Độ nhớt Vật lý thực phẩm

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM


VẬT LÝ THỰC PHẨM
Đề tài:

ĐỘ NHỚT
GVHD: TRẦN LỆ THU
SVTH:

1. Cao Bảo Anh

2005130178

2. Phạm Thị Lan Anh

2005130061

3. Nguyễn Thị Mỹ Duyên

2005130124

4. Phan Thị Nho

2005130135

5. Phan Thị Kiều Nương

2005130102

6. Nguyễn Thùy Trang

2005130101

TP. HỒ CHÍ MINH - 2015


(b)

Độ nhớt được định nghĩa là điện trở của chất lỏng chảy. Đơn vị của độ nhớt động
lực là (Pa s) trong hệ thống SI và đo bằng (g/cm s) trong hệ thống CGS.
Độ nhớt thay đổi theo nhiệt độ. Sự khác biệt về tác dụng của nhiệt độ lên độ nhớt
của chất lỏng và các loại khí thì liên quan đến sự khác biệt trong cấu trúc phân tử của
chúng. Độ nhớt của hầu hết chất lỏng thì giảm khi tăng nhiệt độ.
Nhiều lý thuyết đã đề xuất về sự ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ nhớt của chất lỏng.
Theo thuyết Eyring, có nhiều lỗ trống trong chất lỏng (Bird, Stewart, & Lightfoot, 1960).
Các phân tử liên tục di chuyển vào trong các lỗ trống. Quá trình này cho phép dòng chảy
nhưng đòi hỏi năng lượng. Năng lượng kích hoạt này thì có giá trị cao hơn khi nhiệt độ
cao hơn và chất lỏng chảy dễ dàng. Nhiệt độ ảnh hưởng lên độ nhớt có thể được mơ
phỏng bằng phương trình Arrhhenius:

Trong đó:
= Năng lượng kích hoạt (J/kg.mol)
R = hằng số khí (8314.34 J/kg.mol.K)
T = nhiệt độ tuyệt đối (K)
= hằng số ( Pa s)
Các phân tử chất lỏng được đặt khá gần nhau do lực liên kết chặt chẽ giữa chúng.
Sự phụ thuộc nhiệt độ của độ nhớt có thể được giải thích bởi các lực liên kết giữa các
phân tử (Munson, Young, & Okiishi, 1994). Khi nhiệt độ tăng, lực liên kết giữa các phân

tử giảm và dòng chảy trở nên tự do hơn. Kết quả là, độ nhớt của chất lỏng giảm theo sự


tăng nhiệt độ. Trong chất lỏng, lực liên phân tử (gắn kết) đóng vai trị quan trọng. Độ
nhớt của chất lỏng ít phụ thuộc vào mật độ, vận tốc phân tử, hay đường tự do trung bình.
Trong hầu hết các chất lỏng, độ nhớt là hằng số khi áp suất là 10.134 Mpa, nhưng
ở áp suất cao hơn độ nhớt tăng khi áp suất tăng.
Đối với khí, ngược lại với chất lỏng, khoảng cách giữa các phân tử xa nhau và lực
liên kết giữa chúng thì khơng đáng kể. Trong hầu hết các loại khí, độ nhớt tăng theo nhiệt
độ, có thể được thể hiện bằng các thuyết động học. Độ nhớt được giải thích lần đầu tiên
bằng thuyết động học do Maxwell thực hiện năm 1860 (Locb, 1965). Sự chuyển động
tương đối của điện trở là kết quả của sự trao đổi xung lượng giữa các lớp phân tử khí liền
kề. Khi các phân tử được vận chuyển bằng chuyển động ngẫu nhiên từ một vùng của vận
tốc thấp với phân tử trong một khu vực vận tốc cao hơn (và ngược lại), có một ngoại lực
chống lại sự chuyển động tương đối giữa các lớp. Khi nhiệt độ tăng hoạt động ngẫu nhiên
của phân tử tăng lên, tương ứng với sự gia tăng độ nhớt. Một cuộc thảo luận chi tiết hơn
về ảnh hưởng của nhiệt độ trên độ nhớt của chất lỏng có thể được tìm thấy bởi Loed
(1965) Và Reid, Prausnitz, và Sherwood (1977).
Hãy xét về một loại khí tinh khiết gồm rắn, các phân tử hình cầu có đường kính d
và khối lượng m trong nồng độ bề mặt của N phân tử trong một đơn vị thể tích. N được
coi là đủ nhỏ để khoảng cách trung bình giữa các phân tử là nhiều lần đưởng kính d của
chúng. Theo thuyết động học, nó được giả định rằng một phân tử trung bình đi qua một
khoảng cách bằng với đường tự do trung bình giữa các tác động này. Nếu quãng đường tự
do trung bình là λ, ta có thể xem xét chiều dài của con đường này là độ dày của lớp khí
trong đó các hoạt động diễn ra nhớt. Trên hai mặt của một lớp khí có bề dày của λ, các sự
khác biệt của dịng vận tốc trong khí được thể hiện như λ, cho gradient vận tốc bình
thường đến chuyển động của khí. Phân tử đến từ trên xuống phía dưới. Có thể nói rằng
trên trung bình một phần ba của các phân tử đang di chuyển với các lối đi lên hoặc
xuống. Như vậy, số lượng các phân tử của tốc độ (c) đi lên hoặc xuống trên một đơn vị

