Tài liệu ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ lên tính chất lưu biến của bơ ca cao

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------------------------------- HOÀNG LAN ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ CÔNG NGHỆ LÊN TÍNH CHẤT LƯU BIẾN CỦA BƠ CA CAO Chuyên ngành: Công nghệ Thực phẩm và Đồ uống Mã số: 605402 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 1 năm 2015 i CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hƣớng dẫn khoa học: TS. Ngô Thanh An Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Phan Thế Đồng Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Trần Thị Ngọc Yên Luận văn thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày 14 tháng 01 năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1. PGS.TS Lê Thị Kim Phụng 2. TS. Phan Thế Đồng 3. TS. Trần Thị Ngọc Yên 4. TS. Trịnh Khánh Sơn 5. TS. Tôn Nữ Minh Nguyệt Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn và Trƣởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã đƣợc sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC ii ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Hoàng Lan ...................................................... MSHV: 13110563 Ngày, tháng, năm sinh: 01/10/1989 ........................................... Nơi sinh: Tp. HCM Chuyên ngành: Công nghệ Thực phẩm ...................................... Mã số: ......................... I. TÊN ĐỀ TÀI: ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ CÔNG NGHỆ LÊN TÍNH CHẤT LƯU BIẾN CỦA BƠ CA CAO II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Đánh giá sự ảnh hƣởng của các yếu tố công nghệ, bao gồm : nhiệt độ, hàm lƣợng pha phân tán (đƣờng), chất nhũ hóa (lecithin) và chất béo thay thế bơ ca cao (dầu đậu phộng), lên tính chất lƣu biến của bơ ca cao, đƣợc mô tả qua mối quan hệ giữa ứng suất trƣợt- tốc độ trƣợt. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 07/07/2014 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 07/12/2014 V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Tiến sỹ Ngô Thanh An Tp. HCM, ngày 30 tháng 12 năm 2014 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC (Họ tên và chữ ký) iii LỜI CẢM ƠN Trƣớc hết, tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn chân thành của tôi với Tiến sĩ Ngô Thanh An đã chịu trách nhiệm khoa học cho nghiên cứu này và thầy hƣớng dẫn của tôi, Tiến sĩ Lại Quốc Đạt đã nhiệt tình hƣớng dẫn và khuyến khích tôi trong suốt thời gian làm luận văn. Hai thầy là ngƣời đã cho tôi rất nhiều kinh nghiệm và lời khuyên quý báu. Nghiên cứu của tôi thực sự không thể đƣợc hoàn thành mà không có sự hƣớng dẫn và trợ giúp của các thầy. Thứ hai, tôi đặc biệt cảm ơn Tiến sĩ Phạm Trọng Liêm Châu đã tận tình trợ giúp kỹ thuật trong thời gian tôi làm việc trên phòng thí nghiệm trƣờng Đai học Bách khoa tp. Hồ Chí Minh. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các anh, chị, các bạn đã và đang theo học tại trƣờng Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, những ngƣời đã cố vấn, khuyến khích và truyền cảm hứng cho tôi trong nhiều cách khác nhau. Tôi sẽ không thể đi xa mà không cần tất cả sự giúp đỡ của mọi ngƣời. Tôi chân thành cảm ơn quý thầy, cô Bộ Môn Công Nghệ Thực Phẩm, Khoa Kỹ thuật Hóa học, trƣờng Đại Học Bách khoa tp. Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi và nhiệt tình giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này; cũng nhƣ là những kiến thức nền và kinh nghiệm ngành nghề mà thầy, cô đã truyền đạt trong suốt thời gian tôi theo học tại trƣờng. Một lần nữa, tôi bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc từ đáy lòng mình đối với gia đình, những ngƣời luôn yêu thƣơng, hy sinh khuyến khích tôi đã động viên giúp tôi thực hiện tốt luận văn này. Và cuối cùng, tôi biết ơn tất cả mọi ngƣời là có liên quan trực tiếp hoặc gián tiếp trong việc giúp đỡ tôi trong suốt tiến trình nghiên cứu xin chân thành cảm ơn các anh, chị, các bạn đã và đang theo học tại phòng thí nghiệm Công nghệ Thực Phẩm, trƣờng Đại học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh đã hỗ trợ nhiệt tình và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Học viên thực hiện iv TÓM TẮT Bơ ca cao là thành phần thiết yếu trong ngành công nghiệp sô cô la nói riêng và thực phẩm nói chung, do bơ ca cao đóng vai trò là pha liên tục chính trong sô cô la. Tính chất lƣu bíến của bơ ca cao có liên quan chặt chẽ với kết cấu, chất lƣợng và cảm quan của sản phẩm. Mục đích chính của luận văn này nhằm nghiên cứu tác động của nhiệt độ (20 550C), hàm lƣợng pha phân tán (đƣờng) (20 55%v/v), lecithin (0 0,5% w/v) và dầu đậu phộng (0 11%v/v) lên các đặc tính lƣu biến của bơ ca cao, sử dụng lƣu biến kế với tốc độ trƣợt từ 5 đến 1000s-1, ở các điểm nhiệt độ khác nhau. Bốn mô hình lƣu biến đƣợc sử dụng để mô tả trạng thái độc lập với thời gian của mẫu. Để đánh giá mức độ phù hợp giữa dữ liệu thực nghiệm và dữ liệu từ các mô hình, hệ số tƣơng quan R2 và độ lệch trung bình RSME đã đƣợc sử dụng và đã có một sự thay đổi mô hình phù hợp giữa các thí nghiệm. Kết quả cho thấy bơ cacao mang trạng thái của lƣu chất Bingham ở 200C và 250C, trong khi ở nhiệt độ trên 300C trạng thái của bơ ca cao biểu hiện nhƣ lƣu chất Newton, và dữ liệu từ các đƣờng cong dòng chảy tuân theo mô hình Bingham; ngƣợc lại, khi có mặt dầu đậu phộng (0-90%v/v) dữ liệu thực nghiệm thu đƣợc lại phù hợp với mô hình Casson hơn. Ở các đánh giá khác, mô hình Cason đã đƣợc tìm thấy là phù hợp nhất với dữ liệu đƣờng cong dòng chảy của hỗn hợp bơ ca cao/ đƣờng, hỗn hợp bơ ca cao/ đƣờng/ lecithin, bơ ca cao/ đƣờng/ dầu đậu phộng. Nhìn chung, kết quả cho thấy rằng, khi tăng nhiệt độ do đặc tính của nóng chảy của bơ ca cao làm giảm độ nhớt biểu kiến và các tham số của mô hình, khi tỷ lệ phần trăm của đƣờng tăng độ nhớt biểu kiến của hỗn hợp cũng theo, trái lại, bổ sung lecithin và dầu đậu phộng làm giảm đáng kể độ nhớt biểu kiến. Các kết quả thu đƣợc cho thấy tinh thể đƣờng tạo mạng lƣới tinh thể không đồng nhất, và bị suy yếu bởi lecithin do sự che phủ bề mặt đƣờng của lecithin. v ABSTRACT Cocoa butter is an essential ingredient of chocolate as it forms the continuous phase of chocolate and it is responsible for the gloss, texture and typical melting behavior of “irresistible” chocolate. This research aimed to study the effect of temperature (20- 550C), different levels of superfine icing sugar (20 55%v/v), lecithin (0 0,5%w/v) and peanut oil (0 11%v/v) on the flow characteristics of cocoa butter, using a rheometer as a shearing device with shear rates ranging from 5 to 1000s-1 at different isothermal temperatures. Four models were used to describe timeindependent behavior of samples. To evaluate the ability of these models, a statistical parameter (R2) and Root mean square error were used and there was a change the model fit between the experiments. It was found that cocoa butter behaved as a Bingham fluid at 200C and 250C, while over 300C the behavior of plain cocoa butter is a Newtonian fluid and the flow curves fitted Bingham model; by contrast, Casson model gave a better fit for cocoa butter/ peanut oil mixtures. On the one hand, Cason model was found to be the most appropriate to fit the flow curves of cocoa butter/ sugar mixture, cocoa butter/ sugar/lecithin mixture, and cocoa butter/ sugar/ peanut oil. Overall, the results showed that increasing the percent of sugar increased the apparent viscosity, whereas addition of lecithin or peanut oil caused significantly reduces the apparent viscosity. The results tend to suggest that sugar crystals provide sites for heterogeneous nucleation, which is slightly