệt đới thuận lợi cho việc phát triển ngành trồng trọt rau quả, hiện đứng thứ 5 châu Á về sản lượng rau quả tươi và đã xuất khẩu đến hơn 50 quốc gia trên thế giới. Tuy nhiên, giá trị gia tăng từ nông sản xuất khẩu vẫn ở mức thấp do phần lớn hàng hóa được tiêu thụ ở dạng tươi hoặc qua chế biến thô sơ. Vào chính vụ thu hoạch, tình trạng dư thừa nguồn cung thường khiến giá nông sản sụt giảm nghiêm trọng, gây thiệt hại kinh tế cho người nông dân.

Để giải quyết bài toán đầu ra và nâng cao giá trị thương phẩm, công nghệ chế biến sâu là hướng đi tất yếu. Các phương pháp sấy nhiệt truyền thống ở nhiệt độ cao thường làm phân hủy các hoạt chất sinh học (vitamin, men, protein, hormone) và làm biến đổi màu sắc, mùi vị, khiến cấu trúc sản phẩm bị co ngót hoặc chai cứng. Trong khi đó, kỹ thuật sấy thăng hoa (freeze drying/lyophilisation) là giải pháp bảo toàn tối đa các chất dinh dưỡng tự nhiên, giữ nguyên cấu trúc xốp và màu sắc đặc trưng của nguyên liệu. Mít là loại nông sản nhiệt đới phổ biến, sản lượng dồi dào, giá thành rẻ và giàu dinh dưỡng, thích hợp để chế biến thành sản phẩm ăn liền cao cấp.

Đề tài khóa luận tốt nghiệp được thực hiện với tên gọi: “Nghiên cứu công nghệ sản xuất mít sấy thăng hoa”.

Mục tiêu nghiên cứu: Xây dựng quy trình sản xuất mít sấy thăng hoa và xác định các thông số công nghệ trên thiết bị pilot, làm cơ sở triển khai sản xuất quy mô lớn nhằm đáp ứng nhu cầu tiêu dùng nội địa và xuất khẩu.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Khảo sát và lựa chọn nguyên liệu mít (mít Thái, mít nghệ) và độ chín thích hợp cho quá trình sấy thăng hoa.
  2. Xác định tỷ lệ thu hồi múi mít nguyên liệu có hạt và không hạt.
  3. Khảo sát phương pháp xử lý nhiệt (chế độ chần hơi nước ở các khoảng thời gian khác nhau so với không chần).
  4. Khảo sát chế độ cấp đông (nhiệt độ, thời gian) và chế độ sấy thăng hoa (thời gian sấy).
  5. Đánh giá chất lượng sản phẩm qua các chỉ tiêu hóa lý (độ ẩm) và chỉ tiêu cảm quan (màu sắc, mùi, vị, cấu trúc).
  6. Lựa chọn phương pháp và vật liệu bao gói thành phẩm.
  7. Ước tính giá thành sản phẩm mít sấy thăng hoa.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Múi mít tươi thuộc hai giống mít Thái (thu mua tại chợ Tân Bình) và mít nghệ (thu mua từ nhà vườn tại Trảng Bàng – Tây Ninh và Đức Huệ – Long An), được khảo sát ở 3 thời điểm chín sinh lý (chín vừa sau 2 ngày thu hái, chín tốt sau 4 ngày, chín kỹ sau 6 ngày).
  • Không gian thực hiện: Phòng thí nghiệm Khoa Công nghệ Thực phẩm – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ TP. Hồ Chí Minh và xưởng sản xuất của Công ty TNHH Công nghệ Thực phẩm Minh Anh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Cơ sở lý thuyết và nguyên lý sấy thăng hoa

Kỹ thuật sấy thăng hoa dựa trên hiện tượng chuyển pha trực tiếp của ẩm từ thể rắn (băng) sang thể hơi trong môi trường chân không sâu mà không đi qua pha lỏng.

