Luận văn thạc sĩ kỹ thuật hóa học khảo sát quá trình cố định citrial lên maltodextrin bcyclodextrin trehalose định hướng ứng dụng sản xuất hương liệu dạng bột

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu kỹ thuật hóa học khảo sát quá trình cố định citrial lên maltodextrin bcyclodextrin trehalose định, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất biện

• Tác giả: Dương Thị Lệ Hằng
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Lan Phi
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học
• Đề tài: Khảo sát quá trình cố định citral lên maltodextrin và bcyclodextrin trong sản xuất hương liệu dạng bột
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về quá trình cố định citral lên maltodextrin và bcyclodextrin

Quá trình cố định citral lên maltodextrin và bcylodextrin là một nghiên cứu quan trọng trong sản xuất hương liệu dạng bột. Citral là một hợp chất có mùi sả chanh mạnh, được sử dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm và mỹ phẩm. Tuy nhiên, citral không ổn định và dễ bị thoái hóa. Việc cố định citral lên các chất mang như maltodextrin và bcyclodextrin giúp bảo vệ citral khỏi các tác nhân gây hại, đồng thời cải thiện khả năng lưu giữ hương vị. Nghiên cứu này không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn mở ra hướng đi mới cho ngành công nghiệp hương liệu tại Việt Nam.

1.1. Citral và vai trò của nó trong sản xuất hương liệu

Citral là một trong những hương liệu quan trọng nhất trong ngành thực phẩm và mỹ phẩm. Nó có khả năng kháng khuẩn và kháng nấm, giúp tăng cường chất lượng sản phẩm. Tuy nhiên, citral dễ bị phân hủy trong điều kiện bảo quản không tốt, dẫn đến mất mùi vị tự nhiên.

1.2. Maltodextrin và bcyclodextrin Chất mang lý tưởng cho citral

Maltodextrin và bcyclodextrin là hai chất mang phổ biến trong quá trình cố định citral. Maltodextrin có khả năng chống oxy hóa tốt, trong khi bcyclodextrin giúp tạo phức với citral, bảo vệ nó khỏi các tác nhân bên ngoài. Việc lựa chọn chất mang phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả cố định citral.

II. Thách thức trong quá trình cố định citral lên maltodextrin và bcyclodextrin

Mặc dù quá trình cố định citral lên maltodextrin và bcyclodextrin mang lại nhiều lợi ích, nhưng cũng gặp phải một số thách thức. Đầu tiên, citral có tính chất hóa học không ổn định, dễ bị phân hủy dưới tác động của nhiệt độ và ánh sáng. Thứ hai, việc lựa chọn tỉ lệ citral và chất mang cũng ảnh hưởng đến hiệu suất cố định. Cuối cùng, cần phải đảm bảo rằng sản phẩm cuối cùng vẫn giữ được hương vị tự nhiên của citral.

2.1. Tính không ổn định của citral trong quá trình bảo quản

Citral dễ bị phân hủy do các phản ứng oxy hóa, dẫn đến mất mùi vị tự nhiên. Việc bảo quản citral trong điều kiện không thích hợp có thể làm giảm chất lượng sản phẩm. Do đó, cần có các biện pháp bảo quản hiệu quả để duy trì tính ổn định của citral.

2.2. Ảnh hưởng của tỉ lệ citral chất mang đến hiệu suất cố định

Tỉ lệ citral và chất mang là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất cố định. Nếu tỉ lệ không hợp lý, citral có thể không được cố định hoàn toàn, dẫn đến giảm chất lượng sản phẩm. Cần phải nghiên cứu kỹ lưỡng để xác định tỉ lệ tối ưu cho từng loại chất mang.

III. Phương pháp cố định citral hiệu quả Sấy phun và phun tẩm

Hai phương pháp chính được sử dụng để cố định citral là sấy phun và phun tẩm. Sấy phun là phương pháp phổ biến hơn, cho phép tạo ra sản phẩm bột với kích thước hạt đồng đều và độ ẩm thấp. Phun tẩm, mặc dù ít phổ biến hơn, cũng có thể được sử dụng trong một số trường hợp nhất định. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ ảnh hưởng đến chất lượng và hiệu suất của sản phẩm cuối cùng.

