Độ nhớt Vật lý thực phẩm

Độ nhớt trong thực phẩm và cách tính độ nhớ, mối liên hệ với thời gian và các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhớt, lưu chất Newton phi Newton, lưu chất dẻo, dòng trượt, thiết bị đo độ nhớt, nhớt kế mao quản

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM  VẬT LÝ THỰC PHẨM Đề tài: ĐỘ NHỚT GVHD: TRẦN LỆ THU SVTH: Cao Bảo Anh 2005130178 Phạm Thị Lan Anh 2005130061 Nguyễn Thị Mỹ Duyên 2005130124 Phan Thị Nho 2005130135 Phan Thị Kiều Nương 2005130102 Nguyễn Thùy Trang 2005130101 TP HỒ CHÍ MINH - 2015 (b) Độ nhớt định nghĩa điện trở chất lỏng chảy Đơn vị độ nhớt động lực (Pa s) hệ thống SI đo (g/cm s) hệ thống CGS Độ nhớt thay đổi theo nhiệt độ Sự khác biệt tác dụng nhiệt độ lên độ nhớt chất lỏng loại khí liên quan đến khác biệt cấu trúc phân tử chúng Độ nhớt hầu hết chất lỏng giảm tăng nhiệt độ Nhiều lý thuyết đề xuất ảnh hưởng nhiệt độ lên độ nhớt chất lỏng Theo thuyết Eyring, có nhiều lỗ trống chất lỏng (Bird, Stewart, & Lightfoot, 1960) Các phân tử liên tục di chuyển vào lỗ trống Quá trình cho phép dòng chảy đòi hỏi lượng Năng lượng kích hoạt có giá trị cao nhiệt độ cao chất lỏng chảy dễ dàng Nhiệt độ ảnh hưởng lên độ nhớt mơ phương trình Arrhhenius: Trong đó: = Năng lượng kích hoạt (J/kg.mol) R = số khí (8314.34 J/kg.mol.K) T = nhiệt độ tuyệt đối (K) = số ( Pa s) Các phân tử chất lỏng đặt gần lực liên kết chặt chẽ chúng Sự phụ thuộc nhiệt độ độ nhớt giải thích lực liên kết phân tử (Munson, Young, & Okiishi, 1994) Khi nhiệt độ tăng, lực liên kết phân tử giảm dòng chảy trở nên tự Kết là, độ nhớt chất lỏng giảm theo tăng nhiệt độ Trong chất lỏng, lực liên phân tử (gắn kết) đóng vai trị quan trọng Độ nhớt chất lỏng phụ thuộc vào mật độ, vận tốc phân tử, hay đường tự trung bình Trong hầu hết chất lỏng, độ nhớt số áp suất 10.134 Mpa, áp suất cao độ nhớt tăng áp suất tăng Đối với khí, ngược lại với chất lỏng, khoảng cách phân tử xa lực liên kết chúng khơng đáng kể Trong hầu hết loại khí, độ nhớt tăng theo nhiệt độ, thể thuyết động học Độ nhớt giải thích lần thuyết động học Maxwell thực năm 1860 (Locb, 1965) Sự chuyển động tương đối điện trở kết trao đổi xung lượng lớp phân tử khí liền kề Khi phân tử vận chuyển chuyển động ngẫu nhiên từ vùng vận tốc thấp với phân tử khu vực vận tốc cao (và ngược lại), có ngoại lực chống lại chuyển động tương đối lớp Khi nhiệt độ tăng hoạt động ngẫu nhiên phân tử tăng lên, tương ứng với gia tăng độ nhớt Một thảo luận chi tiết ảnh hưởng nhiệt độ độ nhớt chất lỏng tìm thấy Loed (1965) Và Reid, Prausnitz, Sherwood (1977) Hãy xét loại khí tinh khiết gồm rắn, phân tử hình cầu có đường kính d khối lượng m nồng độ bề mặt N phân tử đơn vị thể tích N coi đủ nhỏ để khoảng cách trung bình phân tử nhiều lần đưởng kính d chúng Theo thuyết động học, giả định phân tử trung bình qua khoảng cách với đường tự trung bình tác động Nếu quãng đường tự trung bình λ, ta xem xét chiều dài đường độ dày lớp khí hoạt động diễn nhớt Trên hai mặt lớp khí có bề dày λ, khác biệt dòng vận tốc khí