Mối tương quan giữa độ ẩm cân bằng và hoạt độ nước (Aw) của hạt tiêu đen

Mối tương quan giữa độ ẩm cân bằng và hoạt độ nước của hạt tiêu đen

Mối tương quan giữa giữa độ ẩm cân bằng và hoạt độ nước của hạt tiêu đen — Hạt tiêu đen (black pepper)

Lời tựa:

Hoạt độ nước (Water activity – Aw) có thể được dùng để dự báo sự phát triển vi khuẩn và xác định độ ổn định vi sinh vật của sản phẩm thực phẩm dùng làm gia vị như hạt tiêu đen – black pepper và đồng thời cung cấp tiêu chí quan trọng để có thể ước tính được thời gian bảo quản nó.

Việc nghiên cứu xác định động học sấy và đường đẳng nhiệt hấp phụ của hạt tiêu đen – Black peppe (Piper Nigrum), cùng mối tương quan giữa độ ẩm cân bằng (EMC) và hoạt độ nước (Aw) của hạt tiêu đen giúp chúng ta hiểu rõ tính chất hấp thụ nước của thực phẩm. Nó cung cấp những dữ liệu rất quan trọng trong việc lưu trữ và bảo quản hạt tiêu đen., và trực tiếp ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm.

Xác định động học sấy và đường đẳng nhiệt hấp phụ của hạt tiêu đen (Piper Nigrum)

Tóm tắt.

Trong nghiên cứu hiện tại về các sản phẩm thực phẩm, việc xác định đặc tính sấy của tiêu đen bằng lò sấy vẫn chưa được thiết lập đầy đủ. Nghiên cứu này nhằm mục đích xác định động học sấy và đường đẳng nhiệt hấp phụ của tiêu đen bằng lò sấy đối lưu ở nhiệt độ 30°C, 40°C và 50°C. Dữ liệu thu thập được trong nghiên cứu này được sử dụng để phù hợp với các mô hình toán học được chọn lọc cho động học sấy và đường đẳng nhiệt hấp phụ. Trong số các mô hình này, mô hình Midilli (MR=0,5338exp(0,7273^t-0,0551)+-0,0005t ở 30°C, MR=0,5814exp(0,6293^t-0,0764)+-0,0008t ở 40°C và MR=0,3187exp(1,1777^t-0,0466)+-0,0011t ở 50°C) là mô hình phù hợp nhất để giải thích sự truyền ẩm trong hạt tiêu đen, trong khi Mô hình GAB (m/0,1302=((0,1906)( 0,7811)aw)/(1-(0,7811)aw)[1-(0,7811)aw+(0,1906)( 0,7811)aw])) là mô hình phù hợp nhất cho mối quan hệ giữa độ ẩm cân bằng và hoạt độ nước. Sau khi đánh giá dữ liệu, đặc tính sấy của hạt tiêu đen ở 40°C cho kết quả tốt hơn so với 30°C và 50°C. XLSTAT và ANOVA Phần mềm bổ trợ của Microsoft Excel được sử dụng để tính toán các giá trị cần thiết trong quá trình đánh giá các mô hình toán học cho nghiên cứu này.

1 Giới thiệu

Quá trình sấy thực phẩm xảy ra khi hơi nước được loại bỏ khỏi bề mặt của nó vào không gian xung quanh, tạo ra dạng vật liệu tương đối khô. Toàn bộ quá trình sấy phải bao gồm việc tạo ra hơi nước (chuyển từ pha lỏng bên trong vật liệu ẩm sang pha khí) trên và bên trong vật liệu ẩm đang được sấy, và sự vận chuyển các pha nước ra bên ngoài vật liệu. Việc giảm độ ẩm vừa đủ sẽ ức chế sự phát triển của vi sinh vật [1]. Mức độ của hiện tượng này có thể được định lượng bằng hoạt độ nước của nó

Trong nhiều thế kỷ, con người đã bảo quản thực phẩm để kéo dài thời hạn sử dụng và bảo vệ các đặc tính của thực phẩm.

