Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
Chương 2 : Qúa trình đồng hoá

Chương 2 : Qúa trình đồng hoá

Tải bản đầy đủ - 0trang

nghiên cứu cho rằng sự đồng hóa vẫn có thể diễn ra mà không cần sự xuất hiện của những bong bóng hơi,

tuy nhiên hiệu quả của q trình sẽ thấp hơn [10].

Trong q trình đồng hóa, dòng chất lỏng thượng lưu (liquid upstream) sẽ có năng lượng cao về thế

năng. Khi vào van, năng lượng này sẽ chuyển hóa thành động năng (theo quy luật của Bernoulli). Vận tốc

chất lỏng lớn khi qua một khe rất hẹp của van đồng hóa sẽ tạo ra các dòng chảy rối rất mạnh, động năng của

dòng chất lỏng bây giờ bị mất đi do chuyển hóa thành nhiệt năng, chỉ một phần động năng rất nhỏ (thường ít

hơn 0.1%) được sử dụng để phá vỡ các giọt chất lỏng và chuyển thành năng lượng bề mặt. Lượng năng

lượng tiêu hao trên mỗi đơn vị thể tích (J/m 3) bằng phom (N/m2). Nếu nhiệt độ của chất lỏng là cp thì sự gia

tăng nhiệt độ do đồng hóa là phom/cp. Đối với sữa, cp ≈ 4 x 106 (J.m-3.K-1). Do đó, ∆T≈ phom/4 nếu phom

(MPa) và T (°K) [10].

Thời gian chất lỏng chảy qua van là rất ngắn (dưới 1ms). Kết quả là năng lượng tiêu hao trên mỗi đơn

vị thể tích và trong mỗi đơn vị thời gian 𝜀 (J.m-3.s-1 hoặc W/m3) là rất cao từ 1010 - 1012 W/m3 (xem Hình

8B). Với 𝜀 cao như vậy sẽ tạo ra các dòng chảy rối rất dữ dội, nhiều vi lốc xoáy nhỏ, trong đó gradient vận

tốc của chất lỏng sẽ cao. Những vi lốc xốy đó làm thay đổi áp suất, va đập vào các hạt pha phân tán và làm

cho hạt bị vỡ ra, đặc biệt là các giọt nhỏ (xem mục 9.3) [10].

Hình 9 minh họa sơ đồ van đồng hóa đơn giản nhất khi sử dụng. Các áp suất được điều chỉnh bằng

cách điều khiển lò xo ấn xuống van với một lực thích hợp. Trong các máy có áp suất thủy lực lớn thay vì áp

suất cơ học thường được áp dụng.

Đơi khi, có một bề mặt cứng làm ảnh hưởng, tại đó vận tốc chất lỏng vẫn cao 50 m/s (180 km/h). Các

hạt rắn có thể va chạm vào và bị phá vỡ nếu mật độ hạt cao hơn đáng kể so với mật độ chất lỏng. Đây là một

phương pháp được sử dụng nhiều để giảm kích thước hạt ca cao trong sữa sơ-cơ-la.

Hầu hết van đồng hóa phức tạp hơn nhiều so với van được minh họa ở Hình 9. Để tránh sự mài mòn

khơng đều thì một trong số các van đồng hóa sẽ được quay tương đối đến van ghế (valve seat) [10].



Hình 8.Hoạt động của máy đồng hóa áp lực cao.

(A) sơ đồ dòng chảy: 1: bể chứ, 2: máy bơm áp lực cao, 3,5: áp kế, 4:van đồng hóa, 6: van của

giai đoạn thứ hai, 5 và 6 không phải lúc nào cũng có mặt. (B) Nguyên tắc van đồng hóa: p (áp

suất), r (mật độ khối lượng),v (vận tốc chất lỏng), tp (thời gian), L (chiều dài đường dẫn).



Hình 9.Mặt cát ngang của một van đồng hóa (gần với quy mô nhưng khoảng cách giữa

valve và valve seat nhỏ hơn nhiều so với hình vẽ).