thể λ, cho gradient vận tốc bình thường đến chuyển động khí Phân tử đến từ xuống phía Có thể nói trung bình phần ba phân tử di chuyển với lối lên xuống Như vậy, số lượng phân tử tốc độ (c) lên xuống đơn vị diện tích thứ hai phần ba N Động lượng chuyển qua lớp lên xuống phân tử thể như: (2.4) Định luật Newton độ nhớt: (2.5) Từ công thức (2.4) (2.5): (2.6) Các đường tự trung bình tính theo cơng thức sau: (2.7) Thế cơng thức (2.7) vào công thức (2.6) ta được: (2.8) Theo thuyết động học, vận tốc phân tử liên quan đến vận tốc chất lỏng có độ lớn trung bình cho phương trình sau đây: (2.9) với số Avogadro, m khối lượng phân tử, R số khí T nhiệt độ tuyệt đối, vậy: (2.10) Trong K số Boltzmann () Phương trình (2.10) dự đốn độ nhớt tăng với bậc hai nhiệt độ Kết cho thấy độ nhớt tăng với nhiệt độ nhanh (Loeb, 1965) Khí thải có giá trị độ nhớt thấp Độ nhớt chất khí số mức áp suất 1Mpa, tăng áp suất tăng mức Khuếch tán hay độ nhớt động học, có đơn vị với hệ số khuếch tán ( ) truyền nhiệt độ khuếch tán chất (D AB) truyền chất, xác định để thực công cụ chuyển nhượng tương tự Đơn vị m 2/s hệ SI (cm2/s) hệ CGS Đó tỷ lệ độ nhớt động mật độ chất lỏng: (2.10) Hình 2.3 Độ dốc ứng suất cắt đồ thị so với tốc độ cắt không đổi cho chất lỏng phi Newton 2.2.2 Lưu chất nhớt Lưu chất nhớt có xu hướng biến dạng tác dụng ứng suất Chúng phân loại thành lưu chất Newton lưu chất phi Newton 2.2.2.1.Lưu chất Newton Lưu chất tuân theo Định luật Newton độ nhớt gọi lưu chất Newton Đồ thị so sánh độ dốc ứng suất trượt so với tốc độ trượt, độ nhớt, không đổi phụ thuộc vào tốc độ trượt lưu chất Newton Khí; dầu; nước; hầu hết chất lỏng có chứa 90% nước chè, cà phê, bia, đồ uống có ga, nước ép trái cây, sữa cho thấy trạng thái Newton 2.2.2.2.Lưu chất phi Newton Lưu chất mà không tuân theo Định luật Newton Lưu chất trượt dính mỏng lưu chất trượt đọng dày tuân theo định luật lũy thừa (phương trình Ostwald-de Waele): (2.12) với: K = hệ số quán dòng chảy () n = số trạng thái dịng chảy Hình 2.4 Độ nhớt biểu kiến lưu chất độc lập theo thời gian Đối với lưu chất trượt dính mỏng (chất lỏng giả dẻo) n < Đối với lưu chất trượt đọng dày n > Lưu chất Newton coi trường hợp đặc biệt mơ hình này, n=1 Đồ thị độ dốc ứng suất trượt so với tốc độ trượt không đổi cho lưu chất phi Newton (Fig.2.3) Đối với tốc độ trượt khác nhau, độ nhớt khác Do đó, độ nhớt biểu kiến thuật ngữ dùng cho lưu chất phi Newton Sự biến đổi độ nhớt biểu kiến theo tốc độ trượt khác với lưu chất phi Newton hiển thị hình 2.4 Ký hiệu η thường sử dụng để đại diện cho độ nhớt biểu kiến để phân biệt với độ nhớt hoàn toàn Newton, μ Tỷ lệ ứng suất trượt với tốc độ trượt tương ứng gọi độ nhớt biểu kiến, tốc độ cắt: (2.13) Độ nhớt biểu kiến độ nhớt Newton giống hệt cho lưu chất Newton độ nhớt biểu kiến lưu chất định luật lũy thừa là: (2.14) (a) Lưu chất trượt dính mỏng (Pseudoplastic) Trong loại lưu chất, tăng tốc độ trượt ma sát lớp giảm Nguyên nhân phân tử chuỗi dài duỗi thẳng trở nên phù hợp với dòng chảy, giảm độ nhớt Một ví dụ điển hình cho