weakened by lecithin which coats the sugar surfaces. vi LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dƣới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã đƣợc thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng theo quy định Tác giả luận án Hoàng Lan vii MỞ ĐẦU Lƣu biến học là ngành khoa học nghiên cứu về sự biến dạng và dòng chảy của vật liệu dƣới những điều kiện xác định, nó liên quan đến vi cấu trúc của vật liệu, tác động rất nhiều lên các thuộc tính chất lƣợng và định lƣợng của thực phẩm dạng lỏng. Cấu trúc vi mô này liên quan đến các liên kết hóa lý và các tƣơng tác nội phân tử hoặc giữa các thành phần trong hỗn hợp với nhau. Các tác động cơ bản lên vi cấu trúc đặc tính dòng chảy của vật liệu, ví dụ nhƣ độ nhớt và độ đàn hồi, là những yếu tố quan trọng trong quá trình tính toán sự truyền nhiệt, truyền khối và quá trình vận chuyển vật liệu. Ngoài ra, lƣu biến học còn đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu kết cấu vật liệu và đặc tính cảm quan của sản phẩm. Do đó, việc nghiên cứu tính chất lƣu biến của thực phẩm là rất cần thiết, đặc biệt là trong ngành sản xuất sô cô la, do đặc thù của sản phẩm là hệ huyền phù phân tán các phân tử rắn trong pha liên tục là chất béo (chủ yếu là bơ ca cao). Bơ ca cao là một chất béo tự nhiên từ hạt ca cao (Theobroma cacao), thƣờng đƣợc sử dụng nhƣ một thành phần thiết yếu trong sản xuất sô cô la và các sản phẩm bánh kẹo khác tính chất của nó quyết định đến chất lƣợng và cảm quan của sản phẩm sô cô la. Vấn đề nghiên cứu tính chất lƣu biến của bơ ca cao mang tầm quan trọng trong ngành thực phẩm bánh kẹo và đã đƣợc nghiên cứu từ sớm. Trong quá trình sản xuất, bơ ca cao sẽ chịu tác động của nhiều yếu tố: nhiệt độ, hàm lƣợng pha rắn phân bố trong bơ ca cao, lƣợng chất nhũ hóa và lƣợng béo thực vật… Do đó, trong luận văn này chúng tôi tiến hành đánh giá “Ảnh hưởng của một số yếu tố công nghệ lên tính chất lưu biến của bơ ca cao” với mong muốn cung cấp thêm thông tin về đặc tính của bơ ca cao dƣới những điều kiện xác định. viii MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ ............................................................................. ii LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ iii TÓM TẮT ...................................................................................................................... iv ABSTRACT .................................................................................................................... v LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... vi MỞ ĐẦU ....................................................................................................................... vii MỤC LỤC .................................................................................................................... viii DANH MỤC BẢNG ....................................................................................................... x DANH MỤC HÌNH ....................................................................................................... xi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT.................................................................................... xiv CHƢƠNG 1:TỔNG QUAN ............................................................................................ 1 1.1 Lƣu biến học .................................................................................................. 1 1.1.1 Lƣu biến học ......................................................................................... 1 1.1.2 Phân loại lƣu chất ................................................................................. 2 1.1.3 Các thiết bị đo lƣu biến ......................................................................... 3 1.1.4 Các giá trị đặc trƣng của lƣu biến học .................................................. 