Vật lý thực phẩm

1VẬT LÝ THỰC PHẨM (Food Physics) CBGD: Dương Văn Trường Viện Công nghệ sinh học và Thực phẩm Đại học Công nghiệp TP HCM Nội dung chương trình • Chương 1: Các thông số vật lý và tính chất của thực phẩm • Chương 2: Các tính chất lưu biến của thực phẩm • Chương 3: Phương pháp và thiết bị thường sử dụng để kiểm tra các thông số vật lý của thực phẩm • Chương 4 : Kỹ thuật xử lý thực phẩm không sử dụng nhiệt Tài liệu tham khảo • Bài giảng VLTP : https://sites.google.com/site/duongvantruong1510/cong- nghe-thuc-pham/vat-ly-thuc-pham • Wilhelm, Luther R., Dwayne A. Suter, and Gerald H. Brusewitz. 2004. Physical Properties of Food Materials. Chapter 2 in Food & Process Engineering Technology, 23-52. St. • James F. Steffe, 1996, Reological methods in food process engineering (second edition), Freeman Press, USA. • Jasim Ahmed Hosahalli S. Ramaswamy, Stefan Kasapis Joyce I. Boye, Novel Food Processing (Effects on Rheological and Functional Properties), CRC Press • Physical Chemistry of Foods 2Chương 1: Các thông số vật lý và tính chất của thực phẩm Caùc thoâng soá vaät lyù cuûa thöïc phaåm • Ñoä daøi : L (m) • Dieän tích : S (m2) • Theå tích : V (m3) • Khoái löôïng : m (kg) • Khoái löôïng rieâng: ρ (kg/m3) • AÙp suaát : P (N/m2) • Vaän toác : v (m/s) • Ñoä nhôùt : µ (Ns/m2) • Nhieät löôïng rieâng : i, I (J/kg) • Nhieät dung rieâng : c (J/kg.ñoä) • Heä soá daãn nhieät : λ (W/m.ñoä) • Heä soá truyeàn nhieät : k (W/m2.ñoä) • Nhieät ñoä : T (ñoä C, ñoä F, ñoä K) Caùc thoâng soá vaät lyù cuûa thöïc phaåm (tt) 3Dimensions Dimensions are represented as symbols (kyù hieäu) by: • length [L], • mass [M], • time [t], • temperature [T] • force [F]. (Thöù nguyeân) All engineering quantities can be expressed in terms of these fundamental dimensions • Length = [L], area = [L]2 , volume = [L]3. • Velocity = length travelled per unit time=[L]/[t] • Acceleration = rate of change of velocity=[L]/[t]x1/[t]=[L]/[t][t]=[L]/ [t]2 • Pressure = force per unit area=[F]/[L]2 • Density = mass per unit volume=[M]/[L]3 • Energy = force times length=[F] x [L]. • Power = energy per unit time=[F] x [L]/[t] Dimensions (Thöù nguyeân) UNITS AND CONVERSION FACTORS • Length 1 inch= 0.0254 m 1 ft= 0.3048 m • Area 1 ft2 = 0.0929m2 • Volume 1 ft3 = 0.0283 m3 1 liter= 0.001 m3 Ñôn vò vaø heä soá chuyeån ñoåi 4UNITS AND CONVERSION FACTORS (cont) • Mass 1 lb= 0.4536 kg 1 mole = molecular weight in kg • Density 1 lb/ft3= 16.01 kg m-3 • Velocity 1 ft/sec= 0.3048 m s-1 • Pressure 1 lb/m2= 6894 Pa 1 torr= 1 mm Hg • 1 atm= 1.013 x 105 Pa = 760 mm Hg • 1 atm= 9,81 x 104 N/m². UNITS AND CONVERSION FACTORS (cont) Force 1 Newton= 1 kg m s-2 Viscosity Dynamic (độ nhớt động lực học, độ nhớt tuyệt đối, độ nhớt) - Pa.s = kg.m-1.s-1 , Pa.s = Ns/m², - Poise : 1 cP= 0.001 N.s.m-2 = 0.001 Pa.s = 1 mPa.s 1P = 100 cP - Dyne/cm² : 1 dyne = 10-5 N, dyn/cm² = 0,10 N/m² Cinematic (độ nhớt động học) Đơn vị : St (stock), cSt, m²/s, mm²/s 1 cSt = 1 mm²/s; 1 St = 1 cm²/s 1 lb/ft sec= 1.49 N s m-2 = 1.49 kg m-1 s-2 Energy 1 Btu= 1055 J 1 cal= 4.186 J Power 1 kW= 1 kJ s-1 1 horsepower (HP) = 745.7 W = 745.7 J s-1 1 ton refrigeration= 3.519 kW UNITS AND CONVERSION FACTORS (cont) • (M) Mega = 106, (k) kilo = 103 g (m) milli = 10-3, • 1 m = 109 nm = 1010 Å • (µ) micro = 10-6 m • Ñoä F = 32 + 9/5.ñoä C • Ñoä K = 273,15 + ñoä C 5Tại sao phải nghiên cứu tính chất vật ly của thực phẩm? Phân tích thiết bị và hệ thống thiết bị phù hợp Mục đích Thay đổi của quá trình chế biến: biến đổi cơ học, nhiệt, điện, quang, âm và điện từ TP có nguồn gốc sinh học : tươi sống hoặc qua chế biến ỨNG DỤNG CỦA CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ (Physical Properties Applications) • xác định, lượng hóa việc mô tả vật liệu thực phẩm • cung cấp dữ liệu cho ngành kỹ thuật thực phẩm • tiên đoán tính chất của vật liệu mới từ đó đa dạng hóa thực phẩm 1. Khối lượng riêng (Density) ρ = m/v, kg/m³. »Khối lượng riêng hạt »Khối lượng riêng khối Quan hệ khối lượng và thể tích?? ứng dụng : định lượng??? Các đặc trưng vật lý của vật liệu thực phẩm 6- Đối với thực phẩm dạng lỏng : hay dùng đơn vị là tỷ trọng. Tỷ trọng của thực phẩm : là tỷ số giữa khối lượng riêng của chất lỏng so với khối lượng riêng của nước ở 4°C. ứng dụng : quá trình rửa thực phẩm, phân loại, Đô - xốp (Porosity) • Độ xốp : là tỷ lệ phần trăm không khí chiếm chỗ của khối hạt so với một đơn vị thể tích của cả khối hạt. • Độ xốp cho phép các chất khí, lỏng đi vào trong lòng của nó nhiều hay ít, độ xốp càng lớn thí 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, đun nóng,... Mục đích: • Đánh gia 6 chất lượng??? • Phân loại • Quyết định gia 6 thành 2. Hình dạng, kích thước Các đặc trưng vật lý của vật liệu thực phẩm 7Xác định kích thước Đậu Hà Lan Dưa hấuHình học cơ bản Xác định kích thước (tt) Hình dạng khác Quả lê Củ cà rốt Quả chuối Các loại hạt: gạo, bắp Hạt gạo Hạt bắp Hạt tiêu 8Các loại con: tôm, cá, cua Một sô6 vật liệu có hình dạng phức tạp không xác định kích thước ⇒??? Kỹ thuật scan 3D : xác định chính xác kích thước và khối lượng của thực phẩm - phục vụ cho quá trình phân chia chính xác nhất. 3. Bề mặt riêng và sức căng bề mặt - Bán kính hiệu dụng của phân tử - Lực hút phân tử làm cho các chất bị hút vào lòng của nó làm cho chất lỏng có xu hướng làm giảm bề mặt tối thiểu trong điều kiện nhất định. • Lực tác dụng lên một đơn vị chiều dài của ranh giới phân chia va  làm giảm bê  mặt chất lỏng gọi là sức căng bê  mặt. Đơn vị đo: N/m; J/m², dyne/cm. • Dưới tác dụng của sức căng bê  mặt, chất lỏng khi không có tác dụng của ngoại lực luôn có dạng hình cầu vì hình cầu là hình có bê  mặt nho ' nhất trong các hình có cùng thê ' tích va  do đo * khi ấy năng lượng bê  mặt của giọt lỏng là tối thiểu, giúp nó tồn tại bền J = N.m (A = F.S) 1dyne = 10-5N 1dyne/cm=10-7N.m 9• Gia * trị của sức căng bê  mặt phu3 thuộc vào bản chất của các pha tiếp xúc, nhiệt đô3 va  lượng chất hòa tan Sức căng bề mặt của chất lỏng thay đổi theo nhiệt độ; đối với nhiều chất lỏng, sức căng bề mặt giảm khi nhiệt độ tăng. Tương tác giữa các phân tư' của chất càng lớn thi sức căng bê  mặt càng lớn • Sức căng bề mặt của một chất lỏng được xác định tại một điều kiện nhất định (nhiệt độ, áp suất, ...) khi bề mặt tiếp xúc với chân không. Hình 1: (a)Giọt nước trên bề mặt ghét nước (hydrophobic) (b) giọt nước trên bề mặt thích nước (hydrophilic). 10 Hoạt tính bêD mặt Khái niệm : Những chất mà khi cho một lượng rất nhoF sẽ làm giảm sức căng bêD mặt gọi là chất có hoạt tính bêD mặt - Chất hoạt động bề mặt (Surfactant) là các tác nhân thấm ướt làm giảm sức căng bề mặt của một chất lỏng. - Là chất mà phân tử của nó phân cực: một đầu ưa nước và một đuôi kị nước. - Những chất này tan được trong nước vaD trong dung môi hữu cơ 11 Khi cho chất hoạt động bêD mặt vào trong dung dịch, nó sẽ tạo thành các hạt mixen (micelle) -Tùy theo môi trường mà mixen có đầu quay ra ngoài hay quay vào trong VD: Một mixen với phần đầu kị nước hoà tan trong dầu, trong khi phần ưa nước hướng ra phía ngoài, như là Liner Alkyl Benzen Sunfunat Acid, xà phòng Phân loại chất hoạt động bê D mặt • Ion âm • Ion dương • Không mang điện tích • Mang cả hai điện tích Trong quá trình hoạt động của chất hoạt động bêD mặt liên quan đến chuyển động lực học của hê- thống, liên quan đến mức đô- trật tư-, hỗn độn của hê- thống. Ứng dụng • Chất hoạt hóa bề mặt ứng dụng rất nhiều trong đời sống hàng ngày. Ứng dụng phổ biến nhất là bột giặt,nước rửa chén, sơn, nhuộm ... • Trong công nghiệp thực phẩm: Chất nhũ hóa cho bánh kẹo, bơ sữa và đồ hộp : chocolat, sữa chua, kem. • Tính chất bêD mặt vô cùng quan trọng trong công đoạn rửa, những chất tẩy rửa làm giảm sức căng bê D mặt làm cho các chất bẩn ở dạng rắn dê U tách ra khỏi bê D mặt 12 • Trong công nghiệp mỹ phẩm: Chất tẩy rửa, nhũ hóa, chất tạo bọt • Trong ngành in: Chất trợ ngấm và phân tán mực in • Trong nông nghiệp: Chất để gia công thuốc bảo vệ thực vật, • Trong xây dựng: Dùng để nhũ hóa nhựa đường, tăng cường độ đóng rắn của bê tông Ngoài ra những ứng dụng trong các lĩnh vực khác như • Trong công nghiệp dệt nhuộm: Chất làm mềm cho vải sợi, chất trợ nhuộm • Trong dầu khí: Chất nhũ hóa dung dịch khoan • Trong công nghiệp khoáng sản: Làm thuốc tuyển nổi, chất nhũ hóa, chất tạo bọt để làm giàu khoáng sản • Trong công nghiệp thực phẩm: Chất nhũ hóa cho bánh kẹo, bơ sữa và đồ hộp Xà phòng hay xà bông là một chất tẩy rửa các vết bẩn, vết dầu mỡ. • Thành phần của xà phòng là muối natri hoặc kali của axít béo. • Xà phòng được dùng dưới dạng bánh, bột hoặc chất lỏng. 13 • Một là đầu hiđrocacbon kị nước, còn một đầu là ion kim loại ưa nước. • Đối với các vết bẩn, dầu mỡ bám trên mặt vải thì đuôi kị nước sẽ quay vào trong vết bẩn, đầu ưa nước hướng ra ngoài. Sau đó sẽ tạo thành mixen là một khối dạng cầu có đầu ưa nước quay ra ngoài tách vết bẩn ra khỏi bề mặt vải. 4. TÍNH CHẤT NHIỆT (Thermal Properties) Vật liệu thực phẩm phải trải qua các công đoạn: tưD thu hái, vận chuyển, xưF ly 6, chê6 biến, bảo quản, lưu trưU đê F chuẩn bị cho khâu tiêu thu - Chỉ có rất ít thực phẩm tươi: trái cây, rau đi tưD cánh đồng tới nơi tiêu thu- (ăn) mà không có xưF ly 6 nhiệt. Mục đích của xưF ly 6 nhiệt đêF: duy trì chất lượng, kéo dài thời gian bảo quản va D tạo đô - ngon riêng. Vd : Chê 6 biến thủy sản: Các quá trình nhiệt bao gồm: - làm lạnh, làm đông, nung nóng ⇒ lấy nhiệt ra hoặc cung cấp nhiệt, muốn được chính xác phải có thông sô 6 nhiệt Các hình thức truyền nhiệt: Dẫn nhiệt, đối lưu vaD bức xa - • Dẫn nhiệt: là phương thức truyền nhiệt có sư- tiếp xúc giữa hai vật với nhau • Đối lưu: nhiệt truyền từ môi trường khí hoặc lỏng đến thực phẩm rắn • Bức xa -: là nhiệt truyền cho thực phẩm bằng sóng điện từ 14 • Sư- truyền nhiệt vào trong thực phẩm phu- thuộc đầu tiên vào sư- chênh lệch nhiệt đô-, tính chất vật ly6 (hình dạng, kích thước, thông sô6 nhiệt) của thực phẩm • Mỗi cơ chê6 truyền nhiệt gắn liền với thông sô6 nhiệt liên quan • Tính chất nhiệt được xác định thông qua đo lường trực tiếp bằng các thi6 nghiệm hoặc tính toán thông qua các thành phần thực phẩm (nước, protein, carbon) HỆ SỐ DẪN NHIỆT • Ở trạng thái ổn định, sư- dẫn nhiệt xuyên qua vật rắn , khi đo6 tính chất nhiệt quan trọng nhất là hê- sô 6 dẫn nhiệt (λ) • λ: lượng nhiệt dẫn qua 1 đơn vị chiều dài khi có sư- chênh nhau 1 đô - • λ được dùng đê F đánh gia 6 nhiệt truyền qua vật thêF dê U hay kho 6 • Nhiệt truyền nhanh qua miếng kim loại nhưng lại chậm qua gôU, khi đo6 ta nói hê - sô6 dẫn nhiệt của kim loại lớn hơn của gô U Vd: đồng: λ= 400 w/m.đô-; nhôm: λ= 120w/m.độ; inox λ= 40 - 50w/m.độ • Vật liệu có hê - sô 6 dẫn nhiệt nho F sẽ trơF thành vật liệu cách nhiệt: bông thủy tinh, polyurethane, • Hê - sô6 dẫn nhiệt của thực phẩm rất nhoF va D nằm trong dải hẹp: 0,2 – 0,5 W/m.