ỨNG DỤNG TÍNH CHẤT QUANG TRONG CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM MÔN VẬT LÍ THỰC PHẨM BÀI TIỂU LUẬN ỨNG DỤNG TÍNH CHẤT QUANG TRONG CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM Sinh viên thực hiện:

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

MÔN VẬT LÍ THỰC PHẨM

BÀI TIỂU LUẬN

ỨNG DỤNG TÍNH CHẤT QUANG

TRONG CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

GVHD: Trần Thị Hồng Cẩm Nhóm thực hiện: Nhóm 10

TP HCM, tháng 3 năm 2018

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

MÔN VẬT LÍ THỰC PHẨM

BÀI TIỂU LUẬN

ỨNG DỤNG TÍNH CHẤT QUANG

TRONG CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Long Nhật

Nguyễn Thị Hồng Phương Trần Viết Thái

Vương Thanh Bằng Nguyễn Tấn Thịnh Nguyễn Thị Kiều

TP HCM, tháng 3 năm 2018

MỤC LỤC

1 QUANG HỌC LÀ GÌ? 2

2 CHIẾU XẠ THỰC PHẨM 2

2.1 Khái niệm và phân loại 2

2.2 Cơ chế chiếu xạ thực phẩm 2

2.3 Mục đích của chiếu xạ 3

2.4 Ứng dụng và liều lượng chiếu xạ trong thực phẩm 3

3 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG PHỔ 5

3.1 Phân loại phương pháp phân tích quang học 5

3.2 Ứng dụng 6

3.2.1 Táo 6

3.2.1.1 Sử dụng mật độ quang học 7

3.2.1.2 Dựa vào sự hấp thụ tia X của táo 8

3.2.2 Khoai tây 10

3.2.3 Gạo 10

3.2.4 Trứng 11

LỜI MỞ ĐẦU

Trong 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 tươi mới, hương vị, kết cấu và có ít chất phụ gia như chất bảo quản, những yêu cầu này đặt ra những thách thức mới cho các nhà sản xuất do đó đòi hỏi có những công cụ, những phương pháp không độc hại, tiết kiệm chi phí mà nhờ đó có thể giúp ích cho việc phân loại, kiểm định chất lượng sản phẩm thực phẩm

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 Tính chất không phá hủy của phương pháp quang học không những không ảnh hưởng đến chất lượng thực phẩm mà còn xác định được một số thuộc tính chất lượng bên ngoài và khiếm khuyết bên trong

1 QUANG HỌC LÀ GÌ?

Quang học là một ngành của vật lý học nghiên cứu các tính chất và hoạt động của ánh sáng, bao gồm tương tác của nó với vật chất và các chế tạo ra các dụng

cụ nhằm sử dụng hoặc phát hiện nó Phạm vi của quang học thường nghiên cứu ở bước sóng khả kiến, tử ngoại, và hồng ngoại bởi vì ánh sáng là sóng điện từ, những dạng khác của bức xạ điện từ như tia X, sóng vi ba, và sóng vô tuyến cũng thể hiện các tính chất tương tự

2 CHIẾU XẠ THỰC PHẨM

2.1 Khái niệm và phân loại

Khái niệm: Chiếu xạ thực phẩm là cách thức tác động lên thực phẩm bằng tia ion hóa để xử lý thực phẩm, nhằm nâng cao chất lượng vệ sinh và an toàn thực phẩm Phân loại:

 Chiếu xạ bằng dòng electron: Dùng trực tiếp dòng electron chiếu lên thực phẩm

để tiêu diệt vi khuẩn

 Chiếu xạ bằng tia Gramma: Dùng tia gamma – chất đồng vị phóng xạ ( như 60Co) được chọn đặc trưng để tác động lên thực phẩm

 Chiếu xạ bằng tia X: Tương tự như tia gramma, tia X cũng là hạt photon có quang phổ rộng, cũng có khả năng xuyên thấu ngang bằng như 60Co, được sử dụng cơ bản trong chiếu xạ

