1.1. Giới thiệu về carotenoit và β-caroten
1.1.6. Vi nang và các ph−ơng pháp tạo vi nang
β-caroten là hợp chất đ−ợc con ng−ời tổng hợp đầu tiên và cho tới nay vẫn còn là một loại chất màu đ−ợc sử dụng nhiều nhất. Nh−ng việc sử dụng chất màu này trong thực phẩm và trong thức ăn gia súc vẫn tồn tại 2 vấn đề ch−a giải quyết đ−ợc đó là khả năng tan trong nước và độ ổn định của sản phẩm khi bảo quản rất kém. Công nghệ vi nang hoá
là một công nghệ đang đ−ợc đánh giá là đặc biệt −u việt và đang đ−ợc các nhà sản xuất trong và ngoài n−ớc quan tâm sử dụng.
1.1.6.1. Giới thiệu về công nghệ vi nang hoá và vi nang.
Có thể định nghĩa vi nang (microcapsule) là những tiểu phân hình cầu hoặc không xác định. Hiện nay không có một tiêu chuẩn nào quy định về kích thước vi nang. Tuy nhiên, nhiều tài liệu th−ờng phân loại nh− sau: < 10 àm gọi là nanocapsule và >1000 àm gọi là macrocapsule. Các vi nang hiện co trên thị tr−ơng có kích th−ớc nằm trong khoảng từ 3 àm tới 800 àm và chứa 10-90% vật liệu lõi (Lamprecht và cs 2000).
Quá trình tạo vi nang là quá trình bao gói một hay một hỗn hợp chất nào đấy gọi là chất nhân (lõi) trong một màng bao liên tục (vỏ) th−ờng là một polyme hay kết hợp hai polyme (trong phương pháp đông tụ phức hợp).
Vi nang có thể có nhiều cấu trúc khác nhau. Một số loại có hình cầu (th−ờng là vi nang tạo thành theo phương pháp tách pha đông tụ) với nhân liên tục bao quanh bởi một lớp màng liên tục. Một số khác có hình dạng bất kỳ chứa nhiều hạt nhân bên trong.
Vi nang cã nh÷ng −u ®iÓm nh−:
- Các chất thể lỏng, nhớt có thể chuyển sang trạng thái rắn giống nh− bột: ví dụ nh−
dầu cá, dầu vaselin, các VTM tan trong dầu nh− VTM A, D, E v.v… ở dạng tồn tại này, các chất kỵ n−ớc có thể phân tán tốt hơn trong chất mang thân n−ớc.
- Có thể che dấu các mùi khó chịu và tính kích ứng của một số đ−ợc chất khi dùng theo ®−êng uèng nh− phenylbutazon, tetracylin v.v…
- Hạn chế sự bay hơi của một số chất dễ bay hơi, thăng hoa nh− tinh dầu, long não, methylsalicylat v.v…
- Tăng khả năng ổn định, bền vững về mặt vật lý, hoá tính của một số chất nhờ hạn chế các quá trình không mong muốn nh− oxy hoá khử, thuỷ phân, t−ơng tác giữa các chất nh− VTM C, VTM A v.v…
- Có thể kiểm soát đ−ợc khả năng sử dụng của các chất. Chẳng hạn nh− có thể làm tăng hay giảm tốc độ giải phóng của d−ợc chất, thiết lập các điều kiện để kéo dài thời gian tác dụng.
Tạo vi nang bao gồm toàn bộ những kỹ thuật cho phép tạo ra các phần tử nhỏ bé riêng biệt có cấu tạo gồm một vật liệu vỏ có chứa vật liệu cần bao (th−ờng là chất hoạt
động). Các phần tử nhỏ hay vi nang có kích thước 1àm đến 1mm và có 5 đến 90% w/w là vật liệu cần bao. Những chất cần bao gói rất đa dạng: d−ợc phẩm, mỹ phẩm, phụ gia thực phẩm, hóa chất bảo vệ thực vật, tinh dầu thơm, vi sinh vật, tế bào, chất xúc tác phản ứng...
Vật liệu vỏ th−ờng là các polyme nguồn gốc tự nhiên hay tổng hợp hoặc là các lipit. Các phần tử nhỏ này th−ờng có 2 dạng hình thái chủ yếu:
- Dạng vi nang (microcapsule) trong đó mỗi phần tử có chứa chất hoạt động dạng lỏng (ít nhiều có độ nhớt) hay rắn ở trung tâm, bao quanh là một vỏ dạng rắn làm bằng vật liệu vỏ.
