QUÁ TRÌNH LẠNH ĐÔNG ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM SẤY THĂNG HOA

CÔNG NGHỆ LẠNH ĐÔNG

Quá trình lạnh đông sản phẩm là quá trình làm giảm nhiệt độ sản phẩm dưới nhiệt độ kết tinh (t_kt) của ẩm trong sản phẩm, làm cho nước trong sản phẩm kết tinh (đông đá), hay nước từ pha lỏng chuyển sang pha rắn. Nhiệt độ kết tinh của nước nguyên chất là T_kt = 0^oC, còn nước trong sản phẩm dưới T_kt ( < T_kt = 0^oC), thường từ T_kt = -0,5^oC đến -2,5^oC từ thuộc vào loại sản phẩm, là do chúng không phải nguyên chất mà ở dạng dung dịch (trong dịch bào), ở dạng liên kết với cấu trúc hữu cơ của sản phẩm ở các dạng cơ, hóa, lý.

Quá trình này nhiệt độ bề mặt giảm xuống trước, nhiệt độ tâm giảm xuống sau, lý do là do bề mặt sản phẩm tiếp xúc trực tiếp với môi trường có nhiệt độ thấp, đó là nhiệt độ môi trường lạnh đông.

Đối với, công nghệ lạnh đông dùng để bảo quản yêu cầu ẩm trong sản phẩm kết tinh trên 86%, khi đó làm mất môi trường sống của vi sinh vật, đồng thời ẩm trong vi sinh vật cũng bị kết tinh, giãn nở thế tích dẫn đến làm rách màng tế bào, phá vỡ cấu trúc vi sinh vật, làm vi sinh vật bị giết chết. Vì thế, sản phẩm lạnh đông sẽ kéo dài được thời gian bảo quản.

Khác với lạnh đông để bảo quản, lạnh đông (giai đoạn 1) dùng để sấy thăng hoa, yêu cầu lượng toàn bộ ẩm trong sản phẩm phải được kết tinh hoàn toàn (ω(T_Fopt) = 1 hay 100%), tại nhiệt độ lạnh đông của sản phẩm để ẩm kết tinh hoàn toàn được gọi là nhiệt độ lạnh đông thích hợp (T_Fopt). Nếu lượng ẩm kết tinh ít (dưới 100%), dẫn đến thời gian sấy thăng hoa bị rút ngắn, thời gian sấy chân không nhiệt độ thấp sẽ kéo dài và tiêu tốn nhiều năng lượng, đồng thời làm cho sản phẩm bị co rút và nứt nẻ bề mặt, không tạo được độ xốp, sản phẩm bị biến tính và khó hoàn nguyên trở lại, chất lượng sản phẩm giảm. Như vậy, dễ dàng thấy rằng, quá trình lạnh đông sản phẩm dùng để sấy thăng hoa là giai đoạn rất quan trọng nó quyết định đến chất lượng và chi phí năng lượng của sản phẩm sau lạnh đông và sau khi sấy thăng hoa.

Về mặt lý thuyết khi nhiệt độ tâm sản phẩm đạt tới nhiệt độ kết tinh của ẩm trong sản phẩm là T_kt thì nước sẽ kết tinh hoàn toàn. Tuy nhiên, thực tế không phải là như vậy, vì nước trong sản phẩm không phải là nguyên chất mà ở dạng dung dịch, khi kết tinh nước sẽ tách ra làm nông độ dung dịch tăng dẫn đến nhiệt độ kết tinh giảm. Vì thế, khi nhiệt độ tâm của sản phẩm T_kt = (-10 đến -28)^oC thì nước mới kết tinh hoàn toàn (tùy thuộc vào từng loại sản phẩm)

Bảng 1. Nhiệt độ kết tinh của một số vật liệu đã được nghiên cứu & công bố

Chú ý: Ở những vùng vật liệu khác nhau thì số liệu này cũng có thể bị thay đổi.

TẠI SAO PHẢI XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ LẠNH ĐÔNG TỐI ƯU?

Xưa này cứ nghĩ thăng hoa là đưa sản phẩm vào cấp đông sau đó đưa sản phẩm vào môi trường chân không dưới điểm ba thể O(0,0098⁰C; 4,58mmHg) để sấy thăng hoa là xong, cứ thấy người ta sấy thăng hoa là mình bắt chước sấy thăng hoa mà không biết lạnh đông tới nhiệt độ nào là đạt để sấy thăng hoa?

