Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Khoai lang (Ipomoea batatas) là cây lương thực có củ quan trọng, đứng thứ ba tại Việt Nam sau lúa và ngô với sản lượng đạt 1.402,35 nghìn tấn trên diện tích 166,7 nghìn ha vào năm 2019 (theo số liệu FAOSTAT, 2021). Củ khoai lang giàu dinh dưỡng, cung cấp hàm lượng glucid, đường, tinh bột, chất xơ, vitamin (C, B1, B2, PP), khoáng chất (Ca, P, Fe, K) cùng hàm lượng đáng kể carotenoid – tiền chất của vitamin A. Tuy nhiên, sản xuất khoai lang tại Việt Nam mang tính thời vụ rõ rệt, thời gian thu hoạch ngắn và chủ yếu tiêu thụ ở dạng ăn tươi. Khâu bảo quản, chế biến sâu chưa được đầu tư tương xứng, dẫn đến tổn thất sau thu hoạch và chưa tận dụng hết giá trị của nguồn nông sản.

Tại các vùng sản xuất truyền thống (tiêu biểu như sản phẩm khoai deo tại tỉnh Quảng Bình), quá trình chế biến khoai lang vẫn mang tính thủ công: khoai sau thu hoạch được ủ khoảng 10 ngày, luộc chín, cắt lát rồi phơi nắng kéo dài từ 7 đến 12 ngày. Phương thức phơi tự nhiên phụ thuộc lớn vào thời tiết, kéo dài chu kỳ sản xuất, khiến sản phẩm có độ nhiễm vi sinh vật cao, không đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm, hạn sử dụng ngắn, dễ bị ẩm mốc và biến màu trong quá trình bảo quản.

Để khắc phục những nhược điểm trên, đề tài khóa luận "Nghiên cứu chế độ sấy và bao bì thích hợp cho sản phẩm mứt khoai lang dẻo" được thực hiện nhằm xây dựng quy trình sấy chủ động bằng thiết bị đối lưu và xác định giải pháp bao gói, bảo quản phù hợp.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu:

  1. Mục đích: Xác định các thông số kỹ thuật tối ưu trong quá trình sấy và lựa chọn vật liệu bao bì thích hợp nhằm nâng cao chất lượng cảm quan, giá trị dinh dưỡng và kéo dài thời hạn bảo quản cho mứt khoai lang dẻo.
  2. Nhiệm vụ cụ thể:
    • Xác định nhiệt độ và thời gian sấy thích hợp cho lát khoai lang đã qua sơ chế để đưa sản phẩm về độ ẩm an toàn (18% – 20%).
    • Xác định nồng độ chất bảo quản kali sorbate thích hợp nhằm ức chế vi sinh vật hiếu khí, nấm men và nấm mốc.
    • Đánh giá ảnh hưởng của các loại bao bì (bao bì màng PE hút chân không và bao bì màng ghép phức hợp) đến sự biến đổi độ ẩm, màu sắc và chất lượng cảm quan của sản phẩm trong thời gian bảo quản.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Khoai lang đỏ thu mua tại tỉnh Quảng Bình.
  • Phạm vi không gian: Phòng thí nghiệm Bộ môn Sinh lý, Sinh hóa và Công nghệ Sau thu hoạch – Viện Nghiên cứu Rau quả (Trâu Quỳ, Gia Lâm, Hà Nội).
  • Phạm vi thời gian: Nghiên cứu được tiến hành từ tháng 3 năm 2021 đến tháng 8 năm 2021.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận thuộc loại hình nghiên cứu thực nghiệm công nghệ thực phẩm, kết hợp các phương pháp phân tích hóa lý, kiểm vi sinh vật và đánh giá cảm quan tiêu chuẩn.

Khung lý thuyết và nguyên lý ứng dụng

  • Kỹ thuật sấy đối lưu: Ứng dụng nguyên lý truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức bằng dòng không khí nóng tuần hoàn để làm bay hơi nước từ bề mặt và khuếch tán ẩm nội tại của lát khoai lang, giúp kiểm soát tốc độ sấy và chất lượng sản phẩm so với phơi nắng tự nhiên.
  • Cơ chế bảo quản của kali sorbate (E202): Muối kali của acid trans, trans-2,4-hexadienoic ($C_6H_7KO_2$), có tác dụng ức chế chọn lọc đối với nấm men và nấm mốc thông qua cơ chế phản ứng với nhóm sulfhydryl (-SH) của hệ enzyme vi sinh vật, được xếp vào nhóm phụ gia an toàn (GRAS) và tuân thủ quy định sử dụng phụ gia thực phẩm của Bộ Y tế.
  • Kỹ thuật bao bì: So sánh khả năng cản khí, cản ẩm giữa bao bì đơn lớp polyethylene (PE) kết hợp hút chân không 95% và bao bì màng ghép phức hợp hàn kín thường.

