1.2.1. Khái niệm vi bao
Vi bao (Microencapsulation) được định nghĩa là công nghệ bao gói vật liệu trong các viên nang nhỏ, kín và có thể giải phóng vật liệu bên trong ở mức kiểm soát trong các điều kiện cụ thể (D.S. Aniesrani Delfiya1 et al, 2014; Krithika V, 2014). Cụ thể hơn, vi bao là quá trình bao gói các hạt nhỏ, chất lỏng hoặc chất khí bằng một lớp phủ hoặc nhúng chúng trong một chất nền đồng nhất (hay không đồng nhất) để tạo ra các viên nang nhỏ với những đặc tính hữu ích. Các viên nang có kích thước từ micromet đến vài milimet và có vô số hình dạng khác nhau, tùy thuộc vào vật liệu và phương pháp được sử dụng (Kashappa Goud H. Desai et al, 2005). Thông thường, không sử dụng phương pháp vi bao đối với các vật liệu có chiều dài lớn hơn 3mm. Vi bao các vật liệu nằm trong giới hạn từ 100÷1000nm. Với kích cỡ từ 1÷100nm lúc này được là nanocapsulation hay nanoencapsulation (Kashappa Goud H. Desai et al, 2005).
6
Kỹ thuật vi bao được sử dụng trong một số ngành công nghiệp như thực phẩm, hóa chất, dược phẩm, mỹ phẩm, …Trong lĩnh vực chế biến thực phẩm, kỹ thuật vi bao đã được sử dụng rộng rãi để bảo vệ các thành phần thực phẩm (như hương vị, tinh dầu, lipid, oleoresin và chất tạo màu) chống lại sự hư hỏng, bay hơi hoặc tương tác với các thành phần khác. Cơ chế bảo vệ là tạo thành một màng/tường xung quanh các giọt hoặc các hạt của vật liệu lõi. Kỹ thuật vi bao không chỉ bảo vệ chống lại tổn thất và thay đổi hóa học trong suốt quá trình sản xuất và lưu trữ thực phẩm, mà còn cho phép sản xuất các thành phần thực phẩm dưới dạng các sản phẩm dạng bột với các đặc tính mới (Cano-Higuita, D. M. et al, 2015).
Ngành công nghiệp thực phẩm sử dụng công nghệ vi bao bởi những lý do sau: - Bảo vệ vật liệu lõi nhạy cảm (như hương vị, vitamin, khoáng chất, lipid không bão
hòa, tinh dầu và muối) khỏi sự xuống cấp bằng cách tránh tiếp xúc với các yếu tố bên ngoài như oxi, nhiệt độ, ánh sáng, nước, ... (Kashappa Goud H. Desai et al, 2005; Anilkumar G. Gaonkar et al, 2014; Sohini Ray et al, 2015).
- Các đặc tính vật lý của vật liệu ban đầu có thể được sửa đổi và dễ xử lý hơn
(Kashappa Goud H. Desai et al, 2005; Jayanudin et al, 2016; Sohini Ray et al, 2015). - Giảm tốc độ bay hơi hoặc giảm tốc độ chuyển các hợp chất dễ bay hơi (vật liệu lõi)
vào môi trường (Jayanudin et al, 2016, Sohini Ray et al, 2015).
- Có thể điều chỉnh tốc độ giải phóng vật liệu theo ý muốn. Sản phẩm có thể được tùy chỉnh để phát hành chậm theo thời gian hoặc để đạt đến một điểm nhất định
(Kashappa Goud H. Desai et al, 2005; Jayanudin et al, 2016).
- Xử lý các thành phần hoạt tính quý (vật liệu này có thể được pha loãng dần với số lượng nhỏ, nhưng vẫn đạt được sự phân tán đồng đều của một lượng lớn vật liệu (Jayanudin et al, 2016, Sohini Ray et al, 2015).
- Trộn các vật liệu không tương thích bằng cách tách các thành phần trong hỗn hợp (những thành phần sẽ phản ứng với nhau) (Jayanudin et al, 2016).
- Vi bao cũng có thể được xem như một dạng bao bì thực phẩm sử dụng để che giấu mùi vị và màu sắc không mong muốn (Anilkumar G. Gaonkar et al, 2014; Filomena Nazzaro et al, 2012; Jayanudin et al, 2016; Sohini Ray et al, 2015).
