Kỹ thuật scan 3D : xác định chính xác kích thước và khối lượng của thực phẩm - phục vụ cho quá trình phân chia Các đặc trưng vật lý của vật liệu thực phẩm Các loại khối lượng riêng • Khố
Trang 1V ẬT LÝ THỰC PHẨM
(Food Physics)
CBGD: Dương Văn Trường
Viện Công nghệ sinh học và Thực phẩm
Đại học Công nghiệp TP HCM
Nội dung chương trình
• Chương 1: Các thông số vật lý và tính chất
của thực phẩm
• Chương 2: Các tính chất lưu biến của thực
phẩm
• Chương 3: Phương pháp và thiết bị thường
sử dụng để kiểm tra các thông số vật lý của
• Wilhelm, Luther R., Dwayne A Suter, and Gerald H
Brusewitz 2004 Physical Properties of Food
Materials Chapter 2 in Food & Process Engineering
Technology, 23-52 St.
• James F Steffe, 1996, Reological methods in food
process engineering (second edition),Freeman
Press, USA
• Jasim Ahmed Hosahalli S Ramaswamy, Stefan Kasapis
Joyce I Boye,Novel Food Processing (Effects on
Rheological and Functional Properties), CRC Press
Trang 2• Nhiệt lượng riêng : i, I (J/kg)
• Nhiệt dung riêng : c (J/kg.độ)
• Hệ số dẫn nhiệt : λ (W/m.độ)
• Hệ số truyền nhiệt : k (W/m2.độ)
• Nhiệt độ : T (độ C, độ F, độ K)
Các thông số vật lý của thực phẩm
(tt)
Trang 3• Length = [L], area = [L]2, volume = [L]3.
• Velocity = length travelled per unit time=[L]/[t]
• Acceleration = rate of change of
velocity=[L]/[t]x1/[t]=[L]/[t][t]=[L]/ [t]2
• Pressure = force per unit area=[F]/[L]2
• Density = mass per unit volume=[M]/[L]3
• Energy = force times length=[F] x [L]
• Power = energy per unit time=[F] x [L]/[t]
Trang 4UNITS AND CONVERSION FACTORS
Trang 5Tại sao phải nghiên cứu tính chất vật ly của thực phẩm?
biến đổi cơ học,
nhiệt, điện, quang,
(Physical Properties Applications)
• xác định, lượng hóa việc mô
Mục đích:
• Đánh gia% chất lượng???
Trang 6Cách xác định thể tích
• Phương pháp cân chất lỏng
• Dùng ống đong : đo trực tiếp phần lỏng
Trang 8Các loại con: tôm, cá, cua
Một sô% vật liệu có hình dạng phức tạp không
xác định kích thước ⇒???
Kỹ thuật scan 3D : xác định chính xác kích
thước và khối lượng của thực phẩm
- phục vụ cho quá trình phân chia
Các đặc trưng vật lý của vật liệu thực phẩm
Các loại khối lượng riêng
• Khối lượng riêng rắn (solid density) ρρρρs: khối lượng/thể tích (thể
tích được xác định bằng cách đuổi hết khí tồn tại trong các
pore của vật liệu rắn), không tính đến các khí trong chất rắn.
• Khối lượng riêng vật liệu (chất)- material (susbtance) density
ρm– là khối lượng riêng được xác định bằng khối lượng/thể
tích (thể tích được xác định bằng việc nghiền nhỏ các hạt thành
bột mịn)
• Khối lượng riêng hạt (particle density) ρp: khối lượng hạt/thể
tích của hạt, thể tích được xác định là các pore đóng, không
tính đến các pore mở.
• Khối lượng riêng biểu kiến (apparent density) ρapp: khối
lượng/thể tích của vật liệu, thể tích của tất cả các pores trong
vật liệu, được xác định bằng kích thước hình học, hoặc sử
dụng phương pháp mực chất lỏng dâng lên khi thêm chất rắn
vào: = khối lượng/thể tích hình học.
• Khối lượng riêng tổng thể (bulk density) ρbulk: là khối lượng
riêng tính cho các vật liệu đóng gói hoặc xếp chồng chất lên
nhau, thể tích của chúng được xác định bằng tổng thể thể tích
của chúng (kể cả phần rỗng do xếp chồng lên nhau).
