Ổn định hệ nhũ tương trong ngành thực phẩm

PHÂN LOẠI HỆ NHŨ TƯƠNG

Gần đây, những nghiên cứu tạo ra hệ nhũ tương đa pha với mục đích kiểm soát thành phần trong thực phẩm, ví dụ như: giảm bớt hàm lượng chất béo tổng của các thực phẩm dạng nhũ tương, hay là để tách biệt một thành phần nào đó thường tương tác với những thành phần khác (Dickinson và McClements, 1995; Garti và Bisperink, 1998; Garti and Benichou, 2001; 2004). Tuy vậy, các nhà nghiên cứu vẫn còn thử nghiệm phát triển hệ nhũ tương đa pha sao cho có lợi về kinh tế, để sản xuất các loại thực phẩm mà vẫn đáp ứng được các chỉ tiêu về chất lượng và thời gian bảo quản.

THÀNH PHẦN CỦA MỘT HỆ NHŨ TƯƠNG THỰC PHẨM

Nhưng vì xu hướng ưa chuộng các sản phẩm có nguồn gốc tự nhiên của người tiêu dùng, nên đã có rất nhiều nghiên cứu được tiến hành để đánh giá hiệu quả của các chất chống oxi hóa tự nhiên như tocopherols, chất chiết từ trái cây và thực vật (Frankel, 1996; McClements and Decker, 2000). Đối với hệ nhũ tương O/W có nhiều cách để làm chậm quá trình oxi hóa chất béo như bao các giọt phân tán bởi các chất tích điện dương để ngăn cản các ion kim loại tiếp xúc với chất béo bên trong giọt phân tán (do lực đẩy ion giữa các chất tích điện dương bao quanh giọt phân tán và ion kim loại).

PHUẽ GIA OÅN ẹềNH HEÄ NHUế TệễNG .1 Giới thiệu chung

Phân loại

Tuy nhiên, khi nồng độ của các chất bề mặt vượt qua một giá trị tới hạn nào đó thì khi đó chúng có thể tự động tập hợp lại và chuyển sang những cấu trúc nhiệt động ổn định hơn, được biết đến như những hiệp hội keo (association colloids), với hình dạng như: mixen (micelles), lớp kép (bilayers), mixen đảo (reverse micelles), mụn nước (vesicles), mixen không hình cầu (nonspherical micelle). Các polymer sinh học có cấu trúc lưỡng cực dạng ngẫu nhiên và dạng cuộn thanh phân bố một cách linh hoạt giữa bề mặt pha dầu và pha nước và các vùng tự do, tạo nên màng bảo vệ có cấu trúc dày và hệ nhũ tương ở đây sẽ có độ nhớt thấp; trong khi đó các cấu trúc dạng cầu phân bố và sắp xếp một cách chậm chạp, tạo nên màng bảo vệ xung quanh các giọt nhỏ có cấu trúc mỏng và hệ nhũ tương ở đây sẽ có độ nhớt cao.

