Chương IV: Hệ Thống Thiết Bị Cấp Đông Thực Phẩm

Hệ thống thiết bị cấp đông thực phẩm đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm. 99 trang · Trường Đại Học Khoa Học Công Nghệ · 2023.

• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Công Nghệ
• Chuyên ngành: Công Nghệ Thực Phẩm
• Đề tài: Hệ Thống Thiết Bị Cấp Đông Thực Phẩm: Tìm Hiểu và Ứng Dụng
• Loại tài liệu: bài luận
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• 4. CHƯƠNG 4: HỆ THỐNG THIẾT BỊ CẤP ĐÔNG
• 4.1. Các vấn đề về cấp đông thực phẩm
• 4.1.1. Mục đích và ý nghĩa
• 4.1.2. Phân loại giới hạn làm lạnh
• 4.2. Mục đích và ý nghĩa
• 4.3. Sự kết tinh của nước trong thực phẩm
• 4.3.1. Nước trong thực phẩm
• 4.3.2. Cơ chế đóng băng trong thực phẩm khi cấp đông
• 4.3.3. Tác động của sự kết tinh của nước đối với thực phẩm
• 4.3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự kết tinh của nước trong thực phẩm
• 4.4. Các thông số nhiệt vật lý
• 4.4.1. Biến đổi nhiệt dung
• 4.4.2. Biến đổi hệ số dẫn nhiệt độ
• 4.5. Biến đổi hoá học
• 4.6. Biến đổi do vi sinh
• 4.7. Thời gian làm lạnh đông thực phẩm
• 4.7.1. Thời gian cấp đông
• 4.7.2. Xác định thời gian kết tinh nước trong thực phẩm
• 4.7.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian cấp đông
• 4.7.3.1. Loại máy cấp đông
• 4.7.3.2. Nhiệt độ buồng cấp đông
• 4.7.3.3. Tốc độ gió trong buồng cấp đông
• 4.7.3.4. Nhiệt độ sản phẩm trước cấp đông
• 4.7.3.5. Bề dày sản phẩm cấp đông
• 4.7.3.6. Hình dạng sản phẩm
• 4.7.3.7. Diện tích bề mặt tiếp xúc
• 4.7.3.8. Bao gói sản phẩm
• 4.7.3.9. Loại thực phẩm
• 4.8. Các phương pháp và thiết bị kết đông thực phẩm
• 4.8.1. Làm đông thực phẩm trong không khí lạnh
• 4.8.2. Làm đông tiếp xúc
• 4.8.3. Làm đông cực nhanh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Thiết Bị Cấp Đông Thực Phẩm

Hệ thống thiết bị cấp đông thực phẩm đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm. Cấp đông giúp bảo quản thực phẩm lâu dài, giữ nguyên chất lượng và giá trị dinh dưỡng. Nhiệt độ đóng băng của thực phẩm thường thấp hơn 0°C, tùy thuộc vào thành phần và cấu trúc của từng loại thực phẩm. Việc hiểu rõ về hệ thống này sẽ giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và bảo quản thực phẩm.

1.1. Các Loại Thiết Bị Cấp Đông Thực Phẩm

Có nhiều loại thiết bị cấp đông như kho cấp đông gió, tủ cấp đông tiếp xúc và hệ thống cấp đông siêu tốc. Mỗi loại có ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với từng loại thực phẩm và quy trình sản xuất.

1.2. Nguyên Lý Hoạt Động Của Hệ Thống Cấp Đông

Hệ thống cấp đông hoạt động dựa trên nguyên lý trao đổi nhiệt, giúp giảm nhiệt độ thực phẩm nhanh chóng. Quá trình này không chỉ bảo quản thực phẩm mà còn giữ nguyên cấu trúc và chất lượng của chúng.

II. Vấn Đề và Thách Thức Trong Cấp Đông Thực Phẩm

Cấp đông thực phẩm gặp nhiều thách thức như sự hình thành tinh thể đá lớn, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Nhiệt độ và tốc độ cấp đông là hai yếu tố quan trọng quyết định đến chất lượng thực phẩm sau khi cấp đông. Việc kiểm soát các yếu tố này là rất cần thiết để đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn.

2.1. Ảnh Hưởng Của Tinh Thể Đá Đến Chất Lượng Thực Phẩm

Tinh thể đá lớn có thể làm rách cấu trúc tế bào thực phẩm, dẫn đến giảm chất lượng và giá trị dinh dưỡng. Việc kiểm soát tốc độ cấp đông giúp tạo ra các tinh thể nhỏ và đồng đều.

