1.1.1. Giới thiệu
Cây nghệ vàng Curcuma longa L. thuộc họ gừng (Zingiberaceae), được trồng nhiều ở những vùng khí hậu nóng ẩm như Trung Quốc, Ấn Độ, Indonesia, Jamaica, Peru… và Việt Nam. Củ nghệ từ lâu đã được sử dụng rộng rãi làm gia vị, chất bảo quản và chất tạo màu trong thực phẩm. Ngoài ra, củ nghệ cũng là một trong những phương thuốc dân gian hiệu quả trong chữa trị nhiều loại bệnh như vàng da, các bệnh về gan, mật, u nhọt, viêm khớp, cảm cúm, …Trong những thập kỷ gần đây, rất nhiều các nghiên cứu đã được công bố về hoạt tính sinh học và dược học của củ nghệ vàng cũng như các thành phần chiết xuất từ củ nghệ, trong đó curcumim là thành phần chính tạo nên dược tính cao và màu sắc của củ nghệ vàng, chiếm khoảng từ 2- 5% (Phan Thị Hoàng Anh, 2013; R. A. Fugita1, 2012). Curcumin là một sắc tố không hòa tan trong nước và ether nhưng hòa tan trong ethanol, dimethylsulfoxide và các dung môi hữu cơ khác (Bharat B. Aggarwal et al, 2003). Đồng thời, curcumin không bền với các điều kiện môi trường, có thể dễ dàng bị hư hỏng khi tiếp xúc với các yếu tố như pH, nhiệt độ, ánh sáng, các ion kim loại, enzyme, oxy và axit ascorbic) (Yu Wang et al, 2009). Ngoài ra, cucurmin dễ dàng tương tác với các thành phần khác tạo màu sắc và hương vị không mong muốn (D.M. Cano-Higuita, 2015; I.R. Ariyarathna, 2016).
Do mức độ ổn định không cao nên curcumin được ứng dụng rất hạn chế trong công nghệ thực phẩm. Vi bao curcumin là một giải pháp có thể khắc phục được những hạn chế này này bằng cách tăng cường độ ổn định của curcumin và cải thiện khả năng hòa tan trong môi trường nước, tạo điều kiện sử dụng như một sắc tố tự nhiên (Yu Wang et al, 2009; I.R. Ariyarathna, 2016; D. M. et al, 2015 ).
1.1.2. Cấu trúc hóa học
Curcumin thuộc nhóm hợp chất hepatanoid diaryl. Về cấu trúc hóa học, cucurmin có hai vòng thơm được liên kết thông qua một chuỗi bảy carbon. Hai nhóm aryl được thay thế đối xứng bằng các nhóm methoxy và phenolic ở vị trí ortho và chuỗi bảy carbon liên hợp, một nhóm enone và một nhóm 1,3-diketone. Tương tự khung cấu trúc này, có một số thay đổi của nhóm methoxy hoặc hydroxyl trên một hoặc cả hai vòng thơm được gọi là curcuminoids (Bùi Thanh Tùng và cộng sự, 2001; Anushree Kumar et al, 2003). Danh pháp
2
IUPAC của curcumin là (1E, 6E) -1,7-bis (4-hydroxy-3-methoxy phenyl) -1,6-heptadiene- 3,5-dione (K. Indira Priyadarsini, 2013; Anushree Kumar et al, 2003).
Hình 1. 1. Cấu trúc hóa học của curcumin (K. Indira Priyadarsini, 2013).
Hình 1. 2. Cấu trúc phân tử của curcumin (1, 2) ở dạng đồng phân enol và diketone và curcuminoid (3, 4, 5) (Liang Shen et al, 2007).
3
Hình 1. 3. Cấu trúc 3D của curcumin ở dạng enol và diketone (Liang Shen et al, 2007).
