Nghiên Cứu Quy Trình Công Nghệ Sản Xuất Cháo Dinh Dưỡng Ăn Liền Bằng Phương Pháp Sấy Thăng Hoa

Nghiên cứu quy trình sản xuất cháo dinh dưỡng ăn liền bằng phương pháp sấy thăng hoa, mang lại sản phẩm chất lượng cao và tiện lợi.

• Tác giả: Nguyễn Thanh Bảo Ngọc
• 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 Cháo Dinh Dưỡng Ăn Liền Bằng Phương Pháp Sấy Thăng Hoa
• Loại tài liệu: Khóa Luận Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• 1.3. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Nội dung nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Ý nghĩa khoa học
• 1.7. Ý nghĩa thực tiễn
• 2. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Nguyên liệu nghiên cứu
• 2.1.1. Lựa chọn nguyên liệu
• 2.1.2. Phương pháp xử lý nguyên liệu
• 2.1.3. Nấm đông trùng hạ thảo
• 2.2. Dụng cụ và thiết bị nghiên cứu
• 2.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2.3.1. Phương pháp phân tích và tiếp cận hệ thống
• 2.3.2. Phương pháp nghiên cứu và xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy thăng hoa
• 2.3.3. Phương pháp xác định các hàm mục tiêu trong công nghệ
• 2.3.3.1. Xác định chi phí năng lượng
• 2.3.3.2. Xác định độ ẩm sản phẩm
• 2.3.3.3. Xác định độ xốp của sản phẩm
• 2.3.4. Phương pháp phân tích nguyên liệu và sản phẩm cháo dinh dưỡng
• 2.3.4.1. Phương pháp phân tích nguyên liệu cháo dinh dưỡng ban đầu
• 2.3.4.2. Phương pháp phân tích sản phẩm
• 2.3.5. Phương pháp đánh giá giá trị cảm quan chất lượng sản phẩm
• 2.3.6. Phương pháp đánh giá chỉ tiêu vi sinh của sản phẩm
• 2.3.7. Phương pháp đánh giá hàm lượng kim loại nặng của sản phẩm
• 2.3.8. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm
• 2.3.9. Phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu trong nghiên cứu công nghệ sản xuất cháo dinh dưỡng ăn liền sấy thăng hoa
• 2.3.9.1. Xây dựng BTTƯ một mục tiêu cho quá trình sấy thăng hoa cháo dinh dưỡng
• 2.3.9.2. Xây dựng BTTƯ hóa đa mục tiêu cho quá trình sấy thăng hoa cháo dinh dưỡng
• 2.4. Một số công cụ toán học và công nghệ thông hỗ trợ quá trình nghiên cứu
• 2.5. So sánh với các sản phẩm trên thị trường hiện nay
• 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Xác định thành phần hóa học và dinh dưỡng của nguyên liệu đầu vào
• 3.2. Xác lập các yếu tố công nghệ ảnh hưởng đến quá trình sấy thăng hoa
• 3.2.1. Nhiệt độ sấy thăng hoa
• 3.2.2. Áp suất môi trường sấy thăng hoa
• 3.2.3. Thời gian sấy thăng hoa
• 3.2.4. Xây dựng bảng yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy thăng hoa
• 3.3. Xây dựng phương án thực nghiệm theo quy hoạch trực giao cấp 2 và thực nghiệm xác định các giá trị hàm mục tiêu
• 3.4. Xây dựng mô hình toán thực nghiệm mô tả chi phí năng lượng cho quá trình sấy thăng hoa
• 3.5. Xây dựng mô hình toán thực nghiệm độ ẩm cho quá trình sấy thăng hoa
• 3.6. Xây dựng và mô hình toán thực nghiệm độ xốp cho quá trình sấy thăng hoa
• 3.7. Xây dựng mô hình toán thực nghiệm độ nhớt cho quá trình sấy thăng hoa
• 3.8. Xây dựng và giải các BTTƯ hóa để xác định chế độ công nghệ cho quy trình sấy thăng hoa cháo dinh dưỡng
• 3.8.1. Xây dựng BTTƯ một mục tiêu
• 3.8.2. Xây dựng BTTƯ hóa đa mục tiêu
• 3.9. Kết quả thực nghiệm kiểm chứng và bàn luận
• 3.10. Đánh giá cảm quan sản phẩm cháo dinh dưỡng ăn liền sấy thăng hoa ở chế độ công nghệ tối ưu
• 3.11. Đánh giá chất lượng của sản phẩm tối ưu
• 3.12. Xây dựng quy trình công nghệ sấy thăng hoa bằng phương pháp cấp nhiệt thông thường hoàn chỉnh cho sản phẩm cháo dinh dưỡng ăn liền
• 3.12.1. Quy trình công nghệ
• 3.12.2. Thuyết minh quy trình
• 3.13. Định mức nguyên liệu và giá thành sản phẩm
• 3.14. Triển vọng và thương mại hóa sản phẩm cháo dinh dưỡng sấy thăng hoa
• 4. KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Quy Trình Sản Xuất Cháo Dinh Dưỡng Ăn Liền

Nghiên cứu quy trình sản xuất cháo dinh dưỡng ăn liền bằng phương pháp sấy thăng hoa đang trở thành một xu hướng quan trọng trong ngành công nghệ thực phẩm. Cháo dinh dưỡng không chỉ đáp ứng nhu cầu ăn uống mà còn cung cấp giá trị dinh dưỡng cao cho người tiêu dùng. Phương pháp sấy thăng hoa giúp bảo quản chất lượng dinh dưỡng của sản phẩm, đồng thời kéo dài thời gian bảo quản mà không làm mất đi hương vị và kết cấu của cháo.

