DAI HOC THUY SAN THU VIEN | © 4 „TS NGUYÊN ARTI Renta NGUYEN KIM VŨ
" BÙI BÍCH THUỶ
664.07
Ng 527H
1 T THẾ Vệ il |
NHA XUAT BAN
Trang 2PGS.TS NGUYEN THI HIEN (chủ biên) PGS.TS NGUYÊN KIM VŨ
KS BUI BICH THUY
VAI TRO CUA NUGC VA HE THONG TAY RUA
KHU TRUNG (CIP) TRONG
NHA MAY THUC PHAM
NHA XUAT BAN KHOA HOC VA KY THUAT
Trang 3LOI TUA
Trong quá trình chế biến thực phẩm, nước đóng vai trị vô cùng quan
trọng Đặc biệt trong công nghệ sản xuất bia, nước.#iải khát, nước chiếm tới 90% thành phẩm nên việc có một kiến thức cơ bản về nước là rất cần thiết Tập thể tác giả chúng tôi xin được giới thiệu cuốn sách này với mong muốn
đưa ra những khái niệm, những cơ sở kỹ thuật cần thiết nhất để các nhà sản xuất, các nhà khoa học và những ai quan tâm có thể hiểu thêm tính chất quan
trọng cũng như tìm biện pháp thích hợp bảo đảm chất lượng nước cho quá trình sản xuất và cho sản phẩm cuối cùng Ngoài ra, hệ thống tẩy rửa, khử trùng trong nhà máy thực phẩm (CIP) với các nguyên tắc cơ bản, các hoá chất cần thiết cùng với nước làm chức năng tẩy rửa, khử trùng các loại bia chất cần thiết cùng với nước làm chức năng vệ sinh tẩy rửa khử trùng bảo đảm vệ sinh an toàn thực phẩm, hạn chế đến mức tối đa quá trình nhiễm tạp vi sinh vật trong quá trình sản xuất và sản phẩm cuối cùng cũng được dé cap khá đầy đủ ở đây
Đây chỉ là một phần tập hợp từ nhiều tư liệu khác nhau nên không
tránh khỏi những thiếu sót, kính mong bạn đọc góp ý để lần tái bản sau hoàn thiện hơn
Trang 4LOI CAM ON
Chúng tôi vm chân thành cảm ơn Ban lãnh dao: - _ Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
- — Bộ môn Công nghệ Sinh học Thực phẩm, Viện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm
- — Viên Công nghệ San thu hoạch
- Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật
- PGS.TS Quản Văn Thịnh - Hiệu đính cuốn sách này
Cùng các bạn bè, gia đình và các em sinh viên tham gia hỗ trợ dịch thuật và góp ý cho cuốn sách được hoàn thành, phục vụ nhự một tài liệu tham khảo cho độc giả
Xin cảm ơn
Táp thể tác giả
PGS.TS Nguyễn Thị Hiên Đại học Bách khoa Hà Nội PGS.TS Nguyễn Kim Vũ, KS Bùi Bích Thuỷ:
Trang 5MUC LUC
Chương I: Các tiêu chuẩn chất lượng của nước trong sản xuất 9
L1 Mỡ đầu 9
L2 Các yêu cầu về nước phải phù hợp với mục đích sử dụng 10
1.3 Những tiêu chuẩn đối với nước uống II
1.4 Một số vấn đề quan trọng trong các tiêu chuẩn 14
L5 Các tính chất của nước trong thực phẩm 15
1.5.1 Mo dau 15
1.5.2 Cac kỹ thuật phân tích 16
L6 Một số phương pháp xử lý tỉnh 17
1.7 Két luan 18
Chương II: Tương tác của nước với các cấu tử - tính chất hydrat hoá
của các thực phẩm 19
II.1 Mở đầu 19
H.2 Tầm quan trọng của nước trong thực phẩm 19
II.3 Tính chất của phân tử nước và trạng thái của nước trong thực
phẩm 22
H.3.1 Hàm lượng và trạng thái của nước trong thực phẩm 23
II.3.2 Cấu tạo của nước 24
Trang 61.5 Hoạt độ của nước và hấp thụ hơi nước đẳng nhiệt 26
IL.5.1 Hoạt độ của nước 26
IIL5.2 Đường hấp thụ hơi nước đẳng nhiệt 33
I6 Hydrat hoá và sự chuyển cấu trúc trong 36 H.7 Các phương pháp nghiên cứu về nước và các tương tác của nước 36 II.7.1 Đo và dự đoán hoạt độ nước 37 H.7.2 Các kỹ thuật mới về xác định tính đặc trưng của nước 38 IIL.8 Các phương pháp thực nghiệm đo sự hydrat hoá theo các tính chất
chức năng 39
II.9 Kết luận 4I
Chương III: Nước- nguyên liệu trong sản xuất bỉa 43
HI.1 Mở đầu 43
HI.2 Phương diện số lượng 44
IH.2.1 Nước là một thành phần trong sản phẩm 44
II.2.2 Nước sử dụng trong quá trình sản xuất 44
II.2.3 Nước kỹ thuật 45
III.3 Phương diện chất lượng 46
IIH.3.1 Tác động của các ion khác nhau đến chất lượng quá trình
sản xuất bia 47
1.3.2 Tác động của một vài cân bằng trong sản xuất bia 49
Trang 711.4.1 Can bang ion
HI.4.2 Điều chỉnh vi sinh vật
HL.4.3 Điều chỉnh nồng độ khơng khí
HI.5 Kết luận
Chương IV: Quá trình tẩy rửa-khử trùng trong nhà máy thực
phẩm
IV.I Tổng quát về quá trình tẩy rửa
IV.1.1 Bản chất và thành phần của các vết bẩn
IV.1.2 Đặc điểm của các loại vết bẩn IV.1.3 Cơ chế tẩy rửa
49 50 51 31 53 53 53 54 55 IV.1.4 Các tác nhân ảnh hưởng đến hiệu quả quá trình tẩy rửa vệ sinh
1V.2 Lựa chọn các chất tẩy rửa
IV.2.1 Lựa chọn chất tẩy rửa dua theo chất bẩn
55 56 56 IV.2.2 Lua chon chất tẩy rửa dựa theo bản chất của kim loại làm bể mặt rửa
IV.2.3 Dựa theo thiết bị và phương pháp rửa
_1V24 Dựa vào chất lượng nước
IV.3 Các hoá chất được sử dụng làm chất tẩy rửa
IV.3.1 Các chất vô cơ
1V.3.2 Các chất hữu cơ (chất hoạt động bề mặt và dung môi)
Trang 8IV.3.3 Các tác nhân thấm ướt 70
IV.3.4 Các enzym 71
IV.4 Sự khử trùng 72
IV.4.1 Khái niệm 72
IV.4.2 Các kiểu điệt khuẩn 74
IV.4.3 Phương thức tác dụng chính lên vi sinh vật 80
IV.4.4 Các tiêu chuẩn cho phép chấp nhận một chất diệt khuẩn trong công nghiệp thực phẩm 81
IV.4.5 Quá trình ăn mòn 85
IV.4.6 Hệ số hiệu quả kinh tế 85
IV.4.7 Số lượng và bản chất những sản phẩm thí nghiệm 86
1V.4.8 Biện pháp an toàn 91
Phu luc 93
Trang 9CHUONG |
CAC TIEU CHUAN CHAT LƯỢNG CỦA NƯỚC TRONG SẲN XUẤT
L1 MỞ ĐẦU
- Nước là vật liệu đầu tiên của nhiều qui trình sản xuất công nghiệp đặc
biệt là trong ngành chế biến nông sản thực phẩm Các phương pháp xử lý
nước phù hợp với điều kiện sản xuất nhằm đảm bảo chất lượng các sản phẩm
thực phẩm được đánh giá rất cao Chất lượng nước phải được đánh giá một
cách tổng thể, bao gồm cả phương pháp xử lý, kỹ thuật và vấn đề sử dụng
năng lượng
Trong lĩnh vực nông nghiệp, nước sử dụng nhiều nhất để tưới tiêu, cải tao dat,
Trong lĩnh vực chế biến nông sản thực phẩm, nước được sử dụng trong
rất nhiều mục đích như:
Lầm sạch, tẩy rửa, vệ sinh
Tác nhân làm lạnh - nấu Là nguyên liệu ban đầu
1
Làm tác nhân vận chuyển
Sử dụng nước không đủ tiêu chuẩn chất lượng có thể gây ra nhiều thiệt
hại như:
- Lam hư hỏng sản phẩm Nước có chất lượng kém nếu dùng trong qui trình sản xuất sẽ làm giảm chất lượng, thậm chí gây hỏng sản phẩm Vì
Trang 10vậy, nước phải luôn luôn được đảm bảo khơng có các tác nhân gây bệnh và độc cho người cũng như môi trường sinh thái
- Gay hu hong thiét bị sản xuất Điều này đặc biệt quan trọng đối với các
