TỔNG QUAN
Sơ lược về tinh dầu
Tinh dầu là một loại chất lỏng chứa các hợp chất thơm có mùi đặc trưng tùy thuộc vào loài và nguồn nguyên liệu Phần lớn tinh dầu có nguồn gốc từ thực vật và số ít từ động vật Tinh dầu không tan trong nước, tan trong dung môi hữu cơ và khối lượng riêng thường nhỏ hơn nước Đa phần tinh dầu có điểm sôi thấp, rất dễ bay hơi Ở thực vật, tùy vào loài mà cho nguồn nguyên liệu thu tinh dầu khác nhau Đối với bạc hà, sả, hương nhu… thường thu tinh dầu từ lá, cành; gừng, nghệ… thu tinh dầu từ củ, rễ; cam, chanh, quýt… thu tinh dầu từ vỏ; hồi, mùi, tiêu… thu tinh dầu từ quả, hạt; hoa hồng, hoa nhài… thu tinh dầu từ hoa Dựa vào đặc điểm nguyên liệu để lựa chọn phương pháp trích ly thu tinh dầu, và các phương pháp khác nhau cũng ảnh hưởng đến chất lượng của chúng
1.1.1 Một số phương pháp trích ly thu tinh dầu
Theo định nghĩa của tổ chức ISO (International Standard Organization), tinh dầu là sản phẩm thu được từ thực vật bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước, trích ly dung môi, ép hay trích ly lưu chất siêu tới hạn (ISO 9235:2013)
Tinh dầu (essential oils) khác với dầu thực vật (fixed oils) như dầu nành, dầu phộng,… ở cả tính chất vật lý và hóa học Tinh dầu là hỗn hợp gồm các hợp chất dễ bay hơi và ưa béo Tính chất dễ bay hơi là đặc điểm khác biệt giữa tinh dầu và dầu thực vật Đặc điểm quan trọng khác của tinh dầu là có hương thơm dễ chịu a Phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước
Trong phương pháp này, hơi nước được sử dụng để lôi cuốn tinh dầu khỏi nguyên liệu Sau đó ngưng tụ hơi bay ra sẽ thu được hỗn hợp nước và tinh dầu Hai thành phần không tan vào nhau nên dễ dàng tách ra khỏi nhau Tinh dầu sản xuất bằng phương pháp này thường có chất lượng không cao do nguyên liệu và tinh dầu tiếp xúc trực tiếp với nhiệt độ cao b Phương pháp cơ học
Phương pháp này chủ yếu dùng để tách tinh dầu trong các loại vỏ quả như cam, chanh, quýt Trong loại nguyên liệu này, tinh dầu nằm trong những túi tế bào ở bề mặt ngoài Sử dụng lực cơ học (vắt, ép) tác dụng vào vỏ để tinh dầu thoát ra ngoài Tinh dầu sản xuất bằng phương pháp này có chất lượng cao hơn phương pháp chưng cất, có mùi c Phương pháp trích ly bằng dung môi dễ bay hơi
Tinh dầu và dung môi có hằng số điện môi gần bằng nhau, do đó sử dụng dung môi để hòa tan và tách tinh dầu ra khỏi nguyên liệu Sau khi hòa tan, ta thu được hỗn hợp gồm dung môi và tinh dầu Đem hỗn hợp này tách dung môi, ta sẽ thu được tinh dầu d Phương pháp hấp phụ rắn
Các chất béo động vật và thực vật ngoài khả năng hòa tan tinh dầu còn có khả năng hấp phụ tinh dầu lên bề mặt của nó, than và đất hoạt tính cũng có tính chất này Phương hấp phụ thường sử dụng để tách tinh dầu của các loại hoa, đặc biệt là các loại hoa có khả năng sinh thêm tinh dầu ở dạng khí sau khi thu hái khỏi cây như hoa nhài, hoa huệ Trong phương pháp này, nguyên liệu sau khi làm sạch sẽ được đặt tiếp xúc trực tiếp với vật liệu hấp phụ và để trong một khoảng thời gian (12-72 giờ tùy vào loại nguyên liệu) Tinh dầu sẽ được vật liệu hấp phụ Sau khi bão hòa, sử dụng dung môi để tách tinh dầu khỏi vật liệu hấp phụ e Phương pháp trích ly bằng CO 2
CO2 siêu tới hạn có khả năng hòa tan rất tốt các đối tượng cần tách ra khỏi mẫu
Sử dụng CO2 siêu tới hạn để trích li tinh dầu ra khỏi nguyên liệu Sau quá trình trích ly, giảm áp suất để hóa hơi và tách hoàn toàn CO2, thu được tinh dầu sạch, không tạp chất Một số phương pháp khác như phương pháp vi sóng, phương pháp sinh học
1.1.2 Thành phần hóa học của tinh dầu
Tinh dầu nguyên chất là hỗn hợp của hơn 200 thành thành phần gồm Hydrocacbon, Alcol, Phenol, Aldehyde, Xetol, Ester và một số chất khác [1] a Hydrocacbon
Các hydrocacbon thường gặp trong tinh dầu là những terpen (C10H16)n mạch hở hoặc vòng
Các monoterpene mạch hở: tiêu biểu là miaxene, oximene (có trong tinh dầu hoa houblon, nguyệt quế) Các dẫn xuất chứa oxi của chúng là linalool, geraniol, citronelol…
Các monoterpene một vòng: phổ biến là limonene (có trong tinh dầu cam, chanh, thông…) Các dẫn xuất chứa oxi của chúng là menthol, piperitol, carvon
Các monoterpene hai vòng: tiêu biểu là pinene (có trong tinh dầu thông) và camphene (có tinh dầu chanh, oải hương)
Các sesquiterpene mạch thẳng và vòng tiêu biểu là farnesene (trong tinh dầu cam, chanh), gingiberene (trong tinh dầu gừng), humulene (trong tinh dầu houblon), caryophyllen (trong tinh dầu đinh hương, hồ tiêu, hương thảo) Các dẫn xuất chứa oxi của sesquiterpene có farnesol, nerolidol… b Alcol
Một số alcol quan trọng trích từ tinh dầu thường gặp như methol (trong tinh dầu bạc hà), borneol (trong tinh dầu cam, tùng hương, oải hương), terpinol (trong tinh dầu tràm, kinh giới, thông) c Phenol và Ethephenol
Môt số hợp chất phenol trích từ các loại tinh dầu như thymol (có trong tinh dầu bách lí hương); estragol (trong tinh dầu hung quế), anethol (trong tinh dầu hồi), eugenol (trong tinh dầu đinh hương, hương nhu, húng quế…) d Andehit
Một số andehit có trong các loại tinh dầu như andehit cuminic (trong tinh dầu thì là, hoa nhục quế), citral (trong tinh dầu sả chanh, mã tiền thảo), citronella được trích ly từ nguyên liệu thiên nhiên e Xeton
Cũng giống như alcol và andehit, xeton cũng là một thành phần quan trọng trong tinh dầu Một số xeton như methyl heptenon (trong tinh dầu sả chanh), pulegon (trong tinh dầu bạc hà), carvon (trong tinh dầu phòng phong…) f Ester
Ester bốc hơi nhanh tạo độ ngát hương cho tinh dầu Một số ester có trong tinh dầu như isoamyl acetate (có trong chuối, hạt cacao), ethyl anthranolate (có trong nho), benzyl propionate (có trong dầu) g Các hợp chất khác
Ngoài các hợp chất nói trên, trong các loại tinh dầu còn có các hợp chất thuộc nhóm oxit (eucalyptol), các amino acid (acid anteranilic), các lacton (coumarin, ambretolic), các hợp chất có lưu huỳnh (anlyl isosulfocyannat), hợp chất có nito (metyl antranilat)
Giới thiệu về hệ nhũ tương
1.2.1 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…
1.2.2 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
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
1.2.3 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 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 hoặc Bảng 1.4
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 kớnh hạt 100 nm – 100 àm 10 – 100 nm 2 – 50 nm
Hình dạng Hình cầu Hình cầu Hình cầu hoặc màng
Phân bố kích thước hạt
Thương thấp ( 1 (nhiệt độ của hệ cao hơn PIT) cấu trúc của chất hoạt động bề mặt trở nên lõm nên có hoạt tính của đầu chất ưa béo dẫn đến hình thành nhũ tương nước trong dầu
