Tài liệu Nghiên cứu các thông số tạo hệ nhũ tương dầu trong nước, ứng dụng tạo hệ nhũ tương dầu gấc

  • Số trang: 55 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 237 |
  • Lượt tải: 1
nhattuvisu

Đã đăng 27125 tài liệu

Mô tả:

LỜI CẢM ƠN Suốt thời gian học tập và rèn luyện tại trường, được sự chỉ đạo giảng dạy của thầy cô trong trường cũng như trong Viện Công nghệ sinh học và môi trường đã trang bị cho em những kiến thức lý thuyết và thực tế bổ ích, đồng thời đã tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thực hiện đề tài. Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô! Em xin chân thành tỏ lòng biết ơn đến TS. Tạ Thị Minh Ngọc và ThS. Trần Hải Đăng đã hướng dẫn tận tình, chu đáo giúp em hoàn thành tốt luận văn trong suốt thời gian em thực hiện đề tài. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô, anh chị, cán bộ phòng thí nghiệm đã tạo điều kiện giúp đỡ em rất tận tình về thiết bị máy móc để em hoàn thành tốt nội dung đề tài. Cảm ơn các thầy cô, bạn bè và gia đình đã động viên, giúp đỡ và đóng góp ý kiến giúp em hoàn tất đề tài của mình. Xin chân thành cảm ơn! Nha Trang, tháng 6 năm 2012 Sinh viên thực hiện Lê Ánh Nga i MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN DANH MỤC BẢNG................................................................................................ iii DANH MỤC HÌNH................................................................................................. iv LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................... 1 CHƯƠNG I TỔNG QUAN ......................................................................................3 1.1 Tổng quan về nhũ tương ................................................................................3 1.1.1 Hệ nhũ tương dầu trong nước...................................................................3 1.1.2 Các tính chất hóa lý cơ bản của nhũ tương ...............................................4 1.2.1.1 Các thành phần cơ bản để tạo thành hệ nhũ tương ...........................4 1.1.2.2 Các kỹ thuật tạo nhũ tương ................................................................5 1.2.2.3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của nhũ tương.......................13 1.2.2.4 Sử dụng chất hoạt động bề mặt và chất tạo nhớt để ổn định nhũ tương ............................................................................................................22 1.2.3 Một số ứng dụng của nhũ tương trong lĩnh vực thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm ........................................................................................................27 1.2 Các hợp chất carotenoids .............................................................................28 1.2.1 Nguồn gốc, phân loại...............................................................................28 1.2.1.1 Nguồn gốc ........................................................................................28 1.2.1.2. Phân loại Carotenoid......................................................................28 1.2.3 Carotenoid trong dầu gấc.........................................................................31 CHƯƠNG II NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.....33 2.1 Nguyên vật liệu..............................................................................................33 2.2 Phương pháp nghiên cứu .............................................................................33 2.2.1 Phương pháp tạo nhũ tương.....................................................................33 2.2.1.1 Chọn điều kiện khuấy thích hợp.......................................................35 2.2.1.2 Chọn điều kiện đồng hóa thích hợp .................................................35 ii 2.2.2 Xác định độ bền của nhũ tương...............................................................36 2.2.2.1 Xác định tỉ lệ pha phân tán  (volume fraction) ..............................36 2.2.2.2 Xác định vạch phân pha...................................................................37 2.2.2.3 Xác định kích thước các tiểu phân ...................................................37 2.2.2.4 Xác định độ nhớt ..............................................................................37 