Vật lý thực phẩm nguyễn trọng bách

Khối lượng riêng density  Là khối lượng của vật thể trong một đơn vị thể tích, kg/m3  Khối lượng riêng vật liệu chất- material susbtance density ρm: là khối lượng riêng được xác định b

-M ỤC TIÊU MÔN HỌC

 Giúp sinh viên có những kiến thức về tính chất vật lý của nguyên liệu thực phẩm cần thiết để hỗ trợ học các học phần liên quan công nghệ chế biến thực phẩm, công nghệ bảo quản sau thu hoạch, thiết kế công nghệ cũng như phát triển các sản phẩm mới hay đánh giá chất lượng thực phẩm.

2

K ẾT QUẢ HỌC TẬP MONG ĐỢI

 Sau khi học xong học phần, sinh viên có thể:

 Phân tích được các thông số vật lý như hình dạng, thể tích, khối lượngriêng, cấu trúc, mức độ hút nước, của từng loại nguyên liệu thực phẩm đểhiểu rõ công nghệ, phân tích nguyên nhân và xử lý tốt sự cố ở những côngđoạn, những tình huống phát sinh trong trong qui trình công nghệ sản xuất

và đề xuất hướng xử lý cho từng công nghệ

 Vận dụng tính chất nhiệt, điện từ để thiết kế công nghệ trong việc xử lýnhiệt đối với nguyên liệu thực phẩm

 Vận dụng tính chất quang học, âm học và lưu biến để đánh giá chất lượngnguyên liệu, sản phẩm thực phẩm hay đánh giá độ chín thu hoạch của một

số sản phẩm nông nghiệp

 Phân tích tính chất lưu biến của nguyên liệu thực phẩm và đưa ra địnhhướng sử dụng sản phẩm, thiết kế công nghệ hay lựa chọn bao bì bao góicho những loại thực phẩm cơ bản

 Thiết lập và thực hiện được nghiên cứu về các vấn đề thực phẩm tại PTN;xây dựng, triển khai việc cải tiến và phát triển sản phẩm

3

N ỘI DUNG

 Chương 1 Các đặc trưng vật lý của thực phẩm

 Chương 2 Tính chất bề mặt vá tình thấm nước của TP

 Chương 3 Tính chất nhiệt, điện-từ của thực phẩm

 Chương 4 Tính chất lưu biến thực phẩm

 Chương 5 Một số tính chất khác

4

TÀI LIỆU THAM KHẢO

HCM

Athur A.Teixeira

Servet Gulu Sumnu

Physical Properties of Foods

2006 Springer, New York

foods and food processing systems

Publishing Limited, Cambridge England

7

Chương 1

CÁC ĐẶC TRƯNG VẬT LÝ CỦA THỰC PHẨM

8

1.1 C ÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG

1 Khối lượng

 Khối lượng là đại lượng đặc trưng cho trọng lượng của vật thể,trọng lượng gây ra bởi lực hút của trái đất lên vật thể Khốilượng vật thể được xác định từ công thức :

G = m.g (N) Trong đó:

 m: Khối lượng, kg

 G: Trọng lực, N

 g: gia tốc trọng trường, m/s2 (g = 9.80665 m/s2)

9

1.1 C ÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG

2 Khối lượng riêng (density)

 Là khối lượng của vật thể trong một đơn vị thể tích, kg/m3

 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)

1.1 C ÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG

 Khối lượng riêng hạt ( particle density ) ρp: khối lượng hạt/thể tích của hạt, thể tích được xác định là các pore đóng, không tính đến các pore mở.

 Khối lượng riêng biểu kiến ( apparent density ) ρapp: khối 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.

