VẬT lý THỰC PHẨM CHƯƠNG 2 - các tính chất lưu biến của thực phẩm

chương 2: các tính chất lưu biến của thực phẩm

CHƯƠNG 2

THỰC PHẨM

(Rheology of food Products)

của vật liệu dưới tác dụng của ứng suất

tí

- Vật liệu thực phẩm là các chất không hoàn toàn lỏng hoặc rắn do

đo" thê# hiện tính nhớt đàn hồi, nghĩa là tính chất trung gian của thê#

lỏ

ngư) biến dạng đàn hồi, lưu động nhớt hay lưu động dẻo

- Các tính chất lưu biến được chuyển sang ngôn ngư) thông thường

như: vững chắc (firmness), cứng (hardness), khô cứng (crispiness),

giòn, dê) gãy vơ) (brittleness), có thê# kéo dài (extensibility)…

CÁC TÍNH CHẤT LƯU BIẾN CỦA THỰC PHẨM

(Rheology of food Products)

Việc nghiên cứu những động thái lưu biến được ứng dụng trong nhiều

ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG

(Stress and Deformation)

Ứng suất ( Stress ) là lực tác dụng (theo phương

A

σ= F/A F

σp

σt Stress = F/A [Pa, N/m2]

Phân loại ứng suất

• Ứng suất pháp (nén hay kéo): lực tác dụng

dài hay thê# tích của vật thay đổi

• Ứng suất trượt (hay ứng suất tiếp): lực tác

dụng theo phương song song (tiếp xúc) với

lớp phía dưới

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

- Biến dạng dài

+ Đ

- Biến dạng góc

mỗi trạng thái được mô ta# bởi những phương

trình khác nhau

Chất rắn được mô ta# bởi định luật Hooke, chất lỏng

được mô ta# bởi định luật Newton.

• Tuy nhiên có rất nhiều trạng thái vật chất nằm

thê# sinh học

Chất rắn

Định luật Hooke

Chất lỏng Định luật Newton Chất trung gian

Chất rắn đàn hồi (Elastic Solids)

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

Dưới tác dụng của ứng suất kéo hoặc ứng suất nén

σ

σ = E* εεεε c

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

module ) (độ cứng)

• Dưới tác dụng của ứng suấttrượt

σij= G*γ

γ: shear strainG: modun trượt

• Dưới tác dụng của áp suấtthủy tĩnh

Ba
i tập

1 miếng phô mai hình khối chư 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 (modun dan hoi), chiều rộng, chiều cao của phô mai sau nén Biết tỉ số Poisson của phô mai là 0.25.

1 inch = 2,54 cm, 1 lb = 0,453 kg, 1 ft = 0,3048 m

ĐS : E = Pa, W = mm, H = mm

Độ biến dạng của thực phẩm theo chiều dài,

chiều rộng hoặc đường kính = Độ biến dạng

của thực phẩm theo chiều cao x Tỉ số Poisson

của thực phẩm đó

• Chất rắn đàn hồi là chất bị biến dạng dưới tác

dụng của ứng suất hoặc lực Khi lực khơng cịn

nĩ

• Vật sau khi ngừng tác dụng lực khơng khơi phục

hình dạng ban đầu gọi là chất dẻo (Plastic)

• Chất trung gian là chất cĩ tính chất nằm giữa E

Cĩ nghĩa là khi ứng suất tác dụng nho nĩ cĩ thê

khơi phục lại hình dạng ban đầu, khi ứng suất

lớn hơn một gia trị nào đo nĩ bị biến dạng vĩnh

viễn.

Độ nhớt - Viscosity

• Độ nhớt là một đại lượng vật lý đặc trưng

cho trở lực do ma sát nội tại sinh ra giữa

các phân tử khi chúng có sự chuyển động

trượt lên nhau.

• Độ nhớt có liên quan đến khả năng thực

hiện các quá trình bơm, vận chuyển chất

lỏng trong các hệ đường ống, khả năng

thực hiện các quá trình phun, bay hơi.