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ......................................................38 3.1 Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng tạo nhũ tương....................38 3.1.1 Nồng độ polymer – Độ nhớt của pha liên tục .......................................38 3.1.1 Khảo sát điều kiện đồng hóa..................................................................38 3.1.3.1 Điều kiện đồng hóa nhũ tương chitosan ..........................................38 3.1.2.2 Khảo sát điều kiện đồng hóa nhũ tương Gelatine............................39 3.1.2.3 Khảo sát tỷ lệ hai pha dầu/ nước .....................................................40 3.2 Tính chất của nhũ tương tạo thành với gelatine tại các nồng độ khác nhau......................................................................................................................40 3.2.1 Biến đổi tỷ lệ thể tích () nhũ tương theo thời gian ................................40 3.2.2 Biến đổi vạch phân pha theo thời gian ....................................................41 3.2.3 Ảnh hưởng của nồng độ gelatin lên kích thước tiểu phân.......................42 3.2.4 Biến đổi kích thước tiểu phân theo thời gian ..........................................42 3.3 Tính chất của nhũ tương tạo thành với chitosan tại các nồng độ khác nhau......................................................................................................................43 3.3.1 Biến đổi tỷ lệ thể tích nhũ tương theo thời gian......................................43 3.3.2 Biến đổi vạch phân pha theo thời gian ....................................................44 3.3.3 Ảnh hưởng của nồng độ chitosan tới phân bố kích thước của hệ nhũ tương ban đầu...................................................................................................45 3.3.4 Biến đổi kích thước tiểu phân theo thời gian ..........................................45 CHƯƠNG IV KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................47 4.1 Kết luận..........................................................................................................47 4.2 Kiến nghị........................................................................................................47 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................48 iii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1: Chỉ số của các nhóm ưa nước và kỵ nước ...............................................21 Bảng 2.1 Khối lượng riêng của nước ở áp suất 1atm ở các nhiệt độ khác nhau ......36 Bảng 3.1 Kết quả khảo sát áp suất đồng hóa nhũ tương Chitosan ...........................39 Bảng 3.2: Kết quả khảo sát áp suất đồng hóa nhũ tương Gelatine...........................39 Bảng 3.3 Kết quả khảo sát tỷ lệ dầu gấc/dung dịch polymer ...................................40 Bảng 3.4 : Biến đổi vạch phân pha của hệ nhũ tương tạo thành với Gelatine ở các nồng độ khác nhau theo thời gian .............................................................................41 Bảng 3.5: Biến đổi vạch phân pha của hệ nhũ tương tạo thành với Chitosan ở các nồng độ khác nhau theo thời gian .............................................................................44 iv DANH MỤC HÌNH VÀ SƠ ĐỒ Hình 1.1 Hai dạng nhũ tương dầu trong nước (o/w) và nước trong dầu (w/o) .........3 Hình 1.2 Thiết bị đồng hóa áp suất cao .....................................................................8 Hình 1.3: Sự hình thành hệ nhũ tương từ dầu và nước qua giai đoạn đồng hóa ......8 Hình 1.4: Kích thước giọt phân tán được sản xuất trong quá trình đồng hóa phụ thuộc vào thời gian chất nhũ hóa hấp thụ vào bề mặt giọt nhỏ và thời gian các giọt nhỏ va chạm với nhau. ................................................................................................9 Hình 1.5: Thiết bị đồng hóa sử dụng áp lực cao. Bao gồm: (1) motor chính,(2) bộ phận truyền đai, (3) đồng hồ đo áp suất, (4) trục quay, (5) piston, (6) hộp piston, (7) bơm, (8) van, (9) bộ phận đồng hóa, (10) hệ thống tạo áp suất thủy lực..................11 Hình 1.6: Các bộ phận chính trong thiết bị đồng hóa. Bao gồm: (1) bộ phận sinh lực thuộc hệ thống tạo đối áp,(2) vòng đập,(3) bộ phận