diện tích mỗi thứ hai sẽ được một phần ba của N. Động lượng chuyển qua lớp này lên và
xuống của các phân tử có thể được thể hiện như:
(2.4)
Định luật Newton về độ nhớt:
(2.5)
Từ công thức (2.4) và (2.5):
(2.6)
Các đường tự do trung bình được tính theo cơng thức sau:
(2.7)
Thế công thức (2.7) vào công thức (2.6) ta được:
(2.8)
Theo thuyết động học, vận tốc phân tử liên quan đến vận tốc chất lỏng có độ lớn
trung bình cho bởi phương trình sau đây:
(2.9)
với là số Avogadro, m là khối lượng phân tử, R là hằng số khí và T là nhiệt độ
tuyệt đối, vì vậy:
(2.10)
Trong đó K là hằng số Boltzmann ()
Phương trình (2.10) dự đốn rằng độ nhớt có thể tăng với căn bậc hai của nhiệt độ.
Kết quả cho thấy độ nhớt tăng với nhiệt độ nhanh hơn (Loeb, 1965).
Khí thải có giá trị độ nhớt thấp. Độ nhớt của chất khí này là hằng số cho đến mức
áp suất 1Mpa, nhưng sẽ tăng khi áp suất tăng trên mức này.


Khuếch tán hay độ nhớt động học, có cùng đơn vị với hệ số khuếch tán ( ) trong
truyền nhiệt và độ khuếch tán chất (D AB) trong truyền chất, được xác định để thực hiện
các công cụ chuyển nhượng tương tự. Đơn vị của nó là m 2/s trong hệ SI và (cm2/s) trong
hệ CGS. Đó là tỷ lệ độ nhớt động đối với mật độ chất lỏng:
(2.10)

Hình 2.3 Độ dốc của ứng suất cắt đồ thị so với tốc độ cắt là không đổi cho các chất
lỏng phi Newton.
2.2.2 Lưu chất nhớt
Lưu chất nhớt có xu hướng biến dạng dưới tác dụng của một ứng suất. Chúng có
thể được phân loại thành lưu chất Newton và lưu chất phi Newton.
2.2.2.1.Lưu chất Newton


Lưu chất tuân theo Định luật Newton về độ nhớt được gọi là lưu chất Newton. Đồ
thị so sánh độ dốc của ứng suất trượt so với tốc độ trượt, đó là độ nhớt, là khơng đổi và
phụ thuộc vào tốc độ trượt trong lưu chất Newton. Khí; dầu; nước; và hầu hết các chất
lỏng có chứa hơn 90% nước như chè, cà phê, bia, đồ uống có ga, nước ép trái cây, và sữa
cho thấy trạng thái Newton.
2.2.2.2.Lưu chất phi Newton
Lưu chất mà không tuân theo Định luật Newton. Lưu chất trượt dính mỏng và lưu
chất trượt đọng dày tuân theo định luật lũy thừa (phương trình Ostwald-de Waele):
(2.12)
với:
K = hệ số nhất quán dòng chảy ()
n = chỉ số trạng thái dịng chảy

Hình 2.4 Độ nhớt biểu kiến của các lưu chất độc lập theo thời gian
Đối với lưu chất trượt dính mỏng (chất lỏng giả dẻo) n < 1.
Đối với lưu chất trượt đọng dày n > 1.