Phương pháp nghiên cứu và bố trí thí nghiệm

Quy trình công nghệ tạo mẫu: Khoai lang nguyên liệu $\rightarrow$ Rửa sạch, gọt vỏ $\rightarrow$ Cắt lát dày 5 mm $\rightarrow$ Ngâm dung dịch acid citric 0,2% trong 15 phút (chống hóa nâu) $\rightarrow$ Chần trong nước bổ sung 0,5% acid citric ở 90°C trong 5 phút $\rightarrow$ Ngâm dịch đường saccharose tỷ lệ đường/khoai 50% trong 6 giờ $\rightarrow$ Sấy đối lưu $\rightarrow$ Để nguội $\rightarrow$ Bao gói $\rightarrow$ Theo dõi bảo quản.

Thí nghiệm Các công thức khảo sát Chỉ tiêu theo dõi Phương pháp phân tích
Thí nghiệm 1: Tối ưu hóa chế độ sấy - CT1: Sấy ở 50°C (5 giờ)
- CT2: Sấy ở 60°C (5 giờ)
- CT3: Sấy ở 70°C (5 giờ)		 - Động học giảm ẩm (đo định kỳ 1h/lần)
- Hàm lượng đường tổng số (%)
- Hàm lượng tinh bột (%)
- Điểm cảm quan chất lượng sau sấy		 - Máy đo độ ẩm nhanh ADAM-AMB 310 (sấy đến khối lượng không đổi ở 105°C)
- Phương pháp Ferricyanide chuẩn độ xanh metylen
- Thủy phân acid kết hợp Ferricyanide
- Đánh giá cảm quan cho điểm (TCVN 3215-79)
Thí nghiệm 2: Nồng độ kali sorbate và bao bì bảo quản - Nồng độ phụ gia: 0,03%; 0,06%; 0,09% kali sorbate (bổ sung lúc ngâm đường)
- Bao bì: Túi PE (15x25 cm, dày 0,03 mm, hút chân không 95%) vs. Túi màng ghép phức hợp (15x22 cm, dày 0,045 cm)		 - Vi sinh vật hiếu khí tổng số (ngày 0, 10, 15)
- Độ ẩm (ngày 0, 10, 20)
- Màu sắc chỉ số $b^*$ (ngày 0, 10, 20)
- Điểm cảm quan (ngày 0, 10, 20)		 - Đếm khuẩn lạc trên thạch dinh dưỡng PCA (TCVN 4884-2015) ở 37°C
- Máy đo độ ẩm Boeco
- Máy đo màu ColorTec PCM+
- TCVN 3215-79 (hội đồng 10 chuyên gia)

Phương pháp xử lý số liệu: Số liệu thu thập từ các lần lặp lại được phân tích phương sai (ANOVA) và so sánh sự sai khác giữa các giá trị trung bình theo mức ý nghĩa thống kê $\alpha = 0,05$ bằng phần mềm Minitab 16 và Microsoft Excel.

Nội dung chính theo từng chương

Chương II: Tổng quan các vấn đề cần nghiên cứu

Chương này tổng thuật toàn diện các cơ sở lý luận và tài liệu nghiên cứu liên quan:

  • Đặc điểm phân loại thực vật học của khoai lang (Ipomoea batatas), cấu tạo hình thái củ (vỏ lụa chiếm 1%, vỏ cùi 5-12%, thịt củ chứa phần lớn tinh bột và mủ). Thành phần dinh dưỡng theo Bảng thành phần thực phẩm Việt Nam (2007) trên 100g ăn được: nước 68 g, năng lượng 119 kcal, glucid 28,5 g, protein 0,8 g, vitamin C 23 mg, kali 210 mg, canxi 34 mg.
  • Tổng quan thị trường: Sản lượng toàn cầu từ 2015 đến 2019 duy trì ở mức 90,61 – 92,72 triệu tấn (Trung Quốc dẫn đầu với 51,79 triệu tấn). Tại Việt Nam, sản lượng tăng từ 1336,05 nghìn tấn (2015) lên 1402,35 nghìn tấn (2019).
  • Phân loại sản phẩm mứt (mứt đông, mứt rim, mứt nhuyễn, mứt khô, mứt dẻo) và các sản phẩm chế biến từ khoai lang (khoai dẻo Đà Lạt, khoai deo Quảng Bình, rượu khoai lang tím).
  • Tính chất hóa lý và cơ chế ức chế vi sinh vật của kali sorbate ($C_6H_7KO_2$), các phương pháp sấy nông sản (đối lưu, tiếp xúc, thăng hoa, hồng ngoại, cao tần) và đặc tính kỹ thuật của bao bì PE, bao bì màng ghép phức hợp.

Chương III: Đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu

Trình bày chi tiết nguồn gốc nguyên liệu khoai lang đỏ Quảng Bình, danh mục hóa chất (acid citric, kali sorbate, HCl, NaOH, KOH, ferricyanide, phenol, xanh metylen), thiết bị đo kiểm (tủ sấy đối lưu kích thước 500×600×750 mm, cân phân tích PX4202, PX224, máy đo màu ColorTec PCM+). Thiết kế bố trí 2 khối thí nghiệm độc lập và quy trình chuẩn bị mẫu, công thức tính toán hàm lượng đường ($Đ = \frac{a \times k}{V} \times 100%$) và tinh bột ($TB = \frac{a \times k \times 0,9}{V} \times 100%$), quy chuẩn cho điểm cảm quan 20 điểm theo TCVN 3215-79 với 3 thuộc tính (Màu sắc hệ số 1,5; Mùi vị hệ số 1,2; Trạng thái hệ số 1,3).

Chương IV: Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Chương IV trình bày các kết quả thực nghiệm đạt được:

  • Phân tích nguyên liệu thô: Khoai lang ban đầu có độ ẩm 61,96%, hàm lượng đường tổng số 4,59% và hàm lượng tinh bột 25,81%.
  • Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy (50°C, 60°C, 70°C): Tốc độ thoát ẩm có sự phân hóa rõ rệt sau 3 giờ sấy ($p < 0,05$). Sau 5 giờ, mẫu sấy ở 70°C giảm độ ẩm xuống 14,87% (gây khô cứng bề mặt, màu vàng nhạt hơi nâu kém sáng); mẫu ở 50°C còn 22,78% ẩm (sản phẩm bị mềm, chưa đạt độ dẻo dai); mẫu ở 60°C đạt độ ẩm 19,23% (nằm trong dải ẩm tối ưu 18-20%, màu vàng sáng, cấu trúc dẻo dai).
Nhiệt độ sấy Độ ẩm sau 5h (%) Đường tổng số (%) Tinh bột (%) Tổng điểm cảm quan Xếp loại chất lượng
50°C $22,78^a \pm 0,0168$ $31,12^a$ $8,19^a$ 15,6 Khá
60°C $19,23^b \pm 0,0046$ $33,44^b$ $7,94^a$ 18,0 Khá (Cao nhất)
70°C $14,87^c \pm 0,0089$ $33,82^b$ $7,93^a$ 12,1 Trung bình
  • Ảnh hưởng của nồng độ kali sorbate: Nồng độ 0,03% không đủ khả năng ức chế vi sinh vật sau 10 ngày (xuất hiện $14,58 \times 10^1$ đến $15,39 \times 10^1$ CFU/ml) và tăng mạnh sau 15 ngày ($17,61 \times 10^3$ CFU/ml ở bao bì PE; $16,39 \times 10^3$ CFU/ml ở bao bì phức hợp). Ở các nồng độ 0,06% và 0,09%, chỉ số vi sinh vật tổng số hoàn toàn bằng 0 CFU/ml sau 15 ngày. Nồng độ 0,06% được lựa chọn để tối ưu hóa chi phí và đảm bảo an toàn thực phẩm.
  • Biến đổi chất lượng trong quá trình bảo quản (0 – 20 ngày):
Loại bao bì Thời gian bảo quản (ngày) Độ ẩm (%) Màu sắc (chỉ số $b^*$) Điểm cảm quan tổng hợp Xếp loại cảm quan
Bao bì PE
(Hút chân không 95%)		 0
10
20		 $19,16^{Aa} \pm 0,0019$
$19,37^{Aa} \pm 0,0023$
$19,13^{Aa} \pm 0,0021$		 $18,06^a$
$17,49^b$
$15,83^c$		 17,4
17,3
17,4		 Khá
Khá
Khá
Màng ghép phức hợp
(Hàn kín thường)		 0
10
20		 $18,90^{Ba} \pm 0,0035$
$19,57^{ABa} \pm 0,0013$
$20,40^{Aa} \pm 0,0069$		 $18,48^a$
$14,35^b$
$16,73^c$		 16,9
17,4
15,4		 Khá
Khá
Khá

