Nghiên cứu quy trình công nghệ sản xuất bột cà rốt chất lượng cao từ nguyên liệu phế phụ phẩm

Khóa luận sản xuất bột cà rốt chất lượng cao từ phế phụ phẩm - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM 2025

• Tác giả: Đào Thị Ngọc Hạnh
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Tấn Dũng
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm
• Đề tài: Nghiên cứu quy trình công nghệ sản xuất bột cà rốt chất lượng cao từ nguyên liệu phế phụ phẩm
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan sản xuất bột cà rốt chất lượng cao từ phế phụ phẩm

Việt Nam sở hữu sản lượng nông sản dồi dào, trong đó cà rốt chiếm tỷ trọng lớn tại nhiều vùng chuyên canh. Tuy nhiên, tỷ lệ thất thoát sau thu hoạch vẫn ở mức cao. Cà rốt loại thải do kích thước không đạt chuẩn hoặc gãy vỡ thường bị bỏ phí. Đề tài khóa luận tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM mở ra hướng đi bền vững. Nghiên cứu tập trung thu hồi nguồn nguyên liệu này để chế biến bột dinh dưỡng. Sản phẩm dạng bột giải quyết bài toán thời gian bảo quản ngắn của củ tươi. Độ ẩm thấp ngăn chặn vi sinh vật phát triển gây thối hỏng. Đồng thời, thể tích thành phẩm giảm đáng kể giúp tối ưu chi phí vận chuyển. Cà rốt chứa hàm lượng lớn hợp chất carotenoid cùng nhiều loại vitamin thiết yếu. Quy trình công nghệ hiện đại chuyển hóa phế phẩm thành nguồn nguyên liệu thực phẩm giá trị cao. Việc thu hồi phụ phẩm nông nghiệp tạo thêm nguồn doanh thu cho người nông dân. Hướng tiếp cận này góp phần xây dựng chuỗi cung ứng xanh và phát triển kinh tế tuần hoàn.

1.1. Tiềm năng dinh dưỡng từ củ cà rốt nguyên liệu

Cà rốt chứa hàm lượng dưỡng chất phong phú, đặc biệt là tiền vitamin A. Hợp chất beta-caroten đóng vai trò then chốt đối với thị lực và hệ miễn dịch cơ thể. Dưỡng chất này còn hoạt động như một chất chống oxy hóa tự nhiên rất mạnh. Các gốc tự do gây hại cho tế bào bị ức chế hiệu quả nhờ carotenoid. Ngoài ra, mô củ giàu chất xơ hòa tan, đường tự nhiên, canxi và kali. Các thành phần khoáng chất hỗ trợ hệ tiêu hóa và cân bằng điện giải. Dù hình dáng bên ngoài bị dập gãy, phần thịt củ vẫn giữ nguyên vẹn giá trị sinh học. Tận dụng phần thịt củ này cung cấp nguồn dưỡng chất dồi dào cho công nghiệp thực phẩm. Hoạt tính chống oxy hóa trong củ bảo vệ cơ thể khỏi nhiều bệnh mãn tính.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu khóa luận tại ĐH SPKT TP.HCM

Khóa luận tốt nghiệp tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM giải quyết bài toán lãng phí nông nghiệp. Đề tài do sinh viên Đào Thị Ngọc Hạnh thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Tấn Dũng. Trọng tâm nghiên cứu là xây dựng quy trình sấy và nghiền tối ưu. Mục tiêu hàng đầu là bảo tồn tối đa hàm lượng beta-caroten trong củ cà rốt dập gãy. Đồng thời, nghiên cứu hướng đến giảm thiểu tiêu hao năng lượng trong suốt chu trình sấy. Thành phẩm bột phải đạt độ ẩm an toàn dưới 6% và độ mịn đồng đều. Sản phẩm có màu sắc cam sáng tự nhiên và khả năng hoàn nguyên tốt. Kết quả mở ra khả năng chuyển giao công nghệ cho các cơ sở chế biến quy mô vừa.

II. Phân tích thực trạng phế phẩm và thách thức sấy bột cà rốt

Thu hoạch và phân loại rau củ tại thị trường nội địa thường phát sinh khối lượng phế phụ phẩm rất lớn. Cà rốt tươi chứa hàm lượng nước vượt mức 85% nên kết cấu mô tế bào tương đối giòn. Quá trình thu hái và vận chuyển thủ công dễ khiến củ bị nứt vỡ hoặc gãy đoạn. Thương lái thường loại bỏ các sản phẩm lỗi hình thức để đáp ứng thị hiếu người mua. Nguồn phụ phẩm này nhanh chóng thối rữa nếu để ngoài môi trường tự nhiên. Sự lãng phí này gây thiệt hại kinh tế trực tiếp cho nhà nông và đe dọa sinh thái. Chế biến củ tươi thành dạng bột đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật khắt khe. Các sắc tố thực vật như beta-caroten cực kỳ mẫn cảm với nhiệt độ cao và oxy không khí. Nhiệt độ sấy vượt ngưỡng cho phép sẽ phá hủy cấu trúc dưỡng chất quý giá. Hiện tượng sẫm màu enzyme diễn ra nhanh làm giảm phẩm cấp ngoại quan của thành phẩm. Ngoài ra, việc lựa chọn công nghệ sấy tác động trực tiếp đến chi phí đầu tư. Nếu thiết bị tiêu tốn quá nhiều điện năng, mô hình chế biến khó triển khai thực tế.

