Curs Fizica Aplicata

7/24/2019 Curs Fizica Aplicata

1/103

3

Cuprins

Cursul 1 Caracteristici fizice ale pulberilor alimentare. Criterii de

clasificare ale pulberilor alimentare

5

Cursul 2 Caracteristici fizice ale pulberilor alimentare. Caracterizareafizica particulelor individuale

9

Cursul 3 Caracteristici fizice ale pulberilor alimentare. Caracterizareafizica pulberilor n vrac

15

Cursul 4 Interac#iunea apei cu alimentele. Natura interac#iunii apei cuprodusele agroalimentare

23

Cursul 5 Interac#iunea apei cu alimentele. Activitatea apei 29

Cursul 6 Interac#iunea apei cu alimentele. Izotermele de sorb#ie 33

Cursul 7 Interac#iunea apei cu alimentele. Tranzi#ia sticloas 41

Cursul 8 Elemente de textur ale alimentelor. Evaluarea senzorial apropriet#ilor texturale ale alimentelor

51

Cursul 9 Elemente de textur ale alimentelor. Caracteristici mecaniceale texturii alimentelor. Stabilirea corela#iilor ntre analizasenzorial$i analiza instrumental

59

Cursul 10 Msurarea propriet#ilor fizice ale #esutului mu$chiular.Factori ce afecteazpropriet#ile fizice ale vegetalelor

67

Cursul 11 Propriet#i electrice ale produselor agroalimentare.Conductivitatea electrica produselor agroalimentare

75

Cursul 12 Propriet#i electrice ale produselor agroalimentare.Descrierea matematica unui dielectric

81

Cursul 13 Propriet#i electrice ale produselor agroalimentare.Msurarea propriet#ilor dielectrice ale produseloralimentare

89

Cursul 14 Propriet#i electrice ale produselor agroalimentare. Valori aiunor parametri dielectrici ai vegetalelor. Tratamentul termiccu microunde al alimentelor

97

Bibliografie 105


2/103

4


3/103

5

Cursul 1

Caracteristici fizice ale pulberilor alimentare.

Pulberile alimentare constituie un grup extins al diferitelor tipuri departicule ce sunt utilizate fie direct ca alimente, fie ca $i componente aleproduselor agroalimentare.

Criterii de clasificare ale pulberilor alimentare

Existdiverse criterii de clasificare, din care sunt prezentate n continuarecele mai des folosite. Astfel, duputilizarea lor, pulberile alimentare se clasificn:

o diferite sortimente de finuri;o pulberi instant pentru prepararea buturilor nealcoolice;o alimente pentru sugari;o prafuri pentru supe;o condimente;o ndulcitori;o unele semipreparate (amestecurile pentru nghe#at, budinc, prjituri);o ingredien#i minori sau aditivi (sare, pigmen#i, vitamina C).

n func#ie de componenta chimicmajor, clasificarea pulberilor se facen:

amidon (con#inut n fina de gru); proteine (fina de soia); zaharide cristaline (zaharoz, glucoz, ); zahr amorf (sucuri din fructe deshidratate); grsimi (amestecuri pentru supe).

Dupmodul de ob#inere existurmtoarele tipuri de pulberi:

- pulberi mcinate (condimente, zahr praf, );- pulberi uscate prin spreiere (pulbere din ou);- pulberi uscate n tob(pulbere pentru pireu de cartofi);- pulberi aglomerate (cafea solubil, lapte praf);- pulberi precipitate (proteine);- pulberi cristalizate (sare, zahr);- amestecuri de pulberi (pulberi pentru sucuri din fructe uscate).


4/103

6

Lapte praf instant Albu$de ou usact prin spriere

Lapte praf pentru cafea Pulbere de cacao

Finde gru instant Finde gru obi$nuit

Particule de lapte praf


5/103

7

Particule de amidon (C), Amidon gelatinizat (D)

Clasificate dupmrime pulberile sunt de doucalit#i:

o fine (fina);o grosiere (zahr granulat).

Existtrei tipuri de pulberi clasificate n func#ie de modul de absorb#ie alumidit#ii:

foarte higroscopice (pulberile pentru sucuri din fructe deshidratate); higroscopice (cafeaua tip ness, uscatprin spreiere);

moderat higroscopice (fina).n sfr$it, clasificate n raport cu capacitatea de curgere exist:

- pulberi ce curg liber (zahr granulat);- pulberi cu coeziune moderat(fina);- pulberi cu coeziune mare (aproape toate pulberile care absorb

umiditatea).

De remarcat cunele din criteriile cele mai interesante $i utilizate, cum ar

fi higroscopicitatea $i capacitatea de curgere, sunt greu de cuantificat, deoareceaceste criterii reprezint efectul combinat al unor fenomene fizice $i fizico-chimice. Pe lngaceasta, compozi#ia $i propriet#ile multor pulberi alimentaresunt variabile, iar cu timpul pot suferi modificri. Astfel, unele pulberi ce curgliber, devin lipicioase n timpul depozitrii, n timp ce alte pulberi ce sunt relativnehigroscopice (de exemplu sarea) devin foarte higroscopice n prezen#a unorimpurit#i. n continuarea cursului se va ncerca evaluarea acelor factori cedetermin sau influen#eaz propriet#ile fizice ale pulberilor alimentare,accentund n mod special caracteristicile lor specifice sau unice.


6/103

8

Cuvinte cheie: criterii clasificare pulberi alimentare, microscopie

Intrebari

1. Pe rafturile supremarketurilor se gse$te ambalat ptrunjel mcinat.Tinnd cont de clasificarea pulberilor, ncerca#i sstabili#i la ce criterii declasificare poate fi inclus acest produs.

2. Descrie#i particulele pulberilor alimentare din figurile ce inso#esc acestcurs.

3. Componenta principal din praful de budinc este amidonul. Ce culoareare pulberea de amidon? Cum justifica#i culoarea pulberii de amidon?

4. A#i cumprat un borcan sau o punga cu Vegeta. Din neaten#ie, dupce a#i

luat din el pulbere, nu l-a#i nchis bine, iar ambalajul l-a#i uitat ctevasaptmni n buctrie (umiditate mare). Ce crede#i c se ntmpl cuprodusul din borcan dupa cteva sptmni, $i ncerca#ti o explica#ie.

5. De ce crede#i ca zahrul praf se dizolvmai repede n apdect aceea$icantitate de zahr brut (cristalin) n cantitate identicde ap


7/103

9

Cursul 2

Caracteristici fizice ale pulberilor alimentare.


Caracterizarea fizica particulelor individuale

n mod obi$nuit pulberile se caracterizeaz la dou nivele: cel alparticulelor individuale $i cel al pulberii n vrac. De$i este evident c

propriet#ile n vrac sunt influen#ate de propriet#ile particulelor individuale,totu$i rela#iile dintre cele dou nivele nu sunt simple, deoarece implic factoriexteriori cum ar fi geometria sistemului, precum $i trecutul mecanic $i termic al

pulberii. De aceea este aproape imposibil sse prevadpropriet#ile n vrac alepulberilor pe baza propriet#ilor particulelor individuale, chiar dac ele suntdefinite precis $i complet.

Caracteristicile fizice ale particulelor individuale sunt determinate nprincipal de materia prim $i procesul tehnologic prin care s-au ob#inut. Ca

rezultat al absorb#iei umidit#ii, al reac#iilor chimice interne (brunarea Maillard)sau al frecrilor mecanice dintre particule, pot apare n cursul depozitrii saumnuirii, modificri ale trsturilor particulelor.

Pentru o apreciere mai precis$i pentru a controla calitatea $i parametriide proces, propriet#ile fizice ale pulberilor se pot caracteriza prin metodematematice. Modificrile de contur care apar n cursul dezintegrrii nedorite a

particulelor agroalimentare sunt cel mai bine caracterizate prin aplicarea teorieifractalilor.

Dimensiunea medie a particulelor pulberilor agroalimentare variazde lac#iva microni (granule de amidon), la sute de mii de microni (cafeaua solubil).Forma particulelor este foarte divers(figura 2.1), variind de la forme extrem deneregulate (pulberi mcinate) la forme aproximativ sferice (amidon) sau cristalecu formbine definit(zahrul granulat, sarea). Pentru determinarea distribu#ieidimensiunilor particulelor se utilizeaz: mpr$tierea luminii, microscopia,sitarea, analiza sedimentrii, permeabilitatea unei coloane cu pulbere, tehnicazonei sensibilelectric, analiza imagistic$i spectroscopia acustic.

Microstructura pulberilor poate fi pus n eviden# prin microscopiaelectronic cu scanare. Astfel s-a putut observa microstructura pulberilor pe


8/103

10

baz de grsimi, distingndu-se n structura lor cristale singulare, agregatecristaline, clusteri globulari, nveli$ cristalin. n schimb, pentru caracterizareastructurilor moleculare prezente n interiorul pulberilor se poate utiliza rezonan#amagnetic nuclear (RMN). RMN 13C a eviden#iat structura molecular a

polizaharidelor pulbere.Densitatea. Cele mai multe particule au cam aceea$i densitate solid

( solid ) (densitatea materialului solid la care nu s-a #inut cont de porii interni),situatn jurul valorii 1,4 1,5 g/cm3(tabelul 2.1). Excep#ii fac pulberile bazate

pe sare sau bogate n grsimi, a cror densitate poate varia considerabil, nfunc#ie de compozi#ie. Valoarea densit#ii depinde de umiditatea pulberii.

Densitatea particulei. O alt densitate caracteristic este densitateaparticulei, care #ine cont de existen#a porilor interni $i prin urmare poate fi

considerat ca o msur a densit#ii reale a particulelor. Aceast densitate sedefine$te ca fiind raportul dintre masa particulei $i volumul propriu zis alparticulei. Acest parametru nu furnizeazinforma#ii referitoare la forma porilorinterni $i pozi#ia lor n structura particulei. Particulele pot avea porozit#i dediferite tipuri (figura 2.2, figura 2.3), pozi#ia porilor n particul depinznd detipul de proces $i condi#iile n care s-au format particulele.

Figura 2.1 Forma unor particule din pulberile alimentare;a zahr mcinat; b sare mcinat; c amidon din porumb; d proteine din soia


9/103

11

Tabelul 2.1 Densitatea solid(g/cm3) a unor pulberi alimentare

Glucoza 1,56 Proteine ~ 1,4

Zahr 1,59 Grsimi 0,90 0,95

Amidon 1,50 Sare 2,16Acid citric 1,54 Apa 1,00

Figura 2.2 Prezentarea schematica diferitelor tipuri de particule poroase

Figura 2.3 Imagini cu microscopia electronica cu scanare a suprafetelor

pulberii de lapte praf, obtinut industrial prin spreiere-uscare a laptelui

smantanit inainte si dupa extractia grasimilor.

(A) inainte de extractia grasimilor; (B) dupa extractia grasimilor cu eter de petrol;(C) dupa extractia grasimilor cu etanol


10/103

12

Activitatea de suprafa#. Alimentele au proprietatea de a absorbi vaporide ap prin stratul de la suprafa#a lor. Pe lng vapori de ap, produseleagroalimentare au capacitatea de a absorbi prin suprafa#a lor particule solidefine, sau de a interac#iona cu alte particule similare sau diferite. Frac#iunea fina

particulelor are tendin#a de a adera la suprafa#a particulelor mai mari, crendstructuri aglomerate. Procesul de migrare al particulelor fine este important laob#inerea unor amestecuri ce con#in coloran#i. Pentru a mbunt#i aspectul sauaroma produselor de tip snack sau a produselor de brutrie, ele se acoper cu

pulberi care ader la suprafa#a lor. Capacitatea de absorb#ie confer produseloragroalimentare o activitate de suprafa#. Mecanismul prin care are locinterac#iunea de la suprafa#este foarte complex, el putnd include:

- formarea prin suprafa#a unor pun#i lichide cu apa sau grsimea topitdin aliment;

- ncrcri electrostatice;- implicarea unor for#e moleculare;- energia suprafe#ei cristaline.