1.2.2. Phân loại vi bao
Vi bao thông thường được phân thành ba loại như sau:
7
Kích thước hạt trong khoảng từ 3 đến 8μm, được gọi là microcapsule, microparticle hoặc microsphere. Các hạt lớn hơn 1000μm được gọi là macroparticle. Kích thước hạt cũng có thể phụ thuộc vào phương pháp đóng gói. Bảng bên dưới thể hiện kích thước hạt khác nhau của một số phương pháp bao gói (Jayanudin et al, 2016).
Bảng 1. 1. Kích thước hạt dựa trên phương pháp vi bao (Jayanudin et al, 2016).
STT Phương pháp vi bao Kích thước hạt (μm)
1 2 3 4 5 6 Simple coacervation Complex coacervation Sấy phun Sấy lạnh Ép đùn
Sấy tầng sôi (Fluidised bed)
20 – 200 5 – 200 1 – 50 20 – 200 200 – 2000 >1000
➢ Phân loại theo hình thái
Phân loại vi bao dựa trên hình thái: Hình thái hạt phụ thuộc vào vật liệu bao phủ và phương pháp vi bao. Theo Jayanudin và cộng sự (2016), hình thái các viên nang được phân thành:
- Đơn lõi: Viên nang có một lõi được bao bọc trong vỏ. - Đa lõi: Viên nang có nhiều lõi được bao bọc trong vỏ.
- Matrix: Vật liêu lõi được phân phối đồng nhất trong vật liệu tường.
Từ ba loại kể trên có thể phân thành nhiều loại nhỏ hơn, chẳng hạn như: lõi đơn với đa vỏ; đa lõi với đa vỏ. Các loại hình thái khác nhau sẽ sẽ ảnh hưởng đến quá trình giải phóng vật liệu lõi bên trong. Lớp phủ đơn (vỏ đơn) sẽ khác quy trình giải phóng so với đa vỏ. Hình thái này được điều chỉnh theo nhu cầu giải phóng mong muốn. Các viên nang với nhiều lớp vỏ sẽ ổn định hơn so với một lớp vỏ. Hình bên dưới thể hiện phân loại vi bao dựa trên hình thái (Jayanudin et al, 2016).
8
Hình 1. 5. Các loại vi bao, A. Đơn lõi; B. Đa lõi; C. Matrix; D. Đơn lõi - đa vỏ, E.
matrix với đa vỏ (Jayanudin et al, 2016).
➢ Phân loại theo phương pháp sử dụng
Theo phương pháp sử dụng, vi bao được chia thành 2 loại:
Loại đầu tiên – microcapsule, được đặt tên như vậy bởi vì nó có hình thái vỏ lõi được xác định rõ, các viên nang siêu nhỏ được tạo ra bằng phương thức hóa, vật liệu lõi sẽ được lớp vỏ bao quanh (Anilkumar G. Gaonkar et al, 2014; Kashappa Goud H. Desaiet al, 2005).
Loại thứ hai - microsphere, được hình thành cơ học, thông qua một quá trình tạo sương hoặc quá trình nghiền, nhờ đó mà vật liệu lõi được phân phối vào chất mang (chất nền). Vật liệu lõi tồn tại ở dạng các giọt/ hạt nhỏ rời rạc được phân tán trong chất nền (matrix) (Anilkumar G. Gaonkar et al, 2014).
Hai loại này khác nhau về hình thái và cấu trúc bên trong hạt cũng như phương pháp sử dụng, sự khác biệt được thể hiện ở các hình bên dưới (Anilkumar G. Gaonkar et al, 2014; Filipa Paulo et al, 2017).
9
Hình 1. 6. Hình thái học và vật liệu lõi phân bố vào chất nền của 2 loại vi bao (Anilkumar G. Gaonkar et al, 2014).
Hình 1. 7. Sự khác biệt về cấu trúc bên trong giữa microcapsule (A) và microphere (B) (Filipa Paulo et al, 2017).
1.2.3. Vật liệu sử dụng cho công nghệ vi bao
Lựa chọn quy trình vi bao phụ thuộc vào tính chất vật lý và hóa học của lõi và vỏ, rất nhiều phương pháp vi bao đã được phát triển đáp ứng nhiều chức năng khác nhau. Nói chung, được chia thành hai, phương pháp hóa học và vật lý (Jayanudin et al, 2016).
