Bài giảng Vật lý thực phẩm

Đại học Công nghiệp TP HCMNội dung chương trình Chương 1: Các thông số vật lý và tính chất của thực phẩm Chương 2: tính chất bề mặt của thực phẩm Chương 3 : tính chất nhiệt, điện của t

- - - - -

BÀI GIẢNG VẬT LÝ THỰC PHẨM

Người biên soạn : Dương Văn Trường

Đại học Công nghiệp TP HCM

Nội dung chương trình

Chương 1: Các thông số vật lý và tính chất của

thực phẩm

Chương 2: tính chất bề mặt của thực phẩm

Chương 3 : tính chất nhiệt, điện của thực phẩm

Chương 4: Các tính chất lưu biến của thực

phẩm

Chương 5 : Hoạt độ nước

Tài liệu tham khảo

• Bài giảng VLTP :

https://sites.google.com/site/duongvantruong1510/cong-nghe-thuc-pham/vat-ly-thuc-pham

• Wilhelm, Luther R., Dwayne A Suter, and Gerald H

Brusewitz 2004 Physical Properties of Food Materials

Chapter 2 in Food & Process Engineering Technology, 23-52

St

• James F Steffe, 1996, Reological methods in food

process engineering (second edition),Freeman Press,

USA

• Jasim Ahmed Hosahalli S Ramaswamy, Stefan Kasapis

Joyce I Boye,Novel Food Processing (Effects on

Rheological and Functional Properties), CRC Press

• Physical Chemistry of Foods

[3] Ludger Figura and Arthur A Teixeira (2007) Physics Food

ISBN 978-3-540-341918, Springer- Verlag Berlin – Heidelberg

[4] Tharwat F Tadros (2005) Applied Surfactants- Principles and

Applications ISBN-13: 978-3-527-30629-9, WILEY-VCH Verlag

GmbH & Co KGaA, Weinheim

[5] Serpil Sahin and Servet Gülüm Sumnu (2006) Physical

Properties of Foods ISBN-13: 978-0387-30780-0, Springer,

Printed in the United States of America

Tại sao phải nghiên cứu tính chất vật lý của thực phẩm?

- Phân tích thiết

bị

- XD hệ thống thiết bị phù hợp

Mục đích

Thay đổi của quá

trình chế biến: biến

đổi cơ học, nhiệt,

điện, quang, âm và

(Physical Properties Applications)

• xác định, lượng hóa việc mô

Các thông số vật lý của thực phẩm

• Nhiệt lượng riêng : i, I (J/kg)

• Nhiệt dung riêng : c (J/kg.độ)

• Hệ số dẫn nhiệt : λ (W/m.độ)

• Hệ số truyền nhiệt : k (W/m2.độ)

• Nhiệt độ : T (độ C, độ F, độ K)

Các thông số vật lý của thực phẩm

(tt)

• Length = [L], area = [L]2, volume = [L]3.

• Velocity = length travelled per unit time=[L]/[t]

• Acceleration = rate of change of

velocity=[L]/[t]x1/[t]=[L]/[t][t]=[L]/ [t]2

• Pressure = force per unit area=[F]/[L]2

• Density = mass per unit volume=[M]/[L]3

• Energy = force times length=[F] x [L]

• Power = energy per unit time=[F] x [L]/[t]

• Phân loại

• Quyết định giá thành

Cách xác định thể tích

• Phương pháp cân chất lỏng

• Dùng ống đong : đo trực tiếp phần lỏng

tăng lên

Các loại con: tôm, cá, cua

Một số vật liệu có hình dạng phức tạp không

xác định kích thước ⇒???

Kỹ thuật scan 3D : xác định chính xác kích

thước và khối lượng của thực phẩm

- phục vụ cho quá trình phân chia

Tính toán khối lượng riêng

Bài tập: tính khối lượng riêng của bánh Spinach ở 20°C, Tổng khối lượng của

bánh là 100 g, biết thành phần của chúng như sau

Đáp số : 1030,53 kg/m³.

