Sấy thăng hoa, còn được gọi là đông khô, là một quy trình được sử dụng để chuẩn bị mẫu. Với các đặc tính bảo quản độc đáo, công nghệ sấy thăng hoa có nhiều ứng dụng khác nhau với danh sách các ứng dụng mới ngày càng tăng mỗi năm.
Sấy thăng hoa là gì?
Khái niệm về sấy thăng hoa
Sấy đông khô là một quá trình trong đó mẫu đông lạnh hoàn toàn được đặt trong môi trường chân không để loại bỏ nước hoặc các dung môi khác khỏi mẫu, cho phép đá chuyển trực tiếp từ dạng rắn sang dạng hơi mà không cần đi qua pha lỏng. Quá trình này, được gọi là thăng hoa, cùng với lượng nhiệt đầu vào tối thiểu cần thiết, là lý tưởng vì các đặc tính bảo quản lâu dài mà nó mang lại cho tính toàn vẹn của cấu trúc sinh học và hóa học của mẫu. Quá trình đông khô có thể đạt được ở nhiều thể tích khác nhau, từ máy sấy đông lạnh nhỏ tại nhà cho đến các thiết bị sản xuất quy mô lớn.
Việc ứng dụng công nghệ sấy thăng hoa là một phương pháp bảo quản đầy hứa hẹn. Trong quá trình sấy đông khô, sản phẩm đầu tiên được đông lạnh, sau đó áp suất được giảm và băng được loại bỏ bằng cách thăng hoa. Thăng hoa là quá trình chuyển đổi một chất từ trạng thái rắn sang trạng thái khí mà không cần hóa lỏng trước. Không giống như các phương pháp bảo quản khác sử dụng nhiệt để làm bay hơi nước, sấy đông khô loại bỏ nước dưới dạng băng.
Nhiệt độ thấp cho phép tạo ra sản phẩm cuối cùng có chất lượng cao hơn. Sản phẩm không chỉ giữ được hình dạng ban đầu mà quá trình này còn rất nhẹ nhàng với vitamin. Do đó, phương pháp sấy đông khô chủ yếu được sử dụng trong y sinh học và chế biến thực phẩm, vì các chất dinh dưỡng và thành phần hoạt tính được bảo quản đặc biệt tốt.
Lịch sử của phương pháp sấy thăng hoa
Những nỗ lực đầu tiên
Sấy đông khô phát triển riêng biệt trong các cộng đồng đầu tiên ở Châu Mỹ, Đông Á và Bắc Âu. Các bộ lạc ở Peru đã đông lạnh củ và khoai tây trên các đỉnh núi băng giá của dãy Andes. Sau đó, họ phơi thực phẩm đông lạnh dưới ánh nắng mặt trời, để cho băng bốc hơi. Từ đó, họ có được một loại thực phẩm chính truyền thống tạo thành cơ sở cho nhiều bữa ăn khác nhau. Do đó, người dân bản địa có thể tự cung cấp thực phẩm bảo quản, ngon miệng quanh năm. Giống như người Peru với khoai tây, các nhà sư Nhật Bản với đậu phụ và người Viking với cá tuyết, chẳng hạn, đã được hưởng lợi từ kiến thức của họ về sấy thăng hoa.
Các cột mốc của khoa học
Vào năm 1890, mô lần đầu tiên được đông khô hoàn hảo trong phòng thí nghiệm và sau đó được ngậm nước trở lại. Trong những thập kỷ tiếp theo, phương pháp đông khô được khám phá và mở rộng hơn nữa để trong Thế chiến II, phương pháp đông khô được sử dụng để bảo quản và vận chuyển huyết tương một cách an toàn. Một thời gian ngắn sau đó, kỹ thuật này cũng được sử dụng để vận chuyển vắc-xin. Hầu như tất cả thực phẩm cho các sứ mệnh Apollo của NASA cũng được bảo quản bằng phương pháp đông khô.
