Bài giảng Vật lý thực phẩm

Mô tả môn họcHọc phần cung cấp cho người học kiến thức cơ bản về tính chất vật lý của thực phẩm thông qua các nội dung: - Đặc trưng hình học và vật lý của thực phẩm - Tính chất lưu

VẬT LÝ THỰC PHẨM (03TC)

Mô tả môn học

Học phần cung cấp cho người học kiến thức cơ bản về tính chất vật lý của thực phẩm thông qua các nội dung:

- Đặc trưng hình học và vật lý của thực phẩm

- Tính chất lưu biến của thực phẩm

- Tính chất bề mặt của thực phẩm

- Tính chất nhiệt của thực phẩm

- Tính chất điện từ của thực phẩm

Mục tiêu

Môn học này trang bị cho sinh viên kiến thức cơ bản về:

- Phương pháp đo và cách thể hiện các thông số vật lý của thực phẩm

- Ứng dụng các thông số vật lý để kiểm soát các quá trình sản xuất thực phẩm

Tính chất vật lý của thực phẩm là gì?

- Các đặc tính có thể được định lượng

- Các đặc tính độc lập với quan sát, đo lường

- Các đặc tính xác định trạng thái của vật liệu

VD: khối lượng, kích thước, màu sắc, độ nhớt, độ dẻo, độ cứng, hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng…

Tại sao phải nghiên cứu tính chất vật lý

của thực phẩm?

Nguyên liệu thực phẩm (NLTP) có nguồn gốc sinh học và

có tính đặc thù

-Hình dạng của NLTP không đều

-Các tính chất không có phân phối chuẩn

-Cấu tạo dị thể

Tại sao phải nghiên cứu tính chất vật lý

của thực phẩm?

-Thành phần của vật liệu thực phẩm thay đổi theo loài, theo điều kiện của môi trường, theo độ trưởng thành và theo nhiều yếu tố khác

-Tính chất của thực phẩm bị biến đổi về mặt hóa học và bị ảnh hưởng bởi độ ẩm, bởi sự hô hấp và các hoạt động của enzim

Nếu không am hiểu về tính chất vật lý, không chú đầy đủ thì chúng ta sẽ bị thất bại trong quá trình chế biến

• Tính chất vật lý của thực phẩm có vai trò quyết định trong việc thiết kế thiết bị, bảo quản, quản lý chất lượng cũng như phát triển các sản phẩm thực phẩm.

• Hiểu biết chính xác các tính chất vật lý còn là cơ sở thiết yếu cho quá trình mô phỏng và tối ưu hóa trong sản xuất.

Ứng dụng của các tính chất vật lý:

- Xác định và lượng hoá việc mô tả nguyên liệu

- Cung cấp dữ liệu cho ngành khoa học thực phẩm

- Tiên đoán tính chất của vật liệu mới từ đó đa dạng hóa sản

• kích thước (size); hình dạng (shape)

• khối lượng (weight); thể tích (volume)

• diện tích bề mặt (surface area)

Tính chất nhiệt

(thermal properties)

• nhiệt dung riêng (specific heat)

• nhiệt dung (thermal capacity)

• hệ số khuếch tán nhiệt (thermal diffusivity)

• hệ số dẫn nhiệt (thermal conductivity)

Tính chất điện

(electrical properties)

• tính dẫn điện (conductance)

• điện trở (resistance)

• điện dung (capacitance)

• tính chất điện môi (dielectric properties)

CHỦ ĐỀ 1 ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC VÀ VẬT LÝ

CỦA THỰC PHẨM

Nội dung

1 Khối lượng, mật độ, độ xốp

2 Kích thước và hình dạng

3 Bề mặt riêng

1.1 Khối lượng

- Định nghĩa

- Ý nghĩa của việc xác định khối lượng

- Phương pháp xác định khối lượng

1 Khối lượng, mật độ, độ xốp

- Định nghĩa

- Ý nghĩa của việc xác định mật độ

- Phương pháp xác định mật độ

1 2 Mật độ

- Định nghĩa

- Ý nghĩa của việc xác định độ xốp

- Phương pháp xác định

1 3 Độ xốp

2 Hình dạng, kích thước

- Ý nghĩa của việc xác định hình dạng, kích thước

- Phương pháp xác định

4 Bề mặt riêng

- Định nghĩa

- Ý nghĩa của việc xác định bề mặt riêng

- Phương pháp xác định

Chủ đề 2:

Các tính chất lưu biến của thực phẩm

Nội dung

1 Khái niệm

2 Vai trò của lưu biến học thực phẩm

3 Phân loại tính chất lưu biến

4 Đại lượng vật lý trọng tâm trong nghiên cứu

lưu biến học

5 Mô hình lưu biến

6 Phép đo lưu biến

LƯU BIẾN HỌC

1 Khái niệm

Lưu biến học là ngành khoa hoc nghiên cứu sự chảy và sự

biến dạng của vật chất hay nói cách khác là nghiên cứu cách hoạt động của vật chất dưới tác dụng của ứng suất.

Vai trò của lưu biến học thực phẩm

- Kiểm tra chất lượng bán thành phẩm và thành phẩm

- Kiểm tra thời gian bảo quản

- Đánh giá tương quan giữa phép đo kết cấu thực phẩm bằng công cụ với phép đánh giá cảm quan

- Xác định chức năng của các thành phần nguyên liệu

trong nghiên cứu phát triển sản phẩm

- Xác định phương trình trạng thái lưu biến

- Tính toán các quá trình thiết bị bao gồm các loại thiết bị như ống dẫn, bơm, máy ép đùn, máy khuấy trộn, máy tạo vỏ, thiết bị trao đổi nhiệt, thiết bị đồng hóa và thiết bị

đo độ nhớt

Vai trò của lưu biến học thực phẩm

Phân loại tính chất lưu biến

Với mỗi vật thể, tính chất lưu biến chia thành 2 loại:

• Tính chất lưu biến cơ bản: là những tính chất không phụ thuộc vào thiết bị đo: mô đun đàn hồi, độ nhớt, …

• Tính chất lưu biến thực nghiệm: là những tính chất được

đo thực nghiệm bằng những thiết bị đo chuyên dụng và kết quả đo phụ thuộc hoàn toàn vào thiết bị:

Ví dụ:

- Tính chất lưu biến của khối bột nhào (là vật liệu phức tạp nhất trong thực phẩm) được đo bởi

các thiết bị: Farinograph, Mixograph

- Độ quánh của pure: Bostwick

Đại lượng vật lý trọng tâm trong nghiên

cứu lưu biến học

Ứng suất ( Stress ) là lực tác dụng (theo phương bất kỳ) trên một đơn vị diện tích.

• Ứng suất pháp (nén hay kéo): lực tác dụng theo phương vuông góc với bề mặt

 bề dài hay thể tích của vật thay đổi

• Ứng suất trượt (hay ứng suất tiếp): lực tác dụng theo phương song song (tiếp

Phân loại ứng suất

Phân loại ứng suất

Biến dạng

Sự thay đổi vị trí tương đối giữa các điểm khác nhau của vật thể gọi là

sự biến dạng

Phân loại biến dạng

• Biến dạng dài (giãn)

• Biến dạng góc (trượt)

- Biến dạng dài

+ Độ biến dạng Cauchy

+ Độ biến dạng Henchy

Biến dạng góc

- Thực phẩm là nhóm vật liệu đa dạng phức tạp thành phần gồm: nước, protein, carbohydrat, lipid,

- Một số ở trạng thái lỏng, một số ở trạng thái rắn hay bán rắn (đàn hồi nhớt) và chúng có thể thay đổi trong quá trình chế biến bảo quản.

- Dưới tác động của ngoại lực, các loại thực

Mô hình lưu biến

Mô hình lưu biến

• Vật thể rắn Hook

• Chất lỏng Newton

• Chất lỏng phi Newton

• Chất đàn hồi nhớt

Vật thể rắn Hook

Là vật thể đàn hồi lý tưởng, khi tác động một lực lên vật thể rắn Hook, ứng suất xuất hiện sẽ tỷ lệ thuận với biến dạng

Vật thể rắn Hook

Hằng số tỷ lệ được gọi là mô đun đàn hồi

Với biến dạng dài, mô đun đàn hồi gọi là mô đun Young (Young ’ s or elasticity module )

