Đang tải... (xem toàn văn)
Quá trình sấy vi sóng (SVS) thịt quả bơ (Persea Americana Mills) được khảo sát ở qui mô phòng thí nghiệm thông qua sự biến thiên của tỷ suất thoát ẩm (TSTA) của vật liệu sấy (VLS) theo thời gian. Trị số của hàm MR(t) nằm trong khoảng từ 0 đến 1 đối với mọi chế độ công nghệ sấy (CNS) và tất cả các loại VLS. Thiết bị sấy vi sóng đĩa quay được sử dụng trong các thí nghiệm với các giá trị khác nhau của cường độ công suất riêng phần (CSRP).
Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 137 (2019) 111-115 Nghiên cứu biến thiên tỷ suất thoát ẩm trình sấy vi sóng thịt bơ Study of Moisture Ratio Variation During Microwave Drying Process of Avocado Pulp Nguyễn Đức Trung, Phan Minh Thụy* Trường Đại học Bách khoa Hà Nội – Số 1, Đại Cồ Việt, Hai Bà Trưng, Hà Nội Đến Tòa soạn: 27-4-2018; chấp nhận đăng: 27-9-2019 Tóm tắt Q trình sấy vi sóng (SVS) thịt bơ (Persea Americana Mills) khảo sát qui mơ phòng thí nghiệm thơng qua biến thiên tỷ suất thoát ẩm (TSTA) vật liệu sấy (VLS) theo thời gian Trị số hàm MR(t) nằm khoảng từ đến chế độ công nghệ sấy (CNS) tất loại VLS Thiết bị sấy vi sóng đĩa quay sử dụng thí nghiệm với giá trị khác cường độ công suất riêng phần (CSRP) Số liệu thực nghiệm hồi qui công cụ CFT (Curve Fitting Toolbox) phần mềm Matlab nhằm xác định tham số mơ hình đề xuất Sự tương hợp mơ hình hồi qui kiểm định thơng qua phân phối chi bình phương rút gọn (χ2) Từ khóa: Thịt bơ, Sấy vi sóng, Tỷ suất ẩm, Mơ hình hồi qui Abstract Microwave drying (MWD) process of avocado (Persea Americana Mills) pulp is surveyed at laboratory scale via the variation of moisture ratio (MR) of drying material (DM) due to time The value of MR(t) function is in the range from to for every drying technology mode and all kinds of DM Rotary tray MWD equipment is applied in the experiments with different value of specific power ratio (SPR) Experiment data is regressed by the CFT (Curve Fitting Toolbox) toolbox of Matlab software in order to determine the parameters of the proposed models The compatibilty of regressive models is tested via reduced chi square distribution (χ2) Keywords: Avocado pulp, Microwave drying, Moisture ratio, Regressive model Giới thiệu* trội so với CNS đối lưu nhiệt độ cao (CNSĐL) áp dụng cho nơng sản – thực phẩm có đặc tính bết dính, nhiều dầu nên khó ẩm, đồng thời dễ bị biến màu, mùi vị chứa nhiều thành phần hoạt tính sinh học dễ bị biến đổi nhiệt độ cao gấc [6, 7, 8] Năng lượng xạ điện từ vi sóng (BXĐTVS) giữ lại vùng không gian hẹp chuyển hóa sang nhiệt tập trung vào phân tử nước nằm sâu VLS tạo động lực đẩy ẩm bề mặt VLS điều kiện nhiệt độ thường khiến cho trình sấy (QTS) diễn nhanh chóng với VLS chứa nhiều dầu có phân bố tập trung bề mặt nên có xu hướng cản trở đáng kể đến QT trình áp dụng CNSĐL [9, 10, 11] Với đặc tính mùa vụ chất lượng dinh dưỡng cao [1], vấn đề nâng cao giá trị