Có thể bạn quan tâm: Sấy chân không là gì?
Máy sấy thăng hoa được sử dụng để làm gì?
Ứng dụng chính đầu tiên của phương pháp sấy đông khô là trong Thế chiến II, để vận chuyển máu, huyết thanh và penicillin. Kể từ khi phát triển các kỹ thuật sấy đông khô hiện đại này, công nghệ sấy thăng hoa đã tiếp tục phát triển và được sử dụng cho nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Máy sấy thăng hoa trong phòng thí nghiệm thường được sử dụng để nghiên cứu trong các ngành sinh học và môi trường, cũng như trong nghiên cứu và phát triển nhiều loại thuốc hiện đại.
Trong gia đình, máy đông khô thường được sử dụng để đông lạnh thực phẩm khô. Hình thức bảo quản này không chỉ kéo dài thời hạn sử dụng của thực phẩm mà còn được chứng minh là có thể khóa các chất dinh dưỡng quan trọng và tăng hương vị của các loại thực phẩm như trái cây, rau, thịt và thậm chí cả cà phê. Điều này cũng tương tự với các máy sấy thăng hoa công nghiệp.
Thiết bị cần thiết cho quá trình sấy thăng hoa
Để đông khô mẫu thành công, thiết bị của bạn sẽ cần đáp ứng một số yêu cầu nhất định. Đầu tiên, cuộn thu của máy sấy đông lạnh của bạn sẽ cần lạnh hơn 15-20 độ so với điểm đóng băng của mẫu để giữ lại hơi nước đang được giải phóng. Bạn cũng sẽ cần một máy bơm chân không có thể đạt tối thiểu .020 mBar. Chân không sâu này tạo ra áp suất âm, buộc các phân tử nước chảy tự do đã rời khỏi mẫu thông qua quá trình thăng hoa phải di tản khỏi môi trường xung quanh mẫu và di chuyển đến cuộn thu. Bạn cũng sẽ cần có một phụ kiện sấy khô, chẳng hạn như: ống phân phối, buồng sấy hoặc khay sấy, và đồ thủy tinh hoặc khay để chứa mẫu của bạn. Mặc dù không bắt buộc, nhưng hệ thống phát hiện điểm cuối giúp phương pháp đông khô (đôi khi kéo dài nhiều ngày) dễ quản lý hơn bằng cách thông báo cho bạn biết khi nào mẫu của bạn đã hoàn tất quá trình sấy.
Thiết bị cần thiết:
- Máy sấy đông lạnh (buồng chân không kín với cuộn dây thu nhiệt)
- Máy bơm hút chân không có thể đạt được độ chân không tối đa là .020 mBar hoặc thấp hơn
- Bình đựng mẫu chân không (bình hoặc lọ có bộ chuyển đổi hoặc buồng có khay).
Có thể bạn quan tâm: Máy bơm hút chân không công suất lớn
Các giai đoạn của quá trình sấy thăng hoa
Có ba giai đoạn trong quá trình đông khô: Đông lạnh trước, sấy khô sơ cấp và sấy khô thứ cấp.
Đông lạnh
Đông lạnh là giai đoạn quan trọng nhất của quá trình sấy thăng hoa. Trong giai đoạn này, vật liệu mẫu sẽ cần được làm lạnh đến ít nhất nhiệt độ của điểm nóng chảy đối với mẫu đó. Điều này đảm bảo mẫu sẽ được đông lạnh hoàn toàn và sau đó có thể trải qua quá trình thăng hoa. Nếu mẫu không được đông lạnh thành dạng rắn, quá trình bay hơi sẽ xảy ra và mẫu sẽ không đạt được các đặc tính bảo quản giống như khi thăng hoa.
