ảnh hưởng của tinh bột hydroxypropyl đến hệ nhũ tương o w và vi bao bằng kỹ thuật sấy phun nhũ tương

Vi bao là một phương pháp được sử dụng rộng rãi để khắc phục các vấn đề nêu trên bằng cách bảo vệ vật liệu lõi khỏi nhiệt, ánh sáng và oxy, do đó thúc đẩy sự ổn định, tăng khả dụng sinh

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

TRẦN VĨ THÁI

S K L 0 1 3 1 5 0

ẢNH HƯỞNG CỦA TINH BỘT HYDROXYPROPYL

ĐẾN HỆ NHŨ TƯƠNG O/W VÀ VI BAO BẰNG KỸ THUẬT SẤY PHUN NHŨ TƯƠNG

GVHD: TS TRỊNH KHÁNH SƠN TS NGUYỄN VĂN QUÝ SVTH: PHẠM THỊ THÙY GƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC VÀ THỰC PHẨM

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

MÃ SỐ: 2024-20116173

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH – 07/2024 ẢNH HƯỞNG CỦA TINH BỘT HYDROXYPROPYL

PHẠM GVHD: PGS TS TRỊNH KHÁNH SƠN TS NGUYỄN VĂN QUÝ

MSSV: 20116173 SVTH: TRẦN VĨ THÁI MSSV: 20116228

ĐẾN HỆ NHŨ TƯƠNG O/W VÀ VI BAO BẰNG

KỸ THUẬT SẤY PHUN NHŨ TƯƠNG

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, chúng tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban giám hiệu trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP.HCM và khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm đã tạo điều kiện về cơ sở vật chất và thiết bị để chúng tôi có thể hoàn thành nhiệm vụ nghiên cứu trong điều kiện tốt nhất

Hơn 6 tháng được học tập và nghiên cứu, dưới sự chỉ dạy tận tình và đầy tâm huyết của các thầy, chúng tôi cũng đã hoàn thành nhiệm vụ của mình Chúng tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến PGS.TS Trịnh Khánh Sơn và TS Nguyễn Văn Quý đã đồng hành, chỉ dạy, hướng dẫn chúng tôi từ những điều nhỏ nhặt nhất Chúng tôi rất cảm kích PGS.TS Trịnh Khánh Sơn vì thầy luôn quan tâm đến nhóm, thầy không những dạy những kiến thức chuyên môn mà còn cho chúng tôi những lời khuyên bổ ích khi gặp khó khăn trong quá trình nghiên cứu Chúng tôi cảm ơn sự hỗ trợ nhiệt tình của TS Nguyễn Văn Quý với một số kỹ thuật phân tích trong khóa luận này

Chúng tôi rất biết ơn về những nhận xét, đóng góp ý kiến từ các thầy đến chúng tôi để chúng tôi ngày một hoàn thiện bản thân Được học hỏi cùng các thầy trong suốt khoảng thời gian qua chúng tôi rất vui và vinh dự Tuy các thầy đã rất tận tâm trong việc chỉ dạy và hướng dẫn nhưng đôi khi chúng tôi vẫn còn những thiếu sót nên chúng tôi mong rằng các thầy có thể bỏ qua cho chúng tôi vì lượng kiến thức mà chúng tôi hiểu được và vận dụng còn hạn chế, nên mong các thầy cô có thể thông cảm và bỏ qua cho chúng tôi!

Khóa luận tốt nghiệp lần này là cơ hội để chúng tôi có thể ứng dụng những kiến thức đã học trên lớp và các bài báo khoa học với kỹ năng sử dụng các thiết bị và phần mềm khác

Nhóm chúng tôi rất vui khi nhận được những lời nhận xét, góp ý từ các thầy cô hướng dẫn và trong hội đồng! Đây là khóa luận đầu tiên mà chúng tôi thực hiện nên cũng có thể là chưa hoàn thành xuất sắc nhiệm vụ được giao nhưng chúng tôi sẽ cố gắng phấn đấu và thay đổi để có thể cải thiện cách làm việc và tư duy của bản thân hơn từ những lời góp ý quý báu này!

Một lần nữa cho chúng tôi gửi đến các quý thầy cô một lời cảm ơn chân thành nhất!

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ii LỜI CAM ĐOAN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC HÌNH vii DANH MỤC BẢNG ix DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT x TÓM TẮT KHÓA LUẬN xi CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1 1.1 Đặt vấn đề 1 1.2 Tính cấp thiết và lý do chọn đề tài 1 1.3 Mục tiêu nghiên cứu 2 1.4 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu 2 1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2 1.6 Bố cục của báo cáo 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 4 2.1 Tổng quan về kỹ thuật vi bao 4 2.1.1 Định nghĩa 4 2.1.2 Phân loại vi nang 5 2.1.3 Phương pháp vi bao 5 2.1.3.1 Phương pháp hóa học 6 2.1.3.2 Phương pháp hóa lý 6 2.1.3.3 Phương pháp vật lý 7 2.2 Tổng quan về vật liệu trong vi bao 10 2.2.1 Vật liệu lõi 10 2.2.2 Vật liệu bao gói 10 2.2.3 Ứng dụng của vi bao 19 2.3 Tổng quan về nhũ tương và chất nhũ hóa 21 2.3.1 Nhũ tương 21 2.3.2 Điều kiện hình thành nhũ tương 23

2.3.3 Độ ổn định của nhũ tương 24 2.3.4 Chất nhũ hóa 28 2.4 Các nghiên cứu trong và ngoài nước 32 2.4.1 Các nghiên cứu trong nước 32 2.4.2 Các nghiên cứu ngoài nước 32 CHƯƠNG 3 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 34 3.1 Vật liệu 34 3.1.1 Tinh bột sắn 34 3.1.2 Dầu ăn 34 3.1.3 Hóa chất 35 3.1.4 Thiết bị 35 3.2 Phương pháp 35 3.2.1 Tạo tinh bột hydroxypropyl 35 3.2.2 Mức độ thay thế nhóm chức (Molar substitution – MS) 36 3.2.3 Chuẩn bị nhũ tương dầu trong nước (Oil-in-water Emulsion) 37 3.2.4 Đánh giá sự ổn định của nhũ tương ở nhiệt độ phòng 38 3.2.5 Đánh giá độ ổn định của nhũ tương ở nhiệt độ cao (emulsion stability, ES) 39 3.2.6 Kích thước giọt và sự phân bố kích thước giọt 40 3.2.7 Vi bao bằng kỹ thuật sấy phun 41 3.2.8 Hiệu suất của quá trình vi bao (Process yield, PY) 41 3.2.9 Hàm lượng dầu tự do và hiệu quả vi bao 41 3.2.10 Độ ẩm của vi nang 42 3.2.11 Độ hòa tan của vi nang 42 3.2.12 Màu sắc của vi nang 43 3.2.13 Xác định nhóm chức của tinh bột và vi nang 43 3.2.14 Xác định hình thái và kích thước hạt của vật liệu bao gói và vi nang 43 3.2.15 Hệ số đa phân tán (PdI, polydispersity index) 44 3.2.16 Xử lý thống kê 44 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 45 4.1 Mức độ thay thế nhóm chức (Molar substitution, MS) 45

4.1.1 Ảnh hưởng của tỷ lệ tinh bột hydroxypropyl:propylene oxide (tỷ lệ TS:PO) lên MS của HS 45

4.1.2 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng lên MS của tinh bột hydroxypropyl 47 4.2 Sự ổn định của nhũ tương 48

4.2.1 Ảnh hưởng của mức độ thay thế nhóm chức (MS) lên sự ổn định của nhũ tương

48

4.2.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ 24HS:O lên sự ổn định của nhũ tương 52

4.2.3 Ảnh hưởng của việc bổ sung Tween 80 đến sự ổn định của nhũ tương ở mẫu 24HS40b 53 4.2.4 Ảnh hưởng của việc bổ sung MD đến sự ổn định của nhũ tương 55 4.2.5 Ảnh hưởng của vật liệu bao gói đến độ ổn định của nhũ tương 57 4.2.6 Ảnh hưởng của kích thước giọt và sự phân bố kích thước giọt đến độ ổn định của hệ nhũ tương 59 4.2.7 Đánh giá độ ổn định của nhũ tương ở nhiệt độ cao (Emulsion Stability, ES) 61 4.3 Hiệu suất (PY), hàm lượng dầu trên bề mặt (FE), hiệu quả của quá trình vi bao (ME) 63 4.4 Đánh giá màu sắc của vi nang 66 4.5 Xác định nhóm chức của tinh bột và vi nang 68 4.6 Đặc tính hình thái và kích thước hạt của vi nang 73 4.7 Độ ẩm của các mẫu vi nang 77 4.8 Đánh giá khả năng hòa tan của các mẫu vi nang 79 CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 PHỤ LỤC 100

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Hai loại cấu trúc vi nang (Jafari và cộng sự 2008) 4 Hình 2.2 Các loại vi nang khác nhau (Choudhury và cộng sự, 2021) 5 Hình 2.3 Động học của quá trình sấy phun giọt chất lỏng (Handscomb và cộng sự,2009) 9 Hình 2.4 Sơ đồ thể hiện quá trình tạo giọt (Anandharamakrishnan & Ishwarya, 2015b) 9 Hình 2.5 Cấu trúc hóa học của MD 14 Hình 2.6 Phản ứng tạo tinh bột hydroxypropyl (Xie và cộng sự, 2005) 16 Hình 2.7 Nhũ tương đơn giản và nhũ tương đa pha 22 Hình 2.8 Các phương pháp đồng hóa cơ bản (Robins & Wilde, 2003) 24 Hình 2.9 Quá trình mất ổn định của nhũ tương (P Taylor, 1998) 25 Hình 2.10 Phân loại các chất nhũ hóa (Marhamati và cộng sự, 2021) 30 Hình 2.11 Công thức cấu tạo của Tween 80 32 Hình 3.1a Sơ đồ biểu diễn sự phân bố theo chiều dọc của các giọt nhũ tương O/W không ổn định khi tạo kem 39 Hình 3.1b Sơ đồ biểu diễn quá trình tạo kem trog nhũ tương O/W đa phân tán

