nghiên cứu các thông số tạo hệ nhũ tương dầu trong nước, ứng dụng tạo hệ nhũ tương dầu gấc

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 (O
2
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:
T
2
=
*

1
40
P P

+ T
1

Trong đó:
T
1
là nhiệt độ hệ nhũ tương trước khi vào thiết bị đồng hóa (
0
C);
T
2
là nhiệt độ hệ nhũ tương trước khi ra khỏi thiết bị đồng hóa (
0
C);
P
1
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

15

chất lỏng. Hình dạng của các giọt phụ thuộc vào sức căng của bề mặt. Quá trình tiếp
theo liên quan đến sự ổn định, sự hóa hợp và sự nghịch chuyển có liên quan đến các
tính chất của lớp màng ngăn cách. Ngoài các tính chất của lớp này, mật độ các chất
liên quan là rất quan trọng; chúng kiểm soát sự tạo kem và sự keo tụ. Thời gian hạt
phân bố đồng đều trong hệ càng dài thì tính bền của nhũ tương càng cao.
Sự keo tụ là quá trình kết dính, và sa lắng của các hạt phân tán, làm cho tính
bền của hệ nhũ tương biến mất. Trong đó, pha keo tụ là hạt của chất phân tán; pha
lỏng là môi trường phân tán.
Quá trình keo tụ liên quan đến sự phân chia các pha nước của lớp phủ vật
liệu từ một dung dịch cao phân tử thông qua bổ sung các chất hóa học khác.
Trong keo tụ phức tạp, hai polymer được pha trộn với nhau (một với điện
tích âm, một với điện tích dương) để tạo thành một phức không tan trên bề mặt của
giọt dầu.
Độ bền động học (độ bền phân phối) là khả năng chống lại sự sa lắng của hạt.
Do chuyển động Brown các hạt nhũ tương tránh được khuynh hướng sa lắng dưới
tác dụng của trọng lực. Độ bền động học tỉ lệ nghịch với kích thước hạt phân tán.
Độ bền nhiệt động học (độ bền tập hợp) là khả năng chống lại sự tập hợp của
hạt. Do các hạt keo tích điện cùng dấu đẩy nhau và hạt nhũ tương có lớp vỏ màng
của chất hoạt động bề mặt bao quanh ngăn cản va chạm trực tiếp giữa các hạt. Kích
thước hạt nhũ tương càng nhỏ thì tính bền tập hợp càng kém. Do đó có thể nói, kích
thước hạt và trạng thái bề mặt của hạt là hai yếu tố ảnh hưởng tới tính bền của một
hệ nhũ tương. Ngoài ra, trạng thái điện tích bề mặt, điện thế bề mặt cũng tạo nên sự
tương tác giữa các hạt.

Thế hút giữa các hạt là tổng lực hút của các phân tử tạo nên hạt, có dấu âm,
độc lập với chất điện ly của môi trường.

A: hằng số của thế hút
l: khoảng cách giữa 2 hạt
n: số nguyên dương, phụ thuộc vào giá trị l

16

Thế đẩy giữa các hạt: xuất hiện khi các hạt keo nhũ tương mang điện cùng
dấu ở gần nhau, mang điện tích (+).

r: bán kính hạt
d: bề dày lớp điện kép
l: khoảng cách tính từ tâm 2 hạt
φ
0
: điện thế bề mặt của hạt
ε: lực ion của dung dịch
Thế tổng hợp (ψ
T
): trạng thái phân tán hay đông tụ giữa các hạt là sự phản
ánh quan hệ giữa thế hút và thế đẩy, được diễn tả bởi thế tổng hợp.

 Ψ
T
đạt cực đại khi ld
 Nếu l < d: ψ
T
giảm và sự keo tụ xảy ra

 Nếu l > d: không xảy ra keo tụ và hệ ở trạng thái bền

Hình 1.7 Đường cong thế hút, thế đẩy và thế tổng hợp biến đổi theo khoảng cách
giữa các hạt

17

Sự ổn định của nhũ tương chống lại sự hợp nhất của giọt dầu cũng đã được
xác định theo các thay đổi với thời gian của các kích thước giọt trung bình và tỉ lệ
tập hợp giọt.

Trong đó, N
0
và N
t
lần lượt là số lượng các giọt nhũ tương ban đầu và sau
thời gian t.

