Xây Dựng Công Thức Vi Nhũ Tương Lutein Tan Trong Nước Ứng Dụng Làm Chất Màu Thực Phẩm

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật hóa học nghiên cứu công thức vi nhũ tương lutenin tan trong nước, ứng dụng làm chất màu thực phẩm an toàn.

• Tác giả: Trần Thị Phương Thùy
• Người hướng dẫn: TS. Hoàng Thị Huệ An
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
• Đề tài: Công Thức Vi Nhũ Tương Lutein Tan Trong Nước: Ứng Dụng Làm Chất Màu Thực Phẩm
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Vi Nhũ Tương Lutein Tan Trong Nước O W

Vi nhũ tương lutein tan trong nước là một hệ phân tán đồng nhất, bao gồm pha dầu và pha nước, được ổn định bởi các chất hoạt động bề mặt. Hệ này có tính đẳng hướng về mặt quang học và ổn định về nhiệt động học, tương tự như một dung dịch lỏng. Khác với nhũ tương thông thường, vi nhũ tương có kích thước hạt rất nhỏ (10-100nm), tạo nên độ trong suốt cao và khả năng phân tán tốt. Điều này đặc biệt quan trọng đối với lutein, một carotenoid có màu vàng cam, vì nó vốn khó tan trong nước. Việc chuyển lutein sang dạng vi nhũ tương giúp mở rộng ứng dụng của nó trong các sản phẩm thực phẩm và dược phẩm. Theo Danielson và Lindman, vi nhũ tương là hệ bền nhiệt động giống như một dung dịch lỏng, nhưng ở kích thước phân tử, nó là hệ dị thể.

1.1. Thành Phần Cơ Bản Của Hệ Vi Nhũ Tương Lutein

Hệ vi nhũ tương lutein tan trong nước bao gồm ba thành phần chính: pha dầu, pha nước và chất hoạt động bề mặt (HĐBM). Pha dầu thường là dầu thực vật, đóng vai trò hòa tan lutein. Pha nước là môi trường phân tán lutein. Chất HĐBM có vai trò làm giảm sức căng bề mặt giữa pha dầu và pha nước, tạo sự ổn định cho hệ. Bản chất của pha dầu ảnh hưởng lớn đến tính chất bề mặt. Các acid béo no và không no có tính thấm ướt tốt thường được sử dụng. Việc lựa chọn pha dầu cần đảm bảo khả năng hòa tan lutein tốt, từ đó giảm thiểu liều lượng vi nhũ tương sử dụng.

1.2. Ưu Điểm Vượt Trội Của Vi Nhũ Tương So Với Nhũ Tương

Vi nhũ tương lutein tan trong nước có nhiều ưu điểm so với nhũ tương thông thường. Kích thước hạt nhỏ hơn giúp tăng khả năng phân tán và độ trong suốt. Độ bền nhiệt động học cao hơn giúp kéo dài thời gian bảo quản. Ngoài ra, vi nhũ tương còn có khả năng cải thiện sinh khả dụng của lutein, giúp cơ thể hấp thụ tốt hơn. Vì vậy, vi nhũ tương là một giải pháp hiệu quả để khắc phục nhược điểm kém tan trong nước của lutein, mở ra nhiều tiềm năng ứng dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm và dược phẩm.

II. Tại Sao Lutein Kém Tan Trong Nước Giải Pháp Vi Nhũ Tương

Lutein, một sắc tố carotenoid quan trọng, có cấu trúc phân tử chứa chuỗi polyen mạch dài kém phân cực. Điều này khiến nó tan tốt trong dầu nhưng lại rất khó tan trong nước, gây trở ngại lớn cho việc ứng dụng trong thực phẩm và đồ uống. Giải pháp được đề xuất là chuyển hóa lutein thành dạng vi nhũ tương. Vi nhũ tương tạo môi trường cho lutein hòa tan trong pha dầu, sau đó phân tán pha dầu này vào pha nước dưới dạng các giọt cực nhỏ. Sự ổn định của hệ vi nhũ tương được đảm bảo nhờ các chất hoạt động bề mặt, ngăn chặn sự kết tụ của các giọt dầu.

