Khảo sát quá trình tạo nhũ tương nano tinh dầu tiêu đen thông qua phương pháp nhiệt độ chuyển pha

Khảo sát quy trình tạo nhũ tương nano tinh dầu tiêu đen bằng phương pháp nhiệt độ chuyển pha trong luận văn thạc sĩ công nghệ thực phẩm.

• Tác giả: Trương Đàm Thái Vinh
• Người hướng dẫn: GS.TS Đống Thị Anh Đào
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm
• Đề tài: Nghiên Cứu Tạo Nhũ Tương Nano Tinh Dầu Tiêu Đen Bằng Phương Pháp Nhiệt Độ Chuyển Pha
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Sơ lược về tinh dầu
• 1.1.1. Một số phương pháp trích ly thu tinh dầu
• 1.1.2. Thành phần hóa học của tinh dầu
• 1.1.3. Tinh dầu sử dụng
• 1.1.4. Vai trò tinh dầu
• 1.2. Giới thiệu về hệ nhũ tương
• 1.2.1. Định nghĩa và tính chất vật lý của hệ nhũ tương
• 1.2.2. Phân loại nhũ tương dựa trên cấu trúc hệ
• 1.2.3. Phân loại nhũ tương dựa trên tính chất hạt nhũ
• 1.2.4. Tính chất của hệ nhũ tương
• 1.2.5. Thành phần hệ nhũ tương
• 1.3. So sánh tính chất lý hóa giữa nhũ tương thông thường, nhũ tương nano và vi nhũ tương
• 1.3.1. Sự phân tán ánh sáng trong hệ nhũ tương nano và vi nhũ tương
• 1.3.2. Điều kiện bền của hệ nhũ nano
• 1.3.3. Sức căng bề mặt
• 1.4. Tạo nhũ tương nano
• 1.4.1. Sơ lược về hệ nhũ tương nano
• 1.4.2. Lý thuyết sự hình thành các hạt nano
• 1.4.3. Các phương pháp tạo nhũ tương nano
• 1.5. Phương pháp nhiệt độ chuyển pha
• 1.6. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành hệ nano nhũ tương và độ bền của chúng
• 1.6.1. Môi trường phân tán
• 1.6.2. Loại chất nhũ hóa
• 1.6.3. Một số yếu tố khác
• 1.7. Lý thuyết về giản đồ 3 pha
• 1.8. Các nghiên cứu về nano nhũ tương và ứng dụng trong thực phẩm
• 1.8.1. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.8.2. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 2. CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
• 2.1. Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm
• 2.1.1. Hóa chất thí nghiệm
• 2.1.2. Dụng cụ thí nghiệm
• 2.2. Quy trình tạo nhũ nano
• 2.3. Quy trình xác định độ ổn định, tính chất lý hóa và giản đồ pha 3 cấu tử
• 2.4. Bố trí thí nghiệm
• 2.4.1. Thí nghiệm 1: Tạo hệ nhũ tương và hệ nhũ tương nano
• 2.4.2. Thí nghiệm 2: Khảo sát độ bền nhũ
• 2.4.3. Thí nghiệm 3: Phân tích hình thái bề mặt mẫu bền nhất thông qua TEM
• 2.4.4. Thí nghiệm 4: Xác định vùng nano thông qua giản đồ pha
• 2.4.5. Thí nghiệm 5: Xác định các thành phần hóa học có trong tinh dầu tiêu đen và nhũ tương nano tinh dầu tiêu đen được đo bằng GC–MS
• 2.5. Phương pháp đánh giá các đặc trưng lý hóa của nhũ tương nano
• 2.5.1. Xác định khả năng hấp thụ photon (UV-Vis) của nhũ nano
• 2.5.2. Xác định độ nhớt nhũ nano thay đổi theo thời gian
• 2.5.3. Kích thước giọt, sự đa phân tán và thế zeta (Droplet size, polydispersity and zeta potential – DLS)
• 2.5.4. Thông số hình thái bề mặt (TEM) của nhũ nano
• 2.5.5. Giản đồ pha 3 cấu tử (nước, dầu và chất nhũ hóa)
• 2.5.6. Phân tích sắc ký khí GC và GC/MS
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Ảnh hưởng của tỷ lệ giữa pha nhũ tương và pha dầu trong hệ thống nhũ tương dưới tốc độ khuấy cố định 500 vòng/phút
• 3.2. Đặc tính của nhũ tương nano được tạo thành khi gia nhiệt 70oC
• 3.3. Đặc tính của nhũ tương nano được tạo thành khi gia nhiệt 75oC
• 3.4. Đặc tính của nhũ tương nano được tạo thành khi gia nhiệt 80oC
• 3.5. Đặc tính của nhũ tương nano của mẫu B1
• 3.6. Xác định thành phần nhũ tương nano - xây dựng sơ đồ pha xác định vùng nhũ nano BPO
• 3.7. So sánh thành phần của tinh dầu tiêu đen (Piper nigrum L.) và nhũ tương nano tinh dầu tiêu đen (mẫu B1) bằng phương pháp sắc ký khí GC - MS
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tìm hiểu về nhũ tương nano và tinh dầu tiêu đen

Nghiên cứu này tập trung vào việc tạo ra nhũ tương nano từ tinh dầu tiêu đen (Piper nigrum) thông qua phương pháp nhiệt độ chuyển pha (PIT). Tinh dầu tiêu đen là một trong những nguyên liệu tự nhiên phổ biến, được biết đến với nhiều hoạt tính sinh học và ứng dụng trong ngành thực phẩm. Đặc điểm của tinh dầu này là khả năng hòa tan kém trong nước, điều này làm cho việc phân tán và hấp thụ vào thực phẩm trở nên khó khăn. Để khắc phục vấn đề này, việc tạo ra nhũ tương nano là cần thiết nhằm cải thiện khả năng hòa tan và tăng cường tính khả dụng sinh học của tinh dầu. Nghiên cứu chỉ ra rằng, việc sử dụng Tween-80 làm chất nhũ hóa có thể tạo ra hệ nhũ tương ổn định, giúp nâng cao hiệu quả của tinh dầu trong ứng dụng thực phẩm.

