Vì sao gói snack mở ra để vài giờ đã ỉu? Vì sao sữa bột bị đóng cục khi để nơi ẩm? Vì sao nước ép trái cây khó sấy phun thành bột? Câu trả lời cho cả ba câu hỏi nằm ở cùng một khái niệm của khoa học vật liệu thực phẩm: nhiệt độ chuyển thủy tinh (glass transition temperature – Tg).

Nhiệt độ chuyển thủy tinh là gì?

Nhiều thực phẩm khô như bánh quy, snack, sữa bột, kẹo cứng, ngũ cốc ăn sáng ở trạng thái vô định hình: các phân tử (đường, tinh bột, protein) không sắp xếp thành tinh thể có trật tự. Vật liệu vô định hình có thể tồn tại ở hai trạng thái:

  • Trạng thái thủy tinh: cứng, giòn, phân tử gần như “đóng băng”, di chuyển rất chậm. Ví dụ kẹo cứng, bánh quy giòn.
  • Trạng thái cao su: mềm, dẻo, dính, phân tử linh động hơn nhiều. Ví dụ kẹo dẻo, bánh quy bị ỉu.

Nhiệt độ chuyển thủy tinh Tg là khoảng nhiệt độ mà tại đó vật liệu chuyển từ trạng thái thủy tinh sang trạng thái cao su. Đây không phải là sự nóng chảy (không có tinh thể tan ra) mà là sự thay đổi đột ngột về độ linh động phân tử, độ nhớt và tính chất cơ học.

Nước là “chất hóa dẻo” mạnh nhất

Nước làm giảm Tg rất mạnh. Một loại bột đường ở dạng khô hoàn toàn có thể có Tg cao hơn nhiệt độ phòng, nhưng chỉ cần hút thêm vài phần trăm ẩm, Tg tụt xuống dưới nhiệt độ phòng và vật liệu chuyển sang trạng thái cao su. Mối quan hệ này giải thích vì sao hoạt độ nước và Tg luôn đi cùng nhau khi đánh giá độ ổn định của thực phẩm khô.

Tg của một số đường ở trạng thái khan (giá trị tham khảo): fructose khoảng 5–10 °C, glucose khoảng 30 °C, saccharose khoảng 60–70 °C, lactose khoảng 100 °C; maltodextrin có Tg càng cao khi chỉ số DE càng thấp. Đây là lý do sản phẩm giàu fructose rất dính và khó làm khô.

Khi T > Tg: điều gì xảy ra?

Khi nhiệt độ bảo quản vượt quá Tg, tốc độ các thay đổi vật lý và hóa học tăng rất nhanh, không theo quy luật Arrhenius thông thường mà theo động học Williams–Landel–Ferry (WLF). Các hiện tượng điển hình:

  • Mất độ giòn: snack, bánh quy, ngũ cốc hút ẩm, Tg giảm xuống dưới nhiệt độ phòng, chuyển sang trạng thái cao su và trở nên dai, ỉu.
  • Dính và đóng bánh: hạt bột ở trạng thái cao su dính vào nhau tạo cầu nối, bột vón cục, mất khả năng chảy.
  • Kết tinh: đường vô định hình (như lactose trong sữa bột) có đủ độ linh động để sắp xếp lại thành tinh thể, giải phóng nước, làm đóng bánh nặng hơn.
  • Sụp cấu trúc: sản phẩm xốp co lại.
  • Tăng tốc phản ứng như hóa nâu Maillard, giải phóng hương vi bao.

Ứng dụng trong công nghệ

Snack và bánh giòn

Để giữ độ giòn, sản phẩm phải được bảo quản sao cho Tg luôn cao hơn nhiệt độ môi trường. Điều này đòi hỏi độ ẩm thấp, bao bì có tốc độ thấm hơi nước thấp, và trong công thức, chọn thành phần có Tg cao (tinh bột, maltodextrin DE thấp, protein) thay vì đường có Tg thấp.

Sấy phun

Trong sấy phun, nếu nhiệt độ bề mặt hạt cao hơn Tg khoảng 10–20 °C, hạt dính vào thành buồng sấy (“điểm dính”). Với nước ép trái cây, mật ong, siro giàu đường, nhà sản xuất thêm chất mang có Tg cao như maltodextrin, gum arabic, protein để nâng Tg của hỗn hợp, đồng thời hạ nhiệt độ khí ra.

Sấy thăng hoa

Trong sấy thăng hoa, khái niệm tương ứng là Tg’ – nhiệt độ chuyển thủy tinh của pha đậm đặc đông lạnh. Nhiệt độ sản phẩm trong giai đoạn sấy sơ cấp phải thấp hơn Tg’ (hoặc nhiệt độ sụp cấu trúc) để không bị sụp.

Kem và thực phẩm đông lạnh

Kem bảo quản trên Tg’ của pha đông đặc (với hệ saccharose khoảng −32 °C) vẫn có độ linh động phân tử, cho phép tinh thể đá lớn dần khi nhiệt độ dao động, làm kem bị sạn. Phụ gia có khối lượng phân tử lớn như maltodextrin, hydrocolloid giúp nâng Tg’ và làm chậm quá trình này.

Vi bao hương liệu

Hương liệu được giữ trong nền thủy tinh (maltodextrin, gum arabic) sấy phun. Khi nền chuyển sang trạng thái cao su do ẩm hoặc nhiệt, hương thoát ra và bị oxy hóa nhanh.

Đo nhiệt độ chuyển thủy tinh

  • Nhiệt lượng quét vi sai (DSC): phương pháp phổ biến nhất, phát hiện bước thay đổi nhiệt dung tại Tg.
  • Phân tích cơ học động (DMA): nhạy hơn với thay đổi tính chất cơ học.
  • Kết hợp đo Tg ở nhiều độ ẩm khác nhau để xây dựng giản đồ trạng thái (state diagram) của sản phẩm, cho biết vùng độ ẩm và nhiệt độ an toàn.

Áp dụng thực tế cho R&D

  • Xác định độ ẩm tới hạn mà tại đó Tg bằng nhiệt độ bảo quản dự kiến (ví dụ 30–35 °C cho điều kiện kho ở Việt Nam).
  • Chọn bao bì đủ chắn ẩm để độ ẩm sản phẩm không vượt ngưỡng đó trong suốt hạn dùng.
  • Điều chỉnh công thức: giảm đường đơn, tăng thành phần phân tử lớn.
  • Bổ sung chất chống đông vón cho sản phẩm bột khi cần.

Câu hỏi thường gặp

Tg khác nhiệt độ nóng chảy thế nào? Nhiệt độ nóng chảy áp dụng cho vật liệu tinh thể, tại đó tinh thể chuyển thành chất lỏng. Tg áp dụng cho vật liệu vô định hình, là sự chuyển đổi giữa trạng thái cứng giòn và mềm dẻo, diễn ra trong một khoảng nhiệt độ.

Có thể làm snack ỉu giòn lại không? Sấy lại để loại ẩm sẽ đưa Tg lên trên nhiệt độ phòng, phục hồi một phần độ giòn, nhưng hương vị có thể đã bị ảnh hưởng.

Thuật ngữ liên quan

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