 Khối lượng riêng tổng thể ( bulk density ) ρbulk: là khối lượng 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 của chúng (kể cả phần rỗng do xếp chồng lên nhau)

11

1.1 C ÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG

 Việc xác định KLR rất quan trọng trong việc định lượng, cũngnhư mức độ phân tán của nó trong môi trường lỏng

12

• i: Khối lượng riêng của các chất tinh khiết, kg/m³ (phụ

thuộc vào nhiệt độ, áp suất)

• T: nhiệt độ của thực phẩm, °C (ứng dụng -40150°C)

1 Nước tinh khiết nước = 997,18 + 3,1439.10 -3 T – 3,7574.10 -3 T 2

Tro : 4 g; và Phần còn lại là nước

Hãy xác định khối lượng riêng chất rắn của ngô ở 20 o C.

1.1 C ÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG

3 Tỷ trọng :

 Đây là khái niệm dùng cho thực phẩm dạng lỏng, 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,

16

Ví dụ: Xác định tỷ trọng của nước dứa cô đặc ở nhiệt độ 4°C, cho

biết trong 200 ml sản phẩm nước dứa cô đặc có các thành phần thểtích như sau:

cacbonhydrat : 150 mlprotein : 17 ml

lipit : 2 mlchất tro : 0,7 mlphần còn lại là nước

1.2 Đ ẶC ĐIỂM BÊN NGOÀI

Xác định hình dạng, kích thước:

Nhiều hinh dạng khác nhau nhưng xuất phát từ các hình học cơ bản như:

 Họ đậu: đâu Hà Lan, đậu tương,…

 Các loài trái cây tròn, bầu: táo, mận, dưa hồng, dưa lê, dưa hấu

 Hạt: tiêu, quả cà phê

18

1.2 Đ ẶC ĐIỂM BÊN NGOÀI

Đến các hình dạng phức tạp hơn:

 Cái loại củ, quả khác: Cà rốt, củ cải đường, quả lê, dưa chuột, chuối,…

 Các loại hạt: Gạo, ngô

 Các loại con: tôm, cá, cua,…

 ….với những đối tượng có kích thước và hình dạng phức tạp này thườngphải mô phỏng 3D để xác định kích thước và hình dạng, đặc biệt trong quátrình phân cỡ chủng loại

19

1.2 Đ ẶC ĐIỂM BÊN NGOÀI

 Ứng dụng

21

1.2 Đ ẶC ĐIỂM BÊN NGOÀI

 Ứng dụng

1.2 Đ ẶC ĐIỂM BÊN NGOÀI

1.2 Đ ẶC ĐIỂM BÊN NGOÀI

mcr: khối lượng chất lỏng được thay thế bởi chất rắn, kg

cl: khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m 3

mcl: khối lượng bình và chất lỏng, kg

m01: khối lượng bình không, kg

mcrl: khối lượng bình chứa chất rắn và điền đầy bởi chất lỏng, kg

m02: khối lượng bình chỉ chứa chất rắn, kg

Dùng ống đong: đo trực tiếp phần lỏng tăng lên

V = 𝑚𝑐𝑟𝑐𝑙 = (𝑚𝑐𝑙−𝑚01) −(𝑚ρ𝑐𝑙 𝑐𝑟𝑙−𝑚02), m3

 Phương pháp dùng tỷ trọng kế dạng khí

25

1.2 Đ ẶC ĐIỂM BÊN NGOÀI

- Nén tank 1 (V1): lên áp P1 (~1000Pa) và giữ nguyên

(valve 2 và 3 đóng), sau đó đóng valve 1

27

1.2 Đ ẶC ĐIỂM BÊN NGOÀI

 Hệ XYZ/Yxy

• Y đặc trưng cho độ sáng của phản xạ

• Yx đặc trưng cho cường độ màu sắc

28

1.2 Đ ẶC ĐIỂM BÊN NGOÀI

 Hệ L*a*b*

29

1.2 Đ ẶC ĐIỂM BÊN NGOÀI

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)

1.2 Đ ẶC ĐIỂM BÊN NGOÀI

Mối quan hệ L*a*b* và L*C*h

C* = (a2 + b2)1/2h° = arctan (b*/a*)