(McClements, 2007) 39 Hình 3.2 Cách đo kích thước giọt 40 Hình 4.1 Mức độ thay thế nhóm chức của các mẫu HS được biến tính trong 24 giờ 45 Hình 4.2 Mức độ thay thế nhóm chức của các mẫu HS được biến tính ở 48 và 24 giờ 47 Hình 4.3a Sự phân bố kích thước giọt của các mẫu nhũ tương ở tỷ lệ 24HS:O = 5:5 49 Hình 4.3b Sự phân bố kích thước giọt của các mẫu nhũ tương ở tỷ lệ 24HS:O = 2,5:2,5 52 Hình 4.3c Sự phân bố kích thước giọt của các mẫu nhũ tương 54 Hình 4.3d Sự phân bố kích thước giọt của các mẫu nhũ tương từ HS, TS và MD 57 Hình 4.4 Ảnh hưởng của MS đến kích thước giọt trung bình của các mẫu nhũ tương 49 Hình 4.5 Các mẫu nhũ tương trước và sau khi bảo quản 3 ngày ở điều kiện phòng 50 Hình 4.6 Kích thước giọt của các mẫu nhũ tương 59 Hình 4.7 Độ ổn định của các hệ nhũ tương ở nhiệt độ cao 61 Hình 4.8 Hiệu suất (PY), hàm lượng dầu bề mặt (FE) và hiệu quả của quá trình vi bao (ME) 63 Hình 4.9 Các mẫu bột vi nang sau khi sấy đối lưu và sấy phun 66 Hình 4.10a Phổ FTIR của mẫu TS, các mẫu 24HS và MD 68

Hình 4.10b Phổ FTIR của các mẫu vi bao 70 Hình 4.11 Hình chụp SEM các mẫu vi nang và vật liệu bao gói 72 Hình 4.12 Sự phân bố kích thước hạt của các mẫu vi nang và vật liệu bao gói 75 Hình 4.13 Độ ẩm của các mẫu vi nang 76 Hình 4.14 Độ hòa tan của các mẫu vi nang 78

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Các nghiên cứu ngoài nước về vi bao dầu bằng kỹ thuật sấy phun 33 Bảng 3.1 Mã hóa mẫu 34 Bảng 3.2 Thành phần của các mẫu nhũ tương 37 Bảng 4.1 Kích thước giọt trung bình ± độ lệch chuẩn của các mẫu nhũ tương 60 Bảng 4.2 Màu sắc của các mẫu bột vi nang sấy phun và sấy đối lưu 67 Bảng 4.3 Kết quả kích thước hạt của vật liệu bao gói và vi nang 73

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

TÓM TẮT KHÓA LUẬN

Dầu đậu nành được vi bao bằng kỹ thuật sấy phun với vật liệu bao gói là tinh bột hdyroxypropyl (HS) Các mẫu nhũ tương được chuẩn bị từ 24HS với các mức độ thay thế nhóm chức (MS) khác nhau, tỷ lệ tinh bột hydroxypropyl: dầu (24HS:O) trong nhũ tương là 5:5 và 2,5:2,5 (%w/w), bổ sung Tween 80 và maltodextrin (MD) Các mẫu đối chứng có vật liệu bao gói là TS và MD Mẫu nhũ tương có độ ổn định ở nhiệt độ thường và nhiệt độ cao tốt nhất là mẫu có MS cao nhất ở tỷ lệ tinh bột: propylene oxide là 100:40 (g/mL), ở tỷ lệ 24HS:O là 2,5:2,5 (%w/w), bổ sung 0,5% Tween 80 (24HS40MT0,5) Mẫu phù hợp để sấy phun là mẫu ổn định nhất bổ sung thêm 20% MD Hiệu suất (PY) và hiệu quả của quá trình vi bao (ME) từ mẫu nhũ tương chứa HS là cao nhất và MD là thấp nhất Chế phẩm sấy phun sau khi phân tích FTIR cho thấy không có tương tác hóa học bất thường nào giữa vật liệu bao gói và tác nhân bao gói Về màu sắc, bột vi nang từ các mẫu nhũ tương được sấy phun có độ sáng cao hơn so với bột được sấy lưu; mẫu vi nang từ HS có độ sáng cao hơn so với các mẫu vi nang từ TS và MD Đối với hình thái và kích thước hạt cho thấy giữa hai phương pháp sấy đối lưu và sấy phun thì chỉ tạo hạt được đối với phương pháp sấy phun, mẫu 24HS40MT0,5 có kích thước hạt nhỏ nhất so với mẫu có vật liệu bao gói là TS và MD Dựa vào hình thái và kích thước hạt có thể thấy đối với mẫu 24HS40MT0,5 có độ ẩm thấp và độ hòa tan cao hơn so với các mẫu đối chứng khác

