Tài liệu Tính chất lưu biến của thực phẩm

CHƯƠNG 2 CÁC TÍNH CHẤT LƯU BIẾN CỦA THỰC PHẨM (Rheology of food Products) Lưu biến Vật chất chuyển động như thế nào • Lưu biến học là nghiên cứu sự biến dạng và dòng chảy Sự thay đổi hình dạng Lưu biến • Lưu biến học là nghiên cứu sự biến dạng và dòng chảy Trái cây Thịt Bánh kẹo Chất rắn Chất lỏng Nước Tương ớt Mayonnaise Nước đường 1 CÁC TÍNH CHẤT LƯU BIẾN CỦA THỰC PHẨM (Rheology of food Products) -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! lỏng va( thê! rắn -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)… ứng dụng Kiểm tra chất lượng sản phẩm : tính giòn, đàn hồi, dẻo, độ liên kết,… phát hiện ra các sản phẩm mới tính toán kỹ thuật (các quá trình truyền nhiệt và động lượng), thiết kế được máy móc, thiết bị chính xác và tiết kiệm năng lượng tính chất cảm quan 2 ỨNG SUẤT VÀ BIẾN DẠNG (Stress and Deformation) Ứng suất (Stress) là lực tác dụng (theo phương bất ky() trên một đơn vị diện tích. σp F σ= F/A Stress = F/A [Pa, N/m2] σt A Phân loại ứng suất • Ứng suất pháp (nén hay kéo): lực tác dụng theo phương vuông góc với bê( mặt ⇒ bê( 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 bê( mặt ⇒ lớp bê( mặt dịch chuyển so với lớp phía dưới 3 Ứng suất tác dụng lên vật thê! sẽ gây nên biến dạng: - Biến dạng dài + Đô= biến dạng Cauchy + Đô= biến dạng Hencky - Biến dạng góc khi γ nho! thi( Chất rắn Chất lỏng Định luật Hooke Định luật Newton Chất trung gian • Cơ học cô! điển phân biệt ro+ chất lỏng va( chất rắn, 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 giữa 2 chất này, đặc biệt là thực phẩm va( các vật thê! sinh học 4 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 = E* εc E: modun đàn hồi của chất rắn (Young’s or elasticity module ) (độ cứng) • Dưới tác dụng của ứng suất trượt σij= G*γ γ : shear strain G: modun trượt • Dưới tác dụng của áp suất thủy tĩnh P = K* ευ K: modun khối ευ=∆V/V 5 Ví dụ bài tập Mô đun đàn hồi của táo là 0,6.107Pa 6 7 Ba
i taäp 1 mieáng phoâ mai hình khoái chư nhaät coù kích thöôùc daøi x roäng x cao = L x W x H= 0.5 x 0.4 x 0.3 inch. Duøng 1 vaät coù khoái löôïng 0.1 lb neùn leân mieáng phoâ mai naøy. Sau khi neùn, mieáng phoâ mai coù chieàu daøi laø 0.043 ft. Xaùc ñònh ñoä cöùng (modun dan hoi), chieàu roäng, chieàu cao cuûa phoâ mai sau neùn. Bieát tæ soá Poisson cuûa phoâ mai laø 0.25. 1 inch = 2,54 cm, 1 lb = 0,453 kg, 1 ft = 0,3048 m ĐS : E = Pa, W = mm, H = mm Ñoä bieán daïng cuûa thöïc phaåm theo chieàu daøi, chieàu roäng hoaëc ñöôøng kính = Ñoä bieán daïng cuûa thöïc phaåm theo chieàu cao x Tæ soá Poisson cuûa thöïc phaåm ñoù • Chất rắn đàn hồi là chất bị biến dạng dưới tác dụng của ứng suất hoặc lực. Khi lực không còn nó tư= khôi phục lại hình dạng ban đầu (Elastic) • Vật sau khi ngừng tác dụng lực không khôi phục hình dạng ban đầu gọi là chất dẻo (Plastic) • Chất trung gian là chất có tính chất nằm giữa E va( P gọi là Elastoplastic. Có nghĩa là