Nghiên cứu quá trình sấy tôm bằng phương pháp sấy chân không vi sóng

115 Tạp chí Khoa học Công nghệ Nông nghiệp Việt Nam - Số 4(89)/2018 NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH SẤY TÔM BẰNG PHƯƠNG PHÁP SẤY CHÂN KHÔNG VI SÓNG Trần Tấn Hậu1, Nguyễn Ngọc Hoàng1, Đặng Minh Tâm1, Dương Thị Tú Anh1 TÓM TẮT Nghiên cứu phương pháp chân không - vi sóng để sấy tôm với mức năng lượng vi sóng 300 ÷ 500 W, áp suất chân không 60 ÷ 120 mbar được chia làm 11 thí nghiệm. Dữ liệu được phân tích từ những giây đầu tiên của quá trình sấy để xác định được giá trị khuếch tán, đường cong động học quá trình sấy và đánh giá chất lượng thành phẩm. Mô hình toán học được sử dụng trong nghiên cứu là mô hình Lewis. Kết quả sấy chân không vi sóng ứng với các điều kiện sấy ở 471 W và 69 mbar cho chất lượng, màu sắc, hình dạng, thời gian sấy ưu việt hơn so với các phương pháp sấy khác. Hệ số khuếch tán ẩm từ 1,20 ˟ 10-7 đến 9,69 ˟ 10-8 (m2/s), phương trình hồi quy mô tả ảnh hưởng của áp suất chân không và công suất phát vi sóng đến thời gian sấy của tôm là: t = –8601 + 9379.10-4Pck + 3222.10-4MW – 38.10-4Pck2 – 6 .10-4Pck.MW – 3.10-4MW2. Từ khóa: Sấy chân không vi sóng, sấy tôm, sấy chân không 1 Viện Lúa Đồng bằng sông Cửu Long I. ĐẶT VẤN ĐỀ Tôm được nuôi phổ biến tại Việt Nam, sản lượng nuôi trồng năm 2015 đạt 628,2 ngàn tấn với 691,8 nghìn ha (Tổng cục Thống kê, 2015). Tôm không những có giá trị kinh tế cao là mặt hàng xuất khẩu lớn mà còn vì chất lượng. Tôm là loại thực phẩm có giá trị dinh dưỡng, chứa nhiều chất đạm, các vitamin và nguyên tố vi lượng, tôm tươi thường được sử dụng trong thực đơn gia đình thì tôm khô vẫn là món ăn ưa thích lâu đời của người dùng Việt và trên thế giới, do đó cần phải được quan tâm đầu tư đúng mức. Một số công nghệ sấy tôm đã được nghiên cứu và ứng dụng như sấy bằng sấy chân không, sấy lạnh, sấy năng lượng mặt trời, sấy thăng hoa đã thể hiện được những ưu điểm nhất định (Nguyễn Văn Lụa, 2014). Tuy nhiên, còn một số hạn chế về màu sắc và chất lượng dinh dưỡng, thời gian và chi phí năng lượng. Ngoài việc phải giữ cho sản phẩm lâu hư thì việc duy trì chất lượng cảm quan cũng như chất dinh dưỡng cũng rất cần thiết, đòi hỏi phải sử dụng một phương pháp sấy tiên tiến hơn. Một trong những phương pháp được nhắc đến trong nghiên cứu này chính là phương pháp sấy bằng công nghệ chân không vi sóng (Trần Tấn Hậu, 2014). II. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Vật liệu nghiên cứu Nguyên liệu được chọn làm thí nghiệm trong thí nghiệm này là tôm sú, có kích cỡ 40 ÷ 50 con/kg, kích cỡ tương đối đồng đều không bị dị tật, vỏ bóng, trơn nhằm hạn chế những biến đổi của các yếu tố bên ngoài ảnh hưởng đến thí nghiệm. Tôm được rửa sạch dưới vòi nước để loại bỏ các tạp chất, bỏ đầu, bỏ vỏ và làm sạch. Độ ẩm ban đầu trung bình của tôm là 81±1%. 2.2. Phương pháp nghiên cứu Thiết bị được sử dụng trong nghiên cứu là thiết bị sấy chân không vi sóng mWaveVac0150-lc (Püschner - Đức) tần số phát vi sóng 2450 MHz, các mẫu thí nghiệm được đưa vào bàn quay có loadcell, quá trình sấy chân không vi sóng được thông qua màn hình điều khiển PLC. Hình 1. Máy sấy chân không vi sóng mWaveVac0150-lc 116 Tạp chí Khoa học Công nghệ Nông nghiệp Việt Nam - Số 4(89)/2018 Chọn mẫu thí nghiệm: Tôm sú được chọn ngẫu nhiên 3 con trên mẻ (khối lượng khoảng 59 ± 1 g/mẻ) và được lặp lại 9 lần để xác định các điều kiện biên của cường độ phát vi sóng