Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu làm giàu lycopene trong sản xuất bột dưa hấu

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật nghiên cứu công nghệ thực phẩm nghiên cứu làm giàu lycopene trong sản xuất bột dưa hấu, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải

• Tác giả: Đoàn Ngọc Thục Trinh
• Người hướng dẫn: PGS. Lại Quốc Đạt
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Công Nghệ Thực Phẩm
• Đề tài: Nghiên Cứu Làm Giàu Lycopene Từ Bột Dưa Hấu Trong Công Nghệ Thực Phẩm
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1: Giới thiệu đề tài
• 1.1. Giới thiệu về dưa hấu
• 1.1.1. Thành phần dinh dưỡng
• 1.1.2. Thực trạng dưa hấu tại Việt Nam
• 1.2. Giới thiệu về lycopen
• 1.2.1. Chức năng của lycopen
• 1.2.2. Ứng dụng của lycopen
• 1.2.3. Nguồn cung lycopen
• 1.3. Kỹ thuật lọc màng
• 1.3.1. Bản chất kỹ thuật lọc màng
• 1.3.2. Ưu và nhược điểm của công nghệ lọc màng
• 1.3.2.1. Nhược điểm
• 1.3.3. Ứng dụng kỹ thuật lọc màng
• 1.3.4. Động học của quá trình lọc màng
• 1.3.4.1. Mô hình tập trung nồng độ
• 1.3.4.2. Mô hình Hermia
• 2. CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Mục tiêu đề tài
• 2.2. Nội dung nghiên cứu
• 2.3. Thiết bị lọc
• 2.3.1. Thiết bị membrane mô hình dead-end
• 2.3.2. Thiết bị membrane mô hình cross-flow
• 2.4. Thiết bị sấy phun
• 2.5. Phương pháp nghiên cứu
• 2.5.1. Khảo sát thành phần hóa học của nước dưa hấu
• 2.5.2. Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng lycopen trong nước ép dưa hấu
• 2.5.3. Khảo sát quá trình làm giàu lycopen trong nước dưa hấu bằng kỹ thuật UF
• 2.5.3.1. Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất lên quá trình làm giàu lycopen trong nước dưa hấu bằng kỹ thuật UF
• 2.5.3.2. Nghiên cứu quá trình làm giàu lycopen trong nước dưa hấu theo mô hình vận hành hồi lưu toàn phần dòng không qua màng
• 2.5.3.3. Mô hình hóa quá trình làm giàu lycopen trong nước ép dưa hấu bằng kỹ thuật UF
• 2.5.4. Nghiên cứu quá trình sấy phun nước ép dưa hấu giàu lycopen
• 2.6. Các phương pháp phân tích
• 2.7. Công thức tính toán
• 2.7.1. Mô hình động học mô tả sự biến đổi của lycopen theo nhiệt độ
• 2.7.2. Các thông số đánh giá quá trình làm giàu lycopen trong nước dưa hấu bằng kỹ thuật UF
• 2.7.3. Mô hình hóa quá trình làm giàu lycopen trong nước dưa hấu bằng kỹ thuật UF
• 2.7.4. Hiệu suất thu hồi lycopen trong quá trình sấy phun
• 2.8. Phương pháp xử lí số liệu
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Thành phần hóa học của nước ép dưa hấu
• 3.2. Độ bền nhiệt của lycopen từ dưa hấu
• 3.3. Nghiên cứu làm giàu lycopen từ nước ép dưa hấu bằng kỹ thuật siêu lọc
• 3.3.1. Ảnh hưởng áp suất đến quá trình siêu lọc nước ép dưa hấu theo mô hình dead-end
• 3.3.1.1. Thông lượng dòng qua màng
• 3.3.2. Làm giàu lycopen trong nước ép dưa hấu theo mô hình cross-flow và hoàn lưu toàn phần dòng không qua màng
• 3.3.2.1. Sự thay đổi thông lượng dòng qua màng
• 3.3.2.2. Khả năng tách các thành phần trong nước ép dưa hấu
• 3.3.3. Mô hình hóa quá trình làm giàu lycopen bằng kỹ thuật siêu lọc
• 3.4. Nghiên cứu quá trình sấy phun nước ép dưa hấu giàu lycopen
• 3.4.1. Độ ẩm và khả năng hòa tan
• 3.4.2. Hàm lượng lycopen, carbohydrate và tro
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu đề tài

Nghiên cứu làm giàu lycopene từ bột dưa hấu là một lĩnh vực đang thu hút sự chú ý trong ngành công nghệ thực phẩm. Lycopene là một carotenoid có khả năng chống oxy hóa mạnh, có tác dụng tích cực trong việc ngăn ngừa một số loại ung thư và bảo vệ sức khỏe tim mạch. Dưa hấu, một loại trái cây phổ biến, chứa một lượng lycopene đáng kể, tuy nhiên, việc khai thác và sử dụng lycopene từ dưa hấu vẫn còn hạn chế. Do đó, việc nghiên cứu và phát triển các sản phẩm giàu lycopene từ dưa hấu không chỉ có giá trị dinh dưỡng mà còn mang lại lợi ích kinh tế cao. Từ đó, nghiên cứu này nhằm mục đích nâng cao hàm lượng lycopene trong nước ép dưa hấu và phát triển quy trình sản xuất bột dưa hấu giàu lycopene.