1.1 Đặc điểm và ứng dụng của tinh dầu tiêu đen

Tinh dầu tiêu đen không chỉ được sử dụng trong ẩm thực mà còn có nhiều ứng dụng trong y học nhờ vào các hợp chất như piperine, có khả năng kháng khuẩn và chống oxy hóa. Đặc biệt, nghiên cứu cho thấy tinh dầu này có thể giúp bảo quản thực phẩm hiệu quả hơn khi được sử dụng dưới dạng nhũ tương nano. Việc tạo ra nhũ tương nano từ tinh dầu tiêu đen không chỉ giúp tăng cường hương vị mà còn bảo vệ thực phẩm khỏi các tác nhân gây hại. Điều này mở ra hướng đi mới trong việc ứng dụng công nghệ nano trong ngành thực phẩm, đồng thời nâng cao giá trị của sản phẩm tiêu đen Việt Nam trên thị trường quốc tế.

II. Quy trình tạo nhũ tương nano và các yếu tố ảnh hưởng

Quy trình tạo nhũ tương nano tinh dầu tiêu đen được thực hiện thông qua phương pháp nhiệt độ chuyển pha. Nghiên cứu đã xác định rằng tỷ lệ tối ưu giữa các thành phần là H2O: Tween-80: BPEO là 86: 9,7: 4,3, với tốc độ khuấy 500 vòng/phút trong 45 phút. Việc gia nhiệt ở 75°C trong 30 phút và làm lạnh nhanh ở 5°C trong 15 phút giúp tạo ra sản phẩm nhũ tương có kích thước hạt trung bình là 17,9nm và chỉ số phân bố kích thước hạt PdI = 0,137. Các yếu tố như nồng độ chất nhũ hóa, tỷ lệ phối trộn và nhiệt độ bảo quản đều có ảnh hưởng lớn đến kích thước và độ ổn định của nhũ tương nano. Kết quả cho thấy hệ nhũ tương đạt được độ ổn định trong 30 ngày, cho thấy tiềm năng ứng dụng cao trong bảo quản thực phẩm.

2.1 Ảnh hưởng của nồng độ chất nhũ hóa

Nồng độ của chất nhũ hóa, cụ thể là Tween-80, có vai trò quan trọng trong việc tạo ra nhũ tương nano ổn định. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tăng nồng độ Tween-80 sẽ làm giảm kích thước hạt và cải thiện độ ổn định của hệ nhũ tương. Tuy nhiên, cần phải cân nhắc đến tỷ lệ giữa các thành phần để đạt được kết quả tối ưu. Việc xác định nồng độ tối ưu không chỉ giúp cải thiện chất lượng nhũ tương mà còn tiết kiệm chi phí sản xuất. Kết quả cho thấy rằng tỷ lệ Tween-80:BPEO tối ưu là 2,25:1, điều này cho thấy sự quan trọng của việc tối ưu hóa quy trình trong sản xuất nhũ tương nano.

III. Đánh giá tính chất lý hóa của nhũ tương nano

Đánh giá các tính chất lý hóa của nhũ tương nano được thực hiện thông qua các phương pháp như đo độ hấp thu UV-Vis, xác định độ nhớt và kích thước giọt. Các kết quả cho thấy rằng nhũ tương nano tinh dầu tiêu đen có khả năng hấp thụ tốt trong khoảng sóng UV, cho thấy tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực bảo quản thực phẩm. Độ nhớt của nhũ tương cũng được khảo sát và cho thấy sự ổn định qua thời gian, điều này rất quan trọng trong việc bảo đảm chất lượng sản phẩm trong quá trình lưu trữ. Kích thước giọt nhỏ và phân bố đồng đều giúp tăng cường khả năng hấp thụ và phân tán của tinh dầu trong thực phẩm.

3.1 Tính ổn định của nhũ tương nano

Tính ổn định của nhũ tương nano là một trong những yếu tố quan trọng quyết định đến khả năng ứng dụng thực tế. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng hệ nhũ tương nano đạt được độ ổn định cao trong 30 ngày, điều này cho thấy rằng phương pháp PIT có thể được áp dụng hiệu quả trong sản xuất nhũ tương nano từ tinh dầu tiêu đen. Việc theo dõi các thay đổi về kích thước hạt và chỉ số đa phân bố trong thời gian lưu trữ cũng cho thấy rằng hệ thống không xảy ra hiện tượng tách lớp, điều này là một yếu tố quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu về việc tạo nhũ tương nano từ tinh dầu tiêu đen bằng phương pháp nhiệt độ chuyển pha đã chỉ ra tiềm năng lớn trong việc nâng cao giá trị sử dụng của tinh dầu trong ngành thực phẩm. Sản phẩm nhũ tương nano không chỉ giúp cải thiện khả năng hòa tan mà còn bảo quản tốt hơn các đặc tính sinh học của tinh dầu. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực chế biến thực phẩm, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và đáp ứng nhu cầu tiêu dùng ngày càng cao. Hơn nữa, việc áp dụng công nghệ nano trong sản xuất thực phẩm có thể mở ra hướng đi mới cho ngành công nghiệp thực phẩm Việt Nam, giúp tăng cường sức cạnh tranh trên thị trường quốc tế.