2.2 Cơ chế chiếu xạ thực phẩm

Cơ chế của quá trình chiếu xạ dựa trên tính chất ion hóa của các tia bức xạ ( Tia gamma , tia X ) các nguyên tử, phân tử, cấu thành nên các cơ thể sống, đặc biệt là các phân tử DNA của tế bào vi sinh và tế bào thực vật Khi các phân tử của DNA bị ion hóa, các liên kết giữa chúng dễ đứt gãy, không có khả năng phục hồi, khi đó tế bào sẽ

bị chết trong quá trình phân bào

Khả năng chịu đựng chiếu xạ bằng bức xạ ion hóa của từng loại , loài vi sinh được

đặc trưng bằng liều D10 Liều D10 là liều mà 90% vi sinh bị tiêu diệt Ở một vùng liều chiếu nhất định, lượng VSV sống sót sau khi chiếu xạ được biểu diễn theo công thức :

N=N0 x 10 –D/D10

Trong đó :

N : số vsv sống sót sau khi chiếu xạ

N0 : số vsv ban đầu

D10: liều chiếu (KgY) làm chết 90% vi sinh

D : Liều chiếu (KgY)

Mức độ vsv gây bệnh sống sót sau chiếu xạ phụ thuộc vào các yếu tố :

 Kích thước DNA

 Tốc độ hồi phục của chúng

 Liều chiếu xạ

Một số giá trị liều D10 đối với một vài loài vi sinh gây bệnh:

5 saccharomyces cerevisiae 0,4-0,6

2.3 Mục đích của chiếu xạ

 Giúp kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm

 Chiếu xạ góp phần ngăn chặn sự lây lan nhiều dịch bệnh Khi chiếu xạ thực phẩm sẽ tiêu diệt các côn trùng, ký sinh trùng => sản phẩm đạt vô trùng cao nhất

 Làm chậm sự phát triển ,quá trình chín,ngăn chặn sự nảy mầm ở các loại củ, hạt

 Tạo ra nguồn thực phẩm an toàn

2.4 Ứng dụng và liều lượng chiếu xạ trong thực phẩm.

Danh mục thực phẩm được phép chiếu xạ và giới hạn liều hấp thụ tối đa

phẩm chiếu xạ Tối thiểu Tối đa

phẩm nông sản

dạng thân, rễ,

củ

Ức chế sự nảy mầm

tươi và rau

tươi (trừ loại

1)

Chậm quá trình chín

Kéo dài thời gian bảo quản

Kiểm soát kiểm dịch

cốc và các sản

phẩm bột ngũ

cốc; đậu hạt

Giảm hàm lượng vi sinh vật

Ức chế sự nảy mầm

sản và sản

phẩm thủy sản,

bao gồm động

vật không

xương sống,

động vật lưỡng

cư (tươi sống

hoặc đông

lạnh)

