Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật nhiệt: Nghiên cứu ứng dụng từ trường để nâng cao hiệu quả cấp đông fillet cá tra Việt Nam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:209

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật nhiệt "Nghiên cứu ứng dụng từ trường để nâng cao hiệu quả cấp đông fillet cá tra Việt Nam" trình bày các nội dung chính sau: Nghiên cứu lý thuyết về cấp đông có hỗ trợ từ trường; Kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm ảnh hưởng của từ trường đến quá trình cấp đông gió; Tối ưu hóa các thông số vận hành quá trình cấp đông gió có hỗ trợ từ trường tĩnh; Đánh giá chất lượng sản phẩm cấp đông ứng dụng từ trường.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật nhiệt: Nghiên cứu ứng dụng từ trường để nâng cao hiệu quả cấp đông fillet cá tra Việt Nam

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THỊ TÂM THANH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TỪ TRƯỜNG ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ CẤP ĐÔNG FILLET CÁ TRA VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ ĐÀ NẴNG - 2023
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THỊ TÂM THANH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TỪ TRƯỜNG ĐỂ NÂNG CAO HIỆU QUẢ CẤP ĐÔNG FILLET CÁ TRA VIỆT NAM Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt Mã số: 9520115 LUẬN ÁN TIẾN SĨ Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Võ Chí Chính TS. Nguyễn Thành Văn ĐÀ NẴNG - 2023
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 (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Nguyễn Thị Tâm Thanh i
TÓM TẮT Cấp đông là quá trình làm nhanh thực phẩm đến nhiệt độ bảo quản để đưa vào bảo quản lâu dài. Trong quá trình cấp đông, các tinh thể băng được hình thành từ nước không liên kết trong thực phẩm. Khi cấp đông với thời gian lâu, do chênh lệch nhiệt độ bên trong và bên ngoài thực phẩm nên phân áp suất nước bên trong lớn hơn và nước có xu hướng chuyển dịch từ bên trong ra bên ngoài, tạo thành các tinh thể lớn chèn ép và làm rách màng tế bào thực phẩm, cấu trúc bị phá vỡ. Khi rã đông, nước bên trong thực phẩm chảy ra bên ngoài làm hao hụt thực phẩm cũng như làm giảm các tính chất ban đầu của nó. Ngược lại khi quá trình làm lạnh diễn ra nhanh, trong thể tích thực phẩm tạo nên nhiều tâm kết đông, nước ít dịch chuyển, các tinh thể tạo nên mịn hơn, cấu trúc thực phẩm được bảo toàn. Như vậy chất lượng thực phẩm sau cấp đông phụ thuộc rất nhiều vào thời gian cấp đông, hay nói cách khác là tốc độ truyền nhiệt. Các kết quả nghiên cứu lý thuyết được trình bày trong luận án này đã giải quyết được các bài toán cơ bản liên quan đến sự phân bố từ trường trong buồng cấp đông, bài toán truyền nhiệt – truyền chất kết hợp và xác định thời gian cấp đông lý thuyết trong trường hợp cấp đông gió thông thường. Đối với quá trình cấp đông có hỗ trợ từ trường, cơ sở lý thuyết và các mô hình toán về sự ảnh hưởng của từ trường đến các tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm trong quá trình cấp đông vẫn chưa được nghiên cứu nên chưa đủ cơ sở để mô phỏng lý thuyết quá trình này. Thay vào đó, để đánh giá ảnh hưởng của từ trường đến quá trình cấp đông, một số thực nghiệm đã được tiến hành ở 03 phương pháp cấp đông khác nhau (cấp đông gió không có từ trường, có hỗ trợ từ trường dao động và có hỗ trợ từ trường tĩnh) dưới 03 mức nhiệt độ cấp đông (-30C, -35C, -40C). Kết quả thực nghiệm này đã được đưa vào tính toán và phân tích hồi quy phi tuyến nhằm xác định phương trình đường cong cấp đông theo nhiệt độ không thứ nguyên. Từ kết quả này, sử dụng phương pháp lặp và phương pháp đồng dạng nhiệt để tính toán hệ số truyền nhiệt. Kết quả cuối cùng cho thấy khi cấp đông có từ trường tĩnh, hệ số truyền nhiệt là lớn nhất và cao hơn khoảng 9,4% so với cấp đông gió thông thường. Kết quả thực nghiệm đơn yếu tố cho thấy từ trường có ảnh hưởng đến thời gian cấp đông, cụ thể là giúp giảm thời gian cấp đông và chi phí điện năng khi ở cùng điều kiện nhiệt độ và vận tốc không khí. Điều này cũng cho thấy hướng đi đúng trong nghiên cứu đưa trường điện từ vào hỗ trợ cho cấp đông fillet cá tra nhằm giảm thời gian cấp đông, giảm chi phí năng lượng và nâng cao chất lượng sản phẩm. Từ kết quả thí nghiệm đơn yếu tố, 29 thí nghiệm đa yếu tố đã được thiết lập theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2 nhằm đánh giá ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến thời gian cấp đông, tỷ lệ hao hụt khối lượng và độ màu của sản phẩm fillet cá tra. Kết quả phân tích số liệu đã xây dựng được 03 phương trình hồi quy tương quan giữa các hàm mục tiêu và biến đầu vào, đồng thời cho thấy các thông số này ảnh hưởng lớn đến quá trình cấp đông. Song song đó, phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu cũng được áp dụng để xác định giá trị hợp lý của các thông số công nghệ khi tiến ii
hành cấp đông có sự hỗ trợ từ trường tĩnh, cụ thể là nhiệt độ cấp đông -42,7C, vận tốc không khí 5,8 m/s, chiều dày fillet cá tra 15,4 mm và mật độ từ thông tối ưu đạt 564,5 Gauss. Đối với từ trường dao động, do mật độ từ thông thay đổi theo thời gian nên các thí nghiệm đa yếu tố chưa thực hiện được. Thông qua kết quả nghiên cứu của luận án này, có thể nhận thấy rằng, ngoài việc giúp giảm thời gian cấp đông, từ trường còn giúp đảm bảo chất lượng sản phẩm đến sau khi rã đông, được chứng minh cụ thể thông qua các thông số như màu sắc, độ cứng, độ dẻo, độ dai và tỷ lệ hao hụt khối lượng sau rã đông. Về màu sắc, so sánh giữa phương pháp cấp đông có hỗ trợ từ trường và cấp đông gió thông thường, giá trị L* thấp hơn 15%, giá trị a* và b* cao hơn lần lượt là 49,9% và 23,8% cho thấy sản phẩm được cấp đông có hỗ trợ từ trường giữ được các chất carotenoid (carotene và xanthophyll) ổn định hơn. Về tính chất cơ lý, các phân tích thử cắt cho thấy độ cứng và ứng suất cắt của fillet cá tra khi cấp đông có hỗ trợ từ trường lớn hơn khoảng 6,1% so với phương pháp cấp đông gió thông thường. Đồng thời, các phân tích TPA cho thấy so với các sản phẩm được cấp đông gió thông thường thì các sản phẩm được cấp đông có hỗ trợ từ trường giữ được độ đàn hồi, độ dẻo và độ dai cao hơn lần lượt là 2,9%, 27,5% và 33,2%. Mặt khác, phân tích tỷ lệ hao hụt khối lượng sau khi rã đông của các mẫu cá được cấp đông có hỗ trợ từ trường cũng thấp hơn 55,7% cũng phản ánh tương tự kết quả đo cơ lý và cho thấy khi cấp đông có hỗ trợ từ trường, các tinh thể băng được hình thành với kích thước nhỏ hơn và đồng đều nên khi rã đông sẽ giúp giữ được vị ngon của sản phẩm. iii