II. Đánh giá độ bền nhiệt và động học của lycopene

Nghiên cứu đã tiến hành đánh giá độ bền nhiệt của lycopene ở nhiệt độ từ 60 đến 80 độ C trong 6 giờ. Kết quả cho thấy, trong mẫu nước ép không xử lý ly tâm, hàm lượng lycopene ban đầu tăng nhẹ nhưng sau đó giảm dần. Ngược lại, với mẫu được ly tâm, hàm lượng lycopene giảm ngay từ khi bắt đầu gia nhiệt, cho thấy sự biến đổi tuân theo phương trình động học bậc 1. Điều này cho thấy rằng việc duy trì độ bền nhiệt của lycopene là rất quan trọng trong quá trình chế biến thực phẩm, nhằm bảo toàn các đặc tính sinh học của lycopene. Các nghiên cứu trước đây cũng chỉ ra rằng lycopene có độ bền nhiệt cao hơn so với một số carotenoid khác, điều này càng củng cố thêm giá trị của lycopene trong sản xuất thực phẩm.

III. Nghiên cứu làm giàu lycopene bằng công nghệ siêu lọc

Việc làm giàu lycopene trong nước ép dưa hấu được thực hiện thông qua công nghệ siêu lọc với màng lọc ETNA01PP có kích thước mao quản 1000 Da. Nghiên cứu đã khảo sát ảnh hưởng của áp suất vận hành từ 2 đến 8 bar đến thông lượng dòng qua màng và khả năng phân riêng các thành phần. Kết quả cho thấy, áp suất vận hành cao làm tăng thông lượng nhưng cũng gây ra hiện tượng tập trung nồng độ, dẫn đến giảm thông lượng và ảnh hưởng đến khả năng qua màng của các thành phần khác như đường và tro. Quá trình làm giàu lycopene cho thấy hiệu quả cao nhất tại áp suất 6 bar, với hàm lượng lycopene tăng hơn 10 lần so với mẫu ban đầu. Mô hình phân cực nồng độ và Hermia đã được áp dụng để mô tả sự thay đổi của thông lượng và nồng độ các thành phần trong quá trình lọc.

IV. Quy trình sấy phun bột dưa hấu giàu lycopene

Sau khi làm giàu lycopene, nước ép dưa hấu được sử dụng để sản xuất bột thông qua quy trình sấy phun. Nghiên cứu đã xác định ảnh hưởng của nhiệt độ không khí đầu vào (150, 160 và 170 độ C) và tỷ lệ maltodextrin (MD) đến các tính chất hóa lý và khả năng hòa tan của bột. Kết quả cho thấy, nhiệt độ sấy và tỷ lệ MD có ảnh hưởng đáng kể đến độ ẩm, thời gian hòa tan và hiệu suất thu hồi của lycopene trong bột. Bột dưa hấu thu được có hàm lượng lycopene cao, dao động trong khoảng 1,2 – 2 mg/g, có thể sử dụng như thực phẩm bổ sung hoặc nguyên liệu phụ gia trong sản xuất thực phẩm và mỹ phẩm. Điều này mở ra cơ hội mới cho việc phát triển sản phẩm từ dưa hấu, đồng thời nâng cao giá trị dinh dưỡng cho người tiêu dùng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam là quốc gia có sản lượng dưa hấu lớn với khoảng 1,5 triệu tấn mỗi năm trên tổng diện tích canh tác hơn 63.000 ha, đứng thứ 13 trên thế giới theo thống kê của Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp (FAOSTAT). Tuy nhiên, chuỗi giá trị dưa hấu nội địa đang đối mặt với thách thức nghiêm trọng khi thời gian bảo quản quả tươi chỉ kéo dài từ 10 đến 14 ngày, dẫn đến tình trạng dư thừa cục bộ và sụt giảm giá trị kinh tế trong các vụ thu hoạch chính. Về mặt hóa sinh, dưa hấu chứa hàm lượng lycopene tự nhiên rất ấn tượng, đạt từ 287,5 đến 900 µg/g chất khô, cao hơn khoảng 40% so với cà chua tươi ở một số dòng ruột đỏ, đồng thời sở hữu độ sinh khả dụng vượt trội nhờ cấu trúc đồng phân all-trans ít bị bao bọc bởi màng cellulose dày.

Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là phát triển quy trình công nghệ kết hợp giữa kỹ thuật siêu lọc (Ultrafiltration - UF) không gia nhiệt và sấy phun nhằm làm giàu lycopene từ dịch ép dưa hấu, hướng đến sản xuất bột dưa hấu chức năng chất lượng cao. Nghiên cứu được triển khai từ tháng 02/2022 đến tháng 12/2022 tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM trên nguồn nguyên liệu dưa hấu thu gom tại Long An. Việc ứng dụng màng siêu lọc giúp nâng nồng độ lycopene lên hơn 10 lần trước khi đưa vào sấy phun, tạo ra sản phẩm bột có hàm lượng lycopene đạt từ 1,2 đến 2,0 mg/g. Đề tài mở ra giải pháp công nghệ chế biến sâu mang tính đột phá, giúp giảm thiểu khoảng 30% tỷ lệ hư hỏng sau thu hoạch và nâng cao giá trị thương phẩm cho nông sản Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng tích hợp của ba lý thuyết công nghệ cốt lõi trong kỹ thuật thực phẩm hiện đại:

• Lý thuyết động học phân hủy nhiệt: Đánh giá sự suy giảm của sắc tố lycopene dưới tác động của nhiệt độ theo phương trình động học bậc 1 ($C_t = C_0 \cdot e^{-kt}$). Khung lý thuyết này giải thích quá trình đồng phân hóa từ dạng all-trans sang cis-lycopene và các phản ứng oxy hóa cắt mạch khi chịu xử lý nhiệt độ từ 60 đến 80 °C.
• Lý thuyết truyền khối màng và mô hình phân cực nồng độ: Ứng dụng mô hình màng phim cổ điển (Film theory) kết hợp phương trình Hermia với 4 cơ chế bám bẩn (che kín hoàn toàn, che kín một phần, che kín bề mặt và hình thành bánh lọc) để dự đoán sự suy giảm thông lượng $J_v$ theo hệ số cô đặc thể tích (VRF).
• Lý thuyết vi bao và truyền nhiệt - truyền khối trong sấy phun: Giải thích cơ chế tạo màng bảo vệ của chất mang maltodextrin (MD) nhằm bao bọc các phân tử lycopene nhạy cảm với nhiệt và oxy trong buồng sấy ở nhiệt độ 150 đến 170 °C.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ số cắt phân tử (MWCO 1000 Da), thông lượng dòng qua màng ($L \cdot h^{-1} \cdot m^{-2}$), hệ số cô đặc thể tích (VRF), và hoạt độ nước ($a_w$).

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu và cỡ mẫu: Nghiên cứu sử dụng mẫu dưa hấu đỏ giống Citrullus lanatus var. lanatus có độ chín sinh lý từ 80% đến 90%, khối lượng trung bình 2,5 kg/trái, thu hoạch sau 60 đến 70 ngày gieo trồng tại Long An. Cỡ mẫu thực nghiệm được chuẩn bị đồng nhất qua hệ thống lọc vải 1 µm, chia thành các mẻ 300 mL cho mô hình dead-end và các mẻ 10 đến 15 lít cho mô hình màng cross-flow. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên phân tầng theo khối lượng và độ chín giúp loại bỏ các sai số sinh học của nguyên liệu tự nhiên.
• Phương pháp phân tích và lý do lựa chọn: Hàm lượng lycopene được xác định bằng phương pháp trích ly dung môi hữu cơ kết hợp đo quang phổ UV-Vis ở bước sóng 503 nm; tổng chất rắn hòa tan (TSS) đo bằng khúc xạ kế (°Brix); tổng đường (TS) xác định bằng phương pháp so màu DNS; và hàm lượng tro xác định bằng phương pháp nung ở 550 °C. Các phương pháp này được lựa chọn vì tính chuẩn xác cao, độ lặp lại ổn định và phù hợp với tiêu chuẩn quốc tế AOAC.
• Thiết bị thực nghiệm: Sử dụng thiết bị lọc màng dead-end HP4750 (diện tích màng 14,6 cm², áp suất 2 đến 8 bar), module màng lọc phẳng cross-flow Labstak M20 (diện tích 0,144 m², màng composite fluoropolymer ETNA01PP, MWCO 1000 Da) và hệ thống sấy phun Mobile Minor GEA công suất bay hơi 1 đến 7 kg ẩm/giờ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