Trang 9Tính toán khối lượng riêng
• Xv : phần thể tích, m³/m³
• Xw: phần khối lượng, kg/kg
Khối lượng riêng của các chất tinh khiết, kg/m³:
T : nhiệt độ của thực phẩm, °C (ứng dụng -40 150°C)
Tính toán khối lượng riêng
Bài tập: tính khối lượng riêng của bánh Spinach ở 20°C, Tổng khối lượng của
bánh là 100 g, biết thành phần của chúng như sau
ứng dụng : quá trình rửa thực phẩm, phân loại,
Trang 10ĐôF xốp (Porosity)
• Độ xốp : là tỷ lệ phần trămkhông khí chiếm chỗ của khốihạt so với một đơn vị thể tíchcủa cả khối thực phẩm
• Độ xốp = thể tích của khí/thểtích của toàn bộ TP
• Độ xốp: khuếch tán vật chất???
• Độ xốp của thực phẩm càngnhỏ thì gây nhiều cản trở choquá trình sấy, đun nóng,
Cách xác định độ xốp 1:
• Dùng phần mềm Image J :
– Chụp ảnh bằng kính hiển vi
– Sử dụng phần mềm phân tích hình ảnh của các pore, bọt khí,…
– Xác định tỷ lệ về kích thước bọt, bán kính trung bình và phần trăm diện tích của khí chiếm chỗ
Trang 11Cách xác định độ xốp 2:
• Độ xốp của khối thực phẩm
εtotal= εapp + εbulk
Trang 12Bài tập 1
V2
V1
Vs
Khi đo độ xốp của mẫu táo sấy, mẫu đặt trong phòng
2 Khi van 1 đóng thì áp suất tại phòng 1 là 0,508
atm Khi van 2 mở thì áp suất cân bằng của hai
phòng là 0,309 atm Tính độ xốp của miếng táo sấy?
Trái sơri có độ ẩm là 77,5% (kg/kg) Khối lượng riêng biểu kiến
(apparent) và khối lượng riêng toàn khối (bulk) lần lượt là 615 kg/m³ và
511 kg/m³ ở 25°C biết rằng thành phần của trái sơri chỉ có
cacbonhydrat và nước, tính độ xốp của trái sơri khi xếp chồng chất lên
nhau (εtotal) Biết rằng, khối lượng riêng của cácbonhydrat là 1586 kg/m³
và của nước à 997 kg/m³
Đáp số :
3 Bề mặt riêng và sức căng bề mặt
- Bán kính hiệu dụng của phân tử
- Lực hút phân tử làm cho các chất bị hút vào lòng của nó
làm cho chất lỏng có xu hướng làm giảm bề mặt tối thiểu
trong điều kiện nhất định
Trang 13• Lực tác dụng lên một đơn vị chiều dài của ranh
gi ới phân chia va làm giảm bê mặt chất lỏng gọi là
s ức căng bê mặt Đơn vị đo: N/m; J/m², dyne/cm.
• Dưới tác dụng của sức căng bê mặt, chất lỏng khi
không có tác dụng của ngoại lực luôn có dạng hình
cầu vì hình cầu là hình có bê mặt nho' nhất trong các
hình có cùng thê' tích va do đo* khi ấy năng lượng bê
mặt của giọt lỏng là tối thiểu, giúp nó tồn tại bền
J = N.m (A = F.S) 1dyne = 10 -5 N 1dyne/cm=10 -7 N.m
• Gia* trị của sức căng bê mặt phu3 thuộc vào bản
chất của các pha tiếp xúc, nhiệt đô3 va lượng chất
hòa tan
Sức căng bề mặt của chất lỏng thay đổi theo nhiệt độ;
đối với nhiều chất lỏng, sức căng bề mặt giảm khi
nhiệt độ tăng
Tương tác giữa các phân tư' của chất càng lớn thi sức
căng bê mặt càng lớn
• Sức căng bề mặt của một chất lỏng được xác
định tại một điều kiện nhất định (nhiệt độ, áp
suất, ) khi bề mặt tiếp xúc với chân không
Trang 14Hình 1:
(a)Giọt nước trên bề mặt ghét nước (hydrophobic) (b) giọt nước trên bề mặt thích nước (hydrophilic).
