giáo trình tính chất vật lý của thực phẩm

Tính chất cơng nghệ vật liệu Bộ Giáo Dục Đào Tạo Trường Đại Học Nơng Lâm, TP Hồ Chí Minh TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA THỰC PHẨM (Dùng cho kỹ sư ngành Cơng Nghệ Thực phẩm, Hố học, Sinh học) Biên soạn: PGS TS Trương Vĩnh KS Vũ Ngọc Hà Vi KS Đào Ngọc Duy TP Hồ Chí Minh – 2013 Tính chất cơng nghệ vật liệu Mở đầu Tính chất vật lý thực phẩm có tầm quan trọng tính tốn q trình chọn lựa thiết bị chế biến bảo quản thực phẩm, kiểm tra chất lượng thực phẩm Các tính chất vật lý thực phẩm bao gồm tính chất hình học, tính chất nhiệt, tính chất lưu biến, tính chất bề mặt, tính chất hút nhả ẩm, màu sắc tính chất điện từ, đặc tính chuyển pha chuyển hóa thủy tinh, kết tinh Tính chất hình học cần thiết, ví dụ tính tốn máy sấy tầng sơi hỗn hợp hạt rời men bánh mì sau ép đùn, cần phải biết kích thước trung bình hạt Hoặc tính tốn sấy phun dịch sữa, kích thước phân bố kích thước hạt bột/giọt lỏng cần phải xác định Hầu trình chế biến bảo quản thực phẩm có liên quan đến trình truyền nhiệt đến thực phẩm lấy khỏi thực phẩm Ví dụ, q trình truyền nhiệt đến thực phẩm sấy khí nóng (sữa bột, rau quả, thịt, cá, ngũ cốc), bốc (dịch sữa, nước trái cây, cà phê), trùng (nước trái cây, bia, sữa tươi), tiệt trùng (đồ hộp, thịt, cá, súp, kem), chiên (mít, chuối, khoai tây), nướng (bánh mì, bánh bích qui), rang (cà phê, đậu phộng, hạt điều), ép đùn (snack, nui, mì ống, cháo ăn liền),… ; trình lấy nhiệt khỏi thực phẩm sấy thăng hoa (tôm, cà phê hòa tan, dược phẩm), đơng lạnh thực phẩm (cá, thịt), cô đặc thăng hoa (nước trái cây, dịch thực phẩm lỏng) Như vậy, ta thấy có nhiều loại thực phẩm nhiều trình chế biến bảo quản liên quan đến truyền nhiệt Vấn đề quan trọng tính lượng nhiệt cần thiết cho q trình để bảo đảm trình làm việc từ tìm biện pháp giảm chi phí lượng q trình để giảm chi phí sản xuất Ngoài tốc độ truyền nhiệt ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Ví dụ làm nguội nhanh thực phẩm sau xử lý nhiệt tiệt trùng, trùng hay chần tăng chất lượng sản phẩm Quá trình làm nóng nhanh tăng chất lượng sản phẩm tiệt trùng Tốc độ truyền nhiệt phụ thuộc vào tính chất vật lý Tính chất cơng nghệ vật liệu thực phẩm có tính chất nhiệt độ dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng thực phẩm tính chất hình học kích thước hình dạng Đối với sản phẩm lỏng, độ nhớt có liên quan tính tốn dòng chảy truyền nhiệt đối lưu chẳng hạn trình trùng dịch nước trái thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống Đối với sản phẩm rắn, cấu trúc thực phẩm độ dai, dẽo, cứng liên quan đến chất lượng thực phẩm sau chế biến trình chế biến có áp lực ép trái cây, ép đùn làm snack Độ nhớt đặc tính cấu trúc tính chất lưu biến thực phẩm Đặc tính hút nhã ẩm thực phẩm liên quan đến trình sấy bảo quản Ví dụ thơng số q trình nhã ẩm đẳng nhiệt giúp tính tốn tốc độ thời gian sấy, tính thời gian bảo quản vật liệu ứng với loại bao bì định Nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh Tg chất quan trọng thực phẩm giúp tính tốn chọn lựa q trình chế biến bảo quản thích hợp Ví dụ, biết nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh đường sucrose khoảng 60oC, chọn gia nhiệt gần nhiệt độ làm cho dịch đường kết tinh nhanh Hiện tượng lại hạt bánh kẹo xảy nhanh trình bảo quản nhiệt độ Tg Tương tự, việc xác định nhiệt độ Tg vật liệu dạng bột giúp kiểm soát tượng dính q trình sấy