Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật nhiệt: Hoàn thiện công nghệ bảo quản quả vải, nhãn trong môi trường lạnh kết hợp bao gói khí cải biến bằng mô hình hô hấp - bay hơi - cân bằng năng lượng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:162

Thêm vào BST

Báo xấu

36
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu hoàn thiện công nghệ bảo quản quả vải và nhãn bằng phương pháp bao gói khí cải biến (MAP) trên cơ sở nghiên cứu quá trình hô hấp - bay hơi – cân bằng năng lượng nhằm tăng chất lượng và kéo dài thời gian bảo quản. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật nhiệt: Hoàn thiện công nghệ bảo quản quả vải, nhãn trong môi trường lạnh kết hợp bao gói khí cải biến bằng mô hình hô hấp - bay hơi - cân bằng năng lượng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HỒ HỮU PHÙNG HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ BẢO QUẢN QUẢ VẢI, NHÃN TRONG MÔI TRƯỜNG LẠNH KẾT HỢP BAO GÓI KHÍ CẢI BIẾN BẰNG MÔ HÌNH HÔ HẤP - BAY HƠI - CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT Hà Nội – 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HỒ HỮU PHÙNG HOÀN THIỆN CÔNG NGHỆ BẢO QUẢN QUẢ VẢI, NHÃN TRONG MÔI TRƯỜNG LẠNH KẾT HỢP BAO GÓI KHÍ CẢI BIẾN BẰNG MÔ HÌNH HÔ HẤP - BAY HƠI - CÂN BẰNG NĂNG LƯỢNG Ngành: Kỹ thuật nhiệt Mã số: 9520115 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. Nguyễn Việt Dũng 2. GS. TSKH. Trần Văn Phú Hà Nội - 2020
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai khác công bố trong bất kỳ công trình nào. Ngày 20 tháng 10 năm 2020 Thay mặt tập thể hướng dẫn Tác giả PGS. TS. Nguyễn Việt Dũng Hồ Hữu Phùng i
LỜI CẢM ƠN Với tất cả sự kính trọng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới: PGS. TS. Nguyễn Việt Dũng - là người thầy đầu tiên đã dìu dắt, chỉ bảo tận tình, chu đáo cho tôi trong thời gian bắt đầu nghiên cứu khoa học, từ khi làm luận văn thạc sỹ cũng như xuyên suốt quá trình làm luận án này. GS. TSKH. Trần Văn Phú – là người thầy luôn tận tâm với sự nghiệp khoa học, vẫn luôn động viên, khuyến khích và định hướng, giúp đỡ cho tôi hoàn thành luận án. Tôi xin trân trọng cảm ơn tập thể Bộ môn Kỹ thuật lạnh và ĐHKK và các cán bộ Viện KH&CN Nhiệt - Lạnh đã luôn quan tâm giúp đỡ, động viên để tôi hoàn thành được luận án này. Tôi xin trân trọng cảm ơn tập thể cán bộ Viện Cơ điện Nông nghiệp và Công nghệ STH, đặc biệt là TS. Nguyễn Thị Minh Nguyệt đã giúp đỡ tôi về nhiều mặt, đặc biệt là hỗ trợ tôi thực hiện rất nhiều thí nghiệm trong quá trình thực hiện luận văn. Đặc biệt, tôi xin gửi lời cảm ơn đến những người thương yêu nhất của tôi - mẹ tôi, vợ tôi, các con tôi và các anh chị em - đã luôn luôn đồng hành, động viên tôi hoàn thành luận án, đây là nguồn động viên lớn nhất để tôi có thể hoàn thiện luận án này. Nhân dịp này, cho phép tôi được cảm ơn đến các bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................... ii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .......................................... vi DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................. ix DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ............................................................x MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1 TỔNG QUAN VỀ BẢO QUẢN RAU QUẢ ....................... 7 1.1. Tổng quan về thị trường rau quả Việt Nam .................................................7 1.2. Tổng quan về bảo quản rau quả tươi .........................................................11 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình bảo quản .................................... 11 Các phương pháp bảo quản rau quả tươi.............................................15 Công nghệ nhiệt độ thấp kết hợp với bao gói khí cải biến .................. 23 1.3. Tổng quan về tình hình nghiên cứu ...........................................................26 Tình hình nghiên cứu ngoài nước .......................................................26 Tình hình nghiên cứu trong nước .......................................................37 1.4. Kết luận .................................................................................................... 38 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................ 