- Dạng vi cầu trong đó mỗi phần tử được tạo nên bởi một mạng lưới liên tục của các
đại phân tử hay lipit tạo thành một khối, trong đó có sự phân bố đồng đều của chất hoạt động ở dạng các phân tử hoặc dạng phần tử rắn hay tồn tại ở dạng giọt nhỏ.
Trong công nghiệp, người ta tạo vi nang nhằm mục đích: bảo vệ, tạo sự tương quan và tăng độ bền vững của chất hoạt động trong khi phối trộn nhằm tạo ra dạng đồng nhất, tạo vi nang còn nhằm che dấu mùi vị, thay đổi và kiểm soát cách thức giải phóng chất hoạt
động nhằm mục đích kéo dài thời gian tác dụng.
Trong ngành thực phẩm và trong lĩnh vực thực phẩm chức năng, việc tạo vi nang có tác dụng che dấu vị đắng (của vitamin B); thậm chí lớp vỏ bao còn có thể đ−ợc bổ sung thêm hương liệu để tăng hiệu quả.
Tạo vi nang còn giúp ngăn ngừa những t−ơng tác giữa các thành phần trong thực phẩm cũng nh− bảo vệ các chất hoạt động (chất cần bao nang) khỏi những tác động của
27 quá trình oxy hóa (bảo vệ các chất thơm), của độ ẩm (tạo vi nang cho muối, đường...), của
ánh sáng, môi tr−ờng axit hay kiềm, quá trình bay hơi (với các chất dễ bay hơi nh− tinh dầu). Tạo vi nang cho các enzym hay các probiotic là nhằm kiểm soát và làm chậm quá
trình giải phóng chúng. Quá trình tạo vi nang cũng tạo điều kiện cho thao tác sản xuất vì
nó cho phép tạo ra sản phẩm lỏng d−ới dạng bột dễ sử dụng.
Có nhiều cách để giải phóng chất đ−ợc bao: dùng nhiệt (làm nóng chảy lớp vỏ bao), dùng enzym (chất bao sẽ đ−ợc giải phóng nhờ hoạt động của enzym lipaza của tuyến tụy), dùng ph−ơng pháp cơ học (phá vỡ lớp vỏ bao trong khi nhai).
Trong ngành công nghiệp mỹ phẩm, việc tạo vi nang cho các chất hoạt động ưa nước hay kị n−ớc (vitamin, tinh dầu, chất hydrat hóa) không chỉ có tác dụng bảo vệ mà còn giúp các chất trên đ−ợc giải phóng từ từ và giúp chúng tác động đến đúng mục tiêu.
Trong ngành sản xuất thức ăn gia súc, tạo vi nang đ−ợc dùng để tạo các hỗn hợp thức
ăn dạng bột hay để che dấu mùi vị sản phẩm, để gia súc chấp nhận loại thức ăn đó.
Đối với ngành in thì các vi nang có khả năng bám dễ dàng lên giấy, bìa carton hay plastic nhờ các kỹ thuật in offset khô hay ẩm, mực thơm... Kỹ thuật này đ−ợc dùng chủ yếu trong quảng cáo, nhất là với những phần tử có mùi thơm. H−ơng thơm sẽ đ−ợc giải phóng khi vi nang bị phá vỡ bằng cơ học hay bằng cách thấm dần qua vỏ.
Nh− đã biết, thành phần của vi nang gồm hai phần: phấn lõi và phần vỏ. Phần lõi rất phong phú, có thể ở dạng rắn, lỏng, hỗn hợp, nhũ t−ơng v.v… Phần vỏ vi nang chiếm từ 1- 70% khối l−ợng quyết định tính chất của vi nang
Phần vỏ đ−ợc lựa chọn phải đáp ứng các yêu cầu sau đây:
- Phải phù hợp với mục đích, mục tiêu đặt ra khi đ−a chất cần bao vào vi nang nh−:
bền, ổn định, giảm được sự bốc hơi, cải thiện hương vị, kiểm soát tốc độ giải phóng chất hoạt động...