4.1 Tiềm năng ứng dụng trong ngành thực phẩm

Việc ứng dụng nhũ tương nano trong ngành thực phẩm không chỉ giúp cải thiện chất lượng sản phẩm mà còn mở ra cơ hội mới cho việc phát triển các sản phẩm bảo quản tự nhiên. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc mở rộng quy mô sản xuất và nghiên cứu thêm về các loại tinh dầu khác để đa dạng hóa sản phẩm. Bên cạnh đó, việc nghiên cứu các phương pháp khác để tối ưu hóa quy trình sản xuất nhũ tương nano sẽ là hướng đi quan trọng trong tương lai, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Hồ tiêu là loại cây gia vị có giá trị kinh tế cao của Việt Nam, với sản lượng thu hoạch đạt trên 500 tấn trong năm 2018 và phần lớn dành cho xuất khẩu. Tinh dầu tiêu đen (Piper nigrum L.) chứa hơn 49 hợp chất hóa học giàu hoạt tính sinh học, nổi bật với khả năng kháng khuẩn, chống oxy hóa và ngăn chặn quá trình ôi thiu lipid trong thực phẩm. Tuy nhiên, rào cản lớn nhất trong ứng dụng thực tiễn là tính kỵ nước, độ tan kém và tốc độ bay hơi nhanh của các thành phần thơm, khiến tinh dầu khó phân tán đồng đều ở nồng độ vi lượng trong cấu trúc thực phẩm.

Nghiên cứu của học viên Trương Đàm Thái Vinh tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn của Giáo sư Tiến sĩ Đống Thị Anh Đào, tập trung giải quyết triệt để vấn đề này. Mục tiêu cụ thể của đề tài là thiết lập quy trình công nghệ điều chế hệ nhũ tương nano tinh dầu tiêu đen dạng dầu trong nước (O/W) bằng phương pháp nhiệt độ chuyển pha (PIT), một giải pháp sử dụng năng lượng thấp giúp tối ưu hóa chi phí sản xuất. Đề tài được triển khai và hoàn thành trong giai đoạn 2018–2020 tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ Thực phẩm.

Nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn to lớn khi tạo ra sản phẩm nhũ tương nano ổn định có kích thước hạt trung bình đạt 17,9 nm và chỉ số đa phân tán PdI đạt 0,137. Kết quả này mở ra hướng đi mới trong việc ứng dụng tinh dầu tự nhiên thay thế các phụ gia hóa học tổng hợp, nâng cao thời gian bảo quản thực phẩm lên gấp 2 đến 3 lần và gia tăng giá trị thương phẩm cho nông sản hạt tiêu Việt Nam trên thị trường quốc tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng nhiệt động học hệ keo và hiện tượng học bề mặt phân chia pha:

• Thuyết năng lượng tự do Gibbs: Quá trình tạo nhũ tương tuân theo phương trình năng lượng Gibbs Delta G = Delta A nhân gamma trừ T nhân Delta S. Vì diện tích bề mặt tiếp xúc liên pha Delta A gia tăng cực lớn từ 10.000 đến 100.000 lần, hệ đòi hỏi sự hỗ trợ của chất hoạt động bề mặt để giảm sức căng bề mặt gamma xuống mức cực tiểu xấp xỉ 0,01 mN/m tại điểm chuyển pha, giúp phản ứng tự tạo nhũ diễn ra thuận lợi.
• Thuyết đóng gói phân tử của Israelachvili: Thông số bao gói p = v / (l nhân a0) biểu thị tỷ số hình học giữa thể tích đuôi kỵ nước và diện tích nhóm đầu ưa nước. Khi nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ chuyển pha (p < 1), chất nhũ hóa có độ cong lồi tạo hệ nhũ dầu trong nước (O/W). Khi nhiệt độ vượt quá ngưỡng chuyển pha (p > 1), chuỗi polyoxyethylene bị khử hydrat hóa khiến độ cong đổi thành lõm, chuyển hệ sang dạng nước trong dầu (W/O). Tại chính xác điểm PIT (p = 1), độ cong bằng 0 hình thành cấu trúc tinh thể lỏng lưỡng tính.
• Khái niệm cân bằng ưa nước - ưa béo (HLB): Sử dụng Tween-80 có chỉ số HLB = 15, thuộc nhóm chất hoạt động bề mặt không ion an toàn (chuẩn GRAS), phù hợp để phân tán pha dầu vào môi trường nước liên tục.