2.2. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Quy Trình Cấp Đông

Nhiệt độ buồng cấp đông, tốc độ gió và hình dạng sản phẩm đều ảnh hưởng đến thời gian và hiệu quả cấp đông. Cần có sự điều chỉnh hợp lý để tối ưu hóa quy trình này.

III. Phương Pháp Cấp Đông Nhanh và Hiệu Quả

Cấp đông nhanh là phương pháp hiệu quả nhất để bảo quản thực phẩm. Phương pháp này giúp giảm thiểu sự hình thành tinh thể lớn và giữ nguyên chất lượng thực phẩm. Các công nghệ hiện đại như cấp đông bằng ni tơ lỏng đang được áp dụng rộng rãi.

3.1. Cấp Đông Bằng Ni Tơ Lỏng

Cấp đông bằng ni tơ lỏng giúp giảm nhiệt độ nhanh chóng, từ đó hạn chế sự hình thành tinh thể lớn. Phương pháp này thường được sử dụng cho các sản phẩm thực phẩm cao cấp.

3.2. Cấp Đông Siêu Tốc và Ứng Dụng

Cấp đông siêu tốc giúp bảo quản thực phẩm trong thời gian ngắn, giữ nguyên hương vị và chất lượng. Phương pháp này đang trở thành xu hướng trong ngành công nghiệp thực phẩm.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Hệ Thống Cấp Đông Thực Phẩm

Hệ thống cấp đông thực phẩm được ứng dụng rộng rãi trong ngành chế biến thực phẩm, từ thủy sản đến thịt và rau củ. Việc cấp đông giúp kéo dài thời gian bảo quản và giảm thiểu lãng phí thực phẩm. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng cấp đông đúng cách có thể giữ nguyên giá trị dinh dưỡng của thực phẩm.

4.1. Ứng Dụng Trong Ngành Thủy Sản

Cấp đông thủy sản giúp bảo quản chất lượng và hương vị, đồng thời giảm thiểu sự phát triển của vi sinh vật. Đây là phương pháp phổ biến trong ngành chế biến thủy sản.

4.2. Ứng Dụng Trong Ngành Thịt

Cấp đông thịt giúp giữ nguyên độ tươi ngon và giá trị dinh dưỡng. Việc kiểm soát nhiệt độ và thời gian cấp đông là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm.

V. Kết Luận và Tương Lai Của Hệ Thống Cấp Đông Thực Phẩm

Hệ thống thiết bị cấp đông thực phẩm đang ngày càng phát triển với nhiều công nghệ mới. Tương lai của ngành này hứa hẹn sẽ có nhiều cải tiến về hiệu suất và chất lượng. Việc nghiên cứu và ứng dụng các công nghệ mới sẽ giúp nâng cao chất lượng thực phẩm và đáp ứng nhu cầu thị trường.

5.1. Xu Hướng Phát Triển Công Nghệ Cấp Đông

Công nghệ cấp đông sẽ tiếp tục phát triển với nhiều cải tiến về hiệu suất và tiết kiệm năng lượng. Các nghiên cứu mới sẽ giúp tối ưu hóa quy trình cấp đông.

5.2. Tương Lai Của Ngành Công Nghiệp Thực Phẩm

Ngành công nghiệp thực phẩm sẽ ngày càng chú trọng đến việc bảo quản chất lượng thực phẩm. Hệ thống cấp đông sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc này.

Nội dung chính

Giáo Trình Hệ Thống Thiết Bị Cấp Đông Thực Phẩm: Phân Tích Cấu Trúc và Nội Dung Học Thuật

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình thuộc nhóm học phần kỹ thuật chuyên ngành trong chương trình đào tạo Kỹ sư Kỹ thuật Nhiệt, Điện lạnh và Công nghệ Thực phẩm ở bậc đại học và sau đại học. Tài liệu cung cấp các cơ sở lý thuyết nhiệt vật lý, động học quá trình biến đổi sinh hóa và kỹ thuật tính toán thiết kế các hệ thống cấp đông công nghiệp dùng trong bảo quản, chế biến nông - thủy - hải sản.

