BÀI GIẢNG VẬT LÝ THỰC PHẨM :CÁC TÍNH CHẤT LƯU BIẾN CỦA THỰC PHẨM

Chương 2: CÁC TÍNH CHẤT LƯU BIẾN CỦA THỰC PHẨM (Rheology of food Products) 2.1 Các khái niệm - Lưu biến học khoa hoc nghiên cứu chảy biến dạng vật liệu tác dụng ứng suất - Các nghiên cứu lưu biến cung cấp thông tin liên quan đến tính chất đàn hồi độ nhớt chất lỏng - Vật liệu thực phẩm chất khơng hồn tồn lỏng rắn thể tính nhớt đàn hồi, nghĩa tính chất trung gian thể lỏng thể rắn - Lưu biến học vật liệu thực phẩm mơ tả theo thuật ngữ biến dạng đàn hồi, lưu động nhớt hay lưu động dẻo - Các tính chất lưu biến chuyển sang ngôn ngữ thông thường như: vững (firmness), cứng (hardness), khơ cứng (crispiness), giịn, dễ gãy vỡ (brittleness), kéo dài (extensibility)… - Các tính chất lưu biến chuyển sang ngôn ngữ thông thường như: vững (firmness), cứng (hardness), khơ cứng (crispiness), giịn, dễ gãy vỡ (brittleness), kéo dài (extensibility)… Việc nghiên cứu động thái lưu biến ứng dụng nhiều ngành công nghệ khác nhau: - Kiểm tra chất lượng sản phẩm, nghiên cứu mối quan hệ vi cấu trúc động thái lưu biến nhằm phát sản phẩm - Các tính chất lưu biến tham gia vào chu trình tốn cần thiết tính tốn kỹ thuật (các q trình truyền nhiệt động lượng), tùy theo sở thích người tiêu dùng tạo nên sản phẩm đáp ứng nhu cầu họ - Am hiểu tính chất lưu biến giúp thiết kế máy móc, thiết bị xác tiết kiệm lượng… 2.2 Các đặc trưng sản phẩm rắn Khái niệm cấu trúc thực phẩm liên quan đến cảm nhận độ chắc: rắn so với mềm; dịn hay khơng; mượt so với lổn nhổn; chảy hay vón cục; hay dễ vỡ Cấu trúc xác định đáp ứng thực phẩm lực tác dụng Cấu trúc nhận thức thực phẩm khuấy, đổ, bơm cuối ăn Các đặc trưng lưu biến thay đổi theo nhân tố nhiệt độ độ ẩm Các dung dịch loãng gọi chất “rắn -mềm” đối tượng nghiên cứu lưu biến cấu trúc Đánh giá cảm quan cấu trúc Thực phẩm lỏng Chỉ số mô tả chủ quan Thực phẩm rắn nhớt, nhầy,mượt, trơn tuột và/hoặc chắc,giịn, lổn nhổn,dẻo, đặc mượt, dính hay dễ gãy Khả nhận thức cảm quan riêng biệt cho chủ thể và/ biến đổi văn hóa động thái học hỏi Cần phải làm cho phù hợp thuật ngữ với phép đo dụng cụ (có tính đến biến đôỉ rộng đáp ứng ứng suất – biến dạng có thể) Quan hệ số chủ quan lưu biến định lượng Bảng quan hệ số chủ quan lưu biến định lượng Đại lượng chủ quan + Nhớt (viscosity) + Mượt (smoothness) Dung + Trơn tuột (slipperiness) dịch Gel Gel dung dịch + Nhai (chewness) + Dẻo (gumminess) + Dính (stiffness) + Mịn (creaminess) + Rắn (hardness) + Dẻo (gumminess) + Nhớt (viscosity) Chỉ số lưu biến bán định lượng  lực nhớt lưỡi vòm miệng  1/(lực ma sát lưỡi vòm miệng)  1/ (lực ma sát + lực nhớt lưỡi vịm miệng) Độ * độ kết dính * độ đàn hồi Độ * độ kết dính Biến dạng/ứng suất 0,1*(độ xốp)0,86*(độ kết dính)0,99 3,16 + 0,25(độ giịn) + 0,76 (độ dai) 1,71 +0,6 (độ kết dính) + 0,2 (độ nhai được) 28,56 + 0,48 (độ dính) 2.3 Các thơng số cấu trúc - Độ giịn - Độ cứng - Độ kết dính, độ dẻo - Độ đàn hồi Độ giòn (N): Là lực bắt đầu làm nứt gãy thực phẩm • Độ cứng (N): Là lực nén lớn Sự mềm mại • Độ liên kết, độ dính thực phẩm: Là tỉ số cơng nén lần 2/lần • Độ dính bề mặt thực phẩm: Là công cần thiết kéo đầu dị khỏi thực phẩm • Độ đàn hồi thực phẩm: Là tỉ số khoảng cách nén lần 2/ lần • Độ dai thực phẩm: Là tỉ số area 4/area1 Ba`i tập miếng phô mai hình khối chữ nhật có kích thước dài x rộng x cao = L x W x H= 0.5 x 0.4 x 0.3 inch Dùng vật có khối lượng 0.1 lb nén lên miếng phô mai Sau nén, miếng phơ mai có