tạo khe hẹp,(4) hệ thống thủy lực tạo đối áp,(5) khe hẹp..................................................................................12 Hình 1.8 Các trạng thái không bền của nhũ tương thông qua các cơ chế vật lý bao gồm: tạo cream, lắng gạn, kết tụ, đảo pha và hợp giọt. ...........................................17 Hình 1.9 Vị trí phân bố của chất hoạt động bề mặt tiếp xúc giữa hai pha nước – dầu trong hệ nhũ tương.............................................................................................19 Hình 1.10: Một micell với phần đầu kị nước hòa tan trong dầu, phần ưa nước hướng ra ngoài..........................................................................................................20 Hình 1.11: Một số kiểu cấu trúc tiêu biểu được thành lập từ sự tập hợp của các chất hoạt động bề mặt ở nồng độ tương đối thấp .....................................................20 Hình 1.12 Hình dạng chất hoạt động bề mặt và các polymer sinh học ...................22 Hình 1.13: Hình dạng đặc trưng của các polymer sinh học có cấu trúc lưỡng cực23 Hình 1.15: Vị trí phân bố của các polymer sinh học giữa hai pha dầu và nước ....24 Hình 1.22 Cấu trúc β-carotene.................................................................................29 Hình 1.27 Cấu trúc Lycopene...................................................................................29 Hình 1.28 Cấu trúc hóa học của lutein và zeaxanthin ............................................30 v Hình 3.2. Tỷ lệ thể tích nhũ tương Gelatine biến đổi theo thời gian ở các nồng độ khác nhau ..................................................................................................................40 Hình 3.3 Ảnh hưởng của nồng độ gelatine lên kich thước hạt nhũ tương ...............42 Hình 3.4: Biến đổi kích thước hạt nhũ tương theo thời gian tại các nồng độ gelatine khác nhau ..................................................................................................................43 Hình 3.5 Tỷ lệ thể tích () nhũ tương Chitosan ở các nồng độ khác nhau biến đổi theo thời gian ............................................................................................................44 Hình 3. 6 Phân bố kích thước hạt nhũ tương theo nồng đô chitosan.......................45 Hình 3.7 Biến đổi kích thước hạt nhũ tương theo thời gian tại các nồng độ chitosan khác nhau ..................................................................................................................46 Sơ đồ 2.1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm tạo nhũ tương ....................................................34 Sơ đồ 2.2: Bố trí thí nghiệm để chọn điều kiện khuấy thích hợp..............................34 Sơ đồ 2.3: Bố trí thí nghiệm để chọn điều kiện đồng hóa thích hợp ........................35 1 LỜI MỞ ĐẦU Nhiều loại thực phẩm, chưa hay đã qua chế biến tồn tại dưới dạng nhũ tương như: sữa tươi, kem, bơ, yaout, magarin, chocolate, nước sốt... Các chỉ tiêu về hóa, lý và cảm quan đặc truwg của các thực phẩm dạng nhũ tương được hình thành chủ yếu bởi 2 nhóm yếu tố: thành phần hóa học và điều kiện chế biến. Hầu hết thuộc tính của hệ nhũ tương phụ thuộc vào cấu trúc vi mô của hệ, các chất nhũ hóa, độ nhớt của pha liên tục. Những nguyên lý nền tảng cho khoa học nhũ tương bắt nguồn từ những môn khoa học polymer, khoa học về hệ keo, hóa học các chất bề mặt, cơ lưu chất. Để tạo ra một hệ nhũ tương có những tính chất mong muốn, với độ bền lâu nhất thì vấn đề cần quan tâm đến là những tính chất của nguyên liệu ban đầu, điều kiện phối trộn, điều kiện đồng hóa, chất nhũ hóa, chất hoạt động bề mặt. Theo xu hướng thời hiện đại, nhu cầu phát triển các sản phẩm chức năng có tác dụng phòng chống một số bệnh do tuổi tác và tác động xấu đến môi trường đang ngày càng ưa chuộng. Bên cạnh đó người tiêu dùng cũng có xu hướng lựa chọn những loại thực phẩm sẵn có tiện dụng. Các thành phần giúp tăng cường sức khỏe như vitamin, carotenoid, probiotic, chất khoáng, omega3, phytosterol… thường nhạy cảm với oxy, ánh sáng, nhiệt độ và nước. Các tác nhân này gây nên hạn chế về thời hạn sử dụng, sự khả dụng về hoạt tính sinh học trong các phức hợp thực phẩm. Nếu các sản phẩm có hoạt tính sinh học bị thoái hóa, chúng