Lưu chất Newton có thể được coi là trường hợp đặc biệt của mơ hình này, trong đó
n=1 và .
Đồ thị về độ dốc của ứng suất trượt so với tốc độ trượt là không đổi cho các lưu

chất phi Newton (Fig.2.3). Đối với tốc độ trượt khác nhau, độ nhớt cũng khác nhau. Do
đó, độ nhớt biểu kiến là một thuật ngữ được dùng cho lưu chất phi Newton. Sự biến đổi
của độ nhớt biểu kiến theo tốc độ trượt thì khác với lưu chất phi Newton được hiển thị
trong hình 2.4.
Ký hiệu η thường được sử dụng để đại diện cho độ nhớt biểu kiến để phân biệt nó
với độ nhớt hồn tồn Newton, μ. Tỷ lệ ứng suất trượt với tốc độ trượt tương ứng được
gọi là độ nhớt biểu kiến, tại đó tốc độ cắt:
(2.13)
Độ nhớt biểu kiến và độ nhớt Newton là giống hệt nhau cho các lưu chất Newton
nhưng độ nhớt biểu kiến trong các lưu chất của định luật lũy thừa là:
(2.14)
(a). Lưu chất trượt dính mỏng (Pseudoplastic). Trong các loại lưu chất, khi tăng
tốc độ trượt thì sự ma sát giữa các lớp giảm. Nguyên nhân là do phân tử chuỗi dài duỗi
thẳng ra và trở nên phù hợp với dòng chảy, giảm độ nhớt. Một ví dụ điển hình cho lưu
chất trượt dính mỏng là sơn. Khi sơn lên bề mặt mà khơng qt lên, điều đó làm tăng độ
nhớt của nó và ngăn khơng cho nó chảy dưới tác dụng của trọng lực. Khi sơn được áp
dụng cho bề mặt bằng cách quét lên thì làm mỏng lớp sơn, độ nhớt của nó giảm. Một ví
dụ cho một lưu chất giả dẻo là mực trong một cây bút bi. Khi cây bút khơng được sử
dụng thì mực in rất nhớt nên nó khơng chảy. Khi chúng ta bắt đầu viết, các quả bóng nhỏ
trong cuộn điểm của nó và các biến bóng tạo ra chuyển động trượt. Kết quả là giảm độ
nhớt và mực chảy trên giấy. Sản phẩm từ rau quả như mứt táo, chuối nghiền và các loại
nước ép trái cây cơ đặc là ví dụ chất lỏng giả dẻo trong hệ thống thực tốt cho phẩm.


.Gần đây Krokida, Maroulis, và Saravacos (2001) đã phân tích đặc tính lưu biến
của sản phẩm rau quả. Hệ số nhất quán k tăng theo cấp số nhân trong khi chỉ số trạng thái
dòng chảy n giảm nhẹ so với nồng độ. Chỉ số trạng thái dòng chảy là gần 0.5 cho sản
phẩm mềm và gần 1 cho nước trái cây. Trong khi chỉ số trạng thái dòng chảy đã được giả
định là tương đối ổn định với nhiệt độ, ảnh hưởng của nhiệt độ lên cả độ nhớt biểu kiến, η
và hệ số nhất qn của mơ hình luật hàm mũ, k được giải thích bằng phương trình

