Ảnh hưởng của chế độ sấy đối lưu kết hợp với bơm nhiệt đến năng lượng tiêu hao và chất lượng mực khô

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015 54 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC ẢNH HƯỞNG CỦA CHẾ ĐỘ SẤY ĐỐI LƯU KẾT HỢP VỚI BƠM NHIỆT ĐẾN NĂNG LƯỢNG TIÊU HAO VÀ CHẤT LƯỢNG MỰC KHÔ THE EFFECTS OF CONVECTION DRYING CONDITIONS COMBINED WITH HEAT PUMP TO ENERGY CONSUMPTION AND QUALITY OF SQUID Trần Đại Tiến1, Lê Như Chính2 Ngày nhận bài: 25/3/2015; Ngày phản biện thông qua: 01/9/2015; Ngày duyệt đăng: 15/9/2015 TÓM TẮT Thiết bị sấy đối lưu bằng bơm nhiệt không những cải thiện được chất lượng sản phẩm thủy sản khô mà còn tiết kiệm năng lượng cho quá trình sấy. Bài báo giới thiệu về kết quả nghiên cứu sự biến đổi năng lượng tiêu hao và chất lượng của mực khô theo các chế sấy đối lưu kết hợp với bơm nhiệt ở vận tốc gió 1 đến 5 m/s, nhiệt độ sấy 350C đến 400C. Kết quả cho thấy chế độ sấy mực khô thích hợp ở vận tốc gió 2 m/s và nhiệt sấy 350C. Năng lượng tiêu hao để sấy 1 kg sản phẩm mực khô hết 2,94 Kwh giảm gần 7,3 lần so với mẫu sấy nóng bằng điện trở. Từ khóa: Bơm nhiệt, thiết bị sấy, đối lưu, mực khô ABSTRACT Convection drying equipment by Heat pump not only improves the quality of dried seafood products but also saves energy for the drying process. This article introduced the research results in combining the convective drying with heat pump to reduce the energy consumption and improve the quality of product. The controlled parameters were the air velocity ranging from 1-5m/s, drying temperature from 350C to 400C. The results of the optimization of drying process were 2.0 m/s and 350C correspond to energy comsumption of 2.94 kWh per kg of final product, reducing 7.3 times comparing to conventional drying with electrical heater. The sensorial quality and the rehydration of product were improved. Keywords: Heat pumps, drying equipment, convection, dried squid 1 TS. Trần Đại Tiến, 2 ThS. Lê Như Chính: Khoa Cơ khí - Trường Đại học Nha Trang I. ĐẶT VẤN ĐỀ Phương pháp sấy đối lưu là một phương pháp sấy truyền thống, nhưng ngày nay vẫn được sử dụng nhiều trong thực tế chế biến các sản phẩm thủy sản, nông sản khô vì có các ưu điểm: năng suất cao, dễ thực hiện, giá thành vừa phảiTuy nhiên với mực nguyên liệu có hàm lượng axit amin cao nên rất dễ biến nâu trong quá trình làm khô khi sấy đối lưu. Theo nghiên cứu của Haard [5] cho thấy các phản ứng tạo màu của enzym không liên quan đến sự tạo màu nâu của mực khô và nguyên nhân chủ yếu là cơ thịt mực có hàm lượng các axit amin cao. Kết quả nghiên cứu của Chung [4] thì phản ứng Maillard là nguyên nhân làm cho mực bị biến nâu, giảm khả năng hút nước phục hồi, hàm lượng các axit amin của mực khô ở nhiệt độ lớn hơn 350C tốc độ biến nâu xảy ra rất nhanh. Perera C.O [6] đã so sánh các phương pháp sấy và kết quả cho thấy sấy bằng bơm nhiệt chất lượng sản phẩm tốt hơn, năng lượng tiêu hao