Tiểu luận môn hóa sinh thực phẩm đường cong đẳng nhiệt

Nhiệt hấp thụ Phần 2: Tác dụng của đường đẳng nhiệt hấp thụ, phương pháp xác định và điều chỉnh hoạt độ nước 2.1.. Định nghĩa đường đẳng nhiệt hấp thụ phản hấp thụ -Đường đẳng nhiệt hấp

BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC THỰC PHẨM

TIỂU LUẬN MÔN HỌC:

HÓA SINH THỰC PHẨM

Lớp học phần:

Nhóm : 20

GVHD: Nguyễn Thị Trang

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2015

BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC THỰC PHẨM

S

T

Lời cảm ơn

Trên thực tế không có sự thành công nào mà không gắn liền với những

sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học tập ở giảng đường đại học đến nay,chúng em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý thầy cô, gia đình và bạn bè

Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, chúng em xin gửi đến quý Thầy Cô ở Khoa

Công nghệ thực phẩm cũng như quý Thầy Cô ở các khoa khác trong trường Đại Học Công Nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường Và đặc biệt, trong học kỳ này, Khoa đã tổ chức cho chúng em được tiếp cận với môn học mà theo chúng em là rất hữu ích đối với sinh viên ngành Công nghệ thực phẩm tụi em Đó là môn

“Hóa sinh thực phẩm”

Chúng em xin chân thành cảm ơn Cô Nguyễn Thị Trang đã tận tâm hướng dẫn chúng em qua từng buổi học trên lớp về các vấn đề và cách chế biến của thực phẩm Nếu không có những lời hướng dẫn, dạy bảo của cô thì bài thu hoạch này của chúng em rất khó có thể hoàn thiện được Một lần nữa,chúng em xin chân thành cảm ơn Cô!

MỤC LỤC

PHẦN MỞ ĐẦU

Phần 1: Đường đẳng nhiệt hấp thụ, phản hấp thụ và các trạng thái của nước trong thực phẩm

1.1 Định nghĩa hoạt độ nước và đường đẳng nhiệt hấp thụ (phản hấp thụ)

1.1.1 Định nghĩa hoạt độ nước

1.1.2 Định nghĩa đường đẳng nhiệt hấp thụ (phản hấp thụ)

1.2 Các trạng thái của nước trong thực phẩm

1.3 Trễ hấp thụ

1.4 Sự thay đổi của đường đẳng nhiệt hấp thụ theo nhiệt độ Nhiệt hấp

thụ

Phần 2: Tác dụng của đường đẳng nhiệt hấp thụ, phương pháp xác định và điều chỉnh hoạt độ nước

2.1 Tác dụng của đường đẳng nhiệt hấp thụ

2.2 Sự cần thiết phải xác định hàm lượng nước

2.3 Hoạt độ nước và điều kiện không cân bằng

2.4 Phương pháp xác định lượng nước và hoạt độ nước

2.4.1 Phương pháp xác định lượng nước tuyệt đối

2.4.2 Phương pháp xác định hoạt độ nước thực phẩm

2.5 Phương pháp điều chỉnh hoạt độ nước

2.6 Xác định đường đẳng nhiệt hấp thụ và phản hấp thụ

PHẦN 1: ĐƯỜNG ĐẲNG NHIỆT HẤP THỤ, PHẢN HẤP THỤ

VÀ CÁC TRẠNG THÁI CỦA NƯỚC TRONG THỰC

PHẨM

1.1 Định nghĩa hoạt độ nước và đường đẳng nhiệt hấp thụ (phản hấp

thụ)

1.1.1 Định nghĩa hoạt độ nước:

- Các hợp phần như protein, glucid, Trong một thực phẩm cũng như

trong một dung dịch có thể tương tác với nước làm nó khó bốc hơi do đó mà

số phân tử nước thoát rabtrong một đơn vị thời gian trên một đơn vị diện tích

bề mặt (thực phẩm dunh dịch) sẽ nhỏ hơn so với nước nguyên chất, và cân bằng:

Thực phẩm  hơi

Được thiết lập ở áp suất nhỏ hơn so với nước nguyên chất

- Hoạt độ nước aw của một thực phẩm là tỉ lệ giữa áp suất riêng phần p cảu hơi nước trong thực phẩm và áp suât riêng phần po của hơi nước trong nước nguyên chất ở cùng nhiệt độ

