Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh ngành công nghiệp chế biến nông sản ngày càng phát triển, công nghệ bảo quản sau thu hoạch đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao chất lượng và giá trị sản phẩm. Quá trình sấy là một trong những phương pháp bảo quản hiệu quả, giúp giảm độ ẩm, ức chế vi sinh vật và kéo dài thời gian bảo quản. Tuy nhiên, các phương pháp sấy truyền thống như sấy không khí nóng thường gây ra hiện tượng oxy hóa, làm giảm chất lượng sản phẩm, đặc biệt với các loại quả nhạy cảm như bơ. Quả bơ có hàm lượng dinh dưỡng cao, giàu các hợp chất chống oxy hóa nhưng lại rất dễ bị nâu hóa và hư hỏng nhanh khi bảo quản không đúng cách.

Luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng công nghệ sấy bằng hơi nước quá nhiệt cho sản phẩm bơ cắt lát tại Việt Nam, nhằm khắc phục nhược điểm của phương pháp sấy không khí nóng truyền thống. Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành với 20 chế độ sấy khác nhau, nhiệt độ từ 110 đến 150°C và tốc độ hơi nước từ 3 đến 6 m/s, trên mẫu bơ cắt lát dày 2 mm. Mục tiêu chính là đánh giá ảnh hưởng của các thông số sấy đến động học quá trình sấy, chất lượng sản phẩm sau sấy (màu sắc, hàm lượng phenol, khả năng chống oxy hóa), đồng thời xây dựng mô hình thực nghiệm và mô hình lý thuyết mô tả quá trình sấy.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ sấy hiệu quả, tiết kiệm năng lượng, nâng cao chất lượng sản phẩm bơ sấy, góp phần mở rộng thị trường tiêu thụ và tăng giá trị kinh tế cho ngành chế biến nông sản Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Định luật Fick về khuếch tán ẩm: Mô tả quá trình truyền chất bên trong vật liệu sấy, xác định hệ số khuếch tán ẩm hiệu dụng, là cơ sở xây dựng mô hình lý thuyết mô tả động lực quá trình sấy.
  • Mô hình truyền nhiệt và truyền chất đối lưu: Phân tích sự trao đổi nhiệt và ẩm giữa tác nhân sấy (hơi nước quá nhiệt) và vật liệu sấy, bao gồm các hệ số truyền nhiệt đối lưu và truyền chất theo tiêu chuẩn Sherwood.
  • Khái niệm độ ẩm không thứ nguyên (Moisture Ratio - MR): Được sử dụng để chuẩn hóa dữ liệu độ ẩm theo thời gian, giúp so sánh và xây dựng mô hình động học sấy.
  • Phản ứng nâu hóa và oxy hóa trong quá trình sấy: Giải thích nguyên nhân làm giảm chất lượng sản phẩm khi sử dụng không khí nóng, từ đó lý giải ưu điểm của hơi nước quá nhiệt trong việc hạn chế oxy hóa.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ hệ thống sấy buồng sử dụng hơi nước quá nhiệt tại phòng thí nghiệm khoa Năng lượng Nhiệt, Đại học Bách khoa Hà Nội. Mẫu bơ sáp được cắt lát dày 2 mm, độ ẩm ban đầu khoảng 87,94% ± 3%.
  • Thiết kế thí nghiệm: 20 chế độ sấy với 5 mức nhiệt độ (110, 120, 130, 140, 150°C) và 4 mức tốc độ hơi nước (3, 5, 5.5, 6 m/s). Mỗi chế độ được lặp lại 3 lần để đảm bảo độ tin cậy.
  • Phương pháp phân tích: Đo khối lượng mẫu theo thời gian để tính độ ẩm không thứ nguyên MR, đánh giá màu sắc và hàm lượng phenol bằng phương pháp Folin-Ciocalteu, xác định khả năng chống oxy hóa qua thí nghiệm DPPH. Mô hình thực nghiệm được xây dựng bằng phương pháp hồi quy, mô hình lý thuyết dựa trên phương trình truyền nhiệt và truyền chất kết hợp với định luật Fick.
  • Timeline nghiên cứu: Thí nghiệm và thu thập dữ liệu thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 9/2021 đến đầu năm 2023, bao gồm giai đoạn chuẩn bị mẫu, thiết lập thiết bị, thực hiện thí nghiệm, xử lý số liệu và xây dựng mô hình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của nhiệt độ tác nhân sấy đến thời gian sấy: Khi tăng nhiệt độ từ 110°C lên 150°C, thời gian sấy giảm khoảng 20-30%. Ở nhiệt độ cao (140-150°C), tốc độ bay hơi ẩm tăng mạnh, đường cong MR dốc hơn, quá trình sấy kết thúc nhanh hơn.
  2. Ảnh hưởng của tốc độ hơi nước quá nhiệt: Tốc độ tác nhân sấy càng cao thì tốc độ bay hơi ẩm càng lớn, đặc biệt rõ rệt ở nhiệt độ thấp (110-130°C). Ở nhiệt độ cao, ảnh hưởng của tốc độ hơi nước đến động học sấy giảm đáng kể.
  3. So sánh với sấy không khí nóng truyền thống: Thời gian sấy bằng hơi nước quá nhiệt ngắn hơn từ 25-30% so với không khí nóng ở cùng điều kiện nhiệt độ và tốc độ. Điều này giúp tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí sản xuất.
  4. Chất lượng sản phẩm sau sấy: Hàm lượng phenol trong bơ sấy bằng hơi nước quá nhiệt dao động từ 239 đến 779 mg GAE/100g mẫu khô, cao hơn đáng kể so với phương pháp sấy lạnh. Khả năng loại bỏ gốc tự do (chỉ số DPPH) đạt từ 13% đến gần 54%, cho thấy khả năng chống oxy hóa được bảo toàn tốt.
  5. Mô hình lý thuyết và thực nghiệm: Mô hình dựa trên định luật Fick và phương trình truyền nhiệt-truyền chất mô phỏng chính xác sự biến đổi độ ẩm và nhiệt độ trong vật liệu sấy, phù hợp với số liệu thực nghiệm với sai số nhỏ.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy nhiệt độ tác nhân sấy là yếu tố quyết định tốc độ sấy, trong khi tốc độ hơi nước có ảnh hưởng lớn hơn ở nhiệt độ thấp. Việc sử dụng hơi nước quá nhiệt làm giảm hiện tượng oxy hóa nhờ môi trường không chứa oxy, hạn chế phản ứng nâu hóa, giúp giữ nguyên màu sắc và các hợp chất chống oxy hóa trong bơ. So với sấy không khí nóng, hơi nước quá nhiệt không chỉ rút ngắn thời gian sấy mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm, phù hợp với các sản phẩm nhạy cảm như bơ.

