Nghiên Cứu Quá Trình Tạo Hệ Nhũ Tương Nano Tinh Dầu Tiêu Đen Và Ứng Dụng Bảo Quản Thực Phẩm

Tài liệu nghiên cứu Nghiên cứu quá trình tạo hệ nhũ tương nano tinh dầu tiêu đen và ứng dụng bảo quản thực phẩm, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về .

• Tác giả: Lý Thị Minh Hiền
• Người hướng dẫn: GS. Đống Thị Anh Đào
• Trường học: Đại Học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Công Nghệ Thực Phẩm
• Đề tài: Nghiên Cứu Hệ Nhũ Tương Nano Tinh Dầu Tiêu Đen Trong Bảo Quản Thực Phẩm
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Hệ Nhũ Tương Nano Tinh Dầu Tiêu Đen

Nghiên cứu về hệ nhũ tương nano tinh dầu tiêu đen đang thu hút sự chú ý trong lĩnh vực bảo quản thực phẩm. Hệ nhũ tương nano là một công nghệ tiên tiến giúp phân tán các thành phần ưa béo vào môi trường chứa nước, từ đó nâng cao khả năng bảo quản thực phẩm. Tinh dầu tiêu đen, với các hoạt chất kháng vi sinh vật, đã được chứng minh là có hiệu quả trong việc kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm. Nghiên cứu này sẽ trình bày chi tiết về quy trình tạo ra hệ nhũ tương nano và ứng dụng của nó trong bảo quản thực phẩm.

1.1. Đặc Điểm Của Hệ Nhũ Tương Nano Tinh Dầu Tiêu Đen

Hệ nhũ tương nano tinh dầu tiêu đen có kích thước giọt nhỏ, thường dưới 100 nm, giúp tăng cường khả năng hòa tan và phân tán trong môi trường thực phẩm. Đặc điểm này không chỉ cải thiện tính ổn định mà còn nâng cao hiệu quả kháng khuẩn của tinh dầu. Các nghiên cứu cho thấy rằng hệ nhũ tương nano có thể duy trì tính chất hóa lý ổn định trong thời gian dài.

1.2. Lợi Ích Của Việc Sử Dụng Tinh Dầu Tiêu Đen Trong Bảo Quản Thực Phẩm

Tinh dầu tiêu đen không chỉ có khả năng kháng vi sinh vật mà còn cung cấp hương vị tự nhiên cho thực phẩm. Việc sử dụng tinh dầu này trong hệ nhũ tương nano giúp tăng cường hiệu quả bảo quản, giảm thiểu sự phát triển của vi khuẩn gây hại, từ đó kéo dài thời gian sử dụng của thực phẩm.

II. Vấn Đề Trong Bảo Quản Thực Phẩm Với Tinh Dầu Tiêu Đen

Mặc dù tinh dầu tiêu đen có nhiều lợi ích, nhưng việc bảo quản thực phẩm vẫn gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như sự phân tán không đồng đều của tinh dầu trong thực phẩm, sự bay hơi của các hợp chất dễ bay hơi, và sự mất ổn định của hệ nhũ tương là những yếu tố cần được giải quyết. Nghiên cứu này sẽ phân tích các thách thức chính và đề xuất giải pháp thông qua việc sử dụng công nghệ nhũ tương nano.

2.1. Sự Mất Ổn Định Của Hệ Nhũ Tương

Hệ nhũ tương có thể bị mất ổn định do nhiều yếu tố như nhiệt độ, pH, và sự hiện diện của các ion. Sự mất ổn định này dẫn đến hiện tượng tách lớp, làm giảm hiệu quả bảo quản của tinh dầu tiêu đen. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa các điều kiện tạo nhũ tương có thể giúp cải thiện tính ổn định.

2.2. Khó Khăn Trong Việc Duy Trì Hoạt Tính Kháng Khuẩn

Hoạt tính kháng khuẩn của tinh dầu tiêu đen có thể bị giảm sút theo thời gian do sự phân hủy của các hợp chất hoạt tính. Việc sử dụng hệ nhũ tương nano giúp bảo vệ các hợp chất này khỏi sự phân hủy, nhưng vẫn cần nghiên cứu thêm để tối ưu hóa quy trình bảo quản.