Với p = 1 (nhiệt độ của hệ tại PIT), cấu trúc bề mặt của chất hoạt động bề mặt trở nên phẳng nên xu hướng tương đương với hoạt tính ưa nước và ưa béo Điều này dẫn đến sự hình thành các hệ tinh thể lỏng lưỡng tính, theo Hình 1.12 và Hình 1.13
Cũng cần lưu ý rằng sức căng bề mặt giảm khi nhiệt độ tăng và nhũ tương được hình thành với các giọt có kích thước nhỏ Tại PIT, những giọt nhỏ không ổn định chúng có xu hướng kết lại thành giọt lớn hơn dẫn đến hình thành các nhũ tương thông thường (macroemulsions) Nếu một lượng lớn chất nhũ hóa được sử dụng để làm giảm sự mất ổn định, các giọt không kết lại ngay lập tức và một số dạng cấu trúc tinh thể lỏng ở nhiệt độ PIT [60] Do đó, mặc dù có thể hình thành nhũ tương gần điểm PIT, nhưng chúng bất ổn định Để tạo ra các hạt nano dầu trong nước ổn định và tốt, cần phải có một quy trình làm lạnh và các hạt nano hình thành được bảo quản ở nhiệt độ thấp hơn điểm PIT [61] Ngoài ra, nếu các nhũ tương hình thành gần giá trị PIT mà được làm lạnh nhanh hoặc đun nóng, các nhũ tương nano được tạo thành sẽ ổn định động học với kích thước giọt nhỏ và phân bố kích thước hẹp Nghiên cứu của Maali và Mosavian năm 2013 đã bàn luận về cơ chế biến đổi của nhũ tương dầu trong nước Họ cũng giải thích sự khác biệt về kích thước giọt nước và màu sắc ở thời điểm trước và sau khi đảo ngược pha [62]
PIT có thể được xác định bằng cách ghi nhận sự thay đổi tính chất khác nhau của các hạt nano như độ dẫn điện, độ nhớt và độ đục [63] Độ dẫn điện của hệ giảm và độ đục tăng lên khi hệ nano chuyển từ hệ dầu trong nước sang hệ nước trong dầu
Hình 1.13 Sơ đồ biểu diễn sự hình thành các hạt nano bằng phương pháp PIT [18]
Hệ nhũ tương nano tạo thành bằng phương pháp PIT thuộc nhiều yếu tố, đầu tiên là thành phần hỗn hợp vì tỷ lệ các thành phần ảnh hưởng trực tiếp đến giá trị PIT Tiếp đến là các thông số như tốc độ khuấy, tốc độ làm lạnh,…
McClements và Rao (2011) mô tả hệ nhũ tương có thể chứa nước và dầu dư, cũng như pha thứ ba (tinh thể lỏng hay hệ nhũ micro liên tục) bao gồm dầu, nước và chất nhũ hóa Để tạo được hệ nhũ tương nano, thì chỉ khi tinh thể lỏng hay hệ nhũ micro liên tục được tạo thành điểm PIT, không còn dầu và nước dư
Nếu nhiệt độ cao hơn PIT, chất hoạt động bề mặt tan tốt hơn trong dầu, khuynh hướng tạo hệ nhũ tương nước trong dầu Hệ nhũ tương nano ổn định động học có thể tạo thành nhờ làm lạnh nhanh hay gia nhiệt nhanh hệ gần nhiệt độ PIT (lần lượt có được hệ nhũ tường nano dầu trong nước hay nước trong dầu) Hơn nữa, giai đoạn hạ hay nâng nhiệt phải đủ nhanh để hệ nhũ đa phân tán không tạo thành do hiện tượng kết giọt Nguyên tắc cơ bản của phương pháp PIT giống với SE đều dựa trên sự khuếch tán nhanh chất hoạt động bề mặt hay dung môi trong pha dầu vào nước Bất lợi chính của phương pháp PIT là giọt dầu có khuynh hướng kết lại nếu nhiệt độ tăng.
Các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành hệ nano nhũ tương và độ bền của chúng
Môi trường phân tán thường sử dụng nhất là nước Nước có nhiều ưu điểm so với các dung môi khác vì nước rẻ tiền, thân thiện với môi trường Ngoài ra nước dẫn nhiệt tốt độ nhớt thấp
Chất nhũ hóa là thành phần quan trọng nhất trong quá trình nhũ hóa Polyme Chất nhũ hóa làm giảm sức căng bề mặt phân chia giữa hai pha nước-monome; giảm khả năng tổ hợp monome thành hạt lớn giúp không xảy ra hiện tượng phân tách pha Chất nhũ hóa sử dụng có thể dạng không ion, lưỡng tính (zwitterionic), cation hay anion Vai trỏ của chất nhũ hóa là làm tăng diện tích mặt phân cách hai pha
Thành phần hệ nhũ nano có thể gây độc Lượng lớn chất nhũ hóa có thể gây kích thích hệ tiêu hóa hay da khi uống hay thoa cục bộ Do đó, lựa chọn chất nhũ hóa rất quan trọng Sử dụng tối thiểu chất nhũ hóa thường được tán thành Chất nhũ hóa không ion
(critical micelle concentration / CMC) Hệ nhũ dầu trong nước để uống hay dùng ngoài sử dụng chất nhũ hóa không ion thường ổn định cho cơ thể hơn [46]
Thông số quan trọng khác để chọn chất nhũ hóa là sự cân bằng ưa nước ưa béo (hydrophile-lipophile balance / HLB) Chất nhũ hóa thường tập trung ở mặt phân cách hai pha dầu nước và làm giảm năng lượng tạo nhũ tương và cải thiện sự ổn định hệ Giá trị HLB để tạo hệ nhũ dầu trong nước thường lớn hơn 10 Sử dụng trộn lẫn hai loại với HLB thấp và cao thường tạo hệ nhũ bền khi hòa tan trong nước [46]
Loại và bản chất của chất nhũ hóa cũng là yếu tố ảnh hưởng đáng kể, chất nhũ hóa không ion thường được chọn vì ít bị ảnh hưởng bởi pH và sự thay đổi lực ion, thường an toàn (GRAS)
Sự hòa tan của dầu và chất nhũ hóa cũng là yếu tố quan trọng Chất nhũ hóa không cần thiết phải hòa tan tốt với cả hợp chất chức năng và dầu Sự hòa tan chất nhũ hóa và dầu bước đầu có thể xác định khả năng hình thành hệ nhũ nano [46] Để tạo thành nhũ tương dầu trong nước, chất hoạt động bề mặt phải có giá trị HLB lớn hơn 10 Một số chất hoạt động bề mặt không ion thường được sử dụng trong nhũ tương dầu trong nước Nó bao gồm Caprylocaproyl polyoxyl-8-glyceride (HLB 14), Polyoxyetylen (20) sorbitan monolaurate (HLB = 16,7), Polyoxyetylen (20) sorbitan monooleate (HLB = 15) và Polyoxyl-15 Trong số này, Tween - 80 có hiệu suất nhũ hóa tối đa cho pha dầu được chọn
1.6.3 Một số yếu tố khác
Tính chất hệ nhũ tương nano được xác định bằng một số phân tích vật lý và hóa học để đánh giá những thông số như thành phần hệ nhũ tương, hình dạng thành phần, trạng thái, pH, độ nhớt, tỷ trọng, độ dẫn điện, sức căng bề mặt, kích thước hạt, thế zeta của pha phân tán
Quá trình tự nhũ hóa có thể đánh giá bằng cách tiếp cận hình ảnh Hiệu quả quá trình xác định thông qua tốc độ nhũ hóa và sự phân bố kích thước hạt Đo độ đục của mẫu để xác định nhanh trạng thái cân bằng nhờ đạt được do sự phân tán và tái sắp xếp của quá trình nhũ hóa
Kích thước hạt là yếu tố quan trọng để xem trạng thái hệ nhũ tương Phương pháp quang phổ tương quan photon (Photon correlation spectroscopy/ PCS) và kỹ thuật phân tán ánh sáng bao gồm phân tán ánh sáng tĩnh (static light scattering/SLS), phân tán ánh sáng động (dynamic light scattering /DLS) là phương pháp hữu dụng để phân tích kích thước hạt nhũ Độ nhớt, độ dẫn điện và hằng số điện môi cung cấp thông tin ở trạng thái vĩ mô Độ nhớt xác định sự có mặt micelle đảo dạng que Độ dẫn điện (conductivity measurement) cho biết hệ nhũ nano có pha liên tục dầu hay nước Đo hằng số điện môi (Dielectric measurement) là phương pháp phát hiện cả cấu trúc và động học hệ nhũ nano Cấu trúc hệ có thể nghiên cứu nhờ phương pháp cộng hưởng từ hạt nhân khuyếch tán (self-diffusion nuclear magnetic resonance /SD NMR) và phân tán tia X góc hẹp (small angle xray scattering/SAXS).