- Phải phù hợp với ph−ơng pháp cũng nh− với máy móc thiết bị dùng trong quá trình tạo vi nang.
- Đảm bảo một số tính chất cơ lý phù hợp: độ bền, độ cứng, độ dẻo, khả năng thấm và độ ổn định.
- Phải tạo đ−ợc lớp màng liên tục, đồng nhất bao quanh lõi.
- Phải tương hợp với chất hoạt động cần bao nang.
1.1.6.2. Các ph−ơng pháp tạo vi nang.
Có rất nhiều phương pháp đưa ra để tạo vi nang và có khoảng hơn 200 phương pháp
đã được giới thiệu trong các tài liệu (Gouin, 2004). Các phương pháp này có sự khác biệt nhau về nhiều mặt như khả năng hòa tan của polyme tạo vỏ, kích thước vi nang, độ dày vỏ và tính thấm của màng bao, các tính chất vật lý v.v... Tuy nhiên ng−ời ta phân ra 3 nhóm ph−ơng pháp chính:
- Phương pháp hóa lý: tách pha đông tụ, bốc hơi dung môi, tĩnh điện, sử dụng chất lỏng siêu tới hạn....
- Ph−ơng pháp hóa học: polyme hóa liên bề mặt, tạo mạng l−ới hay polyme hóa nhũ t−ơng.
- Ph−ơng pháp cơ học: sấy phun, sấy tầng sôi, nghiền, ly tâm....
Ph−ơng pháp tách pha đông tụ:
Trong ph−ơng pháp này, màng polyme dùng làm vỏ bao gói các hạt nhũ t−ơng đ−ợc tạo ra bằng cách tạo kết tủa từ dung dịch keo của chính polyme đó sau khi đã bị làm mất ổn định nhờ các biến đổi vật lý hay hóa học trong môi trường: thay đổi thành phần (thêm vào chất điện ly, polyme khác không tương đồng với polyme thứ nhất, polyme trái dấu), thay đổi pH, nhiệt độ.
Ban đầu, kết tủa xảy ra trong lòng dung dịch keo d−ới dạng các hạt nhỏ gọi là hạt keo- coacervat cỡ 1nm đến 0,5àm, thành phần các hạt này rất giàu polyme và rất nhớt. Sau đó các hạt keo dần kết dính lại với nhau hoặc đ−ợc hấp thụ lên bề mặt nhũ t−ơng cần bao gói.
Để tránh hiện tượng các hạt keo dính lại với nhau đồng thời để tăng cường hiệu quả bao nang, người ta thêm vào từ trước đó một chất bảo vệ độ bền keo của dung dịch. Các hạt keo được hấp phụ lên bề mặt nhũ tương sẽ dính kết với nhau để tạo thành một màng liên tục. Công đoạn cuối cùng là làm rắn vỏ bao theo một số cách khác nhau: làm lạnh,
đesolvat hóa (tách dung môi) sâu hơn, hoặc chiếu xạ. Vi nang thu đ−ợc th−ờng có kích thước dưới 1,25 mm, có lớp vỏ dày 1-50 àm có tính đàn hồi, và có hàm lượng chất cần bao chiếm trên 60% (Gouin, 2004, Remunan và Bodmeier, 1996).
Đông tụ đơn giản thu được bằng cách thêm vào hệ một chất hoà tan trong nước (etanol) hay một chất điện ly. Thực chất là quá trình loại n−ớc của chất keo thân n−ớc dẫn tới làm giảm độ tan của các chất keo. Ví dụ điển hình nhất là thêm Na2SO4 vào hệ O/W trong gelatin. Hệ có thể đ−ợc ổn định bằng cách hạ pH, hạ nhiệt độ hoặc thêm các tác nh©n crosslinking.
Đông tụ phức hợp xảy ra khi trung hoà lẫn nhau của hai polyme trái dấu. Đông tụ phức hợp có thể đ−ợc sử dụng cho các chất lỏng không tan trong n−ớc, cho phép tạo ra nang có kích th−ớc từ 20-800àm chứa 80-90%. Hầu hết vi nang tạo theo ph−ơng pháp này có phần lõi liên tục tuy nhiên lớp vỏ không đồng nhất về bề dày. Vi nang sau sấy thường nhạy cảm với độ ẩm. Điều này thường được hạn chế bằng cách xử lý với ure hoặc formaldehyde trong môi tr−ờng axit.