III. Phương Pháp Tạo Hệ Nhũ Tương Nano Tinh Dầu Tiêu Đen

Nghiên cứu đã áp dụng hai phương pháp chính để tạo ra hệ nhũ tương nano tinh dầu tiêu đen: Phương pháp nhiệt độ đảo pha (PIT) và phương pháp điểm đảo pha (EPI). Mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp là rất quan trọng để đạt được hệ nhũ tương ổn định và hiệu quả.

3.1. Phương Pháp Nhiệt Độ Đảo Pha PIT

Phương pháp PIT sử dụng sự thay đổi nhiệt độ để tạo ra nhũ tương. Nghiên cứu cho thấy rằng phương pháp này có thể tạo ra hệ nhũ tương với kích thước giọt nhỏ và ổn định hơn. Tuy nhiên, cần kiểm soát nhiệt độ cẩn thận để tránh sự phân hủy của tinh dầu.

3.2. Phương Pháp Điểm Đảo Pha EPI

Phương pháp EPI là một kỹ thuật mới hơn, cho phép tạo ra nhũ tương với hiệu suất mang tinh dầu cao hơn. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng hệ nhũ tương tạo ra bằng phương pháp EPI có tính ổn định tốt hơn so với phương pháp PIT, đặc biệt là sau khi lưu mẫu trong thời gian dài.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Hệ Nhũ Tương Nano Tinh Dầu Tiêu Đen

Hệ nhũ tương nano tinh dầu tiêu đen đã được thử nghiệm trong nhiều ứng dụng thực tiễn, đặc biệt là trong ngành thực phẩm. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc bổ sung hệ nhũ tương này vào thực phẩm có thể giảm thiểu sự phát triển của vi khuẩn gây ngộ độc thực phẩm, từ đó nâng cao an toàn thực phẩm.

4.1. Khả Năng Kháng Khuẩn Trên Thực Phẩm

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng hệ nhũ tương nano tinh dầu tiêu đen có khả năng ức chế sự phát triển của nhiều loại vi khuẩn gây hại như Escherichia coli và Salmonella enterica. Kết quả cho thấy rằng việc sử dụng hệ nhũ tương này có thể cải thiện an toàn thực phẩm một cách đáng kể.

4.2. Ứng Dụng Trong Bảo Quản Thịt

Hệ nhũ tương nano tinh dầu tiêu đen đã được thử nghiệm như một chất phụ gia trong bảo quản thịt. Kết quả cho thấy rằng việc bổ sung hệ nhũ tương này giúp giảm mật độ vi sinh vật hiếu khí trên thịt, kéo dài thời gian bảo quản mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.

V. Kết Luận Và Tương Lai Của Nghiên Cứu Hệ Nhũ Tương Nano

Nghiên cứu về hệ nhũ tương nano tinh dầu tiêu đen đã mở ra nhiều hướng đi mới trong việc bảo quản thực phẩm. Các kết quả cho thấy rằng hệ nhũ tương này không chỉ cải thiện tính ổn định mà còn nâng cao hiệu quả kháng khuẩn. Tương lai của nghiên cứu này có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình sản xuất và mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác.

5.1. Định Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo

Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các hệ nhũ tương nano mới với các loại tinh dầu khác nhau, nhằm mở rộng ứng dụng trong bảo quản thực phẩm và các lĩnh vực khác như dược phẩm và mỹ phẩm.

5.2. Tác Động Đến Ngành Công Nghiệp Thực Phẩm

Việc áp dụng công nghệ nhũ tương nano trong ngành thực phẩm có thể giúp nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm thiểu lãng phí và tăng cường an toàn thực phẩm. Điều này không chỉ có lợi cho người tiêu dùng mà còn cho các nhà sản xuất thực phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỎNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Hệ nhũ tương nano 1. ỉ Hệ nhũ tương và sự mất ổn định của hệ nhũ tương Hệ nhũ tương thực phấm thường là hệ nhũ tương macro (macroemulsion) hay còn dược biết đến như hẹ nhũ tương truyền thong (conventional emulsion) với kích thước giọt nhũ tương cùa pha phân tán thường lớn hơn 500 nm. Hệ nhũ tương macro thường có trạng thái đục như sữa do có sự tán xạ ánh sáng của các giọt phân tán. Hệ nhũ tương macro trong thực phẩm dạng paste với độ nhớt lớn như trong các dạng sốt hay trong thực phẩm rắn có trạng thái gcl như chả lụa thường ổn định ít bị tách pha.

