Nghiên cứu và phát triển hệ thống chiên chân không năng suất 20kg khoai lang mẻ

Khám phá quy trình thiết kế và chế tạo hệ thống chiên chân không năng suất 20kg khoai lang mẻ, tối ưu hóa chất lượng và hiệu quả sản xuất.

• Tác giả: Phan Trần Tấn Danh
• Người hướng dẫn: TS. 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, tính toán, thiết kế và chế tạo hệ thống chiên chân không năng suất 20kg khoai lang/mẻ
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Thiết kế hệ thống

Phần này tập trung vào thiết kế hệ thống chiên chân không với năng suất 20kg khoai lang/mẻ. Các thông số kỹ thuật được xác định bao gồm độ ẩm ban đầu và cuối của nguyên liệu, khối lượng riêng của khoai lang, nhiệt độ chiên, thời gian chiên và áp suất chiên. Hệ thống bao gồm các thiết bị chính như bồn chiên, cơ cấu nâng hạ giỏ nguyên liệu, thiết bị ngưng tụ, thiết bị tách lỏng và thiết bị ly tâm. Thiết kế công nghiệp được áp dụng để đảm bảo hiệu quả và độ bền của hệ thống.

1.1. Xác định thông số kỹ thuật

Các thông số kỹ thuật được xác định dựa trên yêu cầu của quy trình chiên chân không. Độ ẩm ban đầu của khoai lang là 77.28%, độ ẩm cuối của sản phẩm là 5%. Khối lượng riêng của khoai lang là 1212 kg/m³. Nhiệt độ chiên được thiết lập ở 100°C, thời gian chiên là 20 phút và áp suất chiên là 0.2 atm. Những thông số này đảm bảo quá trình chiên diễn ra hiệu quả, giữ được chất lượng sản phẩm.

1.2. Thiết kế các thiết bị chính

Hệ thống chiên chân không bao gồm các thiết bị chính như bồn chiên, cơ cấu nâng hạ giỏ nguyên liệu, thiết bị ngưng tụ, thiết bị tách lỏng và thiết bị ly tâm. Bồn chiên được thiết kế để chịu được nhiệt độ và áp suất cao. Cơ cấu nâng hạ giúp đưa nguyên liệu vào và ra khỏi bồn chiên một cách dễ dàng. Thiết bị ngưng tụ và tách lỏng đảm bảo loại bỏ hơi nước và dầu thừa sau quá trình chiên.

II. Chế tạo hệ thống

Phần này mô tả quy trình chế tạo hệ thống chiên chân không. Các phương pháp gia công như hàn, cắt gọt, nắn uốn kim loại và đánh bóng được sử dụng để tạo ra các thiết bị chính. Chế tạo thiết bị đòi hỏi độ chính xác cao để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và an toàn. Quy trình chế tạo bao gồm việc lắp ráp các thiết bị, kiểm tra chất lượng và hiệu chỉnh các thông số kỹ thuật.

2.1. Phương pháp gia công

Các phương pháp gia công như hàn, cắt gọt, nắn uốn kim loại và đánh bóng được sử dụng để chế tạo các thiết bị chính. Hàn được sử dụng để kết nối các bộ phận kim loại, đảm bảo độ bền và kín khí. Cắt gọt và nắn uốn giúp tạo hình các chi tiết theo thiết kế. Đánh bóng được áp dụng để tăng độ bền và thẩm mỹ của thiết bị.

2.2. Lắp ráp và kiểm tra

Sau khi chế tạo, các thiết bị được lắp ráp thành hệ thống hoàn chỉnh. Quá trình lắp ráp đòi hỏi độ chính xác cao để đảm bảo các bộ phận hoạt động đồng bộ. Kiểm tra chất lượng được thực hiện để đảm bảo hệ thống đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật. Các thông số như nhiệt độ, áp suất và thời gian chiên được hiệu chỉnh để tối ưu hóa quá trình sản xuất.