phun, ép đùn, bảo quản bột Tóm lại, tính chất vật lý thực phẩm gắn liền với trình chế biến bảo quản thực phẩm Bài giảng biên soạn tính chất vật lý thực phẩm gồm bảy chương Đó chương đặc tính hình học, lưu biến, nhiệt, hút nhã ẩm, tính bề mặt, nhiệt độ chuyển hóa thủy tinh tính chất màu Mục tiêu giảng biên soạn cho sinh viên ngành công nghệ thực phẩm, hóa thực phẩm làm tài liệu học tập Ngồi ra, làm tài liệu tham khảo cho kỹ sư liên quan Các sai sót xin phản hồi để tài liệu hồn chỉnh Nhóm tác giả Tính chất cơng nghệ vật liệu Chƣơng Kích thƣớc hình dạng 1.1 Kích thƣớc đặc tính liên quan vật liệu: 1.1.1 Độ tròn Được sử dụng để đo lường hình dạng cạnh vật thể chất rắn Có nhiều phương pháp dùng để đánh giá độ tròn Độ tròn kí hiệu R  Trong nhiên (1-1) Ap: diện tích hình chiếu lớn vật trạng thái nghỉ tự Ac: diện tích hình tròn bao nhỏ  ∑ (1-2) Trong r: bán kính đường tròn nội tiếp vị trí chọn Ri: bán kính đường tròn nội tiếp lớn N: số đường tròn với bán kính r  (1-3) Trong r: bán kính đường tròn nội tiếp nhỏ R: bán kính tương đương Tính chất cơng nghệ vật liệu Hình 1.1: Cách xác định độ tròn, độ cầu 1.1.2 Đƣờng kính tƣơng đƣơng Với hạt khơng có dạng hình cầu, đường kính hạt tương đương : √ (1-4) Với V thể tích hạt Với hạt có hình dáng xác định Đường kính tương đương (dtđ) xác định theo cơng thức sau (1-5) Trong A: p: Diện tích Chu vi ướt Ví dụ:  Đối với hình tròn đường kính tương đương tính sau A = πD2/4 p=πD Với D đường kính hình tròn  Đối với hình chữ nhật có hai cạnh a, b đường kính tương đương tính sau Tính chất cơng nghệ vật liệu A = ab p=2(a+b) 1.1.3 Các kích thƣớc trung bình vật Hình 1.2: Ba thơng số kích thước loại hạt khác xác định máy Kích thước a, kích thước phụ c kích thước trung gian c phần tử hạt đo từ hình chiếu khác vật thể Kích thước trung bình kích thước a, b, c dùng để đặc trưng cho vật thể Kích thước trung bình số học (1-7) Kích thước trung bình hình học (1-8) Đường kính hình cầu tương đương (1-9) Tính chất cơng nghệ vật liệu 1.1.4 Độ cầu Độ cầu hạt tỉ số diện tích bề mặt hình cầu bề mặt có thể tích dtđ2 S  Sh (1-10) Với Sh diện tích bề mặt hạt Với định nghĩa này,  s  cho hình cầu,  s  cho tất hình dạng khác Số liệu độ cầu xem Bảng 1-1 Độ cầu xác định theo cơng thức sau (1-11) Trong de: đường kính hình cầu có thể tích với vật dc: đường kính hình cầu bao quanh kích thước lớn ⁄ (1-12) (1-13) Trong di: đường kính đường tròn nội tiếp lớn de: đường kính đường tròn ngoại tiếp nhỏ 1.1.5 Đƣờng kính hiệu Đường kính hiệu hạt đường kính de để cho lớp hạt có đường kính de có tổng diện tích bề mặt độ nồng rỗng  với lớp hạt xét d e  s d tđ (1-14) Bảng 1-1: Độ cầu hạt Type of Particle Sphere Cube Cylinder h=d h= 5d h= 10d Disks h= d/3 h= d/6 h= d/10 Activated carbon and silica gels Broken solids Coal anthracite Sphericity  s 1.00 0.81 Source (a) (a) 0.87 0.70 0.58 (a) (a) (a) 0.76 0.60 0.47 0.70 – 0.90 (a) (a) (a) (b) (c) 0.63 (e) Tính chất công nghệ vật liệu bituminous natural dust pulverized Cork Glass, crushed, jagged Magetite, Fischer- Tropsh catalyst Mica flakes Sand round sharp old beach young river Tungsten powder Wheat 0.63* 0.65 0.73 0.69 0.65 0.58* (e) (d) (d) (d) (d) (e) 0.28 (d) 0.86* 0.66* As high as 0.86 As low as 0.53 0.89 0.85 (e) (e) (f) (f) (d) 1.2 Diện tích bề mặt 1.2.1 Diện tích bề mặt riêng Diện tích bề mặt riêng hạt d tđ2 / S   dtđ S d tđ [m-1] (1-21) 61    S d tđ [m-1] (1-22) Diện tích bề