Đề tài Tổng quan về phụ gia và phương pháp ổn định hệ nhũ tương thực phẩm

MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH Trang 4 MỞ ĐẦU 10 Chương 1: Hệ nhũ tương thực phẩm 11 1.1 Định nghĩa 11 1.2 Phân loại hệ nhũ tương 12 1.3 Thành phần của một hệ nhũ tương 14 1.3.1 Chất béo và dầu 14 1.3.2 Chất chống oxi hóa 15 1.3.3 Chất cô lập kim loại 15 1.3.4 Nước 16 1.3.5 Chất nhũ hóa 16 1.3.6 Các phụ gia khác 16 1.4 Phụ gia ổn định hệ nhũ tương thực phẩm 16 1.4.1 Giới thiệu chung 16 1.4.2 Phân loại 17 1.4.2.1 Chất nhũ hóa 17 1.4.2.1.1 Chất hoạt động bề mặt 18 1.4.2.1.2 Polymer sinh học có cấu trúc lưỡng cực 33 1.4.2.2 Chất ổn định 43 Chương 2: Sự hình thành hệ nhũ tương thực phẩm 57 2.1 Kỹ thuật đồng hóa 58 2.2 Các loại dòng chảy trong quá trình đồng hóa 59 2.3 Những khái niệm để thành lập hệ nhũ tương 60 2.3.1 Sự phá vỡ các giọt nhỏ 60 2.3.2 Lực căng mặt ngoài 60 2.3.3 Các lực phá vỡ giọt phân tán 61 2.3.4 Điều kiện chảy tầng 64 2.3.5 Điều kiện chảy rối 65 2.3.6 Điều kiện chảy tạo hiện tượng xâm thực khí 66 2.3.6 Vai trò của chất nhũ hóa 66 Chương 3: Quá trình đồng hóa 67 3.1 Các kiểu đồng hóa chính được sử dụng để tạo ra và ổn định hệ nhũ tương thực phẩm ….. 67 3.2 Các phương pháp đồng hóa: 68 3.2.1 Đồng hóa bằng áp lực cao 68 3.2.1.1 Cơ sở khoa học 68 3.2.1.1 Thiết bị 69 3.2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả đồng hóa 72 3.2.2 Đồng hóa bằng hệ thống khuấy cao tốc 73 3.2.1.1 Cơ sở khoa học 73 3.2.1.1 Thiết bị 73 3.2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả đồng hóa 74 3.2.3 Đồng hóa bằng sóng siêu âm 74 3.2.1.1 Cơ sở khoa học 75 3.2.1.1 Thiết bị 75 3.2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả đồng hóa 77 3.2.4 Đồng hóa bằng thiết bị nghiền keo 77 3.2.1.1 Cơ sở khoa học 77 3.2.1.2 Thiết bị 78 3.2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả đồng hóa 79 3.2.5 Đồng hóa bằng phương pháp vi lỏng hóa 79 3.2.1.1 Cơ sở khoa học 79 3.2.1.1 Thiết bị 79 3.2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả đồng hóa 80 3.2.6 Đồng hóa bằng membrane 81 3.2.1.1 Cơ sở khoa học 81 3.2.1.1 Thiết bị 82 3.2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả đồng hóa 83 3.3 Các yếu tố chung ảnh hưởng đến kích thước giọt phân tán 84 3.3.1 Kiểu và nồng độ chất nhũ hóa 84 3.3.2 Năng lượng cung cấp bởi thiết bị đồng hóa 85 3.3.3 Thuộc tính của thành phần các pha 85 3.3.3 Nhiệt độ 86 3.4 Đánh giá hiệu quả của quá trình đồng hóa 86 Chương 4: Kết Luận 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO 89 Danh mục bảng và hình Bảng Chương 1 Hệ nhũ tương thực phẩm STT bảng Nội Dung Trang 1.1 Ví dụ về một số nhũ tương thực phẩm thường gặp trong thực tế 11 1.2 So sánh thuộc tính chức năng của các chất nhũ hóa 18 1.3 Chỉ số của các nhóm ưa nước và kỵ nước (theo Bergenstahl (1997), Friberg (1997) và