THUỘC TÍNH QUANG CỦA VẬT LIỆU THỰC PHẨM

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HCM KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM HỌC PHẦN TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU THỰC PHẨM Chủ đề THUỘC TÍNH QUANG CỦA VẬT LIỆU THỰC PHẨM TPHCM, 2020 Tiểu luậ.

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP HCM

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

HỌC PHẦN TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA VẬT LIỆU

THỰC PHẨM

Chủ đề:

THUỘC TÍNH QUANG CỦA VẬT LIỆU THỰC PHẨM

TPHCM, 2020

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 4

I TÁN XẠ 5

1 Khái niệm tán xạ 6

Tiểu luận TCVLVLTP GVHD: TS Phan Thế Duy

II PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH MÀU SẮC VÀ ỨNG DỤNG 8

1 Cơ chế nhìn màu cùa mắt 8

2 Màu sắc 10

3 Các phương pháp đo màu và ứng dụng 11

III HỒNG NGOẠI 11

1 Khái niệm hồng ngoại 14

2 Nguồn gốc quang phổ hồng ngoại 14

3 Ứng dụng hồng ngoại 15

IV CẬN HỒNG NGOẠI 17

1 Khái niệm cận hồng ngoại 17

2 Ứng dụng cận hồng ngoại 17

TÀI LIỆU THAM KHẢO 19

LỜI MỞ ĐẦU

rong công nghiệp thực phẩm, một trong những tiêu chí mà người tiêu dùng quan tâm là chất lượng thực phẩm, họ ngày càng yêu cầu các sản phẩm thực phẩm giữ được giá trị dinh dưỡng, giữ được màu sắc

tự nhiên và hương vị tươi mới, kết cấu tốt và ít chất phụ gia độc hại Chính những yêu cầu ấy đã đặt ra thách thức cho các nhà sản xuất Nó đòi hỏi những công cụ, phương pháp không độc hại, tiết kiệm chi phí mà vẫn giúp ích cho việc phân loại cũng như kiểm định chất lượng sản phẩm thực phẩm.

T

Ứng dụng quang trong công nghiệp thực phẩm là một trong những phương pháp vật lý được sử dụng rộng rãi, góp phần đánh giá chất lượng và phân loại thực phẩm Việc ứng dụng tính chất quang không những không ảnh hưởng đến chất lượng thực phẩm mà còn là một phương pháp nhanh chóng, giúp xác định được một số thuộc tính chất lượng và khiếm khuyết bên trong sản phẩm.

I ĐỘ TÁN XẠ

1 Khái niệm

Sự tán xạ ánh sáng là một hiện tượng vật lý trong đó ánh sáng phản chiếu từ chủ thể bị lệch khỏi phương chiếu ban đầu khi truyền qua môi trường không đồng tính (không đồng nhất về tính chất quang học)

 Trong vật lý hạt, tán xạ là hiện tượng các hạt bị bay lệch hướng khi

va chạm vào các hạt khác

 Trong quang học (và thiên văn học), tán xạ là hiện tượng photon bị đổi hướng khi gặp các vật, có thể vĩ mô như các tiểu hành tinh, các viên đá trong vành đai Sao Thổ, hay các vật chất vi mô như các hạt bụi Trong quá trình tán xạ thuần túy, năng lượng photon không thay đổi, chỉ có hướng thay đổi ngẫu nhiên theo một hàm mật độ xác suất gọi là hàm tán xạ

Thực tế, khi photon gặp các vật chất, không những hướng đi của nó thay đổi mà có thể cả năng lượng thay đổi (giảm bởi hiện tượng hấp thụ

hay tăng bởi hiện tượng bức xạ) Lúc đó cùng xảy ra tán xạ thuần túy và hấp thụ/bức xạ thuần túy

Trong quang học có 3 loại tán xạ: tán xạ Mie, tán xạ Brillouin, tán

xạ Rayleigh

Tán xạ Rayleigh:

Bầu trời trên Trái Đất có màu xanh da trời, vì khí quyển Trái Đất

tán xạ mạnh thành phần màu xanh da trời (bước sóng ngắn) trong ánh sáng trắng đến từ Mặt Trời Đây là một ví dụ của tán xạ Rayleigh

- Kiểu tán xạ này làm lệch hướng mạnh các tia sáng có bước sóng ngắn

nhất

- Tán xạ Rayleigh hay được quan sát khi ánh sáng đi qua các chất

rắn, lỏng hay khí trong suốt.

