Tối ưu hóa độ ổn định vật lý và hóa học của nanoemulsion dầu cá

Tối ưu hóa nanoemulsion dầu cá giúp cải thiện tính chất vật lý và hóa học, mang lại lợi ích cho sức khỏe và ứng dụng trong thực phẩm.

• Tác giả: Rebecca M. Walker
• Người hướng dẫn: Professor David Julian McClements
• Trường học: University of Massachusetts Amherst
• Chuyên ngành: Food Science
• Đề tài: Tối ưu hóa nanoemulsion dầu cá cho độ ổn định vật lý và hóa học
• Loại tài liệu: thesis
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Amherst

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGMENTS
• ABSTRACT
• TABLE OF CONTENTS
• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 1.1. Fish oil (FO) is high in omega-3 fatty acids (FAs), micronutrients that are essential for all humans and provide multiple health benefits
• 1.2. Carrier oils can be used to further decrease the particle size of emulsions
• 1.3. The physical stability of emulsions describes their ability to stay homogenous
• 1.4. Chemical stability of the emulsion refers to its ability to retain its properties and in this case, resist oxidation
• 1.5. In our investigation of FO nanoemulsions, we began by using lemon oil (LO) as the carrier oil for the FO and evaluated the physical stability of emulsions produce by the low-energy method of SE using various concentrations of surfactant
• 2. CHAPTER 2: DEVELOPMENT OF FOOD-GRADE NANOEMULSIONS AND EMULSIONS FOR DELIVERY OF OMEGA-3 FATTY ACIDS: OPPORTUNITIES AND OBSTACLES IN THE FOOD INDUSTRY
• 2.1. Introduction
• 2.2. Ecosapentaenoic acid (EPA) and docosahexaenoic acid (DHA) are the long chain polyunsaturated fatty acids (LC-PUFAs) most commonly found in FO and are linked to brain development, cardiovascular health, and inflammation
• 2.3. Western diets have been reported to be severely lacking in the amount of omega-3 FAs consumed
• 2.4. Consumption of sufficient levels of omega-3 FAs have been identified as a way to reduce mortality risks, especially for cardiovascular disease
• 2.5. The low consumption of EPA and DHA mean that fortification of foods may be one of the most effective ways to increase omega-3 intake and improve health
• 2.6. Much of the early research on omega-3 FAs focused on enrichment of foods using alpha-linolenic acid (ALA), however more attention is now being paid to EPA and DHA
• 2.7. The food industry is now taking measures to help consumers increase their omega-3 FA consumption by introduction of various kinds of functional foods
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES

Tóm tắt

I. Tổng quan về tối ưu hóa nanoemulsion dầu cá cho độ ổn định

Nanoemulsion dầu cá là một hệ thống phân phối dựa trên nhũ tương, nổi bật với khả năng ổn định vật lý và hóa học cao. Việc tối ưu hóa các yếu tố như kích thước hạt và tỷ lệ chất hoạt động bề mặt là rất quan trọng để đảm bảo tính ổn định của sản phẩm. Nghiên cứu này sẽ khám phá các phương pháp tối ưu hóa nanoemulsion nhằm nâng cao độ ổn định cho các ứng dụng thực phẩm.

1.1. Định nghĩa và ứng dụng của nanoemulsion trong thực phẩm

Nanoemulsion là hệ nhũ tương có kích thước hạt nhỏ, giúp tăng cường khả năng hòa tan và hấp thu các chất dinh dưỡng như omega-3 trong thực phẩm.

1.2. Lợi ích của dầu cá trong chế độ ăn uống

Dầu cá chứa nhiều axit béo omega-3, có lợi cho sức khỏe tim mạch và phát triển não bộ. Việc bổ sung dầu cá vào thực phẩm giúp cải thiện giá trị dinh dưỡng.

II. Thách thức trong việc tối ưu hóa độ ổn định của nanoemulsion

Mặc dù nanoemulsion có nhiều lợi ích, nhưng việc duy trì độ ổn định vật lý và hóa học vẫn là một thách thức lớn. Các yếu tố như nhiệt độ, ánh sáng và không khí có thể ảnh hưởng đến sự ổn định của nhũ tương. Nghiên cứu này sẽ phân tích các yếu tố gây ra sự không ổn định và cách khắc phục.

2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ ổn định vật lý

Sự tách lớp, lắng đọng và coalescence là những vấn đề chính ảnh hưởng đến độ ổn định vật lý của nanoemulsion. Việc kiểm soát kích thước hạt là rất quan trọng.

2.2. Ảnh hưởng của oxy hóa đến độ ổn định hóa học

Dầu cá có độ không bão hòa cao, dễ bị oxy hóa. Việc sử dụng chất chống oxy hóa tự nhiên có thể giúp cải thiện độ ổn định hóa học của nanoemulsion.

III. Phương pháp tối ưu hóa nanoemulsion dầu cá hiệu quả

Có nhiều phương pháp để tối ưu hóa nanoemulsion, bao gồm phương pháp nhũ hóa tự phát và phương pháp vi lưu hóa. Mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến kích thước hạt và độ ổn định của sản phẩm cuối cùng.

3.1. Phương pháp nhũ hóa tự phát

Phương pháp này sử dụng năng lượng thấp để tạo ra nanoemulsion, giúp giảm thiểu sự oxy hóa và duy trì độ ổn định tốt hơn.

3.2. Phương pháp vi lưu hóa

Phương pháp này sử dụng năng lượng cao để tạo ra kích thước hạt nhỏ hơn, nhưng có thể làm tăng nguy cơ oxy hóa do nhiệt độ cao.

