Vật lý thực phẩm

Thông tin về học phần• Học phần cung cấp cho người học kiến thức vềđặc trưng vật lý của thực phẩm, nh chất điệntừ, các nh chất lưu biến cơ bản, hệ nhiều pha, phương pháp đo các thông

Thông tin về học phần

• Học phần cung cấp cho người học kiến thức vềđặc trưng vật lý của thực phẩm, nh chất điệntừ, các nh chất lưu biến cơ bản, hệ nhiều

pha, phương pháp đo các thông số cơ bản củathực phẩm; nhằm giúp người học vận dụng

kiến thức của học phần trong chế biến và

đánh giá chất lượng thực phẩm

Nội dung giảng dạy

• Lý thuyết (02 tc)

– Chủ đề 1: Một số đặc trưng hình học và vật lý của

thực phẩm

– Chủ đề 2: Tính chất lưu biến của thực phẩm

– Chủ đề 3: Hiện tượng bề mặt và hệ nhiều pha

trong thực phẩm

– Chủ đề 4: Tính chất nhiệt của thực phẩm

– Chủ đề 5: Tính chất điện từ của thực phẩm

• Thực hành (01 tc)

Tài liệu tham khảo

Tên tác giả Tên tài liệu Năm xuất

2012 CRC Press Giảng viên cung

cấp

Michael J Lewis

Physical properties of foods and food processing systems

2006

Woodhead Pubplishing Limited, Cambridge England

Giảng viên cung

cấp

Ludger O.Figura

Athur A.Teixeira

Food Physics 2007 Springer, NewYork Thư viện số ĐHNT

Serpil Sahin and

Servet Gu¨lu¨m

Sumnu

Physical Properties of Foods

2006 Springer, NewYork Thư viện số ĐHNT

Đặng Minh Nhật Lưu biến học thực

phẩm

2011 NXB Khoa học và

kỹ thuật TP HCM

Thư viện số ĐHNT

Tại sao phải nghiên cứu tính chất vật lý

của thực phẩm?

• Nguyên liệu thực phẩm (NLTP) có nguồn gốc sinh học và có tính đặc thù

- Hình dạng của NLTP không đều

- Các tính chất không có phân phối chuẩn

- Cấu tạo dị thể

- Thành phần của vật liệu thực phẩm thay đổi theo loài, theo điều kiện của môi trường, theo độ trưởng thành và theo nhiều yếu tố khác

- Tính chất của thực phẩm bị biến đổi về mặt hóa học và bị ảnh hưởng bởi độ ẩm, bởi sự hô hấp và các hoạt động của enzim

• Tính chất vật lý của thực phẩm có vai trò quyết định trong việc thiết kế thiết bị, bảo quản, quản lý chất lượng cũng như phát triển các sản phẩm thực phẩm.

• Hiểu biết chính xác các tính chất vật lý còn là cơ sở thiết yếu cho quá trình mô phỏng và tối ưu hóa trong sản xuất

Tại sao phải nghiên cứu tính chất vật lý

của thực phẩm?

Ứng dụng của các tính chất vật lý:

- Xác định và lượng hoá việc mô tả nguyên liệu

- Cung cấp dữ liệu cho ngành khoa học thựcphẩm

- Tiên đoán tính chất của vật liệu mới từ

đó đa dạng hóa thực phẩm

Chủ đề 1

Một số đặc trưng hình học

và vật lý của thực phẩm

Đặc trưng hình học và vật lý

của thực phẩm

• Khi xem xét cấu trúc của nguyên liệu thực phẩm, người ta phân làm

2 mức độ: mức độ vi mô (microscopic level) và mức độ vĩ mô

(macroscopic level) Ở mức độ vi mô, cấu trúc của thực phẩm được phản ánh thông qua các thành phần cấu tạo nên thực phẩm đó như nước, tinh bột, protein, lipid, muối Các cấu trúc này có thể được bảo toàn hoặc bị phá hủy trong quá trình chế biến thực phẩm Ở mức độ vĩ mô, đặc trưng cho cấu trúc của thực phẩm được thể hiện qua các thông số như mật độ, đỗ rỗng, độ co, kích thước hạt, hình dạng Những đặc tính này liên quan mật thiết tới khả năng vận

chuyển cũng như quá trình chuyển khối, truyền nhiệt của thực

phẩm

• Người ta chia nguyên liệu thực phẩm làm hai nhóm:

– nguyên liệu rắn là thực phẩm có độ co và độ rỗng tăng khi bị mất nước – nguyên liệu dạng hạt là nguyên liệu có độ rỗng có thể thay đổi ví dụ dưới tác động của lực nén hay lực rung.