Aw = Po P

- Hoạt độ nước của một thực phẩm đặt trong không khí sẽ bằng độ ẩm tương đối của không khí đó Tuy hai thang đó là tương tự nhau ( độ ẩm tương đối được đo từ 0-100%, còn aw thì từ 0-1) nhưng hai thông số này có ý nghĩa vật lý khác nhau Độ ẩm tương đối cân bằng là so với pha khí, còn aw lại có liên quan tới pha ngưng tụ của nước bị hấp thụ bởi sản phẩm

1.1.2 Định nghĩa đường đẳng nhiệt hấp thụ (phản hấp thụ)

-Đường đẳng nhiệt hấp thụ (hoặc phản hấ

p thụ) là đường cong để chỉ

lượng nước được giữ bởi một thực phẩm nào đó, khi ở điều kiện cân bằng

và tại một nhiệt độ xác định, phụ thuộc vào độ ẩm tương đối của khí quyển bao quanh Hay ngược lại, nó chỉ áp suất hơi gây ra bởi nước của một thực phẩm phụ thuộc vào hàm lượng nước của chính thực phẩm đó

-Để xây dựng đường đẳng nhiệt hấp thụ, người ta đặt các mẫu của cùng một thực phẩm khô có trọng lượng đã biết trong một dãy bình kín có

độ ẩm tương đối của không khí tăng dần (dùng dung dịch muối bão hòa hoặc H2SO4 có nồng độ nhất định để ổn định độ ẩm) Xây dựng đường đẳng nhiệt phản hấp thụ bằng cách đặt các mẫu của cùng một thực phẩm

ướt có trọng lượng đã biết trong một dãy bình có độ ẩm tương đối giảm dần.Sau khi đạt trạng thái cân bằng người ta đo khối lượng nước ở các mẫu

để vẽ đồ thị

Hình 1.Đường đẳng nhiệt hấp thụ và phản hấp thụ nước

1.2 Các trạng thái của nước trong thực phẩm

Sau khi nghiên cứu đường đẳng nhiệt hấp thụ và phản hấp thụ, các nhà khoa học thống nhất rằng trên đường đẳng nhiệt hấp thụ và phản hấp thụ ít ra có hai vùng khác nhau

››Nước liên kết bền

Loại nước này nằm ở vùng A (H.1), có hoạt độ nước khoảng từ 0-0.3 Trong vùng này đường đẳng nhiệt tạo ra lớp nước đơn phân

Nước của lớp này khó tách ra với năng lượng hấp thụ vào khoảng 1 đến

15 kcal/mol, chiếm từ 3 đến 10g trong 100g sản phẩm khô Hơn nữa, lớp nước này khó đóng băng nên không thể là dung môi, tác nhân của các phản ứng

Bảng 1 Giá trị của lớp nước đơn phân ở một số thực phẩm

Loại thực phẩm Lượng nước, g nước/ 100g chất

khô Khoai tây sấy

Bích quy mặn

Sữa bột Sưa bột đã tách kem

Thịt bò sấy

5-8 4 2 3-6 4-5

››Nước liên kết yếu và nước tự do

Tiếp theo vùng A là vùng nước có mức độ tự do tăng dần:

-Lớp nước liên tiếp, đính liền với lớp nước đơn phân qua liên kết hydro Nước thuộc vùng đa tầng này chủ yếu là nước hydrat hóa của các hợp chất hòa tan như protein, muối

-Nước ngưng tụ trong các lỗ của thực phẩm Sự ngưng tụ nước trong các lỗ này sẽ làm giảm áp suất hơi bão hòa khi đường kính lỗ càng nhỏ Nước liên kết yếu và nước tự do có khả năng trao đổi với nhau rất nhanh,

có thể làm dung môi hòa tan các chất và thường đông đặc ở gần 0 ͦC Nước

tự do chiếm phần chủ yếu của các thực phẩm tươi hoặc thực phẩm được xử

lý để chế biến

1.3 Trễ hấp thụ

- Trễ hấp thụ là hiện tượng đường đẳng nhiệt hấp thụ và phản hấp thụ không trùng nhau ở một số thực phẩm

Tại cùng một trạng thái cân bằng ẩm, hàm lượng nước của thực phẩm ở đường đẳng nhiệt phản hấp thụ cao hơn đường đẳng nhiệt hấp thụ

- Độ lớn hiện tượng trễ hấp thụ phụ thuộc vào: tính chất ban đầu của thực phẩm, sự thay đổi tính chất vật lý khi khử nước, nhiệt độ, tốc độ khử nước, hàm lượng nước được khử ra trong quá trình khử nước

- Nguyên nhân:

+ Do sự ngưng tụ nước trong các lỗ mô: người ta thấy có một mối qua hệ giữa áp suất hơi tương đối của nước, góc tiếp xúc và đường kính lỗ

Hình 2

Góc tiếp xúc lỏng – rắn khi chất lỏng đến thấm ướt một bề mặt khô (hấp thụ) thường lớn hơn khia chất lỏng rút khỏi bề mặt ướt (phản hấp thụ) + Do sự khác nhau giữa đường kính miệng ống mao quản và đường kính lớn hơn ở sâu phía trong mao quản, nên áp suất hơi ở các chỗ đầy của mao quản sẽ cao hơn chỗ rỗng Khi phản hấp thụ thì mao quản sẽ chr dốc hết nước khi áp suất hơi tương đối ở đường kính miệng giảm xuống một giá trị tương ứng

+ Do hiện tượng quá bão hòa của các đường trong dung dịch: các đường không kết tủa mà tạo ra dung dịch bão hóa làm hoạt độ nước giảm nhanh

1.4 Sự thay đổi của đường đẳng nhiệt hấp thụ theo nhiệt độ Nhiệt

hấp thụ

Hình 3 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến đường đẳng nhiệt hấp thụ

Qua hình vẽ cho thấy, trước khi một sản phẩm đạt độ ẩm tương đối của khí quyển aT, bất thình lình tăng nhiệt độ từ T lên T+t thì sẽ xảy ra sự tách nước theo chiều mũi tên Sự khử nước sẽ còn mạnh mẽ hơn nếu viêc tăng nhiệt độ đi kèm theo sự làm giảm độ ẩm tương đối

Sự biến đổi áp suất hơi bão hòa của nước ở một thực phẩm có

phương trình:

= (1)

Trong đó Qs là nhiệt hấp thụ

Khi coi = aw , lấy tích phân 2 vế và giả sử Qs= const, công thức (1) được viết lại như sau:

lna w = - + J (2)

Hay loga w = - + (3)

Từ (3) ta thấy logaw là hàm bậc nhất của Tiến hành thực nghiệm đo các giá trị aw ở các nhiệt độ khác nhau, ta lập được đồ thị

Hình 4 Sự phụ thuộc của hoạt độ nước vào nhiệt độ

Nhưng nhiệt hấp thụ của cùng một thực phẩm khi được đo ở các hàm lượng nước khác nhau thì sẽ khác nhau Nhiệt hấp thụ sẽ tăng cùng với sự khử nước và sẽ trở nên rất cao khi ở miền dưới lớp nước đơn phân Do vậy,

ở nhiệt độ cao thường không thuận lợi cho chất lượng thực phẩm

PHẦN 2

TÁC DỤNG CỦA ĐƯỜNG ĐẲNG NHIỆT HẤP THỤ, PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH VÀ ĐIỀU CHỈNH HOẠT ĐỘ NƯỚC

2.1 Tác dụng của đường đẳng nhiệt hấp thụ

- Tiên đoán được hoạt độ nước trong hỗn hợp phức tạp ( ví dụ như

một thực phẩm)

- Cho khả năng biết trước cách xử sự của một thực phẩm khi xử lý hoặc bảo quản trong các điều kiện khác với điều kiện đã xem xét

VÍ dụ: Khi tái hydrat hóa moottj sản phẩm đã sấy khô (khử nước) thì

thấy: cùng một hàm lượng nước, sản phẩm đẫ tái hydrat hóa có hoạt dộ nước cao hơn snar phẩm đã khử một phần, nhất là trường hợp các quả và rau là những thực phẩm giàu đường và muối

- Cho thấy trước ảnh hưởng của các biến động nhiệt độ đến hoạt độ nước của một sản phẩm trong bao bì và hàm lượng nước không đổi

- Tiên đoán được lượng nước hấp thụ bởi một sản phẩm đã được làm khoovaf bao gói trong một bao bì thấm được với hơi nước

- Tiên đoán được độ bền của hàng hóa thực phẩm Thực phẩm chỉ bền tối đa khi chỉ khi có lớp nước đơn phân nghĩa là có hoạt độ nước từ 0.1-0.2

2.2 Hoạt độ nước và điều kiện không cân bằng

- Hoạt độ nước của thực phẩm chỉ được xác định trong điều kiện cân bằng nghĩa là khi thực phẩm và khí quyển tiếp xúc với nó ở cùng áp suất hơi cân bằng Các điều kiện đó chỉ tồn tại trong một hệ thống đóng

