Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật hóa học: Xây dựng công thức vi nhũ tương Lutenin tan trong nước ứng dụng làm chất màu thực phẩm

Ngoài khả năng tạo màu vàng rất đẹp cho thực phẩm, lutein còn có hoạt tính chống oxy hóa khá mạnh, có khả năng bảo vệ da và mắt khỏi tác hại của tia tử ngoại, ngăn ngừa ung thư da, đặc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: TRẦN THỊ PHƯƠNG THÙY MSHV: 13051195

Ngày, tháng, năm sinh: 04/01/1988 Nơi sinh: Khánh Hòa Chuyên ngành: Kỹ thuâ ̣t Hoá ho ̣c Mã số: 60520301

I TÊN ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG CÔNG THỨC ĐIỀU CHẾ VI NHŨ TƯƠNG

LUTEIN TAN TRONG NƯỚC ỨNG DỤNG LÀM CHẤT MÀU THỰC

PHẨM II .NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

▪ Xây dựng công thức bào chế vi nhũ tương lutein

▪ Điều chế thử nghiệm và đánh giá chất lượng lutein hệ vi nhũ tương

▪ Ứng dụng cho một số sản phẩm thực phẩm như đông sương, sữa

chua, nước khoáng

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04/07/2016 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 25/05/2017 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Hoàng Thị Huệ An

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa- ĐHQG-Hồ Chí

Minh

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Hoàng Thị Huệ An

Chữ ký:……… Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Phong

Chữ ký:……… Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Bạch Long Giang

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Ban Giám hiệu trường Đại học Bách Khoa T.P Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình

theo học tại trường

Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn: - TS Hoàng Thị Huệ An – Giảng viên trường Đại Học Nha Trang đã gợi mở hướng đề tài, cung cấp nguyên vật liệu và đã nhiệt tình hướng dẫn tôi về phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật thực nghiệm, đồng thời đô ̣ng viên tinh thần, giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn này

- Quý thầy cô Khoa Kỹ thuật Hóa Học - Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh đã tận tình giảng dạy, giúp tôi có nền tảng kiến thức chuyên môn ứng dụng trong nghiên cứu khoa học

- Ban Giám đốc và các cán bộ kỹ thuật thuộc Trung tâm Thí nghiệm - Thực hành, cùng quý thầy cô thuộc Bộ môn Công nghệ Kỹ thuật Hóa học trường Đại Học Nha Trang đã ta ̣o điều kiê ̣n tốt cho tôi triển khai đề tài

Xin cảm ơn Cha Mẹ, các thành viên trong gia đình và tất cả bạn bè thân yêu của tôi đã luôn là chỗ dựa tinh thần vững chắc, thường xuyên động viên, giúp tôi có thêm nghị lực vượt qua các khó khăn trong suốt quãng thời gian học tập xa nhà và trong quá trình thực hiện đề tài

Tôi xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô phản biện và toàn thể Hội đồng đánh giá luận văn đã đóng góp nhiều ý kiến quý báu giúp tôi hoàn thiện luận văn này

Trân trọng!

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Lutein là một sắc tố carotenoid có màu vàng cam rất phổ biến trong các loài thực vật và động vật, đặc biệt có hàm lượng cao trong hoa cúc vạn thọ châu Mỹ

(Tagetes erecta L.) Ngoài khả năng tạo màu vàng rất đẹp cho thực phẩm, lutein còn

có hoạt tính chống oxy hóa khá mạnh, có khả năng bảo vệ da và mắt khỏi tác hại của tia tử ngoại, ngăn ngừa ung thư da, đặc biệt là ngăn ngừa một số bệnh về mắt do tuổi già (thoái hóa võng mạc, đục thủy tinh thể), giảm nguy cơ xơ vữa động mạch… Trong những năm gần đây lutein được biết đến như một chất tạo màu tự nhiên và là một hoạt chất chống oxy hóa có nhiều tiềm năng ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm và dược phẩm Tuy nhiên, với cấu trúc phân tử chứa chuỗi polyen mạch dài kém phân cực lutein kém tan trong nước, do đó hạn chế khả năng ứng dụng của lutein trong công nghiệp thực phẩm Một trong những hướng khắc phục nhược điểm này là chuyển hóa lutein thành dạng vi nhũ tương (O/W) tan trong nước, trong đó lutein được hòa tan trong dầu thực vật, sau đó pha dầu được nhũ hóa bởi các chất hoạt động bề mặt và phân tán trong pha nước (W)

Mục đích của đề tài này là nghiên cứu xây dựng công thức bào chế vi nhũ tương lutein đậm đặc tan trong nước với nồng độ lutein là 0,4% w/w, có khả năng tạo màu thực phẩm, dựa trên việc sử dụng hệ chất nhũ hóa Tween 80-Span 80 và với sự có mặt của chất chống oxy hóa vitamin E

Kết quả nghiên cứu cho thấy khi sử dụng dầu nành làm dung môi hòa tan lutein thì tỷ lệ Tween 80, Span 80 và vitamin E thích hợp cho việc tạo thành hệ vi nhũ tương nói trên lần lượt là 20% w/w, 10% w/w và 0,66% w/w Khi đó, sản phẩm vi nhũ tương thu được là một chất lỏng sệt màu đỏ cam đậm, trong suốt, tan vô hạn trong nước, có chỉ số khúc xạ: 1,342; tỷ trọng (so với nước ở 200C) là 1,025; độ nhớt: 0,89 cP; hàm lượng lutein: 3.910 mg/l Kết quả đo phân bố kích thước hạt và ảnh TEM cho thấy hệ chứa các hạt vi nhũ tương có dạng tròn đều với kích thước hạt đa số khoảng 9 nm Hệ vi nhũ tương thu được kém bền màu ở 200C và nhiệt độ phòng (30-320C), đặc biệt khi có ánh sáng và trong môi trường acid Để tạo màu cho nước giải khát, đông sương, sữa chua uống thì nồng độ vi nhũ tương lutein sử

dụng ưa thích nhất lần lượt là 0,5; 0,8;1,0% v/v; khi đó hàm lượng các phụ gia (lutein, vitamin E, Tween 80, Span 80) đều nằm dưới giới hạn cho phép, đảm bảo an toàn thực phẩm Nên sử dụng sản phẩm vi nhũ tương thu được để tạo màu cho các dạng thực phẩm có thời hạn bảo quản ngắn, hay bảo quản ở nhiệt độ thấp, trong

bao bì tránh ánh sáng

ABSTRACT

Lutein is an yellow-orange carotenoid pigment very common in plants and

animals, especially occuring at a high content in America Marigold (Tagetes erecta

L.) Besides its ability to create a beautiful yellow hue for food, lutein shows a quite strong antioxidant, ability to protect skin and eyes from harmful UV rays, prevent skin from cancer, especially decrease the risk of eye diseases (such as age-related macular degeneration, cataracts) and atherosclerosis In recent years lutein has been known as a natural colorant and an active antioxidant which has many potential applications in food and pharmaceutical industry However, due to having a non-polar long polyen chain in its molecule, lutein shows a poorly water-solubility, thus limiting its applicability in food industry One of the ways to overcome this drawback is to formulate lutein in water-soluble O/W microemulsions, in which lutein is dissolved in vegetable oil, then the oil phase (O) is emulsified by surfactants and dispersed in aqueous phase (W)

The purpose of this project is to develop a food-grade water-soluble microemulsion formulation of lutein content at 0.4% w/w, based on using Span 80 and Tween 80 as emulsifiers and vitamin E as an antioxidant

The study showed that when soybean oil containing lutein was used as the oil phase, the suitable percentage of Tween 80, Span 80 and vitamin E in the microemulsion formulation were of 20% w/w, 10% w/w and 0.66% w/w, respectively The obtained microemulsion product was a reddish orange, transparent and viscous liquid, unlimitedly water-soluble and having refractive index: 1.342; density (compared to water at 200C): 1.025; viscosity: 0.89 cP; lutein content: 3,910 mg/l Particle size distribution data and TEM image showed that the prepared microemulsion consisted of spherical microparticles with diameter of about 9 nm, substantially The microemulsion was easy to fade its color at 200C and room temperature (30-320C), especially under sunlight or in acidic environment To color beverages, agar-agar and drink yogurt, the most preferable concentrations of lutein microemulsion were found to be respectively of 0.5; 0.8 and 1.0% v/v At that dosage, the contents of additives (lutein, vitamin E, Tween 80, Span 80) in those

foodstuff were all below permitted limits, which ensured food safety The obtained lutein microemulsion could be used to color foodstuff which has short preservation duration or was stored in cool and dark condition

