Bài giảng PPT (Power Point) học phần Vật lý học thực phẩm | SLIDE | Đại học Bách Khoa Hà Nộ
Bộ slide bài giảng gồm 3 tập giúp sinh viên củng cố kiến thức và đạt điểm cao trong bài thi kết thúc học phần Vật lý học thực phẩm
Preview text:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
VẬT LÝ THỰC PHẨM (BF3522)
Nguyễn Tiến Cường
cuong.nguyentien1@hust.edu.vn 09/2021 1
Mục tiêu và kết quả mong đợi
• Mục tiêu học phần: trang bị cho sinh viên những kiến thức cơ bản
về các thông số vật lý và các tính chất của thực phẩm, tính chất bề
mặt của thực phẩm, tính chất nhiệt, tính chất lưu biến, hoạt độ nước, vv…
• Kết quả mong đợi:
– Mô tả các tính chất vật lý của các thực phẩm khác nhau, một số phương pháp đo đạc
– Tính toán các thông số vật lý như thể tích, độ rỗng, độ xốp, tỷ trọng,
sức căng bề mặt, ái lực với dầu, với nước, hệ số sa lắng vv…
– Hiểu ảnh hưởng của các thông số vật lý đến quá trình chế biến, bảo quản thực phẩm
– Có kỹ năng tham khảo tài liệu xung quanh vấn đề liên quan đến tính
chất nguyên liệu, phụ gia,sản phẩm thực phẩm
– Hiểu được các tính chất lưu biến, các tính chất cấu trúc của các sản
phẩm thực phẩm, tương quan giữa cấu trúc và cảm quan
– Có thể giải thích cơ bản về truyền nhiệt 2 Nội dung
Chương 1. Khối lượng, khối lượng riêng, tính chất hình học
Chương 2. Tính từ tính, điện từ, điện từ trường, tính
thẩm thấu, thính âm trong thực phẩm và ứng dụng
Chương 3. Hiện tượng bề mặt – tính nhũ hóa
Chương 4. Tính chất nhiệt, điện
Chương 5. Tính chất quang học
Chương 6. Nước trong thực phẩm và hoạt độ nước
Chương 7. Tính chất lưu biến và cấu trúc thực phẩm 3 Tài liệu tham khảo
• Ludger O.Figura, Authur A. Teixeira. Food Physics – Physical
properties – measurements and applications. Springer-Verlag. Inc. 2007
• Rao, M., Rizvi, S. and Datta, A. (2005). Engineering Properties of Foods. Boca Raton: CRC Press,
https://doi.org/10.1201/9781420028805
• Sahin, S., Sumnu, S.G. 2006. Physical Properties of Foods. Springer New York. 4 Thực phẩm? Oxford Dictionary Codex Alimentarius 5 Thực phẩm?
• Sản phẩm ở thể rắn hoặc lỏng mà con người
dùng để ăn uống với mục đích dinh dưỡng hoặc thị hiếu.
• Thực phẩm có thể ở dạng tươi sống hoặc đã
qua sơ chế, chế biến, bảo quản. 6 Vật lý thực phẩm?
Vật lý thực phẩm nghiên cứu các tính chất vật lý của
thực phẩm, thành phần thực phẩm và phương pháp
xác định tính chất đó 7
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
VẬT LÝ THỰC PHẨM
Chương 1: Khối lượng, khối lượng
riêng, tính chất hình học 8
1.1. Khối lượng, khối lượng riêng
1.1.1. Khối lượng, trọng lượng, khối lượng tịnh
• Khối lượng: đại lượng vật lý đặc trưng cho quán tính
và độ nặng của vật thể
• Trọng lượng: 𝐺 = 𝑚 × 𝑔 9
1.1. Khối lượng, tỷ trọng, trọng lượng riêng
1.1.1. Khối lượng, trọng lượng, khối lượng tịnh
• Khối lượng tịnh (net weight, n.w): khối lượng của vật
thể khi chưa có bao bì kèm theo
• Khối lượng tổng (gross weight, g.w): khối lượng vật thể khi tính cả bao bì 10
1.1.2. Khối lượng riêng
• Khối lượng riêng: mật độ khối lượng trên
một đơn vị thể tích của vật thể • 𝜌 = 𝑚 𝑉 11
1.1.2. Khối lượng riêng
• Mật độ hạt (particle density – khối lượng riêng thực): khối
lượng riêng của khối vật chất (vật thể) khi không tính đến thể
tích rỗng giữa các hạt.
• Mật độ khối (bulk density – dung trọng): khối lượng riêng của
khối vật chất (vật thể) khi tính đến thể tích rỗng giữa các hạt 12
1.1.2. Khối lượng riêng 13 1.1.2. Khối lượng riêng 14
1.1.2. Khối lượng riêng
• Khối lượng riêng thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất
• Khối lượng riêng của thực phẩm còn phụ thuộc vào bản
chất thành phần chính của thực phẩm (carbohydrate, lipid, protein, nước…) 15 Thành phần % khối lượng Nước 10 Gluxit 31 Tro 6 Protein 36 Lipid 17 16
1.1.2. Khối lượng riêng
• Ví dụ 1: Tính khối lượng riêng của đỗ tương ở 20°C biết
thành phần của hạt như sau: Thành phần % khối lượng Nước 10 Gluxit 31 Tro 6 Protein 36 Lipid 17 ρ = 1285,32 kg.m-3 17
• Ví dụ 2: Tính kích thước của hộp đựng ngô
ngọt (hình trụ) với khối lượng ngô 342 g biết
dung trọng của ngô ngọt là 760 kg/m3 và hộp có H = 2D H ≈ 13.2 cm D ≈ 6.6 cm
1.1.2. Khối lượng riêng
• Phương pháp xác định 19
1.1.3. Độ rỗng (Porosity)
Độ rỗng là tỉ lệ giữa thể tích phần lỗ rỗng hay khoảng trống nằm trong
một khối chất hay vật liệu so với tổng thể tích của khối vật liệu đó 20
1.1.3. Độ rỗng (Porosity) 𝑉 𝑉 𝑚 𝜌 − 𝑚 𝜌
Độ 𝑟ỗ𝑛𝑔 % = 𝐴 = 𝑇 − 𝑉𝑃 = 𝐵 𝑃 𝑉 𝑚 𝑇 𝑉𝑇 𝜌 𝐵 𝜌 = 1 − 𝐵 × 100% 𝜌 𝑃
Phương pháp xác định:
Phương pháp trực tiếp: độ rỗng được xác định thông qua tỷ lệ
giữa thể tích khối vật liệu ban đầu và thể tích sau khi phá hủy các
lỗ rỗng bằng phương pháp nén
Phương pháp quang học: tính toán thông qua quan sát trên kính hiển vi 21 1.2. Tính chất hình học O. sativa indica O. sativa javanica O. sativa japonica 22 1.2. Tính chất hình học 23 1.2.1. Kích thước
• Kích thước là một thuộc tính vật lý quan trọng của thực phẩm được sử
dụng trong quá trình làm sạch, phân tách, phân loại trái cây và rau quả
và đánh giá chất lượng của nguyên liệu thực phẩm.
• Kích thước có thể được xác định bằng phương pháp diện tích chiếu:
ba kích thước đặc trưng được xác định:
– Đường kính chính, là kích thước dài nhất tương ứng với diện tích hình chiếu cực đại (Chiều dài);
– Đường kính trung gian, là kích thước nhỏ nhất tương ứng với diện tích hình
chiếu cực đại hoặc kích thước lớn nhất tương ứng với diện tích hình chiếu
nhỏ nhất (Chiều rộng);
– Đường kính nhỏ, là kích thước ngắn nhất tương ứng với diện tích hình chiếu nhỏ nhất (Độ dày). 24 1.2.1. Kích thước – Chiều dài = 2a – Chiều rộng = 2b – Độ dày = 2c 25 26 27 1.2.1. Kích thước
• Đường kính tương đương: là đường kính của vật thể
hình học lý tưởng giả định, chẳng hạn như hình cầu
hoàn hảo, có các đặc tính được chỉ định giống như vật thể thật
• Đường kính hình học tương đương
• Đường kính vật lý tương đương 28 1.2.1. Kích thước Symbo l Appellation Definition Volume d 3 v v d
Diameter of the sphere that has the same volume as the particle: diameter i 6 v d 2 Surface diameter s s d
Diameter of the sphere that has the same area as the particle: i 4 s
Diameter of the sphere that has the same perimeter as the projected area of the particle: Perimeter d p diameter
p d i p
Diameter of the sphere that has the same density and the same free-fall velocity of the particle d Falling diameter c
in a fluid at the same density and same viscosity. Stockes’s
Diameter of a sphere freely falling at the same velocity as the particle in a laminar flow d St diameter (Rep<0,2). d Sieving diameter
Side of the smallest square mesh through which the particle can move. t
The distance between the two parallel planes restricting the object perpendicular to that d Feret diameter F direction. Diffraction
Diameter of the circle that generates the same beam deflection that the particle due to the wave d d diameter nature of the radiation.
• Ví dụ: Tính dv và ds của hình lập phương với kích thước 1 cạnh là 12mm? 29
1.2.2. Diện tích bề mặt riêng
• được định nghĩa là tổng diện tích bề mặt của vật thể
trên một đơn vị khối lượng (với đơn vị m2/ kg) hoặc
thể tích (đơn vị m2/m3 hoặc m-1 ).