chiều dài 0.043 ft Xác định độ cứng, chiều rộng, chiều cao phô mai sau nén Biết tỉ số Poisson phô mai 0.25 Xác định độ giòn, độ dai, độ cứng, độ liên kết, độ dính bề mặt, độ đàn hồi SP F v = cm /s B F (N) N A -1.1 -2.0 E C D 2.5 G H I M 10.5 O 12 P K Time (s) 2.3 Ứng suất biến dạng (Stress and Deformation) Ứng suất (Stress) Ưng suất lực tác dụng (theo phương bất kỳ) đơn vị diện tích p F = F/A Stress = F/A [Pa, N/m2] t A Phân loại ứng suất • • Ứng suất pháp (nén hay kéo): lực tác dụng theo phương vng góc với bề mặt  bề dài hay thể tích vật thay đổi Ứng suất trượt (hay ứng suất tiếp): lực tác dụng theo phương song song (tiếp xúc) với bề mặt  lớp bề mặt dịch chuyển so với lớp phía Ứng suất tác dụng lên vật thể gây nên biến dạng: - Biến dạng dài + Độ biến dạng Cauchy + Độ biến dạng Hencky biến dạng góc  nhỏ • • Cơ học cổ điển phân biệt rõ chất lỏng chất rắn, trạng thái mơ tả phương trình khác Chất rắn mô tả định luật Hooke, chất lỏng mô tả định luật Newton Tuy nhiên có nhiều vật chất nằm chất này, đặc biệt thực phẩm vật thể sinh học 2.5 Chất rắn đàn hồi, chất lỏng Newton phi Newton 2.5.1 Chất rắn đàn hồi (Elastic Solids) • Chất rắn đàn hồi mơ tả định luật Hookean: Dưới tác dụng ứng suất kéo ứng suất nén ii= E* c E: modun đàn hồi chất rắn (Young’s or elasticity module ) • Dưới tác dụng ứng suất trượt ij= G*  : shear strain G: modun trượt • Dưới tác dụng áp suất thủy tĩnh P = K*  K: modun khối =V/V • Chất rắn đàn hồi chất bị biến dạng tác dụng ứng suất lực Khi lực khơng cịn tự khơi phục lại hình dạng ban đầu (Elastic) • Vật sau ngừng tác dụng lực khơng khơi phục hình dạng ban đầu gọi chất dẻo (Plastic) • Chất trung gian chất có tính chất nằm E P gọi Elastoplastic Có nghĩa ứng suất tác dụng nhỏ khơi phục lại hình dạng ban đầu, ứng suất lớn giá trị bị biến dạng vĩnh viễn 2.5.2 Chất lỏng Newton phi Newton Có phẳng, chất lỏng, cố định Khi ta tác dụng lực lên trên, trượt kéo theo lớp chất lỏng chạy theo Tốc độ trượt giảm dần từ xuống hình thành giản đồ véctơ vp  •  dx dt  dv d  dx  d  dx  d        dy dy  dt  dt  dy  dt 0       Định luật Newton độ nhớt      • • : hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào đặc tính thực phẩm (độ nhớt) Chất lỏng mà độ nhớt không phụ thuộc vào tốc độ trượt gọi chất lỏng Newton ngược lại độ nhớt phụ thuộc vào tốc độ trượt gọi chất lỏng phi Newton - Chất lỏng Newton • Phương trình biến dạng tuân theo đẳng thức Newton Hàm liên hệ ứng suất trượt tốc độ trượt hàm tuyến tính: VD: nước, trà, cà phê, bia, rượu vang, loại đồ uống nước ép trái cây, mật ong Sữa: nhũ tương có chứa các giọt bơ nhỏ có đường kính 0,0015 – 0,001mm, chứa 87% nước, 4% chất béo, 5% đường, 3% protein – chất lỏng Newton Độ nhớt sữa tăng theo hàm lượng chất béo, lại giảm nhiệt độ tăng Dầu chất lỏng Newton Cấu trúc phân tử có mạch dài, chiều dài mạch cácbon acid béo lớn độ nhớt lớn Độ nhớt dầu tăng với mức độ bão hòa liên kết cácbon nối đôi - Chất lỏng phi Newton Độc lập với thời gian – Time – independent fluid   0  10 • • • • • • Đa số chất lỏng, chất khí đơn giản biến đổi trạng thái chất lỏng Newton vùng chảy tầng (các tia chảy song song với nhau) ứng suất trượt tốc độ trượt nhỏ Khi ứng suất trượt tăng động thái chảy lệch khỏi đường Newton theo nhiều cách khác nhau, hàm ứng suất trượt tốc độ trượt hàm phi tuyến Pseudoplastic (shear thinning): Khi tốc độ trượt tăng, độ dốc đường cong giảm, độ nhớt giảm – khuấy loãng VD: Dilatant (shear thickening): Khi