Khối lượng

• Khối lượng là thước đo về lượng (nhiều hay ít) hay mức độ đậm

đặc (loãng hay đặc) của vật chất chứa trong vật thể (Bài giảng chị Hương) Khối lượng được hiểu phổ thông nhất là sức nặng của vật trên mặt đất (Wikipedia)

• Khối lượng của một vật là đại lượng đặc trưng cho quán tính (sức

ỳ) của vật đó đối với sự thay đổi vận tốc của nó.

• Khối lượng của một vật cũng có thể được hiểu như một đại lượng

đặc trưng cho tác động của lực hút trái đất lên vật Lực tương tác giữa vật thể và trái đất hay trọng lực phụ thuộc vào gia tốc trọng trường tại địa điểm xét, thể hiện qua công thức:

Khối lượng

Nghiên cứu về khối lượng nguyên liệu có thể phục vụ:

• Tính toán các khối lượng cần thiết của nguyên liệu

trong quá trình chế biến, dự trù khối lượng nguyên

liệu, định mức kỹ thuật, qui định giá thành.

• Đánh giá chất lượng thực phẩm

• Phân loại nguyên liệu

• Thành phần khối lượng có ý nghĩa to lớn trong việc thu mua, bảo quản, chế biến thực phẩm.

• Hiểu biết về khối lượng của nguyên liệu cho phép lựa chọn chủng loại phù hợp với yêu cầu sản phẩm

Phương pháp xác định khối lượng

– Cân cơ học: Cân lò xo dựa vào độ biến dạng lo xo gây

ra bởi trọng lượng của vật cần cân Khối lượng của vật

sẽ được quy đổi theo công thức 2.1 Hoặc cân theo nguyên tắc đòn bẩy (Hình 2.1).

– Cân điện tử: Dựa vào nguyên tắc tải trọng của vật lên mặt cân sinh ra sự thay đổi về tính hiệu điện từ, từ đó suy ra khối lượng của vật Ví dụ: thay đổi ứng suất dẫn tới thay đổi về điện trở của đòn cân (độ chính xác

thấp), tải trọng làm thay đổi tần số rung của cuộn dây điện (độ chính xác trung bình), dòng điện sinh ra để tạo ra lực từ trường cân bằng với tải trọng của vật (độ chính xác cao)

Phương pháp xác định khối lượng

d

G d

Mật độ

Khái niệm mật độ

Mật độ của một vật là lượng vật chất có trong một đơn vị thể tích của vật đó Mật độ khối lượng, hay khối lượng riêng của một vật có cấu trúc đồng nhất được xác định bằng tỷ lệ giữa khối lượng và thể tích của nó Đơn vị của mật

độ là kg/m 3 Định nghĩa này được dùng chung cho tất cả các dạng tồn tại của vật chất bao gồm dạng rắn, dạng lỏng, dạng khí, dạng phân tán (dạng bọt, dạng bột) Tỷ lệ nghịch của mật độ được gọi là thể tích riêng (specific

volume), có đơn vị đo là m 3 / kg

Ý nghĩa của việc xác định mật độ

- Chất lượng của nguyên liệu thực phẩm có

có thể được đánh giá bằng cách đo mật độ của chúng.

- Mật độ của các loại thực phẩm được yêu cầu trong quá trình tách, chẳng hạn như lắng, ly tâm.

- Xác định mật độ của chất lỏng để tính toán bơm

- Tính được kích thước bao bì và thiết bị vận chuyển.

- Đánh giá chất lượng cảm quan của thực phẩm

độ.

• Thực phẩm càng xốp hàm lượng nước thấp và càng dễ làm khô.

• Độ xốp là cần thiết tính toán quá trình truyền nhiệt như sấy khô, chiên, nướng, sưởi ấm, làm mát

• Độ xốp của thực phẩm cho phép các chất khí, lỏng đi vào trong lòng của nó nhiều hay ít.

• Độ xốp càng lớn thì càng dễ dàng cho việc khuếch tán các chất khí, lỏng vào trong thực phẩm.

• Độ xốp của thực phẩm càng nhỏ thì gây nhiều cản trở cho quá trình sấy, xử lí nhiệt, ngâm tẩm gia vị.

