Mở đầu - Chương 2: Tổng quan - Chương 3: Vật liệu và phương pháp - Chương 4: Kết quả - biện luận - Chương 5: Kết luận và đề xuất 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2. Tổng quan về kỹ thuật vi bao 2. Định nghĩa Kỹ thuật vi bao được định nghĩa là kỹ thuật bao gói các thành phần có hoạt tính sinh học có lợi trong các cấu trúc vi nang rất nhỏ, phủ kín bởi vật liệu bao gói có dạng màng mỏng (có thể là dạng đơn lớp hoặc đa lớp). Vật liệu lõi được kiểm soát cơ chế giải phóng theo khả năng tan rã của màng vỏ ở điều kiện phù hợp được trình bày ở hình 2.
Một số hợp chất có thể được bao gói bên trong vật liệu bao gói cụ thể tạo ra vi nang hình cầu nhỏ có đường kính từ 1 μm đến vài 100 μm. Các vi nang siêu nhỏ có dạng hình cầu với một lớp vỏ bao quanh nhân, một số khác có hình dạng không đối xứng hoặc đa hình dạng (Choudhury et al. Hai loại cấu trúc vi nang (Jafari và cộng sự 2008) Kích thước của các giọt được hình thành thông qua quá trình bao gói có thể được phân loại là: macro (> 5000 μm), micro (1,0 – 5000 μm) và nano (<1,0 μm). Các vi nang có kích thước dưới 1,0 μm thường được gọi là các vi nang nano, thường được chế tạo bằng các phương pháp bao gói nano rất chuyên dụng (King và cộng sự, 1995).
Hai cấu trúc chính là vi nang đơn lõi và đa lõi được thể hiện ở hình 2. Loại vi nang đơn lỗi thường được tạo ra bằng quá trình đông tụ phức hợp, sấy tầng sôi, co-extrusion. Trong vi nang đa lõi, được sản xuất chủ yếu bằng phương pháp sấy phun, vật liệu lõi được phân tán khắp vật liệu thành và khu vực trung tâm bị chiếm bởi khoảng trống do sự giãn nở của các giọt trong giai đoạn sấy như trong hình 2. Vi nang với cấu trúc này thường có tải trọng lõi chiếm 20–30% tổng trọng lượng vi nang.
Một số kỹ thuật 4 bao gồm kính hiển vi điện tử quét (SEM) có thể được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc bên ngoài và bên trong của các vi nang (Talmon và cộng sự, 1988). Phân loại vi nang Dựa trên các tính chất vật lý và hóa học của vật liệu lõi, thành phần của vật liệu bao gói và phương pháp vi bao được sử dụng sẽ thu được các loại vi nang khác nhau được thể hiện ở hình 2.2: hình cầu đơn giản được bao quanh bởi vật liệu bao gói (monolayer), vi nang có lõi không đều (irregular), nhiều lõi riêng biệt trong màng liên tục (multicore) của vật liệu bao gói, các vi nang nhiều vách (multilayer) và các giọt lõi được nhúng trong ma trận vật liệu bao gói (matrix), (Roberts & Taylor, 2000). Vi bao đơn lớp Vi bao đa lớp Vi bao ma trận Vi bao vô định Vi bao đa lõi (Monolayer) (Multilayer) (Matrix) (Multicore) hình (Irregular) Hình 2. Các loại vi nang khác nhau (Choudhury và cộng sự, 2021) 2.
Phương pháp vi bao Tùy thuộc vào loại vật liệu bao gói được sử dụng, các kỹ thuật khác nhau được sử dụng để sản xuất các vi nang và những kỹ thuật này dẫn đến sự khác biệt về tính chất của các vi nang như kích thước vi nang, hình thái học, độ xốp, độ hút ẩm, tính kỵ nước, sức căng bề mặt và đặc tính nhiệt. Các thuộc tính này lần lượt có liên quan chặt chẽ đến việc giải phóng có kiểm soát của lõi được bao gói. Vật liệu lõi cần phải được bảo vệ đúng cách để được giải phóng ở mức thời gian cụ thể, do đó cải thiện hiệu quả của quá trình vi nang và dẫn đến phạm vi ứng dụng rộng rãi. Các yếu tố chính ảnh hưởng đến việc giải phóng lõi bao gồm bản chất của vật liệu lõi, tỷ lệ giữa vật liệu lõi và vật liệu bao gói, bản chất của vật liệu bao gói và sự tương tác giữa hai chất này (Roberts & Taylor, 2000).