4 1.2 Phƣơng pháp xác định tính lƣu biến ............................................................ 5 1.3 Các mô hình dòng chảy mô tả tính chất lƣu biến của thực phẩm lỏng: ....... 7 1.4 Ứng dụng của lƣu biến học ........................................................................ 11 1.5 Tầm quan trọng của việc nghiên cứu tính chất lƣu biến của bơ ca cao ..... 12 CHƢƠNG 2: NGUYÊN LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................... 19 2.1 Mục tiêu nghiên cứu................................................................................... 19 2.1.1 Mục tiêu tổng quát .......................................................................... …19 2.1.2 Mục tiêu cụ thể ................................................................................... 19 2.2 Nội dung nghiên cứu .................................................................................. 19 2.3 Nguyên liệu ................................................................................................ 20 2.3.1 Bơ ca cao ............................................................................................. 20 ix 2.3.2 Dầu đậu phộng .................................................................................... 20 2.3.3 Đƣờng ................................................................................................. 20 2.4 Phƣơng pháp thực hiện .............................................................................. 20 2.4.1 Chuẩn bị hỗn hợp ................................................................................ 21 2.4.2 Tiến hành phân tích ............................................................................ 21 2.5 Phƣơng pháp phân tích............................................................................... 22 2.5.1 Tính chất lƣu biến: .............................................................................. 22 2.5.2 Phƣơng pháp xử lý kết quả thí nghiệm: .............................................. 23 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ...................................... 24 3.1 Ảnh hƣởng của nhiệt độ lên tính chất lƣu biến .......................................... 24 3.1.1 Ảnh hƣởng của nhiệt độ lên tính chất lƣu biến của bơ ca cao nguyên chất .............................................................................................................................. 24 3.1.2 Xác định mô hình lƣu biến phù hợp và các hệ số đặc trƣng của mô hình dòng chảy .................................................................................................................... 27 3.2 Ảnh hƣởng của đƣờng lên tính chất lƣu biến............................................. 29 3.2.1 Ảnh hƣởng của đƣờng lên tính chất lƣu biến của bơ ca cao............... 29 3.2.2 Xác định mô hình lƣu biến phù hợp và các hệ số đặc trƣng của mô hình dòng chảy .................................................................................................................... 33 3.3 Ảnh hƣởng của lecithin lên tính chất lƣu biến ........................................... 36 3.4 Ảnh hƣởng của dầu đậu phộng lên tính chất lƣu biến ............................... 50 3.4.1 Ảnh hƣởng của dầu đậu phộng lên tính chất lƣu biến của bơ ca cao . 50 3.4.2 Ảnh hƣởng của dầu phộng lên tính chất lƣu biến của hỗn hợp bơ ca cao và đƣờng ...................................................................................................................... 53 3.4.3 Ảnh hƣởng của dầu phộng lên tính chất lƣu biến của hỗn hợp bơ ca cao và đƣờng có bổ sung lecithin ...................................................................................... 56 3.4.4 Quá trình chuyển pha .......................................................................... 