Bài giảng Vật lý thực phẩm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH VIỆN CƠNG NGHỆ SINH HỌC&THỰC PHẨM - BÀI GIẢNG VẬT LÝ THỰC PHẨM Người biên soạn : Dương Văn Trường TP Hồ Chí Mính, tháng 12-2015 VẬT LÝ THỰC PHẨM (Food Physics) CBGD: Dương Văn Trường Viện Cơng nghệ Sinh học Thực phẩm Đại học Cơng nghiệp TP HCM Nội dung chương trình Chương 1: Các thơng số vật lý tính chất thực phẩm Chương 2: tính chất bề mặt thực phẩm Chương : tính chất nhiệt, điện thực phẩm Chương 4: Các tính chất lưu biến thực phẩm Chương : Hoạt độ nước Tài liệu tham khảo • Bài giảng VLTP : https://sites.google.com/site/duongvantruong1510/cong-nghethuc-pham/vat-ly-thuc-pham • Wilhelm, Luther R., Dwayne A Suter, and Gerald H Brusewitz 2004 Physical Properties of Food Materials Chapter 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 TÀI LIỆU THAM KHẢO (References) [1].Andrew J Rosenthal (1999) Food Texture Measurement and Perception ISBN 0-8342-1238-2, Aspen Publishers, Inc., Printed in the United States of America [2] Ignacio Arana (2012) Physical Properties of Foods- Novel Measurement Techniques and Applications CRC Press ISBN 13: 978-1-4398-3537-1 [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 phải nghiên cứu tính chất vật lý thực phẩm? TP có nguồn gốc sinh học : tươi sống qua chế biến - Phân tích thiết Thay đổi q trình chế biến: biến bị Mục đích - XD hệ thống đổi học, nhiệt, thiết bị phù điện, quang, âm hợp điện từ ỨNG DỤNG CỦA CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ (Physical Properties Applications) • xác định, lượng hóa việc mơ tả vật liệu thực phẩm • cung cấp liệu cho ngành kỹ thuật thực phẩm • tiên đốn tính chất vật liệu từ đa dạng hóa thực phẩm Chương 1: thơng số vật lý thực phẩm Các thông số vật lý thực phẩm • • • • • • • Độ dài : L (m) Diện tích : S (m2) Thể tích : V (m3) Khối lượng : m (kg) Khối lượng riêng: ρ (kg/m3) Áp suất : P (N/m2) Vận tốc : v (m/s) Các thông số vật lý thực phẩm (tt) • • • • • • Độ nhớt Nhiệt lượng riêng Nhiệt dung riêng Hệ số dẫn nhiệt Hệ số truyền nhiệt Nhiệt độ : µ (Ns/m2) : i, I (J/kg) : c (J/kg.độ) : λ (W/m.độ) : k (W/m2.độ) : T (độ C, độ F, độ K) Dimensions (Thứ nguyên) Dimensions are represented as symbols (ký hiệu) by: • length [L], • mass [M], • time [t], • temperature [T] • force [F] All engineering quantities can be expressed in terms of these fundamental dimensions Dimensions (Thứ nguyên) • 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] UNITS AND CONVERSION FACTORS Đơn vò hệ số chuyển đổi • Length • Area • Volume inch= 0.0254 m ft= 0.3048 m ft2 = 0.0929m2 ft3 = 0.0283 m3 liter= 0.001 m3 UNITS AND CONVERSION FACTORS (cont) • Mass lb= 0.4536 kg mole = molecular weight in kg • Density lb/ft3= 16.01 kg m-3 • Velocity ft/sec= 0.3048 m s-1 • Pressure lb/m2= 6894 Pa torr= mm Hg • atm= 1.013 x 105 Pa = 760 mm Hg • atm= 9,81 x 104 N/m² UNITS AND CONVERSION FACTORS (cont) Force Newton= kg m s-2 Viscosity Dynamic (độ nhớt động lực học, độ nhớt tuyệt đối, độ nhớt) - Pa.s = kg.m-1.s-1 , Pa.s = Ns/m², - Poise : cP= 0.001 N.s.m-2 = 0.001 Pa.s = mPa.s 1P = 100 cP - Dyne/cm² : dyne = 10-5 N, dyn/cm² = 0,10 N/m² Kinematic (độ nhớt động học) Đơn vị : St (stock), cSt, m²/s, mm²/s cSt = mm²/s; St = cm²/s Energy Power lb/ft sec= 1.49 N s m-2 = 1.49 kg m-1 s-2 Btu= 1055 J cal= 4.186 J kW= kJ s-1 horsepower (HP) = 745.7 W = 745.7 J s-1 ton refrigeration= 3.519 kW UNITS AND CONVERSION FACTORS (cont) • (M) Mega = 106, (k) kilo = 103 g (m) milli = 10-3, • m = 109 nm = 1010 Å • (µ) micro = 10-6 m • Độ F = 32 + 9/5.