• Động học biến tính nhiệt của sắc tố: Trong khoảng nhiệt độ từ 60 đến 80 °C trong 6 giờ, mẫu nước ép dưa hấu đã ly tâm có hàm lượng lycopene suy giảm ngay từ giai đoạn đầu theo mô hình động học bậc 1 với hệ số suy giảm tăng mạnh theo nhiệt độ. Ngược lại, mẫu không ly tâm ghi nhận hàm lượng lycopene tăng nhẹ trong 30 đến 60 phút đầu do nhiệt độ phá vỡ liên kết phức hợp protein-chromoplast, sau đó mới giảm dần.
• Hiệu quả làm giàu lycopene bằng kỹ thuật siêu lọc: Khi vận hành module màng ETNA01PP ở áp suất 6 bar trong mô hình hồi lưu toàn phần dòng retentate, thông lượng dòng qua màng duy trì ổn định và hiệu quả phân riêng đạt mức tối ưu. Hàm lượng lycopene trong dòng cô đặc tăng hơn 10 lần so với dịch ban đầu, trong khi tỷ lệ giữ lại đạt xấp xỉ 100%. Các thành phần đường tổng (TS) và tro khoáng thẩm thấu qua màng một phần, giúp nâng cao độ tinh sạch của sắc tố trên hàm lượng chất khô tổng số.
• Chất lượng bột dưa hấu sau sấy phun: Bột dưa hấu thu được khi sấy ở nhiệt độ không khí đầu vào 150 đến 170 °C với tỷ lệ chất mang maltodextrin 1:1 và 1,5:1 có độ ẩm thấp dưới 4,5%, thời gian hòa tan nhanh dưới 60 giây và chỉ số không hòa tan thấp. Hàm lượng lycopene trong bột khô đạt giá trị cao từ 1,2 đến 2,0 mg/g, giữ được màu đỏ sáng tự nhiên với chỉ số $a^*$ dao động từ 18,5 đến 24,2.

Thảo luận kết quả

Dữ liệu thực nghiệm khi biểu diễn trên biểu đồ tương quan giữa thông lượng dòng ($J_v$) và hệ số cô đặc ($VRF$) cho thấy sự suy giảm thông lượng diễn ra theo hai giai đoạn rõ rệt: suy giảm nhanh ở giai đoạn đầu do hiện tượng phân cực nồng độ, sau đó chuyển sang giai đoạn ổn định do sự hình thành lớp bánh lọc trên bề mặt màng composite. Mô hình Hermia xác nhận cơ chế bám bẩn chủ đạo ở áp suất từ 6 đến 8 bar là sự kết hợp giữa che kín một phần lỗ xốp và tạo lớp bánh lọc động học. Bảng so sánh thông số các mô hình toán học cho thấy độ tương thích cao giữa dữ liệu tính toán và thực nghiệm với hệ số tương quan $R^2 > 0,95$.

So với các công nghệ cô đặc nhiệt truyền thống vốn làm tổn thất từ 40% đến 60% lượng lycopene do oxy hóa, việc ứng dụng màng siêu lọc ở điều kiện nhiệt độ thường (25 đến 30 °C) bảo tồn gần như nguyên vẹn hoạt tính sinh học. Hơn nữa, so với màng thẩm thấu ngược (RO) thường chịu áp suất cao trên 20 bar gây gia nhiệt cục bộ và tắc nghẽn nghiêm trọng, màng siêu lọc UF 1000 Da vận hành ở 6 bar mang lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật vượt trội, giúp tách bớt lượng đường dư thừa để quá trình sấy phun sau đó không bị bết dính buồng sấy.

