Nghiên cứu được thực hiện ngay trong nhà bếp trong thời gian phong tỏa vì đại dịch COVID. Ảnh: bath.ac.uk

Là một trong những loại cây trồng hàng đầu thế giới xét theo giá trị thị trường, cà rốt có hiệu quả sản xuất cao, nhưng đồng thời, mức lãng phí cũng cao không kém. Khoảng 25-30% trong số cà rốt lãng phí này bị loại bỏ trước khi được xử lý và đóng gói do bị biến dạng, hư hỏng, hoặc các phần của củ bị nhiễm khuẩn. Để giảm lãng phí thực phẩm, cà rốt tươi có thể được cắt thành miếng và chế biến đơn giản để trở thành nguyên liệu tiện lợi, sẵn sàng để sử dụng, qua đó giúp tận dụng những củ cà rốt đáng lẽ phải bỏ đi.

Tuy nhiên, những miếng cà rốt này sẽ bị cong lại theo thời gian, vậy cơ chế đằng sau hiện tượng này là gì? Và làm thế nào để kéo dài “tuổi thọ” cho những miếng cà rốt ấy?

Mới đây, các nhà nghiên cứu từ Đại học Bath (Anh) đã khám phá ra bí mật khoa học về khâu chuẩn bị cà rốt và định lượng các quá trình khiến chúng bị cong lại nếu bị để quá lâu. Kết quả nghiên cứu mới đây đã được nhóm công bố trong bài báo “Modelling of longitudinally cut carrot curling induced by the vascular cylinder-cortex interference pressure” trên tạp chí Royal Society Open Science.

Cơ chế đằng sau

ThS. Võ Bùi Anh Nguyên - tác giả thứ nhất của bài báo - đã thực hiện nghiên cứu này như một phần của nghiên cứu năm cuối của mình, trong điều kiện hạn chế do lệnh phong tỏa vì COVID-19 vào năm 2021.

Có một điều đáng chú ý là: do không thể thực hiện được ở phòng thí nghiệm, ThS. Võ Bùi Anh Nguyên đã nghiên cứu ngay trong nhà bếp của mình. Thông qua việc mô tả hình học, nhóm nghiên cứu đã lập được mô hình phần tử hữu hạn (PTTH) thường được sử dụng trong lĩnh vực kết cấu để xác minh độ lão hóa của hơn 100 nửa củ cà rốt Lancashire Nantes được cắt theo chiều dọc.

Để áp dụng các nguyên tắc kỹ thuật cơ học cho cà rốt, điều quan trọng là phải biết các tính chất cơ học của cà rốt làm nguyên liệu. Trước đây cũng đã có nhiều nghiên cứu đã định lượng các tính chất vật liệu của cà rốt bằng thử nghiệm cơ, tuy nhiên, “các phương pháp này đều là phương pháp xâm lấn và tập trung vào các điểm đơn lẻ để suy ra trạng thái ứng suất dư (residual stresses) của toàn bộ mẫu. Cách tiếp cận như vậy đòi hỏi nội suy về phân bố của ứng suất dư giữa các điểm đo và chúng tôi muốn tránh giả định này”, nhóm nghiên cứu viết trong bài báo. Để đảm bảo thu được mô hình chính xác, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn phương pháp đo trực quan. Để tiến hành, ThS. Võ Bùi Anh Nguyên đã mô hình hóa củ cà rốt bằng hệ tọa độ hình trụ và có các đặc tính vật liệu trực hướng.

Một trong những thách thức lớn trong nghiên cứu này là việc tạo ra một thí nghiệm có thể được thực hiện trong điều kiện bị phong tỏa bởi đại dịch mà không cần phải sử dụng đến phòng thí nghiệm và các thiết bị thông thường. "Việc không thể đến phòng thí nghiệm đã hạn chế phạm vi của dự án: ứng suất dư có thể được đo bằng kỹ thuật đo chính xác nhưng cần dụng cụ chuyên nghiệp như cảm biến đo biến dạng hay kính hiển vi điện quét. Tuy nhiên, chúng tôi đã đề ra được kế hoạch để quan sát được ứng suất dư bằng camera từ góc bếp nhà. Thông qua phương trình Lamé để tính toán ứng suất trong hình trụ, nhóm nghiên cứu đã mô phỏng được độ biến dạng của cà rốt với độ chính xác cao (R2 = 0.97)", ThS. Võ Bùi Anh Nguyên chia sẻ.