Arrhenius-type.
Các đặc tính dịng chảy của bột hạt đào hoạt hóa hỗn hợp cacbon ở nhiệt độ 15 đến
400c và nồng độ của cacbon hoạt hóa dạng hạt 0,5 đến 5,0 kg/m3 theo động thái cắt tỉa
(Arslanoglu, Kar, & Arslan, 2005). Chỉ số trạng thái dòng chảy và hệ số nhất quán của
thịt - hạt đào hoạt hóa hỗn hợp cacbon trong phạm vi 0,328 – 0,512 và 2,17 – 6,18 ,
tương ứng. Hệ số nhất quán và chỉ số trạng thái dịng chảy cả hai theo sự tăng nhiệt độ.
Tính lưu biến của thực phẩm có thể thay đổi tùy thuộc vào nồng độ. Các thuộc
tính lưu biến của nước nho đã cô đặc với giá trị Brix 82,1 cho thấy trạng thái trượt dính
mỏng (Kaya & Belibagli, 2002). Tuy nhiên, các mẫu pha loãng với giá trị Brix 52,1 đến
72,9 đã được Newton tìm thấy.
Các thuộc tính lưu biến của mè dán - nước ép nho đã cơ đặc, đó là một truyền
thống của sản phẩm thực phẩm trong bữa ăn sáng kiểu Thổ Nhĩ Kỳ, dán mè cô đặc đã
được nghiên cứu ở 35 đến và 65 0C ở mức 20% đến 32%. Tất cả các hỗn hợp cho thấy
động thái cắt tỉa với lưu lượng 0,7 đến 0,85 (Arslan, Yener, & Esin, 2005). Các hệ số nhất
quán đã được mơ tả bởi phương trình Arrhenius.
Sakiyan, Summu, Sahin, và Bayram (2004) đã nghiên cứu các thuộc tính lưu biến
của bột bánh với nồng độ chất béo và các loại chất nhũ hóa khác nhau và phát hiện ra
rằng bột bánh biểu hiện trạng thái trượt dính mỏng. Sự gia tăng hàm lượng chất béo và bổ
sung các chất nhũ hóa gây ra sự sụt giảm trong độ nhớt biểu kiến. Chỉ số trạng thái dịng
chảy được tìm thấy độc lập với thành phần của bột bánh.


(b). Lưu chất trượt đọng dày. Trong các chất lỏng loại này, khi tăng tốc độ trượt,
sự ma sát nội bộ và độ nhớt biểu kiến tăng. Một người rơi xuống đầm lầy cố gắng thoát
khỏi càng sớm càng tốt. Tuy nhiên, khi ông cố gắng di chuyển trong hoảng loạn, sự dịch
chuyển đột ngột được tạo ra và ông càng cố gắng để thoát ra, cần một lực lớn hơn để ông
ấy chuyển động. Đi bộ trên cát ướt ở bãi biển là một ví dụ khác của chất lỏng trượt đọng
dày. Nếu một hệ thống huyền phù nước – cát được làm lắng trong một thời gian. Phần
khoảng trống chiếm bởi nước là rất nhỏ. Sự dịch chuyển bất kỳ sẽ gây khó khăn cho việc
liên kết chặt chẽ và những lỗ trống sẽ tăng lên. Nước sẽ khơng cịn lắp đầy khơng gian

giữa các hạt cát và thiếu dầu bơi trơn sẽ tăng điện trở của dịng chảy.
Trong các hệ thống thực phẩm, tinh bột ngô là một ví dụ của lưu chất trượt đọng
dày. Dintiz, Berhow, Bagley, Wu, and Felker (1996) cho thấy hiện tượng trượt đọng dày
trong tinh bột khơng biến tính (ngơ sáp, gạo sáp, đại mạch sáp, khoai tây sáp, lúa mì, gạo,
ngơ) đã được hòa tan và phân tán ở nồng độ 3,0% trong 0,2N NaOH. Tinh bột sáp (ngô,
gạo, lúa mạch, khoai tây) cho thấy trạng thái kích thước lớn hơn tinh lúa mì, gạo, và ngơ
bình thường. Amylopectin là thành phần chịu trách nhiệm cho đặc tính trượt đọng dày.
Nếu sự tăng độ nhớt kèm theo sự tăng thể tích, lưu chất trượt đọng dày được gọi là
lưu chất trương nở. Tất cả lưu chất trương nở thì trượt đọng dày nhưng không phải tất cả
lưu chất trượt đọng dày đều trương nở.
2.2.3.Lưu chất dẻo
2.2.3.1.Lưu chất dẻo Bingham
Trong dạng chất lỏng này, chất lỏng duy trì được độ cứng khi đại lượng ứng suất
trượt nhỏ hơn ứng suất đàn hồi (τ 0) nhưng dòng chảy như lưu chất Newton khi ứng suất
trượt vượt quá τ0. Kem đánh răng là một ví dụ điển hình của lưu chất dẻo Bingham. Nó
khơng chảy trừ khi ống kem được nặn. Trong hệ thống thức ăn, ma-yo-ne, bột cà chua,
sốt cà chua nấm là ví dụ của dạng lưu chất này. Phương trình biểu diễn trạng thái của lưu
chất dẻo Bingham.


