NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA SÓNG SIÊU ÂM ĐẾN QUÁ TRÌNH CẤP ĐÔNG THỰC PHẨM VÀ DƯỢC LIỆU: ĐỘNG HỌC, BIẾN THIÊN CẤU TRÚC VÀ TỐI ƯU HÓA

Ngô Thị Minh Hiếu ^a, Nguyễn Trọng Tín ^a,*, Nguyễn Thế Bảo ^b

^a Trường Cao đẳng Kỹ thuật Cao Thắng, TP. Hồ Chí Minh

^b Trường Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh (HCMUT) – Đại học Quốc gia TP HCM

* Nguyentrongtin@caothang.edu.vn

Tóm tắt Nghiên cứu này đánh giá toàn diện ảnh hưởng của sóng siêu âm (20kHz) đến quá trình cấp đông các đối tượng vật liệu bao gồm cá tra phi lê, tôm thẻ và sâm Bố Chính. Thông qua phương pháp thực nghiệm kết hợp mô phỏng số, kết quả cho thấy sóng siêu âm ở công suất phù hợp (từ 75W đến 125W) giúp rút ngắn đáng kể thời gian cấp đông, đặc biệt là giai đoạn chuyển pha, nhờ cơ chế xâm thực phá vỡ cấu trúc tinh thể băng và nâng cao nhiệt độ tạo mầm. Sự can thiệp của sóng siêu âm giúp duy trì hàm lượng protein trong cá tra lên tới 14,46 g/100g ở mức công suất tối ưu 97,5W, đồng thời cải thiện vi cấu trúc xốp và tăng cường tỷ lệ hoàn nguyên của sâm Bố Chính. Bài báo cũng thiết lập các phương trình động học truyền nhiệt và phương trình bề mặt đáp ứng, cung cấp cơ sở khoa học để ứng dụng công nghệ cấp đông có hỗ trợ siêu âm vào thực tiễn công nghiệp.

Từ khóa: Sóng siêu âm, cấp đông, cá tra phi lê, tôm thẻ, sâm Bố Chính, nhiệt độ tạo mầm, chất lượng thực phẩm.

1. Giới thiệu

Cấp đông là một trong những phương pháp bảo quản thực phẩm và dược liệu phổ biến nhất hiện nay, giúp kéo dài thời gian sử dụng bằng cách ức chế các phản ứng sinh hóa và hoạt động của vi sinh vật. Tuy nhiên, thách thức lớn nhất của phương pháp cấp đông truyền thống là sự gia tăng thể tích của nước khi chuyển sang pha rắn (khoảng 9%), tạo ra các tinh thể băng lớn phân bố không đều. Hiện tượng này phá vỡ vách tế bào, dẫn đến thất thoát chất dinh dưỡng, thay đổi màu sắc và làm giảm chất lượng cảm quan sau rã đông.

Để khắc phục nhược điểm này, công nghệ cấp đông có hỗ trợ sóng siêu âm (Ultrasound-Assisted Freezing - UAF) đã được nghiên cứu như một giải pháp can thiệp vật lý tiên tiến. Sóng siêu âm lan truyền tạo ra chu kỳ nén - giãn nở liên tục, gây ra hiện tượng xâm thực (cavitation) sinh ra các vi dòng và sự sụp đổ bọt khí. Cơ chế này không chỉ kích hoạt sự tạo mầm sơ cấp ở độ siêu lạnh thấp mà còn bẻ gãy các nhánh tinh thể đuôi gai (tạo mầm thứ cấp), từ đó tạo ra vô số các tinh thể băng cực nhỏ và mịn, như thể hiện trên Hình 1 dưới đây [1].

Hình 1. Cơ chế hỗ trợ của sóng siêu âm trong cấp đông [1]

Mặc dù có nhiều tiềm năng, tác động của sóng siêu âm mang tính phi tuyến; nếu lạm dụng công suất hoặc thời gian chiếu sóng, năng lượng cơ học sẽ chuyển hóa thành nội năng gây hiệu ứng nhiệt, làm tan chảy băng và kéo dài thời gian cấp đông. Bài báo này tổng hợp các kết quả thực nghiệm trên tôm thẻ, cá tra và sâm Bố Chính nhằm mục đích: (1) Khảo sát tính chất nhiệt vật lý dưới tác động của siêu âm; (2) Đánh giá động học thời gian cấp đông; và (3) Tối ưu hóa các thông số công nghệ nhằm bảo toàn tối đa chất lượng thực phẩm và dược liệu.