1.1. Lịch Sử Phát Triển Cháo Dinh Dưỡng Ăn Liền

Cháo dinh dưỡng ăn liền đã xuất hiện từ lâu, nhưng chỉ gần đây mới được chú trọng phát triển nhờ vào nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng về thực phẩm tiện lợi và bổ dưỡng.

1.2. Tầm Quan Trọng Của Cháo Dinh Dưỡng Trong Chế Độ Ăn Uống

Cháo dinh dưỡng cung cấp nhiều chất dinh dưỡng cần thiết cho cơ thể, đặc biệt là cho trẻ em và người cao tuổi, giúp cải thiện sức khỏe và tăng cường hệ miễn dịch.

II. Thách Thức Trong Quy Trình Sản Xuất Cháo Dinh Dưỡng

Mặc dù có nhiều lợi ích, quy trình sản xuất cháo dinh dưỡng ăn liền cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như bảo quản chất lượng dinh dưỡng, kiểm soát độ ẩm và chi phí sản xuất là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Vấn Đề Về Chất Lượng Dinh Dưỡng

Chất lượng dinh dưỡng của cháo có thể bị ảnh hưởng bởi quá trình chế biến và bảo quản. Việc sử dụng nguyên liệu tươi ngon và công nghệ hiện đại là rất cần thiết.

2.2. Chi Phí Sản Xuất Cao

Chi phí sản xuất cháo dinh dưỡng ăn liền có thể cao do yêu cầu về nguyên liệu và công nghệ. Cần tìm ra giải pháp tối ưu để giảm thiểu chi phí mà vẫn đảm bảo chất lượng.

III. Phương Pháp Sấy Thăng Hoa Trong Sản Xuất Cháo Dinh Dưỡng

Phương pháp sấy thăng hoa là một trong những công nghệ tiên tiến nhất hiện nay trong sản xuất thực phẩm. Công nghệ này giúp giữ lại hương vị và giá trị dinh dưỡng của sản phẩm, đồng thời kéo dài thời gian bảo quản.

3.1. Nguyên Lý Hoạt Động Của Sấy Thăng Hoa

Sấy thăng hoa hoạt động dựa trên nguyên lý làm bay hơi nước từ sản phẩm ở áp suất thấp, giúp giữ lại cấu trúc và dinh dưỡng của thực phẩm.

3.2. Lợi Ích Của Phương Pháp Sấy Thăng Hoa

Phương pháp này không chỉ giúp bảo quản thực phẩm lâu dài mà còn giữ nguyên hương vị và chất lượng dinh dưỡng, làm cho sản phẩm trở nên hấp dẫn hơn với người tiêu dùng.

IV. Quy Trình Công Nghệ Sản Xuất Cháo Dinh Dưỡng Ăn Liền

Quy trình sản xuất cháo dinh dưỡng ăn liền bao gồm nhiều bước từ lựa chọn nguyên liệu đến chế biến và đóng gói. Mỗi bước đều cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.

4.1. Lựa Chọn Nguyên Liệu Đầu Vào

Nguyên liệu đầu vào cần được chọn lọc kỹ lưỡng để đảm bảo chất lượng dinh dưỡng và an toàn thực phẩm. Các nguyên liệu như gạo, thịt, và rau củ cần phải tươi ngon.

4.2. Quy Trình Chế Biến Cháo

Quy trình chế biến bao gồm nấu cháo, sấy thăng hoa và đóng gói. Mỗi bước đều cần được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lượng.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Cháo Dinh Dưỡng Ăn Liền

Cháo dinh dưỡng ăn liền có thể được sử dụng trong nhiều tình huống khác nhau, từ bữa ăn gia đình đến các bữa ăn nhanh cho người bận rộn. Sản phẩm này đang ngày càng được ưa chuộng trên thị trường.

5.1. Thị Trường Cháo Dinh Dưỡng Ăn Liền

Thị trường cháo dinh dưỡng ăn liền đang phát triển mạnh mẽ với nhiều thương hiệu và sản phẩm đa dạng, đáp ứng nhu cầu của người tiêu dùng.

5.2. Đánh Giá Chất Lượng Sản Phẩm

Đánh giá chất lượng sản phẩm là rất quan trọng để đảm bảo rằng cháo dinh dưỡng đáp ứng được yêu cầu của người tiêu dùng về hương vị và giá trị dinh dưỡng.

VI. Kết Luận Và Triển Vọng Tương Lai Của Cháo Dinh Dưỡng

Nghiên cứu quy trình sản xuất cháo dinh dưỡng ăn liền bằng phương pháp sấy thăng hoa mở ra nhiều triển vọng cho ngành công nghiệp thực phẩm. Sản phẩm không chỉ đáp ứng nhu cầu dinh dưỡng mà còn mang lại giá trị kinh tế cao.