3.1. Phương pháp sấy phun Lợi ích và ứng dụng

Sấy phun là phương pháp hiệu quả trong việc cố định citral. Phương pháp này giúp tạo ra sản phẩm bột với độ ẩm thấp và kích thước hạt đồng đều. Kết quả nghiên cứu cho thấy sấy phun có hiệu suất cố định citral cao hơn so với phun tẩm.

3.2. Phương pháp phun tẩm Khi nào nên sử dụng

Phun tẩm là phương pháp ít phổ biến hơn nhưng vẫn có thể được áp dụng trong một số trường hợp. Phương pháp này thường được sử dụng khi cần cố định citral trên các chất mang có tính chất đặc biệt. Tuy nhiên, hiệu suất cố định thường thấp hơn so với sấy phun.

IV. Kết quả nghiên cứu về hiệu suất cố định citral

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng phương pháp sấy phun cho hiệu suất cố định citral cao hơn so với phun tẩm. Cụ thể, phần trăm citral cố định được bằng sấy phun trên chất mang maltodextrin đạt từ 22,45% đến 49,48%, trong khi trehalose đạt từ 28,68% đến 61,57%. Điều này cho thấy sấy phun là phương pháp hiệu quả hơn trong việc cố định citral.

4.1. Hiệu suất cố định citral trên maltodextrin

Maltodextrin cho thấy hiệu suất cố định citral cao, với tỷ lệ cố định đạt từ 22,45% đến 49,48%. Điều này cho thấy maltodextrin là chất mang lý tưởng cho citral trong sản xuất hương liệu dạng bột.

4.2. So sánh hiệu suất giữa các chất mang

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng bcyclodextrin không phải là chất mang phù hợp cho việc cố định citral. Trong khi đó, trehalose cho hiệu suất cố định tốt, nhưng vẫn thấp hơn so với maltodextrin. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc lựa chọn chất mang phù hợp.

V. Ứng dụng thực tiễn của citral trong sản xuất hương liệu

Citral có nhiều ứng dụng trong sản xuất hương liệu, đặc biệt là trong ngành thực phẩm và mỹ phẩm. Việc cố định citral giúp bảo vệ hương vị tự nhiên và kéo dài thời gian sử dụng của sản phẩm. Nghiên cứu này không chỉ cung cấp thông tin quý giá cho ngành công nghiệp hương liệu mà còn mở ra cơ hội cho việc phát triển các sản phẩm mới từ citral.

5.1. Ứng dụng citral trong thực phẩm

Citral được sử dụng rộng rãi trong sản xuất thực phẩm, đặc biệt là trong nước giải khát và bánh kẹo. Việc cố định citral giúp duy trì hương vị tự nhiên và kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm.

5.2. Ứng dụng citral trong mỹ phẩm

Trong ngành mỹ phẩm, citral được sử dụng để tạo hương thơm cho các sản phẩm như nước hoa và kem dưỡng da. Việc cố định citral giúp bảo vệ hương thơm và tăng cường hiệu quả của sản phẩm.

VI. Kết luận và triển vọng tương lai của nghiên cứu

Nghiên cứu về quá trình cố định citral lên maltodextrin và bcyclodextrin đã chỉ ra rằng sấy phun là phương pháp hiệu quả nhất. Kết quả cho thấy citral có thể được cố định một cách hiệu quả, mở ra hướng đi mới cho ngành công nghiệp hương liệu tại Việt Nam. Tương lai của nghiên cứu này có thể dẫn đến việc phát triển các sản phẩm hương liệu mới, giúp nâng cao chất lượng và giá trị sản phẩm trong nước.

6.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng việc cố định citral lên maltodextrin và bcyclodextrin là khả thi và hiệu quả. Sấy phun là phương pháp tối ưu cho việc này, với hiệu suất cố định cao.

6.2. Triển vọng phát triển sản phẩm mới từ citral

Nghiên cứu này mở ra cơ hội cho việc phát triển các sản phẩm hương liệu mới từ citral, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và đáp ứng nhu cầu thị trường. Việc áp dụng công nghệ này có thể giúp ngành công nghiệp hương liệu trong nước phát triển bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 GIỚI THIỆU VỀ CITRAL Citral hay 3,7-dimethyl-2,6-octadienal là một acyclic monoterpenoid bao gồm 2 đồng phân hóa học là geranial và neral. Geranial Neral Hình 1.1: Hai đồng phân của citral: geranial và neral. Citral là chất lỏng có màu vàng nhạt, tan tốt trong dầu và không tan trong nước. Khối lượng riêng 0,885–0,891 (25°C), nhiệt độ nóng chảy 228°C, chỉ số khúc xạ 1,486–1,490 (20°C) [4].