- Việc trộn lẫn các cấu tử thực phẩm có aw khác nhau có thể nảy sinh vấn đề về tính bền vững

- Độ ẩm cân bằng:

+ Độ ẩm cân bằng của sản phẩm là lượng nước của sản phẩm ở điều kiện cân bằng tại một nhiệt độ nhất định

+ Khi tăng nhiệt độ, độ ẩm cân bằng sẽ giảm

Hình 5 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ ẩm cân bằng

Dáng điệu của đường đẳng nhiệt hâp thụ nói chung không thay đổi, tuy nhiên ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ ẩm cân bằng tại những phần khác nhau của đường đẳng nhiệt là không giống nhau Khi tang nhiệt độ, ở vùng hấp thụ đa tầng độ ẩm cân bằng bị giảm mạnh hơn ở vùng đơn phân và vùng ngưng tụ

độ nước do đó tính hút ẩm và lượng nước bị hấp thụ bởi sản phẩm từ môi trường xung quanh sẽ bị giảm

2.3 Sự cần thiết phải xác định hàm lượng nước

Thông thường đối với mọi san phẩm thực phẩm trước tiên người ta cần phải biết hàm lượng nước của chúng vì những lý do sau:

1 Yêu cầu của công nghệ: Muốn biết hàm lượng nước để có quyết định và có biện pháp hợp lý về thu hoạch phơi sấy, bảo quản và chế biến công nghiệp HÀm lượng nước là chỉ số để đánh giá và làm chủ được các nguy cơ hư hỏng trong thời gian cất giữ thực phẩm

2 Yêu cầu của việc đánh giá chất lượng: Muốn biết cụ thể hàm lượng nước để quy các kết quả phân tích các mặt, các chỉ tiêu về một cơ sở

cố định là chất khô hoặc hàm lượng nước chuẩn

3 Yêu cầu của thương mại: Các hợp đồng mua và bán thường có quy định giới hạn trên hàm lượng nước không cho phép trong một sản phẩm

4 Yêu cầu của quy chế: Vì lý do vệ sinh thực phẩm và trung thực trong thương mại, người ta thường quy định hàm lượng nứơc giới hạn hoặc hàm lượng chất khô tối thiểu của một thực phẩm

2.4 Phương pháp xác định lượng nước và hoạt độ nước

2.4.1 Phương pháp xác định hàm lượng nước tuyệt đối

Đó là những phương pháp cho phép có một sự cân bằng thực giữa sản phẩm và một khí quyển có áp suất hơi nước bằng không Với các

phương pháp này có thể gồm:

- Phương pháp sấy mẫu ở nhiệt độ vừa phải:

Phương pháp này có thể dùng cho các thực phẩm dạng rắn Thường sấy sản phẩm trong một khí quyển có độ ẩm tương đối bằng không được tạo ra bằng cách cho các chất rất háo nước như diphospho pentaoxit (P2O5), peclorat

Mg khan hoặc rây phân tử Nước được kéo ra khỏi sản phẩm đã được nghiền nhỏ, để ở nhiệt dộ vừa phải (500C - 800C), dưới áp suất thấp, nhờ một tác nhân hút ẩm có khả năng tạo ra được một độ ẩm tương đối bằng không ở trong lòng Khi gia nhiệt sẽ làm tăng nhanh quá trình nhả nước ở mẫu vật Tuy nhiên nhiệt độ tối đa thường vào khoảng 45-800C có khi tới 1000C tùy theo sản phẩm

Với phương pháp này, người ta hay đặt mẫu vật và P2O5 ở hai nửa của ống thủy tinh pirex Nửa chứa mẫu vật được đặt vào bộ phận hình trụ thích hợp của tủ sấy, còn nửa đặt P2O5 thì nằm bên ngoài tủ sấy ở nhiệt độ thường,

có vòi và khóa hút chân không khi bắt đầu sấy

Phương pháp này cho kết quả rất tốt chỉ có nhược điểm là thời gian quá dài có thể đến 150 giờ

- Phương pháp Karl Fischer

Nguyên tắc của phương pháp dựa trên phản ứng sau:

SO2 +I2 + H2O  2I + 4H+ + SO4

2-Phản ứng cân bằng này sẽ chuyển dịch theo chiều thuận khi có mặt một bazo hữu cơ như piridin có khả năng kết hợp dần dần với các proton tạo ra trong quá trình phản ứng