mặt riêng tồn lớp hạt: Nếu hạt lọt qua sàn có đường kính lỗ d1 bị chắn sàn có đường kính lỗ d2 kích thước sàn hạt dp=(d1+d2)/2 Do khơng có quan hệ de dp, dùng quan hệ khơng có thực nghiệm: Với hạt khơng phải hình cầu, khơng có chiều dài ngắn: d e  S d tđ  S d p (1-23) Với hạt không hình cầu, có chiều dài tỉ lệ chiều dài/ chiều ngắn 13 Dung dịch suốt Giá trị HLB hỗn hợp ký hiệu (HLB)M chứa chất nhũ hóa A B có giá trị tương ứng (HLB)A (HLB)B tính sau: (HLB)M = mA(HLB)M + mB(HLB)M Trong đó, mA mB thành phần khối lượng chất A chất B Các hệ nhũ tương dầu-trong-nước nước-trong-dầu phân biệt xét nghiệm đơn giản cho Bảng 6.10 Bảng 4.10: Các xét nghiệm để phân biệt hệ nhũ dầu-trong-nước nước-trong-dầu Dầu-trong-nước Có thể pha lỗng thêm nước Có độ dẫn điện cao Sẽ hút chất nhuộm tan nước Nước-trong-dầu Có thể pha lỗng thêm dầu Có độ dẫn điện thấp Sẽ hút chất nhuộm tan dầu Hợp chất kiểm tra tính phù hợp dạng nhũ tương cách xác định suất nhũ hoá ổn định nhũ tương Đối với dầu-trong-nước, suất nhũ hoá thường diễn tả lượng dầu nhũ hoá đơn vị khối lượng chất nhũ hoá Sự ổn định nhũ tương ước tính cách xác định lượng dầu lớp nhũ tương để yên khoảng thời gian cụ thể 55 Tính Chất Vật Lý Thực Phẩm Chƣơng 56 HOẠT TÍNH NƢỚC VÀ ĐẲNG NHIỆT TRAO ĐỔI ẨM CỦA THỰC PHẨM Trong lãnh vực chế biến bảo quản, việc sấy khơ thơng gió bảo quản cơng đoạn gặp thường xun Có nhiều tác nhân dùng để tải nhiệt ẩm cơng đoạn này, ví dụ dùng khí N2, CO2, khơng khí,…làm tác nhân Tuy nhiên, khơng khí tác nhân có sẵn, rẽ tiền mà đâu có Ngồi tất vật liệu sản phẩm chế biến tương tác chặc chẽ với khơng khí q trình bảo quản Vì chương giơí thiệu chất vật lý khơng khí ẩm cơng thức tốn học giản đồ tương tác với vật liệu Một số công thức thực nghiệm giới thiệu để thấy rõ chất giới hạn sử dụng 8.1 Ẩm độ cân hoạt tính nƣớc thực phẩm 8.1.1 Nƣớc độ ẩm thực phẩm Có ba dạng nước tồn thực phẩm :  Nước tự : Phân bố không gian xốp vật liệu Nước có chất vật lý bình thường giúp cho khuếch tán chất keo dung môi cho thành phần kết tinh  Nước liên kết : Loại nước hút bề mặt chất keo đại phân tử (tinh bột, pectin, cellulose protein) Nước liên kết với đại phân tử lực Van der Waals hay liên kết H2  Dạng thứ ba nước liên hợp với chất khác Bảng 5-1 cho hàm lượng nước thành phần tương ứng khác có vài thực phẩm Gọi Mw hàm lượng nước hay độ ẩm thực phẩm, tỉ lệ khối lượng nước Ln có mẫu vật khối lượng L mẫu vật : Mw = Ln / L * 100 % (5-17) Đó độ ẩm tính ướt, ngồi người ta tính độ ẩm theo khô sau : Md = Ln / (L – Ln) *100 % (5-17‟) Trong công thức trên, Lk = L – Ln hàm lượng chất khô vật liệu Chuyển đổi Md Mw sau : Md = 100Mw/(100-Mw) Mw = 100Md/(100+Md) Ví dụ 5.1: Cân 25 g hạt bắp thu hoạch cho vào tủ sấy đến khô kiệt có khối lượng 15,5 g Như ẩm độ hạt bắp : Mw = (25-15,5)*100/25 = 38% Md = 61,29% 56 Tính Chất Vật Lý Thực Phẩm 57 Bảng 5-1 : Nước thực phẩm Vật liệu Sữa Táo Cá moruy Khoai tây Trứng Thịt bò (phần nạc) Thịt lườn lợn muối Bánh mì (trắng) Pho mát (Cheddar, vàng) Mứt Mật ong Nho Sultana (khơng hột) Mì ống Trứng sấy khô Khoai tây khử nước Sữa sấy khô (gạn kem) Trái hạnh đào Thành phần % theo khối lượng, ướt Nước Carbohydrat Protein Chất béo e 87,0 4,8 3,4 3,7 84,1 14,0 0,3 0,1 79,2 _ 18,0 0,9 75,8 22,9 2,1 0,1 73,4 0,7 11,9 12,3 68,3 _ 19,3 10,5 40,9 _ 13,1 44,6 38,3 52,7 7,8 1,4 37,0 _ 25,4 34,5 29,8 69,0 0,6 0,1 23,0 76,4 0,4 0,05 18,3 71,7 1,7 0,1 12,4 79,2 10,7 2,0 7,0 2,6 43,3 