58 KẾT LUẬN VẢ KIẾN NGHỊ....................................................................................... 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 66 PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 72 x DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1 Các kiểm tra lƣu biến điển hình ....................................................................... 4 Bảng 1.2 Các tham số lƣu biến chung............................................................................. 5 Bảng 1.3 Các mô hình lƣu biến thông dụng.................................................................... 8 Bảng 3.1 Tính chất hóa học của bơ ca cao và dầu đậu phộng ...................................... 51 xi DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Dòng chảy trƣợt và dòng chảy giãn nở đơn giản (Winhab, 1995) ................. 1 Hình 1.2: Lƣu chất Newton và lƣu chất phi Newton (Winhab, 1995) ............................ 2 Hình 1.3 Lƣu biến kế dạng xoay (a) và Lƣu biến kế mao quản (b) ................................ 3 Hình 1.4: Sơ đồ quy trình sản xuất sô cô la truyền thống ............................................. 16 Hình 1.5 Sơ đồ đại cƣơng của phân tử lecithin xung quanh hạt đƣờng (Beckett, 2009) ....................................................................................................................................... 17 Hình 2.1 Cấu tạo của lƣu biến kế HaakeRS 6000 ......................................................... 22 Hình 3.1 Ảnh hƣởng của nhiệt độ lên giản đồ lƣu biến của bơ ca cao thể hiện quan hệ giữa ứng suất trựơt- tốc độ trƣợt ................................................................................... 24 Hình 3.2 Ảnh hƣởng của nhiệt độ lên ứng suất truợt của bơ ca cao ở một số tốc độ trƣợt xác định ......................................................................................................................... 25 Hình 3.3 Ảnh hƣởng của nhiệt độ lên giản đồ lƣu biến của bơ ca cao thể hiện quan hệ giữa độ nhớt-tốc độ trƣợt .............................................................................................. 26 Hình 3.4 Giản đồ lƣu biến thể hiện độ nhớt biểu kiến của lƣu chất “shear-thinning”.. 27 Hình 3.5 Ảnh hƣởng của nhiệt độ lên tính chất lƣu biến của bơ ca cao ....................... 28 Hình 3.6 Độ nhớt biểu kiến phụ thuộc vào thể tích thành phần phân tán và thể tích chất phân tán tối đa ) theo mô hình của Frankel-Acrivos và Krieger-Dougherty........ 29 Hình 3.7 Ảnh hƣởng của đƣờng lên giản đồ lƣu biến của bơ ca cao thể hiện quan hệ giữa ứng suất trựơt- tốc độ trƣợt ................................................................................... 31 Hình 3.8 Ảnh hƣởng của tỷ lệ thể tích đƣờng lên ứng suất truợt của bơ ca cao tại một số tốc độ trƣợt xác định ở 300C, 400C và 500C ............................................................. 32 Hình 3.9 Ảnh hƣởng của đƣờng lên độ nhớt thực của bơ ca cao.................................. 35 xii Hình 3.10 Ảnh hƣởng của đƣờng lên độ nhớt Casson của bơ ca cao ........................... 35 Hình 3.11 Ảnh hƣởng của lecithin lên giản đồ lƣu biến của bơ ca cao ở 30, 40 và 500C trong hỗn hợp chứa 50%v/v đƣờng thể hiện quan hệ giữa ứng suất trƣợt – tốc độ trƣợt ....................................................................................................................................... 38 Hình 3.12 Ảnh hƣởng của lecithin lên giản đồ lƣu biến của bơ ca cao ở 30, 40 và 500C trong hỗn hợp chứa 40%v/v đƣờng thể hiện quan hệ ứng suất trƣợt- tốc độ trƣợt ....... 39 Hình 3.13 Ảnh hƣởng của lecithin lên giản đồ lƣu biến của bơ ca cao ở 30, 40 và 500C trong hỗn hợp chứa 30%v/v đƣờng thể hiện quan hệ ứng suất trƣợt- tốc độ trƣợt ....... 40 Hình 3.14 Ảnh hƣởng của lecithin lên giản đồ lƣu biến của bơ ca cao ở 30, 40 và 500C trong hỗn hợp chứa 20%v/v đƣờng thể hiện quan hệ ứng suất trƣợt- tốc độ trƣợt ....... 