1.1.3. Tính chất hóa học
Curcumin (Diferuloylmethane) là một sắc tố có màu vàng cam tự nhiên, có điểm nóng chảy là 1830C và trọng lượng phân tử là 368.37 (Bharat B. Aggarwal et al, 2003). Mặc dù là một chất màu tự nhiên quan trọng được phép sử dụng trong thực phẩm, tuy nhiên curcumin thể hiện tính ổn định kém, dễ dàng bị hư hỏng khi tiếp xúc với các yếu tố như pH (dễ bị phân hủy ở pH > 7), nhiệt độ, ánh sáng, các ion kim loại, enzyme, oxy và axit ascorbic
(D.M. Cano-Higuita, 2015). Không hòa tan trong nước, axit và ether nhưng hòa tan trong ethanol, dimethylsulfoxide và các dung môi hữu cơ khác. Tồn tại chủ yếu ở dạng axit ferulic, feruloylmethane và các sản phẩm ngưng tụ màu nâu vàng. Ở các cấu hình này, curcumin có rất ít dược tính, không thích hợp sử dụng trong dược phẩm hay trong công nghiệp thực phẩm (Cano-Higuita, D. M. et al, 2015). Curcumin thường chứa ba thành phần chính: curcumin (77%), demethoxycurcumin (17%) và bisdemethoxycurcumin (3%) và được xem như là curcuminoids (hình 1.4) (Anushree Kumar et al, 2003; Li. W et al, 2013; Liang Shen et al, 2007; Cano-Higuita, D. M. et al, 2015).
4
Hình 1. 4. Cucurmin và các dẫn xuất chính trong củ nghệ (Bùi Thanh Tùng và cộng sự, 2011).
Về mặt quang phổ, curcumin hấp thụ tối đa ở mức 415 - 420nm trong acetone và dung dịch curcumin tinh khiết 1% có mật độ quang là 1650 đơn vị độ hấp thụ. Cucurmin có màu vàng rực rỡ ở pH 2.5 đến 7 và có màu đỏ ở pH > 7 (không bền ở khoảng pH này)
(Anushree Kumar et al, 2003; D.M. Cano-Higuita, 2015).
➢ Tác dụng sinh học của cucurmin
Các nghiên cứu in vitro, in vivo và trên lâm sàng đã chứng minh các đặc điểm dược động học, tính an toàn và khả năng cho hiệu quả điều trị với nhiều loại bệnh của cucurmin. Cucurmin đã được nghiên cứu ứng dụng nhiều trong lĩnh vực y sinh học với các định hướng tác dụng như: chống oxy hóa, ức chế con đường truyền tín hiệu tế bào, ảnh hưởng đến khả năng hoạt động của enzyme trong tế bào, khả năng thay đổi quá trình phiên mã gen và kích hoạt cơ chế làm chết tế bào theo chương trình (apoptosis). Một số khả năng tác dụng khác
5
cũng được nghiên cứu nhiều như: chống viêm, ức chế sự nhân lên của virus gây suy giảm miễn dịch ở người (HIV), kháng khuẩn, chống bệnh sốt rét, chống ung thư, bảo vệ gan, thận, … (R. A. Fugita, 2012). Tác dụng chống oxy hóa mạnh của cucurmin có thể được giải thích là do sự có mặt của các nhóm phenolic trong cấu túc. Trên in vitro, cucurmin có hiệu quả ức chế tăng sinh của tế bào ung thư buồng trứng, vú, cổ, tuyến tiền liệt, kết tràng, gan, tuyến tụy và xương (K. Indira Priyadarsini, 2013; Bùi Thanh Tùng và cộng sự, 2011).
Cucurmin có tác dụng sinh học đa dạng nhờ tác dụng lên nhiều đích, bao gồm: hoạt hóa các yếu tố phiên mã (như yếu tố nhân – kappa B, peroxisom proliferator – activated receptor – gamma và điều hòa các enzyme kinase), các cytpkine và các yếu tố tăng trưởng. Tiềm năng chống ung thư của curcumin bắt nguồn từ khả năng ngăn chặn sự tăng sinh của nhiều loại tế bào khối u (Anushree Kumar et al, 2003; Bùi Thanh Tùng và cộng sự, 2011).
Về ứng dụng trong thực tiễn, cucurmin đã được sử dụng nhiều để hỗ trợ điều trị các bệnh khác nhau như: đục thủy tinh thể, vết thương khó liền, sỏi mật, dị ứng, viêm tụy, viêm loét dạ dày, viêm ruột, sốt, hội chứng suy giảm miễn dịch, bệnh vẩy nến, bệnh Alzheimer, xơ cứng bì, suy giáp, xơ năng, xơ vữa động mạch, nhồi máu cơ tim, loãng xương, … (Bùi Thanh Tùng và cộng sự, 2011).
1.2. Tổng quan về vi bao 1.2.1. Khái niệm vi bao 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