Mã số N1112: Hệ thống sấy cửa sổ khúc xạ - Một phương thức sấy hiệu quả trong sản xuất bột trái cây từ nguyên liệu dạng dung dịch hoặc dạng sệt

Công nghệ Sấy Trong Chế Biến và Bảo Quản Thực Phẩm

Sấy là một quá trình công nghệ quan trọng trong chế biến và bảo quản thực phẩm. Các sản phẩm thực phẩm qua quá trình sấy mang đến giá trị cao về sử dụng và kinh tế vì dễ sử dụng, dễ bảo quản, dễ vận chuyển, thuận tiện đóng gói, hạn sử dụng dài. Hiện nay, trong sản xuất các quá trình sấy phổ biến được ứng dụng gồm sấy đối lưu bằng không khí nóng, sấy phun và sấy thăng hoa. Mỗi phương pháp sấy đều có những ưu nhược điểm nhất định và chỉ phù hợp với một số đặc tính nguyên liệu và yêu cầu của sản phẩm sấy. Trong sản xuất sản phẩm dạng bột đặc biệt là bột trái cây có hàm lượng béo cao hoặc đường cao thì thách thức lớn nhất là loại ẩm khỏi nguyên liệu đến độ ẩm có thể thu được trạng thái bột (tùy phương pháp có thể tiến hành quá trình nghiền hoặc không cần nghiền như sấy phun). Trong các nghiên cứu trước, những phương pháp sấy chủ yếu được nghiên cứu trong sản xuất bột trái cây chủ yếu gồm phương pháp sấy thăng hoa, phương pháp sấy trống và phương pháp sấy phun. Tuy nhiên ở mỗi phương pháp nêu trên đều có những ưu nhược điểm cần cân nhắc khi triển khai ứng dụng cho từng loại nguyên liệu.

Gần đây, những thế hệ kỹ thuật sấy mới, hiện đại được quan tâm phát triển trong lĩnh vực sấy nhằm cải thiện chất lượng sản phẩm, trong đó đặc biệt quan tâm đến kỹ thuật sấy cửa sổ khúc xạ (refractance window, viết tắt là RW). Phương pháp sấy RW là một phương pháp sấy hiện đại thuộc thế hệ kỹ thuật sấy thứ 4, được thiết kế chủ yếu để tách ẩm các puree trái cây thành dạng bột, dạng miếng hoặc dạng cô đặc. Phương pháp sấy này đã và đang thể hiện khả năng loại ẩm hiệu quả khỏi vật liệu sấy cùng với khả năng dễ dàng kiểm soát thông số công nghệ trong quá trình sấy cũng như mang đến hiệu quả cao về năng lượng tiêu thụ.

Hiện nay, tại Việt Nam chỉ mới có hệ thống sấy cửa sổ khúc xạ (RW) quy mô pilot với năng suất đạt được tối đa 40kg nguyên liệu/ngày được thiết kế chế tạo thành công bởi nhóm tác giả gồm TS. Nguyễn Thị Vân Linh, TS. Trần Thị Tường Vi và sự hỗ trợ thực nghiệm của KS. Huỳnh Quốc Trung (Trường Đại học Nguyễn Tất Thành). Thiết bị có nhiều đóng góp ý nghĩa đến lĩnh vực khoa học và công nghệ, đào tạo, kinh tế và xã hội.

Sấy là một quá trình công nghệ quan trọng trong chế biến và bảo quản thực phẩm. Các sản phẩm thực phẩm qua quá trình sấy mang đến giá trị cao về sử dụng và kinh tế vì dễ sử dụng, dễ bảo quản, dễ vận chuyển, thuận tiện đóng gói, hạn sử dụng dài. Hiện nay, trong sản xuất các quá trình sấy phổ biến được ứng dụng gồm sấy đối lưu bằng không khí nóng, sấy phun và sấy thăng hoa. Mỗi phương pháp sấy đều có những ưu nhược điểm nhất định và chỉ phù hợp với một số đặc tính nguyên liệu và yêu cầu của sản phẩm sấy. Trong sản xuất sản phẩm dạng bột đặc biệt là bột trái cây có hàm lượng béo cao hoặc đường cao thì thách thức lớn nhất là loại ẩm khỏi nguyên liệu đến độ ẩm có thể thu được trạng thái bột (tùy phương pháp có thể tiến hành quá trình nghiền hoặc không cần nghiền như sấy phun). Trong các nghiên cứu trước, những phương pháp sấy chủ yếu được nghiên cứu trong sản xuất bột trái cây chủ yếu gồm phương pháp sấy thăng hoa, phương pháp sấy trống và phương pháp sấy phun. Tuy nhiên ở mỗi phương pháp nêu trên đều có những ưu nhược điểm cần cân nhắc khi triển khai ứng dụng cho từng loại nguyên liệu.