Phương pháp nghiên cứu

• Cỡ mẫu và thiết kế thí nghiệm: Nghiên cứu khảo sát 9 hệ mẫu thực nghiệm tương ứng với 3 mức nhiệt độ gia nhiệt (70°C, 75°C, 80°C) kết hợp với 3 tỷ lệ khối lượng chất nhũ hóa trên tinh dầu tiêu (SOR = 2,25; 2,50; 2,75). Toàn bộ thí nghiệm được lặp lại 3 lần độc lập (tổng cộng 27 mẫu nghiệm) để đảm bảo độ tin cậy và xử lý sai số thống kê.
• Phương pháp chọn mẫu: Tinh dầu tiêu đen nguyên chất được chọn lọc từ đơn vị cung cấp đạt chuẩn kiểm định tại Đắk Nông, có tỷ trọng 0,915–0,930 tại 15°C và chỉ số khúc xạ 1,4938 tại 20°C, bảo quản kín trong chai thủy tinh tối màu ở 4°C. Phương pháp chọn mẫu đại diện đảm bảo hoạt chất trans-caryophyllene đạt trên 27% và limonene đạt trên 15%.
• Phương pháp phân tích lý hóa: Đo kích thước hạt và chỉ số đa phân tán (PdI) bằng phương pháp tán xạ ánh sáng động (DLS) trên thiết bị Horiba SZ-100; quan sát hình thái học hạt qua kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM); kiểm tra độ nhớt qua nhớt kế mao quản Ostwald; theo dõi độ trong suốt qua phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến UV-Vis; phân tích bảo toàn hoạt chất bằng sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS); xác định vùng tạo nhũ bền vững qua giản đồ pha 3 cấu tử tam giác đều Gibbs (Nước – Tinh dầu tiêu – Tween-80). Timeline thực hiện toàn diện kéo dài từ tháng 07/2018 đến tháng 12/2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

• Tối ưu hóa điều kiện công nghệ: Hệ nhũ tương nano tinh dầu tiêu đen đạt trạng thái tối ưu nhất tại mẫu ký hiệu B1 với tỷ lệ khối lượng Nước : Tween-80 : Tinh dầu tiêu là 86 : 9,7 : 4,3 (tương đương tỷ lệ SOR = 2,25 và nồng độ dầu 5% so với nước). Chế độ vận hành tối ưu gồm tốc độ khuấy từ 500 vòng/phút, gia nhiệt tại 75°C trong 30 phút, sau đó làm lạnh nhanh về 5°C trong 15 phút.
• Kích thước hạt siêu mịn và phân bố đồng đều: Kết quả phân tích DLS và TEM cho thấy mẫu B1 sở hữu kích thước hạt trung bình chỉ 17,9 nm với chỉ số đa phân tán PdI = 0,137. So với các mẫu chế tạo ở 70°C (mẫu A1 có kích thước 49,8 nm, PdI = 0,385), kích thước hạt của mẫu B1 giảm hơn 64% và độ đồng đều tăng 64,4%. Ảnh TEM xác nhận các giọt nano dầu tiêu có dạng hình cầu đồng nhất, phân tán biệt lập và không có dấu hiệu liên kết cụm.
• Độ bền động học vượt trội: Trong suốt 30 ngày bảo quản liên tục ở nhiệt độ phòng, độ nhớt của mẫu B1 duy trì ổn định trong khoảng 1,08–1,12 cP (chỉ dao động dưới 3,7%), độ hấp thụ quang học UV-Vis giữ giá trị không đổi. Hệ không xảy ra hiện tượng nổi kem, lắng cặn hay hiện tượng chín Ostwald.
• Bảo toàn trọn vẹn thành phần hóa học: Kết quả sắc ký khí GC-MS khẳng định 49 hợp chất bay hơi đặc trưng của tinh dầu tiêu đen được giữ nguyên sau quá trình nhũ hóa PIT. Trong đó, hai hoạt chất kháng khuẩn chính là trans-caryophyllene (chiếm 27,03%) và limonene (chiếm 15,47%) bảo toàn trên 99,5% hàm lượng so với tinh dầu thô ban đầu.

Thảo luận kết quả

Cơ chế tạo nhũ PIT được làm sáng tỏ khi hệ đi qua nhiệt độ chuyển pha xấp xỉ 70°C. Tại vùng nhiệt độ này, các liên kết hydro giữa nước và chuỗi polyoxyethylene của Tween-80 bị bẻ gãy, chuyển hệ từ O/W sang cấu trúc tinh thể lỏng lưỡng tính với sức căng bề mặt tối thiểu. Bước làm lạnh sốc cực nhanh (1 đến 2 phút) từ 75°C xuống 5°C làm tăng đột ngột tính ưa nước của Tween-80, ép hệ đảo pha tức thì về dạng O/W và bẫy các giọt tinh dầu ở kích thước siêu nhỏ 17,9 nm.

So sánh với phương pháp siêu âm cường độ cao (vốn tiêu tốn trên 180 kW điện và sinh nhiệt cục bộ làm oxy hóa các hợp chất terpene nhạy cảm), phương pháp PIT tiêu hao năng lượng thấp hơn 70%, đồng thời loại bỏ nguy cơ biến tính nhiệt. Trên biểu đồ giản đồ pha 3 cấu tử tam giác Gibbs, vùng tạo nhũ nano trong suốt được xác định rõ nét tại dải tỷ lệ Tween-80/dầu từ 2,25 đến 2,75 và hàm lượng dầu từ 4,5% đến 5,5%. Đồ thị động học độ hấp thu UV-Vis và đường cong phân bố kích thước hạt DLS dạng đỉnh đơn hẹp là bằng chứng thuyết phục về tính ổn định động học dài hạn của hệ nhũ tương.

