Luận văn thạc sĩ Công nghệ thực phẩm: Ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ lên tính chất lưu biến của bơ ca cao

Bảng 1.1 Các kiểm tra lưu biến điển hình Kiểm soát ứng suất - Thí nghiệm dao động trượt biên độ nhỏ Kiểm tra trượt từ rão = hằng số Kiểm tra sự nghỉ từ rão Kiểm tra độ lớn dao động bi

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Ngô Thanh An Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Phan Thế Đồng Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Trần Thị Ngọc Yên

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 14 tháng 01 năm 2014

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1 PGS.TS Lê Thị Kim Phụng

2 TS Phan Thế Đồng 3 TS Trần Thị Ngọc Yên 4 TS Trịnh Khánh Sơn 5 TS Tôn Nữ Minh Nguyệt Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH

KHOA

CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT

NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Hoàng Lan MSHV: 13110563 Ngày, tháng, năm sinh: 01/10/1989 Nơi sinh: Tp HCM Chuyên ngành: Công nghệ Thực phẩm Mã số:

I TÊN ĐỀ TÀI: ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ CÔNG NGHỆ LÊN TÍNH CHẤT

LƯU BIẾN CỦA BƠ CA CAO II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Đánh giá sự ảnh hưởng của các yếu tố công

nghệ, bao gồm : nhiệt độ, hàm lượng pha phân tán (đường), chất nhũ hóa (lecithin) và chất béo thay thế bơ ca cao (dầu đậu phộng), lên tính chất lưu biến của bơ ca cao, được mô tả qua mối quan hệ giữa ứng suất trượt- tốc độ trượt

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 07/07/2014 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/12/2014 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

Tiến sỹ Ngô Thanh An

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn chân thành của tôi với Tiến sĩ Ngô Thanh An đã chịu trách nhiệm khoa học cho nghiên cứu này và thầy hướng dẫn của tôi, Tiến sĩ Lại Quốc Đạt đã nhiệt tình hướng dẫn và khuyến khích tôi trong suốt thời gian làm luận văn Hai thầy là người đã cho tôi rất nhiều kinh nghiệm và lời khuyên quý báu Nghiên cứu của tôi thực sự không thể được hoàn thành mà không có sự hướng dẫn và trợ giúp của các thầy

Thứ hai, tôi đặc biệt cảm ơn Tiến sĩ Phạm Trọng Liêm Châu đã tận tình trợ giúp kỹ thuật trong thời gian tôi làm việc trên phòng thí nghiệm trường Đai học Bách khoa tp Hồ Chí Minh

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các anh, chị, các bạn đã và đang theo học tại trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, những người đã cố vấn, khuyến khích và truyền cảm hứng cho tôi trong nhiều cách khác nhau Tôi sẽ không thể đi xa mà không cần tất cả sự giúp đỡ của mọi người

Tôi chân thành cảm ơn quý thầy, cô Bộ Môn Công Nghệ Thực Phẩm, Khoa Kỹ thuật Hóa học, trường Đại Học Bách khoa tp Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi và nhiệt tình giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này; cũng như là những kiến thức nền và kinh nghiệm ngành nghề mà thầy, cô đã truyền đạt trong suốt thời gian tôi theo học tại trường

Một lần nữa, tôi bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc từ đáy lòng mình đối với gia đình, những người luôn yêu thương, hy sinh khuyến khích tôi đã động viên giúp tôi thực hiện tốt luận văn này

Và cuối cùng, tôi biết ơn tất cả mọi người là có liên quan trực tiếp hoặc gián tiếp trong việc giúp đỡ tôi trong suốt tiến trình nghiên cứu xin chân thành cảm ơn các anh, chị, các bạn đã và đang theo học tại phòng thí nghiệm Công nghệ Thực Phẩm, trường Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã hỗ trợ nhiệt tình và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Học viên thực hiện

TÓM TẮT

Bơ ca cao là thành phần thiết yếu trong ngành công nghiệp sô cô la nói riêng và thực phẩm nói chung, do bơ ca cao đóng vai trò là pha liên tục chính trong sô cô la Tính chất lưu bíến của bơ ca cao có liên quan chặt chẽ với kết cấu, chất lượng và cảm quan của sản phẩm Mục đích chính của luận văn này nhằm nghiên cứu tác động của nhiệt độ (20 550C), hàm lượng pha phân tán (đường) (20 55%v/v), lecithin (0 0,5% w/v) và dầu đậu phộng (0 11%v/v) lên các đặc tính lưu biến của bơ ca cao, sử dụng lưu biến kế với tốc độ trượt từ 5 đến 1000s-1

, ở các điểm nhiệt độ khác nhau Bốn mô hình lưu biến được sử dụng để mô tả trạng thái độc lập với thời gian của mẫu Để đánh giá mức độ phù hợp giữa dữ liệu thực nghiệm và dữ liệu từ các mô hình, hệ số tương quan R2 và độ lệch trung bình RSME đã được sử dụng và đã có một sự thay đổi mô hình phù hợp giữa các thí nghiệm Kết quả cho thấy bơ cacao mang trạng thái của lưu chất Bingham ở 200

C và 250C, trong khi ở nhiệt độ trên 300C trạng thái của bơ ca cao biểu hiện như lưu chất Newton, và dữ liệu từ các đường cong dòng chảy tuân theo mô hình Bingham; ngược lại, khi có mặt dầu đậu phộng (0-90%v/v) dữ liệu thực nghiệm thu được lại phù hợp với mô hình Casson hơn Ở các đánh giá khác, mô hình Cason đã được tìm thấy là phù hợp nhất với dữ liệu đường cong dòng chảy của hỗn hợp bơ ca cao/ đường, hỗn hợp bơ ca cao/ đường/ lecithin, bơ ca cao/ đường/ dầu đậu phộng Nhìn chung, kết quả cho thấy rằng, khi tăng nhiệt độ do đặc tính của nóng chảy của bơ ca cao làm giảm độ nhớt biểu kiến và các tham số của mô hình, khi tỷ lệ phần trăm của đường tăng độ nhớt biểu kiến của hỗn hợp cũng theo, trái lại, bổ sung lecithin và dầu đậu phộng làm giảm đáng kể độ nhớt biểu kiến Các kết quả thu được cho thấy tinh thể đường tạo mạng lưới tinh thể không đồng nhất, và bị suy yếu bởi lecithin do sự che phủ bề mặt đường của lecithin

ABSTRACT

Cocoa butter is an essential ingredient of chocolate as it forms the continuous phase of chocolate and it is responsible for the gloss, texture and typical melting behavior of “irresistible” chocolate This research aimed to study the effect of temperature (20- 550C), different levels of superfine icing sugar (20 55%v/v), lecithin (0 0,5%w/v) and peanut oil (0 11%v/v) on the flow characteristics of cocoa butter,

using a rheometer as a shearing device with shear rates ranging from 5 to 1000s-1 at different isothermal temperatures Four models were used to describe time- independent behavior of samples To evaluate the ability of these models, a statistical parameter (R2) and Root mean square error were used and there was a change the model fit between the experiments It was found that cocoa butter behaved as a Bingham fluid at 200C and 250C, while over 300C the behavior of plain cocoa butter is a Newtonian fluid and the flow curves fitted Bingham model; by contrast, Casson model gave a better fit for cocoa butter/ peanut oil mixtures On the one hand, Cason model was found to be the most appropriate to fit the flow curves of cocoa butter/ sugar mixture, cocoa butter/ sugar/lecithin mixture, and cocoa butter/ sugar/ peanut oil Overall, the results showed that increasing the percent of sugar increased the apparent viscosity, whereas addition of lecithin or peanut oil caused significantly reduces the apparent viscosity The results tend to suggest that sugar crystals provide sites for heterogeneous nucleation, which is slightly weakened by lecithin which coats the sugar surfaces

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo quy định

Tác giả luận án

Hoàng Lan

MỞ ĐẦU

Lưu biến học là ngành khoa học nghiên cứu về sự biến dạng và dòng chảy của vật liệu dưới những điều kiện xác định, nó liên quan đến vi cấu trúc của vật liệu, tác động rất nhiều lên các thuộc tính chất lượng và định lượng của thực phẩm dạng lỏng Cấu trúc vi mô này liên quan đến các liên kết hóa lý và các tương tác nội phân tử hoặc giữa các thành phần trong hỗn hợp với nhau Các tác động cơ bản lên vi cấu trúc đặc tính dòng chảy của vật liệu, ví dụ như độ nhớt và độ đàn hồi, là những yếu tố quan trọng trong quá trình tính toán sự truyền nhiệt, truyền khối và quá trình vận chuyển vật liệu Ngoài ra, lưu biến học còn đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu kết cấu vật liệu và đặc tính cảm quan của sản phẩm Do đó, việc nghiên cứu tính chất lưu biến của thực phẩm là rất cần thiết, đặc biệt là trong ngành sản xuất sô cô la, do đặc thù của sản phẩm là hệ huyền phù phân tán các phân tử rắn trong pha liên tục là chất béo (chủ yếu là bơ ca cao)

