TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC&THỰC PHẨM - BÀI GIẢNG VẬT LÝ THỰC PHẨM Người biên soạn : Dương Văn Trường TP Hồ Chí Mính, tháng 12-2015 VẬT LÝ THỰC PHẨM (Food Physics) CBGD: Dương Văn Trường Viện Công nghệ Sinh học Thực phẩm Đại học Công nghiệp TP HCM Nội dung chương trình Chương 1: Các thơng số vật lý tính chất thực phẩm Chương 2: tính chất bề mặt thực phẩm Chương : tính chất nhiệt, điện thực phẩm Chương 4: Các tính chất lưu biến thực phẩm Chương : Hoạt độ nước Tài liệu tham khảo • Bài giảng VLTP : https://sites.google.com/site/duongvantruong1510/cong-nghethuc-pham/vat-ly-thuc-pham • Wilhelm, Luther R., Dwayne A Suter, and Gerald H Brusewitz 2004 Physical Properties of Food Materials Chapter 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 TÀI LIỆU THAM KHẢO (References) [1].Andrew J Rosenthal (1999) Food Texture Measurement and Perception ISBN 0-8342-1238-2, Aspen Publishers, Inc., Printed in the United States of America [2] Ignacio Arana (2012) Physical Properties of Foods- Novel Measurement Techniques and Applications CRC Press ISBN 13: 978-1-4398-3537-1 [3] Ludger Figura and Arthur A Teixeira (2007) Physics Food ISBN 978-3-540-341918, Springer- Verlag Berlin – Heidelberg [4] Tharwat F Tadros (2005) Applied Surfactants- Principles and Applications ISBN-13: 978-3-527-30629-9, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co KGaA, Weinheim [5] Serpil Sahin and Servet Gülüm Sumnu (2006) Physical Properties of Foods ISBN-13: 978-0387-30780-0, Springer, Printed in the United States of America Tại phải nghiên cứu tính chất vật lý thực phẩm? TP có nguồn gốc sinh học : tươi sống qua chế biến - Phân tích thiết Thay đổi trình chế biến: biến bị Mục đích - XD hệ thống đổi học, nhiệt, thiết bị phù điện, quang, âm hợp điện từ ỨNG DỤNG CỦA CÁC TÍNH CHẤT VẬT LÝ (Physical Properties Applications) • xác định, lượng hóa việc mơ tả vật liệu thực phẩm • cung cấp liệu cho ngành kỹ thuật thực phẩm • tiên đốn tính chất vật liệu từ đa dạng hóa thực phẩm Chương 1: thơng số vật lý thực phẩm Các thông số vật lý thực phẩm • • • • • • • Độ dài : L (m) Diện tích : S (m2) Thể tích : V (m3) Khối lượng : m (kg) Khối lượng riêng: ρ (kg/m3) Áp suất : P (N/m2) Vận tốc : v (m/s) Các thông số vật lý thực phẩm (tt) • • • • • • Độ nhớt Nhiệt lượng riêng Nhiệt dung riêng Hệ số dẫn nhiệt Hệ số truyền nhiệt Nhiệt độ : µ (Ns/m2) : i, I (J/kg) : c (J/kg.độ) : λ (W/m.độ) : k (W/m2.độ) : T (độ C, độ F, độ K) Dimensions (Thứ nguyên) Dimensions are represented as symbols (ký hiệu) by: • length [L], • mass [M], • time [t], • temperature [T] • force [F] All engineering quantities can be expressed in terms of these fundamental dimensions Dimensions (Thứ nguyên) • 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] UNITS AND CONVERSION FACTORS Đơn vò hệ số chuyển đổi • Length • Area • Volume inch= 0.0254 m ft= 0.3048 m ft2 = 0.0929m2 ft3 = 0.0283 m3 liter= 0.001 m3 UNITS AND CONVERSION FACTORS (cont) • Mass lb= 0.4536 kg mole = molecular weight in kg • Density lb/ft3= 16.01 kg m-3 • Velocity ft/sec= 0.3048 m s-1 • Pressure lb/m2= 6894 Pa torr= mm Hg • atm= 1.013 x 105 Pa = 760 mm Hg • atm= 9,81 x 104 N/m² UNITS AND CONVERSION FACTORS (cont) Force Newton= 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 : cP= 0.001 N.s.m-2 = 0.001 Pa.s = mPa.s 1P = 100 cP - Dyne/cm² : dyne = 10-5 N, dyn/cm² = 0,10 N/m² Kinematic (độ nhớt động học) Đơn vị : St (stock), cSt, m²/s, mm²/s cSt = mm²/s; St = cm²/s Energy Power lb/ft sec= 1.49 N s m-2 = 1.49 kg m-1 s-2 Btu= 1055 J cal= 4.186 J kW= kJ s-1 horsepower (HP) = 745.7 W = 745.7 J s-1 ton refrigeration= 3.519 kW UNITS AND CONVERSION FACTORS (cont) • (M) Mega = 106, (k) kilo = 103 g (m) milli = 10-3, • m = 109 nm = 1010 (à) micro = 10-6 m ẹoọ F = 32 + 9/5.