Tách pha cũng có thể đ−ợc thực hiện khi thêm vào hệ một polyme khác không t−ơng
đồng với polyme thứ nhất. Trong phương pháp đông tụ phức hợp, hai polyme trái dấu sẽ kết hợp với nhau tạo thành các hạt trung hoà điện tích và cả 2 polyme này cùng tạo thành lớp vỏ của vi nang. Ng−ợc lại trong hệ polyme - polyme không t−ơng thích thì hai polyme khác nhau về hoá tính cùng đ−ợc hoà tan trong một dung môi chung. Hai polyme này không tan lẫn trong dung dịch, chúng đẩy nhau và tạo thành hai pha lỏng riêng biệt. Một pha giàu polyme là vật liệu làm vỏ. Pha kia giàu polyme còn lại (gọi là polyme không
29 tương thích). Polyme không tương thích được đưa vào hệ nhằm mục đích tạo ra hai pha và không có mặt trong thành phần vỏ của vi nang nh−ng chúng có thể còn sót lại nh− một tạp chất. Loại ph−ơng pháp tạo vi nang này th−ờng không sử dụng tới phản ứng hoá học.
Ph−ơng pháp này bao gồm những b−ớc sau:
Giai đoạn 1: tạo nhũ t−ơng của vật liệu cần bao trong dung dịch keo.
Giai đoạn 2: hình thành các hạt keo nhờ các biến đổi lý hóa.
Giai đoạn 3: tách polyme để hình thành lớp màng bao liên tục.
Giai đoạn 4: làm rắn lớp vỏ bao.
Vật liệu vỏ có thể là: gelatin, Gelatin + gôm arabic, Natri cazeinat, Gelatin và lecithin, Albumin và lipit, Gelatin + acacia, Gelatin + CMC, Gelatin + natri alginat.
Ph−ơng pháp bốc hơi dung môi:
Ph−ơng pháp này dựa trên sự bay hơi pha nội tại của một nhũ t−ơng bởi khuấy trộn.
Phương pháp này cho phép tạo ra loại vi nang có kích thước từ vài micron đến vài trăm micron. Ph−ơng pháp này dựa trên sự bay hơi nội tại của một pha trong nhũ t−ơng trong khi khuấy trộn. Trong giai đoạn đầu tiên, polyme dùng làm vỏ bao đ−ợc hòa tan trong dung môi dễ bay hơi. Chất cần bao sẽ được bổ xung sau đó dưới dạng phân tán hay tan lẫn để tạo thành một hỗn hợp huyền phù, nhũ tương hay một dung dịch. Trong giai đoạn hai, pha hữu cơ sẽ đ−ợc nhũ hóa bằng cách khuấy trộn pha liên tục - pha này không phải dung môi của polyme tạo vỏ nh−ng có thể đi vào pha hữu cơ, nó th−ờng chứa chất hoạt
động bề mặt. Khi nhũ tương hình thành ổn định, vẫn phải tiếp tục khuấy trộn và dung môi sau khi khuếch tán vào pha liên tục sẽ bay hơi dần. Các phần tử nhỏ sẽ dần hình thành trong quá trình này. Khi quá trình bốc hơi kết thúc hoàn toàn, những phần tử nằm lơ lửng trong pha liên tục sẽ đ−ợc thu hồi bằng cách lọc hay ly tâm [Benita, 1996]. Trong giai
đoạn bay hơi cần được lưu ý kỹ để hạn chế tối đa sự kết tinh của chất cần bao khi làm rắn màng polyme.
Bảng 1.1.1. Các sản phẩm vi nang được sản xuất bằng phương pháp tách pha đông tụ [Higuera và cs, 2004]
N0 Vật liệu bao Vật liệu nhân ứng dụng
1 Gelatin Tinh dầu hoa h−ơng thảo CNTP, CN d−ợc 2 Gelatin+ gôm arabic Tím tinh thể Giấy copy 3 Gelatin+ gôm arabic Tinh dầu: gừng, tỏi, mùi,
chanh, cam, bạc hà
CNTP, Mü phÈm
4 Na caseinat VTM, dầu cam CN d−ợc
5 Gelatin + leucitin VTM E CN đồ uống và nước quả
6 Albumin + lipid Dầu ngô Thức ăn gia súc
7 Gelatin + acacia D−ợc chất CN d−ợc
8 Gelatin + CMC Tinh dÇu chanh Mü phÈm 9 Gelatin + Na alginat VTM C trong dầu cá CN d−ợc
Quá trình tạo vi nang bằng bốc hơi dung môi có thể tóm tắt nh− sau:
Với hệ nhũ t−ơng O/W thì dung môi không hoà tan của polyme hay đ−ợc dùng nhất là n−ớc. Trong hệ thống này, polyme đ−ợc hoà tan vào dung môi hữu cơ bay hơi nh−
methylen chloride hay chloroform. Nhân đ−ợc hoà tan hay phân bố vào cùng môi tr−ờng
đó và sau đó toàn bộ hỗn hợp được nhũ hoá trong dung dịch nước chứa chất hoạt động bề mặt. Kỹ thuật này đặc biệt thich hợp để tạo vi nang của các chất −a béo và đã đ−ợc sử dụng rộng rãi để sản xuất vi nang của nhiều d−ợc chất nh− steroidal hormon, anti- imflammatories, cytostatics và neuroleptics. Các tính chất hoá lý của vật liệu làm lõi nh−
hệ số phân bố, mức độ ion hoá, tính chất bề mặt đóng vai trò quan trọng trong việc nó có phân bố đ−ợc hay không vào hệ nhũ t−ơng ban đầu.
Trong ph−ơng pháp bốc hơi dung môi, dung môi hữu cơ của pha phân tán của hệ nhũ t−ơng đ−ợc tách theo hai b−ớc:
- Khuếch tán dung môi trong pha phân tán (tách chiết dung môi).
- Loại bỏ dung môi tạo bề mặt phân pha giữa pha phân tán và pha khí (bay hơi dung môi).
Về lý thuyết, nếu sử dụng pha liên tục có khả năng tách chiết lập tức dung môi của pha phân tán thì b−ớc tiến hành bốc hơi dung môi trở nên không cần thiết nữa. Về thực tiễn, điều này có thể đạt đ−ợc nhờ sử dụng một l−ợng loán thể tích pha liên tục so với pha phân tán hoặc nhờ lựa chọn pha phân tán chứa cosolvant có ái lực lớn đối với pha liên tục.
Cũng có thể sử dụng pha liên tục với 2 dung môi mà 1 trong 2 dung môi đó là dung môi tách chiết của pha phân tán.
Cũng có thể sử dụng ph−ơng pháp lai tạo giữa bốc hơi dung môi và tách chiết dung môi. Việc bay hơi xảy ra trước nhưng không triệt để. Theo cách này, các vi cầu tạo ra
được chuyển vào pha liên tục nhiều hơn (thường chứa nhiều nước) và tại đó lượng dung môi còn lại sẽ đ−ợc tách chiết nốt. Ph−ơng pháp này đ−ợc Benita (1996) phát triển nhằm tránh sự hình thành các tinh thể của vật liệu làm nhân trong quá trình bay hơi dung môi, làm giảm hiệu quả tạo vi nang.
Việc tạo vi nang sử dụng chất lỏng siêu tới hạn có thể đ−ợc thực hiện bằng cách tạo kết tủa nh− trên hay cũng có thể thực hiện dựa trên việc đ−a hệ dung dịch A trong chất lỏng siêu tới hạn đến trạng thái quá bão hoà bằng cách hạ nhiệt độ và xảy ra hiện t−ợng kÕt tinh A.
Cũng có thể tạo vi nang bằng cách tạo hỗn hợp giữa chất tan và chất lỏng siêu tới hạn sau đó phun hỗn hợp vào môt trường có áp suất thấp. Dưới điều kiện này, các phân tử chất tan sẽ kết hợp với nhau tạo thành các thực thể cơ nanomet. Sau đó hệ cần đ−ợc cấp nhiệt
để dung môi bay hơi. Việc cấp nhiệt cho hệ này đòi hỏi ít năng l−ợng hơn rất nhiều so với hệ sử dụng dung môi thông thường. Ví dụ như đối với nước cần cấp nhiệt tới 2000C còn
đối với CO2 lỏng chỉ cần cấp nhiệt tới 550C.