Chemical Kinetics in Food Processing

1. Chemical Kinetics in Food Processing 1205 457 การประยุกต์ใช้คอมพิวเตอร์ในสาขาเทคโนโลยีการอาหาร อ.กฤษณา ศิริพล และ อ.ประยงค์ อุดมวรภัณฑ์

2. วัตถุประสงค์การเรียนรู้วัตถุประสงค์การเรียนรู้ • สามารถประยุกต์ใช้โปรแกรมสะเพรดชีทในการคำนวณทางจลนศาสตร์เคมีในการแปรรูปอาหาร

3. Why are kinetics important? • In order to control processes. • speed up useful reactions that occur too slowly • slow down reactions that are harmful • Example: • Catalysts are used in our cars to rapidly convert toxic substances into safer substances • Refrigerators are used to slow the process of spoiling in food

4. What affects reaction rate? • Temperature • Higher concentration • Increased surface area • Catalysts

6. How do we measure rates? • Rates must be measured by experiment • Indicators that a reaction is happening • Color change • Gas formation • Precipitate formation • Heat and light • Many ways to measure the rate • Volume / time • Concentration / time • Mass / time • Pressure / time

7. [A] Reaction rate = time Reaction Rate • ความหมาย – การเปลี่ยนแปลงต่อหน่วยเวลาของ substrate concentration, สี หรือ อื่นๆ ที่เป็นตัวบ่งชี้ปฏิกิริยา สมการปฏิกิริยา A + B  C

8. Kinetic reaction order • Zero order reaction • First order reaction • Second order reaction • Higher order reaction

10. Slope 1 Slope 2 Slope 3 k time Zero Order Reaction A = A0 - kt A0. concentration time slope 1 = slope 2 = slope 3 = k

11. Zero Order Reaction Ex.1 ในปฏิกิริยาทางเคมีหนึ่ง พบว่าความเข้มข้นของ reactant มีค่าลดลงตามเวลาดังกราฟ จงคำนวณหา rate constant (k) ของปฏิกิริยานี้

12. เมื่อ x และ y เป็นค่าเฉลี่ยของตัวอย่าง AVERAGE(known_x’s) และ AVERAGE(known_y’s)

13. เมื่อ x และ y เป็นค่าเฉลี่ยของตัวอย่าง AVERAGE(known_x’s) และ AVERAGE(known_y’s)

14. จงใช้ excel คำนวณหาค่า zero order constant และ rqs ด้วยสมการ ให้เวลา 30 นาที 20 คะแนน

15. เฉลย

16. วิธีที่ 1 B10 =rsq(b2:b7,a2:a7) B11 = slope(b2:b7,a2:a7) B12 =abs(b11) A(t) = 131 – 0.34t r2 = 0.9994

17. RSQ • ส่งกลับค่ากำลังสองของสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ชั่วขณะของผลิตภัณฑ์เพียร์สัน ( Pearson product moment correlation coefficient ) โดยใช้จุดข้อมูลใน known_y's และ known_x's สำหรับข้อมูลเพิ่มเติม ให้ดูที่ฟังก์ชัน PEARSON สามารถแปลค่า r กำลังสองเป็นสัดส่วนของค่าความแปรปรวนในคุณสมบัติ y ที่มีต่อค่าความแปรปรวนใน x • ไวยากรณ์ RSQ(known_y's,known_x's) known_y's    คืออาร์เรย์หรือช่วงของจุดข้อมูลใดๆ known_x's    คืออาร์เรย์หรือช่วงของจุดข้อมูลใดๆ

18. SLOPE • ส่งกลับค่าความชันของการถดถอยเชิงเส้น โดยใช้จุดข้อมูลใน known_y's และ known_x's ความชันเป็นระยะทางในแนวตั้งหารด้วยระยะทางในแนวนอนระหว่างจุดสองจุดบนเส้นตรง ซึ่งเป็นอัตราการเปลี่ยนแปลงตามแนวของเส้นถดถอย • ไวยากรณ์ SLOPE(known_y's,known_x's) known_y's    คืออาร์เรย์หรือช่วงของเซลล์ที่มีจุด ข้อมูลตัวเลขที่ใช้เป็นค่าที่ไม่เป็นอิสระ (y) known_x's    คือชุดของจุดข้อมูลที่ใช้เป็นค่าที่ เป็นอิสระ (x)

20. วิธีที่ 2

23. A(t) = 131 – 0.34t r2 = 0.9994

24. Ex. 2 • จงสร้างกราฟแสดงการลดลงของความเข้มข้นกับเวลา • จงหาสมการ zero order reaction ของปฏิกิริยานี้จาก 2 วิธี (ให้เวลา 20 นาที 20 คะแนน)