Gần đây, những thế hệ kỹ thuật sấy mới, hiện đại được quan tâm phát triển trong lĩnh vực sấy nhằm cải thiện chất lượng sản phẩm, trong đó đặc biệt quan tâm đến kỹ thuật sấy cửa sổ khúc xạ (refractance window, viết tắt là RW). Phương pháp sấy RW là một phương pháp sấy hiện đại thuộc thế hệ kỹ thuật sấy thứ 4, được thiết kế chủ yếu để tách ẩm các puree trái cây thành dạng bột, dạng miếng hoặc dạng cô đặc. Phương pháp sấy này đã và đang thể hiện khả năng loại ẩm hiệu quả khỏi vật liệu sấy cùng với khả năng dễ dàng kiểm soát thông số công nghệ trong quá trình sấy cũng như mang đến hiệu quả cao về năng lượng tiêu thụ.

Hiện nay, tại Việt Nam chỉ mới có hệ thống sấy cửa sổ khúc xạ (RW) quy mô pilot với năng suất đạt được tối đa 40kg nguyên liệu/ngày được thiết kế chế tạo thành công bởi nhóm tác giả gồm TS. Nguyễn Thị Vân Linh, TS. Trần Thị Tường Vi và sự hỗ trợ thực nghiệm của KS. Huỳnh Quốc Trung (Trường Đại học Nguyễn Tất Thành). Thiết bị có nhiều đóng góp ý nghĩa đến lĩnh vực khoa học và công nghệ, đào tạo, kinh tế và xã hội.

Giá trị của sản phẩm bột trái cây

Rau trái là nguồn nông sản được trồng với lượng lớn trên toàn thế giới và là nguồn thực phẩm nhu cầu cao trong khẩu phần và dinh dưỡng của con người. Theo ước tính của tổ chức y tế thế giới (WHO) thì việc sử dụng đủ lượng rau trái hằng ngày có thể cứu sống khoảng 2.7 triệu người và giúp cho con người hạn chế các bệnh nghiêm trọng như các bệnh liên quan đến tim mạch và các bệnh ung thư (WHO, 2003).

Việc sử dụng trái cây chỉ ở dạng tươi rất khó đảm bảo tính kinh tế cũng như sự ổn định trong thương mại. Vì tất cả các loại rau trái hầu hết được xếp vào nhóm thực phẩm dễ hư hỏng do chứa hàm lượng nước cao. Đặc biệt, đối với những nhóm trái cây có đỉnh hô hấp càng dễ bị suy giảm chất lượng với tốc độ nhanh chóng sau thu hoạch, dễ bị thương tổn nên yêu cầu trong suốt quá trình thương mại cũng như bảo quản phải thật cẩn thận. Lượng nước cao trong nguyên liệu sẽ thúc đẩy các phản ứng hóa học (như oxy hóa, phản ứng hóa nâu không do enzyme), các phản ứng hóa sinh, và cả những hoạt động của vi sinh vật (nấm mốc, nấm men, vi khuẩn).

Đứng trước những khó khăn này, việc tham gia của ngành công nghệ thực phẩm sẽ góp phần tăng giá trị sử dụng của nông sản, tăng lợi ích kinh tế cho nông hộ và đồng thời tạo ra các sản phẩm mới cho người tiêu dùng. Một trong những sản phẩm chế biến sâu từ trái cây thì dòng sản phẩm dạng bột có hiệu quả vừa tăng giá trị (kinh tế, sử dụng) vừa giúp giảm tổn thất sau thu hoạch. Việc loại bỏ hoặc làm giảm hàm lượng nước trong thực phẩm sẽ hạn chế, ngăn chặn những biến đổi không muốn gây suy giảm chất lượng, gây hư hỏng ở thực phẩm. Sau khi loại bỏ ẩm, các hoạt động của enzyme cũng như của vi sinh vật sẽ bị vô hoạt, ức chế và chất lượng sản phẩm trở nên ổn định hơn trong thời gian dài. Hơn nữa, thể tích của sản phẩm giảm đi nhờ vậy sẽ tiết kiệm chi phí đóng gói, vận chuyển, và bảo quản.