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng có ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 7 năm 2017

Trần Thị Phương Thùy

1.1.3 Phân loại các hệ vi nhũ tương……… …8

1.1.4 Ưu và nhược điểm của vi nhũ tương ……… 11

1.1.5 Phương pháp điều chế vi nhũ tương ……… 12

1.1.6 Ứng dụng của vi nhũ tương……… … ….14

1.2 Chất màu lutein……… …… 14

1.2.1 Giới thiệu chất màu thực phẩm ……… ……… 14

1.2.2 Lutein……… 15

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước……… …18

1.3.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài……… ….18

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước……… …19

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU……… 21

2.1 Vật liệu nghiên cứu……… … ………21

2.2 Dụng cụ - Thiết bị……… ……… 21

2.3 Phương pháp nghiên cứu……… … 22

2.3.1 Nghiên cứu xây dựng công thức bào chế vi nhũ tương lutein………….22

2.3.2 Đánh giá chất lượng sản phẩm và khả năng ứng dụng 26

2.3.3 Phương pháp xử lý số liệu……… 29

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN……… … 30

3.1 Chọn loại dầu hòa tan lutein……… ………… 30

3.2 Xác định công thức điều chế VNT lutein……… 31

3.3.2 Đánh giá độ bền màu của sản phẩm:……… … 39

3.4 Đánh giá độ bền màu của sản phẩm theo thời gian 42

3.4.1 Chọn nồng độ VNT lutein thích hợp để tạo màu……… … 42

3.4.2 Đánh giá độ an toàn của sản phẩm tạo màu 45

3.4.3 Đánh giá độ bền màu của thực phẩm tạo màu bởi VNT lutein 46

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 52

TÀI LIỆU THAM KHẢO 53 PHỤ LỤC A1-A11

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1 1 Sự khác nhau giữa các hệ nhũ tương và hệ vi nhũ tương 12

Bảng 3.1 Khả năng hòa tan lutein của một số loại dầu thực vật 30

Bảng 3.2 Ảnh hưởng của Tween 80 đến độ bền pha của hệ nhũ tương lutein 32

Bảng 3.3 Ảnh hưởng của Span 80 đến độ bền pha của hệ nhũ tương lutein 34

Bảng 3.4 Thành phần VNT O/W của lutein 36

Bảng 3.5 Một số tính chất vật lý của sản phẩm VNT lutein 37

Bảng 3.6 Kết quả đo phân bố kích thước hạt của hệ VNT lutein 38

Bảng 3.7 Hàm lượng các chất phụ gia trong các loại thực phẩm tạo màu bằng VNT lutein 45

Bảng 3.8 Đánh giá độ bền màu của nước khoáng hương cam theo thời gian 46

Bảng 3.9 Đánh giá độ bền màu của đông sương hương cam theo thời gian 48

Bảng 3.10 Đánh giá độ bền màu của sữa chua hương cam theo thời gian 49

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1 1 Công thức cấu tạo của Tween 80 5

Hình 1 2 Công thức cấu tạo của Span 80 6

Hình 1 3 Công thức cấu tạo của phosphatidylcholine 6

Hình 1 4 Công thức cấu tạo của SLS 7

Hình 1.5 Công thức cấu tạo của gum arabic 7

Hình 1.6 Giản đồ pha của hệ vi nhũ tương gồm pha dầu, nước và chất HĐBM 8

Hình 1.7 Mô hình mô tả các hệ Winsor 9

Hình 1.8 Cấu trúc hệ nhũ tương đôi W/O/W 10

Hình 1 9 Cấu trúc phân tử lutein dạng all-trans 16

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình dự kiến điều chế vi nhũ tương lutein 22

Hình 2.2 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định tỷ lệ Tween 80 thích hợp………….… 24

Hình 2.3 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định tỷ lệ Span 80 thích hợp 25

Hình 2.4 Bố trí thí nghiệm đánh giá độ bền màu của VNT lutein theo pH 28

Hình 3.1 Ảnh hưởng của Tween 80 đến độ bền pha của hệ nhũ tương lutein 32

Hình 3.2 Ảnh hưởng của Span 80 đến độ bền pha của hệ nhũ tương lutein 33

Hình 3.3 VNT lutein bổ sung vitamin E 35

Hình 3.4 Ảnh hưởng của vitamin E đến độ bền màu của VNT lutein 36

Hình 3.5 Phổ hấp thụ khả kiến của lutein VNT (a) và lutein tự do (b)………37

Hình 3.6 Biến thiên độ đục của VNT lutein trong quá trình pha loãng 39

Hình 3.7 Độ bền màu của VNT lutein theo điều kiện bảo quản 40

Hình 3.8 Ảnh hưởng của pH tới độ bền màu của VNT lutein 41

Hình 3.9 Ảnh hưởng của tỷ lệ bổ sung VNT lutein đến cường độ màu của nước khoáng……… 42

Hình 3.10 Ảnh hưởng của tỷ lệ bổ sung VNT lutein đến cường độ màu của đông sương……… 42

Hình 3.11 Ảnh hưởng của tỷ lệ bổ sung VNT lutein đến cường độ màu của sữa chua uống 43

Hình 3.12 Ảnh hưởng của tỷ lệ VNT lutein bổ sung đến tổng điểm cảm quan của nước khoáng ngọt có gas hương cam 43

Hình 3.13 Ảnh hưởng của tỷ lệ VNT lutein bổ sung đến tổng điểm cảm quan của đông sương hương cam 44 Hình 3.14 Ảnh hưởng của tỷ lệ VNT lutein bổ sung đến tổng điểm cảm quan của sữa chua uống hương cam 44

Chỉ số cân bằng ưa dầu - ưa nước

MỞ ĐẦU

Khi đời sống kinh tế phát triển thì yêu cầu của con người về chất lượng thực phẩm ngày càng cao Xu hướng chung của người tiêu dùng hiện nay là sử dụng các loại thực phẩm có nguồn gốc tự nhiên Việc sử dụng một số chất màu hữu cơ tổng hợp trong chế biến thực phẩm đang gây ra nhiều mối lo ngại cho người tiêu dùng về tính an toàn của nó Chẳng hạn, những nghiên cứu gần đây cho thấy Tartrazine (E102), một loại phẩm màu thường dùng để tạo màu vàng cho mì ăn liền, nước giải khát, bánh mứt, siro…, có khả năng làm tăng sự hiếu động thái quá ở trẻ em, ảnh hưởng đến sự phát triển của trẻ và đến chức năng sinh sản của nam giới Chính vì vậy, hiện nay các nhà khoa học đang quan tâm đến việc tìm kiếm những chất màu tự nhiên có khả năng thay thế chất màu tổng hợp độc hại

Một trong số những chất màu tự nhiên được chú ý gần đây là lutein Từ năm 2012 lutein đã được Bộ Y tế Việt Nam đưa vào danh mục các chất màu thực phẩm được phép sử dụng [1] Đây là một sắc tố carotenoid có màu vàng cam rất phổ biến

trong các loài thực vật và động vật Đặc biệt, cúc vạn thọ Mỹ (Tagetes erecta L.)