khi ứng suất tác dụng nho nó có thê khôi phục lại hình dạng ban đầu, khi ứng suất lớn hơn một gia trị nào đo nó bị biến dạng vĩnh viễn. 8 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. • Phân loại độ nhớt: – Độ nhớt động học: St (stock),cSt, cm2/s – Độ nhớt thực (độ nhớt động lực học, độ nhớt biểu kiến). Poise (g/cm.s), cP, Pa.s (kg/m.s), mPa.s 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 9 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 đô= trượt giảm dần tư( trên xuống dưới hình thành một giản đô( véc tơ. • Chất lỏng Newton σ = µ ∗γ vp = dx dt dv d  dx d  dx dγ • =   =   = =γ dy dy dt  dt dy dt ∂µ • = 0 ∂γ • Định luật Newton vê( đô= nhớt • σ = µ ∗γ • µ: hê= sô thực nghiệm phu= thuộc vào đặc tính của thực phẩm (đô= nhớt) • Chất lỏng mà đô= nhớt không phu= thuộc vào tốc đô= trượt gọi là chất lỏng Newton va( ngược lại nếu đô= nhớt phu= thuộc vào tốc đô= trượt thi( gọi là chất lỏng phi Newton 10 • Bài tập Một tấm gỗ phẳng được phủ một lớp chất bao phủ có chiều dày là 1,4 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 100 Pa.s Tốc độ trượt u : vận tốc dài (m/s) Và . µ = f ( y) = σ 21 . γ Chất lỏng Newton • Phương trình biến dạng tuân theo đẳng thức Newton Hàm liên hê= giữa ứng suất trượt va( tốc đô= trượt là hàm tuyến tính: VD: nước, tra(, cà phê, bia, rượu vang, các loại đô( uống va( 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 Đô= nhớt của sữa tăng theo hàm lượng chất béo, nhưng lại giảm khi nhiệt đô= tăng Dầu cũng là chất lỏng Newton. Cấu trúc phân tư! của nó có mạch dài, chiều dài mạch cácbon của các acid béo càng lớn thi( đô= nhớt càng lớn. Đô= nhớt của dầu tăng cùng với mức đô= bão hòa của liên kết cácbon nối đôi. 11 Chất lỏng phi Newton Độc lập với thời gian – Time – independent fluid ∂µ • ≠ 0 ∂γ • Pseudoplastic (shear thinning): Khi tốc đô= trượt càng tăng, đô= dốc của đường cong càng giảm, đô= nhớt giảm – càng 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. • Dilatant (shear thickening): Khi tốc đô= trượt càng tăng, đô= dốc của đường cong càng tăng, đô= nhớt tăng – càng khuấy càng đặc, trương nơ! Ví dụ : mật ong (một số loại riêng biệt), tinh bột ngô sống chiếm 40% 12 • 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 hơn ứng suất ngưỡng (σ0) chất lỏng chảy va( có động thái chảy giống chất lỏng Newton VD: kem đánh răng, sốt cà chua • Pseudoplastic fluids with yield stress: Khi ứng suất trượt vượt qua gia trị ngưỡng thi( chất lỏng chảy va( có động thái chảy giống với Pseudoplastic ví dụ : thịt nghiền Mô hình Herschel - Bulkley • n σ = k ∗γ + σ 0 σ: shear stress (ứng suất trượt) (Pa) K: consistency index (chỉ sô đô= nhớt) γ: shear rate (tốc đô= trượt) (1/s) σ0: ứng suất ngưỡng (là ứng suất nhỏ nhất để dòng bắt đầu chảy) n: index of flow behavior (chỉ sô vê( động thái chảy), khi n thay đổi thi" dáng điệu của đường cong thay đổi Mô ta! động thái chảy của các dạng chất lỏng Non-newton thông qua mô hình