Sản xuất thực phẩm bằng phương pháp dùng vi sóng

Nội dung text: Sản xuất thực phẩm bằng phương pháp dùng vi sóng

1. SẢN XUẤT THỰC PHẨM BẰNG PHƢƠNG PHÁP DÙNG VI SÓNG Nguyễn Lệ Hà Viện Khoa học Ứng dụng HUTECH, Đại học Công nghệ thành phố Hồ Chí Minh TÓM TẮT Việc sử dụng vi sóng trong sản xuất và chế biến thực phẩm đang có xu hướng gia tăng trong những năm gần đây. Các ứng dụng của vi sóng không chỉ phổ biến ở qui mô gia đình mà còn được chú ý trong sản xuất thực phẩm ở các nhà máy chế biến rau quả, thịt, trà để chần hay làm chín, để sấy khô hay cô đặc. Quá trình có nhiều ưu điểm vượt trội so với các phương pháp thông thường khác ở chỗ ít đòi hỏi máy móc thiết bị hơn và chất lượng thành phẩm cũng tốt hơn. Bài viết này giới thiệu về vi sóng, cơ chế làm việc của thiết bị và những ưu nhược điểm của phương pháp khi ứng dụng vào sản xuất thực phẩm. 1. MỞ ĐẦU Trong sản xuất thực phẩm, có một giả thiết rất được các nhà thực phẩm học ủng hộ, đó là, xử lý thực phẩm ở nhiệt độ rất cao (UHT- ultra-high temperature hay ultra-high heat treament) có tác dụng tốt đối với việc gìn giữ chất lượng của chúng, bất kể sau này thực phẩm ấy sẽ được bảo quản lạnh đông hay đưa ra thị trường tiêu thụ ở dạng giữ mát trong thời gian ngắn. Phương pháp gia nhiệt bằng vi sóng là một tiến bộ vượt bậc cho phép các nhà sản xuất thực phẩm thực hiện tốt hơn nữa công đoạn xử lý thực phẩm ở nhiệt độ rất cao UHT. Vi sóng (sóng cực ngắn) đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực chế biến: làm khô, chần hấp, sấy khô trong chân không, làm chín trong sản xuất thịt, cá hay rau quả [2] Ưu điểm của việc sử dụng vi sóng là quá trình truyền nhiệt tương đối đều trong cả khối thực phẩm, đồng thời ít ảnh hưởng xấu đến các thành phần dinh dưỡng trong đó. Tuy nhiên, xu hướng này còn chưa được áp dụng nhiều trên thực tế, dù người ta đã phát hiện ra nó từ những năm 1950. Nguyên nhân chính là vì chưa giải quyết được các rào cản giữa kỹ thuật và thương mại [1]. 2. GIỚI THIỆU VỀ VI SÓNG Vi sóng hay sóng cực ngắn bao gồm một dải sóng vô tuyến có tần số từ 300 MHz đến 300 GHz, tương ứng với độ dài sóng nằm trong khoảng 1m và 1mm. Trên thực tế, các ứng dụng thuộc lĩnh vực công nghiệp đều thực hiện ở các tần số 915 MHz tại Mỹ, 896 MHz tại Anh và 2450 MHz trên toàn thế giới. Tất cả các lò vi sóng lưu hành trên thị trường hiện nay đều làm việc ở 2450 MHz (hay ở các nước thuộc Liên xô cũ là 2375 MHz) [3]. Nguyên nhân của việc áp dụng những tần số trên trong công nghiệp thực phẩm là các thiết bị phát sóng ở tần số này có mức tiêu thụ năng lượng chấp nhận được và giá tương đối rẻ, đồng thời, độ dài sóng ở những tần số này phù hợp với kích thước thực phẩm, do đó sẽ cho hiệu quả sử dụng tốt hơn so với dùng các tần số khác [2]. Vi sóng được tạo ra nhờ các thiết bị chân không có dạng ống gọi là magnetron (ứng dụng đầu tiên của các thiết bị này là trong các máy rada). Hiện tại, magnetron có các loại với công suất từ vài trăm W tới 50 kW. Các sóng cực ngắn bị kim loại phản xạ, chúng có thể truyền qua các vật liệu không tích điện như thủy tinh, nhựa, sứ và giấy, chúng bị các vật liệu tích điện hấp thụ. Vi sóng truyền sâu vào thực phẩm và khi ấy, năng lượng của chúng chuyển thành nhiệt nhờ cơ chế định hướng sắp xếp các cực và ion trong bản thân thực phẩm. 820
2. Các phân tử nước là những phân tử có cực phổ biến hơn cả trong thực phẩm, chúng tồn tại ngẫu nhiên ở mọi nơi. Khi đặt vào trong một trường tích điện, giữa hai điện cực chẳng hạn, các phân tử nước có cực ấy có xu hướng sắp xếp thẳng hàng theo hướng từ trường. Khi ngắt tắc dụng của điện trường, các phân tử sẽ theo chiều hướng quay lại sắp xếp lộn xộn. Nếu việc đóng ngắt điện trường thực hiện nhanh đến hàng triệu lần mỗi giây, chẳng hạn 2450 MHz như ở các lò vi sóng, động năng tạo ra sẽ lớn do chuyển động của các phân tử có cực lớn, và đó chính là nguyên tắc nhiệt được tạo thành [2]. Khi áp dụng phương pháp gia nhiệt bình thường, sự truyền nhiệt dựa vào đối lưu và truyền dẫn, vì thế cần một thời gian nhất định để thực phẩm đạt đến nhiệt độ cần thiết. Các thiết bị trao đổi nhiệt thông thường đã được nghiên cứu cải thiện nhiều để khắc phục điều này, chẳng hạn sử dụng bề mặt truyền nhiệt có bộ phận cào nguyên liệu sẽ rút ngắn thời gian xuống đáng kể. Tuy nhiên, những kỹ thuật kiểu như vậy không thể áp dụng cho mọi loại thực phẩm, như các loại có chứa cả phần cái và nước chẳng hạn. Ưu điểm của vi sóng chính là sự chuyển động định hướng các ion xảy ra dưới tác dụng của từ trường. Khi đóng ngắt điện trường nhanh và liên tục, nhiệt sẽ được tạo thành, nhờ đó, thực phẩm được nâng nhiệt lên nhanh chóng, thời gian gia nhiệt giảm đáng kể so với bình thường. 3. LỢI ÍCH CỦA VIỆC CHẾ BIẾN BẰNG CÁCH SỬ DỤNG VI SÓNG [4] Các thuận lợi chủ yếu của việc chế biến bằng cách sử dụng vi sóng có thể tóm tắt như sau: Quá trình chế biến liên tục và khô ráo. Trên thực tế, khi ứng dụng vi sóng thay cho nguồn cấp nhiệt bằng nước hay hơi nước, quá trình sản xuất có thể tiến hành liên tục (thay vì từng mẻ) và không cần làm khô bao bì. Nâng nhiệt và làm khô nhanh. Bởi vì quá trình nâng nhiệt chỉ xảy ra trong bản thân thực phẩm, ta không cần chú ý tới diện tích của bề mặt truyền nhiệt và vì vậy có thể tăng nhanh tốc độ của quá trình chế biến. Điều này hoàn toàn áp dụng được cho cả các nguyên liệu có độ dẫn nhiệt thấp và cho quá trình sấy khô, vì nước có hằng số hao hụt điện môi lớn sẽ làm cho những phần nguyên liệu ẩm mau nóng lên và hơi nước nhanh chóng dịch chuyển ra bề mặt. Tiết kiệm năng lƣợng. Khi dùng vi sóng, không cần tốn năng lượng vô ích để làm nóng thiết bị hay về thất thoát vào môi trường xung quanh. Nhiệt chỉ tạo thành đúng nơi cần thiết, đó là trong nguyên liệu chế biến. Khi làm khô thực phẩm, năng lượng vi sóng được sử dụng vào lúc quá trình làm khô theo phương pháp thông thường đã đạt tới điểm tới hạn, nhờ vậy, dễ tạo ra nhiệt hóa hơi để tiếp tục làm khô mà chi phí vẫn hạn chế. Tiết kiệm không gian. Khi cần tăng sản lượng sản xuất, nhà máy thường phải xây dựng to lớn lên nhiều lần. Tuy nhiên nếu sử dụng vi sóng, có thể tiết kiệm được nhiều. Ví dụ, nhà máy sản xuất bánh mì có thể tiết kiệm tới 50% thời gian khi sử dụng năng lượng vi sóng, nhờ đó tăng công suất nhà máy. Khởi động và tắt máy nhanh. Trên thực tế, khi sử dụng vi sóng, không cần chuẩn bị s n một lượng nhiệt nào cả, vì vậy, thiết bị có thể lập tức đưa vào vận hành sau khi kiểm tra. Việc vệ sinh sau sản xuất cũng có thể tiến hành ngay lập tức sau khi tắt máy vì thiết bị vẫn nguội bình thường. 4. MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA NĂNG LƢỢNG VI SÓNG TRONG CÔNG NGHIỆP Sấy khô và rang trà xanh (thực hiện tại nhà máy Ito-En Shizuoka, Shizuoka Pref. và một số nhà máy khác ở Nhật Bản) [1]. Quá trình chế biến trà xanh nói chung có thể chia làm hai giai đoạn. Giai đoạn một là bước chế biến sơ bộ lá trà tươi để cho ra trà ở dạng bán thành phẩm, bước tiếp theo là chế biến bán thành phẩm để có sản phẩm sau cùng. Trà bán thành phẩm mới chỉ qua bước chế biến ban đầu và còn chưa có được những tính chất 821
3. mong muốn như mùi thơm và vị ngon đặc trưng. Mục đích chính của bước chế biến tiếp theo là tiếp tục làm khô lá trà và tạo cho chúng mùi vị tuyệt vời bằng cách rang mặt lá phía ngoài. Tuy nhiên, cần tốn khoảng thời gian khá dài và cả kinh nghiệm nữa để có thể tách hoàn toàn hàm lượng nước trong lá trà nếu áp dụng cách gia nhiệt từ bên ngoài. Cũng phải kể thêm đến các phản ứng phụ như bề mặt lá trà bị gia nhiệt quá độ sẽ biến màu, biến dạng và mất mùi thơm. Sau quá trình nghiên cứu nghiêm túc, nhà máy đã quyết định xây dựng một hệ thống chế biến trà cải tiến, trong đó sử dụng một lò vi sóng để sấy khô và một thiết bị gia nhiệt ứng dụng tia hồng ngoại có bước sóng dài để rang trà. Hệ thống mới này đã có tác dụng tốt và cho xuất xưởng các sản phẩm chất lượng cao. Điểm đặc trưng nổi bật: Hệ thống mới sử dụng lò vi sóng để làm khô nhằm giảm hàm lượng nước trong lá trà bán thành phẩm từ 8-10% xuống còn 1-2%. Lá trà khô sau đó được rang trong thiết bị trống quay có trang bị đèn hồng ngoại với bước sóng dài để cho trà xanh thành phẩm thơm ngát. Thiết bị trống quay được bố trí ngay dưới lò vi sóng để đảm bảo đường đi của lá trà trong phân xưởng chế biến là ngắn nhất. Các ưu điểm: – Cho phép sản xuất sản phẩm trà chất lượng tốt, nước trà sau khi pha có màu đẹp, mùi thơm. – Làm chậm lại sự biến màu của trà khi bảo quản – Lá trà làm khô đạt yêu cầu kỹ thuật về độ ẩm và đồng đều mà không làm mất màu trên bề mặt lá. – Có thể kiểm soát quá trình chế biến để đạt được độ đồng đều ổn định của sản phẩm – Hạn chế bức xạ nhiệt để bảo vệ môi trường xung quanh Đặc tính kỹ thuật của hệ thống: – Công suất lò vi sóng: 7,2 kW (có thể chọn thiết bị có công suất nhỏ hơn) – Công suất thiết bị gia nhiệt hồng ngoại: 14,0 kW – Năng suất sản xuất: 12 kg/h – Nguồn điện: 200V- 3 pha 50 Hz Tiệt trùng hỗn hợp quả và nƣớc đƣờng (thực hiện tại Brasfoucard Industrie- Le Houlme, Pháp) [1] Yêu cầu chế biến: Hỗn hợp trái cây và nước đường thường có mặt trong công thức của nhiều sản phẩm từ sữa như các loại sữa chua, kem. Sau khi phối trộn, sản phẩm này được tiệt trùng và làm nguội trước khi đóng hộp và xuất xưởng. Nhiệt độ thanh trùng phụ thuộc vào hỗn hợp cụ thể và có thể dao động trong khoảng khá rộng: 85 đến 125oC. Quá trình chế biến thông thường: Việc tiệt trùng hỗn hợp trái cây và nước đường được thực hiện trong các nồi hai vỏ đun nóng nhờ hơi nước hay nước nóng. Quá trình chế biến gián đoạn có thể dẫn đến hậu quả là, phần thực phẩm gần thành nồi bị nấu quá mức cần thiết, do đó làm thực phẩm có mùi cháy khét. Thời gian nấu dài cũng làm cho các hợp chất