và áp suất chân không ảnh hưởng đến quá trình sấy. Sau khi đã xác định được các điều kiện biên thí nghiệm tiến hành sấy chân không vi sóng trong khoảng điều kiện giới hạn. Số thí nghiệm tổng cộng là: N = 2k + 2*k + n0 = 11 thí nghiệm, dựa theo thành phần điểm trung tâm theo mô hình của Jean-Jacques and Cmille (2004). Đánh giá cảm quan: Sản phẩm được đánh giá về màu sắc, mùi vị, hình dạng, cấu trúc theo thang điểm từ 1 đến 5, trong đó 5 là giá trị tốt nhất theo phương pháp phân tích định lượng mô tả QDA (Quantitative Descriptive Analysis). Mô hình được sử dụng trong thí nghiệm là mô hình Lewis MR = exp(-kt) (Roberts et al., 2008) để mô tả đường cong sấy khô của tôm. Để xác định sự phù hợp của mô hình, hệ số xác định (R2) là tiêu chí chính để lựa chọn mô tả đường cong sấy mẫu. Trong đó: MRpre: tỉ lệ ẩm dự báo; MRexp: tỉ lệ ẩm thực nghiệm; N: số điểm dữ liệu thử nghiệm; Z: hằng số trong mô hình. Sự khuếch tán của nước trên bề mặt vật liệu ra bên ngoài trong suốt quá trình sấy được xác định dựa vào định luật Fick’s thứ 2 (Crank, 1975): Trong đó: M: khối lượng riêng, [kg/m3 ]; x: khoảng cách, [m]. Hệ số khuếch tán được xác định bằng cách vẽ đồ thị giữa dữ liệu về ln(MR) so với thời gian sấy (t) vì kết quả cung cấp cho một đường thẳng có độ dốc (K) như sau: Tất cả các số liệu thí nghiệm được thực hiện trong ba lần lặp lại. Sử dụng phần mềm Statgraphics để phân tích số liệu thu thập được với mức ý nghĩa là 95%. 2.3. Thời gian và địa điểm nghiên cứu Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 6 đến tháng 10/2014 tại Phòng thí nghiệm Máy và Thiết bị Chế biến Lương thực - Thực phẩm, Bộ môn Kỹ thuật Cơ khí, Khoa Công nghệ, Trường Đại học Cần Thơ. III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Đường cong sấy Tỷ lệ độ ẩm theo thời gian sấy với tôm sú ở các mức năng lượng vi sóng và áp suất chân không được thể hiện trong hình 2. Các mẫu thí nghiệm có cùng áp suất chân không và khác nhau về công suất phát vi sóng: cường độ vi sóng cao như mẫu 2, mẫu 8, thời gian sấy 12 phút; cường độ vi sóng thấp hơn như mẫu 7, mẫu 10 thì thời gian sấy 22 phút. Đồng thời thí nghiệm ngược lại: có cùng công suất phát vi sóng và khác nhau về áp suất chân không gồm mẫu 1, mẫu 6, mẫu 9 và mẫu 5 mẫu 7. Như vậy, tốc độ sấy tôm diễn ra rất nhanh và trong một phạm vi nhất định ảnh hưởng áp suất chân không có tác động thấp, hầu như không đáng kể. Hình 2. Sự thay đổi ẩm độ theo thời gian sấy 2 , exp, 2 1 2 , exp, 1 ( ) 1 ( ) N pre i i i N pre i i i MR MR R MR MR = = − = − − ∑ ∑ 2 24 effDK L π = 2 2 2eff eff M M D M D t x ∂ ∂ = ∇ = ∂ ∂ 117 Tạp chí Khoa học Công nghệ Nông nghiệp Việt Nam - Số 4(89)/2018 3.2. Đường cong tốc độ sấy Đánh giá sự tác động của công suất phát vi sóng và áp suất chân không đến tốc độ thoát ẩm của nguyên liệu, thí nghiệm cùng áp suất chân không, thay đổi công suất phát vi sóng và ngược lại. Độ ẩm trung bình còn lại của sản phẩm đạt 8,5%. Biểu đồ cho thấy rằng công suất phát vi sóng tác động nhiều đến quá trình sấy, đồng thời nhận thấy áp suất chân không tác động không lớn đến tốc độ thoát ẩm giữa các mẫu thí nghiệm. 