ít hơn so với các phương pháp khác. Tuy nhiên mực nguyên liệu sấy ở nhiệt độ thấp thời gian sấy kéo dài làm cho chất lượng sẽ bị giảm. Bằng phương pháp sấy đối lưu kết hợp với bơm nhiệt vẫn duy trì nhiệt độ sấy thấp nhưng do không khí trước khi qua dàn nóng để vào phòng sấy được làm lạnh và tách ẩm làm cho áp suất riêng phần hơi nước trong không khí ẩm giảm xuống nên động lực quá trình khuếch tán ẩm tăng lên làm cho thời gian sấy giảm xuống, chất lượng mực khô sẽ được cải thiện và năng lượng tiêu hao cũng được giảm xuống. Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 55 II. ĐỐI TƯỢNG, NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1. Nguyên liệu Đối tượng nghiên cứu là mực ống Trung Hoa (Loligo chinensis). Đây là loại mực có sản lượng tương đối lớn, giá trị xuất khẩu cao và phổ biến ở vùng biển Nam Trung Bộ. Mực làm thí nghiệm được thu mua tại bến cá Vĩnh Trường TP. Nha Trang với chất lượng tươi tốt, kích cỡ từ 7÷8 con/kg. Mực nguyên liệu sau khi thu mua xong được bảo quản trong các thùng xốp cách nhiệt và chuyển về Trường Đại học Nha Trang để xử lý. Sau khi xử lý xong được đưa vào sấy đối lưu kết hợp với bơm nhiệt ở nhiệt độ 35 ÷ 400C, vận tốc gió 1,0 ÷ 5,0 m/s cho đến khi độ ẩm đạt 20% thì kết thúc quá trình sấy rồi tiến hành đánh giá các chỉ tiêu: thời gian sấy, điểm chất lượng cảm quan (CLCQ), tỷ lệ hút nước phục hồi (HNPH), năng lượng tiêu hao cho 1kg mực khô theo sơ đồ bố trí thí nghiệm trên hình 2. 2. Thiết bị nghiên cứu Để nghiên cứu các chế độ sấy trên dùng thiết bị sấy đối lưu kết hợp với bơm nhiệt được lắp đặt và sử dụng tại Phòng thí nghiệm nhiệt lạnh, Trường Đại học Nha Trang và sơ đồ nguyên lý làm việc như trên hình 1. Hình 1. Sơ đồ nguyên lý làm việc của phương pháp sấy lạnh bằng bơm nhiệt Chú thích 1. Máy nén lạnh; 2. Lưới lọc; 3. Dàn lạnh; 4. Dàn nóng; 5. Dàn điện trở 6. Giá đỡ nguyên liệu sấy; 7; 8; 12; 13. Các van chặn ga. 9. Ống mao; 10. Phin lọc ẩm; 11. Dàn lạnh ngoài; 14. Khung đỡ thiết bị sấy; 15. Van hút chân không và nạp ga. Đặc điểm của thiết bị sấy - Buồng sấy dạng hình hộp chữ nhật kích thước: cao 0,45m; rộng 0,55m và dài 1,3m. - Quạt gió cho phòng sấy có công suất 110W. Vận tốc gió được điều chỉnh bằng phương pháp thay đổi số vòng quay của trục quạt qua chiết áp. - Khi cần sấy đối lưu kết hợp với bơm nhiệt. Cho bơm nhiệt hoạt động và nhiệt độ tác nhân sấy được điều chỉnh qua van chặn hút 7 hoặc 8. - Khi sấy bằng điện trở cho bơm nhiệt ngừng hoạt động và cho dàn điện trở 5 hoạt động. - Điều chỉnh nhiệt độ tác nhân sấy thông qua rờ le nhiệt độ hiện số Eliwell. 3. Phương pháp nghiên cứu 3.