Ứng dụng của hóa keo trong lĩnh vực thực phẩm và mỹ phẩm

Theo kích thước hạt phân tán - Dựa vào kích thước hoặc đường kính của hạt phân tán, các hệ phân tán được chia làm 3 loại chính sau: • Hệ phân tán phân tử: Trong hệ, chất phân tán ở dạng

Bộ Giáo Dục và Đào Tạo Trường Đại Học Nông Lâm TP Hồ Chí Minh

Bộ Môn Công Nghệ Hóa Học

Báo cáo: Ứng Dụng Của Hóa Keo Trong Lĩnh Vực Thực Phẩm Và Mỹ Phẩm

GVHD:Nguyễn Bảo Việt Sinh viên thực hiện: Nhóm 7

A GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ HÓA KEO

I ĐỊNH NGHĨA

• Hóa keo là lĩnh vực hóa học nghiên cứu về các cách chế tạo, đặc điểm và biến đổi các hệ keo Hệ keo là một hệ thống phân tán các phần tử có kích thước từ một phần triệu cho đến vài phần ngàn milimét Các phần tử này được phân tántrong một môi trường phân tán

• Hệ keo là một hệ phân tán giữa dung dịch và huyền phù Hệ keo không có áp suất thẩm thấu, không tăng nhiệt độ sôi và không giảm nhiệt độ đông đặc của môi trường phân tán (gọi là các tính chất của hệ keo) Các hạt keo thường mang điện tích hấp thụ vì thế mà có thể tách chúng ra bằng phương pháp điện

di Các hạt keo chống sự kết tụ của các loại hạt keo khác thường được gọi là keo bảo vệ, thí dụ như dextrin

II PHÂN LOẠI CÁC HỆ KEO

1.

Theo kích thước hạt phân tán

- Dựa vào kích thước hoặc đường kính của hạt phân tán, các hệ phân tán được chia làm 3 loại chính sau:

• Hệ phân tán phân tử: Trong hệ, chất phân tán ở dạng những phần tử rất nhỏ, kích thước nhỏ hơn 10-7cm, chúng là những phân tử và ion đơn giản

• Hệ phân tán keo: Gồm các hạt phân tán có kích thước 10-7 đến 10-4cm Hệ phân tán keo thường được gọi là hệ keo hoặc son (sol)

• Hệ phân tán thô: Gồm các hạt có kích thước lớn hơn 10-4cm, hệ thô là hệ vi dịthể không bền vững

2.

Theo trạng thái tập hợp pha của hệ

- Phương pháp đơn giản cho cách phân loại này là dựa vào pha môi trường của

hệ để phân loại các hệ vi dị thể

• Môi trường phân tán khí: Gọi chung là son khí (aeorosol) gồm các hệ: Hệ L/K (các giọt lỏng phân bố trong pha khí) như: mây, sương mù… Hệ R/L (các hạt rắn phân bố trong pha khí) như: khói, bụi… (Hệ K/K là hệ phân tán phân tử)

• Môi trường phân tán lỏng: Gồm các hệ: Hệ K/L (Các bọt khí phân bố trong pha lỏng) như: bọt xà phòng trong nước… Hệ L/L (các giọt lỏng phân bố trong pha lỏng) như: huyền phù, keo vô cơ… trong nước

• Môi trường phân tán rắn: Gồm các hệ: Hệ K/R (các hạt khí phân bố trong pha rắn) như: bọt khí trong thuỷ tinh, các vật liệu xốp… Hệ L/R (các giọt lỏng phân bố trong môi trường rắn) như những giọt lỏng trong mô động, thực vật…

Hệ R/R (các hạt phân tán rắn trong pha rắn) như: thuỷ tinh mầu, hợp kim…

3 Theo cường độ tương tác giữ hạt phân tán và môi trường của hệ

- Các hệ vi dị thể trong môi trường lỏng được chia làm 2 loại là các hệ keo ghétlưu và hệ keo ưa lưu

• Hệ keo ghét lưu: Hệ gồm các hạt phân tán hầu như không liên kết với môi trường thì được gọi là hệ keo ghét lưu hoặc hệ keo ghét dung

môi(lyophobe), nếu môi trường nước thì gọi là hệ keo ghét nước (hydrophobe)