độ C • Độ K = 273,15 + độ C Các đặc trưng vật lý vật liệu thực phẩm Hình dạng, kích thước Mục đích: • Đánh giá chất lượng??? • 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 Phương pháp dùng tỷ trọng kế dạng khí V2 V1 Vs • • • PV = n RT Nén phòng : lên áp P1 giữ ngun Mở van 2, áp suất P2 m = m1 + m2 P1V1 = P2V1 + P2Va2 Vs = V2 – Va2 Xác định kích thước Hình học Dưa hấu Đậu Hà Lan Xác định kích thước (tt) Hình dạng khác Quả chuối Củ cà rốt Quả lê Các loại hạt: gạo, bắp… Hạt gạo Hạt bắp Hạt tiêu Các loại con: tơm, cá, cua Một số vật liệu có hình dạng phức tạp khơng xác định kích thước ⇒??? Kỹ thuật scan 3D : xác định xác kích thước khối lượng thực phẩm - phục vụ cho q trình phân chia xác Các đặc trưng vật lý vật liệu thực phẩm Khối lượng riêng (Density) ρ = m/v, kg/m³ Quan hệ khối lượng thể tích?? ứng dụng : định lượng??? Tính tốn khối lượng riêng • Xv : phần thể tích, m³/m³ • Xw: phần khối lượng, kg/kg Khối lượng riêng chất tinh khiết, kg/m³: T : nhiệt độ thực phẩm, °C (ứng dụng -40 150°C) Tính tốn khối lượng riêng Bài tập: tính khối lượng riêng bánh Spinach 20°C, Tổng khối lượng bánh 100 g, biết thành phần chúng sau Đáp số : 1030,53 kg/m³ Các loại khối lượng riêng • Khối lượng riêng chất rắn (solid density) ρs: khối lượng/thể tích (thể tích xác định cách đuổi hết khí tồn pore vật liệu rắn), khơng tính đến khí chất rắn • Khối lượng riêng vật liệu (chất)- material (susbtance) density ρm – khối lượng riêng xác định khối lượng/thể tích (thể tích xác định việc nghiền nhỏ hạt thành bột mịn) • Khối lượng riêng hạt (particle density) ρp : khối lượng hạt/thể tích hạt, thể tích xác định pore đóng, khơng tính đến pore mở • Khối lượng riêng biểu kiến (apparent density) ρapp : khối lượng/thể tích vật liệu, thể tích tất pores vật liệu, xác định kích thước hình học, sử dụng phương pháp mực chất lỏng dâng lên thêm chất rắn vào: = khối lượng/thể tích hình học • Khối lượng riêng tổng thể (bulk density) ρbulk : khối lượng riêng tính cho vật liệu đóng gói xếp chồng chất lên nhau, thể tích chúng xác định tổng thể thể tích chúng (kể phần rỗng xếp chồng lên nhau) 12/30/2015 Low Pressure air water P SLOW MOVEMENT Medium Temperature air water P MEDIUM MOVEMENT High Pressure air water P FAST MOVEMENT 12/30/2015 To increase or decrease activity • Increase or decrease pressure • Temperature also counts, but minor effect over short distances Chemical activity of molecules • Based on chemical environment – Determines what a molecule interacts with – Determines the effect of the interactions 12/30/2015 Physical and chemical effects • Molecules have physical activity • Also chemical activity – Interact with other chemicals – Each molecule behaves in its own way • Water acts like water • Ca acts like Ca – What affects the chemical activity? – How much? 12/30/2015 H2Og H2Og H2Og H2Ol H2Ol H2Ol H2Ol H2Ol H2Ol Add solutes air water _ _ _ + + + + H2Og H2Og H2Og H2Ol solute H2Ol