2. Cơ sở lý thuyết

Quá trình truyền nhiệt trong cấp đông vật liệu (giả thiết mô hình trụ 2D đối xứng) được mô tả bởi phương trình dẫn nhiệt Fourier không ổn định có chứa nguồn nhiệt bên trong [2]:

Trong đó, q_v là nhiệt ẩn chuyển pha và q_us là lượng nhiệt sinh ra do vật liệu hấp thụ sóng siêu âm.

Đối với quá trình truyền sóng siêu âm, sự suy giảm năng lượng khi truyền qua vật liệu được mô tả bởi hệ số suy giảm a, và vận tốc truyền sóng v phụ thuộc mạnh vào trạng thái pha của nước. Trở kháng âm thanh của vật liệu (Z) được tính bằng [3]: Z = r.v

Sự chênh lệch trở kháng giữa không khí và vật liệu (hoặc tấm kim loại phát sóng) quyết định lượng năng lượng sóng đi vào sản phẩm, do đó việc bố trí tiếp xúc trực tiếp là vô cùng quan trọng trong thiết kế thiết bị.

3. Thực nghiệm

3.1. Vật liệu

• Cá tra phi lê: Khối lượng 250g/miếng, độ dày 15mm, nhiệt độ ban đầu 10-12°C.
• Tôm thẻ: Bóc vỏ, bỏ đầu, khối lượng 18-20g/ruột tôm, nhiệt độ ban đầu 10-12°C.
• Sâm Bố Chính: Rễ sâm tươi 1 năm tuổi, đường kính trung bình 25mm, cắt lát dày 7mm.

3.2. Thiết bị

Hệ thống tủ cấp đông gió hai cấp nén (SECOP SC18CL và TECUMSEH CAJ2446Z) sử dụng môi chất R404A, nhiệt độ buồng duy trì ở -35°C đến -40°C.

Hình 2 biểu diễn sơ đồ cấu tạo máy cấp đông có hỗ trợ của sóng siêu âm và Hình 3 thể hiện hình ảnh thực tế thiết bị cấp đông được dùng trong các thí nghiệm [1, 2].

Hình 2. Sơ đồ cấu tạo máy cấp đông có hỗ trợ của sóng siêu âm [1]

1 - Máy nén cấp 1; 2 - Máy nén cấp 2; 3 - Dàn ngưng giải nhiệt gió; 4 - Bình chứa cao áp; 5 - Phin lọc 1; 6 - Kính xem ga 1; 7 - Van điện từ 1; 8 - Van tiết lưu nhiệt 1; 9 - Dàn lạnh; 10 - Bình tách lỏng; 11 - Bình trung gian ống xoắn; 12 - Phin lọc 2; 13 - Kính xem ga 2; 14 - Van điện từ 2; 15 - Van tiết lưu nhiệt 2; 16 - Khay chứa vật liệu cấp đông; 17 - Đầu phát sóng siêu âm; 18 - Bộ nguồn phát sóng siêu âm; 19 - Vật liệu cấp đông; 20 – Bộ đồng hồ đo nhiệt độ.

Hình 3. Hình ảnh thực tế thiết bị cấp đông

Bộ phát sóng siêu âm: Thiết bị CDEXIM0620 tần số 20kHz, tấm phát xạ được đặt tiếp xúc trực tiếp dưới khay vật liệu, như thể hiện trong Hình 4 [2].

Hình 4. Bộ phát sóng CDEXIM0620 [2]

Thiết bị phân tích: Máy đo nhiệt độ Fox 1004 / Yokogawa FX1000 (Hình 5), máy đo màu CHN SPEC CS-10 (Hình 6), hệ thống kính hiển vi điện tử quét (SEM).

Hình 5. Máy đo nhiệt độ Yokogawa FX1000 [4]

Hình 6. Máy đo màu CHN SPEC CS - 0 [5]

3.3. Quy trình

Vật liệu được đặt vào khay cấp đông tại tâm buồng lạnh. Sóng siêu âm được kích hoạt với các mức công suất từ 0W đến 200W và các tỷ lệ phát sóng gián đoạn (A) khác nhau [5,6]. Thời gian cấp đông được tính cho đến khi tâm vật liệu đạt -18°C (đối với thủy sản, [5,6]) hoặc -30°C (đối với sâm Bố Chính, [7]).