E =  /  c

• Với biến dạng trượt, mô đun đàn hồi gọi là mô đun trượt

G =  /  Hằng số tỷ lệ được gọi là mô đun đàn hồi

• Với biến dạng thể tích (vật không bị thay đổi hình dạng dưới tác dụng của áp suất thủy tĩnh), mô đun đàn hồi gọi là mô đun khối:

•

K= P/  

  =  V/V

Tỷ số Poisson

• Tỷ số giữa biến dạng ngang và biến dạng dọc

trong phạm vi đàn hồi gọi là tỷ số poisson (hằng số)

Mô đun đàn hồi của táo là 0,6.10 7 Pa

Miếng pho mai hình trụ (chiều cao ban đầu là 5cm, đường kính 5cm) chịu tác dụng một lực có độ

lớn là 15N Biết modun đàn hồi của pho mai là 0,83Mpa Hãy xác định:

• Chiều cao của miếng pho mai sau biến dạng.

• Đường kính của miếng pho mai sau biến dạng

Bài tập 1

Bài tập 2

Miếng khoai tây hình khối chữ nhật (chiều dài ban đầu là 6cm, chiều rộng 5cm, chiều cao 5cm) chịu tác dụng một lực có độ lớn là 15N Sau khi biến dạng, chiều cao của miếng khoai tây là 3cm Hãy xác định:

• Độ cứng (modun đàn hồi) của miếng khoai tây

• Chiều dài của miếng khoai tây sau biến dạng.

• Chiều rộng của miếng khoai tây sau biến dạng

Chất lỏng

- Isaac Newton (1642-1727) là người đầu tiên giải thích về

sự chảy nhớt, ông đã đưa ra khái niệm ma sát nội tại của một chất lỏng nhưng chưa đề cập đến giá trị và đơn

vị của độ nhớt

Mô hình nghiên cứu chất lỏng của Newton

Có 2 tấm phẳng, ở giữa là chất lỏng, tấm ở dưới cố định Khi ta tác dụng 1 lực lên tấm ở trên, nó sẽ trượt đi kéo theo lớp chất lỏng chạy theo Tốc độ trượt giảm dần từ trên xuống dưới hình thành một giản đồ véc tơ.

Mô hình nghiên cứu chất lỏng của Newton

dx dt

d dt

dx dy

d dy

dv

 

• Chất lỏng mà độ nhớt không phụ thuộc vào tốc độ trượt gọi là chất lỏng Newton

• Chất lỏng mà độ nhớt phụ thuộc vào tốc độ trượt gọi là chất lỏng phi Newton

Độc lập với thời gian – Time – independent fluid

Chất lỏng Newton

• Phương trình biến dạng tuân theo đẳng thức Newton

Hàm liên hệ giữa ứng suất trượt và tốc độ trượt là hàm tuyến tính:

VD: nước, trà, cà phê, bia, rượu vang, các loại đồ uống và nước ép trái cây, mật ong

• Đa số chất lỏng, chất khí đơn giản biến đổi trạng thái như một chất lỏng Newton trong vùng chảy tầng (các tia chảy song song với nhau) khi ứng suất trượt và tốc độ trượt nhỏ.

• Khi ứng suất trượt tăng thì động thái chảy lệch ra khỏi đường Newton theo nhiều cách khác nhau, hàm của ứng suất trượt và tốc độ trượt là hàm phi tuyến

Chất lỏng phi Newton

• Pseudoplastic (shear thinning):

- Khi tốc độ trượt càng tăng, độ dốc của đường cong càng giảm, độ nhớt giảm – càng khuấy càng loãng.

- Hợp chất có khối lượng phân tử lớn hay hạt dài

- Giữa các phân tử có tương tác mạnh với nhau tạo nên sự kết hợp bằng các liên kết thứ cấp

- Trong phân tử có một trục dài và phân tử không đối xứng do đó nó định hướng theo dòng chảy làm cho độ nhớt giảm

- Hình dạng và kích thước của hạt không đồng nhất cho phép chúng chồng chất lên nhau.