2.



Mục đích



Chống tạo kem: để đạt được điều này, kích thước các hạt cầu béo phải được giảm đáng kể. Một lớp

kem có thể làm giảm thị hiếu, đặc biệt là nếu đóng gói khơng kỹ càng [1] [10].

Cải thiện tính ổn định: làm giảm đường kính hạt cầu béo và tăng diện tích tiếp xúc bề mặt sẽ làm

tăng tính ổn định. Hơn nữa, sự kết dính từng phần sẽ tạo nên một lớp kem nhưng sẽ hình thành chậm hơn

nhiều trong các sản phẩm được đồng hóa. Việc ngăn ngừa sự kết dính từng phần thường là mục đích quan

trọng nhất của q trình đồng hóa [1] [10].

Tạo tính lưu biến mong muốn: làm tăng độ nhớt vì một phần các hạt cầu béo được bao

phủ bởi casein tham gia vào sự tạo thành mixen casein [10].

Chuẩn bị: xử lý nguyên liệu để hỗ trợ cho các quá trình sản xuất tiếp theo được thực hiện tốt hơn [1]

[10].

Bảo quản: làm tăng độ bền của các thực phẩm dạng nhũ tương và huyền phù. Nhờ đó, thời gian bảo

quản sản phẩm sẽ lâu hơn [1] [10].

Hoàn thiện: làm phân bố đều các hạt thuộc pha phân tán trong pha liên tục của nhũ tương và huyền

phù. Do đó, độ đồng nhất của sản phẩm sẽ tăng, đồng thời cải thiện một số chỉ tiêu cảm quan như trạng thái,

vị... [1] [10].

3.



Các biến đổi của ngun liệu



Đồng hóa làm giảm kích thước các hạt phân tán trong hệ nhũ tương hoặc huyền phù. Đây là biến đổi

quan trọng nhằm hạn chế hiện tượng tách pha trong q trình bảo quản sản phẩm. Kích thước của các hạt

phân tán càng nhỏ thì khả năng bị tách pha của huyền phù hoặc nhũ tương sẽ càng khó xảy ra. Việc sử dụng

áp lực cao để thực hiện q trình đồng hóa sẽ làm tăng nhiệt độ



của ngun liệu. Kết quả thực nghiệm cho thấy nếu như áp lực sử dụng tăng 40bar thì nhiệt độ nguyên liệu

sẽ tăng 1℃. Trong công nghiệp thực phẩm, giá trị áp lực sử dụng thường dao động trong khoảng 200300bar tương đương với khoảng tăng nhiệt độ nguyên liệu trong quá trình đồng hóa là 5,0-7,5℃. Như vậy,

mức độ làm tăng nhiệt độ nguyên liệu là không lớn [1] [10].

Bên cạnh đó, còn làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc giữa pha phân tán và pha liên tục trong hệ nhũ

tương hoặc huyền phù. Khi đó các giá trị như năng lượng bề mặt và sức căng bề mặt trong hệ phân tán sẽ

thay đổi. Khi có sử dụng chất nhũ hóa chúng sẽ phân bố tại vị trí bề mặt tiếp xúc pha trong hệ phân tán, nhờ

đó mà độ bền pha của sản phẩm sẽ tăng [1] [10].

Hóa học, hóa sinh, sinh học: các biến đổi này xảy ra khơng đáng kể.

4.



Các yếu tố ảnh hưởng



4.1.



Kích thước các hạt béo và tỷ lệ phần trăm giữa hàm lượng pha phân tán và pha liên



tục

Nếu thể tích của chất béo (pha phân tán) chỉ chiếm một phần nhỏ thể tích tồn bộ hệ nhũ tương thì q

trình đồng hóa sẽ thực hiện dễ dàng và hệ nhũ tương có độ bền cao. Ngồi ra, các hạt béo có xu hướng kết

hợp lại với nhau tạo thành các hạt lớn hơn dẫn đến hiện tượng tách pha [10] [11].