Theo giản đồ pha của nước, điểm ba trạng thái ($O$) là điểm mà nước tồn tại đồng thời ở cả ba pha (rắn, lỏng, khí) tại nhiệt độ $t = 0{,}0098^\circ\text{C}$ và áp suất tuyệt đối $P = 4{,}58\text{ mmHg}$ ($0{,}006\text{ atm}$). Khi duy trì áp suất buồng sấy dưới $4{,}58\text{ mmHg}$ (thực tế từ $0{,}1$ đến $1{,}0\text{ mmHg}$, tương đương $27 - 133\text{ Pa}$) và cấp nhiệt lượng cần thiết (ẩn nhiệt thăng hoa), nước đá trong tế bào nguyên liệu sẽ thăng hoa trực tiếp thành hơi.

Quá trình sấy thăng hoa bao gồm 3 giai đoạn kế tiếp:

  • Giai đoạn làm lạnh đông: Hạ nhiệt độ nguyên liệu xuống dưới điểm đóng băng (từ $-10^\circ\text{C}$ đến $-45^\circ\text{C}$) nhằm kết tinh toàn bộ ẩm tự do và ẩm liên kết. Quá trình làm lạnh nhanh giúp tạo các tinh thể băng kích thước nhỏ, bảo vệ nguyên vẹn màng tế bào.
  • Giai đoạn thăng hoa (sấy sơ cấp): Hút chân không sâu buồng sấy và cấp nhiệt bức xạ/dẫn nhiệt có kiểm soát để làm thăng hoa băng. Nhiệt độ nguyên liệu duy trì ở mức âm và giai đoạn này kết thúc khi nhiệt độ đạt $0^\circ\text{C}$.
  • Giai đoạn sấy chân không (sấy thứ cấp): Tiếp tục gia nhiệt trong điều kiện chân không để khử lượng ẩm liên kết còn lại, đưa độ ẩm thành phẩm về mức an toàn ($15 - 25%$).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  • Phương pháp phân tích hóa học: Xác định hàm lượng ẩm, đường tổng và đường khử của mẫu mít tươi tại Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn Đo lường Chất lượng 3 (QUATEST 3).
  • Phương pháp xác định tỷ lệ thu hồi: Tính toán tỷ lệ thu hồi múi có hạt ($H_1$) và thịt múi không hạt ($H_2$) qua công thức định lượng khối lượng trên 3 quả mít lặp lại.
  • Phương pháp khảo sát xử lý nhiệt: Thử nghiệm chần hơi nước ở $70^\circ\text{C}$ với 5 mức thời gian ($1, 2, 3, 4, 5$ phút) so sánh với mẫu đối chứng không chần.
  • Phương pháp khảo sát lạnh đông: Bố trí thí nghiệm trên tủ cấp đông gió đối lưu cưỡng bức tại 3 mức nhiệt độ ($-16^\circ\text{C}, -18^\circ\text{C}, -20^\circ\text{C}$) trong 2 mức thời gian ($36$ giờ và $48$ giờ).
  • Phương pháp khảo sát sấy thăng hoa: Thực nghiệm trên thiết bị sấy pilot ở áp suất chân không dưới $1\text{ mmHg}$, nhiệt độ buồng ngưng $-45^\circ\text{C}$, khảo sát 3 mức thời gian sấy ($24$ giờ, $36$ giờ, $48$ giờ).
  • Phương pháp kiểm tra chất lượng: Xác định độ ẩm thành phẩm bằng phương pháp sấy khô đến khối lượng không đổi (tủ sấy Memmert, cân phân tích sai số $0{,}0001\text{ g}$) và đánh giá cảm quan so sánh với các sản phẩm mít sấy thương mại trên thị trường (Vinamit, Quỳnh Anh).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mở đầu

Chương 1 làm rõ tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh thị trường chế biến nông sản tại Việt Nam. Nội dung tổng hợp lịch sử phát triển và hiện trạng ứng dụng công nghệ sấy thăng hoa trong và ngoài nước:

  • Tình hình nghiên cứu trên thế giới: Ghi nhận nguồn gốc sấy thăng hoa từ người Incas tại Peru năm 1100 (ở độ cao 4500m trên dãy Andes), các phát minh thiết bị của Bordas và Darsonval (Pháp, 1906), ứng dụng bảo quản huyết tương (1941), nghiên cứu sấy công nghiệp của Lappa Stajenhexki, nghiên cứu tính co rút của Maroulis, nghiên cứu bức xạ hồng ngoại kết hợp sấy thăng hoa khoai lang của Yeu-Pyng Lin và cộng sự (2004), cùng công trình sấy thăng hoa quả acerola của Freice. Chương này cũng liệt kê danh sách các doanh nghiệp sấy thăng hoa quy mô lớn tại Trung Quốc, Thái Lan, Philippines và Đài Loan.
  • Tình hình nghiên cứu trong nước: Điểm qua các mô hình pilot tại Đại học Bách khoa TP.HCM, Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (hệ thống DS-3), Đại học Khoa học Tự nhiên và đề tài cơm gấc sấy thăng hoa của TS. Trần Đức Ba (Đại học Dân lập Văn Lang). Đề tài cũng phân tích mô hình sản xuất công nghiệp của Công ty TNHH Thực phẩm Asuzac Foods (KCN Tân Thuận, máy Sagawa công suất 10 tấn/ngày; nhà máy Asuzac Đà Lạt sản xuất rau sấy khô với tỷ lệ 20kg tươi thu 1kg khô, giá trị tăng gấp 100 lần).

Chương 2: Tổng quan về mít và kỹ thuật sấy thăng hoa

Chương 2 trình bày có hệ thống các đặc điểm sinh học, giá trị dinh dưỡng của nguyên liệu mít và phân tích sâu các khía cạnh kỹ thuật của quá trình sấy thăng hoa:

  • Đặc điểm nguyên liệu mít: Phân loại thực vật học (Artocarpus heterophyllus, họ Moraceae), đặc điểm quả (trọng lượng $6 - 20\text{ kg}$, múi chiếm $40 - 55%$). Phân loại 3 nhóm mít: mít mật (mít ướt - Artocarpus odoratissima), mít tố nữ (Artocarpus integer) và mít dai (mít khô gồm mít Thái và mít nghệ). So sánh sự khác biệt: mít Thái múi chiếm $45 - 55%$, độ Brix $18%$, cùi to ít mủ; mít nghệ múi chiếm $35{,}6 - 44{,}5%$, độ Brix $25 - 26%$, cấu trúc giòn ráo.
  • Thành phần hóa học: Cung cấp số liệu từ Viện Dinh dưỡng Quốc gia về hàm lượng các chất trong 100g mít chín và so sánh với lê, táo, nho, xoài.
Thành phần dinh dưỡng Đơn vị Hàm lượng trong 100g mít chín
Năng lượng kcal 48,0
Nước g 72,0 – 77,2
Đạm (Protein) g 1,3 – 1,9
Chất béo (Lipid) g 0,1 – 0,3
Gluxit g 18,9 – 25,4
Chất béo bão hòa g 1,0 – 1,1
Tro g 0,8 – 1,0
Canxi (Ca) mg 22,0
Photpho (P) mg 38,0
Sắt (Fe) mg 0,5
Natri (Na) mg 2,0
Kali (K) mg 407,0
Vitamin A IU 540,0
Vitamin B1 mg 0,03
Vitamin P mg 4,0
Vitamin C mg 8,0 – 10,0
  • So sánh các phương pháp sấy: Đánh giá ưu nhược điểm giữa sấy thăng hoa, chiên chân không và sấy khô truyền thống.
Tiêu chí Sấy thăng hoa Chiên chân không Sấy khô truyền thống
Nhiệt độ sấy Dưới điểm đóng băng $80 - 140^\circ\text{C}$ $39 - 93^\circ\text{C}$
Áp suất làm việc Áp suất chân không sâu ($27 - 133\text{ Pa}$) Chân không trung bình ($680 - 740\text{ mmHg}$) Áp suất khí quyển
Cơ chế tách ẩm Thăng hoa trực tiếp từ thể rắn (băng) Bốc hơi nước từ bề mặt thực phẩm Bốc hơi nước khuếch tán chậm
Biến đổi dinh dưỡng Giữ nguyên vẹn, tổn thất tối thiểu Oxy hóa dầu, mất một số chất nhạy nhiệt Tổn thất vitamin, khoáng chất hòa tan
Cấu trúc sản phẩm Giòn xốp, giữ nguyên thể tích, không co Giòn xốp, chứa một lượng dầu béo Co rút, mật độ cao, dễ bị chai cứng vỏ
Khả năng hoàn nguyên Phục hồi nhanh và nguyên vẹn Kém hoàn nguyên Hoàn nguyên chậm, không hoàn toàn
Chi phí thiết bị/vận hành Cao Trung bình Thấp
  • Cấu tạo hệ thống sấy thăng hoa: Phân tích chi tiết 4 cụm thiết bị chính gồm buồng thăng hoa hình trụ nằm ngang (truyền nhiệt bức xạ qua khay kim loại), bình ngưng đóng băng (dàn ống xoắn làm lạnh amoniac từ $-10^\circ\text{C}$ đến $-50^\circ\text{C}$), bơm chân không hút khí không ngưng và hệ thống máy nén làm lạnh.