Lý thuyết về giản đồ 3 pha
Giản đồ 3 pha hay được gọi là tam giác pha Gibbs, đồ thị tam giác, đồ thị ternary, đồ thị đơn giản hoặc sơ đồ de Finetti Đây là một hệ thống ternary bao gồm ba thành phần Chúng ta có thể thay đổi độc lập áp suất, nhiệt độ và hai biến thành phần độc lập cho toàn bộ hệ thống [47, 48]
Một sơ đồ pha ba hoặc ba thành phần có hình dạng của một hình tam giác đều làm nền tảng còn được gọi là tam giác thành phần Trong Hình 1.12, mỗi đỉnh của tam giác biểu thị một trong các thành phần thuần A, B hoặc C Một điểm có trên cạnh của tam giác đối diện với một đỉnh biểu thị một hệ gồm hai thành phần hoặc hệ nhị phân và một điểm có trong vùng bên trong của tam giác đại diện cho một hệ gồm ba thành phần hoặc hệ thống ternary Trong một hệ thống ternary chúng ta cần giới hạn số lượng của hai thành phần Vì vậy, chúng tôi gọi cho hai trục, số đo của thứ ba có thể thu được bằng cách lấy 100 trừ tổng của hai thành phần trước, có nghĩa là cả ba thành phần A, B và C chiếm 100% Toàn bộ không gian được chia thành một tập hợp các tam giác nhỏ bằng nhau, có thể được chia nhỏ hơn nữa Các bộ phận nhỏ hơn cho vị trí chính xác của tỷ lệ thành phần 3 câu tử
Hình 1.14 Giản đồ pha 3 cấu tử dạng tam giác Đối với hệ 3 pha trong hệ nhũ, giản đồ ba pha được sử dụng để xác định vùng tạo nhũ tương nano tương ứng với các tỉ lệ khác nhau của các thành phần pha dầu: pha nước: chất hoạt động bề mặt Pha dầu, pha nước và chất hoạt động bề mặt được khảo sát dựa trên nguyên tắc cố định hai thành phần trong ba thành phần Để xác định thành phần của nhũ tương nano, tỷ lệ giữa pha dầu và pha nhũ hóa được cố định, trong khi đó tỉ lệ và thành phần giữa pha dầu và nước thay đổi sao cho phù hợp về mặt kinh tế (do pha dầu đắt tiền hơn pha nước) Từ đó ta xác định được vùng tạo nhũ tương nano.
Các nghiên cứu về nano nhũ tương và ứng dụng trong thực phẩm
1.8.1 Tình hình nghiên cứu trong nước
Khảo sát thành phần hóa học của tinh dầu tiêu (Piper Nigrum L.) chiết xuất bằng phương pháp carbon dioxide (CO2) lỏng siêu tới hạn của nhóm tác giả Phan Nhật Minh và cộng sự, kết quả cho thấy thành phần hóa học của tinh dầu sau khi phân tích bằng
GC và GC/MS có hàm lượng sesquiterpene cao hơn monoterpene Khi áp suất lên đến
110 bar, thu được alkaloid piperine, một chất cay của thành phần nhựa tiêu [49] Nghiên cứu bào chế và đánh giá sinh khả dụng nhũ tương Nano Diclofenac dùng trong nhãn khoa của nhóm tác giả TS Nguyễn Trần Linh và cộng sự Kết quả cho thấy xây dựng công thức và quy trình bào chế nhũ tương nano nhỏ mắt diclofenac 0,1%; Xây dựng tiêu chuẩn cơ sở và đánh giá độ ổn định của nhũ tương nano nhỏ mắt diclofenac
0,1%; và Đánh giá sinh khả dụng của chế phẩm trên thỏ thí nghiệm Các kết quả bước đầu nghiên cứu NTN diclofenac đã góp phần cho sự phát triển học thuật chuyên ngành Công nghệ dược phẩm và Bào chế thuốc và làm tiền đề cho những nghiên cứu tiếp theo [50]
Qua các nghiên cứu trên, ta thấy nhiều nghiên cứu về nhũ tương tạo nano vẫn còn ít, song các phương pháp về năng lượng thấp đặc biệt là phương pháp nhiệt độ chuyển pha còn hạn chế
1.8.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Theo nghiên cứu của Gharenaghadeh và cộng sự (2017), hệ nhũ tương tinh dầu Salvia multicaulis tạo thành bằng phương pháp đánh siêu âm với kích thước hạt 89,45nm sau 60 ngày vẫn ổn định trạng thái [51]
Tinh dầu tỏi thường dùng trong thực phẩm với vai trò tạo hương và bảo quản thực phẩm khỏi vi sinh vật Theo nghiên cứu của Katata-Seru và cộng sự (2017), hệ nhũ tương nano chứa tinh dầu tỏi có tính kháng khuẩn cao hơn tinh dầu tỏi thông thường và làm tăng đường kính vòng kháng khuẩn E.coli O157 lên 2mm so với mẫu tinh dầu thường không tạo nhũ nano [52]
Tinh dầu tầm ma (nettle oil) (Gharibzahedi và cộng sự, 2016) tạo nhũ nano bằng phương pháp đồng hóa áp suất cao có khả năng kháng khuẩn tương đương kháng sinh kanamycin 50μg/ml với các nồng độ thành phần phù hợp với 2,5% tinh dầu theo khối lượng, hàm lượng chất nhũ hóa Tween 40 và Tween 80 bằng lượng tinh dầu [53] Tinh dầu Eugenia brejoensis (Mendes và cộng sự, 2018) được dùng để tạo nhũ nano và thử hoạt tính kháng khuẩn của hệ nhũ tương này Kết quả ghi nhận được kích thước vòng kháng khuẩn của hệ nhũ tương nano tinh dầu tạo thành với kích thước hạt 143,13nm có khả năng ức chế tương tự dung dịch chứa chất kháng sinh chloramphenicol 1000ppm
Nghiên cứu của Noori và cộng sự (2018), ứng dụng hệ nhũ tương nano chứa tinh dầu gừng bảo quản thịt gà tươi bảo quản lạnh bằng phương pháp nhúng phủ bề mặt cho thấy có sự khác biệt về mức độ nhiễm vi khuẩn sau 12 ngày bảo quản [54]
Một số nghiên cứu trong những năm gần đây cho ta thấy, việc ứng dụng tạo nhũ tương nano bằng phương pháp năng lượng thấp là tương đối ít, đặc biệt là phương pháp nhũ tương nano bằng phương pháp này Vừa sử dụng ít năng lượng, vừa hiệu quả sinh học cao.
PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm
2.1.1 Hóa chất a Tinh dầu tiêu đen
Tinh dầu tiêu đen sử dụng trong nghiên cứu có nguồn gốc từ tiêu đen tại Việt Nam, được tách bằng phương pháp chưng cất lôi cuốn hơi nước Tinh dầu tiêu đen được cung cấp bởi Công ty An Phong Đak Nông, theo Hình 2.1
Hình 2.1 Tinh dầu tiêu đen Việt Nam Đây là một sản phẩm mới ra đời sau quá trình nghiên cứu phát triển không ngừng – TINH DẦU HẠT TIÊU ĐEN của Công ty An Phong Đak Nông đã được các chuyên gia giám định tại Viện Công Nghệ Hóa Học (Số 01 Mạc Đĩnh Chi, Quận 1, Tp.HCM) chứng nhận về các chỉ tiêu thành phần, hàm lượng là tương đương với các sản phẩm nhập khẩu từ Ấn Độ và Trung Quốc
Bảng 2.1 Chứng nhận về các chỉ tiêu thành phần và hàm lượng tinh dầu tiêu đen của
Công ty An Phong Đak Nông
STT Tên chỉ tiêu Đơn vị Mức
Mùi Thơm đặc trưng của hạt tiêu
Mô tả: Tinh dầu trong suốt có màu xanh lục nhạt, có mùi đặc trưng của tinh dầu tiêu
Thành phần tinh dầu được phân tích bằng phương pháp GC để xác định thành phần các chất dễ bay hơi có mặt trong sản phẩm tinh dầu b Chật nhũ hóa
Chất nhũ hóa sử dụng trong nghiên cứu là Tween 80, các tên gọi khác như sorbitan monooleate, Polyethylene glycol sorbitan monooleate, Polyoxyethylenesorbitan monooleate, Polysorbate 80 Hợp chất Tween 80 được cung cấp bởi BioBasic, Canada Dung tích chai 500ml, với chỉ số HLB = 15 phù hợp với hệ thống dầu trong nước [55]
Hình 2.2 Tween 80 BioBasic c Nước cất
Nước được lấy từ PTN (phòng thí nghiệm) B10 – Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
2.1.2 Dụng cụ thí nghiệm a Thiết bị
Thiết bị khuấy từ gia nhiệt VELP Ý, Model AREC, Hình 2.3
Thiết bị đo kích thước hạt bằng phương pháp DLS – HORIBA SZ 100, Hình 2.4
Hình 2.3 Thiết bị khuấy từ gia nhiệt VELP Ý, Model AREC
Hình 2.4 Thiết bị đo kích thước hạt bằng phương pháp DLS – HORIBA SZ 100 b Dụng cụ
Erlen, becher, nhiệt kế, ống nghiệm, giá ống nghiệm, pippet, cuvett thủy tinh, đũa khuấy, ….
Quy trình tạo nhũ nano
Hình 2.5 Quy trình tạo hệ nhũ tương nano tinh dầu tiêu bằng phương pháp PIT THUYẾT MINH QUY TRÌNH (Hình 2.5)
Giai đoạn 1: Gia nhiệt tạo nhũ tương thông thường nước trong dầu
Hỗn hợp chứa Tween-80 và tinh dầu hạt tiêu đen xét theo từng tỷ lệ (T-80:BPO) (các tỷ lệ gồm 2,25:1; 2,5:1 và 2,75:1) được cho vào nước cất với tốc độ 1 giọt từ 1s đến 2s Trong đó tỷ lệ giữa tinh dầu tiêu đen và nước cất được khảo sát ở trường hợp là 5% Hỗn hợp được cho vào, đồng thời vừa khuấy đảo với tốc độ 500 vòng/phút và vừa gia nhiệt tại các nhiệt độ khảo sát ở 70 o C; 75 o C và 80 o C trong 30 phút Tổng khối lượng của hệ là 30g (Bảng 2.2)
Giai đoạn 2: Làm lạnh nhanh, các hạt co lại tạo hệ trong suốt, nhũ tương nano hình thành
Sau khi khuấy và gia nhiệt trong 30 phút Hỗn hợp được làm lạnh nhanh bằng cách ngâm toàn bộ becher chứa hỗn hợp hệ vào bể nước lạnh ở nhiệt độ 5 o C trong vòng
15 phút, đồng thời giữ tốc độ khuấy 500 vòng/phút và khuấy liên tục.
Quy trình xác định độ ổn định, tính chất lý hóa và giản đồ pha 3 cấu tử
Hình 2.6 Quy trình khảo sát tính ổn định của hệ nhũ tương nano tinh dầu tiêu bằng phương pháp PIT
THUYẾT MINH QUY TRÌNH (Hình 2.6)
Hệ nhũ tương nano đươc tạo thành được đem đi phân tích độ ổn định trong 30 ngày Các thông số thể hiện độ ổn định bao gồm: OD (độ hấp thu), PdI (chỉ số đa phân tán) và độ nhớt Thời điểm xác định bộ ổn định sau khi mẫu được tạo thành 1 ngày, 3 ngày, 7 ngày và 30 ngày Mẫu đạt được thông số bền nhất được đem đi phân tích TEM và xây dựng giản đồ pha 3 cấu tử
2.4.1 Thí nghiệm 1: Tạo hệ nhũ tương và hệ nhũ tương nano a Nội dung
Khảo sát ảnh hưởng tỷ lệ pha nhũ và pha dầu đến hệ nhũ tại nhiệt độ gia nhiệt 70 o C, 75 o C và 80 o C Sau đó lựa chọn ra hệ tối ưu thông qua trọng thái, độ bền nhũ, kích thước hạt và các tính chất lý hóa khác b Mục tiêu
Hàm lượng các thành phần trong hệ nhũ tương sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ chuyển pha và khả tăng tạo hệ nhũ tương nano bằng phương pháp chuyển pha bằng nhiệt độ để xác định thành phần tạo hệ nhũ tương nano tinh dầu tiêu đen phù hợp nhất, theo Bảng 2.2
Bảng 2.2 Ký hiệu tên các mẫu ứng với các tỷ lệ giữa chất nhũ hóa và tinh dầu tiêu đen ở các nhiệt độ khác nhau
Ký hiệu A1 A2 A3 B1 B2 B3 C1 C2 C3 b Cách tiến hành
Tạo hệ nhũ tương nano:
Quy trình thí nghiệm được thực hiện như trong mô tả ở sơ đồ Hình 2.5 và Hình
2.8 với hàm lượng tinh dầu tiêu thay đổi Thí nghiệm được lặp lại 3 lần
Tổng lượng mẫu tạo thành 30g
Tỷ lệ tinh dầu tiêu đen và nước = 5% (1:20)
Tốc độ khuấy 500 vòng/ phút
Làm lạnh cố định 5 o C trong thời gian 15 phút
2.4.2 Thí nghiệm 2: Khảo sát độ bền nhũ a Nội dung
Khảo sát độ bền nhũ thông qua sự thay đổi độ hấp thu ánh sáng, độ nhớt của hệ và sự phân bố kích thước hạt
Phương pháp khảo sát sự thay đổi độ hấp thu ánh sáng: Khảo sát độ hấp thu thay đổi theo thời gian tại thời điểm sau khi mẫu được tạo thành 1 ngày, 3 ngày, 7 ngày và 30 ngày (đo thông qua giá trị OD với bước sóng 600nm)
Phương pháp khảo sát sự thay đổi độ nhớt: Độ nhớt thay đổi theo thời gian tại thời điểm sau khi mẫu được tạo thành 1 ngày, 3 ngày, 7 ngày và 30 ngày
Phương pháp khảo sát sự phân bố kích thước hạt: Kích thước hạt (nm) và chỉ số đa phân tán kích thước hạt (polydiversity index – PdI) bằng phương pháp DLS b Mục tiêu:
Xác định mẫu nhũ tương nano cho độ bền tốt nhất thông qua các phương pháp nên trên
2.4.3 Thí nghiệm 3: Phân tích hình thái bề mặt mẫu bền nhất thông qua TEM Ảnh TEM cung cấp cho ta biết về hình dạng, cấu trúc và kích thước của vật liệu
2.4.4 Thí nghiệm 4: Xác định vùng nano thông qua giản đồ pha
Mục tiêu: Xác định vùng tạo nhũ tương, nhũ tương nano – cơ sở để giải thích lý do chọn các tỷ lệ giữa các pha Cách tiến hành được đề cập mục 1.7 – Lý thuyết về giản đồ 3 pha Phương pháp được trình bày ở mục 2.5.5
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
Mục tiêu: Thành phần các chất dễ bay hơi trong tinh dầu nguyên liệu được phân tích bằng phương pháp GC để đánh giá sự thay đổi thành phần hóa học của tinh dầu trước và sau khi tạo nhũ tương cũng như so sánh sự khác biệt thành phần trong hai hệ nhũ tương nano tạo thành bởi hai phương pháp khác nhau trong nghiên cứu.