Bơ ca cao là một chất béo tự nhiên từ hạt ca cao (Theobroma cacao), thường

được sử dụng như một thành phần thiết yếu trong sản xuất sô cô la và các sản phẩm bánh kẹo khác tính chất của nó quyết định đến chất lượng và cảm quan của sản phẩm sô cô la Vấn đề nghiên cứu tính chất lưu biến của bơ ca cao mang tầm quan trọng trong ngành thực phẩm bánh kẹo và đã được nghiên cứu từ sớm Trong quá trình sản xuất, bơ ca cao sẽ chịu tác động của nhiều yếu tố: nhiệt độ, hàm lượng pha rắn phân bố trong bơ ca cao, lượng chất nhũ hóa và lượng béo thực vật…

Do đó, trong luận văn này chúng tôi tiến hành đánh giá “Ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ lên tính chất lưu biến của bơ ca cao” với mong muốn cung cấp

thêm thông tin về đặc tính của bơ ca cao dưới những điều kiện xác định

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ ii

LỜI CẢM ƠN iii

1.1.2 Phân loại lưu chất 2

1.1.3 Các thiết bị đo lưu biến 3

1.1.4 Các giá trị đặc trưng của lưu biến học 4

1.2 Phương pháp xác định tính lưu biến 5

1.3 Các mô hình dòng chảy mô tả tính chất lưu biến của thực phẩm lỏng: 7

1.4 Ứng dụng của lưu biến học 11

1.5 Tầm quan trọng của việc nghiên cứu tính chất lưu biến của bơ ca cao 12

CHƯƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 19

2.1 Mục tiêu nghiên cứu 19

2.5.2 Phương pháp xử lý kết quả thí nghiệm: 23

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 24

3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên tính chất lưu biến 24

3.1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên tính chất lưu biến của bơ ca cao nguyên chất 24

3.1.2 Xác định mô hình lưu biến phù hợp và các hệ số đặc trưng của mô hình dòng chảy 27

3.2 Ảnh hưởng của đường lên tính chất lưu biến 29

3.2.1 Ảnh hưởng của đường lên tính chất lưu biến của bơ ca cao 29

3.2.2 Xác định mô hình lưu biến phù hợp và các hệ số đặc trưng của mô hình dòng chảy 33

3.3 Ảnh hưởng của lecithin lên tính chất lưu biến 36

3.4 Ảnh hưởng của dầu đậu phộng lên tính chất lưu biến 50

3.4.1 Ảnh hưởng của dầu đậu phộng lên tính chất lưu biến của bơ ca cao 50 3.4.2 Ảnh hưởng của dầu phộng lên tính chất lưu biến của hỗn hợp bơ ca cao và đường 53

3.4.3 Ảnh hưởng của dầu phộng lên tính chất lưu biến của hỗn hợp bơ ca cao và đường có bổ sung lecithin 56

3.4.4 Quá trình chuyển pha 58

KẾT LUẬN VẢ KIẾN NGHỊ 64

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

PHỤ LỤC 72

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Các kiểm tra lưu biến điển hình 4

Bảng 1.2 Các tham số lưu biến chung 5

Bảng 1.3 Các mô hình lưu biến thông dụng 8

Bảng 3.1 Tính chất hóa học của bơ ca cao và dầu đậu phộng 51

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Dòng chảy trượt và dòng chảy giãn nở đơn giản (Winhab, 1995) 1

Hình 1.2: Lưu chất Newton và lưu chất phi Newton (Winhab, 1995) 2

Hình 1.3 Lưu biến kế dạng xoay (a) và Lưu biến kế mao quản (b) 3

Hình 1.4: Sơ đồ quy trình sản xuất sô cô la truyền thống 16

Hình 1.5 Sơ đồ đại cương của phân tử lecithin xung quanh hạt đường (Beckett, 2009) 17

Hình 2.1 Cấu tạo của lưu biến kế HaakeRS 6000 22

Hình 3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên giản đồ lưu biến của bơ ca cao thể hiện quan hệ giữa ứng suất trựơt- tốc độ trượt 24

Hình 3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên ứng suất truợt của bơ ca cao ở một số tốc độ trượt xác định 25

Hình 3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên giản đồ lưu biến của bơ ca cao thể hiện quan hệ giữa độ nhớt-tốc độ trượt 26

Hình 3.4 Giản đồ lưu biến thể hiện độ nhớt biểu kiến của lưu chất “shear-thinning” 27

Hình 3.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên tính chất lưu biến của bơ ca cao 28

Hình 3.6 Độ nhớt biểu kiến phụ thuộc vào thể tích thành phần phân tán và thể tích chất phân tán tối đa ) theo mô hình của Frankel-Acrivos và Krieger-Dougherty 29

Hình 3.7 Ảnh hưởng của đường lên giản đồ lưu biến của bơ ca cao thể hiện quan hệ giữa ứng suất trựơt- tốc độ trượt 31

Hình 3.8 Ảnh hưởng của tỷ lệ thể tích đường lên ứng suất truợt của bơ ca cao tại một số tốc độ trượt xác định ở 300C, 400C và 500C 32

Hình 3.9 Ảnh hưởng của đường lên độ nhớt thực của bơ ca cao 35

Hình 3.10 Ảnh hưởng của đường lên độ nhớt Casson của bơ ca cao 35 Hình 3.11 Ảnh hưởng của lecithin lên giản đồ lưu biến của bơ ca cao ở 30, 40 và 500C trong hỗn hợp chứa 50%v/v đường thể hiện quan hệ giữa ứng suất trượt – tốc độ trượt 38 Hình 3.12 Ảnh hưởng của lecithin lên giản đồ lưu biến của bơ ca cao ở 30, 40 và 500C trong hỗn hợp chứa 40%v/v đường thể hiện quan hệ ứng suất trượt- tốc độ trượt 39 Hình 3.13 Ảnh hưởng của lecithin lên giản đồ lưu biến của bơ ca cao ở 30, 40 và 500C trong hỗn hợp chứa 30%v/v đường thể hiện quan hệ ứng suất trượt- tốc độ trượt 40 Hình 3.14 Ảnh hưởng của lecithin lên giản đồ lưu biến của bơ ca cao ở 30, 40 và 500C trong hỗn hợp chứa 20%v/v đường thể hiện quan hệ ứng suất trượt- tốc độ trượt 41 Hình 3.15 Ảnh hưởng của lecithin lên giản đồ lưu biến của bơ ca cao ở 30, 40 và 500C trong hỗn hợp chứa 50%v/v đường thể hiện quan hệ giữa độ nhớt-tốc độ trượt 42 Hình 3.16 Ảnh hưởng của lecithin lên giản đồ lưu biến của bơ ca cao ở 30, 40 và 500C trong hỗn hợp chứa 40%v/v đường thể hiện quan hệ giữa độ nhớt-tốc độ trượt 43 Hình 3.17 Ảnh hưởng của lecithin lên giản đồ lưu biến của bơ ca cao ở 30, 40 và 500C trong hỗn hợp chứa 30%v/v đường thể hiện quan hệ giữa độ nhớt-tốc độ trượt 44 Hình 3.18 Ảnh hưởng của lecithin lên giản đồ lưu biến của bơ ca cao ở 30, 40 và 500C trong hỗn hợp chứa 20%v/v đường thể hiện quan hệ giữa độ nhớt-tốc độ trượt 45 Hình 3.19 Ảnh hưởng lecithin lên độ nhớt thực (trái) và độ nhớt Casson (phải) của bơ ca cao ở 30, 40 và 500C trong hỗn hợp chứa 50%v/v đường 46 Hình 3.20 Ảnh hưởng lecithin lên độ nhớt thực (trái) và độ nhớt Casson (phải) của bơ ca cao ở 30, 40 và 500C trong hỗn hợp chứa 40%v/v đường 47 Hình 3.21 Ảnh hưởng lecithin lên độ nhớt thực (trái) và độ nhớt Casson (phải) của bơ ca cao ở 30, 40 và 500C trong hỗn hợp chứa 30%v/v đường 47