Hạn chế ví sinh vật gây bệnh

Kéo dài thời gian bảo quản

Kiểm soát nhiễm ký sinh trùng

gia cầm và sản

phẩm từ gia

cầm ở dạng

Hạn chế vi sinh vật gây bệnh

Kéo dài thời gian bảo quản

tươi sống hoặc đông lạnh

khô, gia vị và thảo mộc

Kiểm soát nhiễm ký sinh trừng

Hạn chế vi sinh vật gây bệnh

phẩm khô có nguồn gốc động vật

Kiểm soát nám mốc

Hạn chế vi sinh vật

http://doc.edu.vn/tai-lieu/cac-phuong-phap-bao-quan-thuc-pham-92150/

Chiếu xạ: Các tia bức xạ ion hóa đưa lại hiệu quả bảo quản tuỳ thuộc vào liều lượng sử dụng Hiệu quả của chúng là: - Diệt côn trùng (cả sâu non và trứng) - Diệt vi khuẩn và nấm nhưng độc tố nấm và vi khuẩn không bị tiêu diệt - Ức chế sự mọc mầm của củ do chúng ngăn cản sự phân chia tế bào; làm quả chậm chín do chúng can thiệp vào quá trình trao đổi chất - Làm giảm thời gian nấu nướng và làm khô thực phẩm Các tia gama và các chùm electron từ Co 60 và Cs 137 có năng lượng đâm xuyên mạnh được dùng để chiếu xạ thực phẩm Ưu điểm của phương pháp này là sự nhiễm trở lại VSV là không xảy ra Nồng độ chiếu xạ được sử dụng là 0,05 – 0,20 KGy để diệt côn trùng; 0,02 – 0,15 KGy để ức chế mọc mầm khoai tây, hành tây Chiếu xạ không gây nhiều thay đổi trạng thái và kết cấu thực phẩm Các thay đổi về mùi, vị, màu sắc, độ đặc thực phẩm có nhiều chất béo và protein có thể xảy ra (mùi phóng xạ) Các thay đổi này có thể được hạn chế bằng chiếu xạ trong môi trường không có oxy hay làm lạnh sâu thực phẩm trước khi chiếu xạ Tuổi thọ của thực phẩm chiếu xạ có thể tăng lêm một chút mà vẫn giữ được chất lượng Tuy vậy, ở một số nước vẫn chưa cho phép sử dụng phương pháp bảo quản này Ở những nước cho phép sử dụng, chúng buộc phải dán nhãn rõ ràng và kèm theo các cảnh báo cần thiết.

3 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG PHỔ

Phân tích quang phổ là tên gọi chung cho một hệ các phương pháp phân tích quang học dựa trên cơ sở ứng dụng những tính chất quang học của nguyên tử, ion, phân tử và nhóm phân tử

3.1 Phân loại phương pháp phân tích quang học

Phương pháp phân tích phổ nguyên tử, gồm có:

 Phổ pháp xạ nguyên tử

 Phổ hấp thụ nguyên tử

 Phổ huỳnh quang nguyên tử

Phương pháp phân tích phổ phân tử, gồm có:

 Phổ hấp thụ phân tử trong vùng UV-VIS

 Phổ hồng ngoại (IR và NIR)

 Phổ tán xạ Raman

3.2 Ứng dụng

Ứng dụng trong đánh giá chất lượng và an toàn thực phẩm như phát hiện thực phẩm nhiễm độc, thực phẩm bị hỏng, hay xác định các thành phần của thực phẩm

3.2.1 Táo

Trong những thay đổi lớn trong táo, các đặc tính quang phổ đã được tìm thấy xảy

ra trong vùng nhìn thấy được Như quả đạt được tỉ lệ phản xạ tăng lên khoảng 676 nm

và giảm đáng kể khoảng 400 đến 600 nm Các giá trị phản xạ thấp trong vùng cực tím

và có thể là do lỗi do ảnh hưởng của huỳnh quang, đặc biệt là từ chlorophyll Tỷ lệ phản xạ R580/R620 là tốt nhất cho các giống táo đỏ, ∆OD (740-695 mm) cho Golden Delicious, Stayman, Rượu đỏ đỏ và giống Winesap

(Mật độ quang OD là hiệu số giữa cường độ ánh sáng tia ló với cường độ ánh sáng tia tới khi đi qua dung dịch)

Một số khiếm khuyết táo bên ngoài và bên trong đã được phát hiện về quang học Bầm trên táo là một khiếm khuyết về chất lượng và thường là một vấn đề chính trong hoạt động phân loại Trong một cuộc điều tra trước đó, Rehkuglerz đã sử dụng

sự gián đoạn bề mặt trong táo do bầm tím như một phương tiện để phát hiện sự bầm tím Các phép đo phản xạ ánh sáng chỉ ra rằng táo bầm da có tỷ lệ phản xạ trung bình ít hơn da không bị trầy xước ở tất cả các bước sóng từ 700 đến 2200 nm