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề

Ngày nay, người tiêu dùng rất chú trọng đến sức khỏe và mối quan tâm này dẫn đến nhu cầu cao về thực phẩm có chứa các thành phần hoạt tính sinh học hoặc chức năng (đặc biệt là các thành phần tự nhiên) làm tăng giá trị dinh dưỡng và tình trạng của thực phẩm (Marrelli và cộng sự, 2020) Đặc biệt, nhu cầu ngày càng tăng về các loại dầu bổ dưỡng và tốt cho sức khỏe trong ngành thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm do đặc tính đa chức năng của chúng Tuy nhiên, do mức độ không bão hòa cao, dầu thực vật và dầu biển dễ bị oxy hóa và tạo ra mùi vị khó chịu Hơn nữa, dầu không ổn định trong điều kiện chế biến và bảo quản do nhạy cảm với ánh sáng và nhiệt, điều này hạn chế ứng dụng của chúng trong ngành công nghiệp thực phẩm Do đó, cần phải bảo vệ dầu để cải thiện độ ổn định của chúng trong quá trình xử lý, chế biến và bảo quản (Eratte và cộng sự, 2018) Những biến động này ảnh hưởng tiêu cực đến các sản phẩm đã phát triển về thời hạn sử dụng, đặc tính cảm quan và khả năng chấp nhận chung (Ojagh & Hasani, 2018) Vi bao là một phương pháp được sử dụng rộng rãi để khắc phục các vấn đề nêu trên bằng cách bảo vệ vật liệu lõi khỏi nhiệt, ánh sáng và oxy, do đó thúc đẩy sự ổn định, tăng khả dụng sinh học, che giấu hương vị và giải phóng có kiểm soát, đồng thời duy trì các đặc tính chức năng của dầu và tăng tính dễ xử lý của chúng (Fang & Bhandari, 2010)

1.2 Tính cấp thiết và lý do chọn đề tài

Hiện nay, do nhu cầu ngày càng tăng về các thành phần chức năng và các sản phẩm thực phẩm phức tạp nên việc ngăn ngừa sự oxy hóa và đặc tính giải phóng có kiểm soát trở nên quan trọng hơn Trong nhiều thập kỷ qua, vi bao bằng kỹ thuật sấy phun đã được áp dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm và là công nghệ chiếm ưu thế vì nó khá rẻ và đơn giản (Drusch & Schwarz, 2006) Vi bao đang trở thành công nghệ phổ biến được sử dụng với các loại dầu trên khắp thế giới, chẳng hạn như vi nang dầu cọ, vi nang dầu cá, vi nang dầu dừa, vi nang các hoạt chất sinh học tan trong dầu… được sử dụng làm nguyên liệu thực phẩm (Mohammed và cộng sự, 2020) Việc vi bao các loại dầu khác nhau bằng cách sấy phun đã được thử nghiệm không chỉ bảo vệ dầu khỏi quá trình oxy hóa mà còn cho các ứng dụng đa dạng hơn của dầu trong các sản phẩm thực phẩm (Bae & Lee, 2008) Mặc dù trên thế giới có rất nhiều nghiên cứu về vi bao dầu, vitamin tan trong dầu, các chất có hoạt tính sinh học bằng phương pháp sấy phun nhưng có rất ít nghiên cứu với vật liệu liệu bao gói là HS và

MD Nghiên cứu trước đã chứng minh rằng việc sử dụng tinh bột biến tính với MD sẽ tạo ra vi nang có hiệu quả vi bao tốt (Tonon và cộng sự, 2012a)

Trên cơ sở này, chúng tôi cho rằng việc sử dụng tinh bột hydroxypropyl làm vật liệu bao gói cho các chất ưa dầu có khả năng mang lại hiệu quả tốt Chính vì vậy mà chúng tôi đã

chọn đề tài “Ảnh hưởng của tinh bột hydroxypropyl đến nhũ tương O/W và vi bao bằng kỹ thuật sấy phun nhũ tương” làm đề tài nghiên cứu của mình

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

Nhiều hoạt chất sinh học có tính ưa dầu dễ bị hư hỏng ở điều kiện thường Việc vi bao các hợp chất này có thể bảo vệ các đặc tính chức năng của chúng Tinh bột tự nhiên có tính ưa nước, điều này gây hạn chế trong việc tạo ra hệ nhũ tương O/W ổn định Do đó để tinh bột có thể trở thành vật liệu bao gói lý tưởng cho quá trình vi bao các hợp chất ưa dầu, tinh bột phải trải qua quá trình biến tính nhằm gia tăng thêm các gốc kỵ nước Chính vì thế, mục tiêu chính của đề tài này là nghiên cứu các tính chất của vật liệu bao gói là tinh bột hydroxypropyl Thông qua việc bao gói dầu, có thể khẳng định vật liệu này có khả năng bao gói các chất ưa dầu khi chúng được hòa tan trong chất mang là dầu