6.1. Tương Lai Của Ngành Sản Xuất Cháo Dinh Dưỡng

Ngành sản xuất cháo dinh dưỡng có tiềm năng phát triển lớn, đặc biệt là khi nhu cầu về thực phẩm tiện lợi và bổ dưỡng ngày càng tăng.

6.2. Khuyến Nghị Đối Với Các Nghiên Cứu Tiếp Theo

Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới trong sản xuất cháo dinh dưỡng để nâng cao chất lượng và giảm chi phí sản xuất.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu hướng phát triển của ngành công nghệ thực phẩm và sự gia tăng mức sống của xã hội hiện đại, nhu cầu của người tiêu dùng đối với các sản phẩm tiện lợi ngày càng gắn liền với yêu cầu nghiêm ngặt về chất lượng dinh dưỡng, tính an toàn và giá thành hợp lý. Cháo là món ăn truyền thống phổ biến tại nhiều quốc gia châu Á như Việt Nam, Trung Quốc, Thái Lan và Philippines nhờ đặc tính mềm, dạng lỏng sệt, dễ tiêu hóa và phù hợp cho nhiều lứa tuổi, đặc biệt là người bệnh, người cao tuổi và trẻ em. Tuy nhiên, việc chế biến cháo thủ công đòi hỏi nhiều thời gian và công sức chuẩn bị.

Trên thị trường hiện nay, các dòng sản phẩm cháo ăn liền thương mại chủ yếu được sản xuất bằng phương pháp ép đùn và sấy khô hạt gạo, sau đó đóng gói kèm các gói gia vị và nguyên liệu sấy. Quy trình công nghệ này tồn tại nhược điểm là làm suy giảm đáng kể hàm lượng dinh dưỡng ban đầu để ưu tiên tính hiệu quả kinh tế. Ngược lại, các sản phẩm cháo tươi nấu chín đóng gói tiệt trùng tuy giữ được dinh dưỡng nhưng ở dạng lỏng sệt nên gặp nhiều khó khăn trong việc kéo dài thời gian bảo quản ở điều kiện thường. Phương pháp sấy thăng hoa (Freeze Drying) là kỹ thuật làm khô tiên tiến dựa trên nguyên lý thăng hoa của nước đá ở áp suất chân không thấp, cho phép bảo toàn cấu trúc xốp, màu sắc, hương vị tự nhiên và các hoạt chất sinh học nhạy cảm với nhiệt, đồng thời đưa độ ẩm về mức rất thấp để bảo quản lâu dài.

Nhóm nghiên cứu tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã thực hiện đề tài nhằm nghiên cứu và thiết lập quy trình công nghệ sản xuất cháo dinh dưỡng ăn liền bằng phương pháp sấy thăng hoa cho dòng sản phẩm cháo gà ác hầm hạt sen nấm đông trùng hạ thảo, hướng đến đối tượng tiêu dùng từ 12 tuổi trở lên.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể trong văn bản gồm:

1. Tổng quan về cơ sở lý thuyết sấy thăng hoa và nguyên liệu cháo dinh dưỡng sấy thăng hoa.
2. Xác định thành phần hóa học và dinh dưỡng của nguyên liệu cháo dinh dưỡng đầu vào.
3. Mô hình hóa quá trình sấy thăng hoa sản phẩm cháo dinh dưỡng bằng mô hình thực nghiệm và tối ưu hóa quy trình công nghệ sấy thăng hoa cháo dinh dưỡng nhằm tìm ra chế độ sấy thích hợp, vừa đảm bảo chất lượng vừa tiết kiệm năng lượng.
4. Đánh giá triển vọng và khả năng thương mại hóa sản phẩm cháo dinh dưỡng sấy thăng hoa.

Đối tượng nghiên cứu của khóa luận là cháo gà ác hầm hạt sen nấm đông trùng hạ thảo và chế độ công nghệ sấy thăng hoa sản phẩm trên hệ thống thiết bị sấy thăng hoa DS-11. Phạm vi nghiên cứu bao gồm: khảo sát tính chất nguyên liệu ban đầu (gạo ST25, thịt gà ác, nấm đông trùng hạ thảo Cordyceps militaris, hạt sen, nước sạch); nghiên cứu quy trình chế biến nhiệt và tính chất nhiệt vật lý của cháo; khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ sấy thăng hoa (nhiệt độ, áp suất, thời gian) đến các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của sản phẩm; xây dựng mô hình toán thực nghiệm và tối ưu hóa quy trình sản xuất.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài được xây dựng trên nền tảng nhiệt động học quá trình chuyển pha của nước, giản đồ pha nước và nguyên lý sấy thăng hoa chân không. Quá trình sấy thăng hoa bao gồm ba giai đoạn kế tiếp nhau: giai đoạn làm lạnh đông (cấp đông ẩm trong sản phẩm thành đá), giai đoạn sấy thăng hoa sơ cấp (sấy sơ cấp - thăng hoa phần lớn nước đá dưới áp suất chân không thấp hơn áp suất điểm ba trạng thái) và giai đoạn sấy chân không làm bay hơi ẩm liên kết còn lại (sấy thứ cấp - nâng nhiệt độ để tách ẩm hấp phụ).