43,3 6,5 80,3 6,6 0,3 5,0 49,2 34,5 0,3 4,7 18,6 20,5 53,5 8.1.2 Sự hút thoát ẩm thực phẩm : Thực phẩm tuỳ theo ẩm độ ban đầu mà hút nhả ẩm để môi trường không khí Giả sử để loại thực phẩm có ẩm độ ban đầu Mw mơi trường khơng khí có nhiệt độ T ẩm độ tương đối  không đổi Vật hút ẩm (nếu khô) nhả ẩm (nếu ướt) sau thời gian dài t ẩm độ vật tiệm cận giá trị lúc khơng xãy tượng trao đổi ẩm vật môi trường khơng khí (hình 5-2) Nghĩa nước vật liệu nước khơng khí đạt cân độ vật liệu lúc gọi ẩm độ cân Mcb, gía trị độ ẩm tương đối khơng khí tương Hình 5-2 : Vật liệu đạt ẩm độ cân Am với môi trường khơng khí sau thời gian dài 57 Tính Chất Vật Lý Thực Phẩm 58 ứng gọi ẩm độ tương đối cân cb khơng khí nhiệt độ T 8.1.3 Đẳng nhiệt trao đổi ẩm : Như hình 5-2, gía trị ẩm độ cân Mcb qúa trình hút ẩm thấp qúa trình ẩm vật liệu Nếu giữ nhiệt độ khơng khí khơng đổi thay đổi ẩm độ tương đối cb Mcb biến thiên theo cb thường đường cong chữ S hình 5-3 Rõ ràng đường cong ẩm (gọi đẳng nhiệt thoát ẩm) nằm đường cong hút ẩm (gọi đẳng nhiệt hút ẩm) Đối với qúa trình sấy đường cong ẩm sử dụng để tính tốn, ngược lại qúa trình bảo quản đường cong hút ẩm có ý nghĩa quan trọng Có nhiều mơ hình thực nghiệm mơ tả quan hệ Mcb cb, đa số mô hình thỏa mãn cho số loại thực phẩm đó, chẳng hạn thực phẩm có hàm lượng đường cao, nhiều tinh bột,… Sau giới thiệu hai mơ hình thơng dụng cho nhiều loại thực phẩm  Mơ hình Henderson cải biên : – cb = exp {-k (T+C)Mcbn} (5-18) Trong đó, cb đo thập phân, Mcb đo %, T đo oC Ví dụ với hạt lúa có k = 1,9187*10-5 , C = 51,161 , n = 2,4451 Khi lúa 14 % để mơi trường khơng khí nhiệt độ T = 25 0C ẩm độ tương đối  = 70 % tíếp tục hút ẩm đạt ẩm độ cân tính từ cơng thức Mcb = 15,6 % Hình 5-3 : Quan hệ ẩm độ cân thực phẩm ẩm độ tương đối cân khơng khí Đường đại diện cho qúa trình ẩm đẳng nhiệt đường hút ẩm đẳng nhiệt Sự khác gía trị ẩm độ cân thực phẩm hút thoát ẩm gọi hiệu ứng trễ (hysteresis effect) Số liệu số phương trình 5-18 vài loại hạt cho bảng 5-2 Bảng 5-2 : Hạt k (*10-5) n C 58 Tính Chất Vật Lý Thực Phẩm Bắp Đậu phộng Lúa Đậu nành 8,6541 65,0413 1,9187 30,5327 1,8634 1,4984 2,4451 1,2164 59 49,810 50,561 51,161 134,136  Mơ hình GAB : Là mơ hình bán lý thuyết Guggenheim-Anderson - De Boer đề nghị sau (tên ba tác giả): Mcb = MgmYK cb / (1 – K cb)(1 – K cb + YK cb) (5-19) Đây mô hình xem tốt cho nhiều loại thực phẩm khoảng rộng ẩm độ tương đối khơng khí Ở đây, Mgm độ chứa ẩm lớp đơn (kgH2O/kg khô kiệt), Y K số , cb Mcb đo thập phân Số liệu vài loại thực phẩm, hạt, cà phê,… cho bảng 5-3 Ví dụ với Agar, ẩm độ khơng khí cb = 70 % ( = 0,7) nhiệt độ 22 0C áp dụng công thức tìm ẩm độ cân Mcb = 26,9 % Bảng 5-3: Hút ẩm đẳng nhiệt số vật liệu Vật liệu Agar Gelatin Proteine Tinh bột (khoai tây) Tinh bột (khoai tây)* Bơ Sữa bột gạn kem Sữa bột gạn kem Sữa bột gạn kem* Sữa bột gạn kem* Cà phê (sấy lạnh) Cà phê (sấy phun) Trà bột Trà bột * Hạt điều Đậu phộng Hạt điều * Đậu phộng* T, 0C 22 22 20 20 20 22 25 34 25 34 20 20 21 21 27 30 27 30 cb 0,11-0,98 0,11-0,98 < 0,92 < 0,90 < 0,90 0,10-0,99 0,38-0,89 0,03-0,95 0,08-0,89 0,03-0,89 0,05-0,5 0,05-0,6 0,03-0,94 0,03-0,95 0,58-0,90 0,39-0,89 0,58-0,81 0,73-0,90 Mgm 0,133 0,092 0,062 0,101 0,140 0,051 0,043 0,040 0,038 0,049 0,039 0,032 0,044 0,075 0,047 0,028 0,051 0,035 K 0,736 0,938 0,751 0,740 0,651 0,859 0,929 0,942 0,952 0,878 1,182 1.285 0.898 0,050 0,823 0,924 0,772 0,872 Y 47,05 