gia tăng cho bơ đặt nhiệm vụ cấp bách cho nhà khoa học lĩnh vực bảo quản chế biến nông sản – thực phẩm nước nhà Những nghiên cứu điển hình ngồi nước tập trung vào giải pháp công nghệ phù hợp cho sản xuất qui mơ lớn với chi phí lượng suất đầu tư ban đầu cao đơn vị sản phẩm Phương pháp bảo quản lạnh bơ dạng tươi [2], sản xuất bột bơ phương pháp sấy lạnh [3, 4], sản xuất dầu béo bột bơ loại béo từ trái bơ [5] có tính kinh tế – kỹ thuật chưa phù hợp với điều kiện sản xuất nước ta Tuy nhiên, QTSVS tồn số nhược điểm cố hữu gây tượng cháy cục VLS cần có chuyển động tương đối VLS với đầu phát BXĐTVS Klystron, TWT (Traveling Wave Tube) hay điển hình Magnetron VLS dạng hạt, củ, rời thường đặt thùng quay VLS có tính chất bết dính cần phải đặt đĩa quay hay băng tải sàng lắc đối [6, 8, 9] Hơn nữa, tượng dễ dàng xảy độ ẩm VLS giảm xuống thấp cuối QTS nên số lượng phân tử nước dạng Trong năm gần đây, công nghệ SVS quan tâm ứng dụng lĩnh vực chế biến nông sản – thực phẩm, thảo dược Việt Nam nhờ khả tách ẩm hiệu quả, đặc biệt cuối trình sấy nên giảm thời gian sấy từ giảm tiêu hao lượng nâng cao hiệu khai thác thiết bị Hơn nữa, CNS vi sóng (CNSVS) chứng minh khả ưu việt vượt * Địa liên hệ: Tel.: (+84) 946.522.991 Email: thuy.phanminh@hust.edu.vn 111 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 137 (2019) 111-115 lỏng hấp thụ BXĐTVS giảm BXĐTVS dư thừa nhanh chóng gia tăng nhiệt độ phần chất khô, đồng thời khiến cho nhiệt độ Magnetrons tăng khiến độ tin cậy thiết bị bị giảm gây tiêu hao điện vơ ích Do vậy, công suất BXĐTVS (kW) cần điều chỉnh tỷ lệ với tổng lượng ẩm (kg) lại VLS theo hệ số K đặc trưng cho chế độ công nghệ định Hệ số K thường gọi CSRP (kW/kg W/g) [6, 8] CSRP lớn tăng tốc độ sấy, hạ thấp độ ẩm cân tăng nhiệt VLS nên vai trò CSRP CNSVS tương tự nhiệt độ TNS CNSĐL [8, 12] khác khái niệm TSTA, đặc trưng hàm số MR(t) giảm từ QTS định nghĩa biến đổi tính tốn qua công thức sau: Đối tượng nghiên cứu thiết bị thí nghiệm Việc tính tốn hàm MR(t) hệ thức thực nghiệm thông qua việc xác định khối lượng vật liệu sấy thời điểm bắt đầu đầu thí nghiệm đến kết thúc thí nghiệm mà không cần phải sử dụng đến thông số độ ẩm tương đối ban đầu M(0) VLS để xác định thơng số trung gian khơng đổi q trình sấy: khối lượng khơ mKVLS có VLS Giá trị cực đại cực tiểu MR(t) ứng với thời điểm t=0 t=∞ (kết thúc trình sấy) Hàm MR(t) hàm nghịch biến theo thời gian M(t) hàm nghịch biến thời gian Về mặt lý thuyết, MR(t) có cơng thức phức tạp tập trung phản ánh xác vào q trình sấy mà khơng cần quan tâm nhiều đến sơ kiện đặc trưng VLS [11, 12] mH2 O (t ) mH2O () M (t ) M () mVLS (t ) mVLS () MR t M (0) M () mH2O (0) mH2O () mVLS (0) mVLS () mVLS (t ) mVLS m () mVLS 1 K K VLS mVLS (t ) mVLS () mVLS () mVLS (t ) 1 mVLS (0) mVLS m () mVLS K K VLS mVLS () mVLS (0) mVLS (0) mVLS () 2.1 Vật liệu sấy Vật liệu sấy đóng vai trò đối tượng nghiên cứu thị