Để bảo về các hợp chất có lợi trong dầu gấc như beta-carotene, lycopene, vitamin E... đồng thời mở rộng phạm vi ứng dụng cho sản phẩm dầu gấc thì cần
phải tìm biện pháp bảo vệ nhằm giảm mức độ oxy hóa/ bay hơi của những hợp chất này, nhằm mục đích kéo dài thời hạn sử dụng cho sản phẩm chứa các hợp chất đó. Công nghệ vi nang là một lựa chọn đầu tiên để giải quyết yêu cầu này.
Thiết bị nhỏ giọt có thể chỉ đơn giản là một ống hút, ống tiêm, vòi phun, ống phun, máy cắt, đĩa phun, luồng không khí đồng trục, hoặc điện trường (hình 1.8 bởi Zhang và cộng sự năm 2007 cho cấu tạo một hệ thống nhỏ giọt và phun). Thông thường, các hạt được tạo ra có đường kính từ 0.2 đến 5 mm tùy thuộc vào công cụ nhỏ giọt và độ nhớt của dung dịch alginate. Ngoài ra, phương pháp ép đùn hoặc nhỏ giọt có thể được sử dụng với một vòi phun đồng trục (co-extrusion) để tạo ra loại hạt vi bao dạng lõi-vỏ (core-shell) với lõi (core) là một hợp chất ưa lipit và vỏ (shell) là một mạng lưới gel. Trong một nghiên cứu gần đây của Prüsse và cộng sự (2008), các kỹ thuật khác nhau được sử dụng phổ biến để tạo hạt được phân tích để kiểm tra khả năng tương tác với những chất lỏng có độ nhớt khác nhau. Công nghệ nhỏ giọt hoặc ép đùn này chỉ phù hợp cho việc sản xuất các hạt dạng hình cầu (đường kính lên tới 800 mm) từ các dung dịch natri alginate có độ nhớt thấp với nồng độ nhỏ hơn 2% (w/w), trong khi các dung dịch natri alginate có độ nhớt cao khó có thể được xử lý với kỹ thuật rung. Với các công nghệ tĩnh điện, hệ thống cắt phản lực, và luồng không khí thổi đồng trục các vi cầu tạo ra được phân bố đều và kích thước khá đồng nhất .
Hình 1.8. Kỹ thuật tạo vi nang. (a) cắt dòng, (b) nhỏ giọt, (c) ly tâm, (d) nhỏ giọt có dòng khí, (e) nhỏ giọt trong điện trường.
Hơn nữa, kỹ thuật nhỏ giọt được so sánh với những phương pháp khác trên phương diện năng suất. Năng suất thu được hạt từ công nghệ sử dụng dòng khí
đồng trục và tĩnh điện là rất thấp. Vì vậy, các công nghệ này được giới hạn cho các ứng dụng nhỏ hoặc quy mô phòng thí nghiệm khi chỉ có một số lượng ít mẫu được xử lý.
Hình 1.9. Hệ thống nhỏ giọt trong thí nghiệm
Kỹ thuật rung giúp tăng năng suất tới hơn 50 lần so với các kỹ thuật nói trên. Ngoài ra, hệ thống rung rất thích hợp cho quy mô phòng thí nghiệm cũng như các quy mô ứng dụng lớn khi sử dụng các thiết bị đa vòi phun cho quy mô lớn.
Kỹ thuật sử dụng máy cắt có thể phù hợp cho cả quy mô phòng thí nghiệm và quy mô công nghiệp để sản xuất các vi cầu. Ngoài cách sử dụng hệ tạo gel canxi- alginate, người ta có thể chuẩn bị các vi cầu với nhiều hệ khác, ví dụ, bằng cách thả k-carrageenan 4% vào kali clorua 0,3 M, hoặc sử dụng gelatin hay một dung dịch agar được đun nóng thả vào một bể được làm lạnh.
Hình 1.10. Hệ thống tạo hạt bằng phương pháp cắt. 1.3. Tình hình nghiên cứu tạo vi nang dầu gấc ở Việt Nam.