2.1. Cấu Trúc Phân Tử Lutein Nguyên Nhân Của Độ Tan Kém

Cấu trúc phân tử của lutein chứa một chuỗi dài các liên kết đôi liên hợp (polyen), tạo nên tính kỵ nước. Chính vì vậy, lutein dễ dàng hòa tan trong các dung môi hữu cơ không phân cực như dầu thực vật, nhưng lại khó hòa tan trong nước. Độ tan kém này là một thách thức lớn trong việc ứng dụng lutein vào các sản phẩm thực phẩm và dược phẩm có thành phần nước cao.

2.2. Vi Nhũ Tương Giải Pháp Tối Ưu Cho Lutein Tan Trong Nước

Vi nhũ tương là một hệ phân tán đồng nhất, trong đó hai chất lỏng không hòa tan (ví dụ: dầu và nước) được trộn lẫn với nhau nhờ sự có mặt của chất hoạt động bề mặt. Trong trường hợp lutein, vi nhũ tương tạo ra một môi trường mà lutein có thể hòa tan trong pha dầu, sau đó pha dầu này được phân tán thành các giọt cực nhỏ trong pha nước, tạo ra một hệ tan trong nước ổn định. Chất hoạt động bề mặt đóng vai trò quan trọng trong việc giảm sức căng bề mặt giữa pha dầu và pha nước, ngăn chặn sự kết tụ của các giọt dầu.

III. Công Thức Điều Chế Vi Nhũ Tương Lutein Phương Pháp Hiệu Quả

Công thức điều chế vi nhũ tương lutein tan trong nước bao gồm việc lựa chọn dầu hòa tan lutein, chất nhũ hóa (ví dụ như Tween 80 và Span 80), và chất chống oxy hóa (ví dụ vitamin E). Tỷ lệ các thành phần này cần được tối ưu hóa để đảm bảo độ ổn định, kích thước hạt nhỏ và khả năng phân tán tốt của vi nhũ tương. Quá trình điều chế thường bao gồm các bước: hòa tan lutein trong dầu, trộn dầu với chất nhũ hóa, sau đó thêm từ từ vào nước và khuấy đều để tạo thành vi nhũ tương.

3.1. Lựa Chọn Dầu Hòa Tan Lutein Phù Hợp Dầu Nành Dầu Dừa...

Việc lựa chọn dầu hòa tan lutein là một bước quan trọng trong quá trình điều chế vi nhũ tương. Các loại dầu thực vật như dầu nành, dầu dừa, và dầu hướng dương thường được sử dụng. Tiêu chí lựa chọn bao gồm khả năng hòa tan lutein tốt, tính an toàn thực phẩm, và giá thành hợp lý. Dầu nành thường được ưu tiên do khả năng hòa tan lutein tốt và giá thành tương đối thấp.

3.2. Hệ Chất Nhũ Hóa Tween 80 Span 80 Tối Ưu Tỷ Lệ Pha Trộn

Hệ chất nhũ hóa Tween 80-Span 80 thường được sử dụng trong điều chế vi nhũ tương lutein. Tween 80 là một chất nhũ hóa ưa nước (HLB cao), trong khi Span 80 là chất nhũ hóa ưa dầu (HLB thấp). Việc kết hợp hai chất này với tỷ lệ phù hợp giúp tạo ra một hệ nhũ hóa cân bằng, đảm bảo độ ổn định của vi nhũ tương. Tỷ lệ Tween 80 và Span 80 cần được tối ưu hóa thông qua các thí nghiệm để đạt được hiệu quả nhũ hóa tốt nhất.

3.3. Vitamin E Vai Trò Chất Chống Oxy Hóa Bảo Vệ Lutein

Lutein rất dễ bị oxy hóa, đặc biệt là khi tiếp xúc với ánh sáng và nhiệt độ cao. Do đó, việc bổ sung chất chống oxy hóa như vitamin E là rất quan trọng để bảo vệ lutein khỏi sự phân hủy. Vitamin E giúp kéo dài thời gian bảo quản và duy trì màu sắc của vi nhũ tương lutein.