bơ Quả bơ lựa chọn thuộc dòng bơ sáp trồng tỉnh Đắc Lắc Bơ lựa chọn từ mẻ có độ chín chiều dài đồng (từ 69 mm đến 72 mm) Trước đưa vào thiết bị thí nghiệm, bơ sơ chế lấy phần thịt bơ chia thành 12 miếng đồng thời tẩm axit ascobic nhằm hạn chế ảnh hưởng phản ứng oxy hóa gây biến đổi khơng tích cực tới cảm quan màu sắc VLS QTS [3, 4, 5] 2.2 Thiết bị thí nghiệm sấy vi sóng đĩa quay Thiết bị sấy vi sóng đĩa quay sử dụng nghiên cứu đặt phòng thí nghiệm 301/C4 – quản lý Bộ mơn Q trình – Thiết bị CN Sinh học – CN Thực phẩm, Trường ĐHBKHN; dùng để sấy màng gấc nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng chế độ công nghệ sấy vi sóng tới biến đổi β-carotene lycopene màng gấc [6, 8] Thông số TSTA thời điểm (t) sử dụng tính tốn hồi qui công cụ CFT Matlab xác định trung bình cộng trị số MR(t) tương ứng ba lần lặp lại thí nghiệm nhằm giảm sai số ngẫu nhiên [13] 3.2 Mô hình cơng cụ hồi qui tý suất ẩm Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng CSRP tới QTSVS khảo sát qua giá trị: K1 (2,0 W/g), K2 (2,25 W/g), K3 (2,5 W/g), K4 (2,75 W/g) K5 (3,0 W/g) Vận tốc TNS tốc độ đĩa quay chứa VLS cố định: 1,0 m/s 3,0 vòng/phút Hàm MR(t) có mơ hình hồi qui đề xuất nhóm nghiên cứu tổng hợp bảng [11, 12] Phương pháp hồi qui số liệu thực nghiệm (MRexp,i) theo mơ hình định trước (MRpre,i) dựa nguyên tắc tối thiểu hàm mục tiêu: tổng bình phương sai lệch mơ hình N số liệu thực nghiệm (MRexp,i – MRpre,i) thiết lập [11, 12, 13] Khối lượng VLS xác định từ thời điểm trước đưa vào buồng sấy (t=0) đến khối lượng VLS đạt độ ẩm cân (không thay đổi sau ba lần cân) Khoảng thời gian hai lần định lượng liên tiếp phút Thiết bị cân điện tử hãng Kendy (Đài Loan) có mã hiệu HB2002-ED với tham số: bước chia tối thiểu 0,01 (g), khối lượng cân tối đa 2000 (g) khối lượng cân tối thiểu 0,2 (g) N N i 1 i 1 Sr Ei MR pre ,i MRexp ,i Tính tương hợp mơ hình đề xuất cho lớn ứng với giá trị nhỏ trị số tương hợp mơ hình χ2 tính theo cơng thức sau [11, 12, 13]: Phương pháp công cụ nghiên cứu n 3.1 Tỷ suất ẩm MR exp,i Thơng thường, đường cong sấy có chung điểm xuất phát từ độ ẩm ban đầu M(0) VLS kết thúc giá trị độ ẩm cân M(∞) VLS khác nên khó so sánh tương quan QTS chế độ 2 MR pre,i i 1 N n Tính tương hợp mơ hình kiểm định thơng qua phân phối chi bình phương (còn đọc bình 112 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 137 (2019) 111-115 phương) χ2 rút gọn với (N-n) bậc tự cho N điểm định lượng n tham số cần tìm mơ hình hồi qui cần xét R N Bảng Các mơ hình hồi qui TSTA (MR) TT 10 11 Mơ hình Lewis – Newton Page Henderson Pabis (gốc) Logarit (Chandra Signh) Midilli (và cộng sự) Midilli hiệu chỉnh (Ghazanfari cộng sự) Henderson Pabis hiệu chỉnh: hai bậc tự (Glenn) Sharaf – Eldeen (và cộng sự) Verma (và cộng sự) Henderson Pabis hiệu chỉnh: ba bậc tự (Karathanos cộng sự) Wang Singh Công thức MR exp at b MR a exp( kt ) MR a exp( kt ) b MR a