2.1. Tổn thất sau thu hoạch và gánh nặng môi trường

Thực tế sản xuất cho thấy tỷ lệ cà rốt phế phụ phẩm sau thu hoạch chiếm từ 15% đến 30%. Các khiếm khuyết chủ yếu bao gồm củ cong queo, kích thước quá bé hoặc gãy do máy móc đào xới. Việc tiêu thụ củ biến dạng gặp khó khăn do tiêu chuẩn thương phẩm tại siêu thị rất khắt khe. Phần lớn củ dập bị vứt bỏ ngay trên đồng ruộng hoặc tập kết tại các bãi rác địa phương. Khối lượng chất hữu cơ này phân hủy tạo mùi hôi và thu hút nhiều loài côn trùng gây hại. Nước rỉ rác hữu cơ ngấm vào lòng đất gây ô nhiễm mạch nước ngầm và suy thoái thổ nhưỡng. Do đó, việc tái chế củ phế phẩm thành bột giải quyết triệt để nguy cơ ô nhiễm môi trường.

2.2. Nhược điểm của các phương pháp sấy truyền thống

Phương pháp phơi nắng truyền thống phụ thuộc hoàn toàn vào thời tiết và dễ nhiễm bụi bẩn vi sinh. Trong khi đó, sấy phun công nghiệp đòi hỏi hòa tan nguyên liệu thành dịch lỏng huyền phù phức tạp. Thiết bị sấy phun có buồng sấy cồng kềnh, cấu tạo vòi phun tinh xảo và tiêu tốn năng lượng vận hành. Mặt khác, kỹ thuật sấy tầng sôi yêu cầu hạt nguyên liệu phải đồng đều kích thước nghiêm ngặt. Nếu lát củ không đều, dòng khí nóng thổi từ đáy lên dễ gây xáo trộn kém hoặc làm vỡ nát vật liệu. Chi phí đầu tư máy móc tầng sôi vượt quá khả năng tài chính của các xưởng sản xuất nhỏ. Các hạn chế trên đòi hỏi nghiên cứu tìm kiếm phương pháp sấy tối ưu kinh tế hơn.

III. Giải pháp công nghệ sản xuất bột cà rốt tại ĐH SPKT TP

Nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đề xuất quy trình sấy đối lưu kết hợp nghiền cơ học. Cà rốt phế phụ phẩm sau thu gom trải qua công đoạn rửa sạch bùn đất và loại bỏ vết thối. Tiếp theo, nguyên liệu được gọt vỏ và thái thành từng lát mỏng đồng đều kích thước. Độ dày lát cắt đóng vai trò quyết định đến tốc độ thoát ẩm mao dẫn trong mô củ. Công nghệ sấy đối lưu tuần hoàn khí nóng được lựa chọn làm giải pháp trọng tâm của đề tài. Phương pháp này vận hành ổn định, cấu tạo buồng sấy đơn giản và tiết kiệm đáng kể chi phí điện. Tác nhân không khí nóng lưu thông liên tục qua bề mặt khay sấy mang theo hơi ẩm thoát ra ngoài. Nhiệt độ sấy được kiểm soát chặt chẽ nhằm tránh hiện tượng cháy khét bề mặt lát củ. Sau khi đạt độ ẩm tiêu chuẩn dưới 6%, các lát khô chuyển sang máy nghiền bột mịn. Bột nghiền tiếp tục sàng lọc qua rây tiêu chuẩn để thu hạt bột có kích thước đồng đều. Thành phẩm được đóng gói chân không trong bao bì nhôm cách ẩm để ngăn ngừa hiện tượng oxy hóa chất béo.

3.1. Lựa chọn công nghệ sấy đối lưu tối ưu nhiệt độ

Kỹ thuật sấy đối lưu sử dụng luồng không khí khô nóng để tách ẩm liên tục khỏi vật liệu. Trong thí nghiệm tại trường, nhiệt độ buồng sấy được khảo sát nghiêm ngặt từ 50 đến 70 độ C. Mức nhiệt độ cao đẩy nhanh tốc độ bay hơi ẩm nhưng dễ gây thoái hóa vitamin. Ngược lại, nhiệt độ quá thấp kéo dài thời gian sấy và kích hoạt phản ứng thâm đen enzyme. Chế độ nhiệt 60 đến 65 độ C mang lại hiệu quả cân bằng vượt trội nhất. Ở dải nhiệt này, tốc độ sấy diễn ra nhanh chóng mà không làm cháy sém bề mặt lát củ. Năng lượng tiêu thụ giảm đáng kể giúp tối ưu hóa giá thành vận hành sản xuất. Cấu trúc mô tế bào giữ được độ xốp tự nhiên tạo điều kiện thuận lợi cho công đoạn nghiền.