Duritatea mecanic. Multe produse agroalimentare solide, n specialcnd sunt uscate, sunt fragile $i sfrmicioase. Duritatea lor pe scara Mosh estede ordinul 1 2 (n aceast scar a durit#ii, diamantul are duritatea 10).Duritatea pulberilor poate fi evaluatinstrumental.

Formarea prafului. Deoarece pentru particulele mici, neregularit#ile

suprafe#ei sau formei sunt asociate cu mic$orarea rezisten#ei mecanice,particulele alimentelor uscate au tendin#a de a fi mai pu#in rezistente, sau de a sedezintegra la tensiuni exterioare mici. Astfel, n cursul mrun#irii, sau al

procesrii, atunci cnd particulele sunt supuse unor for#e de lovire $i de frecare,apar for#e mecanice ce contribuie la dezintegrarea particulei. Pentru evaluareareducerii dimensiunii pulberilor se utilizeazindicele de eroziune, IE, definit prinraportul dintre acumularea particulelor fine $i reducerea dimensiunii frac#iuniimrun#ite sau mcinate. Ca rezultat al frecrilor mecanice este $i formarea

prafului. Acesta, n anumite condi#ii poate prezenta pericol de explozie.

Inciden#a la explozie depinde n principal de dimensiunea particulelor de praf,raportul praf/aer $i existen#a unei surse de scntei.

Exist ncercri de ordonare a pericolului de explozie pe care l prezintpraful ob#inut din pulberile agroalimentare la un moment dat. Cantitativ,pericolul de explozie este descris de indicele de explozivitate. Iatc#iva indicide explozivitate ai prafului rezultat din unele pulberi agroalimentare: amidon 50; zahr 13,2; cereale 9,2; fingru 3,8; lapte praf 1,4; cacao 1,4;cafea sub 0,1. Ca pericol poten#ial de explozie, valorile indicilor deexplozivitate se clasificconform tabelului 2.2.


11/103

13

Existen#a prafului poate constitui $i un pericol pentru sntatea celor carelucreazn locurile n care se formeazpraful, pentru a mpiedeca inhalarea luifiind necesarutilizarea unui echipament adecvat.

n cursul transportului $i depozitrii pulberilor, particulele pot acumulasarcin electric. ncrcarea $i descrcarea lor electrostatic este neliniar nraport cu timpul, procesul fiind pus pe seama migrrii protonilor, punndu-se neviden# transportul protonilor n proteinele hidratate. Aceasta nseamn c

pulberile au propriet#i dielectrice, observndu-se $i n cazul lor relaxareadielectric.

Tabelul 2.2 Clasificare a pericolului poten#ial de explozie n func#ie de

valorile indicilor de explozivitate

Valoare indice deexplozivitate

Clasa pericolului de explozie

Peste 10 Pericol mare de explozie

1 10 Pericol de explozie

0,1 1 Pericol moderat de explozie

Sub 0,1Pericol foarte slab sau frpericolde explozie

Cuvinte cheie: criterii clasificare pulberi alimentare, densitate, activitate desuprafata, duritate mecanica, formare praf

Intrebari

1. Descrie#i suprafa#a particulelor de lapte praf din figura 1.3, ncercnd seviden#ia#i asemnrile $i deosebirile celor trei tipuri de particule.

2. Intr-o incint nchis se macin mecanic zahrul cristalizat. Preciza#i cepericole pot apare n timpul procesrii $i ce msuri de siguran# trebuieluate.

3. In comer# se gsesc cornuri cu susan. Preciza#i pe ce se bazeazacoperirea cu susan a cornurilor.

4. Ce este densitatea particulei, dar densitatea ei solid?

5. n ce constactivitatea de suprafa#a pulberilor alimentare?


12/103

14


13/103

15

Cursul 3

Caracteristici fizice ale pulberilor alimentare


Caracterizarea fizica pulberilor n vrac

Propriet#ile n vrac ale pulberilor fine sunt determinate de:

- propriet#ile fizico-chimice ale materialului (compozi#ie, umiditate);

- geometria, mrimea $i caracteristicile de suprafa#a particulei;- trecutul sistemului, tratat ca un ntreg.

Forma containerului poate afecta caracteristicile de curgere, iar ca rezultatal vibra#iilor, are loc o cre$tere a valorii densit#ii pulberii. Atunci cnddimensiunea particulelor ob#inute prin frecri mecanice sunt mai mici dectdimensiunea particulelor de praf din produs, cum ar fi n cazul cafelei solubile,din cauza segregrii procesul poate influen#a densitatea n vrac a produsului, sau

poate afecta aspectul produsului.

Densitatea $i porozitatea

Densitatea n vrac ( vrac ) sau densitatea aparent, reprezint masaparticulei ce ocupunitatea de volum a unui strat de particule. n mod obi$nuitea se determinprin cntrirea masei pulberii care umple integral un cilindru deo#el cu volum cunoscut, de obicei 200 cm3, urmat de mpr#irea masei nete a

pulberii la volumul cilindrului.

Deoarece pulberile sunt compresibile, densitatea n vrac se poate exprimaca:

- densitatea libern vrac;- densitatea tasatn vrac (dupvibrare, n general 100 bti);- densitatea compactn vrac (dupcomprimare).

Densitatea liber n vrac a pulberilor alimentare se situeaz n general ndomeniul 0,3 0,8 g/cm3, ea fiind afectat de umiditatea produsului (tabelul3.1).

n cazul granulelor ob#inute din grsime de lapte, valoarea densit#ii nvrac (0,432 0,556 g/cm3) depinde de materialul ce se afl n peretele granulei


14/103

16

(zaharoz, amidon) $i de con#inutul ei de grsime. Prin includerea bulelor de aern cursul granulrii, se reduce densitatea particulei. De asemenea, metoda deuscare a pulberilor influen#eaz valoarea densit#ii libere n vrac. Astfel, -carotenul, cea mai utilizatsursde vitaminA se comercializeaz ncapsulat

n dextroz. Uscarea prin spreiere, n tob, sau prin congelare, permite ob#inereaunor granule cu densitatea libern vrac de 0,817, 0,699, respectiv 0,677 g/cm3.

Pulberile alimentare cu umiditate mai ridicat au densitatea n vrac maimic dect a pulberilor cu umiditate mai sczut. Dac o pulbere cu coeziunemai mare, coeziune datoratfor#elor de interac#iune dintre particule, este turnatntr-un container, ea formeazstructuri deschise, cu multe goluri, deci ea are odensitate n vrac sczut. Dacse toarno pulbere cu coeziune redus, din cauzaorientrii ntmpltoare a particulelor se ob#in structuri cu mai pu#ine goluri,deci densitate n vrac mai ridicat.

Tabelul 3.1 Densitatea libern vrac a unor pulberi agroalimentare

Denumire pulbereDensitate libern

vrac(g/cm3)

Umiditate(%)

Baby formula* 0,40 2,5

Cacao 0,48 3 5

Cafea (mcinat, prjit) 0,33 7

Cafea (solubil) 0,33 2,5

Amidon din porumb 0,56 12

Pulbere din ou 0,34 2 4

Gelatinmcinat 0,68 12

Celulozmicrocristalin 0,68 6

Lapte praf 0,61 2 4

Sare granulat 0,96 0,2

Sare fin mcinat 0,95 0,2Proteine din soia 0,28 2 3

Zahr granulat 0,80 0,5

Zahr praf 0,48 0,5

Fingru 0,48 12

Gru 0,80 12* Baby formula este un aliment lichid pentru sugari care con#ine mai mul#i agen#i nutritivi dinlaptele uman.


15/103

17

ntruct densitatea solid a celor mai multe pulberi agroalimentare esteaproximativ 1,4 g/cm3, se ob#ine pentru pulberi o porozitate de 0,4 0,8.Deoarece densitatea n vrac depinde de efectele combinate ale unor factori cumar fi intensitatea for#elor de atrac#ie dintre particule, dimensiunea particulelor,

numrul punctelor de contact, , reiese c orice modificare a uneia dincaracteristici poate induce schimbri semnificative a valorii densit#ii n vrac, cuvalori ce nu pot fi ntotdeauna anticipate. Factorii ce afecteazdensitatea n vraca pulberilor sunt prezenta#i schematic nfigura 3.1.

Porozitatea reprezint frac#ia de volum neocupat de particulele unuimaterial solid, ea putnd fi intern, extern, sau de ambele tipuri. Porozitateatotal(Ptotal) se exprimprin rela#ia:

solid

vrac

total 1P

= (3.1)

Porozitatea dintre particule (Pparticule) este definit $i cu densitateaparticulei:

.part

vracparticule 1P

= (3.2)

Porozitatea pulberilor poate fi intern, extern, sau de ambele tipuri.

Figura 3.1 Factorii care afecteazdensitatea n vrac a pulberiloragroalimentare


16/103

18

Efectul con#inutului de umiditate $i al agen#ilor de antitasare

n general, absorb#ia umidit#ii este asociatcu cre$terea coeziunii dintre

particule, datorat n principal formrii pun#ilor lichide dintre particule. Deaceea, n cazul pulberilor alimentare higroscopice, un con#inut ridicat deumiditate ar putea avea ca rezultat o mic$orare a densit#ii libere n vrac.Aceastmic$orare poate fi observatla pulberile proaspt sitate sau la pulberilecare curg, situa#ie n care for#ele dintre particule nu permit tasarea lor. Excep#iede la aceasttendin#s-a observat n cazul pulberilor fine (baby formula), undechiar $i cnd sunt uscate se manifest for#e puternice de coeziune. n astfel decazuri, aranjamentul stratului de particule atinge, la un nivel sczut de umiditate,un numr maxim de deschideri $i prin urmare, devine imposibil mic$orareadensit#ii.

Aglomerarea pulberilor poate apare atunci cnd suprafa#a particuleincepe sdevin fluid, iar ntre particule se formeaz o punte lichid (figura3.2)

Figura 3.2 Reprezentarea schematica geometriei unei pun#i lichide ntre

douparticule solide

Nivelele excesive de umiditate, n special la pulberile ce con#in compu$icristalini solubili (zahr, sare), din cauza dizolvrii unei pr#i a pulberii nexcesul de umiditate duc la cre$terea densit#ii. n acest stadiu pulberea $i-a

pierdut utilitatea. Rigiditatea $i fragilitatea pulberii aglomerate de cafea instanteste dependent de con#inutul ei de umiditate. Testele de compresie au pus neviden#cpn la o umiditate relativde 57%, parametrii care caracterizeazrigiditatea $i fragilitatea sunt aproape constan#i, dar la dep$irea acestei valori aumidit#ii, datoritplastifierii introdusde ap, ei scad abrupt.

Adugarea agen#ilor de antitasare (sau a agen#ilor care condi#ioneaz decurgerea) contribuie la reducerea for#elor de interac#iune dintre particule, fiindde a$teptat o cre$tere a densit#ii n vrac a pulberilor. Exist un nivel optim alconcentra#iei acestor agen#i, dupcare efectul lor se diminueaz, sau este practic

neafectat de concentra#ia agen#ilor de antitasare. S-a constat cpentru un efectnotabil asupra densit#ii n vrac (o cre$tere cu 10% sau mai mult) agentul $i


17/103

19

particula gazd trebuie s manifeste afinitate la suprafa#. Pe de alt parte,particulele agen#ilor de antitasare pot segrega, iar n loc s se reduc for#eledintre particule se vor umple spa#iile goale dintre particule. Nu se cunoa$te ncnatura exact a acestor interac#iuni de suprafa# $i mecanismul prin care este

afectat structura stratului de particule. Efectele umidit#ii $i a agen#ilor deantitasare asupra densit#ii n vrac a unor pulberi agroalimentare sunt prezentaten tabelele 3.2$i 3.3.