IV. Ứng Dụng Vi Nhũ Tương Lutein Làm Chất Màu Thực Phẩm Tự Nhiên

Vi nhũ tương lutein tan trong nước có tiềm năng lớn để ứng dụng làm chất màu thực phẩm tự nhiên, thay thế các phẩm màu tổng hợp độc hại. Nhờ khả năng phân tán tốt trong nước, vi nhũ tương lutein dễ dàng được sử dụng trong các sản phẩm như nước giải khát, sữa chua, kem, và bánh kẹo. Việc sử dụng lutein không chỉ tạo màu vàng cam đẹp mắt cho thực phẩm mà còn cung cấp các lợi ích sức khỏe, nhờ vào khả năng chống oxy hóa của nó.

4.1. Tạo Màu Cho Nước Giải Khát Sữa Chua Đông Sương Bền Màu

Vi nhũ tương lutein tan trong nước có thể được sử dụng để tạo màu vàng cam cho nhiều loại thực phẩm, bao gồm nước giải khát, sữa chua, và đông sương. Việc sử dụng vi nhũ tương giúp màu sắc phân tán đều và ổn định hơn so với việc sử dụng lutein dạng bột. Tuy nhiên, cần lưu ý đến độ bền màu của sản phẩm trong quá trình bảo quản, đặc biệt là khi tiếp xúc với ánh sáng và nhiệt độ cao.

4.2. Hàm Lượng Lutein An Toàn Trong Thực Phẩm Quy Định Khuyến Nghị

Việc sử dụng lutein làm chất màu thực phẩm cần tuân thủ các quy định và khuyến nghị về hàm lượng an toàn. Các cơ quan quản lý thực phẩm thường có các giới hạn về hàm lượng lutein được phép sử dụng trong các loại thực phẩm khác nhau. Việc kiểm soát hàm lượng lutein trong thực phẩm là rất quan trọng để đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng.

V. Kết Luận Hướng Nghiên Cứu Phát Triển Vi Nhũ Tương Lutein

Nghiên cứu về vi nhũ tương lutein tan trong nước mở ra tiềm năng lớn trong việc ứng dụng lutein làm chất màu thực phẩm tự nhiên. Công thức điều chế vi nhũ tương cần được tối ưu hóa để đảm bảo độ ổn định, kích thước hạt nhỏ, và khả năng phân tán tốt. Hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải thiện độ bền màu của vi nhũ tương, mở rộng ứng dụng trong các loại thực phẩm khác nhau, và nghiên cứu về tác dụng sinh học của lutein trong vi nhũ tương.

5.1. Tối Ưu Hóa Công Thức Quy Trình Điều Chế Vi Nhũ Tương

Việc tối ưu hóa công thức và quy trình điều chế vi nhũ tương lutein là rất quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm. Các yếu tố cần được xem xét bao gồm tỷ lệ các thành phần, nhiệt độ, thời gian, và phương pháp khuấy trộn. Việc sử dụng các phương pháp phân tích hiện đại giúp đánh giá chất lượng và độ ổn định của vi nhũ tương.

5.2. Nghiên Cứu Độ Bền Màu Khả Năng Bảo Quản Vi Nhũ Tương

Độ bền màu và khả năng bảo quản là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính ứng dụng của vi nhũ tương lutein trong thực phẩm. Cần nghiên cứu các biện pháp để cải thiện độ bền màu của vi nhũ tương, ví dụ như sử dụng chất chống oxy hóa, bảo quản trong điều kiện tối, và sử dụng bao bì phù hợp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Hệ vi nhũ tương 1. Giới thiệu Vi nhũ tương được khám phá khá sớm, từ những năm 40 của thế kỷ XX, do hai nhà khoa học Hoar và Schumann tình cờ phát hiện ra khi hoà tan nhũ tương sữa vào hexanol. Từ đó đến nay, rất nhiều nghiên cứu về vi nhũ tương được tiếp nối và cũng có nhiều định nghĩa được đưa ra cho nghiên cứu dạng bào chế này.