Mục tiêu học tập của giáo trình nhằm trang bị cho người học:

• Khả năng phân tích các hiện tượng nhiệt vật lý và hóa sinh xảy ra trong thực phẩm khi hạ nhiệt độ xuống dưới điểm đóng băng ($t_{đb}$).
• Kỹ năng xác định các thông số nhiệt động, tính toán thời gian cấp đông dựa trên công thức giải tích (như công thức Plank) và thực nghiệm.
• Năng lực tính toán cân bằng nhiệt, xác định tải lạnh và lựa chọn thiết bị cho các sơ đồ công nghệ cấp đông thực tế (kho cấp đông gió, tủ cấp đông tiếp xúc, thiết bị cấp đông IQF, hệ thống nhúng $N_2$ lỏng).

Giáo trình tiếp cận theo cấu trúc logic từ nguyên lý nhiệt - sinh học cơ bản đến mô hình toán học tính toán truyền nhiệt, từ đó chuyển tiếp sang cấu tạo cơ khí, sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh và phương pháp thiết kế chi tiết kết cấu bao che, cách nhiệt công trình. Điểm trọng tâm của tài liệu là hệ thống hóa các công thức thực nghiệm, thông số kỹ thuật chuẩn của thiết bị công nghiệp và các bài toán tính nhiệt thực tế tại các xí nghiệp chế biến xuất khẩu.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Nội dung giảng dạy được tổ chức theo tiến trình từ cơ sở lý thuyết đến thiết kế thiết bị chuyên biệt:

• Cơ sở khoa học về cấp đông thực phẩm (Chương 4.1): Trình bày định nghĩa phân loại các cấp làm lạnh (làm lạnh: $t_{đb} < t \le +20^\circ\text{C}$; làm lạnh đông: $-100^\circ\text{C} < t \le t_{đb}$; làm lạnh thâm độ: $-273^\circ\text{C} \le t \le -100^\circ\text{C}$). Phân tích điểm đóng băng của thực phẩm (cá biển: $-1,5^\circ\text{C}$; cá nước ngọt: $-1,0^\circ\text{C}$; tôm biển: $-2,0^\circ\text{C}$). Trình bày cơ chế ức chế enzyme phân giải (men lipaza, trypsin, catalaza) và vi sinh vật ở dải nhiệt độ dưới $-18^\circ\text{C}$.
• Động thái kết tinh nước và biến đổi nhiệt vật lý (Chương 4.1 - 4.2): Phân loại nước tự do và nước liên kết (chiếm đến 80% trong thủy sản). Cơ chế chuyển pha lỏng - rắn giữa gian bào và nội bào; quy luật giảm nhiệt độ kết tinh theo nồng độ chất tan: $\Delta t = -1,18 \cdot n$. Ảnh hưởng của tốc độ cấp đông ($V_f = X/\tau$): cấp đông chậm ($< 0,5\text{ cm/h}$), cấp đông nhanh ($1 \div 3\text{ cm/h}$), cấp đông cực nhanh ($\ge 15\text{ cm/h}$).
• Biến thiên thông số nhiệt vật lý và xác định thời gian cấp đông (Chương 4.2): Phương pháp xác định nhiệt dung riêng $C_{SP} = C_{CK}(1 - W) + C_{đ}\omega$, hệ số dẫn nhiệt độ $a_{SP} = a_0 + \frac{A_a}{1 + B_a \lg[t + (1 - t_{kt})]}$. Bảng tra hằng số thực nghiệm cho thịt bò, cá. Ứng dụng công thức Plank xác định thời gian kết tinh và phương pháp tính nhiệt độ tâm sản phẩm ($t_{tb} = (t_f + t_t)/2$).
• Công nghệ và thiết bị kết đông thực phẩm (Chương 4.3): Phân loại các phương pháp làm đông: không khí đối lưu cưỡng bức, tiếp xúc bề mặt, nhúng/phun $N_2$ lỏng ($-196^\circ\text{C}$), hỗn hợp đá - muối, ngâm/phun nước muối lạnh ($-18^\circ\text{C} \div -25^\circ\text{C}$). Kỹ thuật mạ băng ($\ge 0,3\text{ mm}$), bao gói và tái đông.
• Tính toán thiết kế hệ thống kho cấp đông gió (Chương 4.4): Kết cấu cách nhiệt tường/trần panel PU $150\text{ mm}$, kết cấu nền chống đông đá bằng ống thông gió PVC $\Phi100$ dích dắc và gối gỗ nhóm 2 chịu lực. Sơ đồ nguyên lý máy lạnh 2 cấp dùng R22 hoặc $NH_3$, bình trung gian nằm ngang, bình tách lỏng hồi nhiệt. Phương pháp tính toán 3 thành phần tải nhiệt: tổn thất bao che ($Q_1$), nhiệt làm lạnh sản phẩm/khay/xe/nước châm ($Q_2$), tổn thất vận hành ($Q_3$).
• Tính toán thiết kế hệ thống tủ cấp đông tiếp xúc (Chương 4.5): Cấu tạo tấm lắc (freezer plates $2200 \times 1250 \times 22\text{ mm}$), ben thủy lực điều chỉnh khoảng cách $50 \div 105\text{ mm}$, khay tiêu chuẩn $2\text{ kg}$ ($36\text{ khay/tấm}$). Các sơ đồ cấp dịch: bình trống tràn (thời gian $4 \div 6\text{ h}$), bơm dịch cưỡng bức (thời gian $1,5 \div 2,5\text{ h}$) kết hợp bình chứa hạ áp bảo vệ bằng hệ thống 3 van phao. Phương pháp xác định kích thước hình học và tải nhiệt vách/cửa tủ.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