1.4 Giới hạn và phạm vi nghiên cứu

Tinh bột hydroxypropyl hiện nay đã được biến đến và có nhiều ứng dụng rộng rãi và đa dạng trong nhiều ngành công nghiệp, tuy nhiên đối với ngành công nghệ thực phẩm vẫn còn nhiều mới mẻ Trong báo cáo này, tập trung nghiên cứu các tính chất của HS để vi bao dầu Các tính chất của HS được thể hiện qua kết quả đánh giá độ ổn định của nhũ tương và hiệu quả vi bao cùng với các tính chất hóa lý của vi nang Từ kết quả đánh giá độ ổn định của nhũ tương, có thể chọn ra công thức nhũ tương phù hợp nhất từ HS để sấy phun Mẫu này sẽ được so sánh với hai mẫu đối chứng có vật liệu bao gói là tinh bột sắn thô (TS) và maltodextrin (MD)

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nhiều loại thực phẩm có bản chất là nhũ tương, ví dụ: sữa, kem, sốt salad, mayonaise, bánh kẹo, đồ uống,… Việc nghiên cứu về nhũ tương và sấy phun để sản xuất vi nang dầu này có thể là tiền đề cho các nghiên cứu với các chất ưa dầu và ứng dụng với một số loại tinh bột biến tính hoặc hỗn hợp giữa tinh bột biến tính với vật liệu bao gói thứ cấp khác làm vật liệu bao gói cho các chất ưa dầu Chúng tôi mong muốn rằng từ nghiên cứu nhỏ này có thể trở thành cơ sở nghiên cứu cho nhiều sản phẩm không chỉ trong lĩnh vực thực phẩm, mà còn có dược phẩm, mỹ phẩm,

1.6 Bố cục của báo cáo

Bài báo cáo được trình bày với các nội dung có bố cục như sau: - Chương 1: Mở đầu

- Chương 2: Tổng quan - Chương 3: Vật liệu và phương pháp - Chương 4: Kết quả - biện luận - Chương 5: Kết luận và đề xuất

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan về kỹ thuật vi bao

2.1.1 Định nghĩa

Kỹ thuật vi bao được định nghĩa là kỹ thuật bao gói các thành phần có hoạt tính sinh học có lợi trong các cấu trúc vi nang rất nhỏ, phủ kín bởi vật liệu bao gói có dạng màng mỏng (có thể là dạng đơn lớp hoặc đa lớp) Vật liệu lõi được kiểm soát cơ chế giải phóng theo khả năng tan rã của màng vỏ ở điều kiện phù hợp được trình bày ở hình 2.1 Một số hợp chất có thể được bao gói bên trong vật liệu bao gói cụ thể tạo ra vi nang hình cầu nhỏ có đường kính từ 1 μm đến vài 100 μm Các vi nang siêu nhỏ có dạng hình cầu với một lớp vỏ bao quanh nhân, một số khác có hình dạng không đối xứng hoặc đa hình dạng (Choudhury et al., 2021)

Hình 2.1 Hai loại cấu trúc vi nang (Jafari và cộng sự 2008) Kích thước của các giọt được hình thành thông qua quá trình bao gói có thể được phân loại là: macro (> 5000 μm), micro (1,0 – 5000 μm) và nano (<1,0 μm) Các vi nang có kích thước dưới 1,0 μm thường được gọi là các vi nang nano, thường được chế tạo bằng các phương pháp bao gói nano rất chuyên dụng (King và cộng sự, 1995)

Hai cấu trúc chính là vi nang đơn lõi và đa lõi được thể hiện ở hình 2.1 Loại vi nang đơn lỗi thường được tạo ra bằng quá trình đông tụ phức hợp, sấy tầng sôi, co-extrusion Trong vi nang đa lõi, được sản xuất chủ yếu bằng phương pháp sấy phun, vật liệu lõi được phân tán khắp vật liệu thành và khu vực trung tâm bị chiếm bởi khoảng trống do sự giãn nở của các giọt trong giai đoạn sấy như trong hình 2.1 (Teixeira và cộng sự, 2004) Vi nang với cấu trúc này thường có tải trọng lõi chiếm 20–30% tổng trọng lượng vi nang Một số kỹ thuật

bao gồm kính hiển vi điện tử quét (SEM) có thể được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc bên ngoài và bên trong của các vi nang (Talmon và cộng sự, 1988)