ABSTRACT Freezing is a long-term process of preserving food, helping food between its nutrients and a long shelf life. During the freezing process, ice crystals are formed from unbound water in the lattice of the material and from the water in each cell, so the product is frozen. As a result, these ice crystals tend to develop into relatively large crystals within the material; therefore, they tend to damage structures by disruption of cell walls as well as disrupt the integrity of frozen products. When defrosted, water inside the food flows outside causing drip loss as well as reducing its original properties. On the contrary, when the freezing process takes place rapidly, in the volume of food creates many freezing centers, less water shifts, the crystals make up smoother, therefore the food structure is preserved. Thus, the quality of food after freezing depends a lot on the freezing time, or in other words, the rate of heat transfer. The theoretical research results presented in this thesis have solved the basic problems related to the distribution of the magnetic field (MF) in the freezing chamber, the problem of heat and mass transfer and the determination of the theoretical freezing time in the case of air blast freezing. For the magnetic assisted freezing process, the theoretical basis and mathematical models of the effect of the MFs on the thermophysical properties of food during freezing have not yet been reported, so there is not enough basis to simulate this process theory. Instead, to assess the effects of the MFs on the freezing process, several experiments were conducted in 03 different freezing methods (air blast freezing (ABF), oscillating magnetic field (OMF) and static magnetic field (SMF) assisted freezing process) in condition of 03 freezing temperatures (-30C , -35C, -40C). The experimental results were included in nonlinear regression and analysis to determine the equation of the freezing curve according to the dimensionless temperature. From this result, the unique iterative algorithm was used to calculate the heat transfer coefficient. The final result shows that on SMF process, the heat transfer coefficient is the largest and up to 9.4% higher than the ABF process. The results of single-factor experiments show that the magnetic field affects freezing time, in particular it helps to reduce freezing time and energy costs at the same conditions of air temperature and velocity. This also shows the right direction in research to bring magnetic fields into support for freezing Pangasius fillet in order to reduce freezing time, reduce energy costs and improve product quality. From the results of single-factor experiments, 29 multi-factor experiments were established according to the method of orthogonal experiment planning level 2 to evaluate the effects of technological parameters on freezing time and freezing loss and color of Pangasius fillets. The results of data analysis have built three regression equations correlated between the target functions and input variables, and at the same time showed that these parameters have a great influence on the freezing process. In parallel, the multi-target optimization method is also applied to determine the fair value iv
of the technological parameters when conducting freezing with the support of static magnetic fields. For oscillating magnetic fields, because the flux density changes over time, multi-factor experiments have not been performed. Through the research results of this thesis, it can be seen that, in addition to reducing freezing time, the magnetic field also helps to ensure product quality until after thawing, which is specifically demonstrated through parameters such as color, hardness, stringiness, gumminess, chewiness and thawing loss. In terms of color, the comparison between SMF and ABF method, the L* value 15% lower, the value a* and b* higher 49.9% and 23.8%, respectively, showed that the magnetic-assisted frozen product kept the carotenoids (carotene and xanthophyll) more stable. Regarding mechanical-physical properties, the shear test analysis showed that the hardness and peak stress of the Pangasius fillet when frozen with SMF was about 6.1% greater than that of ABF method. At the same time, the TPA analysis shows that compared to ABF products, the SMF products retain more stringiness, gumminess and chewiness 2.9%, 27.5% and 33.2%, respectively. On the other hand, analysis of the weight loss rate after thawing of frozen samples with SMF was also 55.7% lower ABF samples, similarly reflecting the results of mechanical – physical measurement and showed when frozen static magnetic field, ice crystals are formed with smaller and uniform sizes, so defrosting helps to retain the delicious taste of the product. v
LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS. TS. Võ Chí Chính và TS. Nguyễn Thành Văn cùng các đồng nghiệp tại Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng và Trường Đại học Công nghiệp Tp. Hồ Chí Minh đã hỗ trợ và đóng góp ý kiến để hoàn thành Luận án Tiến sĩ này. vi
MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.................................................................................... x DANH MỤC BẢNG BIỂU .........................................................................................xii DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................. xiii MỞ ĐẦU .............................................................................................................. xvi CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ........................................................................................... 1 1.1. Chất lượng thủy sản và ảnh hưởng của quá trình cấp đông ..................................... 1 1.1.1. Cá tra và fillet cá tra .......................................................................................... 2 1.1.2. Chỉ tiêu chất lượng sản phẩm ............................................................................ 4 1.1.3. Cấp đông thực phẩm ......................................................................................... 4 1.2. Các phương pháp và thiết bị cấp đông thông dụng .................................................. 5 1.2.1. Các phương pháp cấp đông ............................................................................... 5 1.2.2. Các thiết bị cấp đông thông dụng...................................................................... 6 1.3. Các công nghệ cấp đông hiện đại ............................................................................. 7 1.4. Tình hình nghiên cứu về ứng dụng từ trường trong cấp đông thực phẩm.............. 11 1.4.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước ................................................................... 11 1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước .................................................................... 19 1.5. Các vấn đề nghiên cứu của luận án ........................................................................ 20 1.5.1. Mục tiêu nghiên cứu........................................................................................ 20 1.5.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................... 20 1.5.3. Nội dung nghiên cứu ....................................................................................... 20 1.5.4. Phương pháp nghiên cứu................................................................................. 21 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VỀ CẤP ĐÔNG CÓ HỖ TRỢ TỪ TRƯỜNG ............................................................................................... 22 2.1. Tổng quan về từ trường .......................................................................................... 22 2.1.1. Khái niệm từ trường ........................................................................................ 22 2.1.2. Từ trường tĩnh ................................................................................................. 23 2.1.3. Từ trường biến thiên (dao động) theo thời gian .............................................. 23 2.1.4. Từ trường và biến đổi pha của nước ............................................................... 24 2.2. Tính chất nhiệt vật lý của thực phẩm ..................................................................... 26 2.3. Cấp đông hỗ trợ từ trường ...................................................................................... 29 2.3.1. Nguyên lý hoạt động của cấp đông hỗ trợ từ trường ...................................... 29 2.3.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cấp đông có hỗ trợ từ trường ................ 31 2.4. Mô hình bài toán cấp đông fillet cá tra ................................................................... 32 2.4.1. Hệ số truyền nhiệt trong quá trình cấp đông ................................................... 34 2.4.2. Các phương pháp xác định hệ số trao đổi nhiệt .............................................. 34 2.4.3. Phương pháp xác định hệ số trao đổi nhiệt của thực phẩm có hình dạng bất kì .. 37 2.5. Xác định các thông số nhiệt vật lý của fillet cá tra ................................................. 40 2.5.1. Cơ sở lý thuyết xác định các thông số nhiệt vật lý ......................................... 40 vii
2.5.2. Tính toán các thông số nhiệt vật lý của fillet cá tra ........................................ 45 2.6. Xác định thời gian cấp đông lý thuyết .................................................................... 47 2.7. Lý thuyết mô phỏng quá trình cấp đông thực phẩm và phân bố từ trường ............ 50 2.7.1. Mô phỏng quá trình cấp đông fillet cá tra ....................................................... 51 2.7.2. Mô phỏng phân bố từ trường trong thiết bị cấp đông ..................................... 53 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM ẢNH HƯỞNG CỦA TỪ TRƯỜNG ĐẾN QUÁ TRÌNH CẤP ĐÔNG GIÓ .. ............................................................................................................... 56 3.1. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm ................................................................... 56 3.1.1. Mô hình cấp đông hỗ trợ từ trường ................................................................. 56 3.1.2. Khảo sát phân bố từ trường trong buồng cấp đông ......................................... 59 3.1.3. Quy trình tiến hành thực nghiệm .................................................................... 62 3.1.4. Xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cấp đông ................................. 65 3.1.5. Đánh giá hoạt động của mô hình .................................................................... 