Tabelul 3.2 Efectul con#inutului de umiditate asupra densit#ii libere n vrac

PulbereUmiditate

(%)Densitate libern vrac

(g/cm3)

anhidr 1,26Sare fin mcinat0,6 0,78

anhidru 0,62Zahr praf0,1 0,50anhidru 0,81Amidon18,5 0,69anhidr 0,51Praf de ceap5,2 0,51anhidru 0,52Baby formula2,7 0,41

Compresibilitatea pulberilor - Pulberile pot fi compactate fie prin tasare(aplicarea unor vibra#ii) fie prin compresie mecanic. Ambele procese pot apareneinten#ionat. De exemplu n cursul transportului sau mnuirii se produc vibra#ii,sau ca rezultat al depozitrii n lzi nalte pot apare presiuni ridicate.Compactarea poate fi produs$i inten#ionat, cum ar fi n cazul vibrrii pulberilorntr-un container cu scopul mririi greut#ii lor specifice, sau n cazul tabletrii.

Tasarea (figura 3.3.a) S-a stabilit experimental c pentru o varietatelargde pulberi agroalimentare, existo rela#ie neliniar(reprezentare graficn

figura 3.3.b) ntre varia#ia relativa volumului (n) $i numrul de tasri (n):

nb1

nba

V

VV

o

non +

=

= (3.3)

n aceastexpresie Voeste volumul ini#ial, Vn reprezintvolumul dupan-a btaie (vibrare), iar a$i b sunt constante. Prin liniarizarea acestei rela#ii seob#ine expresia:

na

1

ba

1n

n

+

= (3.4)


18/103

20

Reprezentarea grafic permite determinarea valorilor constantelor a $i b(figura 3.3.c).

Constanta adin aceste rela#ii reprezintvaria#ia relativa volumului, ce se

ob#ine dup un numr mare de tasri, sau dup un timp lung de vibrri.Constanta b este viteza cu care se atinge nivelul final de compactare,b

1

reprezentnd numrul de tasri necesare atingerii a jumtate din varia#iaasimptotic. Valoarea acestor constante depinde att de condi#iile n care serealizeaz tasarea (amplitudinea $i frecven#a vibra#iilor), precum $i de frecareaintern $i coeziunea pulberilor. Calit#ile de compactare a pulberilor necesitexisten#a unor for#e de frecare dintre particule care s permit ob#inerea unorextrudate din pulberi.

Tabelul 3.3 Efectul concentra#iei agen#ilor de antitasare asupra densit#iilibere n vrac a unor pulberi agroalimentare

Pulbere Agent antitasareConcentra#ie

(%)Densitate n vrac

(g/cm3)

- 0 0,70Stearat calciu 0,5 0,87SiO2 0,5 0,75

Zahr

Fosfat calciu 0,5 0,76

- 0 1,01Stearat calciu 0,1 1,14SiO2 0,1 1,10

Sare

Fosfat calciu 0,1 1,16

- 0 0,70Silicat aluminiu 2 0,75

Amestec sup

Stearat calciu 2 0,63

- 0 0,68GelatinSilicat aluminiu 1 0,70

- 0 0,35Celulozcristalin Silicat aluminiu 1 0,36

- 0 0,62Stearat calciu 1 0,59SiO2 1 0,67

Amidon dinporumb

Fosfat calciu 1 0,61

- 0 0,27Stearat calciu 1 0,27

SiO2 1 0,27

Proteine dinsoia

Fosfat calciu 1 0,31


19/103

21

Figura 3.3 Efectul vibrrii (tasrii) asupra volumului pulberilor

(a). Dependen#a matematicdintre numrul de tasri $i varia#ia relativa volumului bazatperela#iile 3.3 (b), respectiv 3.4 (c).

Indicele Carr este o caracteristic a compresibilit#ii pulberii. El estedefinit de rela#ia:

B

TB

V

VV100C

= (3.5)

n aceast expresie, VB este volumul netasat al unei cantit#i de pulbere(cm3), iar VT este volumul tasat al aceleia$i cantit#i de pulbere (cm

3). ntructcele dou volume apar#in aceleia$i cantit#i de pulbere, expresia de mai sus

poate fi nlocuitcu densit#ile in vrac (B) si tasat(T):

=T

B1100C (3.6)

Indicele Carr poate fi utilizat $i ca un indicator al capacit#ii de curgere apulberii. Un indice Carr mai mare de 25% indico slabcapacitate de curgere,iar o valoare sub 15% este un indiciu al unei bune capacit#i de curgere

Cu acelea$i semnifica#ii $i valori pentru volume sau densit#i se poatecalcula raportul Hausner, care $i el constituie un indiciu al compresibilit#ii

pulberii:


20/103

22

T

B

V

VH = , sau

B

TH

= (3.7)

La fel ca $i indicele Carr, $i raportul Hausner poate fi utilizat ca un

indicator al capacit#ii de curgere a pulberii. Un raport Hausner mai mare de1.25 indico slabcapacitate de curgere.

Cuvinte cheie: densitate in vrac, densitate tasata, porozitate, agenti antitasare,Indice Carr, raport Hausner

Intrebari

1. Tinnd cont de tabelul 3.1, calcula#i volumul n vrac ocupat de 100 g fingru. Ce cantitate de fainpute#i lua cu o cande 0,5 litri?

2. Prin tasare, volumul finii de gru scade cu 40%. Calcula#i, pentru finade gru, valoarea indicelui Carr $i a raportului Hausner.

3. Care sunt factorii direc#i de care depinde densitatea n vrac a cafeleimacinate (conform figurii 3.1)?

4. Se cntresc cte 100 grame din urmtoarele pulberi: cacao, lapte praf,proteine din soia, sare granulat. Aseza#i aceste pulberi in ordinea

crescatoare a volumului nocupat de ele. Pentru rezolvare folosi#i tabelul3.1.

5. Cu o linguri# se iau 7 cm3 amestec de sup. Intr-un vas cu sup seintroduc trei liguri#e. Estima#i ce cantitate de amestec cu stearat de calciuca agent de antitasare se introduce n sup. Cam ct stearat de calciu s-aintrodus in oala cu supa? (Pentru rezolvare folosi#i tabelul 3.3)


21/103

23

Cursul 4

Interac#iunea apei cu alimentele.

Apa este cel mai important component al sistemelor alimentare deoareceea influen#eaz multe variabile ale procesrii, precum $i caracteristicile

produsului. Apa este o component de baz la calculul energetic al multorprocese unitare, cum ar fi congelarea sau deshidratarea. De asemenea, apainfluen#eazputernic modificrile chimice din alimente (denaturarea proteinelor,

brunarea Maillard, activitatea enzimatic), fiind $i un factor determinant ncomportarea lor reologic. n cursul depozitrii apa este implicatn modificrichimice, fizice, nutri#ionale $i microbiene. Nu n ultimul rnd, apa are un roldeterminant asupra atributelor estetice ale alimentului n cursul consumului.

Cu ncepere din anii 60, numeroase articole, cr#i de specialitate $imanifestri $tiin#ifice sunt dedicate rolului apei n alimente. Pentrumbunt#irea procesrii $i depozitrii alimentelor este necesar o mai bunn#elegere a func#ionalit#ii apei n aceste produse. n prezent nu sunt nccomplect elucidate propriet#ile apei $i comportarea ei n sisteme simple, cum arfi solu#iile de zaharoz. Aceste constatri fac utopice ncercrile de a n#elege $icontrola starea $i func#ionalitatea apei n sistemele complexe ce sunt produseleagroalimentare. De fapt, studiile asupra propriet#ilor apei n alimente ncearco

predic#ie a comportrii lor n cursul procesrii sau n timpul depozitrii.

Natura interac#iunii apei cu produsele agroalimentare

Propriet#ile neobi$nuite ale apei (temperaturile de topire $i fierbereridicate, cldura latent specific de vaporizare mare, densitate mai mic,

precum $i constanta dielectric, mobilitatea $i conductivitatea protonului maimari pentru ghea# dect pentru lichid) conduc la idea existen#ei unorinterac#iuni intermoleculare mai puternice dect este de a$teptat la lichidele

polare. Nu existncun model al moleculei de apcare sjustifice satisfctorpropriet#ile apei n cele trei faze. n molecula de ap electronii nu suntdistribui#i simetric, legtura OH este polar, iar molecula de apeste un dipol

permanent. Fiecare moleculde appoate participa la patru legturi de hidrogencu alte patru molecule de ap, la dou din ele fiind implica#i atomii si dehidrogen, iar la celelalte dou sunt implica#i electronii neparticipan#i de laatomul de oxigen (figura 4.1).


22/103

24

Figura 4.1 Structura moleculei de ap

n ghea#, moleculele de ap au tendin#a de a se asocia ntr-o re#ea

tridimensional, n care fiecare molecul este tetracoordinat cu alte patrumolecule (figura 4.2). Tendin#a de organizare tetraedric rmne $i n starealichid, structura fiind mai pu#in ordonat$i mai labil. Starea lichida apei estedescrisdrept clusteri tranzitorii ai moleculelor de ap, n care fiecare moleculde ap se afl ntr-un mediu nconjurtor n schimbare. Numrul mediu delegturi de hidrogen este 3,0 3,5 pentru fiecare moleculde ap (figura 4.3).A$a se poate explica de ce densitatea apei este mai mare dect a ghe#ii.

Figura 4.2Aranjament tetraedric tipic pentru apa lichid

La interac#iunea apei cu componentele produselor agroalimentare un rolimportant revine legturilor de hidrogen $i efectelor hidrofile. Ambele tipuri deinterac#iuni se bazeaz pe structura re#elei de legturi de hidrogen ale apei. nsolu#ie apoas exist o concuren# ntre tendin#a apei de a fi implicat nformarea legturilor de hidrogen, fie cu alte molecule de ap, fie cu atomielectronegativi ai substan#elor dizolvate. Pentru c moleculele lor polare au

tendin#a de a se asocia cu re#eaua de legturi de hidrogen a apei, sau pentru cau


23/103

25

o geometrie apropiatde re#eaua apei, solu#ii hidrofili au tendin#a de a fi solubilin ap. n schimb, cele mai multe molecule polare nu se pot asocia cu moleculelede ap, ca atare sunt insolubile n ap. Moleculele solutului perturb ordinealocala moleculelor de ap. Se crede ccele mai multe molecule hidrofile au un

efect de perturbare a ordinii, pe cnd moleculele hidrofobe au tendin#a de a mriordonarea moleculelor de apdin jurul lor.

Figura 4.3 Structura apei lichide (stnga), respectiv a ghe#ii (dreapta)

Aproape to#i ionii afecteaz structura apei. Solu#iile ionice secaracterizeaz printr-o polarizare mai mare n raport cu polarizarea solventului

pur (apa). Aceasta presupune efecte mai puternice de orientare $i schimbare astructurii n solven#i polari. Se presupune c odat cu ionul se mi$c un primstrat de maxim $ase molecule de ap orientate, care au deci restric#ii lamobilitate. Efectul ionilor se propag asupra structurii apei din jurul primuluistrat, dar amplitudinea $i frecven#a mi$crii moleculelor de apcre$te progresivcu mrirea distan#ei fa# de ionul central. Aceste efecte s-au numit efecte dentrerupere (breaking), respectiv producere (making) a structurii.

ntradevr, influen#a ionilor asupra re#elei de legturi intermoleculare de

hidrogen ale solventului, precum $i asupra vitezei de schimb a moleculelor deap dintre nveli$ul de solvatare $i restul apei, afecteaz vscozitatea solu#iei.Ionii care mic$oreaz vscozitatea au efect de ntrerupere a structurii, avndtendin#a de a reduce ordonarea globala re#elei apei. Ionii ce au un efect contrar,contribuind la mrirea vscozit#ii sunt productori de structur. Efectele asupraapei sunt mai mari n cazul anionilor dect al cationilor, efectele depinznd demrimea $i sarcina ionului.