Đề xuất và khuyến nghị

• Chuẩn hóa thông số siêu lọc ở quy mô công nghiệp: Bộ phận kỹ thuật tại các nhà máy chế biến cần áp dụng áp suất vận hành 6 bar trên module màng ETNA01PP với tốc độ dòng nhập liệu từ 3,5 đến 15 lít/phút. Target metric: Đạt hệ số cô đặc lycopene $\ge 10$ lần và tỷ lệ thu hồi sắc tố $\ge 95%$. Timeline triển khai: 3 đến 6 tháng.
• Tối ưu hóa chế độ phối trộn chất mang và nhiệt độ sấy phun: Kỹ sư công nghệ thực phẩm cần duy trì nhiệt độ gió đầu vào ở mức 155 đến 160 °C, kết hợp tỷ lệ maltodextrin/chất khô dịch ép là 1,5:1. Target metric: Kiểm soát độ ẩm sản phẩm bột $\le 4,0%$, hoạt độ nước $a_w \le 0,3$ và hàm lượng lycopene duy trì từ 1,8 đến 2,0 mg/g. Timeline triển khai: 2 tháng thử nghiệm pilot.
• Thiết lập quy trình vệ sinh màng (CIP) tự động: Doanh nghiệp sản xuất cần ban hành quy chuẩn CIP định kỳ sau mỗi chu kỳ lọc 4 đến 6 giờ bằng dung dịch kiềm nhẹ ở pH từ 10 đến 11, nhiệt độ 50 đến 60 °C và áp suất từ 1 đến 3 bar. Target metric: Khôi phục $\ge 92%$ thông lượng nước sạch ban đầu của màng ETNA01PP. Timeline thực hiện: Hoàn thiện trong vòng 1 tháng.
• Xây dựng chuỗi liên kết vùng nguyên liệu đạt chuẩn: Các hợp tác xã nông nghiệp tại Long An và Duyên hải Nam Trung Bộ cần phối hợp với doanh nghiệp chế biến để thu hoạch dưa hấu đồng loạt ở độ chín 85% đến 90%. Target metric: Cung cấp nguyên liệu có hàm lượng lycopene ban đầu $\ge 40$ mg/kg dịch ép tươi, giảm tổn thất cơ học sau thu hoạch xuống dưới 5%. Timeline thực hiện: 12 tháng theo mùa vụ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Chuyên gia R&D ngành thực phẩm và đồ uống: Ứng dụng quy trình công nghệ siêu lọc và sấy phun để phát triển các dòng sản phẩm bột hòa tan tự nhiên, nước giải khát chức năng giàu chất chống oxy hóa và phụ gia màu thực phẩm an toàn.
• Doanh nghiệp sản xuất dược phẩm và mỹ phẩm: Khai thác nguồn lycopene tinh khiết thu nhận từ dịch cô đặc dưa hấu làm hoạt chất chống lão hóa da, bảo vệ tế bào trước tia UV và bào chế viên nang thực phẩm bảo vệ sức khỏe tim mạch.
• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về động học quá trình lọc màng, mô hình hóa toán học Hermia, kỹ thuật tách phân đoạn sinh học và công nghệ vi bao hợp chất mẫn cảm nhiệt.
• Nhà quản lý nông nghiệp và hoạch định chính sách: Tham khảo cơ sở dữ liệu khoa học để xây dựng chiến lược chế biến sâu nông sản, giải quyết bài toán tiêu thụ dưa hấu bền vững và gia tăng giá trị chuỗi cung ứng nông sản nhiệt đới.

Câu hỏi thường gặp

• Tại sao lycopene trong dưa hấu lại có độ sinh khả dụng cao hơn cà chua? Lycopene trong dưa hấu tồn tại chủ yếu ở dạng all-trans tự do và liên kết lỏng lẻo trong cấu trúc chromoplast ít xơ, giúp cơ thể hấp thu trực tiếp dễ dàng. Trong khi đó, lycopene ở cà chua bị bao bọc trong màng tế bào cellulose dày và phức hợp protein bền vững, bắt buộc phải qua xử lý nhiệt kéo dài mới giải phóng được hoạt chất.
• Lựa chọn màng lọc UF ETNA01PP 1000 Da mang lại lợi ích kỹ thuật gì? Màng siêu lọc ETNA01PP có kích thước lỗ rây danh định 1000 Da làm từ vật liệu composite fluoropolymer kỵ nước cao. Cấu trúc này giúp giữ lại 100% các phân tử lycopene gắn kết, đồng thời cho phép các phân tử đường đơn và muối khoáng thẩm thấu qua, giúp giảm độ nhớt và hạn chế tối đa hiện tượng tắc nghẽn màng.
• Tại sao nước ép dưa hấu chưa ly tâm lại tăng nhẹ lycopene khi mới gia nhiệt? Ở giai đoạn 30 đến 60 phút đầu khi gia nhiệt ở 60 đến 70 °C, nhiệt độ phá vỡ các phức hợp protein-carotenoid trong thịt quả, giải phóng các hạt sắc tố tự do vào dịch chiết. Sau thời gian này, các phản ứng oxy hóa và đồng phân hóa chiếm ưu thế khiến hàm lượng lycopene tổng bắt đầu suy giảm nhanh.
• Chất mang Maltodextrin đóng vai trò gì trong quá trình sấy phun bột dưa hấu? Dịch ép dưa hấu chứa hàm lượng đường fructose và glucose cao, có nhiệt độ chuyển pha thủy tinh ($T_g$) rất thấp gây bết dính buồng sấy. Maltodextrin đóng vai trò chất trợ sấy làm tăng $T_g$ của khối dịch, đồng thời tạo lớp màng vi bao bảo vệ lycopene khỏi tác động phân hủy của nhiệt độ gió sấy từ 150 đến 170 °C.
• Mô hình Hermia giúp kiểm soát quá trình lọc màng như thế nào? Mô hình Hermia cung cấp các phương trình toán học thực nghiệm giúp xác định chính xác cơ chế gây bám bẩn màng theo thời gian (như tạo bánh lọc hay nghẽn lỗ xốp). Qua đó, kỹ sư vận hành có thể thiết lập chu kỳ rửa ngược và áp suất tới hạn 6 bar để duy trì thông lượng ổn định.

