CÔNG NGHỆ SẤY THĂNG HOA VÀ ỨNG DỤNG
1. Giới thiệu
Sấy thăng hoa là công nghệ sấy tiên tiến có hiệu quả loại bỏ nước cao, được phát triển và ứng dụng đầu tiên trong ngành thực phẩm tại các nước Tây Âu trước khi được ứng dụng phổ biến rộng rãi ở Hoa Kỳ, Anh, Pháp, Nhật Bản và nhiều quốc gia khác. Nhờ khả năng duy trì chất lượng cảm quan và giá trị dinh dưỡng của sản phẩm, sấy thăng hoa đã trở thành một trong những công nghệ sấy quan trọng nhất trong ngành công nghiệp thực phẩm hiện đại.
Trong ngành công nghiệp thực phẩm, sấy thăng hoa có nhiều ưu điểm nổi bật so với các phương pháp làm khô khác:
(1) Sấy thăng hoa giúp bảo tồn tối đa màu sắc, mùi, vị, trạng thái cảm quan và hình dạng ban đầu của thực phẩm tươi; đồng thời bảo vệ các thành phần dinh dưỡng và hạn chế sự mất mát các chất dinh dưỡng trong quá trình chế biến. Phương pháp này đặc biệt phù hợp đối với các sản phẩm nhạy cảm với nhiệt.
(2) Thực phẩm sấy thăng hoa có khả năng hoàn nguyên tốt, tốc độ hút nước và phục hồi trạng thái ban đầu nhanh sau khi bổ sung nước.
(3) Thực phẩm sấy thăng hoa có độ ẩm rất thấp, thuận lợi cho việc bảo quản lâu dài và vận chuyển. Đây là loại thực phẩm phù hợp cho các bữa ăn tiện lợi, du lịch, dã ngoại, hội họp và các hoạt động giải trí khác.
Tuy nhiên, sấy thăng hoa cũng tồn tại một số nhược điểm như thời gian xử lý kéo dài và chi phí đầu tư, vận hành cao. Quá trình sấy thăng hoa là một quá trình truyền nhiệt và truyền khối rất phức tạp, do đó cần nghiên cứu đầy đủ ảnh hưởng của các điều kiện công nghệ đến chất lượng sản phẩm sau sấy.
2. Nguyên lý sấy thăng hoa
Sấy thăng hoa là phương pháp làm khô vật liệu bằng cách cấp đông sản phẩm, sau đó đặt trong môi trường chân không có áp suất thấp hơn điểm ba thể của nước (hình 1). Trong điều kiện này, nước tồn tại dưới dạng đá sẽ hấp thụ nhiệt và chuyển trực tiếp từ trạng thái rắn sang trạng thái hơi mà không qua pha lỏng. Hơi nước sinh ra được thu giữ trên bộ ngưng tụ lạnh. Nhờ vậy, sản phẩm sau sấy vẫn giữ được hình dạng, cấu trúc, màu sắc, mùi vị và các thành phần dinh dưỡng nhạy cảm với nhiệt.
Hình 1: Giản đồ điểm ba thể của nước
3. Ứng dụng công nghệ sấy thăng hoa
Công nghệ sấy thăng hoa được ứng dụng rộng rãi hiện nay để sấy các loại sản phẩm thực phẩm như trái cây, rau củ, nấm ăn, thịt, thực phẩm ăn liền,… Một số sản phẩm sấy thăng hoa được thể hiện hình 2.
Hình 2: Ứng dụng công nghệ sấy thăng hoa
4. Các quá trình sấy thăng hoa
Quá trình STH được chia làm ba giai đoạn chính: Giai đoạn đầu cấp đông vật liệu sấy, giai đoạn này chuyển ẩm bên trong vật liệu sấy sang trạng thái rắn, kết thúc giai đoạn này nhiệt độ vật liệu sấy đạt được nhiệt cấp đông (-30 – 40o C); Giai đoạn thứ hai là giai đoạn STH ở nhiệt độ và áp suất thấp, dưới điểm ba thể, chuyển ẩm từ trạng thái rắn sang trạng thái hơi, kết thúc giai đoạn này, vật liệu sấy đạt 0o C; Giai đoạn cuối cùng là sấy chân không nhằm tách ẩm liên kết của vật liệu sấy, kết thúc giai đoạn này nhiệt độ đạt được nhiệt độ cài đặt môi trường sấy.
5. Quy trình sấy thăng hoa
Quy trình sấy thăng hoa được thể hiện ở hình 3
Hình 3: Quy trình sấy thăng hoa
5.1. Chuẩn bị nguyên vật liệu sấy
Trước khi tiến hành sấy thăng hoa, nguyên liệu thực phẩm thường phải trải qua các bước tiền xử lý vật lý, hóa học hay sinh học như phân loại, làm sạch, cắt hoặc tạo hình, chần, thủy phân, cô đặc v.v.. Trình tự và nội dung các công đoạn tiền xử lý có thể khác nhau tùy theo đặc tính của từng loại thực phẩm. Nguyên liệu sau khi tiền xử lý sẽ được xếp khay để chuẩn bị cho quá trình cấp đông.
5.2. Cấp đông
Sau khi hoàn tất các công đoạn tiền xử lý, nguyên liệu được cấp đông nhanh nhằm chuyển nước tự do trong sản phẩm sang trạng thái rắn trước khi sấy thăng hoa. Bước cấp đông nhanh có vai trò hạn chế sự biến tính của các thành phần nhạy cảm với nhiệt, đồng thời ngăn chặn hiện tượng sủi bọt hoặc phồng nở không mong muốn trong quá trình sấy chân không.
Nhiệt độ cấp đông: -30 ÷ -40o C
Thời gian cấp đông nhanh: 2 ÷ 4 giờ (tùy theo đặc tính của nguyên liệu)
5.3. Sấy thăng hoa
Sấy sơ cấp (thăng hoa)
Sau giai đoạn cấp đông, môi trường sấy sẽ được rút chân không để chuyển sang quá trình sấy thăng hoa. Trong giai đoạn sấy thăng hoa, sản phẩm đông lạnh được cung cấp nhiệt để các tinh thể nước đá chuyển trực tiếp từ pha rắn sang pha hơi (thăng hoa) và được loại bỏ khỏi buồng sấy, quá trình sẽ tách khoảng 90–95% lượng nước có trong sản phẩm. Để duy trì hình dạng, cấu trúc và chất lượng của sản phẩm, nhiệt độ sản phẩm cần được kiểm soát thấp hơn nhiệt độ điểm ba trong suốt quá trình sấy.
Áp suất chân không cần đạt: < 50 Pa.
Thời gian sấy: 16 ÷ 24 giờ
Sấy thứ cấp
Sau khi kết thúc giai đoạn sấy sơ cấp, sản phẩm vẫn còn chứa một lượng nước liên kết và nước hấp phụ trên bề mặt vật liệu khô. Để loại bỏ phần ẩm còn lại này, sản phẩm được tiếp tục xử lý trong giai đoạn sấy thứ cấp bằng cách nâng nhiệt độ trong điều kiện chân không. Tuy nhiên, nhiệt độ sấy phải được kiểm soát phù hợp nhằm tránh làm biến tính các thành phần nhạy cảm của thực phẩm. Kết thúc quá trình sấy thứ cấp, độ ẩm cuối cùng của sản phẩm thường còn lại < 5%.
Áp suất chân không cần đạt: < 10 Pa.
Nhiệt độ sấy: 30 ÷ 40o C
Thời gian sấy: 4 ÷ 6 giờ
5.4. Đóng gói
Sau khi hoàn tất quá trình thứ cấp, sản phẩm được đóng gói kín trong môi trường chân không hoặc khí trơ (như nitơ) để ngăn hấp thụ ẩm từ môi trường, duy trì độ ẩm đồng đều và hạn chế các phản ứng oxy hóa làm suy giảm chất lượng sản phẩm. Phần lớn sản phẩm sấy thăng hoa có thể được bảo quản ở nhiệt độ phòng. Tuy nhiên, đối với một số sản phẩm đặc thù có chứa các thành phần nhạy cảm với nhiệt độ hoặc oxy hóa, điều kiện bảo quản lạnh từ -4 °C đến -20 °C là cần thiết để đảm bảo độ ổn định và kéo dài thời hạn sử dụng.
Hình 4: Sản phẩm đóng gói chân không sau khi sấy
6. Thiết bị sấy thăng hoa tại Trung tâm Phân tích Quốc tế - Trường Đại học Công Thương Thành phố Hồ Chí Minh.
6.1 Thiết bị sấy thăng hoa phòng thí nghiệm.
6.1.1 Thông tin thiết bị sấy thăng hoa phòng thí nghiệm
- Xuất xứ: Nhật, Model: FD2100
- Năng suất: phù hợp với mẫu nhỏ
- Tổng thời gian sấy/mẻ: 12 – 48 giờ (tùy theo đặc điểm nguyên liệu)
- Nhiệt độ cấp đông buồng ngưng: -80o C
- Áp suất chân không cuối giai đoạn sấy thứ cấp: < 30 Pa.
6.1.2 Hình ảnh thiết bị sấy thăng hoa phòng thí nghiệm
Hình 5: Thiết bị sấy thăng hoa phòng thí nghiệm
Hình 6: Sản phẩm sau khi sấy
6.2 Thiết bị sấy thăng hoa quy mô nhỏ năng suất 20 kg/mẻ
6.2.1 Thông tin thiết bị sấy thăng hoa quy mô nhỏ năng suất 20 kg/mẻ
- Xuất xứ: Việt Nam, Model: FD20
- Năng suất: 5÷20 kg/mẻ (tùy theo đặc điểm nguyên liệu)
- Tổng thời gian sấy/mẻ: 24 – 40 giờ (tùy theo đặc điểm nguyên liệu)
- Nhiệt độ cấp đông: -30o C
- Nhiệt độ sấy thứ cấp cài đặt: 30 – 55o C
- Áp suất chân không cuối giai đoạn sấy thứ cấp: < 10 Pa.
6.2.2 Hình ảnh thiết bị sấy thăng hoa quy mô nhỏ năng suất 20 kg/mẻ:
Hình 7: Thiết bị sấy thăng hoa năng suất 20 kg/mẻ
Hình 8: Chi tiết thiết bị sấy thăng hoa năng suất 20 kg/mẻ
6.2.3 Sơ đồ nguyên lý máy sấy thăng hoa năng suất 20 kg/mẻ
Hình 9: Sơ đồ nguyên lý máy sấy thăng hoa năng suất 20 kg/mẻ
6.2.4 Sản phẩm sau khi sấy thăng hoa năng suất 20 kg/mẻ
Một số hình ảnh sản phẩm sau khi sấy thăng hoa:
Chuối Dứa
Đông trùng hạ thảo Sakê
Viên canh ăn liền Đậu bắp
Sầu riêng Sữa chua
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Y. Liu, Z. Zhang, L. Hu (2022) High efficient freeze-drying technology in food industry. Critical Reviews in Food Science and Nutrition 62:3370-3388.
[2] T.-C. Hua, B.-L. Liu, H. Zhang (2010) Freeze-drying of pharmaceutical and food products. Elsevier.