• Lý thuyết nhiệt vật lý thực phẩm: Mối quan hệ giữa sự phân bố ẩm, trạng thái keo của protein - dung môi và sự biến thiên các đại lượng nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt, khối lượng riêng khi nước kết tinh từ thể lỏng sang thể rắn.
• Nguyên lý bảo quản lạnh đông: Cơ chế kìm hãm hoạt tính sinh học của enzyme nội tại và ức chế các nhóm vi sinh vật hoại sinh ($micrococcus$, nấm mốc) thông qua hạ nhiệt độ và giảm hoạt độ của nước tự do.
• Cơ học truyền nhiệt - truyền chất: Hiện tượng dẫn nhiệt qua tấm phẳng nhiều lớp, trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức giữa dòng khí lạnh và bề mặt sản phẩm, hiện tượng thăng hoa/khuếch tán ẩm bề mặt.

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng tính toán kỹ thuật: Thiết lập bảng cân bằng nhiệt, tính toán tải nhiệt $Q_1, Q_2, Q_3$, xác định công suất nhiệt của dàn bay hơi, lưu lượng bơm dịch và công suất nhiệt máy nén 2 cấp.
• Kỹ năng thiết kế hệ thống: Lựa chọn vật liệu cách nhiệt (Polyurethane mật độ $40 \div 42\text{ kg/m}^3$, màng chống thấm giấy dầu, hắc ín), thiết kế kết cấu chống đông cơi nền móng công trình và bố trí kênh tuần hoàn gió trần giả.
• Kỹ năng vận hành và phân tích sơ đồ công nghệ: Đọc hiểu và phân tích sơ đồ nguyên lý lạnh công nghiệp, nguyên lý làm việc của hệ thống bảo vệ mức lỏng (bình trống tràn, bình chứa hạ áp, bình tách lỏng hồi nhiệt, cụm van phao).

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Tiếp cận sư phạm

Giáo trình kết hợp giữa việc giải thích hiện tượng vi mô (cấu trúc mô cơ tế bào, mầm tinh thể đá) với các bài toán vĩ mô của kỹ thuật cơ khí - nhiệt lạnh. Kiến thức lý thuyết luôn đi kèm phương trình toán học giải tích hoặc quan hệ thực nghiệm trực quan, giúp người học chuyển hóa nguyên lý sinh hóa thành các đại lượng kỹ thuật đo lường được.

Bài tập và bài toán ví dụ

• Bài toán xác định nhiệt độ tâm: Ví dụ tính toán nhiệt độ tâm sản phẩm $t_t$ khi biết nhiệt độ không khí buồng cấp đông $t_b = -35^\circ\text{C}$, nhiệt độ bảo quản yêu cầu $t_{tb} = -18^\circ\text{C}$, từ đó xác định nhiệt độ bề mặt $t_f = -24,5^\circ\text{C}$ và nhiệt độ tâm tối thiểu cần đạt là $-12^\circ\text{C}$.
• Bài toán xác định kích thước tủ cấp đông tiếp xúc: Quy trình tính toán số lượng tấm lắc $N = N_1 + 1$, xác định kích thước lọt lòng và phủ bì $(L \times W \times H)$ dựa trên kích thước khay chuẩn $2\text{ kg}$, khoảng hở kỹ thuật cho ống mềm cao su và ben thủy lực.
• Bài tập tính tải nhiệt kho: Xác định tổn thất nhiệt qua kết cấu bao che có xét đến hệ số tỏa nhiệt $\alpha_1 = 23,3\text{ W/m}^2\text{K}$, $\alpha_2 = 10,5\text{ W/m}^2\text{K}$, tổn thất do xả băng dàn lạnh bằng nước, tổn thất do mở cửa và quạt dàn lạnh.