Công nghệ vi nang là một lĩnh vực rất được thế giới quan tâm và cũng đã có rất nhiều công bố khoa học về tạo vi nang các hợp chất hòa tan trong dầu ( tinh dầu, dầu cá, axit béo không no PUFA,…). Phương pháp phổ biến sử dụng là phương pháp sấy phun và phương pháp đông tụ. Tuy nhiên, vi nang dầu gấc thì hiện nay có rất ít công bố trên thế giới.
Công bố gần đây nhất là của Kha và cộng sự nghiên cứu ảnh hưởng của điều kiện sấy đối với quá trình sấy màng gấc ở nhiệt độ từ 120oC đến 200oC với vật liệu trợ sấy là maltodextrin ở các nồng độ khác nhau ( 10%, 20%, 30%). Hiệu suất tạo vi nang đạt từ 30 – 80% (Kha và cộng sự 2010).
Nghiên cứu của Vương và cộng sự 2005, Viện Công nghiệp thực phẩm, thử nghiệm tạo vi nang beta – carotene thu được từ nấm sợi Blakeslea trispora bằng phương pháp đông tụ với gelatin làm rắn bằng glutaraldehyde và phương pháp bay hơi dung môi sử dụng chitosan. Đối với phương pháp bay hơi dung môi, vi nang tạo thành có màu nâu đậm, hiệu suất tạo vi nang đạt được 27.27%, đồng thời hạt vi nang có kích thước dưới 100µm. Đối với phương pháp đông tụ, nhóm tác giả đã tạo
được vi nang có màu vàng cam, có kích thước dưới 400µm với hiệu suất tạo vi nang lên tới 80.68%. Tuy nhiên, sản phẩm vi nang tạo thành theo hai phương pháp này không có khả năng hòa tan vào trong nước.
Nghiên cứu của Đặng và cộng sự 2009, Đại học Dược Hà Nội, nghiên cứu tạo hạt nano dầu gấc với phương pháp khuếch tán nhũ tương và polymer hóa bề mặt. Nghiên cứu sử dụng polyvinyl alcohol làm vỏ vi nang.
Ngoài ra, các công bố về sản xuất bột gấc mới chỉ quan tâm đến chế độ tách chiết và sấy để bảo quản hoạt tính của dầu gấc chứ chưa quan tâm tới biện pháp bảo vệ các hoạt tính đó (tạo vi nang) (Tran 2007).
CHƯƠNG 2: NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là nghiên cứu công nghệ tạo vi nang dầu gấc sử dụng chất bao gói chitosan theo phương pháp nhỏ giọt.
2.2. Nguyên vật liệu nghiên cứu 2.2.1. Nguyên liệu 2.2.1. Nguyên liệu
Dầu gấc nguyên chất sản xuất tại Công ty TNHH Đông Phương, Cần Thơ. Chitosan nguồn gốc Trung Quốc, độ DA > 90%, độ nhớt dung dịch 1% trong acid acetic 1% đạt 13,3 – 14,3 cP.
2.2.2. Hóa chất a. Acid Acetic a. Acid Acetic
Acid acetic, hay còn gọi là etanoic, là một axít hữu cơ, mạnh hơn acid carbonic. Phân tử gồm nhóm methyl liên kết với nhóm carboxyl. Giấm là acid acetic nồng độ từ 2–6%. Giấm được điều chế bằng cách lên men rượu etylic.