• Lựa chọn bao bì, phương tiện vận chuyển, phương pháp chế biến và bảo quản

- Tính toán truyền nhiệt

- Tính toán bao bì chứa đựng và phương tiện vận chuyển

Bề mặt riêng

• Là diện tích bề mặt của vật rắn (thường là vật hấp phụ) tính trên một đơn vị khối lượng hoặc thể tích của vật.

• Bề mặt riêng có tầm quan trọng lớn đối với các hiện tượng liên

quan đến bề mặt như: hấp phụ, hoặc trao đổi nhiệt.

• Dựa vào bề mặt riêng để tạo ra nhiều loại sản phẩm khác nhau với nhiều hình dạng và kích thước nhằm tạo sự đa dạng trong sản

• Việc xác định bề mặt riêng giúp hữu ích trong việc ước tính số

lượng bao bì để bọc trái cây, tỷ lệ đun nóng, làm mát ,làm lạnh và làm khô thực phẩm.

• Đối với thực phẩm dạng hạt, bề mặt riêng là quan trọng trong việc sưởi ấm và làm mát, tốc độ truyền nhiệt tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt.

Chủ đề 2

Tính chất lưu biến của

thực phẩm

Khái niệm về lưu biến

• Lưu biến học là ngành khoa hoc nghiên cứu sự chảy và sự biến dạng của vật chất hay nói cáchkhác là nghiên cứu cách hoạt động của vật

chất dưới tác dụng của ứng suất

Vai trò của lưu biến học thực phẩm

- Kiểm tra chất lượng bán thành phẩm và thành phẩm

- Kiểm tra thời gian bảo quản

- Đánh giá tương quan giữa phép đo kết cấu thực phẩm bằng công cụ với phép đánh giá cảm quan

- Xác định chức năng của các thành phần nguyên liệu

trong nghiên cứu phát triển sản phẩm

- Xác định phương trình trạng thái lưu biến

- Tính toán các quá trình thiết bị bao gồm các loại thiết

bị như ống dẫn, bơm, máy ép đùn, máy khuấy trộn, máy tạo vỏ, thiết bị trao đổi nhiệt, thiết bị đồng hóa và thiết bị đo độ nhớt

Phân loại tính chất lưu biến

Với mỗi vật thể, tính chất lưu biến chia thành 2 loại:

• Tính chất lưu biến cơ bản: là những tính chấtkhông phụ thuộc vào thiết bị đo: mô đun đànhồi, độ nhớt, …

• Tính chất lưu biến thực nghiệm: là những tínhchất được đo thực nghiệm bằng những thiết

bị đo chuyên dụng và kết quả đo phụ thuộc

hoàn toàn vào thiết bị:

Ứng suất (Pa,N/m2)

• Ứng suất là lực tác dụng lên một đơn vị diệntích

 = F/A

• Ứng suất pháp (p)  Biến dạng dài

• Ứng suất tiếp (t)  Biến dạng trượt

• Dưới tác động của ứng suất  Biến dạng

– Biến dạng là sự thay đổi vị trí tương đối giữa các điểm khác nhau của vật thể

Đường cong biến dạng

• Đàn hồi lý tưởng

• Biến dạng vĩnh viễn

Một số khái niệm

• Vật thể rắn Hook: vật thể đàn hồi lý tưởng

– Môdun đàn hồi: tỷ lệ giữa  và độ biến dạng

– Quyết định thái độ của người tiêu dùng

– Quyết định sự chấp nhận của người tiêu dùng

– Phản ánh chất lượng sản phẩm

Cấu trúc của thực phẩm Phương pháp phân tích hình ảnh TPA

– Độ nhớt phụ thuộc vào tốc độ trượt

– Độ nhớt thay đổi theo ứng suất

Lưu biến chất lỏng

• Phân loại chất lỏng

– Theo độ nhớt

– Theo ứng suất

– Theo thời gian

– Theo sự tồn tại của ứng suất ngưỡng

• Ứng suất ngưỡng: ứng suất tối thiểu để chất lỏng có thể chảy

Độ nhớt

• Độ nhớt: là đại lượng vật lý đặc trưng cho trởlực do ma sát nội tại sinh ra khi các phân tửchất lỏng chuyển động trượt lên nhau