Hướng dẫn tự học và đánh giá

Người học cần tự xây dựng bảng tính excel để tự động hóa các phép tính tải nhiệt theo chương trình học. Việc đánh giá năng lực người học được thực hiện qua các bài kiểm tra tính toán nhiệt động, đồ án môn học thiết kế kho lạnh/tủ cấp đông và khả năng thuyết minh sơ đồ công nghệ lạnh 2 cấp.

---

Điểm nổi bật và cập nhật

• Cơ sở dữ liệu thực nghiệm chuẩn xác: Cung cấp các bảng số liệu nhiệt vật lý chi tiết, bao gồm hằng số thực nghiệm $C_0, A_c, B_c, \lambda_0, A_\lambda, B_\lambda, a_0, A_a, B_a$ đối với thịt bò và cá (Bảng 4-2); bảng thông số kích thước, công suất ben thủy lực cho các dải tủ từ $500\text{ kg/mẻ}$ đến $2000\text{ kg/mẻ}$ (Bảng 4-11).
• So sánh hiệu năng giữa các sơ đồ cấp dịch: Phân tích định lượng sự khác biệt giữa sơ đồ cấp dịch tự nhiên từ bình trống tràn (thời gian $4 \div 6\text{ h}$) và sơ đồ cấp dịch cưỡng bức dùng bơm (thời gian rút ngắn xuống $1,5 \div 2,5\text{ h}$), làm rõ vai trò an toàn của bình chứa hạ áp trong việc ngăn ngừa hiện tượng ngập lỏng máy nén.
• Gắn kết tiêu chuẩn công nghiệp chế biến: Trình bày chi tiết các công đoạn phụ trợ bắt buộc trong dây chuyền chế biến thủy sản xuất khẩu như mạ băng (chiều dày tối thiểu $0,3\text{ mm}$), đóng gói bao bì màng nylon/thùng carton tráng sáp và quy trình tái đông hạ nhiệt độ sau mạ băng.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

• Sinh viên đại học: Sinh viên năm thứ 3 và năm thứ 4 các ngành Kỹ thuật Nhiệt, Máy và Tự động hóa công nghiệp thực phẩm, Công nghệ Chế biến Thủy hải sản.
• Yêu cầu kiến thức tiên quyết (Prerequisites):
  • Nhiệt động lực học kỹ thuật và Truyền nhiệt.
  • Cơ học chất lỏng và Nguyên lý máy lạnh.
  • Hóa sinh học thực phẩm cơ bản.
• Giảng viên và kỹ sư thiết kế: Làm tài liệu quy chuẩn để biên soạn bài giảng môn học Máy và Thiết bị lạnh, hướng dẫn đồ án tốt nghiệp chuyên ngành Lạnh - Điều hòa không khí và làm cẩm nang tính toán thiết kế cho kỹ sư vận hành nhà máy chế biến thực phẩm.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Tài liệu được biên soạn phục vụ sinh viên, học viên cao học chuyên ngành kỹ thuật nhiệt - lạnh, công nghệ thực phẩm và các kỹ sư thiết kế hệ thống nhiệt công nghiệp.

2. Cần kiến thức nền nào để học tốt giáo trình?

Người học cần nắm vững lý thuyết truyền nhiệt (dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ), nhiệt động lực học máy lạnh (chu trình nén hơi 2 cấp) và các khái niệm cơ bản về sinh học tế bào thực phẩm.

3. Điểm khác biệt của giáo trình so với các tài liệu nhiệt lạnh thông thường là gì?

Tài liệu không chỉ dừng lại ở chu trình máy lạnh mà đi sâu vào tương tác nhiệt vật lý đặc thù của thực phẩm (sự tạo mầm tinh thể đá, độ hạ điểm băng, biến đổi mô cơ) và cung cấp các công thức tính toán kết cấu cơ khí thực tế (nền thông gió, gối gỗ, tủ cấp đông tiếp xúc).