Sấy khô là một quá trình thiết yếu trong hoạt động sau thu hoạch đối với hạt gia vị [2]. Đã có rất nhiều nghiên cứu được thực hiện về việc sấy khô các loại gia vị như ớt bột (Capsicum annum) [3], hoa bụp giấm (Hibiscus sabdariffa) và ớt (Capsicum annuum) [4] vì mục đích sử dụng của nó trong thực phẩm. Ngày nay, nó được coi là vua của các loại gia vị [5]. Nó được sử dụng rộng rãi để tăng hương vị cho thực phẩm.

Có nhiều tài liệu nghiên cứu về việc sấy khô các loại thực phẩm khác nhau, nhưng chưa có tài liệu nào được công bố về việc sấy khô quả tiêu đen ở Philippines, cụ thể là sấy bằng lò sấy. Bộ Nông nghiệp (2012) đã công bố một bài báo, nhưng chỉ về các giống tiêu đen, phù hợp với nguồn gốc xuất xứ tương ứng của chúng, chẳng hạn như tiêu đen Quezon, Batangas, Laguna, Zamboanga, Davao, hoặc Basilan.

Quy trình được sử dụng trên hạt tiêu đen vẫn là phơi nắng, một phương pháp truyền thống nhưng bất tiện. Kỹ thuật sấy này chậm, không được kiểm soát, dễ bị ô nhiễm môi trường và đòi hỏi lao động nặng nhọc [6]. Một khó khăn khác gặp phải là thời gian sấy, vì không có đánh giá chính xác về độ ẩm được giải phóng theo thời gian.

Với rất nhiều khó khăn trong phương pháp phơi nắng truyền thống, nghiên cứu này đã xác định được động học sấy của giống tiêu đen từ Indang, Cavite. Dữ liệu thu được từ động học sấy đã được sử dụng để xác định đường cong tốc độ sấy. Đường đẳng nhiệt hấp phụ đã được thiết lập và các mô hình phù hợp nhất với dữ liệu đã được xác định. Việc xác định đường đẳng nhiệt hấp phụ và động học sấy của tiêu đen giúp dự đoán thời hạn sử dụng của nó. Các nhà nghiên cứu khác cũng có thể sử dụng dữ liệu thu được và đường cong sấy để thiết kế một quy trình sản xuất tiêu đen tốt hơn thông qua việc tối ưu hóa các kỹ thuật và công nghệ sấy hiện có. Nhờ đó, có thể tạo ra hạt tiêu đen chất lượng tốt hơn và tăng hiệu suất của thiết bị sấy.

Nghiên cứu này chỉ đề cập đến đặc điểm sấy của giống tiêu đen từ Indang, Cavite. Quá trình sấy sẽ được thực hiện ở nhiệt độ 30, 40 và 50 độ C. Tốc độ sấy, độ ẩm và thời gian sấy sẽ được xác định. Các mô hình được sử dụng cho động học sấy là các mô hình sấy lớp mỏng của Lewis, Page, Henderson và Pabis, Two Term Exponential và Midilli. Đường đẳng nhiệt hấp phụ của tiêu đen sẽ được xác định bằng phương pháp trọng lượng. Kết quả đường đẳng nhiệt hấp phụ sẽ được phân tích bằng các mô hình GAB và BET. Nghiên cứu này sẽ không đề cập đến ảnh hưởng của quá trình sấy đến các đặc tính vật lý như màu sắc và cấu trúc của tiêu đen.

2 Vật liệu và phương pháp

2.1 Chuẩn bị mẫu và thiết bị

Hạt tiêu mọc thành chùm từ Đại học Bang Cavite được thu hoạch và cho vào túi ni lông sạch. Lô hạt được rửa sạch bằng nước để loại bỏ bụi bẩn, sau đó được đặt lên khăn giấy để loại bỏ nước thừa. Sử dụng cân phân tích (d = ± 0,0001), ba lần với mỗi khối lượng đề xuất đã được chuẩn bị và được sử dụng làm thử nghiệm 1, 2 và 3.