Citral có mùi sả chanh mạnh tự nhiên được sử dụng thương mại trong sản xuất Vitamin A, ionones và methylionones. Hơn nữa, citral còn được sử dụng trong việc tổng hợp menthol, chất được ứng dụng trong sản xuất dược phẩm, mỹ phẩm, kem đánh răng, chewing gum và thuốc lá. Trong tự nhiên citral được tìm thấy nhiều trong tinh dầu sả chanh, litsea cubeba và các cây thuộc họ Citrus. Năm 1986 sản lượng tiêu thụ sả chanh trên thế giới ước tính khoảng 650 tấn, đạt khoảng 4,3 triệu đô, hầu hết nguồn tinh dầu gốc xuất phát từ Nam và Trung Mỹ (Argentina, Brazil, Guatemala, Honduras).

Năm 1992-1994, lượng nhập khẩu tinh dầu trung bình của Mỹ là 80 tấn với giá 7,35 USD/kg [5]. Mỹ, một số nước Tây Âu, Nhật Bản là những nước nhập khẩu chính tinh dầu litsea cubeba. Citral được sử dụng trong một số dược phẩm truyền thống như antispasmodic, analgesic, anti-inflammatory, antipyretic, diuretic và sedative. Saddiq và Susan Khayyat 3 cho thấy rằng citral và citral-epoxide có khả năng kháng khuẩn và kháng vi nấm tốt như Penicillium italicum, Rizopussto lonifer và Staphylococus.

Citral có khả năng kháng nấm trên các tác nhân gây bệnh ở người và thực vật [6], nó cũng có hiệu quả trong việc khử mùi, lợi tiểu, kháng viêm, chống co thắt, kích thích sự ngon miệng [7]. Citral có độ nhạy cảm cao dễ bị acid và oxi hóa, bị phân hủy khá nhanh trong quá trình bảo quản bởi những chuỗi phản ứng oxi hóa và phản ứng vòng. Phản ứng tạo vòng của citral làm giảm nồng độ của hương chanh tươi kết quả tạo ra những phức không mong muốn, làm hạn chế thời gian sử dụng của acid citrus trong nước uống và thực phẩm. Citral bị thoái hóa là do isomer hóa geranial thành neral sau đó chuyển sang dạng monoterpene như là p-menthadien-8-ol và p-menthadien-4-ol.

Những monoterpene này oxi hóa thành p-cymene-8-ol sau đó trải qua phản ứng tách nước để tạo ra những hợp chất bền như α-p-dimethylstyrene, p-cymene và p-cresol [8-10]. p-cresol và p- methylacetophenone là những chất gây ra sự thoái biến của citral nhiều nhất. Để đáp ứng nhu cầu đa dạng của thị trường citral thường được kết hợp với nhiều loại tinh dầu khác của họ citrus để áp dụng trong thực phẩm và nước uống. Tuy nhiên, thách thức chính là sự kết hợp của citral trong thực phẩm và nước uống trải qua những kỹ thuật phức tạp, bao gồm các bước sau:  Citral phải được cố định trên chất mang, có thể hòa tan dễ dàng trong dung dịch của các sản phẩm nước giải khát thực phẩm, nước tương bởi vì nó là một chất lỏng có độ tan thấp.

 Chất mang citral phải tương hợp với nền thực phẩm để cảm quan bên ngoài, cấu tạo, sự ổn định hay hương bên trong của sản phẩm không bị thay đổi.  Đặc tính hương của citral và các hoạt tính sinh học trong sản phẩm thực phẩm qua suốt quá trình lưu giữ bảo quản, vận chuyển và sử dụng vì nó dễ bị ảnh hưởng bởi chất oxi hóa, proton, ion kim loại…cũng được quan tâm.  Chất mang citral phải tương thích sinh học, có tính chất vật lý thích hợp để có thể áp dụng hiệu quả trong y học và thực phẩm.2 MALTODEXTRIN, CYCLODEXTRIN, TREHALOSE VÀ CÁC NGHIÊN CỨU ĐÃ CÔNG BỐ.H2O, là sản phẩm thủy phân tinh bột không hoàn toàn (bằng enzym hoặc acid), có chỉ số dextrose (DE) từ 4 đến 20 chỉ số này càng cao thì chuỗi glucose càng ngắn, độ ngọt và độ tan trong nước càng cao.2: Công thức cấu tạo của maltodextrin. Maltodextrin được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực chế biến thực phẩm và dược phẩm đặc biệt là trong việc sử dụng làm chất mang hương liệu và dược phẩm do phức tạo thành có khả năng chống lại các tác nhân oxy hóa, ánh sáng, nhiệt độ giúp lưu giữ mùi hương và hoạt chất tốt [11, 12].