III. Hệ thống chiên chân không

Phần này tập trung vào hệ thống chiên chân không và quy trình chiên khoai lang. Hệ thống được thiết kế để chiên khoai lang ở áp suất thấp và nhiệt độ thấp, giúp giữ được màu sắc, hương vị và chất dinh dưỡng của sản phẩm. Quy trình chiên chân không bao gồm các bước như lựa chọn nguyên liệu, rửa, gọt vỏ, cắt lát, chần sơ bộ, chiên chân không, ly tâm tách dầu và bao gói.

3.1. Quy trình chiên chân không

Quy trình chiên chân không bao gồm các bước như lựa chọn nguyên liệu, rửa, gọt vỏ, cắt lát, chần sơ bộ, chiên chân không, ly tâm tách dầu và bao gói. Lựa chọn nguyên liệu đảm bảo khoai lang đạt chất lượng cao. Rửa và gọt vỏ giúp loại bỏ tạp chất và vỏ khoai lang. Cắt lát và chần sơ bộ chuẩn bị nguyên liệu cho quá trình chiên. Chiên chân không ở nhiệt độ 100°C và áp suất 0.2 atm giúp giữ được chất lượng sản phẩm.

3.2. Tối ưu hóa quy trình

Quy trình chiên chân không được tối ưu hóa để đảm bảo hiệu quả và chất lượng sản phẩm. Nhiệt độ và thời gian chiên được điều chỉnh để đạt được độ giòn và màu sắc mong muốn. Ly tâm tách dầu giúp loại bỏ dầu thừa, giảm độ béo của sản phẩm. Bao gói được thực hiện để bảo quản sản phẩm và kéo dài thời hạn sử dụng.

IV. Công nghệ chiên chân không

Phần này phân tích công nghệ chiên chân không và ứng dụng của nó trong sản xuất khoai lang chiên. Công nghệ thực phẩm này giúp giảm thiểu sự biến đổi chất dinh dưỡng và hương vị của sản phẩm. Hệ thống sản xuất được thiết kế để tự động hóa các công đoạn, nâng cao năng suất và đảm bảo chất lượng sản phẩm đồng đều.

4.1. Ưu điểm của công nghệ

Công nghệ chiên chân không có nhiều ưu điểm như giảm nhiệt độ chiên, hạn chế tiếp xúc của dầu với oxy không khí, giữ được chất dinh dưỡng và hương vị của sản phẩm. Nhiệt độ chiên thấp giúp giảm sự hình thành các hợp chất có hại. Áp suất thấp giúp giảm thời gian chiên và tiết kiệm năng lượng. Tự động hóa giúp nâng cao năng suất và giảm chi phí lao động.

4.2. Ứng dụng thực tiễn

Công nghệ chiên chân không được ứng dụng rộng rãi trong sản xuất khoai lang chiên. Sản phẩm khoai lang chiên chân không có chất lượng cao, giữ được màu sắc và hương vị tự nhiên. Hệ thống sản xuất được thiết kế để đáp ứng nhu cầu thị trường, giảm chi phí sản xuất và tăng lợi nhuận. Công nghệ này cũng có tiềm năng ứng dụng trong sản xuất các sản phẩm chiên khác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về khoai lang. Khoai lang (Ipomoea batatas) là một loại cây hai lá thuộc họ Convolvulaceae. Trong số khoảng 50 chi và và hơn 1000 loài thuộc họ này chỉ có khoai lang (Ipomoea batatas) là thực phẩm có giá trị kinh tế quan trọng [28], [36]. Khoai lang được sử dụng phổ biến trong vai trò cả rau lẫn lương thực.

Khoai lang là cây lương thực quan trọng thứ bảy chỉ sau lúa mì, gạo, ngô, khoai tây, lúa mạch và sắn, là thực phẩm chính ở nhiều nước đang phát triển của vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới, và cũng là thức ăn chăn nuôi và nguyên liệu cho một số thực phẩm và thức ăn công nghiệp [30]. Ngoài ra ở một số vùng châu phi lá khoai lang được sử dụng như một loại rau. Khoai lang được trồng nhiều nhất ở châu Á (chiếm 60,75% diện tích và 86,89% sản lượng thế giới). Khoai lang phát triển tốt nhất ở nhiệt độ ấm vừa phải (21-260C) và pH đất từ 5,5-6,5.2 Tính chất vật lý cơ bản của khoai lang.