2.2 Xác định độ ẩm ban đầu (IMC hoặc MCo)

IMC hoặc MCo được xác định bằng cách sấy ba lần mẫu 30g, 40g và 50g ở nhiệt độ 100℃. Tiếp tục sấy cho đến khi khối lượng của mẫu không đổi.

2.3 Cơ chế sấy

Trong nghiên cứu này, lò sấy thương mại của thương hiệu uy tín trên thị trường được sử dụng. Lò sấy có cơ chế đối lưu tự nhiên, cho phép không khí lưu thông xung quanh mẫu và phân phối nhiệt đều. Nhiệt độ cài đặt là 30℃, 40℃ và 50℃.

Ở mỗi nhiệt độ, ba mẫu, mỗi mẫu nặng 30g, được đặt thành một lớp trên khay nhôm. Việc cân được thực hiện với khoảng thời gian hai phút trong mười phút đầu tiên, và năm phút cho đến khi đạt được độ ẩm mong muốn là 7,505%.

2.4 Mô hình toán học các đường cong sấy

Nhìn chung, việc biết khối lượng mẫu (m) theo thời gian sấy (t) cho phép mô tả động học sấy. Bảng 1 thể hiện mô hình đường cong sấy.

Bảng 1. Mô hình đường cong sấy lớp mỏng.

2.5 Đường đẳng nhiệt hấp phụ ẩm

Đường đẳng nhiệt hấp phụ được xác định bằng phương pháp trọng lượng. Trong phương pháp này, mẫu được cân đều đặn ở áp suất và nhiệt độ cố định.

Hạt tiêu được sấy đến độ ẩm mong muốn tại nhiệt độ 40°C – xét rằng tốc độ sấy của nó là điển hình so với 30°C và 50°C. Mẫu đã sấy khô được đặt trong bình hút ẩm, nơi môi trường bên trong được kiểm soát.

Mỗi bình hút ẩm chứa ba bản sao của hạt tiêu đã sấy khô được đặt trong các chén nung hở. Phương pháp này cũng sử dụng dung dịch muối bão hòa để duy trì độ ẩm tương đối không đổi [6].

Phạm vi hoạt độ nước (Aw) được thiết lập từ 0,113 đến 0,806, đòi hỏi phải sử dụng các loại muối sau: LiCl, MgNO3, KI, NaCl và (NH4)2SO4 [7]. Thể tích dung dịch muối bằng ¼ tổng thể tích không gian chứa chất hút ẩm. Dung dịch muối có xu hướng mất hoặc tăng độ ẩm khi ở nhiệt độ không đổi.

THE IMPORTANCE OF TESTING INSTRUMENTS IN THE GRAIN AND FEED INDUSTRY

2.6 Xác định độ ẩm cân bằng (EMC hoặc MCe)

EMC liên quan đến việc cân liên tục. Khối lượng của mỗi mẫu đối với mỗi loại muối được theo dõi cho đến khi đạt được độ đồng nhất.

2.7 Mô hình toán học của đường đẳng nhiệt hấp phụ

Dữ liệu thu được từ phương pháp trọng lượng để xác định đường đẳng nhiệt hấp phụ đã được khớp với các mô hình được tìm thấy trong Bảng 2.

Bảng 2. Mô hình đẳng nhiệt hấp phụ

2.8 Phương pháp phân tích thống kê

Để lựa chọn mô hình sấy, các đường cong sấy được điều chỉnh phù hợp với năm mô hình sấy lớp mỏng. Tính phù hợp của các mô hình được đánh giá dựa trên sai số thống kê – hệ số xác định (R2), sai số tổng bình phương trung bình (MSE) và sai số bình phương trung bình (RMSE).

3 Kết quả và thảo luận

3.1 Đặc tính sấy của hạt tiêu đen

Đường cong thời gian sấy

Đường cong thời gian sấy của tiêu đen cho thấy thời gian sấy tăng khi nhiệt độ giảm. Nhiệt độ ảnh hưởng rất lớn đến thời gian sấy của tiêu đen nhưng cũng làm thay đổi đặc tính của tiêu đen, điều này cần được xem xét. Như thể hiện trong Hình 1, 30°C, 40°C và 50°C mất lần lượt 2168 phút (36 giờ), 1167 phút (19 giờ) và 801 phút (13 giờ) để sấy tiêu đen đến độ ẩm mong muốn là 7,505%, tương đương khoảng 12g sản phẩm cuối cùng.