solute solute H O l H2Ol solute 10 12/30/2015 To decrease water activity • Decrease (temperature or) pressure • And…Tie the water up chemically – Add solutes – Water partly busy with solutes – Not fully free to act like water – Lower chemical activity Change Water Activity • Increase – ↑ temperature – ↑ pressure • Decrease – ↓ temperature – ↓ pressure – add solutes • More solutes = more effect • But we are still focusing on water activity, not solute activity Two solutions/One container 11 12/30/2015 The typical water activity of some foodstuffs Type of product Water Activity (aw) Fresh meat and fish 99 Bread 95 Aged cheddar 85 Jams and jellies Plum pudding Dried fruit Cookies Milk powder Instant coffee Undissolved solute Bảng 1.3 Các chất chuẩn dùng xác định aw 12 12/30/2015 Bảng Hoạt độ nước dd H2SO4 nồng độ nhiệt độ khác Bảng Các giá trị hoạt độ nước dd Glycerol nhiệt độ 200C 13 12/30/2015 Xác định đường đẳng nhiệt hấp thu * Để mẫu vật buồng kín hay bình hút ẩm (a closed champer) (tạo độ ẩm tương đối khác nhau) để có tượng hấp thu hay bay nước Dưới đáy bình có chất hút ẩm chuẩn (humidity standard) * Sau thời gian hoạt độ nước mẫu áp suất bình cân (mẫu khơng thu hay hút ẩm, cân nhiều lần đến khối lượng khơng đổi) ta tiến hành xác định hàm lượng ẩm (db) Moisture content (d.w.b.) Moisture Sorption Isotherm aw Moisture content (d.w.b.) Moisture Sorption Isotherm aw 14 12/30/2015 Moisture content (d.w.b.) Temperature Dependency cold hot aw Moisture content (d.w.b.) Sorption and Desorption desorption sorption Moisture Sorption Isotherms • Highly product specific (physical and chemical structure) • Highly temperature dependant • Show sorption/desorption hysteresis • Affect both physical/chemical reactivity of the food and the dynamics of water transport 15 12/30/2015 Zone Moisture content (d.w.b.) Zone 3: Bulk water Zone 2: Loosely bound water Zone 1: Tightly bound water Moisture Sorption Isotherm Zone Zone aw log (RATE) Moisture content (d.w.b.) Reaction Rates and Water Activity Microbial growth aw 16 12/30/2015 Moisture content (d.w.b.) Texture Changes Crispy/crunchy Soft 0.2-0.5 Powder Changes Moisture content (d.w.b.) Free flowing Agglomerated ~0.4 Dynamics of Moisture Exchange 17 12/30/2015 Moisture content (d.w.b.) Moisture Sorption Isotherm aw Moisture content (d.w.b.) Moisture Sorption Isotherm aw Multicomponent Foods • • • • • Cheese and crackers Baked products and filling Cereal and fruit Yogurt and cereal Ice cream and cone 18 12/30/2015 Phương trình BET aW C −1 = + aW xW − aW xW ,a C xW ,a C Với a= C −1 xW , a C , b= (1.3) xW ,a C Tính giá trị số BET (C) lượng nước đơn phân xW,a a a = C − hay C = + b b Suy ra: aW xW − aW Và lượng nước đơn phân (xW,a) là: xW , a = 1 = a b.( + 1) a + b b (1.4) aW Bảo quản phương pháp vật lý hoạt độ nước aw * Cung cấp chế bảo quản mà khơng có việc bổ sung chất bảo quản kháng vi sinh vật * Được cơng nhận phương tiện để giải thích phương pháp bảo quản khác mà nhà sản xuất sử dụng cơng nghiệp thực phẩm - Evaporation (cơ đặc) Drying (sấy) Freezing (lạnh đơng) Syruping (ướp đường) Salting (ướp muối) Brining (ngâm nước muối) Ảnh hưởng chất tan thay đổi aw Theo Raoult´s Law: aw tỷ lệ phần mol nước dd - Với chất tan khơng