thiết bị kỹ thuật như nồi nấu, bình điều nhiệt, thiết bị hoá hơi, Nước và các chất khơng bền (khơng khí, nước, hơi) dùng trong quá trình sản
xuất phải đảm bảo các tiêu chuẩn chất lượng
1.2 CAC YEU CAU VỀ NƯỚC PHAI PHU HOP VỚI MỤC ĐÍCH
SU DUNG
Một trong các tiêu chuẩn chính để đánh giá chất lượng nước đã được qui
định một cách có hệ thống là tiêu chuẩn về vi sinh vật học
Nước có thể là một tác nhân vận chuyển các vi sinh vật như ve0terichia
coli, Salmonella spp, Vibrio cholerae, Shigella spp, Cryptosporidium
parvum, Giardia lamblia
Đối với loại nước sử dụng để tưới tiêu trong nông nghiệp, chủ yếu cần xác định nguồn gốc nước (nước ngầm, nước bể mặt, ) và hạn chế các nguy
cơ nhiễm bẩn Nhìn chung, nước ngầm tốt hơn nhưng không phải lúc nào
cũng đảm bảo chất lượng
Trong sản xuất thường đề cập đến việc tái sử dụng nước Sự tái sử dụng nước cho phép giảm lượng nước tiêu thụ, đảm bảo tính kinh tế nhưng cần hết
sức chú ý khả năng nhiễm bẩn do tích tụ các chất gây ô nhiễm trong sản xuất
cũng như ở các góc vòng của đường ống dẫn
Nước tham gia vào quá trình sản xuất ở nhiều công đoạn khác nhau Tuỳ
theo yêu cầu của mỗi công đoạn mà đồi hỏi chất lượng nước khác nhau như nước nguyên liệu, nước rửa, nước nấu, Nói chung, nước đảm bảo các tiêu
chuẩn của nước uống có thể coi như an toàn về vi sinh vật Ngồi ra cịn cần đảm bảo các tiêu chuẩn khác như chất lượng cảm quan, mùi vị, màu sắc, các
ion kim loại như sắt, mangan,
Trang 11L3 NHỮNG TIÊU CHUẨN ĐỐI VỚI NƯỚC UỐNG
Mục đích của việc đưa ra những tiêu chuẩn mới về nước uống là để bảo vệ sức khoẻ cho người sử dụng ở mức độ cao hơn Bảng dưới đây so sánh các tiêu chuẩn Châu Âu 98/83/CE, ngày 3 thang 11 nam 1998 với các tiêu chuẩn
cũ 80/778/CEE
Bảng 1: Tiêu chuẩn mới đối với nước uống được
Tieu chuẩn Tiêu chuẩn cũ
Chỉ tiêu Đơn vị Giáttj | Mứcđộ | CMA
Chỉ tiêu bất buộc
1) Chỉ tiêu vỉ sinh vật
E coh Tb/1000m/ 0 3 0
Cầu khuẩn đường ruột | Tb/1000m/ 0 - 0
2) Chỉ tiêu hoá học Acrylamit pg/l 0,10 Mới Vết Antimoan Hgíi 5,0 - - Asen pg/l 10 - - Benzen g/l 1,0 Mới Vết Benzopyren ug/l 10 - - Bor pg/l 1,0 1,0 -
Brom ug/l 10 | Mới Vết
Trang 12Bang 1 (tiép theo) Cyanua ug/l 50 - 50 1,2-dicloruaetan g/l 3,0 Mới Vết Epicloruahydrin g/l 0,10 Mới Vết Flo Hg/i 1,5 - 1,5(8-12) Chi ug/l 10 - 50 Thuy ngan g/l 1,0 - I Niken ug/l 20 - 50 Nitrat ug/l 50 25 50 Nitrit pg/l B10 - 0,10 0,50
Thuốc trừ sâu theo từng 0,10 _ 0,10
chất g/l Tổng số 0,50 0,50 Hydrocacbua thom, 0,10 _ mạch vòng g/l Benzo(a)pyren 0,010 Seien Hg/i 10 - 10 Teepe 8 awe | | ww | ve Cloroform Bromdiclometan tổng Clodibrommetan Hi 100 l THM Bromoform
Vinyl clorua ug/l Mới Vết
Trang 13Bang I (tiép theo)
Mau sac đánh giá 20 Đô đục qua khách | 04đv |4
¬ hàng, thay Jackso | + [20c
Mùi đối mỗi eg 0 3-25°C ,
khi có bất 2-12°C, Vi thường 0 3-25°C Nhơm ngí 200 50 200 Amoni mg// 0,50 Clo mg/i 250 25 - “12 Khả năng dẫn điện TỚ NNG ° 2.500 400 - Ạ at yt ` >6,5 và Néng d6 ion H don vi pH: | 6,5 và 9,5 <85 pH<9,5 Sắt Hgi 200 50 200 Mangan Hgíi 50 20 50
Kha nang oxy hoa mg//O, 5,0 2 5
Thay đổi
Cacbon hữu co COT khi có bất
thường
Sunfat mg/l 250 25 250
Natri meg// 200 20 150
Clostridium
perfringens(cac bao tir) Tb/I0Umi 0
Trang 14Bang I (tiép theo)
Tritium Bq/! 100
Hàm lượng tổng MS/nam 0,10
Tuỳ theo trường hợp cụ thể, mỗi nước có thể bổ sung các yêu cầu cần
thiết
1.4 MỘT SỐ VẤN ĐỂ QUAN TRỌNG TRONG CÁC TIÊU CHUAN
Các qui chuẩn chủ yếu dựa trên việc kiểm tra các chỉ tiêu cần thiết nhằm
bảo vệ sức khoẻ ở mức độ cao theo tiêu chuẩn Châu Âu và thế giới Tuỳ theo
điều kiện cụ thể có thể thêm các chỉ tiêu hay ứng dụng các nguyên lý phụ
trợ Phần lớn các tiêu chuẩn đặt ra gần đây đẻ cập tới các cơ chất có trong nước thô, đặc biệt là nước ngầm (benzen, 1,2 dicloetan, tricloetylen, tetacloetylen), một vài tiêu chuẩn khác nói đến các phụ gia của các chất keo tụ, vật liu plastic (acrylamit, epiclohydrin, vinylclorua), các muối brom tồn
tại dưới dạng sản phẩm của q trình oxy hố Các tiêu chuẩn được áp dụng cụ thể nhằm cải thiện việc bảo vệ người tiêu dùng, đó cũng là mục đích lớn của q trình quản lý làm sạch nước
Các tiêu chuẩn mới đã giảm rất nhiều ngưỡng nồng độ cho phép (chì, đồng, niken, antimoin, asen), để phù hợp với những kết quả nghiên cứu khoa
học, đánh giá ảnh hưởng các chất và nồng độ cho phép của chúng nhằm bảo
vệ người sử dụng Đây là các thông tin khoa học mới và đáng tin cậy nhất
của WHO (Tổ chức Y tế Thế giới)
Trên thực tế việc tuân thủ các ngưỡng đề ra cũng có nhiều khó khăn vì lý
do kinh tế, đặc biệt là đối với việc tăng cường mức độ nghiêm ngặt trong kiểm tra các chất gây ung thư tồn tại trong nước
Về phương diện kỹ thuật, ta có thể đáp ứng hầu như mọi yêu cầu đặt ra
Ví dụ như tiêu chuẩn đối với THM (trihalomethan) là 100ug//, đối với tổng
nồng độ cloroform, bromdiclometan, cloruadibrommetan va bromoform, giá
trị tương ứng ở gần mức độ nguy hiểm là 2.10 Tuỳ theo lĩnh vực sản xuất,
giá trị này có thể tăng lên gấp hai lần Cần lưu ý là tất cả các tiêu chuẩn liên
Trang 15quan tới bromat nhất thiết phải được tuân thủ chặt chẽ Trong phịng thí nghiệm, giới hạn các giá trị đo chính xác là lụg// Khi kiểm tra chất lượng nước, tiêu chuẩn đặt ra thường cao hơn trong phịng thí nghiệm tới 10 lần Các tiêu chuẩn đưa vào đòi hỏi tuân thủ một cách tuyệt đối ở mọi lúc, mọi
nơi Tuy nhiên trên thực tế, việc đáp ứng các yêu cầu không phải lúc nào
cũng đơn giản Trong một vài trường hợp đặc biệt như xảy ra sự cố gây Ơ nhiễm thì các tiêu chuẩn khó có thể tuân thủ Giải pháp khi gặp các sự cố này là không sử dụng nước cũng như các sản phẩm có liên quan, đó là phương pháp tối ưu cả trên phương diện bảo đảm sức khoẻ Nhưng để có tính kinh tế cũng như tính thực tế cao hơn, các nhà quản lý cũng đề ra một giải pháp nghiên cứu lại các tiêu chuẩn nước đối với sức khoẻ, đánh giá tình hình
và có những xử lý nhằm hạn chế tối đa những nguy cơ có hại cho người sử
dụng Trường hợp xấu nhất, một số khu vực cũng có thể không đạt các ngưỡng để ra trong một thời gian
Việc tuân thủ một cách nghiêm ngặt các tiêu chuẩn không chỉ đảm bảo một nguồn nước sạch mà còn đảm bảo cung cấp nước có thể sử dụng kéo dài
