CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Sấy là một quá trình công nghệ được sử dụng trong rất nhiều ngành công, nông và lâm nghiệp có thể kể đến như công nghiệp sản xuất giấy, công nghiệp sản xuất xi măng, công nghiệp sản xuất vũ khí quân sự, công nghiệp sản xuất sản phẩm đồ gia dụng, công nghiệp chế biến gỗ,… Đặc biệt trong nông nghiệp, công nghệ sấy nổi lên là một trong những công nghệ bảo quản sau thu hoạch đóng vai trò vô cùng to lớn tới ngành công nghệ thực phẩm. Để đảm bảo chất lượng sản phẩm với mức chi phí năng lượng tối thiểu, trong mỗi loại hệ thống sấy (hệ thống sấy buồng, hệ thống sấy tháp,…), khi thực hiện sấy một loại sản phẩm nhất định cần phải có chế độ sấy thích hợp. Chế độ sấy được hiểu là quy trình tổ chức quá trình trao đổi nhiệt - ẩm giữa tác nhân sấy và vật liệu sấy, độ ẩm trước và sau quá trình sấy của vật liệu sấy, nhiệt độ và độ ẩm của tác nhân sấy vào ra thiết bị cũng như thời gian sấy tương ứng,… Hiện nay việc nghiên cứu phát triển công nghệ sấy được các nhà khoa học quan tâm mạnh mẽ, hầu hết các nghiên cứu thường được triển khai theo hướng nâng cao chất lượng sản phẩm, cải thiện thời gian sấy cũng như giảm chi phí tiêu hao năng lượng.1 Kỹ thuật sấy trong lĩnh vực bảo quản thực phẩm.
Kỹ thuật sấy đóng vai trò vô cùng quan trọng trong dây chuyền sản xuất của nhiều lĩnh vực đặc biệt nổi bật trong ngành công nghiệp chế biến và bảo quản thực phẩm, nông sản sau thu hoạch. Quá trình sấy là quá trình loại bỏ ẩm, chủ yếu là nước và hơi nước ra khỏi vật liệu sấy để thải vào môi trường. Hơi ẩm tồn tại trong vật liệu sấy nhận được năng lượng theo một phương thức nào đó tách khỏi vật liệu sấy và dịch chuyển từ trong lòng vật ra bề mặt và từ bề mặt vào môi trường xung quanh [1]. Sấy có lẽ là một trong những quá trình công nghệ lâu đời nhất, phổ biến nhất và có sức ảnh hưởng to lớn nhất trong ngành công nghiệp chế biến và bảo quản nông sản sau thu hoạch.
Điều này dễ dàng được giải thích bởi kĩ thuật sấy không chỉ là một kĩ thuật đem lại thời gian hiệu quả vượt bậc so với các phương pháp bảo quản khác, mà chúng còn giúp tạo ra hương vị mới lạ cho sản phẩm cũng như giảm thiểu đáng kể chi phí bao bì và vận chuyển; điều này càng được quan tâm mạnh mẽ trong thời kì đại dịch Covid-19 bùng phát và sự phát triển bùng nổ của ngành logistics trong thương mại điện tử. Tuy nhiên ta biết rằng nhiệt ẩn hoá hơi của nước là tương đối cao, do đó đây là một trong những kĩ thuật có mức tiêu thụ năng lượng lớn. Các nghiên cứu khác nhau báo cáo mức tiêu thụ năng lượng quốc gia cho hoạt động sấy khô trong công nghiệp nằm trong khoảng từ 10 – 15% tại Hoa Kỳ, Canada, Pháp và vương quốc Anh. Con số này tăng tới 20 – 25% đối với Đan Mạch và Đức [2].