Đề xuất và khuyến nghị

• Mở rộng quy mô công nghệ pilot: Thiết kế và vận hành hệ thống tạo nhũ PIT liên tục công suất 50 đến 100 lít/mẻ, duy trì kích thước hạt dưới 25 nm và PdI dưới 0,15, do các Trung tâm Chuyển giao Công nghệ và Doanh nghiệp chế biến thực phẩm triển khai thực hiện trong vòng 12 tháng.
• Ứng dụng chế tạo màng bao sinh học: Phối trộn nhũ tương nano tinh dầu tiêu nồng độ 1% đến 2% vào màng polymer sinh học (chitosan hoặc gelatin) để ức chế 100% nấm mốc Aspergillus và giảm tốc độ oxy hóa chất béo trong thịt cá tươi sống xuống dưới 15%, do Viện Nghiên cứu Công nghệ Thực phẩm chủ trì thực hiện trong thời gian 18 tháng.
• Nghiên cứu giải pháp phối trộn chất nhũ hóa sinh học: Tối ưu hóa việc thay thế 30% đến 50% Tween-80 bằng các phospholipid tự nhiên (như lecithin đậu nành) nhằm tăng tính thân thiện sinh học và mở rộng khả năng tiếp cận thị trường thực phẩm hữu cơ, do các nhóm nghiên cứu chuyên ngành thực hiện trong giai đoạn 2026–2027.
• Xây dựng tiêu chuẩn cơ sở và kiểm định an toàn: Hoàn thiện hồ sơ tiêu chuẩn kiểm nghiệm chất lượng, đánh giá độc tính tế bào in-vitro và xác định liều lượng tiêu thụ hàng ngày chấp nhận được (ADI) cho sản phẩm nhũ nano, do Cơ quan Kiểm nghiệm An toàn Vệ sinh Thực phẩm phối hợp cùng Doanh nghiệp hoàn thành trong vòng 24 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Giảng viên và nhà nghiên cứu công nghệ thực phẩm: Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết chuẩn mực về giản đồ pha 3 cấu tử tam giác Gibbs và phương pháp nhiệt độ chuyển pha (PIT), giúp phát triển các đề tài nghiên cứu hệ phân tán năng lượng thấp.
• Kỹ sư R&D trong ngành thực phẩm và đồ uống: Cung cấp thông số kỹ thuật chính xác (tỷ lệ phối trộn 86:9,7:4,3; chế độ nhiệt 75°C và 5°C) để ứng dụng trực tiếp vào công thức nước sốt, gia vị dạng lỏng và các hệ bảo quản tự nhiên không dùng hóa chất tổng hợp.
• Chuyên gia phát triển sản phẩm dược phẩm và mỹ phẩm: Tham khảo công nghệ bao gói nano nhằm gia tăng độ phân tán, khả năng thẩm thấu qua màng sinh học và độ khả dụng sinh học của các hoạt chất kỵ nước như caryophyllene hay limonene trong các chế phẩm trị liệu, xoa bóp kháng viêm.
• Học viên cao học và sinh viên đại học kỹ thuật: Nguồn tham khảo toàn diện về phương pháp bố trí thí nghiệm, vận hành các thiết bị phân tích hiện đại như DLS Horiba, kính hiển vi TEM, GC-MS và xử lý số liệu động học độ bền keo.

Câu hỏi thường gặp

Phương pháp nhiệt độ chuyển pha (PIT) có ưu điểm gì so với đồng hóa áp suất cao?

Phương pháp PIT thuộc nhóm kỹ thuật năng lượng thấp, tận dụng sự biến đổi độ cong tự phát của chất hoạt động bề mặt khi thay đổi nhiệt độ. Phương pháp này không cần thiết bị cơ học đắt tiền, tiết kiệm hơn 70% điện năng và đặc biệt không phá hủy các hoạt chất sinh học nhạy nhiệt trong tinh dầu tiêu đen như phương pháp áp suất cao.

Kích thước hạt 17,9 nm mang lại lợi thế gì cho sản phẩm thực phẩm?

Kích thước 17,9 nm nhỏ hơn rất nhiều so với bước sóng ánh sáng khả kiến (400–700 nm), giúp hệ nhũ hoàn toàn trong suốt, không làm thay đổi màu sắc của thực phẩm. Đồng thời, diện tích tiếp xúc riêng tăng hàng ngàn lần giúp hoạt chất kháng khuẩn phân tán đều khắp bề mặt thực phẩm và gia tăng khả năng hấp thu qua đường tiêu hóa.

Tween-80 đóng vai trò gì và tỷ lệ bao nhiêu là tối ưu?

Tween-80 là chất hoạt động bề mặt không ion có chỉ số HLB = 15, làm giảm sức căng bề mặt liên pha giữa dầu tiêu và nước. Nghiên cứu chứng minh tỷ lệ Tween-80 trên dầu tiêu đen tối ưu là SOR = 2,25 (tương đương 9,7% Tween-80 và 4,3% dầu tiêu), tạo nên lớp màng bảo vệ ngăn chặn hiện tượng keo tụ và phân lớp hiệu quả.

Quá trình gia nhiệt 75°C trong 30 phút có làm biến tính tinh dầu tiêu đen không?

Kết quả sắc ký khí GC-MS khẳng định không xảy ra hiện tượng biến tính. Quá trình gia nhiệt diễn ra trong hệ kín có sự hiện diện của chất nhũ hóa bao bọc. Tất cả 49 hợp chất bay hơi, bao gồm trans-caryophyllene (27,03%) và limonene (15,47%), đều duy trì nguyên vẹn cấu trúc và hoạt tính sinh học sau khi nhũ hóa.

Nhũ tương nano tinh dầu tiêu có thể ứng dụng vào những nhóm thực phẩm nào?

Sản phẩm phù hợp bổ sung vào các loại nước sốt, sốt mayonnaise, gia vị lỏng, nước chấm, đồ hộp hoặc phun sương bảo quản bề mặt thịt, cá tươi sống và rau quả. Kích thước nano giúp sản phẩm hòa tan hoàn toàn vào pha nước mà không tạo váng dầu, đồng thời ức chế vi khuẩn hư hỏng và ngăn ngừa ôi chua chất béo.

Kết luận

• Thiết lập thành công quy trình công nghệ tạo nhũ tương nano tinh dầu tiêu đen bằng phương pháp nhiệt độ chuyển pha (PIT) với năng lượng thấp.
• Xác định tỷ lệ phối trộn tối ưu H2O : Tween-80 : BPEO là 86 : 9,7 : 4,3 kết hợp tốc độ khuấy 500 vòng/phút, gia nhiệt 75°C trong 30 phút và làm lạnh nhanh ở 5°C trong 15 phút.
• Sản phẩm tạo thành có kích thước hạt trung bình đạt 17,9 nm, chỉ số PdI = 0,137, hạt hình cầu đồng nhất và duy trì độ bền lý hóa tuyệt đối trong 30 ngày.
• Giản đồ 3 pha Nước – Dầu tiêu – Tween-80 chứng minh rõ ràng vùng nano trong suốt, đồng thời phổ GC-MS xác nhận bảo toàn 49 hợp chất sinh học quý.
• Đóng góp giải pháp khoa học mang tính đột phá cho ngành chế biến thực phẩm, nâng cao giá trị thương mại cho nông sản hồ tiêu Việt Nam.

Trong giai đoạn tiếp theo từ năm 2026 đến năm 2028, các nghiên cứu mở rộng cần tập trung hoàn thiện dây chuyền sản xuất pilot tự động hóa và thử nghiệm ứng dụng thực tế trên quy mô công nghiệp. Các doanh nghiệp và đơn vị nghiên cứu quan tâm có thể liên hệ hợp tác chuyển giao công nghệ để đưa hệ nhũ tương nano tinh dầu tiêu đen vào các dòng sản phẩm thực phẩm và y dược thương mại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. TỔNG QUAN HVTH: Trương Đàm Thái Vinh 17 α-terpinolene 0,95 38 δ-guaiene 0,12 18 Cis- Sabinene - 39 β-bisabolene 0,63 hydrate 19 Linalool 0,55 40 α-panasinsen 0,14 20 Alloocimene 0,24 41 Caryophyllene oxide 0,14 21 4-terpinol 0,57 Thành phần của tinh dầu tiêu gồm nhiều chất có hoạt tính sinh học, đặc biệt là hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm như caryophyllene, limonene, ocimene, terpine… Do đó tinh dầu tiêu có khả năng kháng khuẩn, kháng nấm, kháng viêm và có khả năng ứng dụng vào ngành dược phẩm, thực phẩm… Một số chất hóa học trong tinh dầu tiêu như.2 Cấu trúc phân tử của β-Caryophyllene b. Limonene (C10H16) Có khả năng chống oxi hóa và kháng khuẩn, kháng nấm. Giảm đau dạ giày, hổ trợ tiêu hóa, chống táo bón, Giúp giảm căng thẳng, mệt mỏi [8].3 Cấu trúc phân tử của Limonene.

TỔNG QUAN HVTH: Trương Đàm Thái Vinh c. α – Terpinol và 4 – Terpinol (C10H8O) Có khả năng chống oxi hóa và kháng khuẩn, kháng nấm, kháng viêm rất mạnh, sử dụng làm thuốc ho, chất sát trùng, làm xà phòng thơm, dầu gội, nước hoa.4 Cấu trúc phân tử của α – Terpinol và 4 – Terpinol d. p - Cymene (C10H14) Kháng khuẩn, kháng viêm, chống oxi hóa.5 Cấu trúc phân tử của p - Cymene e. Ocimene (C10H16) Có khả năng kháng khuẩn mạnh Hình 1.6 Cấu trúc phân tử của Ocimene f.

TỔNG QUAN HVTH: Trương Đàm Thái Vinh Hình 1.7 Cấu trúc phân tử của α - Pinene g. α - Terpinene (C10H16) Giảm kích thích thần kinh, chống rối loạn vận động, kháng viêm, kháng khuẩn, sử dụng làm một số loại thuốc trừ sâu.8 Cấu trúc phân tử của α - Terpinene Theo nghiên cứu của Veronica và công sự, tinh dầu trích ly từ lá và quả tiêu có khả năng tiêu diệt mọt gạo Sitophilus oryzae L., và có thể ứng dụng để thay thế thuốc trừ sâu trong bảo quản gạo [9]. Theo nghiên cứu của Ganiyu Oboh, Ayokunle O. Akinbola, tinh dầu tiêu đen có hoạt tính chống oxi hóa và khả năng ức chế enzyme α-amylase, α-glucosidase, angiotensin-1, giúp ngăn ngừa bệnh tiểu đường loại 2 và cao huyết áp [10].