Nghiên cứu áp dụng các quy chuẩn kỹ thuật và tiêu chuẩn quốc gia hiện hành để kiểm soát chất lượng nguyên liệu và an toàn sản phẩm:

• Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 11888:2017 về chỉ tiêu cảm quan và tiêu chuẩn chất lượng của gạo trắng thương phẩm.
• Quy chuẩn Kỹ thuật Quốc gia QCVN 01-1:2018/BYT của Bộ Y tế quy định chất lượng nước sạch sử dụng cho mục đích sinh hoạt và chế biến thực phẩm.
• Các quy định tiêu chuẩn về giới hạn chất nhiễm bẩn và giới hạn vi sinh vật cho phép đối với sản phẩm cháo dinh dưỡng.

Hệ thống thiết bị và dụng cụ thực nghiệm bao gồm:

• Tủ đông chuyên dụng Arctiko phục vụ quá trình làm lạnh đông nguyên liệu.
• Hệ thống thiết bị sấy thăng hoa DS-11 tích hợp buồng sấy, thiết bị ngưng tụ đóng băng và hệ thống đo lường, điều khiển tự động.
• Cân sấy ẩm hồng ngoại phục vụ xác định độ ẩm nhanh.
• Máy đo cấu trúc CT3 (Brookfield) xác định độ xốp và độ cứng của khối cháo sấy.
• Các thiết bị phân tích hóa nghiệm và kiểm tra vi sinh vật tiêu chuẩn.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và công cụ xử lý dữ liệu:

• Phương pháp phân tích và tiếp cận hệ thống: Xác định các thông số công nghệ đầu vào độc lập gồm nhiệt độ môi trường sấy ($X_1$), áp suất môi trường sấy ($X_2$), thời gian sấy ($X_3$) tác động đến 4 hàm mục tiêu đầu ra: Chi phí năng lượng tiêu hao ($y_1$), Độ ẩm sản phẩm ($y_2$), Độ xốp cấu trúc ($y_3$) và Độ nhớt của cháo sau hoàn nguyên ($y_4$).
• Phương pháp quy hoạch thực nghiệm: Áp dụng phương pháp quy hoạch trực giao cấp 2 với số yếu tố $k = 3$, số thí nghiệm tại tâm $n_0 = 4$ để xây dựng ma trận thực nghiệm và thu thập số liệu.
• Phương pháp mô hình hóa toán học: Thiết lập các phương trình hồi quy đa thức bậc 2 mô tả mối quan hệ giữa các yếu tố công nghệ và hàm mục tiêu. Kiểm định ý nghĩa của các hệ số hồi quy theo tiêu chuẩn Student ($t_j$) và kiểm định độ tương thích của mô hình hồi quy với thực nghiệm theo tiêu chuẩn Fisher ($F$).
• Phương pháp tối ưu hóa: Thiết lập và giải bài toán tối ưu hóa một mục tiêu kết hợp bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu để tìm tập nghiệm Pareto tối ưu thỏa hiệp giữa chi phí năng lượng thấp nhất và chất lượng sản phẩm cao nhất.
• Phương pháp đánh giá cảm quan và thống kê: Đánh giá cảm quan thị hiếu người tiêu dùng; xử lý dữ liệu và vẽ đồ thị bằng phần mềm Microsoft Excel và Minitab.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 tổng hợp các cơ sở lý luận, thị trường và tổng quan khoa học liên quan đến sản phẩm cháo dinh dưỡng và công nghệ sấy thăng hoa:

• Tổng quan về cháo ăn liền: Nguồn gốc và vai trò của cháo trong ẩm thực Á Đông; số liệu báo cáo thị trường từ Data Bridge Market cho thấy quy mô thị trường cháo toàn cầu đạt 255,86 triệu USD vào năm 2022 và dự báo tăng trưởng lên 414,31 triệu USD vào năm 2030 với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 6,21%.
• Phân loại sản phẩm cháo: Khảo sát ba phân khúc cháo thương mại gồm cháo tươi chế biến sẵn ăn liền, cháo gói khô sản xuất bằng công nghệ ép đùn sấy khô truyền thống, và cháo tươi đóng gói nấu chín trong bao bì chuyên dụng chịu nhiệt.
• Thành phần hóa học và giá trị dinh dưỡng của nguyên liệu:
  • Gạo tẻ / gạo ST25: Cung cấp carbohydrate chủ yếu từ tinh bột (chiếm 75 - 80%), hàm lượng protein đạt 7 - 12% với tỷ lệ lysine cao (3,5 - 4%) có giá trị sinh học và độ tiêu hóa đạt 93%. Bảng thành phần trong 100g gạo tẻ gồm: nước 14g, protein 7,9g, lipid 1g, glucid 75,9g, celluloza 0,4g, tro 0,8g.
  • Nước chế biến: Đáp ứng tiêu chuẩn nhóm A và nhóm B theo QCVN 01-1:2018/BYT (Coliform < 3 CFU/100mL, E. coli < 1 CFU/100mL, pH 6,0 - 8,5).
  • Thịt gà ác (Gallus gallus domesticus Brisson): Giàu protein (21,9 - 24,6%), tỷ lệ mỡ thấp (0,6 - 2,0%), chứa 16 loại acid amin thiết yếu (Lysine 2,0%, Leucine 2,0%, Arginine 1,5%), hàm lượng hợp chất chống oxy hóa carnosine cao, giàu acid béo không no (acid arachidonic C20:4 đạt 3,94%) và vitamin A dồi dào (50,7 - 56,0 µg/100g).
  • Nấm đông trùng hạ thảo (Cordyceps militaris): Cung cấp các hợp chất có hoạt tính sinh học cao như D-mannitol (axit cordycepic), adenosine, cordycepin và các phức hệ polysaccharide cấu tạo từ mannose, galactose, glucose có tác dụng kháng viêm, chống oxy hóa và tăng cường miễn dịch.
  • Hạt sen: Bổ sung tinh bột, khoáng chất và tạo hương vị thanh đạm cho sản phẩm.
• Cơ sở khoa học về kỹ thuật sấy thăng hoa: Phân tích cơ chế truyền nhiệt và truyền khối trong môi trường chân không; khảo sát động học quá trình thăng hoa của nước đá; phân tích ưu nhược điểm của công nghệ; khảo sát các hệ thống thiết bị sấy thăng hoa tiêu biểu (hệ thống DS-1, DS-2, DS-6, DS-10, DS-11, DS-12, thiết bị Ultra 35 Super ES và các dòng máy FD-JP của Nhật Bản).
• Phân tích tính chất nhiệt vật lý của nguyên liệu cháo: Xác định các thông số nhiệt dung riêng, khối lượng riêng, hệ số dẫn nhiệt, hệ số khuếch tán ẩm và độ nhớt của khối cháo phục vụ tính toán công nghệ.

Chương 2: Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 mô tả chi tiết quy trình chuẩn bị nguyên liệu, hệ thống thiết bị và phương pháp toán học ứng dụng trong thực nghiệm:

• Lựa chọn và xử lý nguyên liệu: Gạo thơm ST25 đạt chuẩn TCVN; nấm đông trùng hạ thảo sấy lạnh có chứng nhận chất lượng; thịt gà ác tươi hầm nhừ lấy nước dùng và thịt xé nhỏ; hạt sen làm sạch và hấp chín. Phối trộn các thành phần theo tỷ lệ công thức xác định để tạo hỗn hợp cháo đồng nhất trước khi cấp đông.
• Dụng cụ và thiết bị: Thiết lập thông số vận hành trên tủ đông Arctiko và hệ thống máy sấy thăng hoa DS-11; sử dụng cân phân tích ẩm hồng ngoại và máy đo cấu trúc CT3.
• Xây dựng phương pháp đo lường 4 hàm mục tiêu công nghệ:
  • Chi phí năng lượng tiêu hao riêng $y_1$ (kWh/kg ẩm bốc hơi hoặc kg nguyên liệu).
  • Độ ẩm sản phẩm $y_2$ (%).
  • Độ xốp của sản phẩm sấy $y_3$ (lực nén đo bằng N).
  • Độ nhớt của cháo sau khi hoàn nguyên bằng nước sôi $y_4$ (cP).
• Thiết kế ma trận quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2: Xác định miền biến thiên của 3 biến độc lập công nghệ:
  • Nhiệt độ môi trường sấy ($X_1, ^\circ\text{C}$)
  • Áp suất môi trường sấy ($X_2, \text{mmHg}$)
  • Thời gian sấy ($X_3, \text{giờ}$)
• Phương pháp giải bài toán tối ưu hóa: Trình bày thuật toán tối ưu hóa đơn mục tiêu và tối ưu hóa đa mục tiêu Pareto nhằm tìm vùng thông số công nghệ dung hòa giữa tối thiểu hóa chi phí năng lượng và tối ưu hóa các chỉ tiêu chất lượng (độ ẩm thấp, độ xốp cao, độ nhớt đạt chuẩn).

Chương 3: Kết quả và bàn luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm, thiết lập mô hình toán học và kiểm chứng quy trình công nghệ:

• Phân tích thành phần hóa học của mẫu cháo nguyên liệu ban đầu.
• Xác định khoảng ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ ($X_1, X_2, X_3$) đến quá trình truyền nhiệt và tách ẩm.
• Thu thập số liệu thực nghiệm từ ma trận quy hoạch trực giao cấp 2 và thiết lập 4 phương trình hồi quy thực nghiệm mô tả các hàm mục tiêu:
  • Mô hình toán mô tả chi phí năng lượng ($y_1$).
  • Mô hình toán mô tả độ ẩm sản phẩm ($y_2$).
  • Mô hình toán mô tả độ xốp ($y_3$).
  • Mô hình toán mô tả độ nhớt ($y_4$).
• Kiểm định độ tin cậy của các mô hình toán học: Toàn bộ hệ số hồi quy được kiểm định phương sai bằng tiêu chuẩn Student ($t_j$) và độ tương thích của mô hình được xác nhận thông qua kiểm định tiêu chuẩn Fisher ($F$).
• Giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu: Xác định được chế độ sấy thăng hoa tối ưu cho sản phẩm cháo dinh dưỡng:
  • Nhiệt độ môi trường sấy: $58,436^\circ\text{C}$
  • Áp suất môi trường sấy: $0,015\text{ mmHg}$
  • Thời gian sấy: $33,647\text{ giờ}$
• Kết quả kiểm chứng thực nghiệm tại chế độ công nghệ tối ưu:
  • Chi phí năng lượng: $15,32\text{ kWh/kg}$ (thỏa mãn điều kiện tối ưu $y_1 < 22,99\text{ kWh/kg}$).
  • Độ ẩm sản phẩm: $4,12%$ (nằm trong phạm vi an toàn bảo quản $2 \div 5%$).
  • Độ nhớt: $2715,1978\text{ cP}$ (thấp hơn giới hạn thực tế $4099\text{ cP}$, tạo cấu trúc cháo sánh mịn phù hợp cảm quan).
  • Độ xốp: $4,23\text{ N}$ (đạt độ cứng cấu trúc phù hợp, không vượt quá giá trị cực đại thực nghiệm $5,57\text{ N}$).
• Đánh giá chất lượng và cảm quan sản phẩm tối ưu: Sản phẩm cháo gà ác hầm hạt sen nấm đông trùng hạ thảo sấy thăng hoa giữ được màu sắc tự nhiên, mùi vị đặc trưng của thịt gà ác và đông trùng, tốc độ hoàn nguyên nhanh khi bổ sung nước nóng. Các chỉ tiêu vi sinh vật và hàm lượng kim loại nặng đều nằm trong ngưỡng an toàn cho phép.
• So sánh giá trị dinh dưỡng: Phân tích thành phần dinh dưỡng trong một khẩu phần đóng gói 25g cháo sấy thăng hoa cho thấy hàm lượng protein, khoáng chất và hoạt chất sinh học vượt trội so với các gói cháo ăn liền 70g thông thường trên thị trường.
• Xây dựng quy trình công nghệ hoàn chỉnh: Thiết lập sơ đồ quy trình công nghệ sấy thăng hoa bằng phương pháp cấp nhiệt thông thường trên hệ thống DS-11, tính toán định mức tiêu hao nguyên liệu và dự toán giá thành sản phẩm phục vụ thương mại hóa.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã giải quyết hoàn chỉnh bài toán công nghệ sấy thăng hoa đối với sản phẩm cháo dinh dưỡng phối chế phức hợp. Bảng tổng hợp dưới đây thể hiện các thông số công nghệ tối ưu và kết quả kiểm chứng thực nghiệm tương ứng:

Thông số / Chỉ tiêu công nghệ	Ký hiệu	Giá trị tối ưu tính toán	Kết quả kiểm chứng thực nghiệm	Ngưỡng yêu cầu kỹ thuật
Nhiệt độ môi trường sấy	$X_1$	$58,436^\circ\text{C}$	$58,4^\circ\text{C}$	Khoảng khảo sát
Áp suất môi trường sấy	$X_2$	$0,015\text{ mmHg}$	$0,015\text{ mmHg}$	Chân không sâu
Thời gian sấy	$X_3$	$33,647\text{ giờ}$	$33,65\text{ giờ}$	Chu trình sấy
Chi phí năng lượng	$y_1$	—	$15,32\text{ kWh/kg}$	$< 22,99\text{ kWh/kg}$
Độ ẩm sản phẩm	$y_2$	—	$4,12%$	$2 \div 5%$
Độ xốp (Lực phá vỡ cấu trúc)	$y_3$	—	$4,23\text{ N}$	$\le 5,57\text{ N}$
Độ nhớt sau hoàn nguyên	$y_4$	$2715,1978\text{ cP}$	Đạt cảm quan	$< 4099\text{ cP}$

Giải pháp và kiến nghị công nghệ đề xuất:

• Nhóm tác giả đề xuất quy trình công nghệ sản xuất cháo dinh dưỡng ăn liền sấy thăng hoa khép kín từ khâu tiếp nhận nguyên liệu, sơ chế, hầm chiết dinh dưỡng, phối trộn đồng nhất, cấp đông ở nhiệt độ thấp trên tủ đông Arctiko, sấy thăng hoa trên thiết bị DS-11 theo bộ thông số tối ưu, đến đóng gói kín trong bao bì chống ẩm.
• Kiến nghị ứng dụng mô hình toán thực nghiệm và phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu Pareto vào điều khiển tự động chu trình sấy thăng hoa để tiết kiệm điện năng trong sản xuất thực tế.