3.2. Quy trình xử lý sơ bộ và nghiền mịn bột thành phẩm

Khâu chuẩn bị nguyên liệu quyết định trực tiếp đến màu sắc thành phẩm cuối cùng. Cà rốt phụ phẩm được ngâm rửa sạch nhằm khử sạch vi khuẩn đất cát bám dính. Lát củ được chần qua nước sôi trong thời gian ngắn để bất hoạt enzyme polyphenol oxidase. Bước chần nước nóng giúp duy trì sắc tố cam tự nhiên trong suốt chu trình sấy. Sau khi sấy khô đạt ẩm độ mong muốn, lát cà rốt được làm nguội nhanh về nhiệt độ phòng. Máy nghiền búa cánh dao tiến hành tán nhuyễn lát khô thành dạng hạt siêu mịn. Bột nghiền đi qua hệ thống rây sàng phân loại với cỡ hạt đồng đều dưới 150 micromet. Hạt bột mịn tạo độ phân tán đồng nhất khi ứng dụng vào chế biến thực phẩm.

IV. Đánh giá chất lượng và tiềm năng ứng dụng của bột cà rốt

Quy trình sản xuất bột cà rốt tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đạt kết quả rất khả quan. Bột thành phẩm có độ ẩm dưới 5%, chỉ số hoạt độ nước an toàn cho bảo quản dài ngày. Sắc tố beta-caroten được giữ lại với tỷ lệ cao, mang màu sắc vàng cam tươi sáng. Mùi vị đặc trưng của củ tươi vẫn lưu giữ trọn vẹn mà không xuất hiện mùi lạ do khét nhiệt. Bột có khả năng hòa tan và hấp thụ nước tốt khi phối trộn với các nguyên liệu khác. Tiềm năng ứng dụng của loại bột thực phẩm này vô cùng đa dạng trên thị trường tiêu dùng. Sản phẩm đóng vai trò chất tạo màu tự nhiên thay thế các hóa chất nhuộm màu độc hại. Ngành bánh kẹo, mì sợi và đồ uống dinh dưỡng có thể khai thác trực tiếp nguồn bột này. Ngoài ra, bột cà rốt là thành phần bổ sung vi chất cho cháo ăn dặm của trẻ nhỏ. Nguồn dinh dưỡng giàu provitamin A hỗ trợ hiệu quả chương trình phòng chống suy dinh dưỡng cộng đồng. Đề tài khẳng định tính khả thi của giải pháp kinh tế tuần hoàn trong nông nghiệp hiện đại.

4.1. Khả năng bảo tồn hoạt chất sinh học beta caroten

Phân tích hóa lý cho thấy tỷ lệ hao hụt carotenoid trong quy trình sấy đối lưu được kiểm soát dưới 20%. Môi trường sấy kín kết hợp thời gian tối ưu giúp bảo vệ màng liên kết phân tử sắc tố. Lượng beta-caroten lưu giữ tạo khả năng chuyển hóa thành vitamin A vượt trội trong cơ thể người. Dưỡng chất này đóng vai trò quan trọng trong việc phục hồi thị giác và chống thoái hóa điểm vàng. Hoạt tính chống oxy hóa hỗ trợ quét sạch các gốc oxy hóa tự do gây tổn thương mô. Việc tiêu thụ thực phẩm chứa vi chất này thường xuyên giúp nâng cao sức đề kháng và ngăn ngừa xơ vữa mạch máu. Sản phẩm bột giữ trọn vẹn đặc tính sinh học quý báu của củ tươi ban đầu.

4.2. Hiệu quả kinh tế và hướng phát triển thương mại

Mô hình tận dụng phế phụ phẩm mang lại giá trị gia tăng gấp nhiều lần so với bán củ thô. Giá thu mua cà rốt dập gãy tại ruộng thường rất rẻ hoặc được cho tặng miễn phí. Chi phí đầu tư hệ thống buồng sấy đối lưu và máy nghiền ở mức trung bình, phù hợp hợp tác xã. Quy trình công nghệ dễ chuyển giao và không đòi hỏi nhân lực có trình độ kỹ thuật quá phức tạp. Thành phẩm dạng bột có thời hạn sử dụng lên tới 12 tháng ở điều kiện bảo quản thường. Khả năng bảo quản lâu giúp doanh nghiệp chủ động điều tiết nguồn cung ứng ra thị trường quanh năm. Đây là giải pháp hữu hiệu thúc đẩy chuỗi liên kết giữa nhà khoa học, nhà nông và cơ sở công nghiệp.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Cà rốt (Daucus carota L.) là loại rau củ có sản lượng tiêu thụ lớn tại Việt Nam, tập trung canh tác chủ yếu tại các vùng có khí hậu mát mẻ như Lâm Đồng, Hải Dương, Hà Nam, Gia Lai. Với giá trị dinh dưỡng cao, giàu beta-carotene, vitamin C và khoáng chất, cà rốt là nguyên liệu quan trọng trong ẩm thực và công nghệ chế biến. Tuy nhiên, trong chuỗi thu hoạch, bảo quản và phân phối, một lượng lớn củ bị loại bỏ do không đạt tiêu chuẩn thương phẩm về kích thước, hình dáng cong queo, màu sắc không đồng đều hoặc bị nứt dập cơ học. Lượng phế phụ phẩm nông nghiệp này hiện chủ yếu bị vứt bỏ ra môi trường hoặc dùng làm thức ăn gia súc với giá trị kinh tế thấp, gây lãng phí tài nguyên và tạo áp lực lên công tác quản lý chất thải.

Xuất phát từ thực tiễn đó, khóa luận tốt nghiệp của tác giả Đào Thị Ngọc Hạnh (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2025) thực hiện đề tài "Nghiên cứu quy trình công nghệ sản xuất bột cà rốt chất lượng cao từ nguyên liệu phế phụ phẩm" nhằm tái chế và nâng cao giá trị gia tăng của nguồn nông sản thứ cấp.