Các loại khối lượng riêng

(thể tích được xác định bằng cách đuổi hết khí tồn tại trong các

pore của vật liệu rắn), không tính đến các khí trong chất rắn

• Khối lượng riêng vật liệu (chất)- material (susbtance) density

ρm– là khối lượng riêng được xác định bằng khối lượng/thể

tích (thể tích được xác định bằng việc nghiền nhỏ các hạt thành

bột mịn)

tích của hạt, thể tích được xác định là các pore đóng, không

tính đến các pore mở

lượng/thể tích của vật liệu, thể tích của tất cả các pores trong

vật liệu, được xác định bằng kích thước hình học, hoặc sử

dụng phương pháp mực chất lỏng dâng lên khi thêm chất rắn

vào: = khối lượng/thể tích hình học

riêng tính cho các vật liệu đóng gói hoặc xếp chồng chất lên

nhau, thể tích của chúng được xác định bằng tổng thể thể tích

đơn vị là tỷ trọng

Tỷ trọng của thực phẩm:

là tỷ số giữa khối lượng riêng của chất lỏng so với khối lượng riêng của nước ở 4°C

ứng dụng : quá trình rửa thực phẩm, phân loại,

tích của toàn bộ TP.

• Độ xốp: khuếch tán vật chất???

• Độ xốp của thực phẩm càng nhỏ thì gây nhiều cản trở cho quá trình sấy, đun nóng,

Cách xác định độ xốp 1:

• Dùng phần mềm Image J : – Chụp ảnh bằng kính hiển vi

– Sử dụng phần mềm phân tích hình ảnh của các pore, bọt khí,…

– Xác định tỷ lệ về kích thước bọt, bán kính trung bình và phần trăm diện tích của khí chiếm chỗ

• Độ xốp của khối thực phẩm

εtotal= εapp + εbulk

Khi đo độ xốp của mẫu táo sấy, mẫu đặt trong phòng

2 Khi van 2 đóng thì áp suất tại phòng 1 là 1020

mmHg Khi van 2 mở thì áp suất cân bằng của hai

phòng là 520 mmHg Biết thể tích V1 = V2 = 1000 ml

Tính thể tích và độ xốp của miếng táo sấy?

Đáp số: V = 40; 38 ml, độ xốp = 0,96

Bài tập 2 Trái sơri có độ ẩm là 80% (kg/kg) Khối lượng

riêng biểu kiến (apparent) và khối lượng riêng

toàn khối (bulk) lần lượt là 615 kg/m³ và 511

kg/m³ ở 25°C biết rằng thành phần của trái

sơri chỉ có cacbonhydrat và nước, tính độ xốp

của trái sơri khi xếp chồng chất lên nhau

cácbonhydrat là 1586 kg/m³ và của nước là

997 kg/m³

Đáp số :

Bài tập 2 Trái sơri có độ ẩm là 80% (kg/kg) Khối lượng

riêng biểu kiến (apparent) và khối lượng riêng

toàn khối (bulk) lần lượt là 615 kg/m³ và 511

kg/m³ ở 25°C biết rằng thành phần của trái

sơri chỉ có cacbonhydrat và nước, tính độ xốp

của trái sơri khi xếp chồng chất lên nhau (εtotal)

Đáp số : 0,6

MÀU SẮC VÀ HÌNH DẠNG

Màu sắc: Cảm giác màu nhận được là do tác độïng của chùm ta sáng lên mắt.

Mắt người nhận chùm tia sáng có bước sóng trong khoảng 380nm - 740nm.

