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

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.