Chương 1 TỔNG QUAN 1. Sấy thăng hoa Công nghệ STH là một phương pháp loại bỏ nước hiệu quả, lần đầu tiên được sử dụng trong công nghiệp thực phẩm ở các nước Tây Âu, sau đó được phổ biến khắp Hoa Kỳ, Anh, Pháp, Nhật Bản. Đây là kỹ thuật sấy quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm với tốc độ phát triển nhanh chóng ở thế kỷ 21. Công nghệ thăng hoa đã được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm được sử dụng trong các hoạt động thực địa như hàng không vũ trụ, hàng hải, quân sự, leo núi và thám hiểm.
Trong kỹ thuật này, nước trong thực phẩm được đông lạnh ở nhiệt độ thấp và sau đó thăng hoa trực tiếp từ pha rắn sang pha khí trong môi trường chân không [6]. Ưu điểm và nhược điểm 1. Ưu điểm Do quá trình khử nước diễn ra triệt để hơn nên sản phẩm STH có thể được bảo quản và vận chuyển ở nhiệt độ phòng trong thời gian dài sau khi đóng gói. Sản phẩm không bị chai cứng bề mặt và có kết cấu xốp nên có khả năng hoàn nguyên tốt.
So với các phương pháp sấy khác, sản phẩm STH ít bị co ngót. Quá trình sấy vật liệu được hoàn thành ở nhiệt độ rất thấp. Vì thế, STH bảo quản đầy đủ các chất dinh dưỡng và hoạt chất trong nguyên liệu thô, đồng thời giữ được màu sắc và mùi tự nhiên [6]. Nhược điểm Tuy nhiên, STH cũng có một số nhược điểm như tiêu tốn nhiều chi phí và thời gian vận hành.
STH là một quá trình truyền nhiệt và khối lượng rất phức tạp và cần nghiên cứu ảnh hưởng của nó đến chất lượng thực phẩm STH [6]. Thiết bị hệ thống phức tạp phải dùng đồng thời máy lạnh và bơm chân không, yêu cầu công nhân có trình độ kĩ thuật cao mới có thể vận hành [7]. Quá trình STH không phù hợp với một số sản phẩm [8]: 1. Nguyên liệu giàu dầu hoặc đường mà môi trường không bị đóng băng.
Các sản phẩm tạo thành lớp vỏ bề mặt không thấm nước, ngăn chặn sự thoát hơi nước của mẫu. Tế bào nhân chuẩn, có khả năng duy trì khả năng sống sót khi được đông lạnh chỉ khi có mặt các chất phụ gia bảo vệ, có thể không tương thích với quy trình. Nguyên lý sấy thăng hoa Vì thăng hoa là sự chuyển trực tiếp từ trạng thái rắn sang trạng thái khí mà không qua pha lỏng nên nó chỉ xảy ra trong những điều kiện cụ thể. Sự thăng hoa của nước diễn ra khi áp suất hơi của nước và nhiệt độ của nước đá thấp hơn điểm ba, nghĩa là lần lượt là 0,61 kPa (4,579 mmHg hoặc 0,006 atm) và 273,16°K (0,0098°C), như nó được thể hiện trong giản đồ biến đổi trạng thái của nước (Hình 1.
Giản đồ ba pha của nước tinh khiết trong hệ kín dưới áp suất-nhiệt độ [7] Ba vùng chính được minh họa trong sơ đồ pha (Hình 1.1) được phân tách bằng các đường. Mỗi vùng đại diện cho các trạng thái nhiệt động rắn (băng), khí (hơi nước) và lỏng của nước trong một hệ kín. Đường AD thể hiện trạng thái cân bằng rắn-lỏng, đường DB thể hiện trạng thái cân bằng lỏng-khí, và đường CD thể hiện trạng thái cân bằng rắn-khí. Sự kết hợp độc đáo giữa nhiệt độ và áp suất tại đó ba trạng thái nhiệt động của nước cùng tồn tại ở trạng thái cân bằng được thể hiện ở điểm D và nó được gọi là điểm ba thể [9].
Giai đoạn lạnh đông sản phẩm Lạnh đông là một bước quan trọng, vì nó quyết định cấu trúc của sản phẩm. Nước được cho là tồn tại ở 3 trạng thái trong sữa chua: nước liên kết, mao quản và nước tự do. Nước cấu trúc là nước hydrat hóa gắn trực tiếp vào các phân tử casein. Hydrat 29 hóa được cho là cải thiện tính nhất quán của sữa chua.
