Bài giảng Vật lý thực phẩm - Chương 5: Tính chất nhiệt, điện của thực phẩm - Dương Văn Trường

Chương 5 : tính chất nhiệt, điện của thực phẩm TÍNH CHẤT NHIỆT (Thermal Properties) Vật liệu thực phẩm phải trải qua các công đoạn: từ thu hái, vận chuyển, xử lý, chế biến, bảo quản, lưu trữ để chuẩn bị cho khâu tiêu thụ Chỉ có rất ít thực phẩm tươi: trái cây, rau đi từ cánh đồng tới nơi tiêu thụ (ăn) mà không có xử lý nhiệt. Mục đích của xử lý nhiệt để: duy trì chất lượng, kéo dài thời gian bảo quản và tạo độ ngon riêng. Vd : Chế biến thủy sản: Các quá trình nhiệt bao gồm: - làm lạnh, làm đông, nung nóng  lấy nhiệt ra hoặc cung cấp nhiệt, muốn được chính xác phải có thông số nhiệt Các hình thức truyền nhiệt: Dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ • Dẫn nhiệt: là phương thức truyền nhiệt có sự ếp xúc giữa hai vật với nhau • Đối lưu: nhiệt truyền từ môi trường khí hoặc lỏng đến thực phẩm rắn • Bức xạ: là nhiệt truyền cho thực phẩm bằng sóng điện từ • Sự truyền nhiệt vào trong thực phẩm phụ thuộc đầu tiên vào sự chênh lệch nhiệt độ, nh chất vật lý (hình dạng, kích thước, thông số nhiệt) của thực phẩm • Mỗi cơ chế truyền nhiệt gắn liền với thông số nhiệt liên quan • Tính chất nhiệt được xác định thông qua đo lường trực ếp bằng các thí nghiệm hoặc nh toán thông qua các thành phần thực phẩm (nước, protein, carbon) HỆ SỐ DẪN NHIỆT • Ở trạng thái ổn định, sự dẫn nhiệt xuyên qua vật rắn , khi đó nh chất nhiệt quan trọng nhất là hệ số dẫn nhiệt () • : lượng nhiệt dẫn qua 1 đơn vị chiều dài khi có sự chênh nhau 1 độ •  được dùng để đánh giá nhiệt truyền qua vật thể dễ hay khó • Nhiệt truyền nhanh qua miếng kim loại nhưng lại chậm qua gỗ, khi đó ta nói hệ số dẫn nhiệt của kim loại lớn hơn của gỗ Vd: đồng: = 400 w/m.độ; nhôm: = 120w/m.độ; inox = 40 - 50w/m.độ • Vật liệu có hệ số dẫn nhiệt nhỏ sẽ trở thành vật liệu cách nhiệt: bông thủy tinh, polyurethane, • Hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm rất nhỏ và nằm trong dải hẹp: 0,2 – 0,5 W/m.độ • For fruits and vegetables with water content greater than 60%, thermal conductivity can be computed by the equation (Sweat, 1974): Thời gian nấu thực phẩm nhanh hay chậm là do bản thân thực phẩm chứ không phải là do dụng cụ carbohydrate (c); protein (p); fat (f); ash (a); and water (w). • Xác định hệ số dẫn nhiệt của cá có hàm lượng nước 70%, Pr : 18%, Lipits : 11%. Đáp số : 0,452 w/m.độ • Nhiệt dung riêng: nhiệt lượng cần thiết cung cấp cho 1kg vật chất để nhiệt độ của nó tăng lên 1 độ, Cp(p- NDR của chất rắn và lỏng được xác định ở áp suất không đổi) • NRD liên quan trực ếp đến năng lượng cung cấp cho vật thể. • NDR của nước là lớn nhất: Cp = 4,186 kj/kg.độ, • Thực phẩm có hàm lượng nước càng lớn thì Cp càng lớn Nhiệt dung riêng: 3684,38 J/kg.K 1865,38 J/kg.°C Bài tập Tính lượng nhiệt cần thiết để gia nhiệt cho 100 kg gạo từ nhiệt độ 20 lên 100 độ C. biết thành phần của gạo như sau NDR của thực phẩm có dạng a, b hệ số thực nghiệm Xw: hàm lượng ẩm của thực phẩm. abXC wp  Cp = 1,67 + 2,51 Xw, kJ/kg.độ carbohydrate (c); protein (p); fat (f); ash (a); and water (w). Có thể nh Cp theo chất khô (pr, li, khoáng)  iip XbaC • Hệ số khuếch tán nhiệt (Thermal diffusivity) cho biết trường nhiệt độ trong thực phẩm biến thiên nhanh hay chậm = /ρcp của thực phẩm  = 1 × 10-7 to 2 × 10-7 m2/s Hệ số khuếch tán nhiệt (Thermal diffusivity) TÍNH CHẤT ĐIỆN TỪ CỦA THỰC PHẨM Phổ điện từ Phổ điện từ chia ra thành 3 vùng : Vùng tử ngoại trở xuống (có bước sóng nhỏ), vùng ánh sáng khả kiến (bước sóng từ 400 – 700 nm và vùng hồng ngoại trở lên (bước sóng lớn hơn 700 nm). Năng lượng tử ngoại và năng lượng hồng ngoại là hai dạng của sóng điện từ, có thể truyền đi trong không gian, xuyên thấu trong thực phẩm và chuyển thành năng lượng nhiệt nung nóng thực phẩm ứng dụng - ánh sáng khả kiến : đánh giá cảm quan - vùng tử ngoại trở xuống : tia cực m (vô trùng), chiếu xạ thực phẩm (bảo quản), tia X (chụp X quang), tia bức xạ (xạ trị – điều trị ung thư, bướu cổ) - vùng hồng ngoại trở lên : ứng dụng cho quá trình sấy, dạng truyền thông tin như: rada, radio,TV, vệ tinh nhân tạo - Giữa năng lượng vi sóng và năng lượng hồng ngoại có những điểm khác nhau Năng lượng vi sóng -Bước sóng : dải hẹp f khoảng 2450 MHz và bước sóng dài hơn hồng ngoại -Có khả năng đâm xuyên thực phẩm nên nó làm nóng trong lòng thực phẩm nhanh chóng. -ứng dụng trong quá trình thanh trùng, nấu chín hoặc làm nóng thực phẩm -Quá trình làm nóng phụ thuộc vào hàm lượng ẩm của vật liệu, ẩm càng cao thì làm nóng càng nhanh Năng lượng hồng ngoại Bước sóng : lớn hơn 700 nm -Không có khả năng đâm xuyên thực phẩm mà chỉ làm nóng bề mặt thực phẩm -Quá trình làm nóng phụ thuộc vào đặc trưng bề mặt của thực phẩm, màu sắc của thực phẩm -Quá trình dẫn nhiệt vào trong phụ thuộc vào hệ số dẫn nhiệt của thực phẩm (phụ thuộc vào lượng ẩm của thực phẩm) -Áp dụng trong quá trình sấy, làm nóng bề mặt của thực phẩm, ít làm hư hỏng trong lòng thực phẩm. Nung nóng thực phẩm bằng lò vi sóng (lò viba), f= 2450 MHz - Phân tử nước gồm 1 nguyên tử oxy và 2 nguyên tử Hydro, do oxy có độ âm điện lớn làm cho nước trở thành phân tử lưỡng cực. - Khi thực phẩm được đặt trong một trường điện từ thì các lưỡng cực nước sẽ định hướng theo hướng của trường điện từ và khi trường điện từ dao động nhanh thì các phân tử nước cũng bị dao động theo - Do sự biến dạng của các cấu trúc phân tử gây nên khi nó sắp xếp định hướng trở lại theo trường điện từ mà nó chuyển năng lượng vi sóng thành nhiệt, trong quá trình đó nó cũng chịu ảnh hưởng bởi độ nhớt của thực phẩm - Số lượng lưỡng cực và sự thay đổi của nó theo trường điện từ được xác định thông qua hằng số điện môi của thực phẩm - Khi thực phẩm đặt trong một trường điện từ như vậy nó sẽ hấp thu sóng và chuyển thành nhiệt, lượng nhiệt được hấp thu đó đựơc gọi là “lose factor” – hệ số tổn thất. Thực phẩm có độ ẩm càng cao thì “lose factor” càng lớn do đó nó hấp thu nhiệt nhanh hơn - Do cấu trúc thực phẩm không đồng nhất nên sự hấp thu năng lượng vi sóng không đồng đều, do đó xảy ra sự dẫn nhiệt từ nơi có nhiệt độ cao sang nơi có nhiệt độ thấp - Thủy tinh và giấy và polymer có hệ số “lose factor” rất thấp, năng lượng vi sóng xuyên thấu rất dễ nên nó không bị đun nóng - Kim loại làm cho năng lượng vi sóng bị phản xạ - Độ xuyên thấu của vi sóng Thực phẩm Lose factor Chuối (tươi) 17 Thịt bò 16 Bánh mì 0,005 Bơ 0,1 Cá nấu rối 12 Nước 9,2 Dầu ăn 0,2 Thủy tinh 0,1 Giấy 0,1 Khoai 6,7 Khi nung nóng thực phẩm bằng lò vi sóng thỉnh thoảng ta gặp hiện tượng thực phẩm vỡ tung ra (nung nóng cục bộ) Ứng dụng: - Vi sóng có tốc độ truyền nhiệt, đun nóng nhanh không cần có những bề mặt truyền nhiệt vì vậy việc nung nóng bằng lò vi sóng được áp dụng cho nhiều loại thực phẩm: - Tan giá, sấy, nướng, hâm nóng • Theo các phương pháp tan giá truyền thống, mất rất nhiều thời gian, sự tan giá diễn ra ở lớp bên ngoài rồi từ từ đi vào bên trong, nếu không có kinh nghiệm thì sẽ không kiểm soát được tan giá • Khi tan giá bằng lò vi sóng: Năng lượng vi sóng đi xuyên vào trong thực phẩm làm cho quá trình tan giá diễn ra rất nhanh, người ta cũng dùng quá trình này để làm nóng chảy các loại mỡ, chất béo, tuy nhiên cũng nảy sinh những khó khăn: • Đối với loại thực phẩm đông block có kích thước lớn • Khi tan giá,vì nước có hệ số tổn thất lớn hơn nước đá nên khi nó tan ra, nó sẽ hấp thu năng lượng lớn hơn nước đá rất nhiều, với quá trình diễn biến ếp theo, phần tan ra bị nung nóng qúa mức, có những phần bị nấu lên trong khi có những phần khác vẫn bị đóng băng  Tan giá không đều • Khắc phục: - Giảm năng lượng vi sóng - Tác dụng dưới dạng xung (thời gian tan giá sẽ kéo dài) Nội dung thi cuối kỳ Bài tập Chương 3, 4, 5 Lý thuyết - Các phương pháp thực nghiệm và TPA xác định cấu trúc TP - Lý thuyết về chất lỏng Newton và phi Newton - Lý thuyết về tính chất điện từ của TP