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.
Trang 1Tạp chí KHKT Nông nghiệp 2006 Tập IV, số 6: 81-88 Đại học Nông nghiệp I
ảnh hưởng của canxi đến độ bền kết hợp của nhũ tương
được 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 được sử dụng rộng r!i trong
sản xuất các nhũ tương thực phẩm Nó được
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 được huyền phù đem thanh
trùng và sấy phun Quá trình xử lý như 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 được 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 tương được sản xuất từ casein này lại
bị kết tụ rất nhanh khi có mặt của ion canxi
Sở dĩ xảy ra như vậy là do sự có mặt của các phosphoseryl trên phân tử αs1 và κ-casein, các casein này có xu hướng 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 như vậy sẽ ảnh hưởng
đến khả năng hấp thụ của nó trên bề mặt dị thể dầu/nước và độ bền của nhũ tương (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! được 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
Trang 2Theo Mitidieri và Wagner (2002),
protein có khả năng tạo và làm bền nhũ
tương 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 tương tác tĩnh điện và không gian Lớp
màng này chịu được sự đứt g!y do nó có độ
nhớt đàn hồi cao
Trong sản xuất nhũ tương dầu/nước từ
natri caseinat, độ bền của nó có thể bị ảnh
hưởng bởi nhiều yếu tố Mục đích của nghiên
cứu này là đánh giá sự ảnh hưởng của canxi
clorua đến độ bền của nhũ tương bằng cách
phân tích kích thước hạt Ngoài ra, ảnh hưởng
của nồng độ canxi clorua đến sức căng bề mặt
và suất bề mặt cũng được nghiên cứu
2 Vật liệu LIệU Và PHƯƠNG PHáP
NGHIÊN CứU
2.1 Nguyên liệu
Natri caseinat được cung cấp bởi Armor
Proteins Tất cả các hóa chất khác đạt chất
lượng phân tích trong đó canxi clorua được
sản xuất bởi công ty hóa chất MERCK,
Germany, n-hexandecane được sản xuất bởi
công ty hóa chất Sigma Dầu hóa hướng dương
được mua tại siêu thị Nước được sử dụng là
nước 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
được lọc qua giấy lọc whatman N01 để thu
được dịch phân tán có nồng độ protein 1
mg/ml dùng chuẩn bị nhũ tương
Để thu được 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 tương Nhũ tương được chuẩn bị bằng cách trộn
đều 80 ml dịch phân tán protein 1mg/ml ở trên
và 20 g dầu hóa hướng dương Sau đó đồng hóa bằng thiết bị Ultra-Turrax ở tốc độ 8000 vòng/phút trong thời gian 1 phút Nhũ tương
có chứa các nồng độ canxi clorua khác nhau
được điều chỉnh bằng cách cho thêm canxi clorua trước hoặc sau khi nhũ hóa
Trong trường hợp canxi clorua được 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 tương ban đầu được chuẩn bị như trên bằng cách trộn đều 80 ml dịch protein 1mg/ml và 40 g dầu hoa hướng dương 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 tương ban đầu và trộn đều rất nhẹ bằng máy khuấy từ
Trong trường hợp canxi clorua được cho thêm vào trước khi nhũ hóa, natri caseinat
được 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 hướng dương và tiến hành chuẩn bị nhũ tương như trên Các thí nghiệm được thực hiện
ít nhất 3 lần
2.4 Xác định kích thước hạt và sự phân bố kích thước hạt
Trước khi xác định kích thước hạt, nhũ tương được 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 Đường kính trung bình bề mặt-thể tích (d32) của hạt