Hệ số tán xạ:

Trong đó:

n là mật độ hạt (số hạt trong một đơn vị thể tích);

m là chiết suất của các hạt;

d là kích thước trung bình của các hạt;

λ là bước sóng của ánh sáng.

2.

Phương pháp xác định độ tán xạ

Sự tán xạ và hấp thụ từ các hạt nano có tầm quan trọng lớn trong nghiên cứu quang học cũng như trong một loạt các ứng dụng

Mô hình chuyển đổi bức xạ hai dòng Kubelka của Munk đưa ra một mô tả đơn giản về tán xạ ánh sáng trong vật liệu composite hạt nano, nhưng việc đảo ngược dữ liệu truyền qua và phản xạ thử nghiệm để thu được hệ số tán xạ và hấp thụ vẫn còn nhiều thách thức

Ở đây, một phương pháp chung để đánh giá các tham số này từ phổ truyền qua và phổ phản xạ, kết hợp với các phép đo tán xạ ánh sáng phân giải góc phổ được phát triển Sự phụ thuộc góc được xấp xỉ bằng một phần mở rộng của hàm pha Reynoldult McCormick, được trang bị cho dữ liệu tán xạ ánh sáng phân giải góc thử nghiệm

Một sự gần đúng với mô hình tán xạ góc được thể hiện rõ hơn, có thể được áp dụng để thu được các tham số quang chỉ sử dụng dữ liệu phản xạ và truyền qua, trong trường hợp không có phép đo độ phân giải góc Những kết quả này có thể được mở rộng đến một loạt các hệ thống đẳng hướng, dị hướng và nhiều tán xạ, và sẽ rất hữu ích trong các lĩnh vực của lớp phủ tán xạ ánh sáng / siêu vật liệu, màng che chắn UV, màn hình, lớp hấp thụ / tán xạ trong pin mặt trời và lớp sinh học tán xạ

3 Ứng dụng độ tán xạ

Là một phương pháp chính để đo kích thước hạt, đặc biệt là ở quy

mô micro hoặc nano, kỹ thuật tán xạ ánh sáng động (DLS) đã được áp dụng rộng rãi trong phòng thí nghiệm nghiên cứu, cũng như trong việc phát triển và sản xuất thực phẩm Các hạt vi / thực phẩm (MNPs), có nguồn gốc từ các thành phần thực phẩm thô hoặc chế biến, đóng vai trò quan trọng vai trò trong việc kiểm soát các chức năng và tính chất thực phẩm, bao gồm việc cung cấp các thành phần hoạt động và phát hành có kiểm soát

Như chúng ta biết về sữa, chất keo thực phẩm nên được nghiên cứu, không chỉ về giá trị dinh dưỡng mà còn cả chức năng sinh học, với đặc biệt nhấn mạnh vào các tổ hợp vi mô / nano chứ không phải riêng lẻ

Các tổ hợp nano trong thực phẩm dạng lỏng, chẳng hạn như súp

gà, xương súp, cà phê, trà, v.v., đã được chứng minh là góp phần vào chức năng của chúng

Kích thước, độ dày lớp và hình dạng của các hạt nano, cũng như ngoại vi và các thành phần bên trong, xác định các chức năng và rủi ro an toàn thực phẩm tiềm năng của các hạt Các quy trình công nghiệp và trong nước, bao gồm xử lý nhiệt, lọc, siêu âm và lò vi sóng có khả năng thay đổi tính chất hạt của MNPs và đôi khi gây ra tập hợp Do đó, đặc tính chính xác và năng động của MNPs có lợi cho việc điều chỉnh chính xác các chức năng của chúng và tốt hơn sự hiểu biết về cơ chế gạch chân

Các máy phân tích kích thước hạt theo tán xạ Laze

Ngoài ra còn có ứng dụng tán xạ Raman chế tạo đế SERS phát hiện lạm dụng thuốc bảo vệ thực vật trong nông sản

Các đế SERS cũng phân tích được những chất độc hại như thuốc nhuộm xanh thực phẩm, diệt nấm trong thủy sản - malachite green, chất trộn vào sữa melamine, chất độc xyanua ở nồng độ siêu nhỏ ppb

(1) (1) (1) (1) (1)

1 Các cành lá nano bạc (AgNDs@Si) lắng đọng lên trên bề mặt Si

2 Các hoa nano bạc

II PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH MÀU SẮC VÀ ỨNG DỤNG

1 Cơ chế nhìn màu của mắt

Stephen Corfidi có nói: “Chúng ta thường nghĩ tất cả mọi thứ có

màu sắc cụ thể Tuy nhiên, những màu sắc chúng ta thấy phụ thuộc vào

sự phản chiếu ánh sáng của vật thể và đường đi của ánh sáng”

