Hầu hết các hoạt động chế biến thực phẩm được sử dụng để kéo dài thời hạn sử dụng của thực phẩm liên quan đến việc làm nóng thực phẩm đến nhiệt độ có khả năng làm bất hoạt hoạt động của vi sinh vật và enzyme. Các phương pháp xử lý nhiệt này dựa trên sự truyền nhiệt có kiểm soát phụ thuộc vào tính chất nhiệt của nguyên liệu thực phẩm. Để tăng nhiệt độ bên trong của sản phẩm thực phẩm, trước tiên nhiệt phải được truyền ra bề mặt bên ngoài của thực phẩm, sau đó truyền qua nguyên liệu thực phẩm để đến trung tâm của sản phẩm thực phẩm.
7 Thermal Properties Tính chất nhiệt Most of the food processing operations used to prolong the shelf life of foods involve heating foods to temperatures capable of inactivating microbial and enzymatic activity These heat treatments are based on controlled heat transfer that depends upon thermal properties of the food materials In order to increase the internal temperature of a food product, heat must first be transferred to the outer surface of the food, and then transmitted through the food material in order to reach the center of the food product This is an example of heat transfer In Section 7.6 heat transfer is described in more detail When heat is added to a material (heating), the temperature of that material will increase so long as it is not undergoing a change in phase The extent of temperature rise is governed by the heat capacity of the material (see Section 7.4) When heat is removed from a material (cooling), and transferred to a surrounding heat exchange medium at a lower temperature, the temperature of the material will decrease Figure 7.1 illustrates these different directions of heat flow In food processing, thermal process operations are very important for food safety Some examples of thermal process operations are listed in Table 7.1 Hầu hết hoạt động chế biến thực phẩm sử dụng để kéo dài thời hạn sử dụng thực phẩm liên quan đến việc làm nóng thực phẩm đến nhiệt độ có khả làm bất hoạt hoạt động vi sinh vật enzyme Các phương pháp xử lý nhiệt dựa truyền nhiệt có kiểm sốt phụ thuộc vào tính chất nhiệt ngun liệu thực phẩm Để tăng nhiệt độ bên sản phẩm thực phẩm, trước tiên nhiệt phải truyền bề mặt bên ngồi thực phẩm, sau truyền qua nguyên liệu thực phẩm để đến trung tâm sản phẩm thực phẩm Đây ví dụ truyền nhiệt Trong phần 7.6 truyền nhiệt mô tả chi tiết Khi nhiệt thêm vào vật liệu (gia nhiệt), nhiệt độ vật liệu tăng miễn khơng trải qua thay đổi pha Mức độ tăng nhiệt độ chi phối khả nhiệt vật liệu (xem Phần 7.4) Khi nhiệt lấy khỏi vật liệu (làm mát) chuyển đến môi trường trao đổi nhiệt xung quanh nhiệt độ thấp hơn, nhiệt độ vật liệu giảm Hình 7.1 minh họa hướng khác dòng nhiệt Trong chế biến thực phẩm, hoạt động trình nhiệt quan trọng an tồn thực phẩm Một số ví dụ hoạt động trình kê Bảng 7.1 In this chapter we want to focus on thermal properties of foods, such as heat capacity, temperature and enthalpy of phase transition points (melting, freezing, glass transition, chemical reactions, evaporation, etc.), as well as the caloric value of foods We will also introduce some methods and techniques for measuring some of these thermal properties Trong chương này, muốn tập trung vào tính chất nhiệt thực phẩm, chẳng hạn nhiệt dung, nhiệt độ độ hấp thụ điểm chuyển pha (nóng chảy, đóng băng, chuyển thủy tinh, phản ứng hóa học, bay hơi, v.v.), giá trị calo thực phẩm Chúng ta giới thiệu số phương pháp kỹ thuật để đo số tính chất nhiệt 7.1 Temperature The temperature of a system is an indication of the kinetic energy exhibited by the molecular motion taking place within the constituent substances of the system This kinetic energy increases with increasing temperature (molecules move about at greater speed) The mathematical product of absolute temperature T and Boltzmann’s constant k is called the thermal energy E of a system Nhiệt độ hệ dấu hiệu động thể chuyển động phân tử diễn chất cấu thành hệ Động tăng nhiệt độ tăng (các phân tử di chuyển với tốc độ lớn hơn) Tích số toán học nhiệt độ tuyệt đối T số Boltzmann K gọi lượng nhiệt E hệ E = k · T (7.1) where E energy in J k Boltzmann’s constant in J · K-1 T temperature in K On a molecular scale, the thermal energy is the kinetic energy of the molecules moving about within a system Recall the ideal gas where there velocity distribution of the gas atoms is a function of the temperature (see Appendix 15.2 about distribution functions) On a macroscopic scale, the thermal energy of a system can be expressed by the temperature of the system So, a high system temperature indicates the molecules have high kinetic energy At a hypothetical zero temperature, the molecules will be completely at rest with no kinetic energy This is the lower limit (zero point) of the absolute temperature scale (thermodynamic temperature scale) It has no upper limit The temperature unit chosen for this scale is K (Kelvin), which is defined as 1/273.16 of the triple point temperature of water This triple point is the same at any point in the world, and is called