Dilatant (shear thickening)

• Khi tốc độ trượt càng tăng, độ dốc của đường cong càng tăng, độ nhớt tăng – càng khuấy càng đặc , trương nở

• Chất lỏng dạng Bingham:

Nếu ứng suất tác dụng nhỏ hơn ứng suất ngưỡng (  0 ) chất lỏng chưa chảy Khi ứng suất tác dụng lớn hơn ứng suất ngưỡng (  0 ) chất lỏng chảy và có động thái chảy giống chất lỏng Newton

• Pseudoplastic fluids with yield stress:

Khi ứng suất trượt vượt qua giá trị ngưỡng thì chất lỏng chảy và có động thái chảy giống với Pseudoplastic

Mô hình Herschel - Bulkley

 : shear stress (ứng suất trượt) (Pa)

K: consistency index (chỉ số độ nhớt)

 : shear rate (tốc độ trượt) (1/s)

 0 : ứng suất ngưỡng (là ứng suất nhỏ nhất để dòng bắt đầu chảy)

n: index of flow behavior (chỉ số về động thái chảy),

khi n thay đổi thì dáng điệu của đường cong thay

Mô tả động thái chảy của các dạng chất lỏng thông qua mô hình Herschel - Bulkley

o

Chất lỏng phụ thuộc với thời gian – Time – dependent fluid

Phụ thuộc với thời gian ( Time – dependent fluid)

• Khi cố định tốc độ trượt (  = cosnt), chất có động thái chảy mà ứng suất tăng dần theo theo thời gian gọi là Rheopectic

• Khi cố định tốc độ trượt (  = const), chất có động thái chảy mà ứng suất giảm dần theo

Bài tập 1

Nghiên cứu động thái chảy của 2 loại thực phẩm, người ta tiến hành làm thí nghiệm và thu được số liệu như sau

Thiết lập mô hình Herschel Bulkley, động thái

chảy, đặc điểm và độ nhớt của chúng

Bài tập 2

Nghiên cứu động thái chảy của 2 loại thực phẩm, người ta tiến hành làm thí nghiệm và thu được số liệu như sau

Thiết lập mô hình Herschel Bulkley, động thái chảy, đặc

Chất đàn hồi nhớt (Viscoelasticity)

• Những chất thuộc nhóm này thể hiện tính chất của hai nhóm là chất lỏng nhớt và chất rắn đàn hồi

• Đặc trưng của nhóm này thể hiện ở hai hiệu ứng là hiệu ứng Barus và hiệu ứng Weissenberg

Vật thể nhớt đàn hồi tuyến tính

• Tính chất lưu biến chỉ phụ thuộc vào thời gian, không phụ thuộc vào ứng suất hoặc biến dạng áp đặt lên vật

•  Bất kể độ lớn của ứng suất và biến dạng như thế

nào, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng luôn là quan

Vật thể nhớt đàn hồi phi tuyến

• Tính chất lưu biến phụ thuộc vào thời gian

và độ lớn của ứng suất hoặc biến dạng áp đặt lên vật

 Dễ dàng xác định được phạm vi không

tuyến tính bằng cách áp đặt biến dạng dư lớn hơn 1% hoặc vận tốc biến dạng lớn

PHÉP ĐO LƯU BIẾN

• Các phép đo cơ bản : xác định các đại

lượng như: mô đun đàn hồi, độ nhớt, giới hạn chảy

• Các phép đo thực nghiệm : đánh giá kết

cấu,…

Phép đo cơ bản

• Chất lỏng : độ nhớt

• Chất rắn : Giới hạn dẻo, giới hạn chảy, mô đun Young, ứng suất uốn và các tính chất lưu biến có liên quan đến tính chất cảm quan: độ cứng, độ mềm, độ dễ nhai,

độ dai

Định nghĩa

Độ nhớt là một đại lượng vật lý đặc trưng cho trở lực do ma sát nội tại sinh

ra giữa các phân tử khi chúng có sự chuyển động trượt lên nhau.

Trở lực này cần phải vượt qua được một lực mà với lực đó tạo ra sự chảy của chất lỏng

Phân loại độ nhớt

- Độ nhớt động lực học (  ,  )

- Độ nhớt động học (  )

Vai trò

Phục vụ cho việc tính toán:

- Độ thuần khiết của dung dịch Newton và không Newton.

- Nồng độ chất hoà tan, nồng độ chất khuếch tán.