Tuy nhiên, lượng nước hydrat hóa dư thừa hoặc không đủ sẽ làm giảm độ đặc của sữa chua do làm giảm độ cứng của chất đông tụ. Nước mao quản được giữ trong các mao quản giữa các mixen tổng hợp. Tính linh động của nó phụ thuộc vào sự phân bố kích thước của mao mạch. Nước tự do là nước trong mạng lưới protein hoặc nước trên bề mặt [10].
Khi thời gian lạnh đông kéo dài, nước liên kết vào protein dẫn đến sự thay đổi tính chất protein dưới sự ảnh hưởng của các tinh thể băng lớn [11]. Trên thực tế, việc lạnh đông nhanh ở nhiệt độ thấp có thể tạo ra các tinh thể băng nhỏ. Trong khi đó, việc hình thành các tinh thể băng lớn thường diễn ra trong các quá trình lạnh đông chậm. Nói chung, sự chuyển pha của nước sẽ quyết định sự khác biệt trong cấu trúc lỗ xốp của sản phẩm, điều này cũng ảnh hưởng lên quá trình truyền khối trong quá trình sấy thăng hoa.
Zhang và cộng sự [12] đề xuất một mô hình để giải thích sự mất nước rằng nước di chuyển từ bên trong ra đến bên ngoài nhờ quá trình phát triển của các tinh thể băng, và tốc độ lạnh đông chậm thường gây ra bởi co rút và biến dạng của khối sữa chua. Ngoài ra, quá trình lạnh đông chậm cũng gây ra sự tăng cường trong nồng độ proton (pH thấp hơn và lực ion cao hơn) dẫn đến đổi tính protein và các protein cấu trúc hấp thụ ít nước hơn sau khi tan; như vậy, một số proton được mắc kẹt bên trong các tinh thể băng nhỏ được hình thành bởi quá trình lạnh đông nhanh. Khi sản phẩm tiếp xúc với biến động nhiệt độ, sự thay đổi kích thước của các tinh thể băng dẫn đến sự gia tăng mất nước khi tan và mất trọng lượng của sản phẩm. Vật liệu sấy phải được đông lạnh ở nhiệt độ đủ thấp để nước trong nguyên liệu đông đặc hoàn toàn [13].
Từng loại thực phẩm khác nhau sẽ được lạnh đông ở các chế độ khác nhau. Một số sản phẩm phải được cấp đông xuống đến nhiệt độ (-35 ÷ -30)°C, một số sản phẩm khác chỉ ở khoảng (-22 ÷ -20)°C thì nước trong sản phẩm đã kết tinh hoàn toàn [7]. Giai đoạn sấy thăng hoa (sấy sơ cấp) Trong giai đoạn này các tinh thể đá đã hình thành trong quá trình lạnh đông được loại bỏ bằng cách thăng hoa trong chân không ở nhiệt độ thấp, tạo cấu trúc xốp cho các chất tan vô định hình còn lại, thường chứa 30% nước. Sự thăng hoa trong quá trình sấy sơ cấp là sự kết hợp của quá trình truyền nhiệt và truyền khối [13].
Điều này đòi hỏi phải kiểm soát rất cẩn thận hai thông số: 1) Nhiệt độ sấy và 2) Áp suất sấy 30 Tốc độ thăng hoa của các tinh thể đá từ sản phẩm đã cấp đông được quyết định bởi sự chênh lệch áp suất hơi riêng phần của sản phẩm so với áp suất hơi trong môi trường sấy [13]. Các phân tử di chuyển từ vật liệu sấy (nơi có áp suất cao) đến nơi có áp suất thấp hơn, đồng thời nhiệt độ giữa môi trường sấy và vật liệu sấy chênh lệch lớn tạo điều kiện cho các tinh thể đá trong sản phẩm thăng hoa mãnh liệt, độ ẩm giảm nhanh (xem đường số (5)) [7]. Đối với STH, lượng nhiệt bức xạ mà sản phẩm sấy nhận được phải được duy trì ổn định (xem đường (3)). Ở thời gian cuối của giai đoạn sấy sơ cấp, nhiệt độ tăng dần từ (-30 ÷-25)°C đến 0,0098°C (nhiệt độ kết tinh của ẩm trong sản phẩm) [7].