2.1.2 Phân loại vi nang

Dựa trên các tính chất vật lý và hóa học của vật liệu lõi, thành phần của vật liệu bao gói và phương pháp vi bao được sử dụng sẽ thu được các loại vi nang khác nhau được thể hiện ở hình 2.2: hình cầu đơn giản được bao quanh bởi vật liệu bao gói (monolayer), vi nang có lõi không đều (irregular), nhiều lõi riêng biệt trong màng liên tục (multicore) của vật liệu bao gói, các vi nang nhiều vách (multilayer) và các giọt lõi được nhúng trong ma trận vật liệu bao gói (matrix), (Roberts & Taylor, 2000)

Vi bao đơn lớp (Monolayer)

Vi bao đa lớp (Multilayer)

Vi bao ma trận (Matrix)

Vi bao đa lõi (Multicore)

Vi bao vô định hình (Irregular) Hình 2.2 Các loại vi nang khác nhau (Choudhury và cộng sự, 2021)

2.1.3 Phương pháp vi bao

Tùy thuộc vào loại vật liệu bao gói được sử dụng, các kỹ thuật khác nhau được sử dụng để sản xuất các vi nang và những kỹ thuật này dẫn đến sự khác biệt về tính chất của các vi nang như kích thước vi nang, hình thái học, độ xốp, độ hút ẩm, tính kỵ nước, sức căng bề mặt và đặc tính nhiệt Các thuộc tính này lần lượt có liên quan chặt chẽ đến việc giải phóng có kiểm soát của lõi được bao gói Vật liệu lõi cần phải được bảo vệ đúng cách để được giải phóng ở mức thời gian cụ thể, do đó cải thiện hiệu quả của quá trình vi nang và dẫn đến phạm vi ứng dụng rộng rãi Các yếu tố chính ảnh hưởng đến việc giải phóng lõi bao gồm bản chất của vật liệu lõi, tỷ lệ giữa vật liệu lõi và vật liệu bao gói, bản chất của vật liệu bao gói và sự tương tác giữa hai chất này (Roberts & Taylor, 2000)

Phương pháp vi bao thường được phân loại thành ba nhóm chính: phương pháp hóa học, phương pháp vật lí và phương pháp hóa lý Tuy nhiên, cách phân loại này có thể không hoàn toàn chính xác vì một số phương pháp được phân loại dựa vào tính cơ học, một số phản ứng hóa học và một vài kỹ thuật hóa học hoặc dựa trên các thông số vật lý (Jyothi và cộng sự, 2010)

2.1.3.1 Phương pháp hóa học Phản ứng trùng hợp bề mặt (Interfacial polymerization, IFP)

Trong kỹ thuật này được đặc trưng bởi sự hình thành màng qua sự trùng hợp nhanh của các monomer trên bề mặt của các giọt nhỏ hoặc các giọt lõi đã được phân tán Chất được sử dụng làm vật liệu bao gói là các monomer đa chức năng, khả năng của một monomer hình thành liên kết hóa học với các monomer khác được gọi là đa chức năng, nó cũng là một tính chất thiết yếu của monomer Chúng sẽ được sử dụng riêng lẻ hoặc kết hợp, monomer đa chức năng hòa tan trong vật liệu lõi lỏng và nó sẽ được phân tán trong pha nước có chứa chất phân tán Một amin đa chức năng đồng phản ứng sẽ được thêm vào hỗn hợp Điều này dẫn đến sự trùng hợp nhanh chóng ở bề mặt và việc tạo ra vỏ nang diễn ra nhanh chóng (Jyothi và cộng sự, 2010)

Polymer hóa tại chỗ (In situ polymerization)

Sự hình thành lớp vỏ vi nang xảy ra do các monomer trùng hợp được thêm vào phản ứng vi bao Trong quá trình này, không có tác nhân phản ứng nào được thêm vào vật liệu lõi, quá trình trùng hợp chỉ xảy ra ở pha liên tục và ở phía pha liên tục của bề mặt được hình thành bởi vật liệu lõi phân tán và pha liên tục Ban đầu, một chất có trọng lượng phân tử thấp sẽ được hình thành, trong quá trình phản ứng chất có trọng lượng phân tử thấp này tăng kích thước, nó lắng đọng trên bề mặt của vật liệu lõi phân tán ở đó bằng cách tạo ra một lớp vỏ vi nang rắn (Jyothi và cộng sự, 2010)

2.1.3.2 Phương pháp hóa lý Vi bao giọt tụ (Coacervation)

Coacervation là một thuật ngữ được sử dụng trong hóa học keo để biểu thị quá trình tách pha liên kết gây ra bởi sự thay đổi môi trường môi trường (pH, cường độ ion, nhiệt độ, độ hòa tan) trong các điều kiện được kiểm soát Trong quá trình này, pha chứa nhiều polymer được gọi là pha đông tụ, trong khi pha chứa rất ít polymer được gọi là pha cân bằng (Nairm, 1995) Khả năng tạo gel phụ thuộc vào tính chất của vật liệu bao gói khi được nhỏ giọt vào trong một môi trường thích hợp Dựa trên các hệ polymer tham gia phản ứng và cơ chế tách pha có hai loại quá trình vi bao giọt tụ đó là quá trình tụ giọt đơn giản và phức tạp (Timilsena và cộng sự, 2019)