Theo Danielson và Lindman, hệ vi nhũ tương được định nghĩa như sau: “Vi nhũ tương là hệ phân tán dị thể, gồm pha dầu và pha nước phân tán đồng nhất vào nhau và được ổn định bởi phân tử các chất hoạt động bề mặt phân cách hai pha, có tính đẳng hướng về mặt quang học, ổn định về nhiệt động học giống như một dung dịch lỏng” [15]. Như vậy, một hệ vi nhũ tương là một dung dịch đẳng quang và bền nhiệt động, khi quan sát qua kính hiển vi sẽ thấy như một dung dịch đồng thể, nhưng ở kích thước phân tử thì nó lại là hệ dị thể. Thành phần hệ vi nhũ tương [7] Thành phần cơ bản của hệ vi nhũ tương gồm 3 phần chính: 1. Bản chất pha dầu ảnh hưởng đến tính chất bề mặt phân cách pha do ảnh hưởng đến sự thấm ướt phần đuôi không phân cực của chất hoạt động bề mặt (viết tắt: HĐBM).

Các loại dầu chứa mạch hydrocarbon ngắn dễ thấm ướt phần đuôi không phân cực của chất HĐBM hơn nên sức căng bề mặt trên ranh giới 2 pha dầu/nước giảm nhiều hơn. Các acid béo no (acid lauric, myristic, capric) và không no (acid oleic, acid linoleic, acid linolenic) có tính chất thấm ướt tốt đã được nghiên cứu sử dụng từ lâu. Các ester của acid béo như ester methyl hay ethyl của acid lauric, myristic, oleic cũng có thể được dùng làm pha dầu. Tiêu chuẩn chính để 4 chọn lựa pha dầu là có khả năng hòa tan tốt hoạt chất, điều này sẽ làm giảm thiểu liều lượng vi nhũ tương sử dụng để chuyển giao hoạt chất.

Pha nước (ký hiệu: W): chứa những chất lỏng phân cực như nước, ethanol, propylen glycol,. Chất HĐBM (surfactant): là những chất có khả năng làm giảm sức căng bề mặt phân chia giữa 2 pha dầu và nước, giúp hình thành và ổn định hệ vi nhũ tương. Về cấu trúc hóa học, chất HĐBM điển hình là những hợp chất lưỡng thân, tức trong phân tử có chứa 2 phần: • Phần ưa nước (đầu phân cực): thường là các nhóm chức phân cực như - OH, -NH2, -COO-, SO42-, SO32-, … có moment lưỡng cực cao • Phần ưa dầu: là gốc hydrocarbon không phân cực hoặc ít phân cực, có moment lưỡng cực thấp. Ngoài ra, vị trí gắn các nhóm chức phân cực, độ dài và độ phân nhánh của gốc hydrocarbon không phân cực cũng là các thông số quan trọng ảnh hưởng đến tính chất hóa lý và khả năng nhũ hóa của chất HĐBM.

Nói chung, đuôi hydrocarbon càng dài thì độ tan của chất HĐBM trong pha dầu càng tăng nhưng độ tan trong nước càng giảm, dẫn đến khả năng nhũ hóa nhũ tương O/W giảm. Dựa vào điện tích, người ta chia chất HĐBM thành 3 loại: chất HĐBM ion, chất HĐBM lưỡng tính và chất HĐBM không ion. a) Chất HĐBM ion (bao gồm chất HĐBM cation và chất HĐBM anion): có khả năng phân ly thành ion trong dung dịch, do đó nó nhạy với sự thay đổi pH và nồng độ chất điện ly trong dung dịch. Khi vi nhũ tương được nhũ hóa bằng các chất HĐBM ion thì độ bền của chúng được duy trì nhờ lực đẩy tĩnh điện gây ra bởi điện tích của đầu phân cực của chất HĐBM.

Vì vậy, đối với chất HĐBM ion thì khi tăng nồng độ chất điện ly hay thay đổi pH dung dịch có thể xảy ra sự nén lớp kép trên bề mặt giọt vi nhũ tương, làm giảm điện tích bề mặt giọt nên các giọt có thể đến gần nhau và keo tụ. 5 b) Chất HĐBM lưỡng tính: chứa 2 nhóm chức ion hóa ngược dấu nhau trong phân tử, do đó điện tích của nó phụ thuộc vào pH dung dịch. Mỗi phân tử chất HĐBM lưỡng tính tồn tại một giá trị điểm đẳng điện pI, đó là pH tại đó điện tích dương bằng điện tích âm. Khi pH < pI thì chất HĐBM lưỡng tính mang điện tích dương; khi pH > pI thì mang điện tích âm.

