Luận án tiến sĩ công nghệ thực phẩm nghiên cứu kỹ thuật sấy đối lưu bởi tác nhân

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THỊ VÂN LINH NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT SẤY ĐỐI LƯU BỞI TÁC NHÂN SẤY NHIỆT ĐỘ THẤP CÓ SỰ KẾT HỢP CỦA MICROWAVE TRÊN NGUYÊN LIỆU KHỔ QUA (MOMORDICA CHARANTIA L.) LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP. HỒ CHÍ MINH - NĂM 2021 ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THỊ VÂN LINH NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT SẤY ĐỐI LƯU BỞI TÁC NHÂN SẤY NHIỆT ĐỘ THẤP CÓ SỰ KẾT HỢP CỦA MICROWAVE TRÊN NGUYÊN LIỆU KHỔ QUA (MOMORDICA CHARANTIA L.) Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm Mã số chuyên ngành: 62540101 Phản biện độc lập: TS.

Phạm Văn Tấn Phản biện độc lập: TS. Nguyễn Đức Vượng Phản biện: PGS. Nguyễn Tấn Dũng Phản biện: PGS. Lê Nguyễn Đoan Duy Phản biện: PGS.

Trần Thanh Trúc NGƯỜI HƯỚNG DẪN: 1. Trần Bích Lam 2. Huỳnh Tiến Phong LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.

Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Chữ ký Nguyễn Thị Vân Linh i TÓM TẮT LUẬN ÁN Rau trái là nguồn thực phẩm quan trọng giàu vitamin, khoáng, chất xơ cùng hoạt tính chống oxy hóa. Rau trái thường chứa lượng ẩm rất cao cùng hoạt động sinh lý vẫn tiếp diễn sau thu hoạch nên được xếp vào nhóm thực phẩm dễ bị hư hỏng gây ra tổn thất lớn sau thu hoạch. Để hạn chế tổn thất sau thu hoạch, kỹ thuật sấy thường được sử dụng nhằm loại bỏ ẩm khỏi nguyên liệu nhờ vậy làm tăng tính ổn định của sản phẩm đồng thời thuận tiện đóng gói và phân phối.

Kỹ thuật sấy đối lưu nhiệt độ thấp có sự kết hợp của vi sóng (viết tắt là LTMWAD) là một kỹ thuật sấy mới ở thế giới và Việt Nam. Trong nghiên cứu này, công suất vi sóng riêng (viết tắt là MWPD) được khảo sát từ 1,5 đến 4,5 W/g để đảm bảo độ đồng nhất khi gia nhiệt, và nhiệt độ tác nhân sấy (viết tắt là Tair) được khảo sát từ 20 đến 30°C để đảm bảo sấy ở nhiệt độ thấp dưới nhiệt độ phòng. Luận án đã nghiên cứu, đánh giá, xác định được đặc tính, bản chất sấy và quy luật ảnh hưởng của kỹ thuật LTMWAD với vật liệu nghiên cứu là khổ qua. Khổ qua được chọn lựa làm vật liệu đại diện để nghiên cứu vì đây là một nguyên liệu giàu hoạt chất chống oxy hóa như phenolic, vitamin C,… và được sử dụng đa dạng làm thực phẩm, thực phẩm chức năng, thành phần dược phẩm.

Kết quả nghiên cứu cho thấy: 1- Phương pháp sấy kết hợp không khí khô nhiệt độ thấp (20-30°C) với bức xạ vi sóng trong suốt quá trình sấy có thể khắc phục nhược điểm của phương pháp sấy nhiệt độ thấp về thời gian sấy (như là đạt độ ẩm sản phẩm 0,01 g/gck sau 160 phút sấy ở 4,5 W/g, 30°C, hoặc sau 330 phút khi sấy ở 3,0 W/g, 20°C) và khắc phục nhược điểm của phương pháp sấy bằng vi sóng về phân bố nhiệt nhờ tăng động lực thoát ẩm và duy trì được nhiệt độ vật liệu sấy thấp (dưới 35°C) và gần nhiệt độ tác nhân sấy. Điều này sẽ hạn chế phân hủy các hợp chất có hoạt tính sinh học. 2- Trong điều kiện cố định các yếu tố liên quan đến vật liệu sấy thì các nhân tố liên quan đến quá trình sấy (MWPD, Tair, vận tốc tác nhân sấy) có mức độ ảnh hưởng khác nhau đến quá trình sấy LTMWAD. MWPD, và Tair là những nhân tố ảnh hưởng phức tạp khi đồng thời ảnh hưởng đến khả năng thoát ẩm khỏi vật liệu cũng như tốc độ của các phản ứng phân hủy trong suốt quá trình sấy.