Stauffer (1999)) 21 1.4 Giá trị HLB của một số chất hoạt động bề mặt 22 1.5 Một số chất nhũ hóa và quy định về chúng 25 1.6 Ảnh hưởng của lượng glycerin đến tỉ lệ các glyceride 26 1.7 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tỉ lệ các monoglycerides 26 1.8 Nhiệt độ nóng chảy của các ester của acid hữu cơ với monoglycerides 29 1.9 Đặc điểm của gum arabic từ Acacia Senegal và Acacia seyal 38 1.10 Một số keo ưa nước phổ biến trong công nghiệp thực phẩm 43 1.11 Tóm tắt một số chức năng tạo đặc và tạo gel của các keo ưa nước thường sử dụng trong hệ nhũ tương thực phẩm 44 1.12 Đặc tính của một số loại keo ưa nước 50 Chương 2 Sự hình thành hệ nhũ tương thực phẩm Stt bảng Nội Dung Trang 2.1 Các biểu thức của ứng suất tác động, đường kính trung bình, thời gian hấp thụ, thời gian biến đổi, thời gian va chạm của các hạt phân tán trong hệ nhũ tương dưới điều kiện dòng chảy tầng và chảy rối 62 Chương 3 Quá trình đồng hóa STT bảng Nội Dung Trang 3.1 So sánh các phương pháp đồng hóa sử dụng để sản xuất hệ nhũ tương (Walstra (1993), Schubert (1997), and Walstra and Smulder (1998)) 65 67 3.2 So sánh phương pháp membrane emulsification và Premix membrane emulsifiation 82 Hình Chương 1 Hệ nhũ tương thực phẩm STT hình Nội dung Trang 1.1 Ví dụ về hệ nhũ tương W/O (bơ), bao gồm các hạt phân tán nước trong dầu 11 1.2 Ví dụ về dạng nhũ tương kiểu dầu trong nước (O /W): nước sốt salad (salad dressing) bao gồm các hạt dầu phân tán trong nước 12 1.3 Hệ nhũ tương nước trong dầu W/O 12 1.4 Hệ nhũ tương dầu trong nước O/W 13 1.5 Hệ nhũ tương nước trong dầu trong nước (W/O/W) 13 1.6 Cấu tạo hoá học của một phân tử trygliceride, gồm một phân tử glycerin và ba acid béo 14 1.7 Sự định hướng và hình dạng của các chất nhũ hóa tại bề mặt liên pha của hệ nhũ tương 17 1.8 Phân tử chất hoạt động bề mặt Glycerol monostearate 19 1.9 Vị trí phân bố của chất hoạt động bề mặt tiếp xúc giữa hai pha nước-dầu trong hệ nhũ tương 19 1.10 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 1.11 Thuộc tính hóa – lý của chất hoạt động bề mặt liên quan đến hình học phân tử của chúng 23 1.12 Nhiệt độ chuyển pha xuất hiện khi độ cong tối ưu của lớp đơn phân tử chất hoạt động bề mặt là 0 24 1.13 Sơ đồ phản ứng tạo mono-diglycerides 26 1.14 Cấu tạo phân tử của glycerol monostearate 27 1.15 Phụ gia nhũ hoá: glycerol monostearat 27 1.16 Công thức phân tử của LACTEM, DATEM và SMG 28 1.17 DATEM ở dạng lỏng và dạng bột 39 1.18 Công thức cấu tạo của triglycerol monostearate (PGE) và sorbitol monostearate (SMS) 30 1.19 Tween-20/60/80 và Span-60/80 31 1.20 Công thức phân tử của Sodium Stearoyl lactylate hoặc canxi Stearoyl lactylate 31 1.21 Chất nhũ hóa Sodium stearoyl lactylate 32 1.22 Các phospholipid chủ yếu trong lecithin, trong đó R, R là các gốc acid béo 33 1.23 Lecithin dạng lỏng và dạng