• Hệ keo ưa lưu: Hệ gồm các hạt phân tán liên kết chặt chẽ với môi trường của hệ được gọi là hệ keo ưa lưu hay hệ keo ưa dung môi (lyophile), nếu môi trường nước thì gọi là hệ keo ưa nước (hydrophile)

III ĐẶC ĐIỂM CỦA HỆ KEO

• Dung dịch keo có khả năng phân tán ánh sáng

• Sự khuếch tán trong dung dịch keo rất chậm

• Áp suất thẩm thấu trong dung dịch keo rất nhỏ

• Dung dịch keo có khả năng thẩm tích (hạt keo không lọt qua màng bán thấm)

• Dung dịch keo không bền vững

• Dung dịch keo thường có hiện tượng điện di

IV TÍNH CHẤT CỦA HỆ KEO

1 Tính chất quang học của hệ phân tán

1.1Sự phân tán ánh sáng của hệ keo

- Khi chiếu một chùm sáng vào một dung dịch keo trong suốt để trong bóng thì thấy một dải sáng sáng mờ đục dạng hình nón xuất hiện ở phần dung dịch có ánh sáng

đi qua

- Hệ phân tán có kích thước hạt lớn hơn bước sóng phản xạ ánh sáng làm cho

hệ có màu đục Hệ heo có kích thước hạt nhỏ hơn bước sóng, nên có khả năng phân tán ánh sáng

- Đặc điểm của ánh sáng phân tán bởi hệ keo là nó bị phân cực.Theo phương tới ánh sáng phân tán hầu như không bị phân cực, trong khi đó, theo phương vuông góc với phương tới thì ánh sáng phân tán hầu như bị phân cực hoàn toàn

- Ta có thể rút ra một số kết luận như sau:

- Nhìn chung, màu sắc của sol kim loại có màu sắc rất phức tạp Nguyên nhân

là do sol kim loại vừa hấp thụ mạnh ánh sáng lại vừa phân tán ánh sáng.

2 Tính chất động học theo phân tử của hệ keo:

2.2 Sự khuyếch tán trong dung dịch keo :

- Sự khuyếch tán là một quá trình tự diễn biến để san bằng nồng độ củachất phân tán vào môi trường phân tán

- Khuyếch tán là một tính chất đặc trưng của các hệ phân tán Tốc độ khuyếch tán của các hạt keo nhỏ hơn nhiều so với tốc độ khuyếch tán của phân tử hoặc iôn, vì kích thước hạt keo lớn hơn nhiều so với phân tử hoặc iôn

- Nguyên nhân chủ yếu của sự khuyếch tán là sự chuyển động nhiệt của các phân tử chất phân tán và môi trường phân tán

2.3 Áp suất thẩm thấu của dung dịch keo:

- Thẩm thấu là sự khuếch tán một chiều của các phân tử dung môi qua màng bán thấm theo chiều hướng làm giảm nồng độ dung dịch

- Nói một cách rộng hơn thì sự thẩm thấu là sự khuyếch tán và dung môi đưa đến sự san bằng nồng độ trong toàn bộ thể tích của hệ

- Áp suất thẩm thấu của dung dịch keo chỉ phụ thuộc vào số hạt chứ không phụ thuộc vào bản chất và kích thước hạt keo

2.4 Sự sa lắng trong hệ keo :

- Khi xem xét sự khuếch tán, chúng ta đã bỏ qua lực hút của trái đất đối với các hạt phân tán Thực ra các hạt phân tán có kích thước đủ lớn như hạt phân tán thô dễ dàng bị lắng đọng xuống đáy bình, gọi là sự sa lắng Trái lại đối với dung dịch thực, cácphân tử hoặc iôn có kích thước bé thì sự chuyển động nhiệt lớn, ảnh hưởng của trọng lực trở lên không đáng kể, nghĩa là không có sự sa lắng các phân tử chất tan

- Trong thực tế, trong một hệ (đặc biệt là hệ keo và hệ phân tán thô) kích thước các hạt khác nhau phân bố trong hệ (gọi là hệ đa phân tán ) thì sự khuếch tán và sự sa lắng xảy ra phức tạp hơn nhiều