Chất HĐBM lưỡng tính thường hiệu quả hơn khi dùng kết hợp với chất HĐBM anion hay không ion. c) Chất HĐBM không ion: không mang điện tích nên tương thích với nhiều hệ dung dịch do không tương tác với các chất mang điện tích khác. Do vậy, sự thay đổi pH và lực ion của dung dịch ít ảnh hưởng đến tính bền của hệ vi nhũ tương được nhũ hóa bằng chất HĐBM không ion. Tuy nhiên, khi nhiệt độ tăng thì độ tan của chất HĐBM không ion trong dung dịch nước giảm.

Chất HĐBM không ion thường dùng trong công nghiệp thực phẩm và dược phẩm là ester của các đường. Dưới đây là một số chất HĐBM không ion được sử dụng nhiều trong điều chế vi nhũ tương: • Tween 80 (E433) [25]: tên đầy đủ là polyoxyethylen (20) sorbitan monooleate hay (x)-sorbitan mono-9-octadecenoate poly (oxy-1,2-ethanediyl); tên thương mại là Alkest TW 80, Scattics, Canarcel, Poegasorb 80, polysorbate 80. Công thức cấu tạo của Tween 80 (C64H124O26; M = 1310 g/mol) Tween 80 là chất lỏng, màu vàng nhạt, tan trong nước, không độc, hàm lượng nước tối đa 3%, chỉ số HLB = 15 (HLB: Hydrophylic Lipophylic Balance: Chỉ số cân bằng ưa dầu - ưa nước). Span 80 là chất HĐMB không ion thường dùng trong sản xuất thực phẩm và dược phẩm.

Nó là chất lỏng như dầu, màu nâu vàng, không độc, hàm lượng nước tối đa 0,5%, hơi nhẹ hơn nước (khối lượng riêng ở 20oC là 0,994g/mL), có chỉ số HLB = 4,3. Công thức cấu tạo của Span 80 (C24H44O6; M = 428,61 g/mol) • Lecithin [27]: là chất HĐBM lưỡng tính, thường được sử dụng để làm mịn kết cấu thực phẩm, hòa tan bột (nhũ hóa), đồng hóa hỗn hợp lỏng và một số ứng dụng khác trong y học. Lecithin là các phosphatidylcholine (là phospholipid tạo nên bởi acid phosphoric với choline, glycerol hoặc các acid béo khác). Lecithin có sẵn từ các nguồn như đậu nành , trứng, sữa, các nguồn hải sản, hạt cải dầu, hạt bông và hướng dương.

Nó kém tan trong nước nhưng là một chất chuyển thể sữa tuyệt vời. Trong dung dịch nước, phospholipid của nó có thể tạo thành hoặc liposome, tấm kép, mixen, hoặc cấu trúc dạng tấm, tùy thuộc vào độ ẩm và nhiệt độ. Công thức cấu tạo của phosphatidylcholine (một loại phospholipid trong Lecithin) 7 • SLS (Sodium lauryl sulfate) hay SDS (Sodium dodecyl sulfate): có công thức CH3(CH2)11OSO3Na. Đây là một chất HĐBM anion thường được sử dụng trong các sản phẩm làm sạch và vệ sinh, mỹ phẩm, thực phẩm và dược phẩm [12].

Công thức cấu tạo của SLS • Gum arabic (E414) [24]: còn gọi là gum acacia, là một hỗn hợp phức tạp giữa glycoprotein và polysaccharide trong đó có chứa các đường arabinose và ribose. Nó là chất keo dính tự nhiên, có thể ăn được, thường dùng làm chất nhũ hóa hay chất làm đặc (thickening agent) trong công nghiệp thực phẩm. Nó cũng được dùng để kiểm soát độ nhớt trong công nghiệp in, sơn, dệt, sản xuất mực viết hay mỹ phẩm,… Gum arabic không tan trong chất béo, có độ nhớt thấp. Gum arabic có thể hòa tan trong nước lạnh trong khi các loại gum khác thì không thể hoặc tạo huyền phù ở dạng keo hoặc không tan hoàn toàn.

