Báo cáo 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 hởng của canxi đến độ bền kết hợp của nhũ tơng đợc làm từ natri caseinat Effect of calcium on coalescence stability of sodium caseinate-stabilised emulsions Nguyễn Đức Doan 1 , Paul vander Meeren 2 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, CaCl 2 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 s1 , s2 , và -casein đợc sử dụng rộng ri trong sản xuất các nhũ tơng thực phẩm. Nó đợc 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 đợc 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 s1 và -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 đợc 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 tơng đợc 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 s1 và -casein, các casein này có xu hớng 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 hởng đến khả năng hấp thụ của nó trên bề mặt dị thể dầu/nớc và độ bền của nhũ tơng (Ye và Singh, 2001). Mật độ điện tích trên bề mặt của hạt dầu giảm cũng gây ra sự đứt gy của các lớp protein đ đợc 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 2 Faculty of Bioengineering, Gent University, Belgium Theo Mitidieri và Wagner (2002), protein có khả năng tạo và làm bền nhũ tơng 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 tơng tác tĩnh điện và không gian. Lớp màng này chịu đợc sự đứt gy do nó có độ nhớt đàn hồi cao. Trong sản xuất nhũ tơng dầu/nớc từ natri caseinat, độ bền của nó có thể bị ảnh hởng bởi nhiều yếu tố. Mục đích của nghiên cứu này là đánh giá sự ảnh hởng của canxi clorua đến độ bền của nhũ tơng bằng cách phân tích kích thớc hạt. Ngoài ra, ảnh hởng của nồng độ canxi clorua đến sức căng bề mặt và suất bề mặt cũng đợc nghiên cứu. 2. Vật liệu LIệU Và PHƯƠNG PHáP NGHIÊN CứU 2.1 Nguyên liệu Natri caseinat đợc cung cấp bởi Armor Proteins. Tất cả các hóa chất khác đạt chất lợng phân tích trong đó canxi clorua đợc sản xuất bởi công ty hóa chất MERCK, Germany, n-hexandecane đợc sản xuất bởi công ty hóa chất Sigma. Dầu hóa hớng dơng đợc mua tại siêu thị. Nớc đợc sử dụng là nớc 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 đợc lọc qua giấy lọc whatman N 0 1 để thu đợc dịch phân tán có nồng độ protein 1 mg/ml dùng chuẩn bị nhũ tơng. Để thu đợc dịch phân tán có nồng độ protein là 0,01 mg/ml và có chứa 1, 10 và 20 mM CaCl 2 để xác định các tính chất bề mặt, lấy 2 ml dịch phân tán 1mg/ml ở trên đem pha long 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 CaCl 2 với tỷ lệ 1:1. 2.3 Chuẩn bị nhũ tơng Nhũ tơng đợc chuẩn bị bằng cách trộn đều 80 ml dịch phân tán protein 1mg/ml ở trên và 20 g dầu hóa hớng dơng. Sau đó đồng hóa bằng thiết bị Ultra-Turrax ở tốc độ 8000 vòng/phút trong thời gian 1 phút. Nhũ tơng có chứa các nồng độ canxi clorua khác nhau đợc điều chỉnh bằng cách cho thêm canxi clorua trớc hoặc sau khi nhũ hóa. Trong trờng hợp canxi clorua đợc 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 tơng ban đầu đợc chuẩn bị nh trên bằng cách trộn đều 80 ml dịch protein 1mg/ml và 40 g dầu hoa hớng dơng. Sau đó cho thêm 80 ml dung dịch đệm acetate chứa CaCl 2 với nồng độ là 2, 4, 10, 20 và 40 mM vào nhũ tơng ban đầu và trộn đều rất nhẹ bằng máy khuấy từ. Trong trờng hợp canxi clorua đợc cho thêm vào trớc khi nhũ hóa, natri caseinat đợc 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 hớng dơng và tiến hành chuẩn bị nhũ tơng nh trên. Các thí nghiệm đợc thực hiện ít nhất 3 lần. 2.4 Xác định kích thớc hạt và sự phân bố kích thớc hạt Trớc khi xác định kích thớc hạt, nhũ tơng đợc pha long bằng dung dịch SDS (sodium dodecyl sulfate) 0,5% với tỷ lệ 1:20 để tách các hạt dầu kết tụ ra khỏi