25. เฉลย

26. พิจารณาข้อมูลด้านบนว่าเป็น zero order หรือไม่ ในปฏิกิริยาทางเคมีหนึ่ง พบว่าความเข้มข้นของ reactant มีค่าลดลงตามเวลาดังกราฟ

27. ไม่เป็น zero order

28. First-order

29. First-order

30. C2 =ln(b2) Copy c2 then paste on c3:c7 นักศึกษาลองคำนวณเองว่าค่า first order constant = M? ให้เวลา 10 นาที (10 คะแนน)

31. หรือ ใช้วิธี plot graph (ln A vs time) ได้ค่า slope = -k = 0.0080 สมการปฏิกิริยาคือ หรือ

32. หรือ ใช้วิธี plot graph (A vs time)

35. สมการปฏิกิริยาคือ

36. Ex. 3 ในการเก็บน้าผลไม้แอบเปิลนาน 450 วัน และเก็บตัวอย่าง มาทดสอบหาปริมาณวิตามินซี (mg/kg) ความสว่างของน้ำส้มและทดสอบรสชาติ (ความชอบของผู้บริโภคแบบ hedonic scale) ผลดังตาราง จงพิสูจน์ว่าการเปลี่ยนแปลง วิตามิน C ความสว่างและรสชาติเป็นการเปลี่ยนแปลงแบบใด และมีสมการ kinetic reaction เป็นแบบใด (ด้วยกราฟ และ การคำนวณแบบตาราง เปรียบเทียบ)

37. Ex. 3 ในการเก็บน้าผลไม้แอบเปิลนาน 450 วัน และเก็บตัวอย่าง มาทดสอบหาปริมาณวิตามินซี (mg/kg) ความสว่างของน้ำส้มและทดสอบรสชาติ (ความชอบของผู้บริโภคแบบ hedonic scale) ผลดังตาราง จงพิสูจน์ว่าการเปลี่ยนแปลง วิตามิน C ความสว่างและรสชาติเป็นการเปลี่ยนแปลงแบบใด และมีสมการ kinetic reaction เป็นแบบใด (ด้วยกราฟ และ การคำนวณแบบตาราง เปรียบเทียบ) (ให้เวลา 60 นาที 60 คะแนน)

38. เฉลย (กราฟ) Vitamin C=821.7e-0.0067t L* = 63.7 – 0.0559t Tase = 8.3e-0.001t Vitamin loss เป็น first order L* เป็น zero order Taste เป็น first order หรือ zero order

39. เฉลย (คำนวณ) Vitamin C=821.7e-0.0067t L* = 63.7 – 0.0559t Tase = 8.3 – 0.00676t

40. Half-life • เวลาที่ทำให้เกิดปฏิกิริยา หรือเกิดกิจกรรมต่างๆ ทำให้เหลือ substrate หรือ reactant ครึ่งหนึ่งของสารตั้งต้น (A=0.5A0)

41. 0.5A0 k t1/2= ที่มา: http://www.chem.purdue.edu/gchelp/howtosolveit/Kinetics/Halflife.html 0.5A0=A0-kt1/2 kt1/2=0.5A0

42. ln 2 k t1/2 = 0.5A0 A0 ln( ) = -kt1/2 ที่มา: http://www.chem.purdue.edu/gchelp/howtosolveit/Kinetics/Halflife.html

43. Ex. 4 • จากตาราง เป็นผลการวัดความเข้มข้นของสารตั้งต้น (%) ในกระบวนการ hydrolysis of Avicel cellulose จงคำนวณหา third half-life ของปฏิกิริยา (20 นาที 20 คะแนน)

44. เฉลย Copy c11 and paste on c11-c12 ตอบthird half-life = 7.916 ชั่วโมง

45. Ex.5 • ข้อมูลจาก EX. 3 เป็นข้อมูลในการทดสอบ shelf life ของน้ำแอบเปิ้ลผ่านการสเตอร์ไรส์ และเก็บไว้ที่อุณหภูมิ 37oC และถูกสุ่มตัวอย่างทุก 50 วันเพื่อทดสอบหาจำนวนวิตามินซีที่หลงเหลือ การเปลี่ยนแปลงความสว่าง และรสชาติ โดยคุณภาพที่ยอมรับได้ต้องมีคะแนนรสชาติไม่ต่ำว่า 6 คะแนน หรือมีวิตามินซีหลงเหลืออยู่ไม่ต่ำกว่าครึ่งหนึ่งของวิตามินซีเริ่มต้น จงคำนวณหา เวลาที่เหมาะสมสำหรับการเก็บ (shelf life) น้ำแอบเปิ้ลที่ 37oC และทำนายสภาวะสุดท้าย (คุณภาพสุดท้าย) ของน้ำแอบเปิ้ลวันหมดอายุ (30 นาที 30 คะแนน)

46. เฉลย