Reid nghiên cứu đặc tính phản xạ điển hình của vỏ táo chín, chưa chín, bị thâm tím, bóc vỏ, đài hoa và cuống (Hình 6 và 7) và kết luận rằng một máy dò nhạy trong

dải bước sóng 400 - 450 nm có thể được sử dụng để phát hiện vết thâm tím và một trong những nhạy cảm trong khoảng 725-800 nm cho phát hiện cuống và phát hiện đài hoa của táo

Watercore trong táo là rối loạn sinh lý của quả táo đặc trưng bởi các mô ngấm nước xung quanh các bó mạch hoặc vùng lõi do không gian giữa các tế bào trở nên đầy chất lỏng thay vì không khí

Watercore nhẹ thường biến mất trong quá trình bảo quản, nhưng watercore nghiêm trọng, thậm chí nếu không phát hiện ra bên ngoài, có thể gây ra sự phân hủy

mô nếu được lưu trữ, táo bị hư hỏng dẫn đến thiệt hại lớn

Nguyên nhân gây ra bệnh: watercore được thúc đẩy bởi một số yếu tố môi trường và sinh học bao gồm trái cây tốt tiếp xúc, tăng trưởng quá mức hoặc mạnh mẽ, đất trồng trọt tốt, lượng mưa quá nhiều hoặc tưới tiêu, cực đoan về nhiệt độ và độ ẩm, cắt tỉa trầm trọng ngay trước khi chín, nhiệt độ thấp

(đặc biệt là sương mù) trước khi thu hoạch, các yếu tố tạo ra chuyển đổi nhanh tinh bột thành đường.Một đặc trưng của watercore là điều kiện chỉ phát triển khi quả vẫn còn trên cây

Tác hại: Khó khăn trong việc lưu trữ táo Một số bệnh và rối loạn khác xảy ra sau khi táo bị watercore: Dập táo, chảy nước ra ngoài, phân hủy mô, dễ bị nấm nhiều hơn có thể gây độc

Biện pháp: Giảm thiểu bằng cách thu hoạch kịp thời trước khi táo chín quá

Nguyên tắc phát hiện watercore trong táo

Sự hiện diện của dung dịch nước trong không gian giữa các tế bào dẫn đến sự thay đổi các tính chất vật lý nhất định và trong sự phân bố các nguyên tử hydro Các thay đổi thuộc tính vật lý đã được khai thác bởi các thiết bị phát hiện khác nhau bao gồm mật độ quang học và hấp thụ tia X

Birth và Olsen đã phát triển một kỹ thuật không phá hủy nhanh chóng để phát hiện các khuyết tật như vậy trong táo Delicious

Kể từ không gian không khí được loại bỏ trong các mô lõi nước nó phân tán ít ánh sáng hơn nhưng truyền nhiều hơn các mô bình thường Mật độ quang học, ∆OD (760-810 nm) cho kết quả tốt nhất

Thiết bị truyền ánh sáng được dựa trên sự đo lường sự khác biệt mật độ quang học (OD) Một thiết bị đầu tiên được phát triển bởi Birth and Olsen (1964) ở

Wenatchee Được mô tả lần đầu tiên vào năm 1962, thiết bị này đo sự khác biệt về cường độ ánh sáng truyền qua hai bước sóng - 760 và 810 nano mét Mức độ watercore được biểu diễn bằng một mối quan hệ toán học:

Watercore index = OD760 - (0.8 x OD810)

Thiết bị chỉ đạo ánh sáng của một bước sóng được chọn qua táo và vào máy dò quang Bằng cách chiếu những bước sóng ánh sáng khác nhau qua táo và so sánh số lượng đã truyền, một loạt các phép thử đã được thực hiện hỗ trợ chỉ số watercore hiển thị ở trên