4. Làm sao để tự học và ứng dụng hiệu quả nội dung giáo trình?

Người học nên bám sát quy trình: nắm vững cơ chế đóng băng của thực phẩm $\rightarrow$ thực hành tính toán nhiệt dung và thời gian cấp đông theo Plank $\rightarrow$ vẽ sơ đồ nguyên lý hệ thống lạnh $NH_3$/R22 $\rightarrow$ thực hiện bài toán tính tải nhiệt chi tiết cho một mẻ hàng cụ thể.

5. Có tài liệu bổ trợ nào cần tham khảo kèm theo?

Nên kết hợp tham khảo các tiêu chuẩn kỹ thuật về an toàn hệ thống lạnh công nghiệp (TCVN), sổ tay tra cứu tính chất nhiệt động của môi chất lạnh ($NH_3$, R22, các môi chất thay thế) và các tài liệu hướng dẫn thiết kế kho lạnh bảo quản.

---

Kết luận

Giáo trình cung cấp hệ thống kiến thức hoàn chỉnh về lý thuyết và kỹ thuật cấp đông thực phẩm, kết nối chặt chẽ giữa cơ sở sinh học chuyển pha với phương pháp tính toán thiết kế cơ khí lạnh. Tiến trình học tập từ phân tích vi mô cấu trúc tế bào đến thiết kế tổng thể hệ thống kho và tủ cấp đông giúp người học hình thành năng lực giải quyết các bài toán công nghệ trong thực tế công nghiệp chế biến và bảo quản thực phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương IV Hệ thống thiết bị cấp đông 4.1 Các vấn đề về cấp đông thực phẩm 4.1 Mục đích và ý nghĩa 4.1 Phân loại giới hạn làm lạnh * Nhiệt độ đóng băng của thực phẩm Nước nguyên chất đóng băng ở 0oC. Tuy nhiên điểm đóng băng của thực phẩm thì khác, vì nồng độ muối khoáng và chất hoà tan trong dịch tế bào của thực phẩm thay đổi tuỳ từng loại thực phẩm nên chúng có điểm đóng băng khác nhau và thường nhỏ hơn 0oC. Ví dụ của cá biển có điểm đóng băng khoảng -1,5oC, cá nước ngọt điểm đóng băng -1,0oC, tôm biển -2oC. * Các cấp làm lạnh thực phẩm: ứng với khoảng nhiệt độ sản phẩm sau cấp đông người ta phân biệt các cấp làm lạnh thực phẩm như sau: - Làm lạnh: Khi nhiệt độ sản phẩm cuối quá trình nằm trong khoảng tđb < t < + 20oC - Làm lạnh đông (cấp đông): Khi nhiệt độ sản phẩm sau cấp đông nằm trong khoảng: -100oC < t < tđb - Làm lạnh thâm độ: Khi nhiệt độ sản phẩm sau cấp đông nằm trong khoảng -273oC < t < -100oC 140 4.2 Mục đích và ý nghĩa Thực phẩm ở nhiệt độ cao dưới tác dụng của men phân giải (enzim) của bản thân và các vi sinh vật sẽ xảy ra quá trình biến đổi về chất, dẫn đến hư hỏng, ươn thối.

Khi nhiệt độ thực phẩm xuống thấp các quá trình trên sẽ bị ức chế và kìm hãm, tốc độ các phản ứng hoá sinh sẽ giảm. Nhiệt độ càng thấp, tốc độ phân giải càng giảm mạnh. 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 khuyếch tán nước và các chất tan của tế bào giảm; - Hoạt tính của enzim có trong tế bào giảm. Nhiệt độ thấp ức chế tốc độ của các phản ứng hoá sinh trong thực phẩm.

Nhiệt độ thấp tốc độ giảm, người ta tính rằng cứ giảm 10oC thì tốc độ phản ứng hoá sinh giảm xuống còn từ 1/2 đến 1/3. Nhiệt độ thấp tác dụng đến các men phân giải nhưng không tiêu diệt được nó. Nhiệt độ giảm xuống 0oC hoạt động của hầu hết các enzim bị đình chỉ. Men lipaza, trypsin, catalaza ở nhiệt độ -191oC cũng không bị phá huỷ.