có thể bị mất màu, mùi, thậm chí hình thành các hợp chất gây ung thư. Do đó, tuổi thọ của các sản phẩm có bổ sung các chất này thường bị giới hạn. Hệ nhũ tương tạo một lớp áo bảo vệ các sản phẩm thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm để giảm thiểu các phản ứng với môi trường bên ngoài như ánh sáng, oxy, nước, kim loại năng, nhiệt độ… 2 Hệ nhũ tương giúp giảm sự bay hơi và dịch chuyển các hợp chất có hoạt tính sinh học trong các sản phẩm thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm ra môi trường bên ngoài. Ngoài ra, nó còn kiểm soát được sự phân giải phần bên trong nhằm đạy được sự trì hoãn phù hợp cho đến khi thực phẩm được đưa vào cơ thể. Mặt khác, lớp nhũ tương còn giấu được vài mùi hương không mong muốn như Omega 3 và Omega 6. Mục đích cuối cùng của nhũ tương là tạo sự thuận tiện và hiệu quả cao nhất với các hợp chất có hoạt tính sinh học. Vì vậy em đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu các thông số tạo hệ nhũ tương dầu trong nước (oil/water), ứng dụng tạo hệ nhũ tương dầu gấc”. Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu, khảo sát các điều kiện tạo ra một hệ nhũ tương bền. Nội dung thực hiện:  Nghiên cứu, khảo sát ảnh hưởng của polymer  Nghiên cứu, khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ dầu/nước  Nghiên cứu, khảo sát ảnh hưởng của điều kiện đồng hóa  Nghiên cứu, khảo sát ảnh hưởng của các chất hoạt động bề mặt 3 CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về nhũ tương 1.1.1 Hệ nhũ tương dầu trong nước Nhũ tương là hệ phân tán của một pha nằm trong pha khác nhưng hai pha này không trộn lẫn với nhau. Một trong các pha tồn tại như những giọt nước riêng lẽ lơ lửng trong pha thứ 2, và có một lớp ranh giới giữa 2 pha. Nhũ tương có nhiều ứng dụng quan trọng trong công nghiệp mỹ phẩm cũng như thực phẩm và tính chất của chúng có thể được kiểm soát bằng cách thay đổi các chất hoạt động bề mặt được sử dụng và các thành phần có trong các pha nước (Stig E. Friberg and Kare Larson, 1997). So sánh với các hệ thống vĩ mô mở rộng, năng lượng tự do của các hệ phân tán là lớn hơn bởi số lượng tổng thể của năng lượng bề mặt. Bởi vậy, sự va chạm giữa các giọt nhũ tương tinh khiết là kết quả trong sự hóa hợp của chúng và cuối cùng là trong sự chia tách của nhũ tương thành các pha riêng biệt. Hình 1.1 Hai dạng nhũ tương dầu trong nước (o/w) và nước trong dầu (w/o) Giữa bề mặt phân pha dầu và nước tồn tại một dạng năng lượng bề mặt (năng lượng tự do Gibbs). Do các sức căng bề mặt giữa dầu và nước, bất kỳ nhũ tương nào cũng sẽ tìm cách giảm thiểu năng lượng bề mặt bằng cách làm cho diện tích bề mặt giữa dầu và nước càng nhỏ càng tốt. Sự giảm thiểu của sức căng bề mặt đạt được bởi sự ho a hợp của giọt dầu, tạo thành các hạt dầu có kích thước lơn hơn và sau cùng là sự phân tách lớp dầu và nước. Sự hiện diện của các phân tử bề mặt hấp 4 phụ sẽ làm giảm sức ép bề mặt giữa giai đoạn dầu và nước, do đó làm giảm động lực của sự hóa hợp (phân pha). 1.1.2 Các tính chất hóa lý cơ bản của nhũ tương 1.2.1.1 Các thành phần cơ bản để tạo thành hệ nhũ tương Một hệ nhũ tương thông thường bao gồm 2 thành phần: pha phân tán và pha liên tục. Các pha này có thể là dạng khí, lỏng hoặc rắn. Phân loại hệ phân tán: - Theo kích thước hạt phân tán: + Hệ phân tán phân tử (dung dịch, dung dịch thực): d < 10-7 cm, ( phân tử, ion đơn giản), hệ đồng thể, bền, không có khả năng sa lắng. + Hệ phân tán keo: d = 10-7 – 10-4 cm, hệ siêu dị thể, lơ lủng, không bền, có thể tập hợp và lắng xuống. Ví dụ, hệ keo silic, khói, sương mù… + Hệ phân tán thô: d > 10-4 cm, hệ vi dị thể, không bền, chất phân tán dễ dàng lắng/nổi (phụ thuộc ρ của hạt và môi trường). Ví dụ, nhũ tương: các giọt lỏng phân bố trong môi trường lỏng ( các giọt dầu trong nước). - Theo trạng thái tập hợp pha của hệ: + Môi trường phân tán khí: lỏng/khí (sương mù), rắn/khí (khói bụi). + Môi trường phân tán lỏng: khí/lỏng (O2 trong nước), lỏng/lỏng (rượu trong nước) + Môi trường phân tán rắn: khí/rắn, lỏng/rắn (muối trong nước), rắn/rắn. - Theo cường độ tương tác giữa pha phân tán và môi trường của hệ. + Hệ ưa lưu + Hệ ghét lưu o Keo ưa lưu đặc trưng bởi tương tác mạnh giữa chất phân tán và môi trường phân tán. Các chất phân tán sau khi tách ra khỏi dung môi và nếu như cho tiếp xúc lại với dung môi thì nó có khả năng phân tán trở lại. Chính vì thế mà ta gọi keo này là keo thuận nghịch. Ví dụ : keo gelatin, tinh bột, gum arabic…. 