Theo nghiên cứu của Gurdip Signh, P Marimuthum, C Catalan, MP deLampasona, Tinh dầu tiêu đen được cho là có hiệu quả 100% trong việc ức chế nấm mốc Fusarium, Pennicilium và Aspergillus. Ngoài ra, tinh dầu tiêu được xác định là chất chống oxi hóa tốt hơn tinh dầu hạt lanh [11]. Theo nghiên cứu của Nguyễn Thanh Huệ, tinh dầu tiêu kháng tốt các chủng vi sinh vật thử nghiệm như Bacillus subtilis, Enterococcus feacalis, Pseudomona aeruginosa, Staphylococcus aureus, Salmonella typhy2 với nồng độ ức chế tối thiểu lần lượt à 6,25 mg/ml, 6,25 mg/ml, 50 mg/ml, 6,25 mg/ml, 6,25 mg/ml [12]. TỔNG QUAN HVTH: Trương Đàm Thái Vinh 1.4 Vai trò tinh dầu Một số ứng dụng của tinh dầu tiêu trong dược phẩm, thực phẩm, mỹ phẩm.

Các ứng dụng đều hướng đến một số vai trò chính như sau:  Giảm đau cơ và cứng cơ, làm ấm cơ thể, hỗ trợ tiêu hóa, giảm cân, tan mỡ, trị cảm cúm.  Thực phẩm: bổ sung vào món ăn tạo hương vị cay và mùi nồng đặc trưng, kích thích ăn ngon miệng. Đặc biệt nhờ vào thành phần các chất có hoạt tính kháng khuẩn mà tinh dầu tiêu và tinh dầu thiên nhiên nói chung có khả năng kháng khuẩn cao, đặc biệt là các vi khuẩn gây hư hỏng thực phẩm, nhờ đó, tinh dầu tiêu đang được nghiên cứu để tạo chất bảo quản thực phẩm tự nhiên.2 Giới thiệu về hệ nhũ tương 1.1 Định nghĩa và tính chất vật lý của hệ nhũ tương Nhũ tương là một hệ phân tán của ít nhất hai chất lỏng không hòa tan vào nhau gồm pha phân tán và pha liên tục. Hệ nhũ tương tương đối ổn định, thường được xác định bởi pha dầu hoặc pha nước.

Sự hình thành một nhũ tương bao gồm sự tăng bề mặt liên pha kèm theo sự tăng năng lượng tự do. Sức căng bề mặt liên pha càng nhỏ thì nhũ tương thu được càng dễ dàng [13, 14]. Các yếu tố ảnh hưởng đến sự tạo nhũ: kiểu thiết bị, cường độ năng lượng cung cấp, nhiệt độ, pH, lực ion, sự có mặt của chất hoạt động bề mặt, sự có mặt của oxy, bản chất của dầu, hàm lượng protein hòa tan và các nhũ tương hóa của protein, độ hòa tan và khả năng trương hóa của protein có quan hệ tỷ lệ thuận. Các loại protein không hòa tan có khả năng tạo nhũ tương thấp… 1.2 Phân loại nhũ tương dựa trên cấu trúc hệ Có rất nhiều hệ nhũ tương khác nhau nhưng trong thực phẩm chúng ta thường gặp 3 dạng.

Trong đó, Có hai loại nhũ tương chính, hệ nhũ tương dầu trong nước (O/W) và hệ nhũ tương nước trong dầu (W/O) a. Hệ dầu trong nước: Hệ dầu trong nước là hệ mà các giọt dầu phân tán trong pha liên tục là nước. Trong đó có hai loại nhũ tương chính, nhũ tương dầu trong nước (O/W) và nhũ tương nước trong dầu (W/O) 12 Chương 1. TỔNG QUAN HVTH: Trương Đàm Thái Vinh Ví dụ: mayonnaises, kem sữa, phết lên bánh… Hình 1.9 Hệ nhũ tương dầu trong nước b.

Hệ nước trong dầu Hệ nước trong dầu là hệ mà trong đó các giọt nước phân tán trong pha liên tục là dầu. Ví dụ: bơ, margarine, sốt dùng với salad… Hình 1.10 Hệ nhũ tương nước trong dầu c. Hệ nước trong dầu trong nước Hệ nhũ tương dầu trong nước mà các giọt phân tán của nó có chứa nước. Đây là hệ khá phức tạp trong thực phẩm, có thể sử dụng để bảo vệ các chất sinh học tan trong dầu.3 Phân loại nhũ tương dựa trên tính chất hạt nhũ Dựa vào trạng thái vật lý và cơ chế ổn định, có thể phân loại nhũ tương khác nhau thành nhũ tương thông thường (macroemulsion), nhũ tương nano (nanoemulsion) và vi nhũ tương (microemulsion) [15].

So với nhũ tương thông thường, nhũ tương nano có kích thước giọt tương đối nhỏ hơn, trong khoảng 20 – 200 nm [16, 17]. Chúng ổn định về mặt động học nhưng không ổn định về mặt nhiệt động lực học. Tùy loại kích thước hạt mà chúng tồn tại ở trạng thái trong suốt, hơi mờ hoặc có một lớp kem bị tách pha 13 Chương 1. TỔNG QUAN HVTH: Trương Đàm Thái Vinh trên bề mặt.