Chất lỏng độc lập với thời gian

Chất lỏng phụ thuộc thời gian

Chủ đề 3

Hiện tượng bề mặt và hệ

nhiều pha trong thực

phẩm

Sức căng bề mặt

• Khái niệm: Công cần thiết để kéo dãn một đơn

vị bề mặt trong điều kiện đẳng nhiệt

• Phương trình Laplace

• Phương trình Kelvin

• Phương trình Young

• Phương trình hấp phụ Gibbs

Chất hoạt động bề mặt

• Khái niệm: Các chất hoạt động bề mặt là

những phân tử lưỡng cực, trong cấu tạo

của chúng vừa có phần ưa nước, vừa có phần kỵ nước Phần kỵ nước có thể hòa tan, hay tương tác với bề mặt kỵ nước của chất béo hay dầu, trong khi phần ưa nước lại có thể hòa tan vào pha nước

Tên gọi hóa học Tên viết tắt Số hiệu theo quy

định của EU

FDA (Mỹ) ADI (mg/kg) Hòa tan

trong Nhóm ion hóa

Lecithin E 322 184.1400 NL Dầu/Nước Muối của acid béo FA E 470 172.863 NL Dầu/Nước Natri stearoyl lactylate SSL E 481 172.846 0 – 20 Nước Canxi stearoyl lactylate CSL E 482 172.844 0 – 20 Dầu Ester MG với acid citric CITREM E 472c 172.832 NL Nước Ester MG với acid diacetyl

tartatric DATEM E 472e 184.1101 0 – 50 Nước Nhóm không ion hóa

Các monoglyceride MG E 471 184.1505 NL Dầu Ester của MG với acid acetic ACETEM E 472a 172.828 NL Dầu Ester của MG với acid lactic LACTEM E 472b 172.852 NL Dầu Ester của FA với polyglycerol PGE E 475 172.854 0 – 25 Nước Ester của FA với propylene

glycol PGMS E 477 172.856 0 – 25 Dầu Ester của FA với saccharose E 473 172.859 0 – 10 Dầu/Nước Sorbitan monostearate SMS E 491 172.842 0 – 25 Nước Sorbitan tristearate STS E 492 - 0 – 15 Dầu Polyoxyethylene (20)

sorbitan monostearate Polysorbate 60 E 435 172.836 0 – 25 Nước Polyoxyethylene (20)

sorbitan tristearate Polysorbate 65 E 436 172.838 0 – 25 Nước Polyoxyethylene (20)

Chỉ số cân bằng ưa nước – ưa béo HLB

• Chỉ số HLB được đưa ra dưới dạng con

số nhằm cho biết phân tử chất hoạt động

bề mặt có ái lực tương đối với pha dầu và pha nước như thế nào

• HLB = 7 +  (chỉ số tương ứng của nhóm

ưa nước) -  (chỉ số tương ứng của nhóm

ưa dầu)

Hệ nhiều pha trong thực phẩm

Dung dịch thực

(solution)

Hệ phân tán (suspension)

Hệ keo (colloid)

Dung dịch thực

(solution)

Hệ phân tán (suspension)

Hệ keo (colloid)

rắn /Gel

Huyền phù

rắn

Nhũ tương trong thực phẩm

• Nhũ tương là một hệ phân tán mà cả phaphân tán và pha liên tục đều tồn tại dưới dạnglỏng Giữa hai pha tồn tại một lớp màng

tiếp xúc, lớp màng này thường do các

chất hoạt động bề mặt hình thành

Nhũ tương trong thực phẩm

• Nhũ tương dầu trong nước (o/w): các giọt dầu nhỏ nằm phân bố lơ lửng trong pha liên tục là pha nước Đây là dạng nhũ tương thường gặp nhất, nó xuất hiện trong các sản phẩm như mayonnaise, kem, Có thể kiểm soát tính chất của dạng nhũ tương này thông qua việc thay đổi các chất hoạt động bề mặt cũng như thành phần trong pha nước

• Nhũ tương nước trong dầu (w/o) có sản phẩm điển hình là bơ và margarine Tính ổn định của nhũ tương dạng này lại phụ thuộc chủ yếu vào tính chất của chất béo, dầu mỡ và của chất hoạt động bề mặt và ít bị ảnh hưởng bởi đặc tính pha nước.