1a khơng có nguy cơ xấu, thích hợp với mọi đối tượng Độ chính xác của các tiêu chuẩn ngày càng được nâng cao cùng với mức sống của người đân Các tiêu chuẩn về vi sinh vật học và hoá học phải được tuân thủ nghiêm ngặt và phân loại trong hai bảng cố định giá trị Ngoài ra con có các tiêu chuẩn về
cách xử lý nước thích hợp để uống Tuy nhiên, tất cả các điều trên còn phụ
thuộc quan niệm và thái độ đầu tư cho sức khoẻ ở mỗi nước
L5 CÁC TÍNH CHẤT CỦA NƯỚC TRONG THỰC PHẨM J.5.1 Mở đầu
Trong lĩnh vực chế biến nông sản-thực phẩm, cần phải hiểu biết rất kỹ về
nước uống được, việc dự trữ nước phải đảm bảo cả chất lượng cũng như số
lượng
Ngày nay, cùng với các nhà phân phối nước, việc truyền bá thông tỉn tới
khách hàng đã được cải thiện rất nhiều so với trước kia Nhiều nhà phân phối
Trang 16cung cấp, Ngược lại, xí nghiệp cũng cân thông tin với nhà máy cung cấp nước các yêu cầu về chất lượng cũng như số lượng nước cần thiết
I.5.2 Các kỹ thuật phân tích
Như các phần trước đã đề cập đến, các chỉ tiêu chất lượng đối với nước
uống được có rất nhiều Sự xuất hiện các yêu cầu và tiêu chuẩn mới đòi hỏi phòng thí nghiệm thích ứng với các kỹ thuật phân tích mới như các thông số
liên quan tới vi ô nhiễm, ảnh hưởng của thuốc trừ sâu, thuốc trừ cỏ, Nước uống được đòi hỏi các phương pháp phân tích được các chất có nồng độ chỉ ở
mức độ vết
Hiện nay, thuốc trừ sâu được sử dụng rất phổ biến Đối với các dạng này
có thể phải phân tích trên các sản phẩm của quá trình phân huỷ mà ta chỉ có
thể tìm thấy với hàm lượng rất bé Nếu như trong các sản phẩm cơng nghiệp
tính đến hàm lượng một vài mg/i thì các ngưỡng của phân tích nước phải là ug/l Đối với các loại thuốc trừ sâu, phương pháp phân tích đã được tiêu
chuẩn hố (VD: NFEN ISO 141369), chủ yếu là áp dụng các kỹ thuật tách
chiết, cô đặc và sắc ký Kỹ thuật sắc ký có thể áp dụng đối với nhiều kiểu
máy khác nhau, thường gặp nhất là máy phân tích quang phổ khối
Đối với phân tích kim loại nặng, các kỹ thuật cổ điển là phân tích quang
phổ hấp thụ nguyên tử, đặc hiệu hơn là phương pháp phân tích điện từ-nhiệt Phương pháp này đã được chuẩn hoá (FOT 90-I 19) Các ngưỡng phát hiện có thể giảm tới hàng Hg// Gần đây, phương pháp dùng nguyên tử plasma
CPMS) được áp dụng nhiều, ưu điểm của phương pháp này là có thể phát
hiện nhiều nguyên tố hơn so với áp dụng kỹ thuật phân tích quang phổ hấp thụ nguyên tử truyền thống
Đối với các dung môi, kỹ thuật sử dụng phải phù hợp với dung môi đem phân tích (kỹ thuật tách chiết hay hoá hơi)
Đối với phân tích vi sinh vật, nên sử dụng các kỹ thuật đã tiêu chuẩn hoá
(VD: đối với coliforms sử dụng tiêu chuẩn NFT 90-414) để phát hiện các
nhiễm tạp theo đường phân - miệng và cách xử lý Các phương pháp truyền
Trang 17thí nghiệm có thể sử dụng các kỹ thuật nhanh hơn như đếm bằng kính hiển vi
sau khi đánh dấu bằng các chất chỉ thị màu, phương pháp này chủ yếu áp
dụng đối với xác định vi sinh vật tổng Các kỹ thuật sinh học phân tử như PCR hay su lai giống trong môi trường tự nhiên để đếm vi sinh vật gây bệnh
Các cơ sở sản xuất đều cần có bộ phận phân tích, kiểm tra và giám sát
nhằm theo dõi chất lượng một cách thường xuyên, liên tục Ngoài ra, công ty cung cấp nước cũng có thể trợ giúp về mặt kỹ thuật trong việc phân tích chất lượng nước trên qui mô lớn
L6 MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ TINH
Các tiêu chuẩn chất lượng đòi hỏi nước dùng cho quá trình sản xuất phải đạt ít nhất là đủ tiêu chuẩn nước uống được Trong phạm vi tai liệu này, ta chỉ đề cập một số phương pháp xử lý thường gặp trong công nghiệp như:
- Lọc để tách các phần tử theo nhiều mức độ khác nhau tuỳ yêu cầu cụ
thể cũng như để tách cặn thô
- Hấp phụ trên than hoạt tính nhằm loại clo và hạn chế một vài hợp chất
ảnh hưởng tới mùi vị của dung môi hoặc gây vi nhiễm tạp
- Trao đối ion để giảm bớt kim loại, giảm độ cứng của nước hay các cặn
vơ cơ hồ tan trong nước
- Loại bỏ các hợp chất nitrat hoá sinh học, các chất phụ gia có chứa nitrat
- Lọc thẩm thấu nghịch đảo tuỳ theo độ hoạt động lon - Khử trùng bằng tia cực tím (UV), clo, ozon,
Các xử lý tỉnh này tăng chất lượng nước lên một cách đáng kể
Trong thực tế dùng ozon để xử lý nước đã được ứng dụng từ rất lâu ở
Châu Âu Tháng 5 năm 1997, ozon đã được GRA (Tổ chức Đảm bảo An toàn
Sức khoẻ) công bố cho phép sử dụng trên toàn thế giới
17
ngưng, |
TH VIÊN 4 SN i
Trang 18
Ozon có thể sử dụng như một chất khử trùng, chất bảo quản, nước lau rửa
(thanh trùng bể mặt) và là một tác nhân trong qui trình xử lý nhằm tái sử
dụng nước
Các phương pháp lọc thường được sử dụng do tính ưu việt của chúng Việc lựa chọn kỹ thuật để tỉnh chế nước phụ thuộc nhiều vào mục đích sử dụng khác nhau như làm lạnh, đun nóng Kỹ thuật tái sử dụng nước địi hỏi
có những nghiên cứu sâu sắc về phương pháp, quá trình cũng như nguồn năng lượng, mỗi mức độ nước ô nhiễm cần phân tích, lắp đặt hệ thống xử lý phù hợp
I7 KẾT LUẬN
Thuật ngữ tiêu chuẩn chất lượng nước trong chế biến nông sản-thực phẩm chủ yếu khẳng định rằng nước dùng trong sản xuất nhất thiết phả+ đạt chất
lượng nước uống được
Sự cộng tác chặt chẽ giữa người cung cấp nước và các nhà sản xuất cho
phép đáp ứng tốt hơn chất lượng nước đưa vào theo yêu cầu sử dụng
Việc tái sử dụng nước là một vấn đề quan trọng cần được nghiên cứu
Trang 19CHUONG II
TƯƠNG TÁC CỦA NƯỚC VỚI CÁC CẤU TỬ - TINH CHAT HYDRAT HOA CUA
CÁC THỰC PHẨM
H.1.MỞ ĐẦU
Nước là cấu tử chủ yếu của các sản phẩm thực phẩm và độ bền của thực
phẩm phụ thuộc vào những tương tác của nước với các phân tử khác
Trong phần này, chúng ta đề cập đến những vấn đề quan trọng liên quan đến tính chất của phân tử nước và mối liên hệ năng lượng trong kết cấu hydrat hoá trong thực phẩm Khái niệm hoạt độ của nước “a„ ` dựa trên khái niệm đẳng nhiệt hấp thụ hơi nước, khái niệm về chuyển tiếp cấu trúc trong cũng được định nghĩa rõ hơn
I2 TẦM QUAN TRỌNG CỦA NƯỚC TRONG THỰC PHẨM
Nước là cấu tử chủ yếu trong nông sản, thực phẩm, các nguyên liệu tự
nhiên và trong các cơ thể sống nói chung
Tính bền sinh hố của thực phẩm phụ thuộc nhiều vào hàm lượng nước Nước hoạt động như một dung môi hay môi trường hoà tan Ngoài ra, nước cồn tham gia vào các phản ứng giữa các cấu tử, hoặc tác động với các phân tử