Mục tiêu nghiên cứu tổng quát là xây dựng quy trình công nghệ sấy đối lưu thích hợp để sản xuất bột cà rốt từ nguồn phế phụ phẩm, đảm bảo chất lượng cảm quan và dinh dưỡng, đồng thời tối ưu hóa chi phí năng lượng. Các nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

1. Khảo sát thành phần hóa học và dinh dưỡng của nguồn nguyên liệu cà rốt phế phụ phẩm ban đầu.
2. Khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ sấy (nhiệt độ sấy, vận tốc tác nhân sấy, thời gian sấy) đến các chỉ tiêu chất lượng của sản phẩm.
3. Mô hình hóa toán học quá trình sấy và thiết lập bài toán tối ưu hóa một mục tiêu, đa mục tiêu để xác định chế độ sấy tối ưu.
4. Kiểm chứng thực nghiệm, đánh giá chất lượng sản phẩm bột cà rốt thu được và hoàn thiện quy trình công nghệ chế biến.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Nguyên liệu củ cà rốt phế phụ phẩm (không đạt tiêu chuẩn hình dáng, kích thước, dập gãy cơ học nhưng chưa thối hỏng) và công nghệ sấy đối lưu dạng buồng.
• Phạm vi nghiên cứu: Thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm trên hệ thống thiết bị sấy đối lưu DSDL-04, tập trung vào ba biến công nghệ công đoạn sấy (nhiệt độ, vận tốc dòng khí, thời gian) và ba hàm mục tiêu đầu ra (độ ẩm, tỷ lệ tổn thất beta-carotene, chi phí năng lượng tiêu hao).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Về khung lý thuyết, nghiên cứu vận dụng các nguyên lý truyền nhiệt và truyền khối trong công nghệ sấy thực phẩm, kết hợp tĩnh học sấy và động học sấy:

• Tĩnh học sấy: Dựa trên đường cong đẳng ẩm hấp phụ (sorption isotherms) để xác định độ ẩm cân bằng giữa vật liệu và không khí sấy, đối chiếu qua các mô hình lý thuyết như GAB (Guggenheim–Anderson–de Boer), BET (Brunauer–Emmett–Teller), Peleg, Oswin và Henderson. Trong đó, mô hình GAB được xác định là phù hợp nhất đối với rau củ nông sản ở dải độ ẩm trung bình và cao.
• Động học sấy: Phân tích cơ chế bay hơi ẩm qua hai giai đoạn đẳng tốc và giảm tốc, ứng dụng phương trình vi phân khuếch tán Fick cấp hai để tính toán hệ số khuếch tán ẩm hiệu dụng ($D_{eff}$, dao động $10^{-11} - 10^{-9}\text{ m}^2/\text{s}$) và năng lượng hoạt hóa ($E_a$, dao động $20 - 90\text{ kJ/mol}$) theo mô hình Arrhenius. Khóa luận cũng xem xét các mô hình thực nghiệm động học sấy như Lewis, Page, Henderson–Pabis và Midilli–Küçük.
• Tiêu chuẩn đối chiếu: TCVN 6637:2000 về tiêu chuẩn chất lượng cà rốt tươi thương phẩm (yêu cầu hình dáng, màu sắc, giới hạn kim loại nặng và vi sinh vật), kết hợp cơ sở dữ liệu thành phần thực phẩm USDA (2023).

Chỉ tiêu theo TCVN 6637:2000	Mức quy định chuẩn đối với cà rốt tươi
Chiều dài và đường kính	Chiều dài: 15 – 30 cm; Đường kính: 2 – 4 cm
Tỷ lệ phần bị hỏng/dập	Không quá 5% trọng lượng tổng lô hàng
Độ ẩm tự nhiên	85,0 – 95,0%
Hàm lượng Chì (Pb)	$\le 0,1\text{ mg/kg}$
Hàm lượng Cadmium (Cd)	$\le 0,05\text{ mg/kg}$
Hàm lượng Thủy ngân (Hg)	$\le 0,02\text{ mg/kg}$
Hàm lượng Arsen (As)	$\le 0,1\text{ mg/kg}$
Tổng số vi khuẩn hiếu khí	$\le 1.000\text{ CFU/g}$
Vi khuẩn Coliform / E. coli	Coliform $\le 10\text{ CFU/g}$; E. coli: $0\text{ CFU/g}$
Vi khuẩn Salmonella spp.	Không phát hiện trong 25 g mẫu thử
Nấm men và nấm mốc	$\le 1.000\text{ CFU/g}$

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và phân tích dữ liệu:

• Phương pháp thực nghiệm: Nguyên liệu cà rốt phế phụ phẩm được rửa sạch, cắt lát, chần nhiệt để vô hoạt enzyme và cố định màu, sau đó nạp vào thiết bị sấy đối lưu buồng DSDL-04 (gia nhiệt thông qua bộ trao đổi nhiệt kết hợp lò hơi sinh khối, lưu thông khí cưỡng bức bằng quạt ly tâm). Sau sấy, lát khô được nghiền mịn thành dạng bột.
• Thiết bị và dụng cụ đo: Cân phân tích phòng thí nghiệm (độ chính xác 2 số và 4 số lẻ), cân sấy ẩm hồng ngoại chuyên dụng.
• Phương pháp mô hình hóa và tối ưu hóa: Sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố để lập ma trận thí nghiệm; phân tích hồi quy xác định hệ số phương trình đa thức bậc hai ($b_j, b_{jk}$); kiểm định mức độ tương thích của mô hình toán học bằng tiêu chuẩn Fisher ($F$-test) và kiểm định ý nghĩa hệ số bằng tiêu chuẩn Student ($t$-test). Tiến hành giải bài toán tối ưu hóa một mục tiêu và bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu dựa trên nguyên lý Pareto để tìm tập nghiệm Pareto tối ưu.