Để có thể hiểu một cách sâu sắc về hiện tượng màu sắc ta phải xét bản chất của ánh sáng Bởi vì nếu không có ánh sáng thì ta sẽ không thấy được màu sắc Ánh sáng là bức xạ điện từ lan truyền trong chân không với tốc độ 3.108 m/s Mặt trời là một nguồn sáng sơ cấp Mặt trời phát ra bức xạ có bước sóng trãi rộng từ vùng có bước sóng cực ngắn của tia gamma được phát ra bởi các vật liệu phóng xạ cho đến bước sóng vô tuyến (bước sóng dài cỡ hàng Km) Tuy nhiên mắt của chúng ta chỉ có thể cảm nhận được một khoảng bước sóng rất nhỏ dưới dạng màu của ánh sáng Vùng bức xạ này được gọi là vùng bước sóng nhìn thấy hay bức xạ khả kiến, có bước sóng trãi từ khoảng 400nm đến khoảng 750nm Bao gồm các màu đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím

Vùng phổ của ánh sáng

Sự tổng hợp tất cả các màu trong vùng quang phổ khả kiến sẽ tạo thành ánh sáng trắng Và ngược lại ta có thể tách ánh sáng trắng thành các màu riêng lẻ bằng lăng kính

Mắt người nhìn thấy màu sắc nhờ cấu tạo võng mạc có hàng ngàn tế bào nhạy sáng, các tế bào nhạy sáng này gồm 2 loại:

- Tế bào hình que (rod cell): Liên quan đến khả năng phân biệt độ sáng tối

- Tế bào hình nón (cone cell): Liên quan đến khả năng cảm nhận màu sắc,

và gồm 3 loại, mỗi loại nhạy với lần lượt các bước sóng Red, Green và Blue

Đường cong hấp thụ của tế bào hình

nón trong vùng quang phổ khả kiến

Màu sắc là kết quả của sự hấp thu chọn lọc những miền xác định trong phổ liên tục của ánh sáng trắng đập vào

Cơ chế nhìn màu của mắt

Những yếu tố ảnh hưởng đến sự cảm nhận màu của mắt:

 Ánh sáng

 Kích thước vật

 Nền và màu viền xung quanh

Và đặc biệt nó còn phụ thuộc vào cảm nhận chủ quan của người quan sát

2 Màu sắc

Có 3 yếu tố cơ bản của màu sắc là:

Sắc (ton)

Độ đậm hoặc nhạt của một màu nào đó khi pha trắng hoặc pha đen

Quang độ: (Valuer)

Độ sáng hoặc tối của một

màu, là tác dụng liên kết giữa

các độ đậm nhạt này với độ đậm

nhạt kia

Ví dụ: trong vòng thuần

sắc, vàng là màu có đỉnh quang

độ sáng nhất, tím là màu có đỉnh

quang độ tối nhất do sự đập

mắt.

Cường độ: (Intensity)

Là mức độ mạnh hay yếu của một màu nào đó (thị giác cảm nhận được độ tươi thắm) do sự kích thích thị giác

Ví dụ: Vàng: quang độ sáng hơn, cam: cường độ mạnh hơn do độ tươi thắm của nó

3 Các phương pháp đo màu và ứng dụng

Trong công nghệ thực phẩm, màu sắc là một trong những thông số quan trọng quyết định chất lượng thực phẩm Màu sắc tuy không phản ánh hết các giá trị dinh dưỡng, mùi vị, chức năng của các sản phẩm thực

phẩm như nó quyết định sự chấp nhận của người tiêu dùng đối với sản phẩm thực phẩm

Màu sắc được dùng để theo dõi sự biến đổi màu của sản phẩm trong quá trình lưu trữ, phát triển và chế biến các sản phẩm thực phẩm; đánh giá độ chín của trái cây trong quá trình thu hoạch;…

Hiện nay có nhiều phương pháp xác định màu sắc khác nhau Tuy nhiên trong ngành thực phẩm, ta có 3 phương pháp xác định màu sắc chủ yếu:

Phương pháp cảm quan (thị giác)