nhau. Đờng kính trung bình bề mặt-thể tích (d32) của hạt đợc 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 thớc hạt đợc thiết lập là loại mô hình quang học code 30 FD, nó tơng đơng 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 đợc xác định bằng thiết bị đo sức căng bề mặt hạt tự động (Tracker, IT-Concept, Saint-Clementes Places, France). Trớc khi tiến hành thí nghiệm, hệ thống máy đợc kiểm tra độ sạch bằng cách đo sức căng bề mặt của bề mặt dị thể n- hexadecane/nớc tinh khiết. Nếu trong thời gian đo 30 phút, sức căng bề mặt đo đợc 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 gin bề mặt dị thể cũng đợc 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 đợc 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 thớc hạt và đờng kính trung bình của hạt Trong trờng hợp canxi clorua đợc thêm vào sau khi nhũ hóa, ảnh hởng của canxi clorua đến đờng kính trung bình bề mặt-thể tích (d 32 ) của các hạt dầu đợc thể hiện ở đồ thị 1. Qua đồ thị 1 cho thấy rằng sự thay đổi kích thớc của hạt dầu xảy ra rất ít sau các thời gian bảo quản khác nhau. Tuy nhiên đờng kính trung bình d 32 tăng nhẹ từ 9,16 àm đến 11 àm đối với các nhũ tơng có chứa 0 và 20 mM CaCl 2 sau 3 ngày bảo quản và tăng từ 9,16àm đến 10,14 àm đối với nhũ tơng có chứa 10 mM sau 5 ngày bảo quản. Sự phân bố kích thớc hạt dầu của nhũ tơng đợc thể hiện ở đồ thị 2. ở đồ thị 2 cho chúng ta thấy rằng sự phân bố kích thớc các hạt dầu trong nhũ tơng ngay sau khi nhũ hóa không bổ sung canxi clorua có phơng thức đơn với hầu hết các hạt có kích thớc từ 0,4-300 àm. Kết quả này giống với kết quả của Singh và Ye (2000). Sau các thời gian bảo quản nhũ tơng khác nhau kích thớc hạt dầu có sự thay đổi. Cũng ở đồ thị 2 cho thấy rằng, sau 1 ngày bảo quản thì sự phân bố kích thớc hạt dầu có phơng thức đơn đối với hầu hết các nhũ tơng có chứa các nồng độ canxi clorua khác nhau. Tuy nhiên sau 5 ngày bảo quản thì sự phân bố kích thớc hạt có phơng thức kép với các pic nhỏ đợc 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 hởng của canxi clorua đợc cho thêm sau khi nhũ hóa đến độ bền của nhũ tơng 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 Đờng kính hạt ( m) à A 0 5 10 15 0.1 10 1000 Sự phân bố kích thớc hạt (%) Sự phân bố kích thớc hạt (%) Sự phân bố kích thớc hạt (%) Sự phân bố kích thớc hạt (%) Đờng kính hạt ( m) à Đờng kính hạt ( m) à Đờng kính hạt ( m) à Đồ thị 2. Sự phân bố kích thớc hạt dầu của các nhũ tơng 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) CaCl 2 Trong trờng hợp canxi clorua đợc thêm vào nhũ tơng trớc khi nhũ hóa, ảnh hởng của nó đến kích thớc hạt trong khi đồng hóa và trong thời gian bảo quản đợc thể hiện ở đồ thị 3. Khi tăng nồng độ canxi clorua từ 0 đến 20 mM làm tăng kích thớc (d 32 ) của các hạt dầu từ 8,8 àm đến 13,16 àm ngay sau khi đồng hóa. Đồ thị 3 cho thấy rằng d 32 hầu nh thay đổi rất ít trong quá trình bảo quản khi nồng độ CaCl 2 cho thêm vào từ 0-10 mM. Nhng d 32 tăng mạnh từ 13,49 àm đến 19,47 àm trong 5 ngày bảo quản đối với nhũ tơng có chứa 20 mM CaCl 2 . Đồ thị 3. ảnh hởng của canxi clorua đợc cho thêm vào trớc khi nhũ hóa đến độ bền của nhũ tơng Sự phân bố kích thớc hạt trong thời gian bảo quản đợc thể hiện ở đồ thị 4. Đồ thị 4 B và 4 C có phơng thức kép đối với nhũ tơng có chứa 1 và 2 mM CaCl 2 sau 5 ngày bảo quản. Mặc dầu không tạo ra phơng thức kép nhng sự thay đổi kích thớc hạt xảy ra rất rõ ràng đối với nhũ tơng có chứa 20 mM CaCl 2 sau 3 ngày bảo quản. 3.2 ảnh hởng của canxi clorua đến các tính chất bề mặt dị thể Để loại bỏ sự ảnh hởng của các monoglyceride và diglyceride có trong dầu hoa hớng dơng đến các tính chất bề mặt dị thể, thí