Quá trình vi bao giọt tụ đơn giản, một polymer duy nhất được tham gia và các chất đông tụ được hình thành do cơ chế khử nước hoặc háo nước bằng cách bổ sung muối hoặc chất lỏng khử gọi là chất đông tụ vào môi trường phản ứng (Timilsena và cộng sự, 2019)

Quá trình vi bao giọt tụ phức hợp nhờ vào sự tương tác ion giữa hai hay nhiều polymer tích điện trái dấu nhau, thường là protein và polysaccharide dẫn đến sự hình thành giọt tụ và tách pha (Bachtsi & Kiparissides, 1996) Yếu tố chính thúc đẩy quá trình đông tụ phức tạp là tương tác tĩnh điện giữa các đại phân tử tích điện có trong môi trường phản ứng Tuy nhiên, lực liên phân tử van der Waals , tương tác kỵ nước trong protein lưỡng cực và sự thay đổi cấu trúc nucleic acid do liên kết hydro giữa các phân tử cũng đóng vai trò quan trọng trong quá trình đông tụ phức hợp Trong đó, các loại vật liệu tạo màng có bản chất là protein có thể được sản xuất từ động vật như gelatin, whey protein, albumin, hoặc sản xuất từ thực vật như protein của đậu nành, đậu hà lan, lúa mì, giọt chia, ngũ cốc, còn đối với các vật liệu polysaccharide bao gồm alginate, chitosan, gum arabic, pectin, agar, carrageenan và carboxymethyl cellulose (Timilsena và cộng sự, 2019)

2.1.3.3 Phương pháp vật lý Ép đùn (Extrusion)

Phương pháp ép đùn được sử dụng để vi bao các chất mùi dễ bay hơi, kém ổn định với vật liệu bao gói Để sử dụng phương pháp này, vật liệu lõi và vật liệu bao gói không thể trộn lẫn vào nhau Ở đây, vật liệu lõi và vật liệu bao gói được truyền theo cách sao cho vật liệu bao gói bao quanh lõi và chúng được truyền qua các vòi phun đồng tâm, do đó tạo thành các giọt chứa lõi được bao quanh bởi vật liệu bao gói Sau đó quá trình hóa rắn được thực hiện bằng cách làm lạnh hoặc sử dụng bể tạo gel thích hợp trong đó các giọt rơi xuống và đông đặc lại do hình thành phức chất Các vỏ bọc được tạo thành bằng phương pháp này có kích thước tương đối lớn hơn so với được tạo thành bằng bất kỳ phương pháp nào khác và công nghệ này cũng hữu ích với các vật liệu bao gói bị hạn chế Chỉ có thể sử dụng một số vật liệu bao gói chủ yếu là MD và tính bột Thêm vào đó, phương pháp chỉ được áp dụng cho dung dịch có nồng độ khá thấp khoảng 8%, vì ở nồng độ cao hơn sản phẩm sẽ kém ổn định vật liệu lõi dễ bị khuếch tán ra ngoài và bị oxy hóa (Choudhury và cộng sự, 2021)

Sấy phun lạnh (Spray cooling/Chilling)

Sấy phun lạnh là phương pháp làm lạnh phun bao gói rất giống với phương pháp sấy phun trong quá trình vận hành, điểm khác biệt chính là việc sử dụng không khí lạnh trong quá trình sấy Hỗn hợp vật liệu lõi và vật liệu bao gói được nguyên tử hóa để tạo thành các giọt chất lỏng siêu nhỏ bên trong buồng sấy, ở đó tác nhân sấy là không khí được làm lạnh Nhiệt độ thấp trong buồng sấy dẫn đến sự đông đặc của các giọt siêu nhỏ, dẫn đến sự hình thành bột được vi bao Đây là kỹ thuật vi bao có chi phí thấp nhất, nhưng ở kỹ thuật này vật liệu

lõi có xu hướng bám dính trên bề mặt ngoài của vật liệu bao gói thường là chất béo Các thành phần này sẽ dễ dàng được giải phóng khi tiếp xúc với môi trường thực phẩm, đây cũng là nhược điểm của phương pháp sấy lạnh bởi liên kết của vật liệu bao gói và lõi là không bền (Wegmüller và cộng sự, 2006)

Sấy phun (Spray drying)

Trong các phương pháp vi bao vật lý thì phương pháp sấy phun là phương pháp đặc biệt lý tưởng để tạo ra chế phẩm vi nang có các tiêu chuẩn về chất lượng như kích thước, hình thái của hạt, độ ẩm, độ hòa tan… Quá trình vi bao sấy phun nguyên liệu đưa vào thiết bị sấy phun có dạng dung dịch và huyền phù trong trại thái phân tán, quá trình trao đổi nhiệt diễn ra bên trong long thể tích các giọt chất lỏng được phun ra Chế phẩm sấy phun thu được ở dạng bột, các sản phẩm được lấy ra nhờ một hệ thống thu hồi riêng (Singh & Dixit, 2014)