2.5 Độ nhớt của các hệ keo:

- Do dung dịch keo có các phần tử lơ lửng với kích thước lớn hơn nhiều do với kích thước phân tử thông thường Nên hệ keo có vận tốc chảy tăng, sự chảy dòng

chuyển sang chảy cuộn sớm hơn

- Mặt khác, hạt keo làm giảm khoản không gian của chất lỏng cho nên độ nhớt của dung dịch keo bao giờ cũng lớn hơn của dung dịch phân tán

3 Tính chất điện của các hệ keo :

3.1 Một số hiện tượng điện trong hệ keo:

- Hiện tượng điện di ( hay hiện tượng điện chuyển ) là hiện tượng các hạt rắn di chuyển trong môi trường lỏng, dưới tác dụng của điện trường.

- Hiện tượng điện thẩm ( hay hiện tượng điện thẩm thấu ) là sự di chuyển của pha lỏng tương đối so với pha rắn dưới tác dụng của điện trường

- Hiệu ứng Dorn : là hiện tượng dòng điện xuất hiện khi các hạt pha rắn chuyển động so với chất lỏng đứng yên Hiện tượng này ngược với hiện tượng điện di

- Hiện tượng thế chảy : sự chuyển động của pha lỏng với pha rắn làm xuất hiện dòng điện Điện thế đo được trong trường hợp này gọi là : thế chảy Hiện tượng này ngược với hiện tượng điện thẩm

- Ứng dụng của các hiện tượng điện trong hệ keo

• Áp dụng hiện tượng điện di có thể tách được các thành phần của những hỗn hợp phức tạp như cá protit tự nhiên và các chất điện ly cao phân tử

• Dùng phương pháp điện di phủ lên bề mặt vật liệu dẫn điện một lớp mỏng các hạt keo có độ đồng nhất cao với bề dày cần thiết

• Điện di còn được áp dụng để phủ cao su lên bề mặt kim loại

• Điện thẩm được ứng dụng trong việc làm khô các vật liệu xốp và lọc tách các lớp kết tủa……

3.2 Cấu tạo hạt keo ghét lưu.

- Hai thành phần chủ yếu của hạt keo là nhân keo và lớp điện kép

• Lớp điện kép được hình thành chủ yếu do sự hấp phụ

V ĐIỀU CHẾ DUNG DỊCH KEO

• Phương pháp ngưng tụ: bao gồm các biện pháp tập hợp các phần tử nhỏ thành các hạt có kích thước thích hợp

- Ngoài phương pháp thẩm tích còn có thể dùng phương pháp siêu lọc.

VI Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA HÓA KEO

1 Xử lý nước rác:

- Chất hệ keo tụ: là các loại polyme hữu cơ tan trong nước để có được khả năng tan trước hết chúng phải có mạch thẳng (cấu trúc một chiều) và mạch polyme chứa nhiều nhóm phải cực ưa nước

- Nước rác ban đầu có độ đục rất cao, tối màu, tuy hàm lượng cặn không tan, ít khí vượt quá 300mg/l Cặn không tan trong nước rác chủ yếu là thành phần hữu cơ, xác

vi sinh vật, tảo Đặc điểm của cặn không tan hữu cơ là nó có lớp vỏ Hydrat dày do tính

ưa nước của chúng và độ bền keo của chúng chính là nhờ vào lớp vỏ này, khác với tính bền của dạng vô cơ ( kỵ nước ) là nhờ lớp điện kép (hay khuếch tán) xung quanh hạt keo Cơ chế keo tụ các hạt keo hữu cơ vì vậy chủ yếu không phải là trung hoà điện tích

mà theo cơ chế phá vỡ làm vỏ Hydrat, quét kết tủa và tạo cầu nối

- Vì lý do đó, có thể dự đoán là liều lượng chất keo tụ các hệ keo kỵ nước như sông chẳng hạn, và cần sử dụng chất trợ keo tụ để giá thành vận hành cũng như phát triển hiệu quả lấy chất keo tụ dạng thương phẩm, đang được lưu hành rộng rãi trên thị trường hiện nay thuộc họ Al với hai loại sản phẩm chủ yếu là phèn đơn Al2(SO4)3 và poly nhôm clorua