Sấy là một hoạt động tương đối phức tạp liên quan đến quá trình trao đổi nhiệt - ẩm kết hợp. Ẩm trong vật liệu sấy tồn tại dưới dạng liên kết hoá học lỏng, hiện diện dưới dạng dung dịch lỏng bên trong vật liệu rắn, tạo ra áp suất hơi nhỏ hơn áp suất của lỏng nguyên chất, được gọi là ẩm liên kết. Trong quá trình sấy, hơi ẩm bốc hơi trên bề mặt khuếch tán vào tác nhân sấy do chênh lệch phân áp suất 1 hơi nước giữa bề mặt vật liệu và tác nhân sấy. Quá trình truyền nhiệt truyền chất tại bề mặt chủ yếu dưới hình thức trao đổi nhiệt và trao đổi chất đối lưu, quá trình này diễn ra nhanh hay chậm phụ thuộc vào các biến quá trình trong trao đổi nhiệt và trao đổi chất có thể kể đến như: nhiệt độ và độ ẩm của tác nhân sấy, diện tích bề mặt vật liệu tiếp xúc với tác nhân sấy,… Sau khi ẩm trên bề mặt vật liệu sấy bay hơi hình thành các gradient nhiệt độ, độ ẩm và áp suất dẫn đến hiện tượng dịch chuyển ẩm từ trong lòng sản phẩm ra bên ngoài bề mặt và tiếp tục khuếch tán vào tác nhân sấy.
Quá trình này diễn ra liên tục cho đến khi vật liệu sấy đạt đến trạng thái cân bằng ẩm. Quá trình truyền nhiệt và truyền chất bên trong lòng vật liệu chịu tác động bởi các biến quá trình chẳng hạn như: Đặc tính của sản phẩm (hình dạng và kích thước của sản phẩm, kích thước các hang xốp, độ ẩm, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt, thành phần hoá học,…), đặc tính của tác nhân sấy (nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ,…). Sấy là một trong những phương pháp bảo quản có thời gian thực hiện tương đối lâu. Tốc độ sấy có thể được tăng lên bằng cách giảm độ ẩm tương đối, tăng cường tốc độ và đặc biệt là nhiệt độ của tác nhân sấy.
Việc tăng nhiệt độ tác nhân sấy có tác động mạnh tới tốc độ sấy, tuy nhiên đây cũng chính là yếu tố then chốt ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm sau khi sấy, đặc biệt là trong hệ thống sấy đối lưu không khí nóng. Các yếu tố khác chẳng hạn như hàm lượng oxy, áp suất và thời gian sấy cũng đóng vai trò quan trọng ảnh hưởng tới chất lượng thành phẩm trong một số trường hợp nhất định. Trong các thông số này, nhiệt độ, tốc độ và hàm lượng oxy trong tác nhân sấy có thể được kiểm soát dưới dạng các thông số xử lý để tăng tốc độ sấy, hiệu quả năng lượng và giảm thiểu tổn thất chất lượng trong các thành phẩm khô. Ngoài ra một số tính chất nhiệt vật lý của các sản phẩm thực phẩm, chẳng hạn như hoạt độ nước, hệ số khuếch tán ẩm, cơ chế truyền nhiệt – truyền chất và các vấn đề về hiệu quả tiêu thụ năng lượng cũng rất quan trọng với công đoạn thiết kế một hệ thống sấy thích hợp.
Dựa trên các yếu tố này, nhiều nghiên cứu về kỹ thuật sấy đã và đang phát triển nhằm cải thiện chất lượng sản phẩm song hành cùng với hiệu quả năng lượng cao. Trong lĩnh vực chế biến và bảo quản thực phẩm, công nghệ sấy là một trong những công nghệ bảo quản sau thu hoạch cho thời gian kéo dài tốt nhất hiện nay nhằm mục đích giảm hoạt độ nước xuống mức tối thiểu giúp ức chế sự phát triển của các vi sinh vật, phản ứng của các enzyme và các phản ứng gây hư hại khác cho thực phẩm. Bên cạnh tác dụng kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm nông sản, kỹ thuật sấy còn giúp giảm thiểu lượng lớn chi phí bao bì và vận chuyển, tiết kiệm không gian lưu trữ và cho phép khả năng lưu trữ sản phẩm dưới nhiệt độ môi trường tự nhiên. Ngoài ra, việc khử ẩm giúp nồng độ chất dinh dưỡng trong sản phẩm tăng lên đáng kể so với sản phẩm tươi.