114,09 14,55 17,60 17,40 126,65 56,42 69,23 14,05 127,23 19,16 18,94 3,20 64,25 9,32 16,53 9,40 3,64 Ghi : dấu * trường hợp thoát ẩm đẳng nhiệt Khi ẩm độ tương đối mơi trường tăng ẩm độ cân thực phẩm tăng dẫn đến khả phát triễn loại nấm môc dễ nhiều cho 59 Tính Chất Vật Lý Thực Phẩm 60 bảng 5-4 Khi ẩm độ không khí 65-70%, đậu nành giữ mức ẩm độ cân 12-13 % có nấm A halophilicus phát triễn, cb = 75-80 % có thêm loại nấm khác Candidus, Ochraceus, ẩm độ đậu nành cao hơn, 14-15 % Tương tự, ẩm độ không khí 65-70% cơm dừa giữ mức ẩm độ cân 5-6% 7580% ẩm độ cân cơm dừa 7-8% Bảng 5-4: Am độ cân số loại vật liệu khoảng ẩm độ tương đối khơng khí từ 65-90 % loại nấm có khả phát triễn cb, % 65-70 70-75 Ngũ cốc 13-14,0 14-15,0 Đậu nành 12,0-13,0 13,0-14,0 75-80 14,516,0 14,0-15,0 80-85 85-90 16,018,0 Cơm dừa, đ phộng Loại nấm 5,0-6,0 Aspergillus halophilicus 6,0-7,0 A restrictus, A glaucus, Wallemia sebi 7,0-8,0 A candidus, A ochraceus 15,0-17,0 8,0-10,0 17,0-19,0 10,0-12,0 loại A flavus, Penicillium, loại Penicillium loại 18,020,0 Bảng 5.5: Các mơ hình tốn học đẳng nhiệt trao đổi ẩm Mơ hình tốn học Phương trình Oswin, 1946 Mcb = A [ cb /(1-cb] B Halsey, 1948 Mcb = [(-A/ lncb) ] 1/B Henderson, 1952 Mcb = [-ln(1-cb)/A]1/B Chung- Pfost, 1976 Mcb = (-1/B) ln[-lncb /A] Chung- Pfost cải biên, 1976 Mcb = A- [ B.ln(-T lncb)] Với: Mcb: ẩm độ cân sản phẩm với môi trường (EMC, thập phân, khô) cb : ẩm độ tương đối cân thập phân môi trường (ERH) T: nhiệt độ môi trường (°C) A, B hệ số 60 Tính Chất Vật Lý Thực Phẩm 8.2 61 Hoạt tính nƣớc thực phẩm ứng dụng 8.2.1 Khái niệm Nước đóng vai trò quan trọng ổn định thực phẩm tươi, động lạnh sấy khơ, tác động dung mơi cho phản ứng hóa học, vi sinh enzym Hoạt tính nước aw số đo khả nước tham gia phản ứng aw = pvf / pvs = cb (5-20) Trong pvs áp suất nước thực phẩm p vs áp suất nước bảo hòa nhiệt độ Hoạt tính nước thực phẩm ẩm độ cân khơng khí đo thập phân Như hút ẩm đẳng nhiệt mơ tả mối quan hệ hoạt tính nước ẩm độ thực phẩm 8.2.2 Đánh gía ổn định thực phẩm :  Hoạt động enzym phản ứng hóa học : Trong thực phẩm xảy phản ứng phản ứng hóa nâu, oxy hóa lipid, giảm cấp vitamin, phản ứng enzym, hóa keo tinh bột,…Sự giảm chất lượng hầu hết phản ứng bắt đầu tăng aw > 0,3 Cứ tăng aw lên 0,1 vùng aw < 0,4 thời gian bảo quản giảm từ hai đến ba lần Phản ứng hóa nâu mạnh aw vào khoảng 0,7  On định sắc tố thực phẩm : Sắc tố thực phẩm chịu ảnh hưởng hàm lượng oxy, oxy hóa ánh sáng, hàm lượng kim loại nặng, aw, pH, nhiệt độ Hoạt tính nước yếu tố ảnh hưởng đến màu sắc thực phẩm  Sự phát triễn vi sinh vật : aw gần ẩm độ thực phẩm khoảng 50 % hay lớn Khi hoạt tính nước loại thực phẩm nhỏ giá trị khuyến cáo vi sinh vật khơng phát triễn Hầu hết thực phẩm có gía trị từ 0,60,7 Cụ thể giá trị aw để bất hoạt vi sinh vật 0,91 cho vi khuẩn nói chung, 0,88 cho men nói chung, 0,80 cho mốc, 0,75 cho vi khuẩn halophilic, 0,65 cho nấm xerophilic 0,60 cho men osmophilic Nghĩa a w = 0,65 nấm xerophilic không phát triễn men osmophilic phát triễn Như với kiến thức hút ẩm đẳng nhiệt đánh gía lượng nước lớn mà thực phẩm cho phép hút vào qúa trình bảo quản Hoạt tính nước phát triễn vi sinh vật thực phẩm tóm tắt bảng 5-5 Bảng 5-5 : Hoạt tính nước phát triễn vi sinh vật thực phẩm Khoảng aw 1,0-0,95 Vi sinh vật bị ngăn cản aw thấp Các thực phẩm khoảng khoảng Pseudomonas, Escherichia, Proteus, Sản phẩm tươi dễ hư hỏng