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
Sự hấp thụ ánh sáng đơn sắc của các hệ keo hay hệ nhũ tuân theo định luật Beer – Lambert, theo công thức (2.2):
l: bề dày lớp dung dịch mà ánh sáng đi qua;
C: nồng độ mol của dung dịch;
k: hệ số hấp thụ (k = KC);
K: hệ số hấp thụ mol
Phương trình (2.2) còn được viết lại dưới dạng phương trình (2.3): ln I 0
D: độ hấp thu mật độ quang của dung dịch;
I : độ truyền suốt tương tối (độ trong suốt tương đối)
2.5.2 Xác định độ nhợt nhũ nano thay đổi theo thời gian a Nguyên tắc Độ nhớt là trở lực bên trong của một chất lỏng, mà trở lực này cần phải vượt qua được một lực, sao cho lực đó tạo ra sự chảy của chất lỏng Người ta thường phân biệt chất lỏng Newton ứng với độ nhớt Newton và chất lỏng phi Newton ứng với độ nhớt phi Newton b Dụng cụ đo độ nhớt:
Dụng cụ đo độ nhớt capillary thủy tinh (Ostwald viscometer);
Quả bóp cao su c Xác định tỷ trọng chất lỏng (nước cất)
Chuẩn bị bình tỷ trọng bằng cách rửa sạch bình, sau đó làm khô ngoài không khí hoặc sấy nhẹ ở 50 o C Sau đó cân để biết khối lượng bình
Xác định khối lượng bình nước cất: Từ từ cho nước cất vào bình tỷ trọng Rót nhẹ theo thành bình để tránh tạo ra các bọt khí Rót đầy đến miệng bình Đậy nút bình tỷ trọng Tiếp đến, dùng giấy mềm hay khăn sạch lau khô cho hết nước bám ngoài bình Tránh không để sợi bông bám lại ở ngoài thành bình Sau đó, để yên
Xác định khối lượng bình và dung dịch cần đo (mẫu A1, A2, A3; B1, B2, B3; C1, C2 và C3): Đổ hết nước ra khỏi bình tỷ trọng, rửa và làm khô trong không khí Sau đó, cho dịch mẫu vào bình tỷ trọng và tiến hành tương tự như đối với nước cất
Tỷ trọng tương đối của dung dịch (d) tính theo công thức (2.4):
- m – khối lượng bình tỷ trọng (g)
- m 1 – khối lượng bình và dung dịch (g)
- m 2 – khối lượng bình và nước (g) d Xác định độ nhớt chất lỏng
Dùng ống đong lấy 25 ml dung dịch mẫu cho vào nhánh không có mao quản của nhớt kế Ostwald, dùng quả bóp cao su đẩy dung dịch qua nhánh có mao quản lên mức
A rồi tháo quả bóp cao su cho dung dịch chảy tự nhiên và dùng đồng hồ bấm giây đo thời gian t dung dịch chảy từ A đến mức B Mô tả cách làm theo Hình 2.9
Hình 2.7 Ảnh minh họa nhớt kế Ostwald
Lặp lại thí nghiệm 3 lần, lấy giá trị trung bình Thực hiện thí nghiệm với dung dịch chuẩn (nước cất), đo thời gian t0 dung dịch chuẩn chảy từ mức A đến mức B Độ nhớt chất lỏng được tính thông qua công thức (2.5)
d: tỷ trọng của dung dịch (g/cm 3 );
t: thời gian chảy của dung dịch (s);
K: hằng số độ nhớt của mẫu chuẩn (không đổi), theo công thức (2.6)
Từ đó suy ra, độ nhớt mẫu cần đo được tính theo công thức (2.7)
- η, d, t lần lượt là độ nhớt tuyệt đối (Cp), tỉ trọng (g/cm 3 ) và thời gian chảy (s) của chất lỏng mẫu
- η 0 , d 0 , t 0 lần lượt là độ nhớt tuyệt đối (Cp), tỉ trọng (g/cm 3 ) và thời gian chảy (s) của chất lỏng chuẩn (nước cất)
2.5.3 Kích thước giọt, sự đa phân tán và thế zeta (Droplet size, polydispersity and zeta potential – DLS)
Phương pháp phân tán ánh sáng động (Dynamic light scattering/DLS) được dùng để phân tích sự dao động ở một mật độ phân tán của giọt nhũ dựa vào chuyển động Brown (Brownian motion) Kích thước giọt, sự đa phân tán và thế zeta được đo bằng phương pháp này Chỉ số đa phân tán đo đạc được thể hiện sự đồng nhất của pha phân tán Thiết bị còn cho biết kích thước trung bình của giọt Nhiễu xạ laser (Laser diffraction) là một kỹ thuật khác dùng để đo kích thước hạt
Các thông số độ hấp thu đo được sẽ xử lý với phương pháp phân tích phương sai sử dụng phần mềm thống kê Statgraphic 3.0 để phân tích và cùng với kết quả phân tích DLS làm cơ sở chọn nghiệm thức tối ưu của thí nghiệm
2.5.4 Thông số hình thái bề mặt (TEM) của nhũ nano
Hình thái hệ nhũ tương nano được xác định bằng phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (transmission electron microscopy/TEM) để xác định thông số hình thái (morphology)
Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) là thiết bị nghiên cứu vi cấu trúc vật rắn, sử dụng chùm điện tử có năng lượng cao chiếu xuyên qua mẫu vật và sử dụng các thấu kính từ để tạo ảnh với độ phóng đại 400000 lần đối với nhiều vật liệu, thậm chí có thể hàng triệu lần đối với các nguyên tử Ảnh được tạo ra trên màn huỳnh quang, hay trên phim quang học và chúng được ghi nhận bằng các máy chụp kỹ thuật số Với ưu điểm phóng đại rất lớn nên TEM được xem là công cụ đắc lực trong việc nghiên cứu các vật liệu nano Ảnh TEM cung cấp cho ta biết về hình dạng, cấu trúc và kích thước của vật liệu
Với phương pháp TEM, hình ảnh độ phân giải cao của pha phân tán được chụp Kích thước hạt và sự phân bố kích thước hạt được thể hiện nhờ phần mềm hình ảnh kỹ thuật số TEM là kỹ thuật hình ảnh hiệu quả với độ phân giải (0,2nm) cao hơn kính hiển vi ánh sáng, nhờ dòng electron với bước sóng de Broglie ngắn Dùng nghiên cứu vật liệu ngành khác nhau Có thể biết được hình thái và cấu trúc hệ nhũ nano bằng TEM Tuy nhiên, kỹ thuật này yêu cầu chuẩn bị mẫu với độ mỏng cần thiết để dòng electron xuyên qua Cấu trúc vật liệu có thể thay đổi trong quá trình chuẩn bị hay do dòng electron