Khi nghiên cứu quá trình vi bao citral bằng phương pháp sấy phun sử dụng chất mang là maltodextrin Jarunee [13] đã cố định được 16% citral lên maltodextrin và lưu giữ 78% citral sau 21 ngày bảo quản ở 37oC. Trong một nghiên cứu khác khi nghiên cứu quá trình cố định sulforaphane Yuangfeng [14] với hiệu quả cố định 39,5% và lưu giữ được 88,9% sulforaphane sau 6 giờ gia nhiệt ở 90oC. Các nghiên cứu về vi bao tinh dầu cũng sử dụng maltodextrin làm chất mang, Alves [15] đã cố định được 65,80% tinh dầu hoa pterodon trên hệ chất mang gum arabic và maltodextrin với kích thước hạt sau sấy phun từ 1,12m đến 45,23m. Cyclodextrin có ba dạng chínhcyclodextrin tương ứng với 6, 7, 8 đơn vị glucose với kích thước lỗ trống từ 0,5 đến 0,8 nm.

Cấu tạo của phân tử cyclodextrin có ý nghĩa vật lý quan trọng trong việc tạo phức với các cấu tử khác, giúp làm bền cấu tử được gắn lên, chống lại các tác nhân về nhiệt, ánh sáng, nhiệt độ, tác nhân oxy hóa, giảm khả năng bay hơi [18]. Đặc biệt, phức tạo bởi cyclodextrin với các chất kỵ nước có khả năng cải thiện tính tan kém của chúng trong nước [19].3: Cấu trúc của cyclodextrin tương ứng với 1A, 1B, 1C [20]. cyclodextrin được xem là một phụ gia thực phẩm [21] trong khi đó cyclodextrin là một chất mang hiệu quả trong ngành hương liệu và dược phẩm [22]. Cyclodextrin không những giúp tăng khả năng hòa tan của tinh dầu trong nước, tăng độ ổn định của hương liệu, tinh dầu, hoạt chất mà còn giúp tăng tính sinh khả dụng của dược phẩm [23].4: Sơ đồ mô tả sự liên kết của citral bên trong -cyclodextrin.[3] Khi khảo sát quá trình cố định citral lên -cyclodextrin bằng hai phương pháp sấy phun và đồng kết tủa (Precipitation), Weisheimer [24] công bố đã cố định được 57,2% citral bằng phương pháp kết tủa và 56,3% citral cố định được bằng sấy phun và sau 47 ngày lưu trữ ở 40 oC lượng citral còn lại trong mẫu sấy phun là 57%.

So sánh hiệu quả cố định tinh dầu chanh lên cyclodextrin bằng hai phương pháp sấy phun và sấy thăng hoa, Bhadari [25] đã cố định được 83,19% tinh dầu chanh bằng phương pháp sấy phun và 83,81% bằng phương pháp sấy thăng hoa. Các nghiên cứu khác của Astray [26], Ruktanonchal [27], Shengzhao Dong [28] cũng sử dụng - cyclodextrin làm chất mang để nghiên cứu quá trình vi bao hương liệu, cố định citral và astaxanthin cho định hướng ứng dụng trong thực phẩm. Trehalose có tính ngọt dịu, độ hòa tan trong nước cao, tính bền vững về mặt hóa học cao, khả năng hút ẩm thấp nên được sử dụng không hạn chế liều lượng trong thực phẩm và dược phẩm.5: Công thức cấu tạo của trehalose. Sosa và các cộng sự [30, 31] nghiên cứu quá trình vi bao citral trên trehalose và sucrose bằng phương pháp sấy phun và độ bền của hệ vi nhũ, kết quả cố định citral cao nhất là 64% khi sử dụng hệ chất mang maltodextrin và tinh bột biến tính với độ lưu giữ sau 14 ngày lưu trữ ở 23oC đạt 75,44%, khi sử dụng trehalose hiệu suất cố định đạt 54,4% và còn lại 73,04% cũng sau 14 ngày ở 23oC.