bột 33 1.24 Hình dạng đặc trưng của các polimer sinh học có cấu trúc lưỡng cực 34 1.25 Cấu trúc của các màng bảo vệ các giọt nhỏ phụ thuộc vào cấu trúc phân tử và các tương tác của các polimer sinh học 35 1.26 Vị trí phân bố của các polime sinh học giữa hai pha dầu và nước 35 1.27 Gelatin ở dạng bột 38 1.28 Cấu trúc phân nhánh của Acacia senegal 39 1.29 Sự phân bố khối lượng phân tử của Acacia senegal và seyal gums bởi phép ghi sắc ký sử dụng tia UV tại bước sóng 206 nm 40 1.30 Cấu trúc “đan hoa” của phân tử gum Acacia Senegal 40 1.31 Giản đồ mô tả sự hấp phụ các giọt dầu trên bề mặt phân tử gum Arabic 41 1.32 Gum arbic ở dạng viên 41 1.33 Biểu diễn độ nhớt tương đối hệ theo nồng độ của các polymer sinh học với các tỉ lệ R khác nhau 48 1.34 Sự phụ thuộc của độ nhớt vào ứng suất cắt khi sử dụng các polymer sinh học như một tác nhân làm đặc 49 1.35 Ảnh hưởng của độ nhớt đến vận tốc chảy của một số keo ưa nước 50 1.36 Các kiểu cấu tạo chính của Carrageenan 51 1.37 Carrageenan ở dạng bột 51 1.38 Phân tử Xanthan gum 52 1.39 So sánh đặc tính chảy nhớt của dung dịch xanthan gum với các dung dịch keo ưa nước khác 53 1.40 Đơn vị cấu trúc lý tưởng của Gum là dẫn xuất của cellulose, ở đây DS=1.0 54 1.41 Hiệu ứng tạo độ nhớt của phức chất CMC-casein tại các pH khác nhau 55 Chương 2 Sự hình thành hệ nhũ tương thực phẩm Stt hình Nội dung Trang 2.1 Các trạng thái không ổn định của hệ nhũ tương thực phẩm thông qua các cơ chế vật lý bao gồm: tạo cream, lắng gạn, kết tụ, đảo pha và hợp giọt 57 2.2 Sự hình thành hệ nhũ tương từ dầu và nước qua các giai đoạn đồng hóa 58 2.3 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 phân tán kết hợp với nhau 63 2.4 Một số kiểu của kiểu dòng chảy tầng trong chất lỏng với số Reynold bé 64 2.5 Đồ thị biểu diễn quan hệ giữa đường kính trung bình của giọt nhỏ và gia tăng cường độ trong một thời gian đồng hóa nhất định đối với các mẫu khác nhau: (i) mẫu chứa loại chất nhũ hóa hấp nhanh đến bề mặt giao diện chung của pha dầu và nước; (ii) mẫu chứa chất nhũ hóa hấp thụ chậm; (iii) mẫu chứa chất nhũ hóa nồng độ thấp không đủ để hoàn thành màng bảo vệ; (iV) mẫu chứa chất nhũ hóa đã mất hiệu lực tại những cường độ năng lượng cao như là bị biến tính 66 Chương 3 Quá trình đồng hóa Stt hình Nội dung Trang 3.1 So sánh sự thay đổi kích thước giọt nhỏ theo năng lượng thêm vào đối với các kiểu đồng hóa 68 3.2 Thiết bị đồng hóa sử dụng áp lực cao 70 3.3 Các bộ phận chính trong thiết bị đồng hóa 70 3.4 Các bộ phận chính trong thiết bị đồng hóa 2 cấp 71 3.5 Hình dạng và kích thước các hạt cầu béo chụp dưới kính hiển vi trong hệ nhũ tương sữa trước khi đồng hóa, đồng hóa 1 cấp và đồng hóa 2 cấp 72 3.6 Thiết bị trộn cao tốc sử dụng trong công nghiệp 74 3.7 Cấu tạo của đầu dò siêu âm 76 3.8 Cấu tạo của thiết bị đồng hóa tia siêu âm 76 