Herschel - Bulkley σo 13 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 - Những chất lỏng có đô= nhớt phu= thuộc vào tốc đô= trượt chứng tỏ nó tồn tại một cấu trúc bên trong hê= thống • Khi ta tác dụng ứng suất làm cho nó chảy thi( trong quá trình chuyển động có sư= bẻ gãy va( phân bô lại cấu trúc Hydroxyethyl-cellulose Pseudoplastic (chất giả dẻo) có đặc điểm 1. Hợp chất có khối lượng phân tư! lớn hay hạt dài 2. Giữa các phân tư! có tương tác mạnh với nhau tạo nên sư= kết hợp bằng các liên kết thư cấp 3. Trong phân tư! có một trục dài va( phân tư! không đối xứng do đo nó định hướng theo dòng chảy làm cho đô= nhớt giảm 4. Hình dạng va( kích thước của hạt không đồng nhất cho phép chúng chồng chất lên nhau. 5. Các phân tư! của nó mềm dẻo, có thê! làm thay đổi hình dạng của chúng, dãn ra hoặc thu lại tùy theo lực kéo 14 Độ nhớt độc lập với thời gian – Time – independent fluids Chất lỏng phu= thuộc với thời gian – Time – dependent fluid Phu= thuộc với thời gian (Time – dependent fluid) • Khi cô định tốc đô= trượt (γ. = cosnt), chất có động thái chảy mà ứng suất tăng dần theo tốc đô= trượt gọi là Rheopectic • Khi cô định tốc đô= trượt (γ. = const), chất có động thái chảy mà ứng suất giảm dần theo tốc đô= trượt gọi là Thixotropic 15 Chất đàn hồi nhớt (Viscoelasticity) • Những chất thuộc nhóm này thê! hiện tính chất của hai nhóm là chất lỏng nhớt va( chất rắn đàn hồi • Đặc trưng của nhóm này thê! hiện ở hai hiệu ứng là hiệu ứng Barus va( hiệu ứng Weissenberg Các yếu tô: ảnh hưởng đến đô< nhớt • Ảnh hưởng của nhiệt đô= - Nhiệt đô= càng tăng thi( đô= nhớt của chất lỏng newton càng giảm Các yếu tô: ảnh hưởng đến đô< nhớt 16 Các yếu tô: ảnh hưởng đến đô< nhớt • Ảnh hưởng của áp suất - Áp suất càng tăng thi( đô= nhớt của chất lỏng newton càng tăng • ảnh hưởng của nồng độ : tỷ lệ • ảnh hưởng của khối lượng phân tử : tỷ lệ Chưa khuấy khuấy Chưa khuấy khuấy 17 18 Bài tập Khi đo độ nhớt của chất lỏng có phương trình như sau : σ = 4.10-2 + 0,2.γ ; (Pa) • đây là chất lỏng nào, giải thích ? • tính độ nhớt thực của chất lỏng tại thời điểm đo được vận tốc chảy trong ống là 0,012 m/s trong ống có đường kính 2 mm. PHÂN TÍCH CẤU TRÚC THỰC PHẨM Tầm quan trọng (tại sao chúng ta phải phân tích cấu trúc thực phẩm?) • 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. 19 ÁP DỤNG • Nó là một phần không thể thiếu của kiểm soát chất lượng (Quality Control) FACTORY • Kiểm tra chất lượng để thiết lập một quy trình tiềm năng • Dự đoán tính lưu biến của sản phẩm (quy trình phát triển) RESEARCH • Dùng để thiết lập các tiêu chuẩn chất lượng • Phù hợp với nhu cầu chất lượng của khách hàng CORRELATION • Phát triển sản phẩm mới • Sự tương quan với cảm quan 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) Phân tích cấu trúc là gì? Test vật liệu -Tính đàn hồi -Tính chất dẻo -Modun Phân tích cấu trúc Độ gãy vỡ Độ cứng Độ mềm Độ giòn Độ dai Tính lưu biến -Độ nhớt -Visco-elastic 20