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm Mực nguyên liệu Xử lý Các chỉ tiêu đánh giá Sấy đối lưu bằng bơm nhiệt ở chế độ: nhiệt độ 35 ÷ 400C; vận tốc gió 1,0 ÷ 5,0 m/s; độ ẩm sản phẩm đạt 20% Sấy đối lưu cấp nhiệt bằng điện trở ở chế độ: nhiệt độ 400C; vận tốc gió 2,0 m/s; độ ẩm sản phẩm đạt 20% Thời gian sấy Chất lượng cảm quan Tỷ lệ hút nước phục hồi Năng lượng điện tiêu hao Hình 2. Sơ đồ bố trí thí nghiệm Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015 56 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG 3.2. Các phương pháp đánh giá - Độ ẩm của nguyên liệu biến đổi trong quá trình sấy được xác định bằng phương pháp cân khối lượng, dùng cân điện tử với độ chính xác 0,001gam và tính theo công thức sau: Trong đó: G1 là khối lượng mẫu ban đầu (gam); Gi là khối lượng mẫu cân sau khi sấy ở thời điểm thứ i (gam); W1; Wi là độ ẩm ban đầu và sau khi sấy của nguyên liệu ở thời điểm thứ i (%). - Xác định vận tốc chuyển động của không khí tại phòng sấy bằng lưu tốc kế hiện số Testo 405V1. - Xác định nhiệt độ của không khí tại phòng sấy bằng nhiệt kế hiện số Elliwell. - Đánh giá CLCQ bằng phương pháp cho điểm theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN3215-79 [2]. - Tỷ lệ hút nước phục hồi của sản phẩm (SP) sau khi sấy được xác định bằng phương pháp ngâm SP khô trong nước cất cho đến khi cân đến khối lượng không thay đổi và được tính như sau: (%); G1 và G2 là khối lượng SP khô trước và sau khi ngâm vào nước (gam). - Xác định dòng điện của thiết bị bằng Ampe kìm hiện số TESTO-3010 của Đài Loan. III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 1. Sự biến đổi chất lượng mực khô và năng lượng tiêu hao (NLTH) theo vận tốc gió sấy ở nhiệt độ 350C Sự biến đổi về thời gian sấy, điểm chất lượng cảm quan (CLCQ), tỷ lệ hút nước phục hồi (HNPH), năng lượng tiêu hao (NLTH) của mực khô theo vận tốc gió sấy lạnh ở nhiệt độ sấy 350C được thể hiện ở bảng 1 và trên hình 3 cho thấy mực khô sấy ở vận tốc gió từ 1m/s đến 2,0 m/s điểm CLCQ, tỷ lệ HNPH tăng lên, thời gian sấy giảm xuống. Tuy nhiên sau chế độ sấy 2 m/s vận tốc gió tăng thì điểm CLCQ, tỷ lệ hút nước lại giảm xuống và thời gian sấy lại tăng lên. Năng lượng tiêu hao cho một kg sản phẩm mực khô đều tăng khi vận tốc gió tăng từ 1 đến 5 m/s . Đặc biệt sấy ở chế độ vận tốc gió 4,0 đến 5,0 m/s NLTH tăng khá nhanh so với sấy ở chế độ 2 m/s. Cụ thể sấy ở 4 m/s và 5 m/s NLTH lớn gấp 3,5 lần và 9,6 lần so với sấy ở 2 m/s. Bảng 1. Sự biến đổi chất lượng mực khô và NLTH theo vận tốc gió sấy ở nhiệt độ 350C STT Các thông số Vận tốc gió (m/s) 1 2 3 4 5 1 Thời gian sấy; h 7,80 7,40 8,20 9,60 11,6 2 Điểm CLCQ 18,78 19,36 19,02 18,56 18,42 3 Tỷ lệ hút nước phục hồi; % 66,73 71,30 70,05 67,32 67,02 4 Năng lượng điện tiêu hao cho 1 kg SP khô; kWh/kgSP 2,37 2,94 3,91 10,40 28,15 Có sự khác biệt trên là do khác nhau về lượng ẩm bay hơi: G = F.β.(Ps - Ph).