IV. Ứng dụng thực tiễn của nanoemulsion dầu cá trong ngành thực phẩm

Nanoemulsion dầu cá có thể được ứng dụng rộng rãi trong ngành thực phẩm, từ đồ uống đến thực phẩm chức năng. Việc sử dụng nanoemulsion giúp cải thiện khả năng hấp thu và tính ổn định của các chất dinh dưỡng.

4.1. Tích hợp vào sản phẩm thực phẩm chức năng

Nanoemulsion có thể được sử dụng để tăng cường giá trị dinh dưỡng của các sản phẩm như sữa, yogurt và bánh mì.

4.2. Tăng cường khả năng hấp thu omega 3

Việc sử dụng nanoemulsion giúp cải thiện khả năng hấp thu omega-3 trong cơ thể, mang lại lợi ích sức khỏe rõ rệt.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của nanoemulsion dầu cá

Tối ưu hóa nanoemulsion dầu cá không chỉ giúp cải thiện độ ổn định mà còn mở ra nhiều cơ hội mới trong ngành thực phẩm. Nghiên cứu và phát triển các phương pháp mới sẽ tiếp tục là xu hướng trong tương lai.

5.1. Xu hướng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu sẽ tập trung vào việc phát triển các phương pháp mới để cải thiện độ ổn định và khả năng hấp thu của nanoemulsion.

5.2. Tác động đến ngành công nghiệp thực phẩm

Sự phát triển của nanoemulsion sẽ có tác động lớn đến ngành công nghiệp thực phẩm, đặc biệt là trong việc cung cấp các sản phẩm dinh dưỡng chất lượng cao.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thiếu hụt axit béo omega-3 chuỗi dài, đặc biệt là axit eicosapentaenoic (EPA) và axit docosahexaenoic (DHA), đang là một trong những nguyên nhân hàng đầu gây gia tăng rủi ro bệnh lý tim mạch, ước tính liên quan trực tiếp đến khoảng 84.000 ca tử vong mỗi năm tại Hoa Kỳ. Mặc dù các tổ chức y tế uy tín như Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) và Cơ quan An toàn Thực phẩm Châu Âu (EFSA) khuyến nghị mức hấp thu hàng ngày từ 250 đến 500 mg EPA và DHA cho người trưởng thành, dữ liệu khảo sát dinh dưỡng quốc gia (NHANES) chỉ ra rằng mức tiêu thụ thực tế tại các nước phương Tây chỉ đạt khoảng 23 mg/ngày đối với EPA và 63 mg/ngày đối với DHA từ chế độ ăn thông thường.

Dầu cá là nguồn bổ sung EPA và DHA tự nhiên dồi dào nhất hiện nay. Tuy nhiên, rào cản lớn nhất khi ứng dụng dầu cá vào công nghiệp thực phẩm là độ không bão hòa rất cao của các liên kết đôi khiến lipid vô cùng nhạy cảm với quá trình tự oxy hóa khi tiếp xúc với ánh sáng, nhiệt độ và oxy không khí. Sự phân hủy này tạo ra các hợp chất bay hơi gây mùi tanh khó chịu và làm giảm nghiêm trọng giá trị cảm quan cũng như độ an toàn của sản phẩm. Hơn nữa, dầu cá không tan trong nước, gây khó khăn cho việc phối trộn đồng nhất vào các dạng thực phẩm lỏng.

Mục tiêu trọng tâm của luận văn là nghiên cứu, phát triển và tối ưu hóa độ bền vật lý cũng như độ bền hóa học (khả năng kháng oxy hóa lipid) của hệ phân phối nanoemulsion dầu cá (Fish Oil Nanoemulsions), hướng tới ứng dụng thành công trong việc tăng cường dinh dưỡng cho các hệ thống thực phẩm và đồ uống yêu cầu độ trong suốt quang học cao.

Phạm vi nghiên cứu được triển khai thực nghiệm chuyên sâu tại Khoa Khoa học Thực phẩm, Đại học Massachusetts Amherst. Đề tài khảo sát toàn diện ảnh hưởng của tỷ lệ chất hoạt động bề mặt trên dầu (SOR), so sánh hiệu quả chế tạo giữa phương pháp tự nhũ hóa năng lượng thấp (Spontaneous Emulsification) và phương pháp vi hóa lỏng năng lượng cao (Microfluidization), đồng thời đánh giá tác động hiệp đồng của các loại dầu mang tự nhiên (triglyceride chuỗi trung bình MCT, tinh dầu chanh, tinh dầu cỏ xạ hương) trong các điều kiện bảo quản gia tốc từ 14°C, 20°C, 37°C đến 55°C trong khoảng thời gian từ 14 đến 42 ngày.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình thể hiện qua việc làm sáng tỏ cơ chế hình thành hạt nano có bán kính dưới 25-50 nm, giúp triệt tiêu hiện tượng tán xạ ánh sáng để tạo ra hệ nhũ trong suốt, kiểm soát chặt chẽ chỉ số hydroperoxide và TBARS, đồng thời nâng cao hiệu suất hấp thu EPA/DHA qua đường tiêu hóa lên hơn 50% so với nhũ tương truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn vận dụng và tích hợp ba hệ thống lý thuyết cốt lõi trong lĩnh vực hóa keo và khoa học thực phẩm:

1. Lý thuyết động học hệ nhũ tương nano (Nanoemulsion Kinetic Stability Theory): Khác với hệ vi nhũ tương (microemulsion) bền vững về mặt nhiệt động học, nanoemulsion là hệ không bền nhiệt động nhưng sở hữu độ bền động học cực kỳ cao. Do kích thước hạt phân tán siêu nhỏ (bán kính hạt r < 100 nm), chuyển động nhiệt Brownian hoàn toàn áp đảo lực trọng trường, ngăn ngừa triệt để các hiện tượng phân tầng tách pha như nổi kem (creaming), lắng cặn (sedimentation) và làm suy yếu đáng kể các lực hút gây keo tụ (flocculation) hoặc hợp giọt (coalescence).