Đóng góp của khóa luận:

• Cung cấp dữ liệu thực nghiệm có hệ thống về tính chất nhiệt vật lý và động học sấy thăng hoa của hỗn hợp cháo dinh dưỡng đa thành phần (gạo ST25, gà ác, hạt sen, đông trùng hạ thảo).
• Xây dựng thành công hệ phương trình hồi quy tương quan đa mục tiêu giữa các thông số công nghệ sấy và chất lượng sản phẩm, chứng minh tính ứng dụng của quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2 trong lĩnh vực công nghệ thực phẩm.
• Tạo ra dòng sản phẩm cháo ăn liền cao cấp có giá trị dinh dưỡng cao, hoàn nguyên nhanh, giải quyết triệt để nhược điểm nghèo dinh dưỡng của cháo ép đùn và thời hạn bảo quản ngắn của cháo tươi.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu:

• Thí nghiệm được thực hiện trên quy mô phòng thí nghiệm và bán công nghiệp với hệ thống thiết bị sấy thăng hoa DS-11 theo mẻ, chưa tiến hành thử nghiệm trên các hệ thống sấy thăng hoa liên tục công suất lớn.
• Khảo sát công thức sản phẩm chỉ tập trung vào một tổ hợp nguyên liệu cố định (gà ác, hạt sen, nấm đông trùng hạ thảo) dành cho phân khúc đối tượng trên 12 tuổi.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

• Mở rộng quy mô thực nghiệm trên các hệ thống thiết bị sấy thăng hoa quy mô công nghiệp để đánh giá độ ổn định của chế độ công nghệ và hoàn thiện dây chuyền sản xuất liên tục.
• Khảo sát độ bền bảo quản, biến đổi hàm lượng hoạt chất sinh học (adenosine, cordycepin, carnosine) và hạn sử dụng của sản phẩm trong các loại vật liệu bao bì hút chân không hoặc bao bì có bơm khí trơ theo thời gian.
• Nghiên cứu đa dạng hóa danh mục sản phẩm cháo dinh dưỡng sấy thăng hoa với các công thức nguyên liệu khác nhau để phục vụ các đối tượng chuyên biệt như trẻ em ăn dặm, người ăn kiêng hoặc bệnh nhân phục hồi sau phẫu thuật.

Giá trị tham khảo

Tài liệu khóa luận có giá trị tham khảo thiết thực đối với:

• Sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các ngành Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Hóa học, Kỹ thuật Nhiệt - Máy lạnh trong việc tìm hiểu nguyên lý và vận hành thiết bị sấy thăng hoa.
• Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất thực phẩm tiện lợi quan tâm đến kỹ thuật quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2, mô hình hóa toán học và tối ưu hóa đa mục tiêu Pareto trong thiết lập chế độ chế biến thực phẩm.
• Những phần có giá trị tham khảo chuyên sâu gồm: phương pháp xây dựng ma trận quy hoạch thực nghiệm trực giao (Chương 2), hệ thống phương trình hồi quy thực nghiệm và nghiệm tối ưu Pareto (Chương 3), cùng sơ đồ thuyết minh quy trình sản xuất cháo sấy thăng hoa hoàn chỉnh.

Câu hỏi thường gặp

1. Chế độ công nghệ sấy thăng hoa tối ưu được xác lập trong khóa luận gồm những thông số nào?
Chế độ sấy tối ưu thu được từ bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu gồm: nhiệt độ môi trường sấy là $58,436^\circ\text{C}$, áp suất môi trường sấy là $0,015\text{ mmHg}$ và thời gian sấy là $33,647\text{ giờ}$.

2. Các chỉ tiêu kỹ thuật thực nghiệm kiểm chứng tại chế độ sấy tối ưu đạt kết quả ra sao?
Thực nghiệm kiểm chứng tại chế độ tối ưu cho thấy: chi phí năng lượng đạt $15,32\text{ kWh/kg}$ (thấp hơn ngưỡng giới hạn $22,99\text{ kWh/kg}$), độ ẩm sản phẩm đạt $4,12%$ (thuộc dải an toàn $2 \div 5%$), độ xốp đạt lực phá vỡ $4,23\text{ N}$ (không vượt quá mức cực đại $5,57\text{ N}$), và độ nhớt tính toán đạt $2715,1978\text{ cP}$ (thấp hơn giới hạn $4099\text{ cP}$).

3. Khóa luận sử dụng các thiết bị thực nghiệm chuyên dụng chính nào?
Nghiên cứu sử dụng tủ đông Arctiko để cấp đông nguyên liệu, hệ thống thiết bị sấy thăng hoa DS-11 có chương trình đo lường và điều khiển tự động, cân sấy ẩm hồng ngoại để xác định độ ẩm nhanh, và máy đo cấu trúc Brookfield CT3 để kiểm tra độ xốp/độ cứng của sản phẩm.

4. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn tổ hợp nguyên liệu gạo ST25, thịt gà ác và nấm đông trùng hạ thảo?
Gạo ST25 cung cấp tinh bột và protein có hàm lượng lysine cao dễ tiêu hóa; thịt gà ác giàu đạm ($21,9 - 24,6%$), ít mỡ ($0,6 - 2,0%$), chứa chất chống oxy hóa carnosine, vitamin A và acid béo arachidonic; nấm đông trùng hạ thảo (Cordyceps militaris) cung cấp các hoạt chất quý như adenosine, cordycepin, D-mannitol và polysaccharide giúp bồi bổ sức khỏe và tăng cường miễn dịch.