• Độ nhớt được đo bằng cách ghi lại thời

gian cần thiết để một lượng chất lỏng

nhất định chảy qua một ống mao quản có

-Độ nhớt của chất lỏng Newton được xác định

trên một điểm của đường thẳng

-Độ nhớt biểu kiến của chất lỏng phi Newton

(H-B, B-P) được xác định theo hình dạng của

đường cong

-Độ nhớt của chất lỏng Newton không thể xác

định từ một điểm duy nhất trên đường cong

Độ nhớt - Viscosity

Tại sao phải đo độ nhớt

-Chất lượng, giá trị cảm quan và mong muốn

của người sử dụng thực phẩm

- sự biến đổi màu sắc, khối lượng riêng, thành

phần dinh dưỡng, nồng độ và pH

- những kiến thức về độ nhớt mang lại những

thông số cho quá trình chế biến thực phẩm

Chất lỏng Newton

Có 2 tấm phẳng, ở giữa là chất lỏng, tấm ở dưới

cô" định Khi ta tác dụng 1 lực lên tấm ở trên, nó

sẽ trượt đi kéo theo lớp chất lỏng chạy theo Tốc

dx dt

d dt

dx dy

d dy dv

nước ép trái cây, mật ong

Sữa: là nhu) tương có chứa các các giọt bơ nho# có đường

kính 0,0015 – 0,001mm, chứa 87% nước, 4% chất béo, 5%

đường, 3% protein – là chất lỏng Newton

Đ

giả

Dầu cũng là chất lỏng Newton Cấu trúc phân tư# của nó có

mạch dài, chiều dài mạch cácbon của các acid béo càng

• Đa sô" chất lỏng, chất khi" đơn giản biến đổi trạng thái như một chất lỏng Newton trong vùng chảy tầng

(các tia chảy song song với nhau) khi ứ

đ

• Khi ứng suất trượt lệch ra khỏi đường Newton theo nhiều cách khác nhau , hàm củ

hàm phi tuyến

khuấy càng loãng: VD: các sản phẩm như : puré chuối,

sốt táo đường, nước cam ép cô đặc, kem, máu, các loại

sơn và sơn móng tay

cà

đ càng khuấy càng đặc , trương nơ#

Ví dụ : mật ong (một số loại riêng biệt), tinh bột

ngô sống chiếm 40%

• Chất lỏng dạng Bingham: Nếu ứng suất tác dụng nho#

hơn ứng suất ngưỡng (σ0) chất lỏng chưa chảy Khi

ứng suất tác dụng lớn hơnứng suất ngưỡng (σ0)chất

lỏ

VD: kem đánh răng, sốt cà chua

• Pseudoplastic fluids with yield stress: Khi ứng suất trượt

thái chảy giống với Pseudoplastic

Mô hình Herschel - Bulkley

σ: shear stress (ứng suất trượt) (Pa)

γ

σ0: ứng suất ngưỡng (là ứng suất nhỏ nhất

để dòng bắt đầu chảy)

chảy), khi n thay đổi thi" dáng điệu của

đường cong thay đổi

0

σ γ

σ = ∗ +

•

n k

Mô ta# động thái chảy của các dạng chất lỏng Non-newton

thông qua mô hình Herschel - Bulkley

σo

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 gia# dẻo ),

chất dilatant (trương, nơ#) không có ứng suất

ngưỡng ⇒ khi có lực tác dụng nó chảy ngay

đ

phân bô" lại cấu trúc

Pseudoplastic (chất giả dẻo) có đặc điểm

1 Hợp chất có khối lượng phântư# lớn hay hạt dài

2 Giữa các phân tư# có tương tácmạ

hợp bằng các liên kết thư" cấp

3 Trong phân tư# có một trục dàiđo" nó định hướng theo dòngchả

hạt không đồng nhất cho phépchúng chồng chất lên nhau

5 Các phân tư# của nó mềm dẻo,

có thê# làm thay đổi hình dạngcủa chúng, dãn ra hoặc thu lạitùy theo lực kéo

Hydroxyethyl-cellulose

Độnhớt độc lập với thời gian –Time – independent fluids

Time – dependent fluid

( Time – dependent fluid)

.= cosnt), chất có động thái chảy mà ứng suất tăng dần theo

.= const), chất có động thái chảy mà ứng suất giảm dần theo

Chất đàn hồi nhớt

(Viscoelasticity)