• Diện tích bề mặt hạt riêng
• Diện tích bề mặt khối riêng 30
1.2.3. Phân bố kích thước hạt (Particle size distribution) 31
1.2.3. Phân bố kích thước hạt (Particle size distribution)
• Biểu diễn theo hàm phân bố E(x) hoặc hàm phân bố
tích lũy F(x) (pi là xác suất ứng với nhóm i) dn
E(x) dx p
F(x) E(x)dx p 1 i
E(x)dx 1 n i 0 i 0 0 6 1 ) 5 Fv(d) ) 0.75 (% 4 volume (/ cle 3 0.5 2 ve parti Ev(d) 0.25 lati 1 olume percentage V Cumu
Ví dụ: phân bố kích thước 0 0
của bột khoai lang sau 0.1 1 10 100 1000 10000
nghiền (Nguyen et al. 2019)
Spherical equivalent diameter (micrometer) 32
1.2.3. Phân bố kích thước hạt (Particle size distribution)
• Kích thước (đường kính) trung bình (average diameter) p pq 1 n d i i d n , p q
i là số hạt ứng với đường kính di q n d i i
• d1,0 đường kính trung bình theo số lượng
• d4,3 đường kính trung bình theo thể tích/khối lượng,
• d3,2 đường kính trung bình theo diện tích hoặc đường kính Sauter ... 33
1.2.3. Phân bố kích thước hạt (Particle size distribution) Thực phẩm
Kích thước trung bình (µm)
Gạo và đại mạch (hạt) 2000 - 2800 Đường hạt 355 – 500 Muối ăn 210 – 300 Bột cacao 53 – 75 Đường bột 45 34
1.2.3. Phân bố kích thước hạt (Particle size distribution)
• Ví dụ 1: Một mẫu bột mỳ được Rây x (μm) m(g)
rây qua bộ rây gồm 10 rây và 1 1200 0 2 1000 3
khối lượng bột còn lại trên mặt 3 800 7
rây được thể hiện trong bảng 4 600 46
dưới đây. Biểu diễn theo hàm 5 400 145
phân bố E(xm) và hàm phân bố 6 200 178 tích lũy F(x 7 100 45 m); tính kích thước
trung bình theo khối lượng của 8 50 11 9 30 4 mẫu bột mỳ nói trên 10 20 1.9 Lọt rây 10 0 Σ 440.9 35
1.2.3. Phân bố kích thước hạt (Particle size distribution)
• Ví dụ 2: Tính E(n) và F(n) kích thước hạt gạo khi đo ngẫu nhiên
20 hạt thu được kết quả như sau STT Chiều dài hạt (mm) STT Chiều dài hạt (mm) 1 6.1 11 6.16 2 6.2 12 6.4 3 6.25 13 6.32 4 6.15 14 6.5 5 6.3 15 6.3 6 6.0 16 6.2 7 6.32 17 6.25 8 6.24 18 6.3 9 6.2 19 6.32 10 6.15 20 6.4 36
1.2.3. Phân bố kích thước hạt (Particle size distribution) Phương pháp quang học 37 Morpho-granulometry 38 Diffraction Light Scattering 39
Focused Beam Reflectance Measurement 40 1.2.3. Hình dạng
• Hình dạng của thực phẩm thường được biểu diễn
thông qua hai đại lượng: độ cầu (sphericity) và tỷ lệ dài rộng (aspect ratio). 1.2.3. Hình dạng
• Độ cầu là tỷ số giữa thể
tích của vật thể rắn với
thể tích của một hình cầu có đường kính bằng
đường kính chính của vật có thể bao quanh mẫu vật rắn. 1.2.3. Hình dạng 1.2.3. Hình dạng
• Tỷ lệ dài rộng (aspect ratio) (Ra) được tính toán dựa
trên tỷ lệ chiều dài (a) và chiều rộng (b) của vật thể: 𝑏 𝑅𝑎 = 𝑎 11/10/2021 2.1. Tính từ tính
2.1.1. Vật liệu : thuận từ, nghịch từ, sắt từ 2.1.2. Tính từ tính NỘI DUNG 2.1.3. Công hưởng từ 2.1.4. Ứng dụng 2.2. Tính điện từ
2.2.1. Độ phân cực điện môi
Chương 2. TÍNH TỪ TÍNH, ĐIỆN TỪ, 2.2.2. Vi sóng
ĐIỆN TỪ TRƯỜNG, TÍNH THẨM
THẤU, THÍNH ÂM TRONG THỰC
PGS.TS. Lương Hồng Nga 2.2.3. Ứng dụng PHẨM VÀ ỨNG DỤNG
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN 11/10/2021 ĐHBKHN 1 2 2.3. Tính thấm 2.3.1. Khái niệm
Chất thuận từ (Paramagnetic
2.3.2. Sự thấm qua thành nhiều lớp substances)
2.3.3 Yếu tố ảnh hướng đến tính thấm
2.3.4. Phương pháp xác định độ thấm
Nghịch từ (Diamagnetism)
2.4. Tính chất thính âm/ âm học CÁC LOẠI NỘI DUNG 2.4.1. Âm thanh VẬT LIỆU
2.4.1.1. Tốc độ âm thanh
Sắt từ (Ferromagnetism) 2.4.1.2. Âm lượng 2.4.1.3. Độ ồn
2.4.1.4. Sử dụng âm thanh xác định cấu trúc của
Phản sắt từ (Antiferromagnetism) thực phẩm 2.4.2. Siêu âm 2.4.3. Ứng dụng
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN 11/10/2021 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN 3 4 Paramagnetic substances (chất thuận từ)
• Phân tử có electron độc thân TÍNH TỪ TÍNH
(không tạo cặp) → Tạo momen từ yếu
• Ở điều kiện bình thường→ các
momen từ trong phân tử không
tương tác ảnh hưởng lẫn nhau
• Thuận theo từ trường ngoài, có
nghĩa là các chất này có momen từ
nguyên tử nhỏ, khi có tác dụng của
từ trường ngoài, các mômen từ này
sẽ bị quay theo từ trường ngoài,
làm cho cảm ứng từ tổng cộng trong chất tăng lên. 11/10/2021 • Al, Na, O2... 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN 5 6 1 11/10/2021
FERROMAGNETISM (sắt từ)
DIAMAGNETISM- Nghịch từ
là các chất có từ tính
• Made up of atoms with paired mạnh, hay khả năng electron spin, and have no magnetic momentum → In
hưởng ứng mạnh dưới tác outer magnetic field → no magnetic polarization
dụng của từ trường ngoài, • Bi, H2O, Si, Pb, Cu..
do có cấu trúc đặc biệt về
phương diện từ :trong sắt
có nhiều miền từ hóa tự
nhiên, đó là các kim nam châm nhỏ Spin của electron
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP -
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - 11/10/2021 quay // cùng hướng B 11/10/2021 ĐHBKHN ĐHBKHN 7 8
FERROMAGNETISM (sắt từ)
ANTIFERROMAGNETIC (phản sắt từ)
•Ở điều kiện thường các kim
• Vật liệu có trật tự từ, vật liệu
nam châm nhỏ sắp xếp hỗn
phi từ bởi từ tính yếu.
loạn → sắt không có từ tính
• là nhóm các vật liệu từ có có
•Khi đặt trong B ngoài → các
trật tự từ mà trong cấu
kim nam châm nhỏ sắp xếp
trúc gồm có 2 phân mạng từ theo B ngoài → từ tính
đối song song và cân bằng nhau về mặt giá trị.
• Các chất sắt từ điển hình : Fe, Ni, Co,.. • Cr (chromium)
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP -
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - 11/10/2021 ĐHBKHN 11/10/2021 ĐHBKHN 9 10
SO SÁNH THUẬN TỪ, NGHỊCH TỪ, SẮT TỪ
TRỄ TỪ (HYSTERESIS) Lưỡng cực vĩnh cửu
Hiện tượng bất thuận nghịch giữa quá trình từ hóa và đảo từ
ở các vật liệu. Hiện tượng từ trễ được biểu hiện thông qua Spin của electron
đường cong từ trễ (từ độ - từ trường) J(H) hay cảm ứng từ-
Trường khuếch đại vật liệu
từ trường, B(H)), được mô tả như sau: sau khi từ hóa một
vật sắt từ đến một từ trường bất kỳ, khi giảm dần từ trường
Vật liệu có khả năng nghịch
và quay lại theo chiều ngược, thì nó không quay trở về từ
đường cong từ hóa ban đầu nữa, mà đi theo đường khác. Ví dụ
Nếu đảo từ theo một chu trình kín (từ chiều này sang chiều
kia) → sẽ có một đường cong kín gọi là đường cong từ trễ
hay chu trình từ trễ. Tính chất từ trễ là một tính chất nội tại
đặc trưng của các vật liệu sắt từ, và hiện tượng trễ biểu hiện
khả năng từ tính của các chất sắt từ.
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP -
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - 11/10/2021 ĐHBKHN 11/10/2021 ĐHBKHN 11 12 2 11/10/2021
SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA BỨC XẠ ĐIỆN TỪ
NĂNG LƯỢNG BỨC XẠ ĐIỆN TỪ VÀ PHÂN TỬ
• KHI HẤP THỤ BỨC XẠ → THAY ĐỔI TRẠNG THÁI NĂNG LƯỢNG
• Bản chất hạt thể hiện bức xạ điện từ cũng mang năng lượng gọi là photon
• Các bức xạ khác nhau sẽ có năng lượng khác nhau
• Công thức tính năng lượng cho 1 photon C E= h*f= h *
Cường độ bức xạ không liên quan đến Trạng thái ban đầu E 1, sau tương tác E2 năng lượng, E f, C
→ Sự thay đổi trạng thái E=E2-E1
E >0 → phân tử hấp thụ năng lượng
h- hằng số Plank =6,63.10-34J.s
E<0 → phân tử không hấp thụ năng lượng
E- năng lượng (eV, kcal/mol, cal/mol)
E=0 – năng lượng phân tử không thay đổi
C- tốc độ truyền sóng (m/s) - bước sóng (m)
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP -
khi hấp thụ bức xạ điện từ ĐHBKHN ĐHBKHN 11/10/2021 13 14
• Trạng thái cơ bản : Mỗi nguyên tử tồn tại ở điều kiện nhất định nào đó thì gọi là trạng thái cơ bản.
• Trạng thái kích thích : Khi nguyên tử nhận được sự kích thích nó sẽ thay đổi trạng
thái. Mỗi trạng thái được ứng với mức năng lượng là lượng năng lượng nguyên tử
có được. Do có năng lượng lớn nên trạng thái này không bền và nhanh chóng giải CỘNG
• Là phương pháp sử dụng 1 từ trường Ho có
cường độ 10-100 KGause → để tạo ra ΔE tương
phóng năng lượng để trở về trạng thái cơ bản. HƯỞNG
ứng bức xạ có tần số từ 50-500MHz (tương
• Thời gian sống : Thời gian từ khi nguyên tử đạt trạng thái kích thích cho đến khi
đương tần số của sóng vô tuyến), thay đổi tần số
thay đổi qua trạng thái khác. Nó dùng để chỉ thời gian tồn tại của trạng thái nào đó. TỪ HẠT
vô tuyến → Xảy ra cộng hưởng từ hạt nhân
• Thời gian hồi phục : Mỗi trạng thái là do sự thay đổi của nhiều yếu tố. Thời gian để
• Quá trình hạt nhân ở mức năng lượng cao giải
một yếu tố sau kích thích trở về giá trị gốc nào đó gọi là thời gian hồi phục. NHÂN
phóng phần năng lượng hấp thụ được để về trạng
• Sự phân mức : Khi nguyên tử ở trạng thái thì nó không chỉ tồn tại ở một giá trị năng
thái ban đầu → quá trình hồi phục
lượng mà có thể tồn tại ở giá trị năng lượng cao hơn hay thấp hơn một chút nhưng
lại không đủ lớn để đạt mức năng lượng khác→ hiện tượng này là sự phân mức năng lượng.