Interac#iunile dipol dipol, cum sunt cele dintre moleculele de ap $igrupe polare sau molecule neutre (cum este zaharoza) nu sunt la fel de puternice

ca interac#iunile ion dipol, putnd totu$i influen#a structura $i propriet#iledinamice ale moleculelor de ap. n prezen#a moleculelor nepolare, ce nu pot


24/103

26

forma legturi de hidrogen, apa ar putea avea un numr maxim al sarcinilorelectrice orientate spre faza apoas, astfel nct sfie capabilsparticipe la maimulte legturi de hidrogen dect n apa pur. n jurul unui solut nepolar,moleculele de apau de fapt o coordinare mai mare dect patru, fiind astfel mai

ordonate dect n apa pur, aceast situa#ie fiind numit hidratare hidrofob.Din punct de vedere entropic, aceasta este o stare nefavorabil, deoarece secreeaz mai mult organizare moleculelor de ap. n consecin#, moleculelenepolare prezinto solubilizare foarte sczutn ap.

Legturile de hidrogen sunt interac#iuni predominant electro-statice,energia lor (10 40 kJ/mol) fiind intermediar ntre cea a legturilor covalentesau ionice (aprox. 500 kJ/mol) $i cea a interac#iunilor van der Waals (aprox. 1kJ/mol). Acela$i ordin de mrime al energiei l au $i interac#iunile ap solut $iap ap, ce se manifestprin legturi de hidrogen. Energiile de legtur ntreioni $i moleculele de ap sunt relativ mari, 50 100 kJ/mol pentru ionimonovalen#i $i chiar mai mari pentru cei polivalen#i. n apa lichid, latemperatura camerei, moleculele de ap trec n stare dezordonat, urmat de oreorientare, la intervale de timp de 10-11 10-12 s. Ace$ti timpi sunt mult maimari n vecintatea ionilor, 10-8 10-9 s pentru ionii monovalen#i, 10-2 10-8 s

pentru ionii divalen#i, 0,1 1 s pentru cei trivalen#i. Aceasta nseamn cde$ipropriet#ile moleculelor de ap (orientare, mobilitate) ce apar#in primuluinveli$ de hidratare, sunt puternic modificate n imediata vecintate a ionilor,totu$i ntre aceste molecule $i restul moleculelor de apare loc un schimb, chiar

dacacesta se face mult mai lent. O imagine statica moleculei de zaharoz nsolu#ie apoas ar putea arta c moleculele de ap sunt localizate n pozi#iispecifice pe moleculele de zaharoz. ns aceast imagine nu este static, cidinamic, ntruct existun schimb permanent ntre moleculele de aplocalizate$i cele din restul apei. Se pare ctimpul de reorientare a moleculelor de apdinnveli$ul de apal poliolilor este mai scurt dect n cazul apei pure.

Chiar $i n produse solide cu umiditate sczut, moleculele de appar aavea o libertate mare de mi$care. Mobilitatea moleculelor de ap, exprimatprin

coeficientul de difuziune la transla#ie (5.

10-12

m2

/s la 0C) este mare chiar $i latemperaturi sczute, corespunztoare strii sticloase. Aceste considerenteintroduc un concept nou $i anume c apa nu este legat ireversibil. Aceastaface aproape imposibil separarea completa apei de celelalte componente alealimentelor, fie prin deshidratare, fie prin transformarea n ghea#.

n anii 1970 1980, n literatura de specialitate dedicatdinamicii apei n#esuturile biologice $i sistemele biopolimere, au existat specula#ii cu privire lanatura interac#iunilor ap biopolimer, precum $i asupra distan#ei pn la caresuprafa#a biopolimerului poate perturba starea dinamic $i static a apei lngsuprafa#a lui. Unii autori au sugerat o zonmare de perturbare a apei, care se


25/103

27

ntinde la mai multe straturi moleculare ncepnd de la suprafa #. Mai recent,studii RMN $i calcule de dinamicmolecularau demonstrat clar cn sistemele

biopolimere $i #esuturile biologice existtrei stri ale apei.

Prima stare corespunde apei structurale sau legate. Aceasta este apalegat prin legturi de hidrogen n interiorul cavit#ilor $i distorsiunilorproteinelor globulare $i ale polizaharidelor. Ea are un rol important ndeterminarea structurii $i dinamicii catenelor biopolimere. Existun spectru largal timpilor de reorientare, care pentru apa structuralvariazde la nanosecundela microsecunde, n func#ie de natura interac#iunilor ap biopolimer.

A doua stare a apei este apa de suprafa#. Ea se afl la suprafa#abiopolimerului, fiind ntr-o dinamic perturbat de prezen#a suprafe#ei. Apa desuprafa#se ntinde numai pnla unul doustraturi moleculare $i este extrem

de mobil, avnd timpi de reorientare mai mici dect nanosecundele.

Restul apei constituie a treia stare numit apa volumic sau liber. naceaststare existtendin#a de a se pstra organizarea tetraedrica ghe#ii. ntreaceste trei stri ale apei exist un schimb rapid prin difuziune. Transportulmolecular prin difuziune poate fi privit prin perspectiva teoriei volumului liber

prin volum liber n#elegndu-se spa#iul neocupat dintre molecule.

Cuvinte cheie: legatura de hidrogen, apa lichida, starile apei, aranjamenttetraedric

Intrebri

1. De ce n stare lichid, molecula de ap se poate asocia cu alte 4molecule de apa?

2. Cnd se prje$te carnea, o parte din ap se vaporizeaz. Preciza#i,#innd cont de strile apei, n ce ordine se vaporizeazapa?

3. Cnd se mu$c dintr-un mr proaspt (crocant) se precepe $i o sevapoas. Care sunt strile apei din aceastsev?

4. Cum pute#i explica faptul capa solid(ghea#a) plute$te pe lichidul dincare provine?

5. De ce alcoolul etilic (etanol) este miscibil cu apa in orice propor#ie, pecnd uleiul de floarea soarelui este practic insolubil n ap?


26/103

28


27/103

29

Cursul 5

Interac#iunea apei cu alimentele.




Activitatea apei.

Apa disponibil, temperatura $i pH-ul sunt cei mai importan#i factori cecontroleaz vitezele de deteriorare $i de cre$tere a microorganismelor nalimente. Ei sunt de cea mai mare importan# n dezvoltarea produc#iei dealimente, pe baza lor putndu-se stabili criteriile necesare predic#iei unor rela#iintre compozi#ia produsului, condi#iile de depozitare $i stabilitatea la depozitare.Dezvoltarea microorganismelor n alimentele cu umiditate ridicat este

controlatde temperatur$i pH. Deseori, reducerea con#inutului de apmre$tedurata de depozitare datorit mic$orrii con#inutului de ap disponibildezvoltrii microorganismelor. Reducerea con#inutului de ap mre$teconcentra#ia compu$ilor solubili n ap. Aceasta conduce la mic$orarea presiuniivaporilor de ap, presiune care din punct de vedere termodinamic este legatde

poten#ialul chimic al apei.

Conceptul de activitate al apei este recent introdus n domeniul produseloragroalimentare, la nceput fiind corelat cu procesele de dezvoltare amicroorganismelor. Ulterior conceptul a fost extins $i implicat n procesele deconservare $i depozitare a alimentelor, precum $i n procesarea lor.

Activitatea apei(aw) se utilizeazpentru a caracteriza starea de echilibru aapei n interiorul unei matrice a alimentului, fiind egalcupresiunea relativdevapori ai apei afla#i n echilibru n atmosfera nconjurtoare.Aceastdefini#ie

presupune absen#a unor fenomene dependente de timp, fenomene ce pot afectaactivitatea apei. Aceast presupunere este valabil pentru produseagroalimentare ce con#in compu$i solubili n ap.


28/103

30

Se define$te ca raportul dintre presiunea de vapori ai apei afla#i deasupraprobei (pa) $i presiunea de vapori a apei pure ( oap ) aflatla aceea$i temperaturcu proba:

100UREppa o

a

aw == (5.1)

unde: URE umiditatea relativla echilibru (%).

Cu alte cuvinte, activitatea apei este presiunea relativa vaporilor de apdin mediul din jurul alimentului aflat la echilibru. Deoarece substan#eledizolvate n apa din alimente mic$oreaz presiunea de vapori a apei, adic

oaa pp , activitatea apei 1a w . Dacaw= 0, apa este total absentdin aliment, iar

dacaw= 1 avem de-a face cu apa pur.La depozitarea stafidelor, reac#ia de brunare Maillard este maximla aw=

0,8. Produsele din carne au stabilitate microbianmare dacau un pH 5,2 $i aw 0,95. Pentru a reduce valoarea activit#ii apei se utilizeazagen#i de mic$orarea awcum ar fi glicina, acid lactic, NaCl, glicerol, dextroz. n carne s-a observatun grad mare de organizare a moleculelor de ap.

Organizarea apei afecteaz aw, care are un rol important n dezvoltareabacteriilor. La aw < 0,92 se dezvolt foarte pu#ine bacterii n carnea de porc.Propriet#ile adezive ale pulberilor alimentare solubile sunt puternic afectate de

prezen#a umidit#ii la suprafa#a particulelor. Stabilitatea lor structural depindede aw. Pe msur ce cre$te valoarea activit#ii apei, ntre particule se formeaz

pun#i de lichid care mic$oreazfor#ele de atrac#ie ce ac#ionezla nivel molecularntre suprafe#e uscate. La aw > 0,65 pulberile (acid citric, NaCl) ncep s sedizolve. Dacaw= 0,33 0,58 are loc o stabilizare, prin intermediul pun#ilor delichid, stabilindu-se un echilibru dinamic ntre particule $i lichid. Studiindu-sesemnalul acustic emis la mastica#ia produselor crocante, s-a stabilit existen#aunui nivel critic al awpnla care semnalul acustic are un spectru caracteristic.

n func#ie de produs, acest nivel este aw < 0,59 0,29.

n domeniile cu aw mici, apa este legat puternic la suprafa#a locurilorpolare, fiind inutilizabil pentru reactan#ii solva#i. Limita superioar a acestuidomeniu corespunde existen#ei unui singur strat de molecule nconjurtoare deap. La valori mai mari ale aw, apa existfie n mai multe straturi, fie ca o fazcondensatn capilare, iar mobilitatea ei cre$te. Cre$terea n continuare a valoriiaw, ca rezultat al dilu#iei speciilor reactante n faza apoas disponibil, vadetermina ca apa s ac#ioneze nefavorabil asupra vitezei unor reac#ii. Deseori,

domeniile cu aw specific sunt asociate cu susceptibilitatea la reac#ii chimice,modificri fizice $i dezvoltare microbian. nfigura 5.1sunt prezentate rela#iile


29/103

31

generale dintre aw$i cteva fenomene de stabilitate din alimente. Aceastfigurserve$te ca ghid general pentru predic#ia problemelor legate de stabilitate nsistemele alimentare din regiuni cu diferite activit#i ale apei.