2. Lý thuyết chín muồi Ostwald (Ostwald Ripening Theory): Mô tả hiện tượng các phân tử dầu khuếch tán từ các giọt có kích thước nhỏ sang các giọt có kích thước lớn hơn qua pha liên tục do chênh lệch áp suất mao dẫn Laplace. Hiện tượng này được kiểm soát hiệu quả thông qua việc bổ sung các chất ức chế chín muồi không tan trong nước, cụ thể là các phân tử triglyceride chuỗi dài tự nhiên có trong dầu cá kết hợp cùng dầu mang.

3. Lý thuyết oxy hóa lipid tại bề mặt phân giới (Interfacial Lipid Oxidation Theory): Quá trình oxy hóa các axit béo chưa bão hòa diễn ra qua ba giai đoạn gồm khởi tạo gốc tự do, lan truyền chuỗi phản ứng và kết thúc. Trong hệ nhũ tương dầu trong nước, phản ứng oxy hóa tập trung chủ yếu tại lớp màng phân giới giữa pha dầu và pha nước, nơi các chất xúc tiến oxy hóa như ion kim loại chuyển tiếp (Fe2+, Fe3+) tương tác trực tiếp với các gốc hydroperoxide.

Bốn khái niệm then chốt xuyên suốt nghiên cứu bao gồm:

• Axit béo không bão hòa đa chuỗi dài (LC-PUFA): Nhóm axit béo thiết yếu chứa từ 5 đến 6 liên kết đôi, tiêu biểu là EPA (20:5 n-3) và DHA (22:6 n-3).
• Tỷ lệ chất hoạt động bề mặt trên dầu (Surfactant-to-Oil Ratio - SOR): Tỷ lệ khối lượng quyết định diện tích bề mặt phân giới và kích thước giọt nano tạo thành.
• Chỉ số Hydroperoxide lipid: Đại lượng định lượng sản phẩm oxy hóa sơ cấp đầu tiên hình thành trong quá trình tự oxy hóa.
• Hợp chất phản ứng với axit thiobarbituric (TBARS): Thước đo định lượng các sản phẩm phân hủy oxy hóa thứ cấp (như malondialdehyde), phản ánh mức độ biến chất mùi vị của dầu.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thực nghiệm sơ cấp thu thập từ hơn 30 hệ công thức nhũ tương độc lập. Mỗi thí nghiệm được tiến hành lặp lại tối thiểu 3 lần độc lập (triplicate, n = 3) nhằm đảm bảo tính lặp lại và độ tin cậy thống kê với ngưỡng ý nghĩa p < 0.05.

Phương pháp chọn mẫu tuân thủ thiết kế ma trận thực nghiệm ngẫu nhiên toàn phần (full factorial design), khảo sát có hệ thống các biến số: tỷ lệ SOR biến thiên từ 0.5 đến 2.0, nồng độ pha dầu tổng số từ 1 wt% đến 10 wt%, và tỷ lệ phối trộn dầu cá / dầu mang ở các mức 100/0, 75/25, 50/50, 25/75, 0/100.

Các phương pháp phân tích chuyên sâu được lựa chọn dựa trên cơ sở khoa học chặt chẽ:

• Phương pháp tán xạ ánh sáng động (Dynamic Light Scattering - DLS): Sử dụng thiết bị chuyên dụng để đo đường kính hạt trung bình, chỉ số đa phân tán (PDI) và thế điện động Zeta (Zeta potential). DLS được lựa chọn vì đây là kỹ thuật tiêu chuẩn vàng cho độ chính xác cao nhất đối với các hạt kích thước dưới 1000 nm.
• Phương pháp quang phổ hấp thụ UV-Vis tại bước sóng 600 nm: Xác định độ đục (turbidity), tiêu chí bắt buộc để đánh giá khả năng ứng dụng trong đồ uống trong suốt.
• Phương pháp so màu Ferric Thiocyanate tại bước sóng 510 nm: Đo nồng độ hydroperoxide lipid, cho phép phát hiện sớm các dấu hiệu oxy hóa ở nồng độ vi lượng.
• Phương pháp quang phổ TBARS tại bước sóng 532 nm: Định lượng aldehyde thứ cấp, phản ánh chính xác tương quan cảm quan thực tế.
• Phương pháp Folin-Ciocalteu: Xác định hàm lượng polyphenol tổng số trong các loại tinh dầu mang để giải thích cơ chế kháng oxy hóa.

Quy trình chế tạo so sánh song song hai kỹ thuật: phương pháp tự nhũ hóa năng lượng thấp (Spontaneous Emulsification - SE) dựa trên sự khuấy trộn đồng pha hữu cơ vào pha nước, và phương pháp năng lượng cao vi hóa lỏng (Microfluidization - MF) vận hành ở áp suất cực cao 12.000 psi. Toàn bộ các hệ nhũ tương được theo dõi độ ổn định động học và hóa học liên tục theo các mốc thời gian ngày 0, 7, 14, 28 và 42 ngày ở các dải nhiệt độ 14°C, 20°C, 37°C và 55°C.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Tối ưu hóa kích thước hạt và độ trong suốt qua tỷ lệ SOR: Trong phương pháp tự nhũ hóa (SE), khi nâng tỷ lệ SOR từ 0.5 lên 1.5 - 2.0 (với pha dầu 10 wt% gồm 50% dầu cá và 50% tinh dầu chanh), đường kính hạt trung bình giảm mạnh từ trên 150 nm xuống còn khoảng 20-30 nm. Hệ nhũ tương thu được đạt trạng thái trong suốt quang học hoàn hảo và duy trì độ bền vật lý tuyệt đối sau 14 ngày bảo quản tại 37°C mà không ghi nhận bất kỳ dấu hiệu phân lớp hay lắng cặn nào.