Shigella, Klebsiella, Bacillus, Closloại đóng hộp qủa, rau, thịt, cá, sữa; tridium perfringens, vài loại men xúc xích bánh mì nấu chín, thực phẩm chứa 40 % sucrose hay % muối NaCl (theo khối lượng) 61 Tính Chất Vật Lý Thực Phẩm Vài loại nước trái cô đặc,Vài loại bơ (cheddar, swiss, muenster), dăm bông, thực phẩm chứa 55 % đường hay 12 % muối Xúc xích lên men (salami), bánh xốp, bơ khơ, margarine, thực phẩm chứa 65 % sucrose hay 15 % NaCl Hầu hết loại nước trái cô đặc, sữa đặc có đường, xirơ sơcơla qủa, bột, gạo,hạt đậu ẩm độ 1517%, bánh trái Mứt, mứt qủa nghiền, bột hạnh nhân, kẹo dẽo Kẹo dẽo, thạch, rỉ đường, đường thô, vài loại qủa sấy, đậu Qủa sấy chứa 15-20 % ẩm, vài loại kẹo bơ, mật ong 0,95-0,91 Salmonella,Vibrio parahaemolyticus, Clostridium botulinum, Lactobacillus, Pediococcus, vài loại mốc, men 0,91-0,87 Nhiều loại men (Candida, Torulopsis, Hansenula), Micrococcus 0,87-0,80 Hầu hết loại nấm (mycotoxigenic penicillia), Staphylococcus aureus, hầu hết Saccharomyces spp., Debaryomyces Hầu hết vi khuẩn halophilic, mycotoxigenic aspergilli Mốc xerophilic (Aspergillus cheva lieri, A candidus, Wallemia sebi), Saccharomyces bisporus Men Osmophilic (Saccharomyces rouxii), vài loại mốc (A echinutalus, Monascus bisporus) Khơng có sinh sơi nảy nở vi Các loại thực phẩm có ẩm độ sinh vật 12%, ví dụ gia vị 10 % ẩm, bột trứng khô % ẩm, loại bánh quy 3-5% ẩm, sữa bột khô 2-3 %, rau khô % ẩm,… 0,80-0,75 0,75-0,65 0,65-0,60 < 0,50 62 8.2.3 Thiết kế kiểm sốt qúa trình : Có ba cách thơng dụng để giảm hoạt tính nước thực phẩm, (1) lấy bớt nước cách sấy khô cô đặc, (2) thêm chất tan vào thực phẩm ví dụ thêm muối, (3) lấy bớt nước thêm chất tan vào qúa trình thẩm thấu Dự đốn hoạt tính nước ln ln cần thiết thiết kế kiểm sốt qúa trình Điểm cuối qúa trình sấy hay thẩm thấu xác định ẩm độ cân 8.2.4 Chọn lựa đóng gói : Khi thực phẩm đóng gói màng bán thấm thực phẩm hút ẩm a w < cb ẩm aw > cb Đẳng nhiệt hút ẩm dùng để dự đoán tốc độ truyền ẩm xuyên qua màng bao gói giấy phủ thực phẩm loại ăn được, dự đốn thời gian bảo quản Sự di chuyển ẩm thực phẩm đóng gói kiểm soát hai yếu tố thấm thực phẩm thấm màng bao gói Nếu thấm thực phẩm lớn thấm màng bao gói cản trở đến di chuyển ẩm màng bao gói Phương trình tốn học dạng truyền ẩm Karel Labuza (1969) đề sau : ln  = e t (5-21) với : 62 Tính Chất Vật Lý Thực Phẩm 63  = (Mdcb – Mdi) / (Mdcb – Mdt) e = (k/x) (S/Gsa) (Pv/b) Trong Mdi Mdt ẩm độ ban đầu ẩm độ thời điểm t thực phẩm, khô Mdcb ẩm độ cân thực phẩm ứng với ẩm độ tương đối khơng khí xung quanh  nghịch đảo tỉ số ẩm độ, e thấm tổng thể, k/x thấm màng bao gói (kg nước/ m2-giờ-mmHg) cho bảng 5-6 pv áp suất nước bảo hòa nhiệt độ mơi trường xung quanh (mmHg), S diện tích bề mặt bao gói (m2), Gsa khối lượng chất khô thực phẩm bao gói (kg) Hằng số b độ dốc đoạn thẳng hút ẩm đẳng nhiệt giả thiết tuyến tính Bảng 5-6 : Sự thấm qua màng vật liệu đóng gói thực phẩm 35 0C Vật liệu Paperboard Polypropylene Cellophane/polyethylene mil polyethylene Polyethylene-terephthalate Polyester PET/PE Polyester/foil/PE k/x ( kg nước / m2- giờ-mmHg ), (*107 ) 3333 137 102 86 50 33 19 Ví dụ 5.2: Thực phẩm 3% khô đóng gói bao polyethylene Cho (S/Ga) 0,03 (m2/kg) phương trình hút ẩm đẳng nhiệt tuyến tính thực phẩm : Mdcb = 0,088 aw + 0,02 Tìm thời gian bảo quản thực phẩm bảo quản khơng khí có ẩm độ tương đối 70 % nhiệt độ 35 0C, biết ẩm độ cho phép thực phẩm % Giải : Ap dụng