Độ nhớt của gum arabic phụ thuộc vào pH và nồng độ muối. Giá trị pH tự nhiên của dung dịch gum arabic trong khoảng 3,9 - 4,9, do đó gum arabic rất ổn định trong môi trường acid, vì vậy nó được sử dụng rất tốt để ổn định mùi của nước hoa quả. Tuy nhiên, do có protein trong cấu trúc của nó nên gum arabic nhạy với nhiệt: khả năng nhũ hóa sẽ giảm khi đun nóng. Công thức cấu tạo của gum arabic [24] 8 Ngoài ra, đôi khi trong thành phần vi nhũ tương còn có các chất đồng HĐBM (co-surfactant), đó là các chất có bản chất giống chất HĐBM, tức cũng là một chất lưỡng thân nhưng phần không phân cực là các hydrocarbon mạch ngắn hơn.

Do có đuôi hydrocarbon ngắn hơn nên chất đồng HĐBM linh hoạt hơn chất HĐBM: khi cho thêm chất đồng HĐBM vào hệ nhũ tương chúng sẽ hấp phụ trên bề mặt các giọt dầu xen giữa các khoảng trống giữa các phân tử chất HĐBM, đồng thời làm giảm sự tương tác giữa đầu phân cực và đầu không phân cực làm cho sự nhũ hóa các giọt dầu hoàn toàn hơn [21]. Các chất đồng HĐBM có thể là chất HĐBM không ion có trị số HLB trung bình. Chúng thường là các alcol, acid alkanoic, alkyl amin hay ester mạch ngắn như isopropanol, n-propanol, alcol benzylic, glyceryl caprilate… Trong một số trường hợp, bản thân hoạt chất cũng đóng vai trò như chất đồng HĐBM [30]. Ngoài ra, trong vi nhũ tương còn có thể chứa những chất khác như chất tăng khả năng hấp thu, chất tạo mùi, chất bảo quản…[7].

Phân loại các hệ vi nhũ tương Một trong những cách tốt nhất để phân loại các hệ vi nhũ tương là dựa vào vùng đẳng hướng của nó trong giản đồ pha. Giản đồ pha của hệ vi nhũ tương gồm 3 thành phần chính là pha nước, chất HĐBM và pha dầu. Giản đồ pha của hệ vi nhũ tương gồm pha dầu, nước và chất HĐBM [21] (O: pha dầu, W: pha nước, ME: vi nhũ tương) 9 Nói chung, ở nồng độ pha dầu thấp, vi nhũ tương dầu/nước (O/W) sẽ hình thành. Ngược lại, ở nồng độ dung dịch nước thấp thì vi nhũ tương nước/dầu (W/O) sẽ được hình thành.

Ngoài ra, các vùng đẳng hướng cũng có thể cùng tồn tại với giai đoạn khác nhau, có thể khi dư pha dầu hay dư pha nước hoặc một số giai đoạn không đủ hàm lượng chất HĐBM. Winsor chia các hệ vi nhũ tương thành 4 loại: Hệ Winsor I: hệ dầu phân tán trong nước (O/W) Hệ Winsor II: hệ nước phân tán trong dầu (W/O) Hệ Winsor III: Hệ 3 pha, trong đó chất hoạt động bề mặt tan trong cả hai pha (vi nhũ tương trung gian) Hệ Winsor IV: Dung dịch mixen 1 pha (đẳng hướng) khi thêm 1 lượng vừa đủ chất HĐBM và alcol. Mô hình mô tả các hệ Winsor [20] 1. Vi nhũ tương W/O Những hợp chất ưa nước thường hòa tan trong hệ dung dịch nước và không cần thiết phải có công thức cụ thể.

Tuy nhiên, nếu hoạt tính sinh học giảm do bị oxy hóa hoặc thủy phân (hóa học hoặc enzym) thì chúng cần được bảo vệ.