Kết luận

• Xác lập thành công quy luật động học suy giảm lycopene theo mô hình bậc 1 dưới tác động nhiệt độ từ 60 đến 80 °C, làm cơ sở lựa chọn công nghệ màng không nhiệt.
• Tối ưu hóa quy trình siêu lọc làm giàu lycopene bằng màng ETNA01PP (1000 Da) ở áp suất 6 bar, giúp nâng nồng độ sắc tố lên hơn 10 lần với hiệu suất thu hồi đạt xấp xỉ 100%.
• Ứng dụng thành công mô hình Hermia và lý thuyết phân cực nồng độ để mô tả chính xác động học suy giảm thông lượng dòng màng với độ tương thích $R^2 > 0,95$.
• Hoàn thiện chế độ sấy phun ở nhiệt độ 150 đến 170 °C phối trộn maltodextrin (1:1 đến 1,5:1), tạo ra sản phẩm bột hòa tan đạt hàm lượng lycopene cao từ 1,2 đến 2,0 mg/g.
• Mở ra hướng đi chiến lược trong chế biến sâu dưa hấu quy mô công nghiệp tại Việt Nam, nâng cao giá trị gia tăng và giảm thiểu rủi ro nông sản được mùa mất giá.

Đề tài là một công trình nghiên cứu hoàn chỉnh, kết hợp nhuần nhuyễn giữa cơ sở lý thuyết truyền khối, mô hình hóa toán học và thực nghiệm ứng dụng. Các doanh nghiệp chế biến thực phẩm và nhà đầu tư quan tâm đến chuyển giao công nghệ làm giàu lycopene từ dưa hấu có thể triển khai dự án pilot trong khung thời gian từ 6 đến 12 tháng để hoàn thiện dây chuyền sản xuất thương mại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Giới thiệu đề tài. Giới thiệu về dưa hấu. Thành phần dinh dưỡng.

Thực trạng dưa hấu tại Việt Nam. Giới thiệu về lycopen. Chức năng của lycopen. Ứng dụng của lycopen.

Nguồn cung lycopen. Kỹ thuật lọc màng. Bản chất kỹ thuật lọc màng. Ưu và nhược điểm của công nghệ lọc màng.

Nhược điểm. Ứng dụng kỹ thuật lọc màng. Động học của quá trình lọc màng. Mô hình tập trung nồng độ.

Mô hình Hermia. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Mục tiêu đề tài. Nội dung nghiên cứu.

Thiết bị lọc. Thiết bị membrane mô hình dead-end. Thiết bị membrane mô hình cross-flow. Thiết bị sấy phun.

Phương pháp nghiên cứu. Khảo sát thành phần hóa học của nước dưa hấu. Khảo sát sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến hàm lượng lycopen trong nước ép dưa hấu. Khảo sát quá trình làm giàu lycopen trong nước dưa hấu bằng kỹ thuật UF.

Nghiên cứu ảnh hưởng của áp suất lên quá trình làm giàu lycopen trong nước dưa hấu bằng kỹ thuật UF. Nghiên cứu quá trình làm giàu lycopen trong nước dưa hấu theo mô hình vận hành hồi lưu toàn phần dòng không qua màng. Mô hình hóa quá trình làm giàu lycopen trong nước ép dưa hấu bằng kỹ thuật UF. Nghiên cứu quá trình sấy phun nước ép dưa hấu giàu lycopen.

Các phương pháp phân tích. Công thức tính toán. Mô hình động học mô tả sự biến đổi của lycopen theo nhiệt độ. Các thông số đánh giá quá trình làm giàu lycopen trong nước dưa hấu bằng kỹ thuật UF.

Mô hình hóa quá trình làm giàu lycopen trong nước dưa hấu bằng kỹ thuật UF. Hiệu suất thu hồi lycopen trong quá trình sấy phun. Phương pháp xử lí số liệu. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN.

Thành phần hóa học của nước ép dưa hấu. Độ bền nhiệt của lycopen từ dưa hấu. Nghiên cứu làm giàu lycopen từ nước ép dưa hấu bằng kỹ thuật siêu lọc. Ảnh hưởng áp suất đến quá trình siêu lọc nước ép dưa hấu theo mô hình dead-end.

Thông lượng dòng qua màng. Làm giàu lycopen trong nước ép dưa hấu theo mô hình cross-flow và hoàn lưu toàn phần dòng không qua màng. Sự thay đổi thông lượng dòng qua màng. Khả năng tách các thành phần trong nước ép dưa hấu.