đô- • For fruits and vegetables with water content greater than 60%, thermal conductivity can be computed by the equation (Sweat, 1974): 15 Thời gian nấu thực phẩm nhanh hay chậm là do bản thân thực phẩm chư6 không phải là do dụng cụ carbohydrate (c); protein (p); fat (f); ash (a); and water (w). • Nhiệt dung riêng: nhiệt lượng cần thiết cung cấp cho 1kg vật chất đêF nhiệt đô- của nó tăng lên 1 đô-, Cp(p- NDR của chất rắn vaD lỏng được xác định ở áp suất không đổi) • NRD liên quan trực tiếp đến năng lượng cung cấp cho vật thêF. Nhiệt dung riêng: • NDR của nước là lớn nhất: Cp = 4,186 kj/kg.đô-, hầu hết thực phẩm có Cp = 1,5 – 4,4 kj/kg.đô- Thực phẩm có hàm lượng nước càng lớn thi D Cp càng lớn 16 NDR của thực phẩm có dạng a, b hê- sô 6 thực nghiệm Xw: hàm lượng ẩm của thực phẩm. abXC wp += Cp = 1,67 + 2,51 Xw, kJ/kg.độ 17 carbohydrate (c); protein (p); fat (f); ash (a); and water (w). Có thêF tính Cp theo chất khô (pr, li, khoáng) ∑+= iip XbaC • Hê- sô6 khuếch tán nhiệt (Thermal diffusivity) cho biết trường nhiệt đô- trong thực phẩm biến thiên nhanh hay chậm α= λ/ρcp của thực phẩm α = 1 × 10-7 to 2 × 10-7 m2/s Hê- sô6 khuếch tán nhiệt (Thermal diffusivity) TÍNH CHẤT ĐIỆN TỪ VÀ TÍNH CHẤT QUANG HỌC 18 PhôF điện tưD PhôF điện tưD chia ra thành 3 vùng : Vùng tử ngoại(có bước sóng nhỏ), vùng ánh sáng khaF kiến (bước sóng từ 400 – 700 nm và vùng hồng ngoại (bước sóng lớn hơn 700 nm). Năng lượng tử ngoại vaD năng lượng hồng ngoại là hai dạng của sóng điện tưD, có thêF truyền đi trong không gian, xuyên thấu trong thực phẩm vaD chuyển thành năng lượng nhiệt nung nóng thực phẩm ứng dụng - ánh sáng khaF kiến : đánh gia6 cảm quan - vùng tử ngoại trở xuống : tia cực tím (vô trùng), chiếu xa- thực phẩm (bảo quản), tia X (chụp X quang), tia bức xa - (xa - trị – điều trị ung thư, bướu côF) - vùng hồng ngoại trở lên : ứng dụng cho quá trình sấy, dạng truyền thông tin như: rada, radio,TV, vê- tinh nhân tạo - Giữa năng lượng vi sóng vaD năng lượng hồng ngoại có những điểm khác nhau Năng lượng vi sóng -Bước sóng : dải hẹp f khoảng 2450 MHz và bước sóng dài hơn hồng ngoại -Có khả năng đâm xuyên thực phẩm nên nó làm nóng trong lòng thực phẩm nhanh chóng. -ứng dụng trong quá trình thanh trùng, nấu chín hoặc làm nóng thực phẩm -Quá trình làm nóng phụ thuộc vào hàm lượng ẩm của vật liệu, ẩm càng cao thì làm nóng càng nhanh Năng lượng hồng ngoại Bước sóng : lớn hơn 700 nm -Không có khả năng đâm xuyên thực phẩm mà chỉ làm nóng bề mặt thực phẩm -Quá trình làm nóng phụ thuộc vào đặc trưng bề mặt của thực phẩm, màu sắc của thực phẩm -Quá trình dẫn nhiệt vào trong phụ thuộc vào hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm (phụ thuộc vào lượng ẩm của thực phẩm) -Áp dụng trong quá trình sấy, làm nóng bề mặt của thực phẩm, ít làm hư hỏng trong lòng thực phẩm. 19 Nung nóng thực phẩm bằng lò vi sóng (lò viba), f= 2450 MHz - Phân tưF nước gồm 