5 o Keo ghét lưu do tương tác yếu nên chất phân tán sau khi kết tủa không có khả năng phân tán lại. Chúng là những keo bất thuận nghịch. Ví dụ :keo bạc sunfua, asen sunfua, bạc iotdua..... Nằm ở vị trí trung gian giữa keo ưu lưu và keo ghét lưu là loại keo lưỡng tính như các hidroxit kim loại. Sự hình thành một nhũ tương bao gồm sự tăng bề mặt liên pha kèm theo sự tăng năng lượng tự do. Việc hình thành các giọt nhũ tương sẽ đi đôi với việc tạo nên một bề mặt liên pha quan trọng giữa hai pha lỏng không trộn lẫn được. Sức căng bề mặt liên pha càng nhỏ thì nhũ tương thu được càng dễ dàng. 1.1.2.2 Các kỹ thuật tạo nhũ tương a. Các kỹ thuật phối trộn  Quá trình phối trộn Là quá trình phối chế và đảo trộn. Phối chế là quá trình pha trộn giữa hai hay nhiều cấu tử (thành phần) khác nhau để thu được một hỗn hợp (sản phẩm) đáp ứng yêu cầu đã định. Còn đảo trộn là quá trình cơ học nhằm khuấy trộn các thành phần trong hỗn hợp để chúng phân bố đều nhau. (Lê Bạch Tuyết, 1985).  Mục đích công nghệ và phạm vi thực hiện quá trình  Tạo ra sản phẩm mới: Đa số các loại sản phẩm thực phẩm không phải từ một nguyên liệu mà gồm hai hay nhiều loại nguyên liệu khác. Những thành phần tham gia tạo nên sản phẩm mới là không thể thiếu, chúng phải được phối trộn với nhau để cho sản phẩm có chất lượng đặc trưng.  Tăng chất lượng sản phẩm: Một số loại thực phẩm nếu tồn tại một mình thì chất lượng không tốt lắm nhưng khi bổ sung cho chúng một số thành phần khác thì chất lượng sản phẩm lại được tăng lên.  Hỗ trợ một số quá trình công nghệ: Phối trộn một số thành phần lại với nhau được thực hiện nhằm hỗ trợ cho một công đọa trong quy trình công nghệ. Quá trình phối trộn giúp phân bố đồng nhất các cấu tử trong hỗn hợp, tạo điều kiện cho các quá trình hóa học, sinh học tiến triển nhanh hơn, triệt để hơn. Quá trình này 6 tăng cường khả năng trao đổi nhiệt; chống hiện tượng trao đổi nhiệt cục bộ bằng cách tạo xáo động, đối lưu cưỡng búc để đồng nhất nhiệt độ.  Đặc điểm tính chất nguyên liệu và những biến đổi của chúng trong quá trình phối trộn: Nguyên liệu đưa vào phối chế thường khác nhau về tính chất vật lý, hóa học, sinh học, cảm quan. Mỗi nguyên liệu tương ứng với một giá trị chất lượng nhất định. Phối chế các nguyên liệu với nhau là để bù trừ cho nhau những thành phần chất lượng. sản phẩm thu được chắc chắn sẽ đầy đủ hơn về chất lượng so với từng cấu tử một. Quá trình phối chế có thể thực hiện với các nguyên liệu có cùng pha hoặc khác pha với nhau. Trường hợp cùng pha như phối chế giữa chất lỏng với chất lỏng như dung dịch geletine hoặc chitosan với dung dịch Tween và dầu gấc; hoặc có thể trộn với thể rắn hoặc rời với nhau như trong sản xuất bánh mì, bánh kẹo, thức ăn gia súc, thuốc lá… Các cấu tử khác pha với nhau có thể được trộn lẫn với nhau như trộn siro đường với bột; các acid, đường với bột dạng tinh thể trộn với nước quả. Khi phối trộn các cấu tử có thể dễ dàng hòa tan trong nhau tạo thành một hỗn hợp đồng nhất dưới dạng dung dịch cùng pha. Nhưng cũng có thể không hòa tan được vào nhau, sản phẩm phối trộn sẽ là hỗn hợp giữa những cấu tử riêng lẻ. trong trường hợp này, để các cấu tử phân bố đều trong hỗn hợp thì cần phải có tác động tích cực của quá trình đảo trộn. Khi tiếp xúc với nhau các cấu tử phối chế có khả năng liên kết hóa học, lý – hóa (hấp phụ) với nhau. Sự liên kết đó có thể xảy ra đối với toàn hệ cấu tử hoặc hay có thể chỉ một số thành phần trong các cấu tử đó. Quá trình phối trộn ít nhiều làm thay đổi một số tính chất vật lý, hóa học, sinh học, cảm quan của các thành phần tham gia quá trình.  Biến đổi về vật lý: quá trình đảo trộn cơ học có thể làm thay đổi thể tích các cấu tử. Các chỉ tiêu vật lý như độ mềm, độ dẻo, độ trong, độ khúc xạ ánh sáng đều có thể thay đổi và tương ứng với mỗi loại sản phẩm thu được sau khi phối chế.  