2.5.5 Giản đồ pha 3 cấu tử (nước, dầu và chất nhũ hóa) Đây là ba phương pháp thông thường được áp dụng để nghiên cứu sơ đồ pha ternary [64]
Phương pháp đầu tiên là một phép tính gần đúng dựa trên sơ đồ lưới 3 pha Giản đồ tam giác được chia thành các lưới theo phần trăm trên thang giá trị 100% từ các phép đo chính xác của các thành phần, theo Hình 2.8
Hình 2.8 Giản đồ 3 pha được vẽ dưới dạng lưới
Phương pháp thứ hai là phương pháp độ cao được sử dụng khi sơ đồ pha không có các đường lưới để xác định thành phần của cả ba cấu tử Chiều cao hoặc độ cao của tam giác được đặt thành 100% và khoảng cách ngắn nhất được xác định từ điểm cần quan tâm đến mỗi cạnh của tam giác Tỷ lệ phần trăm của từng thành phần được ước tính dựa trên chiều cao hay khoảng cách tính toán, theo Hình 2.9
Hình 2.9 Giản đồ 3 pha được vẽ dưới dạng tỷ lệ chiều cao
Phương pháp thứ ba là phương pháp giao nhau của các đường vuông góc thay vì các đường thẳng được vẽ từ mỗi đỉnh hoặc góc, sang phía đối diện của tam giác đi qua điểm cần quan tâm Độ dài của các đường này và độ dài của các đoạn giữa điểm và các cạnh tương ứng, được đo riêng lẻ và tỷ lệ của các thành phần A, B và C sau đó có thể xác định bằng cách chia các đoạn này cho toàn bộ đường tương ứng, theo Hình 2.10
Hình 2.10 Giản đồ 3 pha được vẽ dưới dạng giao nhau giữa các đường vuông góc
2.5.6 Phân tích sắc ký khí GC và GC/MS
Thành phần hóa học của tinh dầu tiêu được xác định bằng phương pháp sắc ký khí và sắc ký khí khối phổ
Phương pháp sắc ký khí (GC): thực hiện trên máy Hewlett-Packard 6890 Series nito (1ml/phút), detector FID Chương trình nhiệt độ: 40 o C (giữ 2 phút), tăng
6 o C/phút cho đến 200 o C (2 phút), tăng 10 o C/phút đến 280 o C (10 phút) Nhiệt độ injector: 280 o C, nhiệt độ detector: 300 o C
Phương pháp sắc ký khí ghép khối phổ (GC/MS): thực hiện trên máy Agilent
Technologies 6890N (USA), cột HP5-MS (dài: 30m; đường kính 0,25mm; phim dày 0,25àm) liờn hợp với mỏy khối phổ Agilent Technologies 5973 inert (USA), khí mang Heli (0,9ml/phút) Chương trình nhiệt độ: 40 o C (2 phút), tăng 3 o C/phút đến 200 o C (2 phút), tăng 20 o C/phút đến 250 o C (10 phút) Nhiệt độ inlet: 250 o C, nhiệt độ MSD: 350 o C Thư viện phổ NIST-MS search 2.0a-2002.
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
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
3.1.1 Đặc tính của nhũ tương nano được tạo thành khi gia nhiệt 70 o C
Trong thí nghiệm này, hệ nhũ tương nano tinh dầu tiêu đen được điều chế với ba cấp độ giữa tỷ lệ chất nhũ hóa với tinh dầu tiêu đen là 2,25:1; 2,5:1 và 2,75:1 Sau khi hình thành, các nhũ tương tinh dầu được làm nóng đến 70 o C trước khi được làm lạnh nhanh bằng nước lạnh Các nhũ tương nano thu được đặc trưng cho một số thông số bao gồm độ nhớt, độ hấp thu (đo ở bước sóng 600nm), kích thước đường kính trung bình và chỉ số phân bố kích thước hạt Bước sóng đo, được chứng minh thông qua các nghiên cứu trong đó đặc tính nhũ tương nano được đánh giá ở bước sóng 600nm [65-67] Kết quả đo độ hấp thu OD thu được thông qua Bảng 3.1
Bảng 3.1 Độ hấp thu trung bình của 3 mẫu A1, A2, A3 tại thờ điểm sau 1 ngày, 3 ngày, 7 ngày và 30 ngày
Mẫu Sau 1 ngày Sau 3 ngày Sau 7 ngày Sau 30 ngày
Khi đường kính giọt nhỏ hơn 80nm, độ hấp thu của nhũ tương nano thay đổi từ đục sang trong suốt [68] Điều này tương ứng với kết quả của Sugumar và cộng sự - họ đã chế tạo nhũ tương nano dầu khuynh diệp bằng phương pháp trộn đơn giản ở các tỷ lệ chất hoạt động bề mặt dầu khác nhau (1:4; 1:3; 1:2 và 1:1) Cụ thể, với tỷ lệ 1:1, hệ thu được nhũ tương màu trắng sữa, trong suốt hoặc mờ đục ở các tỷ lệ khác nhau Điều này cũng được tìm thấy trong cùng một nghiên cứu khác, các giá trị độ hấp thu (đo ở 600 nm) đã giảm nhưng đường kính trung bình tăng khi tỷ lệ giữa chất hoạt động bề mặt với dầu giảm Trong một nghiên cứu khác, Gharibzahedi và cộng sự [53] – đã tạo ra nhũ tương nano tinh dầu cây tầm ma bằng cách đồng nhất áp suất cao, cho thấy độ đục của nhũ tương nano có liên quan tích cực với đường kính giọt Những kết quả trên cho thấy rằng hệ nhũ tương nano tạo thành các giọt nhỏ và có độ đục thấp
Hình 3.1 Sự thay đổi độ hấp thu của mẫu A1, A2 và A3 (tương ứng với tỷ lệ T-
80:BPO là 2,25; 2,5 và 2,75) trong thời gian một tháng lưu trữ
Khi thay đổi tỷ lệ pha nhũ và dầu, đường hấp thu của các nghiệm thức theo thời gian có sự khác nhau Các nhũ tương nano được tạo thành trong suốt với độ hấp thu rất thấp (< 0,1, được đo ở 600 nm), chúng vẫn tồn tại sau một tháng lưu trữ Kết quả này chứng tỏ các hạt nhũ bền và ổn định, tương ứng kích thước giọt của nhũ tương dưới 80nm Tuy nhiên, các giá trị OD giảm dần trong một tháng, ở cùng một nhiệt độ phòng Sau một tháng, độ hấp thu OD của tất cả các mẫu gần như giống hệt nhau Trong đó, 2 mẫu có tỷ lệ T-80:BPO là 2,25 và 2,5 (tương ứng A1 và A2) có OD và độ giảm chênh lệch OD sau các thời gian lưu trữ lớn hơn so với mẫu A3 (T-80:BPO = 2,75) (Hình 3.1)
Do đó mẫu A3 có độ hấp thu tại thời điểm sau 1 ngày, sau 3 ngày, sau 7 ngày và sau 30 ngày có sự chênh lệch không đáng kể hay độ hấp thu sau 4 lần đo là như nhau
Bảng 3.2 Độ nhớt trung bình của 3 mẫu A1, A2, A3 tại thờ điểm sau 1 ngày, 3 ngày, 7 ngày và 30 ngày