cơng thức 5-7‟ tính áp suất bảo hòa khơng khí nhiệt độ 35 0C pv = 5611 Pa = 5611*760/101325 = 42 mmHg Ngoài : Mdcb = 0,088*0,75 + 0,02 = 0,086  = (0,086 – 0.03) / (0,086 – 0, 05) = 1,56 Nên : e = (102*10-7)(0,03)(42/0,088) = 1,46*10-3 t = ln  / e = ln (1,56) / 1,46*10-3 = 290,8 = 12,12 ngày 8.2.5 Mơ hình tính tốn aw Đối với thực phẩm chế biến dạng ngun liệu rắn mơ hình hút ẩm đẳng nhiệt mơ tả khoảng rộng ẩm độ nhiệt độ Với 63 Tính Chất Vật Lý Thực Phẩm 64 dung dịch lỏng, sử dụng mơ hình hoạt tính nước theo hàm lượng mole tốt Sau giới thiệu vài cơng thức tính aw thơng dụng  Dung dịch lý tưởng : Định luật Raoult aw thành phần mole nước có dung dịch tính sau : aw = Xw / (Xw +  E Xs) (5-22) Trong Xw Xs thành phần khối lượng nước chất hòa tan, E tỉ lệ khối lượng phân tử nước chất hòa tan,  độ ion hóa chất hòa tan dung dịch Dấu  tổng chất hòa tan có dung dịch Theo Smith (1971), định luật Rauolt áp dụng tốt cho dung dịch có aw > 0,95 ta thấy ví dụ  Dung dịch khơng lý tưởng : Do thực tế kích thước phân tử chất hòa tan dung mơi khác nội lực phân tử biến thiên nhiều lý khác khiến cho dung dịch thể chất không lý tưởng Sau công thức Norrish (1966) : aw = mw {exp(k ms2)} (5-23) Trong mw ms thành phần mole nước chất hòa tan tính thập phân, k số thực nghiệm chất hòa tan cho bảng 5-7 Đây mơ hình sử dụng rộng rãi có sẳn gía trị k cho khoảng rộng chất hòa tan Với dung dịch khơng lý tưởng nhiều mơ hình khác Chen (1987) ; Grover (1947) ; Ross (1975) ;… Bảng 5-7 : Hằng số k công thức Norrish Loại Chất điện phân Chất không điện phân Thành phần Acids: -Amino-n-butyric acid -aminobutyric acid Citric acid Muối : KCl Đường : DE 42 Glactose Glucose (aw = 0,8-0,9) Glucose Fructose Polyols : Erythritol Glycerol Mannitol Hệ số k Thành phần Hệ số k - 2,59 - 2,57 - 6,17 Lactic acid Malic acid Tartaric acid - 1,59 - 1,82 - 4,68 - 10,81 NaCl - 17,48 - 5,31 - 2,24 - 2,11 - 2,92 - 2,15 Lactose Maltose Sucrose Xylose - 10,20 - 4,54 - 6,47 - 1,54 - 1,34 - 1,16 - 0,91 Sorbitol Propylene glycol Arabitol - 1,65 - 1,00 - 1,41 64 Tính Chất Vật Lý Thực Phẩm Xylitol 1,3-Butylene glycol Amides : Alanine Urea Glycine Loại khác : Lactulose Lysine Ornithine - 1,66 - 3,47 2,3-butylene glycol - 4,78 - 2,52 + 2,02 + 0,87 -Alanine Lactamide Glycolamide - 2,52 + 0,71 + 0,74 - 8,00 - 9,30 - 6,40 PEG 400 PEG 600 Proline - 26,60 - 56,00 - 3,90 65 Ví dụ 5.3: Tính tốn hoạt tính nước dung dịch đường sucrose nồng độ (a) 20% (b) 64 % Giải : Lấy công thức chung đường disaccharides C12H22O11 có khối lượng phân tử 342, nên E = 18/342 = 0,053 Sucrose khơng ion hóa nên  = có chất hòa tan đường sucrose (a) Xs = 0,2 ; Xw = - Xs = 0,8 Từ định luật Raoult : aw = 0,8 / (0,8 + 0,053*0,2) = 0,987 Trong cơng thức Norrish có mw = 0,987 ; ms = – mw = 0,013 Bảng 5-7 cho k = 6,47 aw theo công thức Norrish : aw = 0,987 {exp(-6,47*0,0132)} = 0,986 Thực nghiệm cho aw = 0,986 25 0C Vậy cơng thức Raoult xác (b) Xs = 0,64 ; Xw = – Xs = 0,36 Từ định luật Raoult : aw = 0,36 / (0,36 + 0,053*0,64) = 0,914 Trong cơng thức Norrish, có mw = 0,914 ; ms = – 0,914 = 0,086 ; k = -6,47 nên aw tính theo Norrish : aw = 0,914 {exp(-6,47*0,0862)] = 0,871 Giá trị thực nghiệm cho aw = 0,844 25 0C Vì hoạt tính nước theo cơng thức Raoult có độ sai lệch nhiều với thực nghiệm nồng độ dung dịch cao, công thức Norrish gần với thực nghiệm Ví dụ 5.4: Tìm hoạt tính nước dung dịch chứa 20% sucrose 20% NaCl Giải : Tỉ số