- Nhôm Sunfat: Al2(SO4)3 18H2O là chất keo tụ truyền thống được sử dụng rộng rãi Không phải tất cả các thành phần hỗn hợp trong keo tụ đều có tác dụng, chỉ có thành phần Al có tác dụng keo tụ, thường được tính theo phần trăm Al2O3 và là một trong nhữnhg chỉ tiêu chất lượng hàng đầu của chất keo tụ

- Phèn đơn loại tiêu chuẩn Al2(SO4)3 có hàm lượng nhôm tính theo Al2O3 là 15,5% (8,1%Al 3+) khi sử dụng phèn Al, muối Al bị thuỷ phân và tạo ra axit Axit sinh

ra sẽ làm tụ độ kiềm của nước và làm tụ độ pH pH tụ mạnh khi độ kiềm thấp và ngược lại khi kiềm đóng vai trò là chất đệm của hệ Do sau khi keo tụ, nước đựơc tiếp tục xử lý

vi sinh để oxy hoá amoni và chất hữu cơ với vùng pH tối ưu của nó khoảng 8-9, quá trình cần một lượng kiềm khá lớn vì vậy , chế độ keo tụ cũng cần đảm bảo hài hòa các yếu tố trên

- PAC ( poly Al clorua) là loại poly vô cơ chứa thành phần nhôm oxit, hydroxyt

và clorua Nó được sản xuất từ muối nhôm với các chất kiềm

- Do được trung hòa với kiềm trước trong quà trình sản xuất, nên không sinh ra axit của chúng thấp và do mạnh phân tử đã khá lớn nên quá trình keo tụ xảy ra với tốc

độ nhanh hơn so với phèn

- Sản phẩm PAC lưu hành khá rộng rãi hiện nay nhập từ Trung Quốc với hàm lượng nhôm oxit 30% Giá cả trung bình của chúng cao hơn khoảng 2,5 lần so với phèn đơn

- Xét về nhiều khía cạnh khi keo tụ nước, nên sử dụng liều lượng PAC là 400g/m3 Cùng với 2g/m3 chất keo tụ A101 Trong quy trình keo tụ dễ gặp hiện tượng nổi do nguyên nhân tạo khí CO2(Axit của PAC với Bicac bonat trong nước, PH càng thấp khả năng tạo CO2 càng lớn) và có thể do oxi sinh ra từ quá trình quang hợp quang tảo Để khắc phục hiện tượng trên có thể sử dụng dòng khí để khuấy trộn khi keo tụ nhằm đuổi các khí sinh ra khỏi nước

- Quy trình keo tụ làm giảm một phần COD ( lượng oxy tương đương tiêu tụ để oxy hoá chất hữu cơ bằng hoá chất kali cromat) và độ màu của nước rác nó chỉ đạt tới một mức độ giới hạn Khi tiếp tục tăng liều lượng chất keo tụ, hiệu quả tách loại COD

và màu ( có lẽ chủ yếu do cơ chế hấp thụ) tăng khí PH của hệ giảm Điều đó mở ra khả năng sử dụng phương pháp keo tụ để đánh bóng nước ở giai đoạn cuối cùng như là một giải pháp hiệu quả cao nhưng được lợi về giá thành

- Hầu hết cao su tổng hợp sử dụng trong keo dán latex được chế tạo bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương, cho nên chúng thường có sẵn dạng latex

Cao su sinh thái ngày càng có tầm quan trọng trong keo dán Bởi nó có nhiều

ưu điểm và giá cả hấp dẫn Vật liệu tái sinh thu được chủ yếu từ lốp xe và thường ở dạng latex, được sử dụng trên giấy để dán nhãn, túi xách, lốp xe Trong đó keo dán giấy

là một trong những ứng dụng rất lớn của nhũ tương polyvinyl ancol Thường thì phải thay đổi các tính chất vật lý như : độ nhớt, hàm lượng rắn và độ chịu nước để thay đổi các đặc tính như : độ dính, khả năng gia công trên máy, hay giảm giá thành nhờ tinh bột, dung dịch polyvinyl ancol và đất sét Tinh bột cung cấp độ nhớt cao, cải thiện khả

năng gia công trên máy và khả năng chịu nước Đất sét cải thiện các tính chất đóng rắn nhờ điều chỉnh quá trình thấm vào các chất mềm xốp.