được xem là nguồn lutein tự nhiên có tiềm năng ứng dụng lớn trong công nghiệp do loài hoa này có khả năng tích lũy lutein với hàm lượng rất cao: hàm lượng carotenoid tổng số trong cánh hoa lên đến 1,0–1,6% (tính theo trọng lượng khô), trong đó khoảng trên 90% lượng carotenoid này là lutein và 5% là zeaxanthin [23] Tuy nhiên, cũng như các carotenoid khác, phân tử lutein chứa chuỗi nối đôi liên hợp mạch dài nên là hợp chất kém phân cực, tan được trong dầu nhưng kém tan trong nước đồng thời lại dễ mất màu dưới tác dụng của các tác nhân acid, chất oxy hóa, ánh sáng và nhiệt độ cao Vì thế, để có thể ứng dụng lutein làm chất màu thực phẩm, cần chuyển hóa lutein thành các dạng chế phẩm có khả năng phân tán tốt trong pha nước, đồng thời bền màu dưới các điều kiện bảo quản thực phẩm nhất định

Để giải quyết vấn đề trên, một trong những hướng nghiên cứu là điều chế chất màu lutein dưới dạng vi nhũ tương (microemulsion) Đây là hệ nhũ tương có kích thước giọt từ 10–100 nm, có độ trong suốt cao, bền nhiệt động học, phân tán tốt

trong nước và dầu, đồng thời tăng khả năng chuyển giao hoạt chất trong cơ thể Do vậy, phương pháp điều chế vi nhũ tương được ứng dụng rộng rãi để tạo ra các chế phẩm trong công nghệ thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm

Ở nước ta, mặc dù đã có một số nghiên cứu chiết tách lutein từ hoa cúc vạn thọ để thay thế cho sản phẩm ngoại nhập đắt tiền nhưng chỉ có vài công bố liên quan đến việc điều chế vi nhũ tương lutein nhằm ứng dụng làm chất màu thực phẩm Hơn nữa, các chế phẩm vi nhũ tương thu được từ nghiên cứu trên chứa hàm lượng lutein còn thấp, độ bền màu chưa cao và sử dụng chất nhũ hóa polysorbat với nồng độ khá lớn ảnh hưởng đến chất lượng cảm quan (mùi và vị) của sản phẩm

Nhằm nghiên cứu thêm quy trình điều chế lutein dạng vi nhũ tương, chúng tôi

thực hiện đề tài “Xây dựng công thức vi nhũ tương lutein tan trong nước ứng dụng làm chất màu thực phẩm” Trong đề tài này, chúng tôi nghiên cứu điều chế

vi nhũ tương lutein tan trong nước dựa trên việc sử dụng hệ Tween 80-Span 80 làm chất nhũ hóa và với sự có mặt của chất chống oxy hóa vitamin E Việc điều chế vi nhũ tương lutein là một hướng đi mới nhằm cải thiện khả năng ứng dụng của lutein, từ đó cho phép thay thế các phẩm màu vàng độc hại như Auramin O (Vàng Ô), Sudan II, Tartrazine… trong chế biến thực phẩm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Hệ vi nhũ tương 1.1.1 Giới thiệu

Vi nhũ tương được khám phá khá sớm, từ những năm 40 của thế kỷ XX, do hai nhà khoa học Hoar và Schumann tình cờ phát hiện ra khi hoà tan nhũ tương sữa vào hexanol Từ đó đến nay, rất nhiều nghiên cứu về vi nhũ tương được tiếp nối và cũng có nhiều định nghĩa được đưa ra cho nghiên cứu dạng bào chế này

Theo Danielson và Lindman, hệ vi nhũ tương được định nghĩa như sau: “Vi nhũ tương là hệ phân tán dị thể, gồm pha dầu và pha nước phân tán đồng nhất vào nhau và được ổn định bởi phân tử các chất hoạt động bề mặt phân cách hai pha, có tính đẳng hướng về mặt quang học, ổn định về nhiệt động học giống như một dung dịch lỏng” [15]

Như vậy, một hệ vi nhũ tương là một dung dịch đẳng quang và bền nhiệt động, khi quan sát qua kính hiển vi sẽ thấy như một dung dịch đồng thể, nhưng ở kích thước phân tử thì nó lại là hệ dị thể

1.1.2 Thành phần hệ vi nhũ tương [7]

Thành phần cơ bản của hệ vi nhũ tương gồm 3 phần chính:

1.1.2.1 Pha dầu (ký hiệu: O): gồm những chất lỏng không phân cực (như dầu

lạc, dầu nành, dầu hướng dương, isopropyl myristat, triglycerit mạch cacbon trung bình, acid oleic, …) và các chất hòa tan hay đồng hòa tan vào chúng (như methanol, terpenoid, tinh dầu, …)

Bản chất pha dầu ảnh hưởng đến tính chất bề mặt phân cách pha do ảnh hưởng đến sự thấm ướt phần đuôi không phân cực của chất hoạt động bề mặt (viết tắt: HĐBM) Các loại dầu chứa mạch hydrocarbon ngắn dễ thấm ướt phần đuôi không phân cực của chất HĐBM hơn nên sức căng bề mặt trên ranh giới 2 pha dầu/nước giảm nhiều hơn Các acid béo no (acid lauric, myristic, capric) và không no (acid oleic, acid linoleic, acid linolenic) có tính chất thấm ướt tốt đã được nghiên cứu sử dụng từ lâu Các ester của acid béo như ester methyl hay ethyl của acid lauric, myristic, oleic cũng có thể được dùng làm pha dầu Tiêu chuẩn chính để

chọn lựa pha dầu là có khả năng hòa tan tốt hoạt chất, điều này sẽ làm giảm thiểu liều lượng vi nhũ tương sử dụng để chuyển giao hoạt chất

1.1.2.2 Pha nước (ký hiệu: W): chứa những chất lỏng phân cực như nước,

ethanol, propylen glycol,

1.1.2.3 Chất HĐBM (surfactant): là những chất có khả năng làm giảm sức

căng bề mặt phân chia giữa 2 pha dầu và nước, giúp hình thành và ổn định hệ vi nhũ tương

Về cấu trúc hóa học, chất HĐBM điển hình là những hợp chất lưỡng thân, tức trong phân tử có chứa 2 phần:

• Phần ưa nước (đầu phân cực): thường là các nhóm chức phân cực như OH, -NH2, -COO-, SO42-, SO32-, … có moment lưỡng cực cao

-• Phần ưa dầu: là gốc hydrocarbon không phân cực hoặc ít phân cực, có moment lưỡng cực thấp

Ngoài ra, vị trí gắn các nhóm chức phân cực, độ dài và độ phân nhánh của gốc hydrocarbon không phân cực cũng là các thông số quan trọng ảnh hưởng đến tính chất hóa lý và khả năng nhũ hóa của chất HĐBM Nói chung, đuôi hydrocarbon càng dài thì độ tan của chất HĐBM trong pha dầu càng tăng nhưng độ tan trong nước càng giảm, dẫn đến khả năng nhũ hóa nhũ tương O/W giảm

Dựa vào điện tích, người ta chia chất HĐBM thành 3 loại: chất HĐBM ion, chất HĐBM lưỡng tính và chất HĐBM không ion

a) Chất HĐBM ion (bao gồm chất HĐBM cation và chất HĐBM anion): có

khả năng phân ly thành ion trong dung dịch, do đó nó nhạy với sự thay đổi pH và nồng độ chất điện ly trong dung dịch Khi vi nhũ tương được nhũ hóa bằng các chất HĐBM ion thì độ bền của chúng được duy trì nhờ lực đẩy tĩnh điện gây ra bởi điện tích của đầu phân cực của chất HĐBM Vì vậy, đối với chất HĐBM ion thì khi tăng nồng độ chất điện ly hay thay đổi pH dung dịch có thể xảy ra sự nén lớp kép trên bề mặt giọt vi nhũ tương, làm giảm điện tích bề mặt giọt nên các giọt có thể đến gần nhau và keo tụ

b) Chất HĐBM lưỡng tính: chứa 2 nhóm chức ion hóa ngược dấu nhau trong

phân tử, do đó điện tích của nó phụ thuộc vào pH dung dịch Mỗi phân tử chất HĐBM lưỡng tính tồn tại một giá trị điểm đẳng điện pI, đó là pH tại đó điện tích dương bằng điện tích âm Khi pH < pI thì chất HĐBM lưỡng tính mang điện tích dương; khi pH > pI thì mang điện tích âm Chất HĐBM lưỡng tính thường hiệu quả hơn khi dùng kết hợp với chất HĐBM anion hay không ion

c) Chất HĐBM không ion: không mang điện tích nên tương thích với nhiều hệ

dung dịch do không tương tác với các chất mang điện tích khác Do vậy, sự thay đổi pH và lực ion của dung dịch ít ảnh hưởng đến tính bền của hệ vi nhũ tương được nhũ hóa bằng chất HĐBM không ion Tuy nhiên, khi nhiệt độ tăng thì độ tan của chất HĐBM không ion trong dung dịch nước giảm