Các thiết bị hấp thụ tia X Các mô nước hấp thụ nhiều năng lượng tia X hơn các

mô bình thường, do đó một thiết bị nhạy cảm với sự thay đổi trong khả năng hấp thụ tia X có khả năng phát hiện và định lượng đủ lượng nước để tách có thể thực hiện Có

ba phương pháp để sử dụng tia X để phát hiện và sắp xếp táo nước Việc lâu đời nhất là tiếp xúc của phim ảnh với các tia X đã đi qua một quả táo Những hình ảnh này được gọi là X quang Các hệ thống điện tử gần đây cố gắng ghi lại các hình ảnh kỹ thuật số Chụp cắt lớp vi tính (CT) tạo hình ảnh với nhiều lần phơi sáng cho X-quang Kỹ thuật này có thể tạo ra các phép đo định lượng chất lượng rất cao về các đặc tính bên trong Các thiết bị Line-Scan sử dụng mảng dò tuyến tính một chiều Cần phải quét nhiều đường để tạo ra một hình ảnh Các thiết bị này ít tốn kém hơn nhưng sản xuất thông tin định lượng nội bộ tương đối nghèo hơn

Các kết quả gần đây sử dụng tia X đã được báo cáo trong tài liệu Schatzki et al (1997) đã sử dụng cả hình chụp X quang và quét dòng Họ đã kiểm tra liệu con người

có thể xem các hình ảnh và phát hiện ra watercore Đã đạt được độ chính xác trên 50% khi hình ảnh định hướng được kiểm tra mà không có giới hạn thời gian Khi giới hạn thời gian được áp dụng bằng cách sử dụng các dòng quét hình ảnh kỹ thuật số trên màn hình máy tính, độ chính xác giảm nhanh chóng khi tốc độ hình ảnh tăng lên và thời gian kiểm tra giảm Với khoảng 50% tốc độ đường dây đóng gói điển hình, chỉ có 20% thủy triều bị ảnh hưởng bởi nước (Red Delicious) được xác định chính xác Những kết quả này gợi ý rằng các hình ảnh chứa đầy đủ thông tin để phân loại trái cây nhưng cần phải có một thuật toán phân tích hình ảnh trên máy vi tính chứ không phải là phân loại của con người

Một nghiên cứu gần đây được báo cáo bởi Shahin và Tollner (1997) Họ sử dụng một hệ thống quét dòng để kiểm tra các phương pháp để phân tích các hình ảnh được số hóa để xác định mức độ watercore đã có mặt Họ kiểm tra 108 Táo Red Delicious với 64%, được phân loại chính xác Hình 2 cho thấy một đường quét tia X điển hình ở bên trái và các vùng tăng cường máy tính của watercore bên phải Bảng 1 liệt kê độ chính xác phân loại của máy tính theo mức độ watercore

Watercore là một rối loạn nội bộ xuất hiện như là nước ngâm, khu vực thủy tinh gần lõi trong táo Các giải pháp nhanh và không gây huỷ diệt cho watercore sẽ được chấp nhận trong ngành công nghiệp sau thu hoạch X-quang CT và MRI được so sánh như là công nghệ hình ảnh tiềm năng để phát hiện ra rối loạn đặc biệt này Sau khi kết hợp các bộ dữ liệu 3D của X-quang

CT và MRI, những hình ảnh thu được trên quả giống hệt nhau đã được so sánh về số lượng Cả MRI và CT đều có thể phát hiện thấy watercore, tuy nhiên độ tương phản trong các hình ảnh MRI

là cao hơn Hình ảnh vi-CT có độ phân giải cao đã cho thấy những thay đổi vi mô trong trái cây thủy triều: không gian giữa các tế bào của mô táo bị ảnh hưởng được đổ đầy nước Điều này giải thích mật độ cao hơn được phát hiện ở đây bởi các tia X và hàm lượng nước cao hơn trong MRI Điểm trung bình và sai lệch của sự phân bố tần số MRI và cường độ tia X X quang dường như là một tham số cho phép xác định táo khỏe mạnh từ trái cây bị ảnh hưởng Xử lý hình ảnh tự động dựa trên ngưỡng hình ảnh dẫn đến độ chính xác phân loại watercore tương đương lên đến 89% đối với CT X-quang và 79% đối với dữ liệu MRI, bất chấp sự tương phản rõ nét hơn trong hình ảnh MRI.