• Những chất thuộc nhóm này thê# hiện tính chất của hai nhóm là chất lỏng hồi

• Đặc trưng của nhóm này thê# hiện ở hai hiệu ứng là hiệu ứng Weissenberg

Cá c yếu tô# ảnh hưởng đến đô nhớt

củ

tăng nhớt của chất

càng giảm

Các yếu tô# ảnh hưởng đến đô nhớt

Cá c yếu tô# ảnh hưởng đến đô nhớt

• Ảnh hưởng của áp suất

lỏng newton càng tăng

• ảnh hưởng của nồng độ : tỷ lệ

• ảnh hưởng của khối lượng phân tử : tỷ lệ

• Bài tập

Một tấm gỗ phẳng được phủ một lớp chất bao phủ có chiều dày là 1 mm, tấm gỗ hình vuông có chiều dài x chiều rộng là :

30 cm x 30 cm, dùng một lực 10 N tác động vào bề mặt song song với tấm gỗ tính vận tốc chuyển động của bề mặt tấm

gỗ ? biết rằng độ nhớt của chất bao phủ là

Mục đích

• Tầm quan trọng của phân tích cấu trúc thực phẩm

• Tìm hiểu các khái niệm, định nghĩa về cấu trúc thực

phẩm, các từ ngữ mô tả đến cấu trúc thực phẩm

• Các phương pháp phân tích cấu trúc thực phẩm: nguyên

tắc hoạt động, cấu tạo của thiết bị, chức năng, hệ thống

• Hương vị, cấu trúc, hình thức bên ngoài của sản

phẩm là ba yếu tố chính quyết định sản phẩm có được

chấp nhận trên thị trường hay không

• Cấu trúc thực phẩm là một tính chất hiển nhiên được

khách hàng đòi hỏi phải được xác định

• Cấu trúc ảnh hưởng đến sự cảm nhận mùi vị cũng

như đến hình thức bên ngoài của sản phẩm

• Là một thuộc tính quan trọng, tuy nhiên, nó mới được

nhìn nhận một cách nghiêm túc trong thời gian gần

đây

ÁP DỤNG

• Nó là một phần không thể thiếu của kiểm

soát chất lượng (Quality Control)

• Kiểm tra chất lượng để thiết lập một

quy trình tiềm năng

• Dự đoán tính lưu biến của sản phẩm (quy

trình phát triển)

• Dùng để thiết lập các tiêu chuẩn chất lượng

• Phù hợp với nhu cầu chất lượng của

ThịtBánh kẹo

NướcTương ớtMayonnaiseNước đường

CẤU TRÚC THỰC PHẨM…

• “All the mechanical, geometrical and surface attributes of

a product perceptible by means of mechanical, tactile

and, where appropriate, visual and auditory receptors.”

• Tất cả những thuộc tính cơ học, hình học và bề mặt của

sản phẩm có thể được nhận biết, đánh giá bằng các cơ

quan cảm nhận cơ học, xúc giác, thị giác hay thính giác

» (ISO 5492: 1992, từ vựng trong đánh giá cảm quan)

Độ cứng (hardness): thuộc tính cơ học của

làm cho sản phẩm biến dạng hoặc để có thể

Trong miệng, chúng được cảm nhận bằng việc

nén sản ph ẩm giữa hai hàm răng (chất rắn)

hoặc giữa lưỡi và vòm miệng (chất bán rắn)

• Mềm (soft) : cường độ lực thấp, vd cream cheese

• Chắc (firm) : cường độ lực vừa phải, vd olive

• Cứng (hard) : cường độ lực cao, vd kẹo

(ISO 5492 : 1992)

Lực cố kết (cohesiveness): thuộc tính cơ

học của cấu trúc liên quan tới mức độ biến

dạng mà sản phẩm có thể chịu được

trước khi gãy vỡ

(ISO 5492 : 1992)