“Chúng tôi đã biểu diễn độ cong về mặt toán học của củ cà rốt đã được cắt theo thời gian và chỉ ra các yếu tố góp phần tạo nên độ cong của cà rốt”, TS. Elise Pegg - giảng viên cao cấp tại Khoa Cơ khí của Bath và là người giám sát công trình nghiên cứu - chia sẻ trong thông cáo báo chí của trường.

“Mục tiêu mà chúng tôi đặt ra là tìm cách cải thiện quá trình chế biến cà rốt và giúp bảo quản chúng lâu hơn. Kết quả mà chúng tôi tìm được có thể giúp các nhà sản xuất thực phẩm thay đổi quy trình để giảm thiểu rác thải thực phẩm; cũng như giúp việc đóng gói và vận chuyển hiệu quả hơn. Hơn nữa, thông qua việc nghiên cứu về ứng suất dư trong kết cấu phức tạp, chúng ta có thể thiết kế và sản xuất ra các sản phẩm composite phức tạp có độ bền cao hơn”, TS. Elise Pegg cho biết.

“Ứng suất dư trong thực vật thường được nghiên cứu từ góc độ sinh học, nhưng chúng tôi đã nghiên cứu thông qua vật lý lý thuyết", cô nói thêm.

Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, ứng suất dư (residual stresses) và tình trạng mất nước là hai yếu tố chính gây ra hiện tượng cong lại của cà rốt. Lớp tinh bột bên ngoài của cà rốt (vỏ ngoài) cứng hơn tĩnh mạch trung tâm mềm (còn được gọi là trụ mạch). Khi cắt theo chiều dọc, hai nửa củ cà rốt sẽ cong lại vì sự chênh lệch lực căng trở nên mất cân bằng. Hơn nữa, sự mất nước cũng dẫn đến sự suy giảm độ cứng bàn đầu, càng làm tăng thêm hiệu ứng cong của cà rốt.

Cụ thể, trong một tuần, độ cong của nửa củ cà rốt tăng lên - với bán kính cong trung bình của mỗi củ cà rốt giảm từ 1,61m xuống còn 1,1m. Nhóm nghiên cứu cũng thấy rằng, độ cứng của cà rốt giảm đi 1,32 lần, tương ứng với việc cà rốt bị khô dần - trung bình khối lượng của chúng giảm 22% qua bảy ngày.

Làm thế nào để bảo quản tốt hơn?

Trước kết quả này, nhóm nghiên cứu khuyến nghị các nhà sản xuất nên xử lý cà rốt trong môi trường lạnh, ẩm, kín khí và được kiểm soát độ ẩm để bảo vệ các đặc tính tự nhiên của chúng và kéo dài thời gian ăn được của loại củ này. "Sự kín khí là một yếu tố quan trọng vì sự lưu thông không khí trong ngăn lạnh bình thường cũng góp phần làm giảm tuổi thọ của cà rốt", ThS. Võ Bùi Anh Nguyên cho biết.

Theo các nhà khoa học, nghiên cứu này cung cấp một phương pháp để dự đoán sự biến dạng của các loại rau củ khi bị cắt, đồng thời cho biết thêm rằng quy trình này có khả năng áp dụng cho các cấu trúc thực vật khác. Đáng chú ý, nghiên cứu này cũng mang đến cho các nhà sản xuất thực phẩm một công cụ toán học mới có thể áp dụng để thiết kế quy trình đóng gói và xử lý thực phẩm, có khả năng giảm lãng phí thực phẩm.

“Dự án này cũng đã truyền cảm hứng cho tôi tiếp tục nghiên cứu tại Đại học Bath và hiện tôi đang nghiên cứu về ứng suất dư trong gốm sắt điện xốp”, ThS. Võ Bùi Anh Nguyên cho biết.

Ngoài việc phải sử dụng một vali để thu thập 30kg cà rốt mà thí nghiệm yêu cầu từ chợ nông sản, một thách thức thực tế nữa đối với anh Nguyên là phải tìm cách sử dụng hết chúng sau đó. Và kết quả là bánh cà rốt, món tráng miệng cà rốt Ấn Độ Gajar Ka Halwa, sốt pesto cà rốt và nhiều món ăn khác là những món mà anh Nguyên và những người bạn cùng nhà đã chế biến để tiêu thụ “mẫu vật nghiên cứu” trong nhiều ngày sau đó.