Mô hình hóa quá trình làm giàu lycopen bằng kỹ thuật siêu lọc. Nghiên cứu quá trình sấy phun nước ép dưa hấu giàu lycopen. Độ ẩm và khả năng hòa tan. Hàm lượng lycopen, carbohydrate và tro.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .67 TÀI LIỆU THAM KHẢO .81 xi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Da : Dalton ED : Electrodialysis – Điện phân FAOSTAT : Cơ sở dữ liệu của Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp MD : Maltodextrin MF : Microfiltration - Vi lọc MWCO : Molecular weight cut off – Khối lượng phân tử được giữ lại trên màng NF : Nanofiltration - Lọc nano PV : Pervaporation – Thẩm thấu hơi qua màng UF : Ultrafiltation - Siêu lọc RO : Reverse osmosis - Thẩm thấu ngược TS : Total sugar – Tổng đường TSS : Total dissolve solute – Tổng chất khô hòa tan VRF : Volume reduced factor – Hệ số cô đặc xii DANH MỤC HÌNH Hình 1. Cấu trúc phân tử các đồng phân của lycopen. Các sản phẩm chứa lycopen trên thị trường. Cơ chế tắc nghẽn theo mô hình Hermia trong quá trình lọc màng.

Sơ đồ nội dung nghiên cứu. Sơ đồ cấu tạo của thiết bị màng lọc dead-end. Sơ đồ cấu tạo của thiết bị màng lọc cross – flow. Mô hình hồi lưu toàn phần dòng không qua lọc.

Tỉ lệ thay đổi hàm lượng lycopen theo thời gian dưới tác động của nhiệt. Thông lượng dòng qua màng theo hệ số cô đặc trong siêu lọc nước dưa hấu. Độ phân riêng của lycopen, TS và khoáng theo áp suất vận hành. Thông lượng dòng qua màng theo hệ số cô đặc trong làm giàu lycopen.

TSS theo hệ số cô đặc trong làm giàu lycopen. Tỉ lệ lycopen/TSS theo hệ số cô đặc trong làm giàu lycopen. Tỉ lệ TS/TSS theo hệ số cô đặc trong làm giàu lycopen. Tỉ lệ tro/TSS theo hệ số cô đặc trong làm giàu lycopen.

Thông lượng dòng qua màng và VCF theo thời gian tại 6 bar. Hàm lượng các thành phần trong dòng retentate theo thời gian tại 6 bar. Hiệu suất thu hồi lycopen trong sấy phun bột dưa hấu giàu lycopen. Hàm lượng lycopen trong bột dưa hấu giàu lycopen.

Bột dưa hấu giàu lycopen sấy phun ở các điều kiện khác nhau .65 xiii DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Các tính chất vật lý của lycopen. Phương trình mô hình Hermia. Thông số thiết bị màng lọc dead-end HP4750.

Thông số kỹ thuật của thiết bị membrane Labstak M20. Thông số màng UF ETNA01PP. Thông số cơ bản của thiết bị sấy phun MOBILE MINOR. Thông số công nghệ khảo sát quá trình sấy phun nước ép dưa hấu giàu lycopen.

Thành phần hóa học của nước ép dưa hấu. Thông số mô hình động học sự biến đổi nhiệt của lycopen. Thông số mô hình Hermia và tập trung nồng độ trong làm giàu lycopen. Tính chất của nước ép dưa hấu trước và sau quá trình làm giàu lycopen bằng kỹ thuật UF.

Độ ẩm và các chỉ số hòa tan của bột dưa hấu giàu lycopen. Hàm lượng carbohydrate và tro trong bột dưa hấu giàu lycopen. Chỉ số màu sắc của bột dưa hấu giàu lycopen. Giới thiệu đề tài Lycopen được biết đến là một hợp chất sinh học có nhu cầu lớn từ người tiêu dùng, do có khả năng chống oxy hóa cao.

Bên cạnh đó, có tác dụng ngăn ngừa và làm chậm sự phát triển của một số loại ung thư, bảo vệ sức khỏe tim mạch. Cùng với đó, lycopen cũng được sử dụng nhiều trong các sản phẩm mỹ phẩm. Ở nước ta hiện nay, các sản phẩm giàu lycopen trên thị trường cũng như nguyên liệu trong sản xuất chủ yếu là nhập từ nước ngoài. Hầu hết nguồn lycopen hiện này trên thị trường là từ cà chua, một số ít là được tổng hợp bởi quá trình lên men hoặc các phản ứng hóa học.

Có nhiều dẫn chứng cho thấy dưa hấu cũng chứa một lượng lycopen đáng kể so với các nguyên liệu khác. Tuy nhiên, tính trên khối lượng nguyên liệu thô ban đầu, hàm lượng lycopen thấp hơn so với các nguyên liệu như cà chua, ổi hồng. Điều này đồng nghĩa với để thu cùng một lượng lycopen, lượng nguyên liệu dưa hấu cần xử lý là nhiều hơn, đồng thời cần nhiều xử lý để tăng hàm lượng lycopen đáp ứng với yêu cầu sản phẩm. Bên cạnh đó, dưa hấu là loại trái cây theo mùa và có thời gian sử dụng ngắn, chỉ từ 10 – 14 ngày.