O altaplica#ie majora conceptului de activitate a apei permite a aprecia

dac un produs agroalimentar va absorbi sau va pierde apa ntr-un mediunconjurtor dat. Se $tie c apa lichid va curge spontan din zona cu presiuneridicat n cea cu presiune mai mic (adic va curge n jos). De$i invizibili lanivel macroscopic, vaporii de ap se vor deplasa spontan din regiunea cu

presiune ridicat (aw mare) n regiunea cu presiune mic (aw mic). Astfel, unaliment cu aw= 0,60 aflat n aer cu umiditate relativ40% (adicaw= 0,40) vaelimina vapori de appncnd awdin aliment va fi la fel cu cea din aer. Dacspa#iul este nchis, valoarea de echilibru a awpentru aer $i aliment este ntre 0,40$i 0,60. Dacalimentul cu aw= 0,60 se afln aer cu umiditate relativ80%, el

va absorbi vapori de apdin aer pnse ajunge la un echilibru al awla un nivelmai mare dect 0,60.

Figura 5.1 Viteza relativde reac#ie $i con#inutul de umiditate n func#ie de

activitatea apei(1 oxidarea lipidelor; 2 brunarea neenzimatic; 3 dezvoltarea mucegaiului; 4

dezvoltarea drojdiei; 5 dezvoltarea bacteriilor)

Dac dou alimente cu activit#i diferite ale apei se afl n acela$icontainer dar nu sunt n contact direct, va avea loc un transfer invizibil de apnformde vapori. Vaporii vor migra n aer de la alimentul cu awridicat, iar apoivor fi absorbi#i din aer de ctre alimentul cu aw mai sczut. La echilibru, celedou alimente $i aerul vor avea activit#i egale ale apei. Pentru a prevenitransferul spontan al vaporilor de ap, trebuie plasat o barier n jurulalimentului, care sntrzie transferul vaporilor. Gradul de rezisten#la trecerea

vaporilor de ap, este un criteriu important pentru selectarea materialelor deambalare.


30/103

32

Fructele $i legumele proaspete au un con#inut ridicat de ap(80 90%) $iaw= 0,99. Dacnu ar avea pieli#a, ele ar putea foarte u$or spiardap$i sseve$tejeasc, usuce $i s-$i piard crocan#a. Pieli#a ac#ioneaz ca o barier $impiedecpierderea vaporilor de ap. Multe fructe $i legume secreto cearpe

pieli#, pe care o face mai eficient mpotriva deshidratrii. Pentru a mpiedecapierderea vaporilor de ap$i a prelungi durata de depozitare, pe unele produseca mere, portocale, castrave#i, tomate de toamn, se adaug cear. Ceruirea leconfer $i un luciu care le face mai atractive la vnzare. Dac pieli#a lor estefisuratsau rupt, fructele $i legumele pierd rapid din apa pe care o con#in.

Cu toate c refrigerarea inhib viteza de cre$tere $i dezvoltare amicroorganismelor, iar congelarea $i sterilizarea termic previne dezvoltareamicrobilor, cea mai mare parte din alimentele necesare aprovizionrii se

pstreazpentru depozitare ndelungatla aw< 0,7. Pentru a preveni dezvoltareamicrobian, cerealele, fasolea, arahidele, mierea, pe$tele uscat, fructele, laptele$i legumele trebuie aduse la aw< 0,7.

Cuvinte cheie: umiditate relativ, presiune de vapori, activitatea apei

Intrebri

1. De ce n carnea proaspat, pstratla temperatura camerei se dezvolt

rapid bacteriile?2. Ce crede#i cse intamplcnd se pune carnea de porc n saramur?

3. O probde cartof de 0,9644 g ce con#ine 87% apeste uscatla 105Cpncnd masa ei rmne constant. Cat este aceastmas?

4. In acela$i ambalaj, nchis ermetic, se afla o felie de pine cu 45%umiditate si aw= 0,30 $i o bucatde brnzcu o umiditate de 40 % $iaw = 0,45. Preciza#i care este sensul de migrare al apei, $i care ar fistarea de echilibru la care se ajunge.

5. Cur#a#i mere $i le pregti#i pentru prepararea compotului. Dintr-unmotiv oarecare, amna#i prepararea pn a doua zi. Ce consta#i?ncerca#i sexplica#i de ce au loc aceste modificri.


31/103

33

Cursul 6

Interac#iunea apei cu alimentele




Izotermele de sorb#ie

Majoritatea produselor agroalimentare adsorb apa, chiar la umidit#irelativ sczute. n general, produsele amorfe (laptele praf, cafeaua instant,diferitele zaharuri mono, di, $i trizaharidele) sunt cele ce adsorb apa. Astfel,cristalele de zahr ob#inute din zahr amorf $i pierd capacitatea de absorb#ie aapei. Rela#ia dintre con#inutul procentual de ap $i activitatea apei este

complex. Pe ntregul domeniu de valori ale activit#ii apei (aw= 0 1) valoareaactivit#ii apei cre$te ntotdeauna cu cre$terea con#inutului de ap. Graficulcon#inutului de apn raport cu activitatea apei este n general o curbn formde S (figura 6.1). Aceste curbe se determin experimental. Una din procedurieste descrisn continuare.

Figura 6.1 Dependen#a experimentala con#inutului de apde activitatea

apei (izoterma de sorb#ie) pentru un produs agroalimentar

Un gram de produs alimentar uscat se pstreaz o sptmn ntr-unexicator cu P2O5 anhidru, dup acest timp proba putndu-se considera uscat.


32/103

34

Produsul uscat se pstreazapoi timp de 24 ore deasupra unor solu#ii saturate cuumidit#i relative cunoscute. Aceste solu#ii saturate se ob#in din urmtoarelesruri, reactivi p.a.: LiCl, CH3COOK, MgCl2, K2CO3, Mg(NO3)2, NaNO2, NaCl$i KCl $i au pentru umiditatea relativ(UR) urmtoarele valori (%): 11,5; 23,9;

33,0; 44,4; 53,8; 66,2; 76,4; respectiv 85,8. n acest interval de timp probeleabsorb apa $i ajung la masconstant. Atingerea masei constante este un indiciuc apa con#inut se afl n stare sta#ionar. Valoarea activit#ii apei se ob#ineamplificnd cu 0,01 valoarea umidit#ii relative n stare sta#ionar. Valori aleactivit#ii apei deasupra unor solu#ii saturate ale unor compu$i chimici, la 10C,20C, respectiv 30C, sunt prezentate in tabelul 6.1.

Tabelul 1- Valori ale activit#ii apei deasupra unor solu#ii saturate

Unele studii nu exploreaz ntreg domeniul de valori al aw, prezentnddate doar pentru un domeniu limitat. n aceste situa#ii nu mai este observabilforma tipic de S a curbei. Cnd experimentele sunt realizate la temperatur

constant, graficele se numesc izoterme de sorb#ie a apei, iar alimentul ia apadin mediul nconjurtor. Dac alimentul pierde apa, se ob#in izotermele dedesorb#ie. n izoterma din figura 6.1, n oricare punct al curbei panta este

pozitiv, deci o cre$tere a activit#ii apei este ntotdeauna (cu unele excep#iiocazionale) nso#itde o cre$tere a umidit#ii produsului.

O izoterm tipic de sorb#ie a apei poate fi divizat n trei regiuni.Regiunea 1, sau regiunea cu cel mai sczut nivel al umidit#ii, corespunde unorlegturi puternice ale moleculelor de apla constituen#ii hidrofili ai alimentului.Ea este prezentini#ial ntr-un strat monomolecular, iar cu cre$terea awapa poate

fi prezent n straturi moleculare multiple. Alimentele crocante, chipsurile auvalori ale awcaracteristice acestei regiuni. Regiunea 2 este regiunea cu umiditateintermediar, iar pe msurce sunt absorbite straturi moleculare suplimentare deapea nu mai este a$a de puternic legat. Regiunea 3 este regiunea cu umiditateridicat, o cre$tere mare a con#inutului de ap cauzeaz o cre$tere mic a aw.Probabil apa este pstratprin for#ele slabe ce se manifestn capilarele n careare loc absorb#ia.

Izotermele de sorb#ie reprezint rela#ia ce se stabile$te ntre activitateaapei $i con#inutul de apn stare sta#ionar, sau con#inutul de apla echilibru n

condi#iile men#inerii constante a temperaturii. Pentru predic#ia comportriialimentului la sorb#ia apei $i evaluarea efectelor sorb#iei asupra stabilit#ii lui, se


33/103

35

utilizeaz modele ale izotermelor de sorb#ie a apei. n scopul asigurrii uneibune stabilit#i a alimentului n cursul depozitrii, este necesarpredic#ia datelorreferitoare la sorb#ia apei pentru a putea stabili con#inutul critic de ap $iumiditatea relativ. Izotermele de sorb#ie au importan# la predic#ia duratei de

depozitare a produselor agroalimentare cu umiditate sczut$i intermediar.Numeroase modele matematice ale izotermelor de sorb#ie, cu doi sau mai

mul#i parametri, s-au utilizat la predic#ia sorb#iei apei de ctre aliment. Acestemodele (tabelul 6.2) sunt empirice, semi-empirice, sau teoretice. De exemplu,modelul lui Henderson este teoretic, iar cel al lui Mizrahi este statistic. Modelullui Oswin se bazeaz pe extinderea seriilor matematice n cazul curbelorsigmoidale (curbe ce au forma literei S). Multe alte modele (BET, GAB,Bradlez, Halsez, Khn) sunt teoretice $i se bazeaz pe cteva teorii ale unorsorb#ii particulare. Pentru a ob#ine valori ai parametrilor necesari modelrii

sorb#iei apei, modelele matematice utilizate s-au liniarizat (tabelul 6.3).Tabelul 6.2 Modele ale izotermelor de sorb#ie a apei

(ecua#iile prezentate sunt n forma utilizatn analiza prin regresie neliniar)

Model Ecua#ia

BET( ) ( )[ ]wBw

wBBm

a1C1a1

aCmm

+

=

Bradley ( )m12w KKexpa =

GAB ( ) ( )[ ]wGwwG

G

m Ka1C1Ka1 aKCmm + =

Halsey

=

r

"w

maexpa

Henderson ( )nw mkexp1a =

Khn'B

aln

km

w

r =

Mizrahmr

mra

2

1w +

+=

Oswin n

w

w

a1

aAm

=

Utilizarea unor modele ale izotermelor de sorb#ie necesit cunoa$terea unorrela#ii ntre con#inutul de ap $i umiditatea relativ la depozitare. n acestemodele, posibilele extrapolri nu iau n considerare schimbri n comportarea lasorb#ia apei datorate modificrilor structurale $i tranzi#iilor de faz. De exemplu,comportarea la sorb#ia apei a alimentelor deshidratate ce con#in zaharuri amorfe,

cum ar fi lactoza din laptele praf, se $tie ceste puternic afectatde cristalizareace apare deasupra unei valori critice a umidit#ii relative de depozitare.


34/103

36

Tabelul 6.3 Modele ale izotermelor de sorb#ie a apei(ecua#iile sunt prezentate n forma liniarizat)

Model Ecua#ia liniarizat

BET( ) B

Bm

wB

Bm

B

w

w

Cm1

aCm

1C

ma1

a

+

=

Bradley ( )1

2w

1 Kln

Klnalnln

Kln1m =

GABw

GGm

2w

GGm

w aC

21m

1a1C1

mK

m

a

+

=

GG KmC

1+

Halsey ( ) r "alnalnlnr1mln w +=

Henderson ( )[ ]nklna1lnln

n1mln w =

Khn 'Baln1km

wr =

Mizrah ( ) 1w2w rarma1 =

OswinAln

a1

alnnmln

w

w +

=

Multe alimente sunt consumate la nivele ridicate ale aw. Alimentele cesunt acceptate a se consuma cu valori sczute ale aw sunt cele din categoriacipsurilor $i a biscui#ilor. Pentru a fi consumate, aceste produse trebuie sabsoarbsaliva $i sse nmoaie rapid n timpul mastica#iei. Alimentele ce rmnuscate n timpul mastica#iei nu sunt acceptate de consumatori.

