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 cơ bản - Lưu biến học là một khoa hoc nghiên cứu sự chảy và sự biến dạng của vật liệu dưới tá

Chương 2: CÁC TÍNH CHẤT LƯU BIẾN CỦA THỰC PHẨM

(Rheology of food Products)

2.1 Các khái niệm cơ bản

- Lưu biến học là một khoa hoc nghiên cứu sự chảy và sự biến dạng của vật liệu dưới tác dụng của ứng suất

- Các nghiên cứu về lưu biến cung cấp các thông tin liên quan đến tính chất đàn hồi

- Các tính chất lưu biến được chuyển sang ngôn ngữ thông thường như: vững chắc (firmness), cứng (hardness), khô cứng (crispiness), giòn, dễ gãy vỡ (brittleness), có thể kéo dài (extensibility)…

Việc nghiên cứu những động thái lưu biến được ứng dụng trong nhiều ngành công nghệ khác nhau:

- Kiểm tra chất lượng sản phẩm, nghiên cứu mối quan hệ giữa vi cấu trúc và động thái lưu biến nhằm phát hiện ra các sản phẩm mới

- Các tính chất lưu biến tham gia vào các chu trình toán rất cần thiết trong tính toán

kỹ thuật (các quá trình truyền nhiệt và động lượng), tùy theo sở thích của người tiêu dùng có thể tạo nên sản phẩm đáp ứng nhu cầu của họ

- Am hiểu về tính chất lưu biến sẽ giúp chúng ta thiết kế được những máy móc, thiết

bị chính xác và tiết kiệm năng lượng…

2.2 Các đặc trưng của sản phẩm rắn

Khái niệm cấu trúc của thực phẩm liên quan đến cảm nhận về độ chắc: rắn so với mềm;

dòn hay không; mượt so với lổn nhổn; chảy hay vón cục; chắc hay dễ vỡ

Cấu trúc được nhận thức khi thực phẩm được khuấy, đổ, bơm và cuối cùng là ăn

Các đặc trưng lưu biến thay đổi theo các nhân tố nhiệt độ và độ ẩm

Các dung dịch loãng và cái gọi là chất “rắn -mềm” là đối tượng của các nghiên cứu về lưu biến và cấu trúc

Đánh giá cảm quan của cấu trúc

Chỉ số mô tả chủ quan nhớt, nhầy,mượt, trơn tuột và/hoặc

đặc

chắc,giòn, lổn nhổn,dẻo, mượt, dính hay dễ gãy

Khả năng nhận thức cảm quan có thể riêng biệt cho từng chủ thể và/ hoặc được biến đổi đi

do văn hóa và động thái đã học hỏi được

Cần phải làm cho phù hợp giữa các thuật ngữ trên với các phép đo bởi dụng cụ (có tính đến một biến đôỉ rộng của các đáp ứng ứng suất – biến dạng có thể)

Quan hệ giữa các chỉ số chủ quan và lưu biến định lượng

Bảng quan hệ giữa các chỉ số chủ quan và lưu biến định lượng

Đại lượng chủ quan Chỉ số lưu biến bán định lượng

Dung

dịch

+ Nhớt (viscosity)  lực nhớt giữa lưỡi và vòm miệng

+ Mượt (smoothness)  1/(lực ma sát giữa lưỡi và vòm miệng)

+ Trơn tuột (slipperiness)  1/ (lực ma sát + lực nhớt giữa lưỡi và vòm

miệng) Gel

+ Nhai được (chewness) Độ chắc * độ kết dính * độ đàn hồi

+ Rắn (hardness) 3,16 + 0,25(độ giòn) + 0,76 (độ dai)

+ Dẻo (gumminess) 1,71 +0,6 (độ kết dính) + 0,2 (độ nhai được) + Nhớt (viscosity) 28,56 + 0,48 (độ dính)

Độ giòn (N): Là lực bắt đầu làm nứt gãy thực phẩm

• Độ cứng (N): Là lực nén lớn nhất

Sự mềm mại

• Độ liên kết, độ dính của thực phẩm: Là tỉ số giữa công nén lần 2/lần 1

• Độ dính bề mặt của thực phẩm: Là công cần thiết kéo đầu dò ra khỏi thực phẩm

• Độ đàn hồi của thực phẩm: Là tỉ số khoảng cách nén lần 2/ lần 1

• Độ dai của thực phẩm: Là tỉ số area 4/area1

Ba`i tập

1 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 1 vật có khối lượng 0.1 lb nén lên miếng phô mai này Sau khi nén, miếng phô mai có chiều dài là 0.043 ft Xác định độ cứng, chiều rộng, chiều cao của phô mai sau nén Biết tỉ số Poisson của phô mai là 0.25

Xác định độ giòn, độ dai, độ cứng, độ liên kết, độ dính bề mặt, độ đàn hồi của SP

2.3 Ứng suất và biến dạng (Stress and Deformation)

Ứng suất (Stress)

Ưng suất là lực tác dụng (theo phương bất kỳ) trên một đơn vị diện tích

Phân loại ứng suất

• Ứng suất pháp (nén hay kéo): lực tác dụng theo phương vuông góc với bề mặt 

bề dài hay thể tích của 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 dưới

Ứng suất tác dụng lên vật thể sẽ gây nên biến dạng:

• Tuy nhiên có rất nhiều vật chất nằm giữa 2 chất này, đặc biệt là thực phẩm và các vật thể sinh học

2.5 Chất rắn đàn hồi, chất lỏng Newton và phi Newton

2.5.1 Chất rắn đàn hồi (Elastic Solids)

• Chất rắn đàn hồi được mô tả bởi định luật Hookean:

Dưới tác dụng của ứng suất kéo hoặc ứng suất nén

ii= E* c

E: modun đàn hồi của chất rắn (Young’s or elasticity module )

• Dưới tác dụng của ứng suất trượt

ij= G*

 : shear strain G: modun trượt

• Dưới tác dụng của áp suất thủy tĩnh

• Chất trung gian là chất có tính chất nằm giữa E và P gọi là Elastoplastic

Có nghĩa là khi ứng suất tác dụng nhỏ nó có thể khôi phục lại hình dạng ban đầu, khi ứng suất lớn hơn một giá trị nào đó nó bị biến dạng vĩnh viễn

2.5.2 Chất lỏng Newton và phi Newton

Có 2 tấm phẳng, ở giữa là chất lỏng, tấm ở dưới cố định Khi ta tác dụng 1 lực lên tấm ở trên, nó sẽ trượt đi kéo theo lớp chất lỏng chạy theo Tốc độ trượt giảm dần từ trên xuống dưới hình thành một giản đồ véctơ

• Định luật Newton về độ nhớt

• : hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào đặc tính của thực phẩm (độ nhớt)

• Chất lỏng mà độ nhớt không phụ thuộc vào tốc độ trượt gọi là chất lỏng Newton và ngược lại nếu độ nhớt phụ thuộc vào tốc độ trượt thì gọi là chất lỏng phi Newton

- Chất lỏng Newton

• Phương trình biến dạng tuân theo đẳng thức Newton

Hàm liên hệ giữa ứng suất trượt và tốc độ trượt là hàm tuyến tính:

VD: nước, trà, cà phê, bia, rượu vang, các loại đồ uống và nước ép trái cây, mật ong Sữa: là nhũ tương có chứa các các giọt bơ nhỏ có đường kính 0,0015 – 0,001mm, chứa 87% nước, 4% chất béo, 5% đường, 3% protein – là chất lỏng Newton

Độ nhớt của sữa tăng theo hàm lượng chất béo, nhưng lại giảm khi nhiệt độ tăng

Dầu cũng là chất lỏng Newton Cấu trúc phân tử của nó có mạch dài, chiều dài mạch cácbon của các acid béo càng lớn thì độ nhớt càng lớn Độ nhớt của dầu tăng cùng với mức

độ bão hòa của liên kết cácbon nối đôi

dx dt

d dt

dx dy

d dy

• Đa số chất lỏng, chất khí đơn giản biến đổi trạng thái như một chất lỏng Newton trong vùng chảy tầng (các tia chảy song song với nhau) khi ứng suất trượt và tốc độ trượt nhỏ

• Khi ứng suất trượt tăng thì động thái chảy lệch ra khỏi đường Newton theo nhiều cách khác nhau, hàm của ứng suất trượt và tốc độ trượt là hàm phi tuyến

• Pseudoplastic (shear thinning): Khi tốc độ trượt càng tăng, độ dốc của đường cong càng giảm, độ nhớt giảm – càng khuấy càng loãng

VD:

• Pseudoplastic fluids with yield stress: Khi ứng suất trượt vượt qua giá trị ngưỡng thì chất lỏng chảy và có động thái chảy giống với Pseudoplastic

• Mô tả động thái chảy của các dạng chất lỏng thông qua mô hình Herschel - Bulkley

Herschel Bulkley model

Mô 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 về động thái chảy), khi n thay đổi thì dáng điệu của đường cong thay đổi

• Với chất lỏng phi newton độc lập với thời gian, các dạng của động thái chảy luôn

ổn định hay độc lập với thời gian

• Dựa vào mô hình Herschel – Bulkley ta thấy:

- Chất lỏng newton, pseudoplastic (chất giả dẻo ), chất dilatant (trương, nở) không có ứng suất ngưỡng  khi có lực tác dụng nó chảy ngay

- Những chất lỏng có độ nhớt phụ thuộc vào tốc độ trượt chứng tỏ nó tồn tại một cấu trúc bên trong hệ thống

• Khi ta tác dụng ứng suất làm cho nó chảy thì trong quá trình chuyển động có sự bẻ gãy và phân bố lại cấu trúc

Pseudoplastic có đặc điểm

1 Hợp chất có khối lượng phân tử lớn hay hạt dài

2.Giữa các phân tử có tương tác mạnh với nhau tạo nên sự kết hợp bằng các liên kết thứ cấp

3 Trong phân tử có một trục dài và phân tử không đối xứng do đó nó định hướng theo dòng chảy làm cho độ nhớt giảm

4 Hình dạng và kích thước của hạt không đồng nhất cho phép chúng chồng chất lên nhau

5 Các phân tử của nó mềm dẻo, có thể làm thay đổi hình dạng của chúng, dãn ra hoặc 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 là Rheopectic

• Khi cố định tốc độ trượt ( = cosnt), chất có động thái chảy mà ứng suất giảm dần theo tốc độ trượt gọi là Thixotropic

• Ảnh hưởng của nhiệt độ

- Nhiệt độ càng tăng thì độ nhớt của chất lỏng newton càng giảm

• Ảnh hưởng của áp suất

- Áp suất càng tăng thì độ nhớt của chất lỏng newton càng tăng

Bảng tổng hợp thông số lưu biến và ký hiệu

Thông số(đơn vị) Thử nghiệm nén hay

kéo

Thử nghiệm trượt

Ứng suất/ tốc độ biến dạng

(Pa.s)

Mô đun đàn hồi của táo là 0,6.107Pa

• 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 5 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 và cấu trúc của thực phẩm