Hoạt tính bêK mặt
Khái niệm : Những chất mà khi cho
một lượng rất nhoM sẽ làm giảm sức
căng bêK mặt gọi là chất có hoạt tính
- Là chất mà phân tử của nó phân
cực: một đầu ưa nước và một đuôi
kị nước
- Những chất này tan được trong
nước vaK trong dung môi hữu cơ
Trang 15Khi cho chất hoạt động bêK mặt vào trong dung dịch, nó sẽ tạo thành các hạt mixen (micelle) -Tùy theo môi trường mà mixen có đầu quay ra ngoài hay quay vào trong
VD: Một mixen với phần đầu kị nước hoà tan trong dầu, trong khi phần ưa nước hướng ra phía ngoài, như là Liner Alkyl Benzen Sunfunat Acid, xà phòng
Phân loại chất hoạt động bêK mặt
• Ion âm
• Ion dương
• Không mang điện tích
• Mang cả hai điện tích
Trong quá trình hoạt động của chất hoạt
động bêK mặt liên quan đến chuyển động
lực học của hêF thống, liên quan đến mức
đôF trật tưF, hỗn độn của hêF thống.
Trang 16Ứng dụng
• Chất hoạt hóa bề mặt ứng dụng rất nhiều trong
đời sống hàng ngày Ứng dụng phổ biến nhất là
bột giặt,nước rửa chén, sơn, nhuộm
• Trong công nghiệp thực phẩm: Chất nhũ hóa
cho bánh kẹo, bơ sữa và đồ hộp : chocolat, sữa
chua, kem
• Tính chất bêK mặt vô cùng quan trọng trong công
đoạn rửa, những chất tẩy rửa làm giảm sức
căng bêK mặt làm cho các chất bẩn ở dạng rắn
dêX tách ra khỏi bêK mặt
• Trong công nghiệp mỹ phẩm: Chất tẩy rửa, nhũ
• Trong xây dựng: Dùng để nhũ hóa nhựa
đường, tăng cường độ đóng rắn của bê tông
Ngoài ra những ứng dụng trong các lĩnh vực khác
như
• Trong công nghiệp dệt nhuộm: Chất làm mềm
cho vải sợi, chất trợ nhuộm
• Trong dầu khí: Chất nhũ hóa dung dịch khoan
• Trong công nghiệp khoáng sản: Làm thuốc
tuyển nổi, chất nhũ hóa, chất tạo bọt để làm giàu
khoáng sản
• Trong công nghiệp thực phẩm: Chất nhũ hóa
cho bánh kẹo, bơ sữa và đồ hộp
Trang 17Xà phòng hay xà bông là một chất tẩy rửa
các vết bẩn, vết dầu mỡ
• Thành phần của xà phòng là muối natri
hoặc kali của axít béo.
• Xà phòng được dùng dưới dạng bánh,
bột hoặc chất lỏng
• Một là đầu hiđrocacbon kị nước, còn một
đầu là ion kim loại ưa nước.
• Đối với các vết bẩn, dầu mỡ bám trên
mặt vải thì đuôi kị nước sẽ quay vào trong
vết bẩn, đầu ưa nước hướng ra ngoài
Sau đó sẽ tạo thành mixen là một khối
dạng cầu có đầu ưa nước quay ra ngoài
tách vết bẩn ra khỏi bề mặt vải
4 TÍNH CHẤT NHIỆT (Thermal Properties)
Vật liệu thực phẩm phải trải qua các công đoạn: tưK
thu hái, vận chuyển, xưM ly%, chê% biến, bảo quản, lưu
trưX đêM chuẩn bị cho khâu tiêu thuF
Chỉ có rất ít thực phẩm tươi: trái cây, rau đi tưK
cánh đồng tới nơi tiêu thuF (ăn) mà không có xưM ly%
nhiệt
Mục đích của xưM ly% nhiệt đêM: duy trì chất lượng,
kéo dài thời gian bảo quản vaK tạo đôF ngon riêng
Vd : Chê% biến thủy sản: Các quá trình nhiệt bao
gồm: - làm lạnh, làm đông, nung nóng ⇒ lấy nhiệt
ra hoặc cung cấp nhiệt, muốn được chính xác phải
có thông sô% nhiệt
Trang 18Các hình thức truyền nhiệt: Dẫn nhiệt, đối lưu vaK bức xaF
• Dẫn nhiệt: là phương thức truyền nhiệt có sưF tiếp xúc giữa
hai vật với nhau
• Đối lưu: nhiệt truyền từ môi trường khí hoặc lỏng đến thực
phẩm rắn
• Bức xaF: là nhiệt truyền cho thực phẩm bằng sóng điện từ
• SưF truyền nhiệt vào trong thực phẩm phuF
thuộc đầu tiên vào sưF chênh lệch nhiệt đôF,