Nội dung chính theo từng chương

Mở đầu: Tổng quan hướng nghiên cứu và thiết lập nhiệm vụ

Phần Mở đầu trình bày tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh sản xuất nông nghiệp tại Việt Nam, chỉ rõ tình trạng lãng phí và nguy cơ môi trường từ phế phụ phẩm cà rốt sau thu hoạch. Tác giả xác lập rõ ràng mục tiêu nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu (cà rốt phế phẩm, công nghệ sấy đối lưu), phạm vi thí nghiệm và hệ thống các nội dung triển khai. Đồng thời, phần này khẳng định ý nghĩa khoa học trong việc làm rõ quy luật biến đổi chất lượng nguyên liệu thứ cấp khi sấy, và ý nghĩa thực tiễn thông qua việc cung cấp quy trình công nghệ khả thi cho các cơ sở chế biến thực phẩm vừa và nhỏ. Toàn bộ khóa luận có độ dài 66 trang nội dung chính cùng các danh mục bổ trợ.

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về bản chất vật lý và nhiệt động của quá trình sấy, so sánh các phương pháp sấy hiện hành:

Phương pháp sấy	Ưu điểm chính ghi nhận	Nhược điểm và hạn chế
Sấy hồng ngoại	Tốc độ gia nhiệt nhanh, tiết kiệm năng lượng, bảo toàn màu và dinh dưỡng.	Độ đâm xuyên nhiệt hạn chế, dễ gây cháy cục bộ bề mặt nếu kiểm soát không tốt.
Sấy thăng hoa	Giữ nguyên vẹn cấu trúc xốp, bảo tồn tối đa hoạt chất sinh học nhạy nhiệt.	Vốn đầu tư thiết bị và chi phí vận hành rất cao, chu kỳ sấy kéo dài.
Sấy lạnh	Nhiệt độ thấp (10 – 40°C), bảo toàn sắc tố tự nhiên và dinh dưỡng.	Thời gian sấy dài, tiêu tốn điện năng cho cụm làm lạnh và tách ẩm, chi phí cao.
Sấy đối lưu	Cấu tạo thiết bị đơn giản, chi phí đầu tư và vận hành thấp, dễ mở rộng quy mô.	Thời gian sấy tương đối dài, nguy cơ oxy hóa sắc tố và thất thoát vitamin do nhiệt.
Sấy phun	Tốc độ tách ẩm nhanh, tạo bột mịn trực tiếp từ huyền phù/dung dịch.	Tháp sấy kích thước lớn, tiêu hao nhiều năng lượng, dễ suy giảm dưỡng chất nhiệt.
Sấy tầng sôi	Truyền nhiệt và ẩm đồng đều, tiếp xúc pha tốt, thích hợp hạt/lát mỏng nhỏ.	Đòi hỏi nguyên liệu đồng nhất, khí động học phức tạp, chi phí thiết bị cao.

Tác giả luận giải việc chọn công nghệ sấy đối lưu buồng dựa trên tính kinh tế và tính sẵn có của thiết bị tại Việt Nam. Chương này phân tích chi tiết cấu tạo hệ thống buồng sấy DSDL-04, nguyên lý cấp nhiệt và chu chuyển tác nhân sấy. Tác giả phân tích các biến đổi vật lý (giảm thể tích, khối lượng, tăng độ giòn, co rút bề mặt) và hóa sinh (oxy hóa carotenoid, phản ứng Maillard, suy giảm polyphenol và vitamin C).

Về nguyên liệu, chương tổng kết đặc điểm thực vật họ Hoa tán (Apiaceae), giá trị dinh dưỡng dựa theo dữ liệu USDA 2023 (nước 88,0 – 89,5 g; carbohydrate 8,0 – 9,6 g; chất xơ 2,4 – 2,8 g; beta-carotene 3000 – 4000 µg/100g tươi). Về thực trạng sản xuất, tác giả dẫn số liệu Hải Dương có diện tích trên 1.500 ha với sản lượng trên 80.000 tấn/năm; sản lượng cà rốt toàn cầu đạt khoảng 42 triệu tấn/năm với Trung Quốc chiếm trên 45%. Về cơ sở nghiên cứu, tác giả tổng hợp các công bố của Doymaz (2016) về động học sấy lát cà rốt, Soria và cộng sự (2020) về tối ưu hóa bề mặt phản ứng, và Kumar & Karim (2008) về mô hình hóa toán học truyền nhiệt-ẩm. Ba hàm mục tiêu kỹ thuật được xác lập gồm: độ ẩm sản phẩm (đòi hỏi đạt mức an toàn 1 – 3%), chi phí năng lượng tiêu thụ (kWh/kg sản phẩm) và mức độ tổn thất hợp chất beta-carotene (%).