4.2.



Thiết bị đồng hóa



Đặc biệt là thiết kế van đồng hóa: đối với cũng một áp suất p thì thời gian đồng hóa (t p) sẽ khác nhau

và khi đó 𝜀 = p√tp . Ngồi ra, còn phụ thuộc vào điều kiện đồng hóa (xem Hình 10) [10].



Hình 10.Ảnh hưởng của áp suất đồng hóa lên kích thước hạt trung bình và hằng số sa lắng

đối với hai thiết bị đồng hóa (I và II). (From H. Mulder and P. Walstra, The Milk Fat

Globule, Pudoc, Wageningen, 1974.)



4.3.



Áp suất



Tăng áp suất trong một giới hạn nhất định sẽ xuất hiện hiện tượng chảy rối và xâm thực khí. Do đó

kích thước của các hạt pha phân tán giảm đáng kể và hệ phân tán thu được sẽ có độ ổn định cao. Tuy nhiên,

việc tăng áp lực đồng hóa sẽ làm tăng chi phí năng lượng của q trình và giá thành thiết bị sử dụng [1] [10]

[11].

4.4.



Sự chảy rối



Các dòng chảy trong khe của van đồng hóa hầu như đều xảy ra sự chảy rối. Hằng số Reynolds (2 h v

𝜀/ŋ, trong đó h là chiều rộng, v là tốc độ chảy trung bình) là 40000 trong máy đồng hóa lớn. Còn trong máy

nhỏ hơn thì Re nhỏ hơn nhưng vẫn đủ để tạo ra sự chảy rối. Một dòng chảy rối mạnh mẽ sẽ tạo ra các vi lốc

xoáy (eddies, whirls, vortices) ứng với mỗi kích cỡ khác nhau liên tục hình thành và biến mất. Theo lý

thuyết Kolmogorov, vận tốc gốc trung bình của các vi lốc xốy có thể tính được, nó phụ thuộc vào mật độ

electron và khoảng cách x. Theo phương trình Bernoulli, điều này sẽ dẫn đến biến đổi áp suất (xem Hình 8)

[10].

∆p(x) ≈ ,

Do những biến đổi này, giọt dầu có thể bị biến dạng và bị phá vỡ thành những giọt nhỏ hơn. Những

giọt chống lại được sự biến dạng là nhờ vào áp lực Laplace của nó (pLa = 4 𝜀/d), nhưng nếu chênh lệch áp

suất lớn hơn áp lực Laplace thì vẫn có thể xảy ra sự biến dạng. Theo lý thuyết, kích thước tối đa của giọt

dầu có thể có được trong dòng chảy rối được biểu thị bằng cơng thức sau:

dmax ≈



-0.4 0.6 -0.2



𝜀 𝜀



Trong sữa, sức căng bề mặt giữa dầu và plasma sẽ khoảng 15 hoặc 20 mN.m-1 tại thời điểm các giọt

dầu bị phá vỡ. Mật độ electron rất cao trong áp suất đồng hóa do năng lượng động học có sẵn sẽ bị tiêu hao

trong thời gian rất ngắn [10].

(Lưu ý: sự phá vỡ các giọt chất lỏng không phải do lực cắt mà là do lực quán tính. Mặt khác, lý thuyết được

áp dụng cho các trường hợp đơn giản. Đặc biệt là nếu Re không quá cao và các giọt dầu không quá nhỏ thì

các lực được tạo ra do độ nhớt cũng đóng vai trò một phần và kết quả là đường kính các giọt chât lỏng cũng

phụ thuộc một phần vào độ nhớt của pha liên tục)

Trong q trình đồng hóa, một số quá trình diễn ra đồng thời, như Hình 11, các giọt dầu bị biến dạng