Chất HĐBM không ion thường dùng trong công nghiệp thực phẩm và dược phẩm là ester của các đường

Dưới đây là một số chất HĐBM không ion được sử dụng nhiều trong điều chế vi nhũ tương:

• Tween 80 (E433) [25]: tên đầy đủ là polyoxyethylen (20) sorbitan

monooleate hay (x)-sorbitan mono-9-octadecenoate poly (oxy-1,2-ethanediyl); tên thương mại là Alkest TW 80, Scattics, Canarcel, Poegasorb 80, polysorbate 80

Hình 1.1 Công thức cấu tạo của Tween 80 (C64H124O26; M = 1310 g/mol)

Tween 80 là chất lỏng, màu vàng nhạt, tan trong nước, không độc, hàm lượng nước tối đa 3%, chỉ số HLB = 15

(HLB: Hydrophylic Lipophylic Balance: Chỉ số cân bằng ưa dầu - ưa nước)

• Span 80 (E491) [19]: còn gọi là oleate sorbitan, là monoester của axit

oleic và anhydric hexitol (dẫn xuất của sorbitol) Span 80 là chất HĐMB không ion thường dùng trong sản xuất thực phẩm và dược phẩm Nó là chất lỏng như dầu, màu nâu vàng, không độc, hàm lượng nước tối đa 0,5%, hơi nhẹ hơn nước (khối lượng riêng ở 20oC là 0,994g/mL), có chỉ số HLB = 4,3

Hình 1.2 Công thức cấu tạo của Span 80 (C24H44O6; M = 428,61 g/mol)

• Lecithin [27]: là chất HĐBM lưỡng tính, thường được sử dụng để làm

mịn kết cấu thực phẩm, hòa tan bột (nhũ hóa), đồng hóa hỗn hợp lỏng và một số ứng dụng khác trong y học Lecithin là các phosphatidylcholine (là phospholipid tạo nên bởi acid phosphoric với choline, glycerol hoặc các acid béo khác)

Lecithin có sẵn từ các nguồn như đậu nành , trứng, sữa, các nguồn hải sản, hạt cải dầu, hạt bông và hướng dương Nó kém tan trong nước nhưng là một chất chuyển thể sữa tuyệt vời Trong dung dịch nước, phospholipid của nó có thể tạo thành hoặc liposome, tấm kép, mixen, hoặc cấu trúc dạng tấm, tùy thuộc vào độ ẩm và nhiệt độ

Hình 1.3 Công thức cấu tạo của phosphatidylcholine

(một loại phospholipid trong Lecithin)

• SLS (Sodium lauryl sulfate) hay SDS (Sodium dodecyl sulfate): có công

thức CH3(CH2)11OSO3Na Đây là một chất HĐBM anion thường được sử dụng trong các sản phẩm làm sạch và vệ sinh, mỹ phẩm, thực phẩm và dược phẩm [12]

Hình 1.4 Công thức cấu tạo của SLS

• Gum arabic (E414) [24]: còn gọi là gum acacia, là một hỗn hợp phức tạp

giữa glycoprotein và polysaccharide trong đó có chứa các đường arabinose và ribose Nó là chất keo dính tự nhiên, có thể ăn được, thường dùng làm chất nhũ hóa hay chất làm đặc (thickening agent) trong công nghiệp thực phẩm Nó cũng được dùng để kiểm soát độ nhớt trong công nghiệp in, sơn, dệt, sản xuất mực viết hay mỹ phẩm,… Gum arabic không tan trong chất béo, có độ nhớt thấp Gum arabic có thể hòa tan trong nước lạnh trong khi các loại gum khác thì không thể hoặc tạo huyền phù ở dạng keo hoặc không tan hoàn toàn Độ nhớt của gum arabic phụ thuộc vào pH và nồng độ muối Giá trị pH tự nhiên của dung dịch gum arabic trong khoảng 3,9 - 4,9, do đó gum arabic rất ổn định trong môi trường acid, vì vậy nó được sử dụng rất tốt để ổn định mùi của nước hoa quả Tuy nhiên, do có protein trong cấu trúc của nó nên gum arabic nhạy với nhiệt: khả năng nhũ hóa sẽ giảm khi đun nóng

Hình 1.5 Công thức cấu tạo của gum arabic [24]

Ngoài ra, đôi khi trong thành phần vi nhũ tương còn có các chất đồng HĐBM (co-surfactant), đó là các chất có bản chất giống chất HĐBM, tức cũng là một chất lưỡng thân nhưng phần không phân cực là các hydrocarbon mạch ngắn hơn Do có đuôi hydrocarbon ngắn hơn nên chất đồng HĐBM linh hoạt hơn chất HĐBM: khi cho thêm chất đồng HĐBM vào hệ nhũ tương chúng sẽ hấp phụ trên bề mặt các giọt dầu xen giữa các khoảng trống giữa các phân tử chất HĐBM, đồng thời làm giảm sự tương tác giữa đầu phân cực và đầu không phân cực làm cho sự nhũ hóa các giọt dầu hoàn toàn hơn [21]

Các chất đồng HĐBM có thể là chất HĐBM không ion có trị số HLB trung bình Chúng thường là các alcol, acid alkanoic, alkyl amin hay ester mạch ngắn như isopropanol, n-propanol, alcol benzylic, glyceryl caprilate… Trong một số trường hợp, bản thân hoạt chất cũng đóng vai trò như chất đồng HĐBM [30]

Ngoài ra, trong vi nhũ tương còn có thể chứa những chất khác như chất tăng khả năng hấp thu, chất tạo mùi, chất bảo quản…[7]

1.1.3 Phân loại các hệ vi nhũ tương

Một trong những cách tốt nhất để phân loại các hệ vi nhũ tương là dựa vào vùng đẳng hướng của nó trong giản đồ pha Giản đồ pha của hệ vi nhũ tương gồm 3 thành phần chính là pha nước, chất HĐBM và pha dầu

Hình 1.6 Giản đồ pha của hệ vi nhũ tương gồm pha dầu, nước và chất HĐBM

[21] (O: pha dầu, W: pha nước, ME: vi nhũ tương)

Nói chung, ở nồng độ pha dầu thấp, vi nhũ tương dầu/nước (O/W) sẽ hình thành Ngược lại, ở nồng độ dung dịch nước thấp thì vi nhũ tương nước/dầu (W/O) sẽ được hình thành Ngoài ra, các vùng đẳng hướng cũng có thể cùng tồn tại với giai đoạn khác nhau, có thể khi dư pha dầu hay dư pha nước hoặc một số giai đoạn không đủ hàm lượng chất HĐBM

Winsor chia các hệ vi nhũ tương thành 4 loại: Hệ Winsor I: hệ dầu phân tán trong nước (O/W) Hệ Winsor II: hệ nước phân tán trong dầu (W/O) Hệ Winsor III: Hệ 3 pha, trong đó chất hoạt động bề mặt tan trong cả hai pha (vi nhũ tương trung gian)

Hệ Winsor IV: Dung dịch mixen 1 pha (đẳng hướng) khi thêm 1 lượng vừa đủ chất HĐBM và alcol

Hình 1.7 Mô hình mô tả các hệ Winsor [20]

1.1.3.1 Vi nhũ tương W/O

Những hợp chất ưa nước thường hòa tan trong hệ dung dịch nước và không cần thiết phải có công thức cụ thể Tuy nhiên, nếu hoạt tính sinh học giảm do bị oxy hóa hoặc thủy phân (hóa học hoặc enzym) thì chúng cần được bảo vệ Trong những trường hợp như vậy, vi nhũ tương W/O được hình thành và tiếp tục được nhũ hóa trong nước để tạo thành nhũ tương đôi W/O/W, trong đó pha nội (inner phase) là vi nhũ tương W/O Những công thức này đã được xây dựng và thử nghiệm bởi nhiều nhà nghiên cứu và trong hầu hết các trường hợp được tìm thấy đã đảo ngược để thành vi nhũ tương O/W bởi vì có sự chuyển đổi rất nhanh chất nhũ hóa bên trong