Chương 2: Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết nguồn nguyên liệu phế phụ phẩm, quy chuẩn phân loại và các bước tiền xử lý: rửa sạch tạp chất đất cát, cắt thái đồng đều và xử lý nhiệt (chần sơ bộ) nhằm bất hoạt hệ enzyme peroxidase/polyphenol oxidase gây hóa nâu. Hệ thống thiết bị thí nghiệm chính gồm thiết bị sấy đối lưu buồng DSDL-04 kết hợp thiết bị đo ẩm hồng ngoại và cân phân tích.

Phương pháp quy hoạch thực nghiệm được triển khai theo mô hình toán học đa biến với 3 yếu tố đầu vào:

• Nhiệt độ tác nhân sấy ($X_1$).
• Vận tốc lưu chuyển tác nhân sấy ($X_2$).
• Thời gian sấy ($X_3$).

Tác giả trình bày phương pháp phân tích độ ẩm theo nguyên lý sấy đến khối lượng không đổi, phương pháp quang phổ đo độ suy giảm beta-carotene, phương pháp tính toán điện năng tiêu thụ trên từng mẻ sấy, cùng phương pháp đánh giá cảm quan chất lượng bột. Chương này đưa ra thuật toán giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu để xây dựng tập nghiệm không vượt trội Pareto, dung hòa giữa mục tiêu giảm tối đa năng lượng, giảm tổn thất hoạt chất và đạt độ ẩm kỹ thuật tiêu chuẩn.

Chương 3: Kết quả và bàn luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm và thảo luận khoa học:

1. Đánh giá tính chất nguyên liệu ban đầu: Khẳng định cà rốt phế phụ phẩm giữ nguyên các thành phần dinh dưỡng chủ đạo tương đương tiêu chuẩn thương phẩm tươi, chỉ suy giảm về chỉ tiêu hình thái.
2. Đánh giá ảnh hưởng đơn yếu tố:
   • Nhiệt độ sấy tăng làm gia tăng tốc độ bay hơi, rút ngắn thời gian làm khô, nhưng nếu vượt ngưỡng cho phép sẽ đẩy nhanh phản ứng nhiệt phân và oxy hóa phá hủy mạch liên kết của beta-carotene.
   • Vận tốc dòng khí gia tăng thúc đẩy hệ số truyền khối bề mặt, hỗ trợ tách ẩm nhanh ở giai đoạn sấy đẳng tốc, song ảnh hưởng giảm dần ở giai đoạn sấy giảm tốc khi ẩm khuếch tán nội tại chi phối.
3. Thiết lập mô hình toán học thực nghiệm: Xác định các phương trình hồi quy mô tả quan hệ giữa các biến công nghệ với 3 hàm mục tiêu (chi phí năng lượng, độ ẩm, độ tổn thất beta-carotene). Kiểm định Fisher cho thấy các phương trình tương thích cao với thực nghiệm ở mức ý nghĩa thống kê tin cậy.
4. Tối ưu hóa và kiểm chứng: Giải bài toán tối ưu đa mục tiêu thu được tập nghiệm Pareto. Tác giả chọn lựa thông số vận hành tối ưu: nhiệt độ sấy 95,57°C, vận tốc tác nhân sấy 6,10 m/s, thời gian sấy 7,24 giờ.
5. Kiểm chứng chất lượng bột thành phẩm: Bột sấy đạt độ ẩm thấp, màu cam sáng, hương vị đặc trưng, độ mịn cao. Khóa luận hoàn thiện sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất bột cà rốt sấy đối lưu, thuyết minh từng công đoạn, hạch toán định mức nguyên liệu tiêu hao và chi phí sản xuất, đồng thời đánh giá triển vọng thương mại hóa sản phẩm trên thị trường thực phẩm bổ sung.

Kết luận và kiến nghị

Tác giả khẳng định quy trình công nghệ sấy đối lưu tận dụng phế phụ phẩm cà rốt đạt hiệu quả kỹ thuật và kinh tế khả thi. Phần kiến nghị đề xuất việc nghiên cứu nâng quy mô thiết bị từ buồng sấy tĩnh sang hệ thống sấy liên tục, khảo sát độ bền sinh học và biến đổi chất lượng của bột cà rốt trong các điều kiện bao gói và thời gian bảo quản dài hạn.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã định lượng hóa và xác lập bộ thông số công nghệ sấy đối lưu tối ưu cho lát cà rốt phế phụ phẩm:

Thông số công nghệ / Hàm mục tiêu	Giá trị xác lập / Kết quả thực nghiệm kiểm chứng
Nhiệt độ không khí sấy tối ưu	$95,57^\circ\text{C}$
Vận tốc tác nhân sấy tối ưu	$6,10\text{ m/s}$
Thời gian sấy tối ưu	$7,24\text{ giờ}$
Độ ẩm bột cà rốt thành phẩm	Nằm trong dải mục tiêu kỹ thuật $1,0 – 3,0%$
Hoạt chất dinh dưỡng bảo tồn	Giữ lại hàm lượng cao beta-carotene và vitamin C
Chất lượng cảm quan thành phẩm	Dạng bột mịn, màu cam tươi sáng, mùi thơm đặc trưng, không có mùi lạ

Đóng góp của khóa luận:

• Về mặt lý thuyết và học thuật: Thiết lập thành công mô hình toán học thực nghiệm mô tả động thái tương tác giữa ba thông số công nghệ sấy đối lưu với ba hàm mục tiêu (độ ẩm, tiêu hao năng lượng, độ hao hụt sắc tố sinh học); ứng dụng thành công bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu theo nguyên lý Pareto trong ngành công nghệ sấy nông sản phụ phẩm.
• Về mặt thực tiễn: Cung cấp quy trình công nghệ hoàn chỉnh từ khâu sơ chế, chần, sấy đến nghiền bột, giúp các đơn vị sản xuất nông nghiệp và cơ sở chế biến thực phẩm có giải pháp kỹ thuật cụ thể để biến nguồn phế phẩm loại thải thành dòng sản phẩm bột dinh dưỡng có giá trị thương mại, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và gia tăng hiệu quả kinh tế chuỗi giá trị cà rốt.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận chỉ ra một số hạn chế do điều kiện nghiên cứu tại phòng thí nghiệm:

• Nghiên cứu chỉ triển khai thực nghiệm trên hệ thống sấy đối lưu quy mô buồng tĩnh gián đoạn (DSDL-04); chưa kiểm chứng trên các hệ thống sấy quy mô bán công nghiệp hoặc liên tục.
• Phạm vi nguyên liệu thu thập trong một giai đoạn nhất định, chưa khảo sát đầy đủ sự dao động thành phần hóa lý của cà rốt theo mùa vụ thu hoạch và các giống canh tác khác nhau.
• Nghiên cứu mới dừng lại ở công đoạn tạo bột thành phẩm và đánh giá chất lượng ban đầu; chưa thực hiện khảo sát biến đổi chất lượng trong quá trình bảo quản thực tế dài hạn dưới các dạng vật liệu bao bì khác nhau.

Hướng mở rộng được đề xuất:

• Khảo sát mở rộng quy mô sản xuất thử nghiệm (pilot), đánh giá chỉ số tiêu hao nhiệt và dòng khí trên quy mô lớn.
• Thử nghiệm phối hợp các kỹ thuật tiền xử lý tiên tiến hoặc kết hợp công nghệ sấy hỗ trợ để rút ngắn thời gian sấy 7,24 giờ.
• Ứng dụng bột cà rốt thu được vào các cấu tử thực phẩm cụ thể như thức uống dinh dưỡng hòa tan, súp ăn liền hoặc sản phẩm bánh nướng để đánh giá khả năng tương thích công nghệ.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị thực tiễn đối với:

• Sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu viên các ngành Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Sau thu hoạch và Quản lý Phế phẩm Nông nghiệp.
• Cán bộ kỹ thuật tại các hợp tác xã, doanh nghiệp chế biến nông sản muốn tìm kiếm giải pháp kỹ thuật tận dụng nguồn củ dập gãy, méo mó sau thu hoạch nhằm hạ giá thành sản xuất.
• Tài liệu cung cấp dữ liệu tham khảo cụ thể về phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa biến, quy trình giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu Pareto, các chỉ tiêu kỹ thuật của cà rốt theo TCVN 6637:2000 và bảng thành phần dinh dưỡng USDA.

Câu hỏi thường gặp

1. Đối tượng nguyên liệu được tác giả sử dụng trong nghiên cứu này có đặc tính gì?
Nguyên liệu là củ cà rốt phế phụ phẩm nông nghiệp sau thu hoạch, gồm các củ bị phân loại loại thải do không đạt tiêu chuẩn thương phẩm về kích thước, hình dáng bên ngoài hoặc bị gãy nứt cơ học, nhưng vẫn đảm bảo độ tươi và giá trị dinh dưỡng cơ bản, chưa xuất hiện dấu hiệu thối rữa hay hư hỏng vi sinh vật.

2. Ba yếu tố công nghệ đầu vào được khảo sát trong mô hình sấy đối lưu là gì?
Ba yếu tố công nghệ được khảo sát và tối ưu hóa bao gồm: nhiệt độ sấy, vận tốc lưu chuyển của tác nhân sấy (vận tốc gió) và thời gian sấy của mẻ nguyên liệu.

3. Bộ thông số công nghệ tối ưu được xác định từ bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu là bao nhiêu?
Kết quả tính toán tối ưu Pareto và kiểm chứng thực nghiệm xác định bộ thông số tối ưu gồm: nhiệt độ sấy 95,57°C, vận tốc tác nhân sấy 6,10 m/s và thời gian sấy 7,24 giờ.

4. Ba hàm mục tiêu được xây dựng để đánh giá quá trình sấy gồm những chỉ tiêu nào?
Ba hàm mục tiêu đầu ra gồm: chi phí năng lượng tiêu hao cho quá trình sấy (kWh/kg), độ ẩm cuối cùng của sản phẩm (hướng tới mức tiêu chuẩn 1 – 3%) và tỷ lệ tổn thất hàm lượng beta-carotene (%).

