Vật lý thực phẩm

CHƯƠNG TÍNH CHẤT BỀ MẶT CỦA THỰC PHẨM 4.1 Sức căng bề mặt 4.1.1 Bề mặt liên pha Ở bề mặt tự có ranh giới lỏng-khí, lỏng-rắn, hay lỏng-lỏng, ranh giới lỏng-lỏng gọi bề mặt phân chia hai pha 4.1.2 Sức căng bề mặt Chúng ta thấy giọt nước hình cầu hay phun từ vòi nước Điều lý giải sức căng bề mặt Một phân tử lòng pha lỏng chịu lực hút phía, chúng tác động cách đối xứng phân tử chất lỏng loại xung quanh Nên lực tổng cân bằng Tuy nhiên bề mặt, phân tử chịu lực hút vào lòng pha lỏng lớn lực hút phía pha khí Hình 4.1 Lực ép phân tử vào gọi nội áp Nội áp kéo phân tử chất lỏng vào theo hướng vuông góc với bề mặt nên có xu hướng làm cho bề mặt giảm đến tối thiểu điều kiện định Chất lỏng phân cực nội áp lớn Hình 4.1: Sự tương tác phân tử nước gần bề mặt chất lỏng Có thể quan sát ảnh hưởng sức căng bề mặt cách thực thí nghiệm nhà Khi nhúng chìm hạt tiêu đen vào ly nước, thấy hạt tiêu đen lên sức căng bề mặt Nhưng thêm vào nước giọt xà phòng chất tẩy rửa, hạt tiêu chìm Xà phòng chất tẩy rửa có khả làm giảm sức căng bề mặt chất lỏng Sức căng bề mặt (hay ứng suất bề mặt hay lực bề mặt) (σ) định nghĩa lực tác dụng lên đơn vị chiều dài ranh giới phân chia hai pha làm giảm bề mặt chất lỏng Lực hút hướng tiếp tuyến với bề mặt chất lỏng Đơn vị đại lượng dyn/cm Mặc khác, phân tử lớp bề mặt lớn phân tử nằm bên Phần lượng lớn gọi lượng dư bề mặt chất lỏng (hay lượng tự bề mặt, kí hiệu ES) Gọi diện tích tổng cộng bề mặt S S ES có mối liên hệ: ES= σ S Hệ số tỉ lệ σ goi lượng tự đơn vị diện tích bề mặt, hay lượng tự riêng bề mặt (khi S=1, σ =ES) Đơn vị đo đại lượng erg/cm2 Để tăng bề mặt chất lỏng phải tiêu hao công để thắng áp suất nội Công dùng để thắng lực tương tác phân tử, nên phải tỉ lệ với độ tăng diện tích tiếp xúc Trong điều kiện đẳng nhiệt, thuận nghịch, chất lỏng đơn cấu tử công độ tăng lượng dư bề mặt Ta có: W=dES=σ.dS Vậy trường hợp hệ đơn cấu tử lượng bề mặt tự riêng giá trị sức căng bề mặt, ký hiệu σ Chúng ta hình dung: Sức căng bề mặt lực tác dụng kéo màng tưởng tượng (giống màng đàn hồi) bề mặt chất lỏng Đứng mặt lượng mà xét tính qua thí nghiệm sau: Nhúng khung hình vuông cạnh d vào dung dịch xà phòng rút Để màng xà phòng khỏi co lại, cần tác dụng lên cạnh AB lực F sức căng bề mặt Khi dịch chuyển cạnh AB đoạn dh diện tích bề mặt tăng lên giá trị là: dS=2.d.dh (vì màng xà phòng có hai mặt hai phía khung) Công thực trình W =F.dh Công dùng để tăng bề mặt lên diện tích dS, tức làm tăng lượng bề mặt trình lên giá trị dE S Vậy suy ra: W=dE S= σ dS=2 σ d.dh F.dh=2 σ d.dh σ= (4.1) Hình 4.2: Sơ đồ xác định sức căng bề mặt chất