Chương 3: Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương 3 thiết kế quy trình công nghệ chi tiết và bố trí toàn bộ hệ thống thí nghiệm khảo sát:

  • Thiết bị và dụng cụ: Sử dụng tủ cấp đông gió đối lưu cưỡng bức dùng môi chất lạnh R22 (nhiệt độ dàn lạnh $-40^\circ\text{C}$); thiết bị sấy thăng hoa pilot; máy hút chân không và dán miệng túi DZ-300A (công suất hút $0{,}045\text{ MPa}$, kích thước $350 \times 140 \times 73\text{ mm}$); khay nhôm và khay inox đục lỗ ($20 \times 15 \times 1\text{ cm}$); giá đỡ inox ($18 \times 14 \times 19\text{ cm}$); cân kỹ thuật Nhơn Hòa 1kg và cân phân tích độ chính xác $0{,}0001\text{ g}$.
  • Quy trình công nghệ thực nghiệm: $$\text{Nguyên liệu mít} \rightarrow \text{Rửa} \rightarrow \text{Xử lý sơ bộ (Tách múi, tách cùi, bỏ hạt)} \rightarrow \text{Xử lý nhiệt (Chần/Không chần)} \rightarrow \text{Xếp khay} \rightarrow \text{Cấp đông} \rightarrow \text{Sấy thăng hoa} \rightarrow \text{Bao gói chân không} \rightarrow \text{Bảo quản}$$
  • Bố trí ma trận khảo sát:
    • Khảo sát độ chín: Đánh giá cảm quan mít Thái và mít nghệ ở 3 mốc (2 ngày, 4 ngày, 6 ngày sau thu hái), lặp lại 3 lần.
    • Đo tỷ lệ thu hồi: Xác định tỷ lệ múi có hạt ($H_1$) và không hạt ($H_2$) trên 3 quả của từng giống mít: $$H_1 = \frac{m_1 - m_2}{m_1} \times 100 \quad (%); \quad H_2 = \frac{m_3 - m_4}{m_1} \times 100 \quad (%)$$ (Trong đó: $m_1$ là khối lượng cả quả; $m_2$ là khối lượng vỏ và xơ; $m_3$ là khối lượng múi có hạt; $m_4$ là khối lượng hạt và màng bao).
    • Khảo sát xử lý nhiệt: Thử nghiệm chần hơi nước $70^\circ\text{C}$ trong các khoảng $1, 2, 3, 4, 5$ phút so với mẫu không chần để đánh giá độ mềm, màu sắc và khả năng đuổi khí gian bào.
    • Khảo sát cấp đông và sấy thăng hoa: Ghép cặp điều kiện cấp đông ($-16^\circ\text{C}, -18^\circ\text{C}, -20^\circ\text{C}$ trong $36\text{ h}$ hoặc $48\text{ h}$) với chế độ sấy thăng hoa ($24\text{ h}, 36\text{ h}, 48\text{ h}$ tại áp suất $< 1\text{ mmHg}$, buồng ngưng $-45^\circ\text{C}$).
    • Đóng gói và đánh giá: Sử dụng túi Polyethylene (PE) kích thước $18 \times 26\text{ cm}$, hút chân không bằng máy DZ-300A; kiểm tra độ ẩm thành phẩm và so sánh cảm quan với mẫu mít sấy của Vinamit và Quỳnh Anh.