Vật liệu sử dụng làm lớp vỏ (màng bao thường không hòa tan và không phản ứng với vật liệu lõi (chất bao) bên trong. Lớp vỏ thường chiếm khoảng 1÷80% khối lượng của các viên vi bao. Có thể làm từ các vật liệu khác nhau như các loại đường, gum, protein, polysccharide (tự nhiên hay biến tính), lipid, sáp và polymer tổng hợp tùy thuộc vào tính chất của vật liệu lõi. Đối với vật liệu lõi có tính chất kị nước thì phải dùng vật liệu vỏ ưa nước, chẳng hạn như polysaccharide, protein và polymer được sử dụng để vi bao. Ngược lại, với vật liệu lõi ưa nước thì thường sử dụng là lipid, sáp và polimer. Một số vật liệu được sử
10
dụng cho công nghệ vi bao được liệt kê ở bảng 1.3 bên dưới (Anilkumar G. Gaonkar et al, 2014).
Thành phần của lớp vỏ là yếu tố chính quyết định các tính chất chức năng của vi nang và về cách sử dụng nó để cải thiện đặc tính của vật liệu lõi. Vật liệu vi bao lý tưởng cần phải đáp ứng các yêu cầu sau (Kashappa Goud H. Desaiet al, 2005; Sohini Ray et al, 2015):
- Tính chất lưu biến tốt ở nồng độ cao và khả năng làm việc dễ dàng trong quá trình vi bao.
- Khả năng phân tán hoặc nhũ hóa vật liệu lõi và ổn định hệ nhũ tương được tạo ra. - Không tương tác với vật liệu được đóng gói (vật liệu lõi) cả trong quá trình vi bao và
lưu trữ.
- Khả năng giữ vật liệu lõi trong suốt quá trình xử lý hoặc lưu trữ.
- Khả năng bảo vệ tối đa vật liệu lõi trước các điều kiện môi trường (ví dụ: oxy, nhiệt, ánh sáng, độ ẩm, …).
- Có thể hòa tan trong các dung môi sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp thực phẩm (ví dụ: nước, ethanol).
- Không phản ứng hóa học với vật liệu lõi. - Giá thành không quá tốn kém.
Bởi vì trên thực tế không có vật liệu đơn nào có thể đáp ứng tất cả các tiêu chí được liệt kê ở trên. Do đó, thông thường cần sử dụng hai vật liệu kết hợp với nhau để vi bao.
Bảng 1. 2.Vật liệu vi bao có tính ưa nước (Anilkumar G. Gaonkar et al, 2014).
Polysaccharide Polysaccharide (Biến tính) Polysaccharide (Gum) Protein (Thực vật) Protein (Động vật) Polymer
Đường Dextrin Gum arabic Đậu Gelatin PEG
Tinh bột Cyclodextrin Alginate Lúa mì Casein PVA
Syrup Glucose Tinh bột OSA Carageenan ngô WPC PVP
Maltodextrin Cellulose Pectin WPI Dẫn xuất
Cellulose Caseinate Chitosan
11
Bảng 1. 3.Vật liệu vi bao có tính kị nước (Anilkumar G. Gaonkar et al, 2014).
Lipid Sáp Polymer
Chất béo rắn Sáp ong Shellac
Chất béo hydro hóa Sáp Paraffin Ethyl cellulose
Glyceride Sáp carnuba
Phospholipid Sáp vi tinh thể
Acid béo Ester sorbitan Sterol thực vật
Đối với cucurmin - có tính chất kỵ nước, sử dụng kết hợp hai vật liệu để vi bao là carbohydrate và protein.
1.2.3.1. Carbohydrate
Carbohydrate như tinh bột, syrup ngô và maltodextrin thường được sử dụng làm vật liệu vi bao. Những vật liệu này sử dụng như một chất độn hoặc vật liệu tạo nền. Chúng được coi là chất vi bao tốt vì thể hiện độ nhớt thấp ngay cả ở hàm lượng chất rắn cao và độ hòa tan tốt, nhưng hầu hết đều thiếu các đặc tính cần thiết (tính chất hoạt động bề mặt- khả năng nhủ hóa) cho hiệu suất vi bao cao và thường phải kết hợp với các vật liệu khác như protein hoặc gum để tăng hiệu quả vi bao (Anilkumar G. Gaonkar et al, 2014; A. Gharsallaoui et al, 2007).
