Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG TIỀN XỬ LÝ SIÊU ÂM ĐẾN TỐC ĐỘ SẤY VÀ MÀU SẮC THƯỢNG ĐẲNG SÂM STUDY ON INFLUENCE OF ULTRASOUND PRE-TREATMENT ON THE DRYING RATE AND COLOR OF VIETNAMESE GINSENG Nguyễn Xuân Quang1a, Nguyễn Hay2b, Nguyễn Ngọc Phương1c, Bùi Ngọc Hùng2d Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP HCM Trường ĐH Nông Lâm TP HCM a quangnx@hcmute.edu.vn, bng.hay@hcmuaf.edu.vn c phuongnn@hcmute.edu.vn, dbuingochung@hcmuaf.edu.vn TÓM TẮT Tiền xử lý trước sấy xem giải pháp hữu ích nhằm giảm thời gian sấy đảm bảo chất lượng số nông sản thực phẩm sau sấy Nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng tiền xử lý sử dụng siêu âm lượng cao đến tốc độ sấy thay đổi màu sắc Thượng đẳng sâm cách dùng phương pháp thực nghiệm Tiền xử lý thực mức cường độ âm 14,33 W/cm2 27,47 W/cm2 thời gian 10 phút, sau sấy đối lưu 400C Kết cho thấy thời gian sấy giảm khoảng 980 phút (khi sấy đối lưu tiền xử lý) xuống khoảng 680 phút (khi sấy đối lưu có tiền xử lý siêu âm với cường độ công suất27,47 W/cm2) thông số màu sắc thay đổi so với sấy đối lưu điều kiện Từ khóa: Thượng đẳng sâm, siêu âm lượng cao, tốc độ sấy, tiền xử lý, màu sắc ABSTRACT Pretreatment is considered a useful method to reduce drying time and ensure the quality of some agricultural food products This study investigates the affect of pre-treatment using high-intensity ultrasonic ondrying rate and color change of Vietnamese ginsengusing empirical methods Pretreatment were carried out at two ultrasonic intensity levels of 14,33 W/cm2 and 27,47 W/cm2 during 10 minutes, then dried at 400C convection The results show that the drying total time reduced from 980 minutes (convective drying without pre-treated) to 680 minutes (convective drying with pre-treated at 27,47 W/cm2) and the parameters of color is changed as well compared to convective drying at the same conditions Key word: VietNamese ginseng, high-intensity ultrasonic, drying rate, pretreatment, color GIỚI THIỆU Thượng đẳng sâm cao sản nông nghiệp dùng làm thực phẩm dược liệu Nghiên cứu cho thấy rễ Thượng đẳng sâm có công dụng tăng lực, hạ đường huyết, điều hòa miễn dịch [1-4] Thượng đẳng sâm trồng nhiều nước Đông Nam Á, Việt Nam thời gian gần trồng với quy mô trang trại tỉnh Lâm Đồng Thượng đẳng sâm thu hoạch sau đến năm canh tác Tùy theo độ tuổi Thượng đẳng sâm có giá trị khác Sau thu hoạch phần rễ rửa bảo quản từ đến tuần nhiệt độ thấp khoảng 60C Hiện nay, để tạo sản phẩm khô lát dùng chế biến bảo quản Thượng đẳng sâm sau thu hoạch thái lát mỏng phơi bóng râm [4] Tuy nhiên phương pháp thời gian phơi để đạt độ ẩm mong muốn 10% dài làm ảnh hưởng đến màu sắc thành phần chất dinh dưỡng Nhiều nghiên cứu giới kỹ thuật tiền xử lý sử dụng sóng siêu âm cho loại nông sản thực phẩm: cà rốt, rong biển, táo, dưa hấu…rồi sấy đối lưu Kết cho thấy thời gian sấy giảm, thay đổi màu sắc sóng siêu âm làm thay đổi cấu trúc tế vi sản phẩm [5],[7] Siêu âm lượng 832 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV cao sóng âm có tần số 20 kHz Không giống sóng điện từ, siêu âm lượng cao sóng cơ, truyền môi trường rắn, lỏng, khí Vật liệu đặt môi trường lỏng có sóng siêu âm, tác động chu kỳ nén giãn sóng âm tạo bong bóng vô nhỏ giao diện lỏng – rắn làm cho bề mặt vật liệu bị mòn, ngăn chặn đông cứng bám dính, đồng thời tạo mao dẫn lòng vật liệu [6] Hiện nay, nghiên cứu áp dụng kỹ thuật hỗ trợ trình sấy để giảm chi phí lượng riêng, trì thành phần chất dinh dưỡng sản phẩm nông nghiệp nhà khoa học nước quan tâm Với mục đích trên, mục tiêu nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng tiền xử lý sử dụng sóng siêu âm đến tốc độ sấy thay đổi màu sắc Thượng đẳng sâm Việt Nam so sánh phương pháp sấy đối lưu có tiền xử lý tiền xử lý sóng siêu âm VẬT LIỆU, THIẾT BỊ VÀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2.1 Vật liệu Vật liệu sấy dùng thí nghiệm Thượng đẳng sâm tươi thu hoạch năm tuổi canh tác tỉnh Lâm Đồng công ty Cao Lâm Kích thước sâm có đường kính khoảng 10-15mm, chiều dài khoảng 80-110mm, độ ẩm trung bình ban đầu 93,4% (cơ sở ướt), khối lượng trung bình 18-30 g/củ 2.2 Thiết bị nghiên cứu - Thiết bị dùng để tiền xử lý: Nguồn phát sóng siêu âm (1) có tần số (20±0,8) kHz, công suất thay đổi lớn 1200W Bộ phát sóng siêu âm (2) đầu phát có đường kính 22mm, ngâm sâu khoảng 20mm nước cất chứa cốc thủy tinh (3) Cảm biến đo nhiệt độ (4) có độ phân giải 0,10C (của hãng Omron) đặt cốc thủy tinh để đo nhiệt độ nước trình xử lý, nhiệt độ nước đọc chuyển thành liệu thông qua thị nhiệt độ (5) gởi máy tính (6) để lưu trữ Toàn thiết bị thể hình Toàn thiết bị thể hình Hình Sơ đồ thiết bị tiền xử lý siêu âm Năng lượng cung cấp cho phát sóng siêu âm thay đổi, biên độ dao động thay đổi làm cho công suất siêu âm P tác động lên mẫu thay đổi Công suất siêu âm P xác định dụng cụ đo (Mason cộng sự, 1990) theo công thức (1), nhiệt độ nước cất cốc thủy tinh ban đầu sau xử lý 10 phút ghi lại để xác định tốc độ thay đổi nhiệt độ Công suất phận phát sóng siêu âm môi trường nước tính theo công thức (1):  dT  P  mC p    dt t 0 833 (1) Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Trong đó, m khối lượng nước (kg), Cp nhiệt dung riêng nước (4,18 kJ kg-10C-1), (dT/dt) tốc độ thay đổi nhiệt độ trình tiền xử lý (0C/phút) Cường độ công suất sóng siêu âm (UI) phát từ đầu phát với đường kính đầu phát D cho công thức (2) sau: UI  4P  D2 (2) Trong đó: UI cường độ công suất sóng siêu âm (W/cm2), P công suất siêu âm (W), D đường kính đầu phát sóng siêu âm (cm) Trong nghiên cứu này, công suất phát sóng siêu âm chỉnh mức cách thay đổi nguồn phát, kết tính toán cường độ âm mức 14,33 W/cm2 27,47 W/cm2 - Thiết bị sấy đối lưu: Thượng đẳng sâm sau tiền xử lý 10 phút để nước, thái mỏng 2mm, bỏ vào khay (6) đặt buồng sấy (5) nhiệt độ (40±0,5)0C, vận tốc gió khoảng 0,8m/s Trong trình sấy thông số tác nhân sấy trì giá trị cài đặt hiệu chỉnh PID PLC (12), khối lượng mẫu đo trực tiếp lưu trữ vào máy tính giám sát trạng thái thu thập liệu (13), sơ đồ thiết bị máy sấy thể