exp( kt ) bt MR exp( kt ) bt MR a exp( k1t ) b exp( k t ) MR a exp( kt ) (1 a ) exp( kat ) MR a exp( k1t ) (1 a ) exp( k t ) 1921 1949 1961 pre ,i i 1 N pre , i MR i 1 N exp,i MR i 1 N MR MR N i 1 N i 1 exp,i i 1 MR pre,i MRexp,i 2 2 Chỉ số χ2 đánh giá tương hợp mơ hình tính tốn chương trình với đầu vào tham số tìm số liệu thực nghiệm Kết hồi qui trình bầy chi tiết phần nghiên cứu 1995 2002 Kết thảo luận Sau xử lý số liệu Matlab, tính tương hợp mơ hình mức độ tin cậy tham số theo mơ hình hồi qui tổng hợp Bảng Bảng 2006 Bảng Chỉ số tương hợp mơ hình (χ2: 10-3) 1978 TT 10 11 1980 1985 1999 c exp( k3t ) MR bt at pre ,i MRexp,i i 1 N MR a exp( k1t ) b exp( k2 t ) N N Năm MR exp kt N MR 1978 K1 12,2 0,7 9,1 1,0 1,0 1,3 2,5 3,0 2,5 2,5 3,11 K2 7,7 0,2 5,0 1,4 1,5 4,5 11,4 0,8 3,9 3,9 1,7 K3 40,5 0,6 9,7 1,3 1,3 1,9 35,9 2,8 2,0 2,2 1,9 K4 14,3 0,1 10,4 2,5 2,6 3,4 2,7 2,1 1,6 5,6 3,4 K5 2,9 2,9 3,0 1,9 1,8 2,0 4,3 3,0 3,1 3,5 2,9 K4 89,0 99,9 92,5 98,3 98,3 97,5 98,3 98,5 98,9 97,0 97,6 K5 96,3 96,4 96,3 97,7 97,9 97,5 98,5 96,3 96,3 96,4 96,4 Bảng Hệ số tương quan (R2: %) TT 10 11 Mức độ tin cậy tham số tìm mơ hình hồi qui đánh giá thơng qua hệ số tương quan R biểu thức [11, 12, 13] Hệ số tương quan R thường dùng tính đánh giá mức độ tin cậy tham số tìm mà giá trị R2 sử dụng thường xuyên Trị số R2 sử dụng đánh giá tương quan luôn nhỏ Giá trị sát với kết tham số tìm hồi qui tương quan có mức độ tin cậy cao Bộ cơng cụ CFT (Curve Fitting Toolbox) nằm phần mềm Matlab phiên R2014B cho hệ điều hành 32 bit MathWorks chạy cho phép thực phương pháp hồi qui để xác định tham số cần tìm hệ số tương quan thông qua giá trị R2 [13, 14] K1 89,2 99,4 92,3 99,1 99,1 98,9 98,1 97,5 98,0 98,3 98,9 K2 93,4 99,9 95,9 98,9 98,8 98,1 92,1 99,3 96,9 97,3 98,6 K3 88,9 99,5 92,5 99,0 99,0 98,6 98,6 97,9 98,5 98,7 98,5 Bảng Bảng thể số tương hợp χ2 hệ số tương quan R2 ứng với trị số CSRP khác (K1, K2, K3, K4 K5) mơ hình đề xuất theo thứ tự bảng 113 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 137 (2019) 111-115 Căn vào số liệu Bảng với ngun tắc xếp mơ hình phù hợp cần có số tương hợp mơ hình χ2 nhỏ nhất, thứ tự phù hợp mơ hình cho QTSVS thịt bơ theo thay đổi CSRP đồng thời cố định tốc độ đĩa quay vận tốc TNS tương ứng mơ hình số (Page); mơ hình số (Logarit, Chandra Signh đề xuất năm 1995) mơ hình số (Midilli, Midilli cộng đề xuất năm 1995); Mơ hình cho phù hợp mơ hình số (được đề xuất vào năm 1921 Lewis – Newton) mơ hình số (do Glenn đề xuất vào năm 1978 với hiệu chỉnh nâng cấp hai bậc tự từ mơ hình gốc đề xuất Henderson Pabis) Kết hồi qui tham số mơ hình có mức độ tương hợp cao: mơ hình số (k, n), mơ hình số (a, b, k) mơ hình số (a, b, k) trình bầy bảng số liệu: Bảng 4, Bảng Bảng Bảng Kết hồi qui tham số mơ hình số Tham số a(10-3) B K1 K2 K3 K4 K5 0,8 1,928 2,3 1,671 1,1 1,957 1,5 2,008 2,3 1,049 Bảng Kết hồi qui tham số mơ hình số