Nếu nhiệt độ lạnh đông của sản phẩm chưa đạt tới nhiệt độ lạnh đông thích hợp thì nước trong sản phẩm không kết tinh hết, khi sấy thăng hoa thì phần nước kết tinh sẽ được thăng hoa, phần nước chưa kết tinh phải sấy chân không nhiệt độ thấp, dẫn đến ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm & chi phí năng lượng.

Nếu nhiệt độ lạnh đông của sản phẩm đạt tới nhiệt độ âm sâu dưới nhiệt độ lạnh đông thích hợp thì nước trong sản phẩm sẽ kết tinh hết hoàn toàn, nhưng làm chi phí năng lượng cho quá trình lạnh đông tăng, dẫn đến giá thành sản phẩm tăng gây khó khăn cho quá trình thương mại.

Vì thế, việc xác định nhiệt độ lạnh đông sản phẩm thích hợp (tối ưu) để nước trong sản phẩm bắt đầu kết tinh hoàn toàn (ω(T_Fopt) = 1 hay 100%) là vô cùng quan trọng. Để khi tiến hành lạnh đông dừng hệ thống lạnh đúng lúc tiết kiệm được năng lượng, quyết định đến chất lượng sản phẩm sau khi sấy thăng hoa.

Phương pháp xác định nhiệt độ lạnh đông tối ưu thông qua việc xác định tỉ lệ nước đóng băng theo nhiệt độ lạnh đông của sản phẩm lạnh đông có thể tham khảo cuốn sách tiếng anh: "The method to determine the rate of freezing water inside product of the freezing process" của tác giả Nguyen Tan Dzung đã nghiên cứu từ năm 2007-2015, và đã được xuất bản tại Đức "LAP Lambert Academic Publishing German" vào ngày 18.03.2015. Có thể truy cập vào website: https://www.lap-publishing.com/catalog/details/store/cn/book/978-3-659-49568-7/the-method-to-determine-the-rate-of-freezing-water-inside-product?search=Nguyen+Tan+Dzung

LẠNH ĐÔNG CHẬM, NHANH HAY SIÊU NHANH ẢNH HƯỞNG ĐẾN CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM SAU KHI SẤY THĂNG HOA

Sự biến đổi các chất dinh dưỡng của sản phẩm trong quá trình lạnh đông dùng để sấy thăng hoa diễn ra khá phức tạp, nó không chỉ phụ thuộc vào sự thay đổi các tính chất hóa lý của ẩm, kích thước của các tinh thể ẩm kết tinh tạo thành mà còn phụ thuộc vào tốc độ làm lạnh đông.

Khi lạnh đông chậm

Là do nhiệt độ môi trường lạnh đông giảm xuống chậm và rất chậm, đạt tới -35^oC đến -30^oC trong khoảng thời gian (4-6)h, tốc độ giảm nhiệt độ đạt tới nhiệt độ kết tinh (T_kt) tính theo bề dày của sản phẩm khoảng (0,2 - 0,5)cm/h, các mầm tinh thể nước đá hình thành từ từ, chúng đủ thời gian để lôi kéo & kết hợp lại với nhau trong môi trường di thể để tạo thành các mầm tinh thể có kích thước lớn hơn, làm giảm diện tích bề mặt, giảm năng lượng của hệ, đưa hệ đến trạng thái cân bằng bền. Khi đó các tinh thể nước đá tạo thành có kích thước lớn, sẽ làm rách màng tế bào, phá vỡ cấu trúc tế bào, tạo ra các lỗ ở màng tế bào lớn dễ thoát ẩm. Khi nước đá thăng hoa chuyển pha từ rắn sang hơi lôi cuốn theo thành phần dinh dưỡng trong dịch bào dễ bay hơi theo, làm chất lượng sản phẩm giảm. Bên cạnh đó cấu trúc protein (do nước tách ra để kết tinh) của sản phẩm, dẫn đến biến tính protein. Như vậy, nó sẽ ảnh hưởng đến khả năng hút nước và giữ nước sau này của protein làm thay đổi một số tính chất sinh hóa quan trọng của sản phẩm, làm giảm chất lượng của sản phẩm. Tuy nhiên, lỗ tế bào lớn do rách sẽ làm giảm áp suất thẩm thấu của tế bào, làm tăng khả năng thoát ẩm, có thể rút ngắn được thời gian sấy thăng hoa.