tính chất vật ly% (hình dạng, kích thước,
thông sô% nhiệt) của thực phẩm
• Mỗi cơ chê% truyền nhiệt gắn liền với thông
sô% nhiệt liên quan
• Tính chất nhiệt được xác định thông qua đo
lường trực tiếp bằng các thi% nghiệm hoặc
tính toán thông qua các thành phần thực
phẩm (nước, protein, carbon)
HỆ SỐ DẪN NHIỆT
• Ở trạng thái ổn định, sưF dẫn nhiệt xuyên qua
vật rắn , khi đo% tính chất nhiệt quan trọng nhất
là hêF sô% dẫn nhiệt (λ)
• λ: lượng nhiệt dẫn qua 1 đơn vị chiều dài khi có
sưF chênh nhau 1 đôF
• λ được dùng đêM đánh gia% nhiệt truyền qua vật
thêM dêX hay kho%
• Nhiệt truyền nhanh qua miếng kim loại nhưng
lại chậm qua gôX, khi đo% ta nói hêF sô% dẫn nhiệt
của kim loại lớn hơn của gôX
Vd: đồng: λ= 400 w/m.đôF; nhôm: λ= 120w/m.độ;
inox λ= 40 - 50w/m.độ
Trang 19• Vật liệu có hêF sô% dẫn nhiệt nhoM sẽ trơM thành vật
liệu cách nhiệt: bông thủy tinh, polyurethane, …
• HêF sô% dẫn nhiệt của thực phẩm rất nhoM vaK nằm
trong dải hẹp: 0,2 – 0,5 W/m.đôF
• For fruits and vegetables with water content
greater than 60%, thermal conductivity can be
computed by the equation (Sweat, 1974):
Thời gian nấu thực phẩm nhanh hay chậm là
do bản thân thực phẩm chư% không phải là
do dụng cụ
carbohydrate (c); protein (p);
fat (f); ash (a); and water (w).
• Nhiệt dung riêng: nhiệt lượng cần thiết
cung cấp cho 1kg vật chất đêM nhiệt đôF của
vaK lỏng được xác định ở áp suất không
đổi)
• NRD liên quan trực tiếp đến năng lượng
cung cấp cho vật thêM
Nhiệt dung riêng:
Trang 21Cp = w+
Cp = 1,67 + 2,51 Xw, kJ/kg.độ
carbohydrate (c); protein (p);
fat (f); ash (a); and water (w).
Có thêM tính Cptheo chất khô (pr, li, khoáng…)
∑
+
p a b X C
• HêF sô% khuếch tán nhiệt (Thermal
diffusivity) cho biết trường nhiệt đôF trong
thực phẩm biến thiên nhanh hay chậm
α= λ /ρcp
của thực phẩm α= 1 × 10-7 to 2 × 10-7m2/s
HêF sô% khuếch tán nhiệt
(Thermal diffusivity)
Trang 22TÍ NH CHẤT ĐIỆN TỪ
PhôM điện tưK
PhôM điện tưK chia ra thành 3 vùng : Vùng tử ngoại(có bước
sóng nhỏ), vùng ánh sáng khaM kiến (bước sóng từ 400 – 700
nm và vùng hồng ngoại (bước sóng lớn hơn 700 nm)
Năng lượng tử ngoại vaK năng lượng hồng ngoại là hai dạng
của sóng điện tưK, có thêM truyền đi trong không gian, xuyên
thấu trong thực phẩm vaK chuyển thành năng lượng nhiệt nung
nóng thực phẩm
ứng dụng
- ánh sáng khaM kiến : đánh gia% cảm quan
- vùng tử ngoại trở xuống : tia cực tím (vô trùng), chiếu xaF
thực phẩm (bảo quản), tia X (chụp X quang), tia bức xaF (xaF trị
– điều trị ung thư, bướu côM…)
- vùng hồng ngoại trở lên : ứng dụng cho quá trình sấy, dạng
truyền thông tin như: rada, radio,TV, vêF tinh nhân tạo
Trang 23- Giữa năng lượng vi sóng vaK năng lượng
hồng ngoại có những điểm khác nhau
-Quá trình làm nóng phụ thuộc vào đặc trưng bề mặt của thực phẩm, màu sắc của thực phẩm -Quá trình dẫn nhiệt vào trong phụ thuộc vào hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm (phụ thuộc vào lượng ẩm của thực phẩm)
-Áp dụng trong quá trình sấy, làm nóng bề mặt của thực phẩm, ít làm
hư hỏng trong lòng thực phẩm
Nung nóng thực phẩm bằng lò vi
sóng (lò viba), f= 2450 MHz
- Phân tưM nước gồm 1 nguyên tưM oxy vaK 2
nguyên tưM Hydro, do oxy có đôF âm điện
lớn làm cho nước trơM thành phân tưM lưỡng
cực.