CÁC CHẤT ỔN ĐỊNH

Trong khi đó, polysaccharides thì có ưu thế sử dụng trong một phạm vi rộng của các điều kiện của hệ: pH, lực ion, nhiệt độ (ở những nhiệt độ rất lạnh) (McClements, 2004). Khi sử dụng kết hợp thì chúng sẽ hỗ trợ lẫn nhau. Gum arabic là một ví dụ điển hình của hỗn hợp polysaccharides – protein có trong tự nhên, được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm. Bảng 1.11 Tóm tắt một số chức năng tạo đặc và tạo gel của các keo ưa nước thường sử dụng trong hệ nhũ tương thực phẩm. Loại keo ưa nước. Cấu tạo Tính tan Chức naêng. Cơ chế tập hợp. Lửu yự Carrageenan. -Nước nóng -Nước lạnh. -Tạo đặc -Tạo gel. -Liên hợp xoắn lại -Làm lạnh. -Bieán tính thuận nghòch. -Khoâng bền với. Agar -Không là ion. -Tạo đặc -Tạo gel. -Liên hợp xoắn lại -Làm lạnh. -Bieán tính thuận nghòch Alginate -Là ion. -Nước nóng hoặc khi Ca2+ thaáp. -Tạo đặc -Tạo gel. -Khi có Ca. -Làm lạnh -Bieán tính thuận nghòch. -OÅn định với. một số acid -Các ion ủa hóa trị phải bổ sung từ. -Nước nóng -Nước lạnh. thaáp) -Nước nóng -Nước lạnh. Với các nhũ tương dầu/nước cóΦ cao (Φ là phần trăm thể tích của pha phân tán) thì sự chảy của pha phân tán giữa các giọt phân tán thường xảy ra hơn cả;. b) Sự kết tụ do sự giảm đột ngột xuất hiện giữa các diện tích nên kéo theo làm giảm các lực đẩy tĩnh điện giữa các giọt phân tán, thường xảy ra khi thay đổi pH và (hoặc) lực ion. Sự kết tụ làm tăng kích thước bề ngoài của các giọt do đó làm tăng tốc độ phân lớp;. Hình 2.1 Các trạng thái không ổn định của hệ nhũ tương thực phẩm thông qua các cơ chế vật lý bao gồm: tạo cream, lắng gạn, kết tụ, đảo pha. và hợp giọt. c) Sự hợp giọt một cách tự phát sẽ làm tăng dần kích thước của các giọt và cuối cùng dẫn đến phân chia thành hai lớp ngăn cách nhau bằng một bề mặt phân chia phẳng và diện tích sẽ cực tiểu.

KỸ THUẬT ĐỒNG HểA

Các lực đẩy tĩnh điện này sẽ thể hiện ra, khi các lớp kép của hai giọt phân tán đi vào tiếp xúc và xâm nhập lẫn nhau, nên sẽ chống lại lực hút Van der waals giữa các giọt;. -Có một sức căng bề mặt liên pha yếu (nhỏ hơn 5dyn.Cm−1 do bản chất của hai pha này và (hoặc) do thêm các tác nhân hoạt động bề mặt.

CÁC LOẠI DềNG CHẢY TRONG QUÁ TRèNH ĐỒNG HểA

Chế độ chảy nhớt thành lớp (Laminar-viscous (LV) regime): dòng chảy chiếm ưu thế ở chế độ chảy theo lớp (Re [chất lỏng]< ReCr[ chất lỏng]) và độ nhớt quyết định về sự phá vỡ các giọt nhỏ (Re [giọt nhỏ]< ReCr[giọt nhỏ];. Ngược lại, khi lực quán tính quyết định, những lực phá vỡ các giọt phân tán chủ yếu hoạt động theo sự thay đổi của áp suất nội bộ trong chất lỏng và tác động theo phương thẳng góc đến bề mặt các giọt nhỏ (Walstra and Smulder, 1998).

NHỮNG KHÁI NIỆM ĐỂ THÀNH LẬP HỆ NHŨ TƯƠNG

Γ: độ hấp thụ (chất hoạt động bề mặt) trên một đơn vị bề mặt, G: tốc độ cắt, ε: mật độ năng lượng, ρ c: khối lượng riêng của pha liên tục, àc và àd là độ nhớt của pha liờn tục và pha phõn tỏn, d: đường kớnh của hạt phân tán, φ: phần thể tích nhỏ của pha phân tán (đang xét ở 1 thời điểm nào đó), γ là sức căng bề mặt, me: nồng độ của pha phân tán. Các vùng xoáy nước có kích thước lớn không có tác dụng mạnh trong việc phá vỡ các giọt, những vùng xoáy nước quá nhỏ cũng không hiệu quả để phá vỡ các giọt phân tán, bởi vì đa số ứng suất rất lớn được tạo ra, đa số năng lượng của chúng bị mất vào việc làm giảm độ nhớt, hơn là vào mục đích phá vỡ các giọt.