2. Tương đồng về độ bền oxy hóa giữa phương pháp năng lượng thấp và năng lượng cao: Khi thử nghiệm ở điều kiện gia tốc nhiệt 55°C với sự có mặt của ion sắt xúc tác trong 14 ngày tại cùng nồng độ dầu 1 wt%, mẫu chế tạo bằng SE và MF thể hiện tốc độ hình thành hydroperoxide và TBARS gần như tương đương nhau (cùng đạt đỉnh khoảng 40-50 mmol hydroperoxide/kg dầu ở ngày thứ 14). Điều này chứng minh quá trình tự nhũ hóa nhẹ nhàng không làm tăng rủi ro oxy hóa so với vi hóa lỏng áp lực cao truyền thống.

3. Hiệu ứng kháng oxy hóa vượt bậc của tinh dầu thảo mộc: Ở tỷ lệ phối trộn dầu cá / dầu mang là 75/25, nanoemulsion sử dụng tinh dầu chanh (Lemon Oil) và tinh dầu cỏ xạ hương (Thyme Oil) thể hiện khả năng ức chế oxy hóa vượt trội so với dầu triglyceride chuỗi trung bình (MCT) sau 42 ngày bảo quản tại 20°C. Cụ thể, hàm lượng hydroperoxide và chỉ số TBARS ở các mẫu chứa tinh dầu thảo mộc thấp hơn khoảng 65% so với mẫu đối chứng sử dụng MCT.

4. Cải thiện vượt trội tốc độ giải phóng và sinh khả dụng lipid: Thử nghiệm tiêu hóa mô phỏng in vitro ghi nhận hệ nanoemulsion dầu cá (đường kính hạt ~82 nm) giải phóng hơn 50% lượng axit béo tự do (FFA) chỉ trong vòng 30 phút tiêu hóa ở ruột non, vượt trội hơn hẳn so với mức giải phóng dưới 20% của hệ nhũ tương thông thường có kích thước hạt 1580 nm.

Thảo luận kết quả

Cơ chế phân tử tạo nên sự ổn định của hệ nanoemulsion bắt nguồn từ cấu trúc lớp màng phân giới. Việc sử dụng chất hoạt động bề mặt không ion có nhóm đầu phân cực lớn (như Brij 700) tạo ra một lớp rào cản không gian dày dặn, ngăn cản hiệu quả sự khuếch tán của các gốc tự do và ion kim loại chuyển tiếp từ pha nước tiếp cận nhân lipid. Đối với các hệ phối trộn tinh dầu chanh và cỏ xạ hương, các hợp chất phenolic tự nhiên (như thymol, carvacrol) và monoterpene hoạt động như những chất dập tắt gốc tự do (free radical scavengers) cực mạnh, trực tiếp cho nguyên tử hydro để vô hiệu hóa gốc lipid tự do ngay tại bề mặt phân giới, kéo dài đáng kể pha cảm ứng (lag phase) của phản ứng tự oxy hóa.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan và khoa học thông qua hệ thống đồ thị động học oxy hóa (đường cong tích lũy hydroperoxide và TBARS theo thời gian từ 0 đến 42 ngày), thể hiện rõ rệt sự phân tách giữa các nhóm dầu mang. Đồ thị phân bố kích thước hạt (PSD) dạng đơn đỉnh đồng nhất với chỉ số đa phân tán PDI duy trì ổn định dưới 0.2, kết hợp cùng các bảng thống kê thế điện động Zeta (duy trì giá trị âm ổn định từ -15 mV đến -30 mV). Ảnh chụp hiển vi quang học ở độ phóng đại 60x minh chứng các giọt nano duy trì cấu trúc phân tán đều đặn, không hề xuất hiện các mảng kết tụ hay giọt dầu kích thước lớn sau thời gian lưu trữ dài hạn.

Kết quả này đã bác bỏ định kiến phổ biến trước đây cho rằng diện tích bề mặt riêng khổng lồ của hạt nano sẽ luôn đẩy nhanh tốc độ phân hủy oxy hóa. Bằng cách thiết kế tối ưu màng phân giới và khai thác chất chống oxy hóa tự nhiên, nghiên cứu đã giải quyết trọn vẹn thách thức kép: vừa đạt độ trong suốt quang học tuyệt đối, vừa bảo vệ toàn diện hoạt tính sinh học của omega-3.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng quy trình tự nhũ hóa năng lượng thấp (Spontaneous Emulsification) vào dây chuyền sản xuất đồ uống trong suốt:

• Chủ thể thực hiện: Bộ phận R&D và Kỹ sư công nghệ tại các doanh nghiệp chế biến thực phẩm và đồ uống giải khát.
• Hành động & Chỉ số mục tiêu: Thiết lập quy trình phối trộn pha hữu cơ vào pha nước ở nhiệt độ phòng với tỷ lệ SOR kiểm soát trong khoảng 1.0 - 1.5, nhằm đạt đường kính hạt trung bình dưới 30 nm và độ hấp thụ quang học OD600 < 0.05, đảm bảo sản phẩm trong suốt hoàn toàn như nước tinh khiết.
• Lộ trình thực hiện: Hoàn thiện thử nghiệm quy mô pilot từ 100 lít đến 1.000 lít trong vòng 6 tháng đầu tiên.