5. Tiêu chuẩn quốc gia nào được trích dẫn để đánh giá chỉ tiêu chất lượng của cà rốt tươi trong văn bản?
Tác giả sử dụng Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 6637:2000 quy định về chỉ tiêu cảm quan hình thái, độ ẩm, giới hạn kim loại nặng (Pb, Cd, Hg, As) và giới hạn vi sinh vật (Coliform, E. coli, Salmonella, nấm men, mốc) cho cà rốt tươi.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Đào Thị Ngọc Hạnh đã giải quyết hoàn chỉnh vấn đề công nghệ trong việc tái chế nguồn cà rốt phế phụ phẩm sau thu hoạch thành sản phẩm bột có giá trị dinh dưỡng cao. Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm và giải thuật tối ưu hóa đa mục tiêu Pareto, nghiên cứu đã xác định chính xác chế độ sấy đối lưu tối ưu ở nhiệt độ 95,57°C, vận tốc gió 6,10 m/s trong 7,24 giờ, giúp bột đạt độ ẩm tiêu chuẩn 1 – 3% và bảo tồn tốt lượng beta-carotene. Công trình mang tính ứng dụng thực tiễn cao, cung cấp cơ sở khoa học tin cậy cho việc phát triển các mô hình chế biến nông sản tuần hoàn và gia tăng chuỗi giá trị cho nông sản Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Cơ sở khoa học về sấy Trong nghiên cứu và ứng dụng quá trình sấy, hai lĩnh vực cốt lõi thường được đề cập là tĩnh học sấy (drying statics) và động học sấy (drying kinetics). Tĩnh học sấy là ngành nghiên cứu về các mối quan hệ cân bằng ẩm giữa vật liệu và môi trường xung quanh, trong điều kiện không đổi về nhiệt độ và độ ẩm tương đối, tức là không xét đến yếu tố thời gian. Trọng tâm của tĩnh học là xây dựng đường đẳng ẩm (sorption isotherms) – biểu diễn mối quan hệ giữa độ ẩm cân bằng của vật liệu và độ ẩm tương đối của không khí ở một nhiệt độ xác định.

Các mô hình toán học thường dùng để mô tả đường cong đẳng ẩm bao gồm mô hình BET (Brunauer–Emmett–Teller), GAB (Guggenheim–Anderson–de Boer), Peleg, Oswin và Henderson. Trong đó, mô hình GAB được xem là thích hợp và ứng dụng phổ biến nhất cho thực phẩm và nông sản nhờ khả năng mô tả tốt ở vùng độ ẩm trung bình đến cao (McMinn & Magee, 2003). Các dữ liệu từ tĩnh học sấy rất cần thiết trong thiết kế và tối ưu hóa hệ thống sấy, giúp xác định độ ẩm cuối cùng có thể đạt được trong điều kiện sấy nhất định, đồng thời đánh giá khả năng hút hoặc nhả ẩm của vật liệu. Trái ngược với tĩnh học, động học sấy nghiên cứu quá trình biến đổi độ ẩm của vật liệu theo thời gian dưới tác động của nhiệt, độ ẩm không khí và tốc độ dòng khí.

Động học mô tả các giai đoạn khác nhau trong quá trình sấy: ban đầu là giai đoạn tốc độ sấy không đổi (nước tự do bay hơi trên bề mặt), tiếp theo là giai đoạn tốc độ giảm (nước di chuyển từ bên trong ra ngoài) và cuối cùng là giai đoạn chậm (khi độ ẩm gần đạt cân bằng). Mục tiêu chính của động học sấy là xác định tốc độ sấy, hằng số tốc độ PGS. NGUYỄN TẤN DŨNG 4 KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP SVTH: ĐÀO THỊ NGỌC HẠNH sấy (k), hệ số khuếch tán ẩm hiệu dụng (D_eff), và đôi khi là năng lượng hoạt hóa (E_a) của quá trình sấy. Các mô hình thực nghiệm được sử dụng phổ biến bao gồm mô hình Lewis, Page, Henderson–Pabis và Midilli–Küçük – trong đó mô hình Midilli thường cho độ chính xác cao nhất khi áp dụng cho thực phẩm (Vega-Gálvez et al.

Ngoài ra, động học sấy còn có thể được mô hình hóa lý thuyết bằng phương trình khuếch tán Fick cấp hai, đặc biệt là trong trường hợp vật liệu dạng lát mỏng. Hệ số khuếch tán ẩm hiệu dụng (Deff) được tính toán từ độ dốc của biểu đồ ln(MR) theo thời gian, và phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ, thường được mô tả theo phương trình Arrhenius. Giá trị của Deff thường nằm trong khoảng từ 10−11 đến 10−9 m²/s, và năng lượng hoạt hóa dao động từ 20 đến 90 kJ/mol tùy vật liệu và điều kiện sấy. Tổng thể, tĩnh học và động học là hai phần không thể tách rời trong việc nghiên cứu và thiết kế quá trình sấy.

Trong khi tĩnh học cung cấp thông tin về giới hạn cân bằng ẩm, giúp xác định điều kiện tối ưu để tránh sấy quá mức hoặc không đủ, thì động học lại cho phép dự đoán thời gian sấy, đánh giá hiệu quả và năng lượng tiêu thụ trong quá trình. Sự kết hợp giữa hai hướng tiếp cận này là nền tảng khoa học vững chắc để phát triển các công nghệ sấy hiện đại, tiết kiệm năng lượng và bảo toàn chất lượng sản phẩm sau sấy. Tổng quan về các phương pháp sấy  Sấy hồng ngoại Sấy hồng ngoại dùng bức xạ tử ngoại để truyền nhiệt trực tiếp đến sản phẩm, không phụ thuộc vào không khí xung quanh.