Hình 3.22 Ảnh hưởng lecithin lên độ nhớt thực (trái) và độ nhớt Casson (phải) của bơ ca cao ở 30, 40 và 500C trong hỗn hợp chứa 20%v/v đường 48 Hình 3.23 Ảnh hưởng của dầu đậu phộng lên mối quan hệ giữa ứng suất trượt- tốc độ trượt của bơ ca cao 50 Hình 3.204 Ảnh hưởng của dầu đậu phộng lên ứng suất trượt của bơ ca cao ở một vài giá trị tốc độ trượt 51 Hình 3.25 Ảnh hưởng dầu đậu phộng lên độ nhớt thực và độ nhớt Casson của bơ ca cao ở 400C 53 Hình 3.26 Ảnh hưởng của dầu đậu phộng lên mối quan hệ giữa ứng suất trượt- tốc độ trượt của hỗn hợp bơ ca cao chứa 50%v/v đường 54 Hình 3.27 Ảnh hưởng của dầu đậu phộng lên ứng suất trượt của hỗn hợp bơ ca cao chứa 50%v/v đường ở 400C tại tốc độ trượt xác định 55 Hình 3.28 Ảnh hưởng dầu đậu phộng lên độ nhớt thực và độ nhớt Casson của hỗn hợp bơ ca cao chứa 50%v/v đường ở 400C 55 Hình 3.29 Ảnh hưởng của dầu đậu phộng lên mối quan hệ giữa ứng suất trượt- tốc độ trượt của hỗn hợp bơ ca cao chứa 50%v/v đường, 0,3%w/v lecithin ở 400C 57 Hình 3.30 Ảnh hưởng của dầu đậu phộng lên ứng suất trượt của hỗn hợp bơ ca cao chứa 50%v/v, 0,3 %w/v lecithin đường ở 400C 57 Hình 3.31 Ảnh hưởng của dầu đậu phộng lên độ nhớt thực và độ nhớt Casson của hỗn hợp bơ ca cao chứa 50%v/v đường, 0,3%w/v lecithin ở 400C 58 Hình 3.32 Ảnh hưởng của tốc độ hạ nhiệt lên quá trình chuyển pha của bơ ca cao 60 Hình 3.33 Điểm chuyển pha của hỗn hợp bơ ca cao chứa 50%v/v đường có/ không có 0,3 lecithin ở mỗi tỷ lệ thể tích của dầu đậu phộng 62

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

α Thù hình dạng II β Thù hình dạng V và VI β’ Thù hình dạng III và IV B hệ số Einstein

DSC Differential Scanning Calorimeter

m Hệ số bó, tỷ lệ thể tích

G’ Mô đun lưu trữ (mô đun đàn hồi) G” Mô đun thất thoát (mô đun nhớt) γ Thù hình dạng I

h Khoảng cách giữa các tấm m ICCO International Cocoa Organization

LVR Linear Viscoelastic Region

POS 1-palmitoyl-2-oleoyl-3-stearoylglycerol R2 Hệ số tương quan

RMSE Root Mean Square Error SOS 1,3-stearoyl-2-oleoylglycerol

C TAG Triacyglycerol

XRD X-ray Diffraction

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN 1.1 Lưu biến học

1.1.1 Lưu biến học

Lưu biến học là ngành khoa học nghiên cứu về sự biến dạng và dòng chảy của vật liệu dưới những điều kiện xác định Các yếu tố như nguyên động lực (ví dụ: tốc độ bơm) và bề mặt ống, ảnh hưởng cách thức chảy của vật liệu, trong khi áp suất và nhiệt độ sẽ tác động đến trạng thái biến dạng của vật liệu Lưu biến sử dụng các phương pháp đo trong phòng thí nghiệm để dự đoán và giải thích sự thay đổi trong dòng chảy, sự biến dạng và cấu trúc của vật liệu, những thay đổi diễn ra trong quá trình sản xuất (Macosko, 1964)

Dòng chảy lưu biến thường được chia làm hai loại: dòng chảy trượt và dòng chảy kéo Dòng chảy trượt có thể được quan sát bằng cách đặt vật liệu nằm giữa hai mặt phẳng song song (hình 1.1), chuyển động với vận tốc tương đối liên tục với nhau Vật liệu sẽ di chuyển dựa trên sự kháng ma sát nội để chuyển động, tham số đặc trưng là độ nhớt trượt s Các phân tử sẽ xoay trong dòng chảy trượt Trong dòng chảy kéo, vật liệu được kéo, và các hạt sẽ không quay tròn, tham số đặc trưng là độ nhớt giãn, e

Hình 1.1: Dòng chảy trượt và dòng chảy giãn nở đơn giản (Winhab,

1995)

Lưu biến học xem xét các đặc tính chảy- biến dạng của vật liệu ở cả quy mô lớn và ở quy mô phân tử Đây là một công cụ đắc lực để nghiên cứu cách thức quá

trình công nghiệp ảnh hưởng đến cấu trúc thực phẩm trong quá trình sản xuất, và quan trọng hơn, mức độ ảnh hưởng đến tính chất cảm quan và tính chất chức năng của thực phẩm Hơn nữa, lưu biến học có thể giúp phát triển các sản phẩm mới với kết cấu đã được xác định trước đó

1.1.2 Phân loại lưu chất

Trong hình 1.1, vật liệu được thể hiện khi đang trượt giữa hai bề mặt, chuyển động với vận tốc 1 và 2 tại một khoảng cách h Gradient vận tốc ( 1 - 2)/h được

đo trong s-1 (một phần giây), gọi là ―tốc độ trượt ” Nếu mỗi bề mặt có diện tích

A, ứng suất ma sát ( , hay còn được gọi là ―ứng suất trượt‖) ở bề mặt, do sự chuyển động được tính như sau:

(1.1) Với là độ nhớt trượt

Do đó, độ nhớt trượt là tỷ số của ứng suất trượt trên tốc độ trượt cho phép tìm hiểu trạng thái nhớt của chất lỏng Độ nhớt tại một điểm bất kỳ được gọi là ―độ nhớt thực‖ Newton cho rằng giá trị này là hằng số đối với tất cả các tốc độ trượt, nhưng nó chỉ đúng với một số chất lỏng như nước, hầu hết thực phẩm lại thể hiện trạng thái phi Newton Hình 1.2 trình bày một số loại trạng thái dòng chảy có thể xảy ra khi độ nhớt thực được xác định ở tốc độ trượt khác nhau Khi tác động một ứng suất lên vật liệu, vật liệu vẫn duy trì trạng thái rắn cho đến khi ứng suất này vượt quá ứng suất ngưỡng thì vật liệu mới bắt đầu chuyển sang trạng thái lỏng Ứng suất tới hạn được gọi là ―giá trị ứng suất ngưỡng‖, 0

Hình 1.2: Lưu chất Newton và lưu chất phi Newton (Winhab, 1995)

1.1.3 Các thiết bị đo lưu biến

Khoảng cách giữa các bề mặt quay (ví dụ các xylanh đồng tâm) được sử dụng để tạo ra dòng trượt Tốc độ quay liên quan đến tốc độ trượt và lực giữa chúng liên quan đến ứng suất trượt Hệ thống đo quay điển hình được thể hiện trong hình 1.3 cùng với một số hệ thống mao quản cũng có thể được sử dụng để thực hiện các phép đo dòng chảy trượt Nhớt kế có thể hoạt động bằng cách thay đổi tốc độ trượt (ví dụ bằng cách tăng hoặc giảm tốc độ quay hoặc dao động của bề mặt chuyển động) Ngoài ra, ứng suất có thể được kiểm soát, trong trường hợp một lực biết trước được áp dụng và mức độ chuyển động (biến dạng) được đo

Hình 1.3 Lưu biến kế dạng xoay (a) và Lưu biến kế mao quản (b)

Các khảo nghiệm thường được thực hiện tại một trong hai biến dạng rất nhỏ (thường để xác định cấu trúc ―không đổi‖ trong vật liệu) hoặc biến dạng lớn (ví dụ như ở tốc độ trượt cao) để xác định hiện tượng xảy ra dưới điều kiện dòng chảy quá trình Các khảo nghiệm có thể được thực hiện trong điều kiện dòng chảy ổn định và không ổn định Kiểm tra lưu biến điển hình, chủ yếu được thực hiện bởi các lưu biến kế đơn trục ―trượt‖ được liệt kê trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Các kiểm tra lưu biến điển hình

Kiểm soát ứng suất ( )

- Thí nghiệm dao động trượt biên độ nhỏ

Kiểm tra trượt từ rão

( = hằng số)

