Báo cáo Khoa học Ảnh hưởng của canxi đến độ bền kết hợp của nhũ tương được làm từ natri caseinat

Bỏo cỏo khoa học: Ảnh hưởng của canxi đến độ bền kết hợp của nhũ tương được làm từ natri caseinat Tạp chí KHKT Nông nghiệp 2006 Tập IV, số 6: 81-88 Đại học Nông nghiệp I ảnh h−ởng của canxi đến độ bền kết hợp của nhũ t−ơng đ−ợc làm từ natri caseinat Effect of calcium on coalescence stability of sodium caseinate-stabilised emulsions Nguyễn Đức Doan1, Paul vander Meeren2 SUMMARY The stability of sodium caseinate-stabilized oil/water emulsions that were produced from 0.1wt% sodium caseinate dispersed in 50 mM acetate buffer pH 6.0 and 20 wt% commercial sunflower oil was affected by calcium ion. Whether addition of calcium chloride after or before homogenization influenced the coalescence stability of the emulsions was investigated by measuring the time-dependent change in droplet size distribution. Under quiescent storage conditions at room temperature, CaCl2 added after or before emulsification resulted in bimodal droplet size distribution after 24 hours. When increasing the concentration of calcium chloride up to 20 mM before emulsification, the average droplet size markedly increased during homogenization and storage. On the other hand, the interfacial tension and interfacial modulus at the n-hexandecane/water interface were determined by automatic drop tensiometer. The experimental data that represented the interfacial tension and modulus depended on the concentration of calcium chloride. Key words: Sodium caseinate, coalescence, interfacial tension, interfacial dilatation modulus 1. ĐặT VấN Đề Natri caseinat là hỗn hợp bao gồm αs1, αs2, β và κ-casein đ−ợc sử dụng rộng r!i trong sản xuất các nhũ t−ơng thực phẩm. Nó đ−ợc sản xuất bằng cách axit hóa toàn bộ casein có trong sữa đến pH 4,6 rồi sau đó điều chỉnh pH đến 6,7 để thu đ−ợc huyền phù đem thanh trùng và sấy phun. Quá trình xử lý nh− vậy sẽ loại bỏ hầu hết canxi photphat keo có trong casein sữa. Tính chất nhũ hóa tốt của natri caseinat có thể là do vai trò của từng casein, đặc biệt là αs1 và κ-casein (Dickinson và Golding, 1998). Các casein này có khả năng làm giảm sức căng bề mặt dị thể trong khi nhũ hóa và bảo vệ các hạt dầu nhỏ mới đ−ợc hình thành khỏi kết tụ hoặc liên hợp trở lại bằng sự kết hợp của lực đẩy không gian và lực đẩy tĩnh điện (Dickinson và Davies, 1999). Tuy nhiên các nhũ t−ơng đ−ợc sản xuất từ casein này lại bị kết tụ rất nhanh khi có mặt của ion canxi. Sở dĩ xảy ra nh− vậy là do sự có mặt của các phosphoseryl trên phân tử αs1 và κ-casein, các casein này có xu h−ớng liên kết mạnh mẽ với các ion canxi (Dickinson và Davies, 1999; Ye và Singh, 2001). Sự liên kết của các ion canxi với các casein làm giảm lực đẩy tĩnh điện dẫn đến sự hình thành các kết tụ. Sự thay đổi trạng thái kết tụ của casein nh− vậy sẽ ảnh h−ởng đến khả năng hấp thụ của nó trên bề mặt dị thể dầu/n−ớc và độ bền của nhũ t−ơng (Ye và Singh, 2001). Mật độ điện tích trên bề mặt của hạt dầu giảm cũng gây ra sự đứt g!y của các lớp protein đ! đ−ợc hấp thụ xung quanh hạt dầu, và vì vậy làm giảm độ bền không gian (Dickinson và Davies, 1999). 