_ khác cấu thành sản phẩm Bảng 2 cho biết hàm lượng nước trung bình của
một số thực phẩm - rau quả
Nhiều q trình trong cơng nghiệp thực phẩm như lạnh đông, cô đặc, sấy khô, loại nước thẩm thấu, muối, sử dụng những tính chất vật lý phụ thuộc vào hàm lượng nước hay sự thay đổi trạng thái của nước: tỷ nhiệt, nhiệt nóng chảy hay nhiệt hoá hơi, độ dẫn nhiệt và độ khuếch tán nhiệt động, các tính
chất chuyển khối,
Trang 20Bang 2: Ham lượng nước của một số nguyên liệu và một số thực phẩm STT Sản phẩm Hàm lượng nước (%) I Qua man 85 2 Quả lê 65 3 Quả táo 84
4 Quả tươi (trung bình) ~00
5 Dưa chuột 96 6 Khoai tây 76 7 Rau khô 10-12 8 Mì ống 12 9 Sữa tươi 87-91 10 Sita bét 4 11 Bo 15 12 Phomat 55-80 13 Mat ong 23 14 Nước xốt mayonne <40 15 Thịt bò nạc 68 16 Thit stta 99
Xác định hàm lượng nước là một trong những phép đo quan trọng trong
q trình kiểm sốt nguyên liệu thực phẩm Đó là cơ sở để thông tin cho
người tiêu thụ trên lĩnh vực dinh dưỡng và kinh tế Thực tế, việc xác định
Trang 21Nhiều tác giả đã nói rõ tầm quan trọng của nước và những tương tắc nước - thực phẩm Vấn đề cần làm rõ ở đây là làm tăng tính ổn định và khả năng
bảo quản của thực phẩm hay của q trình chuyển hố diễn ra do chuyển
động nhiệt, chuyển khối cũng như các tác động cơ học khác
Nước có thể tác động như một dung môi hay môi trường phản ứng, nhưng nó cũng là chất chống oxy hoá ở độ ẩm thấp và là chất khởi động oxy hoá ở độ ẩm trung bình Nói chung, nước đóng vai trò tạo cấu trúc do tạo thành những liên kết hydro với các cấu tử khác hoặc với từng phân tử dạng keo, tác động tới hàm lượng nước trung bình trên những liên kết lipit-protein hay cân bằng sự biến đổi ở hàm lượng nước cao tạo nên hình đạng và những tương tác giữa các protein và các polysaccarit Vai trò của nước trong tính chất cấu trúc của gel hết sức đa dạng và cần được nghiên cứu sâu hơn nữa
Sự thay đổi trạng thái nước khi làm lạnh đông đã làm cho nhiều nhà nghiên cứu đặt ra sự nghi vấn về cơ chế của sự biến đổi trạng thái của nước trong thực phẩm, đặc biệt là sự chuyển tiếp cấu trúc, có nghĩa là vùng nhiệt độ hay hydrat hoá trong đó tác động việc chuyển trạng thái vơ định hình tới trạng thái tỉnh thể Những cơng trình nghiên cứu đã chứng mính tác động của sự chuyển trạng thái này tới những đặc trưng cấu trúc của thực phẩm bị khử nước như bánh bích quy, khoai tây rán, kem đá và những thực phẩm có độ
ẩm trung.bình
Việc hydrat hố những thực phẩm có thể được coi như là một tính chất
chung có khả năng tác động đến nhiều tính chất chức năng khác của các cấu tử thực phẩm, đặc biệt là protein: khả năng hoà tan, khả năng thấm ướt, khả
năng hấp thụ nước, trương nở, sự co gel, độ nhớt, tính chất gel hoá và làm đặc Tuy nhiên, các cơ chế hydrat hóa này phải được xác định rõ hơn do các tính chất của phân tử nước liên quan tới những tác động này
Bảng 3: Những chức năng khác nhau của nước trong thực phẩm
(Theo Duckworth, 1986)
Vai trò của nước Ví dụ
Dung môi Quá trình ướp muối
Trang 22
Bang 3 (tiép theo)
Môi trường phản ứng Phản ứng enzym
Sự phát triển vi sinh vật
Tính lính động của phản
ứng Phản ứng Maillard
Chất phản ứng Thuy phan lipit, polisaccarit, hợp chất cao phân tử, v.v
Chống oxy hoá (ở độ ẩm
thấp)
Liên kết hydro với những hydroperoxyt, liên kết lại các gốc tự đo, hình
thành các hydroxit với các kim loại
Khởi động oxy hoá (ở độ
ẩm trung bình)
Hồ tan các chất xúc tác
La nguồn cung cấp các gốc tự do trong
thực phẩm được ion hoá
Trương nở các protein để lộ ra các tâm
có khả năng oxy hoá
Cấu trúc
- - Với hàm lượng nước thấp
- - Với hàm lượng nước trung bình
- - Với hàm lượng nước
cao
Hình thành liên kết hydro với các phân tử lượng lớn tạo cấu trúc
Liên kết hydro giữa các phân tử làm
tang ma sat va độ nhớt (sôcôla)
Tác động trên liên kết lipit-protein tang tính cơ-học của bột trong quá trình ép đùn
Hoạt động trên các cấu hình đa dạng và tương tác giữa các gel và protein
II3 TÍNH CHẤT CỦA PHÂN TỬ NƯỚC VÀ TRẠNG THÁI CỦA
NƯỚC TRONG THỰC PHẨM
Nói Chung, nước liên quan tới vật liệu được hydrat hố có thể tồn tại ở
Trang 23không Năng lượng liên kết hay thế hố đóng vai trò phân chia hay định danh
từng phần nước mà người ta muốn nghiên cứu
II.3.1 Hàm lượng và trạng thái của nước trong thực phẩm
Dựa vào hàm lượng nước có thể chia các sản phẩm thực phẩm thành ba
nhóm:
- Thực phẩm có hàm lượng nước cao (trên 40%)
- Thực phẩm có hàm lượng nước trung bình (từ 10 - 40%)
- Thực phẩm có hàm lượng nước thấp (dưới 10%)
Trong thực phẩm, nước thường ở hai đạng: tự đo và liên kết
Nước tự do là chất lỏng giữa các mixen Nước tự do có tất cả các tính chất của nước nguyên chất
Nước liên kết được hấp phụ bền vững trên bé mat các sợi mixen và
thường tồn tại đưới một áp suất đo trường lực phân tử quyết định và khó bốc hơi Tuỳ mức độ liên kết, dạng nước này lại chia ra làm ba loại:
- Nước liên kết hoá học, là nước liên kết rất chặt chẽ với vật liệu, chỉ có
thể tách ra khi có tương tác hoá học hoặc khi xử lý nhiệt tương đối mạnh mẽ
Nước liên kết hoá học hoặc nước hydrat có trong thành phần của nhóm hydroxyl (liên kết ion)
- Nước liên kết hấp thụ hay nước liên kết hố lý có độ bền của liên kết ở
mức trung bình và được tạo thành do các phân tử có cực nằm ở trên bề mặt
của sản phẩm hút các lưỡng cực của nước Khi tạo thành liên kết kiểu này,
các phân tử nước có khả năng bảo tồn được tính chất của mình
- Nước liên kết mao quản hay là nước liên kết cơ lý được hấp thụ bởi các phân tử ở bề mặt mao quản rồi đi vào bên trong, ngưng tụ và làm đầy các mao quản
Trang 2411.3.2 Cau tao của nước
Cấu tạo của phân tử nước đơn phân là một hình tam giác cân, đỉnh là hạt nhân nguyên tử oxy, ở hai góc của đáy là hai proton, góc giữa hai liên kết
O-H bằng 104,5” Độ dài giữa hạt nhân của nguyên tử oxy và hydro trong liên kết O-H bằng 0,96 Ä (0,96x10”cm) Đám mây điện tử trong phân tử nước hình thành do sự phối hợp của năm cặp điện tử của các nguyên tử oxy và hydro Các cặp điện tử đó phân bố như sau:
- Một cặp bên trong bao quanh hạt nhân oxy