Kiểm tra sự nghỉ từ rão Kiểm tra độ lớn dao động biên

Kiểm soát sự biến dạng ( )

- Thí nghiệm dao động trượt biên độ nhỏ

Kiểm tra từng bậc

( = hằng số)

Kiểm tra sự nghỉ Kiểm tra độ lớn dao động biên

Sự truyền sóng

1.1.4 Các giá trị đặc trưng của lưu biến học

Bên cạnh độ nhớt, là tính chất của lưu chất chống lại sự trượt hay dịch chuyển giữa các lớp chất lưu, tính đàn hồi là một trong những tính chất quan trọng, có thể được đo bởi lưu biến kế, có liên quan đến cấu trúc của vật chất Các thuộc tính lưu biến của vật liệu đàn hồi nhớt có thể được xác định từ thí nghiệm dao động đều Thí nghiệm này nghiên cứu trạng thái của vật liệu khi chịu ứng suất, độ biến dạng hoặc tần số khác nhau theo thời gian Thông thường, một dao động hình sin được áp dụng cho hỗn hợp, làm vật chất bị biến dạng và gây ra ứng suất trượt lên vật chất đó (hình 1.4) Sự thay đổi trong pha liên quan đến mức độ của trạng thái nhớt hoặc đàn hồi của vật liệu Trong vật liệu lỏng, hầu hết các ứng suất bị mất đi bởi độ nhớt của nó, trong khi ứng suất được truyền tải trong vật liệu đàn hồi cao hơn Sự thay đổi trong pha giữa sự biến dạng và ứng suất càng nhỏ, tính đàn hồi của vật liệu càng cao (góc mất = 0 là đàn hồi hoàn toàn) Một yếu tố được gọi là mô đun lưu trữ (G’) có thể đo được, liên quan đến các trạng thái đàn hồi Bất kỳ tổn thất năng lượng của hệ, do khắc phục ma sát nhớt bên trong của vật liệu, sẽ được hiển thị qua sự giảm biên độ Giá trị nhớt đo được được gọi là ―mô đun thất thoát‖ (G”) và tỉ số của G’/G”bằng tan Việc đo các thông số dòng chảy có thể được thực hiện bằng cách sử dụng công cụ đã thể hiện trong hình 1.3 Các phép đo G’ và G” thường được tiến hành bằng sự dao động trên bề mặt di chuyển Bằng cách thay đổi biên độ hoặc tần số trên một phạm vi phù hợp với vật liệu, thông tin chi tiết có thể được thu được

liên quan đến kết cấu và các thuộc tính chảy- biến dạng Hầu hết các loại thực phẩm viscoelastic có cả tính chất nhớt và đàn hồi

Bảng 1.2 liệt kê một số các thông số thường được đo nhất với (x) có nghĩa rằng đây là một đặc tính nhỏ của các tham số đo, cũng cho thấy nếu các tham số phụ thuộc thời gian hoặc bị ảnh hưởng bởi tốc độ mà các thiết bị đo độ nhớt được hoạt động (Windhab, 1995)

Bảng 1.2 Các tham số lưu biến chung

Tham số

Biến dạng lớn

Biến dạng nhỏ

Tính nhớt

Đàn hồi

Phụ thuộc thời gian

Phụ thuộc vào sự trượt/kéo

giãn

Hàm dòng chảy

(Thixotropic, Rheopexy)

(Pseudoplastic, dilatant) Độ nhớt trượt

(Thixotropic, Rheopexy)

(Pseudoplastic, dilatant) Độ nhớt giãn,

1.2 Phương pháp xác định tính lưu biến

Tính chất lưu biến của vật chất được đặc trưng bởi ứng suất ngưỡng và độ nhớt thực Nhìn chung, ứng suất ngưỡng được xác định bởi các thí nghiệm lưu biến

trượt và các dữ liệu được vẽ với độ nhớt là một hàm của ứng suất trượt hoặc ứng suất trượt là hàm của tốc độ trượt Đối với đồ thị ứng suất trượt– tốc độ trượt để đánh giá ứng suất ngưỡng dựa vào độ phù hợp của dữ liệu thu được so với các mô hình đã được công bố Tuy nhiên, dữ liệu phù hợp với một mô hình có thể dẫn tới sự đánh giá sai ứng suất ngưỡng và không phải tất cả các vật liệu phù hợp với các mô hình ứng suất chung (Barnes và cộng sự, 2001)

Một cách khác để ước tính ứng suất ngưỡng là sử dụng các phép đo từ rão Trong các thí nghiệm trượt, hỗn hợp phải chịu một áp lực liên tục trong một thời gian xác định trong khi ghi nhận lại kết quả ứng suất thu được Dưới ứng suất ngưỡng, giá trị ứng suất được áp đặt sẽ dẫn đến việc hỗn hợp tiếp cận giá trị áp lực liên tục, ngược lại nếu ứng suất áp đặt cao hơn ứng suất ngưỡng, vật liệu bắt đầu chảy, áp lực sẽ tăng lên nhanh chóng Nhược điểm chính của kỹ thuật này là tốn thời gian để làm thí nghiệm Vì thế, khoảng ứng suất ngưỡng trước khi bắt đầu thí nghiệm cần được xác định (Walls và cộng sự, 2003.)

Khi ứng suất ngưỡng được kết nối với sự chảy của vật liệu theo định nghĩa nó thường được xác định bằng thí nghiệm xác định đường cong dòng chảy Bên cạnh đó, sự nhiễu hoặc dao động hoặc ứng suất động học có thể được áp dụng để đánh giá ứng suất ngưỡng (Fong và cộng sự, 1994; Walls và cộng sự, 2003) Trong một quá trình quét ứng suất động học, hỗn hợp phải chịu ứng suất đều ngày càng tăng và kết quả ứng suất được ghi lại Đây là loại hình kiểm tra, gọi là quét biên độ, được sử

dụng để xác định các khu vực đàn hồi nhớt tuyến tính (Linear Viscoelastic Region-

LVR), trong đó ứng suất trượt và ứng suất pháp tỷ lệ thuận với nhau Trong khu vực đàn hồi nhớt tuyến tính này, do ứng suất trượt và ứng suất pháp có tương quan với nhau, không có sự phá vỡ cấu trúc xảy ra Trên ứng suất trượt tới hạn (hoặc ứng suất pháp), sự phá vỡ cấu trúc sẽ xảy ra Sự phá vỡ cấu trúc được xem là điều kiện cần thiết để dòng chảy bắt đầu, các giá trị ứng suất trượt có thể được suy ra từ ứng suất ngưỡng tới hạn Việc sử dụng lưu biến dao động đều để ước tính ứng suất có một vài ưu điểm Thứ nhất, dữ liệu thu được có đủ độ tin cậy cả ở giá trị trên và dưới ứng suất ngưỡng, điều này trái ngược với độ tin cậy thấp ở tốc độ trượt thấp trong các thí nghiệm đường cong dòng chảy Thứ hai, thí nghiệm này không có cần

một sự ước tính ứng suất ngưỡng trước như trong trường hợp của thí nghiệm creep Cuối cùng, lưu biến dao động đều không chỉ cung cấp thông tin về ứng suất, mà còn trên các thuộc tính của hỗn hợp như độ nhớt, độ đàn hồi và vi cấu trúc (Walls và cộng sự, 2003) Tại biên độ nhỏ, lưu biến dao động đều cho phép kiểm tra các thuộc tính của vật liệu khi gây nên sự xáo trộn cấu trúc tối thiểu Lưu biến dao động đã được áp dụng trong nghiên cứu sô cô la trong thời gian gần đây (Baldino và cộngsự, 2010; Gabriele và cộng sự, 2008; Taylor và các cộng sự, 2009; Veerle De Graef và cộng sự, 2011)

1.3 Các mô hình dòng chảy mô tả tính chất lưu biến của thực phẩm lỏng:

Mô hình dòng chảy là phương trình toán học mô tả dữ liệu lưu biến của vật liệu, điển hình như mối quan hệ giữa tốc độ trượt và ứng suất trượt, cung cấp việc mô tả dữ liệu một cách thuận tiện và ngắn gọn Để thuận tiện về mặt toán học, cần định lượng độ lớn của các thông số mô hình bị ảnh hưởng bởi các biến trạng thái, như nhiệt độ, và ảnh hưởng của cấu trúc/ thành phần thực phẩm (ví dụ, nồng độ chất khô) và lập các mối quan hệ gọi là mô hình hàm số