a fixed point of the thermodynamic temperature scale Figure 15.8 illustrates the triple point of water as a point in the state diagram that can be exactly defined by the temperature and pressure at which the three phases of water are coexisting Ở quy mô phân tử, lượng nhiệt động phân tử di chuyển hệ thống Nhớ lại khí lý tưởng nơi có phân phối vận tốc nguyên tử khí hàm nhiệt độ (xem Phụ lục 15.2 hàm phân phối) Ở quy mô vĩ mơ, lượng nhiệt hệ thống biểu thị nhiệt độ hệ thống Vì vậy, nhiệt độ hệ thống cao cho thấy phân tử có động cao Ở nhiệt độ khơng giả thuyết, phân tử hoàn toàn nghỉ ngơi khơng có động Đây giới hạn (điểm không) thang đo nhiệt độ tuyệt đối (thang đo nhiệt độ nhiệt động lực học) Nó khơng có giới hạn Đơn vị nhiệt độ chọn cho thang đo K (Kelvin), xác định / 273,16 nhiệt độ ba điểm nước Điểm ba giống điểm giới gọi điểm cố định thang đo nhiệt độ nhiệt động lực học Hình 15.8 minh họa điểm ba nước điểm sơ đồ trạng thái xác định xác nhiệt độ áp suất mà ba pha nước tồn Because of historic reasons, there are other temperature scales (◦C, ◦F, ◦R) having other units and fixed points For example, the Celsius scale is based on the fixed points for the temperatures at which water will freeze (freezing point) and boil (boiling point) at standard atmospheric pressure The temperature difference between those fixed points was defined to be 100 degrees In a similar manner the Fahrenheit scale was based on two fixed points that could be recognized at the time Zero on the Fahrenheit scale (17.8 ◦C = ◦F) was the lowest temperature that could reached at that time, and the high point of the scale (100 ◦F) was set at what was believed to be body blood temperature of a healthy person (37 ◦C = 100 ◦F) The temperature difference between those fixed points was defined to be 100 degrees Likewise, there exists an absolute temperature scale based on each degree being the same as a Fahrenheit degree This is called the Rankine temperature scale (R), and is a counterpart to the Kelvin temperature scale, but in Fahrenheit degree units (instead of Celsius degree units) Table 7.2 shows an overview Table 15.17 in the Appendix allows the conversion temperatures between these different scales Vì lý lịch sử, có thang đo nhiệt độ khác (◦C, F, R) có đơn vị điểm cố định khác Ví dụ, thang đo Celsius dựa điểm cố định cho nhiệt độ mà nước đóng băng (điểm đóng băng) sơi (điểm sơi) áp suất khí tiêu chuẩn Chênh lệch nhiệt độ điểm cố định xác định 100 độ Theo cách tương tự, thang đo Fahrenheit dựa hai điểm cố định nhận thời điểm Khơng thang đo Fahrenheit (17,8 C = F) nhiệt độ thấp đạt thời điểm điểm cao thang đo (100 F) đặt nhiệt độ vật thể cho người khỏe mạnh (37 C = 100 F) Chênh lệch nhiệt độ điểm cố định xác định 100 độ Tương tự vậy, tồn thang đo nhiệt độ tuyệt đối dựa độ giống độ Fahrenheit Đây gọi thang đo nhiệt độ Rankine (R) đối trọng thang đo nhiệt độ Kelvin, tính theo đơn vị độ Fahrenheit (thay đơn vị độ C) Bảng 7.2 cho thấy nhìn tổng quan Bảng 15,17 Phụ lục cho phép nhiệt độ chuyển đổi thang đo khác For industrial use, there is an international temperature scale called ITS-90 (international temperature scale of 1990) It is based on fixed points in the range between 0.7 K and 2500 K, which can be reproduced by many laboratories In Table 7.3 there are some fixed points of ITS-90 shown, which are of interest for food engineers The number of fixed points and their values are adjusted occasionally by international conventions between the national metrological institutes (list of them see Table 2.2) Đối với sử dụng cơng nghiệp, có thang đo nhiệt độ quốc tế gọi ITS-90 (thang đo nhiệt độ quốc tế năm 1990) Nó dựa điểm cố định phạm vi từ 0,7 K đến 2500 K, chép nhiều phịng thí nghiệm Trong Bảng 7.3, có số điểm cố định ITS-90 hiển thị, kỹ sư thực phẩm quan tâm Số lượng điểm cố định giá trị chúng điều chỉnh công ước quốc tế hệ thống đo lường quốc gia viện (danh sách họ xem Bảng 2.2) 7.2 Heat and Enthalpy Heat is a form of energy Energy exists in many forms (heat, light, work, chemical, e.g.in fuel, electricity, etc.), and often changes from one form into another, such as heat into work, chemical (fuel combustion) into heat, etc (see Table 7.4) Energy per se, however, can neither be created nor destroyed This is known as the first law of thermodynamics, and is often used by engineers as the rule of energy conservation in carrying out energy balance calculations on a system Nhiệt dạng lượng Năng lượng tồn nhiều dạng (nhiệt, ánh sáng, cơng, hóa chất, nhiên liệu điện tử, điện, v.v.) thường thay đổi từ dạng sang dạng khác, nhiệt thành cơng việc, hóa chất (đốt nhiên liệu) thành nhiệt, v.v (xem Bảng 7.4) Tuy nhiên lượng tự khơng thể tạo bị phá hủy Đây gọi định luật nhiệt động lực học thường kỹ sư sử dụng làm quy tắc bảo toàn lượng việc thực tính tốn cân lượng hệ When energy is transformed from one form to another, we have to take into account the efficiency of this transformation Except for heat, all forms of energy can be converted to each other with 