Những giá trị dinh dưỡng mà bột trái mang lại bao gồm:

- Các hợp chất có hoạt tính sinh học cần thiết như vitamin, khoáng. Các hợp chất có hoạt tính sinh học không thiết yếu như các hợp chất phenolic, carotenoid (carotene hoặc xanthophyll), b-carotene và lycopene, phytosterol, saponin, tinh dầu, acid phytic.

- Các hợp chất chống oxy hoá

- Các hợp chất kháng khuẩn

- Chất xơ gồm xơ hoà tan và xơ không tan

Hiện sản phẩm bột trái cây có rất nhiều ứng dụng trong các sản phẩm thực phẩm như:

- Thực phẩm chức năng
 

- Các sản phẩm từ sữa
 

- Các sản phẩm ngũ cốc
 

- Đồ uống
 

- Thực phẩm dành cho trẻ em
 

- Thực phẩm dành cho người cao tuổi…

Những khó khăn và trở ngại trong các phương pháp sấy sản xuất bột trái cây trước đây

Phương pháp sấy phổ biến nhất để sản xuất bột trái cây là phương pháp sấy phun. Kỹ thuật sấy phun được sử dụng phổ biến hơn vì thời gian sấy ngắn có hiệu quả giảm tổn thất do phân huỷ các thành phần hoá học trong sản phẩm, đồng thời độ ẩm sản phẩm dao động từ 2-5%, hoạt tính nước từ 0.2-0.6 làm tăng tính ổn định của sản phẩm khi bảo quản. Tuy nhiên khi ứng dụng kỹ thuật này chất lượng sản phẩm sẽ thấp do hàm lượng chất mang bổ sung vào quá trình sấy khá lớn để cải thiện hiệu suất thu hồi bột cũng như hạn chế phân huỷ các thành phần hoá học như lycopene, β-carotene, anthocyanins, vitamin C, các hợp chất màu và mùi do nhiệt độ cao. Ứng dụng phương pháp sấy phun đã tạo ra một số sản phẩm bột trái cây như bột dứa, bột thanh long, bột dâu tằm đen, bột ổi,… Tuy nhiên khi sấy trái cây có hàm lượng đường cao thì hiện tượng kết dính là trở ngại chính trong sấy phun và làm cho sản phẩm bám dính vào thành thiết bị, giảm hiệu suất và chất lượng sản phẩm sấy.
 

Trong kỹ thuật sấy phun thì lượng chất mang bổ sung vào khá lớn (trong khoảng từ 40 đến 60%) mới cải thiện hiệu suất thu hồi bột. Việc bổ sung một lượng lớn phụ gia đã làm giảm chất lượng của thành phẩm. Bên cạnh đó, trong quá trình sấy phun sự tiếp xúc giữa nguyên liệu với dòng khí nóng nhiệt độ cao (140-170°C) cũng góp phần gây ra giảm chất lượng dinh dưỡng và cảm quan, đặc biệt là hàm lượng vitamin C, b-carotene, mùi vị,…
 

Một phương pháp phổ biến khác được thực hiện để cải thiện quá trình như sấy trống. Trong đó, hệ thống tang trống được gia nhiệt bằng hơi bão hòa nhiệt độ cao (120-170°C) trong lòng trống. Hệ thống sấy trống sẽ tạo ra các sản phẩm sấy dạng miếng từ dịch hoặc puree ban đầu. Tuy nhiên, nhiệt độ quá lớn khi sấy đã làm cho sản phẩm có mùi nấu và suy giảm chất lượng.
 