(inner emulsifier) với bề mặt phân cách (interface) của chất nhũ hóa bên ngoài và nước bên trong di chuyển ra mặt phân cách bên ngoài (external interface)

Vi nhũ tương W/O đã được sử dụng rộng rãi để hòa tan và tăng tính khả dụng của thuốc nhưng hiếm khi được sử dụng cho thực phẩm Tuy nhiên, các hệ vi nhũ tương W/O/W thường được đưa vào công thức của đồ uống

Hình 1.8 Cấu trúc hệ nhũ tương đôi W/O/W

Vi nhũ tương W/O không hiệu quả khi sử dụng qua đường uống do nó sẽ bị phá vỡ khi pha loãng trong đường tiêu hóa Một số nghiên cứu khác cho thấy vi nhũ tương W/O là ứng cử viên rất tốt để hòa tan các phân tử ưa nước (hydrophilic active-molecule) hoặc phức chất (complex) Mặt khác, nước hoặc chất lỏng sinh lý làm cho sản phẩm cuối cùng có hàm lượng hữu cơ rất lớn (khoảng 80% khối lượng), do đó thường không được chấp nhận trong hầu hết các ngành công nghiệp thực phẩm

1.1.3.2 Vi nhũ tương O/W

Hầu hết các vi nhũ tương O/W dựa trên việc sử dụng chất HĐBM là Tween Công thức của vi nhũ tương O/W ít bị ảnh hưởng bởi điều kiện dinh dưỡng hơn ở dạng dịch hòa tan Điều này có thể là do những giọt vi nhũ tương này mô phỏng

theo mixen muối mật Việc tăng khả năng hấp thụ cũng đã được nghiên cứu, nó tùy thuộc vào loại chất HĐBM sử dụng

1.1.4 Ưu và nhược điểm của vi nhũ tương [7]

* Ưu điểm:

- Làm tăng khả năng hòa tan các hoạt chất trong nước, đặc biệt là các hoạt chất ít tan trong nước, giúp tăng khả năng hấp thụ hoạt chất qua đường uống, đặc biệt là các dạng dược chất bổ dưỡng

- Làm giảm tính đối kháng của hàng rào khuếch tán giữa các pha do tính lưỡng thân của chúng Vì vậy, vi nhũ tương dễ dàng thấm qua các màng sinh học, làm tăng tính sinh khả dụng của hoạt chất

- Có khả năng bảo vệ các hoạt chất cao, đặc biệt là các hoạt chất dễ bị phân hủy và oxy hóa

- Vi nhũ tương trong suốt, đẹp hơn so với nhũ tương - Hệ thống bền nhiệt động vì vậy có thể duy trì ổn định, không bị phân lớp trong thời gian dài

- Kỹ thuật bào chế đơn giản Vi nhũ tương được tạo thành tức thời và ít tiêu tốn năng lượng như khi bào chế nhũ tương thông thường

* Nhược điểm

- Nhiệt độ, ánh sáng, pH,… ảnh hưởng nhiều đến sự ổn định của vi nhũ tương - Khó xác định tỷ lệ các thành phần trong công thức tạo thành vi nhũ tương - Giá thành cao

- Sử dụng nhiều chất HĐBM hơn so với nhũ tương thông thường Ngoài ra, sự khác biệt cơ bản giữa nhũ tương thông thường và vi nhũ tương gây ra do sự khác biệt về kích thước hạt của giọt chất lỏng phân tán (bảng 1.1) Trong vi nhũ tương kích thước hạt của pha phân tán chỉ từ 10-100 nm [22] Do kích thước hạt nhỏ nên chúng tán xạ ánh sáng yếu, do đó trong suốt

Bảng 1.1 Sự khác nhau giữa các hệ nhũ tương và hệ vi nhũ tương

Tính đẳng hướng quang học Bất đẳng hướng Đẳng hướng Tỷ lệ của pha phân tán 30-60% 23-40%

Tự hình thành, không đòi hỏi năng lượng

Tính bền

Không bền về mặt nhiệt động học và động học

Bền về mặt nhiệt động học và động học

Nồng độ chất nhũ hóa 2-3% khối lượng > 6% khối lượng

1.1.5 Phương pháp điều chế vi nhũ tương [8]

1.1.5.1 Phương pháp năng lượng cao (phương pháp cơ học)

Phương pháp này dùng các thiết bị cơ học như máy đồng hóa áp suất cao, máy đồng hóa siêu âm… để phá vỡ pha phân tán thành các hạt có kích thước rất nhỏ Tuy nhiên, phương pháp này tiêu tốn nhiều năng lượng, thiết bị đắt tiền nên giá thành cao, khó áp dụng trên quy mô công nghiệp Nhiều tài liệu thống kê cho thấy

để đạt được kích thước giọt dưới 100 nm cần kết hợp phương pháp này với phương pháp thay thế hay bay hơi dung môi [33]

1.1.5.2 Phương pháp năng lượng thấp (phương pháp hóa học)

Phương pháp này dựa trên sự tạo thành các hạt có kích thước nano của pha phân tán được ổn định nhờ các chất HĐBM, thông thường ưu tiên sử dụng phương pháp đảo pha và chuẩn độ pha Các phương pháp này tạo thành nhũ tương tức thời, không cần tốn năng lượng Nhược điểm là cần dùng lượng lớn chất HĐBM và chất đồng HĐBM Việc chọn chất HĐBM không độc hại để điều chế vi nhũ tương ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm và dược phẩm khá hạn chế

a) Phương pháp đảo pha: Trong phương pháp này hệ chuyển từ loại vi nhũ

tương W/O thành O/W hay ngược lại bằng cách thay đổi thành phần nhũ tương và/hay điều kiện môi trường (nhiệt độ, pH, lực ion)

Phương pháp này bao gồm:

• Đảo pha bằng nhiệt độ (PIT: Phase Inversion Temperature): dựa trên khả

năng thay đổi cấu trúc hình học (độ uốn cong) của chất HĐBM không ion khi thay đổi nhiệt độ Nhiệt độ tại đó hệ chuyển từ nhũ tương O/W sang nhũ tương W/O gọi là nhiệt độ chuyển pha (ký hiệu: PIT) Ở nhiệt độ thấp hơn PIT đầu phân cực của chất HĐBM có kích thước khá lớn nên hướng ra ngoài pha nước, do đó bao bọc các giọt dầu tạo thành các nhũ tương O/W Ở nhiệt độ bằng PIT, phần đuôi không phân cực bị bẻ cong do chuyển động nhiệt, các giọt nhũ tương O/W bị phá vỡ tạo thành cấu trúc có dạng tấm Ở trên PIT thì đuôi không phân cực có kích thước lớn do bị bẻ cong nhiều nên quay ra ngoài, do đó chuyển nhũ tương thành dạng W/O

• Đảo pha bằng cách thay đổi thành phần (PIC: Phase Inversion

Composition): Dựa trên sự thay đổi đặc tính uốn cong phân tử chất HĐBM ion khi thay đổi thành phần hệ vi nhũ tương (ví dụ: thay đổi pH, thêm muối vào) để thay đổi điện tích đầu phân cực của chất HĐBM thay vì thay đổi nhiệt độ

• Phương pháp điểm đảo nhũ tương (EIP: Emulsion Inversion Point): Khác

với phương pháp PIT và PIC, quá trình chuyển từ vi nhũ tương W/O thành O/W thông qua giai đoạn trung gian tạo thành vi nhũ tương 2 pha liên tục xảy ra khi thêm

dần pha nước vào vi nhũ tương W/O đã được tạo thành ban đầu hay khi thêm dần pha dầu vào vi nhũ tương O/W