(dòng 1) và có thể bị phá vỡ (dòng 1). Do đó, tổng diện tích bề mặt tăng lên và chất hoạt động bề mặt được

bổ sung vào (protein trong sữa) hấp phụ vào bề mặt các giọt dầu (dòng 2). Các giọt mới hình thành sẽ

thường xun va chạm với nhau, có thể dẫn đến sự tái kết tụ nếu



bề mặt protein còn nhỏ (dòng 3). Nếu protein đã hấp phụ thì sự va chạm khơng còn tác dụng (dòng 4). Sự

phá vỡ và va chạm một vài lần, ví dụ như 50 lần khi đi qua van đồng hóa. Sự phá vỡ xảy ra theo các bước

vì một giọt dầu đã bị phá vỡ hiếm khi bị phân chia ra hơn các giọt nhỏ hơn. Do đó, sức căng bề mặt sẽ giảm

nhiều lần và tăng trở lại [10].

Tốc độ các quá trình xảy ra phụ thuộc vào các biến số, như năng lượng, nồng độ chất hoạt động bề

mặt, kích thước và khối lượng giọt dầu, thời điểm đặc trưng 𝜀. Ví dụ, 𝜀a (thời gian hấp phụ) lớn hơn 𝜀d

(thời gian phá vỡ giọt), các giọt này có thể có sức căng bề mặt thấp, do đó tạo ra sức căng bề mặt giữa hai

pha cao hơn trong quá trình biến dạng và phá vỡ dẫn đến sự phân chia ít hiệu quả hơn. Nếu 𝜀a lớn hơn 𝜀e

(thời gian trung bình giữa hai lần va chạm) thì khả năng tái kết tụ tăng lên. Cả hai điều kiện này sẽ làm cho

kích thước hạt trung bình tương đối lớn [10]

Lý thuyết Kolmogorov đưa ra phương trình cho các giá trị 𝜀, từ đó chúng ta có thể tính tốn cho sữa

và kem được đồng hóa ở 60 và 20 MPa, sau đây là thời gian gần đúng:

Milk (4% chất béo)



Cream (25% chất béo)



Thời gian hấp phụ ( 𝜀a , µs)



0.3



1



Thời gian va chạm (𝜀e, µs)



0.2



0.02



Thời gian biến dạng (𝜀d, µs)



0.5



0.5



Đối với sữa thì các thời gian này đều giống nhau, nhưng đối với kem thì khác. Hơn nữa, các thời gian

đề cập đều rất ngắn.



Hình 11.Các quá trình xảy ra khi đồng hóa một hệ nhũ tương dầu trong nước. Các giọt

được mô tả bằng các đường mỏng, chất hoạt động bề mặt (ví dụ protein) đường dày

4.5.



Nhiệt độ



Đồng hóa thường được thực hiện ở nhiệt độ từ 40 đến 75℃. Hiệu quả quá trình sẽ kém nếu nhiệt độ

quá thấp làm các hạt béo bị kết tinh. Trong suốt q trình sẽ có sự tăng nhẹ nhiệt độ do giảm độ nhớt của

dầu. Nếu nhiệt độ đồng hóa quá cao sẽ xảy ra một số phản ứng không mong muốn trong thực phẩm, ví dụ

như phản ứng oxy hóa chất béo, phản ứng phân hủy làm tổn thất một số cấu tử mẫn cảm với nhiệt... [1] [10]



Hình 12.Ảnh hưởng của các điều kiện đồng hóa đến tính chất sản phẩm (p: áp suất, m:

khối lượng sữa, c: cream, dvs: thể tích/đường kính trung bình hạt béo, Γ: khối lượng

protein trên bề mặt, Cl: cluster đồng hóa trong kem, q: tốc độ tạo kem, tC: thời gian cần

thiết để đơng kem.

4.6.