điện ly: aW = X WW M  X W X WW +  W M S  S  - Với chất tan điện ly: aW = X WW M  X W X + ψ  W M S  S  (1.5) (1.6) W W Xw: tỷ lệ khối lượng; M: Khối lượng phân tử w: nước s: chất rắn ψ: mức độ ion hóa= số ion chất tan 19 12/30/2015 VD Dung dịch NaCl, sucrose dung dịch gồm NaClsucrose thường sử dụng khử nước khoai tây (a) Tính hoạt độ nước dung dịch sucrose 20% (b) Tính hoạt độ nước dung dịch NaCl 20% (c) Tính hoạt độ nước dung dịch có chứa 10%NaCl sucrose 10% (d) Theo bạn loại dung dịch có hiệu cao dùng khử nước khoai tây có hoạt độ nước =0,942? Cho M(NaCl)=58,44 kg/kg.mol; M(sucrose C12H22O11)=342 kg/kg.mol Macaroni into 2-cup microwavable cereal bowl Add 2/3 cup water Macaroni and water, uncovered, on HIGH 3-1/2 to minutes or until Macaroni is tender DO NOT DRAIN Some water remaining in bowl is desirable and necessary to make cheese sauce CAUTION: Bowl will be Very Hot Cheese Sauce Mix; mix well If cheese sauce appears thin, not put back in microwave Cheese sauce will thicken upon standing Raisin Bran Kellogg's® Whole wheat, raisins, wheat bran, sugar, high fructose corn syrup, salt, malt flavoring, niacinamide, reduced iron, zinc oxide, pyridoxine hydrochloride (vitamin B6), riboflavin (vitamin B2), thiamin hydrochloride (vitamin B1), vitamin A palmitate, folic acid, vitamin B12 and vitamin D Shelf Life 12 Months Did you know results from a recent in-home taste test with raisin bran users - like you - showed that our flakes are crispier than Kellogg's® Raisin Bran's and stay crispier longer in milk? 20 12/30/2015 Humectants • e.g.: sucrose, propylene glycol, glycerol • Be careful of: – Solubility, MW – Flavor – Crystallization on storage – Chemical reactivity – Toxicity Điều chỉnh họat độ nước ? Các chất có tác dụng làm giảm hoạt độ nước bao gồm – – – – – – – Rượu đa chức (propylene glycol) Rượu đơn chức Đường (sorbitol, syrup bắp) Muối calci natri Glyxerin Gums (xanthan) Các chế phẩm protein → Một phần nước TP liên kết mạnh với chất vị trí đặc trưng VD Một mẫu bánh sandwich với miếng Cheese nặng 60g miếng Bread (bánh mì)nặng 110g, tất đặt hộp kín Độ ẩm ban đầu (%wb) Cheese va Bread 47 42 (a) Tính độ ẩm cân miếng sandwich (b) Cho hàm lượng ẩm Cheese Bread giá trị hoạt độ nước khác bảng sau Hãy vẽ đường đẳng nhiệt hấp thu Sandwich, Cheese Bread Water activity 0,331 0,432 0,544 0,699 0,755 0,813 0,851 0,964 0,976 Moiture Content (%wb) Cheese Bread 10 3,29 11 4,63 13 6,71 18 10,93 23 12,9 27 15,18 30 16,79 40 20,94 49 24,17 21 [...]... mặt thực phẩm -Q trình làm nóng phụ thuộc vào đặc trưng bề mặt của thực phẩm, màu sắc của thực phẩm -Q 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 q trình sấy, làm nóng bề mặt của thực phẩm, ít làm hư hỏng trong lòng thực phẩm 6 12/30/2015 Nung nóng thực phẩm bằng lò vi sóng (lò viba), f= 2450 MHz - Phân tử nước gồm 1 ngun... xun thực phẩm nên nó làm nóng trong lòng thực phẩm nhanh chóng -ứng dụng trong q trình thanh trùng, nấu chín hoặc làm nóng thực phẩm -Q trình làm nóng phụ thuộc vào hàm lượng ẩm của vật liệu, ẩm càng cao thì làm nóng càng nhanh Năng lượng hồng ngoại Bước sóng : lớn hơn 700 nm -Khơng có khả năng đâm xun thực phẩm mà chỉ làm nóng bề mặt thực phẩm -Q trình làm nóng phụ thuộc vào đặc trưng