nghiệm này đ sử dụng n-hexandecane là pha dầu để nghiên cứu. ảnh hởng của canxi clorua đến các tính chất bề mặt dị thể đợc 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) nhng nó làm giảm suất co gin 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 gin bề mặt dị thể khác nhau (P=0,038<0,05). Khi cho thêm 1, 10 và 20 mM CaCl 2 vào dịch natri caseinat thì suất co gin bề mặt dị thể giảm tơng 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 Đờng kính hạt ( m) à Sự phân bố kích thớc hạt (%) Sự phân bố kích thớc hạt (%) Sự phân bố kích thớc hạt (%) Sự phân bố kích thớc hạt (%) Đờng kính hạt ( m) à Đờng kính hạt ( m) à Đờng kính hạt ( m) à Đồ thị 4. Sự phân bố kích thớc hạt dầu của nhũ tơng có cho thêm canxi clorua trớc 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) CaCl 2 Đồ thị 5. ảnh hởng của canxi clorua đến sức căng bề mặt dị thể n-hexandecane/dung dịch natri clorua Bảng 1. ảnh hởng của canxi clorua đến suất co giãn bề mặt của bề mặt dị thể n-hexandecane/dung dịch natricasseinat Dịch protein chứa nồng độ CaCl 2 khác nhau (mM) Suất co giãn bề mặt dị thể (mN/m) 0 12,16 0,83 ab 1 13,51 0,44 a 10 10,39 2,21 ab 20 9,62 1,49 b (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 CaCl 2 khác nhau). Về nguyên tắc khi tăng nồng độ CaCl 2 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 tơng tác kế cận tăng lên. Chính vì điều này làm giảm sức căng bề mặt dị thể và tăng suất co gin bề mặt dị thể. Nhng trong thực tế các kết quả thí nghiệm lại cho thấy sự trái ngợc về suất co gin bề mặt dị thể. Hiện tợng này có thể đợc giải thích rằng khi cho thêm 1 mM CaCl 2 vào trong dịch protein thì cha đủ để làm tăng sự hấp thụ các phân tử protein lên bề mặt hạt dầu. Tuy nhiên khi nồng độ CaCl 2 cho thêm vào vợt 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 lợng phân tử protein hấp thụ lên bề mặt hạt dầu. Mặt khác sự liên kết giữa Ca +2 với casein sẽ làm gy 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 Phơng pháp phân tích kích thớc hạt đ chứng minh rằng ion canxi có ảnh hởng đến độ bền của nhũ tơng khi nó đợc cho thêm vào trớc hoặc sau khi nhũ hóa. Hàm lợng canxi clorua cho thêm vào càng tăng thì độ bền của nhũ tơng càng giảm và nồng độ tới hạn là 10 mM đủ để làm cho nhũ tơng không ổn định trong thời gian bảo quản. Tuy nhiên khi CaCl 2 cho vào sau khi nhũ hóa thì độ bền của nhũ tơng ít bị ảnh hởng hơn so với CaCl 2 cho vào trớc khi nhũ hóa. Độ bền của nhũ tơng đợc quyết định bởi các tính chất bề mặt dị thể: Sức căng bề mặt dị thể và suất co gin bề mặt dị thể. Sức căng bề mặt dị thể giảm theo thời gian không bị ảnh hởng nhiều bởi canxi nhng suất co gin bề mặt thì giảm mạnh khi nồng độ canxi clorua cho vào dịch protein tăng. Chúng ta đ biết rằng độ bền của nhũ tơng đợc xác định bởi sự bền vững của lớp màng bao quanh hạt dầu, đặc biệt với nhũ tơng thực phẩm đợc làm từ protein thì sự bền vững của lớp màng này bị ảnh hởng bởi ion canxi. Trong thực tế sản xuất thực phẩm, canxi là thành phần có giá trị dinh dỡng 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 đợc nhu cầu dinh dỡng cho con ngời và vừa đảm bảo đợc độ bền của nhũ tơng. 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. . Báo cáo 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 hởng của canxi. có độ nhớt đàn hồi cao. Trong sản xuất nhũ tơng dầu/nớc từ natri caseinat, độ bền của nó có thể bị ảnh hởng bởi nhiều yếu tố. Mục đích của nghiên cứu này là đánh giá sự ảnh hởng của canxi. học Nông nghiệp I ảnh hởng của canxi đến độ bền kết hợp của nhũ tơng đợc làm từ natri caseinat Effect of calcium on coalescence stability of sodium caseinate-stabilised emulsions Nguyễn