Tốc độ đông lạnh mẫu của bạn sẽ ảnh hưởng đến kích thước của các tinh thể băng hình thành. Nếu không được thực hiện đúng cách, nó có thể ảnh hưởng đến tốc độ tái tạo, thời gian của quá trình đông khô và tính toàn vẹn cũng như độ ổn định của mẫu.
Các tinh thể băng lớn hơn tạo điều kiện cho quá trình đông khô nhanh hơn và hiệu quả hơn vì các phân tử nước có thể di chuyển tự do hơn ra khỏi mẫu trong quá trình thăng hoa. Đối với các mẫu như thực phẩm hoặc mô, các tinh thể lớn có thể phá vỡ thành tế bào và làm hỏng mẫu của bạn. Trong những tình huống này, tốt nhất là đông lạnh nhanh bằng cách đông lạnh nhanh, tạo ra các tinh thể băng nhỏ hơn.
Sấy sơ cấp
Sấy sơ cấp bắt đầu khi bạn khởi động máy sấy đông lạnh và máy bơm chân không. Với môi trường áp suất thấp, quá trình làm mát bay hơi của mẫu bắt đầu, cho phép năng lượng dưới dạng nhiệt để tăng tốc quá trình sấy đông lạnh. Khi kết thúc quá trình sấy sơ cấp, khoảng 93% nước trong mẫu được thăng hoa. Giai đoạn này có thể mất vài ngày, tùy thuộc vào loại mẫu và lượng nhiệt đầu vào. Đối với các phòng thí nghiệm đang sử dụng thiết bị sấy đông lạnh để chuẩn bị và tái huyền phù mẫu, sấy sơ cấp là nơi kết thúc quá trình. Để bảo quản mẫu lâu dài, quá trình sẽ tiếp tục đến sấy thứ cấp.
Sấy thứ cấp
Trong giai đoạn sấy thứ cấp, các phân tử nước liên kết với mẫu được giải phóng. Nhiệt bổ sung được thêm vào trong giai đoạn này để đẩy độ ẩm dư thừa ra ngoài, để lại hàm lượng ẩm khoảng 2%. Sấy thứ cấp thường được sử dụng trong các mẫu đang được chuẩn bị để bảo quản và lưu trữ lâu dài.
Thời gian của quá trình sấy thăng hoa
Thời gian đông khô (thăng hoa) có tầm quan trọng sống còn đối với việc sử dụng máy sấy đông khô. Tuy nhiên, thời gian đông khô khác nhau rất nhiều giữa các vật liệu khác nhau vì hàm lượng nước là lý do chính dẫn đến sự khác biệt. Nhưng các yếu tố khác cũng đóng vai trò quan trọng. Ví dụ, cam và quýt có lớp vỏ cực kỳ chống thấm nước và giữ nước rất tốt. Trong trường hợp này, việc thái lát trái cây là chìa khóa – những miếng nhỏ hơn dễ đông khô hơn. Các loại quả mọng có lớp vỏ dày thường cũng giữ nước tốt, ví dụ như quả việt quất. Ngược lại, dâu tây rất dễ đông khô.
Nhiệt độ càng cao thì quá trình sấy càng nhanh, nhưng sấy chậm hơn sẽ giữ lại nhiều vitamin hơn và cấu trúc tốt hơn. Do đó, nhiệt độ và chu kỳ sấy phải được điều chỉnh riêng tùy thuộc vào chất lượng mong muốn của sản phẩm cuối cùng.
Kết luận
Trong khi sấy đông khô có thể thực hiện được nhiều việc, mục tiêu chính của nó là bảo vệ cấu trúc sinh học và hóa học của mẫu thông qua quá trình thăng hoa. Khi hoàn thành, mẫu có thể được sử dụng để thử nghiệm, bảo quản lâu dài hoặc trong trường hợp thực phẩm, có thể ăn được. Trong phòng thí nghiệm, ứng dụng của công nghệ sấy thăng hoa là vô hạn.
Tham khảo bài viết khác: Chưng cất là gì?