Tính dễ vỡ (fracturability):thuộc tính cơ học của cấu trúc

liên quan tới lực cố kết và lực cần để làm vỡ một sản

• Giòn (crunchy): mức độ lực vừa phải, vd táo, cà rốt

• Giòn (brittle): mức độ lực cao, vd đậu phộng rang

• Giòn (crispy): mức độ lực cao, vd khoai tây chiên

• Cứng giòn (crusty): mức độ lực cao, vd vỏ bánh mì Pháp

(ISO 5492 : 1992)

cấu trúc liên quan tới lực cố kết, độ cứng

hoặc số lần nhai cần thiết để một sản phẩm

rắn trở thành dạng sẵn sàng cho việc nuốt

• Mềm, bở (tender) : cường độ thấp, vd hạt đậu

non

• Chewy : cường độ vừa phải, vd fruit gums

• Dai (tough) : cường độ cao, vd thịt bò già, da

heo

(ISO 5492 : 1992)

liên quan tới lực cố kết của một sản phẩm

mềm bở (tender) Trong miệng, chúng liên

quan đến lực cần để nghiền nát sản phẩm

thành dạng sẵn sàng cho việc nuốt

• xốp giòn (short) : cường độ thấp, vd bánh quy xốp

• Bột (mealy, powdery) : cường độ vừa phải, vd khoai tây, đậu

Hà Lan khô luộc

• Sệt, nhão (pasty) : cường độ vừa phải, vd bột nhào của hạt

dẻ nghiền

• Dính (gummy) : cường độ cao, vd gelatin thực phẩm

(ISO 5492 : 1992)

• Nên nêu những yếu tố ảnh hưởng đến

cấu trúc thực phẩm

• Vd: độ mềm của thịt ảnh hưởng bởi thành

phần, bởi quá trình bảo quản, quá trình

biến đổi khi bảo quản…

PRODUCTS AND PROPERTIES

Szczesniak (1963) chia đặc tính cấu trúc

– Thông số bậc 2 : brittleness, chewiness, gumminess

• Đặc tính hình học-liên quan đến kích cỡ, hình dáng và xu hướng

sắp xếp của những phân tử trong sản phẩm, vd : powdery, gritty

(sạn), lumpy (lổn nhổn), flaky (bông tuyết), fibrous, cellular, aerated

(xốp), crystalline

• Những đặc tính khác – liên quan đến việc tiếp nhận độ ẩm, độ béo

vd: dry, moist, oily

Việc phân nhóm thuật ngữ này chuyên biệt cho từng loại sản phẩm

nhưng trong mỗi trường hợp cụ thể phải dựa trên tính lưu biến của

sản phẩm Trong thực nghiệm, bản chất thay đổi theo thời gian của

nhận thức có nguồn gốc từ cảm giác cũng được công nhận, và

thuộc tính này được chia thành hai giai đoạn, giai đoạn nhai ban

đầu và giai đoạn sau khi nhai

Sherman (1969) :

• Tính chất bậc một của thực phẩm: đặc tính hình học như

cỡ hạt, phân bố cỡ, lượng khí…

• Tính chất bậc hai-xuất phát từ sự kết hợp của hai hoặc

nhiều tính chất có tỉ lệ không xác định; Tính chất lưu

biến như viscosity, elasticity, adhesion

• Tính chất bậc ba – được phân chia dựa trên các quá

trình như sau :

– Nhai : hard, soft; brittle, plastic, crisp; rubbery,

spongy; smooth, coarse; powdery, lumpy, pasty;

creamy, water, soggy (đẫm nước); sticky, tacky

– Sự tan rã: greasy, gummy, stringy; melt-down

properties

– Nonmasticatory: appearance; sampling and slicing

characteristics; spreading, creaming characteristics,

pourability

One possible criticism : it is based primarily on the

rheological properties of the foods rather than on a

perceptual basis

Jowitt (1974) :