Đồng hóa hai cấp



Sữa đầu tiên được chuyển vào thiết bị đồng hóa thơng qua van thơng thường, do đó áp suất giảm, ví

dụ từ 20 đến 5 Mpa (áp suất tối thiểu bên trong van bằng không). Thơng qua van đống hóa thứ hai, áp suất

giảm xuống khoảng 1bar (0.1 MPa), tại van này khơng có sự đồng hóa đáng kể, do đó, giai đoạn hai ít ảnh

hưởng đến kích thước hạt cầu béo. Nói cách khác, đồng nhất một giai đoạn ở 20 MPa dẫn đến một kết quả

tương tự như trong hai giai đoạn ở 20 và 5 MPa. Kết quả không mong muốn khi áp suất ở giai đoạn thứ hai

giảm hơn 30% tổng số áp suất [10].



Hình 13.Ảnh hưởng của đồng hóa 2 cấp đến kích thước hạt cầu béo được quan sát dưới

kính hiển vi.

4.7.



Tỉ lệ chất béo và chất hoạt động bề mặt (thường là protein)



Khi protein đủ sẽ bao phủ bề mặt hạt cầu béo mới hình thành khơng cho hạt cầu béo kết hợp lại với

nhau và lắng xuống. Trong các sản phẩm nhiều béo, ít protein thì có khuyn hướng tách béo cao. Nếu protein

khơng có sẵn để bao phủ hạt cầu béo thì đường kính trung bình của các hạt cầu béo sẽ lớn hơn (xem Hình

14) [10].



Hình 14.Ảnh hưởng của áp suất đồng hóa p (MPa) đến đường kính trung bình dvs (µm)

hạt cầu béo của sữa và kem. Hàm lượng chất béo được thể hiện phía dưới các đường cong

(trích từ P. Walstra and G. Hof, chưa xuất bản.)

4.8.



Chất hoạt động bề mặt



Khi được thêm vào (ví dụ như Tween 20 hoặc natri dodecyl sulfate) thì sẽ làm giảm sức căng bề mặt

giữa 2 pha trong hệ nhũ tương , đồng thời tạo nên một màng bảo vệ bao bọc xung quanh các hạt béo, làm

cho chúng không thể kết hợp với nhau tạo nên những hạt có kích thước lớn hơn [10].

4.9.



Hoạt động của thiết bị đồng hóa



Thay đổi áp suất (do van bị rò rỉ...), van đồng hóa bị mòn, khơng khí bị lôi cuốn vào gây tác dụng phụ.

Nếu chất lỏng chứa các phân tử rắn như bụi hoặc ca cao, van có thể bị mòn nhanh chóng, dẫn đến sự đồng

nhất khơng đạt u cầu [10].



Hình 15.Ảnh chụp sữa chua khơng có chất béo ảnh hưởng bởi điều kiện đồng hóa, (a):

phương pháp thông thường, (b): đồng nhất một cấp tại 150 MPa cho microfluidization.

4.10.



Lớp bề mặt (surface layers)



Khi dầu bơ được nhũ tương trong sữa tách béo (skim milk) và sau đó được đồng hóa (như trong chế

biến sữa tái tổ hợp) có một dạng lớp bề mặt bao gồm các protein sữa (xem Hình 16). Khi sữa được đồng

hóa, màng membrane trên hạt cầu béo bị phá vỡ nhưng vẫn hấp phụ. Lớp bề mặt của hầu hết các hạt cầu

béo trong sữa đồng hóa đều chứa những miếng vá (patches) của màng membrane chiếm 10 đến 30% bề mặt

[10].



Hình 16.Lớp bề mặt mới hình thành của các hạt cầu béo trong q trình đồng hóa. (From

P. Walstra, The milk fat globule: natural and synthetic, Proceedings XXth Intl.

Dairy Cong., 1978, 75ST.)

Lớp bề mặt mới hình thành bao gồm mixen casein và một số protein trong huyết thanh sữa. Một số

micell trên bề mặt dường như không thay đổi khi hấp phụ nhưng có lan rộng một ít trên bề mặt ranh giới

nước-dầu. Với kính hiển vi điện tử, người ta có thể quan sát thấy các lớp micell mỏng (10 đến 15nm) bao

gồm các tiểu đơn vị casein. Sự lây lan xảy ra rất nhanh, 1 lần mất chưa tới 1µs [10].