1 Khoa Công nghệ thực phẩm, Đại học Nông nghiệp I 2Faculty of Bioengineering, Gent University, Belgium Theo Mitidieri và Wagner (2002), protein có khả năng tạo và làm bền nhũ t−ơng phụ thuộc vào hai yếu tố: (1) Đó là khả năng làm giảm sức căng bề mặt dị thể và (2) là khả năng tạo một lớp màng mà nó sinh ra lực đẩy mạnh giữa các hạt do kết hợp sự t−ơng tác tĩnh điện và không gian. Lớp màng này chịu đ−ợc sự đứt g!y do nó có độ nhớt đàn hồi cao. Trong sản xuất nhũ t−ơng dầu/n−ớc từ natri caseinat, độ bền của nó có thể bị ảnh h−ởng bởi nhiều yếu tố. Mục đích của nghiên cứu này là đánh giá sự ảnh h−ởng của canxi clorua đến độ bền của nhũ t−ơng bằng cách phân tích kích th−ớc hạt. Ngoài ra, ảnh h−ởng của nồng độ canxi clorua đến sức căng bề mặt và suất bề mặt cũng đ−ợc nghiên cứu. 2. Vật liệu LIệU Và PHƯƠNG PHáP NGHIÊN CứU 2.1 Nguyên liệu Natri caseinat đ−ợc cung cấp bởi Armor Proteins. Tất cả các hóa chất khác đạt chất l−ợng phân tích trong đó canxi clorua đ−ợc sản xuất bởi công ty hóa chất MERCK, Germany, n-hexandecane đ−ợc sản xuất bởi công ty hóa chất Sigma. Dầu hóa h−ớng d−ơng đ−ợc mua tại siêu thị. N−ớc đ−ợc sử dụng là n−ớc tinh khiết. 2.2 Chuẩn bị dịch protein phân tán Cân 100 mg natri caseinat (độ chính xác 0,0001 mg) cho phân tán trong 100 ml dung dịch đệm acetat pH 6,0 bằng cách khuấy nhẹ bằng máy khuấy từ trong 1 giờ. Sau đó dịch đ−ợc lọc qua giấy lọc whatman N01 để thu đ−ợc dịch phân tán có nồng độ protein 1 mg/ml dùng chuẩn bị nhũ t−ơng. Để thu đ−ợc dịch phân tán có nồng độ protein là 0,01 mg/ml và có chứa 1, 10 và 20 mM CaCl2 để xác định các tính chất bề mặt, lấy 2 ml dịch phân tán 1mg/ml ở trên đem pha lo!ng đến 100 ml bằng dung dịch đệm acetate pH 6,0. Rồi sau trộn đều với dung dịch đệm acetate pH 6,0 có chứa 2, 20, 40 mM CaCl2 với tỷ lệ 1:1. 2.3 Chuẩn bị nhũ t−ơng Nhũ t−ơng đ−ợc chuẩn bị bằng cách trộn đều 80 ml dịch phân tán protein 1mg/ml ở trên và 20 g dầu hóa h−ớng d−ơng. Sau đó đồng hóa bằng thiết bị Ultra-Turrax ở tốc độ 8000 vòng/phút trong thời gian 1 phút. Nhũ t−ơng có chứa các nồng độ canxi clorua khác nhau đ−ợc điều chỉnh bằng cách cho thêm canxi clorua tr−ớc hoặc sau khi nhũ hóa. Trong tr−ờng hợp canxi clorua đ−ợc cho thêm vào sau khi nhũ hóa, cân 200 mg natri caseinat (độ chính xác 0,0001 mg) cho phân tán đều trong 100ml dung dịch đệm acetate pH 6,0. Nhũ t−ơng ban đầu đ−ợc chuẩn bị nh− trên bằng cách trộn đều 80 ml dịch protein 1mg/ml và 40 g dầu hoa h−ớng d−ơng. Sau đó cho thêm 80 ml dung dịch đệm acetate chứa CaCl2 với nồng độ là 2, 4, 10, 20 và 40 mM vào nhũ t−ơng ban đầu và trộn đều rất nhẹ bằng máy khuấy từ. Trong tr−ờng hợp canxi clorua đ−ợc cho thêm vào tr−ớc khi nhũ hóa, natri caseinat đ−ợc phân tán trong dung dịch đệm acetate pH 6,0 có chứa canxi clorua với các nồng độ là 1, 2, 5, 10 và 20 mM. Sau đó trộn đều với dầu hoa h−ớng d−ơng và tiến hành chuẩn bị nhũ t−ơng nh− trên. Các thí nghiệm đ−ợc thực hiện ít nhất 3 lần. 2.4 Xác định kích th−ớc hạt và sự phân bố kích th−ớc hạt Tr−ớc khi xác định kích th−ớc hạt, nhũ t−ơng đ−ợc pha lo!ng bằng dung dịch SDS (sodium dodecyl sulfate) 0,5% với tỷ lệ 1:20 để tách các hạt dầu kết tụ ra khỏi nhau. Đ−ờng kính trung bình bề mặt-thể tích (d32) của hạt đ−ợc xác định bằng thiết bị Mastersizer S long bed (version 2.15, Malvern Instruments Ldt,). Các thông số của máy sử dụng để đo kích th−ớc hạt đ−ợc thiết lập là loại mô hình quang học code 30 FD, nó t−ơng đ−ơng với hệ số khúc xạ thực là 1,5295, hệ số khúc xạ ảo là 0,01. 