Mô hình lưu biến có thể được phân loại như sau: (1) mô hình kinh nghiệm, (2) mô hình lý thuyết, và (3) mô hình cấu trúc Mô hình kinh nghiệm, như mô hình Power law, được rút ra từ kiểm tra các dữ liệu thực nghiệm Mô hình lý thuyết được bắt nguồn từ khái niệm cơ bản và cung cấp các chỉ dẫn có giá trị trên sự hiểu biết về vai trò của cấu trúc Nó chỉ ra các yếu tố ảnh hưởng đến một tham số lưu biến, điển hình như mô hình Krieger-Dougherty đối với độ nhớt tương đối Mô hình cấu trúc có nguồn gốc từ những xem xét về cấu trúc và động học thường thay đổi diễn ra trong cấu trúc vật liệu Nó có thể được sử dụng, cùng với các dữ liệu thực nghiệm, để ước tính giá trị của các thông số giúp mô tả các thuộc tính lưu biến của một hỗn hợp thực phẩm Một trong những mô hình này là mô hình Casson đã được sử dụng rộng rãi để mô tả các đặc điểm của các loại thực phẩm mà thể hiện ứng suất ngưỡng Mô hình cấu trúc Cross đã được sử dụng để mô tả trạng thái dòng chảy của hệ phân tán polymer và các chất lỏng shear thinning Trong khi ứng dụng các mô hình dựa trên cấu trúc lên dữ liệu lưu biến cung cấp những thông tin hữu ích, cái

nhìn sâu sắc có giá trị về vai trò của cấu trúc trong hệ phân tán (ví dụ như cho phép ước tính ảnh hưởng của sự liên kết giữa các hạt và mạng lưới của các hạt trong hệ phân tán)

Mô hình dòng chảy đã được sử dụng nhằm thu được biểu thức cho các cấu hình tốc độ trượt và tỷ lệ lưu lượng thể tích trong ống và dòng chảy, và các tính toán trong việc phân tích các hiện tượng truyền nhiệt Một số mô hình lưu biến được liệt kê trong bảng 1.3

Bảng 1.3 Các mô hình lưu biến thông dụng

1/n= 01/n+ ( 1/n

Độ nhớt Casson (Pa.s)

n= 1 =>Bingham n= 2 =>Casson

OSTWALD-n Chỉ số trạOSTWALD-ng thái dòOSTWALD-ng chảy (Pa.s)

OSTWALD DE-WAELE (POWER-LAW)

= KOW n

KOW: Chỉ số độ sệt (Pa.s)

n= 1 => Newton n Chỉ số trạng thái dòng chảy

(Pa.s)

SCHULM- HAROSKE- REHER

1/n

DE-WAELE K: Chỉ số độ sệt (Pa.s)

OSTWALD-m, n, k Hằng số

Ngoài ra, ở đây những mô hình được sử dụng rộng rãi trong việc phân tích các trạng thái dòng chảy của thực phẩm lỏng sẽ được thảo luận (Macosko, 1964)

Với η là độ nhớt nhựa Bingham Mô hình Newton và mô hình Bingham có thể được mô tả bởi các đoạn thẳng về tốc độ trượt và ứng suất trượt, và mô hình Newton có thể được mô tả bởi tham số η và mô hình Bingham được mô tả bởi hai thông số: η và 0 Tuy nhiên, các dữ liệu ứng suất trượt- tốc độ trượt của chất lỏng shear thinning được thể hiện qua đường cong đòi hỏi nhiều hơn một tham số để mô tả dữ liệu Phương trình 16 cho ra dạng đường thẳng đơn giản, dễ dàng chuyển đổi dữ liệu quan hệ giữa ứng suất trượt- tốc độ trượt

Mô hình Power law

Đường cong biểu hiện quan hệ giữa ứng suất trượt- tốc độ trượt của nhiều loại chất lỏng trở nên tuyến tính khi khi vẽ trên tọa độ logarit và mô hình Power law mô tả các dữ liệu chất lỏng shear thinning và shear thickening:

Với, K là hệ số độ sệt, Pa sn là ứng suất trượt ở tốc độ trượt 1s-1 và số mũ n là chỉ số trạng thái dòng chảy, là thứ nguyên phản ánh sự tương thích với dòng chảy Newton Đối với trường hợp đặc biệt của một chất lỏng Newton (n = 1), chỉ số sệt K giống nhau bằng độ nhớt của chất lỏng, η Khi độ lớn của n< 1 chất lỏng là shear thinning và khi n> 1 chất lỏng là shear thickening Lấy logarit của cả hai vế của phương trình 17, ta được phương trình sau:

Các thông số K và n được xác định từ một đồ thị log so với log , và đoạn chắn các đường thẳng là log K và độ dốc là n Nếu một số lượng lớn các điểm dữ liệu so với ., ví dụ, > 15 (dễ dàng để có được số lượng lớn các điểm với nhớt kế tự động), phương trình hồi quy tuyến tính của log so với log sẽ cung cấp giá trị thống kê tốt nhất của K và n Tuy nhiên, đồ thị của các giá trị thực nghiệm và dự đoán của log và log cần cho việc quan sát các xu hướng trong dữ liệu và khả năng của các mô hình để thực hiện theo các dữ liệu Phương pháp hồi quy tuyến tính cũng có thể được dùng để xác định các thông số của Herschel-Bulkley (khi độ lớn của ứng suất được cho biết) và mô hình Casson

Do chỉ chứa hai tham số (K và n) có thể mô tả dữ liệu ứng suất trượt – tốc độ trượt, mô hình Power law đã được sử dụng rộng rãi để mô tả các loại thực phẩm lỏng Đây cũng là mô hình được sử dụng nhiều nhất trong các nghiên cứu về xử lý thực phẩm, gia nhiệt/ làm lạnh của thực phẩm Ngoài ra, ảnh hưởng của nhiệt độ trong việc định lượng năng lượng hoạt hóa, và ảnh hưởng của nồng độ chất rắn hòa tan và không hòa tan vào chỉ số đồng hình được đưa ra

Mặc dù mô hình Power law khá phổ biến và hữu ích, tuy nhiên cần lưu ý bản chất thực nghiệm của mô hình này Một lý do cho sự phổ biến của mô hình là do ứng dụng của nó trong phạm vi tốc độ trượt: 101 104 s-1 có thể thu được với nhiều loại nhớt kế khác nhau Thông thường, độ lớn của hệ số đồng hình và các hệ số trạng thái dòng chảy của một hỗn hợp thực phẩm phụ thuộc vào dải tốc độ trượt xác định được sử dụng để khi so sánh các thuộc tính của các hỗn hợp khác nhau được thực hiện để xác định trạng thái dòng chảy trong một phạm vi tốc độ trượt cụ thể Một nhược điểm của mô hình Power law là không mô tả được dữ liệu của thực phẩm shear thinning ở độ nhớt không đổi, tốc độ trượt cao và ứng suất thấp

Mô hình Herschel–Bulkley

Khi ứng suất ngưỡng của một loại thực phẩm có thể đo lường, nó có thể được đưa vào mô hình Herschel-Bulkley:

Với : tốc độ trượt (s-1),

: ứng suất trượt (Pa), n: hệ số trạng thái dòng chảy, K: chỉ số độ sệt, và

0: ứng suất ngưỡng (Pa) Ứng suất ngưỡng có thể được coi là năng lượng thực và đóng một vai trò quan trọng trong nhiều sản phẩm thực phẩm Nếu ứng suất ngưỡng của một hỗn hợp được suy ra từ thí nghiệm độc lập, K và n có thể được xác định từ phương trình hồi quy tuyến tính của mối quan hệ giữa log ( - 0) và log là đoạn chắn và độ dốc của đường thẳng, tương ứng Ngoài ra, kỹ thuật hồi quy phi tuyến được sử dụng để ước tính 0, K và n (Rao và Cooley, 1983) Tuy nhiên, giá trị ước tính của ứng suất ngưỡng và các thông số lưu biến khác chỉ nên được sử dụng khi giá trị thực nghiệm xác định không có sẵn và có thể không phản ánh bản chất thật của các hỗn hợp thử nghiệm

Mô hình Casson

Mô hình Casson là một mô hình dựa trên cấu trúc mặc dù ban đầu đã được phát triển dành cho mực in, đã được sử dụng để mô tả một số hệ phân tán thực phẩm:

= 00,5+ (Đối với một loại thực phẩm mà trạng thái của dòng chảy của nó theo mô hình Casson, đường thẳng của mối quan hệ giữa căn bậc hai của tốc độ trượt, 0,5, với căn bậc hai của ứng suất trượt, 0,5, có độ dốc 0 và đọan chắn 0,5 IOCC đã thông qua các mô hình Casson là phương pháp chính thức để giải thích các dữ liệu lưu biến trên sô cô la (Beckett, 2008)