Quan sát đường số (1), (2), (4), nhiệt độ tấm gia nhiệt, nhiệt độ môi trường sấy và nhiệt độ ở lối ra buồng STH gần như không đổi. Nhiệt độ tấm gia nhiệt ổn định trong khoảng từ 0 đến 45°C, nhiệt độ môi trường sấy dao động từ 0 đến 40°C tuỳ theo chế độ sấy [7]. Nếu độ ẩm của sản phẩm đạt yêu cầu đặt ra thì không cần tiến hành bước tiếp theo và ngược lại. Giai đoạn sấy chân không (sấy thứ cấp) Sau khi giai đoạn sấy sơ cấp hoàn tất, các tinh thể đá trong sản phẩm đã thăng hoa, tuy nhiên nước liên kết vẫn còn.
Độ ẩm còn lại có thể cao tới 7-8%, cần tiếp tục sấy khô ở nhiệt độ cao hơn để giảm độ ẩm còn lại xuống giá trị tối ưu. Sấy thứ cấp thường được thực hiện trong khoảng 1/3 hoặc 1/2 thời gian cần thiết cho sấy sơ cấp. Nước liên kết được loại bỏ trong môi trường chân không. Sấy thứ cấp thường được tiếp tục ở nhiệt độ sản phẩm cao hơn nhiệt độ môi trường xung quanh nhưng vẫn phù hợp với độ nhạy cảm của sản phẩm [13].
Nhiệt độ sản phẩm sau đây thường được sử dụng: (a) từ 10 đến 35°C đối với các sản phẩm nhạy cảm với nhiệt và (b) 50°C trở lên đối với các sản phẩm ít nhạy cảm với nhiệt. Độ ẩm còn lại trong sản phẩm ở cuối giai đoạn sấy thứ cấp, cũng như nhiệt độ sản phẩm được bảo quản là những yếu tố quan trọng quyết định độ ổn định của sản phẩm trong quá trình bảo quản [14]. Quan sát hình, kết thúc giai đoạn sấy thứ cấp, đường (1), (2) và (3) giao nhau tại một điểm, nhiệt độ giữa các tấm gia nhiệt bức xạ, nhiệt độ môi trường sấy và nhiệt độ sản phẩm bằng nhau. Khi đó diễn ra sự cân bằng nhiệt ẩm, ẩm trong sản phẩm không thể bốc hơi được nữa đạt tới trạng thái cân bằng, xem đường (5) [7].
Đồ thị làm việc của buồng STH sử dụng nguồn nhiệt bức xạ, nhiệt độ lạnh đông (-35 ÷ -30)°C [7] 1 - nhiệt độ tấm gia nhiệt; 2 - nhiệt độ môi trường STH; 3 - nhiệt độ thực phẩm sấy; 4 - nhiệt độ ở lối ra buồng thăng hoa; 5 - độ ẩm của thực phẩm sấy; 6 - áp suất trong buồng STH 1. Hệ thống sấy thăng hoa cấp đông riêng Máy STH gồm các bộ phận cơ bản: buồng sấy, bơm chân không, nguồn nhiệt, thiết bị ngưng tụ-đóng băng, hệ thống làm lạnh (Hình 1. Ngoài ra còn có hệ thống đo lường và điều khiển. Lựa chọn và vận hành chính xác các bộ phận này trong quá trình STH để đạt được kết quả tối ưu.
Buồng sấy thăng hoa Buồng sấy là nơi đặt sản phẩm, được thiết kế kín tuyệt đối khi hút chân không. Thường có 2 dạng hình trụ và hình lập phương, nằm ngang hoặc thẳng đứng. Đối với hệ thống STH tự lạnh đông thì thiết bị có cấu tạo phức tạp, phải có hệ thống cấp đông và mẫu sẽ được cấp đông trực tiếp trong buồng. Tuy nhiên với hệ thống STH cấp đông riêng thì có cấu tạo đơn giản hơn, việc cấp đông mẫu sẽ được thực hiện ở một thiết bị lạnh đông khác và buồng sấy chỉ là nơi diễn ra quá trình sấy.