➢ Maltodextrin
Lựa chọn maltodextrin làm vật liệu vi bao bởi vì nó có khả năng hút ẩm thấp, chi phí thấp (Priscila S. Müller et al, 2016;Cano-Higuita, D. M. et al, 2015). Cũng như đã nói ở trên, maltodextrin có độ nhớt thấp ngay cả khi nồng độ cao, tạo thành lóp màng bảo vệ những vật liệu dễ bay hơi. Ngoài ra còn có tác dụng chống oxy hóa hiệu quả (Priscila S. Müller Et Al, 2016).
Maltodextrin sử dụng làm vật liệu vi bao có mức DE từ 10 – 20. Là sản phẩm của quá trình thủy phân không hoàn toàn từ tinh bột bằng enzyme hoặc bằng acid. Là polysaccharide không ngọt, và có công thức hóa học: (C6H10O5)n.H2O (A. Gharsallaoui et al, 2007).
12
Hình 1. 8. Công thức cấu tạo của maltodextrin.
1.2.3.2. Protein sữa
Các loại protien sữa nói chung hay whey nói riêng là nguyên liệu vi bao hiệu quả. Điều này là do protein sữa có độ hòa tan tốt, khả năng nhũ hóa, tạo độ nhớt, tạo gel và đặc tính tạo màng. Hơn nữa, các tính chất chức năng của protein sữa có thể được sửa đổi hoặc cải thiện bằng cách áp dụng các kỹ thuật xử lý thích hợp, mở rộng việc sử dụng chúng trong nhiều ứng dụng, bao gồm cả vi bao (Anilkumar G. Gaonkar et al, 2014). Các protein này có các đặc tính chức năng tuyệt vời như độ hòa tan, độ nhớt, độ nhũ hóa và đặc tính tạo màng và sẽ có khả năng được sử dụng trong đóng gói. Trong quá trình hình thành nhũ tương, các phân tử protein sẽ bị hấp phụ nhanh chóng ở giao diện nước dầu mới hình thành. Kết quả lớp ổn định steric ngay lập tức bảo vệ các giọt dầu chống lại sự hợp giọt và sau đó cung cấp sự ổn định vật lý cho nhũ tương trong quá trình xử lý và lưu trữ (Atmane Madene et al, 2006). Ngoài ra, whey protein có khả năng liên kết với các hợp chất kị nước và amphiphilic như các hợp chất màu, vitamin, acid béo, … (W. Liu et al, 2015).
Các đặc tính tạo màng và nhũ hóa của protein sữa/whey protein được sử dụng để ổn định hệ nhũ tương. Các protein cũng tạo thành chất nền hỗ trợ và bảo vệ thành phần được vi bao khi nhũ tương được sấy phun (Anilkumar G. Gaonkar et al, 2014).
➢ Whey protein
Whey là một phức hợp protein có nguồn gốc từ sữa, là chế phẩm của quá trình sản xuất phô mai và sữa đông tụ (curd). Các thành phần của whey bao gồm beta-lactoglobulin, alpha-lactalbumin, albumin huyết thanh bò (bovine serum albumin), lactoferrin, immunoglobulin, enzyme lactoperoxidase, glycomacropeptide, lactose và khoáng chất.
13
Whey protein có dạng hình cầu, khả năng hòa tan và chất lượng cao hơn so với casein (Keri Marshall, 2004).
Có nhiều sản phẩm whey, mỗi loại khác nhau về lượng protein, carbohydrate, immunoglobulin, lactose, khoáng chất và chất béo. Bảng 1.5 mô tả các sản phẩm whey protein khác nhau trên thị trường hiện nay (Keri Marshall, 2004).
Bảng 1. 4. Các loại whey có sẵn trên thị trường (Keri Marshall, 2004).
Loại whey Protein (%) Hàm lượng chất béo, lactose, khoáng
Whey Protein Isolate 90 - 95% Ít nếu có.
Whey Protein Concentrate
25-89%, thông thường là 25%
Một ít chất béo, lactose và khoáng. Khi nồng độ protein tăng, hàm lượng chất béo, lactose và khoáng chất giảm.
Hydrolyzed Whey
Protein Không xác định Thay đổi theo hàm lượng protein.