bề mặt của thực. .. màu của thực phẩm 3 thơng số : L, a, b được xác định như 3 thơng số cơ bản để xác định sự biến đổi màu trong q trình chế biến 3.4 Kiểm tra độ màu của thực phẩm Các phương pháp đo màu thực phẩm 17 Câu hỏi ơn tập • Nêu các phương pháp xác định thể tích của thực phẩm • Ý nghĩa của các dạng khối lượng riêng và cách xác định chúng? • Độ xốp là gì? Ý nghĩa của độ xốp trong chế biến thực phẩm? • Bài tập 18... là phương thức truyền nhiệt có sự Ɵếp xúc giữa hai vật với nhau • Đối lưu: nhiệt truyền từ mơi trường khí hoặc lỏng đến thực phẩm rắn • Bức xạ: là nhiệt truyền cho thực phẩm bằng sóng điện từ 1 12/30/2015 • 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, thơng số nhiệt) của thực phẩm • Mỗi cơ chế truyền nhiệt gắn liền với thơng... thực phẩm - Số lượng lưỡng cực và sự thay đổi của nó theo trường điện từ được xác định thơng qua hằng số điện mơi 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. .. quay ra ngồi tách vết bẩn ra khỏi bề mặt vải 7 12/30/2015 Chương 3 : tính chất nhiệt, điện của thực phẩm TÍNH CHẤT NHIỆT (Thermal Properties) Vật liệu thực phẩm phải trải qua các cơng 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 khơng có xử lý nhiệt Mục đích... gian nấu thực phẩm nhanh hay chậm là do bản thân thực phẩm chứ khơng phải là do dụng cụ Nhiệt dung riêng: • 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 khơng đổi) • NRD liên quan trực Ɵếp đến năng lượng cung cấp cho vật thể • NDR của nước là lớn nhất: Cp = 4,186 kj/kg.độ, • Thực phẩm có hàm... NDR của thực phẩm có dạng C p = bX w + a a, b hệ số thực nghiệm Xw: hàm lượng ẩm của thực phẩm Cp = 1,67 + 2,51 Xw, kJ/kg.độ 4 12/30/2015 Có thể ơnh Cp theo chất khơ (pr, li, khống…) C p = a + ∑ bi X i carbohydrate (c); protein (p); fat (f); ash (a); and water (w) Hệ số khuếch tán nhiệt (Thermal diffusivity) • Hệ số khuếch tán nhiệt (Thermal diffusivity) cho biết trường nhiệt độ trong thực phẩm biến... ngoại và năng lượng hồng ngoại là hai dạng của sóng điện từ, có thể truyền đi trong khơng gian, xun 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 (vơ trùng), chiếu xạ thực phẩm (bảo quản), tia X (chụp X quang), tia bức xạ (xạ trị – điều trị ung thư, bướu cở…) - vùng hồng ngoại trở... rửa thực phẩm, phân loại, Bài tập 2 về tỷ trọng Trong 200 ml sản phẩm nước dứa cơ đặc có các thành phần thể tích như sau: cacbonhydrat : 150 ml protein : 17 ml lipit : 2 ml chất tro : 0,7 ml Phần còn lại là nước Hãy xác định tỷ trọng của nước dứa cơ đặc ở 4oC Đáp số :1,48 10 Độ xốp (Porosity) • Độ xốp : là tỷ lệ phần trăm khơng khí chiếm chỗ của khối hạt so với một đơn vị thể tích của cả khối thực phẩm ...VẬT LÝ THỰC PHẨM (Food Physics) CBGD: Dương Văn Trường Viện Cơng nghệ Sinh học Thực phẩm Đại học Cơng nghiệp TP HCM Nội dung chương trình Chương 1: Các thơng số vật lý tính chất thực phẩm. .. CHẤT VẬT LÝ (Physical Properties Applications) • xác định, lượng hóa việc mơ tả vật liệu thực phẩm • cung cấp liệu cho ngành kỹ thuật thực phẩm • tiên đốn tính chất vật liệu từ đa dạng hóa thực phẩm. .. đâm xun thực phẩm mà làm nóng bề mặt thực phẩm -Q trình làm nóng phụ thuộc vào đặc trưng bề mặt thực phẩm, màu sắc thực phẩm -Q trình dẫn nhiệt vào phụ thuộc vào hệ số dẫn nhiệt thực phẩm (phụ