Đối với những chuyên gia có kinh nghiệm trong lĩnh vực so màu

họ có thể xác định màu sắc thực phẩm qua việc cảm nhận bằng thị giác

Tuy nhiên, phương pháp này rất hạn chế do việc đánh giá bằng phương pháp này cho độ chính xác không cao

Phương pháp so màu bằng hóa chất

Nếu bạn muốn kiểm tra màu sắc các dung dịch như phẩm màu, nước giải khát… thì nên sử dụng các loại hóa chất chuyên dụng giúp phân biệt màu sắc nhanh và đảm bảo độ chính xác cao

Tuy nhiên tùy vào loại sản phẩm thực phẩm mà chúng ta lựa chọn

phương pháp xác định màu và thiết bị phù hợp để có kết quả như mong muốn

Phương pháp chụp màu

Nguyên tắc chung của các thiết bị đo màu:

- Nguồn sáng chiếu sáng mẫu đo

- Mẫu đo hấp thụ và phản xạ tín hiệu màu đến bộ phận thu nhận (bộ cảm biến)

- Tín hiệu sau khi được thu nhận bởi bộ phận thu nhận sẽ được xử lý để đưa ra các giá trị màu

Nguyên lý hoạt động máy đo màu

Các thiết bị đo màu thực phẩm

Ngoài ra, việc xác định màu sắc cho thực phẩm còn được ứng dụng trong:

- Đánh giá độ chín của nông sản

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

- Kiểm soát lỗi trong công nghệ đóng gói thực phẩm

Sơ đồ đánh giá độ chín nông sản

Sơ đồ các hệ số trong thanh trùng sữa tươi bằng

Ứng dụng kiểm soát lỗi trong đóng gói

III HỒNG NGOẠI

1 Khái niệm

Tia hồng ngoại là những bức xạ không nhìn thấy có bước sóng

lớn hơn bước sóng của ánh sáng đỏ và nhỏ hơn sóng vô tuyến

Bản chất tia hồng ngoại là sóng điện.

Bức xạ hồng ngoại (infrared radiation_IR):

(λ= 0,8÷1000µm)

và

Trong đó:

f: tần số (1/s)

l: bước sóng (m)

C: tốc độ sóng truyền (m/s)

u: số bước sóng (1/m)

2 Nguồn gốc bức xạ hồng ngoại

Năm 1880, William Hershel đã phát hiện ra sự tồn tại của bức xạ nhiệt ở ngoài vùng phổ của ánh sáng nhìn thấy và ông đặt tên nó là bức

xạ hồn ngoại (Infrarred – IR) Đây là dải bức xạ không nhìn thấy được có bước sống từ 0.75 đến 1000nm và ông cũng đã chứng minh bức xạ này cũng tuân theo quy luật của bức xạ nhìn thấy

Phương pháp phân tích theo phổ hồng ngoại là một trong những kỹ thuật phân tích rất hiệu quả Một trong những ưu điểm quan trọng nhất của phương pháp phổ hông ngoại vượt hơn những phương pháp phân tích cấu trúc khác (nhiễu xạ tia X, cộng hưởng từ điện tử,…) là phương pháp

này cung cấp thông tin về cấu trúc phân tử nhanh, không đòi hỏi các phương pháp tính toán phức tạp

Bức xạ hồng ngoại có độ dài sóng từ 0.8 đến 100μm và chia làm ba vùng:

1 Cận hồng ngoại (Near infrared) λ= 0.8 – 2.5μm

2 Trung hồng ngoại (Medium infrared) λ= 2.5 – 50μm

3 Viễn hồng ngoại (far infrared) λ= 50 – 100μm

3 Ứng dụng hồng ngoại

Trên thế giới IR đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như: ứng dụng chế tạo các thiết bị quang điện từ trong đo lường – kiểm tra trong lĩnh vực thực phẩm, các thiết bị chẩn đoán và điều trị trong y tế, trong các

hệ thống truyền thông, các hệ chỉ thị mục tiêu trong thiên vắn, trong điều khiển các thiết bị vũ trụ và trong những năm gần đây, chúng còn được sử dụng để thăm dò tài nguyên thiên nhiên của trái đất và các hành tinh khác, để bảo vệ môi trường Đặc biệt còn được ứng dụng rất quan trong trong lĩnh vực quân sự

Ở nước ta hiện nay, lĩnh vực này đã được một số cơ quan khoa học trong đó có Viện nghiên cứu ứng dụng công nghệ, tiếp cận, nghiên cứu từ cuối những năm 60 của thế kỷ XX Và đặc biệt, hiện nay phổ hồng ngoại được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp nói chung và trong thực phẩm nói riêng

Với ưu điểm: sạch, tốt không hóa chất, không gây vấn đề an toàn

và sức khỏe phổ hồng ngoại trong công nghiệp thực phẩm được áp dụng rộng rãi như:

- Phân tích dư axit amin trong protein.

