CHƯƠNG 1.1 Tổng quan về kỹ thuật sấy Hiện nay, cùng v ới mức sống ngày càng tăng của con người, v ấn đề đảm bảo an toàn an ninh lương thực toàn cầu đang là thách thức lớn đối với toàn nhân loại. Có tớ i 80% khả năng dân số thế giới sẽ tăng tới 9,6 tỷ đến 12,3 tỷ người vào năm 2100 [1]. Người ta ước tính rằng đến năm 2050, số người sống ở các thành phố sẽ tăng gấp đôi so với năm 2000 và cần thêm 40% diện tích đất vào năm 2030 để nuôi sống dân số đô thị ngày càng giàu có [2]. Ngoài ra, an ninh lương thực cũng bị đe doạ bởi biến đổi khí hậu, ô nhiễm và thoái hoá đất cùng với việc chiếm dụng đất nông nghiệp do công nghiệp hoá và đô thị hoá… Một số nghiên cứ u d ự đoán nhiệt độ môi trường ngày càng tăng kèm theo lượng mưa giảm ở các vùng nhiệt đới, cận nhiệt đới và bán khô hạn có khả năng làm giảm năng suất ngô, lúa mì, lúa gạo và các loại cây trồng chính khác trong tương lai gần; biến đổi khí hậu, đặc biệt là thời tiết khắc nghiệt, rõ ràng sẽ tác động đáng kể đến an ninh lương thực toàn cầu.
Tại Việt Nam, kinh tế nông nghiệp chiếm một phần quan tr ọng trong cơ cấu nền kinh tế. Theo số liệu c ủa T ổng cục Thống kê, lĩnh vự c nông, lâm nghiệp và thuỷ sản chiếm tỷ trọng 13,96% tổng GDP quốc gia vào năm 2019. Năm 2018, kim ng ạch xuấ t khẩu chỉ tính riêng cho mặt hàng rau quả đạt 3,52 tỷ USD, vượt qua cả mặt hàng dầu thô (đạt 2,2 tỷ USD). Tuy nhiên, theo T ổ chức nông lương Liên hợp Quốc, tỷ lệ hao hụt c ủa các mặt hàng nông sản tính từ khâu thu hoạch đến khâu tiêu thụ hiện nay dao động từ 40÷50%.
Lý do của việ c hao hụt này nằm một phần do hầ u hết các công nghệ bảo quản sau thu hoạch hiện nay chưa đáp ứng được yêu cầu về cả chất lượng và số lượng, ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp đến giá trị và chất lượng của các sản phẩm nông nghiệp. Trong các công nghệ bảo quản sau thu hoạch, công nghệ sấy nổi lên như là một công nghệ bảo qu ản tiềm năng, phù hợp với tình hình kinh tế, xã hội ở nước ta do chi phí đầu tư thấp, thời gian bảo quản lâu dài. Sấy là một trong những quá trình x ử lý nhiệt thường gặp trong các lĩnh vực công nghiệp, điển hình như ngành công nghiệp hoá chất, công nghiệp khai khoáng, công nghiệp sản xuất xi măng, công nghiệp sản xuất thuốc súng, công nghiệp sản xuất đồ gia dụng, công nghiệp chế biến gỗ và đồ mỹ nghệ. Đặc biệt trong ngành công nghiệp bảo quản thực phẩm, sấy n ổi lên là một trong những kĩ thuật quan trọng có tác động to l ớn tới lĩnh vực bảo quản nông sản sau thu hoạch.
Sấy có lẽ là một trong những quá trình công ngh ệ lâu đời nhất, phổ biế n nhất và có sức ảnh hưởng to lớn nhất trong ngành công nghiệp chế biến thực phẩm. Điều này dễ dàng được giải thích bởi sấy không chỉ là một kĩ thuật đơn giản, cho thời gian bảo quản vượt trội so với các phương pháp bảo quản khác mà chúng còn tạo ra hương vị mới lạ cho sản ph ẩm. Bên cạnh đó, việc giảm thiểu lượng lớn hàm lượng nước trong sản phẩm cũng giúp giảm thiểu đáng kể chi phí bao bì, kho bãi và chi phí vận chuyển; điều này càng được đặc biệt quan tâm kể từ khi đại dịch Covid – 19 bùng phát cùng với sự phát triển bùng nổ của ngành logistics trong thương mại điện tử. 1 Sấy là một hoạt động tương đối phức tạp liên quan đến quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất kết hợp nhằm loại bỏ ẩm, chủ yếu là nước và hơi nước ra khỏi vật liệu sấy để thải vào môi trường xung quanh [3].