độ C • Độ K = 273,15 + độ C Các đặc trưng vật lý vật liệu thực phẩm Hình dạng, kích thước Mục đích: • Đánh giá chất lượng??? • Phân loại • Quyết định giá thành Cách xác định thể tích • Phương pháp cân chất lỏng • Dùng ống đong : đo trực tiếp phần lỏng tăng lên Phương pháp dùng tỷ trọng kế dạng khí V2 V1 Vs • • • PV = n RT Nén phòng : lên áp P1 giữ nguyên Mở van 2, áp suất P2 m = m1 + m2 P1V1 = P2V1 + P2Va2 Vs = V2 – Va2 Xác định kích thước Hình học Dưa hấu Đậu Hà Lan Xác định kích thước (tt) Hình dạng khác Quả chuối Củ cà rốt Quả lê Các loại hạt: gạo, bắp… Hạt gạo Hạt bắp Hạt tiêu Các loại con: tơm, cá, cua Một số vật liệu có hình dạng phức tạp khơng xác định kích thước ⇒??? Kỹ thuật scan 3D : xác định xác kích thước khối lượng thực phẩm - phục vụ cho q trình phân chia xác Các đặc trưng vật lý vật liệu thực phẩm Khối lượng riêng (Density) ρ = m/v, kg/m³ Quan hệ khối lượng thể tích?? ứng dụng : định lượng??? Tính tốn khối lượng riêng • Xv : phần thể tích, m³/m³ • Xw: phần khối lượng, kg/kg Khối lượng riêng chất tinh khiết, kg/m³: T : nhiệt độ thực phẩm, °C (ứng dụng -40 150°C) Tính tốn khối lượng riêng Bài tập: tính khối lượng riêng bánh Spinach 20°C, Tổng khối lượng bánh 100 g, biết thành phần chúng sau Đáp số : 1030,53 kg/m³ Các loại khối lượng riêng • Khối lượng riêng chất rắn (solid density) ρs: khối lượng/thể tích (thể tích xác định cách đuổi hết khí tồn pore vật liệu rắn), khơng tính đến khí chất rắn • Khối lượng riêng vật liệu (chất)- material (susbtance) density ρm – khối lượng riêng xác định khối lượng/thể tích (thể tích xác định việc nghiền nhỏ hạt thành bột mịn) • Khối lượng riêng hạt (particle density) ρp : khối lượng hạt/thể tích hạt, thể tích xác định pore đóng, khơng tính đến pore mở • Khối lượng riêng biểu kiến (apparent density) ρapp : khối lượng/thể tích vật liệu, thể tích tất pores vật liệu, xác định kích thước hình học, sử dụng phương pháp mực chất lỏng dâng lên thêm chất rắn vào: = khối lượng/thể tích hình học • Khối lượng riêng tổng thể (bulk density) ρbulk : khối lượng riêng tính cho vật liệu đóng gói xếp chồng chất lên nhau, thể tích chúng xác định tổng thể thể tích chúng (kể phần rỗng xếp chồng lên nhau) Bài tập Một nghiên cứu 130 gram ngô cho thấy thành phần khối lượng chúng sau: cacbonhydrat : 62 g, protein : g, lipit : 30 g, chất tro : g Phần lại nước Hãy xác định khối lượng riêng chất rắn ngô 20o C Đáp số : 1232,72 kg/m3 - Đối với thực phẩm dạng lỏng : hay dùng đơn vị tỷ trọng Tỷ trọng thực phẩm: tỷ số khối lượng riêng chất lỏng so với khối lượng riêng nước 4°C ứng dụng : trình rửa thực phẩm, phân loại, Bài tập tỷ trọng Trong 200 ml sản phẩm nước dứa đặc có thành phần thể tích sau: cacbonhydrat : 150 ml protein : 17 ml lipit : ml chất tro : 0,7 ml Phần lại nước Hãy xác định tỷ trọng nước dứa cô đặc 4oC Đáp số :1,48 10 Độ xốp (Porosity) • Độ xốp : tỷ lệ phần trăm khơng khí chiếm chỗ khối hạt so với đơn vị thể tích khối thực phẩm • Độ xốp = thể tích khí/thể tích tồn TP • Độ xốp: khuếch tán vật chất??? • Độ xốp thực phẩm nhỏ gây nhiều cản trở cho trình sấy, đun nóng, Cách xác định độ xốp 1: • Dùng phần mềm Image J : Hình ảnh độ xốp bánh mì (1 cm²) – Chụp