Izotermele de sorb#ie a apei sunt surse importante de informa#ie pentru

procesarea, ambalarea $i depozitarea alimentelor. Aproape 60% din izotermelede sorb#ie publicate se refer la un domeniu de temperatur de 20 30C, cecorespunde unor condi#ii normale de depozitare pentru cele mai multe produseagroalimentare.

n figurile 6.2 6.4 este prezentat influen#a temperaturii asupraizotermelor de sorb#ie a apei pentru mazre, pulbere de mazre $i proteine dinmazre.


35/103

37

Figura 6.2Izoterme de sorb#ie pentru mazre ('), pulbere de mazre (() $iproteine din mazre () la 10C.

Simbolurile sunt puncte experimentale, iar liniile sunt izotermele calculate cu ecua#ia GAB(tabelele 6.2 $i 6.3)




36/103

38



Cuvinte cheie: izoterme de sorbtie, izoterme de desorbtie, modele matematice

Intrebri

1. Descrieti izoterma de sorbtie pentru un produs alimentar.

2. Se amestecsemin#e de mu$tar cu 15% umiditate cu semn#e de porumb cu20% umiditate. Care va fi sensul de difuzie al apei? Se utilizeazcurbelede sorb#ie din figura de mai jos (corn = porumb; mustard = mu$tar).


37/103

39

3. In cazul mazrei $i a pulberii din mazre ce pute#i spune despre procesulde absorb#ie al apei (conform figurilor 2 - 4)

4. La pulberea de mazre, la ce temperatura (aferentfigurilor 6.2 6.4) seabsoarbe mai multap?

5. Conform figurilor 6.2 6.4, ct este activitatea apei la pulberea de mazrecu un con#inut de 10% umiditate?


38/103

40


39/103

41

Cursul 7

Interac#iunea apei cu alimentele




Tranzi#ia sticloas

Activitatea apei rmne principalul criteriu pentru stabilitatea alimentelor.Starea fizic $i propriet#ile fizico-chimice ale produselor agroalimentareafecteaz comportarea lor n cursul procesrii, depozitrii, distribu#iei $iconsumului. Cu toate c alimentele proaspete au caracteristici structurale $icompozi#ii diverse, componentele lor principale sunt carbohidra#ii, lipidele,

proteinele $i apa.

Carbohidra#ii sunt hidra#ii de carbon, cel mai important reprezentant al lor$i aflat n cantitatea cea mai mare n alimente fiind amidonul. Amidonul esterezerva cea mai nsemnat de polizaharide din plantele verzi $i constituie

principala surs de glucide pentru alimenta#ia omului $i hrana animalelor.Lipidele constituie o grupde substan#e organice, larg rspnditn organismelevii, fiind caracterizate prin eterogenitatea structurii $i a propriet#ilor fizico-chimice. Frexcep#ie sunt insolubile n ap(hidrofobe). Lipidele sunt ntlnitendeosebi n regnul animal. n regnul vegetal se ntlnesc n cantit#i mai reduse,cu excep#ia semin#elor plantelor oleaginoase (in, cnep, rapi#, soia, floareasoarelui, susan, ricin, msline, nuca de cocos, ). Proteinele sunt substan#eorganice macromoleculare, prezente n celulele microorganismelor, plantelor $ianimalelor, constituind peste 50% din masa uscat a acestora. Apainterac#ioneaz cu compu$ii hidrofili (carbohidra#ii $i proteinele). Compozi#iacarbohidra#ilor variazde la zaharide cu masa molecularmic, solubile n ap,

pnla polimerii din pere#ii celulelor, care pot fi plastifia#i sau nmuia#i de ctreap, dar nu sunt solubili n ap. Frac#iunile proteice au o structur polimer.Aceste substan#e pot fi considerate biomateriale compatibile cu apa. nalimentele congelate $i cele cu umiditate sczut substan#ele biomateriale potexista ntr-o stare amorfcaracterizatprin dezordine molecular.


40/103

42

Exist un domeniu de temperatur n care materialele amorfe setransformde la o stare sticloassolidla o stare de lichid vscos suprarcit. nacest interval de temperatur mobilitatea molecular $i propriet#ile fizico-chimice sufer schimbri importante. Acest domeniu de temperatur este

domeniul de tranzi#ie sticloas (glass transition), iar temperaturacorespunztoare este temperatura de tranzi#ie sticloas Tg (glass transitiontemperature).

n prezent, printr-un material sticlos se n#elege un lichid suprarcit, cuvscozitate foarte mare ( > 1010 1014Pa.s) ce existntr-o stare metastabil, ostare solid din punct de vedere mecanic, n care materialul este capabil ssuporte greutatea sa proprie, fr a curge. O sticl se formeaz atunci cnd unlichid tipic, cu o structur molecular dezordonat, este rcit la o temperatursub temperatura sa de topire, sau cnd este rcit cu o vitez suficient de mare,

pentru a evita cristalizarea lichidului. Prin acest proces de solidificare, cunoscut$i ca vitrificare, se imobilizeazstructura dezordonata strii lichide, astfel cseob#ine un material sticlos omogen spa#ial, dar frordonare a re#elei. n termenitermodinamici, tranzi#ia sticloas este definit ca o tranzi#ie de ordinul doi(opustranzi#iei de ordinul unu, de exemplu topirea cristalelor).

Starea sticloas $i temperatura de tranzi#ie sticloas sunt caracteristicecompu$ilor macromoleculari. Pentru T < Tgpolimerii sunt fragili $i au un aspectsticlos, iar pentru T > Tgpolimerii devin relativ moi, sunt capabili de a se alungi$i sunt relativ elastici. Principalul fenomen observabil la tranzi#ia sticloaseste omodificare a propriet#ilor mecanice. Astfel, un material polimeric cu masamolecular mare sufer modificare de la o stare sticloas fragil la o stareasemntoare cauciucului. n schimb un material cu masa molecular mic vatrece ntr-o stare de lichid vscos, a crui vscozitate scade puternic cu cre$tereatemperaturii. Este de a$teptat ca $i procesele de difuziune sse comporte la felca propriet#ile mecanice, la modificri mici ale temperaturii n jurul valorii Tg.Cnd temperatura trece prin Tgfenomenul de tranzi#ie sticloasse caracterizeaz

printr-o varia#ie brusca multor propriet#i fizice ale materialului (figurile 7.1

7.3). Tg

este fie temperatura de amorsare, fie temperatura de la mijloculintervalului de varia#ie a ei. Pentru produsele agroalimentare este caracteristicosingur tranzi#ie sticloas, care sugereaz c cei mai mul#i compu$i suntmiscibili cu apa.

Eliminarea relativ rapida apei din alimente, prin evaporare, deshidratare,tratamente termice, extrudare, congelare, sau alte metode conduce lasuprasaturarea compu$ilor solubili $i formarea unor structuri amorfe sau par#ialamorfe. n alimente $i n materialele biologice, solidele sunt ntr-o stare amorfmetastabil, stare foarte sensibilla schimbri ale temperaturii $i con#inutului de

ap.


41/103

43

Figura 7.1 Varia#ia propriet#ilor termice $i dielectrice ale materialelorsticloase n domeniul temperaturii de tranzi#ie sticloas

Figura 7.2 Varia#ia vscozit#ii materialelor sticloase n domeniultemperaturii de tranzi#ie sticloas

Figura 7.3 Varia#ii ale propriet#ilor termice ale materialelor sticloase n

domeniul temperaturii de tranzi#ie sticloas

Alimentele uscate sau congelate, prezint tranzi#ie sticloas ce poateinduce schimbri chimice $i fizice n cursul procesrii $i depozitrii. Deasemenea, toate propriet

#ile fizice

$i chimice care sunt controlate de difuziune


42/103

44

$i limiteazdurata de depozitare a produselor agroalimentare, pot fi dependentede pozi#ia temperaturii de depozitare fa#de Tg.

Cu toate cnatura tranzi#iei sticloase nu este pe deplin n#eleas, totu$i eaa fost bine caracterizatprintr-un numr de observa#ii experimentale.

Studiile de microstructur, prin difrac#ie n raze X, au scos n eviden#csticlele au o structur asemntoare unui lichid, punndu-se n eviden#ordinedoar la scara ctorva 'ngstromi. Pe un domeniu ngust de temperatur, tranzi#iasticloaseste asociatcu modificri ale unor propriet#i termodinamice cum ar fientalpia, volumul liber, cldura specific, coeficientul de expansiune termic(figurile 7.1 $i 7.3). Unele date experimentale au pus n eviden# c tranzi#iasticloaseste un proces cinetic $i de relaxare. Prin faptul cvaloarea Tgeste mairidicatcnd viteza de rcire este mai mare, sau cla depozitarea alimentelor laT < Tgmodificrile microstructurii sunt foarte lente, reiese ctranzi#ia sticloaseste un proces cinetic. Deoarece vscozitatea cre$te foarte mult la mic$orareatemperaturii, aceasta sugereazcprocesele de relaxare din material devin mailente. Un material cristalin la T < Ttopire se afl ntr-o stare stabil de echilibrutermodinamic. n schimb un material sticlos la T < Tg este ntr-o staremetastabil, deoarece entalpia sa are o altvaria#ie cu temperatura. Aceasta seexplicprin existen#a unor timpi de relaxare mai mari, ca rezultat al nghe#riimicrostructurii.

Se observdinfigura 7.3cvolumul liber, entalpia $i cldura specificauvalori mai mari n starea metastabil sticloas (amorf), dect n stareacristalin, stare de echilibru termodinamic stabil. Aceasta nseamnctimpii derelaxare necesari acestor modificri scad exponen#ial la cre$terea temperaturii

peste Tg, din cauza apari#iei strii fluide. ntruct n alimente apa ac#ioneazcaun plastifiant, ea poate mic$ora foarte mult valoarea Tg a componenteloralimentare anhidre. n general, valoarea Tg cre$te neliniar (sigmoidal) cumic$orarea con#inutului de ap. De exemplu, apa pur are Tg = 135C, pecnd pentru amidonul anhidru Tg= 151 243C.

Pentru determinarea valorii Tg se poate apela la metode ce urmresc

nregistrarea varia#iilor unor propriet#i mecanice, termice sau dielectrice n jurullui Tg (figurile 7.1 $i 7.3). ns cea mai uzual metod este calorimetriadiferen#ial cu scanare (DSC Differential Scanning Calorimetry), caredetecteaz varia#iile capacit#ii calorice n domeniul temperaturii de tranzi#iesticloas. Cteva elemente caracteristice curbei DSC sunt prezentate n figura7.4. DSC este o tehnic termoanalitic n care diferen#a (fa# de proba dereferin#) n cantitatea de cldurnecesarla cre$terea temperaturii att a probeianalizate ct $i a unei probe de referin#, este msuratn func#ie de temperatur.Att proba, ct $i referin#a, sunt men#inute la aceea$i temperaturpe toatduratamsurtorii.