Hơi ẩm tồn tại trong vật liệu sấy nhận được năng lượng theo một phương thức nào đó sẽ tách khỏi vậ t liệu sấy và dịch chuyển từ trong lòng vật ra bề mặt và từ bề mặt vào môi trường xung quanh. Ẩ m trong vật liệu sấy tồn tại dưới dạ ng liên kết hoá học lỏng, hiện diện dưới dạng dung d ịch lỏng bên trong vật liệu rắn, tạo ra áp suất hơi nhỏ hơn áp suất của lỏng nguyên chất, được gọi là ẩm liên kết. Trong quá trình sấy, hơi ẩm bay hơi trên bề mặt khuếch tán vào tác nhân sấy thông qua hiện tượng chênh l ệch phân áp suất hơi nước giữa bề mặt vật liệu và tác nhân sấy. Quá trình truyền nhiệt và truyền chất trên bề mặt vật liệ u chủ yếu được thực hiện dưới hình thức trao đổi nhiệt và trao đổi chất đối lưu.
Ẩm trên bề mặt v ật liệu sấy sau khi bay hơi hình thành các gradient nhiệt độ, độ ẩm và áp suất; điều này dẫn tới hiện tượng dịch chuy ển ẩm từ trong lòng vật liệu sấy ra bên ngoài bề mặt thông qua các hang xốp và tiếp t ục khuếch tán từ bề mặt ra môi trường xung quanh. Quá trình dịch chuyển ẩm diễn ra liên tục cho đến khi vật tiến tới trạng thái cân bằng ẩm. Quá trình truyền nhiệt – truyền chất trong quá trình sấy chịu sự ràng buộc bởi các bi ến quá trình có thể kể đến như: Thông số nhiệt vật lý của tác nhân sấy (nhiệt độ, tốc độ và độ ẩm và đặc tính của tác nhân sấy), đặc tính của v ật liệu sấy (thông số kích thước, hình dạng của vật liệ u sấy, kích thước hang xốp, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt của vật và các thành phần hoá h ọc…). Trong lĩnh vực chế biến và bảo quản thực phẩm, công nghệ sấy được coi là một trong nhữ ng công nghệ bả o quản sau thu hoạch cho thời gian b ảo quản kéo dài tốt nhất hiện nay.
Trong quá trình sấy, nước trong vật liệu sấy được loại bỏ ra bên ngoài nhằm giảm hoạt độ nước xuống mức tối thiểu, giúp ức chế sự phát triển của các vi sinh vật, phản ứng của các enzyme và các phản ứng gây hư hại khác cho sản phẩm. Bên cạnh công dụng kéo dài thời gian bảo quản các sản phẩm nông sản, cho phép lưu trữ sản phẩm dưới nhiệt độ môi trường tự nhiên, việc giảm thiểu hàm lượng ẩm cũng làm nồng độ các vi chất tồn tại trong trong thành phẩm sau khi sấy có thể kể đến như protein, chất béo, carbohydrate… tăng lên đáng kể so với sản phẩm tươi, từ đó tạo ra hương vị mới lạ cho thành phẩm khô. Tuy nhiên cần lưu ý rằng, sấy là một quá trình tương đối phức tạp liên quan đến sự trao đổi nhiệt – trao đổi chất kết hợp dẫn đến sự thay đổi tính chất các thành phần có trong vật liệu sấy. Quá trình sấy sản phẩm nông sản không đúng cách hoặc quá trình sấy chưa đạt yêu cầu kỹ thuật đều dẫn đến tổn thất nghiêm trọng về chất lượng của thành phẩm khô.