4. Kết quả và Thảo luận

4.1. Đặc tính nhiệt vật lý và âm học của vật liệu chuyển pha

Sự chuyển pha từ lỏng sang rắn làm thay đổi hoàn toàn đặc tính âm học của sâm Bố Chính. Thực nghiệm cho thấy, khi nhiệt độ giảm xuống ngưỡng âm, vận tốc truyền sóng siêu âm tăng mạnh do độ cứng của mạng tinh thể băng [7,8]. Đồng thời, hệ số khuếch tán nhiệt và hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng cũng gia tăng. Hệ số dẫn nhiệt hiệu dụng (l_eff) trong vùng chuyển pha (-5°C đến 0°C) phụ thuộc phi tuyến vào cả nhiệt độ T và công suất siêu âm P theo hàm thực nghiệm [2,8]:

4.2. Động học thời gian cấp đông và ảnh hưởng của công suất

Tác động của sóng siêu âm lên quá trình cấp đông cá tra phi lê và tôm thẻ cho thấy sự hiện diện của điểm cực trị tối ưu.

Đối với cá tra, ở công suất 100W, thời gian cấp đông tổng thể giảm 8.1% so với đối chứng (từ 74 phút xuống 68 phút). Đáng chú ý, sóng siêu âm chủ yếu phát huy tác dụng ở giai đoạn chuyển pha (giảm 24.7% thời gian chuyển pha). Tuy nhiên, khi tăng công suất lên 125W, 150W và 175W, thời gian cấp đông lại tăng ngược trở lại do lượng nhiệt sinh ra lấn át hiệu quả kết tinh. Hình 7 biểu diễn thời gian cấp đông với các mức công suất sóng siêu âm và Hình 8 biểu diễn đường cong cấp đông với các mức công suất [1].

Hình 7. Thời gian cấp đông với các mức công suất sóng siêu âm [1]

Hình 8. Đường cong cấp đông với các mức công suất sóng siêu âm [1]

Đối với tôm thẻ, mức công suất tối ưu là 125W, giúp giảm thời gian cấp đông xuống còn 50 phút và giúp tiết kiệm lượng điện năng tiêu thụ trên mẻ cấp đông. Mức nhiệt độ đóng băng của tôm thẻ tại công suất này đạt -1.9°C. Hình 9 trình bày biểu đồ thời gian cấp đông trên một mẻ và Hình 10 biểu diễn đường cong cấp đông tôm thẻ thực tế [6].

Hình 9. Biểu đồ thời gian cấp đông tôm thẻ trên một mẻ [6]

Hình 10. Đường cong cấp đông tôm thẻ thực tế ở những công suất siêu âm khác nhau

4.3. Kiểm soát nhiệt độ tạo mầm thông qua sóng siêu âm

Sự can thiệp của sóng siêu âm cho phép kiểm soát nhiệt độ tạo mầm của sâm Bố Chính một cách chủ động. Khi kích hoạt sóng siêu âm sớm hơn ở mức siêu lạnh thấp, các bong bóng xâm thực đóng vai trò như các tâm tạo mầm nhân tạo. Thực nghiệm xác nhận mối quan hệ tuyến tính giữa nhiệt độ kích hoạt phát sóng (x) và nhiệt độ tạo mầm (y) [2]:

y = -0,35x – 0,93

Việc kiểm soát này giúp tạo ra hệ thống tinh thể băng nhỏ mịn, ngăn ngừa sụp đổ cấu trúc vi mô trong quá trình sấy đông khô sau này.

4.4. Đánh giá chất lượng thực phẩm và vi cấu trúc bề mặt

Bảo lưu Protein ở Cá Tra: Thông qua bề mặt đáp ứng hồi quy đa biến, hàm lượng protein của cá tra phi lê (g/100g) được tối ưu hóa dựa trên công suất P và tỷ lệ ngắt quãng A. Hàm hồi quy được xác lập như sau [1, 3]:

Protein = -38,0556 + 1,056P + 4,08333A – 0,00538667P² – 5,41667A² (R² = 99,84%)

Giải bài toán cực trị, chế độ vận hành P = 97,5 W và A = 0,407 cho phép đạt được hàm lượng protein tối đa là 14,46 g/100g, cao hơn đáng kể so với mức 10,6 g/100g của cấp đông thông thường.