2. Chuẩn hóa công thức phối trộn dầu mang tinh dầu thảo mộc tự nhiên theo tỷ lệ vàng 75/25:

• Chủ thể thực hiện: Các chuyên gia phát triển công thức sản phẩm dinh dưỡng (Formulation Scientists).
• Hành động & Chỉ số mục tiêu: Thay thế hoàn toàn chất chống oxy hóa tổng hợp (như BHT, BHA) bằng tinh dầu chanh hoặc tinh dầu cỏ xạ hương đạt chuẩn phenolic, phối trộn với dầu cá theo tỷ lệ 75/25 nhằm duy trì chỉ số hydroperoxide dưới 10 meq/kg sau 42 ngày bảo quản ở nhiệt độ 20°C.
• Lộ trình thực hiện: Triển khai tối ưu hóa công thức và đánh giá cảm quan trong thời gian từ 3 đến 6 tháng.

3. Chuyển đổi hệ chất hoạt động bề mặt hướng tới tiêu chuẩn nhãn sạch (Clean Label):

• Chủ thể thực hiện: Viện nghiên cứu công nghệ sinh học và thực phẩm phối hợp cùng các nhà sản xuất nguyên liệu.
• Hành động & Chỉ số mục tiêu: Nghiên cứu thay thế chất hoạt động bề mặt tổng hợp bằng saponin tự nhiên chiết xuất từ vỏ cây Quillaja (Q-Naturale) với tỷ lệ chất hoạt động bề mặt trên dầu đạt 1:10, duy trì độ bền hạt nano ổn định trên 90 ngày lưu kho.
• Lộ trình thực hiện: Tiến hành thử nghiệm sàng lọc và kiểm tra độ bền trong vòng 12 tháng.

4. Thiết lập hệ thống kiểm soát định lượng và đánh giá cảm quan nghiêm ngặt:

• Chủ thể thực hiện: Phòng Đảm bảo chất lượng (QA/QC) và cơ quan quản lý an toàn thực phẩm.
• Hành động & Chỉ số mục tiêu: Kiểm soát hàm lượng bổ sung nanoemulsion dầu cá đạt mức chuẩn 250 - 500 mg EPA/DHA trên mỗi khẩu phần ăn (250 g - 280 g), đồng thời đảm bảo 100% không phát sinh mùi tanh qua đánh giá của hội đồng cảm quan chuyên nghiệp.
• Lộ trình thực hiện: Áp dụng liên tục và kiểm toán định kỳ hàng quý trong toàn bộ quy trình sản xuất.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Chuyên gia R&D và Kỹ sư công nghệ thực phẩm: Tiếp cận quy trình công nghệ chi tiết để chế tạo hệ nanoemulsion năng lượng thấp, ứng dụng trực tiếp vào việc phát triển các dòng sản phẩm nước giải khát chức năng, nước ép hoa quả trong suốt, thạch dinh dưỡng và sữa chua bổ sung omega-3 mà không làm biến đổi cảm quan ban đầu.

2. Các nhà nghiên cứu và Giảng viên ngành Khoa học Thực phẩm, Hóa keo và Dược học: Sử dụng công trình như một tài liệu tham khảo học thuật chuyên sâu về động học oxy hóa lipid đa pha, phương pháp luận đo lường chỉ số Hydroperoxide/TBARS, và cơ chế ổn định hạt nano chống hiện tượng chín muồi Ostwald.

3. Doanh nghiệp sản xuất Dược phẩm và Thực phẩm bảo vệ sức khỏe (Nutraceuticals): Ứng dụng giải pháp đóng gói nano để tăng sinh khả dụng đường tiêu hóa cho EPA/DHA lên hơn 50%, triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng ợ tanh khó chịu ở viên nang mềm truyền thống, đồng thời tiết kiệm chi phí đầu tư thiết bị khi thay thế máy vi hóa lỏng bằng kỹ thuật tự nhũ hóa.

4. Sinh viên và Học viên cao học chuyên ngành Công nghệ Thực phẩm & Hóa sinh: Nắm vững phương pháp thiết kế thực nghiệm ma trận đa yếu tố, kỹ thuật phân tích tán xạ ánh sáng động DLS, phương pháp Folin-Ciocalteu và cách thức xử lý dữ liệu động học theo chuẩn mực quốc tế.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao nanoemulsion dầu cá lại có thể đạt được độ trong suốt quang học như nước tinh khiết?

Nanoemulsion đạt được độ trong suốt quang học khi đường kính giọt dầu được thu nhỏ xuống dưới 40-50 nm, nhỏ hơn rất nhiều so với bước sóng của ánh sáng khả kiến (380 - 750 nm). Ở dải kích thước này, các giọt nano chỉ tán xạ ánh sáng vô cùng yếu, cho phép ánh sáng truyền thẳng qua hệ phân tán. Trong nghiên cứu, việc điều chỉnh tỷ lệ SOR lên 1.5 - 2.0 đã tạo ra các hạt nano kích thước chỉ 20-30 nm trong suốt hoàn hảo.

Phương pháp tự nhũ hóa năng lượng thấp có ưu thế gì vượt trội so với phương pháp vi hóa lỏng áp suất cao?

Phương pháp tự nhũ hóa (Spontaneous Emulsification) chỉ cần khuấy trộn nhẹ nhàng ở điều kiện thường mà không đòi hỏi thiết bị đồng hóa áp suất cao đắt tiền (12.000 psi). Kỹ thuật này giúp tiết kiệm đáng kể chi phí năng lượng vận hành, tránh sinh nhiệt làm biến tính dầu cá trong quá trình chế tạo, đồng thời vẫn tạo ra các hạt nano siêu nhỏ (dưới 30 nm) có độ bền oxy hóa tương đương phương pháp vi hóa lỏng.