3.9 Thiết bị đồng hóa tia siêu âm sử dụng trong công nghiệp thực phẩm 77 3.10 Nguyên lý hoạt động của thiết bị nghiền keo 78 3.11 Cấu tạo của thiết bị vi lỏng hóa dùng để sản xuất hệ nhũ tương đi từ hệ nhũ tương thô 80 3.12 Cấu tạo của thiết bị vi lỏng hóa dùng để sản xuất hệ nhũ tương đi trực tiếp từ pha dầu và nước 80 3.13 Sự tạo thành hệ nhũ tương bằng membrane đi trực tiếp từ hai pha dầu và nước 81 3.14 Sự tạo thành hệ nhũ tương có kích thước các hạt phân tán bé hơn sau khi cho hệ nhũ tương thô đi qua membrane (phương pháp premix emulsification) 82 3.15 Ảnh hưởng của áp suất ở hai bên bề mặt membrane đến kích thước giọt phân tán. a) TP=0.05, b) TP=0.11, c) TP=0.2 83 3.16 Phân tích kích thước của pha phân tán trong hệ nhũ tương bằng phương pháp nhiễu xạ laser 87 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 hoá, lý và cảm quan đặc trưng 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 và 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 thực phẩm có những tính chất mong muốn, các nhà sản xuất phải quan tâm đến những tính chất của: nguyên liệu ban đầu, điều kiện đồng hoá, loại phụ gia và các quá trình chuẩn bị như: thanh trùng, trộn, nâng nhiệt, làm lạnh…. Việc áp dụng các công nghệ hiện đại và kiểm soát chặt chẽ các quá trình sản xuất đã cho ra đời các sản phẩm thực phẩm dạng nhũ tương ngày càng đa dạng, có chất lượng và hấp dẫn người tiêu dùng. Chương 1 HỆ NHŨ TƯƠNG THỰC PHẨM 1.1 ĐỊNH NGHĨA Nhũ tương là một hệ gồm hai chất lỏng không hòa tan nhưng được trộn lẫn với nhau. Trong đó, một chất lỏng sẽ tồn tại dưới dạng giọt nhỏ hay còn gọi là “hạt phân tán” (được gọi là pha không liên tục, pha phân tán hoặc pha nội) trong lòng của một chất lỏng còn lại được gọi là pha liên tục (pha không phân tán hay pha ngoại). Bảng 1.1 Ví dụ về một số nhũ tương thực phẩm thường gặp trong thực tế Thực phẩm Kiểu nhũ tương Tỷ lệ (v/v) Dầu / nước Không khí / (dầu + nước) Kem đá O / W 0.2 1 Sữa đã đồng hoá (3.5% chất béo) O / W 0.04 0 Bơ ( 50 % chất béo ) W / O 5 Rất ít Magarine ( 80 % chất béo ) W / O 5 0 Theo các lý thuyết về hoá keo thì hệ nhũ tương chính là một hệ keo trong đó pha phân tán có độ phân tán thô, với kích thước các hạt phân tán > cm. Trong hầu hết các loại thực phẩm ở dạng nhũ tương thì đường kính các hạt phân tán ở vào khoảng 0.1 -100 µm. Hình 1.1 Ví dụ về hệ nhũ tương W/O (bơ), bao gồm các hạt phân tán nước trong dầu Hình 1.2 Ví dụ về dạng nhũ tương kiểu dầu trong nước (O /W): nước sốt salad (salad dressing) bao gồm các hạt dầu phân tán trong nước 1.2 PHÂN LOẠI HỆ NHŨ TƯƠNG Như đã đề cập ở trên thì các hệ nhũ tương thực phẩm, thường sẽ tồn tại ở hai dạng cơ bản: Hệ nhũ tương W/O: nước trong dầu tức là nước ở dạng pha phân tán và dầu ở dạng pha liên tục Hình 1.3 Hệ nhũ tương nước trong dầu W/O - Hệ nhũ tương O/W: dầu trong