- Khi thực phẩm được đặt trong một trường
điện tưK thiK các lưỡng cực nước sẽ định
hướng theo hướng của trường điện tưK vaK
khi trường điện tưK dao động nhanh thiK các
phân tưM nước cũng bị dao động theo
- Do sưF biến dạng của các cấu trúc phân tưM
gây nên khi nó sắp xếp định hướng trơM lại
theo trường điện tưK mà nó chuyển năng
lượng vi sóng thành nhiệt, trong quá trình
đo% nó cũng chịu ảnh hưởng bởi đôF nhớt
của thực phẩm
- Sô% lượng lưỡng cực vaK sưF thay đổi của nó theo
trường điện tưK được xác định thông qua hằng
sô% điện môi của thực phẩm
- Khi thực phẩm đặt trong một trường điện tưK như
vậy nó sẽ hấp thu sóng vaK chuyển thành nhiệt,
lượng nhiệt được hấp thu đo% đựơc gọi là “lose
factor” – hêF sô% tổn thất Thực phẩm có đôF ẩm
càng cao thiK “lose factor” càng lớn do đo% nó hấp
thu nhiệt nhanh hơn
Trang 24- Do cấu trúc thực phẩm không đồng nhất nên sưF
hấp thu năng lượng vi sóng không đồng đều, do
đo% xảy ra sưF dẫn nhiệt tưK nơi có nhiệt đôF cao
sang nơi có nhiệt đôF thấp
- Thủy tinh vaK giấy vaK polymer có hêF sô% “lose
factor” rất thấp, năng lượng vi sóng xuyên thấu
rất dêX nên nó không bị đun nóng
- Kim loại làm cho năng lượng vi sóng bị phản xaF
- ĐôF xuyên thấu của vi sóng
Thư3c phâ'm Lose factor Chuô*i (tươi) 17 Thi3t bo 16 Ba*nh mi 0,005
Ca* nâ*u rô*i 12
Dâu ăn 0,2 Thu'y tinh 0,1
- Vi sóng có tốc đôF truyền nhiệt, đun nóng nhanh
không cần có những bêK mặt truyền nhiệt vì vậy
việc nung nóng bằng lò vi sóng được áp dụng cho
nhiều loại thực phẩm:
- Tan gia%, sấy, nướng, hâm nóng…
Trang 25• Theo các phương pháp tan gia% truyền thống, mất
rất nhiều thời gian, sưF tan gia% diễn ra ở lớp bên
ngoài rồi tưK tưK đi vào bên trong, nếu không có
kinh nghiệm thiK sẽ không kiểm soát được tan gia%
• Khi tan gia% bằng lò vi sóng: Năng lượng vi sóng
đi xuyên vào trong thực phẩm làm cho quá trình
tan gia% diễn ra rất nhanh, người ta cũng dùng
quá trình này đêM làm nóng chảy các loại mơX,
chất béo, tuy nhiên cũng nảy sinh những kho%
khăn:
• Đối với loại thực phẩm đông block có kích
thước lớn
• Khi tan giá,viK nước có hêF sô% tổn thất lớn hơn
nước đa% nên khi nó tan ra, nó sẽ hấp thu năng
lượng lớn hơn nước đa% rất nhiều, với quá trình
diễn biến tiếp theo, phần tan ra bị nung nóng
qúa mức, có những phần bị nấu lên trong khi có
những phần khác vẫn bị đóng băng ⇒ Tan gia%
không đều
• Khắc phục:
- Giảm năng lượng vi sóng
- Tác dụng dưới dạng xung (thời gian tan gia% sẽ
kéo dài)