Tại sao bột nhào bánh mì vừa kéo giãn được vừa co lại? Tại sao sô-cô-la nóng chảy cần nhiệt độ và tốc độ khuấy chính xác để phủ đều? Tại sao sữa chua khuấy càng lâu càng loãng? Tất cả thuộc phạm vi của lưu biến học, ngành khoa học nghiên cứu cách vật liệu biến dạng và chảy dưới tác dụng của lực. Trong công nghệ thực phẩm, lưu biến học là cầu nối giữa công thức, thiết bị sản xuất và cảm nhận của người tiêu dùng.

Lưu biến học là gì?

Lưu biến học (rheology, từ tiếng Hy Lạp rheo – chảy) nghiên cứu mối quan hệ giữa lực tác dụng và biến dạng hoặc dòng chảy của vật liệu theo thời gian. Thực phẩm hiếm khi là chất lỏng lý tưởng hay chất rắn lý tưởng; phần lớn nằm giữa hai thái cực, vừa có tính nhớt như chất lỏng vừa có tính đàn hồi như chất rắn.

Các khái niệm cơ bản

  • Ứng suất (stress): lực trên một đơn vị diện tích, đơn vị Pa. Ứng suất trượt tác dụng song song bề mặt.
  • Biến dạng (strain): mức thay đổi hình dạng tương đối so với ban đầu, không có đơn vị.
  • Tốc độ trượt (shear rate): tốc độ biến dạng, đơn vị 1/s. Mỗi thao tác có dải tốc độ trượt riêng: lắng hạt trong chai khoảng 10⁻⁶–10⁻³ 1/s, rót và khuấy khoảng 10–100 1/s, nhai và nuốt khoảng 10–500 1/s, bơm, phun, đồng hóa có thể tới 10³–10⁶ 1/s.
  • Độ nhớt: tỷ số giữa ứng suất trượt và tốc độ trượt.
  • Ứng suất chảy (yield stress): ứng suất tối thiểu để vật liệu bắt đầu chảy.

Vì độ nhớt của nhiều thực phẩm thay đổi theo tốc độ trượt, cần đo ở dải tốc độ tương ứng với ứng dụng thực tế: muốn biết sản phẩm có bị lắng không thì đo ở tốc độ rất thấp, muốn biết có bơm được không thì đo ở tốc độ cao.

Phân loại hành vi chảy

  • Newton: độ nhớt không đổi (nước, sữa, dầu, siro trong).
  • Giả dẻo (shear-thinning): độ nhớt giảm khi tốc độ trượt tăng (sốt, nước ép có thịt quả, dung dịch xanthan gum).
  • Giãn nở (shear-thickening): độ nhớt tăng khi tốc độ trượt tăng, hiếm gặp.
  • Dẻo có ứng suất chảy: tương cà, mayonnaise, sô-cô-la nóng chảy, kem phết.
  • Phụ thuộc thời gian: thixotropic (loãng dần khi khuấy liên tục, phục hồi khi nghỉ) như sữa chua khuấy; rheopectic (đặc dần) hiếm gặp.

Mô hình toán học thường dùng

  • Định luật lũy thừa (power law): mô tả chất lỏng giả dẻo bằng chỉ số độ đặc K và chỉ số dòng chảy n (n < 1 là giả dẻo).
  • Bingham: có ứng suất chảy, sau đó chảy tuyến tính.
  • Herschel–Bulkley: có ứng suất chảy, sau đó chảy theo định luật lũy thừa; phù hợp nhiều loại sốt, purê.
  • Casson: từng là mô hình chuẩn cho sô-cô-la nóng chảy; hiện ICA (Hiệp hội Cacao Quốc tế) khuyến nghị báo cáo trực tiếp độ nhớt tại các tốc độ trượt xác định và ứng suất chảy.

Tính đàn hồi nhớt

Nhiều thực phẩm như bột nhào, gel, phô mai, kẹo dẻo, kem đánh bông vừa tích trữ năng lượng (đàn hồi) vừa tiêu hao năng lượng (nhớt) khi biến dạng. Tính chất này được đo bằng phép đo dao động (oscillatory rheometry): mẫu bị biến dạng hình sin với biên độ nhỏ, máy ghi nhận:

  • Mô-đun tích trữ G’ (storage modulus): phần đàn hồi, giống chất rắn.
  • Mô-đun tổn hao G” (loss modulus): phần nhớt, giống chất lỏng.
  • tan δ = G”/G’: nhỏ hơn 1 nghĩa là tính rắn trội hơn (gel), lớn hơn 1 là tính lỏng trội hơn.