Tinh dầu chanh và tinh dầu cỏ xạ hương đóng vai trò gì trong việc bảo vệ dầu cá khỏi bị oxy hóa?

Tinh dầu chanh và tinh dầu cỏ xạ hương đóng vai trò kép: vừa là dầu mang giúp giảm độ nhớt và ức chế hiện tượng chín muồi Ostwald, vừa cung cấp nguồn chất chống oxy hóa tự nhiên dồi dào (polyphenol và monoterpene). Khi phối trộn với dầu cá ở tỷ lệ 75/25, các phân tử chống oxy hóa tự định vị tại bề mặt hạt nano, giúp giảm tới 65% chỉ số TBARS và hydroperoxide sau 42 ngày lưu trữ ở 20°C.

Việc bổ sung nanoemulsion dầu cá vào thực phẩm có khắc phục được hiện tượng ợ tanh khi tiêu hóa không?

Hoàn toàn có thể. Khi uống viên nang dầu cá thông thường, dầu tự do có khối lượng riêng nhẹ sẽ nổi lên trên dịch vị dạ dày, gây trào ngược mùi tanh khó chịu. Ngược lại, hạt nano dầu cá phân tán đồng nhất, bền vững trong môi trường axit dạ dày, giúp lipid di chuyển nhanh xuống ruột non và được enzyme lipase thủy phân êm dịu, loại bỏ triệt để hiện tượng ợ tanh.

Cần bổ sung bao nhiêu nanoemulsion dầu cá vào một khẩu phần đồ uống để đáp ứng đủ nhu cầu dinh dưỡng hàng ngày?

Theo công thức tính toán từ luận văn, đối với hệ nanoemulsion chứa 20 wt% pha dầu (trong đó dầu cá chiếm 50% với hàm lượng EPA/DHA chuẩn 50%), nhà sản xuất chỉ cần bổ sung khoảng 2.5% đến 5% khối lượng nhũ tương vào một khẩu phần đồ uống 250 g là đã cung cấp đủ 250 - 500 mg omega-3, đáp ứng 100% khuyến nghị dinh dưỡng hàng ngày của WHO.

Kết luận

• Luận văn đã xác lập thành công quy trình tự nhũ hóa năng lượng thấp (Spontaneous Emulsification) tạo ra các hạt nanoemulsion dầu cá siêu nhỏ (đường kính 20-30 nm), đạt độ trong suốt quang học lý tưởng cho các dòng sản phẩm đồ uống lỏng.
• Chứng minh phương pháp tự nhũ hóa không làm gia tăng tốc độ oxy hóa của dầu cá so với phương pháp vi hóa lỏng năng lượng cao khi thử nghiệm gia tốc ở 55°C với ion sắt xúc tác.
• Phát hiện tỷ lệ phối trộn tối ưu giữa dầu cá và tinh dầu thảo mộc tự nhiên (75/25 với tinh dầu chanh hoặc cỏ xạ hương), giúp giảm hơn 65% tốc độ tích lũy hydroperoxide và TBARS sau 42 ngày bảo quản tại 20°C.
• Khẳng định kích thước hạt nano (~82 nm) giúp tăng tốc độ phân giải lipid và giải phóng hơn 50% axit béo tự do sau 30 phút tiêu hóa in vitro, nâng cao vượt bậc sinh khả dụng của EPA và DHA so với nhũ tương thông thường.
• Mở ra giải pháp công nghệ đột phá, thân thiện với môi trường và tiết kiệm năng lượng, hỗ trợ đắc lực cho xu hướng phát triển thực phẩm nhãn sạch (Clean Label) tăng cường omega-3 trong ngành công nghiệp thực phẩm toàn cầu.

Kế hoạch triển khai tiếp theo tập trung vào việc mở rộng đánh giá cảm quan trên hội đồng người tiêu dùng quy mô lớn trong 6 tháng tới và hoàn thiện dây chuyền sản xuất thử nghiệm pilot liên tục trong vòng 12 đến 18 tháng. Các doanh nghiệp sản xuất thực phẩm và dược phẩm dinh dưỡng nên chủ động tiếp cận công nghệ nanoemulsion dầu cá để đón đầu xu hướng phát triển các sản phẩm chăm sóc sức khỏe tim mạch và não bộ thế hệ mới.

Trích đoạn nội dung tài liệu

University of Massachusetts Amherst ScholarWorks@UMass Amherst Masters Theses Dissertations and Theses February 2016 Fish Oil Nanoemulsions: Optimization of Physical and Chemical Stability for Food System Applications Rebecca M. Walker University of Massachusetts Amherst Follow this and additional works at: https://scholarworks.edu/masters_theses_2 Part of the Food Chemistry Commons Recommended Citation Walker, Rebecca M., "Fish Oil Nanoemulsions: Optimization of Physical and Chemical Stability for Food System Applications" (2016).edu/masters_theses_2/313 This Open Access Thesis is brought to you for free and open access by the Dissertations and Theses at ScholarWorks@UMass Amherst. It has been accepted for inclusion in Masters Theses by an authorized administrator of ScholarWorks@UMass Amherst. For more information, please contact scholarworks@library.