39 2.1. Tổng quan về quá trình hô hấp của rau quả tươi........................................ 39 Cường độ hô hấp và hệ số hô hấp .......................................................40 Các yếu tố ảnh hưởng đến cường độ hô hấp .......................................42 2.2. Xây dựng mô hình hô hấp .........................................................................42 Quá trình hô hấp.................................................................................42 Mô hình hô hấp Michaelis-Menten.....................................................43 Các dạng mô hình hô hấp khai triển ...................................................44 2.3. Mô hình trao đổi nhiệt-trao đổi chất .......................................................... 46 Các giả thiết tính toán mô hình...........................................................46 Mô hình toán quá trình hô hấp - trao đổi chất .....................................47 Phương trình cân bằng entanpy .......................................................... 48 2.4. Phương pháp giải mô hình toán học .......................................................... 57 Các bước giải mô hình toán học .........................................................57 Phần mềm mô phỏng.......................................................................... 58 2.5. Kết luận .................................................................................................... 59 iii
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ..................................... 60 3.1. Phương pháp xác định cường độ hô hấp ...................................................60 Phương pháp hệ kín (Closed system) .................................................60 Phương pháp hệ hở (Flow-though system) .........................................61 Phương pháp hệ màng (Permeable system) ........................................ 61 Lựa chọn phương pháp thí nghiệm .....................................................61 3.2. Đối tượng thí nghiệm ................................................................................ 62 Đối tượng 1: Quả vải (Litchi chinensis Sonn.).................................... 62 Đối tượng 2: Quả nhãn (Dimocarpus longan) .....................................62 3.3. Số lượng và tổ chức thí nghiệm ................................................................ 62 Thí nghiệm đối với quả vải ................................................................ 62 Thí nghiệm đối với quả nhãn.............................................................. 64 3.4. Thiết bị thí nghiệm ...................................................................................65 Máy phân tích khí .............................................................................. 65 Bộ đo nhiệt độ, độ ẩm ........................................................................ 66 Tủ lạnh thí nghiệm .............................................................................68 3.5. Quy trình thí nghiệm.................................................................................68 3.6. Xử lý kết quả nghiên cứu thực nghiệm .....................................................69 3.7. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm .............................................................. 71 Xác định tham số mô hình nồng độ khí trong bao gói MAP ...............71 Xác định tham số mô hình cường độ hô hấp .......................................74 3.8. Kết luận .................................................................................................... 88 DỰ ĐOÁN CÁC THÔNG SỐ BẢO QUẢN ..................... 89 4.1. Dự đoán các thông số trong môi trường bình kín ...................................... 89 Dự đoán nồng độ khí trong bình kín cho quả vải ................................ 89 Dự đoán nồng độ khí trong bình kín cho quả nhãn .............................94 4.2. Dự đoán các thông số trong bao gói MAP............................................... 100 Lựa chọn màng bao gói .................................................................... 100 Dự đoán nồng độ khí trong bao gói .................................................. 101 Dự đoán nhiệt độ và độ ẩm trong bao gói ......................................... 108 Dự đoán độ hao hụt tự nhiên của quả trong bao gói .......................... 110 4.3. Đánh giá chất lượng bảo quản và kiểm chứng mô hình mô phỏng .......... 110 Kết quả thực nghiệm bảo quản quả vải trong bao gói ....................... 110 Kết quả thực nghiệm bảo quản quả nhãn trong bao gói .................... 113 4.4. Đề xuất ứng dụng ................................................................................... 117 iv