Công thức: C2H4O2
Điểm nóng chảy: 16 °C
Mật độ: 1,05 g/cm³
Điểm sôi: 118 °C
Khối lượng phân tử: 60,05 g/mol
b. Chất hoạt động bề mặt
Span 80
Hình 2.1. Công thức cấu tạo của chất hoạt động bề mặt Span 80
Công thức phân tử: C24H44O6
Khối lượng phân tử 428,61g/ mol
Chỉ số OH: 190 – 220 (mg KOH/g) Tỷ trọng: 0.994g/ml ở 20oC Điểm chớp cháy: > 110oC Chỉ số Iot: 60 – 75 (mg Iot/g) Chỉ số HLB: 4.3 Chỉ số xà phòng hóa: 140 – 160 (mg KOH/g)
Hàm lượng nước: 0.5% max
Chỉ số acid: 8.0 max (mg KOH/g)
Tween 80
Hình 2.2. Công thức cấu tạo của chất hoạt động bề mặt Tween 80
Công thức phân tử: C66H124O26
Khối lượng phân tử: 1310 g/mol
Là chất lỏng màu vàng nhạt, không độc hại
Nhiệt độ sôi: 100oC Tỷ trọng: 1.08 g/ml Chỉ số HLB: 15 Điểm chớp cháy: >110oC Chỉ số xà phòng hóa: 45 – 55 (mg KOH/g) Điểm vẩn đục: 93oC
Hàm lượng nước: 3% max
Lecithin
Hình 2.3. Công thức cấu tạo của chất hoạt động bề mặt Lecithin
Có tính tạo nhũ và làm bền nhũ tương
Có màu nâu vàng, khồng độc hại
Phân tán trong nước
Tan tốt trong dầu, các dung môi không phân cực
Ký hiệu: E322
Chỉ số HLB = 3 – 4 ( đối với lecithin phân cực thấp), HLB = 10 -12 (đối với lecithin hiệu chỉnh)
c. Dung môi
n – hexan
Hình 2.4. Công thức cấu tạo của dung môi n – hexan
Là một thành phần quan trọng của xăng. Chất lỏng không màu ở nhiệt độ phòng. Là dung môi không phân cực, dễ bay hơi có mù giống xăng. Tương đối an toàn và phần lớn trơ với các chất khác.
Khối lượng phân tử: 86.18 g/mol Tỉ trọng: 0.655 g/cm3 Nhiệt độ đông đặc: -95oC Nhiệt độ sôi: 69oC Điểm từ phát cháy: 233.9oC Petroleum ether
Hình 2.5. Công thức cấu tạo của dung môi Petroleum ether
Petroleum ether còn được gọi là benzine, naphtha petroleum hay ligroine, là một hỗn hợp hydrocarbon lỏng không màu, dễ bay hơi, dễ cháy, không tan trong nước, thường được sử dụng như một dung môi không phân cực.
Khối lượng phân tử: 87 – 90 g/mol
Khối lượng riêng : 0.625 – 0.660 g/cm3
Nhiệt độ sôi: 20 – 75oC
Aceton
Hình 2.6. Công thức cấu tạo của dung môi Aceton
Aceton là hợp chất hữu cơ. Là một chất lỏng dễ bay hơi, dễ cháy, không màu và là dạng ceton đơn giản nhất.
Điểm nóng chảy: - 95oC
Điểm sôi: 56oC
Khối lượng phân tử: 58.08 g/mol
Cồn tuyệt đối.
\
Hình 2.7. Công thưc cấu tạo của cồn tuyệt đối
Công thức phân tử: C2H5OH
Nồng độ 99.5%
Là chất lỏng không màu, mùi thơm dễ chịu và đặc trưng, vị cay, nhẹ hơn nước
Khối lượng riêng: 0.7963g/ml ở 15oC
Nhiệt độ sôi: 78.39oC, dễ bay hơi, hóa rắn ở -114.15oC
Tan trong nước vô hạn, tan trong eter và chloroform hút ẩm, dễ cháy, khi cháy không có khói và ngọn lửa có màu xanh da trời.
d. Kiềm
NaOH
Natri hydroxit tạo thành dung dịch kiềm mạnh khi hào tan trong dung môi như nước.
Điểm nóng chảy: 318oC
Khối lượng phân tử: 39.997 g/mol
Điểm sôi: 1.388oC
Có thể tan trong nước, methanol, etanol.
KOH
Kali hydroxit là một hydroxit kiềm mạnh có tính ăn mòn. Là một chất rắn kết tinh màu trắng, ưa ẩm.
Điểm nóng chảy: 406oC
Khối lượng phân tử: 56.1056 g/mol
Điểm sôi: 1.327oC
2.2.3. Dụng cụ, trang thiết bị
Bảng 2.1. Dụng cụ và trang thiết bị phục vụ nghiên cứu. Dụng cụ Trang thiết bị
Pipet 10ml, đồ bóp nhựa. Con cá từ.
Cốc thủy tinh. Ống đong 250ml. Đũa thủy tinh. Ống hút nhựa.
Bình định mức 10ml. Ống nghiệm nút xoáy. Giấy lọc, giấy bạc.