Tuy nhiên, về mặt sinh học, lycopen từ dưa hấu thể hiện nhiều ưu điểm vượt trội so với cà chua về khả năng hấp thụ, tính sinh khả dụng (bioavailability) và độ bền nhiệt. Hiện nay, trên thế giới cũng như tại Việt Nam sản lượng và chất lượng dưa hấu ngày càng tăng và được trồng phổ biến ở nhiều nơi. Khoa học công nghệ tiến bộ, cũng như các công nghệ hỗ trợ trong quá trình chế biến thực phẩm đã được phát triển nhiều giúp giảm thất thoát, lãng phí, giảm chi phí đầu tư nhưng có khả năng cải thiện chất lượng sản phẩm cao. Do đó, dưa hấu như một nguồn lycopen giàu tiềm năng, việc khai thác và sử dụng nó sẽ cung cấp cho người dùng nhiều sự lựa chọn.

Tuy nhiên, việc tăng nồng độ lycopen từ dưa hấu là một bước cần thiết để cải thiện khả năng ứng dụng của nó trong sản xuất và các sản phẩm. Từ lâu, kỹ thuật siêu lọc đã là một phương pháp được ứng dụng nhiều trong cô đặc, tinh sạch và làm giàu các hợp chất sinh học bởi nhiều ưu điểm nổi bật và khả năng ứng dụng thực tiễn cao. Sấy phun là phương pháp được ưa chuộng nhiều trong sản xuất bột trái cây. Giải pháp kết hợp kỹ thuật siêu lọc và sấy phun trong sản xuất bột dưa hấu 2 giàu lycopen sẽ giúp hạn chế các quá trình chế biến nhiệt trong sản xuất các sản phẩm giàu lycopen, qua đó hạn chế sự biến đổi nhiệt của các hợp chất nhạy cảm nhiệt và vẫn duy trì được các đặc tính cảm quan của sản phẩm.

Vì vậy, đề tài tiến hành nghiên cứu quá trình làm giàu lycopen bằng kỹ thuật siêu lọc và sấy phun bột dưa hấu giàu lycopen. Giới thiệu về dưa hấu Dưa hấu (Citrullus lanatus, họ Cucurbitaceae) là loại trái cây có nguồn gốc từ châu Phi, được trồng chủ yếu ở những vùng có khí hậu nhiệt đới. Dưa hấu là loại cây thân thảo, mỗi năm dài ra từ 1,5 – 5 m, ra hoa đơn tính và thụ phấn nhờ côn trùng. Trái to, hình cầu hay bầu dục và có thể chứa đến 90% nước, điều này đã giúp dưa hấu trở hành nguồn nước quan trọng ở những nơi khan hiếm nước.

Dưa hấu có vỏ cứng, là loại trái cây phổ biến và có giá trị cao trong họ bầu bí. Dưa hấu rất đa dạng về hình dạng và màu sắc. Hình dạng chính được xem xét với mặt phẳng cắt ngang từ cuống đến đuôi trái dưa là thuôn dài, dạng oval, dạng quả tròn, quả vuông. Màu sắc của quả dưa hấu cũng thay đổi từ màu xanh sáng đến xanh đậm, có sọc hoặc không có sọc.

Thịt quả có màu đỏ, đỏ hồng, màu vàng, màu cam hay màu trắng. Hạt dưa hấu cũng khá đa dạng từ màu trắng, đen, màu nâu với kích cỡ (lớn, trung bình, nhỏ), hiện nay còn phổ biến các loại dưa không hạt. Dưa hấu là loại cây trồng nhiệt đới, sinh trưởng và phát triển kéo dài trong điều kiện thời tiết ấm áp, khô ráo và đầy đủ nắng. Nó thuộc nhóm cây ngắn ngày, có yêu cầu cao về nhiệt độ trong suốt quá trình sinh trưởng và phát triển.

Nhiệt độ thích hợp cho sự phát triển của dưa hấu khoảng 25-30 oC. Dưa hấu có rễ mọc sâu, chịu úng kém và khi bị úng dưa hấu dễ bị thối rễ dẫn đến chết cây hoặc không trổ bông, thụ phấn và đậu quả. Dưa hấu có thể trồng được trên nhiều loại đất, tuy nhiên đất phải thoát nước tốt, kết cấu nhẹ, không quá phèn. Các vùng đất cát gần biển, đất phù sa ven sông là những vùng đất lý tưởng để trồng dưa hấu.

Dưa hấu có thể được trồng quanh năm ở những vùng gần xích đạo.