4.5. Kết luận .................................................................................................. 120 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................. 121 KẾT LUẬN ..................................................................................................... 121 KIẾN NGHỊ ..................................................................................................... 122 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .... 123 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................ 124 PHỤ LỤC.................................................................................................. 130 Phụ lục 1: Kim ngạch xuất khẩu rau quả Việt Nam .......................................... 130 Phụ lục 2: Nhiệt độ và độ ẩm bảo quản tối ưu .................................................. 131 Phụ lục 3: Độ thấm khí của một số Plastic Film ............................................... 136 Phụ lục 4: Nhận dạng tham số mô hình cường độ hô hấp ................................. 137 v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu: [CO2] : Nồng độ CO2 (%) [CO2]i : Nồng độ CO2 trong bao gói (%) [CO2]0 : Nồng độ CO2 bên ngoài bao gói (%) [O2] : Nồng độ O2 (%) [O2]i : : Nồng độ O2 bên trong bao gói (%) [O2]0 : : Nồng độ O2 bên ngoài bao gói (%) AS : Diện tích bề mặt quả (m2) Ap : Diện tích bao gói (m2) Ca : Nhiệt dung riêng của không khí (J.kg-1.K-1) Cs : Nhiệt dung riêng của quả (J.kg-1.K-1) D1 : Chiều dài theo mặt ngang của đỉnh bao gói (m) D2 : Chiều dài theo mặt ngang của đáy bao gói (m) D3 : Chiều dài theo phương đứng của mặt bên bao gói (m) di : Độ chứa hơi (kg hơi/kg không khí khô) hp : Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của bề mặt bao gói (J.h-1.m-2.K-1) hs : Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu của bề mặt quả (J.h-1.m-2.K-1) KmCO2 : Hằng số Michaelis - Menten tính theo lượng CO2 phát thải (%CO2) KmO2 : Hằng số Michaelis - Menten tính theo lượng O2 tiêu thụ (%O2) Kmc : Hằng số kìm hãm theo mô hình competitive (%O2 - %CO2) Kmu : Hằng số kìm hãm theo mô hình uncompetitive (%O2 - %CO2) Kmn : Hằng số kìm hãm theo mô hình noncompetitive (%O2 - %CO2) L : Độ dày màng bao bao gói (μm) ṁ1 : Lưu lượng nước bốc hơi từ bề mặt quả bên trong bao gói (kg/h) ṁ2 : Lưu lượng nước thấm trong bao gói ra môi trường bên ngoài (kg/h) ṁw : Cường độ thoát hơi nước trên bề mặt quả (kg/(m2h) mw : Lượng hơi nước bên trong bao gói (kg) PCO2 : Độ thấm khí CO2 của màng bao gói (ml.μm.m-2.h-1.atm-1) PO2 : Độ thấm khí O2 của màng bao gói, (ml.μm.m-2.h-1.atm-1) PH2O : Độ thấm khí CO2 của màng bao gói (ml.μm.m-2.h-1.atm-1) vi
Pi : Phân áp suất hơi nước bên trong bao gói (atm) Po : Phân áp suất hơi nước bên ngoài bao gói (atm) Ph” : Phân áp suất bão hòa Patm : Áp suất khí quyển (atm) QS : Nhiệt hô hấp của sản phẩm (J.h-1.kg-1) Qext : Nhiệt trao đổi đối lưu qua bề mặt sản phẩm (J.h-1) R : Hằng số chất khí (8.314 J.mol-1.K-1) RO2 : Cường độ hô hấp tính theo lượng O2 hấp thụ (ml.kg-1.h-1) RCO2 : Cường độ hô hấp tính theo lượng CO2 phát thải (ml.kg-1.h-1) φi : Độ ẩm tương đối của không khí bên trong bao gói (%) φo : Độ ẩm tương đối của không khí bên ngoài bao gói (%) φi,i : Độ ẩm tương đối ban đầu của không khí bên trong bao gói (%) φi : Độ ẩm tương đối của không khí bên trong bao gói (%) Ti : Nhiệt độ không khí bên trong bao gói (oC) To : Nhiệt độ không khí bên ngoài bao gói (oC) Ti,i : Nhiệt độ ban đầu của không khí bên trong bao gói (oC) τ : Thời gian (h) V : Thể tích tự do của bao gói (ml) VmO2 : Cường độ hô hấp cực đại tính theo lượng O2 hấp thụ (ml.kg-1.h-1) VmCO2 : Cường độ hô hấp cực đại tính theo lượng CO2 phát thải (ml.kg-1.h-1) Wa : Khối lượng của không khí khô trong bao gói (kg) Ws : Khối lượng của rau quả (kg) α : Hệ số chuyển đổi (0.7 ÷ 1.0) L(T) : Nhiệt ẩn hóa hơi của nước (J.kg-1) Ghi chú: Các ký hiệu "." trong các chữ số thể hiện cho số thập phân; ký hiệu "," thể hiện cho "nhóm" số. Đơn vị của nhiệt độ T là độ C (oC), trừ khi có ghi chú khác. Từ viết tắt: CA Điều chỉnh khí (Controlled Atmosphere) LDPE Bao bì polyetylen mật độ thấp (Low Density Polyetylen) MAP Cải biến khí (Modified Atmosphere Packaging) vii