Như vậy khi màu sắc thay đổi thì cả a và b đều thay đổi, nhưng nếudùng hệ LCh …

 Phương pháp chụp màu:

Sử dụng hệ thống màu để đánh

giá sự biến đổi màu của thực

phẩm 3 thông số : L, a, b được

xác định như 3 thông số cơ bản

để xác định sự biến đổi màu

trong quá trình chế biến

31

1.2 Đ ẶC ĐIỂM BÊN NGOÀI

 Phương pháp chụp màu:

32

1.2 Đ ẶC ĐIỂM BÊN NGOÀI

 Ứng dụng của tính chất tạo màu của NL thực phẩm:

 Đánh giá độ chín:

33

1.2 Đ ẶC ĐIỂM BÊN NGOÀI

 Đánh giá độ chín:

34

1.2 Đ ẶC ĐIỂM BÊN NGOÀI

 Đánh giá độ chín:

35

1.2 Đ ẶC ĐIỂM BÊN NGOÀI

o Ứng dụng của tính chất tạo màu của NL thực phẩm:

 Đánh giá chất lượng (công nghệ xử lý, bảo quản):

36

1.2 Đ ẶC ĐIỂM BÊN NGOÀI

o Ứng dụng của tính chất tạo màu của NL thực phẩm:

 Đánh giá chất lượng (công nghệ xử lý, bảo quản):

37

1.2 Đ ẶC ĐIỂM BÊN NGOÀI

 Ứng dụng của tính chất tạo màu của NL thực phẩm:

 Kiểm soát lỗi:

 Cách xác định độ xốp 1:

 Chụp ảnh bằng kính hiển vi

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

 Dùng phần mềm Image J: Xác định tỷ lệ về bán kính trung bình, sự phân

bổ kích thước bọt khí, và % diện tích của khí chiếm chỗ

41

1.3 Đ ẶC ĐIỂM CẤU TRÚC

Tilman J Schober et al., 2008

1.3 Đ ẶC ĐIỂM CẤU TRÚC

Tilman J Schober et al., 2008

Hình ảnh độ xốp của bánh mì

Không khí Bánh mì 01 Bánh mì 02

Phân tích hình ảnh độ xốp của bánh mì

1.3 Đ ẶC ĐIỂM CẤU TRÚC

Sylvie Chevallier et al., 2013

1.3 Đ ẶC ĐIỂM CẤU TRÚC

Sylvie Chevallier et al., 2013

 Ví dụ 1: 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.

 Ví dụ 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) Biết rằng, khối lượng riêng của cácbonhydrat là 1586 kg/m³ và của nước là

997 kg/m³.

Đáp số: 0,6

 Ví dụ 3: Tính độ xốp táo sấy có khối lượng 510 g chứa đủ trong 500 ml

bình chứa Biết rằng táo chỉ chứa CHO, Protein và nước với các phần khối lượng lần lượt là 0,7; 0,11 và 0,19 ở 25°C Cho khối lượng riêng biểu

1.3 Đ ẶC ĐIỂM CẤU TRÚC

 Câu hỏi ôn 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?

49

1.3 Đ ẶC ĐIỂM CẤU TRÚC

1 Khái niệm, ý nghĩa

Nước trong thực phẩm tạo nên một áp suất hơi, độ lớn của áp suất hơi tuỳ thuộc vào:

 lượng nước hiện diện,

 nhiệt độ và nồng độ chất tan (muối, đường) trong

nước.

 Trong thực phẩm, aw là tỷ số giữa áp suất hơi riêng phần của nước cân bằng trong thực phẩm với áp suất hơi nước riêng phần bão hòa của hơi nước trong không khí ở cùng một nhiệt độ.