mang mùi bị phân hủy. Chế biến bằng cách sử dụng vi sóng: hỗn hợp được bơm liên tục qua ống thạch anh chuyển tới lò vi sóng. Ống này đi xuyên qua ba khoang, mỗi khoang có 15 bộ phận tạo vi sóng (magnetron 800W). Năng lượng vi sóng được kiểm soát tự động nhờ sử dụng thiết bị đo áp suất và nhiệt độ lắp ở đầu vào và đầu ra của mỗi khoang. Dây chuyền chế biến hoàn toàn tự động, bao gồm công đoạn pha chế nước đường, phối trộn các thành phần và sau đó tiệt trùng bằng vi sóng, làm nguội trong hệ thống trao đổi nhiệt, cuối cùng là đóng hộp theo nguyên tắc vô trùng vào các container 850 lít. 822
4. Các thông số kỹ thuật chính – Công suất 100-2000kg/h – Nhiệt độ đầu vào- phụ thuộc sản phẩm – Nhiệt độ đầu ra- 85-125oC (tùy sản phẩm cụ thể) – Tỷ lệ chất rắn trong hỗn hộp – 10-90% (tùy sản phẩm) – Đường kính trong của ống 38mm – Chiều dài ống – 12m (3 x 4 m) – Vân tốc sản phẩm – khoảng 0,5 m/s – Công suất vi sóng lắp đặt – 36 kW – Điện năng tiêu thụ 72 kW – Tần số 2450 MHz Những thuận lợi về mặt kinh tế: – Gia nhiệt bằng vi sóng cho phép thực hiện quá trình chế biến liên tục và tự động hóa. Thời gian nâng nhiệt ngắn. Nhiệt truyền đồng đều trong thực phẩm sẽ giảm thiểu việc nấu quá mức cần thiết. Thời gian xử lý nhiệt giảm xuống 75% so với phương pháp thông thường khi độ vô trùng đạt được như nhau. Kết quả là hình thức của sản phẩm cũng như mùi vị của nó được cải thiện rõ rệt. – Mức tiêu thụ năng lượng trung bình của cả quá trình chế biến giảm xuống 75%. – Hiệu quả cải thiện chất lượng sản phẩm khoảng 30%. Thanh trùng sản phẩm dạng kem sệt sau khi đóng bao bì (thực hiện tại P&T Foods – Hulshout, Bỉ) [4] Yêu cầu chế biến: trong những năm gần đây, nhu cầu thực phẩm đóng bao bì s n ngày càng lớn. Công ty P&T Foods đã đáp ứng nhu cầu này bằng cách xuất xưởng hàng loạt các sản phẩm như các món ăn Ý: aganolotti, lasagna, ravioli, spaghetti v.v Đặc điểm nổi bật của quá trình chế biến các sản phẩm này là việc ứng dụng thanh trùng sau khi đóng bao bằng vi sóng đối với các thực phẩm tươi đã nấu chín. Ưu điểm chính của quá trình là sản phẩm có thời hạn bảo quản tới 9 tháng mà vẫn giữ được mùi vị tươi mới như vừa được nấu. Kỹ thuật sản xuất truyền thống: các thiết bị thanh trùng cổ điển sử dụng hơi nước để nâng nhiệt cho sản phẩm, điều này dẫn đến việc nhiệt truyền vào bên trong khối thực phẩm rất chậm chạp khi sự truyền nhiệt chủ yếu bằng truyền dẫn. Để đạt được độ vô trùng cần thiết (biểu thị qua giá trị thời gian hiệu quả F), cần phải thanh trùng một thời gian dài, và như vậy, thực phẩm đánh mất giá trị cảm quan cũng như vị tươi mới của nó. Hệ thống sản xuất mới: thiết bị thanh trùng của P&T Foods đã được vận hành từ năm 1990. Nhiệt độ tăng nhanh trong khối thực phẩm nhờ bộ tạo vi sóng lắp xung quanh thiết bị thanh trùng. Thời gian cần để đạt được giá trị thời gian hiệu quả F rút ngắn đi năm lần so với phương pháp truyền thống. Ưu điểm của phương pháp là mùi vị thơm ngon như vừa được nấu của thực phẩm. Các gói thực phẩm được rót sốt, kem sau đó hàn kín. Các bao bì này sẽ được nâng nhiệt trước bằng vi sóng, công suất lắp đặt là 17 kW (14 magnetron tạo vi sóng có máy vi tính điều khiển với công suất 1200W ở tần số 2450 MHz). Tiếp theo đó là quá trình thanh trùng trong thiết bị hình trụ có đường kính 2 m ở điều kiện áp suất cao. Một hệ thống cơ học sẽ điều khiển việc cho các túi thực phẩm vào máy và lấy chúng ra liên tục. 823
