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

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.

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.