3 Bào chế thuốc:

- Nhũ tương thuốc là gì ?

Theo Dược Điểm Việt Nam (DĐVN) , nhũ tương thuốc gồm các dạng thuốc lỏng hoặc mềm để uống tiêm dùng ngoài được điều chế bằng cách dùng tác dụng của chất nhũ hóathích hợp để trộn đều hai chất lỏng không đồng tan được gọi là được gọi là cách quy ước dầu và nước

- Ứng dụng của nhũ tương thuốc trong ngành dược:

• Dùng đưa thuốc qua đường uống, qua da và qua trực tràng khi dược chất là dầu hoặc chất tan trong dầu dưới dạng bào chế có nồng độ hàm lượng thích hợp.Làm cho thuốc dễ uống khi dược chất là dầu vì làm giảm tính nhờn và che dấu sựkhó chịu của dầu.Ví dụ: nhũ tương dầu gan cá, nhũ tương dầu parafin, nhũ tương thầu dầu…nhũ tương dùng đường uống phải là kiểu D/N

• Gia tăng sự hấp thụ của dầu và các dược chất tan trong dầu tại thành ruột non Kiểu nhũ tương dùng đường tiêm phụ thuộc vào đường, do thuốc và mục đích điều trị Kiểu D/N có thể được sử dụng cho mọi đường tiêm, kiểu N/D chỉ dùng tiêm bắp hoặc dưới da để cho tác dụng kéo dài Ví dụ : nhũ tương tiêm bắp của một số vaccin có tác dụng kèo dài làm tăng cường đáp ứng kháng thể, kéo dài thời gian miễn dịch

Các chế phẩm dưỡng da toàn thân dùng qua đường tiêm dưới dạng nhũ tương Các nhũ tương vô trùng được chỉ định để đưa các chất béo, cacbon hydat và vitamin vào cơ thể bệnh nhân suy nhược Vài nhũ tương D/N hiện đang lưu hành trên thị trường với tiểu phân phân tán có kích thước trong khoảng 0.5-2 micromettương tự như kích thước của các vi dưỡng trấp ( là các tiểu phân béo thiên nhiên

có trong máu )

Các thuốc dùng ngòai da dạng bào chế ứng dụng cấu trúc nhũ tương nhiều nhất

Cả hai loại nhũ tương N/D, D/N đều được sử dụng cho các thuốc dùng ngoài do khả năng dẫn thuốc qua da tốt ( làm tăng hiệu quả trị liệu của chế phẩm )

- Thuốc mỡ là gì?

• Thuốc mỡ là dạng thuốc có thể chất mền, dùng để bôi lên da hay niêm mạc nhằm bảo vệ da hoặc đưa thuốc thấm qua da Thành phần thuốc mỡ gồm một hay nhiều hoạt chất được hòa tan hay phân tán đồng đều trong một tá dược hay hỗn hợp tá dược thích hợp

• Kem bôi da cũng là một loại thuốc mỡ có thể chất rất mềm và rất mịn do thành phần của nó có hàm lượng lớn các chất lỏng ( tá dược thể lỏng hoặc hoạt chất tan trong dầu hoặc nước ) thường có cấu trúc nhũ tương kiểu D/N hoặc N/D.

Ví dụ :Madecasol…Các kem thuốc có thể chất lỏng sánh được gọi là sữa dùngcho da (sữa tắm lactacid, hazelin…)

- Trong thực tế, có những trường hợp rất khó phân biệt rõ ranh giới giữa mỹ phẩm

và thuốc mỡ ví dụ :các chế phẩm chứa dầu nghệ, kẽm oxit, đất sét, long não, vitaminh

C … Một số tá dược thuốc mỡ được dùng như hoạt chất trong mỹ phẩm như các chất giữ ẩm glycerin, propilen glycol, sorbiton, silicon, dầu thực vật…