Hình 1. Đường cong thời gian sấy khô ở 30°C (Xanh lá cây), 40°C (Đỏ) và 50°C (Xanh dương)

3.2 Đường cong tốc độ sấy

Dựa trên quan sát từ Hình 2, không có giai đoạn tốc độ sấy không đổi, do đó tốc độ sấy tiếp tục giảm trong suốt quá trình sấy. Kết quả tương tự đã thu được đối với ca cao [8] và cà phê [9], chỉ có giai đoạn tốc độ sấy giảm là được quan sát thấy ở cả hai sản phẩm thực phẩm. Đối với nhiệt độ 30℃ và 40℃, có thể nhận thấy tốc độ sấy rất nhanh lúc đầu, sau đó giảm dần khi tiếp tục. Một số bất thường về tốc độ sấy là do việc cân mẫu. Kết quả được trình bày dưới dạng trung bình của ba lần thử nghiệm cho mỗi nhiệt độ.

Hình 2. Đường cong tốc độ sấy ở 30°C (Xanh lá cây), 40°C (Đỏ) và 50°C (Xanh dương)

3.3 Mô hình toán học cho động học sấy

Các tham số mô hình được thu thập bằng phần mềm XLStat Add-in của MS Excel thông qua hồi quy phi tuyến tính. Các tham số mô hình này được liệt kê trong Bảng 3. Bảng 4 trình bày phân tích thống kê cho mô hình tỷ lệ ẩm và thời gian sấy ở các nhiệt độ khác nhau đối với hạt tiêu đen.

Bảng 3: So sánh các mô hình sấy và hằng số mô hình tương ứng ở các nhiệt độ khác nhau cho hạt tiêu đen

Bảng 4: Phân tích thống kê để mô hình hóa tỷ lệ ẩm và thời gian sấy ở các nhiệt độ khác nhau cho hạt tiêu đen

Trong số tất cả các mô hình được thử nghiệm, mô hình Midilli cho giá trị R2 cao nhất và giá trị RMSE và MSE thấp nhất ở tất cả các nhiệt độ được sử dụng trong thí nghiệm, điều này cho thấy mô hình Midilli phù hợp để mô tả đặc tính sấy của hạt tiêu đen. Tương tự như đối với táo, ớt chuông đỏ [10] và đậu nành [11], những loại thực phẩm này được mô tả tốt nhất bằng mô hình Midilli. Từ kết quả phân tích phương sai (ANOVA), không có sự khác biệt đáng kể giữa các giá trị R2. Do đó, các mô hình không phụ thuộc vào nhiệt độ.

3.4 Đường cong hấp thụ độ ẩm

Đường cong được thể hiện trên Hình 3 minh họa mối quan hệ của hai thông số, giúp hiểu rõ hơn về đặc tính hấp thụ nước của thực phẩm. Dựa trên Hình 3, giả định rằng hạt tiêu đen có thể đạt độ ẩm cân bằng tối đa là 0,0769, là giá trị trung bình của kết quả MCe của bốn loại muối được sử dụng. Kết luận từ các nghiên cứu canola [12] và Capsicum annuum [13] cho thấy hoạt độ nước tăng dẫn đến xu hướng tăng giá trị độ ẩm cân bằng.

Trong nghiên cứu này, độ ẩm cân bằng giảm đột ngột ở giá trị hoạt độ nước là 0,679 từ 0,0987 ở hoạt độ nước là 0,514. Điều này là do tiếp xúc với độ ẩm trong quá trình cân mẫu. Dữ liệu được trình bày dưới dạng giá trị trung bình của ba thử nghiệm.