Tử ngoại mạnh Nhìn thấy Hồng ngoại (năng lượng yếu)

380nm (tím) 740nm (đỏ)

Sù t¹o ¶nh vµ

nhËn biÕt mµu

ë m¾t

XYZ (Yxy) color system

Hunter Lab color system

L*a*b* color system

Hệ Yxy

• Y đặc trưng cho

độ sáng của phản xạ

• Yx đặc trưng cho cường độ màu sắc

L: chỉ độ sáng đến tối (+100 đến 0)

-a* (xanh lá cây -68, -128 )

=> +a* (đỏ+68, +128)-b* (xanh da trời) => +b* (vàng cam)

sắc thay đổi thì

vả a và b đều thay đổi Nhưng nếu dùng

hệ LCh …

Phương pháp chụp màu

Sử dụng hệ thống màu đểđánh giá sự biến đổi màu củathực phẩm

3 thông số : L, a, b được xácđịnh như 3 thông số cơ bản đểxác định sự biến đổi màu trongquá trình chế biến

3.4 Kiểm tra độ màu của thực phẩm

Các phương pháp

đo màu thực phẩm

cách xác định chúng?

• Độ xốp là gì? Ý nghĩa của độ xốp trong

chế biến thực phẩm?

• Bài tập

Chương 2 : Tính chất bề mặt của

thực phẩm

Bề mặt riêng (interfacial tension)

- Khi chúng ở trên bề mặt phân chia pha, thì lực hút của chúng

khác với chúng nằm trong pha

- Lực hút phân tử làm cho các chất bị hút vào lòng của nó làm

cho chất lỏng có xu hướng làm giảm bề mặt tối thiểu trong

điều kiện nhất định
giọt luôn có hình cầu

- Khi đường kính của hạt càng lớn thì chúng không còn hình cầu

nữa

Sức căng bề mặt

• Là công tác dụng trên một đơn vị bề mặt, hay

là công cần thiết để thay đổi diện tích bề mặt

ở điều kiện nhiệt độ nhất định.

h is the height of the column, m

ρl is the density of the liquid, kg/m3

rt is the capillary tube radius, m

ϴ is the contact angle, độ

Do khối lượng riêng của khí rất nhỏ nên ta có sức căng

bề mặt là

Example

• Calculate the height of rise of water in a clean

capillary tube of radius 0.001 cm if the density

of water is 997 kg/m3, surface tension is 73

dynes/cm, and the contact angle of water to

the glass is 100.

1dyne = 10 -5 N

1dyne/cm=10 -3 N/m

Chất hoạt động bề mặt

Hình 1:

(a)Giọt nước trên bề mặt ghét nước (hydrophobic) (b) giọt nước trên bề mặt thích nước (hydrophilic)

Hoạt ơnh bề mặt

Khái niệm : Những chất mà khi cho một

lượng rất nhỏ sẽ làm giảm sức căng bề

mặt gọi là chất có hoạt ơnh bề mặt

- Chất hoạt động bề mặt (Surfactant) là

các tác nhân thấm ướt làm giảm sức

căng bề mặt của một chất lỏng

- Là chất mà phân tử của nó phân cực:

một đầu ưa nước và một đuôi kị nước

- Những chất này tan được trong nước

và trong dung môi hữu cơ

Khi cho chất hoạt động bề mặt vào trong dung dịch, nó sẽ tạo thành các hạt mixen (micelle)

-Tùy theo môi trường mà mixen có đầu quay ra ngoài hay quay vào trongVD: Một mixen với phần đầu kị nước hoà tan trong dầu, trong khi phần ưa nước hướng ra phía ngoài, như là Liner Alkyl Benzen Sunfunat Acid, xà phòng

Phân loại chất hoạt động bề mặt

• Ion âm

• Ion dương

• Không mang điện ơch

• Mang cả hai điện ơch

Trong quá trình hoạt động của chất hoạt động

bề mặt liên quan đến chuyển động lực học

của hệ thống, liên quan đến mức độ trật tự,

hỗn độn của hệ thống.