lỏng Trong đó: d khoảng cách hai dây A, B; dh khoảng di chuyển sang bên trái Ta thấy sức căng bề mặt σ chất lỏng hay chất rắn lượng tạo đơn vị bề mặt lực kéo căng tác dụng lên đơn vị chiều dài ranh giới bề mặt phân chia pha chất chất khác Thứ nguyên σ erg.cm-2 = dyn.cm.cm-2=dyn.cm-1 Dưới tác dụng sức căng bề mặt, chất lỏng tác dụng ngoại lực có dạng hình cầu hình cầu có bề mặt nhỏ hình có thể tích lượng bề mặt giọt lỏng tối thiểu, giúp tồn bền Trong hệ SI, đơn vị sức căng bề mặt N/m Giá trị sức căng bề mặt số thực phẩm lỏng cho bảng 4.1 Bảng 4.1: Giá trị sức căng bề mặt số thực phẩm lỏng Nước Sữa Sữa gầy Chất lỏng Sức căng bề mặt (mN/m) 72.75 42.3 – 52.1 52.7 Cream Dầu hạt cotton Dầu dừa Dầu oliu Dầu hướng dương Rượu vang (10.8% ethanol) Vang pha loãng (2.7% ethanol) 45.5 35.4 33.4 33.0 33.5 46.9 60.9 Sức căng bề mặt nước cao (bảng 4.1) Chất lỏng có sức căng bề mặt cao có giá trị nhiệt ẩn cao Sức căng bề mặt hầu hết chất lỏng giảm nhiệt độ tăng Sức căng bề mặt thấp vùng nhiệt độ tới hạn lực tương tác nội phân tử tiến đến zero Sức căng bề mặt kim loại lỏng lớn so với sức căng bề mặt chất lỏng hửu Ví dụ sức căng bề mặt thủy ngân 20oC 435.5 mN/m (Weast, 1982), ethylic rượu vang cho bảng 4.1 có sức căng bề mặt nhỏ Liên quan đến tính chất bề mặt, có số phương trình hấp phụ Laplace, Kelvin, Young, Gibbs a) Phương trình laplace Hình 4.4: Hình ảnh nửa giọt lỏng bốc Hãy xem giọt chất lỏng hình cầu bốc (hình 4.4) Áp suất nội chất lỏng P1 áp suất môi trường P2 Lực tác động phụ thuộc vào chênh lệch áp suất áp suất giọt áp suất giọt: F=( − ) (4.2) Lực căng bề mặt là: =2 (4.3) Ở trạng thái cân bằng, hai lực cân bằng, từ phương trình 4.2 4.3 ta có: ∆ = − = (4.4) Phương trình 4.4 gọi phương trình Laplace Phương trình dùng để xác định mối quan hệ sức căng bề mặt tăng hay giảm mực chất lỏng ống mao quản hình 4.5 Khi ống mao quản cắm chất lỏng theo chiều thẳng đứng, mực chất lỏng ống tăng giảm, mức độ tăng giảm phù thuộc vào góc tiếp xúc chất lỏng với bề mặt vật liệu (thành ống) Góc tiếp xúc góc tạo tiếp tuyến bề mặt chất lỏng với bề mặt vật liệu (thành ống) cuả điểm tiếp xúc Nếu góc tiếp xúc nhỏ 90o, mực chất lỏng tăng ngược lại, góc tiếp xúc lớn 90o mực chất lỏng giảm Hình 4.5 a Nếu mao quản có đường kính nhỏ, thấu kính mặt khum (4.5 a) có hình cầu bán kính cong bề mặt chất lỏng mao quản biểu diễn sau: = (4.5) Trong đó, r1 bán kính ống mao quản góc tiếp xúc Hình 4.5: Tăng giảm mực chất lỏng ống mao quản Từ phương trình Lapplace phương trình 4.5 suy chênh lệch áp suất chất lỏng bề mặt cong bề mặt phẳng là: ∆ = (4.6) Áp suất khí đẩy chất lỏng