Trong khi đó, ở cùng một điều kiện MWPD và Tair, vận tốc tác nhân sấy chỉ ảnh hưởng ý nghĩa đến khả năng thoát ẩm khỏi vật liệu sấy. ii 3- Mô hình Weibull được xác định phù hợp để mô tả sự thoát ẩm của khổ qua trong quá C (t) ! trình sấy. Mô hình Cs ≅ e−(t⁄") phù hợp để dự báo sự thay đổi của hàm lượng phenolic s0 tổng (TPC), vitamin C trong quá trình sấy khổ qua bằng phương pháp LTMWAD. Mô hình bậc 1 phù hợp để dự báo sự thay đổi giá trị của các thông số màu sắc (hệ CIE L*a*b*) và mô hình bậc 0 dùng để dự báo sự thay đổi của giá trị DE trong quá trình sấy khổ qua.

Mô hình Peleg phù hợp để mô tả sự hút nước của cát lát khổ qua sấy khô. 4- Trong khoảng công suất vi sóng riêng và nhiệt độ tác nhân sấy khảo sát, khi tăng MWPD và/hoặc tăng Tair đã làm tăng tốc độ thoát ẩm và tăng cả tốc độ biến đổi thành phần hóa học (TPC, vitamin C), tăng tốc độ thay đổi màu sắc (thông số L*, a*, b*, DE). Khi thay đổi Tair từ 20 đến 30°C, MWPD thay đổi từ 1,5 đến 4,5 W/g , năng lượng hoạt hóa cho quá trình quá với quá trình thoát ẩm thay đổi từ 1,025 đến 0,670 W/g đối với quá trình sấy bỏ qua sự co rút của mẫu sấy, và thay đổi từ 1,064 đến 0,743 W/g đối với quá trình sấy không bỏ qua sự co rút của mẫu sấy. Đối với quá trình phân hủy TPC và vitamin C thì năng lượng hoạt hoá thay đổi lần lượt từ 1,610 đến 1,195 W/g, và từ 2,719 đến 1,515 W/g.

Mối tương quan giữa thời gian bán hủy của TPC, vitamin C, hằng số thời gian của các thông số màu sắc, hằng số động học hút nước của lát khổ qua sấy khi sấy LTMWAD với MWPD (thay đổi từ 1,5 đến 4,5 W/g, biến mã hóa x1) và Tair (thay đổi từ 20 đến 30°C, biến mã hóa x2) đã được xác định như sau: t1⁄2 (phenolics, phút) = 303 − 158x1 − 56x2 + 69x1 x2 t1⁄2 (vitamin C, phút) = 164 − 57x1 − 16x2 'L* (phút) = 684 − 167x1 − 130x2 'a* (phút) = 227 − 95x1 − 68x2 + 54x21 + 44x22 + 67x1 x2 'b* (phút) = 712 − 140x1 − 174x2 + 174x21 '∆E(phút) = 9,42 − 2,60x1 − 2,14x2 + 1,31x21 + 0,56x22 + 0,91x1 x2 k1 = 3,92 − 0,73x1 − 0,34x2 − 0,75x3 + 0,30x1 x3 k2 = 0,17×10-3 − 6,657×10-3 x1 − 7,269×10-3 x2 − 4,987×10-3 x21 6- Sự phân hủy TPC và vitamin C trong nghiên cứu này được giả định chủ yếu do quá trình phân hủy bởi enzyme. Các lát khổ qua bị sậm màu sau quá trình sấy LTMWAD được xác định chủ yếu là do quá trình phân hủy TPC. iii 7- Khổ qua với đặc tính xốp và hút nước nên trong suốt quá trình sấy đã xảy ra hiện tượng co rút đáng kể. Trong nghiên cứu này đã xác định hiện tượng co rút này ở khổ qua đã ảnh hưởng lớn đến các giá trị đặc trưng cho hiệu quả thoát ẩm (hệ số khuếch tán ẩm), sự co rút làm cho các giá trị khuếch tán ẩm hiệu dụng giảm trong suốt quá trình sấy.