τ; Trong đó G là lượng ẩm bay hơi khỏi bề mặt nguyên liệu, tỷ lệ thuận với hệ số bay hơi β, sự chênh lệch áp suất hơi nước trên bề mặt nguyên liệu với áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí ẩm (Ps - Ph); áp suất Ps và Ph của mẫu sấy trên như nhau vì nhiệt độ sấy 35 0C không thay đổi, chỉ khác nhau về hệ số bay hơi β. Mà hệ số bay hơi β lại tỷ lệ thuận với vận tốc gió chuyển động qua bề mặt nguyên liệu. Hình 3. Biến đổi chất lượng mực khô và NLTH theo vận tốc gió sấy ở nhiệt độ 350C Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 57 Ở chế độ sấy vận tốc gió tăng 1m/s đến 2,0 m/s làm cho cường độ khuếch tán ngoại tăng, đồng thời cường độ khuếch tán ngoại phù hợp với cường độ khuếch tán nội nên thời gian sấy giảm xuống dẫn đến điểm CLCQ và HNPH của mực khô tăng lên. Kết quả thực nghiệm cho thấy sấy ở 1 m/s điểm CLCQ là 18,78, tỷ lệ HNPH 66,73%, thời gian sấy hết 7,8h nhưng sấy ở 2 m/s điểm CLCQ và tỷ lệ hút nước phục hồi của mực khô đã tăng lên 19,36 điểm và 71,30% và thời gian sấy giảm xuống còn 7,4h. Tuy nhiên sau chế độ sấy 2 m/s vận tốc gió tăng làm cho cường độ cường độ khuếch tán ngoại tăng. Nhưng đã xảy ra hiện tượng tạo màng khô trên bề mặt nguyên liệu mực sấy làm cho ẩm trong nguyên liệu mực dịch chuyển ra bề mặt ngoài khó khăn hơn nên thời gian sấy kéo dài dẫn đến điểm CLCQ và tỷ lệ HNPH trở lại của mực khô giảm xuống. Từ kết quả nghiên cứu cho thấy mực khô được sấy ở vận tốc gió 2m/s cho điểm CLCQ cao nhất là 19,36 điểm, tỷ lệ HNPH là 71,30%, thời gian sấy ngắn nhất là 7,4h và NLTH hết 2,94 Kwh/kgSP. Kết quả trên cũng phù hợp với sấy cá gầy vận tốc gió tối thiểu phải lớn 0,7 m/s [1] và dược liệu từ 2 đến 3 m/s [3]. 2. Sự biến đổi chất lượng mực khô và NLTH theo vận tốc gió sấy ở nhiệt độ 400C Qui luật biến đổi về thời gian sấy, điểm CLCQ, tỷ lệ HNPH, năng lượng tiêu hao của mực khô theo vận tốc gió sấy ở nhiệt độ sấy 400C được thể hiện ở bảng 2 và trên hình 4 cho thấy giống như sấy ở 350C. Mặc dù cùng vận tốc gió nhưng do nhiệt độ sấy cao hơn đã làm tăng áp suất hơi nước trên bề mặt mực nguyên liệu sấy nên lượng ẩm thoát ra nhiều hơn và thời gian sấy giảm xuống. Tuy nhiên cơ thịt mực giàu hàm lượng axit amin và sấy ở nhiệt độ 400C cao hơn so với sấy ở 350C làm tăng phản ứng Maillard dẫn đến mực khô bị biến nâu nên điểm CLCQ, tỷ lệ HNPH của mực khô giảm xuống, đồng thời năng lượng tiêu hao cho 1kg sản phẩm mực khô tăng lên. Kết quả nghiên cứu trên cũng phù hợp với nghiên cứu của Chung là mực sấy ở nhiệt độ lớn hơn 350C tốc độ biến nâu xảy ra rất nhanh [4]. Bảng 2. Sự biến đổi chất lượng mực khô và NLTH theo vận tốc gió sấy ở nhiệt độ 400C STT Các thông số Vận tốc gió (m/s) 1 2 3 4 5 1 Thời gian sấy; h 6,5 6,2 7,0 7,4 8,2 2 Điểm CLCQ 18,98 19,02 18,92 18,46 18,22 3 Tỷ lệ hút nước phục hồi; % 65,70 70,38 70,05 68,27 65,00 4 Năng lượng điện tiêu hao cho 1 kg SP; Kwh 2,57 4,05 11,67 21,76 37,04 Qua kết quả nghiên cứu và thảo luận trên cho thấy sản phẩm mực khô cần sấy lạnh ở nhiệt độ 350C, vận tốc gió 2 m/s là thích hợp. Hình 4. Biến đổi chất lượng mực khô và NLTH theo vận tốc gió sấy ở nhiệt độ 400C 3. So sánh chất lượng mực khô và NLTH theo các phương pháp sấy Từ kết quả nghiên cứu đã chọn được chế độ sấy thích hợp cho mực khô ở nhiệt độ 350C, vận tốc gió 2 m/s (MSTH). Do đó cần so sánh về