(2.15)
Độ nhớt biểu kiến cho lưu chất dẻo Bingham có thể được xác định bởi tỷ số của
ứng suất trượt tương ứng với tốc độ trượt:
(2.16)
2.2.3.2.Lưu chất dẻo phi Bingham
Với dạng lưu chất này, ứng suất trượt tối thiểu đã biết như ứng suất đàn hồi vượt
quá trước khi dòng chảy bắt đầu, như trường hợp chất lỏng dẻo Bingam. Tuy nhiên, đồ
thị ứng suất trượt so với tốc độ trượt khơng thẳng. Lưu chất dạng này có thể trượt dính
mỏng hoặc trượt đọng dày với ứng suất đàn hồi.
Lưu chất tn theo mơ hình Herschel-Bulkley (Bourne, 1982) và được đặc trưng

bởi sự hiện diện bởi giới hạn của ứng suất đàn hồi (τ0) trong phương trình luật lũy thừa:
(2.17)
Bột cá và bột nho khơ tn theo mơ hình Herschel-Bulkley. Trạng thái chảy dòng
của bột gạo lỏng được sử dụng trong sản phẩm chiên, rán hình thành tn theo mơ hình
Herschel-Bulkley (Mukprasirt, Herald, & Flores, 2000).
Mơ hình Casson (Casson, 1959) được diễn đạt như sau:
(2.18)
Socola sữa nấu chảy tuân theo mơ hình Casson. Khi kết quả việc phân bố các hạt
kích thước nhỏ của chất rắn ko béo trên dịng chảy đặc trưng được nghiên cứu. Giá trị
ứng suất đàn hồi tương ứng với đường kính và diện tích bề mặt riêng của khối chất rắn
không béo (Mongia & Ziegler, 2000).
2.2.4.Mối liên hệ thời gian (Phụ thuộc thời gian):


Khi lưu chất phụ thuộc vào hằng số tốc độ trượt, chúng trở nên mỏng hơn (hoặc
dày hơn) với thời gian (Hình 2.5)
Lưu chất trình bày sự giảm ứng suất trượt và tốc độ nhớt biểu kiến với mối liên hệ
với thời gian khi giảm tốc độ trượt được gọi là lưu chất giả dẻo (trượt dính mỏng theo
thời gian). Hiện tượng này có thể vì sự phá vỡ cấu trúc của nguyên liệu khi liên tục bị
làm biến dạng. Gelatin (keo động vật), lịng trắng trứng, và shortening có thể cho là ví dụ
của loại chất lỏng này.
Shear stress, Pa

Thixotropic
Time-Independent

Rheopectic
Time at constant shear rate, s

Hình 2.5. Trạng thái phụ thuộc thời gian của lưu chất

Trạng thái lưu biến có thể nghịch đảo, nghịch đảo một phần hoặc không nghịch
đảo khi chuyển dịch trượt (lưu chất ngừng lại). Chất lưu biến khơng nghịch đảo được gọi
là rheomalaxis hoặc rheodestruction (Hình 2.6).
Trạng thái lưu biến của một sản phẩm được nghiên cứu bằng cách tăng ứng suất
trượt hoặc giảm tốc độ trượt. Nếu ứng suất trượt liên tục như hàm tốc độ trượt, khi tốc độ