Nhiệt độ càng thấp khả năng phân giải giảm, ví dụ khả năng phân giải của men lipaza phân giải mỡ cho ở bảng 4-1 dưới đây. Bảng 4-1 : Khả năng phân giải của men phân giải mỡ lipaza Nhiệt độ, oC 40 10 0 -10 Khả năng phân giải, % 11,9 3,89 2,26 0,70 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. Đa số tế bào động vật chết khi nhiệt độ giảm quá 4oC so với thân nhiệt bình thường của nó. Tế bào động vật chết là do chủ yếu độ nhớt tăng và sự phân lớp của các chất tan trong cơ thể. 141 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 không cần nhu cầu bình thường của điều kiện môi trường trong một khoảng thời gian nhất định.

Khi tăng nhiệt độ, hoạt 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. Như vậy khi nhiệt độ thấp quá trình phân giải của thực phẩm sẽ bị chậm lại hoặc chấm dứt hoàn toàn là do: - Hoạt động của các men phân giải bị đình chỉ. - Sự phát triển của các vi sinh vật bị ức chế, đại bộ phận các vi sinh vật ngừng hoạt động trong khoảng -3oC ÷ -10oC. Tuy nhiên ở -10oC vi khuẩn micrococcuss vẫn sống nhưng phát triển chậm.

Các loại nấm mốc chịu đựng lạnh tốt hơn, có thể tới -15oC. Để nấm mốc sống được độ ẩm phải đảm bảo ít nhất là 15%. Khi nhiệt độ giảm xuống -18oC thì nước trong thực phẩm mới đóng băng tới 86%, đạt yêu cầu trên. Vì vậy nhiệt độ bảo quản tốt nhất từ -18oC trở xuống mới làm cho toàn bộ vi sinh vật và nấm mốc ngừng hoạt động hoàn toàn.2 Sự kết tinh của nước trong thực phẩm 4.1 Nước trong thực phẩm Nước trong thực phẩm, đặc biệt trong thuỷ sản chiếm tỷ lệ rất lớn có thể lên đến 80%.

Tuỳ theo mức độ liên kết mà người ta chia nước trong thực phẩm ra các dạng: Nước tự do và nước liên kết - Nước tự do: Chỉ liên kết cơ học. Nước nằm bất động trong mạng lưới cấu trúc mô cơ dưới hình thức dung môi để khuyếch tán các chất qua tế bào. - Nước liên kết: Không phải là dung môi mà là ở dạng liên kết với các chất prôtit tan và các chất vô cơ, hữu cơ tan khác tạo thành các khung cấu trúc của mô cơ.2 Cơ chế đóng băng trong thực phẩm khi cấp đông. Nước trong thực phẩm do có hoà tan các chất tan nên nhiệt độ đóng băng thấp hơn 0oC.

Khi hạ nhiệt độ thực phẩm xuống thấp các dạng nước trong thực phẩm đóng băng dần dần tuỳ mức độ liên kết của chúng với tế bào. Khi nhiệt độ hạ xuống thấp bằng nhiệt độ cấp đông, trước tiên các tinh thể đá xuất hiện ở gian bào (khoảng trống giữa các tế bào). Khi đến điểm đóng băng đa số nước ở gian bào kết tinh và làm tăng nồng độ chất tan lên cao hơn trong tế bào. Do đó áp suất thẩm thấu tăng lên làm cho nước trong tế bào có xu hướng ra ngoài qua gian bào, qua màn bán thấm của tế bào.

Nếu tốc độ làm lạnh chậm thì nước trong tế bào ra sẽ làm các tinh thể hiện diện lớn lên mà không tạo nên tinh thể mới. Nếu tốc độ làm lạnh nhanh thì tinh thể sẽ tạo ra cả ở bên ngoài lẫn bên trong tế bào, tinh thể đá sẽ nhuyễn và đều. Do đó nếu hạ nhiệt chậm tế bào bị mất nước và các tinh thể đá tạo ra sẽ to và chèn ép làm rách màng tế bào, cấu tạo mô cơ bị biến dạng, giảm chất lượng sản phẩm. Khi nước tự do đã đóng băng hết thì đến nước liên kết, bắt đầu từ nước có liên kết yếu đến nước có liên kết mạnh.

Tác động của sự kết tinh của nước đối với thực phẩm. - Có sự phân bố lại nước trong thực phẩm không chỉ giữa gian bào và tế bào mà còn theo chiều sâu của sản phẩm. - Có sự biến đổi tế bào do sự phân bố lại nước, do tạo thành lớp đá, vỡ tế bào, biến đổi cấu trúc sợi cơ.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự kết tinh của nước trong thực phẩm. Nồng độ các chất hoà tan.