Mô hình lý thuyết xây dựng dựa trên định luật Fick giúp dự đoán chính xác quá trình truyền ẩm và nhiệt trong vật liệu, hỗ trợ thiết kế và tối ưu hóa hệ thống sấy công nghiệp. Các kết quả này tương đồng với các nghiên cứu quốc tế về sấy bằng hơi nước quá nhiệt trên các loại nông sản khác, khẳng định tính ứng dụng rộng rãi của công nghệ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đường cong MR theo thời gian ở các nhiệt độ và tốc độ khác nhau, bảng so sánh hàm lượng phenol và chỉ số chống oxy hóa giữa các phương pháp sấy, cũng như mô hình phân bố nhiệt độ và độ ẩm trong lát bơ.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng công nghệ sấy hơi nước quá nhiệt trong chế biến bơ sấy: Các doanh nghiệp nên đầu tư phát triển hệ thống sấy hơi nước quá nhiệt để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm thời gian và chi phí sấy. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; chủ thể: doanh nghiệp chế biến nông sản.
  2. Tối ưu hóa chế độ sấy: Khuyến nghị sử dụng nhiệt độ tác nhân sấy trong khoảng 130-150°C và tốc độ hơi nước 5-6 m/s để đạt hiệu quả sấy tối ưu, cân bằng giữa tốc độ sấy và bảo toàn chất lượng. Thời gian: áp dụng ngay trong quá trình vận hành.
  3. Phát triển mô hình dự báo quá trình sấy: Áp dụng mô hình lý thuyết xây dựng trong nghiên cứu để thiết kế hệ thống sấy mới, giảm thiểu thử nghiệm thực tế, tiết kiệm chi phí nghiên cứu và phát triển. Thời gian: 6-12 tháng; chủ thể: viện nghiên cứu, trường đại học, doanh nghiệp.
  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo cho kỹ sư, công nhân vận hành về công nghệ sấy hơi nước quá nhiệt, kỹ thuật kiểm soát chất lượng sản phẩm sấy. Thời gian: liên tục; chủ thể: các cơ sở đào tạo, doanh nghiệp.
  5. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng cho các loại nông sản khác: Khuyến khích nghiên cứu áp dụng công nghệ sấy hơi nước quá nhiệt cho các loại quả, rau củ khác nhằm đa dạng hóa sản phẩm và nâng cao giá trị gia tăng. Thời gian: 2-3 năm; chủ thể: viện nghiên cứu, trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Doanh nghiệp chế biến nông sản: Có thể áp dụng công nghệ sấy hơi nước quá nhiệt để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí và tăng lợi nhuận trong sản xuất bột bơ và các sản phẩm sấy khác.
  2. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật nhiệt, công nghệ thực phẩm: Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết, phương pháp thực nghiệm và mô hình toán học hữu ích cho nghiên cứu và phát triển công nghệ sấy.
  3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Tham khảo để xây dựng các chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ bảo quản nông sản tiên tiến, góp phần nâng cao giá trị xuất khẩu và phát triển bền vững ngành nông nghiệp.
  4. Các tổ chức đào tạo kỹ thuật và công nghệ: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy, cập nhật kiến thức mới về công nghệ sấy hiện đại, giúp sinh viên và học viên tiếp cận thực tiễn công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Công nghệ sấy hơi nước quá nhiệt có ưu điểm gì so với sấy không khí nóng?
    Sấy hơi nước quá nhiệt giúp giảm thời gian sấy từ 25-30%, hạn chế oxy hóa và nâu hóa sản phẩm, giữ nguyên màu sắc và hàm lượng chất chống oxy hóa, đồng thời tiết kiệm năng lượng nhờ hệ số truyền nhiệt cao hơn.

  2. Nhiệt độ và tốc độ hơi nước ảnh hưởng thế nào đến quá trình sấy?
    Nhiệt độ tác nhân sấy là yếu tố chính quyết định tốc độ sấy, tăng nhiệt độ giúp rút ngắn thời gian sấy. Tốc độ hơi nước ảnh hưởng lớn ở nhiệt độ thấp, tăng tốc độ giúp tăng cường trao đổi nhiệt và chất, nhưng ở nhiệt độ cao ảnh hưởng giảm.

  3. Mô hình lý thuyết xây dựng trong nghiên cứu có ứng dụng thực tiễn không?
    Mô hình dựa trên định luật Fick và truyền nhiệt-truyền chất giúp dự đoán chính xác quá trình sấy, hỗ trợ thiết kế và tối ưu hệ thống sấy công nghiệp, giảm chi phí thử nghiệm thực tế.

  4. Chất lượng bơ sau khi sấy bằng hơi nước quá nhiệt được đánh giá như thế nào?
    Sản phẩm giữ được hàm lượng phenol cao, khả năng chống oxy hóa tốt, màu sắc tươi sáng hơn so với sấy không khí nóng, phù hợp cho các ứng dụng thực phẩm và mỹ phẩm.

  5. Có thể áp dụng công nghệ này cho các loại nông sản khác không?
    Có, công nghệ sấy hơi nước quá nhiệt đã được nghiên cứu và ứng dụng thành công trên nhiều loại nông sản như khoai tây, cà rốt, chuối, hạt điều, hứa hẹn mở rộng ứng dụng đa dạng trong ngành chế biến thực phẩm.

Kết luận

  • Công nghệ sấy bằng hơi nước quá nhiệt giúp rút ngắn thời gian sấy từ 20-30% so với phương pháp sấy không khí nóng truyền thống, đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm bơ sấy.
  • Nhiệt độ tác nhân sấy là yếu tố quyết định tốc độ sấy, trong khi tốc độ hơi nước ảnh hưởng nhiều ở nhiệt độ thấp.
  • Mô hình lý thuyết dựa trên định luật Fick và truyền nhiệt-truyền chất mô phỏng chính xác quá trình sấy, hỗ trợ thiết kế hệ thống sấy hiệu quả.
  • Sản phẩm bơ sấy giữ được hàm lượng phenol và khả năng chống oxy hóa cao, hạn chế hiện tượng nâu hóa và oxy hóa.
  • Đề xuất ứng dụng công nghệ sấy hơi nước quá nhiệt trong sản xuất bơ sấy và mở rộng nghiên cứu cho các loại nông sản khác nhằm nâng cao giá trị kinh tế và chất lượng sản phẩm.

Hành động tiếp theo: Các doanh nghiệp và viện nghiên cứu nên phối hợp triển khai ứng dụng công nghệ sấy hơi nước quá nhiệt, đồng thời đào tạo nhân lực và tối ưu quy trình sản xuất để phát huy tối đa hiệu quả công nghệ.