Tham số a b(10-3) k(10-3) Dựa vào số liệu Bảng 3., với ngun tắc xếp mơ hình cho kết tham số hồi qui tìm có tính tin cậy cao ứng với hệ số tương quan R lớn nhất, thứ tự độ xác hồi qui mơ hình cho QTSVS thịt bơ theo thay đổi CSRP đồng thời cố định tốc độ đĩa quay vận tốc TNS tương ứng mơ hình số (Page); mơ hình số (Midilli) mơ hình số (Logarit); Mơ hình số (Lewis – Newton, 1921) mơ hình số (do Henderson Pabis đề xuất năm 1961) nhìn nhận mơ hình có mức độ tin cậy tham số hồi qui tìm K1 K2 K3 K4 K5 6,514 -5467 2,6 1,460 -376 17,2 3,955 -2889 5,6 2,612 1529 11,9 1,298 353 15,1 Bảng Kết hồi qui tham số mơ hình số Tham số a b(10-3) k(10-3) K1 K2 K3 K4 K5 1,046 -9,8 6,4 1,087 -2,5 21,4 1,064 -10,1 11,2 1,081 -10,0 19,6 0,950 -2,2 18,9 Hình Hồi qui tham số Matlab R2014B cho liệu thực nghiệm CSRP K4 (2,75 W/g) theo mơ hình số 114 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ 137 (2019) 111-115 TSTA (MR) có đơn vị khơng thứ ngun thời gian (t) có đơn vị tính phút nên kết hồi qui tham số (a, b) hay (a, b, k) có đơn vị hiệu chỉnh phù hợp tương ứng Tài liệu tham khảo Q trình hồi qui tham số theo mơ hình số (mơ hình Page với hai tham số cần tìm: a b) thí nghiệm ứng với CSRP K4 (2,75 W/g) thực công cụ hồi qui CFT Matlab theo đường cong với phương trình cho trước với bước trung gian kết tham số hồi qui tìm hệ số tương quan theo R2 thể hình Chế độ tối ưu hàm mục tiêu sai lệch thực nghiệm với mơ hình hồi qui cài đặt với dải tham số tìm kiếm khơng có ràng buộc miền biên (-Inf:Inf); giải thuật: “Trust - Region” cho phương pháp tối thiểu hóa quân phương hàm phi tuyến (“NonlinearLeastSquares”); tính bền vững theo chuẩn: Bisquare; dung sai: 1e-6; điểm xuất phát từ gốc tọa độ (0;0); bước nhảy cực đại cực tiểu là: 0,1 10-8 tham số phụ khác (số vòng lặp tối đa:400; số lượng tối đa giá trị ước lượng hàm TSTA:600; dung sai cho giá trị ước lượng hàm TSTA: 10-6 biến thời gian: 10-6) [1] Ding H., Chin, Y., Kinghorn, A D., D’Ambrosio, M., Chemopreventive Characteristics of Avocado Fruit Proceeding of 17th Seminars in Cancer Biology, (2007) 386 – 394 [2] Hoàng Mạnh Cường, Báo cáo tổng kết đề tài "Nghiên cứu bảo quản lạnh trái bơ sau thu hoạch", Viện khoa học nông nghiệp Tây Nguyên (2015) [3] Saucedo, Ma Claudia et al Effect of freeze-drying and production process on the chemical composition and fatty acids profile of avocado pulp Rev chil nutr [online] 2014, vol.41, n.4, pp.404-411 ISSN 0717-7518 [4] Souza et al, Rehydration characteristics of freezedried avocado, International Congress on Engineering and Food – ICEF11, Food Process Engineering in a Changing World, Athens, Greece (2011) [5] Eyres L., Sherpa, N., Hendrinks, G., Avocado Oil: A New Edible Oil from Australia, Journal of Lipid Technology, Vol 13 (4), (2001) 84 – 88 [6] Nguyễn Đức Trung, Nguyễn Ngọc Hoàng, Nguyễn Minh Hệ, Hồng Hải Hà, Ảnh hưởng chế độ cơng nghệ sấy vi sóng