Trong môt nghiên cứu khác khi vi bao tinh dầu cam sử dụng hệ chất mang trehalose và maltodextrin, Natalia Sosa [32] công bố đã cố định được 78,8% tinh dầu cam lên hệ chất mang này so với hiệu suất cố định 72,3% trên hệ chất mang tinh bột biến tính và maltodextrin.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH CITRAL 1.1 Cố định bằng kỹ thuật sấy phun (Spray drying) Sấy phun là phương pháp phổ biến, tiết kiệm và được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật cố định hương [33, 34]. Đây là kỹ thuật quan trọng bởi tính hiệu quả trong việc lưu giữ hương và tính ổn định hóa học cao. Chất mang hay vật liệu nền (maltodextrin, tinh bột biến tính, gum) được hòa vào nước, hương sẽ được thêm vào sau đó hỗn hợp sẽ được đồng hóa hoặc khuấy trộn mạnh để tạo thành một hỗn hợp đồng nhất. Việc tạo ra hỗn hợp nhũ tương mịn sẽ làm tăng tính lưu hương trong quá trình sấy [35].

Hỗn hợp nhũ sẽ được nhập liệu vào máy sấy và được phun qua vòi phun, dòng khí nóng bên trong thiết 8 bị sẽ tương tác trực tiếp với các giọt lỏng được phun ra làm bốc hơi nước, các hạt bột khô sẽ rớt xuống đáy của thiết bị và được thu lấy. Ưu điểm của kỹ thuật sấy phun là thời gian thực hiện ngắn, lưu giữ mùi cho hương tốt, có thể sử dụng cho nhiều chất mang khác nhau. Sosa [31] đã chứng minh rằng độ nhớt và kích thước hạt phân tán ảnh hưởng đến tính ổn định của nhũ, đồng thời nhũ sẽ có độ bền cao nhất ở một kích thước giới hạn. Tuy nhiên quá trình tạo nhũ để có một hỗn hợp ổn định với độ nhớt, kích thước hạt phân tán theo ý muốn là không đơn giản.

Ngoài ra nhược điểm của kỹ thuật này là sản phẩm bột tạo thành rất dễ bị tích tụ lại với nhau, độ ẩm không đạt yêu cầu và cần phải có một quy trình để tăng khả năng hòa tan của bột thu được khi ứng dụng trong các sản phẩm lỏng.2 Cố định bằng cách tạo nhũ oil-in-water (O/W) Việc tạo nhũ O/W dựa trên nguyên tắc của quá trình đồng hóa hỗn hợp gồm dầu, nước và chất nhũ hóa. Đây là dạng nhũ mà các giọt dầu nhỏ phân tán trong pha nước được ổn định bởi chất nhũ hóa. Các chất ưa dầu sẽ kết hợp chặt chẽ với nhau trong pha dầu và các hợp chất ưa nước sẽ kết hợp với nhau trong pha nước và đồng hóa hai hỗn hợp. Nhũ O/W được sử dụng để cố định citral đã được báo cáo [36, 37], theo đó nhũ được tạo thành bằng cách khuấy trộn rồi đồng hóa hỗn hợp gồm 5% w/w triacetin/ medium chain triglycerols ( MCT) với 95% w/w dung môi chứa 1–5% w/w Tween 80, 20 mM sodium citrate buffer, pH 3.

Để đánh giá tác động của pH lên sự biến đổi hóa học của citral, các tác giả đã sử dụng dung dịch có nồng độ citral ban đầu 0,05% w/w và lưu trữ ở 20oC trong điều kiện pH khác nhau. Kết quả quan sát được sau một tuần lưu trữ cho thấy citral ít thay đổi và được lưu giữ tốt ở pH trung tính. Sự phân tán của citral trong hỗn hợp nhũ ở các tỉ lệ MCT và triacetin khác nhau cũng cho thấy rằng phần trăm Citral trong dung dich tăng lên tương ứng với việc tăng hàm lượng triacetin và giảm nồng độ MCT.