• Phương pháp chuẩn độ nhũ tương hay phương pháp pha loãng nhũ tương

(Emulsion Titration; Dilution Method): Phương pháp này được phát triển trong những năm gần đây và có thể được xếp vào phương pháp năng lượng cao hay năng lượng thấp Quá trình điều chế thông qua 2 bước, trong đó một nhũ tương O/W thông thường (pha dầu có thể là dầu chanh, vitamin E, vitamin D) được tạo thành trước đó và sau đó được pha loãng bằng cách thêm dần dung dịch chứa mixen keo của một chất HĐBM không ion (ví dụ: Tween 20, 40, 60, 80) Kết quả nghiên cứu cho thấy bản chất chất HĐBM không ion ảnh hưởng không đáng kể đến sự hình thành và khả năng phân tán của hệ keo Trong phương pháp này nồng độ dầu có thể dùng để tạo thành các hạt vi nhũ tương bị giới hạn và được xác định bằng lượng nhũ tương đem chuẩn độ Thực nghiệm cũng cho thấy để tạo hệ vi nhũ tương O/W có kích thước giọt dưới 100 nm thì nồng độ dầu trong hỗn hợp cuối cùng phải thấp (không quá 1,5% khối lượng) Phương pháp này cho phép điều chế vi nhũ tương khá dễ dàng và có thể dùng để chuyển giao các hoạt chất ưa dầu để tạo thành dược phẩm, chất màu, chất thơm nhằm ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm và nước giải khát

1.1.6 Ứng dụng của vi nhũ tương

Sự có mặt của chất HĐBM trong vi nhũ tương làm cho kích thước giọt của hệ vi nhũ tương rất nhỏ, do đó tăng hàm lượng hoạt chất trong công thức và tăng độ ổn định vật lý hơn so với nhũ tương thông thường Điều này giúp cho cải thiện độ tan của các hoạt chất khó tan trong nước, do đó vi nhũ tương có ứng dụng quan trọng trong dược phẩm, mỹ phẩm và đặc biệt là công nghiệp thực phẩm

1.2 Chất màu lutein 1.2.1 Giới thiệu chất màu thực phẩm [31]

Chất màu thực phẩm được chia làm 2 nhóm chính: chất màu tự nhiên và chất màu tổng hợp

1.2.1.1 Chất màu tự nhiên: đã được sử dụng từ xa xưa trong chế biến thực

phẩm Đây là những chất màu có trong các nguyên liệu tự nhiên có thể ăn được

(động vật, thực vật, vi sinh vật) Ba nhóm chất màu tự nhiên quan trọng là anthocyanin (màu đỏ và màu xanh lam), carotenoid (màu vàng – đỏ), chlorophyll (màu xanh lục)

Chất màu tự nhiên không độc, tạo ra màu sắc đẹp cho sản phẩm, đồng thời có mùi, vị gần giống như nguồn tự nhiên của chúng Một số hợp chất màu tự nhiên còn có hoạt tính khả năng chống oxy hóa, tăng cường sức đề kháng của cơ thể…

Tuy nhiên, việc ứng dụng chất màu tự nhiên còn khá hạn chế do chúng thường kém bền màu và có giá thành cao do việc tách chiết chúng từ các nguồn tự nhiên khá tốn kém

1.2.1.2 Chất màu tổng hợp: là những chất màu được tạo ra bằng các phản

ứng tổng hợp hữu cơ Những chất màu này có màu sắc rất đẹp, phong phú, bền màu, giá thành rẻ nên trước đây được sử dụng khá rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm Tuy nhiên, gần đây các nghiên cứu cho thấy nhiều loại chất màu tổng hợp (như Sudan II, Rhodamin B, Amaranth ) có thể gây ngộ độc cấp tính, mãn tính, đột biến gen và ung thư cho người sử dụng nên đã bị cấm sử dụng Chỉ có các chất màu tổng hợp nằm trong danh mục phụ gia thực phẩm của Bộ Y Tế mới được sử dụng trong chế biến thực phẩm nhưng với liều lượng không được vượt quá mức quy định Vì vậy, gần đây con người có xu hướng quay về sử dụng chất màu tự nhiên Để khắc phục nhược điểm của nhiều chất màu tự nhiên là kém tan trong nước, nhạy cảm với tác nhân oxy hóa và nhiệt độ cao, công nghệ điều chế chất màu dạng vi nang hay vi nhũ tương đã ra đời nhằm tạo ra các loại phẩm màu tự nhiên bền màu hơn và với nhiều gam màu rất phong phú Nhờ đó, ngành công nghiệp sản xuất chất màu tự nhiên trên thế giới hiện đang phát triển nhanh chóng và trở thành một trong những lĩnh vực kinh doanh đầy tiềm năng

1.2.2 Lutein

1.2.2.1 Sự tồn tại trong tự nhiên

Lutein là một sắc tố carotenoid có màu vàng cam rất phổ biến trong các mô động - thực vật (CTPT: C40H56O2, M = 568,88 g/mol) Lutein là dẫn xuất 3,3' diol của β, ε-caroten Trong phân tử lutein ngoài khung isoprenoid C40 cơ bản chung cho tất cả các carotenoid còn có chứa 2 nhóm –OH ở 2 vòng đầu mạch (một vòng - và

một vòng -ionon) Mặc dù chuỗi nối đôi liên hợp trong phân tử lutein có thể tồn

tại trong cấu hình trans hay cis (mono-cis hay poly-cis) nhưng phần lớn lutein tự nhiên tồn tại ở cấu hình all-trans [31], [35]

Hình 1.9 Cấu trúc phân tử lutein dạng all-trans

Lutein có nhiều trong các loại rau xanh (cải bố xôi, rau ngót, cải xoăn, …), trong một số loài hoa, quả, lòng đỏ trứng gà và trong cánh hoa cúc vạn thọ Hoa cúc vạn thọ có màu càng đậm thì hàm lượng lutein càng lớn Loài cúc vạn thọ châu Mỹ

(Tagetes erecta L.) có hoa màu cam đậm chứa lượng lutein nhiều hơn khoảng 200

lần so với cánh hoa có màu sáng hơn [23]

1.2.2.2 Tính chất vật lý [31]

Lutein tinh thể ở dạng bột chảy tự do, có màu đỏ cam Lutein kết tinh ở dạng tinh thể hình kim, khối lăng trụ đa diện, dạng lá hình thoi với điểm nóng chảy 190 – 193C Tinh thể lutein được bảo quản tốt nhất ở - 18C

Lutein không tan trong nước, ít tan trong n-hexan, trong alcol và ether, nhưng

tan tốt trong dichloromethane Do có chuỗi polyen liên hợp trong phân tử nên lutein hấp thụ được bức xạ khả kiến với cực đại hấp thụ khoảng 445 nm (Cực đại hấp thụ này thay đổi ít nhiều tùy theo dung môi được sử dụng)

1.2.2.3 Tính chất hóa học [23], [31]

Hệ thống nối đôi liên hợp làm cho các phân tử lutein ở dạng tự do rất dễ bị oxy hóa, bị đồng phân hóa hoặc hydro hóa bởi các tác nhân acid dẫn đến sự mất màu hay nhạt màu Các tác nhân ảnh hưởng đến độ bền màu của lutein gồm: oxy không khí, ozon, peroxyd, gốc tự do, ion kim loại, nhiệt độ, ánh sáng, acid, enzym Tuy nhiên, lutein bền trong môi trường kiềm Ngoài ra, trong các mô động -thực vật

lutein có khả năng liên kết với các acid béo, lipid, lipoprotein,… Vì vậy, độ bền của lutein thay đổi đáng kể so với khi ở trạng thái tự do

Nhóm hydroxyl ở hai đầu phân tử lutein hoạt động mạnh, dễ dàng tham gia vào các phản ứng oxy hóa nên lutein có hoạt tính chống oxy hóa khá mạnh, có khả năng hấp thụ và làm giảm sự nguy hại của các gốc tự do gây ra