tới biến đổi β-carotene lycopene màng gấc, Tạp chí Khoa học & Cơng nghệ trường Đại học Kỹ thuật, ISSN: 0868–3980, Vol 117, (2017) [7] Nguyễn Đức Trung, Báo cáo tổng hợp Đề tài T2016 – 33, cấp Trường ĐHBKHN (2016) [8] Nguyễn Đức Trung, Nguyễn Ngọc Hoàng, Nguyễn Minh Hệ, Phan Minh Thụy, Hồng Hải Hà, Nghiên cứu q trình tách ẩm phát triển thiết kế thiết bị sấy vi sóng phục vụ chế biến bột gấc, Kỷ yếu Hội nghị “Tiến Kỹ thuật Thực phẩm Kỹ thuật Sinh học: Từ nghiên cứu tới sản xuất”, ISBN: 978–604 – 95–0038–1, (2016) 103 – 110 [9] A Methlouthi, O Rouaud, L Boillereaux, Microwave Applicator with Conveyor Belt System, Excerpt from the Proceedings of the COMSOL Conference, Paris (2010) Kết luận Về bản, mơ hình đề xuất năm gần (ngoại trừ mơ hình số Page, đề xuất sớm vào năm 1949) cho kết tốt mức độ tương hợp độ tin cậy tính tương quan tham số tìm từ mơ hình hồi qui Kết đánh giá mức độ tương hợp mức độ tin cậy tham số hồi qui mơ hình TSTA QTSVS thịt bơ nghiên cứu phù hợp với kết đánh giá tương hợp mức độ tin cậy tham số hồi qui mơ hình TSTA QTSVS với số nghiên cứu quốc tế W McMinn cộng [12]; Z F Wang cộng [11] VLS là: dược phẩm dạng bột; táo thái lát dạng miếng mỏng Mô hình số Page đề xuất từ năm 1949 có mức kết tốt mức độ tương hợp độ tin cậy tính tương quan tham số tìm từ mơ hình hồi qui số 11 mơ hình tổng hợp trình bầy bảng nhóm nghiên cứu khuyến nghị nên áp dụng việc sử dụng mơ hình hồi qui TSTA QTSVS thịt bơ khảo sát ảnh hưởng khơng CSRP mà đánh giá ảnh hưởng yếu tố công nghệ khác thời gian sấy vận tốc TNS tốc độ đĩa quay nghiên cứu khác [10] Nguyễn Minh Hệ, Báo cáo CĐ2 – Đề tài T2011 – 22 cấp Trường ĐHBKHN (2011) [11] Z F Wang, et al Mathematical modelling on thin layer microwave drying of apple pomace with and without hot air pre-drying Journal of Food Engineering, vol 80, (2007) 536 – 544 [12] W McMinn, et al Thin-Layer Modeling of Microwave, MW-Convective, and MW-Vacuum Drying of Pharmaceutical Powders, Drying Technology 23(3), (2005) 513 – 532 Lời cảm ơn [13] Seber, G A F., and C J Wild Nonlinear Regression Hoboken, Wiley – Interscience, 2003 Nghiên cứu tài trợ Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đề tài mã số T2017-PC-002 [14] Curve Fitting Toolbox of Matlab online help: https://mathworks.com/help/curvefit/ 115 ... nghiệm sấy vi sóng đĩa quay Thiết bị sấy vi sóng đĩa quay sử dụng nghiên cứu đặt phòng thí nghiệm 301/C4 – quản lý Bộ mơn Q trình – Thiết bị CN Sinh học – CN Thực phẩm, Trường ĐHBKHN; dùng để sấy. .. Hồng Hải Hà, Nghiên cứu q trình tách ẩm phát triển thiết kế thiết bị sấy vi sóng phục vụ chế biến bột gấc, Kỷ yếu Hội nghị “Tiến Kỹ thuật Thực phẩm Kỹ thuật Sinh học: Từ nghiên cứu tới sản xuất”,... mVLS (0) mVLS (0) mVLS () 2.1 Vật liệu sấy Vật liệu sấy đóng vai trò đối tượng nghiên cứu thị bơ Quả bơ lựa chọn thuộc dòng bơ sáp trồng tỉnh Đắc Lắc Bơ lựa chọn từ mẻ có độ chín chiều dài đồng