1.4 Ứng dụng của lưu biến học

Lưu biến học có ứng dụng trong thực phẩm, khoa học vật liệu kỹ thuật, vật lý địa chất, sinh lý, con người sinh học và dược phẩm Khoa học vật liệu được sử dụng trong việc sản xuất nhiều chất liệu công nghiệp quan trọng, chẳng hạn như xi

măng, sơn và sô cô la, có đặc tính dòng chảy phức tạp Ngoài ra, lý thuyết về tính dẻo cũng đã được quan tâm khi thiết kế quá trình sản xuất kim loại

Ngành khoa học lưu biến về đặc tính của tính đàn hồi nhớt trong sản xuất và sử dụng các vật liệu phân tử đã được quan tâm để sản xuất nhiều sản phẩm được sử dụng trong các ngành công nghiệp và quân sự

Nghiên cứu các đặc tính dòng chảy của lưu chất rất quan trọng trong việc sản xuất một số dạng dược phẩm bào chế, chẳng hạn như những chất lỏng đơn giản: thuốc mỡ, kem, bột nhão… Tính chảy của lưu chất dưới tác động của ứng suất liên quan rất lớn trong lĩnh vực dược phẩm

Lưu biến trong thực phẩm

Lưu biến học có ý nghĩa rất quan trọng trong quy trình sản xuất và chế biến các sản phẩm thực phẩm, ví dụ như pho mát, sô cô la, xúc xích

Thực phẩm sử dụng lưu biến học để nghiên cứu về các tính chất lưu biến như tính chảy và sự đồng đều của nguyên liệu Tính đồng đều, tính chảy và các tính chất cơ học khác là rất quan trọng trong việc xác định thời gian sử dụng, phương pháp làm ổn định trạng thái của sản phẩm thực phẩm

Người tiêu dùng chấp nhận các sản phẩm thực phẩm còn dựa vào tính chất cảm quan, thường được quyết định bởi kết cấu thực phẩm, chẳng hạn như xác định độ nhớt, độ cứng của kem bôi trơn, độ sánh của yaourt…

Lưu biến học trong thực phẩm là rất quan trọng trong kiểm soát chất lượng trong quá trình sản xuất thực phẩm và chế biến (Fellows, 2000)

1.5 Tầm quan trọng của việc nghiên cứu tính chất lưu biến của bơ ca cao

Bơ ca cao là một chất béo tự nhiên từ hạt ca cao (Theobroma cacao), thường

được sử dụng như một thành phần thiết yếu trong sản xuất sô cô la và các sản phẩm bánh kẹo khác do các tính chất vật lý và hóa học đặc trưng của nó Các acid béo chủ yếu của bơ ca cao là acid palmitic (P, C16: 0) 25,0-33,7%; acid stearic (St, C18: 0) 33,7-40,2 %; acid oleic (O, C18: 1) 26,3-35,0% và acid linoleic (C18: 2) 1,7-3,0% chiếm khoảng 98,0% tổng số acid béo Ở nhiệt độ thường (20-250C), bơ ca cao tồn tại ở thể rắn và tan chảy ở nhiệt độ cơ thể (370C) (Beckett, 2009)

Trong sản xuất sô cô la, tính chất của bơ ca cao quyết định đến chất lượng và cảm quan của sản phẩm sô cô la

Việc tăng hàm lượng các triglyceride bão hoà có thể gây nên những thay đổi bất lợi cho độ nhớt biểu kiến và ứng suất chảy của sô cô la Việc sử dụng chất béo thay thế 5% bơ cacao với hàm lượng SSS tự nhiên gây nên sự tăng độ nhớt từ nhiệt độ 40oC đến nhiệt độ làm dịu tương tự như ảnh hưởng đối với bơ ca cao, nhưng ứng suất trượt lại giảm mạnh Vì thế, sản phẩm sô cô la này phù hợp với quá trình sản xuất sô cô la phủ hoặc rót khuôn

Việc bổ sung lượng bơ ca cao nhiều hơn trong quá trình đảo trộn nhiệt là một cách để làm giảm độ nhớt, dẫn đến chuyển động tốt hơn của các hạt phân tử Hiệu quả của việc bổ sung thêm 1,0% chất béo lên độ nhớt phụ thuộc vào lượng có sẵn Khi hàm lượng béo trên 32,0%, sự thay đổi không đáng kể độ nhớt với bất kỳ lượng bổ sung nào Ở hàm lượng béo 28,0%, bổ sung thêm 1,0% bơ ca cao ảnh hưởng đáng kể lên độ nhớt biểu kiến, trong khi tác động lên ứng suất trượt yếu hơn (Afoakwa và các cộng sự, 2007)

Quá trình tinh chế bơ ca cao có tác động lên chất lượng sô cô la sữa Trong đó, bơ ca cao thô đã được tinh chế bằng hơi ở nhiệt độ khác nhau có hoặc không có xử lý sơ bộ bằng silica Tác động chính của xử lý sơ bộ bằng silica là loại bỏ hoàn toàn phosphorus (như phospholipid), Fe và thành phần kiềm Trong bước tinh chế bằng hơi chủ yếu sự giải phóng các acid béo tự do ở nhiệt độ cao (T 2000

C) Tinh chế bơ ca cao ảnh hưởng đến tính chất lưu biến của sô cô la Khi tăng nhiệt độ tinh chế thì lượng acid béo tự do được giải phóng nhiều hơn, dẫn đến ứng suất trượt thấp hơn và độ nhớt cao hơn Giảm acid béo tự do có ảnh hưởng tích cực lên động học kết tinh và sự hình thành của mạng tinh thể (Nathalie De Clercq và các cộng sự, 2012)

Các nhà nghiên cứu qua các công trình nghiên cứu đã chứng minh rằng việc kiểm soát các điều kiện trong quá trình truyền nhiệt và truyền khối trong sản xuất sô cô la là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và hiệu suất quá trình Cơ sở phân tử cho cách thức làm dịu cụ thể được phát triển bởi các nhà sản

xuất sô cô la và sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thực phẩm, vẫn chưa được hiểu rõ Tốc độ làm lạnh và tốc độ trượt trong quá trình kết tinh bơ ca cao hưởng đến sự kết hợp của loại phân tử triacylglycerols đặc trưng (TAG) trên bề mặt phát triển các mầm tinh thể, làm ảnh hưởng đến cấu trúc khác nhau trong mạng tinh thể bơ ca cao, các thành phần khác nhau trong giai đoạn đầu của sự kết tinh tĩnh ở tốc độ làm lạnh là khác nhau (Rodrigo Campos và Alejandro G Marangoni, 2014)

Chính vì lẽ đó mà tính chất của bơ ca cao chính là yếu tố đầu tiên cần phải được xác định để đảm bảo chất lượng định sô cô la thành phẩm sau cùng Bên cạnh các tính chất hóa lý, các nhà sản xuất còn lưu ý đến đặc trưng dòng chảy (hay còn gọi là tính chất lưu biến) của bơ ca cao, do đây là yếu tố cần thiết để tính toán, thiết kế quy trình, kiểm soát chất lượng và cấu trúc của sản phẩm

Vấn đề nghiên cứu tính chất lưu biến của bơ ca cao đã có từ rất sớm, cho thấy bơ ca cao mang đặc trưng của chất lỏng Newton, độ nhớt phụ thuộc vào thời gian và áp suất Khi tinh thể chất béo hình thành trong bơ ca cao, hiệu ứng cấu trúc nhớt được nâng cao Tập hợp dưới mức micro của các phân tử chất béo trong hỗn hợp ca cao làm tăng của hệ số nhớt (Clarence Sterling và J.J Wuhrann, 1959)

Stapley và các cộng sự (1999), nghiên cứu tính chất lưu biến của bơ ca cao sử dụng thiết bị quét nhiệt lượng (DSC), đã báo cáo rằng các kiểu tinh thể có điểm nóng chảy cao có thể đạt được nếu thời gian đủ dài và tốc độ trượt đủ cao, cũng như nhiệt độ tái gia nhiệt đủ thấp

MacMillan và các cộng sự (2002) đã nghiên cứu thấy rằng việc sử dụng ứng suất trượt rút ngắn thời gian để đạt được kiểu tinh thể 2 bằng cách cho phép kiểu tinh thể 1 được bỏ qua và kiểu tinh thể 2 đạt từ dạng hỗn hợp (kiểu tinh thể III) Tốc độ trượt cao nhất được sử dụng là 12s-1, cho thấy việc tăng sự trượt làm giảm thời gian đạt được kiểu tinh thể 2