lưu chất trượt dính mỏng sơn Khi sơn lên bề mặt mà khơng qt lên, điều làm tăng độ nhớt ngăn khơng cho chảy tác dụng trọng lực Khi sơn áp dụng cho bề mặt cách quét lên làm mỏng lớp sơn, độ nhớt giảm Một ví dụ cho lưu chất giả dẻo mực bút bi Khi bút khơng sử dụng mực in nhớt nên khơng chảy Khi bắt đầu viết, bóng nhỏ cuộn điểm biến bóng tạo chuyển động trượt Kết giảm độ nhớt mực chảy giấy Sản phẩm từ rau mứt táo, chuối nghiền loại nước ép trái cô đặc ví dụ chất lỏng giả dẻo hệ thống thực tốt cho phẩm Gần Krokida, Maroulis, Saravacos (2001) phân tích đặc tính lưu biến sản phẩm rau Hệ số quán k tăng theo cấp số nhân số trạng thái dòng chảy n giảm nhẹ so với nồng độ Chỉ số trạng thái dòng chảy gần 0.5 cho sản phẩm mềm gần cho nước trái Trong số trạng thái dòng chảy giả định tương đối ổn định với nhiệt độ, ảnh hưởng nhiệt độ lên độ nhớt biểu kiến, η hệ số qn mơ hình luật hàm mũ, k giải thích phương trình Arrhenius-type Các đặc tính dịng chảy bột hạt đào hoạt hóa hỗn hợp cacbon nhiệt độ 15 đến 400c nồng độ cacbon hoạt hóa dạng hạt 0,5 đến 5,0 kg/m3 theo động thái cắt tỉa (Arslanoglu, Kar, & Arslan, 2005) Chỉ số trạng thái dòng chảy hệ số quán thịt - hạt đào hoạt hóa hỗn hợp cacbon phạm vi 0,328 – 0,512 2,17 – 6,18 , tương ứng Hệ số quán số trạng thái dòng chảy hai theo tăng nhiệt độ Tính lưu biến thực phẩm thay đổi tùy thuộc vào nồng độ Các thuộc tính lưu biến nước nho cô đặc với giá trị Brix 82,1 cho thấy trạng thái trượt dính mỏng (Kaya & Belibagli, 2002) Tuy nhiên, mẫu pha loãng với giá trị Brix 52,1 đến 72,9 Newton tìm thấy Các thuộc tính lưu biến mè dán - nước ép nho cô đặc, truyền thống sản phẩm thực phẩm bữa ăn sáng kiểu Thổ Nhĩ Kỳ, dán mè cô đặc nghiên cứu 35 đến 65 0C mức 20% đến 32% Tất hỗn hợp cho thấy động thái cắt tỉa với lưu lượng 0,7 đến 0,85 (Arslan, Yener, & Esin, 2005) Các hệ số quán mô tả phương trình Arrhenius Sakiyan, Summu, Sahin, Bayram (2004) nghiên cứu thuộc tính lưu biến bột bánh với nồng độ chất béo loại chất nhũ hóa khác phát bột bánh biểu trạng thái trượt dính mỏng Sự gia tăng hàm lượng chất béo bổ sung chất nhũ hóa gây sụt giảm độ nhớt biểu kiến Chỉ số trạng thái dịng chảy tìm thấy độc lập với thành phần bột bánh (b) Lưu chất trượt đọng dày Trong chất lỏng loại này, tăng tốc độ trượt, ma sát nội độ nhớt biểu kiến tăng Một người rơi xuống đầm lầy cố gắng thoát khỏi sớm tốt Tuy nhiên, ông cố gắng di chuyển hoảng loạn, dịch chuyển đột ngột tạo ông cố gắng để thoát ra, cần lực lớn để ông chuyển động Đi cát ướt bãi biển ví dụ khác chất lỏng trượt đọng dày Nếu hệ thống huyền phù nước – cát làm lắng thời gian Phần khoảng trống chiếm nước nhỏ Sự dịch chuyển gây khó khăn cho việc liên kết chặt chẽ lỗ trống tăng lên Nước khơng cịn lắp đầy khơng gian hạt cát thiếu dầu bôi trơn tăng điện trở dòng chảy Trong hệ thống thực phẩm, tinh bột ngơ ví dụ lưu chất trượt đọng dày Dintiz, Berhow, Bagley, Wu, and Felker (1996) cho thấy tượng trượt đọng dày tinh bột khơng biến tính (ngơ sáp, gạo sáp, đại mạch sáp, khoai tây sáp, lúa mì, gạo, ngơ) hòa