Ứng dụng

• Chất hoạt hóa bề mặt ứng dụng rất nhiều trong đời

sống hàng ngày Ứng dụng phổ biến nhất là bột

giặt,nước rửa chén, sơn, nhuộm

• Trong công nghiệp thực phẩm: Chất nhũ hóa cho

bánh kẹo, bơ sữa và đồ hộp : chocolat, sữa chua,

kem

• Tính chất bề mặt vô cùng quan trọng trong công

đoạn rửa, những chất tẩy rửa làm giảm sức căng bề

mặt làm cho các chất bẩn ở dạng rắn dễ tách ra khỏi

bề mặt

• Trong công nghiệp mỹ phẩm: Chất tẩy rửa, nhũ hóa,

chất tạo bọt

• Trong ngành in: Chất trợ ngấm và phân tán mực in

• Trong nông nghiệp: Chất để gia công thuốc bảo vệ

thực vật,

• Trong xây dựng: Dùng để nhũ hóa nhựa đường, tăng

cường độ đóng rắn của bê tông

Ngoài ra những ứng dụng trong các lĩnh vực khác như

• Trong công nghiệp dệt nhuộm: Chất làm mềm cho vải

sợi, chất trợ nhuộm

• Trong dầu khí: Chất nhũ hóa dung dịch khoan

• Trong công nghiệp khoáng sản: Làm thuốc tuyển nổi,

chất nhũ hóa, chất tạo bọt để làm giàu khoáng sản

• Trong công nghiệp thực phẩm: Chất nhũ hóa cho

bánh kẹo, bơ sữa và đồ hộp

Xà phòng hay xà bông là một chất tẩy rửa các

vết bẩn, vết dầu mỡ

• Thành phần của xà phòng là muối natri hoặc

kali của axít béo.

• Xà phòng được dùng dưới dạng bánh, bột

hoặc chất lỏng

• Một là đầu hiđrocacbon kị nước, còn một đầu

là ion kim loại ưa nước.

• Đối với các vết bẩn, dầu mỡ bám trên mặt vải

thì đuôi kị nước sẽ quay vào trong vết bẩn,

đầu ưa nước hướng ra ngoài Sau đó sẽ tạo

thành mixen là một khối dạng cầu có đầu ưa

nước quay ra ngoài tách vết bẩn ra khỏi bề

mặt vải.

Chương 3 : tính chất nhiệt, điện

của thực phẩm

TÍNH CHẤT NHIỆT (Thermal Properties)

Vật liệu thực phẩm phải trải qua các công đoạn: từ thu

hái, vận chuyển, xử lý, chế biến, bảo quản, lưu trữ để

chuẩn bị cho khâu tiêu thụ

Chỉ có rất ít thực phẩm tươi: trái cây, rau đi từ cánh

đồng tới nơi tiêu thụ (ăn) mà không có xử lý nhiệt

Mục đích của xử lý nhiệt để: duy trì chất lượng, kéo dài

thời gian bảo quản và tạo độ ngon riêng

Vd : Chế biến thủy sản: Các quá trình nhiệt bao gồm:

-làm lạnh, -làm đông, nung nóng ⇒ lấy nhiệt ra hoặc

cung cấp nhiệt, muốn được chính xác phải có thông số

nhiệt

Các hình thức truyền nhiệt: Dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ

• Dẫn nhiệt: là phương thức truyền nhiệt có sự Ɵếp xúc giữa hai

• Sự truyền nhiệt vào trong thực phẩm phụ thuộc

đầu Ɵên vào sự chênh lệch nhiệt độ, ơnh chất

vật lý (hình dạng, kích thước, thông số nhiệt)

của thực phẩm

• Mỗi cơ chế truyền nhiệt gắn liền với thông số

nhiệt liên quan

• Tính chất nhiệt được xác định thông qua đo

lường trực Ɵếp bằng các thí nghiệm hoặc ơnh

toán thông qua các thành phần thực phẩm

(nước, protein, carbon)

HỆ SỐ DẪN NHIỆT

• Ở trạng thái ổn định, sự dẫn nhiệt xuyên qua vật rắn

, khi đó ơnh chất nhiệt quan trọng nhất là hệ số dẫn

• Nhiệt truyền nhanh qua miếng kim loại nhưng lại

chậm qua gỗ, khi đó ta nói hệ số dẫn nhiệt của kim

loại lớn hơn của gỗ

Vd: đồng: λ= 400 w/m.độ; nhôm: λ= 120w/m.độ; inox

λ= 40 - 50w/m.độ

• Vật liệu có hệ số dẫn nhiệt nhỏ sẽ trở thành vật liệu

cách nhiệt: bông thủy tinh, polyurethane, …

• Hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm rất nhỏ và nằm trong

dải hẹp: 0,2 – 0,5 W/m.độ

• For fruits and vegetables with water content greater

than 60%, thermal conductivity can be computed by

the equation (Sweat, 1974):