thời gian sấy, điểm CLCQ, tỷ lệ HNPH và năng lượng tiêu hao cho mực khô được sấy ở chế độ thích hợp trên với mẫu mực khô sấy nóng được gia nhiệt bằng điện trở (MĐC) ở nhiệt độ sấy 400C, vận tốc gió 2 m/s và kết quả thể hiện ở bảng 3, trên hình 5 cho thấy: Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 3/2015 58 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG Bảng 3. So sánh chất lượng và năng lượng của mực khô theo các phương pháp sấy STT Các thông số MSTH MĐC 1 Thời gian sấy; h 7,40 10,6 2 Điểm CLCQ 19,36 17,82 3 Tỷ lệ hút nước phục hồi (HNPH); % 71,3 57,04 4 Năng lượng tiêu hao cho 1 kg mực khô (NLTH); Kwh/kg.SP 2,94 21,42 5 Hiệu quả năng lượng sấy SMER; kg nước/kWh 1,02 0,14 Điểm CLCQ, tỷ lệ HNPH của mẫu sấy ở chế độ thích hợp đều cao hơn hẳn so với mẫu đối chứng. Thời gian sấy ngắn hơn, năng lượng điện tiêu hao ít hơn. Để được 1kg sản phẩm mực khô nếu sấy lạnh bằng bơm nhiệt hết 2,94 kWh, trong khi đó sấy nóng bằng điện trở phải mất 21,42 kWh lớn hơn gấp 7,3 lần. Điều đó cho thấy thiết bị sấy đối lưu bằng bơm nhiệt không chỉ cải thiện chất lượng sản phẩm mực khô mà còn tiết kiệm được năng lượng đáng kể. Hiệu quả năng lượng sấy (SMER) là lượng ẩm được tách ra từ nguyên liệu sấy khi tiêu hao 1 Kwh cho sản phẩm mực khô ở chế độ sấy thích hợp là 1,02 Kgnước/kwh lớn hơn hẳn so với mẫu sấy nóng bằng điện trở 0,14 Kgnước/kWh. Kết quả nghiên cứu trên về hiệu quả năng lượng sấy (SMER) cũng phù hợp với kết quả nghiên cứu của Perera [6] là SMER của mẫu sấy lạnh bằng bơm nhiệt từ 1,0 đến 4,0 Kgnước/kwh và của mẫu sấy bằng không khí nóng 0,12 đến 1,28 Kg nước/ kWh. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Nguyễn Trọng Cẩn, Đỗ Minh Phụng , 1990. Công nghệ chế biến thực phẩm thủy sản, tập 2. NXB Nông nghiệp, Hà Nội. 2. Ngô Thị Hồng Thư,1989. Kiểm nghiệm thực phẩm bằng phương pháp cảm quan. NXB Khoa học Kỹ thuật. 3. Phạm Văn Tùy, 2004. Nghiên cứu thực nghiệm sấy lạnh dược liệu bằng bơm nhiệt ở nhiệt độ thấp, Tạp chí Khoa học và Công nghệ nhiệt số 59 tháng 9. Tiếng Anh 4. Chung Hong Tsai., Pan B.S., Kong M.S., 1989a. Quality evaluation index of dried squid I - Flavor index, Food Sci ( Taiwan ), 16(2), 119-128. 5. Haard N.F. and Arcilla R, 1985. Precursors of maillard browing in atlantic short finned squid, Can Ints Food Sciene Technologists J., 18(4), 326-331. 6. Perera C.O. and Rahman M.S, 1990. Heat pump drying, in Trends Food Science Technology., 8(3), 75. Hình 5. Biến đổi chất lượng của mực khô và NLTH theo các phương pháp sấy IV. KẾT LUẬN Chế độ sấy đối lưu kết hợp với bơm nhiệt cho mực khô ở chế độ sấy thích hợp: nhiệt độ sấy 350C, vận tốc gió 2,0 m/s cho CLCQ 19,36 điểm và tỷ lệ hút nước phục hồi 71,30% lớn hơn hẳn so với mẫu sấy nóng bằng điện trở chỉ đạt 17,82 điểm và tỷ lệ hút nước phục hồi 57,04%. Thời gian sấy ngắn hơn và năng lượng tiêu hao cho 1 kg sản phẩm mực khô hết 2,94 kWh, giảm gần 7,3 lần so với mẫu sấy nóng bằng điện trở.