Sấy phun là phương pháp bao gói được sử dụng phổ biến nhất trong ngành công nghiệp thực phẩm Đây cũng là một trong những phương pháp bao gói lâu đời nhất, đã được sử dụng vào những năm 1930 (Shahidi & Han, 1993b) Sấy phun được định nghĩa là quá trình chuyển đổi vật liệu từ trạng thái lỏng sang dạng giọt khô bằng cách phun vật liệu vào môi trường sấy nóng với tác nhân sấy là không khí (Anandharamakrishnan & Ishwarya, 2015b)

Ưu điểm của công nghệ vi bao sấy phun là tạo ra các hạt vi nang có hình dạng và kích thước tương đối đồng nhất Thời gian tiếp xúc giữa các hạt chất lỏng và tác nhân sấy trong thiết bị là rất ngắn Do đó các tổn thất ảnh hưởng đến hoạt tính sinh hoặc hợp chất dinh dưỡng nhạy cảm với nhiệt của vật liệu được bao gói là không đáng kể Tỷ lệ khối lượng của cấu tử không bay hơi trong vi nang xấp xỉ mẫu lỏng ban đầu Hệ thống sấy phun có năng suất cao và có thể hoạt động liên tục góp phần làm hiện đại hóa các quy trình sản xuất công nghiệp

Nhược điểm đối với phương pháp này không thể áp dụng cho các nguyên liệu có độ nhớt cao hoặc chế phẩm sấy phun thu được có yêu cầu tỷ trọng cao Ở mỗi thiết bị sấy phun chỉ được thiết kế để sản xuất một số sản phẩm với những tính chất và chỉ tiêu riêng đặc thù Đối với chi phí lắp đặt và đầu tư thiết bị là khá lớn

Sự bay hơi của hơi ẩm trong quá trình sấy phun có thể được chia thành hai giai đoạn: giai đoạn tốc độ không đổi và giai đoạn làm giảm tốc độ rơi “falling rate period” Việc kiểm tra động học sấy của quá trình sấy phun là rất quan trọng trong việc dự đoán sự truyền nhiệt và khối lượng trong vật liệu sấy Ban đầu, khi giọt nước tiếp xúc với khí nóng, quá trình bay hơi diễn ra nhanh chóng Trong quá trình tiếp xúc này, giọt nước được làm nóng từ nhiệt độ

ban đầu (T0) đến nhiệt độ nhiệt độ bay hơi cân bằng (Teq) (Hình 2.3, AB) Trong giai đoạn này, quá trình loại bỏ độ ẩm diễn ra theo chu kỳ tốc độ không đổi của đường cong tốc độ sấy vì độ ẩm được loại bỏ liên tục khỏi bề mặt của giọt nước để giữ cho nó đủ mát (Handscomb và cộng sự, 2009)

Hình 2.3 Động học của quá trình sấy phun giọt chất lỏng (Handscomb và cộng sự,2009) Bề mặt giọt nước vẫn bão hòa độ ẩm ở giai đoạn này và nhiệt độ của nó không đổi ở nhiệt

từ chất lỏng Ngoài ra, giọt co lại do sự bay hơi của pha nước (giai đoạn 1, Hình 2.4) (Anandharamakrishnan & Ishwarya, 2015b; Handscomb và cộng sự, 2009)

Hình 2.4 Sơ đồ thể hiện quá trình tạo giọt (Anandharamakrishnan & Ishwarya, 2015b)

(1) là giai đoạn giọt nước bị co lại do sự bay hơi của pha nước; (2) là giai đoạn hình thành lớp vỏ; (3) là quá trình loại bỏ độ ẩm; (4) là giai đoạn hình thành lỗ rỗng (phần màu trắng)

Khi quá trình loại bỏ độ ẩm khỏi giọt nước diễn ra, chất tan hòa tan trong chất lỏng đạt đến nồng độ vượt quá nồng độ bão hòa và có xu hướng hình thành lớp vỏ mỏng ở bề mặt giọt nước được mô tả là sự hình thành lớp vỏ (giai đoạn 2, Hình 2.4) (Anandharamakrishnan & Ishwarya, 2015b; Handscomb và cộng sự, 2009)

Sự bắt đầu hình thành lớp vỏ là một đặc tính động học quan trọng của quá trình sấy phun khi nó chuyển từ sấy ở nhiệt độ thấp sang sấy ở nhiệt độ cao Sau khi hình thành lớp vỏ, quá trình loại bỏ độ ẩm chuyển sang quá trình khuếch tán được kiểm soát và tốc độ bay hơi phụ