65 3.2. Kết quả mô phỏng .................................................................................................. 73 3.2.1. Phân bố từ trường dao động trong buồng cấp đông ........................................ 73 3.2.2. Phân bố từ trường tĩnh trong buồng cấp đông ................................................ 75 3.3. Tính toán thời gian cấp đông fillet cá tra không có từ trường ................................ 78 3.3.1. Tính toán thời gian cấp đông lý thuyết ........................................................... 78 3.3.2. Kết quả mô phỏng quá trình cấp đông không có từ trường ............................ 81 3.4. Tính toán hệ số truyền nhiệt trong quá trình cấp đông ........................................... 84 CHƯƠNG 4 TỐI ƯU HÓA CÁC THÔNG SỐ VẬN HÀNH QUÁ TRÌNH CẤP ĐÔNG GIÓ CÓ HỖ TRỢ TỪ TRƯỜNG TĨNH................................ 90 4.1. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm đa yếu tố .................................................... 90 4.1.1. Xác định các thông số đầu vào........................................................................ 93 4.1.2. Xác định các thông số đầu ra (hàm mục tiêu) ................................................. 93 4.2. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố ............................................................ 94 4.2.1. Thiết lập bài toán thực nghiệm đa yếu tố ........................................................ 94 4.2.2. Thiết lập phương trình hồi quy thực nghiệm .................................................. 96 4.3. Tối ưu hóa quá trình cấp đông .............................................................................. 101 4.4. Đánh giá suất tiêu hao điện năng cho quá trình cấp đông .................................... 103 CHƯƠNG 5 ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG SẢN PHẨM CẤP ĐÔNG ỨNG DỤNG TỪ TRƯỜNG....................................................................................... 107 5.1. Tầm quan trọng của chất lượng đến sản phẩm cấp đông ..................................... 107 5.2. Các chỉ tiêu chất lượng sản phẩm cấp đông ......................................................... 107 5.2.1. Màu sắc ......................................................................................................... 107 5.2.2. Cấu trúc của thực phẩm................................................................................. 109 5.2.3. Độ ngon ......................................................................................................... 112 5.2.4. Hương vị........................................................................................................ 113 5.3. Phương pháp nghiên cứu chất lượng sản phẩm fillet cá tra ................................. 114 viii
5.3.1. Vật liệu .......................................................................................................... 114 5.3.2. Phương tiện ................................................................................................... 114 5.4. Kết quả phân tích chất lượng ................................................................................ 118 5.4.1. Kết quả phân tích màu sắc ............................................................................ 118 5.4.2. Đánh giá tỷ lệ hao hụt khối lượng sau rã đông ............................................. 122 5.4.3. Kết quả phân tích cơ lý ................................................................................. 123 5.4.4. So sánh chất lượng với sản phẩm thương mại .............................................. 127 5.5. Đánh giá và thảo luận ........................................................................................... 128 CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN........................................................................................... 131 6.1. Các kết quả đạt được ............................................................................................ 131 6.2. Những đóng góp mới của luận án ........................................................................ 132 6.3. Các tồn tại, hạn chế .............................................................................................. 134 6.4. Khuyến nghị các hướng nghiên cứu tiếp theo ...................................................... 135 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN .................................................................................... 136 TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... 137 PHỤ LỤC ............................................................................................................. 144 ix
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Xuất khẩu thủy sản Việt Nam từ 1997-2020 và các sản phẩm chính ..............2 Hình 1.2 Tình hình xuất khẩu cá tra giai đoạn 2008-2019 ..............................................3 Hình 1.3 Minh họa quá trình hình thành tinh thể băng trong cấp đông (công ty ABI) .12 Hình 2.1 Quá trình hình thành điểm kết đông của nước trong thực phẩm ....................27 Hình 2.2 Quan hệ giữa nhiệt độ điểm kết đông của thực phẩm với nồng độ chất tan .28 Hình 2.3 Thay đổi thành phần băng theo nhiệt độ trong quá trình kết đông .................29 Hình 2.4 Sơ đồ nguyên lý cấp đông hỗ trợ từ trường dao động ....................................30 Hình 2.5 Bố trí mẫu fillet cá tra trong buồng cấp đông.................................................33 Hình 2.6 Mô hình quá trình cấp đông............................................................................33 Hình 2.7 Đường cong cấp đông điển hình theo nhiệt độ không thứ nguyên ................36 Hình 2.8 Thiết bị đo hệ số dẫn nhiệt dạng que thăm .....................................................43 