Thời gian nấu thực phẩm nhanh hay chậm là do

bản thân thực phẩm chứ không phải là do

dụng cụ

carbohydrate (c); protein (p);

fat (f); ash (a); and water (w).

• Nhiệt dung riêng: nhiệt lượng cần thiết cung

cấp cho 1kg vật chất để nhiệt độ của nó tăng

lên 1 độ, Cp(p- NDR của chất rắn và lỏng được

xác định ở áp suất không đổi)

• NRD liên quan trực Ɵếp đến năng lượng cung

Cp = 1,67 + 2,51 Xw, kJ/kg.độ

carbohydrate (c); protein (p);

fat (f); ash (a); and water (w).

Có thể ơnh Cp theo chất khô (pr, li, khoáng…)

∑ +

=

i i

C

• Hệ số khuếch tán nhiệt (Thermal diffusivity)

cho biết trường nhiệt độ trong thực phẩm biến

thiên nhanh hay chậm

α= λ /ρcp của thực phẩm α= 1 × 10-7 to 2 × 10-7m2/s

Hệ số khuếch tán nhiệt

(Thermal diffusivity)

TÍNH CHẤT ĐIỆN TỪ CỦA THỰC PHẨM

Phổ điện từ

Phổ điện từ chia ra thành 3 vùng : Vùng tử ngoại trở xuống (có bước

sóng nhỏ), vùng ánh sáng khả kiến (bước sóng từ 400 – 700 nm và

vùng hồng ngoại trở lên (bước sóng lớn hơn 700 nm)

Năng lượng tử ngoại và năng lượng hồng ngoại là hai dạng của sóng

điện từ, có thể truyền đi trong không gian, xuyên thấu trong thực

phẩm và chuyển thành năng lượng nhiệt nung nóng thực phẩm

ứng dụng

- ánh sáng khả kiến : đánh giá cảm quan

- vùng tử ngoại trở xuống : tia cực ơm (vô trùng), chiếu xạ thực

phẩm (bảo quản), tia X (chụp X quang), tia bức xạ (xạ trị – điều trị

ung thư, bướu cổ…)

- vùng hồng ngoại trở lên : ứng dụng cho quá trình sấy, dạng truyền

thông tin như: rada, radio,TV, vệ tinh nhân tạo

- Giữa năng lượng vi sóng và năng lượng hồng

ngoại có những điểm khác nhau

Năng lượng vi sóng

-Bước sóng : dải hẹp f khoảng

2450 MHz và bước sóng dài hơn

-Quá trình làm nóng phụ thuộc vào đặc trưng bề mặt của thực phẩm, màu sắc của thực phẩm

-Quá trình dẫn nhiệt vào trong phụ thuộc vào hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm (phụ thuộc vào lượng ẩm của thực phẩm)