Sự biến đổi trạng thái của sản phẩm: dưới tác dụng của lực đảo trộn trạng thái của hỗn hợp được hình thành tùy thuộc vào trạng thái ban đầu của các cấu 7 tử. Trạng thái của cấu tử có tỷ lệ cao hơn (tạm gọi là cấu tử chính) thường quyết định trạng thái của hỗn hợp sau khi phối chế. Ví dụ như nước quả sau khi được phối chế thêm đường, acid…thì vẫn tồn tại ở dạng lỏng. Trường hợp phối chế hai hay nhiều cấu tử khác pha với tỷ lệ các pha chênh lệch không nhiều lắm thì trạng thái hỗn hợp sẽ là trạng thái trung gian giữa các pha. Ví dụ như khi trộn nước với bột mì ta sẽ có bột mì nhuyễn, dẻo giữa trạng thái chất rắn và chất lỏng.  Những thay đổi về thành phần hóa học, sinh học, cảm quan: những chỉ tiêu này là đối tượng điều khiển của người phối chế. Tùy thuộc vào yêu cầu của sản phẩm người ta có thể điều chỉnh tăng lên hoặc giảm đi những chỉ tiêu cần thiết bằng cách bổ sung từ nguyên liệu này vào nguyên liệu khác để cuối cùng chất lượng sản phẩm tăng, chi phí giảm. Trong trường hợp phối trộn các nguyên liệu thực phẩm với nhau ít thấy có sự tạo thành hợp chất hóa học mới với khối lượng đáng kể. Hay nói cách khác là không có phản ưng hóa học mạnh. (Lê Bạch Tuyết, 1985)  Những biến đổi khác: trong phối trộn dưới tác dụng của lực khuấy các phần tử của các cấu tử trong hỗn hợp tiếp xúc với nhau nhiều hơn làm tăng khả năng liên kết giữa chúng và do đó độ đồng nhất của sản phẩm càng cao. Nếu giữa các cấu tử có xảy ra phản ứng hóa học thì tốc độ phản ứng sẽ tăng lên nhiều khi có sự đảo trộn. Đảo trộn còn làm tăng tốc độ trao đổi nhiệt giữa thiết bị truyền nhiệt và sản phẩm hay giữa sản phẩm với nhau. b. Các kỹ thuật đồng hóa  Định nghĩa: quá trình đồng hóa là sự pha trộn lẫn nhau của các chất để hình thành các pha không hòa tan khác nhau về tính đồng nhất để tạo được huyền phù hoặc nhũ tương.  Ứng dụng: một trong những ứng dụng trước đây của quá trình đồng hóa là trong quá trình chế biến sữa, hỗn hợp của một vài nhóm sữa khác nhau để tạo nên sữa đặc nguyên chất trước khi chế biến và để nhăn chặn hay làm trì hoãn sự phân tách tự nhiên của kem từ phần còn lại của nhũ tương. Chất béo trong sữa phân tách thông thường từ nước và được thu từ phần trên của sữa. Sự đồng hóa phá vỡ các 8 phần tử chất béo thành những phần tử nhỏ hơn nên những phân tử này không còn bị phân tách nữa.  Phương pháp: việc đồng hóa được thực hiện bởi một khối lượng hỗn hợp nhũ tương, sau đó tạo một áp suất lớn cho hỗn hợp thông qua một khe nhỏ. Hình 1.2 Thiết bị đồng hóa áp suất cao Kỹ thuật đồng hóa hệ nhũ tương bao gồm các phương pháp phá vỡ, làm giảm kích thước những hạt thuộc pha phân tán và phân bố đều chúng trong pha liên tục. Việc tăng diện tích bề mặt tiếp xúc giữa hai pha và sức căng bề mặt sẽ làm cho hệ nhũ tương ổn định hơn và tránh được hiện tượng tách pha (Lê Văn Việt Mẫn, 2004). Người ta thường sử dụng các phụ gia để ổn định hệ nhũ tương trong quá trình đồng hóa. Khi các hạt phân tán bị phá vỡ và giảm kích thước, chất nhũ hóa sẽ hấp thu lên bề mặt tiếp xúc giữa hai pha, tạo nên màng bảo vệ quanh các hạt phân tán được bền hơn, đồng thời chất ổn định cũng tăng cường độ nhớt của pha liên tục giúp chống lại quá trình lắng gạn và keo tụ của các hạt phân tán, giúp hệ nhũ tương bền hơn. Hình 1.3: Sự hình thành hệ nhũ tương từ dầu và nước qua giai đoạn đồng hóa 9 Hình 1.4: Kích thước giọt phân tán được sản xuất trong quá trình đồng hóa phụ thuộc vào thời gian chất nhũ hóa hấp thụ vào bề mặt giọt nhỏ và thời gian các giọt nhỏ va chạm với nhau. Quá trình đồng hóa làm tăng giá trị cảm quan, tăng hiệu quả truyền nhiệt giúp tiết kiệm năng lượng cho các quá trình tiếp theo (nếu có), chẳng hạn như thanh trùng, tiệt trùng… Quá trình đồng hóa có thể bao gồm một giai đoạn hoặc hai giai đoạn. Nhũ tương được phối trộn đồng đều trước khi đồng hóa. Các giọt phân tán sau khi qua thiết bị đồng hóa sẽ có kích thước nhỏ hơn so với giai đoạn phối trộn. Điều đó giúp hệ nhũ tương được bền hơn. Đồng hóa bằng áp suất cao Đồng hóa bằng áp suất cao là phương pháp đồng hóa thông dụng nhất để sản xuất ra hệ nhũ tương có chất lượng tốt. Phương pháp này rất hiệu quả để tạo ra một hệ nhũ tương tốt đi từ hệ nhũ tương thô.  Cơ sở khoa học 10 Trong phương pháp này thì các hạt của pha phân tán sẽ bị phá vỡ và giảm kích thước khi đi qua một khe hẹp với tốc độ cao (Lê Việt Mẫn, 2004). Kích thước của khe hẹp có thể dao động trong khoảng 15 – 300 µm và tốc độ dòng của hệ nhũ tương được đẩy đến khe hẹp có thể lên tới 50 – 200m/s. Do khe hẹp có cấu tạo với tiết diện giảm dần, tốc độ chuyển động của hệ nhũ tương sẽ tiếp tục tăng cao khi chảy qua khe hẹp. Giá trị cao nhất của tốc độ dòng sẽ phụ thuộc chủ yếu vào áp lực bơm hệ nhũ tương đến khe hẹp. Người ta giải thích cơ chế của phương pháp đồng hóa áp suất cao theo nguyên lý chảy rối (turbulence theory) và nguyên lý xâm thực khí (cavition theory).  