- Hai cặp ngồi phân bố khơng đều nhau giữa các nhân nguyên tử oxy và hydro: lệch nhiều hơn về phía nhân oxy
- Hai cặp điện tử còn lại của oxy khơng đem góp chung với hydro, điện
tích của chúng phần nào không được điều hoà trong phân tử
Như vậy phân tử nước có bốn cực điện tích: hai cực âm tương ứng các cặp
điện tử dư của oxy và hai cực dương tương ứng với hai nhân nguyên tử hydro có mật độ điện tử thấp
Phân tử nước đặc trưng bởi thế điện cực của nó ở dạng liên két hydro,
điều này làm cho nước khác với các dung môi khác
Ở trạng thái lỏng, nhiều tác giả đã giả thiết một dạng cấu trúc dựa trên cơ sở về sự cân bằng của sự phân bố phân tử nước giữa các phân tử bị cô lập và
tập hợp các phân tử (tạo các chùm) được liên kết bởi các liên kết hydro theo
một cấu trúc tương tự với cấu trúc của nước đó Khi tiến gần tới 0°, kích
thước của các chùm tăng và số phân tử tự do giảm Khi đưa dần đến điểm sơi thì tác động ngược trở lại Tuy nhiên, F Rank (1985) đã chỉ ra rằng sự thể
hiện cấu trúc này có thể chỉ là một sự đơn giản hoá về mối tương quan và để đúng hơn nên đo thế năng lượng giữa các phân tử nước theo hàm khoảng cách giữa một phân tử nước này với phân tử khác; có nghĩa là giữa hai
nguyên tử oxy với nhau
Trang 25kết hydro, 2 trong 4 liên kết đó tác động như một chất cho (xuất phát từ nguyên tử hydro) và 2 liên kết có tác động như một chất nhận (xuất phát từ
nguyên tử oxy của phân tử nước) Sự tập hợp lại dẫn đến một sự sắp xếp lại trong không gian ba chiều, như hình 3 Năng lượng liên kết hydro khoảng 20 kJ/mol trong khi liên kết cộng hoá trị OH khoảng 460 kJ/mol (bảng 4)
Bảng 4: Năng lượng liên kết của nước
Loại liên kết _ | Nang luong (kJ/mol)
Lién két céng hoa tri 20
Liên kết hydro của nước đá 23 Liên kết hydro trong nước nóng <20
Nhiệt nóng chảy ở 0C 6
Nhiệt hoá hơi
6 25°C 44,5
Ở 100°C 40,7
Nhiệt thang hoa 6 0°C 50,9
Liên kết trên tâm có cực (Đơn lớp BET) 4-6
Liên kết của lớp thứ 2 1-3
Liên kết của lực Van der Waals ~ 0,5
Liên kết bởi các lực mao quản ~0-30
Nhiệt đồng lập thể hấp thụ 0-40
{ 10 - 40C, theo hàm lượng nước)
II.4 Tương tác của nước với các cấu tử
Các tương tác xuất hiện bởi sự có mặt cửa các ion hay các nhóm có kha
năng ion hố bởi sự solvat hoá, các phân tử hay các nhóm có cực có khả năng tạo nên với các phân tử nước các liên kết hydro đồng quy của các tương tác
mà các phân tử nước có thể thiết lập giữa chúng
Trang 26Trong trường hợp của protein, nhiều nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng việc hydrat hoá toàn bộ protein rất liên quan tới những gốc có cực (nhóm hydroxyl, cacboxyl và bazơ) làm giảm các amit Nhiều nghiên cứu khác đã
sử dụng kỹ thuật RMN để nghiên cứu sự hydrat hoá của polypeptit từ sự tổng
hợp đã chỉ ra rằng nước được gọi là nước liên kết có thể được tính từ mối liên hệ:
A= Xi+0,4.Xp+0,2.Xnp ,
trong dé Xi: phan amino axit duge ion hoa; Xp: phan có cực;
Xnp: phần khơng có cực
Đối với một protein, dựa trên sự hydrat hoá các axit amin mạch bên, kết hợp với sự hiểu biết về cấu trúc của protein, về mặt lý thuyết có thể xác định gần đúng về khả năng cố định nước Tuy nhiên, cấu hình cấu trúc khơng gian
ba chiều của các mạch bên của protein phụ thuộc rất nhiều vào mức độ
hydrat hố cũng như sự có mặt của các chất tan khác (đặc biệt là sự ưu tiên
hydrat hoá) Trên thực tế, khả năng dự đoán trước về khả năng hydrat hố
gần như là khơng tưởng
VỊ trí các nguyên tử được xác định từ kết quả nghiên cứu một cách tổng thể sự hydrat hoá hoặc đo lượng nước liên kết hoặc đánh giá năng lượng liên kết của nước dưới những điều kiện chính xác về nhiệt độ và áp suất hoặc xác định những tính chất vật lý hay quang phổ ở mức độ phân tử Những tính
chất hấn thụ hay khử hấp thụ của hơi nước và việc nghiên cứu áp suất hơi
tương đối thường coi như là hoạt độ của nước (a„) được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thực phẩm
H5 Hoạt độ của nước và hấp thụ hơi nước đẳng nhiệt
II.5.1 Hoạt độ của nước
Giá trị thực phẩm, tính chất cảm quan cũng như độ bền của các sản phẩm
Trang 27định Trong các thành phần đó, nước có ảnh hưởng lớn hơn cả Có nhiều sản
phẩm, mặc dù người ta đã chủ tâm giảm lượng nước đi để tăng độ bền của
chúng khi bảo quản thì nước vẫn cứ chiếm một tỷ lượng lớn Chẳng hạn trong khoai tây sấy khô đến độ ẩm 6,5% thì ứng với 3,l mol tỉnh bột và 0,46 protein có 3,6 mol nước
Tương tác giữa chất khô và nước trong các sản phẩm thực phẩm cũng
khác nhau: có hợp chất như đường, axit, muối vô cơ, các hợp chất thơm và các sắc tố hoà tan trong nước, trong khi đó protein thì ở trạng thái keo hoặc
lipit thì hầu như khơng hồ tan trong nước Như vậy, mối quan hệ giữa nước và từng phần trong thực phẩm là khác nhau Thực tế chứng tỏ rằng, khi nghiên cứu các điều kiện tối ưu, người ta thấy hàm ẩm tuyệt đối của các sản
phẩm thực phẩm không phải là yếu tố quyết định Chẳng hạn đường kính có
độ ẩm 0,12%, chè có độ ẩm 8% và phomat chứa 40% ẩm vẫn có thể bảo quản được trong cùng một độ ẩm tương đối của khơng khí là 70% Như vậy,
độ ẩm tuyệt đối của các sản phẩm thực phẩm chưa phải là chỉ số quyết định
mà hoạt độ nước mới là chỉ tiêu đặc trưng cho mức độ tiếp nhận của sản phẩm đối với tác động của khí quyển xung quanh
Trong một dung dịch (hay một thực phẩm), một phần bề mặt thoáng bị các phân tử của chất hoà tan hydrat hoá chiếm giữ, nên số phân tử dung môi
thoát ra trong một đơn vị thời gian trên một đơn vị điện tích bể mặt sẽ nhỏ hơn so với dung môi nguyên chất, do đó có cân bằng:
dung dich = hơi
được thiết lập ở áp suất hơi nhỏ hơn so với dung môi nguyên chất
Hoạt độ nước phụ thuộc vào nhiệt độ theo phương trình Clausius- Clapeyron:
dlnaw _ -AH =o)
d(1/T) R
trong đó: T la nhiét độ tuyệt đối (K);
R là hằng số khí lý tưởng;
Trang 28AH là hiệu số đẳng nhiệt hấp thụ lập thể
AH thể hiện năng lượng cố định của nước với cơ chất, có nghĩa là nhiệt
cung cấp để hydrat hoá sản phẩm (nhiệt hoá hơi của nước tỉnh khiết)
Việc tính AH có thể được thực hiện qua nghiên cứu đường cong đẳng
nhiệt hấp thụ thu được ở các nhiệt độ khác nhau Giá trị AH là kJ (mol) nói chung là tăng cùng với mức độ khử hydrat hoá (bảng 7) Giá trị này có thể được so sánh với nhiệt hoá hơi của nước tinh khiết (L) (ở 25°C và áp suất