hình Quá trình sấy kết thúc độ ẩm vật liệu sấy đạt đến độ ẩm cân 13 12 PID 10 11 PID Hình Sơ đồ thiết bị sấy đối lưu Quạt; Điện trở gia nhiệt; 3,8 Cảm biến đo nhiệt độ, độ ẩm; Cảm biến đo vận tốc; Buồng sấy; Khay chứa mẫu; Loadcell; Đầu cân; 10 Bộ hiệu chỉnh nhiệt độ; 11 Bộ hiệu chỉnh tốc độ gió; 12 Bộ điều khiển; Máy tính giám sát trạng thái thu thập liệu Trong trình sấy, liệu khối lượng mẫu sấy thu thập để tính độ ẩm vật liệu theo thời gian Độ ẩm vật liệu sấy(M) (tính theo sơ khô) thời điểm t xác định theo công thức (3)  ( M  1)Wt  M   1 W   (3) Trong đó, M0 độ ẩm ban đầu vật liệu (tính sở khô (kg nước/ kg vật liệu khô)), Wt khối lượng mẫu sấy thời điểm t (g), W0 khối lượng mẫu ban đầu (g) Tốc độ sấy (tốc độ giảm ẩm) xác định theo công thức (4) v M t t  M t t (4) Trong đó: Mt, Mt+Δt, độ ẩm thời điểm t t+Δt 834 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV - Đánh giá màu sắc: Màu sắc sản phẩm sau sấy tiêu chuẩn đánh giá chất lượng Thượng đẳng sâm, thông số màu CIE Lap (L*, a*, b*) sử dụng để mô tả thay đổi màu sắc trình sấy, giá trị L*, a*, b* đo máy đo màu (X-Rite Inc Grand Rapids MI Mỹ) giá trị trung bình lần đo lặp lại Mức độ thay đổi màu sắc so với giá trị chuẩn xác định theo công thức (5):   E  ( L  Lref )2  (a  aref )2  (b  bref )2 (5) Trong đó, L*ref, a*ref, b*ref giá trị chuẩn, nghiên cứu sử dụng giá trị ban đầu (trước sấy) làm giá trị chuẩn KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU - Hai quy trình xử lý Thượng đẳng sâm thể theo lưu đồ sau: Quy trình Quy trình Nguyên liệu (sâm củ) Nguyên liệu (sâm củ) Thái lát khoảng mm Tiền xử lý siêu âm 10 phút với cường độ công suất 14,33 W/cm2 27,47 W/cm2 Sấy đối ưu 400C khối lượng không đổi Sấy đối lưu 400C khối lượng không đổi Để nước Dừng đo màu sắc Dừng đo màu sắc Thái lát khoảng mm Hình Các quy trình xử lý thực nghiệm - Tốc độ giảm ẩm: Thực nghiệm cho thấy, tiền xử lý siêu âm ảnh hưởng đến tốc độ giảm ẩm Thượng đẳng sâm sấy đối lưu Tốc độ giảm ẩm chậm tiền xử lý, giảm ẩm nhanh có tiền xử lý sóng siêu âm với cường độ công suất sóng siêu âm cao, thời gian sấy 19g nguyên liệu khối lượng không đổi phụ thuộc vào cường độ công suất sóng siêu âm tiền xử lý: 680 phút, 760 phút 980 phút tương ứng tiền xử lý 27,47 W/cm2, 14,33 W/cm2 không tiền xử lý Độ thị giảm ẩm theo thời gian thể hình Vì vậy, tăng cường độ công suất sóng siêu âm thời gian sấy giảm, giảm chi phí lượng riêng 835 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV 16 Sấy đối lưu tiền xử lý 14 Sấy đối lưu có tiền xử lý 14,33 W/cm2 Độ ẩm (g nước/g vật liệu khô) 12 Sấy đối lưu có tiền xử lý 27,47 W/cm2 10 Thời gian (phút) 1000 960 920 880 840 800 760 720 680 640 600 560 520 480 440 400 360 320 280 240 200 160 120 80 40 0 Hình Đồ thị giảm ẩm theo thời gian sấy có tiền xử lý không tiền xử lý - Sự thay đổi màu sắc Sự thay đổi thông số màu sắc sản phẩm sau sấy đo ghi nhận lại bảng Dữ liệu cho thấy sấy đối lưu có tiền xử lý siêu âm mức độ thay đổi màu sắc nhiều (ΔE = 26,32 cường độ công suất sóng siêu âm 27,47 