Kết quả và đóng góp

Kết quả khảo sát công nghệ

  • Về nguyên liệu: Xác định các chỉ tiêu dinh dưỡng và lý hóa ban đầu của mít tươi; làm rõ ưu thế của giống mít Thái (tỷ lệ múi cao $45 - 55%$, cùi to ít dính mủ) và mít nghệ (độ ngọt cao $25 - 26%$, cấu trúc giòn ráo, màu vàng tự nhiên) khi ứng dụng chế biến sấy.
  • Về quy trình sơ chế và nhiệt luyện: Thiết lập quy trình tách múi, cắt gọt định hình múi mít không dập nát; xác định chế độ chần hơi nước ở $70^\circ\text{C}$ hỗ trợ vô hoạt enzyme, giữ màu sắc sáng tự nhiên và bài khí gian bào trước khi đông lạnh.
  • Về thông số cấp đông và sấy thăng hoa: Xây dựng ma trận thực nghiệm kết hợp giữa chế độ cấp đông gió cưỡng bức ($-16^\circ\text{C}$ đến $-20^\circ\text{C}$ trong $36 - 48$ giờ) và chế độ sấy thăng hoa chân không (áp suất $< 1\text{ mmHg}$, nhiệt độ bẫy ngưng $-45^\circ\text{C}$, thời gian sấy $24 - 48$ giờ) nhằm thu nhận sản phẩm có độ giòn xốp và đạt độ ẩm kiểm soát $15 - 25%$.
  • Về hoàn thiện sản phẩm: Đưa ra giải pháp đóng gói trong túi màng mỏng PE kích thước $18 \times 26\text{ cm}$ kết hợp hút chân không bằng máy DZ-300A để ngăn ẩm xâm nhập và bảo quản tốt ở điều kiện thường.

Đóng góp của đề tài

  • Hoàn thiện mô hình quy trình công nghệ sấy thăng hoa hoàn chỉnh cho múi mít trên hệ thống pilot trong điều kiện thực nghiệm tại Việt Nam.
  • Cung cấp dữ liệu thực nghiệm về mối liên hệ giữa các thông số công nghệ (độ chín, chế độ chần, chế độ cấp đông, áp suất chân không và thời gian sấy) với chất lượng cảm quan và hóa lý của sản phẩm mít sấy.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Các thông số công nghệ mới được khảo sát và đánh giá trên hệ thống thiết bị pilot với dung tích mẻ nhỏ tại phòng thí nghiệm và xưởng thực nghiệm; chưa khảo sát đầy đủ biến thiên tiêu hao năng lượng điện của chu trình sấy thăng hoa dài ngày.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Thử nghiệm mở rộng quy mô sản xuất trên các hệ thống sấy thăng hoa công nghiệp liên tục.
    • Khảo sát biến thiên chất lượng sản phẩm trong thời gian bảo quản dài hạn ($6 - 12$ tháng) với các loại bao bì nhôm, màng ghép phức hợp đa lớp.
    • Tối ưu hóa chu trình cấp nhiệt bức xạ nhằm rút ngắn tổng thời gian sấy thăng hoa, giảm chi phí năng lượng.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo thiết thực cho:

  • Sinh viên và học viên chuyên ngành: Ngành Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Nhiệt – Lạnh tham khảo cơ sở lý thuyết chuyển pha, sơ đồ thiết bị sấy thăng hoa, cách thiết kế thí nghiệm thực phẩm đông khô.
  • Kỹ sư và cán bộ R&D: Các chuyên viên nghiên cứu và phát triển sản phẩm tại doanh nghiệp chế biến nông sản có thể ứng dụng trực tiếp quy trình công nghệ sơ chế, chế độ chần, cấp đông và thông số sấy chân không pilot cho các dòng trái cây nhiệt đới tương tự.