Sau khi tìm hiểu, thu thập thông tin từ sách, các bài báo cáo khoa học chúng tôi thu được một số thông số vật lý cơ bản của khoai lang như sau: - Khối lượng riêng:  = 1212 (kg/m3) - Nhiệt dung riêng: Cp = 3,66 kJ/(kg.K) - Hệ số dẫn nhiệt:  = 0,49 W/(m.K) - Kích thước khoai lang: đường kính 2-4 cm, dài 10-15cm. Trang 4 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Tấn Dũng - Độ ẩm khoai lang tươi: 77,28 % [36], [25] 1.3 Thành phần dinh dưỡng. Chất khô Tương tự các loại củ khác, khoai lang có độ ẩm cao. Hàm lượng chất khô của khoai lang trung bình chiếm khoảng 25-30% [35] nhưng thay đổi thay đổi rất rộng tùy thuộc vào các yếu tố như: giống cây trồng, địa điểm, khí hậu,… Hàm lượng chất khô thay đổi từ 13,6% đến 35,1% trong một số dòng khoai lang được trồng ở Đài Loan (Anon, 1981); từ 22,9% đến 48,2% trong 18 giống được trồng ở Brazil [27].

Bảng 1 Thành phần dinh dưỡng trong 100g khoai lang tươi Thành phần dinh dưỡng Đơn vị Hàm lượng Nước g 77,28 Năng lượng kcal 86 Chất đạm g 1,57 Tổng lipid (chất béo) g 0,05 Carbohydrate g 20,12 Tổng xơ g 3 Tổng đường g 4,18 Canxi mg 30 Sắt mg 0,61 Magiê mg 25 Photpho mg 47 Kali mg 337 Natri mg 55 Kẽm mg 0,3 Vitamin C mg 2.4 Thiamin mg 0,078 Trang 5 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Tấn Dũng Riboflavin mg 0,061 Niacin mg 0,557 Vitamin B6 mg 0,209 Folate, DFE µg 11 Vitamin A IU 14187 Vitamin E (α‐tocopherol) mg 0,26 Vitamin K (phylloquinone) µg 1,8 Carbohydrate chiếm khoảng 80-90% lượng chất khô (24-27% khối lượng tươi). Bao gồm chủ yếu là tinh bột và đường, ngoài ra còn có một lượng ít pectin, hemicellulose và cellulose. Thành phần này có thể thay đổi phụ thuộc vào độ chín của củ khoai lang, giống khoai lang, thời gian lưu trữ và chế biến,… Đường trong khoai lang chủ yếu là Sucrose, glucose và fructose [36]. Tinh bột: trung bình chiếm khoảng 60-70% lượng chất khô nhưng giá trị khác nhau đối với các loại giống khác nhau [28].

Cũng như các loại tinh bột khác, các hạt tinh bột khoai lang được tạo thành từ amylose (20%) và amylopectin. Protein: khoai lang có hàm lượng protein cao chiếm 1.14% hàm lượng chất khô [36]. Hàm lượng tro của khoai lang chiếm khoảng 3% trọng lượng khô hoặc 0,3-1% trọng lượng tươi, trong đó kali có nồng độ lớn nhất với 337 mg / 100 g khối lượng tươi [36]. Phốt pho, canxi, magiê, sắt, đồng và magiê cũng có mặt với số lượng đáng kể (Woolfe 1992).