• Nhũ tương nước trong dầu trong nước (w/o/w), thực chất là một nhũ tương dầu trong nước, bên trong các giọt dầu lại có chứa nhiều giọt nước (tức là mỗi giọt dầu là một hệ nhũ tương nước trong dầu)

Đây là dạng nhũ tương khó tạo thành nhất, do yêu cầu những giọt nước nằm trong giọt dầu cũng phải đạt đỗ ổn định tương đương với

hệ phân tán của các giọt dầu trong pha nước liên tục.

Độ bền của nhũ tương

• khả năng nhũ tương kháng lại sự biến đổi tính chất theo thời gian: nhũ tương càng bền thì càng ít thay đổi tính chất

• Độ bền nhiệt động học

• Độ bền động học

Độ bền của nhũ tương

• kiểm soát hiện tượng tách pha do tác động của trọng lực

– Làm giảm sự khác biệt tỷ trọng

– Giảm kích thước hạt phân tán

– Thay đổi đặc tính lưu biến của pha liên tục

– Tăng mật độ các giọt phân tán

– Thay đổi mức độ kết bông của các giọt phân tán

• Bọt là hệ trong đó gồm các phần tử khí (bọt

khí) phân tán trong môi trường lỏng Các loạitráng miệng sử dụng lòng trắng trứng hay kemtươi là các sản phẩm thực phẩm thường gặpnhất của dạng bọt

• « Độ tràn – Overrun »

(Vf – Vl)/Vl * 100

• hệ số Weber

We = *D/

Huyền phù - Gel

• Huyền phù là hệ trong đó gồm các phân tử

rắn phân tán trong môi trường lỏng Các loạinước sốt, kem trứng … là các huyền phù

thường gặp trong thực phẩm Trong hệ huyềnphù, các phân tử rắn tồn tại độc lập với nhau, phân tán trong một môi trường lỏng

• gel là dạng tồn tại đảo pha của huyền phù

Huyền phù – Gel

Làm lạnh

Gia nhiệt

Chủ đề 4

Tính chất nhiệt của thực phẩm

Hình thức xử lý nhiệt thường gặp

trong chế biến thực phẩm

Quá trình Tác nhân trao đổi nhiệt Khoảng nhiệt độ ( o C)

Thanh trùng/ tiệt trùng Điện, nước nóng, hơi

nước

63 - 135

Bay hơi/ cô đặc Hơi nước 40 – 100

Sấy/ làm khô Không khí nóng, hơi

nước, nước nóng, điện

Làm mất nhiệt / Cung cấp nhiệt

Cơ chế truyền nhiệt

• Dẫn nhiệt (Conduction)

• Đối lưu (Convection)

• Bức xạ (Radiation)

Đại lượng thể hiện tính chất nhiệt của

Nhiệt dung riêng (NDR)

• Là lượng nhiệt cần thiết để làm tăng nhiệt

độ của một đơn vị khối lượng vật chất lên một độ

• Ký hiệu C (J/kg.độ) (Cp, Cv)

– Cp - NDR của chất rắn và lỏng được xác định

ở áp suất không đổi

– Cv - NDR của chất khí được xác định ở thể tích không đổ

Nhiệt dung riêng (NDR)

• Hầu hết thực phẩm có

– Cp = 1,5 – 4,4 kj/kg.độ.

• Thực phẩm có hàm lượng nước càng lớn thì Cp càng lớn

• NDR của thực phẩm có thể được tính từ hàm lượng nước của vật liệu

• fat (f); ash (a); and water (w);

• Choi and Okos (1986)

• cp: nhiệt dung riêng (J/kg.K); xi: phần trăm khối lượng của thành phần thứ i; cp,i nhiệt dung riêng của thành phần thứ i (J/kg.K)

Ẩn nhiệt

• Nhiệt ẩn (latent heat): Là lượng nhiệt cung cấp hoặc lấy

ra khỏi vật thể làm thay đổi trạng thái của nó nhưng

không làm thay đổi nhiệt độ

Ql = m r

• Nhiệt hiện (sensible heat): Là lượng nhiệt cung cấp hoặc

lấy ra khỏi vật thể không làm thay đổi trạng thái của nó nhưng nhiệt độ của nó thay đổi

Qs = m.C.∆T

Ẩn nhiệt

Ẩn nhiệt là lượng nhiệt cần thiết để chuyển đổi

một đơn vị khối lượng vật chất từ trạng thái nàysang trạng thái khác mà không làm thay đổinhiệt độ

Nước: rf= 335kJ/kg (00C), rv=2260kJ/kg (1000C)