Hình 2.9 Đồ thị biểu diễn các tính chất nhiệt của fillet cá tra theo nhiệt độ .................46 Hình 2.10 Lưu đồ tính toán thời gian cấp đông lý thuyết .............................................47 Hình 2.11 Hình dạng của miếng cá trên mô phỏng và thực tế ......................................51 Hình 2.12 Chia lưới trên toàn bộ miếng cá ...................................................................52 Hình 2.13 Mô tả điều kiện cách từ ................................................................................55 Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý của mô hình cấp đông thí nghiệm .......................................56 Hình 3.2 Đồ thị P-h và các thông số trạng thái của chu trình theo Coolpack ...............57 Hình 3.3 Sơ đồ khối điều khiển bộ phát từ trường dao động ........................................58 Hình 3.4 Minh họa dạng sóng ngõ ra sau khi điều chỉnh ..............................................58 Hình 3.5 Bộ phát từ trường dao động và từ trường tĩnh sau khi thiết kế ......................58 Hình 3.6 Vị trí đo từ trường trong thí nghiệm ............................................................... 60 Hình 3.7 Phân bố từ trường dao động theo vị trí ...........................................................60 Hình 3.8 Phân bố từ trường tĩnh theo vị trí ...................................................................61 Hình 3.9 Qui trình tiến hành thực nghiệm .....................................................................63 Hình 3.10 Mô hình và các thiết bị đo phục vụ thí nghiệm ............................................64 Hình 3.11 Mô tả vị trí lắp đặt cảm biến nhiệt độ trong tâm miếng fillet cá tra .............64 Hình 3.12 Đường cong cấp đông trên mô hình cấp đông gió không có từ trường .......67 Hình 3.13 Đường cong cấp đông fillet cá tra ở khi hỗ trợ từ trường dao động ............69 Hình 3.14 Đường cong cấp đông fillet cá tra ở khi hỗ trợ từ trường tĩnh .....................71 Hình 3.15 So sánh thời gian cấp đông fillet cá tra giữa 3 phương pháp .......................72 Hình 3.16 Kích thước hình học của buồng cấp đông có hỗ trợ từ trường dao động .....73 Hình 3.17 Kết quả chia lưới mô phỏng từ trường dao động .........................................74 Hình 3.18 Phân bố từ trường dao động tại tâm miếng cá , t=0,005s ............................. 74 Hình 3.19 Phân bố mật độ từ thông tại 09 vị trí đo theo thời gian ................................ 75 Hình 3.20 Kích thước hình học của buồng cấp đông có hỗ trợ từ trường tĩnh .............75 Hình 3.21 Kết quả chia lưới mô phỏng từ trường tĩnh ..................................................76 x
Hình 3.22 Phân bố hướng của các đường sức từ ...........................................................76 Hình 3.23 Phân bố từ trường tại mặt cắt ở tâm miếng cá ..............................................77 Hình 3.24 So sánh mật độ từ thông trung bình giữa mô phỏng và thực nghiệm ..........78 Hình 3.25 Mật độ từ thông trên mặt cắt dọc miếng cá ở khoảng cách nam châm 50mm ..................................................................78 Hình 3.26 Đồ thị so sánh thời gian cấp đông của các phương pháp khác nhau ............80 Hình 3.27 Phân tích thống kê thời gian cấp đông theo 04 phương pháp ......................81 Hình 3.28 Đường cong cấp đông tại bề mặt và tâm fillet cá tra ở các nhiệt độ khác nhau ...............................................................................81 Hình 3.29 Kết quả mô phỏng nhiệt độ trong quá trình cấp đông tại 11 mặt cắt ...........83 Hình 3.30 Phân bố hàm lượng băng bên trong miếng cá theo thời gian .......................83 Hình 3.31 Mô hình tính toán hệ số truyền nhiệt trong quá trình cấp đông ...................84 Hình 3.32 Mô tả phương pháp đo nhiệt độ trong quá trình cấp đông ...........................85 Hình 3.33 Lưu đồ tính toán hệ số trao đổi nhiệt ............................................................ 86 Hình 4.1 Minh họa mô hình hộp đen .............................................................................90 Hình 4.2 Minh họa các biến đầu vào và hàm mục tiêu của thực nghiệm......................94 Hình 4.3 Đồ thị bề mặt đáp ứng của hàm thời gian cấp đông .......................................97 Hình 4.4 Đồ thị bề mặt đáp ứng của hàm tỷ lệ hao hụt khối lượng sau cấp đông ........99 Hình 4.5 Đồ thị bề mặt đáp ứng của hàm tổng số chênh lệch màu trung bình ...........101 Hình 4.6 Mặt đáp ứng khi tối ưu hóa ..........................................................................103 Hình 4.7 So sánh suất tiêu hao điện năng ở nhiệt độ -30C ........................................105 Hình 4.8 So sánh suất tiêu hao điện năng ở nhiệt độ -35C ........................................105 Hình 4.9 So sánh suất tiêu hao điện năng ở nhiệt độ -40C ........................................106 Hình 5.1 Hệ màu CIE ..................................................................................................109 Hình 5.2 Lưỡi cắt Warner-Bratzler và lưỡi cắt Kramer ..............................................111 Hình 5.3 Mô tả phương pháp TPA ..............................................................................112 Hình 5.4 Vị trí đo và máy đo màu CR-410 .................................................................115 Hình 5.5 Cân mẫu cá trước và sau rã đông .................................................................116 Hình 5.6 Máy đo cấu trúc thực phẩm CT3-4500 và màn hình điều khiển ..................117 Hình 5.7 Vị trí lấy mẫu phân tích cấu trúc ..................................................................117 Hình 5.8 Các giá trị đo màu mẫu cá khi cấp đông không có từ trường (mẫu I) ..........120 Hình 5.9 Các giá trị đo màu mẫu cá khi cấp đông có từ trường (mẫu I) .....................121 Hình 5.10 Tỷ lệ hao hụt khối lượng khi rã đông .........................................................123 Hình 5.11 Biểu đồ lực cắt mẫu cá khi cấp đông không từ trường (mẫu III) ...............123 Hình 5.12 Biểu đồ lực cắt mẫu cá khi cấp đông có từ trường tĩnh (mẫu IV) ..............124 Hình 5.13 Biểu đồ phân tích TPA mẫu cá khi cấp đông không từ trường (mẫu III) ..126 Hình 5.14 Biểu đồ phân tích TPA mẫu cá khi cấp đông có từ trường tĩnh (mẫu IV) .126 Hình 5.15 Đồ thị so sánh tính chất cơ lý của các mẫu VQ-ABF-SMF .......................128 xi