lên chênh lệch áp suất chất lỏng bề mặt cong với chất lỏng bề mặt phẳng cân áp suất thủy tĩnh: =ℎ ( ) − Trong đó, khối lượng riêng chất lỏng, chiều cao cột (4.7) khối lượng riêng hơi, h Vì khối lượng riêng nhỏ so với khối lượng riêng chất lỏng, nên = (4.8) b) Phương trình Kelvin Ngoài mao quản, áp suất kết hợp với độ cong bề mặt có ảnh hưởng đến nhiệt động lực học Đối với chất lỏng, hoạt động đo áp suất Nói cách khác, độ cong bề mặt ảnh hưởng đến áp suất Điều thể mối quan hệ thay đổi bề mặt phân chia hai pha (interface) thay đổi lượng tự Gibbs hệ Bắt đầu từ qui luật nhiệt động lực học: = + (4.9) Đối với hệ cân bằng: = Và (4.10) =− + (4.11) Kết hợp phương trình 4.9 4.10 cho hệ mở : = Trong : − + + (4.12) hóa dn lượng mol biến đổi hệ Thông số đưa thay đổi lượng tự Gibbs thêm lượng mol dn chất vào giọt chất lỏng mà không thay đổi diện tích bề mặt Năng lượng tự Gibbs hệ biểu diễn : Thay = + : = − = + (4.13) − Lấy đạo hàm phương trình 4.14: = + + − Thay phương trình 4.12 cho dU : = + (4.14) − − + Đối với hình cầu, thay đổi thể tích diện tích =8 Do đó, = Trong đó, 4.16, ta có: = = (4.15) (4.16) =4 thay đổi (4.17) thể tích mol chất lỏng Kết hợp phương trình 4.17 với + ặ ẳ − + Hóa giọt chất lỏng tính sau: (4.18) ọ = + ặ ẳ (4.19) Nếu xem chất khí lí tưởng: ọ = ặ ẳ + (4.20) Trong đó, áp suất mặt phẳng Kết hợp phương trình 4.20 với phương trình 4.19, phương trình Kelvin là: = (4.21) Trong phương trình này, áp suất P giọt chất lỏng có bán kính r Giả sử để có phương trình Kelvin sức căng bề mặt không phụ thuộc bán kính cong chất lỏng mao quản bọt 4.2 Chất hoạt động bề mặt 4.2.1 Định nghĩa Chất làm giảm sức căng bề mặt chất lỏng với nồng độ thấp gọi chất họat động bề mặt Ví dụ chất nhũ hóa chất keo chất hoạt động bề mặt Những chất có nhóm phân cực (ưa nước) nhóm không phân cực (kị nước) Chúng hướng vào bề mặt phân chia hai pha Những chất tập trung bề mặt làm giảm sức căng bề mặt Điều xác định phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Gibbs ɼ=− ≅− (4.22) đó: ɼ hấp phụ (nồng độ thừa) chất tan lên bề mặt (kgmol/m ), sức căng bề mặt (N/m), R số khí (8314.34 J/kg-mol.K), a hoạt độ chất tan dung dịch, c nồng độ chất tan dung dịch (kg-mole/m3), m số, m=1 đơn chất 4.2.2 Phân loại chất hoạt động bề mặt Có nhiều cách để phân loại chất hoạt động bề mặt, cách phân loại dựa vào khả hòa tan chúng dầu nước, biểu diễn cân ưa nước/ưa béo (hydrophilic/lipophilic balance-HLB) Số HLB tính sau: HLB = +∑số nhóm ưa nước- ∑ số nhóm ưa béo (6.25) Giá trị HLB tỉ lệ phần trăm theo khối lượng nhóm ưa nước nhóm ưa béo phân tử chất nhũ hóa Chất nhũ hóa có HLB