Câu hỏi thường gặp

1. Cơ chế chuyển pha và điều kiện áp suất - nhiệt độ của điểm ba trạng thái trong sấy thăng hoa là gì?

Sấy thăng hoa diễn ra dựa trên sự thăng hoa trực tiếp của nước từ thể rắn (băng) sang thể hơi mà không qua thể lỏng. Quá trình này đòi hỏi áp suất buồng sấy phải thấp hơn điểm ba trạng thái của nước ($t = 0{,}0098^\circ\text{C}$, $P = 4{,}58\text{ mmHg}$). Trong thực nghiệm sấy mít, hệ thống duy trì áp suất chân không sâu dưới $1\text{ mmHg}$ và nhiệt độ buồng ngưng ở $-45^\circ\text{C}$.

2. Sự khác nhau cơ bản giữa giống mít Thái và mít nghệ khi lựa chọn làm nguyên liệu sấy là gì?

Mít Thái có tỷ lệ múi cao ($45 - 55%$), cơm vàng cam mịn, cùi to nhưng mủ không bám dính, độ Brix đạt khoảng $18%$. Trong khi đó, mít nghệ có múi chiếm $35{,}6 - 44{,}5%$, màu vàng tươi tự nhiên, cấu trúc thịt múi ráo giòn, độ ngọt cao hơn ($25 - 26%$) và có màng bao múi đặc trưng.

3. Thiết bị cấp đông gió đối lưu cưỡng bức trong nghiên cứu hoạt động theo nguyên lý nào?

Thiết bị sử dụng máy nén và môi chất lạnh R22, hạ nhiệt độ dàn bay hơi xuống $-40^\circ\text{C}$. Quạt gió cưỡng bức thổi không khí lạnh tuần hoàn qua bề mặt các khay nhôm đục lỗ chứa múi mít. Quá trình trao đổi nhiệt đối lưu diễn ra liên tục, làm đóng băng nhanh toàn bộ ẩm trong sản phẩm để hình thành các tinh thể đá nhỏ mịn mà không làm hư hại màng tế bào.

4. Quy trình xử lý nhiệt (chần) múi mít được bố trí thực nghiệm như thế nào?

Múi mít sau khi cắt gọt được xử lý nhiệt bằng hơi nước nóng ở $70^\circ\text{C}$ với 5 khoảng thời gian ($1, 2, 3, 4, 5$ phút) so sánh với mẫu không chần. Quá trình chần nhằm tiêu diệt vi sinh vật bề mặt kém chịu nhiệt, đuổi không khí trong các gian bào để chống oxy hóa, giữ màu vàng sáng và giúp múi mít đạt độ dẻo mềm thích hợp trước khi cấp đông.

5. Tại sao cần tiến hành bao gói hút chân không ngay sau khi kết thúc chu trình sấy thăng hoa?

Mít sau sấy thăng hoa có cấu trúc rất xốp, tỷ trọng nhẹ và tính hút ẩm cực kỳ mạnh. Nếu tiếp xúc lâu với không khí môi trường, sản phẩm sẽ nhanh chóng hút ẩm trở lại làm mất độ giòn xốp và tạo điều kiện cho vi sinh vật phát triển. Do đó, sản phẩm cần được đóng ngay vào túi PE kích thước $18 \times 26\text{ cm}$ và ghép mí chân không bằng máy DZ-300A.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp “Nghiên cứu công nghệ sản xuất mít sấy thăng hoa” đã làm rõ cơ sở lý thuyết nhiệt động lực học và nguyên lý chuyển pha của ẩm trong chế biến thực phẩm đông khô cao cấp. Nghiên cứu đã thiết lập đầy đủ các bước trong quy trình công nghệ từ khâu tuyển chọn nguyên liệu mít Thái, mít nghệ, xử lý cơ nhiệt, đến xác lập các thông số cấp đông và sấy thăng hoa pilot. Kết quả của đề tài đóng góp nguồn dữ liệu thực nghiệm quan trọng cho việc ứng dụng công nghệ sấy chân không sâu vào chế biến nông sản nhiệt đới tại Việt Nam.