MM Mô hình Michaelis-Menten MMC Mô hình hô hấp kiểu kìm hãm cạnh tranh (Competitive inhibition type) MMU Mô hình hô hấp kiểu kìm hãm phi cạnh tranh (Uncompetitive inhibition type) MMU Mô hình hô hấp kiểu kìm hãm không cạnh tranh (Non-competitive inhibition type) MMNC Mô hình hô hấp kiểu kìm hãm kết hợp (Combination inhibition type) RR Cường độ hô hấp (Respiration Rate) RQ Hệ số hô hấp (Respiration Quotient) TT Tính toán MH Mô hình TSS Hàm lượng chất khô hòa tan viii
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Phân vùng nguyên liệu một số rau quả chủ lực của Việt Nam [4]..............7 Bảng 1.2 Giá bán tham khảo sản phẩm quả vải tươi tại một số thị trường [2]......... 10 Bảng 1.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự suy giảm cường độ hô hấp [15] ............. 12 Bảng 1.4 Nhiệt độ và độ ẩm tối ưu của một số loại quả [16] .................................. 13 Bảng 1.5 Nồng độ O2 và CO2 tối ưu và giới hạn cho phép [17], [18], [19] ............. 14 Bảng 1.6 Tổng hợp các mô hình hô hấp [44], [47], [52] ......................................... 30 Bảng 1.7 Tổng hợp các mô hình tốc độ thoát hơi nước [58] ................................... 34 Bảng 3.1 Nhận dạng tham số nồng độ khí theo thời gian đối với quả vải ............... 72 Bảng 3.2 Nhận dạng tham số nồng độ khí theo thời gian đối với quả nhãn............. 74 Bảng 3.3 Các tham số mô hình hô hấp của quả vải ở nhiệt độ 2oC ......................... 76 Bảng 3.4 Các tham số mô hình hô hấp của quả vải ở nhiệt độ 5oC ......................... 78 Bảng 3.5 Các tham số mô hình hô hấp của quả vải ở nhiệt độ 8oC ......................... 81 Bảng 3.6 Các tham số mô hình hô hấp của quả nhãn ở nhiệt độ 1oC ...................... 83 Bảng 3.7 Các tham số mô hình hô hấp của quả nhãn ở nhiệt độ 4oC ...................... 85 Bảng 3.8 Các tham số mô hình hô hấp của quả nhãn ở nhiệt độ 10oC .................... 87 Bảng 4.1 Hệ số thấm thực nghiệm của một số loại bao gói [64] ........................... 100 Bảng 4.2 Thông số bao gói bảo quản quả vải ....................................................... 101 Bảng 4.3 Thông số bao gói bảo quản quả nhãn .................................................... 104 Bảng 4.4 Độ hao hụt tự nhiên trong bao gói ......................................................... 110 Bảng 4.5 Phân tích chất lượng quả vải ................................................................. 113 Bảng 4.6 Phân tích chất lượng quả nhãn .............................................................. 116 Bảng 0.1 Xuất khẩu rau quả Việt Nam thời kỳ 1995-2019 [4], [86], [87] ............. 130 Bảng 0.2 Chế độ nhiệt độ và độ ẩm bảo quản tối ưu [16] ..................................... 131 Bảng 0.3 Độ thấm khí O2 và CO2 của một số plastic film [64] ............................. 136 ix
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Kim ngạch xuất khẩu rau quả Việt Nam ....................................................8 Hình 1.2 Thị trường xuất khẩu rau quả các nước năm 2019 [10] ..............................9 Hình 1.3 Bảo quản rau quả tươi sử dụng MAP [43] ............................................... 24 Hình 1.4 Màng bao gói của một số loại rau quả tại Thái Lan [43] .......................... 25 Hình 1.5 Bảng tổng hợp mô hình cân bằng nhiệt, cân bằng ẩm [52] ....................... 36 Hình 2.1: Quá trình sinh trưởng và phát triển của rau quả [68]............................... 39 Hình 2.2 Quá trình hô hấp sau thu hoạch ............................................................... 40 Hình 2.3 Sự phụ thuộc thời gian bảo quản vào cường độ hô hấp [43]..................... 42 Hình 2.4 Mô hình bao gói bảo quản MAP.............................................................. 43 Hình 2.5 Biến thiên vận tốc phản ứng theo nồng độ cơ chất [69] ........................... 44 Hình 2.6 Cấu trúc chương trình mô phỏng ............................................................. 58 Hình 2.7 Giao diện phần mềm mô phỏng ............................................................... 59 Hình 3.1 Các phương pháp xác định cường độ hô hấp [43] .................................... 60 Hình 3.2 Đối tượng thí nghiệm quả vải .................................................................. 63 Hình 3.3 Đối tượng thí nghiệm quả nhãn ............................................................... 64 Hình 3.4 Thiết bị phân tích khí GS6600 ................................................................. 65 Hình 3.5 Hình ảnh bộ đo Hioki 2300 Series ........................................................... 66 Hình 3.6 Cấu trúc bộ đo nhiệt độ, độ ẩm ................................................................ 