5. Thiết bị thanh trùng điều khiển bằng vi tính này chia làm hai phần: Bộ phận tạo vi sóng: 72 kW (60 x 1200 W – 2450 MHz); Điện trở : 75 kW (để tạo không khí nóng). Toàn bộ phần ống trụ của thiết bị thanh trùng hoạt động ở áp suất 2,2 bar nhằm mục đích đạt được nhiệt độ khoảng 120oC mà không làm vỡ các bao bì thực phẩm. Quá trình chế biến gồm bốn công đoạn: 1. Nâng nhiệt nhanh chóng bằng vi sóng 2. Phân bố nhiệt đều đặn trong gói thực phẩm băøng cách dùng vi sóng và không khí nóng 3. Giữ nhiệt bằng không khí nóng 4. Làm nguội bằng không khí lạnh Việc kiểm tra chất lượng sản phẩm được thực hiện ở hai cấp: – Kiểm tra nội bộ: kiểm soát nhiệt độ của thực phẩm trong quá trình chế biến. – Kiểm tra ngoài nhà máy: mẫu đại diện của mỗi lô hàng được phân tích ở một phòng thí nghiệm độc lập sau khi giữ sản phẩm ở điều kiện bình thường trong 7 ngày. Những lợi ích của việc sử dụng phương pháp: Dây chuyền sản xuất có khả năng cho xuất xưởng các món ăn đóng s n trong bao bì với chất lượng tốt. – Chất lượng sản phẩm tốt hơn: các tính chất cảm quan và vị thơm tươi mới của sản phẩm có được là nhờ quá trình nâng nhiệt nhanh chóng. – Thời gian bảo quản dài và ổn định: 9 tháng bảo quản ở nhiệt độ thường thay vì chỉ 2-3 tuần trong tủ lạnh. – Quá trình hoàn toàn tự động hóa, dây chuyền sản xuất liên tục. Tiết kiệm không gian nhà xưởng, ít công nhân vận hành. Điều kiện làm việc tốt hơn Năng suất tối thiểu của thiết bị là 6 triệu sản phẩm mỗi năm (750 kg/h). Bằng cách sử dụng kỹ thuật truyền thống không thể nào đạt được các sản phẩm với chất lượng tốt đồng đều như thế. 5. KẾT LUẬN Sản xuất thực phẩm bằng phương pháp dùng vi sóng để tăng thời gian bảo quản đã đạt được những thành tựu lớn trong những năm qua, tuy nhiên phương pháp này vẫn còn chưa được sử dụng thật rộng rãi. Nguyên nhân của điều này là do sự kết hợp giữa những rào cản kỹ thuật với rào cản kinh tế. Điều cản trở lớn nhất đó là giá thành khá cao của các dây chuyền sản xuất sử dụng vi sóng và người ta đang hy vọng sẽ khắc phục được điều đó trong vài năm tới đây. Những rào cản về mặt kỹ thuật không chỉ bao gồm vấn đề thiết kế thiết bị, dây chuyền mà còn ở ảnh hưởng của vi sóng tới thực phẩm. Vì vậy, những tiến bộ trong tương lai sẽ chỉ đạt được nếu có sự hợp tác chặt chẽ giữa nhà sản xuất máy thiết bị và nhà máy sử dụng nó. Và nếu điều này thật sự xảy ra, chắc chắn sẽ còn nhiều ứng dụng thú vị hơn nữa của vi sóng trong sản xuất và bảo quản thực phẩm. 824
6. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Chandrasekaran S., Ramanathan S., Tanmay Basak. Microwave food processing – a review. Food Research International 2013: 52(1), 243-261. [2] Raghavan GS, Orsat V., Meda V. Microwave processing of Food. Stewart Postharvest Review, 2005, 2:3. [3] Sumnu G. A review on microwave baking of foods. International Journal of Food Science and Technology 2001:36:117-127. [4] Venkatesh MS GVS. An overview of microwave processing and dielectric properties of agrifood materials. Biosystems Engineering 2004: 88(1): 1-18. 825