CÁC KIỂU ĐỒNG HểA CHÍNH ĐƯỢC SỬ DỤNG ĐỂ TẠO RA VÀ ỔN ĐỊNH HỆ NHŨ TƯƠNG THỰC PHẨM

Quá trình đồng hóa được sử dụng trong công nghiệp với mục đích ổn định hệ nhũ tương, chống lại sự tách pha dưới tác dụng của trọng lực nên còn được gọi là quá trình nhũ hóa (Lê Văn Việt Mẫn, 2004). CM: colloid mills (nghiền keo); US: ultrasonic homogenizer (đồng hóa bằng sóng siêu âm); HSB: high-speed blender (trộn cao tốc); MF: microfluidizer (vi lỏng hóa).

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG HểA

• Đồng hóa bằng áp lực cao (xem sách thầy Mẫn và food emulsions)
• Đồng hóa bằng sóng siêu âm (Ultrasonic homogenizer)
• Đồng hóa bằng thiết bị nghiền keo (colloid mills)
• Đồng hóa bằng phương pháp vi lỏng hóa (Microfluidization)
• Đồng hóa bằng membrane (Membrane emulsification)

Thực tế, năng lượng của sóng siêu âm tập trung vào vùng thể tích nhỏ gần đỉnh của bộ chuyển siêu âm, khiến cho thiết bị đồng hóa bằng bộ chuyển siêu âm chỉ thích hợp với các mẩu nhỏ, đối với thể tích lớn thì nó cũng cần thiết như là quá trình phụ để tăng hiệu quả cho quá trình trộn và đồng hóa trong toàn bộ mẫu. Chất lỏng được bơm vào trong thiết bị ở cửa vào và được chia làm 2 ngả, sau đó được gia tốc bằng các pittông với một vận tốc vô cùng lớn đi dọc theo một kênh hẹp hình ziczac, chúng sẽ gặp nhau tại một lối thoát rất hẹp, tại đây do được gia tốc với vận tốc rất lớn trước đó, chúng sẽ va chạm với nhau tại cùng một thời điểm, đồng thời chúng cũng sẽ va vào một bề mặt rắn chỗ lối thoát hẹp.

CÁC YẾU TỐ CHUNG ẢNH HƯỞNG ĐẾN KÍCH THƯỚC GIỌT PHÂN TÁN

- Thiết bị nghiền keo: năng lượng cung cấp được tăng cường bằng cách tăng tốc độ quay của rotor, khoảng cách khe hẹp giữa stator và rotor và phụ thuộc vào kiểu bề mặt của stator, rotor tiếp xúc với nhũ tương, như là có răng, sần suứi, phaỳng;. Vớ du:ù đối với cỏc chất bề mặt phân tử nhỏ thì khả năng chống lại sự kết tụ sẽ giảm khi tăng nhiệt độ .Vì chúng sẽ có thể được tập hợp lại khi nhiệt độ đến gần nhiệt độ chuyển đổi pha (phase inversion), đối với protein hình cầu chúng sẽ giải thoát màng bảo vệ các hạt phân tán và kết hợp lại với nhau khi nhiệt độ vượt qua một giá trị tới hạn nào đó.

ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA QUÁ TRèNH ĐỒNG HểA

Hiểu biết về tính chất, vai trò của mỗi thành phần trong pha dầu và nước thì sẽ giúp ta tìm được giải pháp tối ưu cho việc tạo ra các kích thước giọt phân tán theo mong muốn đối với một loại thiết bị đồng hóa nhất định. Khi nhiệt độ tăng thì sức căng mặt ngoài cũng giảm nên hiệu quả đồng hóa sẽ cao hơn nên kích thước giọt phân tán đạt được là nhỏ.Tuy nhiên, cần lưu ý là nhiệt độ tăng thỡ hiệu quả của một số chất nhũ húa sẽ giảm hoạt tớnh.