67 Hình 3.7 Tủ lạnh thí nghiệm .................................................................................. 68 Hình 3.8 Quy trình thí nghiệm ............................................................................... 69 Hình 3.9 Nhận dạng tham số nồng độ khí của quả vải theo thời gian (2oC) ............ 71 Hình 3.10 Nhận dạng tham số nồng độ khí của quả vải theo thời gian (5oC) .......... 72 Hình 3.11 Nhận dạng tham số nồng độ khí của quả vải theo thời gian (8oC) .......... 72 Hình 3.12 Nhận dạng tham số nồng độ khí của quả nhãn theo thời gian (1oC) ....... 73 Hình 3.13 Nhận dạng tham số nồng độ khí của quả nhãn thời gian (4oC) ............... 73 Hình 3.14 Nhận dạng tham số nồng độ CO2 của quả nhãn thời gian (10oC) ........... 73 Hình 3.15 Mô hình cường độ hô hấp quả vải (2oC) theo dạng MMC...................... 74 Hình 3.16 Mô hình cường độ hô hấp quả vải (2oC) theo dạng MMU ..................... 75 Hình 3.17 Mô hình cường độ hô hấp quả vải (2oC) theo dạng MMN ..................... 75 Hình 3.18 Mô hình cường độ hô hấp quả vải (2oC) theo dạng MMNC ................... 75 x
Hình 3.19 Mô hình cường độ hô hấp quả vải (5oC) theo dạng MMC...................... 77 Hình 3.20 Mô hình cường độ hô hấp quả vải (5oC) theo dạng MMU ..................... 77 Hình 3.21 Mô hình cường độ hô hấp quả vải (5oC) theo dạng MMN ..................... 77 Hình 3.22 Mô hình cường độ hô hấp quả vải (5oC) theo dạng MMNC ................... 78 Hình 3.23 Mô hình cường độ hô hấp quả vải (8oC) theo dạng MMC...................... 79 Hình 3.24 Mô hình cường độ hô hấp quả vải (8oC) theo dạng MMU ..................... 79 Hình 3.25 Mô hình cường độ hô hấp quả vải (8oC) theo dạng MMN ..................... 80 Hình 3.26 Mô hình cường độ hô hấp quả vải (8oC) theo dạng MMNC ................... 80 Hình 3.27 Mô hình cường độ hô hấp quả nhãn (1oC) theo dạng MMC ................... 81 Hình 3.28 Mô hình cường độ hô hấp quả nhãn (1oC) theo dạng MMU................... 82 Hình 3.29 Mô hình cường độ hô hấp quả nhãn (1oC) theo dạng MMN................... 82 Hình 3.30 Mô hình cường độ hô hấp quả nhãn (1oC) theo dạng MMNC ................ 82 Hình 3.31 Mô hình cường độ hô hấp quả nhãn (4oC) theo dạng MMC ................... 84 Hình 3.32 Mô hình cường độ hô hấp quả nhãn (4oC) theo dạng MMU................... 84 Hình 3.33 Mô hình cường độ hô hấp quả nhãn (4oC) theo dạng MMN................... 84 Hình 3.34 Mô hình cường độ hô hấp quả nhãn (4oC) theo dạng MMNC ................ 85 Hình 3.35 Mô hình cường độ hô hấp quả nhãn (10oC) theo dạng MMC ................. 86 Hình 3.36 Mô hình cường độ hô hấp quả nhãn (10oC) theo dạng MMU................. 86 Hình 3.37 Mô hình cường độ hô hấp quả nhãn (10oC) theo dạng MMN................. 86 Hình 3.38 Mô hình cường độ hô hấp quả nhãn (10oC) theo dạng MMNC .............. 87 Hình 4.1 Dự đoán nồng độ O2 và CO2 theo mô hình MMC quả vải (2oC) .............. 89 Hình 4.2 Dự đoán nồng độ O2 và CO2 theo mô hình MMU quả vải (2oC) .............. 89 Hình 4.3 Dự đoán nồng độ O2 và CO2 theo mô hình MMN quả vải (2oC) .............. 90 Hình 4.4 Dự đoán nồng độ O2 và CO2 theo mô hình MMNC quả vải (2oC) ........... 90 Hình 4.5 Dự đoán nồng độ O2 và CO2 theo mô hình MMC quả vải (5oC) .............. 91 Hình 4.6 Dự đoán nồng độ O2 và CO2 theo mô hình MMU quả vải (5oC) .............. 91 Hình 4.7 Dự đoán nồng độ O2 và CO2 theo mô hình MMN quả vải (5oC) .............. 91 Hình 4.8 Dự đoán nồng độ O2 và CO2 theo mô hình MMNC quả vải (5oC) ........... 92 Hình 4.9 Dự đoán nồng độ O2 và CO2 theo mô hình MMC quả vải (8oC) .............. 92 Hình 4.10 Dự đoán nồng độ O2 và CO2 theo mô hình MMU quả vải (8oC) ............ 93 Hình 4.11 Dự đoán nồng độ O2 và CO2 theo mô hình MMN quả vải (8oC) ............ 93 xi
Hình 4.12 Dự đoán nồng độ O2 và CO2 theo mô hình MMNC quả vải (8oC) ......... 93 Hình 4.13 Dự đoán nồng độ O2 và CO2 theo mô hình MMC quả nhãn (1oC) ......... 94 Hình 4.14 Dự đoán nồng độ O2 và CO2 theo mô hình MMU quả nhãn (1oC) ......... 95 Hình 4.15 Dự đoán nồng độ O2 và CO2 theo mô hình MMN quả nhãn (1oC) ......... 95 Hình 4.16 Dự đoán nồng độ O2 và CO2 theo mô hình MMNC quả nhãn (1oC)....... 95 Hình 4.17 Dự đoán nồng độ O2 và CO2 theo mô hình MMC quả nhãn (4oC) ......... 96 Hình 4.18 Dự đoán nồng độ O2 và CO2 theo mô hình MMU quả nhãn (4oC) ......... 96 Hình 4.19 Dự đoán nồng độ O2 và CO2 theo mô hình MMN quả nhãn (4oC) ......... 