tan phân tán nồng độ 3,0% 0,2N NaOH Tinh bột sáp (ngô, gạo, lúa mạch, khoai tây) cho thấy trạng thái kích thước lớn tinh lúa mì, gạo, ngơ bình thường Amylopectin thành phần chịu trách nhiệm cho đặc tính trượt đọng dày Nếu tăng độ nhớt kèm theo tăng thể tích, lưu chất trượt đọng dày gọi lưu chất trương nở Tất lưu chất trương nở trượt đọng dày khơng phải tất lưu chất trượt đọng dày trương nở 2.2.3.Lưu chất dẻo 2.2.3.1.Lưu chất dẻo Bingham Trong dạng chất lỏng này, chất lỏng trì độ cứng đại lượng ứng suất trượt nhỏ ứng suất đàn hồi (τ 0) dòng chảy lưu chất Newton ứng suất trượt vượt τ0 Kem đánh ví dụ điển hình lưu chất dẻo Bingham Nó không chảy trừ ống kem nặn Trong hệ thống thức ăn, ma-yo-ne, bột cà chua, sốt cà chua nấm ví dụ dạng lưu chất Phương trình biểu diễn trạng thái lưu chất dẻo Bingham (2.15) Độ nhớt biểu kiến cho lưu chất dẻo Bingham xác định tỷ số ứng suất trượt tương ứng với tốc độ trượt: (2.16) 2.2.3.2.Lưu chất dẻo phi Bingham Với dạng lưu chất này, ứng suất trượt tối thiểu biết ứng suất đàn hồi vượt trước dòng chảy bắt đầu, trường hợp chất lỏng dẻo Bingam Tuy nhiên, đồ thị ứng suất trượt so với tốc độ trượt không thẳng Lưu chất dạng trượt dính mỏng trượt đọng dày với ứng suất đàn hồi Lưu chất tn theo mơ hình Herschel-Bulkley (Bourne, 1982) đặc trưng diện giới hạn ứng suất đàn hồi (τ0) phương trình luật lũy thừa: (2.17) Bột cá bột nho khô tuân theo mô hình Herschel-Bulkley Trạng thái chảy dịng bột gạo lỏng sử dụng sản phẩm chiên, rán hình thành tn theo mơ hình Herschel-Bulkley (Mukprasirt, Herald, & Flores, 2000) Mơ hình Casson (Casson, 1959) diễn đạt sau: (2.18) Socola sữa nấu chảy tn theo mơ hình Casson Khi kết việc phân bố hạt kích thước nhỏ chất rắn ko béo dòng chảy đặc trưng nghiên cứu Giá trị ứng suất đàn hồi tương ứng với đường kính diện tích bề mặt riêng khối chất rắn không béo (Mongia & Ziegler, 2000) 2.2.4.Mối liên hệ thời gian (Phụ thuộc thời gian): Khi lưu chất phụ thuộc vào số tốc độ trượt, chúng trở nên mỏng (hoặc dày hơn) với thời gian (Hình 2.5) Lưu chất trình bày giảm ứng suất trượt tốc độ nhớt biểu kiến với mối liên hệ với thời gian giảm tốc độ trượt gọi lưu chất giả dẻo (trượt dính mỏng theo thời gian) Hiện tượng phá vỡ cấu trúc nguyên liệu liên tục bị làm biến dạng Gelatin (keo động vật), lòng trắng trứng, shortening cho ví dụ loại chất lỏng Shear stress, Pa Thixotropic Time-Independent Rheopectic Time at constant shear rate, s Hình 2.5 Trạng thái phụ thuộc thời gian lưu chất Trạng thái lưu biến nghịch đảo, nghịch đảo phần không nghịch đảo chuyển dịch trượt (lưu chất ngừng lại) Chất lưu biến không nghịch đảo gọi rheomalaxis rheodestruction (Hình 2.6) Trạng thái lưu biến sản phẩm nghiên cứu cách tăng ứng suất trượt giảm tốc độ trượt Nếu ứng suất trượt liên tục hàm tốc độ trượt, tốc độ trượt tăng trước sau giảm xuống, chu trình trễ thấy đồ thị ứng suất trượt so với tốc độ cắt Trong lưu chất lưu dần tăng nhớt ( trượt đọng dày theo thời gian ), ứng suất trượt độ nhớt biểu kiến tăng theo thời gian, điều là, cấu