latm nhiệt hoá hơi của nước tỉnh khiết bang 44,5 kJ/mol)
Theo Tsami (1991), gia tri dương của nhiệt hấp thụ với hàm lượng nước
thấp chủ yếu do các liên kết hydro lập nên đường cong chỉ số cố định nước Các giá trị âm có thể được chỉ ra bởi sự phân bố của nhiệt hoà tan của gluxit
hay của muối kim loại trong các phân tử nước bị hấp thụ Mặt khác, chúng ta có thể chú ý rằng (ví dụ như với hành tây) hàm lượng nước thấp, năng lượng
cần phải cung cấp (AH + L) để đảm bảo quá trình tiếp theo của q trình khử
hydrat hố có thể đạt được gần như song song với nhiệt hoá hơi của nước tỉnh
khiết
Nếu gọi n -số phân tử gam của chất hoà tan có trong N phân tử gam dung
môi:
P- áp suất hơi bão hoà của đung dịch;
P,- áp suất hơi bão hồ của dung mơi nguyên chất ở cùng nhiệt độ; biểu thức toán học của định luật Raoul có đạng:
n P,-P=P, N+n P,-P ‘AP oo hay —- = —_ = Py P, N+n
1000 3 35,51 phân tử gam nước nên nếu có
Trang 29
một phân tử chất hoà tan lý tưởng hoà tan trong | kg nước thì sẽ làm giảm áp suất hơi:
_ 1+55.51
Biểu thức toán học của định luật Raoul còn có thể viết dưới dạng
= 0.0177 hoặc 1,77%
PN
Po N+n
‘ , An xổ ` Sol `
Dung dịch có I phân tử gam thì áp suất hơi là: 555141 = 0,9823 hoac +
>
bằng 98,23% áp suất hơi của nước nguyên chất
Tỷ số áp suất hơi của dung dịch và dung môi nước được gọi là hoạt độ
Le Lia Tà P nước ky hiéu la a,: a, = 1
a
Ta dé dang thấy rằng hoạt độ nước là tỷ số giữa hai đại lượng có cùng thứ nguyên do đó nó là số đo tương đối thông qua nước nguyên chất làm trạng thái chuẩn
Hoạt độ nước nguyên chất theo qui ước là bằng đơn vị Hoạt độ nước của một dung dịch hay một thực phẩm ln ln nhỏ hơn Ì Ở điều kiện cân bằng có sự bằng nhau giữa hoạt độ nước của một dung dịch hay một thực phẩm và áp suất hơi tương đối do dung dịch hay thực phẩm đó tạo ra trong khí quyển bao quanh nó Độ ẩm tương đối và hoạt độ nước là những đại lượng tỷ lệ thuận với nhau
Độ ẩm tương đối bách phân
100 -
Hay a, x 100 = độ ẩm tương đối bách phân
Trang 30Ở điều kiện cân bằng cũng có sự tương ứng giữa độ ẩm tương đối của
khơng khí và hoạt độ nước của thực phẩm đặt trong không khí đó
Áp suất hơi sẽ không bị giảm khi dung dịch hay thực phẩm có chứa các chất khơng hồ tan
Trong thực tế, các chất hồ tan có trong thực phẩm không phải là lý tưởng do đó sẽ làm giảm áp suất hơi lớn hơn khi tính theo định luật Raoul
Ở bảng 5, cột thứ hai là nồng độ molan (nông độ molan là số mo] chất
hoa tan trong 1000 g dung môi) lý thuyết ứng với các hoạt độ nước ở cột thứ nhất Bốn cột sau là giá trị thực nghiệm của các dung dịch NaCl, CaCl,, sacaroza va glyxerin
Phần lớn các loại hoá chất đều làm giảm hoạt độ nước nhiều hơn khi tính tốn theo lý thuyết vì các lý do sau:
- Do có sự liên hợp mạnh mẽ giữa phân tử nước và phân tử các loại trong
dung dịch
- Có sự phân ly ít nhiều hồn tồn của các chất điện ly có mặt
- Các lực tác dụng đến cấu trúc của nước
Dung dịch bão hoà của NaCl và một số đường sẽ cho a„ tương ứng như trong bảng 6
Có thể coi a„ là số đo nông độ hữu hiệu của nước ở trong sản phẩm Mỗi
loại thực phẩm với nồng độ nước hữu hiệu nào đó sẽ tạo điều kiện cho vị sinh
vật và các phản ứng hoá học tiến triển
Hoạt độ của nước là hàm số của độ ẩm, thành phần hoá học và cấu trúc
Trang 31Bảng 5: Nông độ molan của một số chất hoa tan ứng với các giá trị â„ khác nhau ở 25°C
a, te twine NaCl | CaCl, | Sacaroza | Glyxerin
0,995 0,281 0,150 | 0,101 0,272 0,277 0,990 0,566 0,300 | 0,215 0,534 0,554 0,980 1,13 0,607 | 0,418 1,03 1,11 0,960 2,31 1,20 0,87 1,92 2,21 0,940 3,54 1,77 1,08 2,72 3,32 0,920 4,83 2,31 1,34 3,48 4,44 0,900 6,17 2,83 1,58 4,11 5,57 0,850 9,80 4,03 2,12 5,98 8,47 0,800 13,90 5,15 2,58 - 11,50 0,750 18,90 - 3,00 - 14,80 0,700 23,80 - 3,40 - 18,30 | 9,650 30,00 - 3,80 - 22,0
Bảng 6: Nông độ các chất hoà tan và a„ tương ứng Chất hoà tan Nồng độ (% theo trọng lượng) ay
NaCl 26 0,75
Glucoza 47 0,92
Fructoza 75 0,63
Sacaroza 67 0,86
Hoạt độ nước trước tiên có liên quan với tổng số nước ở trong sản phẩm Sản phẩm có hàm ẩm cao thường chứa nhiều nước tự do, do đó có hoạt độ
nước cao
Trang 32Hoạt độ nước có thể bị giảm khơng chỉ bằng cách tách nước đi mà còn bằng cách thêm các chất hoà tan khác nhau vào sản phẩm để làm cho lực liên kết tăng lên a, không chỉ phụ thuộc vào thành phần hố học mà cịn vào trạng thái vật lý của sản phẩm Protein và tỉnh bột thường giữ một lượng nước
nhiều hơn so với lipit và các chất kết tỉnh (ví dụ các đường)
Việc tạo hạt các vật liệu cũng ảnh hưởng đến khả năng giữ nước
Với các thực phẩm có chứa tỉnh bột thì khi gia nhiệt trước cũng làm biến
đổi khả năng hấp thụ nước của các tỉnh bột vì chúng bị hồ hoá làm biến đổi
từ mạng lưới tỉnh thể không thấm nước sang trạng thái vơ định hình
Các thay đổi pH và lực ion sẽ có ảnh hưởng đến khả năng giữ nước của các thực phẩm chứa protein Các tương tác tĩnh điện thích đáng giữa các
chuỗi protein sẽ tạo ra các gel trương đầy nước Nếu các chuỗi protein hút lẫn nhau thì nước hấp thụ và nhất là nước tự do sẽ bị đẩy ra và có thể bị chảy
và bốc hơi (trường hợp các loại thịt) Ở pH đẳng điện khả năng giữ nước là
cực tiểu Ở các pH cực trị các chuỗi protein sẽ tích điện cùng dấu và sẽ đẩy
nhau, các mô trương lến và độ mềm của thịt cũng tăng lên
Các đường cũng có thể ảnh hưởng tới các tính chất vật lý cũng như các
tính chất lưu biến của thực phẩm Khi các đường chuyển từ trạng thái vơ định hình hút ẩm sang trạng thái kết tinh nếu với một hàm lượng nước nhất định,
đạng vô định hình khơng bền sẽ kết tỉnh lại và nhả nước ra Nước giải phóng
ra bởi sự biến đổi này có thể hoà tan các sacaroza bên ngoài và làm kết tinh
các phân tử sâu ở phía trong Trường hợp này thường dẫn đến hiện tượng
đóng khối
Hoạt độ nước cũng có thể giảm do hậu quả của lực mao dẫn Nước bị nhốt trong mao quản là nước tự do, còn lớp nước ở thành mao quản là nước liên kết Khi làm ẩm đều đặn thì áp suất hơi nước trên các chỗ lõm sẽ thấp
hon áp suất hơi nước trên bể mặt phẳng Sự giảm hoạt độ nước cũng phụ