Sản phẩm sau quá trình sấy cần đảm bảo các chỉ tiêu về mặt chất lượng liên quan đến an toàn vệ sinh thực phẩm, thành phần dinh dưỡng, các thuộc tính kết cấu, cảm quan về màu sắc và hương vị. Tuỳ thuộc vào điều kiện sấy khô, các sản phẩm thực phẩm có thể trải qua các mức độ khác nhau của sự nâu hoá, co rút, mất vi chất và các hiện tượng gây suy giảm chất lượng sả n ph ẩm khác. Bên trong các loại thực phẩm như trái cây và rau quả có chứ a các thành phần chủ yếu như: Nước, carbohydrate và các đoạn lipid. Các hợp chất này dễ dàng bị biến đổi trong điều kiện sấy ở nhi ệt độ cao, d ẫn đến sự suy giảm chất lượng sản phẩm khô, gây ra những ảnh hưởng không nhỏ tới giá trị của thành phẩm sau chế biến.
Theo thống 2 kê, tổn thất ngũ cốc hàng năm của Trung Quốc do sấy không đạt yêu cầu và hư hỏng do sinh vật lên tới 21 triệu tấn; kết quả tương tự cũng được ghi nhận ở nhiều khu vực khác trên thế giới. Hơn nữa, sấy khô không đúng kĩ thuật gây ra các vấn đề nghiêm trọng về an toàn thực phẩm, đe doạ đến sức khoẻ con người. Theo thống kê của Tổ chức Lương thự c và Nông nghiệp (FAO), kho ảng 25% sả n phẩm nông nghiệp trên thế giới bị nhiễm độc tố do sấy không đạt tiêu chuẩn, điều này gây thiệt hại kinh tế hàng trăm tỷ USD. Nhằm giải quyết vấn đề hao hụt sản phẩm sau chế biến, đảm bảo an ninh lương thực quốc gia và trên thế giới, việc nghiên cứu, phát triển công nghệ sấy đạt tiêu chuẩn đố i với từ ng loại sản phẩm là một nhiệm vụ đóng vai trò quan trọng và vô cùng cấp thiết trong ngành công nghi ệp chế biến và bảo quản sản phẩm nông sản sau thu hoạch.
Với những phân tích ở trên, s ấy rõ ràng là một trong những hoạt động có tầm ảnh hưởng lớn tới nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực chế biến và bảo quản thực phẩm. Tuy nhiên ta biết rằng nhiệt ẩn hoá hơi của nước là tương đối lớn, chính vì v ậy s ẽ không quá khó hiểu khi sấy là một trong nh ững quá trình xử lý nhiệt có mức tiêu hao năng lượng lớn nhất trong các ngành công nghiệp, hoạt động này tiêu thụ từ 7÷15% tổng mứ c tiêu thụ năng lượng công nghi ệp ở hầu hết các quốc gia [4]. Các nghiên cứu khác nhau báo cáo mức tiêu hao năng lượng quốc gia cho ho ạt động sấy khô trong công nghi ệp nằm trong khoảng từ 10÷15% tại Hoa Kỳ, Canada, Pháp và vương quốc Anh, con số này tăng lên tới 20÷25% tại các nước Bắc Âu lạnh giá như Đan Mạch và Đức [5]. Tại Việt Nam, tỷ trọng năng lượng sử dụng cho quá trình sấy chiếm từ 5% (trong ngành công nghi ệp hoá chất) đến hơn 35% (trong ngành sản xuất giấy).
Xem xét t ổng mức tiêu thụ năng lượng lớn của quá trình s ấy và hiệu suất sử dụng năng lượng thấp của hầu hết các loại máy sấy hiện nay chỉ khoảng 25÷50%, việc nghiên cứ u phát triể n các công nghệ sấy mới có tiềm năng tiết kiệm năng lượng cao không chỉ có ý nghĩa thiết thự c với các đơn vị sản xuất mà còn có ý nghĩa to lớn đối với chính sách phát triển nguồn năng lượng, góp phần giảm lượng phát thải carbon dioxide, giảm hiệu ứ ng nhà kính và các hiện tượng biến đổ i khí hậu, một vấn đề hết sức cấp bách hiện nay.