41 Hình 3.15 Ảnh hƣởng của lecithin lên giản đồ lƣu biến của bơ ca cao ở 30, 40 và 500C trong hỗn hợp chứa 50%v/v đƣờng thể hiện quan hệ giữa độ nhớt-tốc độ trƣợt .......... 42 Hình 3.16 Ảnh hƣởng của lecithin lên giản đồ lƣu biến của bơ ca cao ở 30, 40 và 500C trong hỗn hợp chứa 40%v/v đƣờng thể hiện quan hệ giữa độ nhớt-tốc độ trƣợt .......... 43 Hình 3.17 Ảnh hƣởng của lecithin lên giản đồ lƣu biến của bơ ca cao ở 30, 40 và 500C trong hỗn hợp chứa 30%v/v đƣờng thể hiện quan hệ giữa độ nhớt-tốc độ trƣợt .......... 44 Hình 3.18 Ảnh hƣởng của lecithin lên giản đồ lƣu biến của bơ ca cao ở 30, 40 và 500C trong hỗn hợp chứa 20%v/v đƣờng thể hiện quan hệ giữa độ nhớt-tốc độ trƣợt .......... 45 Hình 3.19 Ảnh hƣởng lecithin lên độ nhớt thực (trái) và độ nhớt Casson (phải) của bơ ca cao ở 30, 40 và 500C trong hỗn hợp chứa 50%v/v đƣờng........................................ 46 Hình 3.20 Ảnh hƣởng lecithin lên độ nhớt thực (trái) và độ nhớt Casson (phải) của bơ ca cao ở 30, 40 và 500C trong hỗn hợp chứa 40%v/v đƣờng........................................ 47 Hình 3.21 Ảnh hƣởng lecithin lên độ nhớt thực (trái) và độ nhớt Casson (phải) của bơ ca cao ở 30, 40 và 500C trong hỗn hợp chứa 30%v/v đƣờng........................................ 47 xiii Hình 3.22 Ảnh hƣởng lecithin lên độ nhớt thực (trái) và độ nhớt Casson (phải) của bơ ca cao ở 30, 40 và 500C trong hỗn hợp chứa 20%v/v đƣờng........................................ 48 Hình 3.23 Ảnh hƣởng của dầu đậu phộng lên mối quan hệ giữa ứng suất trƣợt- tốc độ trƣợt của bơ ca cao ........................................................................................................ 50 Hình 3.204 Ảnh hƣởng của dầu đậu phộng lên ứng suất trƣợt của bơ ca cao ở một vài giá trị tốc độ trƣợt .......................................................................................................... 51 Hình 3.25 Ảnh hƣởng dầu đậu phộng lên độ nhớt thực và độ nhớt Casson của bơ ca cao ở 400C ............................................................................................................................ 53 Hình 3.26 Ảnh hƣởng của dầu đậu phộng lên mối quan hệ giữa ứng suất trƣợt- tốc độ trƣợt của hỗn hợp bơ ca cao chứa 50%v/v đƣờng ........................................................ 54 Hình 3.27 Ảnh hƣởng của dầu đậu phộng lên ứng suất trƣợt của hỗn hợp bơ ca cao chứa 50%v/v đƣờng ở 400C tại tốc độ trƣợt xác định ................................................... 55 Hình 3.28 Ảnh hƣởng dầu đậu phộng lên độ nhớt thực và độ nhớt Casson của hỗn hợp bơ ca cao chứa 50%v/v đƣờng ở 400C .......................................................................... 55 Hình 3.29 Ảnh hƣởng của dầu đậu phộng lên mối quan hệ giữa ứng suất trƣợt- tốc độ trƣợt của hỗn hợp bơ ca cao chứa 50%v/v đƣờng, 0,3%w/v lecithin ở 400C ............... 57 Hình 3.30 Ảnh hƣởng của dầu đậu phộng lên ứng suất trƣợt của hỗn hợp bơ ca cao chứa 50%v/v, 0,3 %w/v lecithin đƣờng ở 400C ............................................................ 57 Hình 3.31 Ảnh hƣởng của dầu đậu phộng lên độ nhớt thực và độ nhớt Casson của hỗn hợp bơ ca cao chứa 50%v/v đƣờng, 0,3%w/v lecithin ở 400C ..................................... 58 Hình 3.32 Ảnh hƣởng của tốc độ hạ nhiệt lên quá trình chuyển pha của bơ ca cao ..... 60 Hình 3.33 Điểm chuyển pha của hỗn hợp bơ ca cao chứa 50%v/v đƣờng có/ không có 0,3 lecithin ở mỗi tỷ lệ thể tích của dầu đậu phộng ...................................................... 