Một loạt các kỹ thuật để đo lường tác động của tính chất lưu biến của bơ ca cao lên quá trình làm dịu trong quy trình sản xuất sô cô la đã được sử dụng Một phương pháp phổ biến là theo dõi các mô-men xoắn áp dụng cho các thiết bị áp dụng ứng suất trượt ghi nhận giá trị độ nhớt của quá trình kết tinh Cách tiếp cận này được sử dụng bởi Ziegleder, 1985, Briggs và Wang, 2004 và Toro- Vazquez và

các cộng sự, 2004 Loisel và cộng sự, 1997, 1998, cũng sử dụng kỹ thuật này để theo dõi ảnh hưởng của độ nhớt, tốc độ trượt và ứng suất trượt lên sự kết tinh của sô cô la đen Các kỹ thuật tiên tiến và phức tạp hơn là sử dụng phương pháp đo nhiễu xạ tia X Phương pháp này cho phép xác định trực tiếp các dạng kiểu tinh thể được thực hiện và đã cung cấp một vài cái nhìn sâu sắc, bổ sung vào cơ chế có thể có của quá trình làm dịu MacMillan và các cộng sự (2002) cho thấy sự trượt có thể tăng tốc chuyển đổi đa hình nội từ kiểu tinh thể hỗn hợp sang 2 Mazzanti và các cộng sự, 2003 đã chứng minh trong việc sử dụng nhiễu xạ tia X, ứng suất trượt có tác dụng định hướng các tinh thể chất béo

Dhonsi và các cộng sự, 2006 đã nghiên cứu quá trình kết tinh ở tốc độ trượt khảo sát từ 1-50s-1 và tại các nhiệt độ kết tinh ở 13, 17, 20 và 230C Cho thấy rằng đối với nhiệt độ thấp hơn, kết tinh đã được nhanh chóng, độc lập với tốc độ trượt Chỉ ở 230C mới cho thấy sự phụ thuộc thời gian kết tinh vào tốc độ trượt, và thời gian kết tinh nhanh hơn ở nhiệt độ 200C

Rõ ràng, trong khi có lượng lớn các công trình nghiên cứu nhiều khía cạnh của tính chất lưu biến của bơ ca cao, sự hiểu biết về các cơ chế và quá trình cơ bản bị hạn chế một phần do sự đa dạng rộng rãi trong các thành phần của hỗn hợp bơ ca cao khác nhau và sự tương tác phức tạp của nhiều TAG khác nhau chứa trong đó

Quy trình sản xuất sô cô la có thể tóm tắt theo hình 1.4

Hình 1.4: Sơ đồ quy trình sản xuất sô cô la truyền thống

Trong quy trình, bơ ca cao sẽ được chảy lỏng trong quá trình đảo trộn nhiệt và sau đó trải qua quá trình kết tinh phân đoạn Nhiệt độ là yếu tố ảnh hưởng trước hết đến đặc điểm của bơ ca cao Cùng với nhiệt độ các yếu tố công nghệ khác như hàm lượng pha rắn phân bố trong bơ ca cao, lượng chất nhũ hóa và lượng béo thực vật thay thế cũng ảnh hưởng đến trạng thái dòng chảy của bơ ca cao

Trong ngành sản xuất sô cô la, để sản phẩm đạt chất lượng như yêu cầu các hạt đường cần được bao phủ đều chất béo Điều này khá khó khăn do bề mặt phân tử đường mang tính ưa nước, nó sẽ đẩy các phân tử béo Do đó, các nhà sản xuất đã thêm thành phần có hoạt tính bề mặt, và chất nhũ hóa thường được sử dụng là lecithin, đã được dùng cho ngành công nghiệp sô cô la kể từ năm 1930 (Beckett,

2009) Nhiệm vụ của lecithin là kiểm soát tính chất lưu biến của sô cô la trong ngành công nghiệp bánh kẹo; việc sự dụng chất nhũ hóa cho kết quả rất khả quan trong việc tiết kiệm chi phí sản xuất do giá thành rẻ hơn so với việc tăng lượng bơ ca cao trong sản xuất

Hình 1.5 Sơ đồ đại cương của phân tử lecithin xung quanh hạt đường

(Beckett, 2009)

Đồng thời theo báo cáo 2014 của Hiệp hội ca cao thế giới ICCO đã cho thấy sản lượng ca cao trên thế giới hiện nay không đủ cung cấp cho ngành công nghiệp sô cô la nói riêng và công nghiệp thực phẩm nói chung Việc sử dụng nguyên liệu thay thế cho bơ ca cao dù ở mức độ nào cũng sẽ giúp giảm thiểu giá thành sản xuất, do đó việc đánh giá ảnh hưởng của chất béo thay thế bơ ca cao lên tính chất lưu biến của sô cô la đang rất được quan tâm

Trong nghiên cứu này, chất béo từ hạt đậu phộng, có tên khoa học là Arachis

hypogeal thuộc họ đậu, được sử dụng với vai trò thay thế một phần bơ ca cao Dầu

đậu phộng là một hỗn hợp glycerides gồm: 80% acid béo không no, và 20% acid béo no Thành phần acid béo trong hạt đậu phộng thay đổi tùy theo giống và điều kiện canh tác Glycerides trong dầu đậu phộng tương tự bơ ca cao với 3 acid béo chính là:

Acid oleic: 43,0 65,0% tổng luợng acid béo Acid linolenic: 20,0 37,0% tổng luợng acid béo

Acid palmitic: 14,0 20,0% tổng luợng acid béo Thành phần triacylglycerol chiếm 93,3- 95,8% của chất béo, các triglycerides chính trong dầu phộng: OOL (17%), PLO (13%), OOO (10%) và POO (8%) (với P= Palmitic, O= oleic, và L= linoleic acid)

Dầu phộng chứa các vitamin hòa tan trong dầu, nhiều nhất là viamin E Hai acid bão hòa có trong dầu phộng là acid arachidic (C20) và acid lignoceric (C24) tương tự như trong bơ ca cao Đây là 2 acid béo bão hòa dạng cis nên không gây nguy hiểm cho tim mạch Ở nhiệt độ thường, dầu phộng là một chất lỏng màu vàng nhạt, có độ nhớt thấp, có hương thơm và mùi vị như hạt dẻ

So với bơ ca cao, dầu phộng có giá thành rẻ hơn rất nhiều Theo báo cáo hàng tháng của Index mundi, giá 1 tấn dầu phộng tháng 7/2014 là 1 325 $ so sánh với 3 196 $/ tấn hạt ca cao nguyên liệu

Như vậy, dựa trên những cơ sở trên mà mục tiêu của báo cáo này là nghiên cứu ảnh hưởng một số yếu tố công nghệ lên tính chất lưu biến của bơ ca cao, bao gồm: nhiệt độ, hàm lượng pha phân tán (đường), chất nhũ hóa (lecithin) và chất béo thay thế (dầu đậu phộng)

2.1.2 Mục tiêu cụ thể

Để đáp ứng yêu cầu tổng quát đề ra, mục tiêu cụ thể của đề tài là đánh giá ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ lên tính chất lưu biến của bơ ca cao từ dữ liệu dòng chảy thu được, thể hiện qua mối liên hệ giữa ứng suất trượt và tốc độ trượt

2.2 Nội dung nghiên cứu

Đề tài tập trung vào 4 nội dung nghiên cứu sau nhằm phục vụ cho mục tiêu đã đề ra:

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tính chất lưu biến của bơ ca cao, t(0C)= 20 55 Ảnh hưởng của đường đến tính chất lưu biến của bơ ca cao Vđường= 20 55%

Vhỗn hợp, ở 3 điểm nhiệt độ 300C, 400C và 500C Ảnh hưởng của lecithin đến tính chất lưu biến của hỗn hợp bơ ca cao

mlecithin= 0,1 0,5% Vhỗn hợp ở 3 điểm nhiệt độ 300C, 400C và 500C đối với hỗn hợp chứa 20, 30, 40, 50 %v/v đường

Ảnh hưởng của dầu đậu phộng đến tính chất lưu biến của bơ ca cao ở 400C, Vdầu đậu phộng= 10, 30, 50, 70 và 90% Vhỗn hợp