2.5 Xác định sức căng bề mặt dị thể Sức căng bề mặt dị thể đ−ợc xác định bằng thiết bị đo sức căng bề mặt hạt tự động (Tracker, IT-Concept, Saint-Clementes Places, France). Tr−ớc khi tiến hành thí nghiệm, hệ thống máy đ−ợc kiểm tra độ sạch bằng cách đo sức căng bề mặt của bề mặt dị thể n- hexadecane/n−ớc tinh khiết. Nếu trong thời gian đo 30 phút, sức căng bề mặt đo đ−ợc là 50 mN/m và giá trị này không thay đổi thì hệ thống máy có độ sạch đảm bảo. Sau đó tiến hành đo các thí nghiệm trong thời gian 60 phút. 2.6. Xác định suất co giãn bề mặt dị thể Suất co gi!n bề mặt dị thể cũng đ−ợc thực hiện trên thiết bị đo sức căng bề mặt hạt tự động (Tracker, IT-Concept, Saint-Clementes Places, France). Sau khi tiến hành đo sức căng bề mặt đạt đến trạng thái cân bằng (60 phút), tiến hành đo suất bề mặt dị thể trong thời gian 5 phút. Các thông số của phép đo đ−ợc thực hiện bao gồm biên độ dao động là 1,5 àl và tần số là 0,1Hz. 3. KếT QUả NGHIÊN CứU 3.1 Sự phân bố kích th−ớc hạt và đ−ờng kính trung bình của hạt Trong tr−ờng hợp canxi clorua đ−ợc thêm vào sau khi nhũ hóa, ảnh h−ởng của canxi clorua đến đ−ờng kính trung bình bề mặt-thể tích (d32) của các hạt dầu đ−ợc thể hiện ở đồ thị 1. Qua đồ thị 1 cho thấy rằng sự thay đổi kích th−ớc của hạt dầu xảy ra rất ít sau các thời gian bảo quản khác nhau. Tuy nhiên đ−ờng kính trung bình d32 tăng nhẹ từ 9,16 àm đến 11 àm đối với các nhũ t−ơng có chứa 0 và 20 mM CaCl2 sau 3 ngày bảo quản và tăng từ 9,16àm đến 10,14 àm đối với nhũ t−ơng có chứa 10 mM sau 5 ngày bảo quản. Sự phân bố kích th−ớc hạt dầu của nhũ t−ơng đ−ợc thể hiện ở đồ thị 2. ở đồ thị 2 cho chúng ta thấy rằng sự phân bố kích th−ớc các hạt dầu trong nhũ t−ơng ngay sau khi nhũ hóa không bổ sung canxi clorua có ph−ơng thức đơn với hầu hết các hạt có kích th−ớc từ 0,4-300 àm. Kết quả này giống với kết quả của Singh và Ye (2000). Sau các thời gian bảo quản nhũ t−ơng khác nhau kích th−ớc hạt dầu có sự thay đổi. Cũng ở đồ thị 2 cho thấy rằng, sau 1 ngày bảo quản thì sự phân bố kích th−ớc hạt dầu có ph−ơng thức đơn đối với hầu hết các nhũ t−ơng có chứa các nồng độ canxi clorua khác nhau. Tuy nhiên sau 5 ngày bảo quản thì sự phân bố kích th−ớc hạt có ph−ơng thức kép với các pic nhỏ đ−ợc hình thành ở nồng độ canxi clorua cho thêm vào là 0, 1, 2 và 10 mM (đồ thị 2A, B, C và E). Đồ thị 1. ảnh h−ởng của canxi clorua đ−ợc cho thêm sau khi nhũ hóa đến độ bền của nhũ t−ơng D 0 5 10 15 0.1 10 1000 C 0 5 10 15 0.1 10 1000 B 0 5 10 15 0.1 10 1000 Đ−ờng kính hạt ( m)à A 0 5 10 15 0.1 10 1000 S ự ph ân b ố kí ch th − ớc h ạt (% ) S ự ph ân b ố kí ch th − ớc h ạt (% ) S ự ph ân b ố kí ch th −ớ c hạ t ( % ) S ự ph ân b ố kí ch th −ớ c hạ t ( % ) Đ−ờng kính hạt ( m)à Đ−ờng kính hạt ( m)àĐ−ờng kính hạt ( m)à Đồ thị 2. Sự phân bố kích th−ớc hạt dầu của các