62 xiv DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT α Thù hình dạng II β Thù hình dạng V và VI β’ Thù hình dạng III và IV B hệ số Einstein DSC Differential Scanning Calorimeter m Hệ số bó, tỷ lệ thể tích Tốc độ trƣợt G’ Mô đun lƣu trữ (mô đun đàn hồi) G” Mô đun thất thoát (mô đun nhớt) γ Thù hình dạng I h Khoảng cách giữa các tấm m s-1 ICCO International Cocoa Organization K Chỉ số độ sệt Pa.s LVR Linear Viscoelastic Region n Chỉ số trạng thái dòng chảy Pa.s η Độ nhớt Pa. s Vận tốc m/s POS 1-palmitoyl-2-oleoyl-3-stearoylglycerol R2 Hệ số tƣơng quan RMSE Root Mean Square Error SOS 1,3-stearoyl-2-oleoylglycerol T Nhiệt độ 0 C TAG Triacyglycerol Ứng suất trƣợt XRD X-ray Diffraction Pa 1 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Lƣu biến học 1.1.1 Lƣu biến học Lƣu biến học là ngành khoa học nghiên cứu về sự biến dạng và dòng chảy của vật liệu dƣới những điều kiện xác định. Các yếu tố nhƣ nguyên động lực (ví dụ: tốc độ bơm) và bề mặt ống, ảnh hƣởng cách thức chảy của vật liệu, trong khi áp suất và nhiệt độ sẽ tác động đến trạng thái biến dạng của vật liệu. Lƣu biến sử dụng các phƣơng pháp đo trong phòng thí nghiệm để dự đoán và giải thích sự thay đổi trong dòng chảy, sự biến dạng và cấu trúc của vật liệu, những thay đổi diễn ra trong quá trình sản xuất (Macosko, 1964). Dòng chảy lƣu biến thƣờng đƣợc chia làm hai loại: dòng chảy trƣợt và dòng chảy kéo. Dòng chảy trƣợt có thể đƣợc quan sát bằng cách đặt vật liệu nằm giữa hai mặt phẳng song song (hình 1.1), chuyển động với vận tốc tƣơng đối liên tục với nhau. Vật liệu sẽ di chuyển dựa trên sự kháng ma sát nội để chuyển động, tham số đặc trƣng là độ nhớt trƣợt s. Các phân tử sẽ xoay trong dòng chảy trƣợt. Trong dòng chảy kéo, vật liệu đƣợc kéo, và các hạt sẽ không quay tròn, tham số đặc trƣng là độ nhớt giãn, e. Hình 1.1: Dòng chảy trƣợt và dòng chảy giãn nở đơn giản (Winhab, 1995) Lƣu biến học xem xét các đặc tính chảy- biến dạng của vật liệu ở cả quy mô lớn và ở quy mô phân tử. Đây là một công cụ đắc lực để nghiên cứu cách thức quá 2 trình công nghiệp ảnh hƣởng đến cấu trúc thực phẩm trong quá trình sản xuất, và quan trọng hơn, mức độ ảnh hƣởng đến tính chất cảm quan và tính chất chức năng của thực phẩm. Hơn nữa, lƣu biến học có thể giúp phát triển các sản phẩm mới với kết cấu đã đƣợc xác định trƣớc đó. 1.1.2 Phân loại lƣu chất Trong hình 1.1, vật liệu đƣợc thể hiện khi đang trƣợt giữa hai bề mặt, chuyển động với vận tốc 1 và 2 tại một khoảng cách h. Gradient vận tốc ( đo trong s-1 (một phần giây), gọi là ―tốc độ trƣợt 1 - 2)/h đƣợc ”. Nếu mỗi bề mặt có diện tích A, ứng suất ma sát ( , hay còn đƣợc gọi là ―ứng suất trƣợt‖) ở bề mặt, do sự chuyển động đƣợc tính nhƣ sau: (1.1) Với là độ nhớt trƣợt. Do đó, độ nhớt trƣợt là tỷ số của ứng suất trƣợt trên tốc độ trƣợt cho phép tìm hiểu trạng thái nhớt của chất lỏng. Độ nhớt tại một điểm bất kỳ đƣợc gọi là ―độ nhớt thực‖. Newton cho rằng giá trị này là hằng số đối với tất cả các tốc độ trƣợt, nhƣng nó chỉ đúng với một số chất lỏng nhƣ nƣớc, hầu hết thực phẩm lại thể hiện trạng thái phi Newton. Hình 1.2 trình bày một số loại trạng thái dòng chảy có thể xảy ra khi độ nhớt thực đƣợc xác định ở tốc độ trƣợt khác nhau. Khi tác động một ứng suất lên vật liệu, vật liệu vẫn duy trì trạng thái rắn cho đến khi ứng suất này vƣợt quá ứng suất ngƣỡng thì vật liệu mới bắt đầu chuyển sang trạng thái lỏng. Ứng suất tới hạn đƣợc gọi là ―giá trị ứng suất ngƣỡng‖, 0. Hình 1.2: Lƣu chất Newton và lƣu chất phi Newton (Winhab, 1995) 3 1.1.3 Các thiết bị đo lƣu biến Khoảng cách giữa các bề mặt quay (ví dụ các xylanh đồng tâm) đƣợc sử dụng để tạo ra dòng trƣợt. Tốc độ quay liên quan đến tốc độ trƣợt và lực giữa chúng liên quan đến ứng suất trƣợt. Hệ thống đo quay điển hình đƣợc thể hiện trong hình 1.3 cùng với một số hệ thống mao quản cũng có thể đƣợc sử dụng để thực hiện các phép đo dòng chảy trƣợt. Nhớt kế có thể hoạt động bằng cách thay đổi tốc độ trƣợt (ví dụ bằng cách tăng hoặc giảm tốc độ quay hoặc dao động của bề mặt chuyển động). Ngoài ra, ứng suất có thể đƣợc kiểm soát, trong trƣờng