Fig. 3. EMC vs RH

3.5 Mô hình toán học cho đường đẳng nhiệt hấp phụ

Trong nghiên cứu này, hai mô hình được sử dụng để dự đoán đường đẳng nhiệt hấp phụ của hạt tiêu đen, đó là mô hình Bet và mô hình GAB, vì hai mô hình này được sử dụng phổ biến nhất trong đường đẳng nhiệt hấp phụ của thực phẩm [7]. Dựa trên phân tích thống kê trong Bảng 5, mô hình GAB có giá trị R2 là 0,9725, cao hơn BET. Điều này có nghĩa là mô hình GAB được coi là mô hình phù hợp nhất để mô tả mối quan hệ giữa độ ẩm cân bằng và hoạt độ nước của hạt tiêu đen. GAB cũng là mô hình tốt nhất để mô tả đường đẳng nhiệt hấp phụ của ớt Capsicuum annuum [13]. Bảng 6 trình bày phân tích thống kê để mô hình hóa tỷ lệ độ ẩm và thời gian sấy ở 40 độ C đối với hạt tiêu đen.

Bảng 5. So sánh các mô hình hấp phụ và các tham số mô hình tương ứng ở 40 độ C

Bảng 6: Phân tích thống kê để mô hình hóa tỷ lệ ẩm và thời gian sấy ở 40 độ C đối với hạt tiêu đen

4 Kết luận

Dựa trên động học sấy của tiêu đen (piper nigrum) bằng lò sấy, người ta quan sát thấy dữ liệu về độ ẩm giảm theo thời gian và tốc độ sấy tăng khi nhiệt độ tăng. Ngoài ra, thời gian sấy giảm khi nhiệt độ tăng do nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến sự bốc hơi ẩm ra môi trường xung quanh. Mối quan hệ giữa tỷ lệ độ ẩm và thời gian ở nhiệt độ 30°C, 40°C và 50°C được mô tả bằng mô hình năm lớp mỏng, nhưng mô hình Midilli cho giá trị R2 cao nhất lần lượt là 0,9976, 0,9973 và 0,9984 cho 30°C, 40°C và 50°C. Mô hình Midilli cũng cho giá trị RMSE và MSE thấp nhất. Kết quả cho thấy mô hình Midilli có thể được sử dụng để giải thích sự truyền ẩm trong tiêu đen. Đường cong hấp thụ cung cấp thông tin có giá trị về độ ẩm cân bằng của tiêu đen ở các độ ẩm tương đối khác nhau. Trong nghiên cứu này, các mô hình GAB và BET đã được áp dụng để phù hợp với dữ liệu. Kết quả xác nhận rằng mô hình GAB mô tả tốt nhất mối quan hệ giữa EMC – Aw của tiêu đen với giá trị R2 là 0,9725. Những dữ liệu này rất quan trọng trong việc lưu trữ và bảo quản tiêu đen.

(Trích dẫn tổng hợp và đánh giá của bộ phận R&D – Services Công ty TNHH Thiết bị Ngày Nay.,trong lĩnh vực tìm hiểu nghiên cứu và phát triển dữ liệu nguồn thông tin khoa học tham chiếu về hoạt độ nước và tác động của nó đến sự ổn định của thực phẩm, từ đó hướng tới xây dựng phương pháp đo lường và đánh giá hiệu quả các máy đo hoạt độ nước (Aw) phổ biến sử dụng trên thị trường, như Máy đo Hoạt độ nước EZ 200, SP-W ứng dụng trong các lĩnh vực cần quan tâm như mỹ phẩm và thực phẩm,.. và các ngành công nghiệp khác…

Tư liệu là nguồn cung cấp thông tin giá trị trong các cơ quan nghiên cứu khoa học và phòng thí nghiệm khác nhau, đặc biệt trong lĩnh vực thực phẩm, giúp đảm bảo thực hiện hệ thống quản lý an toàn thực phẩm tuân thủ ISO 22000:2018 và Hệ thống phân tích mối nguy và kiểm soát điểm tớ hạn – HACCP”

*Cần ghi rõ nguồn “https://thietbingaynay.com/” khi phát hành lại thông tin từ website này)