W/cm2) so với sấy đối lưu thông thường (ΔE = 18,26) Mức độ thay đổi màu sắc có chiều hướng tăng dần tăng cường độ công suất sóng siêu âm, sấy lượng nước bị tiền xử lý sóng siêu âm ảnh hưởng đến cấu trúc tế vi vật liệu Bảng 1: Các thông số màu sắc trước sau sấy đối lưu tiền xử lý siêu âm không tiền xử lý Tiền xử lý Tiền xử lý Không tiền xử lý 2 27,47 W/cm 14,33 W/cm Thông số Trước Sau Trước Sau Trước Sau sấy sấy sấy sấy sấy sấy L* 56,24 80,28 52,46 75,58 47,24 74,04 a* -1,33 2,32 -1,44 2,47 -1,7 2,9 * 18,24 28,32 17,17 27,12 12,66 18,15 b ΔE 26,32 25,57 836 18,26 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV KẾT LUẬN Tiền xử lý sử dụng sóng siêu âm trước sấy đối lưu Thượng đẳng sâm làm cho thời gian sấy giảm (tiền xử lý siêu âm mức 27,47 W/cm2 thời gian sấy giảm khoảng 30% so với sấy đối lưu điều kiện)dẫn đến giảm chi phí lượng riêng so với không tiền xử lý Khi tăng cường độ công suất sóng siêu âm tốc độ giảm ẩm vật liệu tăng Tiền xử lý siêu âm ảnh hưởng đến màu sắc vật liệu sau sấy, mức độ thay đổi màu sắc so với mẫu tươi ban đầu lớn cường độ công suất sóng siêu âm cao Đây giải pháp đầy hứa hẹn cho việc nghiên cứu tách ẩm cho loại cao sản nông nghiệp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] He, JY., Ma, N., Katsuko, K., Li, ZY., & Fu, WM., The genus Codonopsis (Campanulaceae): a review of phytochemistry, bioactivity and quality control J Nat Med, 2015, 69, p.1–21 [2] Xiao, HW., Law, CL., Sum, DW., & Gao, ZJ., Color change Kinetics of American Ginseng (Panax quinquefolium) Slices During Air Impingement Drying Drying Technology, 2014, 32, p.418-427 [3] Xu, GJ., &Xu, LS., Species systematization and quality evaluation of Chinese traditional drugs Fujian Science and Technology Press, Fuzhou, 1994,Vol 1, p 5–9 [4] https://vi-vn.facebook.com/pages/Sâm-Cao-Lâm-Sâm-Của-Người-Việt [5] Fernandes, F.E., Linhares Jr., & Rodrigues, S., Ultrasound as pre-treatment for drying of pineapple Ultrasonics Sonochemistry, 2008, 15, p 1049–1054 [6] Kadam, S.U., Tiwari, B.K., &O'Donnell C.P., Effect of ultrasound pre-treament on the drying kinetics of brown seaweed Ascophyllum nodosum Ultrasonics Sonochemistry, 2015, 23, p.302 -307 [7] Mothibe, K.J., Zhang, M., Nsor-atindana, J., & Wang, Y.C., Use of ultrasound pretreatment in drying of fruits: drying rates, quality attributes, and shelf life extension, Drying Technology, 2011, 29, p.1611-1621 837 ... sát ảnh hưởng tiền xử lý sử dụng sóng siêu âm đến tốc độ sấy thay đổi màu sắc Thượng đẳng sâm Việt Nam so sánh phương pháp sấy đối lưu có tiền xử lý tiền xử lý sóng siêu âm VẬT LIỆU, THIẾT BỊ VÀ... trình xử lý thực nghiệm - Tốc độ giảm ẩm: Thực nghiệm cho thấy, tiền xử lý siêu âm ảnh hưởng đến tốc độ giảm ẩm Thượng đẳng sâm sấy đối lưu Tốc độ giảm ẩm chậm tiền xử lý, giảm ẩm nhanh có tiền xử. .. sóng siêu âm, sấy lượng nước bị tiền xử lý sóng siêu âm ảnh hưởng đến cấu trúc tế vi vật liệu Bảng 1: Các thông số màu sắc trước sau sấy đối lưu tiền xử lý siêu âm không tiền xử lý Tiền xử lý Tiền