hợp một lực biết trƣớc đƣợc áp dụng và mức độ chuyển động (biến dạng) đƣợc đo. Hình 1.3 Lƣu biến kế dạng xoay (a) và Lƣu biến kế mao quản (b) Các khảo nghiệm thƣờng đƣợc thực hiện tại một trong hai biến dạng rất nhỏ (thƣờng để xác định cấu trúc ―không đổi‖ trong vật liệu) hoặc biến dạng lớn (ví dụ nhƣ ở tốc độ trƣợt cao) để xác định hiện tƣợng xảy ra dƣới điều kiện dòng chảy quá trình. Các khảo nghiệm có thể đƣợc thực hiện trong điều kiện dòng chảy ổn định và không ổn định. Kiểm tra lƣu biến điển hình, chủ yếu đƣợc thực hiện bởi các lƣu biến kế đơn trục ―trƣợt‖ đƣợc liệt kê trong bảng 1.1. 4 Bảng 1.1 Các kiểm tra lƣu biến điển hình Kiểm soát Kiểm soát ứng suất ( ) Kiểm soát sự biến dạng ( ) Biến dạng nhỏ Tĩnh Động Thí nghiệm dao động trƣợt biên độ nhỏ Thí nghiệm dao động trƣợt biên độ nhỏ Biến dạng lớn Tĩnh Động Kiểm tra trƣợt Kiểm tra sự nghỉ từ rão từ rão Kiểm tra độ lớn dao ( = hằng số) động biên Kiểm tra từng Kiểm tra sự nghỉ bậc Kiểm tra độ lớn dao ( = hằng số) động biên Sự truyền sóng (kHz-GHz) Dòng chảy tĩnh 1.1.4 Các giá trị đặc trƣng của lƣu biến học Bên cạnh độ nhớt, là tính chất của lƣu chất chống lại sự trƣợt hay dịch chuyển giữa các lớp chất lƣu, tính đàn hồi là một trong những tính chất quan trọng, có thể đƣợc đo bởi lƣu biến kế, có liên quan đến cấu trúc của vật chất. Các thuộc tính lƣu biến của vật liệu đàn hồi nhớt có thể đƣợc xác định từ thí nghiệm dao động đều. Thí nghiệm này nghiên cứu trạng thái của vật liệu khi chịu ứng suất, độ biến dạng hoặc tần số khác nhau theo thời gian. Thông thƣờng, một dao động hình sin đƣợc áp dụng cho hỗn hợp, làm vật chất bị biến dạng và gây ra ứng suất trƣợt lên vật chất đó (hình 1.4). Sự thay đổi trong pha liên quan đến mức độ của trạng thái nhớt hoặc đàn hồi của vật liệu. Trong vật liệu lỏng, hầu hết các ứng suất bị mất đi bởi độ nhớt của nó, trong khi ứng suất đƣợc truyền tải trong vật liệu đàn hồi cao hơn. Sự thay đổi trong pha giữa sự biến dạng và ứng suất càng nhỏ, tính đàn hồi của vật liệu càng cao (góc mất = 0 là đàn hồi hoàn toàn). Một yếu tố đƣợc gọi là mô đun lƣu trữ (G’) có thể đo đƣợc, liên quan đến các trạng thái đàn hồi. Bất kỳ tổn thất năng lƣợng của hệ, do khắc phục ma sát nhớt bên trong của vật liệu, sẽ đƣợc hiển thị qua sự giảm biên độ. Giá trị nhớt đo đƣợc đƣợc gọi là ―mô đun thất thoát‖ (G”) và tỉ số của G’/G” bằng tan . Việc đo các thông số dòng chảy có thể đƣợc thực hiện bằng cách sử dụng công cụ đã thể hiện trong hình 1.3. Các phép đo G’ và G” thƣờng đƣợc tiến hành bằng sự dao động trên bề mặt di chuyển. Bằng cách thay đổi biên độ hoặc tần số trên một phạm vi phù hợp với vật liệu, thông tin chi tiết có thể đƣợc thu đƣợc 5 liên quan đến kết cấu và các thuộc tính chảy- biến dạng. Hầu hết các loại thực phẩm viscoelastic có cả tính chất nhớt và đàn hồi. Bảng 1.2 liệt kê một số các thông số thƣờng đƣợc đo nhất với (x) có nghĩa rằng đây là một đặc tính nhỏ của các tham số đo, cũng cho thấy nếu các tham số phụ thuộc thời gian hoặc bị ảnh hƣởng bởi tốc độ mà các thiết bị đo độ nhớt đƣợc hoạt động (Windhab, 1995). Bảng 1.2 Các tham số lƣu biến chung Tham số Biến dạng lớn Hàm dòng chảy ( ) x Độ nhớt trƣợt ( ) Độ nhớt giãn, e( ) Mô đun thất thoát, G”( ) Mô đun lƣu trữ, x Tính nhớt Đàn hồi Phụ thuộc thời gian Phụ thuộc vào sự trƣợt/kéo giãn x - (x) x (Thixotropic, Rheopexy) (Pseudoplastic, dilatant) (x) x (Thixotropic, Rheopexy) (Pseudoplastic, dilatant) x x - x - (x) x x x - (x) x x - x (x) x x x - (x) x x x - (x) (x) x - x (x) (x) x - - - - x (x) (x) (x) (x) G’( ) Độ nhớt động học, ’( ) Biến dạng tổn thất, J" Biến dạng dự trữ , J' Ứng suất ngƣỡng, 0 Góc mất, Biến dạng nhỏ 1.2 Phƣơng pháp xác định tính lƣu biến Tính chất lƣu biến của vật chất đƣợc đặc trƣng bởi ứng suất ngƣỡng và độ nhớt thực. Nhìn chung, ứng suất ngƣỡng đƣợc xác định bởi các thí nghiệm lƣu biến