• Lưỡng cực : Vật có hai đầu mang hai loại điện tích khác nhau → lưỡng cực nguyên
tử. Nguyên tử gồm hạt nhân mang điện dương và lớp vỏ mang điện âm. Do mật độ
electron phần lớn tập trung ở vùng nào đó → coi nguyên tử có hai cực trái dấu.
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - 11/10/2021 ĐHBKHN
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN 11/10/2021 15 16
ĐỘ DỜI HÓA HỌC (Chemical shift)
• Vị trí mà một hạt nhân hấp thụ năng lượng để có hiện tượng cộng hưởng
• Chất chuẩn TMS (Tetrametylsilan)
Độ 𝑑ị𝑐ℎ 𝑐ℎ𝑢𝑦ể𝑛 ℎó𝑎 ℎọ𝑐 𝑐ủ𝑎 𝑝𝑟𝑜𝑡𝑜𝑛 𝑠𝑜 𝑣ớ𝑖 𝑐ℎấ𝑡 𝑐ℎ𝑢ẩ𝑛 = x106ppm
𝑇ầ𝑛 𝑠ố ℎ𝑜ạ𝑡 độ𝑛𝑔 𝑐ủ𝑎 𝑚á𝑦
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP -
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - 11/10/2021 ĐHBKHN 11/10/2021 ĐHBKHN 17 18 3 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP -
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - 11/10/2021 ĐHBKHN 11/10/2021 ĐHBKHN 19 20
CƯỜNG ĐỘ TÍCH PHÂN CỦA MŨI CỘNG HƯỞNG
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP -
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - 11/10/2021 ĐHBKHN 11/10/2021 ĐHBKHN 21 22
SỰ TÁCH SPIN-SPIN HAY SỰ TÁCH CẶP
• Mỗi proton trong phân tử cho 1 mũi cộng hưởng từ riêng hoặc bị chẻ mũi
• Là hiện tượng có nhiều mũi hấp thụ khác nhau do các proton kề bên
tương tác lên proton đang khảo sát
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - 11/10/2021 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN ĐHBKHN 23 24 4 11/10/2021 ĐO HẰNG SỐ GHÉP
CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN
- Khi 2 proton liền nhau, 2
• Là phương pháp sử dụng 1 từ trường Ho có cường độ 10-100 KGause
proton ghép từ với nhau tạo
→ để tạo ra ΔE tương ứng bức xạ có tần số từ 50-500MHz (tương
Hằng số ghép J (Hz) → tín
đương tần số của sóng vô tuyến), thay đổi tần số vô tuyến → Xảy ra hiệu đôi
cộng hưởng từ hạt nhân
• Quá trình hạt nhân ở mức năng lượng cao giải phóng phần năng lượng
hấp thụ được để về trạng thái ban đầu → quá trình hồi phục 11/10/2021 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN 25 26
Nguyên lý của cộng hưởng từ
• Trạng thái cơ bản : Mỗi nguyên tử tồn tại ở điều kiện nhất định nào đó thì gọi là trạng thái cơ bản.
• Trạng thái kích thích : Khi nguyên tử nhận được sự kích thích nó sẽ thay đổi trạng thái. Mỗi trạng
thái được ứng với mức năng lượng là lượng năng lượng nguyên tử có được. Do có năng lượng lớn
nên trạng thái này không bền và nhanh chóng giải phóng năng lượng để trở về trạng thái cơ bản.
• Thời gian sống : Thời gian từ khi nguyên tử đạt trạng thái kích thích cho đến khi thay đổi qua trạng
thái khác. Nó dùng để chỉ thời gian tồn tại của trạng thái nào đó.
• Thời gian hồi phục : Mỗi trạng thái là do sự thay đổi của nhiều yếu tố. Thời gian để một yếu tố sau
kích thích trở về giá trị gốc nào đó gọi là thời gian hồi phục.
• Sự phân mức : Khi nguyên tử ở trạng thái thì nó không chỉ tồn tại ở một giá trị năng lượng mà có
- Bình thường nguyên tử (hạt nhân) ở trạng thái cơ bản. Bản thân nguyên tử là lưỡng cực nên dưới tác động
thể tồn tại ở giá trị năng lượng cao hơn hay thấp hơn một chút nhưng lại không đủ lớn để đạt mức
của từ trường mạnh → nguyên tử sẽ nhận năng lượng → chuyển lên trạng thái kích thích. Ở trạng thái này
năng lượng khác→ hiện tượng này là sự phân mức năng lượng.
nguyên tử phân mức thành hai trạng thái theo momen từ. Tương tác của hai trạng thái có năng lượng ứng
với sóng có tần số radio → tác động vào đây sóng có tần số đúng bằng tần số riêng của tương tác hai trạng
• Lưỡng cực : Vật có hai đầu mang hai loại điện tích khác nhau → lưỡng cực nguyên tử. Nguyên tử
thái → xảy ra hiện tượng cộng hưởng.
gồm hạt nhân mang điện dương và lớp vỏ mang điện âm. Do mật độ electron phần lớn tập trung ở
vùng nào đó → coi nguyên tử có hai cực trái dấu.
- Khi ngưng tác động do thời gian sống thấp nguyên tử sẽ phục hồi trạng thái. Một lưu ý là do từ trường
mạnh vẫn còn nên trạng thái kích thích được xem như trạng thái nền. Khi phục hồi trạng thái, nguyên tử
phát ra sóng có năng lượng có tần số bằng với tần số kích thích. 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN 27 28
ỨNG DỤNG CỦA PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ
• Xác định hàm lượng chất béo rắn, chất lượng chất béo
• Xác định khả năng làm khô bằng thẩm thấu
• Xác định cấu trúc phân tử protein, inulin, fructose, collagen, hàm
lượng hydrpropyl trong tinh bột biến tính propylate
• Xác định khả năng liên kết với nước, hoạt độ nước, chuyển pha trong cá
Ciamgna A. et al, Changes in the Amino Acid Composition
of Bogue (Boop boops) Fish during Storage at Different
Temperatures by H-NMR Spectroscopy. Nutrients,2012 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN 29 30 5 11/10/2021 ỨNG DỤNG CỦA ẢNH CHỤP CỘNG
• Là tính chất mà một chất hấp thụ HƯỞNG TỪ
hay loại bỏ sự phát sóng điện từ TÍNH trường
• Các điện từ trường hay gặp: sóng
• Xác định phân bố ẩm và cấu
radio, vi sóng, tia cực tím, ánh sáng trúc của các vật liệu
nhìn thấy được (ánh sáng nhìn thấy
• Phân tích sự biến thiên về ĐIỆN
sẽ được trình bày ở chương khác)
cấu trúc trong quá trình chế
• Tính chất điện từ trường rất quan
biến (như mỳ sợi, gạo,
trọng đối với những thực phẩm mà
snack, bơ thưc vật, vv….) TỪ
phân tử có phân cực → chịu tác • Trong Y học
động bởi vi song → phân tử phân
cực trở thành điện cực → hấp thụ năng nượng vi sóng 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN 31 32 Một số đặc điểm của sóng điện từ – Sóng điện từ là
– Sóng điện từ lan truyền sóng ngang: Khi lan TÍNH ĐIỆN TỪ
được trong chân không và
truyền, tại mỗi điểm, Electromagnetic
trong các điện môi. Tốc độ
vectơ cường độ điện – Trong sóng điện từ radiation
của sóng điện từ trong trường luôn vuông thì dao động của
chân không bằng tốc độ góc với vectơ cảm
điện trường và của từ
ánh sáng c = 3.10-8(m/s). ứng từ và cùng
trường tại một điểm
Tốc độ của sóng điện từ vuông góc với luôn luôn đồng pha
trong điện môi thì nhỏ hơn phương truyền sóng. với nhau. trong chân không và phụ Ba vectơ , , tạo
thuộc vào hằng số điện – Những sóng điện thành một tam diện môi. – Sóng điện từ tuân từ có bước sóng từ
– Sóng điện từ tuân theo các thuận. theo các quy luật vài mét đến vài km
• Điện từ trường (trường Maxwell) là một trong những trường
quy luật giao thoa, nhiễu xạ. truyền thẳng, phản được dùng trong
của vật lý, là dạng vật chất đặc trưng cho tương tác giữa các xạ, khúc xạ. thông tin vô tuyến
hạt mang điện, do các hạt này sinh ra, là sự thống nhất giữa – Trong quá trình lan nên gọi là các sóng vô tuyến. Người ta
điện trường và từ trường.
truyền, sóng điện từ chia sóng vô tuyến mang theo năng 11/10/2021 thành: sóng cực lượng. 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ngắn, sóng ngắn, ĐHBKHN sóng trung và sóng dài 33 34
• Là dải tất cả các tần số
có thể có của bức xạ
điện từ. Phổ điện từ của
một chất là phân bố đặc
trưng của bức xạ điện từ PHỔ ĐIỆN TỪ
phát ra hoặc hấp thụ bởi
các đối tượng cụ thể PHỔ ĐIỆN TỪ
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP -
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - 11/10/2021 ĐHBKHN 11/10/2021 ĐHBKHN 35 36 6 11/10/2021 SÓNG ĐIỆN TỪ Sóng Sóng dọc Sóng ngang (Longitudinal wave) (Transverse wave) Sóng âm Sóng điện từ Phổ điện từ Sóng radio Hồng ngoại Tia cực tím Tia Gamma Sóng siêu âm Ánh sáng thường X-Ray 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - 11/10/2021 ĐHBKHN 37 38 Bước sóng
• Là dải tất cả các tần số và băng tần
có thể có của bức xạ
điện từ. Phổ điện từ của của các tia
một chất là phân bố đặc phổ biến
trưng của bức xạ điện từ
phát ra hoặc hấp thụ bởi
các đối tượng cụ thể PHỔ ĐIỆN TỪ
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP -
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - 11/10/2021 ĐHBKHN 11/10/2021 ĐHBKHN 39 40
• Những chất không phân cực thường là ở dạng phân tử của các nguyên tố phi
kim ví dụ như Cl2 I2 Br2 N2 O2 ...,
SỰ PHÂN CỰC ĐIỆN
• Các chất phân cực là hợp chất giữa 2 nguyên tố khác nhau và nhất là liên
kết giữa kim loại và phi kim,
CỦA CÁC PHÂN TỬ HỮU
• Muốn xác định chất phân cực hay không → dựa vào độ âm điện của các CƠ nguyên tố. SỰ PHÂN
▪Nếu hiệu độ âm điện của hợp chất 0.4 →liên kết cộng hóa trị không
• Tính phân cực của các hợp chất hữu cơ do sự đóng góp phân cực,
của tất cả các nối trong hợp chất . Đối với nối C và H thì
do độ âm điện của 2 nguyên tố này gần nhau nên xem CỰC CỦA ▪
0.4 < hiệu độ âm điện < 1.7 → liên kết cộng hóa trị phân
như nối này không phân cực . cực
Ví dụ : Hydrocarbon chỉ có nối C-H nên các hợp chất hữu CÁC CHẤT ▪
hiệu độ âm điện 1.7 →liên kết ion (liên kết phân cực)
cơ thuộc loại hydrocarbon là không phân cực
✓ Lưu ý: Độ âm điện của một nguyên tử là khả năng hút electrom của
nguyên tử đó khi tạo thành liên kết hóa học →độ âm điện của nguyên
tử của nguyên tố càng lớn thì tính “phi kim” nguyên tố đó càng mạnh,
tính kim loại càng yếu và ngược lại
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - 11/10/2021 ĐHBKHN 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN 41 42 7 11/10/2021
ĐỘ PHÂN CỰC CỦA CÁC DIPOLE
ĐỘ PHÂN CỰC CỦA CÁC DIPOLE
TẠM THỜI VÀ VĨNH CỬU
TẠM THỜI VÀ VĨNH CỬU
• ĐỘ phân cực của 1 chất = chênh lệch độ phân cực ở chân không và độ
phân cực trong điện trường •P=p Trong điện trường V P- độ phân cực (C/m2) Trong chân không p – momen phân cực (C.m) V- thể tích (m3)
D- Mật độ điện dịch (C.m2)
E- cường độ điện trường (V/m)
- hằng số điện trường (C/Vm) - độ thẩm thấu
- độ cảm điện môi 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN 43 44
SỰ PHỤC THUỘC VÀO TẦN SỐ SỰ PHỤ THUỘC VÀO NHIỆT ĐỘ
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP -
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - 11/10/2021 ĐHBKHN 11/10/2021 ĐHBKHN 45 46 MICRO WAVES (sóng viba)
TÁC ĐỘNG CỦA VI SÓNG LÊN PHÂN TỬ
• Sóng viba có tần số từ 300MHz PHÂN CỰC
đến 3000MHz, có bước sóng từ 10-1m đến 1m (UHF).
• Ứng dụng của sóng viba:
– Sóng viba được dùng chủ yếu trong lò vi sóng
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - 11/10/2021 ĐHBKHN 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN 47 48 8 11/10/2021
TRUYỀN LAN VI SÓNG TRONG KHÔNG GIAN Hướng truyền dẫn
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - 11/10/2021 ĐHBKHN 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN 49 50
CHUYỂN ĐỔI VI SÓNG
MICROWAVES- TẦN SỐ VÀ BƯỚC SÓNG THÀNH NĂNG LƯỢNG P C= .f D= k.E2.f.” P
C- tốc độ truyền sóng (m/s)
D - công suất tiêu tán (W) - bước sóng (m)
E - trường điện từ (V/m) f – tần số (Hz)
k - hệ số (55,61.10-14C.m2.V-1) f - tần số Hz
” –hệ số tiêu tán f vi sóng=300MHz-300GHz 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN 51 52
MỨC ĐỘ ĐÂM XUYÊN
PENETRANTION DEPTH OF MICROWAVES
• Môi trường không đồng nhất ➔ độ đâm xuyên (Z) Z Mất mát góc suy hao Mức độ suy hao thực Mức độ suy hao ảo
Z nhỏ, công suất vi sóng truyền sâu
vào trong vật liệu ➔ẩm của vật liệu 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN
được gia nhiệt từ sâu bên trong !!! 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN 53 54 9 11/10/2021
CẤU TẠO ĐẦU PHÁT VI SÓNG
Góc suy hao phụ thuộc vật liệu và nhiệt độ
• Cấu tạo đầu phát vi sóng tg δ= ε’’/ε Đầu phát sóng
Mặt cắt phía trong Sợ đốt Cathode
Khi electron được phát ra từ Cathode đủ nóng → chùm electron bị gia tốc mang một năng
lượng gây ra phát xạ electron trong khoang cộng hưởng tạo ra hiệu ứng bức xạ điện từ 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN 55 56
ỨNG DỤNG CỦA VI SÓNG
• Dải tần ISM & vùng phát nhiệt (RF, vi sóng: 0.3G➔ 0.3T)
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN 11/10/2021 ĐHBKHN 57 58 Khái niệm
• Tính thấm được là tính chất
của vật liệu có cấu trúc mao
quản có khả năng làm cho TÍNH THẤM
các chất đi qua vật liệu
• Tính thấm được là tính chất (PERMEABILITY)
của vật liệu có cấu trúc lỗ
xốp, được xác định bằng
khả năng truyền các chất lỏng qua nó
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN 11/10/2021 ĐHBKHN 59 60 10 11/10/2021
Khuếch tán trong chất rắn
Định luật Fick’s thứ nhất
Trường hợp bao bì thực phẩm→ Sự khuếch tán các chất ra bên ngoài phụ thuộc vào
Mật độ khuếch tán của 1 chất, J, được mô tả qua định luật thứ nhất Fick’s:
• Màng có khả năng khuếch tán thế nào (material property) J =−D·∆c
• Sự khác biệt về nồng độ các chất trong và ngoài (concentration or J =− D(∆c/l) gradient)
• J - Mật độ khuếch tán (mol.cm−2 s−1),
• Độ dày của bao bì (geometric property)
• D - Hệ số khuếch tán (cm2/s)
• Bề mặt tiếp xúc của màng (geometric property)
• ∆c- Chênh lệch nồng độ (mol/cm3) qua độ dày thành vật liệu l (cm).
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP -
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - 11/10/2021 ĐHBKHN 11/10/2021 ĐHBKHN 61 62 ĐỊNH LUẬT FICK II
• Khi nồng độ C không những là hàm của x mà còn vào thời gian t
Đường cong thế (động lực của
• Biến thiên nồng độ theo thời gian do dòng khuếch tán mang lại
quá trình- lực dẫn) dọc theo
• Curve of potential (driving dC trụ fo c rce) x alo củ ng a the m axi àn sg of a chất rắn có i d2C = D i
solid film of thickness d, dt dx2 ch caus iều ed d by àygra ddi , ent d oo f t g he r adient nồng concentration resulting in a dC độ trans tạopornt rat ên e M tốc độ vận chuyển i dt = Div(DigradCi) (khuếch tán- thấm) M ∂2C ∂2C ∂2C = Di( i i i ∂x2 + ∂y2 + ∂z2 )
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP -
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - 11/10/2021 ĐHBKHN 11/10/2021 ĐHBKHN 63 64 KHI THÔNG S M Ố ass LÀ KHỐI LƯỢNG
- mật độ dòng vận chuyển = hệ số.gradient của thế GENERAL TRANSPORT lượng của thông số - EQUATION
diện tích . thời gian = hệ số.gradient của thế (Hệ số thấm)
- Có thể là nồng độ hay áp suất riêng phần 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN 65 66 11 11/10/2021 KHI THÔNG KHI THÔNG SỐ SỐ LÀ • Trong đó THỂ TÍCH LÀ LƯỢNG HỢP CHẤT BAY HƠI
(Hệ số khuếch tán) 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN 67 68
ĐỘ DẪN, VẬT DẪN TRỞ LỰC KHUẾCH TÁN
Biến thiên theo thời gian → ký hiệu chữ cái có dấu chấm ở trên A Ṁ - tốc độ dẫn dM Ṁ = K – hệ số khuếc tán dt A- diện tích 1
d – chiều dày lớp vật liệu - A Ṁ = K. d - thế năng G – độ dẫn A G = K.
R – trở lực khuếch tán d - Ṁ= G.
Tốc độ vận chuyển = độ dẫn chênh lệch thế năng 1 1
R = G - trở lực khuếch tán G= R
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN 11/10/2021 ĐHBKHN 69 70
Food Packaging Considerations
Khuếch tán qua vật liệu nhiều lớp
được coi như vận chuyển qua lớp
trở lực khuếch tán mắc nối tiếp
(hình bên trái) hoặc song song (hình bên phải) 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN 71 72 12 11/10/2021
TRƯỜNG HỢP BAO BÌ THỰC PHẨM
TRƯỜNG HỢP BAO BÌ THỰC PHẨM ṁ.𝑑 Tác dụng bao bì P= 𝐴.Δ𝑝
• Giữ chất lượng thực phẩm
• Ngăn chặn các phản ứng biến đổi chất lượng bằng cách A- diện tích (m2) - Tránh ánh sáng m- khối lượng (kg)
- Loại trừ sự hấp thụ những chất khí như hơi nước, oxi, mùi T – thời gian (s) không mong muốn
p- áp suất riêng phần (Pa)
- Loại trừ mất mát các chất khí (hương, hơi nước, oxi, nito, CO2
d- chiều dày lớp bao bì (m)
P- hệ số thấm (kg/s.Pa.m) 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN 73 74
TRƯỜNG HỢP BAO BÌ THỰC PHẨM
Chủ yếu xác định mức độ thấm của oxi, nitơ, CO Temperature Dependency 2 THEO THỂ TÍCH ሶ P V = .𝑑 𝐴.Δ𝑝 A- diện tích (m2) V- thể tích (m3) THEO SỐ MOL
n – lượng của chất (mol) T – thời gian (s)
Arrhenius plot of permeability at different absolute temperatures (reciprocal) ሶ n.𝑑
p- áp suất riêng phần (Pa) P= 𝐴.Δ𝑝
d- chiều dày lớp bao bì (m) 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN
P- hệ số thấm (kg/s.Pa.m) 75 76
KHẢ NĂNG THẤM OXI VÀ THẤM NƯỚC
CỦA 1 SỐ LOẠI BAO BÌ
ĐO MẬT ĐỘ THẤM
• EVOH- Ethylene vinyl alcohol
• PEN- Polyethylene-2,6-naphthalene dicarboxylate
Sơ đồ phương pháp đo mật độ thấm hơi nước • PAN-Polyacrylonitril qua màng bao (schematic). • LCP- Lipid Crystal Polyme
1: Buồng có khí hậu chuẩn,
• BOPP-Biaxial Oriented Polypropylene 2: Bình đựng 3: Cân
• COC- Cyclic Olefin Copolyme
4. Chất hấp phụ ẩm (desiccant), • PCL-Poly Caprolactone 5: Màng bao
• EVA/PE-Ethyl vinyl acetate/polyethylene
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN 11/10/2021 ĐHBKHN 77 78 13 11/10/2021 APPLICATIONS
• Pizza: mass transfer during baking
• Apple: influence of water vapor diffusion coefficient on drying
• Strawberries: role of diffusion coefficient on osmotic drying
• Shelf life prediction: influence of water activity on permeability of a film
• Mass transfer coefficients: collection of literature data
• Lactose crystallization: role of diffusion coefficient
• Whey-protein-coated plastic films as oxygen barrier
• Cellophane films: water vapor permeability
• High pressure: permeation of aroma compounds through plastic films
• Aluminum oxynitride films: nano defects influencing gas barrier properties
• Horticultural packaging: mathematical modeling of water vapor transport 11/10/2021
PGS.TS. Lương Hồng Nga -Viện CNSH-CNTP - ĐHBKHN 79 14
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
VẬT LÝ THỰC PHẨM
Chương 3: Hiện tượng bề mặt 1 1.1. Sức căng bề mặt
• Sức căng bề mặt là đại lượng đánh giá độ
đàn hồi hay độ bền của mặt liên diện giữa hai pha 2 1.1. Sức căng bề mặt
• Mặt liên pha (Interface): ranh giới tiếp xúc giữa hai pha 3 1.1. Sức căng bề mặt
• Các phân tử trong lòng chất lỏng
được bao quanh bởi các phân tử
khác theo mọi hướng với sức hút tương đương.
• Các phân tử ở bề mặt (ví dụ, tại giao
diện chất lỏng-khí) chỉ có thể gắn
kết với các phân tử chất lỏng khác
đang nằm bên dưới và tiếp giáp với
chúng. Ngoài ra chúng cũng có thể
phát triển lực hấp dẫn kết dính với
các phân tử cấu thành pha khác ở bề mặt liên pha 4 1.1. Sức căng bề mặt
• Sự mất cân bằng trong tương tác giữa các phân
tử sẽ tạo ra một lực hướng từ ngoài vào trung
tâm khối chất lỏng, dẫn đến các phân tử của
giao diện bị kéo lại gần nhau và kết quả là làm
bề mặt co lại sức căng bề mặt. 5 1.1. Sức căng bề mặt
• Sức căng bề mặt giữa hai pha là công cơ
học thực hiện khi lực căng làm cho diện tích
mặt liên diện thay đổi một đơn vị diện tích
• Đơn vị: N/m hoặc J/m2 hoặc dyne/cm (1 dyne = 10-5N) 6 1.1. Sức căng bề mặt 7 1.1. Sức căng bề mặt
• Phương trình Young-Laplace 8 1.1. Sức căng bề mặt
• Hiện tượng mao dẫn 9 1.1. Sức căng bề mặt
• Ví dụ: Tính độ cao của nước dâng lên trong
mao quản có bán kính 0,001cm biết khối
lượng riêng của nước là 997kg/m3, sức căng
bề mặt của nước là 73dynes/cm và góc tiếp
xúc (góc thấm ướt) là 10° (các số liệu ở 20°C) 10 1.1. Sức căng bề mặt
• Ảnh hưởng của nhiệt độ: T ↑, σ ↓ 11 1.1. Sức căng bề mặt
• Ảnh hưởng của nhiệt độ: T ↑, σ ↓ 12 1.1. Sức căng bề mặt
• Ảnh hưởng của nồng độ:
– Không/ít có ảnh hưởng: đường trong nước; hợp chất hữu cơ trong dầu
– Tăng sức căng bề mặt: muối vô cơ trong nước
– Giảm đều sức căng bề mặt: alcol
– Giảm đến giá trị tới hạn: chất hoạt động bề mặt (surfactant, emulsifier) 13 1.1. Sức căng bề mặt
• Hệ lỏng-lỏng-khí
– Pha 1: khí; pha 2 và 3 là lỏng không tan vào nhau 14 1.1. Sức căng bề mặt
• Hệ rắn-lỏng-khí ; hiện tượng thấm ướt
– Pha 1: khí; pha 2: rắn; pha 3: lỏng Young’s equation 15 1.1. Sức căng bề mặt
• Động học của hiện tượng bề mặt
– Tách ra từ micell/pha phân tán
– Di chuyển đến mặt liên pha
– Điều hướng thích hợp để hấp phụ
– Hấp phụ thông qua các khoảng trống có sẵn
• Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir (cho
bề mặt liên pha rắn - lỏng/rắn - khí 16 1.1. Sức căng bề mặt
• Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir
(cho bề mặt liên pha rắn - lỏng/rắn – khí)
• Hấp phụ, trong hóa học là quá trình xảy ra khi một chất khí hay chất
lỏng bị hút trên bề mặt một chất rắn xốp hoặc là sự gia tăng nồng độ
của chất này trên bề mặt chất khác. Chất bị hấp phụ (adsorbate), chất hấp phụ (adsorbent)
• Khi thiết lập phương trình hấp phụ, Langmuir đưa ra các giả định sau :
Bề mặt đồng nhất về năng lượng.
Các chất bị hấp phụ hình thành một lớp đơn phân tử.
Sự hấp phụ là thuận nghịch, có đạt được cân bằng hấp phụ.
Tương tác giữa các phân tử bị hấp phụ có thể bỏ qua 17 1.1. Sức căng bề mặt
• Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir
(cho bề mặt liên pha rắn - lỏng/rắn – khí)
• Hấp phụ, trong hóa học là quá trình xảy ra khi một chất khí hay chất
lỏng bị hút trên bề mặt một chất rắn xốp hoặc là sự gia tăng nồng độ
của chất này trên bề mặt chất khác. Chất bị hấp phụ (adsorbate), chất hấp phụ (adsorbent)
• Khi thiết lập phương trình hấp phụ, Langmuir đưa ra các giả định sau :
Bề mặt đồng nhất về năng lượng.
Các chất bị hấp phụ hình thành một lớp đơn phân tử.
Sự hấp phụ là thuận nghịch, có đạt được cân bằng hấp phụ.
Tương tác giữa các phân tử bị hấp phụ có thể bỏ qua 18 • Phương trình Langmuir • 𝑝 X = 𝑋𝑚𝑎𝑥. 𝑝 1 = 𝑋 +𝑝 𝑚𝑎𝑥 . 𝑝 𝑘 𝑚𝑎𝑥
x : độ hấp phụ ở một thời điểm nào đó
xmax : là độ hấp phụ cực đại p : là áp suất khí
A: đại lượng tỷ lệ nghịch với hằng số cân bằng
Các giá trị x, xm, p xác định từ thực nghiệm 𝑝 𝐴 1 = + . 𝑝 𝑥 𝑋 𝑚𝑎𝑥 𝑋𝑚𝑎𝑥 19 0h 4h 8h
Hình dạng hạt tinh bột sắn trong quá trình thủy phân bằng amylase 1 E
K E S max ad F E B 1 K E ad F S 1 1 1 E E K E E B max ad F max Nhiệt độ 𝐸𝑚𝑎𝑥 (g 𝐾𝑎𝑑 (ml/g) enzyme/kg TB) 30℃ 0.0085 ± 0.0004 85.49 ± 13.55 40℃ 0.0098 ± 0.0024 82.55 ± 23.12 20 50℃ 0.0419 ± 0.0014 50.04 ± 11.29
1.2. Phép đo sức căng bề mặt
• Chiều cao mao dẫn (Capillary rise method) 21
1.2. Phép đo sức căng bề mặt
• Xác định góc thấm ướt (góc tiếp xúc) 22
1.2. Phép đo sức căng bề mặt • Xác định góc thấm ướt (góc tiếp xúc) 23 1.3. Ứng dụng
• Hệ nhũ tương – Chất nhũ hóa – Chất làm dày 24 1.3. Ứng dụng
• Bọt – Chất làm bền bọt 25 1.3. Ứng dụng • Gel - Sols 26
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
VẬT LÝ THỰC PHẨM
Chương 4: Tính chất nhiệt, điện 1 4.1 Tính chất nhiệt
Chế biến bảo quản nông sản thực phẩm – Gia nhiệt – Làm lạnh – Kết hợp
Phơi/sấy hạt để bảo quản Sấy/Chiên mỳ
Làm lạnh nhanh/đông lạnh rau quả
Chần, đóng hộp thanh/tiệt trùng rau/thịt
Sấy/bay hơi nước tạo sản phẩm dạng bột (gia vị, sữa…)
Các quá trình làm chín, làm lạnh, nướng, đông lạnh, bay hơi… đều liên quan đến truyền nhiệt
Thiết kế các quá trình như vậy đều đòi hỏi kiến thức liên quan đến tính
chất nhiệt của vật liệu 4.1 Tính chất nhiệt 4.1 Tính chất nhiệt
Trao đổi nhiệt tồn tại dưới 03 hình thức:
Dẫn nhiệt (Conduction): sự truyền động năng giữa các nguyên tử
hay phân tử lân cận mà không kèm theo sự trao đổi phần tử vật
chất (từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp hơn)
Đối lưu (Convection): được thực hiện nhờ sự chuyển động của
chất lỏng hay chất khí giữa các vùng có nhiệt độ khác nhau
Bức xạ (Radiation): sự trao đổi nhiệt thông qua sóng điện từ
Trong CNTP chúng ta coi:
Dẫn nhiệt diễn ra trong thực phẩm
Đối lưu cưỡng bức giữa thực phẩm
và môi trường (lỏng) xung quanh
Một số khái niệm cơ bản về tính chất nhiệt của thực phẩm
Nhiệt dung riêng (Specific heat)
Độ dẫn nhiệt (Thermal conductivity) Enthalpy Nhiệt dung riêng
Nhiệt dung riêng của một chất là nhiệt lượng cần phải
cung cấp cho một đơn vị đo lường chất đó để nhiệt độ của nó tăng lên một độ Đơn vị: – 𝐾𝐽 (SI) 𝐾𝑔°𝐾 – 𝐵𝑇𝑈 lb (Hệ Anh) °𝐹 – 𝐶𝑎𝑙. (Calo) 𝑔°𝐾 1 𝐾𝐽 𝐵𝑇𝑈 = 0.239 = 0.239 𝐶𝑎𝑙. 𝐾𝑔°𝐾 lb°𝐹 𝑔°𝐾 Nhiệt dung riêng
Khi biết nhiệt dung riêng của vật liệu, ta có thể tính được nhiệt lượng (Q)
cần thiết để tăng nhiệt độ của vật liệu từ T1 đến T2 theo công thức: Q = M Cp (T2-T1) Trong đó:
Q = nhiệt lượng cần thiết
Cp = nhiệt dung riêng đẳng áp
M = khối lượng nguyên liệu
Nước là thành phần chính của hầu hết các sản phẩm thực phẩm:
Cp của nước = 4.18 = 1
Cp chất béo = ½ Cp nước
Cp hạt, bột ngũ cốc = ¼ - 1/3 Cp nước
Cp đá (băng) = ½ Cp nước (do đó, cần ít nhiệt hơn để tăng nhiệt độ của sản phẩm đông lạnh) Nhiệt dung riêng = f(T) Nhiệt dung riêng
Phương trình tính toán Cp dựa trên hàm ẩm (M, %)
• Cp = 0.837 + 3.348 M trên nhiệt độ lạnh đông
• Cp = 0.837 + 1.256 M dưới nhiệt độ lạnh đông
Phương trình tính toán Cp dựa trên thành phần trong TP
• Ví dụ 1: Tính nhiệt dung riêng của khoai lang ở
20°C với thành phần hóa học như sau Thành phần % khối lượng Nước 70 Protein 1.5 Glucid 25 Xơ 2.3 Chất béo 0.5 Tro 0.7 Cp = 3477 J/kg°C
Nhiệt dung riêng: Phương pháp xác định
• Phương pháp phối trộn: Một lượng chất lỏng (thường là nước)
đã biết khối lượng và nhiệt độ ban đầu được trộn với mẫu cần
xác định có khối lượng và nhiệt độ đã biết trong một vật chứa
cách nhiệt. Đo nhiệt độ hỗn hợp ở trạng thái cân bằng từ đó tính được Cp
Nhiệt dung riêng: Phương pháp xác định
• Ví dụ 2: Một nhiệt lượng kế có khối lượng 86 g đã được sử
dụng để xác định nhiệt dung riêng của 36 g mẫu thịt bò nạc. Cốc
đo nhiệt lượng kế và mẫu thịt đều ở 12◦C, sau đó 68 g nước ở
6◦C được rót vào cốc. Nhiệt độ khi hệ cân bằng là 7,8◦C. Nhiệt
dung riêng của nước và cốc nhiệt lượng kế lần lượt là 4198
J/kg◦C và 383 J/kg◦C. Nhiệt lượng kế được cách nhiệt tốt và tổn
thất nhiệt ra xung quanh là không đáng kể. Tính nhiệt dung
riêng của mẫu thịt bò. Cp = 2483,4 J/kg°K
Nhiệt dung riêng: Phương pháp xác định
• Phân tích nhiệt quét vi sai (Differential Scanning
Calorimeter, DSC): Phép đo được thực hiện bằng cách làm
nóng mẫu ở tốc độ cố định biết trước. Khi cân bằng nhiệt động
của mẫu được thiết lập, dòng nhiệt được biểu diễn theo hàm
của nhiệt độ. Lưu lượng nhiệt này tỷ lệ thuận với nhiệt dung riêng của mẫu. dQ dTp H m Cp dt dt Độ dẫn nhiệt (k)
Đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật liệu Q = k . ΔT k: độ dẫn nhiệt
Xác định bằng nhiệt lượng truyền qua một đơn vị diện tích vật liệu trong
một đơn vị thời gian, dưới gradient của nhiệt độ Đơn vị: (SI): W/m K Độ dẫn nhiệt (k) k nước = 0.566 ở 0°C = 0.602 ở 20°C = 0.654 ở 60°C
Tại nhiệt độ phòng giá trị của k đối với nội nhũ của các loại
ngũ cốc, thịt, rau quả, các sản phẩm từ sữa, chất béo và
đường đều nhỏ hơn nước.
Độ ẩm càng cao thì độ dẫn nhiệt của sản phẩm thực phẩm càng cao
Một yếu tố ảnh hưởng khác là độ xốp, ví dụ: sản phẩm đông
khô và trái cây xốp như táo có độ dẫn nhiệt thấp. Độ dẫn nhiệt (k) Độ dẫn nhiệt (k) Độ dẫn nhiệt (k)
Nếu chúng ta không biết độ dẫn nhiệt của một sản phẩm
thực phẩm, có thể tính gần đúng … K = kw Xw + ks(1-Xw) Trong đó:
Kw= Độ dẫn nhiệt của nước
Xw= Hàm lượng nước trong sản phẩm (% khối lượng) 𝑊
Ks = Độ dẫn nhiệt của phần chất khô = 0.259 m °𝐾
Nếu độ ẩm nguyên liệu lớn hơn 50% ta có: K = 0.056 + 0.57Xw
Độ dẫn nhiệt (k) – dự đoán
• Mô hình song song
Độ dẫn nhiệt (k) – dự đoán
• Mô hình vuông góc
Độ dẫn nhiệt (k) – dự đoán
• Mô hình Krischer
where εa is the volume fraction of air in the food
• Ví dụ 3: Thành phần của quả chà là (Phoenix dactylifera) và
được nêu trong Bảng dưới đây. Xác định độ dẫn nhiệt của quả
ở 25C, sử dụng mô hình song song và vuông góc k//= 0.353 W/m°K kvg= 0.287 W/m°K Enthalpy (h)
Đơn vị: (kJ/kg hoặc BTU/lb)
Nhiệt lượng của hệ.
Thường được sử dụng để đánh giá nhiệt lượng của hơi hoặc không khí ẩm ΔQ = M(h2-h1) Trong đó:
ΔQ = lượng nhiệt cần thiết để đưa hệ từ T1 lên T2
M = khối lượng sản phẩm h2= enthalpy ở T1 h1 = enthalpy ở T2
Nhu cầu năng lượng hàng ngày
Dinh dưỡng: 1 Kcal/kg/h. Vật lý TP: ??? 100 KJ/ngày/kg 70 W
Giá trị năng lượng của thực phẩm
Về cơ bản, trong thực phẩm chỉ có 4 nhóm chất sinh
năng lượng: gluxit, lipid, protein và alcohol.
Năng lượng TP = nhiệt năng sinh ra trong quá trình đốt cháy (oxy hóa) TP
Hệ số sinh nhiệt vật lý ≠ Hệ số sinh nhiệt sinh lý
• Phân tích nhiệt trọng lượng (Thermogravimetry):
Phép đo biến đổi khối lượng của mẫu theo biến thiên nhiệt độ.
Phép đo này cung cấp thông tin về các hiện tượng vật lý, như
chuyển pha, hấp thụ, hấp phụ và giải hấp; cũng như các hiện
tượng hóa học bao gồm hóa hấp phụ, phân hủy nhiệt và phản
ứng khí rắn (phản ứng cháy).
– Động học quá trình sấy 4.2 Tính chất điện Độ dẫn điện 𝑙 𝑙 𝑅 = 𝜌 = 𝐴 𝜅𝐴 4.2 Tính chất điện Độ dẫn điện
• Phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ
𝜅 = 𝜅0(1 + 𝑏0 ∙ Δ𝑇)
• Phụ thuộc chặt chẽ vào trạng thái, thành phần thực
phẩm đặc biệt là hàm lượng muối và nước trong thực phẩm
• Ứng dụng: gia nhiệt, thanh trùng tiệt trùng, bảo quản…
Ví dụ tính cân bằng năng lượng
• 1520 kg/h nước quả được cấp vào nồi cô đặc
ở 25°C, áp suất cô đặc là 0,75 atm; nước quả
sau cô đặc được lấy ra với lưu lượng 450 kg/h.
Nhiệt lượng dùng cho quá trình được cung
cấp bằng hơi bão hòa áp suất 1,2 atm. Hơi cấp
không tiếp xúc với dịch quả và chỉ diễn ra quá
trình trao đổi nhiệt. Tính lượng hơi bão hòa cần dùng trong 1 giờ? 29 30 Energy Balance 31 32 Energy Balance 33 Energy Balance
Feed + Steam = Product + Vapor + Condensate
Juice: 1520 kg/h = 450 kg/h + V kg/h
Energy: 159220 + 2684*S = 171000 + 2663*V + 439*S (kJ/h)
These can be solved as follows:
Equation 1: V = 1520 - 450 = 1070 (kg/h) of vapor
Equation 2: S = (2663x1070 + 170198 - 159220)/(2684-439) =1274 (kg/h) steam
HF = mCpΔT = (1520 kg/h) (4.190 kJ/kg°C) (25 - 0°C) = 159,220 (kJ/h) 34
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
VẬT LÝ THỰC PHẨM
Chương 7: Tính chất lưu biến và
cấu trúc thực phẩm 1 7. Rheological properties 7. Rheology
• Rheology is the science that studies the flow and
deformation behavior of materials.
• Rheological data are required in product quality evaluation,
engineering calculations, and process design. An understanding
of flow behavior is necessary to determine the size of the pump
and pipe and the energy requirements. 7. Rheology
Knowledge on rheological and mechanical properties of food systems;
- In design of flow processes for quality control
- In predicting storage and stability measurements,
- In understanding and designing texture 7.1 Flow of material
• Newton’s Law of viscosity
• Example : Two parallel plates are 0.1 m apart. The bottom
plate is stationary while the upper one is moving with a
velocity V. The fluid between the plates is water, which has a viscosity of 1 cp.
(a) Calculate the momentum flux necessary to maintain the top
plate in motion at a velocity of 0.30 m/s.
(b) If water is replaced with a fluid of viscosity 100 cp, and
momentum flux remains constant, find the new velocity of the top plate τ = 0.003Pa; V= 0.003 m/s 6 7.1 Flow of material
• Viscosity is defined as the resistance of a fluid to flow. The
unit of dynamic viscosity is (Pa · s) in the SI system and
poise (g/cm · s) in the CGS system.
1 Pa.s = 1000 mPa.s = 10 P = 1000 cP
• Viscosity varies with temperature. Viscosity of most of the
liquids decreases with increasing temperature.
• Strain: Deformation or movement that occurs in a material.
Expressed as the amount of movement that occurs in a
given sample dimension this makes it dimensionless.–
Translation: How much did I move the sample?
• Stress: Force applied to a sample expressed as force units
per unit area, commonly N/m2.–Translation: How hard did I
push, pull or twist the sample? 7.1 Flow of material
• Viscous fluid: fluids tend to deform continuously under
the effect of an applied stress
– Newtonian fluid : Fluids that follow Newton’s law of viscosity
Ex: Gases; oils; water; and most liquids that contain more than
90% water such as tea, coffee, beer, carbonated beverages, fruit juices, and milk… 𝜏𝑥𝑦 = 𝜂𝛾 Glass 1040 Pa.s Bitumen 108 Pa.s Honey 10 Pa.s Glycerol 1 Pa.s Olive oil 10-1 Pa.s Water 10-3 Pa.s Air 10-5 Pa.s 7.1 Flow of material • Viscous fluid:
– Non-Newtonian fluid : Fluids that do not follow Newton’s
law of viscosity, they follow the power law model: 7.1 Flow of material
• Non-Newtonian fluid:
– Shear Thinning (Pseudoplastic) Fluids (n<1): In these types
of fluids, as shear rate increases the viscosity decreases: 7.1 Flow of material
• Non-Newtonian fluid:
– Shear Thickening Fluids (n>1). In these types of fluids, as
shear rate increases, the viscosity increase: 7.1 Flow of material 7.1 Flow of material • Plastic fluid:
– Bingham plastic fluid : fluid remains rigid when the
magnitude of shear stress is smaller than the yield stress (τ0)
but flows like a Newtonian fluid when the shear stress exceeds τ0. 7.1 Flow of material 7.1 Flow of material • Plastic fluid:
– Non-Bingham plastic fluid : Fluids of this type are either
shear thinning or shear thickening with yield stress.
Herschel−Bulkley: 𝜏 = 𝜏0 + 𝑘 𝛾 𝑛
Casson: 𝜏0.5 = 𝐾0 + 𝐾1 ∙ 𝜸 0.5 7.1. Flow of material Yield stress? 0Shear stress 0 n=1 o 1Shear rate
When stress is less than yield stress, material does not flow. It
behaves like a solid Important for development of materials like butter, yogurt, cheese spread 7.1 Flow of material 7.2 Viscosity measurement 7.2 Viscosity measurement 7.2 Viscosity measurement 7.2 Viscosity measurement • ∆𝑃𝑅 4𝑄
Capillary Flow Viscometers: 𝜏 = 2𝐿 𝛾 = 𝜋𝑅3 Newtonian fluid Non-Newtonian fluid r r n < 1 . . 1 1 P 1 4 1 4 1 P R R 3 1 d lnQ 8 Q L 8 Q L
4 4 d lnR capillary radius (R), capillary length (L), Ostwald fluid: d lnQ 1
volumetric flow rate (Q) d ln n R
and pressure drop (ΔP)
• The pressure drop versus volumetric flow rate data is
obtained for chocolate melt using a capillary
viscometer with a pipe diameter of 1cm and a length of 60cm
– (a) Show that chocolate melt is not a Newtonian fluid.
– (b) Determine the rheological model constants of the
power law, Herschel-Bulkley, and Casson models for the given data ∆𝑃𝑅 4𝑄 𝜏 = 2𝐿 𝛾 = 𝜋𝑅3 22 7.2 Viscosity measurement
• Falling Ball Viscometers: Ball : radius R, density rs Fluide : viscosity , density r Power balance: Mass : 4 P r R3g s 3 V Archimedes force : 4 F 3 r z R g A 3 Stoke ‘s force :
F 6 R V f 2 2 1
Newtonian fluid:
R g( r r ) s 9 V
Unapplicable for non newtonian fluids… 7.2 Viscosity measurement
• Rotational Rheometers:
– Concentric Cylinder (Coaxial Rotational) Viscometers Torque C Rotation speed w Vq C R R (R ) 2 1 rq 1 2 2 hR1 R w 1 R2
Newtonian fluid: Non-Newtonian fluid : 1 1 𝛾 𝑅 𝛾 𝑅 1 = 2𝜔 1 − 𝛼2
1 = 2𝜔 𝑛(1 − 𝛼2/𝑛) 1 𝐶 1 𝐶 𝜂 𝛾 = (1 − 𝛼2) 𝜂 𝛾 = 𝑛(1 − 𝛼2/𝑛) 4𝜋ℎ𝑅2 2 1 𝜔 4𝜋ℎ𝑅1 𝜔 7.2 Viscosity measurement 7.2 Viscosity measurement
• Rotational Rheometers:
– Cone-Plate and Parallel Plate Viscometers C, w Torque C C, w Rotation speed w h q q small (tg q q) . . 𝜔 𝛾 (𝑟) = 𝑟 𝜔 ℎ 𝛾 = 𝜃 3 𝐶 𝛾 𝑑𝐶 𝜏 𝑅 𝜃𝑧 𝛾 = + 3 C 2 𝜋𝑅3 2𝜋𝑅3 𝑑𝛾 𝑅 q z 3 2 R 2𝐶 Newtonian fluid :
𝜏𝜃𝑧 𝛾 𝑅 = 𝜋𝑅3 3 C q 3 𝐶 𝜏 2 3 R w Non-Newtonian fluid :
𝜃𝑧(𝛾 𝑅) = 2 𝜋𝑅3 7.2 Viscosity measurement
• Rotational Rheometers:
– Cone-Plate and Parallel Plate Viscometers 7.2 Viscosity measurement Application • Pump/Pipe (pressure)
• Heat transfer calculations • Yield stress 29 7.3 Deformation of material
• Normal stress (σ) is defined as the force applied
perpendicular to the plane per unit area
• Shear stress (τ ) is defined as the force applied parallel to the plane per unit area 7.3 Deformation of material 7.3 Deformation of material 7.3 Viscoelastic behavior
Examples : shampooing, egg white, dough,….. 7.3 Viscoelastic behavior 2.2.3 Viscoelastic behavior G’ VE G’ G’’ G’’ VE VE g (l og) w (l og) 20000 3 a) (P 18000 lus 2.5 u 16000 Sp (mL/g) e mod 14000 G" (Pa) cific 2 , ”) 12000 (G volucủa bánh nhớt ; 10000 1.5 G' me (mL phần 8000 viscous dẻo, d 1 6000 riêng an /g) ’) 4000 Modun (G 0.5 2000 Specific volume (mL/g) Thể tích tic G' G'' Thể tích riêng 0 0 Elas 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 Glutenine/Gliadine (/) 7.3 Viscoelastic behavior 7.4 Texture of Foods 7.4 Texture of Foods 39 7.4 Texture of Foods
• Snapping-Bending test: This test measures the force
required to bend or snap brittle foods such as biscuits or crackers. 7.4 Texture of Foods
• Snapping-Bending test: This test measures the force
required to bend or snap brittle foods such as biscuits or crackers. 7.4 Texture of Foods 7.4 Texture of Foods 7.4 Texture of Foods 7.4 Texture of Foods
• Texture Profile Analysis:
– Texture Profile Analysis (TPA) compresses a bite-sized piece
of food (usually 1 cm cube) twice to simulate the chewing action of the teeth.
– Compression is usually 80% of the original length of the sample.
– As a result of TPA, sensory properties such as gumminess,
cohesiveness, and so forth can be determined objectively.
– The force curve generated as a function of time is known as a texture profile. 7.4 Texture of Foods
• Độ cứng: Giá trị độ cứng là peak lực của lần nén thứ nhất
• Độ cố kết: Khả năng sản phẩm có thể chịu được biến dạng lần hai như
thế nào sau khi đã bị biến dạng lần thứ nhất. Độ cố kết tính bằng diện
tích phần đồ thị của lần nén thứ hai chia cho lần nén thứ nhất.
• Độ đàn hồi: Khả năng sản phẩm đàn hồi vật lý sau khi chịu biến dạng
ở lần nén thứ nhất. Sự đàn hồi được tính ở hướng đi xuống của đồ thị
nén lần thứ nhất. Có nhiều cách xác định độ đàn hồi nhưng cách thông
thường nhất là tính bằng tỉ lệ độ dài chiều cao 2/chiều cao 1.
• Lực cắn: Lực cắn là năng lượng cần thiết để nghiền một mẫu thực
phẩm dạng bán rắn trước khi nuốt, tính bằng độ cứng nhân với độ cố kết.
• Lực nhai: Là năng lượng cần thiết để nghiền mẫu thực phẩm dạng rắn,
được tính bằng lực cắn nhân với độ đàn hồi
• Đô dính: là công cần thiết để kéo pittong nén ra khỏi mẫu, xác định
bằng diện tích phần đồ thị âm trong chu kỳ nén đầu
• Tính co giãn: Là khả năng sản phẩm chống lại biến dạng để trở lại vị
trí ban đầu. Tính co giãn được tính bằng diện tích của đường thôi tác
dụng lực của lần nén đầu tiên chia cho diện tích phần nén đầu 7.4 Texture of Foods 11/25/2021 KHÁI NIỆM
Chương 6. NƯỚC VÀ HOẠT ĐỘ NƯỚC 1 2 ĐẶC
• Nhiệt độ hóa hơi ????? TÍNH • Không màu, mùi, vị
• Cần nhiệt lượng tương đối lớn để phá
vỡ cần nối hydro và bốc hơi
• Phân tử nhỏ, hữu cực → hòa tan
1 ml nựớc → 1600 ml hơi nước. CỦA
dễ dàng các chất ( nhất là các
• Giúp thực vật giảm bớt giao động nhiệt,
ion, các chất tích điện) làm mát khi bốc hơi NƯỚC 3 4
• Có khả năng kết dính và bám nhờ liên kết hydro 3 TRẠNG THÁI CỦA NƯỚC
• Tạo áp suất thủy tĩnh dương hoặc âm
• Có sức căng bề mặt lớn
• Hàm lượng nước trong động, thực vật phụ
thuốc vào loài, mô, cơ quan, trạng thái vật lý, độ non - già 5 6 1 11/25/2021
• Nước đóng băng; Chỉ có
nước không bị giữ bởi các
chất hòa tan mới bị đóng CẤU TRÚC băng. Nước đóng băng
thường ở hàm lượng ít nhất NƯỚC ĐÁ
0,3-0,5 g/g nguyên liệu khô.