Ngoài ra củ khoai lang cũng chứa vitamin như acid ascorbic, thiamin (B1), riboflavin (B2), niacin (B6), pantothenic acid (B5), folic acid, và vitamin E. Trang 6 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Tấn Dũng 1.2 Quy trình công nghệ chiên chân không khoai lang Khoai lang Lựa chọn và phân loại Rửa Gọt vỏ Cắt lát Chần sơ bộ Chiên chân không Ly tâm tách dầu Bao gói Khoai lang chiên chân không Hình 1.2 Quy trình công nghệ chiên chân không khoai lang Thuyết minh quy trình công nghệ: - Lựa chọn và phân loại: + Lựa chọn khoai lang nguyên liệu không mọc mầm, có kích thước đồng đều phù hợp; không bị hư hỏng, sâu bệnh; còn nguyên vặn không bị dập nát. + Loại bỏ các củ khoai lang nguyên liệu không đảm bảo yêu cầu, chất lượng mong muốn qua đó đảm bảo chất lượng sản phẩm luôn ổn định. - Rửa: loại các tạp chất vô cơ như đất cát bám trên bề mặt khoai lang, loại bỏ một phần vi sinh vật, loại bỏ các hóa chất như dư lượng thuốc trừ sâu,… [2].

Yêu cầu: đảm bảo hiệu quả làm sạch, hạn chế làm dập nát khoai lang, không để khoai lang bị tái nhiễm bẩn trở lại. Trang 7 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Tấn Dũng - Gọt vỏ, cắt lát: loại bỏ vỏ khoai lang chuẩn bị cho quá trình cắt lát sau đó, cần đảm bảo hạn chế tổn thất nguyên liệu, không làm nhiễm bẩn, dập nát nguyên liệu. Sau khi gọt vỏ tiến hành cắt lát với kích thước đường kính x dày = 30*1 mm tạo hình cho sản phẩm, rút ngắn thời gian chiên, giảm chi phí năng lượng, chuẩn bị cho quá trình chiên, hạn chế làm nát khoai lang. - Chần sơ bộ: Chần sơ qua trong nước sôi trong 20s nhằm hồ hóa một phần tinh bột, chuẩn bị cho quá trình chiên.

- Chiên chân không: Chiên nguyên liệu ở áp suất 0,2 atm ~ 152mmHg; nhiệt độ chiên: 1000C; thời gian chiên: 20 phút. Mục đích: + Làm chín khoai lang, chiên ở áp suất thấp và nhiệt độ thấp nên sản phẩm khoai lang chiên chân không giữ được màu sắc, mùi vị tự nhiên và hạn chế tối đa tổn thất, biến đổi tiêu cực của dầu chiên cũng như các chất dinh dưỡng. + Bảo quản: nhiệt độ cao 1000C ức chế một số enzyme, độ ẩm của sản phẩm thấp ức chế các vi sinh vật có hại phát triển. Các biến đổi của nguyên liệu: + Vật lý: quá trình chiên chân không làm xảy ra nhiều biến đổi vật lý trong nguyên liệu như sự tăng nhiệt độ, sự khuếch tán các chất béo từ môi trường gia nhiệt vào bên trong sản phẩm, sự hòa tan và khuếch tán một số chất từ nguyên liệu đi vào môi trường gia nhiệt,… những biến đổi này làm thay đổi cấu trúc cũng như tỷ trọng và thể tích của nguyên liệu sau khi chiên.

+ Hóa học: nhiệt độ cao 1000C trong quá trình chiên chân không cũng thúc đẩy một số phản ứng hóa học như phản ứng maillard, phản ứng caramel hóa tạo ra màu sắc, hương vị đặc trưng của các sản phẩm chiên tuy nhiên so với các phương pháp khác thì phương pháp chiên chân không có nhiệt độ chiên thấp hơn rất nhiều (1000C so với 130-1800C) nên màu sắc và hương vị tự nhiên của sản phẩm vẫn được giữ lại đáng kể. + Hóa lý: nhiệt độ cao, áp suất thấp trong quá trình chiên chân không sẽ làm cho nước trong thực phẩm chuyển pha, làm cho sản phẩm sau khi chiên có độ ẩm thấp hơn trước khi chiên. + Sinh học: độ ẩm thấp của sản phẩm sau quá trình chiên chân không làm ức chế vi sinh vật. + Hóa sinh: nhiệt độ cao làm bất hoạt một số enzyme.