Ảnh hưởng của dầu đậu phộng đến tính chất lưu biến của hỗn hợp bơ ca cao chứa 50%v/v đường, có/ không có 0,3%w/v lecithin, ở 400C, với Vdầu đậu

phộng= 3, 5, 7 , 9, 11% Vhỗn hợp

2.3 Nguyên liệu 2.3.1 Bơ ca cao

Bơ ca cao nguyên chất đã qua quá trình xử lý khử mùi có nguồn gốc từ hạt ca

cao (Theobroma cacao) được sản xuất từ công ty KL- Kepong Berhab, Malaysia

với các đặc tính được kiểm tra (trình bày chi tiết trong phụ lục)

2.3.2 Dầu đậu phộng

Hạt đậu phộng (Arachis hypogeal) được phơi khô, sấy khô ở 600C trong 30 phút đạt độ ẩm xấp xỉ 3% Sau khi tách vỏ, dầu được thu lấy bằng cách sử dụng thiết bị ép trục vít và cuối cùng dầu được đem qua lọc chân không và được bảo quản ở -40

C Các thông số được kiểm tra sau đó: Chỉ số Peroxide: 1,4 0,1 (meg/kg) (theo phương pháp phân tích A.O.A.C

2000) Chỉ số Iodine: 96,0 2,5 (theo phương pháp phân tích TCVN 6122:2010) Chỉ số Xà phòng hóa: 188,0 11,8 (theo phương pháp phân tích TCVN

6126:2007) Bơ ca cao và dầu phộng được bảo quản trong tủ động ở nhiệt độ -40C Trong mỗi thí nghiệm, bơ ca cao được đun nóng đến 800C giữ trong 5 phút, sau đó đun ở 400C trong 60 phút để hóa lỏng toàn bộ bơ ca cao

toàn tương tự như trên sẽ được bổ sung đường từ từ với khối lượng đã tính toán phù hợp với yêu cầu của mục 2.2 Hỗn hợp được khuấy trộn trong 5 phút bằng thiết bị đồng hóa cơ

Với đánh giá ảnh hưởng của lecithin: Bơ ca cao sau khi được hóa lỏng hoàn toàn bổ sung từ từ đường và lecithin với khối lượng đã tính toán, được khuấy trộn trong 5 phút bằng thiết bị đồng hóa cơ Lecithin được bổ sung ở cuối quá trình đồng hóa

Với đánh giá ảnh hưởng của dầu đậu phộng: Bơ ca cao được hóa lỏng hoàn toàn bổ sung dầu phộng (được hóa lỏng bằng cách gia nhiệt ở 400C trong 30 phút), đường và lecithin với tỷ lệ xác định Hỗn hợp được khuấy trộn trong 5phút bằng thiết bị đồng hóa cơ

2.4.2 Tiến hành phân tích

Đối với phân tích đường cong dòng chảy: Hỗn hợp sau khi được chuẩn bị sẽ được đưa vào lưu biến kế, chạy ổn định ở nhiệt độ cần đánh giá và tốc độ trượt 1000s-1

trong 10 phút Sau đó ghi nhận ứng suất trượt ở đường cong lên theo dãy tốc độ trượt xác định (tăng từ 5s-1 đến 1000s-1); 20s cho từng giá trị tốc độ trượt và 60s đối với giá trị tốc độ trượt cao nhất; cuối cùng ghi nhận ứng suất trượt ở đường cong xuống theo dãy tốc độ trượt xác định (giảm từ 1000s-1 đến 5s-1); tốc độ hạ nhiệt trong phân tích này là 50C/phút

Đối với việc xác định điểm chuyển pha của hỗn hợp: Hỗn hợp sau khi được chuẩn bị được chuyển vào lưu biến kế dựa vào kiểm tra dao động (oscillation test) Hỗn hợp được hạ nhiệt từ 500C xuống -100C với tốc độ hạ nhiệt 10C/phút, ghi nhận giá trị Cài đặt độ biến dạng nhỏ = 0,1% và tần số là

1Hz Ở mỗi giá trị nhiệt độ, sẽ có tương ứng cặp giá trị , và tạo thành giản đồ mô đun đàn hồi cùng mô đun nhớt theo nhiệt độ

2.5 Phương pháp phân tích 2.5.1 Tính chất lưu biến:

Với mục đích xây dựng biểu đồ dòng chảy, cần xác định được ứng suất trượt của bơ ca cao tại tốc độ dòng chảy nhất định Đây là phương pháp phổ biến trong việc nghiên cứu tính chất lưu biến của vật liệu Các thông số lưu biến học được đo đạc bằng cách sử dụng thiết bị lưu biến kế RS 6000 với bộ gia, giảm và ổn nhiệt Thiết bị này hoạt động dựa trên nguyên lý hệ côn- tấm (có đường kính 35mm, góc côn 3,9780) Lưu biến kế được điều khiển bởi phần mềm HAAKE RheoWin 3, ghi lại sự thay đổi tính chất lưu biến trong các thí nghiệm

Thiết bị sử dụng: Lưu biến kế RS 6000, Haake, phòng thí nghiệm Trọng điểm

Hóa dầu quốc gia, trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh Loại cảm biến dạng nón cụt loại C35/4 Ti, số L06 002 với các thông số trên hình sau:

Hình 2.1 Cấu tạo của lưu biến kế HaakeRS 6000

2.5.2 Phương pháp xử lý kết quả thí nghiệm:

Tất cả các giá trị thu được là giá trị trung bình của ba lần lặp lại, các mô hình được xử lý bằng phương pháp hồi quy tuyến tính, và mức độ phù hợp của các mô hình được đánh giá qua 2 thông số thống kê là hệ số tương quan R2

và RSME (Mohammadi Moghaddam và cộng sự, 2009 và S.Yeganehzad và cộng sự, 2013; với RSME (Root mean square error) được tính theo công thức:

Với n: số dữ liệu thí nghiệm

x exp: giá trị thu được từ thí nghiệm x pred: giá trị dự đoán từ mô hình tương ứng

CHƯƠNG 3:

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên tính chất lưu biến

3.1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên tính chất lưu biến của bơ ca cao nguyên chất

Các đường cong dòng chảy đặc trưng cho bơ ca cao ở 8 nhiệt độ khác nhau được mô tả trong hình 3.1 Kết quả cho thấy mối quan hệ giữa ứng suất trượt và tốc độ trượt là tuyến tính, tương tự với đường cong dòng chảy của lưu chất Bingham (đường 4 hình 1.2 trang 2) ở nhiệt độ thấp (200

C và 250C) Khi tăng nhiệt độ, mối quan hệ này gần với trạng thái của lưu chất Newton

Hình 3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên giản đồ lưu biến của bơ ca cao thể

hiện quan hệ giữa ứng suất trựơt- tốc độ trượt

Nhận xét: Đường cong dòng chảy ở 200C có độ dốc cao nhất, và theo chiều tăng của nhiệt độ độ dốc của đường này giảm dần Độ dốc càng lớn thì sự thay đổi độ nhớt của bơ ca cao theo tốc độ trượt càng cao Đặc biệt là khi độ lệch giữa đường cong ở 200C và 250C lớn hơn rất nhiều so với các nhiệt độ khác, cho thấy khi tăng nhiệt độ các tinh thể chất béo bị tan chảy, tỷ lệ chất rắn trong pha béo liên tục giảm,

do đó ứng suất trượt cần tác động lên bơ ca cao để khối bơ chảy giảm (hình 3.2) Trạng thái ứng suất trượt giảm khi tăng tốc độ trượt có thể được giải thích là do sự phá vỡ cấu trúc của phân tử do lực thủy động học và làm tăng sự định tuyến của các phân tử cấu thành trong bơ ca cao

Hình 3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên ứng suất truợt của bơ ca cao ở một

số tốc độ trượt xác định

Marangoni và cộng sự, 2003 và Van Malssen và cộng sự, 1999 đã xây dựng một giản đồ pha nhiệt độ- thời gian cho các sự kết tinh các dạng kiểu tinh thể của bơ ca cao chủ yếu dựa trên dữ liệu DSC và XRD, cho thấy: T<-150C, hỗn hợp bền nhất thời của kiểu tinh thể và được hình thành, -150C T 200C, vật liệu bắt đầu chuyển sang kiểu tinh thể ’ Sự chuyển đổi này xảy ra nhanh hơn khi tăng nhiệt độ cao hơn Khi tăng nhiệt độ từ 21 260

C, sự tạo thành kiểu tinh thể ’ diễn ra nhanh Kiểu tinh thể chỉ được hình thành từ dạng ’ Để làm rõ kết quả cho tính chất lưu biến của bơ ca cao, giản đồ thể hiện mối quan hệ giữa độ nhớt và tốc độ trượt được đưa vào xem xét (hình 3.3) với độ nhớt là tỷ lệ của ứng suất trượt trên tốc độ trượt