Tuy nhiên hệ nhũ tương macro trong các thực phẩm dạng lỏng có khả năng tách pha cao, không bền theo thời gian. Theo Roohinejad và cs (2018), pha nước của hệ nhũ tương truyền thống có thể hòa tan các thành phần như acid, khoáng, base, chất báo quan, hương liệu, vitamin, chất hoạt động bề mặt, đường, polysaccharide và protein. Tỷ lệ, độ hòa tan, cấu trúc, sự bay hơi và hoạt tính hóa học của các thành phần thực phẩm sè được đo đạc bằng sự tương tác với nước. Pha dầu trong hệ nhũ tương lại đóng vai trò là dưng môi cho các hợp chất chức năng kỵ nước như vitamin, chất chống oxy hóa tan trong dầu, chất bảo quản, hương liệu và tinh dầu.

Chọn lựa pha dầu phù họp anh hưởng lớn đến đặc tính dinh dưỡng, hóa lý và cảm quan của hệ nhũ tương thực phẩm [1], Ngoài ra, ốn định hệ nhũ tương cũng là một vấn đề thường được quan tâm nghiên cứu. Theo tổng hợp của Tadros (2009), một số hiện tượng mất ổn định của hệ nhũ tương được mô tả như sau [2]. Quá trình tách lớp (Creaming - Sedimentation): Quá trình này xảy ra do ngoại lực tác động thường là trọng lực hay lực ly tâm. Các loại lực này làm tăng cường chuyền động nhiệt cùa giọt (chuyển động Brownian) và sự chênh lệch kích thước giọt dẫn đến các giọt lớn hơn di chuyển nhanh hơn lên phía trên (nếu tỷ trọng chúng thấp hơn môi trường) hay di chuyến xuống dưới (nếu ty trọng cao hơn môi trường).

Trong một vài trường hợp. 4 các giọt nhũ tạo một lớp ờ trên bề mặt hay dưới vật chứa trong khi phần còn lại vẫn phân tán trong pha liên tục. Quá trình tụ giọt (Flocculation): Quá trình này dề cập đến sự tụ lại của giọt (mà không có sự thay đổi cua kích thước giọt ban đầu) thành khối lớn. Điều này xảy ra do lực van der Waals thường ảnh hưởng đen hệ phân tán.

Sự kết tụ xảy ra khi lực đây không đú đe giữ cho các giọt phân tán cách xa nhau nên các giọt này tiến lại đủ gần nhau đù để hình thành lực van der Waals. Sự kết tụ xảy ra nhanh hay chậm tuỳ thuộc độ lớn của các lực liên quan. Quá trình chín Ostwald (Ostwald Ripening): Quá trình này tạo nên từ khả năng hoà tan của các pha lòng trong nhau. Các chất lòng không hoà tan thực ra là có khá năng hoà tan kém trong nhau.

Với hệ nhũ tương có sự đa phân tán (polydispcrsion), các giọt nhỏ sẽ hoà tan tốt hơn giọt lớn. Theo thời gian, các giọt nhỏ biến mất và các phân tử sẽ khuếch tán dần đến chỗ các giọt lớn và phát triển thành các giọt lớn hơn. Do đó theo thời gian sự phân bố kích thước thay đối và làm tăng đường kính trung bình của giọt nhũ tương trong hệ. Quá trình gộp giọt (Coalescence): Quá trình này nói về sự phá vờ màng mỏng giừa các giọt, dẫn đến gộp từ hai hay nhiều giọt hơn thành giọt lớn.