3.3. Giá trị cảm quan Thang điểm đánh giá từ 1 đến 5, trong đó 5 là giá trị tốt nhất, để đánh giá cảm quan về màu sắc, hình dạng, vị và cấu trúc giữa các thành phẩm. Từ biểu đồ hình 4 cho thấy mẫu 8 cho giá trị cảm quan tốt nhất về màu sắc, vị, hình dạng, cấu trúc. Mẫu 8 được đánh giá ở tất cả các chỉ tiêu với thang điểm cao nhất là 5 ứng với màu sắc có màu đỏ tươi không có màu sậm, vị ngọt hài hòa của tôm sấy, hình dạng biến đổi ít so với mẫu và cấu trúc có độ dẻo dai hài hòa. Hình 4. Giá trị cảm quan của các mẫu tôm 3.4. Hệ số khuếch tán ẩm của quá trình sấy tôm Kết quả bảng 1 cho thấy hệ số khuếch tán ẩm của các mẫu sấy chân không vi sóng cao hơn so với các phương pháp sấy khác. Đối với quá trình sấy chân không vi sóng, hệ số khuếch tán ẩm của 11 mẫu thí nghiệm dao động từ 1,20 ˟ 10-7 đến 9,69 ˟ 10-8 (m2/s), trong khi sấy chân không là 2,00 ˟ 10-9 (m2/s) và sấy đối lưu là 1,00 ˟ 10-9 (m2/s). Bảng 1. Kết quả phân tích thống kê trên mô hình các giá trị K, Deff, R2 của tôm sấy Ghi chú: mẫu 1 - 11 sấy chân không vi sóng, mẫu 12 sấy chân không (70 mbar, 60 oC) và mẫu 13 sấy đối lưu (60 oC). Hình 3. Đường cong tốc độ sấy của tôm 0 20 40 Độ giảm ẩm (%) 60 80 100 Mẫu Pck (mbar) MW (W) t (oC) K (1/s) Deff (m2/s) R 2 1 120 400 0,004988 7,28 ˟ 10-8 0,94 2 90 500 0,008218 1,20 ˟ 10-7 0,99 3 90 400 0,005243 7,65 ˟ 10-8 0,98 4 111 471 0,014568 2,12 ˟ 10-7 0,98 5 111 329 0,005092 7,44 ˟ 10-8 0,99 6 90 400 0,006632 9,69 ˟ 10-8 0,98 7 69 329 0,005970 8,72 ˟ 10-8 0,99 8 69 471 0,010248 1,50 ˟ 10-7 0,94 9 60 400 0,009823 1,43 ˟ 10-7 0,94 10 90 300 0,004475 6,54 ˟ 10-8 0,99 11 90 400 0,004473 6,53 ˟ 10-8 0,96 12 70 60 0,000100 2,00 ˟ 10-9 0,96 13 60 0,000090 1,00 ˟ 10-9 0,93 118 Tạp chí Khoa học Công nghệ Nông nghiệp Việt Nam - Số 4(89)/2018 Hình 5. Quan hệ giữa các giá trị Thời gian – Pck – MW Hình 6. Tốc độ sấy chân không vi sóng sấy chân không và sấy đối lưu Hình 7. Thang điểm cảm quan của sấy chân không vi sóng, sấy chân không và sấy đối lưu a) Biểu đồ tiêu chuẩn Pareto c) Biểu đồ sự tương tác của Pck và MW với thời gian b) Biểu đồ tác động chính của Pck và MW đến thời gian sấy d) Đồ thị bề mặt đáp ứng Hệ số khuếch tán (Deff) tăng lên khi tăng cường độ phát vi sóng. Điều này có thể được giải thích bởi năng lượng nhiệt tăng sẽ làm tăng hoạt động của các phân tử nước dẫn đến hệ số khuếch tán ẩm cao hơn khi mẫu thí nghiệm được sấy khô ở mức năng lượng vi sóng cao hơn. Phương trình hồi quy mô tả ảnh hưởng của áp suất chân không và công suất phát vi sóng tác động đến thời gian sấy của tôm: t = –8601 + 9379.10-4Pck + 3222.10-4MW – 38.10-4Pck2 – 6 .10-4Pck.MW – 3.10-4MW2 3.5. So sánh sấy vi sóng chân không với phương pháp sấy khác Trong giới hạn nghiên cứu chỉ so sánh vận tốc sấy, giá trị cảm quan, cấu trúc của phương pháp sấy chân không vi sóng (69 mbar, 471 W) với sấy chân không (70 mbar, 60 oC) và đối lưu (60 oC) với cùng sản phẩm tôm sú. Quá trình sấy chân không vi sóng mất khoảng 12 phút trong khi đó quá trình sấy đối lưu mất 990 phút (16 giờ 30 phút) và phương pháp sấy chân không mất khoảng 600 phút (10 giờ). Như vậy, tốc độ sấy chân không vi sóng có thời gian sấy nhanh gấp 83 lần so với sấy đối lưu và nhanh gần 50 lần so với sấy chân không (Trần Tấn Hậu, 2014). Biểu đồ hình 7 cho thấy rằng trong các phương pháp sấy với giá trị cảm quan (thang đo từ 1 đến 5) về màu sắc, hình dạng và cấu trúc của phương pháp sấy chân không vi sóng tốt hơn rất nhiều so với hai phương pháp còn lại. Thành phẩm sấy bằng chân không vi sóng có màu đỏ tươi tự nhiên, tỉ lệ co ngót thấp (Trần Tấn Hậu, 2014). Thành phẩm sấy chân không vi sóng cho độ rỗng lớn hơn, các liên kết giữa các mô cơ với nhau bị trương nở tạo cấu trúc tơi xốp do vậy mà thời gian sấy sản phẩm là rất ngắn và khả năng ngậm nước lại là rất lớn so với các phương pháp sấy khác. IV. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 4.1. Kết luận - Nghiên cứu sấy tôm bằng phương pháp sấy chân không vi sóng xác định được hệ số khuếch tán ẩm thu được theo định luật Fick’s thứ hai dao động từ 1,20 ˟ 10-7 đến 9,69 ˟ 10-8 (m2/s); năng lượng vi sóng ưu việt với tôm sú ở 471 W, áp suất chân không 69 mbar; xác định được phương trình hồi quy mô tả ảnh hưởng của áp suất chân không và công suất phát vi sóng tác động đến thời gian sấy tôm. 119 Tạp chí Khoa học Công nghệ Nông nghiệp Việt Nam - Số 4(89)/2018 - Sấy chân không vi sóng có thời gian sấy rất ngắn, thời gian sấy phụ thuộc vào công suất phát vi sóng còn áp suất chân không có tác động không đáng kể. Thành phẩm sấy bằng phương pháp chân không vi sóng vượt trội hơn về màu sắc, vị, hình dạng và cấu trúc so với các phương pháp sấy đối lưu và chân không. 4.2. Đề nghị - Nghiên cứu công nghệ sấy chân không vi sóng trên một số sản phẩm thực phẩm có giá trị cao ở Đồng bằng sông Cửu Long ứng với các kích thước mẫu khác nhau để đánh giá khả năng ứng dụng so với các phương pháp sấy khác. - Nghiên cứu, xác định các mô hình toán của Lewis, Page, Henderson and Pabis và tìm ra mô hình toán phù hợp nhất cho từng loại sản phẩm trong quá trình sấy chân không vi sóng. TÀI LIỆU THAM KHẢO Trần Tấn Hậu, 2014. Nghiên cứu động học và đánh giá phương pháp sấy chân không vi sóng một số loại thực phẩm. Luận văn thạc sĩ. Trường Đại học Cần Thơ. Nguyễn Văn Lụa, 2014. Quá trình và thiết bị công nghệ hóa học và thực phẩm. Tập 7: Kỹ thuật sấy vật liệu. Nhà xuất bản Đại học quốc gia TP. Hồ Chí Minh. 252 trang. Tổng cục Thống kê, 2015. Thông cáo báo chí về tình hình kinh tế xã hội năm 2015. Web: Crank, J., 1975. The Mathematics of Diffusion. Second Edition, Claredon Press. Printed in great Britain by J.W. Arrowsmith LTD., Bristol. England. 414 pp. Roberts J.S, Kidd D.R and Padilla-Zakour O., 2008. Drying kinetics of grape seeds. Journal of Food Engineering, 89: 460-465. Jean – Jacques D., D. Cmille, 2004. Techniques Mathématiques Pour L’ Industrie agoalementceire. Edition TEC & DOC. Paris. 501 pp. Study on shrimp drying process by using microwave vacuum Tran Tan Hau, Nguyen Ngoc Hoang, Dang Minh Tam, Duong Thi Tu Anh Abstract The study on shrimp drying process by using microwave vacuum method carried out at microwave power of 300 ÷ 500 W, vacuum pressure of 60 ÷ 120 mbar. The experiment was divided into 11 treatments with different parameters. The data were collected and analyzed from the first seconds of the drying process to determine the value of diffusion, kinetic curves of drying and organoleptic quality of the product. Mathematical models used in this research was Lewis model. The results showed that the shrimp samples had better quality, color, shape, texture and superior drying time when drying by microwave vacuum at 471 W and 69 mbar than other drying methods. The moisture diffusion coefficient varied from 1.20 ˟ 10-7 to 9.69 ˟ 10-8 (m2/s); the regression equation described the influence of vacuum pressure and microwave power output on shrimp drying time as t = –8601 + 9379.10-4Pck + 3222.10-4MW – 38.10-4Pck2 – 6 .10-4Pck.MW – 3.10-4MW2. Keywords: Microwave vacuum, shrimp drying, vacuum drying Ngày nhận bài: 6/3/2018 Ngày phản biện: 14/3/2018 Người phản biện: TS. Trần Minh Phú Ngày duyệt đăng: 16/4/2018