50

1.4 H OẠT ĐỘ NƯỚC

 Hoạt độ nước, aw xác định như sau:

aw = pw /pws (0 ÷1)

 Độ ẩm tương đối của không khí ở trạng thái cân bằng với TP:

aw = RH / 100

aw = 0 (khô) và aw = 1 (nước tinh khiết)

* Thể hiện ở dạng thập phân của độ ẩm tương đối cân bằng (RH: Relative Humidity) của vật chất

* Nghĩa là, một mẫu có độ họat động là 0,91 thì tương ứng với

1.4 H OẠT ĐỘ NƯỚC

2 Đăc điểm

 Tương tác giữa nước và các thành phần khác:

52

1.4 H OẠT ĐỘ NƯỚC

1.4 H OẠT ĐỘ NƯỚC

1.4 H OẠT ĐỘ NƯỚC

Yếu tố ảnh hưởng đến hoạt độ nước: (ảnh hưởng của

yếu tố hóa – lý):

• Phân tử có hoạt động lý học

• Hoạt động hóa học (chemical activity):

– Phụ thuộc tương tác với các chất hóa học khác

– Mỗi phân tử nước cũng hoạt động như một chất hóa học riêng

55

1.4 H OẠT ĐỘ NƯỚC

Tác động làm thay đổi aw:

 Làm tăng aw: nhiệt độ tăng, áp suất tăng

 Làm giảm aw: nhiệt độ giảm, áp suất giảm hay thêm chất tan (tỷ

lệ thuận)

 Bảng : Hoạt độ nước của một số loại thực phẩm

56

1.4 H OẠT ĐỘ NƯỚC

 Bảng : Hoạt độ nước của dung dịch axit Sunphuaric ở các nồng

độ và nhiệt độ khác nhau

58

1.4 H OẠT ĐỘ NƯỚC

 Bảng : Hoạt độ nước và hệ số tán xạ của dung dịch Glycerol ở các nồng độ khác nhau tại 20°C

59

1.4 H OẠT ĐỘ NƯỚC

 Xác định đường đẳng nhiệt hấp thụ

• Để mẫu vật trong buồng kín hay bình hút ẩm (a closed

champer) (tạo độ ẩm tương đối khác nhau) để có hiện tượng

hấp thụ hay bay hơi nước Dưới đáy bình có chất hút ẩm

chuẩn (humidity standard).

• Sau thời gian khi hoạt độ nước của mẫu và áp suất trong bình cân bằng (mẫu không thu hay hút ẩm, cân nhiều lần đến khi khối lượng không đổi) ta tiến hành xác định hàm lượng ẩm (db).

60

1.4 H OẠT ĐỘ NƯỚC

 Xác định đường đẳng nhiệt hấp thụ

61

1.4 H OẠT ĐỘ NƯỚC

 Đường đẳng nhiệt hấp thụ

63

1.4 H OẠT ĐỘ NƯỚC

 Đường đẳng nhiệt hấp thụ

64

1.4 H OẠT ĐỘ NƯỚC

Lớp nước đơn phân;

Nằm ở ranh giới giữa vùng 1 và vùng 2;

Nước liên kết chặt chẽ với các nhóm có cực của chất khô.

Vùng 2 (zone 2):

Là lớp nước nằm ở xung quanh các gốc ưa nước;

Bao gồm nhiều lớp nước, liên kết với các phân

tử xung quanh bởi liên kết nước-nước, liên kết hydro giữa nước-chất tan.

1.4 H OẠT ĐỘ NƯỚC

1.4 H OẠT ĐỘ NƯỚC

3 Các mô hình

68

1.4 H OẠT ĐỘ NƯỚC

 Phương trình BET (Brunauer – Emmett – Teller)

1.4 H OẠT ĐỘ NƯỚC

1.4 H OẠT ĐỘ NƯỚC

4 Quan hệ giữa hoạt độ nước và thời gian bảo quản TP

Hoạt độ nước tối thiểu cho sự phát triển của VSV:

72

1.4 H OẠT ĐỘ NƯỚC

Kessler HG, 2002

Hình:

1.4 H OẠT ĐỘ NƯỚC

aw của một số thực phẩm điển hình

74

1.4 H OẠT ĐỘ NƯỚC

 Bảo quản bằng phương pháp vật lý và hoạt độ

- Evaporation (cô đặc)

- Drying (sấy)

- Freezing (lạnh đông)

- Syruping (ướp đường)

- Salting (ướp muối)

- Brining (ngâm trong nước muối)

75

1.4 H OẠT ĐỘ NƯỚC

 Ảnh hưởng của chất tan đối với sự thay đổi aw:

Theo định luật Raoult, aw bằng tỷ lệ phần mol của nước trong dung dịch:

 Với chất tan không điện ly:

MW: Khối lượng phân tử nước

: mức độ ion hóa= số ion chất tan

MS: Khối lượng phân tử chất rắn

Ví dụ 1:

 Dung dịch NaCl, sucrose hoặc các dung dịch gồm

NaCl/sucrose thường được sử dụng khử nước của khoai

tây.

 Tính aw trong dung dịch sucrose 20%?

 Tính aw trong dung dịch NaCl 20%?

 Tính aw trong dung dịch có chứa 10% NaCl và sucrose

 Điều chỉnh hoạt 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 canxi và natri

– Glyxerin– Gums (xanthan)– Các chế phẩm protein

1.4 H OẠT ĐỘ NƯỚC

Ví dụ 2:

Một mẫu bánh sandwich cùng với miếng phoma (Cheese) nặng 60g và miếngbánh mì (Bread) nặng 110g, tất cả được đặt trong một hộp kín Độ ẩm ban

đầu (%wb) của pho ma và bánh mì lần lượt là 47 và 42.

 Tính độ ẩm cân bằng của miếng sandwich.

 Cho hàm lượng ẩm của

pho ma và bánh mì tại các

giá trị hoạt độ nước (water

activity) khác nhau như

bảng bên

Hãy vẽ đường đẳng nhiệt

hấp thụ của Sandwich, pho

ma và bánh mì.

79

1.4 H OẠT ĐỘ NƯỚC

Chương 2

TÍNH CHẤT BỀ MẶT VÀ TÌNH THẤM NƯỚC

CỦA THỰC PHẨM

80

1 Sức căng bề mặt (surface tension)

81

2.1 SỨC CĂNG BỀ MẶT VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH

 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.

 Phương pháp xác định: Phương trình YOUNG-LAPLACE

Sức căng bề mặt gây ra sự khác nhau về áp suất để tồn tại trên một bề mặt cong, áp suất phía bên lõm sẽ lớn hơn Xem xét giọt nước có áp suất P1, môi trường có áp suất P2.

 Nửa giọt nước ở trong không khí:

Ta có r = rt/cos, suy ra:



 Ví dụ:

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.

2.2 Chất hoạt động bề mặt và các yếu tố ảnh hưởng

86

2.2 CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

(a) Giọt nước trên bề mặt kị nước(hydrophobic)

(b) Giọt nước trên bề mặt ưa nước(hydrophilic)

 Khái niệm : Những chất mà khi cho một lượng rất nhỏ sẽ làm

giảm sức căng bề mặt gọi là chất có hoạt tính 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 trong

872.2 CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

2.2 CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

 VD: 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

Chất hoạt động bề mặt khi bổ sung vào hệ keo nhiều chất lỏng sẽ làm

giảm sức căng bề mặt giữa lỏng –khí, lỏng – lỏng, hay lỏng-rắn Chúng

có thể đóng vai trò như chất tẩy rửa, chất làm ướt, chất nhũ hoá, chất tạo

bọt, hay các chất phân tán

 Quan hệ giữa các đại lượng được thể hiện ở công thức Young:

Từ phương trình của Young và Dupré

ta có phương trình 2.4 hữu ích cho việc tính toán năng lương bám dính cânbằng do các thành phần γS and γSL gần như không thể đo đạc được

2.2 CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG