Bài giảng Vật lý thực phẩm: Chương 1

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

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

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

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.

Thực phẩm?

Codex Alimentarius

Oxford Dictionary

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.

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

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

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

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

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

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

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…)

Thành phần % khối lượng

Nước Gluxit Tro

10 31 6

Protein Lipid

36 17

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 Gluxit Tro 10 31 6

ρ = 1285,32 kg.m-3

Protein Lipid 36 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

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

1.1.3. Độ rỗng (Porosity)

𝜌𝑃 Độ 𝑟ỗ𝑛𝑔 % = = =

𝑉𝑇 − 𝑉𝑃 𝑉𝑇 𝜌𝐵 − 𝑚 𝑚 𝑚 𝜌𝐵

= 1 − × 100%

𝑉𝐴 𝑉𝑇 𝜌𝐵 𝜌𝑃

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

hiển vi

 Phương pháp quang học: tính toán thông qua quan sát trên kính

1.2. Tính chất hình học

O. sativa javanica

O. sativa indica

O. sativa japonica

1.2. Tính chất hình học

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).

1.2.1. Kích thước

– Chiều dài = 2a

– Chiều rộng = 2b

– Độ dày = 2c

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

1.2.1. Kích thước

• Ví dụ: Tính dv và ds của hình lập phương với kích thước 1 cạnh là 12mm?

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

1.2.3. Phân bố kích thước hạt (Particle size distribution)

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)

Fv(d)

Ev(d)

Ví dụ: phân bố kích thước lang sau của bột khoai nghiền (Nguyen et al. 2019)

1.2.3. Phân bố kích thước hạt (Particle size distribution)

• Kích thước (đường kính) trung bình (average diameter)

ni là số hạt ứng với đường kính di

• 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 ...

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 Muối ăn Bột cacao 355 – 500 210 – 300 53 – 75

Đường bột 45

1.2.3. Phân bố kích thước hạt (Particle size distribution)

• Ví dụ 1: Một mẫu bột mỳ được rây qua bộ rây gồm 10 rây và khối lượng bột còn lại trên mặt rây được thể hiện trong bảng dưới đây. Biểu diễn theo hàm phân bố E(xm) và hàm phân bố tích lũy F(xm); tính kích thước trung bình theo khối lượng của mẫu bột mỳ nói trên

Rây 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 x (μm) m(g) 1200 1000 800 600 400 200 100 50 30 20 0 3 7 46 145 178 45 11 4 1.9

Lọt rây 10 Σ

0 440.9 35

1.2.3. Phân bố kích thước hạt (Particle size distribution)

20 hạt thu được kết quả như sau

STT 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Chiều dài hạt (mm) 6.1 6.2 6.25 6.15 6.3 6.0 6.32 6.24 6.2 6.15

STT 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Chiều dài hạt (mm) 6.16 6.4 6.32 6.5 6.3 6.2 6.25 6.3 6.32 6.4

• Ví dụ 2: Tính E(n) và F(n) kích thước hạt gạo khi đo ngẫu nhiên

1.2.3. Phân bố kích thước hạt (Particle size distribution) Phương pháp quang học

Morpho-granulometry

Diffraction Light Scattering

Focused Beam Reflectance Measurement

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

• Tỷ lệ dài rộng (aspect ratio) (Ra) được tính toán dựa trên tỷ lệ chiều dài (a) và chiều rộng (b) của vật thể:

𝑅𝑎 = 𝑏 𝑎