• Đặc tính chung-structure, texture, consistency

• Thuật ngữ liên quan đến tập tính của vật chất dưới ứng

suất nén hoặc ứng suất kéo, vd: firm, chewy, stringy,

rubbery, sticky, glutinous, brittle, crumbly, crisp

• Thuật ngữ liên quan đến kết cấu của vật chất

– Liên quan đến kích cỡ hạt hay hình dáng hạt, vd : smooth,

chalky, gritty, mealy

– Liên quan đến hình dáng, sự xắp xếp của các yếu tố kết cấu

Vd: flaky, stringy, aerated, glassy, gelatinous, spongy

• Thuật ngữ liên quan đến tính chất cảm giác trong miệng

Vd: body, watery, greasy, slimy, mushy, astringent,

cooling

Phương pháp phân tích cấu trúc thực phẩm

- Phương pháp phân tích cảm quan: các cơ quan cảm

giác của con người để tìm hiểu, mô tả và định lượng

các tính chất cảm giác của một sản phẩm thực phẩm

như màu sắc, hình thái, mùi, vị và cấu trúc Người

phân tích phải tập luyện và thống nhất các thuật ngữ

cảm quan

-Phương pháp phân tích bằng thiết bị :

- Phương pháp cơ bản (fundamental methods):

- Phương pháp thực nghiệm (empirical methods)

- Phương pháp mô phỏng (imitative methods):

V í dụ một test đơn giản

Hãy tưởng tượng rằng ngón tay của bạn là một đầu đo gắn với bạn, một loại máy phân tích cấu trúc Não của bạn đóng vai trò như một phần mềm tính toán các thông tin từ ngón tay và

cơ thể của bạn Đầu tiên ngón tay của bạn di chuyển đến bề mặt của mẫu

Phân tích cấu trúc có liên quan

đến việc đo các đặc điểm cơ học của mẫu khi mẫu chịu những tác

động đã được kiểm soát

V í dụ

Một loại máy phân tích cấu trúc ghi lại sự chống lại lực của sản phẩm

LFRA T E XTURE ANAL YS ER

345

Một ngón tay của bạn (đầu đo) chạm vào bề mặt của mẫu, cơ thể của bạn (bộ phận phân tích cấu trúc) bắt đầu nhận được thông tin liên quan tới các đặc điểm cấu trúc của mẫu

V í dụ

Khi ngón tay của bạn (đầu đo)

ấn xuống mẫu mạnh hơn, nó

sẽ đi xuyên qua sản phẩm, và

cơ thể của bạn (bộ phận phân tích cấu trúc) sẽ chuyển thông tin chung tới não (phần mềm xử lý) để thực hiện việc

đánh giá đặc tính tính chất của mẫu

V í dụ

LFRA TEXTURE ANALYSER

345

COMPRESS COMPUTE INTERPRET

Bạn di chuyển ngón tay của mình (đầu đo) trở lại vị trí ban

đầu và đánh giá thông tin trong não của bạn với chỉ một thông tin đầy dủ đã được chọn

Cấu tạo của thiết bị

Ba phương pháp đo cấu trúc

(ngoài phương pháp đánh giá cảm quan ra)

– Dùng để đo những thông số không thể biểu

diễn được bởi định lượng lưu biến cơ bản.

– Những kỹ thuật này dựa trên ba nguyên tắc

cơ bản của sự biến dạng : sự uốn, cắt và nén.

– Cho kết quả nhanh và dễ sử dụng Thường

được sử dụng nhất trong công nghiệp

– Chỉ có thể dùng được ở một vài điều kiện

nhất định

• Imitative

– Dụng cụ mô phỏng các dạng tác động của

khách hàng lên thực phẩm

ví dụ : bắt chước hoạt động của răng

– Trong một vài trường hợp, các kết quả đo

nhận được từ dụng cụ phân tích có thể liên

hệ với các giá trị cảm quan, người ta gọi đó là

spychorhéologie

VARIABLE:TEST CONFIGURATION

Lực tác động lên xuống nhiều lần

 TEXTURE PROFILE ANALYSIS (TPA):thiết bị kỹ

thuật sử dụng đường cong của lực, đường cong của

sự biến dạng để phân loại các đặc tính cấu trúc then

chốt của mẫu, là cầu nối với cảm quan

 Chỉ dùng lực nén

 Việc lặp lại thao tác nhiều lần giúp ta có thể tính toán

được các đặc tính cấu trúc

 Đa chức năng, có nhiều ứng dụng trong công nghiệp

TEXTURE PROFILE ANALYSIS

tích âm của lần đo đầu tiên (A3)

•Tính dễ gãy (Fracturability) = Chỗ gãy

đầu tiên trong vòng tròn