trúc nâng cao trượt liên tục (Hình 2.5) Huyền phù đất sét Bentonit cho thấy trạng thái dòng loại Nó thấy hệ thống thực phẩm Bột nhão tinh bột - sữa - đường cho thấy trạng thái dòng chảy phụ thuộc thời gian (Abu-Jdayil & Mohameed, 2004) Nếu trình chế biến bột nhão làm 85 950C, bột nhão tinh bột - sữa - đường biểu diễn trạng thái lưu biến,trong trình làm bột nhão 750C giống chất lưu dần tăng nhớt Chú ý chất lưu biến tìm thấy ứng suất trượt cao (trên 50 Pa), chất lưu dần tăng nhớt tìm thấy ứng suất trượt thấp (dưới 45 Pa) Khi protein đậu nành thêm vào nước ép cà chua, trạng thái lưu biến thấy tốc độ trượt thấp sau chuyển sang trạng thái lưu dần tăng nhớt tốc độ trượt cao (Tiziani & Vodovotz, 2005) Isikli Karababa (2005) vừa cho thấy bột cà ri, loại thức ăn truyền thống Thổ Nhĩ Kỳ, biểu diễn trạng thái dần tăng nhớt 2.2.5.Độ nhớt dung dịch Đối với trường hợp dung dịch, nhũ tương, huyền phù, độ nhớt thường đo giới hạn so sánh, là, độ nhớt dung dịch, nhũ tương, huyền phù so sánh với độ nhớt dung môi tinh khiết Độ nhớt dung dịch có lợi cho hiểu biết trạng thái vài chuỗi polyme tự nhiên gồm dung dịch chứa nước chất keo đậu, chất keo đậu guar, carboxylmethyl cellulose (Rao, 1986) Độ nhớt dung môi tinh khiết huyền phù đo giá trị khác tính từ số liệu kết Độ nhớt tương đối, ηrel tính sau: (2.19) Trong đó: = số lượng phân số sử dụng pha phân tán k = số Độ nhớt riêng phần, thì: (2.20) Độ nhớt bị giảm, thì: (2.21) Trong C nồng độ khối lượng dung dịch g/100ml Độ nhớt riêng, thì: (2.22) Độ nhớt trong, , xác định từ liệu độ nhớt dung dịch hòa tan: (2.23) Trong dung dịch loãng, chuỗi polyme bị chia độ nhớt polyme dung dịch phụ thuộc kích thước chuỗi polyme (Rao, 1999) Độ nhớt dung dịch protein khác tóm tắt Rha Pradipasera (1986) Phương trình thường dùng để xác định độ nhớt chất keo thực phẩm phương trình Huggins (2.24) Kramer (2.25) (Rao, 1999): (2.24) (2.25) Trong k1 k2 số Huggins Kramer, chúng có quan hệ sau: (2.26) 2.3 Cách tính độ nhớt: Các cách tính độ nhớt thường dùng nhớt kế mao quản, nhớt kế dạng nước, nhớt kế bi rơi, nhớt kế quay 2.3.1.Nhớt kế mao quản Nhớt kế mao quản thường dạng ống chữ U Những nhớt kế dạng đơn giản, khơng đắt, phù hợp với dịng lưu chất nhớt thấp Có nhiều thiết kế khác nhớt kế mao quản Một dạng điển hình nhớt kế mao quản biểu diễn hình 2.8 Trong nhớt kế mao quản, thời gian cho số lượng lưu lượng tiêu chuẩn qua chiều dài biết trước ống mao dẫn đo  ... theo nhiệt độ, thể thuyết động học Độ nhớt giải thích lần thuyết động học Maxwell thực năm 1 860 (Locb, 1 965 ) Sự chuyển động tương đối điện trở kết trao đổi xung lượng lớp phân tử khí liền kề Khi... Newton độ nhớt: (2.5) Từ công thức (2.4) (2.5): (2 .6) Các đường tự trung bình tính theo công thức sau: (2.7) Thế công thức (2.7) vào công thức (2 .6) ta được: (2.8) Theo thuyết động học, vận tốc... với gia tăng độ nhớt Một thảo luận chi tiết ảnh hưởng nhiệt độ độ nhớt chất lỏng tìm thấy Loed (1 965 ) Và Reid, Prausnitz, Sherwood (1977) Hãy xét loại khí tinh khiết gồm rắn, phân tử hình cầu có