97 Hình 4.20 Dự đoán nồng độ O2 và CO2 theo mô hình MMNC quả nhãn (4oC)....... 97 Hình 4.21 Dự đoán nồng độ O2 và CO2 theo mô hình MMC quả nhãn (10oC)........ 98 Hình 4.22 Dự đoán nồng độ O2 và CO2 theo mô hình MMU quả nhãn (10oC) ....... 98 Hình 4.23 Dự đoán nồng độ O2 và CO2 theo mô hình MMN quả nhãn (10oC) ....... 98 Hình 4.24 Dự đoán nồng độ O2 và CO2 theo mô hình MMNC quả nhãn (10oC) ..... 99 Hình 4.25 Dự đoán nồng độ khí trong bao gói LDPE 0.015mm cho quả vải ........ 101 Hình 4.26 Dự đoán nồng độ khí trong bao gói LDPE 0.025mm cho quả vải ........ 102 Hình 4.27 Dự đoán nồng độ khí trong bao gói LDPE 0.035mm cho quả vải ........ 103 Hình 4.28 Dự đoán nồng độ khí trong bao gói LDPE 0.015mm cho quả nhãn ..... 105 Hình 4.29 Dự đoán nồng độ khí trong bao gói LDPE 0.025mm cho quả nhãn ..... 105 Hình 4.30 Dự đoán nồng độ khí trong bao gói LDPE 0.035mm cho quả nhãn ..... 106 Hình 4.31 Dự đoán nồng độ khí trong bao gói LDPE 0.06mm cho quả nhãn ....... 107 Hình 4.32 Dự đoán nhiệt độ trong bao gói LDPE 0.035mm cho quả vải .............. 108 Hình 4.33 Dự đoán độ ẩm trong bao gói LDPE 0.035mm cho quả vải ................. 108 Hình 4.34 Dự đoán nhiệt độ trong bao gói LDPE 0.06mm cho quả nhãn ............. 109 Hình 4.35 Dự đoán độ ẩm trong bao gói LDPE 0.06mm cho quả nhãn ................ 109 Hình 4.36 Mẫu thí nghiệm quả vải ở nhiệt độ 2oC................................................ 111 Hình 4.37 Mẫu thí nghiệm quả vải ở nhiệt độ 5oC................................................ 112 Hình 4.38 Mẫu thí nghiệm quả vải ở nhiệt độ 8oC................................................ 112 Hình 4.39 Thí nghiệm quả nhãn trong bao gói ..................................................... 114 Hình 4.40 Chất lượng quả vải sau thí nghiệm ...................................................... 115 Hình 4.41 Quy trình bảo quản MAP .................................................................... 119 xii
MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Sau hơn 30 năm đổi mới, với kết quả của công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa và hội nhập, mức sống của nhân dân tăng lên rõ rệt. Khi tiêu chuẩn cuộc sống của con người tăng lên, các yêu cầu về chất lượng rau quả của người tiêu dùng cũng ngày càng cao hơn. Không những thế nông nghiệp là một trong những thế mạnh xuất khẩu của Việt Nam góp phần thu về một lượng ngoại tệ không nhỏ. Để xuất khẩu rau quả sang những thị trường khó tính của các nước phát triển, rất cần bảo quản rau quả trong thời gian dài, với chất lượng bảo toàn tối đa so với khi thu hoạch. Sau khi thu hoạch, rau quả tươi vẫn tiếp tục sống, các tế bào vẫn tiếp tục hoạt động sống thông qua quá trình hô hấp. Trong quá trình hô hấp, khí O2 được hấp thụ và khí CO2, hơi nước được thải ra. Quá trình này xảy ra càng nhanh và thuận lợi thì sự phân giải của các hợp chất hữu cơ càng nhanh, giải phóng nhiều năng lượng, thúc đẩy quá trình chín của sản phẩm. Ngoài ra đi kèm với quá trình chín này là sự thay đổi một số chất cơ lý của sản phẩm như độ cứng, màu sắc, hương vị, hàm lượng đường, vitamin C... Bảo quản tốt tốt bằng cách khống chế quá trình trao đổi năng lượng-trao đổi chất sẽ kéo dài thời gian giúp rau quả được tươi hơn, nâng cao chất lượng, sản lượng và giá trị sản phẩm. Một trong những vấn đề tồn tại chính là công nghệ chế biến và bảo quản rau quả của nước ta chưa phát triển nên lượng tổn hao sau thu hoạch của rau quả Việt Nam rất lớn từ 1520%, đồng thời chất lượng bảo quản sau thu hoạch không cao, thời gian bảo quản ngắn. Nghị Quyết 48/NQ-CP của Chính phủ, ban hành ngày 23/09/2009 đã khẳng định: Mục tiêu của Nhà nước ta đến năm 2020 là giảm tổn thất rau quả sau thu hoạch xuống dưới 10%, nhằm mục tiêu: Nâng cao chất lượng và đảm bảo về số lượng cho nhu cầu dinh dưỡng ngày càng cao của nhân dân; và tăng lượng xuất khẩu, thu ngoại tệ về cho đất nước. Để thực hiện được mục tiêu của Nghị quyết 48/NQ-CP, vấn đề cấp bách cần giải quyết hiện nay là nghiên cứu cải tiến công nghệ bảo quản rau quả sau thu hoạch nhằm kéo dài thời gian bảo quản và nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm tổn thất sau thu hoạch theo hướng kết hợp sử dụng công nghệ nhiệt độ thấp và các biện pháp bảo quản hiện đại, hạn chế tối đa việc sử dụng hóa chất trong công nghệ bảo quản. Năm 2012, Thủ tướng đã ban hành Quyết định số 1895/QĐ-TTg về Về việc phê duyệt Chương trình phát triển nông nghiệp ứng dụng công nghệ cao thuộc Chương trình quốc gia phát triển công nghệ cao đến năm 2020 với các nhiệm vụ chủ yếu: 1