Thành phẩm sau quá trình sấy cần được đảm bảo các chỉ tiêu về chất lượng liên quan đến an toàn vệ sinh thực phẩm, thành phần dinh dưỡng, các cảm quan về màu sắc và hương vị. Tuỳ vào điều kiện sấy của từng loại sản phẩm khác nhau mà mức độ suy giảm chất lượng cũng sẽ khác nhau. Các loại thực phẩm chẳng hạn như các loại rau củ quả có chứa các thành phần chủ yếu như: nước, carbohydrate và protein. Các hợp chất này dễ dàng 2 bị biến đổi khi tiến hành sấy ở nhiệt độ cao; điều này ảnh hưởng không nhỏ tới giá trị của thành phẩm sau khi sấy.
Hiện nay, các hệ thống sấy thực phẩm phổ biến trong công nghiệp chủ yếu hoạt động theo phương pháp sấy nóng. Cơ sở của phương pháp này là tác nhân sấy được đốt nóng dẫn tới độ ẩm tương đối giảm kéo theo phân áp suất hơi nước giảm. Vật liệu sấy nhận nhiệt trực tiếp từ tác nhân sấy thông qua hình thức trao đổi nhiệt đối lưu làm tăng nhiệt độ của vật. Điều này làm tăng áp suất hơi nước bên trong và trên bề mặt của vật liệu.
Khi đó, hiệu số phân áp suất hơi nước của tác nhân sấy và phân áp suất của hơi nước trong và trên bề mặt vật liệu sấy, dẫn đến hiện tượng dịch chuyển ẩm từ trong lòng vật liệu ra bề mặt và khuếch tán vào môi trường xung quanh. Các phương pháp sấy nóng phổ biến có thể kể đến bao gồm: phương pháp sấy đổi lưu không khí nóng, phương pháp sấy tiếp xúc, phương pháp sấy bức xạ và một số phương pháp sấy đặc thù khác. Hiện nay các công nghệ sấy nóng đã có những bước phát triển mạnh mẽ. Nhiều nghiên cứu khác nhau sử dụng tích hợp phương pháp sấy nóng truyền thống với các công nghệ khác nhau đã có những thành quả nhằm giảm thời gian sấy của sản phẩm.
Là một trong những phương pháp bảo quản đơn giản và nhanh chóng, tuy nhiên chúng lại gây ra tác động không nhỏ tới chất lượng sản phẩm sau chế biến, đặc biệt là các sản phẩm nhạy cảm với nhiệt độ cao. Đối với những sản phẩm nông sản có giá trị kinh tế cao, đòi hỏi yêu cầu khắt khe về chất lượng thành phẩm sau khi sấy, các kỹ thuật sấy ở nhiệt độ thấp và cực thấp như công nghệ sấy lạnh, sấy thăng hoa hay sấy chân không được sử dụng để ngăn chặn sự suy thoái của các hợp chất nhạy cảm về nhiệt. Mặc dù các kỹ thuật sấy lạnh giữ được hầu hết các thành phần dinh dưỡng, màu sắc, và hương thơm của sản phẩm khô, tuy nhiên đây là những kĩ thuật có thời gian sấy tương đối lâu, tiêu hao năng lượng cũng như chi phí đầu tư lớn hơn rất nhiều so với phương pháp sấy nóng. Chính vì lý do trên, việc nghiên cứu các kỹ thuật sấy thay thế để tăng hiệu quả năng lượng, chất lượng sản phẩm và giảm thời gian sấy là yếu tố cấp bách cần được quan tâm mạnh mẽ đặc biệt trong giai đoạn khủng hoảng năng lượng toàn cầu trong những năm gần đây.2 Quá trình sấy trong môi trường hơi nước quá nhiệt Chất lượng sản phẩm sau khi sấy đóng vai trò then chốt trong kỹ thuật sấy khô nhằm tăng sức hấp dẫn của chúng đối với người tiêu dùng, trong đó màu sắc của sản phẩm khô là một trong những yếu tố quan trọng mang tính thương mại.
Sự nâu hoá của sản phẩm trong quá trình sấy có thể xảy ra bởi các phản ứng enzym và nonenzymic (Maillard), thường làm giảm giá trị của sản phẩm do những thay đổi liên quan về màu sắc, hương vị, kết cấu và thành phần dinh dưỡng.