thuộc vào đường kính của mao quản và dĩ nhiên là vào cấu trúc của các sản
phẩm thực phẩm Theo Karen (1973) nếu mao quản có đường kính bằng 10°
Trang 33Thường ta thấy rằng thực phẩm có cùng hàm lượng nước không thể hiện
cùng khả năng bảo quản do hàm lượng nước không cấu thành một chỉ số đủ
về tính bền của một sản phẩm Đặc biệt, hoạt độ nước (a„) đã tính đến tồn bộ cường độ của nước, với giá trị này (a„), nước được thể hiện mối liên quan
tới các cấu tử khác của thực phẩm
II.5.2 Đường hấp thụ hơi nước đẳng nhiệt
Qúa trình này được thể hiện bằng giản đồ của hàm lượng nước trong thực phẩm (khối lượng nước trên đơn vị chất khô)
Bảng 7: Các giá trị thực của hấp thụ đẳng nhiệt lập thể trong sự hấp
thụ (a) hay khử hấp thụ (b)
(Theo Rahman, 1995 và kết quả của một số nhà khoa học khác)
; > Hàm lượng nước , AH Sản phâm „ TC
(kg nước/kg chất khô) (kJ/mol)
0,05 25-45 4,3 (a)
Cà phê sấy 0,025 25-45 -8(a)
thăng hoa 0,025 25-45 0,4(a)
Trang 34Bang 7 (tiép theo) 0,01 10-30 5(a) 0,02 10-30 6(a) Phomat ementan 0,08 10-30 1,5(a) 0,16 10-30 I(a) 0,08 30-60 29(b) Ca rét 0,20 30-60 15,7 (b)
Theo hàm áp suất của hơi nước ở trạng thái cân bằng P/P, ở nhiệt độ
không đổi được gọi là hấp thụ đẳng nhiệt Những thông tin chủ yếu có thể
lấy ra từ đường cong này là để tối ưu hố các qúa trình cơ đặc, sấy, lập nên
một hỗn hợp thực phẩm cần thiết cho một giới hạn chuyển hoá hơi hoặc để
tối ưu hoá vật liệu làm bao bì chống ẩm, để xác định các điều kiện phát triển
hoặc ức chế vi sinh vat, du phịng tính bền hoá học, vật lý theo hàm ẩm Nói chung, đường cong đẳng nhiệt thường minh hoa dưới dạng tổng,
nhưng trong một số trường hợp có thể xuất hiện những bất thường (sự thay đổi trạng thái kết tỉnh, sự hoà tan của các cấu tử, ) Trường hợp của bột sữa có ý nghĩa riêng: sự mất đi ở bề mặt ngoài một phần nước ở chu trình hấp thụ
đầu tiên đã được giải thích bởi sự thay đổi trạng thái của đường lactoza mà nó sử dụng Cứ 2 mol nước cho l mol đường lactoza để chuyển từ trạng thái
vơ định hình tới trạng thái được kết tỉnh Sự chuyển hoá này được xảy ra ở
hoạt độ nước a, từ 0,4
Qua một số các cơng trình nghiên cứu, người ta đã thiết lập được những
đường cong đẳng nhiệt dựa trên sự phân tích về mặt lý thuyết của cơ chế hấp thụ Nhiều nhà khoa học đã mô tả chỉ tiết từng phần của đường cong đồng thời họ cũng đưa ra những điểm cịn thiếu sót tại những điểm uốn Bảng 8
giới thiệu cơ chế cố định nước trên cơ chất Ở hàm lượng nước nhỏ, sự cố
định nước chủ yếu bị chỉ phối bởi năng lượng liên kết giữa phân tử nước và
Trang 35Bảng 8: Một số phương thức miêu tả đường cong đẳng nhiệt hấp thụ hơi nước Tác giả Phương thức a | el, Brunauer - m(-a„) mC mC
Emmett - Teller với: m: hàm lượng nước;
(BET) m,: hàm lượng nước của I lớp duy nhất; i 8 Ớp duy
C: hằng số liên quan tới AH,
Guggenheim, m= m,.Y.K.a,
Anderson, De (i- K.a, )(- K.a, + K.Y.a,,)
Boer (GAB) K,Y là những hằng số phụ thuộc nhiệt độ
Peleg (1993) M=A.a°$+B.a⁄ (C<l, và D>lI)
- M=A+Bim (I-a,)
Smith (1947) oe „ `
Giới hạn trong khoảng 0,5 và 0,95
Đường cong đẳng nhiệt phụ thuộc vào cấu trúc, thành phần, và sự xuất hiện các liên kết ở các nhóm có cực, và các ion của protein và các polysaccarit Năng lượng liên kết nằm trong khoảng 4 và 6 kJ/mol Với hàm
lượng nước trung bình, các phân tử nước mới tự cố định trên các phân tử trước đó bằng các liên kết hydro và các liên kết với tâm không cực của phân tử lượng lớn có thể xuất hiện Năng lượng liên kết ở mức từ I đến 3 kJ/mol Về phần các điểm lồi-của đường cong, với hàm lượng nước cao nhất, là kết quả của sự ngưng tụ các phân tử nước, vậy nước ngưng tụ bị giữ lại bởi các lưu mao quản (năng lượng từ 0 đến 0,3 kJ/mol)
Thực tế, tất cả quá trình nghiên cứu về năng lượng chỉ ra rằng phổ liên tục của năng lượng liên kết càng tăng thì hàm lượng nước càng giảm
Trong thực phẩm còn chứa một phần chất hoà tan, các phương thức còn
Trang 36su thay d6i trang thai này được chỉ ra rõ nhất bằng thực nghiệm khi vẽ gian đồ trạng thái và đặc biệt là những vùng chuyển hoá cấu trúc trong
IL.6 HYDRAT HOA VA SỰ CHUYỂN CẤU TRÚC TRONG
Trong các nghiên cứu về thực phẩm, cần phải quan sát vùng thay đổi trạng thái của hệ thống Vùng “chuyển đổi trạng thái trong” được đặc trưng
bởi những sự biến đổi nhanh chóng một số tính chất vật lý khi mà nhiệt độ cũng như nồng độ chất tan của sản phẩm đi qua một đường thẳng phân chia, trong giản đồ trạng thái, dung dịch bão hoà hay quá bão hoà của trạng thái
rắn trong
Với một thành phần đã cho, nếu như Tg là nhiệt độ chuyển hoá của su
biến đổi nhỏ xung quanh, Tg làm biến đổi đáng kể tính chất cơ học và cấu
trúc, tính chất động học và chuyển đổi Cũng như với tất cả các quá trình vật lý và hố học, nó tác động tới sự bảo quản thực phẩm, bao gồm những phản
ứng chịu ảnh hưởng của sự khuếch tán, nhiệt độ bảo quản
Cần chú ý rằng, ở ngoài vùng chuyển đổi trạng thái trong, a, là thơng số có ý nghĩa nhất để dự đoán trước những chuyển hoá trong của thực phẩm khi
bảo quản thực phẩm Vì vậy, cần phải điều chỉnh ngay từ đầu sao cho sự giảm nhiệt độ đóng một vai trị quan trọng về vận tốc kết tỉnh của chất tan
Các sản phẩm nhiều triglyxerit cũng được giải thích theo cơ chế chuyển hoá
trạng thái trong, đặc biệt là pha lipit với cả axit béo có nhiệt độ nóng chảy
cao và thấp, có sự chuyển tính hồ tan,
Tuy nhiên, cũng không thể không chú ý đến những chuyển đổi khác khi
cần giải thích các kết quả vật lý đo được, từ đó đánh giá chính xác cơ chế
tương tác của nước với các cấu tử thực phẩm
H7 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CÚU VỀ NƯỚC VÀ CÁC
TƯƠNG TÁC CỦA NƯỚC
Định nghĩa về nước liên kết luôn là vấn đề gây tranh cãi, hiện nay chưa có cách nào đưa được ra câu trả lời chính xác cho câu hỏi “Các phân tử nước
Trang 37làm rõ trạng thái của nước bị hấp thụ bởi thực phẩm hay thành phần của thực
phẩm và động học của nước có được khi hệ thống này không ở trạng thái cân
bằng nhiệt động
H.7.1 Đo và dự đoán hoạt độ nước
Các phép đo được sử dụng rất rộng rãi, thực hiện ở các trạng thái khác
nhau (hàm lượng nước tổng số, độ ẩm tương đối, hay a,„, giảm điểm lạnh