“Nghiên cứu phát triển công nghệ chiếu xạ, công nghệ xử lý hơi nước nóng, công nghệ xử lý nước nóng, công nghệ sấy lạnh, sấy nhanh trong bảo quản nông sản; công nghệ sơ chế, bảo quản rau, hoa, quả tươi quy mô tập trung; công nghệ bao gói khí quyển kiểm soát; công nghệ bảo quản lạnh nhanh kết hợp với chất hấp thụ etylen để bảo quản rau, hoa, quả tươi; công nghệ tạo màng trong bảo quản rau, quả, thịt, trứng; công nghệ lên men, công nghệ chế biến sâu, công nghệ sinh học và vi sinh sản xuất chế phẩm sinh học và các chất màu, chất phụ gia thiên nhiên trong bảo quản và chế biến nông sản”. Bên cạnh phương pháp bảo quản lạnh truyền thống là sử dụng kho lạnh, phương pháp bảo quản Bao gói khí cải biến (Modified Atmosphere Packaging - MAP) đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới như như là một phương pháp bảo quản rau quả tươi hiệu quả và kinh tế nhất. Theo [1], lợi ích của MAP là nếu thời gian bảo quản rau quả ở 20-25oC là 1 đơn vị thời gian thì bảo quản bằng MAP là gấp đôi, bảo quản lạnh là gấp 3 và bảo quản MAP kết hợp với lạnh thì gấp 4 lần. Phương pháp MAP dùng để bảo quản các sản phẩm rau quả tươi được áp dụng từ hơn 30 năm ở các nước phát triển. Trong khu vực, Hàn Quốc và Thái Lan là hai nước châu Á điển hình sử dụng thành công phương pháp này để bảo quản rau quả tươi. Ở Việt Nam, MAP được Viện cơ điện nông nghiệp và công nghệ sau thu hoạch của Bộ Nông nghiệp phát triển nông thôn nghiên cứu từ năm 2002. Tuy nhiên những nghiên cứu đó đa phần chỉ mang tính chất thực nghiệm, chưa nghiên cứu cơ bản về quá trình hô hấp - trao đổi chất – trao đổi năng lượng của quả trong quá trình bảo quản, nên ứng dụng của MAP chưa đạt hiệu quả cao. Vì vậy, không khống chế và tìm ra được chế độ bảo quản thích hợp cho từng loại quả. Quả vải (Litchi chinensis Sonn) và quả nhãn (Dimocarpus longan) là những loại quả có giá trị thương phẩm cao, màu sắc đẹp và giàu hàm lượng dinh dưỡng [2], [3]. Vì vậy quả vải, nhãn được xác định là một trong những loại quả chủ lực của Việt Nam dùng để xuất khẩu và nội tiêu. Theo Tổng cục thống kê, năm 2016 sản lượng quả vải trong cả nước đạt 312,556 tấn, trong đó dẫn đầu là Bắc Giang với sản lượng khoảng 142,000 tấn, tiếp đến là Hải Dương khoảng 25,000 tấn, Quảng Ninh khoảng 8,000 tấn… Đến nay huyện Lục Ngạn, tỉnh Bắc Giang trở thành nơi trồng quả vải lớn nhất nước với tổng diện tích đạt khoảng 30,000 ha, sản lượng hàng năm dao động từ 100,000 ÷ 190,000 tấn và tổng doanh thu đạt trên 5,000 tỷ đồng. Quả vải, nhãn là loại quả rất khó bảo quản do đặc tính hô hấp cao, ưa bảo quản lạnh, khả năng mất nước khá cao, dẫn tới nhanh héo và nâu hóa vỏ. Không những thế, quả vải còn có tính thời vụ rõ rệt, với mỗi mùa thu hoạch chỉ khoảng 45-60 ngày, 2
nên tạo áp lực lưu thông rất lớn. Hiện nay quả vải của Việt Nam chủ yếu mới được dùng nội tiêu trong nước, chỉ khoảng 10 ÷ 15% sản lượng tương đương 20,000 ÷ 30,000 tấn quả được xuất thô sang Trung Quốc. Tuy nhiên lượng xuất khẩu này luôn bị ép giá và không chủ động được về thị trường. Sản xuất quả vải, nhãn ở Việt Nam trong 10 năm gần đây tuy đã có bước phát triển vượt bậc nhưng lại thiếu tính bền vững... Trong khi đó, đây là các loại quả nhiệt đới thuộc loại có cường độ hô hấp và phát thải etylen thuộc loại trung bình cao, vỏ mỏng nên rất khó bảo quản và vận chuyển. Với công nghệ bảo quản lạc hậu như hiện nay, sản lượng xuất khẩu quả vải, nhãn tươi sang các thị trường cao cấp như Nhật, Úc rất khiêm tốn chỉ khoảng vài trăm tấn/năm, hoàn toàn không tương xứng với tiềm năng xuất khẩu của hai loại quả này. Do đó, rất cần thiết phải nghiên cứu hoàn thiện công nghệ bảo quản hai loại quả này. MỤC TIÊU CỦA LUẬN ÁN Mục tiêu của luận án là nghiên cứu hoàn thiện công nghệ bảo quản quả vải và nhãn bằng phương pháp bao gói khí cải biến (MAP) trên cơ sở nghiên cứu quá trình hô hấp - bay hơi – cân bằng năng lượng nhằm tăng chất lượng và kéo dài thời gian bảo quản. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU  Nghiên cứu xây dựng mô hình xác định cường độ hô hấp của quả vải và nhãn trong điều kiện môi trường khí cải biến (MAP) trên cơ sở nghiệm của hệ phương trình men-chất xúc tác Michaelis-Menten;  Xây dựng mô hình dự đoán nồng độ, nhiệt độ, độ ẩm không khí trong bao gói từ đó kiểm soát điều kiện bảo quản và dự đoán độ hao hụt tự nhiên, thời gian bảo quản, trên cơ sở tích hợp mô hình Michaelis-Menten cho hô hấp, mô hình trao đổi năng lượng-trao đổi chất giữa quả và môi trường khí trong bao gói, giữa bao gói và môi trường bảo quản theo quan điểm đẳng áp-đẳng entanpy. Đánh giá mô hình bằng thực nghiệm;  Xây dựng mô hình tính toán lượng nước ngưng, độ hụt tự nhiên của quả, từ đó làm cơ sở để dự đoán thời gian bảo quản trong môi trường MAP  Đề xuất quy trình thiết kế lựa chọn loại bao bì MAP cho hai loại quả trên. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU  Quả vải 3