Trong đó, D
0
, D
t
là kích thước giọt ban đầu và sau thời gian t
Các trạng thái khơng ổn định của nhũ tương:
Nhũ tương ban
đầu
Đảo pha
Tạo cream
Lắng gạn
Kết tụ

Hợp giọt

Hình 1.8 Các trạng thái khơng bền của nhũ tương thơng qua các cơ chế vật lý bao
gồm: tạo cream, lắng gạn, kết tụ, đảo pha và hợp giọt.
c. Ảnh hưởng bởi nhiệt độ
 Nhiệt độ ảnh hưởng đến kích thước giọt phân tán bằng một số cách. Ảnh
hưởng lớn nhất là tỉ lệ độ nhớt pha phân tán/độ nhớt pha liên tục (η
d
/η
c
). Khi nhiệt
độ tăng thì độ nhớt của dầu giảm nhanh hơn so với nước, từ đó ảnh hưởng đến tỉ lệ
trên. Khi nhiệt độ tăng thì độ nhớt sức căng mặt ngồi cũng giảm. Nhiệt độ tăng thì
hiệu quả của một số chất nhũ hóa sẽ giảm hoạt tính. Ví dụ, đối với các chất có bề
mặt phân tử nhỏ thì khả năng chống lại sự kết tụ sẽ giảm khi nhiệt độ tăng. Vì
chúng sẽ có thể được tập hợp lại khi nhiệt độ đến gần nhiệt độ chuyển pha (phase
inversion), đối với protein hình cầu chúng sẽ giải thốt màng bảo vệ các hạt phân

18

tán và kết hợp lại với nhau khi nhiệt độ vượt qua một giá trị tới hạn nào đó. Nhiệt
độ cũng ảnh hưởng đến độ hấp phụ của chất hoạt động bề mặt.
d. Ảnh hưởng bởi độ nhớt của pha phân tán
Không giống như một giọt linh động, giọt dầu trong chất lỏng có thể di chuyển
khi một lực tác dụng lên giọt và làm tăng tốc tạo kem .
Phương trình vận tốc Stokes:

 r: bán kính của giọt
 ρ
0:

độ nhớt pha liên tục
 ρ: độ nhớt pha phân tán
 η
0
: độ nhớt động học
Độ nhớt của một pha nhũ tương tỷ lệ thuận vói độ nhớt của pha nước và do
đó bất kỳ sự thay đổi nào trong thuộc tính lưu biến của pha nước có ảnh hưởng
tương ứng trên toàn bộ lưu biến của nhũ tương.
Việc tăng độ nhớt của một nhũ tương với khối lượng và kích thước pha dầu,
phân bố kích thước giọt trên lưu biến của nhũ tương phụ thuộc vào khối lượng pha
dầu và tính chất của sự tương tác dạng keo.
e. Ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt
Chất hoạt động bề mặt được sử dụng nhằm mục đích giảm sức căng xen
kẽ giữa hai bề mặt

Trong đó, λ
o/w
là sức căng xen kẽ giữa hai bề mặt dầu – nước, λ
phân tử hoạt động
bề mặt
là sức căng xen kẽ của hai bề mặt có mặt của các chất nhũ hóa .
Vì vậy, giảm sức căng bề mặt có thể liên quan đến các hoạt động của các phân tử
hoạt động bề mặt có trong nhũ tương.

19

 Khái niệm
Chất họat động bề mặt (Surface active agent) đó là một chất làm ướt có tác
dụng làm giảm sức căng bề mặt của một chất lỏng, là chất mà phân tử của nó phân
cực: một đầu ưa nước và một đuôi kị nước.

Trong hệ nhũ tương, các chất hoạt động bề mặt được phân bố tại vị trí bề mặt
tiếp xúc giữa hai pha: đầu phân cực sẽ nằm trong pha nước – hướng về pha nước và
đầu không phân cực sẽ nằm trong pha dầu – hướng về pha dầu. Với cách phân bố
phân tử như trên, các chất nhũ hóa sẽ hình thành nên một lớp bảo vệ quanh các hạt
phân tán giúp cho hệ nhũ tương được bền vững.





Dầu Chất hoạt động bề mặt
Hình 1.9 Vị trí phân bố của chất hoạt động bề mặt tiếp xúc giữa hai pha
nước – dầu trong hệ nhũ tương
 Đặc điểm
Chất hoạt động bề mặt được dùng làm giảm sức căng bề mặt của một chất
lỏng bằng cách làm giảm sức căng bề mặt tại bề mặt tiếp xúc (interface) của hai
chất lỏng.
Nếu có nhiều hơn hai chất lỏng không hòa tan thì chất hoạt hóa bề mặt làm
tăng diện tích tiếp xúc giữa hai chất lỏng đó. Khi hòa chất hoạt hóa bề mặt vào
trong một chất lỏng thì các phân tử của chất hoạt hóa bề mặt có xu hướng tạo đám
(micelle), nồng độ mà tại đó các phân tử bắt đầu tạo đám được gọi là nồng độ tới
Nước