B ỨNG DỤNG CỦA HÓA KEO TRONG LĨNH VỰC THỰC PHẨM VÀ MỸ

đó chất nhũ hóa đóng vai trò rất quan trọng trong việc duy trì sự ổn định của hệ, tránh hiện tượng phân tách lớp làm giảm giá trị cảm quan của sản phẩm

- Chất nhũ hóa sử dụng trong sản phẩm sữa là các monoglycerid và diglyceride của các acid béo và rượu Chúng có tác dụng trở thành lớp phim membrane mỏng bao quanh các giọt béo có trong sữa và từ đó giúp tăng và ổn định bề mặt tiếp xúc của các giọt béo này trong quá trình đồng hóa sữa

- Sodium alginate: alginate là polysaccharide được chiết xuất từ rong nâu

Phaeophyceae, tồn tại liên kết với muối, Kali, canxi, và Magie Tùy thuộc vào từng loại

mà alginate có khả năng duy trì một số loại cấu trúc sản phẩm Người ta hay sử dụng sodium alginate như là một chất nhũ hóa ion Sodium alginate có khả năng tan trong nước lạnh và thường được dùng như chất làm “dày” dung dịch Tuy nhiên nhược điểm

của sodium alginate là khả năng hòa tan kém khi trong môi trường giàu canxi Người ta khắc phục nhược điểm này bằng cách thêm axitcitric.

Hình1: Công thức hóa học của sodium alginate

- Carrageenan: được chiết xuất từ rong đỏ thuộc Rhodophycea Có 3 loại carrageenan đãđược định danh là Kappa, iota và lamda Tuy nhiên kappa thường được sử dụng trongsản phẩm sưã hơn, đặc biệt ở sữa có bổ sung axit béo omega 3 Trong quá trình bảoquản sữa, sự ổn định của sữa lien quan đến việc duy trì hệ thixotropic Khi gia nhiệt, bềmặt cấu trúc của kappa carrageenan có thể phản ứng với nhau hay với mixen casein củasữa để hình thành gel thixotropic

Hình 2: Công thức hóa học của kappa carrageenan

- Polymer này có gốc galatose và anhydro-galatase với rất nhiều lien kết sulfate Hệthixotropic là cấu trúc gel đã được hình thành lại,có tác dụng duy trì hệ nhũ tương ổnđịnh và đồng hóa tốt Một phần bề mặt cấu trúc phân tử của kappa carrageenan có khảnăng phản ứng casein mixeo trong sữa trong quá trình gia nhiệt.Những phần cuối củaphân tử carrageenan liên kết với nhau để tạo thành một mạng lưới, mạng lưới này liên

kết với casein hình thành hệ gel thixotropic Hệ gel này chống việc hình thành “đườngkem” trong sản phẩm bằng cách làm giảm quá trình đông tụ và phân tách các hạt cầubéo.

Hình 3: Các sản phẩm sữa

2 Sữa chua:

- Trong sữa chua, hàm lượng chất béo từ 0-3,5% chất béo sữa và 10-15% chất

béo phi sữa Chất nhũ hóa thưng được sử dụng có nguồn gốc tự nhiên và đã được biếntính, chiết xuất từ rong biển (carrageenan, alginate) và gelatin

-"Alginate" là một thuật ngữ thường được sử dụng cho các muối của axit alginic,nhưng nó cũng có thể tham khảo tất cả các dẫn xuất của axit alginic và acid alginic bảnthân, trong một số ấn phẩm "algin" được sử dụng thay vì alginate Alginate có mặt trongcác bức tường tế bào của tảo nâu như canxi, magiê và muối natri của axit alginic Mụctiêu của quá trình khai thác là để có được khô, alginate natri bột, Các muối canxi vàmagiê không hòa tan trong nước, muối natri Lý do đằng sau việc khai thác các alginate

từ rong biển để chuyển đổi tất cả các muối alginate muối natri, giải thể này trong nước,

và loại bỏ các dư lượng rong biển bằng cách lọc Alginate sau đó phải được thu hồi từdung dịch nước Giải pháp là rất loãng và bay hơi của nước là không kinh tế Có haicách khác nhau khôi phục alginate

Hình 4:Công thức hóa học của alginate