khối lượng mole sucrose NaCl E1 = 0,053 E2 = 18/58,44 = 0,308 Hàm lượng nước Xw = – Xs1 – Xs2 = – 0,20 – 0,20 = 0,60 Vì muối ion hóa dung dịch với độ ion lớn Nên công thức Raoult cho : 65 Tính Chất Vật Lý Thực Phẩm 66 aw = 0,60 / {0,60 +(1*0,053*0,20+2*0,308*0,20)} = 0,818 Và thành phần mole nước chất hòa tan dung dịch : mw = 0,60 / (1*0,60 + 0,053*0,20 + 0,308*0,20) = 0,893 ms1 = 0,20*0,053 / (1*0,60 + 0,053*0,20 + 0,308*0,20) = 0,016 ms2 = – mw – ms1 = 0,092 Tính aw theo công thức Norrish : aw = 0,893 exp (-6,47*0,0162 – 17,48*0,0922) = 0,769 Giá trị thực nghiệm aw = 0,744 nhiệt độ 25 0C Công thức Norrish tốt công thức Raoult nồng độ dung dịch cao Bài tập : Tìm ẩn nhiệt hóa hơi, áp suất bảo hòa áp suất trạng thái khơng khí ẩm có nhiệt độ 35 0C ẩm độ tương đối 80 % Tìm tỉ lệ ẩm enthalpy khơng khí cơng thức giản đồ Khơng khí máy điều hòa làm lạnh đến nhiệt độ 20 0C Tìm lượng nước ngưng tụ sau biết lưu lượng khí thổi qua máy 0,05 m3/s Hỏi máy điều hòa hấp thu lượng nhiệt bỏ qua tất tổn thất (Gợi ý : tính lượng nhiệt cách đổi lưu lượng khí kgk3/s nhân với độ lệch enthalpy) Nung nóng khơng khí lên 55 0C Tìm thơng số trạng thái lại Hỏi lượng tiêu hao/giờ để nung nóng biết lưu lượng khí cần nung 0,2 m3/s Thổi khơng khí nóng qua lớp vật liệu ẩm giờ, nhiệt độ bình qn 37 0C Tìm thơng số trạng thái khơng khí Với lưu lượng 4, hỏi khơng khí lấy nước từ vật liệu ? Tìm ẩm độ cà chua theo khô trước sau sấy biết ẩm độ tính theo ướt 70 % trước sấy 30 % sau sấy Tìm giá trị nhỏ lớn ẩm độ tính theo khô ướt Khi ẩm độ vật liệu cao máy khơng đo trực tiếp Vì đem cân vật liệu ban đầu 400 g đem sấy khô đến ẩm độ 20 % theo ướt Đem cân lại khối lượng 320 g Hỏi ẩm độ ban đầu vật liệu Sấy cá từ ẩm độ ban đầu Mw1 xuống khơ đem cân thấy khối lượng 1/3 so với trước Đem đo ẩm độ cá khô gía trị Mw2 = 28 % theo ướt Tìm Mw1 10 Thổi liên tục khơng khí 32 0C ẩm độ tương đối 80 % qua lớp đậu phộng có ẩm độ đầu 40 % theo ướt thời gian dài đạt cân Hỏi ẩm độ sau đậu phộng Nếu tiếp tục thơng gió lâu dài mà ẩm độ khơng khí tăng lên 95 % nhiệt độ ẩm độ đậu phộng ? 66 Tính Chất Vật Lý Thực Phẩm 67 11 Để sữa bột gạn kem phòng mát tiếp xúc trực tiếp với khơng khí 25 0C ẩm độ tương đối 60 % Hỏi ẩm độ sữa bột sau thời gian dài biết ẩm độ ban đầu % theo ướt 12 Bột đậu nành khô ẩm độ % theo ướt đóng gói bao polyester với tỉ lệ S/Gsa = 0,6 m2 bao bì / kg đậu bảo quản mơi trường khơng khí T = 30 0C ,  = 75 % a Đánh gía thời gian bảo quản ( Gợi ý : Tìm độ dốc b đường cong hút ẩm đăng nhiệt lân cận  = 75 % theo mơ hình Henderson cải biên) b Các loại nấm phát triễn sau thời gian bảo quản ? 13 Tìm hoạt tính nước dung dịch muối KCl nồng độ 30 % theo khối lượng 14 Tìm hoạt tính nước dung dịch gồm 20 % sucrose, 15 % muối NaCl, 10 % muối KCl % Malic acid 67 .. .Tính chất cơng nghệ vật liệu Mở đầu Tính chất vật lý thực phẩm có tầm quan trọng tính tốn q trình chọn lựa thiết bị chế biến bảo quản thực phẩm, kiểm tra chất lượng thực phẩm Các tính chất vật. .. phẩm Các tính chất vật lý thực phẩm bao gồm tính chất hình học, tính chất nhiệt, tính chất lưu biến, tính chất bề mặt, tính chất hút nhả ẩm, màu sắc tính chất điện từ, đặc tính chuyển pha chuyển... phụ thuộc vào tính chất vật lý Tính chất cơng nghệ vật liệu thực phẩm có tính chất nhiệt độ dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng thực phẩm tính chất hình học kích thước hình dạng Đối với sản phẩm lỏng, độ