Màu sắc cảm quan: Chỉ số màu L*, a*, b* hầu như không bị ảnh hưởng tiêu cực bởi sóng siêu âm. Chỉ số thay đổi màu sắc tổng thể (dE) ở chế độ 100W gián đoạn 0,4 là 6,31, thấp hơn so với cấp đông không siêu âm (8,13), chứng tỏ siêu âm giúp bảo vệ sắc tố thịt cá tốt hơn. Bảng 1 và 2 dưới đây trình bày chỉ số màu của mẫu vật liệu tươi và các mẫu vật liệu sau cấp đông và sau rã đông [1].

Bảng 1. Chỉ số màu của mẫu vật liệu tươi và các mẫu vật liệu sau cấp đông

Bảng 2. Chỉ số màu của mẫu vật liệu tươi và các mẫu vật liệu sau rã đông

Vi cấu trúc và dược chất ở Sâm Bố Chính: Chụp SEM sâm Bố Chính chỉ ra rằng, tiền xử lý siêu âm trong khoảng 50W-75W tạo ra mạng lưới vi xốp (microchannels) phân bố cực kỳ đồng đều, ngăn sụp đổ vách mô. Các vi kênh này không những giúp bảo lưu hàm lượng Saponin cao (lên tới 96% ở mức 75W) mà còn nâng cao đáng kể tỷ lệ hoàn nguyên của sản phẩm khô.

5. Kết luận và hướng phát triển

Công nghệ cấp đông có hỗ trợ sóng siêu âm (UAF) là một giải pháp vật lý tiên tiến có khả năng thay đổi bản chất của động học kết tinh ẩm. Việc áp dụng công suất siêu âm phù hợp (khoảng 97.5W - 100W đối với cá tra và 125W đối với tôm thẻ) giúp rút ngắn từ 18% đến 25% thời gian ở giai đoạn chuyển pha, đồng thời tối ưu hóa 17% điện năng tiêu thụ ở hệ thống nén. Siêu âm tạo ra hệ thống vi xốp đồng nhất, bảo toàn được cấu trúc protein màng tế bào và lưu giữ tới 96% dược chất Saponin trong sâm Bố Chính.

Tuy nhiên, việc sử dụng siêu âm công suất quá cao sẽ gây tác dụng ngược do sinh nhiệt cục bộ. Hướng phát triển trong tương lai nên tập trung vào việc mô phỏng đa vật lý trường âm học không gian 3D, kết hợp với thực nghiệm cấp đông đa tần số (multi-frequency) và đánh giá khả năng thương mại hóa ở quy mô pilot công nghiệp.

Tài liệu tham khảo

1. 1. Nguyễn Trọng Tín (2023). Nghiên cứu thực nghiệm cấp đông cá tra có hỗ trợ sóng siêu âm. Luận văn Thạc sĩ.
2. 2. Ngô Thị Minh Hiếu (2026). Nghiên cứu kỹ thuật sấy đông khô có hỗ trợ của sóng siêu âm trong sấy sâm Bố Chính tại Việt Nam. Chuyên đề 1 & 2 - Luận án Tiến sĩ.
3. 3. Nguyen The Bao, Nguyen Trong Tin (2026). The Impact of Ultrasound-Assisted Freezing on Energy Consumption and Freezing Time of White Shrimp and Striped Catfish. EVERGREEN - Joint Journal of Novel Carbon Resource Sciences & Green Asia Strategy.
4. 4. Hay Nguyen, The Bao Nguyen, Minh Hieu Ngo, et al. (2026). Ultrasonic velocity and attenuation coefficient in Abelmoschus sagittifolius root at temperature from -30 to 30°C. JP Journal of Heat and Mass Transfer.
5. 5. Nguyễn Trọng Tín, Nguyễn Thế Bảo (2023). Nghiên cứu thực nghiệm cấp đông cá tra có hỗ trợ sóng siêu âm. Tạp chí Cơ khí Việt Nam.
6. 6. Đinh Công Duẩn, Nguyễn Thế Bảo (2024). Thực nghiệm cấp đông tôm thẻ với sự hỗ trợ của sóng siêu âm. Tạp chí Cơ khí Việt Nam.
7. 7. Nguyen Hay, Nguyen The Bao, Ngo Thi Minh Hieu, et al. (2026). Experimental determination of thermal conductivity and thermal diffusivity of unfrozen and frozen Abelmoschus sagittifolius ginseng. HaUI Journal of Science and Technology.
8. 8. Minh-Hieu Ngo, Hay Nguyen, The-Bao Nguyen, et al. (2022). Experimental Study of the Effect of Ultrasound on the Freezing Process of Bo Chinh Ginseng. Applied Sciences (MDPI).