5. Nhóm tác giả đã sử dụng phương pháp toán học nào để mô hình hóa và tối ưu hóa quy trình sấy?
Khóa luận đã áp dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2 với 3 yếu tố công nghệ và 4 thí nghiệm tại tâm để thiết lập các phương trình hồi quy bậc 2, kiểm định mô hình bằng tiêu chuẩn Student và Fisher, sau đó giải bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu tìm tập nghiệm Pareto.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Thanh Bảo Ngọc và Lê Trọng Hiếu đã nghiên cứu thành công quy trình công nghệ sản xuất cháo dinh dưỡng ăn liền gà ác hầm hạt sen nấm đông trùng hạ thảo bằng phương pháp sấy thăng hoa trên thiết bị DS-11. Thông qua phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2 và tối ưu hóa đa mục tiêu Pareto, đề tài đã xác lập được chế độ sấy tối ưu tại nhiệt độ $58,436^\circ\text{C}$, áp suất $0,015\text{ mmHg}$ trong thời gian $33,647\text{ giờ}$, giúp tiết kiệm năng lượng ($15,32\text{ kWh/kg}$) và đưa độ ẩm sản phẩm về mức $4,12%$. Kết quả nghiên cứu mang lại giá trị khoa học về mô hình hóa nhiệt động sấy thăng hoa và cung cấp quy trình công nghệ hoàn chỉnh có tính khả thi cao để ứng dụng vào sản xuất thực phẩm tiện lợi chất lượng cao ở quy mô công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay với sự phát triển của công nghệ, kỹ thuật chế biến kèm theo mức sống của người tiêu dùng được nâng cao, thị trường tiêu dùng cần những sản phẩm có chất lượng cao về nhiều mặt như dinh dưỡng, tính tiện lợi, giá thành, tính ứng dụng. Trong những thực phẩm mà con người sử dụng, cháo là một sản phẩm hết sức phổ biến, phù hợp mọi lứa tuổi, đa dạng về nguyên liệu và phương thức chế biến nhờ vậy mà sản phẩm có sự đa dạng về hàm lượng dinh dưỡng và hương vị. Do đó, trên thị trường cháo ăn liền có sự canh tranh gay gắt giữa các nhà sản xuất để thu hút người tiêu dùng.

Cháo ăn liền hay còn được gọi là cháo gói được chế biến từ gạo thường kết hợp với các nguyên liệu như thịt, cá, các loại rau củ,… nhằm mang đến món ăn thơm ngon. Đặc điểm của sản phẩm này là gạo sẽ được ép đùn và sấy khô sau đó đem đóng gói trong bao bì và có thể sử dụng ngay sau khi pha với nước nóng. Tuy nhiên sản xuất bằng phương pháp này lại mang theo nhược điểm tính dinh dưỡng bị hạn chế để mang lại tính hiệu quả về kinh tế cao hơn. Vì lí do này, mà việc sử dụng cháo ăn liền cho đối tượng người thiếu chất dinh dưỡng hoặc đang cần sản phẩm dinh dưỡng cao không khả thi.

Do đó nhóm nghiên cứu đã chọn đề tài “Nghiên cứu quy trình công nghệ sản xuất cháo dinh dưỡng ăn liền bằng phương pháp sấy thăng hoa” cho nhóm đối tượng trên 12 tuổi để nhằm hướng đến và thu hút nhóm khách hàng tiềm năng. Cháo là sản phẩm dạng lỏng sệt, có chứa nhiều thành phần nguyên liệu nên dẫn đến việc giảm thời gian bảo quản. Nhưng khi sử dụng phương pháp sấy thăng hoa, giúp cháo có thể bảo quản lâu dài và bảo vệ được các tính chất ban đầu của sản phẩm như nguyên liệu, hương vị, kết cấu. Nghiên cứu trong đề tài nhằm mở ra hướng khả thi cho sản phẩm cháo dinh dưỡng ăn liền bằng phương pháp sấy thăng hoa thông qua việc tối ưu hóa và tìm ra chế độ sấy thăng hoa phù hợp cho các sản phẩm cháo dinh dưỡng ăn liền để cho ra sản phẩm có chất lượng tốt nhất và giảm giá thành sản phẩm nhờ tiết kiệm chi phí năng lương trong quá trình sấy bằng thiết bị sấy thăng hoa DS -11.

NGUYỄN TẤN DŨNG 1 SVTH: NGUYỄN THANH BẢO NGỌC KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP LÊ TRỌNG HIẾU 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Trong đề tài này, nghiên cứu giúp xác định chế độ sấy thăng hoa cháo dinh dưỡng ăn liền có độ ẩm phù hợp, giữ được các giá trị dinh dưỡng như ban đầu và tiết kiệm năng lương trong quá trình sấy. Mặt khác, nghiên cứu này cũng xây dựng quy trình sản xuất cháo dinh dưỡng ăn liền sấy thăng hoa có nguyên liệu là gạo, gà ác, nấm đông trùng, hạt sen là thành phần chính trong sản phẩm để tham khảo cho những nghiên cứu công nghệ sản xuất cháo ăn liền ở quy mô công nghiệp. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu Trong đề tài này đối tượng nghiên cứu được xác định là cháo gà ác hầm hạt sen nấm đông trùng và chế độ công nghệ sản xuất cháo dinh dưỡng ăn liền bằng phương pháp sấy thăng hoa.