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Diện tích và sản lượng cá tra của ĐBSCL từ năm 2015 -2019 .......................3 Bảng 1.2 Chỉ tiêu cảm quan của fillet cá tra....................................................................4 Bảng 1.3 Chỉ tiêu lý-hóa của fillet cá tra .........................................................................4 Bảng 1.4 So sánh các công nghệ cấp đông hiện đại ........................................................9 Bảng 2.1 Các giá trị p1, p2, p3 và E0 ..............................................................................39 Bảng 2.2 Các phương trình dự đoán nhiệt dung riêng của thành phần .........................40 Bảng 2.3 Các phương trình dự đoán hệ số khuếch tán nhiệt của các thành phần .........42 Bảng 2.4 Các phương trình dự đoán hệ số dẫn nhiệt của các thành phần .....................44 Bảng 2.5 Các phương trình dự đoán khối lượng riêng của các thành phần ..................44 Bảng 2.6 Thành phần của fillet cá tra ............................................................................45 Bảng 2.7 Hệ số P và R phụ thuộc vào hình dạng thực phẩm ........................................48 Bảng 2.8 Tổng hợp mô hình toán xác định thời gian cấp đông ....................................49 Bảng 3.1 Kết quả tính toán chu trình lạnh .....................................................................57 Bảng 3.2 Thông số cơ bản của các thiết bị trong hệ thống cấp đông ............................ 59 Bảng 3.3 Thông số trung bình của mật độ từ thông dao động tại 9 vị trí đo ................61 Bảng 3.4 Thông số trung bình của mật độ từ thông tĩnh tại 9 vị trí đo .........................61 Bảng 3.5 Tổng hợp các dụng cụ đo phục vụ thí nghiệm ...............................................62 Bảng 3.6 Các thông số thực nghiệm ..............................................................................64 Bảng 3.7 Kết quả thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của từ trường dao động ...............68 Bảng 3.8 Kết quả thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của từ trường tĩnh .......................70 Bảng 3.9 Giá trị từ trường tĩnh đo được từ kết quả mô phỏng ......................................76 Bảng 3.10 Tóm tắt các đại lượng thông số nhiệt vật lý trong quá trình cấp đông ........78 Bảng 3.11 Bảng tổng hợp thời gian cấp đông fillet cá tra .............................................82 Bảng 3.12 Các thông số tính toán hệ số trao đổi nhiệt ..................................................84 Bảng 3.13 Phân tích dữ liệu cấp đông theo mô hình toán .............................................85 Bảng 3.14 Các hệ số tính toán 1 và E ..........................................................................86 Bảng 3.15 So sánh hệ số truyền nhiệt trung bình ..........................................................87 Bảng 4.1 Miền thực nghiệm đa yếu tố ..........................................................................95 Bảng 4.2 Ma trận thực nghiệm trực giao cấp 2 ............................................................. 95 Bảng 4.3 Kết quả phân tích thống kê hàm Y1 ............................................................... 96 Bảng 4.4 Kết quả phân tích thống kê hàm Y2 ............................................................... 98 Bảng 4.5 Kết quả phân tích thống kê hàm Y3 .............................................................100 Bảng 4.6 Kết quả thực nghiệm đánh giá suất tiêu hao điện năng ...............................104 Bảng 5.1 Kết quả đo màu của mẫu fillet cá tra tươi ....................................................115 Bảng 5.2 Kết quả đo màu khi cấp đông không có từ trường .......................................119 Bảng 5.3 Kết quả đo màu khi cấp đông có hỗ trợ từ trường tĩnh ................................119 Bảng 5.4 Kết quả đo tỷ lệ hao hụt khối lượng khi cấp đông .......................................122 Bảng 5.5 Kết quả đo cơ lý bằng phương pháp cắt.......................................................124 Bảng 5.6 Kết quả đo cơ lý bằng phương pháp TPA ....................................................125 Bảng 5.7 Kết quả phân tích cơ lý mẫu công ty Vinh Quang .......................................127 xii
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU a Hệ số khuếch tán nhiệt, m2/s A Diện tích của bề mặt vật liệu, m2 c Nhiệt dung riêng, J/(kg.K) cf Nhiệt dung riêng của thực phẩm đã kết đông hoàn toàn CF Nồng độ ẩm (kg ẩm/m3) cj Nhiệt dung riêng của các thành phần thực phẩm, kJ/kgK cpi Nhiệt dung riêng của thực phẩm đã kết đông, kJ/(kg.K) cu Nhiệt dung riêng của thực phẩm chưa kết đông, kJ/(kg.K) DF Hệ số khuếch tán ẩm hiệu dụng, m2/s E Hệ số hình dạng F Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, m2 f1 Bậc tự do thứ nhất f2 Bậc tự do thứ hai FL Tỷ lệ hao hụt khối lượng sau cấp đông (Freezing loss), % G1 Khối lượng fillet cá tra trước khi cấp đông, g G2 Khối lượng fillet cá tra sau khi cấp đông, g h Enthalpy, kJ/kg hF Enthalpy của chất khuếch tán, hj Enthalpy của các thành phần trong thực phẩm. L Số hệ số có nghĩa trong phương trình hồi quy L0 Nhiệt ẩn đông đặc của nước tính theo kg, 333,6 kJ/kg L0 Nhiệt ẩn đông đặc của nước tính theo mol, 6003 kJ/mol m Khối lượng, kg M Vector phân cực từ, A/m p Mức ý nghĩa P Vector phân cực điện, C/m2 Q Dòng nhiệt, W R Hằng số khí lý tưởng, 8,314 kJ/(kmol.K) t Nhiệt độ, C T Nhiệt độ, K t Nhiệt độ môi trường, C T0 Nhiệt độ bắt đầu kết đông của nước tinh khiết, 273K hay t0 = 0C tf Nhiệt độ bắt đầu kết đông của thực phẩm, C tr Nhiệt độ tham chiếu, C ts Nhiệt độ bề mặt, C xiii