Đĩa nhựa, muỗng, rây lọc, thau nhựa, khăn giấy.
Ống nhỏ hạt 6 đầu.
Băng keo, giấy ghi nhãn, túi đựng mẫu.
Phểu lọc thủy tinh. Cốc sứ 30ml có nắp. Bình hút ẩm.
Găng tay, khẩu trang y tế. Ống đong 250ml. Ống ly tâm. Cân phân tích. Cân kỹ thuật. Máy khuấy từ. Tủ lạnh.
Thiết bị đồng hóa (hiệu IKA T18 Basic, ULTRA_TURRAX).
Bể ổn nhiệt (tủ ấm 40 – 45oC). Tủ sấy 105oC.
Kính hiển vi soi nổi: Model Motic BA 300; kính hiển vi 3 mắt ngắm có camera và máy tính.
Phần mềm chụp ảnh MC Camera. Phần mềm đo kích thước hạt ImageJ 14.6.
Máy đo quang UV-VIS Máy đo lưu biến.
Máy Vortex.
Máy đo độ nhớt hiệu
BROOKFEIELD dòng Viscometer – DV – I Prime, mode LVDV_I, serial AP 6522124.
Máy đo pH cầm tay. Máy ly tâm.
Thiết bị lọc hút chân không. Máy nghiền mẫu khô. Máy đánh siêu âm.
2.3. Phương pháp nghiên cứu 2.3.1. Quy trình tạo vi nang 2.3.1. Quy trình tạo vi nang
Hình 2.1: Quy trình tạo vi nang sử dụng đầu nhỏ giọt 6 đầu Thuyết minh quy trình:
Dung dịch chitosan 3,5% được chuẩn bị trong acid acetic 1%, để tan hoàn toàn qua đêm. Nhũ tương chitosan – dầu gấc được tạo thành bằng cách đồng hóa hỗn hợp (chitosan, dầu gấc 3%, chất nhũ hóa 5%) tại tốc độ 19000 v/ph trong 10 phút. Nhũ tương sau đó được nhỏ giọt vào dung dịch kiềm NaOH hoặc KOH với các nồng độ khác nhau (0.5M, 1M, 1.5M, 2M). Hạt được ngâm trong kiềm 60 phút, rửa bằng nước cất 3 lần và để khô tự nhiên.
2.3.2. Phân tích tính chất hạt vi nang
2.3.2.1. Phân tích hàm lượng beta – carotene trong hạt
Hàm lượng beta-carotene trong hạt được xác định theo phương pháp xây dựng bởi Nguyễn Thị Hiền (2014). Beta-carotene được trích ly với hỗn hợp Petroleum ether/ Aceton (1/1 v/v). Dịch chiết được mang xác định độ hấp thụ ánh sáng tại bước sóng 451nm. Hàm lượng beta-carotene được tính từ đường chuẩn sau :
Hàm lượng beta-carotene trong dịch mang đo (µg/ml) = BC = 55,968*A451 + 8,2593 Hàm lượng beta-carotene trong mẫu (mg/g) = BC*1000*v*f/m
Trong đó :
- v là thể tích dịch chiết (ml) - f là hệ số pha loãng
- m là khối lượng mẫu
2.3.2.2. Phân tích tính lưu biến của hạt.
Tính chất lưu biến của hạt được đo trên máy đo lưu biến CR-500DX. Cường độ lực nén sử dụng 1N, tốc độ di chuyển đầu do 60 (mm/min).
Các thông số khảo sát: - Lực tạo gel (Gel strength) - Độ cứng (Hardness)
2.3.2.3. Phân tích kích thước và hình dạng hạt.
Kích thước và hình dạng của hạt được quan sát dưới kính hiển vi soi nổi sử dụng camera và phần mềm chụp ảnh Future WinJoe. Hình ảnh sau đó được xử lý trên phần mềm ImageJ 14.6.