Trong một số trường hợp. quá trình gộp giọt sẽ dần đến sự tách pha (Phase separation) hoàn toàn cúa hệ nhũ thành hai pha lóng khác nhau. Lực tạo thành quá trình gộp giọt do sự dao động cúa lớp màng phân pha từ đó tạo nên sự tiêp xúc giữa các giọt do lực van der Waals lớn. Sự đão pha (Phase Inversion): Quá trình này do sự chuyền đổi giữa hai pha phân tán và liên tục.

Ví dụ, hệ nhũ tương D/N theo thời gian hay do sự thay đối điều kiện chuyền thành hệ N/D. Trong nhiều trường hợp, sự đảo pha xảy ra qua trạng thái trung gian và tạo thành hệ nhũ tương kép (D/N/D hay N/D/N). 5 TÁCH LỚP (NỔI) TACH LÓP (CHÍM) TỤ GIỌT **9» O oo o D°oO'o 0° 0 o o o o 00 CHUYỂN PHA GỘP GIỌT CHÍN OSTWALD Hình 1.6 Các hiện tượng mât ôn định của hệ nhũ tương [ỉ] Trong công nghệ thực phầm, để hạn chế và làm chậm các hiện tượng mất ổn định hệ nhũ tương như vừa đề cập, chất nhũ hóa (emulsifier) thường được sử dụng. Chất nhũ hoá mô tả các thành phần có hoạt tính bề mặt, có khà năng tương tác với cá pha nước và pha dầu tạo nên lớp trung gian dầu - nước và bảo vệ nhũ tương khỏi hiện tượng mất ổn định như kết giọt hay tách pha, tách lớp.

Các chất hoạt động bề mặt (surfactant) có khối lượng phân từ nhỏ và các biopolymer lưỡng tính đều được sử dụng như chất nhũ hoá để tạo thành và ổn định hệ nhũ tương. Một chất nhũ hóa lý tướng sẽ hấp phụ nhanh ờ phần liên pha dầu nước, giảm sức căng bề mặt và ngăn chặn hiện tượng kết giọt trong quá trình đồng hóa bang cách tạo thành màng liên pha (interfacial membrane). Ngoài chất nhũ hoá, các chất hỗ trợ cấu trúc (texture modifier) cũng được sử dụng, nhóm chất này được chia làm hai nhóm: chất làm dày (thickening agent) và chất tạo gel (gelling agent). Các thành phần hỗ trợ cấu trúc này được cho vào trong quá trình tạo hệ nhũ tương thực phẩm để ổn định hệ nhũ nhờ hiệu quả làm giảm tốc độ láng hay khuếch tán của giọt nhũ do tăng độ nhớt của pha liên tục.2 Giói thiệu hệ nhũ tương nano Hệ nhũ tương còn được xem như hệ phân phối ồn định cho các hợp chất có hoạt tính sinh học ưa béo trong hệ nhũ tương D/N hay các hợp chất ưa nước trong hệ nhũ tương N/D.

Các thành phần có hoạt tính sinh học này được phân tán trong pha dầu hay nước trước khi đồng hóa và sau đó hệ nhũ tương ổn định tạo thành và bao vệ các hoạt chất trong thực phẩm. Trong hai nghiên cứu của Mayer và cs (2013), vitamin E được đưa vào hệ nhũ tương, sau đó đánh giá sự on định hệ cũng như dánh giá khá năng tiêu hoá của hệ nhũ tương nano chứa vitamin E [3] [4], Dầu thực vật như dầu dừa cũng được nghiên cứu tạo hệ nhũ tương làm tiền đề cho các ứng dụng trong ngành thực phâm, dược phẩm hay mỹ phẩm (Pcngon và cs. Các chất có hoạt tính sinh học như kháng viêm, chông oxy hoá, kháng khuân,. khác nhau cũng được nghiên cứu kha năng phân tán trong hệ nhũ tương như curcumin kết hợp tinh dầu (quế, tỏi) (Abdou và cs, 2018) [6] hay astaxanthin (Shu và cs, 2018) [7].