100% efficiency in theory However, this is not true in reality where we have efficiencies below 100% In the case of heat, the conversion to other energy forms can be 100% displacement only when absolute zero temperature is reached Because of the third law of thermodynamics, this is considered to be impossible So as a consequence, heat cannot be converted to other forms of energy with efficiency of 100% Therefore, heat as a form of energy, has some special character Khi lượng chuyển đổi từ dạng sang dạng khác, phải tính đến hiệu phép biến đổi Ngoại trừ nhiệt, tất dạng lượng chuyển đổi lẫn với hiệu suất 100% lý thuyết Tuy nhiên, điều không thực tế có hiệu suất 100% Trong trường hợp nhiệt, việc chuyển đổi sang dạng lượng khác thay 100% đạt đến nhiệt độ khơng tuyệt đối Bởi định luật nhiệt động thứ ba, điều coi khơng thể Do đó, nhiệt khơng thể chuyển đổi thành dạng lượng khác với hiệu suất 100% Do đó, nhiệt dạng lượng, có số đặc tính The internal energy U of a thermodynamic system exists in the forms of both heat and work Therefore, two transformations are possible for internal energy Transfer of heat Q and/or transfer of work W So, we can express internal energy in the following way: Năng lượng bên U hệ nhiệt động tồn dạng nhiệt cơng Do đó, hai biến đổi cho lượng bên Truyền nhiệt Q / chuyển giao cơng W Vì vậy, biểu thị lượng bên theo cách sau: In a thermodynamic system, we treat work only in the form of displacement work W (force–displacement, or pressure–volume) We assume that other forms of work like electric, magnetic, elastic and frictional are not involved Trong hệ thống nhiệt động lực học, xử lý công dạng công dịch chuyển W (lực dịch chuyển, khối lượng áp lực) Chúng ta giả định dạng công khác điện, từ, đàn hồi ma sát không liên quan where U internal energy in J Q heat in J p pressure in Pa W work in J W displacement work in J V volume in m3 H enthalpy in J The negative sign in equation (7.4) takes into account that negative displacement dV represents energy uptake of a system, and has to be counted as a positive contribution (and vice versa) The term enthalpy H now is used for the sum of internal energy and the product pV: Dấu âm phương trình (7.4) tính đến dịch chuyển âm dV thể hấp thụ lượng hệ, phải tính đóng góp tích cực (và ngược lại) Thuật ngữ entanpy H sử dụng cho tổng lượng bên sản phẩm pV: So, for a change in enthalpy, we have: If we consider only cases where the pressure is constant (dp = 0), then we have: Together with equation (7.6), this means: This means that the amount of heat dQ which occurs during an isobaric (constant pressure) process is the same as the change in enthalpy of the system So, when we investigate material properties in a laboratory under constant (e.g normally atmospheric) pressure, we talk about enthalpy instead of energy of a system Điều có nghĩa lượng nhiệt dQ xảy q trình đẳng áp (áp suất khơng đổi) giống thay đổi entanpy hệ thống Vì vậy, điều tra tính chất vật liệu phịng thí nghiệm áp suất khơng đổi (ví dụ khí quyển), nói entanpy thay lượng hệ thống So the difference between the change in the internal energy dU of a system and the change in its enthalpy dH lies in the work, and with the approximations above, specifically in the displacement work dW = −pdV If in an isobaric process, there is no displacement or it is nearly zero, then the displacement work plays no role in the system, and the distinction between internal energy and enthalpy is no longer important The values of dH and dU are the same (see Table 7.5) Vì vậy, khác biệt thay đổi dU lượng bên hệ thống thay đổi dH entanpy nằm cơng, với xấp xỉ trên, cụ thể công dịch chuyển dW = pdV Nếu q trình đẳng áp, khơng có dịch chuyển gần khơng, cơng dịch chuyển khơng có vai trị hệ thống, phân biệt lượng bên entanpy khơng cịn quan trọng Các giá trị dH dU (xem Bảng 7.5) When heat is transferred into or out of a system, normally the temperature rises or falls, respectively This type of heat is called sensible heat because we can “sense” the warming or cooling effect by change in temperature But there are also cases where we can transfer heat into or out of a system, but the temperature stays constant This happens during boiling of water as it changes phase from liquid into gas (water vapor) or during freezing water into ice as it changes phase from liquid to solid This type of heat is called latent heat Latent heat is connected with phase transitions in the materials Before going into details about phase transitions, it will be helpful to recall some of the basic principles from thermodynamics in the next section Khi nhiệt truyền vào khỏi hệ thống, thông thường nhiệt độ tăng giảm tương ứng Loại nhiệt gọi nhiệt hợp lý cảm nhận hiệu ứng làm ấm làm mát cách thay đổi nhiệt độ Nhưng có trường hợp truyền nhiệt vào khỏi hệ thống, nhiệt độ không đổi Điều xảy q trình đun sơi nước chuyển pha từ chất lỏng thành khí (hơi nước) q trình đóng băng nước thành nước đá thay đổi pha từ lỏng sang rắn Loại nhiệt gọi nhiệt ẩn Nhiệt ẩn kết nối với