143 Các chất đường, chất béo, prôtêin, muối vv. trong thực phẩm hoà tan liên kết với nước tạo thành dung dịch keo. Để kết tinh các phân tử nước phải tách ra khỏi sự liên kết của các chất tan. Vì vậy khi có các chất tan thì nhiệt độ của nước phải giảm để giảm động năng, tăng lực liên kết phân tử giữa các phân tử nước với nhau để kết tinh.

Do đó nồng độ chất hoà tan tăng thì nhiệt độ kết tinh nước giảm. Độ giảm nhiệt độ để nước kết tinh phụ thuộc vào nồng độ chất tan như sau: ∆t = - 1,18 x n (4-1) n - Nồng độ phân tử các chất tan. - Khi nhiệt độ kết tinh nước giảm thì tốc độ hình thành mầm tinh thể tăng dần. - Khi giảm nhiệt độ kết tinh các tinh thể nước đá hình thành sẽ có xu hướng phát triển chiều dài và giảm kích thước chiều ngang nhờ đó việc làm hỏng cấu trúc tế bào thực phẩm giảm.

- Kích thước ngang của các tinh thể được phân chia như sau: + Kích thước 0,2 ÷ 0,6mm - tinh thể lớn + Kích thước 0,1 ÷ 0,2mm - tinh thể vừa + Kích thước 0,01 ÷ 0,1mm - tinh thể bé ở khoảng nhiệt độ -1÷-2oC các tinh thể tạo thành các kích thước lớn, ở nhiệt độ -10÷-20oC các tinh thể có số lượng rất nhiều và kích thước nhỏ. Tốc độ cấp đông Tốc độ làm lạnh thực phẩm là tỷ số giữa chiều dày lớp thực phẩm được cấp đông với thời gian để làm đông lớp đó: Vf = X/τ , m/h (4-2) Tốc độ làm lạnh đông phụ thuộc nhiều yếu tố, trong đó yếu tố nhiệt độ buồng cấp đông đóng vai trò quan trọng nhất. Căn cứ vào tốc độ làm đông người ta chia ra như sau: - Cấp đông chậm: Khi tốc độ cấp đông dưới 0,5 cm/h và thời gian cấp đông lớn hơn 10 giờ. - Cấp đông nhanh: Khi tốc độ cấp đông từ 1 ÷ 3 cm/h và thời gian cấp đông từ 2 đến 6 giờ.

144 - Cấp đông cực nhanh: Khi tốc độ cấp đông lớn hơn hoặc bằng 15cm/h, thời gian cấp đông dưới 20 phút. * ảnh hưởng của tốc độ cấp đông - Khi cấp đông chậm nước khuyếch tán nhiều, các tinh thể nước đá thu hút nước để tăng thể tích mà không có xu hướng tạo nên các mầm tinh thể. Kết qủa là số lượng các tinh thể ít, kích thước lớn và không đều, điều đó ảnh hưởng nhiều đến cấu trúc liên kết tế bào thực phẩm. - Khi cấp đông nhanh nước ít khuyếch tán vì các mầm tinh thể hình thành đều khắp trong cấu trúc với tốc độ nhanh nhờ đó số tinh thể nhiều, kích thước nhỏ và đều.

- Cấp đông cực nhanh sẽ không có sự khuyếch tán nước. Các phần tử nước sẽ kết tinh ở những vị trí liên kết với các chất tan vì vậy các tinh thể có kích thước rất nhỏ, các tính chất của thực phẩm được giữ gìn như nguyên vẹn. Chất lượng ban đầu của thực phẩm - Thực phẩm tươi sống đem làm lạnh đông sẽ có chất lượng cao nhất vì cấu trúc và sự liên kết của nước với các thành phần còn nguyên tính tự nhiên. - Khi các cấu trúc bị hư hỏng do va chạm hoặc do chất lượng bị giảm vì quá trình tự phân giải, thối rửa thì khả năng giữ nước giảm, tỷ lệ nước tự do tăng, tính đàn hồi của cấu trúc giảm.

Tương tự như ở thịt động vật có giai đoạn co cứng, cấu trúc giảm tính đàn hồi vì khả năng giữ nước giảm. Trong những trường hợp này nước kết tinh sẽ khuyếch tán nhiều, cấu trúc liên kết tế bào bị nước đá giãn nỡ sẽ rách vỡ làm cho chất lượng sản phẩm giảm.