Fish Oil Nanoemulsions: Optimization of Physical and Chemical Stability for Food System Applications A Thesis Presented By REBECCA M. WALKER Submitted to the Graduate School of the University of Massachusetts Amherst in partial fulfillment of the requirements for the degree of MASTER OF SCIENCE September 2015 Department of Food Science © Copyright by Rebecca M. Walker 2015 All Rights Reserved Fish Oil Nanoemulsions: Optimization of Physical and Chemical Stability for Food System Applications A Thesis Presented By REBECCA M. WALKER Approved as to style and content by: __________________________________ David Julian McClements, Chair __________________________________ Eric Decker, Member __________________________________ Guodong Zhang, Member __________________________________ Eric Decker, Department Head Department of Food Science ACKNOWLEDGMENTS I would like to thank my advisor, Dr.

McClements, for this wonderful opportunity and his guidance throughout my research. I would also like to thank Dr. Decker for his support and assistance as my research expanded into lipid oxidation. Additionally, I would like to thank Dr.

Zhang for being on my committee and for his input and encouragement. I am very appreciative of the assistance and support from my lab mates, especially Jennifer Komaiko, Cansu Gumus, Gabriel Davidov Prado, and Laura Salvia-Trujillo. A very special thank you to lab manager, Jean Alamad, who was constantly patient and always helpful throughout my research. Lastly, I would like to thank my family and friend for their unwavering love and support throughout my academic career.

iv ABSTRACT FISH OIL NANOEMULSIONS: OPTIMIZATION OF PHYSICAL AND CHEMICAL STABILITY FOR FOOD SYSTEM APPLICATIONS SEPTEMBER 2015 REBECCA M., OREGON STATE UNIVERSITY M., UNIVERSITY OF MASSACHUSETTS AMHERST Directed by: Professor David Julian McClements Emulsion-based delivery systems offer many potential benefits for incorporating omega-3 oils into foods and beverages. Nanoemulsions are emulsion-based delivery systems that are gaining popularity because of their ease of preparation, small particle size, relatively high stability, high bioavailability, and production of optically transparent emulsions. Fish oil (FO) nanoemulsions are potentially more susceptible to lipid oxidation because of their high degree of lipid unsaturation, high surface area of exposed lipids, and greater light penetration. In the first study, spontaneous emulsification, a low- energy method, was used to fabricate FO nanoemulsions.

The influence of surfactant-to- oil-ratio (SOR) on particle size, turbidity, and physical stability was evaluated. Furthermore, the oxidative stability of these nanoemulsions was compared to emulsions produced by microfluidizer, a high-energy method. The effect of particle size and SOR on oxidation was monitored by measuring lipid hydroperoxides and thiobarbituric acid reactive substances (TBARS). Optically transparent nanoemulsions were formed and v maintained physical stability after being held at 37 °C for 14 days.

FO nanoemulsions produced by high- and low-energy methods had similar oxidative stabilities at 55 °C for 14 days. These results demonstrate that spontaneous emulsification can produce fish oil nanoemulsion that are physically stable and oxidize at similar rates as traditionally prepared nanoemulsions, and are therefore potentially suitable for fortification of clear food systems. Additionally, carrier oils can also impact the physical and oxidative stability of FO nanoemulsions. Medium chain triglycerides, lemon oil, and thyme oil were chosen as carrier oils and added to the oil phase at different ratios of FO to carrier oil for emulsions produced by the microfluidizer.

Medium chain triglycerides and lemon oil produced stable FO nanoemulsions but the thyme oil only produced stable FO nanoemulsions at lower concentrations of carrier oil. On the other hand, at FO to carrier oil ratios of 75/25, lemon oil and thyme oil nanoemulsions had high oxidative stability because of natural of their antioxidants. These findings suggest that lemon oil and thyme oil can produce FO nanoemulsions that are physically and chemically stable and can be used for food system fortification. vi TABLE OF CONTENTS Page ACKNOWLEDGMENTS.

v   LIST OF TABLES. x   LIST OF FIGURES. DEVELOPMENT OF FOOD-GRADE NANOEMULSIONS AND EMULSIONS FOR DELIVERY OF OMEGA-3 FATTY ACIDS: OPPORTUNITIES AND OBSTACLES IN THE FOOD INDUSTRY. Omega-3 fatty acids.

Chemistry and health benefits. Dietary recommendations for LC-PUFA. Characteristics of nanoemulsions. Formulating safe nanoemulsions.

Formulating label-friendly nanoemulsions. Applications of nanoemulsions in foods and beverages. Obstacles to incorporating Omega-3 nanoemulsions in foods. Reaching the RDA.

PHYSICAL AND OXIDATIVE STABILITY OF FISH OIL NANOMEULSIONS PRODUCED BY SPONTANEOUS EMULSIFICATION. Materials and Methods. Low-energy method: Spontaneous emulsification. High-energy method: Microfluidizer.

Post-production alterations of emulsions. Particle size measurements. Thiobarbituric acid-reactive substances (TBARS). Experimental design and data analysis.

Results and discussion. Effect of surfactant concentration on physical stability. Effect of particle size and surfactant concentration on lipid oxidation. Physical stability of emulsions during oxidation.

Oxidative stability of emulsions. INFLUENCE OF CITRUS AND HERB OILS ON FISH OIL NANOEMULSION FORMATION AND OXIDATIVE STABILITY. Materials and Methods. Particle size measurements.

Thiobarbituric acid-reactive substances (TBARS). Total phenolic content. Extraction of phenolic compounds .2 Folin-Ciocatleu assay. Experimental design and data analysis.

Results and discussion. Determination of surfactant concentration. Mean particle diameter. Physical stability of emulsions during oxidation.

SUMMARY AND CONCLUSION. 100   ix LIST OF TABLES Table Page 1. Concentration of constituents in threefold (3x) lemon oil, provided by Citrus & Allied Essences (Lake Success, NY). Comparison of the composition and structure of different nanoemulsions used in the oxidation studies.