 Quả nhãn PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Nghiên cứu lý thuyết xây dựng mô hình cường độ hô hấp của quả vải và quả nhãn dựa trên mô hình Michaelis-Menten và xây dựng mô hình hô hấp - bay hơi – cân bằng năng lượng trên quan điểm đẳng áp-đẳng entanpy. Các mô hình này được kiểm chứng độ chính xác bằng thực nghiệm. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN Ý nghĩa khoa học của luận án: - Đã xác định được cường độ hô hấp của quả vải, quả nhãn trong điều kiện môi trường khí cải biến (MAP) bằng phương pháp tính toán khoa học, có độ tin cậy cao. - Xây dựng được mô hình cường độ hô hấp của rau quả phụ thuộc vào nồng độ khí, được mô phỏng theo dạng nghiệm của phương trình Michaelis-Menten, tốc độ của hệ phản ứng men-xúc tác cho kết quả có độ tin cậy cao, kết quả mô phỏng phù hợp với kết quả thực nghiệm. Phần mềm mô phỏng dễ sử dụng, có độ chính xác cao. - Phát triển thành công mô hình toán học cho phép dự đoán nhiệt độ, độ ẩm tương đối, lượng nước ngưng tụ và độ hao hụt tự nhiên của quả trong bao gói MAP. Kết quả tính toán bằng mô hình hô hấp – bay hơi – cân bằng năng lượng cho sai số trong khoảng cho phép. Ý nghĩa thực tiễn của luận án: - Trên cơ sở mô hình hô hấp – bay hơi – cân bằng năng lượng đã hoàn thiện, có thể kiểm soát được các thông số của môi trường khí bao quanh quả trong quá trình bảo quản, đồng thời cho phép đề xuất quy trình thiết kế bao gói bảo quản quả vải và quả nhãn tại mỗi mùa vụ thu hoạch trong bao gói khí cải biến với khối lượng thực nghiệm tối thiểu ở phạm vi công nghiệp. - Áp dụng mô hình dự đoán các thông số của quá trình bảo quản có thể rút ngắn thời gian và khối lượng thí nghiệm, cho phép tìm ra chế độ bảo quản tối ưu nhằm đảm bảo tối đa chất lượng sản phẩm và kéo dài thời gian bảo quản, giảm hao hụt trong điều kiện thực tế. TÍNH MỚI CỦA LUẬN ÁN 4
- Đây là lần đầu tiên có một nghiên cứu toàn diện và đầy đủ mô hình hô hấp-bay hơi-cân bằng năng lượng cho quả vải và quả nhãn trong môi trường khí cải biến tại Việt Nam. - Đã xây dựng được phương pháp thí nghiệm trong hệ kín, đo nồng độ khí trong hệ bằng thiết bị phân tích khí cũng như thuật toán xử lý số liệu. Phương pháp thí nghiệm này cho phép xác định chính xác cũng như rút ngắn thời gian thực nghiệm xác định cường độ hô hấp của các loại rau quả không chỉ của quả vải và quả nhãn mà còn cho các loại quả khác. - Từ nghiên cứu mô phỏng, trên cơ sở tích hợp mô hình hô hấp, phương trình khuếch tán khí qua thành bao gói theo dạng định luật 1 Fick, các phương trình cân bằng nhiệt và ẩm của môi trường khí trong bao gói MAP, đã phát triển thành công mô hình toán học cho phép xác định nhiệt độ và độ ẩm, lượng nước ngưng tụ, độ hao hụt của rau quả trong môi trường MAP. Kết quả tính toán bằng mô hình cho sai số trong khoảng cho phép, đặc biệt là về độ hao hụt tự nhiên là một đóng góp mới, quan trọng của luận án. - Trên cơ sở mô hình hô hấp – bay hơi – cân bằng năng lượng đã hoàn thiện, có thể kiểm soát được các thông số của môi trường khí bao quanh quả trong quá trình bảo quản, đồng thời cho phép đề xuất quy trình thiết kế bao gói bảo quản quả vải, quả nhãn tại mỗi mùa vụ thu hoạch trong môi trường khí cải biến với khối lượng thí nghiệm tối thiểu ở phạm vi công nghiệp, dẫn đến tăng hiệu quả và tính khả thi của phương pháp bảo quản. Đây là đóng góp quan trọng cho việc đề xuất công nghệ bảo quản quả vải và quả nhãn trong thực tiễn sản xuất. - Xây dựng thành công mô hình dự đoán các thông số của quá trình bảo quản, có thể rút ngắn thời gian và khối lượng thí nghiệm, cho phép tìm ra chế độ bảo quản tối ưu nhằm đảm bảo tối đa chất lượng sản phẩm và kéo dài thời gian bảo quản, giảm hao hụt trong điều kiện thực tế. Kết quả này có ý nghĩa ứng dụng rất to lớn. BỐ CỤC CỦA LUẬN ÁN - Mở đầu - Chương 1. Tổng quan về bảo quản rau quả - Chương 2. Cơ sở lý thuyết - Chương 3. Nghiên cứu thực nghiệm - Chương 4. Dự đoán các thông số bảo quản - Chương 5. Kết luận và kiến nghị - Danh mục các công trình đã công bố của luận văn - Tài liệu tham khảo. 5
6