Mẫu Sau 1 ngày Sau 3 ngày Sau 7 ngày Sau 30 ngày
Ngoài tính chất quang học, độ nhớt là một thông số quan trọng ảnh hưởng đến sự hình thành nhũ tương nano Theo Sugumar (2015), người đã so sánh hai phương pháp năng lượng thấp khi chế tạo thành công dầu khuynh diệp, đó là phương pháp gia nhiệt và không gia nhiệt Kết quả cho thấy, so với các mẫu không được gia nhiệt, các mẫu
A1A2A3 được gia nhiệt trong suốt, có độ nhớt thấp hơn và kích thước giọt trung bình [69] Kết quả đo độ nhớt trung bình thu được thông qua Bảng 3.2
Dựa vào Hình 3.2, ta thấy độ nhớt các mẫu tăng lên theo thứ tự tỷ lệ T-80:BPO là 2,25:1; 2,5:1 và 2,75:1 (tương ứng mẫu A1, A2 và A3) Độ nhớt cao quyết định sự phân tách pha dầu và ngăn ngừa sự đông tụ của nhũ tương Tuy nhiên, độ nhớt rất cao có thể khiến hệ rơi vào trạng thái gel, điều không mong muốn trong việc tạo nhũ tương nano
Hình 3.2 Sự thay đổi độ nhớt của mẫu A1, A2 và A3 (tương ứng với tỷ lệ T-80: BPO là
2,25; 2,5 và 2,75) trong thời gian một tháng lưu trữ
Nhũ tương nano sau một tháng lưu trữ được đo kích thước đường kính hạt trung bình và chỉ số đa hình (PdI) bằng phương pháp tán xạ ánh sáng, các thông số này được cho trong Bảng 3.3 Kết quả DLS chỉ ra rằng mẫu có SOR = 2,5 và 2,75 (mẫu A2 và A3) là các mẫu tạo ra nhũ tương nano với kích thước đường kính hạt trung bình tốt (từ
10 – 30 nm) và có chỉ số PdI thấp (PdI < 1) Thật vậy, mẫu A2 có kích thước hạt trung bình là 20,3 nm, PdI = 0,723; mẫu A3 có kích thước hạt trung bình là 13,6 nm cho mẫu A3, PdI = 0,710 Cả hai SOR này được sử dụng để điều chế nhũ tương nano khi gia nhiệt lên 70 o C Các thông số vật lý thấp (kích thước giọt trung bình < 100 nm, chỉ số đa hình khoảng 0,7 và giá trị OD < 0,1) cho thấy độ ổn định của nhũ tương nano khi lưu trữ mẫu trong 30 ngày ở nhiệt độ phòng Tuy nhiên, do PdI của các phương pháp này khá cao (trên 0,7), nhiệt độ nung 70 o C không phải là điều kiện tối ưu để điều chế nhũ tương nano trong các thí nghiệm của chúng tôi
1 ngày 3 ngày 7 ngày 30 ngày Độ nh ớ t (c P)
Bảng 3.3 Kích thước đường kính trung bình và chỉ số đa phân bố kích thước hạt của nhũ tương nano được chế tạo ở 70 o C
Kích thước đường kính hạt (nm) PdI
3.1.2 Đặc tính của nhũ tương nano được tạo thành khi gia nhiệt 75 o C
Phương pháp PIT dựa trên những thay đổi về độ hòa tan của chất hoạt động bề mặt không ion với nhiệt độ Ở nhiệt độ chuyển pha (hệ đạt PIT), lực căng liên vùng của hệ trở nên cực kỳ thấp và quá trình nhũ hóa được thúc đẩy Bằng cách làm lạnh nhanh hệ ở nhiệt độ chuyển pha, các nhũ tương ổn định về mặt động học có đường kính rất nhỏ và sự phân bố kích thước hạt được tạo thành [70] Mặt khác, nhiệt độ chuyển pha của nhũ tương phụ thuộc vào thành phần tỷ lệ của nước, dầu và chất nhũ hóa Do đó, trong thí nghiệm thứ hai này, tỷ lệ giữa T-80 và BPO không thay đổi và nhiệt độ gia nhiệt trước khi làm lạnh nhanh được nâng lên 75 o C Kết quả đo độ hấp thu OD trung bình thu được thông qua Bảng 3.4 bên dưới
Bảng 3.4 Độ hấp thu trung bình của 3 mẫu B1, B2, B3 tại thờ điểm sau 1 ngày, 3 ngày, 7 ngày và 30 ngày
Mẫu Sau 1 ngày Sau 3 ngày Sau 7 ngày Sau 30 ngày
B3 0,049 a 0,052 ab 0,047 b 0,043 c Đặc tính của nhũ tương nano tạo ra ở nhiệt độ 75 o C được chỉ ra trong Hình 3.3 và Hình 3.4 Mặc dù độ nhớt của mẫu B3 cao hơn đáng kể so với các loại khác, nhưng độ hấp thu của ba mẫu gần như giống hệt nhau Các giá trị OD trong thí nghiệm này khi lưu trữ 30 ngày đều thấp hơn 0,052, nhỏ hơn so với các giá trị trong thí nghiệm trước đó, thí nghiệm từ các mẫu được gia nhiệt ở 70 o C Điều này cho thấy nhiệt độ 75 o C gần với giá trị điểm PIT và tạo điều kiện thuận lợi hơn cho quá trình tạo thành nhũ hóa một cách tự phát Tất cả ba mẫu B1, B2 và B3 đều thể hiện sự gia tăng OD Tuy nhiên, sau
3 ngày kể từ khi mẫu được tạo thành, độ hấp thu OD của các mẫu sau đó giảm xuống dưới 0,045 sau một tháng lưu trữ
Hình 3.3 Sự thay đổi độ hấp thu của 3 mẫu B1, B2 và B3 (tương ứng với tỷ lệ T-80 :
BPO = 2,25:1; 2,5:1 và 2,75:1) trong thời gian một tháng lưu trữ
Bảng 3.5 Độ nhớt trung bình của 3 mẫu B1, B2, B3 tại thờ điểm sau 1 ngày, 3 ngày, 7 ngày và 30 ngày
Mẫu Sau 1 ngày Sau 3 ngày Sau 7 ngày Sau 30 ngày
Hình 3.4 Sự thay đổi độ nhớt của 3 mẫu B1, B2 và B3 (tương ứng với tỷ lệ T-80 :
BPO = 2,25:1; 2,5:1 và 2,75:1) trong thời gian một tháng lưu trữ Để chọn mẫu tối ưu, các mẫu được phân tích bằng phương pháp tán xạ ánh sáng
1 ngày 3 ngày 7 ngày 30 ngày Độ nhớt (c P )
B1B2B3 nhũ tương nano với kích thước giọt trung bình rất nhỏ (dưới 50nm) Tuy nhiên, các chỉ số phân bố kích thước hạt là không đồng nhất và SOR tối ưu ở nhiệt độ gia nhiệt 75 o C là 2,25 (B1) (PdI = 0,137) Mẫu B1 có kích thước đường kính trung bình 17,9 nm và phân bố hẹp về kích thước đường kính với PdI là 0,137, điều này cho thấy độ trong suốt cao và độ ổn định vật lý tốt
Bảng 3.6 Kích thước đường kính trung bình và chỉ số phân bố kích thước hạt của nhũ tương nano được chế tạo ở 75 o C
Kích thước trung bình đường kính hạt (nm) PdI
3.1.3 Đặc tính của nhũ tương nano được tạo thành khi gia nhiệt 80 o C