nhũ t−ơng có cho thêm canxi clorua sau khi nhũ hóa và bảo quản ở thời gian khác nhau: 0 (A), 1 (B), 2 (C), 5 (D), 10 (E) và 20 mM (F) CaCl2 Trong tr−ờng hợp canxi clorua đ−ợc thêm vào nhũ t−ơng tr−ớc khi nhũ hóa, ảnh h−ởng của nó đến kích th−ớc hạt trong khi đồng hóa và trong thời gian bảo quản đ−ợc thể hiện ở đồ thị 3. Khi tăng nồng độ canxi clorua từ 0 đến 20 mM làm tăng kích th−ớc (d32) của các hạt dầu từ 8,8 àm đến 13,16 àm ngay sau khi đồng hóa. Đồ thị 3 cho thấy rằng d32 hầu nh− thay đổi rất ít trong quá trình bảo quản khi nồng độ CaCl2 cho thêm vào từ 0-10 mM. Nh−ng d32 tăng mạnh từ 13,49 àm đến 19,47 àm trong 5 ngày bảo quản đối với nhũ t−ơng có chứa 20 mM CaCl2. Đồ thị 3. ảnh h−ởng của canxi clorua đ−ợc cho thêm vào tr−ớc khi nhũ hóa đến độ bền của nhũ t−ơng Sự phân bố kích th−ớc hạt trong thời gian bảo quản đ−ợc thể hiện ở đồ thị 4. Đồ thị 4 B và 4 C có ph−ơng thức kép đối với nhũ t−ơng có chứa 1 và 2 mM CaCl2 sau 5 ngày bảo quản. Mặc dầu không tạo ra ph−ơng thức kép nh−ng sự thay đổi kích th−ớc hạt xảy ra rất rõ ràng đối với nhũ t−ơng có chứa 20 mM CaCl2 sau 3 ngày bảo quản. 3.2 ảnh h−ởng của canxi clorua đến các tính chất bề mặt dị thể Để loại bỏ sự ảnh h−ởng của các monoglyceride và diglyceride có trong dầu hoa h−ớng d−ơng đến các tính chất bề mặt dị thể, thí nghiệm này đ! sử dụng n-hexandecane là pha dầu để nghiên cứu. ảnh h−ởng của canxi clorua đến các tính chất bề mặt dị thể đ−ợc thể hiện ở đồ thị 5 và bảng 1. Khi tăng nồng độ canxi clorua trong dịch natri caseinat không gây ra sự thay đổi sức căng bề mặt dị thể so với so với dịch natri caseinat không chứa canxi clorua (đồ thị 5) nh−ng nó làm giảm suất co gi!n bề mặt dị thể (bảng 1). Sức căng bề mặt dị thể giảm mạnh từ khoảng 50 mN/m đến 18,5 mN/m trong những phút đầu và đạt đến trạng thái cân bằng sau 15 phút. ở các nồng độ canxi clorua khác nhau thì suất co gi!n bề mặt dị thể khác nhau (P=0,038<0,05). Khi cho thêm 1, 10 và 20 mM CaCl2 vào dịch natri caseinat thì suất co gi!n bề mặt dị thể giảm t−ơng ứng từ 13,51 ± 0,44 mN/m đến 10,39 ± 2,21 mN/m và 9,62 ± 1,49 mN/m (bảng 1). D 0 5 10 15 0.1 10 1000 C 0 5 10 15 0.1 10 1000 B 0 5 10 15 0.1 10 1000 A 0 5 10 15 0.1 10 1000 Đ−ờng kính hạt ( m)à S ự p hâ n bố k íc h th −ớ c hạ t ( % ) S ự p hâ n bố k íc h th −ớ c hạ t ( % ) S ự ph ân b ố kí ch th −ớ c hạ t ( % ) S ự ph ân b ố kí ch th −ớ c hạ t ( % ) Đ−ờng kính hạt ( m)à Đ−ờng kính hạt ( m)àĐ−ờng kính hạt ( m)à Đồ thị 4. Sự phân bố kích th−ớc hạt dầu của nhũ t−ơng có cho thêm canxi clorua tr−ớc khi ngũ hóa và bảo quản ở thời gian khác nhau: 0 (A), 1 (B), 2 (C), 5 (D), 10 (E) và 20 mM (F) CaCl2 Đồ thị 5. ảnh h−ởng của canxi clorua đến sức căng bề mặt dị thể n-hexandecane/dung dịch natri clorua Bảng 1. ảnh h−ởng của canxi clorua đến suất co giãn bề mặt của bề mặt dị thể n-hexandecane/dung dịch natricasseinat Dịch protein chứa nồng độ CaCl2 khác nhau (mM) Suất co giãn bề mặt dị thể (mN/m) 0 12,16 ± 0,83ab 1 13,51 ± 0,44a 10 10,39 ± 2,21ab 20 9,62 ± 1,49b (Các chữ cái khác nhau ở phía trên thể hiện sự khác nhau có ý nghĩa ở độ tin cậy 95% ở các nồng độ CaCl2 khác nhau). Về nguyên tắc khi tăng nồng