Bao bì PE hút chân không 95% duy trì độ ẩm ổn định xung quanh mức 19,13% – 19,37%, hạn chế tối đa sự oxy hóa sắc tố carotenoid và duy trì điểm cảm quan 17,4 điểm. Ngược lại, bao bì phức hợp không hút chân không khiến sản phẩm bị hút ẩm lên 20,40% sau 20 ngày và điểm cảm quan suy giảm xuống 15,4 điểm.

Chương V: Kết luận và đề nghị

Đưa ra kết luận tổng hợp về bộ thông số kỹ thuật tối ưu và đề xuất các định hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm hoàn thiện quy trình công nghệ.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính dựa trên số liệu thực nghiệm

  1. Chế độ sấy tối ưu: Nhiệt độ sấy 60°C trong thời gian 5 giờ trên thiết bị sấy đối lưu đưa độ ẩm sản phẩm từ $42,36%$ về $19,23% \pm 0,0046$, hàm lượng đường tổng số đạt $33,44%$, tinh bột đạt $7,94%$, điểm đánh giá cảm quan đạt 18,0/20 điểm (màu vàng sáng, đồng đều, dẻo dai, không bị khô cứng bề mặt).
  2. Liều lượng chất bảo quản: Nồng độ kali sorbate 0,06% bổ sung ở giai đoạn ngâm đường ức chế hoàn toàn nấm men, nấm mốc và vi sinh vật hiếu khí (0 CFU/ml) trong suốt 15 ngày theo dõi.
  3. Quy cách đóng gói và bảo quản: Bao bì màng PE kết hợp hút chân không 95% duy trì độ ẩm sản phẩm ở mức an toàn ($19,13% \pm 0,0021$), ổn định màu sắc và giữ vững điểm cảm quan ở mức 17,4 điểm sau 20 ngày bảo quản ở nhiệt độ phòng.

Đóng góp thực tiễn của đề tài

  • Khóa luận đã xây dựng được quy trình kỹ thuật hoàn chỉnh thay thế phương thức phơi nắng thủ công truyền thống, giúp rút ngắn chu kỳ sản xuất từ 7–12 ngày xuống còn 5 giờ sấy chủ động.
  • Kiểm soát được độ an toàn vi sinh vật và chất lượng cảm quan, tạo cơ sở thực nghiệm cho việc đa dạng hóa sản phẩm chế biến sâu từ củ khoai lang tại Việt Nam.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận tự chỉ ra một số hạn chế do điều kiện thiết bị và thời gian thực hiện:

  • Chưa so sánh đối chứng với các phương pháp sấy tiên tiến khác (như sấy bơm nhiệt, sấy vi sóng chân không, sấy thăng hoa) để đánh giá toàn diện mức độ tiêu hao năng lượng và khả năng giữ hợp chất có hoạt tính sinh học.
  • Chưa tiến hành khảo sát các giải pháp bảo quản tự nhiên hoặc màng phủ sinh học thay thế hóa chất bảo quản kali sorbate.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Thử nghiệm các công nghệ sấy hiện đại khác nhằm tiếp tục nâng cao chất lượng cấu trúc và dinh dưỡng của mứt khoai lang.
  • Nghiên cứu các phương pháp bảo quản không dùng hóa chất phụ gia hoặc ứng dụng phụ gia có nguồn gốc tự nhiên.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo chuyên môn đối với:

  • Sinh viên, học viên ngành Công nghệ Thực phẩm, Công nghệ Sau thu hoạch: Tham khảo phương pháp bố trí thí nghiệm sấy đối lưu, phương pháp phân tích hóa lý xác định hàm lượng đường/tinh bột bằng kỹ thuật Ferricyanide, quy trình phân tích vi sinh vật theo TCVN 4884-2015 và phương pháp đánh giá cảm quan cho điểm theo TCVN 3215-79.
  • Cơ sở sản xuất và chế biến nông sản: Ứng dụng trực tiếp thông số công nghệ (sơ chế cắt lát 5 mm, chần 90°C trong 5 phút bổ sung 0,5% acid citric, ngâm đường 50% trong 6 giờ, sấy đối lưu ở 60°C trong 5 giờ, bao gói PE hút chân không 95% có bổ sung 0,06% kali sorbate) để sản xuất mứt khoai lang dẻo quy mô vừa và nhỏ.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao nhiệt độ sấy 60°C được kết luận là tối ưu hơn so với 50°C và 70°C?
Trả lời: Ở 50°C, tốc độ thoát ẩm chậm, sau 5 giờ độ ẩm còn cao ($22,78%$), sản phẩm bị mềm và chưa đạt độ dẻo dai yêu cầu. Ở 70°C, tốc độ thoát ẩm quá nhanh khiến bề mặt bị khô cứng, màu sắc chuyển sang vàng nhạt hơi nâu kém sáng, điểm cảm quan chỉ đạt 12,1 điểm (mức Trung bình). Chế độ 60°C trong 5 giờ đưa độ ẩm về mức chuẩn $19,23%$, giữ được màu sắc vàng sáng, cấu trúc dẻo dai đồng đều và đạt điểm cảm quan cao nhất (18,0 điểm).

2. Nồng độ kali sorbate bao nhiêu là phù hợp và khả năng ức chế vi sinh vật thể hiện ra sao?
Trả lời: Nồng độ 0,06% kali sorbate là tối ưu. Ở mức 0,03%, mẫu bị nhiễm vi sinh vật hiếu khí sau 10 ngày ($14,58 \times 10^1$ đến $15,39 \times 10^1$ CFU/ml) và tăng cao sau 15 ngày ($16,39 \times 10^3$ đến $17,61 \times 10^3$ CFU/ml). Cả hai mức 0,06% và 0,09% đều ức chế hoàn toàn vi sinh vật (0 CFU/ml) sau 15 ngày; do đó mức 0,06% được lựa chọn để đảm bảo ngưỡng phụ gia an toàn tối thiểu.

3. Tại sao bao bì PE hút chân không 95% lại cho hiệu quả bảo quản tốt hơn màng ghép phức hợp?
Trả lời: Do bao bì PE được kết hợp hút chân không 95% nên đã loại bỏ phần lớn oxy tự do, giúp ngăn ngừa quá trình oxy hóa sắc tố carotenoid (ổn định màu sắc chỉ số $b^*$) và ngăn chặn sự hút ẩm từ không khí (độ ẩm duy trì $19,13%$ sau 20 ngày). Màng ghép phức hợp do không hút chân không nên lượng khí tồn dư khiến sản phẩm bị hút ẩm lên $20,40%$ và điểm cảm quan giảm xuống 15,4 điểm.

4. Trước khi sấy, khoai lang được xử lý qua những công đoạn sơ chế nào?
Trả lời: Khoai lang đỏ sau khi gọt vỏ được cắt lát dày 5 mm, ngâm dung dịch acid citric 0,2% trong 15 phút, chần trong nước có 0,5% acid citric ở 90°C trong 5 phút để vô hoạt enzyme gây hóa nâu, sau đó ngâm đường saccharose với tỷ lệ đường/khoai là 50% trong thời gian 6 giờ trước khi đưa vào buồng sấy.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Vũ Thị Thu Hà đã giải quyết thành công bài toán kỹ thuật trong chế biến mứt khoai lang dẻo bằng phương pháp sấy đối lưu bán công nghiệp. Nghiên cứu đã xác lập các thông số công nghệ rõ ràng gồm nhiệt độ sấy 60°C trong 5 giờ đưa độ ẩm về 19,23%, bổ sung 0,06% kali sorbate và đóng gói trong bao bì PE hút chân không 95%. Kết quả thực nghiệm cung cấp dữ liệu khoa học có độ tin cậy cao, hỗ trợ tích cực cho việc nâng cao chất lượng và hiện đại hóa quy trình chế biến nông sản khoai lang sau thu hoạch.