pha chuyển tiếp vật liệu Trước vào chi tiết chuyển pha, hữu ích nhớ lại số nguyên tắc từ nhiệt động lực học phần 7.3 Thermodynamics - Basic Principles Nhiệt động lực học – Những nguyên lí Thermodynamics is the body of science in which we study the way in which substances are affected by heat, either when being heated or cooled, and especially when heat addition or removal causes a phase change It is no surprise therefore, that thermodynamics is an essential topic that must be well understood by most engineers, and especially food engineers Normally, entire textbooks are devoted solely to a basic primer in thermodynamics Since thermodynamics is not the main topic of this book, only a brief discussion of basic principles will be presented in order to appreciate the importance of thermal properties Nhiệt động lực học vật thể khoa học nghiên cứu cách thức chất bị ảnh hưởng nhiệt, làm nóng làm mát, đặc biệt thêm loại bỏ nhiệt gây thay đổi pha Do đó, khơng có ngạc nhiên nhiệt động lực học chủ đề thiết yếu phải hiểu rõ hầu hết kỹ sư, đặc biệt kỹ sư thực phẩm Thông thường, tồn sách giáo khoa dành cho nhập mơn nhiệt động lực học Vì nhiệt động lực học khơng phải chủ đề sách này, có thảo luận ngắn gọn nguyên tắc trình bày để đánh giá cao tầm quan trọng tính chất nhiệt Measuring thermal properties of materials requires that we conduct experiments to cause thermal effects to occur, and record the results of these effects Most often temperature or quantity of heat are measured and monitored Observing the temperature dependency (like the pressure dependency) of a physical quantity is a common way to study the energetic behavior of a material on a molecular scale Đo tính chất nhiệt vật liệu yêu cầu tiến hành thí nghiệm để gây hiệu ứng nhiệt xảy ghi lại kết hiệu ứng Hầu hết Các kỹ sư trình thường cần phải làm việc với đặc tính nhiệt động nhiệt entanpy sở khối lượng vật liệu (khối lượng riêng) Các đại lượng khối lượng riêng định cách sử dụng chữ viết thường, chẳng hạn q, cp, h, thay chữ in hoa Q, Cp, H thường sử dụng cho giá trị toàn cầu (tổng) Bảng 7.21 trình bày so sánh tổng khối lượng khối lượng riêng cho nhiệt dung riêng, nhiệt entanpy When enthalpy change is plotted over temperature for a given system, we obtain a graph similar to that shown in Figure 7.34, below Figure 7.34 shows an enthalpy–temperature diagram for ice cream mix, on which the enthalpy is plotted as a function of temperature Enthalpy is decreasing with decreasing temperature, and we should want to know at what temperature it will reach zero We know it is not possible to measure enthalpy at zero absolute temperature Therefore, it will be useful to designate a reference point where the enthalpy can be considered to be zero for subsequent calculations For practical reasons, this reference point has been chosen to be at zero degrees on the centigrade temperature scale, h(0 ◦C) = Hình 7.34 cho thấy sơ đồ nhiệt độ entanpy cho hỗn hợp kem, entanpy vẽ hàm nhiệt độ Enthalpy giảm nhiệt độ giảm nên biết nhiệt độ đạt đến không Chúng ta biết đo entanpy nhiệt độ tuyệt đối khơng Do đó, hữu ích định điểm tham chiếu entanpy coi cho tính tốn Vì lý thực tế, điểm tham chiếu chọn mức độ thang đo nhiệt độ C., h (0 C) = In working with thermodynamics and heat transfer calculations, process engineers need only deal with changes in enthalpy between different states of a system Therefore, it is not important at what point the zero reference has been chosen In the following example, we will perform a calculation that will help us recognize that it was not important where we had chosen the enthalpy to be zero Khi làm việc với nhiệt động lực học tính tốn truyền nhiệt, kỹ sư q trình cần đối phó với thay đổi entanpy trạng thái khác hệ thống Do đó, khơng quan trọng điểm tham chiếu số chọn Trong ví dụ sau, thực phép tính giúp nhận điều khơng quan trọng chọn entanpy Example 7.8 Chilling of ice cream mix How much heat must be drawn out of 500 kg ice mix to chill it from -5 ◦C to -20 ◦C? So a heat of 50 MJ has to be drawn out of the material sample The negative sign in the result indicates that this heat leaves the system, it is an exothermic process Vì vậy, nhiệt lượng 50 MJ phải rút khỏi mẫu vật liệu Dấu hiệu tiêu cực kết nhiệt rời khỏi hệ thống, q trình tỏa nhiệt When we integrate completely under the peak in a thermogram like in Figure 7.33, we obtain the heat or enthalpy of the transition that occurred during the thermal analysis, such as the heat of vaporization or the heat of fusion It is also possible to carry out the integration only part way through the peak, resulting in a partial integration This partial integration can be quantified as a ratio of the partial integration over the whole integration, as illustrated in Figure 7.35 This ratio will have a value between zero and one This quantity can be called the turnover of the peak ˛, and can also be plotted against temperature This is known as a turnover plot, and is shown in Figure 7.36 for the case of ice cream Khi tích hợp