43/103

45

Figura 7.4 Curba schematicDSC ce con#ine cteva elemente caracteristice

Valorile Tg ale celor mai mul#i biopolimeri anhidri (polizaharide,proteine) nu se pot msura ntruct ei suferdescompunere termic la T < Tg.ns ace$ti produ$i, precum $i produsele alimentare solide fr grsimi se

plastifiaz n prezen#a apei. Mic$orarea valorii Tg la cre$terea con#inutului deap, poate fi explicatdacse admite plastifierea apei la T < Tg. Pentru predic#iavalorii Tga unui biopolimer alimentar cu doucomponente (de exemplu, ap$izaharoz), s-au dezvoltat pe baza datelor experimentale, o serie de ecua#iiempirice, cea mai cunoscutfiind ecua#ia Gordon Taylor:

21

2g21g1g xkxTxkTxT

++= (7.1)

unde: Tg1$i Tg2sunt valorile Tgpentru solidul anhidru, respectiv apa pur;x1$i x2reprezintfrac#iunile masice ale solidului, respectiv apei;k constant, a crei valoare depinde de natura solidului anhidru (tabelul7.1).

n afarde valorile Tgpentru solidul anhidru $i solvent (n general apa), semai obi$nuie$te s se determine $i valoarea temperaturii tranzi#iei sticloase a

solu#iei solid anhidru solvent care are cea mai sczutvaloare a temperaturiide solidificare $i n care concentra#ia procentual a solvatului este 'gC . Aceast

valoare se noteazcu 'gT iar temperatura la care ncepe topirea cu 'mT .

n tabelul 7.1sunt prezentate valori ale acestor temperaturi pentru c#ivacarbohidra#i. Mul#i carbohidra#i formeazstructuri amorfe n materiale biologicecu con#inut sczut de ap$i cele congelare.

Deoarece valoarea Tgdepinde de con#inutul de ap, iar la rndul su ntrecon#inutul de apla echilibru $i activitatea apei este o dependen#exprimatprin

izotermele de sorb#ie, Yrj Roos a propus n urm cu zece ani existen#a unei


44/103

46

dependen#e sigmoidale ntre Tg $i activitatea apei, bazndu-se pe corela#iaexperimentalTg= f(aw) stabilitpentru cp$uni.

Tabelul 7.1 Valori ale Tg, 'gT , 'mT , 'gC $i ale coeficientului k din ecua#ia

Gordon Taylor pentru unii carbohidra#i

CompusulTg

(C)

'gT

(C)

'mT

(C)'gC (%) k

PentozeArabinozaRibozaXiloza

-2-206

-66-67-65

-53-53-53

79,381,478,9

3,553,023,78

HexozeFructoza

FucozaGalactozaGlucozaManozaRamnozaSorboza

5

26303125-719

-57

-62-56-57-58-60-57

-46

-48-45-46-45-47-44

82,5

78,480,580,080,182,881,0

3,76

4,374,494,524,343,404,17

DizaharideLactozaLactulozaMaltozaMelibiozaZaharozaTrehaloza

10179878562100

-41-42-42-42-46-40

-30-32-32-32-34-30

81,382,081,681,781,781,6

6,565,926,156,105,426,54

OligozaharozeRafinoza 70 -36 -28 84,1 5,66

AlcooliMaltitolSorbitolXilitol

39-9-29

-47-63-72

-37-49-57

82,981,780,2

4,753,352,76

Dac se traseaz pe acela$i grafic dependen#a Tg = f(aw) $i izoterma desorb#ie a unui produs, se pot prevedea efectele umidit#ii relative (aw) asuprastabilit#ii la depozitare. Asemenea dependen#e sunt trasate n figurile 7.5 7.7

pentru amidon de porumb gelatinizat, amorf, snacks-uri, respectiv lapte praf frgrsimi.

Pentru amidonul amorf din cereale Tg = 25C. Din diagramele trasategrafic n figura 7.5, s-a gsit c umiditatea relativ este 83% iar con#inutul de

apraportat la 100 g produs solid este 23,5 g. Dep$irea acestor valori la 25C


45/103

47

produc modificri fizice, putnd apare cristalizarea amidonului, ca rezultat alcre$terii mobilit#ii moleculare, deoarece are loc mic$orarea valorii Tgsub 25C.

Dac n ncperea n care sunt depozitate produsele de tip snack cre$teumiditatea relativ(aw), produsul va absorbi apa iar Tgse va mic$ora sub 24C,

produsul pierzndu-$i crocan#a dactemperatura n depozit rmne 24C (figura7.6). Pe baza acelora$i considerente, particulele de lapte praf se vor aglomeradacumiditatea din depozit cre$te (figura 7.7).

Figura 7.5 Rela#ii ntre temperatura tranzi#iei sticloase, con#inutul de ap$iumiditatea relativn stare sta#ionar, pentru amidon de porumb gelatinizat$i

amorf

Figura 7.6 Rela#ii ntre temperatura tranzi#iei sticloase, con#inutul de ap$i

activitatea apei n stare sta#ionar, pentru snacks-uri


46/103

48

Figura 7.7 Rela#ii ntre temperatura tranzi#iei sticloase, con#inutul de ap$iactivitatea apei n stare sta#ionar, pentru laptele praf frgrsime

Aceste grafice pot fi utilizate pentru a ob#ine valorile critice ale activit#iiapei $i a con#inutului de ap, care reduc valoarea Tg sub temperatura mediuluiambiant. Astfel de grafice sunt importante pentru a evalua $i a face predic#iiasupra stabilit#ii alimentelor cu con#inut sczut de ap, n diferite condi#ii dedepozitare.

De exemplu, dac n depozitul n care se pstreaz laptele praf frgrsime, umiditatea relativ a aerului cre$te la 60%, dac ambalajul estepermeabil pentru vaporii de ap, activitatea apei n produs va cre$te n timp.Cnd se atinge o stare de echilibru, con#inutul de ap al laptelui praf va fi deaprox. 14 g ap/100 g produs solid. Aceasta nseamn c particulele de lapte

praf se vor aglomera, fiind posibile dizolvri locale ale granulelor n apaabsorbit. Valoarea corespunztoare noii activit#i a apei (aw= 0,60) va fi la Tg=-18C, fiind posibil ca la temperatura camerei (temperatura la care produsul estedepozitat n magazine) unele componente polimere ale laptelui praf s senmoaie, modificnd deci textura produsului.

Cuvinte cheie: tranzitia sticloasa, temperatura de tranzitie sticloasa, relatiaGordon-Taylor

Intrebri

1. Calcula#i valoarea Tg pentru un amestec binar glucoz ap, deconcentra#ie 40% glucoz. Se d: Tg glucoza= 31C, Tg apa= 135C, kglucoza= 4,52


47/103

49

2. Cu ct se modificvaloarea Tgdac n 1000 cm3solu#ie glucoz40% se

adaug250 cm3 ap? Se d: Tg glucoza= 31C, Tg apa= 135C, kglucoza=4,52

3. La un fruct proaspt care con#ine 15% SU, ct este con#inutul de ap

exprimat n g ap/ 100 g SU (SU substan#a uscat)?4. Din fabrica#ie, laptele praf fr grsime are Tg = 24C. Ct este aw $i

con#inutul lui de ap(se utilizeazfigura 7.7)? Acest produs se pastreazdeschis n frigider, unde umiditatea relativ este 90%. Estima#i ce sentmplcu valorile lui Tg $i a con#inutului de ap.

5. Izoterma de sorb#ie $i curba Tgse intersecteazntr-un punct (figurile 7.5-7.7). Ce informa#ii se pot ob#ine din acel punct?


48/103

50


49/103

51

Cursul 8

Elemente de texturale alimentelor

Acceptabilitatea alimentelor de ctre poten#ialii consumatori poate fidivizatn trei categorii majore:

aspectul (culoarea, forma) ce se bazeazpe propriet#ile optice; aroma (gustul $i mirosul) care este rspunsul la stimulii chimici a

receptorilor din cavitatea bucal; atingerea, ce reprezint rspunsul sim#ului tactil la stimulii fizici ce

rezultla contactul dintre unele pr#i ale corpului $i aliment.

Aceastsenza#ie de atingere este numittextur. Textura, alturi deaspect $i arom, este un atribut calitativ important pentru cele mai multe produseagroalimentare.

Textura unui produs alimentar - defini#ii

Textura unui produs alimentar solid sau semi-solid se datoreazstructurii$i organizrii lui la nivel celular $i subcelular. Cu toate c exist posibilitateaimitrii culorilor strlucitoare ale fructelor proaspete $i a fabricrii aromelor,

imposibilitatea imitrii texturii este un obstacol real n calea producerii unorfructe artificiale. Exist imita#ii ale sucurilor de fructe, care au succes pe pia#,deoarece pe lng arom s-a putut imita $i vscozitatea sucurilor naturale.Productorii de fructe trebuie s fac eforturi pentru a aproviziona pia#a cu

produse cu texturexcelent, deoarece existen#a pe pia#a unor fructe cu texturmoale poate facilita acceptarea unor fructe solide artificiale, atunci cnd ele voraprea.

De$i pentru lucrtorii din industria alimentardin USA cuvntul textur

nseamn un atribut calitativ, nu exist nco defini#ie complect satisfctoaresau universal acceptatpentru acest cuvnt, aplicat produselor agroalimentare. Opiedicn defini#ia texturii o constituie faptul cn realitate textura este un grupde propriet#i a produselor agroalimentare.

O defini#ie dat de Bourne, M.C., unul din pionierii cercetrilor dindomeniul texturii, afirmcpropriet#ile texturale ale unui aliment sunt acel

grup de caracteristici fizice puse n eviden#prin sim#ul tactil $i care sunt legate

de deformarea, dezintegrarea $i curgerea unui produs alimentar la aplicarea

unei for#e, fiind msurate obiectiv prin func#ii ale for#ei, timpului $i distan#ei.Aceastdefini#ie exclude unele propriet#i fizice cum ar fi temperatura, precum


50/103

52

$i propriet#ile optice $i electrice, care nu au nimic comun cu textura. Kramer adefinit textura ca fiind una din cele trei propriet#i senzoriale primare alealimentelor legate n ntregime de atingere sau sim#, iar Szczesniak a definit-oca o manifestare a propriet#ilor reologice ale alimentelor.

Defini#ia datde Organiza#ia Interna#ionalpentru Standardizare confertexturii toate atributele reologice $i structurale (geometrie $i suprafa#) ale

produselor alimentare percepute prin mijloace mecanice $i prin intermediulreceptorilor tactili, vizuali $i auditivi. Probabil, cea mai complet defini#ieapar#ine lui deMan textura este modul n care componentele structurale alealimentului sunt aranjate ntr-o micro- $i o macrostructur, precum $i

manifestrile exterioare ale acestei structuri.

Pentru a putea face o predic#ie a comportrii unui produs agroalimentar n

cursul procesrii, transportului, mnuirii, precum $i n timpul mastica#iei, estenecesar evaluarea texturii lui. Un rol important n n#elegerea naturii

parametrilor texturii l-a avut apari#ia Profilului Texturii. Aceast tehnicexperimental implic utilizarea metodelor senzoriale $i instrumentale pentrurealizarea profilului texturii unui produs solid. O alt inova#ie major a fostadaptarea unui dispozitiv de testare a rezisten#ei materialelor la msurarea

propriet#ilor texturale ale alimentelor.

Propriet#ile texturale pot fi evaluate fie prin msurtori instrumentale, fie

senzorial. Evaluarea instrumental a propriet#ilor texturale include msurareafor#ei, timpului, distan#ei, lucrului mecanic, a vitezei de curgere $i a altorcaracteristici mecanice. Cele mai uzuale sunt metodele ce implic msurareafor#ei. n func#ie de geometria aparatului, msurarea propriet#ilor texturale se

poate realiza prin tehnica extrudrii, strpungerii, forfecrii, compresiei (simple$i multiple), ndoire ncovoiere, torsiune.

Evaluarea senzorial se extinde de la determinarea unui parametrutextural, pn la o analiz complet a profilului texturii, care n func#ie dealiment poate include 15 30 descriptori texturali. Cei mai utiliza#i parametrisenzoriali ai texturii sunt: duritatea, crocan#a, coeziunea, masticabilitatea,adezivitatea, rigiditatea, puterea de ncleiere, vscozitatea, fibrozitatea,granulozitatea, aspectul de past, aspectul de fulgi, aspectul unsuros, umiditatea.