trượt được tăng trước và sau đó giảm xuống, chu trình trễ được thấy trong đồ thị ứng suất
trượt so với tốc độ cắt.
Trong lưu chất lưu dần tăng nhớt ( trượt đọng dày theo thời gian ), ứng suất trượt
và độ nhớt biểu kiến tăng theo thời gian, điều đó là, cấu trúc nâng cao khi trượt liên tục
(Hình 2.5). Huyền phù đất sét Bentonit cho thấy trạng thái dịng của loại này. Nó thì rất
hiếm thấy trong hệ thống thực phẩm.
Bột nhão tinh bột - sữa - đường cho thấy trạng thái dòng chảy phụ thuộc thời gian
(Abu-Jdayil & Mohameed, 2004). Nếu quá trình chế biến bột nhão được làm ở 85 và
950C, bột nhão tinh bột - sữa - đường biểu diễn trạng thái lưu biến,trong khi quá trình làm
bột nhão tại 750C thì giống chất lưu dần tăng nhớt. Chú ý rằng chất lưu biến được tìm
thấy ở ứng suất trượt cao (trên 50 Pa), và chất lưu dần tăng nhớt được tìm thấy tại ứng
suất trượt thấp (dưới 45 Pa).


Khi protein đậu nành được thêm vào nước ép cà chua, trạng thái lưu biến được
thấy khi tốc độ trượt thấp nhưng sau đó sẽ chuyển sang trạng thái lưu dần tăng nhớt ở tốc
độ trượt cao hơn (Tiziani & Vodovotz, 2005).
Isikli và Karababa (2005) vừa cho thấy rằng bột cà ri, một loại thức ăn truyền
thống ở Thổ Nhĩ Kỳ, biểu diễn trạng thái dần tăng nhớt.
2.2.5.Độ nhớt của dung dịch
Đối với trường hợp là dung dịch, nhũ tương, hoặc huyền phù, độ nhớt thường
được đo bằng giới hạn so sánh, đó là, độ nhớt của dung dịch, nhũ tương, huyền phù được
so sánh với độ nhớt của dung mơi tinh khiết. Độ nhớt dung dịch có lợi cho sự hiểu biết

trạng thái một vài chuỗi polyme tự nhiên gồm dung dịch chứa nước của chất keo đậu,
chất keo đậu guar, và carboxylmethyl cellulose (Rao, 1986).
Độ nhớt của dung mơi tinh khiết và huyền phù có thể được đo và giá trị khác nhau
có thể được tính từ số liệu kết quả. Độ nhớt tương đối, ηrel được tính như sau:
(2.19)
Trong đó:


= số lượng phân số được sử dụng bởi pha phân tán
k = hằng số.
Độ nhớt riêng phần, thì:
(2.20)
Độ nhớt bị giảm, thì:
(2.21)
Trong đó C là nồng độ khối lượng của dung dịch g/100ml.
Độ nhớt riêng, thì:
(2.22)
Độ nhớt trong, , có thể được xác định từ dữ liệu độ nhớt của dung dịch hịa tan:
(2.23)
Trong dung dịch lỗng, chuỗi polyme bị chia và độ nhớt trong của polyme trong
dung dịch chỉ phụ thuộc kích thước của chuỗi polyme (Rao, 1999). Độ nhớt trong của
dung dịch protein khác nhau được tóm tắt bởi Rha và Pradipasera (1986).
Phương trình thường dùng để xác định độ nhớt trong của chất keo thực phẩm là
phương trình Huggins (2.24) và Kramer (2.25) (Rao, 1999):
(2.24)
(2.25)
Trong k1 và k2 lần lượt là hằng số Huggins và Kramer, chúng có quan hệ như sau:
(2.26)
2.3 Cách tính độ nhớt:

Các cách tính độ nhớt thường dùng nhất là nhớt kế mao quản, nhớt kế dạng nước,
nhớt kế bi rơi, nhớt kế quay.
2.3.1.Nhớt kế mao quản
Nhớt kế mao quản thường ở dạng ống chữ U. Những nhớt kế dạng này rất đơn
giản, khơng đắt, và phù hợp với dịng lưu chất nhớt thấp. Có nhiều thiết kế khác nhau của
nhớt kế mao quản. Một dạng điển hình của nhớt kế mao quản được biểu diễn ở hình 2.8.
Trong nhớt kế mao quản, thời gian cho số lượng lưu lượng tiêu chuẩn đi qua một
chiều dài biết trước của ống mao dẫn được đo.