Nó có thể bắt nguồn từ lý thuyết Kolmogorov rằng dòng chảy các hạt (protein) hướng về phía các hạt

cầu béo trong suốt q trình đồng hóa phụ thuộc rất nhiều đến bán kính hạt r p. Mối quan hệ giữa tốc độ tăng

tải trọng bề mặt 𝜀 và nồng độ protein cp được biểu thị bằng công thức sau:

dΓ/dt ∝ cpr(1 + rp/r)3

Trong đó, r là bán kính giọt nhỏ (droplet radius). Micell casein có r ≈ 2nm, r từ 100 đến 400nm thì

tổng diện tích bề mặt có thể thay đổi từ 1,06 đến xấp xỉ 8 và nó lớn nhất khi các giọt nhỏ (small droplet) gặp

micell casein lớn, gần bằng diện tích bề mặt của hạt cầu béo khi kết hợp với serum protein. Điều này có

những hệ quả quan trọng sau:

Micell casein được ưu tiên hấp phụ. Casein tạo nên 80% protein trong sữa plasma nhưng khoảng 93%

protein trong các lớp bề mặt mới. Bởi vì “lớp casein” dày hơn “lớp serum protein”, casein chiếm khoảng

75% diện tích bề mặt các hạt béo. Kết quả này áp dụng cho đồng hóa ở khoảng 10MPa.

Micell lớn được hấp phụ ưu tiên hơn micell nhỏ.



Sự khác biệt trong hấp phụ protein (hạt) là lớn nhất đối với các hạt béo nhỏ hơn bởi vì r ≈ rp trong

một số micell. Điều này giải thích tại sao các hạt béo nhỏ hơn lại có lớp protein dày hơn nhiều (xem Hình

17C). Khi áp suất đồng hóa rất cao (lớn hơn 30 MPa) thì các lớp bề mặt thu được hầu như khơng có protein

huyết thanh sữa (serum protein).

Một giá trị trung bình của Γ khoảng 10mg/m2. Dưới đây là một số yếu tố ảnh hưởng đến Γ :

Nhiệt độ đồng hóa: yếu tố này được giải thích bởi hiện tượng micell casein lây lan nhanh qua bề mặt

ranh giới nước- chất béo, ở 70℃ nhanh hơn ở 40℃ làm cho Γ giảm.

Xử lý nhiệt: ví dụ trong 20 phút ở 80℃ , làm cho protein huyết thanh sữa liên kết với micell casein,

do đó làm Γ tăng (xem Hình 17B) do sự hình thành một lớp serum protein mỏng (thin local layer of serum

protein) khơng còn nữa.

Kích thước của micell casein: trong sữa bay hơi, micell casein có thể bị keo tụ lại thành những cái

lớn hơn, điều này cũng làm cho Γ tăng [10].

Trong một số sản phẩm kem, chất hoạt động bề mặt phân tử nhỏ như Tweens hoặc monoglycerides

đôi khi được thêm vào trước khi đồng hóa. Sau đó sẽ hấp phụ các hạt béo đã bị phá vỡ do đó làm giảm tải

trọng bề mặt protein (xem Hình 17D). Điều này là bởi vì các chất hoạt động bề mặt nói chung có tác dụng

làm giảm sức căng bề mặt hơn protein. Do đó, chúng được hấp phụ ưu tiên. Một số chất hoạt động bề mặt,

đặc biệt là Tweens, cũng có thể loại bỏ protein được thêm sau quá trình đồng hóa [10].



Hình 17.Ảnh hưởng của một số yếu tố trong q trình đồng hóa đến tải trọng bề mặt của

các giọt chất lỏng trong sữa (hoặc kem)



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Chương 2 : Qúa trình đồng hoá

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×