- Chất lượng của bán thành phẩm và thành phẩm qua sự thay đổi độ nhớt trong quá trình công

Đơn vị đo

Độ nhớt động lực học: Poise (P),centipoise (cP), Pa·s

Phép đo cơ bản với chất rắn

- Xác định các đại lượng: giới hạn dẻo, giới hạn chảy, mô đun Young, ứng suất uốn và các

tính chất lưu biến có liên quan đến tính chất cảm quan: độ cứng, độ mềm, độ dễ nhai, độ dai

- Phép đâm xuyên: dùng cho thực phẩm có cấu trúc dị thể: thanh bánh ngũ cốc, sô cô la nhiều

Phép đo thực nghiệm

• Kiểm tra chất lượng, xác định tương quan với kết quả phân tích cảm quan và là tiêu chuẩn chính thức mà một số sản phẩm

phải đạt

• Dụng cụ đo thực nghiệm là bộ phận quan trọng và gắn liền với nhiều quá trình sản xuất trong chế biến thực phẩm

- Bloom Gelometer: đo độ bền gel của

gelatin và sản phẩm gel của gelatin

- Thiết bị đo kết cấu kiểu nén đùn

(Compression Extrusion Cell): các thực

phẩm dạng viên, cục.

Độ cứng

Diện tích đầu đo bằng hoặc lớn hơn diện tích của mẫu

DAO WARNER-BRATZLER : sử dụng một thanh được khoét một lỗ hình trụ ở giữa Loại vết khoét này làm tăng diện tích tiếp xúc, kết quả kiểm tra sẽ

ổn định hơn

F

Vết gãy đầu tiên

Ở các vết gãy tiếp theo, lực giảm dần

Diện tích thể hiện

độ đặc của sản

Cắt xúc xích bằng thanh Warner-Bratzler

Cắt bằng một thanh kim loại: thanh kim loại cố

định hoạt động giống như hành động cắt lát (slicing

or cutting)

L ực cắt th ịt heo muối Reformed

Diện tích thể hiện

độ đặc của sản phẩm

Độ cứng

Modulus is generated from initial slope

Đâm thủng và xuyên qua: Đầu đo đi xuống

đến khi tiếp xúc với bề mặt,khi xuyên qua vật,

nó tạo ra cả lực nén và lực cắt

Kiểm tra khối GELATIN

F

Giá trị khối (Bloom) là lực tối

đa đạt được tại thời điểm gây

ra sự biến dạng

Diện tích = tác động để đạt tới sự

Diện tích âm = sự dính kết (adhesion) của mẫu gelatin

Bloom Gelometer

Cấu trúc gồm có chính xác 10 tấm kim loại, chúng xuyên qua một cái hộp chứa thực phẩm, nén, cắt và đẩy thực phẩm ra ngoài

Nhi ều lưỡi cắt xếp song song đặc biệt thích hợp để đánh giá từ

nhiều phần nhỏ của sản phẩm hay để đánh giá những sản phẩm

có nhiều phần có tính chất khác

Kramer Shear Press

Đâm thủng và xuyên qua: đầu đo hình côn đi xuống và

tiếp xúc với bề mặt mẫu Tác động của lực sẽ tăng khi diện tích tiếp xúc giữa đầu đo và mẫu tăng.(bơ, phomai)

BACK EXTRUSION : Kiểu Ép – Đùn hoạt động bằng cách tác dụng một lực lên thực phẩm đến khi thực phẩm chảy qua một lối thoát và bị đẩy lên trên theo lối thoát X và Y trong minh hoạ dưới đây.

Thiết bị đo kết cấu kiểu nén đùn

BACK EXTRUSION: Test này đặc biệt

Thiết bị đo kết cấu kiểu nén đùn

TEXTURE PROFILE ANALYSIS (TPA)

- Thiết bị kỹ thuật sử dụng đường cong của lực, đường cong của sự biến dạng để phân loại các đặc tính cấu trúc then chốt của mẫu, là cầu nối với cảm quan.

• Những thông số cấu trúc cơ bản

• Những yếu tố ảnh hưởng đến kết quả đo (tài

liệu)

Khái niệm

Cấu trúc là tất cả những thuộc tính cơ học, hình học và bề mặt của sản phẩm có thể được nhận biết, đánh giá bằng các cơ quan cảm nhận cơ học, xúc giác, thị giác hay thính giác