Bên cạnh đó, khi sấy với mức MWPD thấp (1,5 W/g) sự co rút tăng khi tăng nhiệt độ tác nhân sấy sẽ gây trở lực làm giảm khả năng thoát ẩm khỏi vật liệu sấy. Sự co rút cũng đã làm biến đổi cấu trúc bên trong, gây ra những tổn thương bất thuận nghịch trong quá trình sấy làm cho mẫu sấy không thể trở lại trạng thái ban đầu sau quá trình hút nước. Sự gẫy vỡ cấu trúc này còn làm tăng độ dốc suy giảm hàm lượng TPC, vitamin C trong quá trình sấy khi độ ẩm của vật liệu sấy đạt tới điểm tới hạn khoảng 5,5 đến 6 g/gck. iv ABSTRACT Fruits and vegetables are important sources of essential nutrients such as vitamins, minerals, and fiber with high antioxidant capacity.

Because of high moisture content, they are classified as highly perishable commodities leading to a high loss of quality after harvest. Drying technology was conducted to reduce postharvest loss. After the drying process, the moisture was removed from fruits and vegetables, leading to the dried products were improved storage stability and required minimum in packaging and transportation loads. Drying techniques that combined low-temperature convective drying and microwave radiation (LTMWAD) are relatively new drying methods in the world and Vietnam.

In this study, microwave power density, MWPD, was investigated, ranging from 1,5 to 4,5 W/g to ensure uniform heating, and air-drying temperature, Tair, was changed from 20 to 30°C to perform the drying process at a temperature less than room temperature. The thesis has elucidated the nature and characteristics of the LTMWAD drying technique and its influence on the qualities of bitter melons. Bitter melon was chosen as materials because they are rich in bioactive compounds, for example, flavonoids, phenolics, and vitamin C, with high antioxidant capacity. Additionally, bitter melon has various usages, such as food, functional food, or pharmaceutical composition.

The results showed that: 1- Longer drying time is one of the main disadvantages of low temperature drying method while heterogenous thermal distribution is a limitation of microwave-assisted drying method. Air drying at low temperature (20-30°C) combined with microwave radiation during the drying process could overcome the disadvantages of the two methods mentioned above by increasing the driving force of moisture removal and maintaining low temperature of dried materials (below 35°C) which was close to the temperature of drying agent. Specifically, for product moisture to reach 0., the drying time at 3.0 W/g and 20°C was 330 minutes whereas at 4.5 W/g and 30°C, the total time of 160 minutes was required. This also helps to restrain the breakdown of biologically active compounds in bitter melons.

2- Microwave power density (MWPD) and air-drying temperature (Tair) were the most critical factors in the LTMWAD. These factors significantly impacted the drying rate v and reaction rate during LTMWAD of the bitter melon slice. Besides, air velocity had only a significant effect on the ability of moisture removal. 3- Weibull model was chosen to characterize the behavior of moisture evaporation Cs (t) ! during LTMWAD.

The mathematical model ≅ e−(t⁄") has been proven to be best Cs0 for determining vitamin C and total phenolic content (TPC) changes during LTMWAD. The color change could be determined using the first-order model for the change of L*, a*, b* values and the zero-order model for the change of DE values during LTMWAD, respectively. The rehydration kinetic could be characterized by the Peleg equation. 4- The results showed that the increase of MWPD and/or Tair increased moisture removal rate, the rate of changes in the chemical composition content (TPC, vitamin C), and the rate of color (L*, a*, b*, DE) changes.

Activation energies for the evaporation process were from 1,025 to 0,670 W/g without shrinkage phenomena and from 1,064 to 0,743 W/g with shrinkage phenomena, when Tair changed from 20 to 30°C and MWPD varied from 1,5 to 4,5 W/g. And, Activation energies for vitamin C and TPC degradation reactions also were found to be from 1,610 to 1,195 W/g, and from 2,719 to 1,515 W/g, respectively.