hồn tồn đỉnh nhiệt kế Hình 7.33, thu nhiệt entanpy trình chuyển đổi xảy q trình phân tích nhiệt, chẳng hạn nhiệt hóa nhiệt phản ứng tổng hợp Cũng thực tích hợp phần thơng qua đỉnh, dẫn đến tích hợp phần Sự tích hợp phần định lượng tỷ lệ tích hợp phần tồn tích hợp, minh họa Hình 7.35 Tỷ lệ có giá trị từ đến Đại lượng gọi doanh thu đỉnh, vẽ theo nhiệt độ Điều gọi âm mưu doanh thu, hiển thị Hình 7.36 cho trường hợp kem Figure 7.36 gives turnover plots for three different ice cream mixes, with each mix containing different carbohydrate systems When we look at the diagram at -5 ◦C, we see that recipe has a 60% turnover at that temperature, while recipe has only 20%, and recipe is in between Turnover plots can be constructed from any DSC peaks, as well as peaks from other types of analyses Therefore, they can help us get information about many other types of reactions and transitions that can be studied with thermoanalysis Hình 7.36 đưa sơ đồ doanh thu cho ba hỗn hợp kem khác nhau, với hỗn hợp chứa hệ thống carbohydrate khác Khi nhìn vào sơ đồ -5 C, thấy cơng thức có doanh thu 60% nhiệt độ đó, cơng thức có 20% cơng thức Sơ đồ doanh thu xây dựng từ đỉnh DSC nào, đỉnh từ loại khác phân tích Do đó, họ giúp có thơng tin nhiều loại phản ứng chuyển tiếp khác nghiên cứu phương pháp phân tích nhiệt Figure 7.37 Schematic of hypothetical DSC Figure 7.37 shows some typical signals which may occur during a DSC run Looking at the graph from left to right we see a step in the baseline which can indicate a glass transition followed by an exotherm peak which can be the signal of a recrystallization The following endotherm peak might be due to a melting transition, vaporization, sublimation, or another type of transition Hình 7.37 cho thấy số tín hiệu điển hình xảy trình chạy DSC Nhìn vào biểu đồ từ trái sang phải, thấy bước đường sở chuyển tiếp thủy tinh theo sau đỉnh tỏa nhiệt tín hiệu kết tinh lại Đỉnh nhiệt kế sau trình nóng chảy, hóa hơi, thăng hoa loại chuyển tiếp khác At high temperatures, many materials will undergo some type of thermal degradation in the form of decomposition or oxidation This will appear as a strong exothermal signal near the end of the DSC plot with very poor reproducibility A good introduction to thermal analysis of foods can be found in reference [20] Ở nhiệt độ cao, nhiều vật liệu trải qua số loại suy thối nhiệt dạng phân hủy oxy hóa Điều xuất dạng tín hiệu tỏa nhiệt mạnh gần cuối âm mưu DSC với độ tái lập Một giới thiệu tốt phân tích nhiệt thực phẩm tìm thấy tài liệu tham khảo [20] Figure 7.38 is a DSC plot (thermogram) of a plastic film consisting of polyethylene-therephthalate (PET) It is an example of an amorphous plastic material out of which most soft drink bottles are made In the DSC plot, we see a glass transition with a step in the base line at about 60 ◦C Upon further heating, we see an exothermic peak just after 100 ◦C due to recrystallization of the polymer Finally, we see an endothermic peak due to the melting of the crystalline structure at about 180 ◦C Glass transition is a second order transition (see Section 7.3.1) and can be detected by shifting of the baseline in a thermogram This is because, at the glass transition temperature, the heat capacity of the material changes dramatically Glass transitions can occur only with solids that are not crystalline Hình 7.38 biểu đồ DSC (nhiệt đồ) màng nhựa bao gồm polyethylene-Therephthalate (PET) Đây ví dụ vật liệu nhựa vơ định hình hầu hết chai nước sản xuất Trong sơ đồ DSC, thấy trình chuyển đổi thủy tinh với bước đường sở khoảng 60 ◦C Khi nung nóng thêm, thấy đỉnh tỏa nhiệt sau 100 ◦C kết tinh lại polymer Cuối cùng, thấy đỉnh cực nhiệt tan chảy cấu trúc tinh thể khoảng 180 ◦C Chuyển đổi thủy tinh trình chuyển đổi thứ hai (xem Phần 7.3.1) phát cách dịch chuyển đường sở biểu đồ nhiệt Điều do, nhiệt độ chuyển thủy tinh, khả nhiệt vật liệu thay đổi đáng kể Sự chuyển tiếp thủy tinh xảy với chất rắn không kết tinh There are some applications in which food products are in the form of a solid glass state material In these types of products, the moisture content has strong influence on the glass transition temperature A good introduction into this field of phase diagrams and glassy states can be found in references [21,23] Có số ứng dụng sản phẩm thực phẩm dạng vật liệu thủy tinh rắn Trong loại sản phẩm này, độ ẩm có ảnh hưởng mạnh đến nhiệt độ chuyển thủy tinh Một giới thiệu tốt lĩnh vực sơ đồ pha trạng thái thủy tinh tìm thấy tài liệu tham khảo [21,23] Temperature Modulated DSC Temperature modulated DSC (MDSC) is based upon the superposition of a periodic cycling temperature program onto a linear temperature–time program Sometimes this technique is called alternating DSC (ADSC) In Figure 7.39 we show an example of a periodic modulated temperature–time profile superimposed upon a linear ramp temperature–time profile If the periodic profile is a sinusoidal function, then we can express the temperature as a function of time as follows: DSC điều chế nhiệt độ (MDSC) dựa chồng chất chương trình nhiệt độ chu kỳ định kỳ lên chương trình thời gian nhiệt độ tuyến tính Đơi kỹ thuật gọi DSC xen kẽ (ADSC) Trong Hình 7.39, trình bày ví dụ cấu hình thời gian nhiệt độ điều chế định kỳ đặt chồng lên cấu hình thời gian đường dốc nhiệt độ tuyến tính Nếu cấu hình định kỳ hàm hình sin, biểu thị nhiệt độ dạng hàm thời gian sau: The period T of the modulation can be obtained from: The heating rate can be obtained as the derivative of the temperature β0 is the underlying linear heating rate, whereas ˇ is the actual (momentary) heating rate Here ϑ temperature in ◦C ϑ0 initial temperature in ◦C t time in s β0 underlying heating rate in K · s-1 β actual heating rate in K · s-1 Aϑ amplitude of temperature in K Aβ amplitude of heating rate in K · s-1 ωf angular frequency in s-1 f frequency in s-1 T period in s When the heating rate is modulated, the resulting heat flow is modulated also When we place a sample into a MDSC instrument and apply a sinusoidal temperature modulation, the system will respond with a sinusoidal modulated heat flow Q˙ This heat flow is not proportional to the temperature, but to the first derivative of temperature with respect to time, which is the heating rate Therefore, heat flow Q˙ and heating rate ˇ are said to be “in phase” with each other, and there is zero phase shift between them, δ = 0◦ Khi đặt mẫu vào dụng cụ MDSC áp dụng điều chế nhiệt độ hình sin, hệ thống đáp ứng với dịng nhiệt điều chế hình sin Q˙ Lưu lượng nhiệt không tỷ lệ thuận với nhiệt độ, với đạo hàm nhiệt độ theo thời gian, tốc độ gia nhiệt Do đó, lưu lượng nhiệt Q˙ tốc độ gia nhiệt gọi chuyển động pha với khơng có dịch pha chúng, δ = 0◦ Zero phase shift represents a behavior in which a sample responds only on the basis of its heat capacity When there are thermal transitions in the sample this is different from the behavior of a simple heat capacity because then heat can be “consumed” by the sample or dissipated In such cases the response to temperature modulated analysis in a MDSC will show a phase shift greater than zero So the value of the phase shift ı provides information about the extent to which a sample takes up heat in a reversing or in a nonreversing mode Table 7.22 gives an overview of typical phase shifts Độ lệch pha không biểu thị hành vi mẫu phản ứng sở khả nhiệt Khi có chuyển đổi nhiệt mẫu, điều khác với hoạt động cơng suất nhiệt đơn giản nhiệt tiêu thụ mẫu tiêu tan Trong trường hợp vậy, đáp ứng với phân tích điều chế nhiệt độ MDSC cho thấy độ dịch pha lớn Vì vậy, giá trị dịch pha ı cung cấp thông tin mức độ mà mẫu lấy nhiệt chế độ đảo ngược chế độ không đảo Bảng 7.22 đưa nhìn tổng quan dịch chuyển pha điển hình When the response of a sample to MDSC differs from ideal heat capacity, it means some type of transition is occurring that requires heat in addition to the heat capacity part We call this added heat flow for transitions the kinetic part In general, we can say the modulated heat flow to a sample from MDSC is made up of a part due to the heat capacity of the sample as well as a kinetic part due to transitions Khi phản ứng mẫu MDSC khác với công suất nhiệt lý tưởng, điều có nghĩa số loại chuyển đổi diễn địi hỏi nhiệt ngồi phần cơng suất nhiệt Chúng ta gọi dòng nhiệt thêm vào để chuyển tiếp phần động học Nói chung, nói dịng nhiệt điều chế đến mẫu từ MDSC tạo thành từ phần khả nhiệt mẫu phần động học trình chuyển đổi Therefore, the response signal from a MDSC thermogram can be separated by Fourier analysis into two component heat flow signals Conversely, when we add these two components with the phase shift ı, we can obtain the total measured signal Do đó, tín hiệu phản hồi từ nhiệt kế MDSC phân tách phân tích Fourier thành hai tín hiệu dòng nhiệt thành phần Ngược lại, thêm hai thành phần với dịch pha, thu tổng tín hiệu đo In mathematics, we make use of complex numbers to represent these types of quantities A complex number contains an imaginary part and a real part 324 Thermal Properties (see Appendix 15.3) So, using complex numbers, we can express the heat flow mathematically as follows: Trong toán học, sử dụng số phức để biểu diễn loại số lượng Một số phức chứa phần ảo phần thực 324 Thuộc tính nhiệt (xem Phụ lục 15.3) Vì vậy, cách sử dụng số phức, biểu thị dịng nhiệt theo toán học sau: where complex heat flow in W real part of complex heat flow in W imaginary part of complex heat flow in W Recall that we first worked with complex numbers in Chapter on rheology The real part of the number is the storage part, and the imaginary part is called the loss quantity In the case of heat flow, the real part Q˙ is that part which can be taken up by the sample with its heat capacity, so the heat can be stored and subsequently released We call this real part reversible heat flow The imaginary part, on the other hand, is the heat flow for the kinetic effects that are consumed by the sample This part is nonreversible, and is lost from the sample Table 7.23 summarizes these