Các thông số được xác định bao gồm:
- Phân bố kích thước hạt (theo diện tích – Area)
- Độ tròn – Circularity (Tỷ lệ giữa chu vi thực của hạt và chu vi của đường tròn có cùng diện tích, có giá trị từ 0 – 1).
oĐộ tròn > 0,96: Hạt tròn (Primery spheres)
oĐộ tròn <0,96 và 0,896: hạt méo (Primery misshapen)
oĐộ tròn <0,896: Kết tụ (Agglomerates)
- Tính liên tục của bề mặt – Solidity (Tỷ lệ giữa diện tích thực của hạt và diện tích đa giác ngoại tiếp nhỏ nhất, có giá trị từ 0 – 1).
2.3.3. Xử lý số liệu
Mỗi thí nghiệm được lặp lại ít nhất 3 lần. Số liệu được xử lý trên phần mềm Statistica 7.1.
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Ảnh hưởng của điều kiện đông tụ tới quá trình tạo hạt 3.1.1. Ảnh hưởng của điều kiện đông tụ tới hiệu quả tạo hạt
Chitosan có khả năng tạo hạt khi tiếp xúc với dung dịch kiềm. Ở đây, chúng tôi khảo sát 2 loại dung dịch kiềm có hằng số phân lý khác nhau: KOH và NaOH. Nồng độ khảo sát trong khoảng 0.5M – 2.0M. Hiệu quả tạo hạt được đánh giá thông qua hàm lượng beta-carotene có trong hạt. Ba loại chất nhũ hóa đồng thời được khảo sát bao gồm: Span80, Tween80 và Lecithin (sau đây được gọi là mẫu Span, mẫu Tween và mẫu Lecithin).
Hình 3.1. Hàm lượng beta-carotene trong hạt tại các nồng độ kiềm khác nhau. (A) NaOH; (B) KOH
Thảo luận:
Ảnh hưởng của dung dịch kiềm
Khi trích ly mẫu Span, Tween, Lecithin nhỏ giọt trong dung dịch kiềm NaOH và KOH với các nồng độ 0.5 M, 1 M, 1.5 M, 2M với dung môi PE – acetone thì phổ dịch chiết beta–carotene (hấp thụ ánh sáng UV – Vis ) của các mẫu hạt vi nang thể hiện sự đồng dạng với phổ hấp thụ ánh sáng UV – Vis của mẫu dầu gấc ban đầu. Điều này chứng tỏ quá trình tạo hạt không bị ảnh hưởng tới tính chất của dầu gấc, có thể đảm bảo an toàn được cấu trúc của hoạt chất.
Carotenoid là hoạt chất có tính bền trong môi trường kiềm. Phân tích ANOVA cho thấy không có sự khác biệt có ý nghĩa (p = 0.05) về hàm lượng beta- carotene trong hạt giữa các nồng độ kiềm sử dụng cùng một chất nhũ hóa. Nói cách khác, nồng độ kiềm không ảnh hưởng tới hiệu quả bao gói.
Ảnh hưởng của chất nhũ hóa
Quan sát ảnh hưởng của chất nhũ hóa tới hiệu quả tạo hạt, chúng tôi nhận thấy có sự khác biệt giữa các chất nhũ hóa sử dụng. Sự khác biệt này có phụ thuộc vào môi trường kiềm dùng để tạo hạt. Cụ thể, ở hầu hết các nồng độ kiềm sử dụng, với dung dịch NaOH, chất nhũ hóa cho hiệu quả bao gói cao nhất là Lecithin, trong khi đó Span80 và Tween80 không có sự khác biệt rõ rệt. Đối với dung dịch KOH, Span80 lại cho hiệu quả thấp nhất trong khi Tween80 và Lecithin không thể hiện sự khác biệt rõ rệt. Do đó, tùy vào điều kiện tạo hạt, chúng ta có thể lựa chọn chất nhũ hóa phù hợp. Ví dụ, đối với NaOH nên dùng chất nhũ hóa là Lecithin; đối với KOH có thể sử dụng cả Tween80 và Lecithin.
3.1.2. Ảnh hưởng của điều kiện đông tụ tới hàm lượng beta-carotene trong hạt theo thời gian bảo quản
Chúng tôi tiến hành xác định hàm lượng beta-carotene có trong hạt theo thời gian bảo quản. Kết quả được thể hiện trong Hình 3.2. Tỷ lệ carotenoids trong hạt được thể hiện trong Hình 3.3.
Dung dịch kiềm NaOH, chất nhũ hóa Tween 80