Phương pháp vi bao thường được phân loại thành ba nhóm chính: phương pháp hóa học, phương pháp vật lí và phương pháp hóa lý. Tuy nhiên, cách phân loại này có thể không hoàn toàn chính xác vì một số phương pháp được phân loại dựa vào tính cơ học, một số phản ứng hóa học và một vài kỹ thuật hóa học hoặc dựa trên các thông số vật lý (Jyothi và cộng sự, 2010). Phương pháp hóa học Phản ứng trùng hợp bề mặt (Interfacial polymerization, IFP) Trong kỹ thuật này được đặc trưng bởi sự hình thành màng qua sự trùng hợp nhanh của các monomer trên bề mặt của các giọt nhỏ hoặc các giọt lõi đã được phân tán. Chất được sử dụng làm vật liệu bao gói là các monomer đa chức năng, khả năng của một monomer hình thành liên kết hóa học với các monomer khác được gọi là đa chức năng, nó cũng là một tính chất thiết yếu của monomer.
Chúng sẽ được sử dụng riêng lẻ hoặc kết hợp, monomer đa chức năng hòa tan trong vật liệu lõi lỏng và nó sẽ được phân tán trong pha nước có chứa chất phân tán. Một amin đa chức năng đồng phản ứng sẽ được thêm vào hỗn hợp. Điều này dẫn đến sự trùng hợp nhanh chóng ở bề mặt và việc tạo ra vỏ nang diễn ra nhanh chóng (Jyothi và cộng sự, 2010). Polymer hóa tại chỗ (In situ polymerization) Sự hình thành lớp vỏ vi nang xảy ra do các monomer trùng hợp được thêm vào phản ứng vi bao.
Trong quá trình này, không có tác nhân phản ứng nào được thêm vào vật liệu lõi, quá trình trùng hợp chỉ xảy ra ở pha liên tục và ở phía pha liên tục của bề mặt được hình thành bởi vật liệu lõi phân tán và pha liên tục. Ban đầu, một chất có trọng lượng phân tử thấp sẽ được hình thành, trong quá trình phản ứng chất có trọng lượng phân tử thấp này tăng kích thước, nó lắng đọng trên bề mặt của vật liệu lõi phân tán ở đó bằng cách tạo ra một lớp vỏ vi nang rắn (Jyothi và cộng sự, 2010). Phương pháp hóa lý Vi bao giọt tụ (Coacervation) Coacervation là một thuật ngữ được sử dụng trong hóa học keo để biểu thị quá trình tách pha liên kết gây ra bởi sự thay đổi môi trường môi trường (pH, cường độ ion, nhiệt độ, độ hòa tan) trong các điều kiện được kiểm soát. Trong quá trình này, pha chứa nhiều polymer được gọi là pha đông tụ, trong khi pha chứa rất ít polymer được gọi là pha cân bằng (Nairm, 1995).
Khả năng tạo gel phụ thuộc vào tính chất của vật liệu bao gói khi được nhỏ giọt vào trong một môi trường thích hợp. Dựa trên các hệ polymer tham gia phản ứng và cơ chế tách pha có hai loại quá trình vi bao giọt tụ đó là quá trình tụ giọt đơn giản và phức tạp (Timilsena và cộng sự, 2019). Quá trình vi bao giọt tụ đơn giản, một polymer duy nhất được tham gia và các chất đông tụ được hình thành do cơ chế khử nước hoặc háo nước bằng cách bổ sung muối hoặc chất lỏng khử gọi là chất đông tụ vào môi trường phản ứng (Timilsena và cộng sự, 2019). 6 Quá trình vi bao giọt tụ phức hợp nhờ vào sự tương tác ion giữa hai hay nhiều polymer tích điện trái dấu nhau, thường là protein và polysaccharide dẫn đến sự hình thành giọt tụ và tách pha (Bachtsi & Kiparissides, 1996).
Yếu tố chính thúc đẩy quá trình đông tụ phức tạp là tương tác tĩnh điện giữa các đại phân tử tích điện có trong môi trường phản ứng. Tuy nhiên, lực liên phân tử van der Waals , tương tác kỵ nước trong protein lưỡng cực và sự thay đổi cấu trúc nucleic acid do liên kết hydro giữa các phân tử cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình đông tụ phức hợp. Trong đó, các loại vật liệu tạo màng có bản chất là protein có thể được sản xuất từ động vật như gelatin, whey protein, albumin, hoặc sản xuất từ thực vật như protein của đậu nành, đậu hà lan, lúa mì, giọt chia, ngũ cốc, còn đối với các vật liệu polysaccharide bao gồm alginate, chitosan, gum arabic, pectin, agar, carrageenan và carboxymethyl cellulose (Timilsena và cộng sự, 2019). Phương pháp vật lý Ép đùn (Extrusion) Phương pháp ép đùn được sử dụng để vi bao các chất mùi dễ bay hơi, kém ổn định với vật liệu bao gói.
Để sử dụng phương pháp này, vật liệu lõi và vật liệu bao gói không thể trộn lẫn vào nhau. Ở đây, vật liệu lõi và vật liệu bao gói được truyền theo cách sao cho vật liệu bao gói bao quanh lõi và chúng được truyền qua các vòi phun đồng tâm, do đó tạo thành các giọt chứa lõi được bao quanh bởi vật liệu bao gói. Sau đó quá trình hóa rắn được thực hiện bằng cách làm lạnh hoặc sử dụng bể tạo gel thích hợp trong đó các giọt rơi xuống và đông đặc lại do hình thành phức chất. Các vỏ bọc được tạo thành bằng phương pháp này có kích thước tương đối lớn hơn so với được tạo thành bằng bất kỳ phương pháp nào khác và công nghệ này cũng hữu ích với các vật liệu bao gói bị hạn chế.
Chỉ có thể sử dụng một số vật liệu bao gói chủ yếu là MD và tính bột. Thêm vào đó, phương pháp chỉ được áp dụng cho dung dịch có nồng độ khá thấp khoảng 8%, vì ở nồng độ cao hơn sản phẩm sẽ kém ổn định vật liệu lõi dễ bị khuếch tán ra ngoài và bị oxy hóa (Choudhury và cộng sự, 2021). Sấy phun lạnh (Spray cooling/Chilling) Sấy phun lạnh là phương pháp làm lạnh phun bao gói rất giống với phương pháp sấy phun trong quá trình vận hành, điểm khác biệt chính là việc sử dụng không khí lạnh trong quá trình sấy. Hỗn hợp vật liệu lõi và vật liệu bao gói được nguyên tử hóa để tạo thành các giọt chất lỏng siêu nhỏ bên trong buồng sấy, ở đó tác nhân sấy là không khí được làm lạnh.
Nhiệt độ thấp trong buồng sấy dẫn đến sự đông đặc của các giọt siêu nhỏ, dẫn đến sự hình thành bột được vi bao. Đây là kỹ thuật vi bao có chi phí thấp nhất, nhưng ở kỹ thuật này vật liệu 7 lõi có xu hướng bám dính trên bề mặt ngoài của vật liệu bao gói thường là chất béo. Các thành phần này sẽ dễ dàng được giải phóng khi tiếp xúc với môi trường thực phẩm, đây cũng là nhược điểm của phương pháp sấy lạnh bởi liên kết của vật liệu bao gói và lõi là không bền (Wegmüller và cộng sự, 2006).