Nguyên lý chảy rối: Khi hệ nhũ tương được bơm với tốc độ cao đến khe hẹp. Nhiều dòng chảy rối với các vi lốc xoáy xuất hiện. Tốc độ bơm càng lớn thì số dòng chảy rối sẽ xuất hiện càng nhiều và kích thước các vi lốc xoáy sẽ càng nhỏ. Chúng sẽ va đập vào các hạt của pha phân tán và làm cho các hạt này bị vỡ ra.  Nguyên lý xâm thực khí: hệ nhũ tương được bơm với tốc độ cao đến khe hẹp với tốc độ cao sẽ làm xuất hiện các bong bóng hơi trong hệ. Chúng sẽ va đập vào các hạt của pha phân tán và làm cho vỡ hạt. Theo nguyên lý này sự đồng hóa diễn ra khi hệ nhũ tương rời khỏi khe hẹp, do đó đối áp giữ vai trò quan trọng sẽ làm ảnh hưởng đến hiệu quả đồng hóa. Ngoài ra, do cấu tạo của thiết bị khi thoát ra khỏi khe hẹp, các hạt phân tán sẽ tiếp tục đập vào một bề mặt cứng. Hiện tượng này cũng góp phần làm vỡ và giảm kích thước của các hạt.  Thiết bị đồng hoá sử dụng áp suất cao (high pressure valve homogenizers). Thiết bị đồng hóa sử dụng áp suất cao gồm có hai hệ thống chính: bơm cao áp và hệ thống tạo đối áp. Bơm piston cao áp được vận hành với động cơ điện (1) thông qua một trục quay (4) và bộ truyền động (2) để chuyển đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của piston. Các piston (5) chuyển động trong xilanh ở áp suất cao. Đầu tiên mẫu nguyên liệu sẽ được đưa vào thiết bị đồng hóa bởi một piston. Bơm sẽ tăng áp lực cho hệ nhũ tương từ 1bar (3600 rpm) đến 6bar (24200 rpm) tại đầu vào của khe hẹp. Một đối áp được tạo ra trên hệ nhũ tương bằng cách điều chỉnh khoảng cách khe hẹp trong thiết bị giữa bộ phận sinh lực(1) và bộ phận tạo khe hẹp (3) đối áp này được duy trì bởi một bơm thủy lực. 11 Người ta sẽ tạo ra một đối áp lên nhũ tương bằng cách hiệu chỉnh khoảng cách khe hẹp trong thiết bị giữa bộ phận sinh lực (1) và bộ phận tạo khe hẹp (3). Đối áp này được duy trì bởi một bơm thủy lực sử dụng dầu. Khi đó , áp suất đồng hóa sẽ cân bằng với áp suất dầu tác động lên bơm thủy lực. Vòng đập (2) được gắn với bộ phận tạo khe hẹp (3) sao cho mặt trong của vòng đập vuông góc với lối thoát ra của hệ nhũ tương khi rời khỏi khe hẹp . Như vậy, một số hạt phân tán sẽ tiếp tục va vào vòng đập (2) bị vỡ ra và giảm kích thước. Bộ phận tạo khe hẹp (3) được chế tạo với góc nghiêng trung bình 5º trên bề mặt để gia tốc hệ nhũ tương theo hướng vào khe hẹp và tránh sự ăn mòn các chi tiết có liên quan. Thông thường, người ta chọn khe hẹp có chiều rộng khoảng 100 lần lớn hơn đường kính hạt phân tán. Đi ngang qua khe hẹp, tốc độ chuyển động của hệ nhũ tương có thể tăng lên đến 100  400 m/s và quá trình đồng hóa chỉ diễn ra trong khoảng 10  15 giây. Trong suốt thời gian này ,toàn bộ năng lượng áp suất được cung cấp từ piston sẽ được chuyển hóa thành động năng. Một phần năng lượng này sẽ được chuyển thành áp suất để đẩy hệ nhũ tương đi tiếp sau khi rời khe hẹp. Một phần khác được thoát ra dưới dạng nhiệt năng. Theo tính toán, chỉ có 1% năng lượng được sử dụng cho mục đích phá vỡ các hạt phân tán. Hình 1.5: Thiết bị đồng hóa sử dụng áp lực cao. Bao gồm: (1) motor chính,(2) bộ phận truyền đai, (3) đồng hồ đo áp suất, (4) trục quay, (5) piston, (6) hộp piston, (7) bơm, (8) van, (9) bộ phận đồng hóa, (10) hệ thống tạo áp suất thủy lực. 12 Hình 1.6: Các bộ phận chính trong thiết bị đồng hóa. Bao gồm: (1) bộ phận sinh lực thuộc hệ thống tạo đối áp,(2) vòng đập,(3) bộ phận tạo khe hẹp,(4) hệ thống thủy lực tạo đối áp,(5) khe hẹp. Sự gia tăng nhiệt độ của hệ nhũ tương sau quá trình đồng hóa có thể được tính theo công thức sau: T2 = P1  P* + T1 40 Trong đó: T1 là nhiệt độ hệ nhũ tương trước khi vào thiết bị đồng hóa (0C); T2 là nhiệt độ hệ nhũ tương trước khi ra khỏi thiết bị đồng hóa (0C); P1 là áp suất đồng hóa P* là áp suất sau đồng hóa.  Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả đồng hóa  Tỷ lệ phần trăm giữa pha phân tán và tổng thể nhũ tương: nếu thể tích pha phân tán chỉ chiếm một phần nhỏ so với thể tích của toàn bộ hệ nhũ tương thì quá trình đồng hóa sẽ thực hiện dễ dàng và hệ nhũ tương có độ bền cao.  