1 nguyên tưF oxy vaD 2 nguyên tưF Hydro, do oxy có đô- âm điện lớn làm cho nước trơF thành phân tưF lưỡng cực. - Khi thực phẩm được đặt trong một trường điện tưD thiD các lưỡng cực nước sẽ định hướng theo hướng của trường điện tưD vaD khi trường điện tưD dao động nhanh thiD các phân tưF nước cũng bị dao động theo - Do sư- biến dạng của các cấu trúc phân tưF gây nên khi nó sắp xếp định hướng trơF lại theo trường điện tưD mà nó chuyển năng lượng vi sóng thành nhiệt, trong quá trình đo6 nó cũng chịu ảnh hưởng bởi đô- nhớt của thực phẩm - Sô 6 lượng lưỡng cực vaD sư- thay đổi của nó theo trường điện tưD được xác định thông qua hằng sô 6 điện môi của thực phẩm - Khi thực phẩm đặt trong một trường điện tưD như vậy nó sẽ hấp thu sóng va D chuyển thành nhiệt, lượng nhiệt được hấp thu đo 6 đựơc gọi là “lose factor” – hê- sô6 tổn thất. Thực phẩm có đô- ẩm càng cao thi D “lose factor” càng lớn do đo 6 nó hấp thu nhiệt nhanh hơn - Do cấu trúc thực phẩm không đồng nhất nên sư- hấp thu năng lượng vi sóng không đồng đều, do đo 6 xảy ra sư- dẫn nhiệt tưD nơi có nhiệt đô - cao sang nơi có nhiệt đô- thấp - Thủy tinh vaD giấy va D polymer có hê - sô 6 “lose factor” rất thấp, năng lượng vi sóng xuyên thấu rất dêU nên nó không bị đun nóng - Kim loại làm cho năng lượng vi sóng bị phản xa - 20 - Đô - xuyên thấu của vi sóng Thư3c phâ 'm Lose factor Chuô*i (tươi) 17 Thi 3t bo 16 Ba *nh mi  0,005 Bơ 0,1 Ca * nâ *u rô*i 12 Nươ*c 9,2 Dâ u ăn 0,2 Thu 'y tinh 0,1 Giâ *y 0,1 Khoai 6,7 Khi nung nóng thực phẩm bằng lò vi sóng thỉnh thoảng ta gặp hiện tượng thực phẩm vơU tung ra (nung nóng cục bô -) Ứng dụng: - Vi sóng có tốc đô- truyền nhiệt, đun nóng nhanh không cần có những bê D mặt truyền nhiệt vì vậy việc nung nóng bằng lò vi sóng được áp dụng cho nhiều loại thực phẩm: - Tan gia 6, sấy, nướng, hâm nóng • Theo các phương pháp tan gia 6 truyền thống, mất rất nhiều thời gian, sư- tan gia 6 diễn ra ở lớp bên ngoài rồi tưD tưD đi vào bên trong, nếu không có kinh nghiệm thiD sẽ không kiểm soát được tan gia 6 • Khi tan gia 6 bằng lò vi sóng: Năng lượng vi sóng đi xuyên vào trong thực phẩm làm cho quá trình tan gia 6 diễn ra rất nhanh, người ta cũng dùng quá trình này đê F làm nóng chảy các loại mơU, chất béo, tuy nhiên cũng nảy sinh những kho6 khăn: 21 • Đối với loại thực phẩm đông block có kích thước lớn • Khi tan giá,vi D nước có hê - sô 6 tổn thất lớn hơn nước đa 6 nên khi nó tan ra, nó sẽ hấp thu năng lượng lớn hơn nước đa6 rất nhiều, với quá trình diễn biến tiếp theo, phần tan ra bị nung nóng qúa mức, có những phần bị nấu lên trong khi có những phần khác vẫn bị đóng băng ⇒ Tan gia 6 không đều • Khắc phục: - Giảm năng lượng vi sóng - Tác dụng dưới dạng xung (thời gian tan gia 6 sẽ kéo dài)