definitions Hãy nhớ lại lần làm việc với số phức Chương lưu biến học Phần thực số phần lưu trữ phần ảo gọi phần Trong trường hợp dòng nhiệt, phần thực Q˙ phần lấy mẫu có khả sinh nhiệt, nhiệt lưu trữ giải phóng sau Chúng ta gọi dòng nhiệt đảo ngược phần thực Mặt khác, phần tưởng tượng dòng nhiệt cho hiệu ứng động học tiêu thụ mẫu Phần đảo ngược, bị khỏi mẫu Bảng 7.23 tóm tắt định nghĩa We can now appreciate how MDSC experiments can allow us to distinguish between reversible and nonreversible heat flow Figure 7.40 is a MDSC thermogram from a partly crystalline carbohydrate sample We can see that the glass transition can be detected in the reversing signal Whereas, the recrystallization reaction (exothermic peak), is detectable in the nonreversing signal The melting signal seems to have both components (reversing and nonreversing) Note that this type of information cannot be derived from conventional DSC analysis Bây đánh giá cao cách thí nghiệm MDSC cho phép phân biệt dịng nhiệt đảo ngược khơng thể đảo ngược Hình 7.40 nhiệt kế MDSC từ mẫu carbohydrate tinh thể phần Chúng ta thấy q trình chuyển đổi thủy tinh phát tín hiệu đảo chiều Trong đó, phản ứng kết tinh lại (đỉnh tỏa nhiệt), phát tín hiệu khơng đảo Tín hiệu nóng chảy dường có hai thành phần (đảo ngược không đảo ngược) Lưu ý loại thông tin khơng thể lấy từ phân tích DSC thông thường In the same way, we can think of the heat capacity of a sample as being a complex quantity made up of a real part and an imaginary part The terms used Theo cách, nghĩ khả nhiệt mẫu đại lượng phức tạp tạo thành từ phần thực phần tưởng tượng Các thuật ngữ sử dụng where Cp complex heat capacity in J · K-1 C’p real part of heat capacity in J · K-1 C”p imaginary part of heat capacity in J · K-1 With the phase shift ı known it is possible to calculate the parts of that complex heat capacity: Experimental Conditions for MDSC Experiments Recall that in carrying out a DSC experiment, only certain experimental conditions and parameters are subject to being controlled by the operator of the instrument These include heating rates, oven atmospheres, types of pans used, sample size, etc We also learned that very small sample sizes are always recommended for best results However, the size of the sample must be sufficiently large so that the limited sensitivity of the instrument and of the sample weighing balance will not introduce any significant error Hãy nhớ lại thực thí nghiệm DSC, số điều kiện thông số thử nghiệm định phải kiểm soát người vận hành thiết bị Chúng bao gồm tốc độ gia nhiệt, khí lị, loại chảo sử dụng, cỡ mẫu, v.v Chúng ta học kích thước mẫu nhỏ ln khuyến nghị để có kết tốt Tuy nhiên, kích thước mẫu phải đủ lớn để độ nhạy giới hạn dụng cụ cân cân mẫu không gây lỗi đáng kể When we advance to Modulated DSC (MDSC), we also introduce frequency and amplitude of the oscillations as additional control variables If the frequency is set at zero, then we have no modulations at all, and the experiment reverts to a classic DSC analysis If the frequency is set too high, the hardware system may be incapable of reversing the direction of heat flow at such a high speed Therefore, it is always necessary to perform a series of preliminary experiments for the purpose of determining the most appropriate frequencies and amplitudes to be used in order to meet the intended objectives of the MDSC analysis For details refer to reference [25,61] Khi tiến tới Điều chế DSC (MDSC), giới thiệu tần số biên độ dao động biến điều khiển bổ sung Nếu tần số đặt mức 0, khơng có biến điệu cả, thử nghiệm trở lại phân tích DSC cổ điển Nếu tần số đặt cao, hệ thống phần cứng khơng có khả đảo ngược hướng dịng nhiệt tốc độ cao Do đó, luôn phải thực loạt thử nghiệm sơ nhằm mục đích xác định tần số biên độ phù hợp sử dụng để đáp ứng mục tiêu dự định phân tích MDSC Để biết chi tiết tham khảo [25,61] 7.10 Applications Temperature Sensing remote temperature sensing in logistics of frozen goods method L00.00-5 in [100] liquid crystals as temperature probes for food between 30 ◦C and 115 ◦C [24] Wireless temperature sensing system for monitoring pig meat [26] freezing point temperature of milk as a measure of quality [28] method L01.00-29 in [100] method 961.07 in [104] temperature indicator for food and frozen food [29–31] Thermal Conductivity and Diffusivity thermal diffusivity measurement using a simple one-dimensional Fourier cylindrical solution [33] thermal diffusivity of amylose, amylopectin and starch: photoacoustic measurement [34] thermal diffusivity of foamed food gels [35] thermal diffusivity of granular food [36] thermal diffusivity measurement during high-pressure treatment [37] thermal diffusivity and conductivity of crystalline polymers [38] pet food: thermal diffusivity measurement [39] thermal conductivity of frozen dough [40] shrimp: thermal conductivity and heat capacity [41] ice cream: modeling of thermal properties [32,42] influence of moisture to heat conductivity of food [43] Thermal Analysis meat: thermophysical properties by DSC [44] cheddar cheese: modeling thermal properties [45] meat and dough: prediction of thermal properties during freezing and thawing [46] frozen wheat dough: phase transitions by thermal analysis [47] glassy state and invertase stability in amorphous dried matrices of trehalose, maltodextrin [48] glass transition and enthalpy relaxation of amorphous lactose glass [49] anhydrous lactose: a study with DSC and TXRD [50] effect of phase transitions on release of n-propanol entrapped in carbohydrate glasses [51] water plastication effects in amorphous carbohydrates [52] chicken meat: desorption isotherms and glass transition temperature [53] strawberries: water sorption isotherms and glass transition [54] color of strawberries: effect by modification glass transition temperature [71] bacterial spores: glass formation and dormancy [55] texture testing instrumentation for glass transitions of food powders [56] DSC under pressure up to 200 MPa [57] Simultaneous DSC and DTG for determination of sorption isotherms and enthalpies [58] solid–solid transitions reactions: DSC and X-ray scattering [59] purity of solids: measurement by DSC [60] caffein adsoption process: investigation by TG [61] coffee roasting process: investigation by TG [16,17] dynamic thermal treatments in process engineering: kinetic parameter estimation and model development [63,64] frozen food: modeling heat and mass transfer [72] lactose, freeze dried: influence of salt on crystallization behavior [74,75] Standards thermal analysis; differential thermal analysis [65] testing of plastics and elastomers by DSC [66] glass transition temperature of rubber by DSC [67] glass transition temperatures by DSC [68] glass transition temperatures by DMTA [69] enthalpies of fusion and crystallization of polymers by DSC [70] Cảm biến nhiệt độ cảm biến nhiệt độ từ xa hậu cần phương pháp đông lạnh L00.00-5 [100] tinh thể lỏng làm đầu dò nhiệt độ cho thực phẩm khoảng từ 30 ◦C đến 115 C [24] Hệ thống cảm biến nhiệt độ không dây để theo dõi thịt lợn [26] nhiệt độ điểm đóng băng sữa thước đo chất lượng [28] phương pháp L01.00-29 [100] phương pháp 961,07 [104] báo nhiệt độ cho thực phẩm thực phẩm đông lạnh [29, 31] Độ dẫn nhiệt độ khuếch tán đo độ khuếch tán nhiệt dung dịch hình trụ Fourier chiều đơn giản [33] độ khuếch tán nhiệt amyloza, amylopectin tinh bột: đo quang điện tử [34] độ khuếch tán nhiệt gel thực phẩm tạo bọt [35] độ khuếch tán nhiệt thức ăn dạng hạt [36] đo độ khuếch tán nhiệt trình xử lý áp suất cao [37] độ khuếch tán nhiệt độ dẫn polyme tinh thể [38] thức ăn vật nuôi: đo độ khuếch tán nhiệt [39] tính dẫn nhiệt bột đông lạnh [40] tôm: độ dẫn nhiệt nhiệt dung [41] kem: mơ hình hóa tính chất nhiệt [32,42] ảnh hưởng độ ẩm đến độ dẫn nhiệt thực phẩm [43] Phân tích nhiệt thịt: tính chất vật lý nhiệt DSC [44] phơ mai cheddar: mơ hình tính chất nhiệt [45] thịt bột: dự đốn tính chất nhiệt q trình đóng băng tan băng [46] bột mì đơng lạnh: chuyển pha phân tích nhiệt [47] trạng thái thủy tinh tính ổn định invertase ma trận khơ vơ định hình trehalose, maltodextrin [48] chuyển thủy tinh thư giãn entanpy thủy tinh lactose vơ định hình [49] Lactose khan: nghiên cứu với DSC TXRD [50] ảnh hưởng chuyển pha việc giải phóng n-propanol bị vướng vào ly carbohydrate [51] tác dụng cố định nước carbohydrate vơ định hình [52] thịt gà: đường đẳng nhiệt giải hấp nhiệt độ chuyển thủy tinh [53] dâu tây: đường đẳng nhiệt hấp thụ nước chuyển tiếp thủy tinh [54] màu sắc dâu tây: hiệu ứng cách thay đổi nhiệt độ chuyển thủy tinh [71] bào tử vi khuẩn: hình thành thủy tinh ngủ đông [55] dụng cụ kiểm tra kết cấu cho chuyển tiếp thủy tinh bột thực phẩm [56] DSC áp suất lên tới 200 MPa [57] Đồng thời DSC DTG để xác định đường đẳng nhiệt hấp phụ [58] phản ứng chuyển tiếp rắn solid rắn: tán xạ tia X tia X [59] độ tinh khiết chất rắn: đo DSC [60] trình hấp thụ caffein: điều tra TG [61] quy trình rang cà phê: điều tra TG [16,17] xử lý nhiệt động kỹ thuật trình: ước lượng tham số động học phát triển mơ hình [63,64] thực phẩm đơng lạnh: mơ hình hóa nhiệt chuyển khối [72] Lactose, đông khô: ảnh hưởng muối đến hành vi kết tinh [74,75] Tiêu chuẩn phân tích nhiệt; phân tích nhiệt vi sai [65] thử nghiệm chất dẻo chất đàn hồi DSC [66] nhiệt độ chuyển thủy tinh cao su DSC [67] nhiệt độ chuyển thủy tinh DSC [68] nhiệt độ chuyển thủy tinh DMTA [69] entanpy phản ứng tổng hợp kết tinh polyme DSC [70] ... nhiệt trạng thái ổn định Đây tình gặp phải thường xuyên chế biến thực phẩm liên quan đến việc làm nóng làm lạnh sản phẩm thực phẩm lỏng thông qua trao đổi nhiệt ống giữ Các hệ thống làm nóng... tính chất nhiệt thực phẩm, chẳng hạn nhiệt dung, nhiệt độ độ hấp thụ điểm chuyển pha (nóng chảy, đóng băng, chuyển thủy tinh, phản ứng hóa học, bay hơi, v.v.), giá trị calo thực phẩm Chúng ta giới... trung bình sản phẩm trao đổi nhiệt lối vào lối hệ thống không đổi theo thời gian truyền nhiệt tốc độ ổn định (không đổi) Hầu hết trao đổi nhiệt sử dụng hoạt động chế biến thực phẩm loại (được