- Đánh giá chất lượng chất béo, protein thành phần các sản phẩm sữa và

hạt

- Phân biệt bột cá, bột thịt, bột đậu nành có trong mẫu.

- Phân tích thành phần hóa học của phomat, ngũ cốc, bánh kẹo, thịt bò.

- Dễ dàng và hữu ích trong loại bỏ nguyên liệu thực phẩm không gây ảnh

hưởng chất lượng

Nguyên lý máy quang phổ hồng ngoại

1 Khái niệm cận hồng ngoại

Cận hồng ngoại được dựa trên sự hấp thụ sóng điện từ ở các bước sóng phạm vi 800 - 2500nm

Là phần quang phổ tồn tại cuối quang phổ nhìn thấy và bắt đầu vùng quang phổ hồng ngoại

Quang phổ cận hồng ngoại là một kỹ thuật phân tích cho phép biết được thành phần hóa học của thực phẩm và nguyên liệu nhanh hơn so với phép thử sinh hóa thông thường, dự báo được giá trị dinh dưỡng thực phẩm

2 Ứng dụng cận hồng ngoại

Quang phổ cận hồng ngoại là một kỹ thuật được thiết lập tốt và ngày nay là một yếu tố quan trọng của kiểm soát chất lượng trong ngành công nghiệp thực phẩm Máy quang phổ FT-NIR hiện đại của Bruker có thể phân tích cả mẫu lỏng và chất rắn và là công cụ lý tưởng để phân tích

nhanh chóng và không phá hủy nguyên liệu thô, sản phẩm trung gian và thành phẩm trong toàn bộ quá trình sản xuất

FT-NIR cung cấp một công cụ nhanh chóng và đơn giản để phân tích một loạt các nguyên liệu thô, trung gian và thành phẩm trong ngành công nghiệp thực phẩm.

Trái ngược với hầu hết các phương pháp hóa học và các phương pháp tham chiếu khác, công nghệ FT-NIR nhanh chóng, hiệu quả, không phá hủy và an toàn, vì nó không sử dụng hóa chất, dung môi hoặc khí Nó chỉ đơn giản là đo sự hấp thụ ánh sáng cận hồng ngoại của mẫu ở các bước sóng khác nhau ghi lại các rung động phân tử của tất cả các phân tử

có chứa các nhóm C-H, N-H hoặc O-H Do vậy quang phổ NIR này là lựa chọn đầu tiên để phân tích tất cả các loại vật liệu hữu cơ, làm cho nó trở nên lý tưởng cho nhiều loại thực phẩm

Những lợi ích chính của quang phổ FT-NIR là:

- Không chuẩn bị mẫu, không lãng phí

- Không yêu cầu kỹ năng đặc biệt, trình bày mẫu dễ dàng

- Không có lỗi điển hình của phương pháp phòng thí nghiệm cổ điển

- Phân tích nhiều thành phần trong thời gian ít hơn một phút

- Thích hợp cho bất kỳ mẫu rắn, sệt hoặc lỏng

Kiểm soát chất lượng

Các câu hỏi và mối quan tâm về chất lượng thực phẩm là vô tận, và nhu cầu về các công cụ dễ sử dụng để giám sát và đảm bảo tính toàn vẹn của thực phẩm đang gia tăng trên khắp thế giới FT-NIR là một công nghệ mạnh mẽ và hiệu quả để kiểm soát nguyên liệu thô, sản phẩm trung gian

và thành phẩm Nhiệm vụ phổ biến trong chế biến thực phẩm là

Xác định thành phần thực phẩm và phụ gia

Thành phần thực phẩm và phụ gia đã được sử dụng trong nhiều năm để bảo quản, tăng hương vị, pha trộn, làm dày và tạo màu thực phẩm Việc xác định các nguyên liệu này có thể được áp dụng tương tự như định tính nguyên liệu thô trong ngành dược phẩm đối với các chất tinh khiết hữu cơ cũng như một số khoáng chất và muối vô cơ Ví dụ: chất béo và chất thay thế chất béo, carbohydrate, vitamin và chất dinh dưỡng, axit amin, enzyme và các chế phẩm, chất nhũ hóa, chất ổn định,