Hệ thống sấy cửa sổ khúc xạ (viết tắt RW)- Một phương thức sấy hiệu quả trong sản xuất bột trái cây từ nguyên liệu dạng dung dịch hoặc dạng sệt 
 

Sấy RW là phương pháp sấy mới đặc trưng bởi tốc độ sấy lớn, nên thời gian sấy nhanh và chi phí năng lượng sản xuất thấp, nâng cao được giá trị sản phẩm. RW được xếp vào phương pháp sấy thế hệ 4 được thiết kế chủ yếu để tách ẩm các puree trái cây thành dạng bột, dạng miếng, hoặc dạng cô đặc.
 

Nguyên lý hoạt động của hệ thống sấy cửa sổ khúc xạ
 

Một mô hình minh hoạ cho hệ thống sấy RW được thể hiện ở Hình 1 và thiết bị thực tế được thể hiện ở Hình 2. Nguồn nhiệt từ nước nóng sẽ được truyền vào thực phẩm qua lớp plastic với phương thức dẫn nhiệt và bức xạ nhiệt để bốc hơi ẩm.

Hình 1. Mô hình minh hoạ hệ thống sấy RW;
 Ghi chú: 1 – Quạt; 2 – Bể điều nhiệt; 3 – Buồng sấy; 4 – Vật liệu sấy; 5 – Lớp plastic; 6 – Điện trở gia nhiệt; 7 – Nước nóng; 8 – Bộ điều khiển điện tử.

Hình 2. Hệ thống sấy RW quy mô pilot được đặt tại Phòng sản xuất thực nghiệm, Trường Đại học Nguyễn Tất Thành

Ưu điểm của hệ thống sấy cửa sổ khúc xạ

(1) Thời gian sấy ngắn: đối với sản phẩm dạng dịch, dạng sệt thời gian sấy dao động từ vài phút đến vài chục phút có thể thu được sản phẩm có độ ẩm dưới 5%.

(2) Hiệu quả về năng lượng cao: phương pháp sấy cửa sổ khúc xạ được đánh giá có hiệu quả năng lượng tốt hơn so với sấy trống, sấy đối lưu bằng không khí nóng và sấy thăng hoa.

(3) Ít tổn thất chất lượng dinh dưỡng ở sản phẩm sấy

(4) Sấy được các loại hình dạng của vật liệu sấy từ nguyên miếng, nguyên lát đến dung dịch, dạng sệt

Thành tựu của hệ thống sấy cửa sổ khúc xạ trong phát triển sản phẩm thực phẩm

Hệ thống sấy cửa sổ khúc xạ hiện nay đã thành công trong việc tách ẩm những nguyên liệu trái cây vốn dĩ rất loại ẩm để tạo được trạng thái bột như xoài (giàu đường), thanh long (giàu pectin), bơ (giàu chất béo),… (Hình 3). Thời gian sấy của các loại sản phẩm này dao động từ 15 đến 25 phút và giá trị dinh dưỡng giữ lại đến hơn 85% giá trị dinh dưỡng của nguyên liệu. Các sản phẩm bột trái cây có thể sử dụng trực tiếp hoặc dùng làm nguồn nguyên liệu bổ sung dinh dưỡng khi phát triển các sản phẩm thực phẩm khác như đồ uống, bánh kẹo,…

Hình 3. Các sản phẩm bột xoài (a), bột thanh long (b) và bột bơ (c) được sản xuất bởi hệ thống sấy RW

Kết Luận

Phương pháp sấy truyền thống như sấy phun và sấy trống đã được sử dụng rộng rãi, nhưng gặp phải một số hạn chế về chất lượng sản phẩm và hiệu suất năng lượng. Phương pháp sấy cửa sổ khúc xạ RW không chỉ cải thiện thời gian sấy mà còn nâng cao chất lượng dinh dưỡng và cảm quan của sản phẩm. Thời gian sấy ngắn và hiệu quả năng lượng cao, không chỉ dễ dàng bảo quản và vận chuyển mà còn giữ được các giá trị dinh dưỡng quan trọng, góp phần nâng cao sức khỏe cộng đồng. Việc phát triển và ứng dụng kỹ thuật sấy RW không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn tạo ra những sản phẩm thực phẩm chất lượng cao, đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của người tiêu dùng. Đây là bước tiến quan trọng trong ngành công nghệ thực phẩm, góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành nông nghiệp và công nghiệp chế biến thực phẩm.