Nhiệt độ: nhiệt độ mẫu càng thấp thì quá trình đồng hóa càng kém hiệu quả do một số chất béo chuyển sang pha rắn. Ngược lại, nếu nhiệt độ quá cao, chi 13 phí năng lượng cho quá trình sẽ gia tăng. Hơn nữa, các phản ứng hóa học không cần thiết sẽ ảnh hưởng đến chất lượng hệ nhũ tương. Do đó, dựa vào thành phần hóa học của hệ nhũ tương mà chọn nhiệt độ thích hợp cho quá trình. Khi tăng nhiệt độ thì độ nhớt của hệ nhũ tương sẽ giảm, các phân tử chuyển động với vận tốc nhanh hơn, sức căng bề mặt sẽ giảm nhờ đó hệ nhũ tương sẽ dễ tạo thành và ổn định hơn.  Áp suất: áp suất đồng hóa càng lớn, hiện tượng chảy rối và hiệ tượng xâm thực khí càng dễ xuất hiện, như thế các hạt phân tán được tạo thành có kích thước nhỏ và hệ nhũ tương có độ bền cao.  Chất nhũ hóa: cần phải chọn chất nhũ hóa thích hợp cho từng loại hệ nhũ tương. Chất nhũ hóa ảnh hưởng đến kích thước giọt phân tán và độ bền của hệ nhũ tương. 1.2.2.3 Một số yếu tố ảnh hưởng đến độ bền của nhũ tương a. Chuyển động Brown của các tiểu phân pha phân tán Năm 1827 Brown, nhà sinh vật người Anh đã quan sát bằng kính hiển vi sự chuyển động hỗn loạn và không ngừng của các hạt rất nhỏ trong chất lỏng, quá trình này gọi là chuyển động Brown. Trong dung dịch, các hạt luôn bị các phân tử môi trường khuếch tán va chạm, xô đẩy từ các hướng khác nhau với các vận tốc khác nhau, làm cho các hạt đó chuyển động hỗn loạn không ngừng. Đó là chuyển động Brown. Do chuyern động hỗn loạn của các phân tử, tổng xung lực (lực tác dụng trong thời gian ngắn) tác động lên hạt nhũ tương thay đổi theo thời gian, làm cho quỹ đạo chuyển động theo hình gấp khúc. Thực tế đối với hạt có kích thước cỡ 5µm chuyển động Brown là chuyển động gần như dao động ở một vị trí nào đó. Khi kích thước hạt lớn hơn 5µm thì chuyển động Brown của hạt thực tế dừng hẳn. Trong một giây, hướng va chạm của tiểu phân thay đổi 106 lần (Nguyễn Xuân Vận, 2006). Nguyên nhân chuyển động Brown của các hạt keo là do chuyển động nhiệt của các phân tử dung môi gây nên chuyển động nhiệt của các hạt keo. Chuyển động của các phần tử môi trường là hỗn loạn dẫn đến chuyển động của các của các hạt nhũ tương cũng thay đổi vận tốc và có hướng. Chuyển động hạt nhũ tương làm cho 14 hạt tương phân bố không đồng đều trong thể tích. Kích thước hạt tăng thì dẫn đến cường độ chuyển động giảm. Do chuyển động Brown nên hệ nhũ tương duy trì được trạng thái phân bố đều của các hạt trong toàn bộ thể tích và chống lại khuynh hướng sa lắng. Các tiểu phân nhũ tương tích điện cùng dấu thì đẩy nhau nên khó xảy ra khả năng kết hợp với nhau. b. Sự phá hủy nhũ tương - sự kết tụ, sự tạo kem Sự nổi lên hay sự lắng xuống của các giọt là do ảnh hưởng của trọng lực, vật sẽ rơi với tốc độ tăng dần cho đến khi cân bằng với lực ma sát cản sinh ra do môi trường xảy ra sự rơi. Sự kết tụ các giọt do sự giảm đột ngột các điện tích nên kéo theo làm giảm lực đẩy tĩnh điện giữa các giọt, thường xảy ra khi thay đổi pH hoặc lực ion. Sự kết tụ làm tăng kích thước bề ngoài của các giọt do đó làm tăng tốc độ phân lớp. Sự kết hợp giọt một cách tự phát sẽ làm tăng dần kích thước các giọt và cuối cùng dẫn đến sự phân chia hai pha thành hai lớp ngăn cách nhau bằng một bề mặt phân chia phẳng và điện tích sẽ cực tiểu. Sự sa lắng, sự kết tụ và các va chạm do chuyển động Brown hoặc chuyển động khuấy khác sẽ làm cho các giọt gần lại nhau và thường đến trước sự kết hợp giọt. Sự khử bền của nhũ tương dựa trên cùng những cơ chế của sự khử bền các thể phân tán keo. Sự nổi lên là sự phân tách các giọt khỏi pha phân tán do sự khác nhau về trọng lượng riêng, còn sự kết tụ là hiện tượng liên kết thuận nghịch các giọt . Các kết tụ thu được từ một kích thước nhất định sẽ nổi lên. Nếu sự phân tách xảy ra mạnh và đột ngột hoặc nếu lớp chất hoạt động bề mặt ở bề mặt liên pha tự khử bền thì các giọt sẽ dung hợp với nhau qua sự hóa hợp giọt. Trong hệ nhũ tương không bền dầu/nước, chỉ khi xảy ra sự hóa hợp thì nhũ tương bị phá hủy không thể phục hồi: các giọt nhũ tương có thể tập trung lại với nhau bằng cách khuếch tán các phân tử hoặc đối lưu nếu lực liên kết ngoài của chúng nhỏ. Trong một hệ nhũ tương, các giọt được ngăn cách bởi 1 lớp mỏng màng
- Xem thêm -