• Nhiệt độ hóa rắn ??? 7 8
• Nước dung môi; Lượng nước cần thiết cho sự hòa tan các chất
DẠNG NƯỚC TRONG THỰC PHẨM
hòa tan sẽ càng lớn khi phân tử chất tan là lớn và ít có cực. •Nước tự do •Nước liên kết 9 10 11 12 2 11/25/2021
Phân loại thực phẩm theo hàm lượng nước Vai trò của nước
Các thực phẩm có hàm lương nước rất cao
Súp, nước lèo, các sản phẩm hầm, các loại mầm (cao hơn 89%)
ngũ cốc, rau không chứa tinh bột, nước quả,
sữa, đậu phụ, sữa gạo, hoa quả tươi
• là dung môi khuếch tán,
Các thực phẩm có hàm lượng nước cao
Rau củ quả chứa tinh bột, sữa chua, gà quay, (từ 66-88%)
khoai tây, format làm từ sữa tách kem, thịt
• Là môi trường phản ứng,
bò (đã nấu sơ), cá nướng hoặc cá om
Các thực phẩm có hàm lượng nước vừa phải
Thịt lợn hoặc bò đã nấu vừa phải, Cá rán, gà
• Là tác nhân làm cho các cao phân tử như tinh bột, protein duỗi mạch (từ 50-65%
rán, hạt nấu chín, hầu hết format tự nhiên, và liên kết với nhau
Các thực phẩm có hàm lượng nước thấp
Hamburger, format đã chế biến (procesed (30-50%)
cheese), format cheddar, bánh mỳ, salad
• Là tác nhân tạo cấu trúc cho các cao phân tử. dressing
Thực phẩm có hàm lượng nước rất thâp
Bánh quy, mứt nhuyền, mứt miếng, hoa quả
• Lưu ý: Tác động tốt hay xấu của các vai trò này phụ thuộc vào các (từ 15-30%)
sấy, rỉ đường, bánh ngọt, mayonairse, siro
tương tác của nước với các chất hòa tan hơn là vào số lượng của nó ở Thực phẩm khô
Cookie, banh phồng tôm khô, popcorm, snack (độ ẩm nhỏ hơn 15%)
ăn liền, kẹo, chocolate, hạt, lạc, đậu, ngũ trong môi trường cốc khô, các loại chip
Thực phẩm không chứa nước
Đường, muối, dầu ăn và mỡ
(lượng nước nhỏ hơn 1%)
http://bloghydra.wordpress.com/2008/09/23/high-water-content-foods-help-hydrate-and-more/ 13 14 WATER IN FOOD
• All foods contain at least some water • Free water • Held inside cells
• Maintains properties of free water • May be removed • Bound water
(Physicochemical bound water: Hydrogen bond, electrostatic bond
Chemically bound water: covalent bond)
• Is part of molecule structure • Reduced mobility
• Does not retain properties of free water 15 16 SOLID – FLUID BOUNDARY SURFACE 17 18 3 11/25/2021
Độ ẩm của thực phẩm 1. Theo chất tươi (wb) BÀI TẬP
2. Theo chất khô (db) water 20 g wb = 20% Dry db = 25% matter 80 g 19 20
Đường đẳng nhiệt hấp phụ SURFACE ADHESION The term adsorption equilibrium refers to the
steady state condition that is ultimately reached when adsorption and desorption are going on at the same time. 21 22 PHƯƠNG TRÌNH KELVIN Bottle or Flask Shaped Pores
Những bề mặt có cấu trúc xốp có chứa các lỗ xốp có thể tạo điều kiện cho những phân tử nước hấp phụ vào
các mao dẫn. Sự hấp phụ ở mao quản diễn ra khi các lỗ rỗng trong cấu trúc tế bào có cấu trúc giữ được nước
dạng lỏng bằng lực căng bề mặt. 23 24 4 11/25/2021
CÁC DẠNG PHƯƠNG TRÌNH THỂ HIỆN ThuyÕt hÊp phô
HẤP PHỤ HƠI NƯỚC TRONG THỰC PHẨM
-®é hÊp phô: lµ lưîng chÊt bÞ hÊp phô ®ưîc hÊp phô trªn
mét gam chÊt hÊp phô :m, g/g, kg/kg
Hơi nước – áp suất hơi nước
-®é hÊp phô phô thuéc vµo hai yÕu tè bªn ngoµi lµ nhiÖt ®é
vµ ¸p suÊt riªng phÇn (nång ®é) cña chÊt bÞ hÊp phô
m = f(t,p) ®èi víi chÊt khÝ Cân bằng ẩm :
m = f(t,C) ®èi víi chÊt láng
NÕu gi÷ cho t= const th× m = f(p) ®èi víi chÊt khÝ, m = f(C)
• Quá trình di chuyển ẩm dựa vào chênh lệch áp ®èi víi chÊt láng
suất của hơi nước bên trong và bên ngoài
Khi nång ®é thay ®æi th× p riªng phÇn cña chÊt bÞ hÊp phô
còng thay ®æi --> ®é hÊp phô m thay ®æi
• Cân bằng ẩm là gì (cân bằng pha lỏng hơi) 26 25 26
+ phư¬ng tr×nh biÓu diÔn mèi quan hÖ gi÷a m vµ p hoÆc nång ®é C gäi lµ phư¬ng
tr×nh ®¼ng nhiÖt hÊp phô.
§ưêng cong biÓu thÞ cho phư¬ng tr×nh m vµ p hoÆc C gäi lµ ®ưêng cong ®¼ng nhiÖt hÊp phô VÝ dô m Kg/kg P, mmHg 27 27 28
ThuyÕt hÊp phô Langmuir Néi dung:
⚫ Nguyªn nh©n cña hÊp phô lµ sù cã mÆt nh÷ng ho¸ trÞ kh«ng b·o hoµ ë trªn bÒ mÆt
chÊt hÊp phô khi hÊp phô cã t¸c dông cña lùc ho¸ trÞ mµ sinh ra hîp chÊt ho¸ häc
⚫ Kho¶ng t¸c dông cña lùc ho¸ trÞ rÊt ng¾n FREUNDLICH MODEL
⚫ Qu¸ tr×nh hÊp phô x¶y ra ë nh÷ng t©m hÊp phô, kh«ng x¶y ra ë toµn bÒ mÆt hÊp phô C«ng thøc Langmuir :
- m : khối lượng chất hấp phụ, kg
- mmax : khối lượng chất hấp phụ tối đa, kg
- P : áp suất riêng phần của hơi nước
- b : hệ số phương trình 30 29 30 5 11/25/2021 1/m • Tương đương 1 m Y = c + a .x max Trong đó y = 1/m và x = 1/p 1/p
Khi đó hệ số góc a = b/mmax và c= 1/mmax 32 31 32 LANGMUIR MODEL BET MODEL 33 34 Phương trình BET
THERMODYNAMICS OF SORPTION ISOTHERMS 1 a 1 C −1 W . = + . aW x 1− a x C . x C . W W W ,a W ,a C −1 1 Với a = , b = x C . x C . W ,a W ,a
Tính được giá trị của hằng số BET (C) và lượng nước đơn phân xW,a a a Suy ra:
=C −1 hay C = +1 b b 1 aW .
Và lượng nước đơn phân (x x 1− a W,a) là: W W 1 1 x = = W ,a a a + b b.( + ) 1 b aW 35 36 6 11/25/2021 ĐỊNH LUẬT RAOULT OTHER MODELS - Cân bằng Dung dịch Hơi - Định luật Raoult n Po − P = Po N + n P N → = = a P N+n w o
- Ở điều kiện cân bằng 𝑅 a 𝐻 w =100
Lương Hồng Nga - Viện CN Sinh học- CN Thực phẩm – Đại học Bách khoa Hà nội luonghongnga@gmail.com 37 38
Khái niệm hoạt độ nước (aw) HOẠT ĐỘ NƯỚC
→Nước trong thực phẩm tạo nên một áp suất hơi
• Tỷ số áp suất hơi của nước trong thực phẩm
• Độ lớn của áp suất hơi tuỳ thuộc vào:
và hơi nước bão hòa ở cùng nhiệt độ
- lượng nước hiện diện, aw=P/ Po
- nhiệt độ và nồng độ chất tan (muối, đường) trong nước.
• Trong thực phẩm, aw là tỷ số giữa áp suất hơi riêng phần của
nước cân bằng trong thực phẩm với áp suất hơi nước riêng phần
bão hòa của hơi nước trong không khí ở cùng một nhiệt độ • Hoạt độ nước, aw : aw = pw /pws (0 1)
Lương Hồng Nga - Viện CN Sinh học- CN Thực phẩm – Đại học Bách khoa Hà nội luonghongnga@gmail.com 39 40
Cách biểu diễn khác Ví dụ:
aw = 0 (khô tuyệt đối) và aw= 1.00 (nước tinh khiết). p x ERH = w w p x 100 % = x 100 %
* Thể hiện ở dạng thập phân của độ ẩm tương đối cân ws xws
bằng (ERH) của vật chất
Với: Xw - phần mole của hơi nước X
* Nghĩa là, một mẫu có độ họat động là 0,91 thì tương
ws - phần mole của hơi nước bão hòa
ứng với (ERH) đọc được là 91%
◼ Độ ẩm tương đối của không khí ở trạng thái cân bằng với TP: aw = % ERH / 100 41 42 7 11/25/2021 * Ý NGHĨA
- Thể hiện lượng nước tối đa có thể làm hydrate hóa vật liệu
- Phản ánh mối quan hệ nước- chất tan,
nước- bề mặt và lực mao dẫn
- Rất quan trọng trong thực phẩm: làm
thay đổi trang thái cấu trúc như độ giòn,
độ nhai, độ dính răng, làm thay đổi tốc độ phản ứng
- aw thấp → hạn chế phát triển của vi sinh vật.
- Khi nước liên kết với chất tan → khả
năng liên kết với chất khác giảm → giảm hoạt độ nước
Lương Hồng Nga - Viện CN Sinh học- CN Thực phẩm – Đại học Bách khoa Hà nội
Lương Hồng Nga - Viện CN Sinh học- CN luonghongnga@gmail.com
Thực phẩm – Đại học Bách khoa Hà nội 43 44
Ví dụ một số hoạt độ nước của thực phẩm
http://www.ifsqn.com/forum/index.php/topic/11775-preventing-enzymatic-browning-in-apples/page__st__8
http://www.landfood.ubc.ca/courses/fnh/301/brown/brown-02.gif 45 46 Mối
The typical water activity of some foodstuffs quan hệ giữa Type of product
Water Activity (a ) w hoạt độ Fresh meat and fish .99 nước và Bread .95 hoạt động Aged cheddar .85 của VSV Jams and jel ies .8 trong Plum pudding .8 thực phẩm Dried fruit .6 Cookies .3 Milk powder .2 Instant coffee .2
http://www.fst.ohio-state.edu/olympiad/Laboratories/Olymp/Lab%201_WaterActivity.htm 47 48 8 11/25/2021
Lương Hồng Nga - Viện CN Sinh học- CN Thực phẩm –
Lương Hồng Nga - Viện CN Sinh học- CN
Đại học Bách khoa Hà nội
Thực phẩm – Đại học Bách khoa Hà nội 49 50
Mối quan hệ giữa hoạt độ nước và các quá trình sinh hóa trong thực phẩm
•http://www.fao.org/docrep/005/y4358e/y4358e06.htm
Lương Hồng Nga - Viện CN Sinh học- CN Thực phẩm – Đại học Bách khoa Hà nội luonghongnga@gmail.com 51 52
Điều chỉnh họat độ nước ?
Các chất có tác dụng làm giảm hoạt độ nước bao gồm
– Rượu đa chức (propylene glycol) – Rượu đơn chức
– Đường (sorbitol, syrup bắp) – Muối calci và natri – Glyxerin – Gums (xanthan) – Các chế phẩm protein
→ Một phần nước trong TP liên kết mạnh với các chất
trên tại các vị trí đặc trưng 53 9