nước, tức là dầu ở dạng pha phân tán còn nước ở dạng pha liên tục. Hình 1.4 Hệ nhũ tương dầu trong nước O/W Phần lớn, các hệ nhũ tương trong thực phẩm ở dạng dầu trong nước (O/W), hoặc ở dạng nước trong dầu (W/O). Thuật ngữ “nước“ chỉ một chất lỏng phân cực. Thực tế, nước trong các hệ nhũ tương không tồn tại dưới dạng tinh khiết mà còn chứa các chất hoà tan được trong nước như đường, acid hữu cơ, một số muối khoáng và vitamin…. Thuật ngữ “dầu“ chỉ một chất lỏng không phân cực (ưa béo), như: mỡ nóng chảy, dầu thực vật, tinh dầu.... Tương tự, dầu cũng có thể chứa các hợp chất tan được trong nó như lipid, hydrocarbon, serin, sáp…. Nhiều nhũ tương thực phẩm còn chứa cả bọt khí và các chất rắn bị phân tán. Trong một số trường hợp khác thì có những dạng nhũ tương phức tạp hơn như W/O/W hoặc O/W/O và còn hơn thế nữa, gọi là hệ nhũ tương đa pha (multiple emulsions). Hệ nhũ tương đa pha là hệ nhũ tương mà trong đó, hệ nhũ tương này nằm bên trong một hệ nhũ tương khác, hệ nhũ tương khác này có thể nằm bên trong các hệ nhũ tương khác nữa, tuỳ vào mức độ phức tạp. Hình 1.5 Hệ nhũ tương nước trong dầu trong nước (W/O/W) Ví dụ ở đây, hệ nhũ tương W/O/W chứa các hạt nước phân tán trong hạt dầu lớn hơn và hạt dầu lại được phân tán trong pha liên tục là nước theo (Evison et al., 1995; Benichou et al., 2002). Gần đây, những nghiên cứu tạo ra hệ nhũ tương đa pha với mục đích kiểm soát thành phần trong thực phẩm, ví dụ như: giảm bớt hàm lượng chất béo tổng của các thực phẩm dạng nhũ tương, hay là để tách biệt một thành phần nào đó thường tương tác với những thành phần khác (Dickinson và McClements, 1995; Garti và Bisperink, 1998; Garti and Benichou, 2001; 2004). Hệ nhũ tương đa pha phổ biến trong công nghiệp thực phẩm, vì người ta đã thấy ưu thế ứng dụng của nó so với hệ nhũ tương truyền thống. Tuy vậy, các nhà nghiên cứu vẫn còn thử nghiệm phát triển hệ nhũ tương đa pha sao cho có lợi về kinh tế, để sản xuất các loại thực phẩm mà vẫn đáp ứng được các chỉ tiêu về chất lượng và thời gian bảo quản. 1.3 THÀNH PHẦN CỦA MỘT HỆ NHŨ TƯƠNG THỰC PHẨM Khi kiểm tra trên nhãn của một sản phẩm thương mại thực phẩm dạng nhũ tương thì có thể thấy rằng nó chứa đựng nhiều thành phần khác nhau như: nước, chất béo, chất nhũ hoá, chất làm đặc, chất tạo gel, chất độn, chất bảo quản, chất chống oxi hoá, chất tạo vi ngọt, muối, màu mùi…. Mỗi một phần tử này có những thuộc tính chức năng riêng của nó. Vấn đề quan trọng là nhà sản xuất phải lựa chọn thành phần và phụ gia thích hợp để ổn định hệ nhũ tương cho loại thực phẩm đó. Mỗi một thành phần phải thể hiện rõ chức năng đặc trưng của nó trong thực phẩm, sao cho có lợi giá thành, tiện lợi khi sử dụng, chất lượng tốt, thích hợp với những thành phần khác, sẵn có và nhất là thân thiện với sức khoẻ con người. Thành phần của một hệ nhũ tương bao gồm : 1.3.1 Chất béo và dầu Chất béo và dầu là một dạng của lipit. Lipit bao gồm các thành phần chủ yếu là glyceride, acid béo và phospholipit. Tryglyceride là thành phần thường gặp nhất trong thực phẩm, có nguồn gốc từ thực vật và động vật. Hình 1.6 Cấu tạo hoá học của một phân tử trygliceride, gồm một phân tử glycerol và ba acid béo Chất béo và dầu ảnh hưởng đến những chỉ tiêu của một hệ nhũ tương thực phẩm như: dinh dưỡng, cảm quan, hoá, lý…. Tuy nhiên, nếu hàm lượng chất béo trong thực phẩm quá nhiều thì sản phẩm sẽ mất cân đối về mặt dinh dưỡng. Do vậy, khuynh hướng giảm bớt hàm lượng chất béo trong công nghiệp thực phẩm và trong pha béo của hệ nhũ tương là vấn đề cần quan tâm. Cấu tạo hóa học và nồng độ của các cấu tử trong pha dầu có thể thay đổi theo thời gian thông các phản ứng hóa học. Hai biến đổi hóa học quan trọng trong chất béo và pha dầu là sự thủy phân và oxi hóa (Sonntag, 1979b, Nawar, 1996). Sự thủy phân dầu và chất béo liên quan đến các mối liên kết ester của chúng bởi một số enzym. Kết quả của sự thủy phân là giải phóng các acid béo, tạo ra những bất lợi hay mong muốn tới chất lượng thực phẩm. Sự thủy phân triglyceride tạo ra mùi và vị ôi. Ngoài ra, các acid béo tự do có hoạt tính bề mặt cao hơn là dầu nên chúng có khuynh hướng tích tụ trên bề mặt của dầu – nước hoặc nước – không khí. Do đó, chúng rất dễ bị oxi hóa. Tuy nhiên, trong một số ít trường hợp thủy phân dầu và chất béo là có lợi khi tạo ra những hương và vị mong muốn cho thực phẩm, chẳng hạn như là phô mai và sữa chua. Trong nhiều nhũ tương chứa chất béo rất dễ bị oxi hóa. Oxi hóa là một trong số nguyên nhân quan trọng nhất làm giảm hoặc mất chất lượng thực phẩm và đồng thời làm xuất hiện một số chất độc trong thực phẩm. Những thuộc tính hoá lý của chất béo và dầu có một ảnh hưởng quan trọng trong việc hình thành và ổn định hệ nhũ tương thực phẩm. Ví dụ, như: sự ổn định của hệ nhũ tương cream phụ thuộc vào tỉ lệ pha dầu và pha nước, một sự thay đổi nhỏ của lượng pha dầu ảnh hưởng đến sự ổn định lâu dài của hệ nhũ tương cream. 1.3.2 Chất chống oxi hóa Như đã đề cập ở trên, quá trình oxi hóa trong hệ nhũ tương sẽ ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm như: gây cho sản phẩm có mùi vị lạ, làm mất một số chất béo không no có lợi và tạo ra một số sản phẩm độc hại (McClements and Decker, 2000). Các chất chống oxi hóa có cơ chế chống oxi hóa khác nhau như kiểm soát các chất tham gia phản ứng oxi hóa và vô hoạt các gốc tự do (Nawar, 1996; Frankel, 1998; Akoh and Min, 2002). Dựa vào cơ chế hoạt động, các chất chống oxi hóa có thể chia làm 2 nhóm: chất chống oxi hóa sơ cấp và chất chống oxi hóa thứ cấp. Chất chống oxi hóa sơ cấp làm chậm quá trình oxi hóa chất béo bởi chúng có khả năng phản ứng với các gốc tự do. Hiệu quả sử dụng phụ thuộc va