(1) - Đường lạnh đông chậm & rất chậm; (2) - Đường lạnh đông nhanh; (3) - Đường lạnh đông cực nhanh (siêu nhanh hay tức thời)

Khi lạnh đông nhanh hoặc siêu nhanh (cực nhanh)

Nhiệt độ môi trường lạnh đông sản phẩm giảm rất nhanh dưới -45^oC hoặc dưới -50^oC trong vòng (5 - 10)phút, tốc độ giảm nhiệt độ đạt tới nhiệt độ kết tinh (T_kt) tính theo bề dày của sản phẩm đối với lạnh đông nhanh khoảng (1,5 - 3,0)cm/h, khi đó nhiệt độ sản phẩm giảm nhanh & rất nhanh, đối với lạnh đông siêu nhanh khoảng (3,0 - 5,0)cm/h, với tốc độ này thì các mầm tinh thể tạo thành đồng loạt, đồng thời không còn môi trường di thể để lôi kéo, kết hợp. Như vậy, không thể tạo được mầm tinh thể lớn. Kết quả, ẩm trong sản phẩm sẽ kết tinh đồng loạt tại chỗ (dạng vô định hình), các tinh thể nước đá tạo thành có kích thước nhỏ & rất nhỏ, không làm phá vỡ tế bào, không làm rách màng tế bào, không phá vỡ cấu trúc protein, làm cấu trúc sản phẩm ổn định, các tính chất sinh hóa của sản phẩm được bảo toàn. Chất lượng sản phẩm được bảo toàn. Tuy nhiên, khả năng thoát ẩm chậm, có thể kéo dài thời gian sấy. Mặt khác, quá trình lạnh đông thực phẩm được tiến hành càng nhanh càng tốt ở môi trường có nhiệt độ âm sâu (dưới -50⁰C), nhưng khi đó dễ xảy ra hiện tượng cháy lạnh ở bề mặt của sản phẩm, dẫn đến sản phẩm bị biến tính khó hoàn nguyên trở lại trạng thái ban đầu, làm giảm chất lượng sản phẩm. Vì thế, việc lạnh đông nhanh cũng cần phải có những nghiên cứu tìm ra chế độ công nghệ tối ưu trước khi tiến hành quá trình sấy.

CÁC PHƯƠNG PHÁP LẠNH ĐÔNG

Lạnh đông gián tiếp

Thường sử dụng tác nhân không khí lạnh đối lưu tự nhiên hay cưỡng bức (truyền nhiệt đối lưu) hạ thấp nhiệt độ môi trường lạnh đông xuống -40^oC đến -45^oC để làm lạnh đông sản phẩm. Nếu lạnh đông chậm không khí đối lưu tự nhiên, còn lạnh đông nhanh (giống IQF) thì không khí đối lưu cưỡng bức. Ngoài ra, chúng ta cũng có thể sử dụng hỗn hợp nước muối, hoặc chất tải lạnh khác cũng được nhưng phải thân thiện với môi trường, thực phẩm & con người.

Lạnh đông trực tiếp

Thường sữ dụng các tủ đông tiếp xúc, sản phẩm được đặt trong các khay và được kẹp giữa các tấm lắc cấp đông, bên trong các tấm lắc rỗng có môi chất làm lạnh chảy qua, nhiệt độ bay hơi -45^oC đến -50^oC. Phương pháp này làm lạnh chủ yến là dẫn truyền, tốc độ làm lạnh tương đối nhanh. Ngoài ra, phương pháp lạnh đông trực tiếp cũng có thể sử dụng chất tải lạnh là nitơ lỏng có nhiệt độ bay hơi rất thấp -196^oC, tốc độ lạnh đông cực nhanh, thời gian chỉ kéo dài (5- 10) phút, giá thành rất cao nên không sử dụng cho các loại thực phẩm thông thường mà sử dụng cho các loại sản phẩm cao cấp có gia trị kinh tế cao.

MỘT SỐ CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU VỀ LẠNH ĐÔNG DÙNG TRONG BẢO QUẢN HOẶC SẤY THĂNG HOA ĐÃ CÔNG BỐ TRONG NƯỚC VÀ QUỐC TẾ

1) Nguyễn Tấn Dũng, Quá trình và Thiết bị trong CNHH&TP, Công nghệ lạnh ứng dụng trong thực phẩm, NXB ĐHQG Tp.HCM, 2016. https://sachweb.com/sach-giao-trinh-m4/sach-truong-dai-hoc-su-pham-ky-thuat-tphcm-64/sach-qua-trinh-va-thiet-bi-cong-nghe-hoa-hoc-va-thuc-pham-cong-nghe-lanh-ung-dung-trong-thuc-pham-sach-chuyen-khao-e2209/