đông, nước có khả năng lạnh đông hay không được đo bởi các kỹ thuật phân tích về nhiệt Trong đó, các phương pháp phỏng đoán trước a„ đã được hoàn thiện bởi các dụng cụ đo đem lại kết quả tốt, có thể dùng để đánh giá sơ bộ khả năng bảo quản của thực phẩm
Nhờ những hiểu biết về định luật Raoult cho phép dự đoán trước hoạt độ của nước của một dung dịch lý tưởng từ từng phần tử nhỏ Tuy nhiên, mối liên hệ này cần phù hợp cho những chất tan có phần tử lượng lớn Sự có mặt của lực tương tác nội phần tử (lực Wan der Waals), hiệu ứng solvat hoá của các ion và hydrat hoá ky nước của chất tan không cực, các tương tác chất tan - chất tan trong hệ thống ba nguyên tố, mức độ phân ly của chất tan đạng ion, các hiện tượng liên quan tới lực mao quản khi dung dịch ở trong môi trường
nhiều lỗ xốp, v.v giúp cho nhiều tác giả đưa ra nhiều phương pháp đo khác
nhau
Roa va Tama (1998) đã công bố phương pháp dự đoán a„ của hỗn hợp nhiều thành phần Một số tác giả cũng đã đưa ra khái niệm để dự đốn những tính chất nhiệt động học của các thành phần tỉnh khiết theo hướng đo theo
tính chất nhiệt động của dung dịch Phương pháp được biết nhiều nhất là
ASOG (phân tích nhóm dung dịch) và UNIFAC (nhóm đồng yếu tố hoạt động chức năng) Đặc biệt đã có những thành cơng trong dự đoán a, cha dung dịch đường và của dung dịch muối kim loại Phương pháp đo a„ bằng dụng cụ đã phát triển mạnh ở 20 năm gần đây trên cơ sở đo trực tiếp trạng
thái thuỷ học của không khí cân bằng với sản phẩm với phương tiện nhận
điện,tử chính xác và tiểu hố hình Thực tế, ngày nay chúng ta cho rằng
đường cong hấp thụ đẳng nhiệt cung cấp những chỉ dẫn đầy đủ hơn để xác
Trang 38IL7.2 Các kỹ thuật mới về xác định tính đặc trưng của nước
Chinachofi (1995) đã lập ra cách tổng hợp nhanh để đo hoạt độ nước Cũng như việc nghiên cứu sự giải phóng hằng số điện mơi trong vùng tần số
10 hertz đến 5O hertz, vùng tần số do sự định hướng của cực trong môi trường điện từ xoay chiều cho phép mất tính linh động của phân tử nước Conillon và cộng sự (1998) đã đo được nhiệt độ của trạng thái chuyển hoá trong (hay nhiệt độ của tính linh động) của nhiều thực phẩm khác nhau bằng kỹ thuật này (bảng 9)
Bảng 9: Nhiệt độ linh động của một số rau quả và dung dịch
(theo Cornillon va Coll, 1998)
Sản phẩm Tan số Nhiệt độ nhỏ nhất Nhiệt độ lớn nhất
p * (0C) (0Œ) „ - 100 Hz -37 -31 Quả tươi 100 kHz -32 -22 - 100 Hz -46 -31 Rau tuoi 100 kHz -32 -26 50 Hz -27 Glucoza - 100 kHz -9 1 Hz -17 Saccaroza - 50 kHz -10
Phương pháp cộng hưởng hạt nhân điện từ (RMN — Résonance
Magnétique Nucléaire), đặc biệt đối với proton đã đem lại những thành công đáng kể Nhờ đó, những tiếp cận ban đầu đối với phương phap nay được công
bố trong năm 1992 Phương pháp tuy được sử dụng cịn ít mặc dù khả năng
ứng dụng rất lớn (xu thế hiện nay trong khoa học thực phẩm và kỹ thuật) Việc giải thích nhìn chung khá phức tạp và là công việc của các nhà chuyên
môn Sự cộng hưởng hạt nhân điện từ ngày nay thường được kết hợp với RMN của hạt nơtron (điện tử) và RMN của đồng vị oxy-17 Việc khai thác tổ
Trang 39nước liên kết (nước tự do, nước liên kết nhưng theo hướng mới nhanh chóng
và nước cố định)
Phương pháp cộng hưởng hạt nhân điện từ có khả năng sử dụng trong
việc lượng hoá hàm lượng nước, sự phân bố của nước hay sự chuyển động của nước Các ứng dụng mới đã có khả năng xác định để nghiên cứu các chuyển hoá cặp khối lượng hay của nhiệt Sử dụng kính hiển vi thông thường, kỹ thuật này cho phép nghiên cứu một số phổ cấu trúc các vật liệu sinh học
Các phương pháp đo phổ khác cũng được sử dụng, nhưng với nhiều giải thích khác nhau đối với một hệ thực phẩm phức tạp, ví dụ như quang phổ RAMAN, su nhiéu xạ của tỉa X, sự phân ly của các vết phân tử, sự cộng
hưởng điện từ spin, cũng như một số kỹ thuật về phân ly của ánh sáng
IL8 CÁC PHƯƠNG PHÁP THỤỰC NGHIỆM ĐO SỰ HYDRAT
HOA THEO CAC TINH CHAT CHUC NANG
Quá trình giữ nước trong thực phẩm do một số cấu tử trong thực phẩm là một yếu tố kỹ thuật thường phải đo Tuy nhiên một phần việc đo khả năng hấp thụ của nước bị phụ thuộc trước nhất vào khả năng trương nở Do đó, có thể khai thác khả năng đóng băng lại của nước trong pha hơi (khai thác
đường đẳng nhiệt hấp thụ) hoặc là sự hoá lỏng của nước (thường sử dụng
máy Baumamn)
Mat khác, chúng ta thường nghiên cứu xác định khả năng giữ nước, đây là thông số kỹ thuật cho việc bảo quản các loại vật liệu Vì ln có một lượng nước chống lại các lực như lực hút, ly tâm hay áp suất thẩm thấu Nhờ vậy chúng ta xác định được tổng lượng nước giữ trong mao quản và lượng nước
được liên kết bởi liên kết hydro có trong vật liệu
Sự biến dạng cơ học của các mẫu (trường hợp của các gel, các mô thực
vật hay động vật) có thể phá huỷ cấu trúc và gây biến đổi những tính chất của các liên kết hay của quá trình giữ nước Để minh hoạ chúng tôi giới thiệu
một số kết quả liên quan tới quá trình giữ nước của một số loại thực vật khác nhau (bảng 10)
Trang 40Vấn đề mới liên quan của nước với protein, da số các nghiên cứu từ trước
tới nay đã chỉ ra sự biến đổi khả năng giữ nước của protein phụ thuộc vào pH
hay sự có mặt của chất tan Sự hydrat hoá nhỏ nhất ở điểm đẳng điện là do su tăng các lực hút tĩnh điện giữa các nhóm COO' và NH," gay ra sự co lại của
Các protein
Bảng 10: Khả năng giữ nước (g H;O/g) của các mô sợi
(theo Ronmau va Thibault, 1986)
Tao 12,1 Ca rét 24,0 Khoai tay 23,6 Rau điếp 30,4 Cám lúa mì 5,8
Trong trường hợp protein có dạng hình cầu, người ta quan sát thấy rằng việc xử lý nhiệt đã làm tăng sự cố định nước Trong ngành công nghiệp phomat, sự biến tính nhiệt một số protein của sữa kéo theo Sự tăng hàm lượng nước sau khi ép phomat Đôi khi trong xử lý nhiệt cơ, ta thấy một hiệu ứng
thuận nghịch do sự tăng các tương tác protein-protein Qua phân tích, thấy
rằng, mối liên hệ giữa những kết quả đo bởi các phép đo thực nghiệm này
khác xa phép đo quang phổ hay động học được giải thích bởi các tia sáng
(xem bang 11)
Bảng II: So sánh các chỉ số của liên kết nước (theo Lubuza, 1983)
[ Phuong phap Gélatin | Thach po Một số chất khác 5 sỊ
Giảm tín hiệu RMN 7% 67%
40%
RMN xung (1/Ti), (Sec”') 1 0,6