Chụp cộng hưởng từ (còn gọi nôm na là chụp em-rai theo viết tắt tiếng Anh MRI của Magnetic resonance imaging) là một phương pháp thu hình ảnh của các cơ quan

trong cơ thể sống và quan sát lượng nước bên trong các cấu trúc của các cơ quan Ảnh cộng hưởng từ hạt nhân dựa trên một hiện tượng vật lý là hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân

Chụp cộng hưởng từ gọi đầy đủ là "chụp cộng hưởng từ hạt nhân" bắt đầu được dùng để chẩn đoán bệnh từ năm 1982 Hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân bắt đầu được 2 tác giả Bloch

và Purcell phát hiện năm 1952 Sự khác nhau cơ bản giữa chụp cộng hưởng từ và chụp X quang là năng lượng dùng trong chụp X quang là năng lượng phóng xạ tia X còn trong chụp cộng hưởng từ là năng lượng vô tuyến điện.

Bức xạ X (bao gồm tia X hay X-ray) là một dạng của sóng điện từ hầu hết tia X có dải bước sóng trong khoảng từ 0,01 đến 10 nm và có năng lượng từ 120 eV đến 120 keV Bước sóng của nó ngắn hơn tia tử ngoại nhưng dài hơn tia gamma

Sóng vô tuyến là một kiểu bức xạ điện từ với bước sóng trong phổ điện từ dài hơn ánh sáng hồng ngoại Sóng vô tuyến có tần số từ 3 kHz tới 300 GHz , tương ứng bước sóng từ

100 km tới 1 mm Giống như các sóng điện từ khác, chúng truyền với vận tốc ánh sáng

Quang phổ phản xạ hồng ngoại (NIRS) là một kỹ thuật không phá hủy và nhanh chóng

được áp dụng ngày càng nhiều trong đánh giá chất lượng thực phẩm trong những năm gần đây.

Nó cung cấp cho chúng ta nhiều thông tin hơn để nghiên cứu chất lượng của các sản phẩm thực phẩm

Quang phổ hấp phụ cận hồng ngoại (Near Infrared Reflectance Spectroscopy - NIRS)

là kỹ thuật dùng để xác định thành phần hóa học trong các mẫu sinh học nguyên liệu, thực phẩm, dược phẩm; kỹ thuật chẩn đoán trong y tế (xác định lượng đường và đo ô xy trong máu); kỹ thuật dùng để kiểm soát chất lượng nông hóa, nghiên cứu quá trình đốt cháy, nghiên cứu khoa học thần kinh nhận thức… [1][2]

Nguyên lý

Theo William (1998), khi có một chùm ánh sáng tới chiếu qua các mẫu sinh học, vùng ánh sáng cận hồng ngoại, bước sóng 750 – 2.500 nm được các liên kết C-H, N-H, O-H có trong các chất hữu cơ của mô sinh học hấp phụ Đo phổ ánh sáng phản xạ từ các mẫu sinh học sẽ thu được các thông tin về thành phần hóa học của mẫu đó Những giá trị phổ thu được sẽ được phân tích bằng phần mềm máy tính và cho ra một ma trận các giá trị của phổ chất hữu cơ cần phân tích (như protein thô, lipit…) Áp dụng mô hình thống kê nhiều biến sẽ mô tả được mối quan hệ giữa phổ hấp phụ và thành phần hóa học; mối quan hệ này là cơ sở để chẩn đoán thành phần hóa học tại các máy phân tích (máy NIR) [2

Thông thường, NIR được dùng để định lượng chất béo, đạm và chất ẩm trong các loại thức

ăn, nhưng can xi là càng ngày càng trở nên quan trọng với chúng, Điều thấy rõ là các loại gia cầm không đẻ cần ít can xi hơn so với gia cầm không đẻ để đảm bảo sức khỏe cho nó và cấp can xi cho

vỏ trứng

Figure 2 X-ray line scans of Red Delicious apples Raw images are on the left.

Computer enhanced zones of watercore are depicted on the right (Shahin and Tollner, 1997)