2) Nguyen Tan Dzung., (2014). Building the Method and the Mathematical Model to Determine the Rate of Freezing Water inside Royal Jelly in the Freezing Process.  Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology, 7(2): 403-412. Indexed In: ISI Thomson. http://maxwellsci.com/print/rjaset/v7-403-412.pdf

3) Nguyen Tan Dzung et al., (2012). Building The Mathematical Model To Determine The Technological Mode For The Freezing Process Of Basa Fillet In ĐBSCL Of Vietnam By Experimental Method, Journal of Engineering Technology and Education, The 2012 International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD2012), http://www.engh.kuas.edu.tw/004_ne.php?types=detail&year=2013&month=1; engh.kuas.edu.tw/files/ne/k9sxnp6t27.pdf

4) Nguyen Tan Dzung et al., (2012). Building The Method To Determine The Rate of Freezing Water of Penaeus Monodon, Carpathian Journal of Food Science and Technology 2012, 4(2), 28-35. http://chimie-biologie.ubm.ro/carpathian_journal/Vol%204(2)%202012.pdf

5) Nguyen Tan Dzung, (2012). Optimization the Freezing Process of Penaeus Monodon To Determine Technological Mode of Freezing for Using in the Freeze Drying, Canadian Journal on Chemical Engineering & Technology, 3, No. 3, April 2012, ISSN: 1923-1652, http://www.ampublisher.com/index.html; http://www.ampublisher.com/April%202012/CET-1203-011-Optimization-Freezing-Process-Penaeus-Monodon-Determine-Technological-Mode-Freezing.pdf  

6) Nguyễn Tấn Dũng & Các Cộng Sự, (2010). Nghiên cứu xây dựng mô hình toán truyền nhiệt lạnh đông, xác định tỉ lệ nước đóng băng và nhiệt độ lạnh đông tối ưu của VLA dạng hình trụ hữu hạn, ở giai đoạn 1 trong sấy thăng hoa, Tạp chí phát triển khoa học và công nghệ ĐHQG Tp.HCM, Vol.13, No.K5, vnuhcm.edu.vn/?ArticleId=c95f7d17-1aea-4a60-9ba0 

7) Nguyễn Tấn Dũng & Các Cộng Sự, (2008). Nghiên cứu xác định tỷ lệ nước đông băng bên trong thực phẩm (mô hình dạng phẳng vô hạn) theo nhiệt độ lạnh đông, Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ ĐHQG Tp.HCM, 09/2008, Vol.11. http://www.vjol.info.vn/index.php/JSTD/article/view/1858

8) Nguyễn Tấn Dũng & Các Cộng Sự, (2008). Nghiên cứu xác định tỷ lệ nước đông băng và nhiệt độ lạnh đông thích hợp (mô hình dạng trụ vô hạn) của vật liệu ẩm ở giai đoạn 1 trong sấy thăng hoa, Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ ĐHQG Tp.HCM, 12/2008, Vol.11, vjol.info/index.php/JSTD/article/viewFile/2536/2396 

9) Nguyễn Tân Dũng, Quá trình và Thiết bị trong CNHH&TP, Tập 2, Phần 3: Các quá trình và thiết bị làm lạnh và làm lạnh đông, NXB ĐHQG Tp.HCM, năm 2013. https://sachweb.com/sach-giao-trinh-m4/sach-truong-dai-hoc-su-pham-ky-thuat-tphcm-64/sach-qua-trinh-va-thiet-bi-cong-nghe-hoa-hoc-thuc-pham-tap-2-qua-trinh-va-thiet-bi-truyen-nhiet-phan-3-cac-qua-trinh-va-thiet-bi-lam-lanh-va-lam-dong-e1377/

10) Nguyễn Tân Dũng (chủ biên), Quá trình và Thiết bị trong CNHH&TP, Công nghệ lạnh ứng dụng trong sản xuất nước đá, đá khô và nước giải khát, NXB ĐHQG Tp.HCM, năm 2008. https://sachweb.com/sach-giao-trinh-m4/sach-truong-dai-hoc-su-pham-ky-thuat-tphcm-64/sach-cong-nghe-lanh-ung-dung-trong-san-xuat-nuoc-da-da-kho-va-nuoc-giai-khat-e1413/

Mọi chi tiết xin liên hệ:
PGS.TS. Nguyễn Tấn Dũng, khoa CNHH&TP, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TpHCM. Số 1, Võ Văn Ngân, Thủ Đức, TpHCM.
Email: tandzung072@yahoo.com.vn
ĐT: 0918801670  

Bài viết tác giả: Nguyễn Tấn Dũng