t − tr t Độ giảm nhiệt độ t = t f − tr Vs Thể tích của mẫu thử Vw Thể tích nước được đưa vào xb Thành phần khối lượng của nước liên kết trong thực phẩm, xb = 0, 4.x p xfw Thành phần nước có thể kết đông xi Thành phần khối lượng của băng xj Thành phần khối lượng của các thành phần có thực phẩm (carbohydrate, chất xơ, protein, chất béo, tro, nước, băng) xj v Thành phần thể tích của thành phần thứ j xp Thành phần khối lượng của protein có trong thực phẩm xs Thành phần khối lượng của các chất rắn trong thực phẩm, xs =1- xw0 xuw Thành phần nước không thể kết đông xw0 Thành phần khối lượng của nước ban đầu trong thực phẩm y, z Các tham số liên hệ Z Kích thước xác định, nửa chiều dày tấm phẳng hoặc bán kính của hình trụ, hình cầu, m Z max j Mức cao (mức trên) Z0 j Mức cơ sở Z min j Mức thấp (mức dưới) hr Lượng thay đổi enthalpy từ tf đến tr. Δc Hiệu nhiệt dung riêng của nước và của băng, c = cw – ci mF Lưu lượng khối  Hệ số tỏa nhiệt đối lưu, W/(m2.K)  Độ dày từ tâm thực phẩm ra bên ngoài, m;  Khối lượng riêng, kg/m3  Hệ số dẫn nhiệt, W/(m.K) ε Độ rỗng (độ xốp) của thực phẩm 0 Độ thẩm điện tuyệt đối của môi trường chân không, 0 = 10-9/36 (F/m) 0 Độ thẩm từ tuyệt đối của môi trường chân không, 0 = 4.10-7 (H/m)  Thời gian, s F Thời gian cấp đông, s i Hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm đã kết đông, W/(m.K) j Khối lượng riêng của các thành phần thực phẩm r Độ thẩm điện tương đối của vật liệu r Độ thẩm từ tương đối của vật liệu xiv
CÁC TỪ VIẾT TẮT ABF Air blast freezing AC Alternating current AFP Antifreeze proteins CAS Cell Alive System COP Coefficient of Performance DC Direct current EF Electrically disturbed freezing EMF Electromagnetic field HPF High pressure freezing IQF Individual quickly freezer MF Magnetically disturbed freezing MWF Microwave assisted freezing ODF Osmo-dehydro-freezing OMF Oscillating magnetic field assisted freezing RSM Response surface methodology SMF Static magnetic field assisted freezing STD Standard Deviation TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TPA Texture profile analysis UAF Ultrasound assisted freezing VASEP Vietnam Association of Seafood Exporters and Producers WHC Water Holding Capacity xv
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay ngành công nghiệp chế biến thực phẩm ở Việt Nam đã và đang trên đà phát triển mạnh. Các sản phẩm chế biến tiêu thụ trong nước và xuất khẩu ngày một đa dạng với các yêu cầu đòi hỏi ngày càng cao về tiêu chí an toàn, chất lượng và giá trị, tuy nhiên đóng góp chủ lực vào nền kinh tế quốc dân, đặc biệt là thị trường xuất khẩu vẫn là các sản phẩm thủy sản. Với các mục tiêu phát triển ngành thủy sản đến năm 2030 thành ngành kinh tế quan trọng của quốc gia, sản xuất hàng hóa lớn gắn với công nghiệp hóa - hiện đại hóa, phát triển bền vững và chủ động thích ứng với biến đổi khí hậu thì việc đẩy mạnh nghiên cứu các công nghệ liên quan đến nuôi trồng, chế biến và bảo quản thủy sản là điều cấp thiết hiện nay. Cá tra là loài cá nước ngọt được nuôi và xuất khẩu nhiều nhất so với các loại thủy sản nước ngọt khác và được ví là ngành xuất khẩu tỷ đô của Việt Nam. Fillet cá tra (phi lê cá tra) là bán thành phẩm đã qua các công đoạn xử lý như tách nội tạng, xương và da,... có thể sử dụng cho nhiều mục đích chế biến khác nhau. Tuy nhiên chúng rất dễ ươn hỏng nếu không được bảo quản thích hợp, thông thường các sản phẩm này được bảo quản bằng hình thức cấp đông, nhiệt độ tại tâm của fillet cá tra không lớn hơn -18°C (TCVN 8338:2010). Quá trình cấp đông thực phẩm bị ảnh hưởng bởi thành phần chủ đạo của chúng là nước. Chất lượng cuối cùng của sản phẩm đông lạnh phụ thuộc vào quá trình chuyển đổi pha từ nước thành băng. Kích thước của các tinh thể băng là rất quan trọng đối với chất lượng cuối cùng của thực phẩm đông lạnh vì nó có thể gây tác động không thể phục hồi cấu trúc tế bào do đó làm suy giảm cấu trúc và màu sắc của sản phẩm. Vì lý do này, nhiều công nghệ cấp đông mới đã được phát triển để kiểm soát quá trình kết tinh và cải thiện tốc độ hình thành và phát triển tinh thể băng. Sự tác động điện và từ là những yếu tố có thể sắp xếp lại các mạng liên kết hydro tồn tại trong nước. Với những phân tích nêu trên, nghiên cứu về quá trình cấp đông có hỗ trợ từ trường đối với fillet cá tra Việt Nam là nhu cầu cấp thiết nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm sau cấp đông đồng thời giảm chi phí năng lượng trong quá trình cấp đông, từ đó nâng cao lợi thế cạnh tranh trên thị trường xuất khẩu đối với sản phẩm cá tra ở Việt Nam. 2. Mục tiêu nghiên cứu − Phân tích được ảnh hưởng của từ trường đến hệ số truyền nhiệt trong quá trình cấp đông fillet cá tra. − Đánh giá được ảnh hưởng của các thông số công nghệ (nhiệt độ, vận tốc, chiều dày, mật độ từ thông) đến chi phí và chất lượng cấp đông có hỗ trợ từ trường tĩnh. Trên cơ sở đó xây dựng được chế độ cấp đông phù hợp với sản phẩm fillet cá tra Việt Nam. − Phân tích được ảnh hưởng của từ trường đến chất lượng sản phẩm fillet cá tra sau khi cấp đông dựa trên các tiêu chí như màu sắc, độ cứng, độ đàn hồi, độ dẻo, độ dai và tỷ lệ hao hụt khối lượng sau rã đông. Đồng thời, phân tích và so sánh được với sản phẩm fillet cá tra cấp đông thương mại trên thị trường xuất khẩu. xvi