All of the emulsions contained the same final level of oil (1 wt%). Key: SE = spontaneous emulsification (Low-energy); MF = Microfluidization (High-energy). 57   x LIST OF FIGURES Figure Page 1. A schematic diagram comparing the appearance and particle size of emulsions and nanoemulsions.

Nanoemulsions appear transparent because the particle size is smaller than the wavelength of light and so they only scatter light weakly. Proposed mechanism of lipid oxidation in an oil-in-water emulsion or nanoemulsion. Key: PUFA, polyunsaturated fatty acid; ROOH, lipid hydroperoxide; RO, alkyl radicals; L·, lipid radical; LOO-, lipid radical. Comparison of lipid peroxide formation in salmon oil nanoemulsions (mean diameter = 200 nm) stabilized by Brij 76 and Brij 700.

Samples were stored at pH 7. Graph replotted from Silvestre, Chaiyasit, Brannan, McClements and Decker (92). Comparison of EPA and DHA absorption in the intestinal tract of rats when delivered as nanoemulsions (mean diameter = 82 nm) or conventional emulsions (mean diameter = 1580 nm). Volume percentage of the emulsion absorbed was measured at three time intervals.

*Mean values were significantly different (P<0. Graph replotted from Dey, Ghosh, Ghosh, Koley and Dhar (122). Comparison of the mean baseline adjusted percentage blood fatty acid levels for DHA after subjects consumed algal oil delivered in either nanoemulsions or bulk oil incorporated into yogurt. *Mean values were significantly different (P<0.

Graph replotted from Lane, Li, Smith and Derbyshire (81). Influence of surfactant-to-oil ratio (SOR) on the mean particle diameter of oil-in-water emulsions produced by spontaneous emulsification (SE) (A) after being held at 14 °C for 14 days and (B) on day 14 at all temperatures. All systems were made with a total oil phase content of 10% wt (50% fish oil (FO) and 50% lemon oil (LO)) and were diluted to 1% wt total oil phase before measurement. Particle sizes on day 0 were measured immediately after producing the emulsion.

Influence of SOR on the particle size distribution of oil-in-water emulsions produced by SE held at 20 °C on day 14. All systems were made with a total oil phase content of 10% wt (50% FO and 50% LO) and were diluted to 1% wt total oil phase before measurement. Influence of SOR on the turbidity of oil-in-water emulsions produced by SE (A) after being held at held at 20 °C for 14 days and (B) on day 14 at all temperatures. All systems were made with a total oil phase content of 10% wt (50% FO and 50% LO) and were diluted to 1% wt total oil phase before measurement.

Turbidity on day 0 was measured immediately after producing the emulsion. Influence of SOR on the appearance of oil-in-water emulsions produced by SE (A) on day 0 at 20 °C and (B) on day 14 held at 37 °C. All systems were made with a total oil phase content of 10% wt (50% FO and 50% LO) and were diluted to 1% wt total oil phase before measurement. Images on day 0 were taken immediately after producing the emulsion.

Effect of (A) SOR and (B) added surfactant on mean particle diameter for emulsions made by MF and SE and held at 55 °C with added iron. All emulsions were diluted to 1% wt total oil phase. Microscopic images of emulsions made by MF and SE methods and held at 55 °C with added iron at (A) day 0 and (B) day 14. (C) shows enlarged sections of abnormalities found in the emulsions on day 14.

All emulsions were diluted to 1% wt total oil phase. Images were taken at 60x magnification. The black bars at the bottom of each picture are the scales for 10 µm. Effect of (A) particle size and (B) surfactant on hydroperoxide values for emulsions made by MF and SE methods and held at 55 °C with added iron for 14 days.

All emulsions were diluted to 1% wt total oil phase. Effect of (A) particle size and (B) surfactant on TBARS for emulsions made by MF and SE methods and held at 55 °C with added iron for 14 days. All emulsions were diluted to 1% wt total oil phase. Effect of surfactant concentration on mean particle diameter of fish oil nanoemulsions with 5% wt total oil phase (50% wt FO and 50% wt medium chain triglyceride).

Effect of fish oil to carrier oil ratio on mean particle diameter after production (day 0). X/Y indicates the % Fish oil (FO)/% Carrier oil that made up the total oil phase. Key: MCT: medium chain triglyceride; LO: lemon oil; TO: thyme oil. Effect of fish oil to carrier oil ratio on polydispersity index (PDI) after production (day 0; A) and on day 28 (B).

No PDI data available for 0/100 TO as it was measured using static light scattering. X/Y indicates the % FO/% Carrier oil that made up the total oil phase. Key: MCT: medium chain triglyceride; LO: lemon oil; TO: thyme oil. Effect of fish oil to carrier oil ratio on particle size distribution after production (day 0) for MCT (A), LO (B), and TO (C).

X/Y indicates the % fish oil/% carrier oil that made up the total oil phase. Key: MCT: medium chain triglyceride; LO: lemon oil; TO: thyme oil. Images of emulsions made by microfluidization with different fish oil to carrier oil ratios on (A) day 0 (after production) and (B) day 28. X/Y indicates the % fish oil/% carrier oil that made up the total oil phase.

Key: MCT: medium chain triglyceride; LO: lemon oil; TO: thyme oil. Lipid hydroperoxides of fish oil nanoemulsions made with different carrier oils at a ratio of 75/25 fish oil to carrier oil after being held at 20 °C for 42 days. Key: MCT: medium chain triglyceride; LO: lemon oil; TO: thyme oil. TBARS of fish oil nanoemulsions made with different carrier oils at a ratio of 75/25 fish oil to carrier oil after being held at 20 °C for 42 days.

Key: MCT: medium chain triglyceride; LO: lemon oil; TO: thyme oil.