-Áp dụng trong quá trình sấy, làm nóng

bề mặt của thực phẩm, ít làm hư hỏng

Nung nóng thực phẩm bằng lò vi sóng (lò

viba), f= 2450 MHz

- Phân tử nước gồm 1 nguyên tử oxy và 2

nguyên tử Hydro, do oxy có độ âm điện lớn

làm cho nước trở thành phân tử lưỡng cực

- Khi thực phẩm được đặt trong một trường

điện từ thì các lưỡng cực nước sẽ định hướng

theo hướng của trường điện từ và khi trường

điện từ dao động nhanh thì các phân tử nước

cũng bị dao động theo

- Do sự biến dạng của các cấu trúc phân tử gây

nên khi nó sắp xếp định hướng trở lại theo

trường điện từ mà nó chuyển năng lượng vi

sóng thành nhiệt, trong quá trình đó nó cũng

chịu ảnh hưởng bởi độ nhớt của thực phẩm

- Số lượng lưỡng cực và sự thay đổi của nó theo

trường điện từ được xác định thông qua hằng số

điện môi của thực phẩm

- Khi thực phẩm đặt trong một trường điện từ như vậy

nó sẽ hấp thu sóng và chuyển thành nhiệt, lượng

nhiệt được hấp thu đó đựơc gọi là “lose factor” – hệ

số tổn thất Thực phẩm có độ ẩm càng cao thì “lose

factor” càng lớn do đó nó hấp thu nhiệt nhanh hơn

- Do cấu trúc thực phẩm không đồng nhất nên sự hấp

thu năng lượng vi sóng không đồng đều, do đó xảy ra

sự dẫn nhiệt từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt

độ thấp

- Thủy Ɵnh và giấy và polymer có hệ số “lose factor” rất

thấp, năng lượng vi sóng xuyên thấu rất dễ nên nó

không bị đun nóng

- Kim loại làm cho năng lượng vi sóng bị phản xạ

- Độ xuyên thấu của vi sóng

Thực phẩm Lose factor Chuối (tươi) 17 Thịt bò 16 Bánh mì 0,005

Cá nấu rối 12

Nước 9,2

Dầu ăn 0,2 Thủy tinh 0,1 Giấy 0,1 Khoai 6,7

Khi nung nóng thực phẩm bằng lò vi sóng thỉnh thoảng ta

gặp hiện tượng thực phẩm vỡ tung ra (nung nóng cục

bộ)

Ứng dụng:

- Vi sóng có tốc độ truyền nhiệt, đun nóng nhanh không

cần có những bề mặt truyền nhiệt vì vậy việc nung

nóng bằng lò vi sóng được áp dụng cho nhiều loại thực

phẩm:

- Tan giá, sấy, nướng, hâm nóng…

• Theo các phương pháp tan giá truyền thống, mất rất

nhiều thời gian, sự tan giá diễn ra ở lớp bên ngoài rồi

từ từ đi vào bên trong, nếu không có kinh nghiệm thì

sẽ không kiểm soát được tan giá

• Khi tan giá bằng lò vi sóng: Năng lượng vi sóng đi

xuyên vào trong thực phẩm làm cho quá trình tan giá

diễn ra rất nhanh, người ta cũng dùng quá trình này

để làm nóng chảy các loại mỡ, chất béo, tuy nhiên

cũng nảy sinh những khó khăn:

• Đối với loại thực phẩm đông block có kích thước lớn

• Khi tan giá,vì nước có hệ số tổn thất lớn hơn nước

đá nên khi nó tan ra, nó sẽ hấp thu năng lượng lớn

hơn nước đá rất nhiều, với quá trình diễn biến Ɵếp

theo, phần tan ra bị nung nóng qúa mức, có những

phần bị nấu lên trong khi có những phần khác vẫn bị

đóng băng ⇒ Tan giá không đều

• Khắc phục:

- Giảm năng lượng vi sóng

- Tác dụng dưới dạng xung (thời gian tan giá sẽ kéo

dài)

phẩm mới

tính toán kỹ thuật (các quá trình truyền nhiệt và động lượng),

thiết kế

được máy móc, thiết bị chính xác và tiết kiệm năng lượng

tính chất cảm quan

σ= F/A

F

σt Stress = F/A [Pa, N/m2]

• 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 xúc) với bề mặt ⇒ lớp bề mặt dịch chuyển so với lớp phía dưới

Phân loại ứng suất

Biến dạng

- Biến dạng dài

+ Độ biến dạng Cauchy

+ Độ biến dạng Hencky

Định luật Hookean - Chất rắn đàn hồi (Elastic Solids)

Dưới tác dụng của ứng suất kéo hoặc ứng suất nén

σ

σ = E* εεεεc

module ) (độ cứng)