độ CaCl2 làm giảm điện tích trên phân tử protein. Khi đó lực đẩy tĩnh điện giữa các phân tử kế cận giảm, sự hấp thụ và t−ơng tác kế cận tăng lên. Chính vì điều này làm giảm sức căng bề mặt dị thể và tăng suất co gi!n bề mặt dị thể. Nh−ng trong thực tế các kết quả thí nghiệm lại cho thấy sự trái ng−ợc về suất co gi!n bề mặt dị thể. Hiện t−ợng này có thể đ−ợc giải thích rằng khi cho thêm 1 mM CaCl2 vào trong dịch protein thì ch−a đủ để làm tăng sự hấp thụ các phân tử protein lên bề mặt hạt dầu. Tuy nhiên khi nồng độ CaCl2 cho thêm vào v−ợt quá nồng độ tới hạn (10 mM) thì nó gây ra sự kết tụ của các phân tử protein. Sự kết tụ này làm giảm số l−ợng phân tử protein hấp thụ lên bề mặt hạt dầu. Mặt khác sự liên kết giữa Ca+2 với casein sẽ làm g!y một phần lớp casein đ! hấp thụ quanh hạt dầu, mặc dầu bề dầy của lớp hấp thụ đó tăng lên (Dalgleish, 1997). 4. KếT LUậN Ph−ơng pháp phân tích kích th−ớc hạt đ! chứng minh rằng ion canxi có ảnh h−ởng đến độ bền của nhũ t−ơng khi nó đ−ợc cho thêm vào tr−ớc hoặc sau khi nhũ hóa. Hàm l−ợng canxi clorua cho thêm vào càng tăng thì độ bền của nhũ t−ơng càng giảm và nồng độ tới hạn là 10 mM đủ để làm cho nhũ t−ơng không ổn định trong thời gian bảo quản. Tuy nhiên khi CaCl2 cho vào sau khi nhũ hóa thì độ bền của nhũ t−ơng ít bị ảnh h−ởng hơn so với CaCl2 cho vào tr−ớc khi nhũ hóa. Độ bền của nhũ t−ơng đ−ợc quyết định bởi các tính chất bề mặt dị thể: Sức căng bề mặt dị thể và suất co gi!n bề mặt dị thể. Sức căng bề mặt dị thể giảm theo thời gian không bị ảnh h−ởng nhiều bởi canxi nh−ng suất co gi!n bề mặt thì giảm mạnh khi nồng độ canxi clorua cho vào dịch protein tăng. Chúng ta đ! biết rằng độ bền của nhũ t−ơng đ−ợc xác định bởi sự bền vững của lớp màng bao quanh hạt dầu, đặc biệt với nhũ t−ơng thực phẩm đ−ợc làm từ protein thì sự bền vững của lớp màng này bị ảnh h−ởng bởi ion canxi. Trong thực tế sản xuất thực phẩm, canxi là thành phần có giá trị dinh d−ỡng rất quan trọng. Cho nên việc loại bỏ canxi ra khỏi các sản phẩm thực phẩm là không thể. Vấn đề ở chỗ là chúng ta bổ sung chúng vào thực phẩm nh− thế nào để vừa đảm bảo đ−ợc nhu cầu dinh d−ỡng cho con ng−ời và vừa đảm bảo đ−ợc độ bền của nhũ t−ơng. Tài liệu tham khảo Dalgleish, D.G. (1997). Adsorption of protein and the stability of emulsions. Trends in Food Science and Technology 8 (1), 1-6. Dickinson, E. and Davies, E. (1999). Influence of ionic calcium on stability of sodium caseinate emulsions. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 12, 203-212 Dickinson, E. and Golding, M. (1998). Influence of calcium ions on creaming and rheology of emulsions containing sodium caseinate. Colloids and Surfaces A. Physicochemical and engineering aspects 144, 167-177 Mitidieri, F.E. and Wagner, J.R. (2002). Coalescence of O/W emulsions stabilized by whey and isolate soybean proteins. Influence of thermal denaturation, salt addition and competitive interfacial adsorption. Food Research International 35, 547-557 Ye, A. and Singh, H. (2000). Influence of calcium chloride addition on the properties of emulsions stabilized by whey protein concentrate. Food Hydrocolloids 14, 337-346.