Evaluarea senzoriala propriet#ilor texturale ale alimentelor

Percep#ia senzorialimplicdouetape separate:

Etapa achizi#iei datelor, prin rspunsul celulelor fotosensibile la lumin,

mi$carea membranelor elastice din ureche provocat de undele sonore,stimularea chimic a receptorilor pentru miros $i gust, rspunsul sim#ului


51/103

53

tactil la atingerea alimentului, activitatea mu$chiularn cursul mastica#iei $inghi#irii;

Etapa analizei datelor, n care sunt implicate ci neurale complexe,

urmatde interpretarea datelor de ctre creier.Rspunsul senzorial la stimulii mecanici sau de altnaturnu poate cre$te

la nesfr$it, percep#ia senzorialputnd deci fi descrismatematic printr-o lege aputerii, valabil pe un domeniu limitat de valori a stimulilor. Presupunnd crspunsul senzorial () trebuie s ating asimptotic un nivel de saturare (S),rspunsul poate fi normalizat n forma unui rspuns adimensional (Y), ce poatevaria ntre 0 $i 1:

s

Y

= (8.1)

Deoarece nivelul de saturare se atinge asimptotic, rspunsul normalizatpoate fi descris de rela#ia exponen#ial:

( )m)x( xCexp1Y = (8.2)

unde: x = sau oo pragul ini#ial al rspunsului

C, m constante (C < 1).

Dezvoltnd n serie MacLaurin exponentul din rela#ia de mai sus, seob#ine seria:

....!3

xC!2

xCxC1em33m22

mxC m ++= (8.3)

iar rspunsul normalizat va avea forma:

....!3

xC!2

xCxCY m33m22m)x( += (8.4)

ntruct C < 1, pentru valori mai mici ale lui x termenii superiori ai serieise pot neglija $i n consecin#percep#ia senzoriala unui stimul poate fi descris

printr-o lege a puterii:

m)x( xCY = (8. 5)


52/103

54

Vscozitatea fluidelor alimentare poate fi $i ea evaluat senzorial,constatndu-se pentru un sirop (fluid Newtonian) o dependen# dup o lege a

puterii ntre vscozitatea () $i aprecierea senzoriala fluidit#ii din gur(T):

pkT = (8.6)

n aceast expresie, k $i p sunt constante specifice fiecrui fluid.Dependen#e similare s-au ob#inut $i n cazul fluidelor ne-newtoniene (supe,sosuri, hidrocoloizi).

Senza#ia auditiv este important pentru percep#ia multor alimente.Zgomotul generat n cursul mastica#iei anumitor produse agroalimentare poate ficaracterizat prin trei descriptori: crocan#a, ron#itul $i frmi#area. Alimentele

crocante, cum ar fi extrudatele din aluatul de pine, genereaz sunete n carepredomin frecven#e mai mari de 5 kHz. Crocan#a este o senza#ie acustic,detectat de ureche n cursul ruperii unui aliment crocant. Aceste alimente

produc un sunet caracteristic, cu un domeniu larg de frecven#e, predominantefiind tonalit#ile joase, cantitatea totalde sunete fiind un indiciu al gradului decrocan#. n schimb morcovii, care se ron#ie, genereaz in timpul mastica#ieisunete n care sunt dominante frecven#e de 1,25 2 kHz. Alimentelefrmicioase (biscui#ii usca#i) genereaz sunete cu frecven#e nalte $i joase.Frecven#a semnalului sonor emis de produsele crocante scade cu cre$terea

valorii activit#ii apei.Degajarea CO2prin aluat n cursul coacerii, permite ob#inerea unei bune

texturi, caracteristice pinii. S-a stabilit c exist o legtur ntre propriet#iletexturale ale alimentelor $i fenomenul de tranzi#ie sticloas. Un numr dealimente ob#inute din cereale, cum ar fi cele folosite la micul dejun precum $i

produsele tip snack, au o texturporoas, crocantcaracteristic, crocan#a fiindesen#ialpentru calitatea acestor produse.Ele $i pstreazpropriet#ile texturaledac con#inutul lor de ap este sczut. Expuse la umezeal absorb apa $i carezultat al plastifierii apei $i pierd crocan#a. Pierderea crocan#ei poate fi

considerat un fenomen de colaps, guvernat de tranzi#ia sticloas. Pentruevaluarea senzorial a unor astfel de produse, cu diferite valori ale aw, s-auutilizat trei tehnici:

- ruperea manuala probei n doubuc#i;- prima mu$ctur, realizatcu incisivii;- a doua mu$cturcu incisivii urmatde doumastica#ii cu molarii.

Produsele crocante pe bazde cereale (extrudatele, napolitanele, biscui#ii)

sunt dure, dar sfrmicioase. Ele sunt produse amorfe, deci sunt n staresticloas $i trebuie s rmn n aceast stare pentru a-$i men#ine crocan#a n


53/103

55

cursul depozitrii. Unele produse crocante, chiar dac sunt n starea sticloassufer modificri semnificative ale comportrii mecanice. Folosind testeleacustice $i analiza senzorial, s-au studiat propriet#ile texturale ale alimentelorcrocante pe baz de cereale la diferite con#inuturi de ap. Efectul apei asupra

crocan#ei, a capacit#ii de frmi#are $i a intensit#ii sunetului emis la rupere sedatoreaz ini#ierii mi$crii moleculare ce precede sau nso#e$te tranzi#iasticloas. A$a s-a constatat cpinea alb$i modificcomportarea la cre$tereacon#inutului de ap, de la o comportare caracterizat prin frmi#are la uncon#inut de 9% ap, la un comportament elastic daccon#inutul de apeste 14%.La 15C pinea cu 40% umiditate, iar la temperatura camerei cea cu 14%umiditate se comport ca un polimer sintetic, fiind sticloas $i fragil $i cuvaloare mare a modulului de elasticitate a lui Young. Cu cre$terea temperaturiisau a valorii awapare tranzi#ia sticloas, modulul lui Young $i mic$oreazbruscvaloarea n jurul valorii Tg, iar pinea devine elastic.

S-a stabilit o dependen#sigmoidala rigidit#ii n raport cu aw, scderearigidit#ii fiind marcant la aw= 0,6 0,8. Dacaw> 0,85 nu se mai pot ob#inevalori pentru rigiditatea produselor.

Pentru a copia sau a modela procesul ce are loc n gur n timpulmastica#iei trebuie ca n prima etapa percep#iei organoleptice sse conceapo

schem de desf$urare a evalurii, care s con#in descriptorii texturali ce sevor evalua, precum $i definirea lor. Nu existo schemetalon pentru evaluarea

senzorial a texturii, ea diferind de la un aliment la altul. Evaluareacaracteristicilor texturale se realizeaz de ctre evaluatori, care de cele maimulte ori sunt antrena#i cteva zile naintea evalurii propriu zise. Rolulantrenamentului este $i pentru a obi$nui evaluatorii cu schema de desf$urare aevalurii. Pentru antrenamentul lor se folosesc produse nrudite cu alimentul ceurmeaza fi testat, produse care pot fi considerate etalon, deoarece li se cunosc

propriet#ile texturale. De exemplu evaluarea senzorial a texturii crnciorilorde pui s-a realizat prin compara#ie cu dou standarde (crnciori) preparate nlaborator. La antrenarea evaluatorilor folosi#i la evaluarea texturii cartofilor

dulci prji#i s-au utilizat cartofi dulci fier#i n abur.Pentru aprecierea senzorial a atributelor texturii evaluatorii au la

dispozi#ie o scalhedonicdescriptivde 6, 8 sau 14 puncte. Scala descriptivafost introdus n 1957 ca metod de apreciere. Pentru ca datele s poat fievaluate statistic, fiecare evaluator are la dispozi#ie la fiecare sortiment evaluatminim 5 probe. n general se utilizeaz o scal de 14 puncte pentru notareaintensit#ii atributului, 1 corespunznd atributelor nedetectabile, iar 14 pentrucele extrem de intense. Crocan#a unor produse tip snack s-a evaluat cu o scalde6 puncte: 0 extrem de rigid, 1 foarte rigid, 2 rigid, 3 rigiditate medie, 4 crocant, 5 foarte crocant. Textura crnii de vit s-a realizat prin evaluarea


54/103

56

senzoriala frgezimii ei, avnd la dispozi#ie o scarhedonicde 8 puncte: 1 foarte rezistent, 2 rezistent, 3 rezisten#moderat, 4 pu#in rezistent, 5

pu#in fraged, 6 frgezime moderat, 7 fraged, 7 foarte fraged.

Analiza senzorial a nghe#atei depozitat 5 zile la 30C, urmat depstrarea nainte de consum timp de dou zile la 18C, a permis evaluareagradului de rece, a con#inutului de crem $i a vitezei de topire n gur.Evaluarea s-a realizat pe probe de 100 g, aduse la 4C, temperatura optimdeconsum a nghe#atei. S-a constatat c datele ob#inute depind de compozi#iaini#ial, iar pentru a mbunt#i calit#ile texturale este necesar destabilizareaemulsiei de frac#iuni grase ce se afln produsul final.Analiza senzoriala unor

produse pufoase din cereale avnd diferite con#inuturi de ap a permisaprecierea crocan#ei $i rezisten#ei. Absorb#ia umidit#ii induce, datorit

plastifierii, mic$orarea sigmoidala valorilor parametrilor senzoriali ai texturii.

La evaluarea senzorial a texturii crnii, se poate omite rezisten#a,deoarece ea este combina#ia a dou note: tria (for#a cerut pentru rupere) $icoeziunea(deformarea datoratdin#ilor nainte ca proba sse rup). ntruct nuse poate stabili ce cot din senza#ia de rezisten# revine for#ei $i ct revinedeformrii, rezisten#a nu poate fi un parametru textural pentru carne.

Evaluarea senzoriala texturii crnciorilor din carne de vitcu con#inutsczut de grsimi presupune notarea pe o scal de 8 puncte a coeziunii,

rigidit#ii $i suculen#ei. Adugarea calciului permite ob#inerea unor crnciorimai moi, mai pu#in elastici $i cu grad redus de mastecabilitate.

Frgezimea este cel mai important factor al perceperii calit#ii crnii dectre consumatori. Ea poate fi mbunt#itprin procesarea crnii imediat dupsacrificarea animalului. Pentru evaluarea senzorial a frgezimii crnii de vitexisto serie de descriptori texturali cum ar fi: nmuierea la apsarea cu din#ii,fragmentarea fibrei la mastica#ie, u$urin#a la mastica#ie, reziduu la mastica#ie,suculen#a, pentru care se poate utiliza $i o scalhedonicde 150 puncte, valorilemari fiind favorabile. Rigiditatea $i coeziunea unor produse din carne (salam,hamburgheri, crnciori, pe$te) cresc prin adugarea unor ingredien#i cum ar fi $i - carrageenan (preparat coloidal din alge ro$ii) sau proteine pe baz desoia. Ace$ti ingredien#i se gelific, prin gelifiere crescnd caracteristiciletexturale ale produselor din carne.

Textura este o calitate de mare importan# pentru fructe $i legume,deoarece influen#eaz comportarea lor n timpul procesrii, mnuirii $itransportului. Astfel sucul poate fi extras cu randament mare din fructele $ilegumele proaspete care au caracteristici texturale pronun#ate. Dup oprire

textura slbe$te, iar sucul de morcovi nu mai poate fi extras dect cu consummare de energie. Procesarea la presiune nalt ca o alternativ netermic la


55/103

57

procesarea termic conven#ional, permite ob#inerea unei texturi apropiate decea ini#ial n cazul fasolei verzi, a morcovilor $i cartofilor. La depozit

Date post:	19-Feb-2018
Category:	Documents
Upload:	adriannab
View:	302 times
Download:	3 times

Curs Fizica Aplicata

Documents