Ngoài ra piridin và metanol có vai trò là những dung môi của iot và

SO2 Thuốc thử Karl Fischer gồm SO2, I2, piridin và một rượu Mẫu vật ở trạng thái cân bằng với môi trường có áp suất hơi nước bằng không, với điều kiện là nước chứa trong lòng các hạt dưới dạng huyền phù khuếch tán ra ngoài dung dịch iot và SO2 Sự khuếch tán này là hoàn toàn và tức thời với tất

cả các sản phẩm hòa tan được trong một dung môi tương hợp với thuốc thử Karl Fischer Phương pháp này rất khó thực hiện với các sản phẩm mà có một phần không thể chuyển thành dung dịch Dung môi có vai trò là môi trường

để khuếch tán pha rắn, là môi trường để trích ly nước, là tác nhân làm trương

nở và làm tan rã các cấu trúc cao phân tử và làm dễ dàng cho sự chiết Thời gian cần thiết để khuếch tán nước phụ thuộc vào kích thước các hạt và nhiệt

độ Để tăng nhanh quá trình người ta thường chiết ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt

độ sôi của dung môi được dùng

Phương pháp này có thể dùng khi những phương pháp khác không dùng được Các sản phẩm rắn, lỏng cũng như các sản phẩm có chứa các hợp chất bay hơi ở nhiệt độ thấp khác với nước đều dùng được phương pháp này

Do bản chất rất háo nước và rất nhạy với các hiệu ứng quang hóa nên thuốc thử Karl Fischer dễ dàng bị biến dổi theo thời gian Để ngăn ngừa người ta phải đựng trong chai thủy tinh có tác dụng ngăn cản quang hóa cũng như các dụng cụ có tác dụng cách ly thuốc thử với độ ẩm của khí quyển Thường thì trước khi dùng phải chuẩn hóa lại thuốc thử

- Phương pháp chưng cất

Cho mẫu vật vào trong một chất lỏng không hòa lẫn với nước, sau đó đưa hốn hợp đến nhiệt độ sôi Hơi dung môi và hơi nước được chiết ra và được ngưng tụ nhờ một ống sinh hàn hồi lưu, sau đó thu lại trong một ống chia độ, ở đây nước và dung môi không hòa lẫn nên tự tách ra Lượng nước được đọc bằng thể tích Dung môi thường dùng là benzen, toluen, xylen

Khó khăn chủ yếu là không chiết được nước hoàn toàn ở trong máu Phương pháp này có thể áp dụng để xác định nước trong bơ, dầu, các sản phẩm giàu lipid cũng như một số gia vị Thông thường người ta chỉ áp dụng phương pháp chưng cất cho những sản phẩm tự khuếch tán được trong chất lỏng dễ kéo cất

- Phương pháp sấy ở nhiệt độ từ 100 đến 130 0 C

Đó là phương pháp đơn giản nhất và nhanh nhất, khá phổ biến và đôi khi cũng cho kết quả tương tự như phương pháp tuyệt đối

Với phương pháp này thường phải nghiền mẫu và kiểm tra kích thước bột nghiền là cần thiết cho độ chính xác của các kết quả

- Phương pháp sấy nhanh ở nhiệt độ cao ( 200 0 C hoặc cao hơn)

Sấy trong 2 đến 15 phút, cũng thường được dùng như phương pháp kiểm tra công nghiệp Mẫu vật đặt trong lò sấy và có thể đọc trực tiếp hàm lượng nước của sản phẩm

2.4.2 Phương pháp xác định hoạt độ nước của thực phẩm

Aw hay độ ẩm tương đối cân bằng là aw mà tại đó một vật thể không thu thêm ẩm cũng như không mất ẩm khi ở một nhiệt độ xác định Như vậy, hoạt độ nước của sản phẩm chính là độ ẩm tương đối của sản phẩm ở điểm

“ mất nước số không” hay “nhận nước số không”

Có nhiều phương pháp xác định hoạt độ nước

-Phương pháp nội suy

Để mẫu vật có trọng lượng nhất định ở trong các buồng (bình hút ẩm)

có cùng nhiệt độ, độ ẩm tương đối khác nhau, có lắp thiết bị khuấy dung dịch và quạt không khí Sau khoảng từ 2-24 giờ (tùy thuộc vào mẫu vật và các tác giả), cân mẫu vật ở các buồng đó Từ đây biết được trọng lượng nước mất đi hay nhận vào ở mỗi mẫu Vẽ đồ thị y = f(aw) Đường biểu diễn

sẽ cắt trục x tại một điểm: điểm đó là aw của vật phẩm (H.4)

w