Khi kích thước hạt giảm, đạt trong phạm vi từ 5 đến 50 nm, ta gọi đó là hệ vi nhũ tương. Hệ vi nhũ tương có trạng thái trong suốt và có màu hơi ánh xanh. Các tính chất khác nhau của các loại nhũ tương được thể hiện trong Bảng 1.3 So sánh các tính chất của các loại nhũ tương khác nhau [18] Tính chất Nhũ tương Nhũ tương nano Vi nhũ tương Đường kính hạt 100 nm – 100 µm 10 – 100 nm 2 – 50 nm Hình dạng Hình cầu Hình cầu Hình cầu hoặc màng Thương thấp (<10 Phân bố kích Thường cao (> Thường thấp (< 10%), – 20%), đỉnh đơn thước hạt 40%) đỉnh đơn hẹp hoặc đỉnh hẹp Nhiệt động học Nhiệt động học không ổn định, Nhiệt động học ổn Sự ổn định không ổn định, động học ổn định định động học ổn định yếu. Tỷ lệ bề mặt 0,07 - 70 70 - 330 130 - 1300 theo khối lượng Sự xuất hiện Mờ / đục Trong suốt / mờ Trong suốt Phương pháp Năng lượng cao và Năng lượng cao và Năng lượng thấp chuẩn bị thấp thấp Phân tích trạng Thay đổi theo thời Thay đổi theo thời Không thay đổi theo thái ổn định gian gian từ sau 30 ngày thời gian Bảng 1.4 Tóm tắt tính chất các loại nhũ tương [18] Loại nhũ Sự ổn định nhiệt Phạm vi đường kính Trạng thái tương động lực học Nhũ tương 0,1 – 100 µm Không ổn định Đục/ mờ đục thông thường Nhũ tương Trong suốt/ hơi 20 – 200 nm Không ổn định nano mờ Vi nhũ tương 5 – 50 nm Ổn định Trong suốt 14 Chương 1.

TỔNG QUAN HVTH: Trương Đàm Thái Vinh 1.4 Tính chất của hệ nhũ tương a. Độ bền vững tập hợp và bản chất của chất nhũ hoá [19]. Nhũ tương là hệ không bền vững vì chúng có năng lượng tự do lớn; các hạt nhũ tương, tự liên kết lại với nhau thành tập hợp và cuối cùng hệ tách ra thành 2 lớp. Để đánh giá độ bền của nhũ tương ta xét tốc độ phân lớp của nhũ tương, thời gian tồn tại của nhũ tương và thời gian sống của từng hạt.

 Hệ nhũ tương không bền nhiệt động, sau quá trình đồng nhất xảy ra sự tách pha như sau:  Sự nổi lên hoặc lắng xuống của các giọt dưới ảnh hưởng của trọng lực, khối lượng riêng của giọt nào nặng hơn sẽ có xu hướng chìm xuống.  Sự kết tụ của các giọt làm giảm đột ngột các điện tích kéo theo làm giảm các lực đẩy tỉnh điện giữa các giọt, thường xảy ra khi thay đổi pH và lực ion. Sự kết tụ làm tăng kích thước bên ngoài của các giọt do dó làm tăng tốc độ phân lớp.  Sự hợp giọt một cách tự phát làm tăng dần kích thước các giọt và dẫn đến phân chia thành hai lớp ngăn cách nhau bằng bề mặt phân chia phẳng, điện tích lúc này sẽ cực tiểu.

 Sự xa lắng, sự kết tụ và các va chạm do chuyển động Brown hoặc chuyển động khuấy sẽ làm cho các giọt gần lại nhau.11 Các trạng thái hệ nhũ tương  Hạn chế một số nguyên nhân phá nhũ:  Nhũ tương có thể bị phá vỡ khi thêm chất điện ly hóa trị cao trong chất nhũ có tác dụng ngược trên hệ. Giả sử nhũ tương ở dạng O/W, nhũ có thể bị phá vỡ khi sử dụng thêm chất điện ly chứa ion hóa trị cao, chúng sẽ tác dụng với nhóm ion 15 Chương 1. TỔNG QUAN HVTH: Trương Đàm Thái Vinh của chất nhũ hóa tạo các chất không tan trong nước, tức chuyển từ nhũ sang trạng thái keo (bị keo tụ).  Khi sử dụng thêm chất nhũ hóa có tác dụng ngược lại với chất nhũ hóa ban đầu.

Nhũ tương ở dạng W/O khi thêm vào chất điện ly ở nồng độ cao sẽ xảy ra hiện tượng muối kết (không phải hiện tương keo tụ) làm vỡ nhũ.  Nhũ có thể bị phá vỡ nếu đưa vào hệ một chất hoạt động bề mặt hoặc một chất nào đó có khả năng đẩy chất nhũ hóa ra hệ, như dùng rượu anylic, nhũ O/W sẽ bị phá vỡ.  Nhũ tương có thể phá vỡ bằng ly tâm, lọc, điện ly, đun nóng. Sự tăng nhiệt độ làm chất nhũ hóa dễ bị tách ra khỏi bề mặt giọt trong quá trình giải hấp phụ hoăc hòa tan chất nhũ hóa để phân tán, do đó tất cả các yếu tố này rất cần được quan tâm trong quá trình tạo nhũ của sản phẩm thực phẩm.

Tính chiết quang Hiện tượng đục ở một số nhũ có liên quan đến chỉ số khúc xạ của hai pha.