1.2.2.4 Vai trò của lutein

Về lĩnh vực y học, các nghiên cứu cho thấy lutein có khả năng phòng chống ung thư, bảo vệ da và mắt khỏi tác hại của tia tử ngoại, ngăn ngừa một số bệnh về mắt do tuổi già, giảm nguy cơ xơ vữa động mạch… Kết quả nghiên cứu cho thấy việc cung cấp đủ lutein và zeaxanthin (10 mg lutein và 2 mg zeaxanthin/ngày) sẽ giảm 40% sự thoái hóa điểm vàng có liên quan đến tuổi tác Nghiên cứu của Alves-Rodrigues A và cộng sự (2004) cho thấy lutein và zeaxanthin có thể ức chế các yếu tố làm thoái hóa võng mạc và bệnh tim mạch [13] Hơn nữa, khác với các hydrocarbon carotenoid không phân cực (như α-, β-caroten, lycopen, ), nhờ có các nhóm chức hydroxyl ở hai vòng 6 đầu mạch, lutein có tính phân cực hơn nên có thể đi sâu vào phần ưa nước bên trong màng tế bào, vì vậy nó thể hiện hoạt tính chống oxy hóa tốt hơn Chế độ ăn uống cung cấp ít lượng lutein cho cơ thể còn có thể dẫn đến các bệnh về mắt như đục thủy tinh thể, thoái hóa điểm vàng ở người già,… Một số kết quả nghiên cứu cũng đã chứng minh rằng việc bổ sung các loại thực vật giàu lutein (như trứng, bông cải xanh, cải bố xôi,…) vào bữa ăn hàng ngày có thể làm giảm được nguy cơ đục thủy tinh thể lên đến 20% và thoái hóa điểm vàng lên đến 40% [13], [23]

Trong công nghiệp thực phẩm, lutein là một chất màu vàng cam nên ứng dụng

làm chất tạo màu trong công nghiệp chế biến thực phẩm (bánh kẹo, sữa, nước giải khát,…) Năm 2006, Ủy ban Chuyên gia về Phụ gia thực phẩm (JECFA) của FAO/WHO đã cho phép ứng dụng lutein chiết tách từ hoa cúc vạn thọ làm phụ gia tạo màu cho nhiều loại thực phẩm như bánh nướng, nước giải khát, nước ép trái cây, ngũ cốc điểm tâm, kẹo cao su, kẹo cứng, các sản phẩm từ sữa, trứng, các loại thực phẩm cho trẻ sơ sinh và trẻ mới biết đi, chất béo và dầu, nước thịt, nước sốt và

súp hỗn hợp [17], [18]

Trong công nghiệp mỹ phẩm, nhờ khả năng chống oxy hóa và bắt giữ các gốc

tự do, lutein có thể bảo vệ làn da khỏi bị tổn thương bởi tia cực tím, góp phần ức chế ung thư da và chăm sóc da Việc thử nghiệm một số loại kem chống nắng có chứa lutein hay lutein ester (được hòa tan cùng với các loại dầu thảo dược và các hợp chất không no) đã cho thấy lutein có thể dễ dàng thâm nhập vào da và cho hiệu quả chống nắng tốt Vì vậy, lutein còn được ứng dụng trong các loại mỹ phẩm như kem chống nắng, kem chống lão hóa da giúp bảo vệ và chăm sóc da Lợi ích của lutein trong con người không dừng lại với việc cải thiện chức năng thị lực của mắt Dưới ảnh hưởng của ánh sáng mặt trời, các gốc tự do được hình thành bên trong da, những gốc tự do có thể gây hại cho tế bào [13]

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.3.1 Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài

Rosano và cộng sự (1979) đã điều chế hệ vi nhũ tương O/W trong đó sử dụng 2 chất HĐBM gồm một chất có HLB cao và một chất có HLB thấp [29]

Nagahama và cộng sự (2001) đã nghiên cứu những vi nhũ tương sử dụng trong các loại thuốc tan trong dầu Hỗn hợp cần có một loại dầu có tính phân cực cao, một loại dầu có tính phân cực thấp, polyglycerol và alcol chứa nhiều nhóm hydroxyl có khả năng hòa tan trong nước [26]

Acosta và cộng sự (2002-2005) đã tìm thấy các mối liên kết cũng như sức căng bề mặt giữa bề mặt phân cách các pha ưa nước và ưa béo khi thêm các chất làm giảm sức căng bề mặt Điều này tạo điều kiện hình thành vi nhũ tương và ứng dụng vào khai thác dầu [9], [10], [11]

Van Den Braak và cộng sự (2003) đã nghiên cứu vi nhũ tương -caroten sử dụng hỗn hợp hai chất HĐBM Những vi nhũ tương này cũng có thể sử dụng hỗn hợp ba chất HĐBM Nghiên cứu chỉ ra rằng acid béo của chất nhũ hóa kết hợp với acid béo của pha dầu tạo thành hỗn hợp đồng nhất [34]

Solmaz Maleki Dizaj và cộng sự (2013) đã nghiên cứu điều chế vi nhũ tương vitamin A để làm tăng khả năng hòa tan của vitamin A trong nước giúp làm tăng hiệu quả sử dụng vitamin A qua đường uống Hệ vi nhũ tương vitamin A bao gồm:

dầu hướng dương, chất HĐBM (Tween 80), vitamin A, các chất đồng HĐBM và nước Ảnh hưởng của các chất đồng HĐBM khác nhau được nghiên cứu, bao gồm glycerol, saccharose, ethanol và 1-propanol Kết quả cho thấy saccharose là chất đồng HĐBM tốt nhất Tác giả cũng đã nghiên cứu độ ổn định của vi nhũ tương vitamin A ở các nhiệt độ khác nhau: 4C, 45C và ở nhiệt độ phòng Kết quả cho thấy 90% các mẫu vi nhũ tương ổn định ở các nhiệt độ bảo quản khác nhau [16]

Hussam S Basheer và cộng sự (2013) đã nghiên cứu đặc tính của vi nhũ tương isopropyl palmitate được điều chế bằng cách sử dụng các chất HĐBM và các chất đồng HĐBM khác nhau Kết quả cho thấy khả năng nhũ hóa của các chất HĐBM và chất đồng HĐBM biến thiên theo quy luật sau: Tween 80 > 60 > 40 > 20, còn đối với các chất đồng HĐBM thì: 1-butanol > 1-pentanol > 1-propanol > ethanol = methanol Tỷ lệ chất HĐBM: chất đồng HĐBM tốt nhất là 3:1 Để điều chế được vi nhũ tương ổn định và có khả năng chuyển giao thuốc tốt nhất thì sử dụng kết hợp Tween 80 và 1-butanol với tỷ lệ 3:1 [14]

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Trong những năm gần đây, trong nước đã có một số công trình nghiên cứu về hệ vi nhũ tương trong bào chế các loại thuốc bôi ngoài da nhằm tăng độ thấm qua da cho các loại thuốc bôi ngoài da Ví dụ: Nghiên cứu của tác giả Khương Thị Mai Lan về bào chế vi nhũ tương natri diclofenac dùng qua da [4] Một số loại dược phẩm sử dụng theo đường uống cũng được nghiên cứu bào chế dưới dạng vi nhũ tương để kéo dài thời gian phóng thích hoạt chất và khả năng hấp thu thuốc trong cơ thể như bào chế hệ nano piroxycam của Nguyễn Thị Mai Anh và các cộng sự (2009) [2] Hoàng Thị Huệ An và cộng sự (2012-2014) đã xây dựng quy trình công

nghệ quy mô phòng thí nghiệm thu nhận lutein từ hoa cúc vạn thọ (Tagetes erecta

L.) ứng dụng làm chất màu thực phẩm [1] Tuy nhiên, các công trình nghiên cứu ứng dụng vi nhũ tương trong công nghiệp thực phẩm hầu như chưa có Gần đây, Võ Đình Nguyên Thảo (2015) đã nghiên cứu điều chế vi nhũ tương lutein tan trong nước sử dụng hỗn hợp Tween 80 và Lecithin làm chất nhũ hóa Theo nghiên cứu này, tác giả đã xây dựng được quy trình tối ưu điều chế vi nhũ tương lutein tan trong nước bằng cách cho pha dầu chứa

lutein 10% khối lượng trong dầu nành vào hỗn hợp chất nhũ hóa gồm Tween 80 và Lecithin, khuấy đều Thêm nước cất 2 lần vào pha dầu đã trộn với hỗn hợp chất nhũ hóa và đồng hóa ở 9000 rpm trong 30 phút Để điều chế được vi nhũ tương lutein có cường độ màu lớn nhất và trong suốt nhất thì tỷ lệ dầu/nước tối ưu là 0,02% w/w; nồng độ Tween 80 và Lecithin trong hệ vi nhũ tương thu được lần lượt là 17,31 và 0,5% w/w Nghiên cứu này cho thấy hệ vi nhũ tương thu được có màu cam đậm, có vẻ ngoài trong suốt rất đẹp, tan vô hạn trong nước, có hàm lượng lutein khoảng 6,9 mg/l Song hạn chế của nghiên cứu này là khi bảo quản ở nhiệt phòng có ánh sáng chiếu trực tiếp thì cường độ màu suy giảm nhanh Do sản phẩm kém bền màu nên sản phẩm chỉ có thể ứng dụng tạo màu cho các loại thực phẩm bảo quản lạnh hay các thực phẩm ăn trong ngày, thực phẩn có thời gian bảo quản ngắn [6] Ngoài ra, trong công thức trên hàm lượng lutein còn thấp (6,9 mg/l) và nồng độ Tween 80 khá lớn nên cần sử dụng tỷ lệ khá cao để tạo màu cho thực phẩm, ảnh hưởng đến chất lượng cảm quan (mùi và vị) của sản phẩm