tốc độ trượt tăng, độ dốc đường cong tăng, độ nhớt tăng – khuấy đặc, trương nở Bingham: Nếu ứng suất tác dụng nhỏ ứng suất ngưỡng (0) chất lỏng chưa chảy Khi ứng suất tác dụng lớn ứng suất ngưỡng (0) chất lỏng chảy có động thái chảy giống chất lỏng Newton VD: • Pseudoplastic fluids with yield stress: Khi ứng suất trượt vượt qua giá trị ngưỡng chất lỏng chảy có động thái chảy giống với Pseudoplastic • Mơ tả động thái chảy dạng chất lỏng thông qua mơ hình Herschel - Bulkley Herschel Bulkley model 11 Mơ hình Herschel - Bulkley : shear stress (ứng suất trượt) (Pa) K: consistency index (chỉ số độ nhớt) : shear rate (tốc độ trượt) (1/s) n: index of flow behavior (chỉ số động thái chảy), n thay đổi dáng điệu đường cong thay đổi    k  n C 12 13 • Với chất lỏng phi newton độc lập với thời gian, dạng động thái chảy ổn định hay độc lập với thời gian • Dựa vào mơ hình Herschel – Bulkley ta thấy: - Chất lỏng newton, pseudoplastic (chất giả dẻo ), chất dilatant (trương, nở) khơng có ứng suất ngưỡng  có lực tác dụng chảy Những chất lỏng có độ nhớt phụ thuộc vào tốc độ trượt chứng tỏ tồn cấu trúc bên hệ thống - 14 • Khi ta tác dụng ứng suất làm cho chảy q trình chuyển động có bẻ gãy phân bố lại cấu trúc Pseudoplastic có đặc điểm Hợp chất có khối lượng phân tử lớn hay hạt dài 2.Giữa phân tử có tương tác mạnh với tạo nên kết hợp liên kết thứ cấp Trong phân tử có trục dài phân tử khơng đối xứng định hướng theo dịng chảy làm cho độ nhớt giảm Hình dạng kích thước hạt khơng đồng cho phép chúng chồng chất lên Các phân tử mềm dẻo, làm thay đổi hình dạng chúng, dãn thu lại tùy theo lực kéo Phụ thuộc với thời gian – Time – dependent fluid • Khi cố định tốc độ trượt ( = cosnt), chất có động thái chảy mà ứng suất tăng dần theo tốc độ trượt gọi Rheopectic • Khi cố định tốc độ trượt ( = cosnt), chất có động thái chảy mà ứng suất giảm dần theo tốc độ trượt gọi Thixotropic 2.6 Chất đàn hồi nhớt (Viscoelasticity) • • Những chất thuộc nhóm thể tính chất hai nhóm chất lỏng nhớt chất rắn đàn hồi Đặc trưng nhóm thể hai hiệu ứng hiệu ứng Barus hiệu ứng Weissenberg 15 16 Độ nhớt - Viscosity • Độ nhớt đại lượng vật lý đặc trưng cho trở lực ma sát nội sinh phân tử chúng có chuyển động trượt lên • Độ nhớt có liên quan đến khả thực trình bơm, vận chuyển chất lỏng hệ đường ống, khả thực trình phun, bay Đo độ nhớt • Độ nhớt đo cách ghi lại thời gian cần thiết để lượng chất lỏng định chảy qua ống mao quản có kích thước định nhiệt độ định • Đơn vị đo độ nhớt: Poise (g/cm.s), Pa.s (kg/m.s) Các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhớt • Ảnh hưởng nhiệt độ - Nhiệt độ tăng độ nhớt chất lỏng newton giảm • Ảnh hưởng áp suất - Áp suất tăng độ nhớt chất lỏng newton tăng Bảng tổng hợp thông số lưu biến ký hiệu Thông số(đơn vị) Thử nghiệm nén hay kéo Thử nghiệm trượt p  t  E hay K G Tốc độ biến dạng (1/s)   Ứng suất/ tốc độ biến dạng (Pa.s)   Ứng suất (Pa) Biến dạng (không thứ nguyên) Ứng suất/biến dạng (Pa) 17 18 Mô đun đàn hồi táo 0,6.107Pa 19 20 • • • • • • • • 2.29 Compute the shear stress of orange juice at 0°C a for a shear rate of 10 s-1 b for a shear rate of 20 s-1 c How does a twofold increase in shear rate affect the shear stress? 2.30 Compute the shear stress of olive oil for a shear rate of s-1 a for a temperature of 10°C b for a temperature of 20°C 2.31 What is the viscosity of olive oil at 10°C? At 70°C? 2.7 Các phương pháp đo độ nhớt cấu trúc thực phẩm 21