Trang 8 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Tấn Dũng - Ly tâm tách dầu: sau khi chiên cho khoai lang vào thiết bị ly tâm, ly tâm với tốc độ 400 vòng/ phút trong khoản 3 phút để tách dầu ra [28]. - Đóng gói: Đóng gói sản phẩm bằng bao bì plastic nhằm bảo quản sản phẩm, trách các tác nhân vật lý như: tác động cơ học làm dập nát sản phẩm, hút ẩm từ môi trường,… ngăn các vi sinh vật gây hại từ bên ngoài xâm nhập vào. Tạo điều kiện thuận lợi cho việc bóc xếp, bảo quản và phân phối sản phẩm từ nơi sản xuất đến người tiêu dùng. Yêu cầu: Bao bì phải kín, trơn, nhẵn và trơ về mặt hóa học để không ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm, đồng thời phải đảm bảo độ bền chắc nhất định trước các tác động cơ học trong quá trình vận chuyển.3 Cơ sở khoa học của quá trình chiên.1 Định nghĩa chiên Chiên là một kỹ thuật chuẩn bị trong thực phẩm trong đó chất béo hoặc dầu được sử dụng như một môi trường truyền nhiệt, tiếp xúc trực tiếp với thực phẩm.

Đây là một trong những kỹ thuật nhanh và đơn giản nhất để nấu thức ăn so với các phương pháp khác. Nhờ vào sự thu hút ở vẻ ngoài cũng như tính chất, kết cấu hương vị đặc trưng hình thành sau quá trình chiên đáp ứng được những mong muốn, yêu cầu của người tiêu dùng mà kỹ thuật này đã trở nên phổ biến trong cả nhà hàng và các ngành công nghiệp hiện này. Một quá trình chiên thực phẩm thường bao gồm 4 yếu tố chính: Thứ nhất, các điều kiện cụ thể trong quá trình chiên như nhiệt độ, áp suất chiên; thứ hai, một dụng cụ chiên, thường là một cái chảo đơn giản ở quy mô nhỏ hay một hệ thống chiên phức tạp ở quy mô lớn, quy mô công nghiệp; thứ ba, thực phẩm chiên và cuối cùng là môi trường chiên, môi trường thường được sử dụng là dầu hoặc mỡ có nguồn gốc từ động vật.2 Sự truyền nhiệt và truyền khối lượng trong quá trình chiên. Một số hiện tượng xảy ra liên quan đến sự truyền nhiệt và truyền khối trong quá trình chiên.

Đầu tiên là quá trình làm chín thực phẩm, đây là một trong những mục đích chính của quá trình chiên, quá trình này tạo ra các phản ứng nhiệt như hồ hóa tinh bột, biến tính protein, thủy phân, phản ứng Maillard, phản ứng Caramel hóa,… Thứ hai là sự mất nước, nhiệt được truyền trong thực phẩm bằng cách đối lưu từ dầu lên bề mặt sản phẩm rồi di chuyển vào trong trung tâm sản phẩm, làm cho nước bên trong được làm nóng đến điểm sôi dẫn đến làm tăng áp suất từ đó là nước từ trong sản phẩm di chuyển ra bên ngoài bề mặt rồi từ bề mặt khuyết tán ra bên ngoài. Sư di chuyển nước này giúp làm mát bề mặt sản phẩm trong khoảng thời gian chiên đầu tiên, đảm bảo cho sản phẩm không bị cháy [39]. Trang 9 Khóa luận tốt nghiệp GVHD: TS Nguyễn Tấn Dũng Thứ ba là sự hấp thu dầu vào sản phẩm do nhiệt độ cao ở quá trình chiên rán gây mất nước cho các phân tử ở bề mặt sản phẩm, từ đó làm cho bề mặt sản phẩm kỵ nước hơn phù hợp cho sư hấp thu lipid.