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu a. Đối tượng nghiên cứu − Fillet cá tra được nuôi ở khu vực đồng bằng sông Cửu Long (cụ thể là tỉnh Tiền Giang). − Cấp đông gió có sự hỗ trợ của từ trường. b. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm quá trình cấp đông fillet cá tra trên mô hình cấp đông gió có hỗ trợ từ trường, năng suất 2 kg/mẻ. 4. Phương pháp nghiên cứu Để thực hiện được các nội dung nêu trên thì luận án sử dụng các phương pháp nghiên cứu cơ bản như sau: − Phương pháp chuyên gia: sử dụng kiến thức thực tế cũng như lý thuyết của các chuyên gia trong lĩnh vực cấp đông thực phẩm; các tác giả đã có các công trình công bố về kỹ thuật và thiết bị cấp đông thực phẩm. − Phương pháp kế thừa: kế thừa kiến thức lý thuyết và các công trình đã công bố trong các tài liệu kỹ thuật, sách, tạp chí chuyên ngành trên thế giới và trong nước. − Phương pháp giải tích toán học: sử dụng để giải quyết các bài toán trao đổi nhiệt, các thông số nhiệt vật lý và thời gian cấp đông thực phẩm. − Phương pháp mô phỏng: xác định phân bố nhiệt độ và thời gian cấp đông fillet cá tra, xác định phân bố từ trường trong buồng cấp đông. − Phương pháp sử dụng mô hình vật lý: Thiết kế, chế tạo mô hình vật lý nhằm xây dựng và xác định các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cấp đông và chất lượng sản phẩm. − Phương pháp thực nghiệm: bao gồm thực nghiệm đơn yếu tố và thực nghiệm đa yếu tố, sử dụng quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2 và phép hồi quy phi tuyến, nhằm tính toán hệ số truyền nhiệt và xác định các thông số công nghệ phù hợp. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Với kết quả dự kiến đạt được của đề tài nghiên cứu ứng dụng từ trường để nâng cao chất lượng cấp đông fillet cá tra tại Việt Nam sẽ mang lại nhiều lợi ích tích cực. Về mặt lý thuyết, đề tài góp phần hoàn thiện cơ sở lý thuyết về ứng dụng từ trường trong cấp đông nói chung, cũng như kỹ thuật nói riêng. Kết quả đạt được của đề tài nghiên cứu sẽ là cơ sở để áp dụng phương pháp cấp đông từ trường thay thế cho các phương pháp cũ trước đây. Về mặt kỹ thuật, đề tài góp phần phát triển dạng tủ cấp đông từ trường có thời gian cấp đông thấp hơn và chất lượng sản phẩm cao hơn so với tủ đông gió, tủ đông tiếp xúc và tủ đông IQF khác ở quy mô lớn, năng suất cao hơn. Về mặt học thuật, luận án sẽ đóng góp cũng như làm rõ phân bố trường nhiệt độ, phân bố hàm lượng băng bên trong sản phẩm fillet cá tra và các phương trình xác định thời gian cấp đông, chi phí năng lượng và chất lượng sản phẩm trong quá trình cấp đông từ trường. Về mặt thực tiễn, luận án sẽ tạo ra một loại thiết bị cấp đông mới có chất lượng cao, nhưng thời gian cấp đông nhanh hơn các thiết bị cấp đông khác. xvii
6. Bố cục của luận án Cấu trúc của luận án như sau: Chương 1: Tổng quan. Chương này đề cập đến vai trò và tầm quan trọng của quá trình cấp đông đến chất lượng thủy sản, đặc biệt là fillet cá tra. Đồng thời cũng giới thiệu các phương pháp cấp đông truyền thống và hiện đại, phân tích tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, từ đó đặt ra mục tiêu, đối tượng, nội dung và phương pháp nghiên cứu cho luận án. Chương 2: Nghiên cứu lý thuyết về cấp đông có hỗ trợ từ trường. Trong chương này, các đặc điểm của công nghệ cấp đông từ trường và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cấp đông đã được giới thiệu. Thêm vào đó, cơ sở lý thuyết xác định các tính chất nhiệt vật lý của fillet cá tra cũng được đề xuất dựa trên cơ sở kế thừa các nghiên cứu trước đây. Đồng thời, các mô hình toán đã được thiết lập để xác định hệ số truyền nhiệt, hệ số trao đổi nhiệt và thời gian cấp đông – là các thông số quan trọng trong việc đánh giá hiệu quả của quá trình cấp đông có hỗ trợ từ trường. Chương 3: Kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm ảnh hưởng của từ trường đến quá trình cấp đông gió. Trên cơ sở lý thuyết được nghiên cứu ở chương 2, thiết bị cấp đông quy mô thí nghiệm đã được thiết kế, mô phỏng và chế tạo nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của từ trường đến quá trình cấp đông. Kết quả thực nghiệm đã được tiến hành trên 03 phương pháp: cấp đông gió không từ trường, cấp đông có hỗ trợ từ trường dao động và cấp đông có hỗ trợ từ trường tĩnh nhằm so sánh thời gian cấp đông và sử dụng làm cơ sở dữ liệu để xác định hệ số truyền nhiệt trong quá trình cấp đông. Chương 4: Tối ưu hóa các thông số vận hành quá trình cấp đông gió có hỗ trợ từ trường tĩnh. Chương này trình bày phương pháp quy hoạch thực nghiệm nhằm tối ưu hóa các thông số vận hành của quá trình cấp đông fillet cá tra có hỗ trợ từ trường tĩnh. Kết quả đã xác định được các mối tương quan giữa 03 hàm mục tiêu (Thời gian cấp đông, tỷ lệ hao hụt khối lượng sau cấp đông, tổng số chênh lệch màu trung bình) với 04 thông số có ảnh hưởng lớn đến quá trình cấp đông bao gồm nhiệt độ môi trường cấp đông, vận tốc không khí qua bề mặt mẫu, chiều dày trung bình của mẫu và mật độ từ thông trung bình. Từ đó, bài toán tối ưu hóa đa mục tiêu đã được thiết lập và giải quyết bằng phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM). Chương 5: Đánh giá chất lượng sản phẩm cấp đông ứng dụng từ trường. Trong chương này, một số chỉ tiêu chất lượng quan trọng liên quan đến thực phẩm sau khi cấp đông như màu sắc, độ cứng, độ dẻo, độ dai,…đã được phân tích và đánh giá dựa trên các mẫu đã được cấp đông có hỗ trợ từ trường ở chế độ vận hành tối ưu, như đã xác định ở chương 4. Đồng thời các chỉ tiêu này cũng được so sánh với các mẫu fillet cá tra chưa cấp đông và các mẫu cá được cấp đông bằng phương pháp cấp đông gió thông thường đang được phân phối trên thị trường. Kết quả phân tích cho thấy từ trường trong cấp đông có tác động đến cấu trúc và màu sắc của fillet cá tra, giúp mẫu cá đạt được chất lượng tốt hơn so với phương pháp cấp đông gió thông thường. xviii