Undenatured Whey Concentrate
Thường nằm trong khoảng từ 25 – 89%
Một ít chất béo, lactose và khoáng. Khi nồng độ protein tăng, hàm lượng chất béo, lactose và khoáng chất giảm.
Tính chất của whey protein: Bao gồm nhũ hóa tốt, tạo gel và tạo màng, đặc tính vi bao tốt cho các hợp chất lõi dễ bay hơi và không bay hơi, và bảo vệ chống oxy hóa tuyệt vời
(Ordoñez Eraso et al, 2013).
Sự tương tác giữa protein và các hợp chất dễ bay hơi được tạo ra bởi khả năng liên kết của whey protein cô đặc- lactoglobulin, α-lactalbumin. Những thành phần này có đặc điểm phù hợp để bảo vệ thực phẩm và các hợp chất hoạt động khác. Khi các hợp chất đã bị biến tính trước đó, các nhóm disulfide tự do có thể thúc đẩy sự hình thành các mạng ba chiều ổn định như quá trình tổng hợp hoặc màng, và một chất hóa dẻo thích hợp thúc đẩy các tập hợp protein whey hình thành do biến tính nhiệt, các tập hợp này liên kết chéo trong quá trình sấy khô, bước liên kết chéo sau, hình thành liên kết S - S cộng hóa trị (Ordoñez Eraso et al, 2013).
14
Ưu điểm của quá vi bao bằng whey protein bao gồm khả năng hòa tan trong nước, khả năng giữ lại lõi và hiệu suất vi bao > 90%. Cấu trúc lưỡng tính của protein sữa tạo ra các đặc tính bề mặt tuyệt vời, bao gồm khả năng hấp thụ giao diện dầu - nước và ổn định nhũ tương (Ordoñez Eraso et al, 2013).
1.2.4. Phương pháp vi bao
Như đã đề cập trước đây, có hai cách phân loại vi bao dựa trên sự hình thành của các microsphere hoặc microcapsule. Microsphere thường được hình thành bằng phương pháp vật lý, và các kỹ thuật liên quan bao gồm sấy phun, phun lạnh (spray cooling) , đĩa quay (spinning disk), phủ chất lỏng (fluid-bed coating), ép đùn,... Các quá trình hóa học liên quan đến sự hình thành của microcapsule bao gồm tách pha, bay hơi dung môi, phân cực (interfacial polarization), coextrusion, coacervation, nanoencapsulation và liposome. Các phương pháp khác nhau được sử dụng cho công nghệ vi bao được trình bày ở bảng bên dưới.
Bảng 1. 5. Các phương pháp sử dụng trong vi bao (Anilkumar G. Gaonkar et al, 2014).
Phương pháp vật lý Phương pháp hóa học
Sấy phun Tách pha (Phase separation)
Sấy lạnh Bay hơi dung môi (Solvent
evaporation)
Spinning/rotating disc Coacervation
Sấy tầng sôi (Fluidized bed) Interfacial polymerization
Ép đùn Liposome
Coextrusion Coextrusion
Molecular encapsulation Nanoencapsulation
Multiple emulsions
Trong đó, sấy phun là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất do chi phí thấp hơn so với các phương pháp khác, thiết bị có sẵn, vận hành liên tục, dễ dàng tự động hóa và công nghiệp hóa. Sản phẩm hạt tạo ra có chất lượng tốt và có thể sử dụng cho các thành phần lõi nhạy cảm với nhiệt (Anilkumar G. Gaonkar et al, 2014; Adem Gharsallaoui et al, 2007; Kashappa Goud H. Desaiet al, 2005; D.S. Aniesrani Delfiya1 et al, 2014). Một ưu điểm khác là khả năng tạo ra bột có kích thướt hạt nhỏ và độ ẩm thấp. Tuy nhiên, kỹ thuật sấy
15
phun trong vi bao có hạn chế chính đó là vật liệu vi bao phải có độ hòa tan tốt trong nước. Một nhược điểm khác là sự kết tụ giữa các hạt bột có thể xảy ra (Anilkumar G. Gaonkar et al, 2014; Kashappa Goud H. Desaiet al, 2005) (xem chi tiết ở bảng 1.7).
Bảng 1. 6.Ưu và nhược điểm của phương pháp sấy phun (Jayanudin et al, 2016).