Tuy nhiên, hệ nhũ tương dùng phân phối hoạt chất cũng có một số bất lợi như nhạy cảm với thay đồi của môi trường như gia nhiệt, pH, làm lạnh và lực ion lớn, có thề dẫn đến mất ôn định hóa học và vật lý. Ví dụ, sự mat on định hóa học bao gồm sự oxy hóa, thủy phân và sự mất ôn định vật lý như tụ giọt, gộp giọt,. Hiện nay để đáp ứng nhu cầu phân phối các họp chất có hoạt tính sinh học hiệu quả hơn trong thực phẩm, dược phẩm hay mỹ phẩm, bên cạnh hệ nhũ tương tnjycn thống còn được gọi là nhũ tương macro, hệ nhũ tương nano được quan tâm nghiên cứu ngày càng nhiều. Theo cách phân loại này, thuật ngữ nhũ tương macro chi các loại nhũ tương có kích thước giọt lớn tạo thành bằng phương pháp cơ học như thiết bị trộn hay đồng hóa áp suất cao.

Nhũ tương macro (còn gọi là nhũ tương thực phẩm, truyền thống) không ổn định nhiệt động học (thermodynamically unstable) và chịu sự kết giọt và tách pha theo thời gian. Nhũ tương macro có trạng thái đục vì có hiệu quả tán xạ ánh sáng do kích thước giọt lớn (effect of light scattering). Thuật ngừ nhũ tương nano dùng đê định nghĩa hệ nhũ tương có kích thước giọt nhũ tương đổi nho (< 200 nm) so với hệ nhũ tương truyền thống (> 200 nm). Hệ nhũ tương nano cũng có đặc tính không ồn định nhiệt động học như hệ nhũ tương macro nhưng sẽ 7 ôn định động học hơn (kinetical stablization).

Các thuật ngừ khác mô tả hệ nhũ tương nano như hệ nhũ tương mini, “hệ nhũ tương ultrafine”, hay hệ nhũ tương dưới micro “submicron emulsions” (McCIements và Rao, 2011; Solans và cs, 2005) [8] [9]. Tuy nhiên, hiện nay, các nghiên cứu vẫn chưa có sự thổng nhất về giới hạn kích thước giọt của hệ nhũ tương nano, các lý thuyết được công bo rất khác nhau với đường kính trang bình giọt nano có thê từ 20 nm tới 200 hay dưới 500 nm (Bàng 1. 1 Phân loại hệ nhũ tương theo kích thước giọt phân tán Đường kính trang bình giọt nhũ tương (nm) Hệ nhũ tương truyền Hệ nhũ tương Tài liệu tham khảo thống (nm) nano (nm) —— 20 - 200 Solan và cs (2005) [9] —— 50 - 1000 Sanguansri và Augustin (2006) [10] 200 - 10.000 20 - 200 Flanagan và Singh (2006) [11] —— < 500 Anton vàcs (2008) [12] 1.000 20 - 500 Gupta và cs (2016) [16] 1. Đặc điếm cúa hệ nhũ tương nanơ Vì kích thước giọt nhở nên trọng lực tác động lên các giọt phân tán thường thấp.

Từ đó hệ nhừ tương nano thường chậm bị tách pha hơn hệ nhũ tương truyền thống. Với sự cân bằng lực, hệ nhũ tương nano có thể bao quản trong thời gian dài. Hệ nhũ tương nano phù hợp cho quá trình thẩm thấu nhanh các chất có hoạt tinh (trong dược hay thực phấm) vì kích thước giọt nhô và diện tích bề mặt tiếp xúc lớn của pha phân tán. Tuy nhiên việc tạo thành và sử dụng hệ nhũ tương nano vần có một số bất lợi.

Sự tạo thành hệ nhũ tương nano trong một số trường hợp yêu cầu các thiết bị năng lượng cao đặc biệt và đắt tiền như thiết bị đồng hoá áp suất cao hay siêu âm, thiết bị vi dẫn,. hay sư dụng chất hoạt động bề mặt với nồng độ cao. Mặt khác, các lỗ hổng trong kiến thức về hệ nhũ tương nano làm hạn chế khả năng ứng dụng của kỹ thuật tạo nhũ tương nano. Kiến thức chung về hoá học bề mặt, cơ chế của quá trình chín Ostwald và thành phần hệ nếu có thế hiểu rõ hơn sẽ giúp việc ứng dụng hệ nhũ tương nano dễ dàng hơn.