Các phép đo dao động quan trọng:

  • Quét biên độ (amplitude sweep): xác định vùng đàn hồi nhớt tuyến tính (LVR), nơi cấu trúc chưa bị phá vỡ, và độ bền cấu trúc.
  • Quét tần số (frequency sweep): phân biệt gel thật (G’ gần như không đổi theo tần số) với dung dịch đặc (G’ và G” giao nhau).
  • Quét nhiệt độ hoặc thời gian: theo dõi quá trình tạo gel, nóng chảy, hồ hóa tinh bột, biến tính protein; điểm G’ = G” thường được dùng làm điểm tạo gel.
  • Phép đo rão và phục hồi (creep–recovery): áp ứng suất không đổi và theo dõi biến dạng theo thời gian.

Thiết bị đo

  • Lưu biến kế quay và dao động với hình học côn – đĩa, đĩa – đĩa song song, trụ đồng trục; chọn theo độ nhớt và kích thước hạt của mẫu.
  • Nhớt kế Brookfield: đơn giản, dùng cho QC.
  • Thiết bị chuyên dụng cho bột nhào: farinograph (khả năng hút nước, thời gian phát triển bột, độ ổn định), extensograph và alveograph (khả năng kéo giãn, sức căng), Mixolab (kết hợp nhào và gia nhiệt).
  • Đo lưu biến kéo dài (extensional rheology): quan trọng với bột nhào, phô mai kéo sợi, quá trình nuốt.
  • Máy phân tích cấu trúc cho thực phẩm rắn, xem phân tích cấu trúc (TPA).

Ứng dụng trong ngành thực phẩm

  • Thiết kế quá trình: tính toán công suất bơm, tổn thất áp suất trong đường ống, thời gian lưu trong thiết bị trao đổi nhiệt khi thanh trùng, thiết kế cánh khuấy, vòi chiết rót.
  • Độ ổn định sản phẩm: ứng suất chảy đủ lớn giữ hạt, thịt quả, gia vị lơ lửng trong sốt, đồ uống mà không lắng; giữ giọt dầu không nổi trong nhũ tương.
  • Cảm quan: độ sánh, độ mịn, độ dính miệng tương quan với các thông số lưu biến ở tốc độ trượt khi ăn.
  • Bánh mì và mì sợi: đánh giá chất lượng bột mì, ảnh hưởng của enzyme, chất cải thiện, gluten.
  • Sô-cô-la: kiểm soát độ nhớt và ứng suất chảy bằng lecithin, PGPR, hàm lượng bơ cacao, kích thước hạt để phủ, đúc khuôn đúng yêu cầu.
  • Sữa chua, kem, món tráng miệng: tối ưu tỷ lệ protein, hydrocolloid, tinh bột.
  • Thực phẩm cho người khó nuốt: thiết kế độ đặc, độ dính an toàn.
  • Protein thực vật: theo dõi hành vi chảy và tạo sợi trong ép đùn.
  • In 3D thực phẩm: vật liệu phải chảy dễ khi đẩy qua đầu phun nhưng giữ hình ngay sau đó.

Lưu ý khi đo

  • Kiểm soát nhiệt độ chính xác, vì độ nhớt thay đổi mạnh theo nhiệt độ.
  • Xử lý mẫu nhẹ nhàng, để mẫu nghỉ trước khi đo nhằm phục hồi cấu trúc.
  • Tránh trượt thành (wall slip) bằng bề mặt nhám với mẫu dạng hạt, nhũ tương đặc.
  • Chống bay hơi ở mép mẫu khi đo lâu hoặc ở nhiệt độ cao.
  • Khe hở hình học phải lớn hơn nhiều lần kích thước hạt lớn nhất.

Câu hỏi thường gặp

Lưu biến học khác đo độ nhớt thế nào? Đo độ nhớt chỉ là một phần của lưu biến học, thường ở một điều kiện. Lưu biến học mô tả đầy đủ hành vi của vật liệu trên dải tốc độ trượt, thời gian, nhiệt độ, và cả tính đàn hồi.

Doanh nghiệp nhỏ có cần lưu biến kế không? Không nhất thiết. Nhớt kế quay và thiết bị đo cấu trúc đủ cho QC hằng ngày; phép đo lưu biến chuyên sâu có thể thuê tại trường đại học, viện nghiên cứu khi phát triển sản phẩm mới hoặc xử lý sự cố.

Thuật ngữ liên quan

Đọc thêm: Ngành Công Nghệ Thực Phẩm Là Gì? Tổng Quan A-Z