Trong thí nghiệm cuối cùng này, nhiệt độ gia nhiệt được nâng lên 80 o C Nhiệt độ gia nhiệt cao hơn tạo điều kiện cho việc khuấy trộn dễ dàng và độ nhớt của nhũ tương thô giảm Tuy nhiên, thời gian gia nhiệt quá lâu có thể khiến nhũ tương nano phân tán không đủ do tốc độ làm lạnh chậm hơn Tương tự như hai thử nghiệm trước, các tham số OD của ba SOR cho thấy các biến thể tối thiểu của nhau trong quá trình lưu trữ một tháng (Hình 3.5) SOR của 2,75 cũng đạt được độ nhớt cao nhất so với hai mẫu còn lại
Bảng 3.7 Độ hấp thu trung bình của 3 mẫu C1, C2, C3 tại thờ điểm sau 1 ngày, 3 ngày, 7 ngày và 30 ngày
Mẫu Sau 1 ngày Sau 3 ngày Sau 7 ngày Sau 30 ngày
Hình 3.5 Sự thay đổi độ hấp thu của 3 mẫu C1, C2 và C3 (tương ứng với tỷ lệ T-80 :
BPO = 2,25:1; 2,5:1 và 2,75:1) trong thời gian một tháng lưu trữ
Bảng 3.8 Độ nhớt trung bình của 3 mẫu B1, B2, B3 tại thời điểm sau 1 ngày, 3 ngày, 7 ngày và 30 ngày
Mẫu Sau 1 ngày Sau 3 ngày Sau 7 ngày Sau 30 ngày
Việc xác định kích thước đường kính bằng phương pháp DLS trong thí nghiệm này khác với thử nghiệm trước đó (Bảng 3.9) SOR 2.5 (C2) là phương pháp xử lý thích hợp ở nhiệt độ gia nhiệt 80 o C, trong khi SOR 2,25 (B1) là phương pháp tối ưu ở xử lý gia nhiệt 75 o C Điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây chứng minh rằng PIT phụ thuộc vào nồng độ chất hoạt động bề mặt [18, 71, 72] Ví dụ, Oniveros et al người đã nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ chất hoạt động bề mặt đến PIT của nhũ tương cho thấy, khi chất nhũ hóa không ion HLB (cân bằng lipophilic ưa nước) cao hơn 10, PIT của nhũ tương thường tỷ lệ thuận với nồng độ chất hoạt động bề mặt [72] Kết luận này phù hợp với thí nghiệm của chúng tôi, trong đó sự gia tăng nồng độ chất hoạt động bề mặt (Tween 80) từ SOR 2,5 đến SOR 2,75 đòi hỏi phải tăng nhiệt độ để đạt được hệ nhũ tương nano tốt nhất
Hình 3.6 Sự thay đổi độ nhớt của 3 mẫu C1, C2 và C3 (tương ứng với tỷ lệ T-80 :
BPO = 2,25:1; 2,5:1 và 2,75:1) trong thời gian một tháng lưu trữ
Bảng 3.9 Kích thước đường kính trung bình và chỉ số đa dạng của nhũ tương nano được chế tạo ở 80 o C
Kích thước trung bình đường kính hạt (nm) PdI
Nhìn chung, cả hai mẫu B1 và C2 đều tạo thành hệ nhũ tương nano với các đặc tính mong muốn bao gồm kích thước giọt trung bình thấp (tương ứng ở 17,9 và 16,3 nm) và chỉ số đa hình thấp (tương ứng là 0,137 và 0,288) Mặt khác, nhiệt độ gia nhiệt của mẫu C2 là 80 o C cao hơn nhiệt độ gia nhiệt của mẫu B1 là 75 o C nên có sự bay hơi một số hợp chất hoạt tính trong tinh dầu tiêu đen dẫn đến mẫu C2 kém hoạt tính hơn mẫu B1 Do đó, 75 o C là nhiệt độ phù hợp nhất để gia nhiệt và xử lý Trong đó mẫu B1 là hệ nhũ tương nano cho sự tối ưu
3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ gia nhiệt trong hệ thống nhũ tương dưới tốc độ khuấy cố định 500 vòng/phút
Sau khi phân tích sự ổn độn của 9 mẫu, ta tìm ra được các mẫu có độ ổn định cao bao gồm 1 mẫu ở nhiệt độ gia nhiệt 70 o C, 1 mẫu ở nhiệt độ gia nhiệt 75 o C và 1 mẫu ở nhiệt độ gia nhiệt 80 o C lần lượt là A3, B1 và C2
1 ngày 3 ngày 7 ngày 30 ngày Độ nh ớ t (c P)
Hình 3.7 Sự thay đổi độ hấp thu của mẫu A3, B1 và C2 trong một tháng lưu trữ
So sánh thành phần của tinh dầu tiêu đen (Piper nigrum L.) và nhũ tương
Hệ nhũ tương nano tinh dầu hạt tiêu đen đã được điều chế thành công bằng phương pháp nhiệt độ chuyển pha Chúng tôi đã xây dựng được sơ đồ quy trình kỹ thuật đơn giản điều chế hệ nhũ tương nano tinh dầu tiêu đen ít tốn năng lượng
Thông qua thí nghiệm tạo các hệ nhũ nano kết hợp với đo độ bền, chúng tôi xác định được mẫu B1 tốt nhất trong các hệ nhũ nano còn lại (tỷ lệ theo tỷ trọng của
H2O: Tween-80: BPEO là 86: 9,7: 4,3) Tốc độ khuấy của nhũ tương nano ở 500 vòng/phút trong 45 phút (đun nóng ở 75°C trong 30 phút và sau đó làm lạnh nhanh ở 5°C trong vòng 15 phút) Sau khi làm lạnh nhanh trong vòng 1 phút, hệ chuyển từ đục sang trong, chúng tôi đo được nhiệt độ PIT xấp xỉ 70 o C
Sản phẩm nhũ tương nano tinh dầu tiêu đen của mẫu B1 có dạng hình cầu, kích thước hạt trung bình là 17,9nm, chỉ số phân bố kích thước hạt PdI = 0,137 Hệ được khảo sát ổn định trong 30 ngày và hiện vẫn tiếp tục ổn định
Giản đồ 3 pha gồm 3 cấu tử nước, tinh dầu tiêu và Tween 80 được thiết lập để minh chứng vùng nano được tạo thành với tỷ lệ các thành phần về khối lượng là Tween-80:BPEO = 2,25; BPEO: H2O thuộc tỷ lệ từ 4,5% đến 5,5% Phù hợp với tỷ lệ 5% mà chúng tôi đã khảo sát
Mẫu B1 sau khi phân tích sắc ký khí GC-MS cho thành phần các hợp chất đặc trưng có trong tinh dầu hạt tiêu đen không thay đổi (β-Pinene = 12,6%; β-Myrcene
= 2,60% và α-Copaene = 2,00%) Hàm lượng một số chất còn lại trong mẫu B1 giảm so với hàm lượng tinh dầu tiêu đen ban đầu Tuy nhiên, hàm lượng α- Caryophyllene trong B1 (2,34%) đã được cải thiện cao hơn so với tinh dầu ban đầu (0,70%).
Từ nghiên Khoa học thực phẩm của luận văn này về kỹ thuật tạo hạt nano, có thể mở rộng ra thêm việc khảo sát tạo hệ nhũ tương nano tinh dầu tiêu đen ở tỷ lệ Nước:Dầu
= 10%, 15%, tùy nhu cầu và lợi ích về mặt kinh tế
Qua nghiên cứu trên, một số yếu tố như tốc độ khuấy, thể tích mẫu, cánh khuấy cũng ảnh hưởng đến quá trình tạo nhũ Do quy mô phòng thí nghiệm nên mẫu được tạo