ảnh kính hiển vi – Sử dụng phần mềm phân tích hình ảnh pore, bọt khí,… – Xác định tỷ lệ kích thước bọt, bán kính trung bình phần trăm diện tích khí chiếm chỗ Image J • ImageJ : http://rsb.info.nih.gov/ij/ Kết phân tích độ xốp ImageJ Phân bố kích thước bọt khí Kết xác định : 0,348 11 Cách xác định độ xốp 2: • Độ xốp khối thực phẩm εtotal = εapp + εbulk Cách xác định độ xốp 2: • Độ xốp khối thực phẩm εtotal = εapp + εbulk Phương pháp dùng tỷ trọng kế dạng khí V1 P1V1 = P2V1 + P2Va2 Vs = V2 – Va2 Va2 = V2 – Vs V2 Vs SAI SỐ ????? 12 Bài tập V1 V2 Vs Khi đo độ xốp mẫu táo sấy, mẫu đặt phòng Khi van đóng áp suất phòng 1020 mmHg Khi van mở áp suất cân hai phòng 520 mmHg Biết thể tích V1 = V2 = 1000 ml Tính thể tích độ xốp miếng táo sấy? Đáp số: V = 40; 38 ml, độ xốp = 0,96 Bài tập Trái sơri có độ ẩm 80% (kg/kg) Khối lượng riêng biểu kiến (apparent) khối lượng riêng toàn khối (bulk) 615 kg/m³ 511 kg/m³ 25°C biết thành phần trái sơri có cacbonhydrat nước, tính độ xốp trái sơri xếp chồng chất lên (εtotal) Biết rằng, khối lượng riêng cácbonhydrat 1586 kg/m³ nước 997 kg/m³ Đáp số : Bài tập Trái sơri có độ ẩm 80% (kg/kg) Khối lượng riêng biểu kiến (apparent) khối lượng riêng toàn khối (bulk) 615 kg/m³ 511 kg/m³ 25°C biết thành phần trái sơri có cacbonhydrat nước, tính độ xốp trái sơri xếp chồng chất lên (εtotal) Đáp số : 0,6 13 Bài tập Tính độ xốp táo sấy có khối lượng 510 g chứa đủ 500 ml bình chứa Biết táo chứa CHO, Protein nước với phần khối lượng 0,7; 0,11 0,19 25 độ C, Cho khối lượng riêng biểu kiến 0.8 lần khối lượng riêng chất rắn Đáp số: MÀU SẮC VÀ HÌNH DẠNG Màu sắc: Cảm giác màu nhận tác độïng chùm ta sáng lên mắt Mắt người nhận chùm tia sáng có bước sóng khoảng 380nm - 740nm Tử ngoại mạnh Nhìn thấy 380nm (tím) Hồng ngoại (naờng lửụùng yeỏu) 740nm (ủoỷ) 41 Sự tạo ảnh nhận biết màu mắt 42 14 Tớnh cht mu thực phẩm • Các yếu tố ảnh hưởng đến việc hình thành màu sắc – Nguồn sáng – Hướng nhìn – Kích thước vật – Nền – Độ tuổi – Trí nhớ màu Hệ màu • CIE (commission internationale de l’Eclairage) Bao gồm XYZ (Yxy) color system Hunter Lab color system L*a*b* color system Hệ Yxy • Y đặc trưng cho độ sáng phản xạ • Yx đặc trưng cho cường độ màu sắc 15 Hệ L*a*b* L: độ sáng đến tối (+100 đến 0) -a* (xanh -68, -128 ) => +a* (đỏ+68, +128) -b* (xanh da trời) => +b* (vàng cam) Hệ L*C*h • Đây hệ màu tương đương hệ L*a*b* hệ sửu dụng thơng số • L : độ sáng • C: cường độ màu h : góc thay đổi màu 16 Mối quan hệ L*a*b* L*C*h Như màu sắc thay đổi vả a b thay đổi Nhưng dùng hệ LCh … Phương pháp chụp màu Sử dụng hệ thống màu để đánh giá biến đổi màu thực phẩm thông số : L, a, b xác định thông số để xác định biến đổi màu trình chế biến 3.4 Kiểm tra độ màu thực phẩm Các phương pháp đo màu thực phẩm 17 Câu hỏi ơn tập • Nêu phương pháp xác định thể tích thực phẩm • Ý nghĩa dạng khối lượng riêng cách xác định chúng? • Độ xốp gì? Ý nghĩa độ xốp chế biến thực phẩm? • Bài tập 18 12/30/2015 Chương : Tính chất bề mặt thực phẩm Bề mặt riêng (interfacial tension) - Khi chúng bề mặt phân chia pha, lực hút chúng khác với chúng nằm pha - Lực hút phân tử làm cho chất bị hút vào lòng làm cho chất lỏng có xu hướng làm giảm bề mặt tối thiểu điều kiện định giọt ln có hình cầu - Khi đường kính hạt lớn chúng khơng hình cầu Sức căng bề mặt • Là công tác dụng đơn vị bề mặt, cơng cần thiết để thay đổi diện tích bề mặt điều kiện nhiệt độ định Chất lỏng Chất lỏng L: khoảng chạy kéo lực F, m D: khoảng cách từ A B 2: có chất lỏng hai bên