Nhằm mở rộng thêm hướng nghiên cứu, chúng tôi thực hiện đề tài “Xây dựng công thức vi nhũ tương lutein tan trong nước ứng dụng làm chất màu thực phẩm”

Mục tiêu của đề tài này là: Xây dựng công thức điều chế để thu được hệ vi nhũ tương lutein có nồng độ cao, ổn định trong nước và đạt chất lượng cảm quan tốt hơn nhằm mở rộng khả năng ứng dụng của sản phẩm trong công nghiệp thực phẩm

Nội dung nghiên cứu của đề tài gồm:

1/ Xây dựng công thức bào chế vi nhũ tương lutein:

+ Nghiên cứu lựa chọn pha dầu hòa tan lutein (dầu nành, dầu bắp, dầu mè) + Xác định tỷ lệ chất HĐBM (Tween 80, Span 80)

+ Xác định tỷ lệ bổ sung vitamin E trong công thức vi nhũ tương lutein nhằm cải thiện độ bền màu

2/ Khảo sát một số tính chất hóa lý và đánh giá độ bền màu của sản phẩm vi nhũ tương

3/ Đánh giá khả năng ứng dụng của sản phẩm vi nhũ tương thu được

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Vật liệu nghiên cứu

- Lutein tinh thể (tinh khiết > 90%) thu nhận được từ hoa cúc vạn thọ

(Tagetes erecta L.) theo quy trình của tác giả Hoàng Thị Huệ An và cộng sự [1]

- Tween 80, Span 80, glycerin: hóa chất tinh khiết phân tích (Xilong, Trung Quốc)

- Lecithin từ đậu nành, vitamin E, gum arabic: hóa chất dùng trong công nghiệp thực phẩm

- Dầu đậu nành, dầu mè (Công ty dầu Tường An, TP Hồ Chí Minh) - Dầu bắp (hãng Mazola, Mỹ)

- Sữa chua uống: hiệu Bông Mai (Công ty Sữa chua Đà Lạt, Việt Nam) - Agar: hiệu Con Cá (Thái Lan)

- Nước khoáng có gas Đảnh Thạnh (Công ty Nước khoáng Đảnh Thạnh, Khánh Hòa)

- Nước cất 2 lần: do Trung tâm Thí nghiệm – Thực hành (Trường Đại học Nha Trang) cung cấp

2.2 Dụng cụ - Thiết bị

- Bình đo tỷ trọng 10 ml (ISOLAB, Đức) - Bếp khuấy từ gia nhiệt (IKA, Đức) - Cân phân tích  10-4 g (OHAUS, Mỹ) - Máy đồng hóa Ultra Turax 18 Basic (IKA, Trung Quốc) - Máy đo pH CyberScan 1500 (Eutech, Singapore)

- Nhớt kế LDV-E (Brookfield, Mỹ) - Quang phổ kế tử ngoại – khả kiến Cary 50 (Varian, Úc) - Khúc xạ kế để bàn AR40 (Kruss, Đức)

- Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) JEM 1400 (JEOL, Nhật) - Thiết bị đo kích thước hạt Zetasizer nano - Model: Nano ZS (Malvern, Anh Quốc)

2.3 Phương pháp nghiên cứu 2.3.1 Nghiên cứu xây dựng công thức bào chế vi nhũ tương lutein

Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng pha dầu là dầu thực vật hòa tan lutein và có bổ sung chất chống oxy hóa là vitamin E, trong đó các loại dầu thực vật sau đây được khảo sát: dầu bắp, dầu nành, dầu mè

Các chất nhũ hóa được sử dụng là Tween 80 và Span 80

2.3.1.1 Dự kiến quy trình điều chế vi nhũ tương lutein

Để điều chế vi nhũ tương lutein, chúng tôi tiến hành theo quy trình tổng quát như sau:

Hình 2.1 Sơ đồ quy trình dự kiến điều chế vi nhũ tương lutein

Thuyết minh quy trình

Chuẩn bị pha dầu

Cho lutein tinh thể (0,4% w/w) và vitamin E (d% w/w) vào trong dầu thực vật (a% w/w) Đun nóng đến 60oC và khuấy đều hỗn hợp cho đến khi đồng nhất

Chuẩn bị hỗn hợp chất nhũ hóa

Chuẩn bị hỗn hợp chất nhũ hóa bằng cách trộn đều Tween 80 (b% w/w) và Span 80 (c% w/w), khuấy đều bằng máy khuấy từ cho đến khi đồng nhất

Tiến hành tương tự như trên với dầu nành và dầu mè So sánh các kết quả thu được Từ đó, chọn loại dầu thích hợp (là loại dầu có khả năng hòa tan lutein tốt nhất và giá thành hợp lý)

2.3.1.3 Xác định tỷ lệ Tween 80 thích hợp

Cố định nồng độ lutein trong pha dầu sao cho hàm lượng lutein trong hệ vi nhũ tương thu được cuối cùng là 0,4% w/w

Cân 5 mẫu dầu chứa lutein bão hòa tương ứng với 0,2 g lutein cho vào 5 cốc 100 ml Thêm Tween 80 vào 5 cốc trên với khối lượng thay đổi lần lượt là: 0%, 5%, 10%, 14%, 20%, 30% w/w Khuấy đều bằng máy khuấy từ (1000 rpm; 20 phút) đến lúc hệ đồng nhất Thêm từ từ nước cất 2 lần vào hỗn hợp đến tổng khối lượng toàn hệ là 50 g (ứng với 100% w/w), vừa thêm nước cất vừa đồng hóa (9.000 rpm, 30 phút) để pha dầu phân tán vào nước thành nhũ tương Để yên 15 phút cho hệ ổn định Mỗi mẫu lặp lại 3 lần

So sánh độ trong suốt của tất cả các mẫu nhũ tương Chọn tỷ lệ Tween 80 thích hợp (ứng với mẫu nhũ tương lutein trong suốt nhất)

Hỗn hợp chất nhũ hóa (S):

- Tween 80: 0%, 5%, 10%, 14%, 20% - Span 80: 0%

Pha dầu (O):

- Lutein: 0,4% - Dầu vừa đủ hòa tan

Khuấy đều (1000rpm) Hỗn hợp O/S

Nước cất 2 lần (thêm đến khối

So sánh độ trong suốt của tất cả các mẫu nhũ tương Từ đó, chọn tỷ lệ Span 80 thích hợp (ứng với mẫu nhũ tương lutein trong suốt nhất)

Tỷ lệ Span 80 thíchhợp

Hỗn hợp chất nhũ hóa (S):

- Span 80: 2,5%, 3%, 4%, 5%, 6%, 10% - Tween 80: 20%

Pha dầu (O):

- Lutein: 0,4% - Dầu vừa đủ hòa tan

Hỗn hợp O/S Nước cất 2 lần (thêm đến khối

lượng toàn hệ là 50g (100%)) Đồng hóa (9000rpm, 30ph)

Nhũ tương lutein

So sánh độ trong suốt

Hình 2.3 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định tỷ lệ Span 80 thích hợp