được 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 thước hạt được thiết lập là loại mô hình quang học code 30 FD, nó tương đương với hệ số khúc xạ thực là 1,5295, hệ số khúc xạ ảo là 0,01
Trang 32.5 Xác định sức căng bề mặt dị thể
Sức căng bề mặt dị thể được xác định
bằng thiết bị đo sức căng bề mặt hạt tự động
(Tracker, IT-Concept, Saint-Clementes Places,
France) Trước khi tiến hành thí nghiệm, hệ
thống máy được kiểm tra độ sạch bằng cách
đo sức căng bề mặt của bề mặt dị thể
n-hexadecane/nước tinh khiết Nếu trong thời
gian đo 30 phút, sức căng bề mặt đo được 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 được 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 được 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 thước hạt và đường
kính trung bình của hạt
Trong trường hợp canxi clorua được thêm vào sau khi nhũ hóa, ảnh hưởng của canxi clorua đến đường kính trung bình bề mặt-thể tích (d32) của các hạt dầu được thể hiện ở đồ thị 1 Qua đồ thị 1 cho thấy rằng sự thay đổi kích thước của hạt dầu xảy ra rất ít sau các thời gian bảo quản khác nhau Tuy nhiên
đường kính trung bình d32 tăng nhẹ từ 9,16 àm
đến 11 àm đối với các nhũ tương có chứa 0 và
20 mM CaCl2 sau 3 ngày bảo quản và tăng từ 9,16àm đến 10,14 àm đối với nhũ tương có chứa 10 mM sau 5 ngày bảo quản Sự phân bố kích thước hạt dầu của nhũ tương được thể hiện ở đồ thị 2 ở đồ thị 2 cho chúng ta thấy rằng sự phân bố kích thước các hạt dầu trong nhũ tương ngay sau khi nhũ hóa không bổ sung canxi clorua có phương thức đơn với hầu hết các hạt có kích thước từ 0,4-300 àm Kết quả này giống với kết quả của Singh và Ye (2000) Sau các thời gian bảo quản nhũ tương khác nhau kích thước hạt dầu có sự thay đổi Cũng ở đồ thị 2 cho thấy rằng, sau 1 ngày bảo quản thì sự phân bố kích thước hạt dầu có phương thức đơn đối với hầu hết các nhũ tương có chứa các nồng độ canxi clorua khác nhau Tuy nhiên sau 5 ngày bảo quản thì sự phân bố kích thước hạt có phương thức kép với các pic nhỏ được 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 hưởng của canxi clorua được cho thêm sau khi nhũ hóa đến độ bền của nhũ tương
Trang 40 5 10 15
C
0
5
10
15
B
0 5 10 15
§−êng kÝnh h¹t ( m) µ
A
0
5
10
15
§−êng kÝnh h¹t ( m) µ
§−êng kÝnh h¹t ( m) µ
§−êng kÝnh h¹t ( m) µ
§å thÞ 2 Sù ph©n bè kÝch th−íc h¹t dÇu cña c¸c nhò t−¬ng cã cho thªm canxi clorua sau khi nhò hãa vµ b¶o qu¶n ë thêi gian kh¸c nhau: 0 (A), 1 (B), 2 (C), 5 (D), 10 (E) vµ 20 mM (F) CaCl2
Trang 5Trong trường hợp canxi clorua được
thêm vào nhũ tương trước khi nhũ hóa, ảnh
hưởng của nó đến kích thước hạt trong khi
đồng hóa và trong thời gian bảo quản được
thể hiện ở đồ thị 3 Khi tăng nồng độ canxi
clorua từ 0 đến 20 mM làm tăng kích thước
(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 như thay đổi rất ít trong quá trình bảo quản khi nồng độ CaCl2 cho thêm vào từ 0-10 mM Nhưng d32 tăng mạnh
từ 13,49 àm đến 19,47 àm trong 5 ngày bảo quản đối với nhũ tương có chứa 20 mM CaCl2
Đồ thị 3 ảnh hưởng của canxi clorua được cho thêm vào trước khi nhũ hóa
đến độ bền của nhũ tương
Sự phân bố kích thước hạt trong thời gian
bảo quản được thể hiện ở đồ thị 4 Đồ thị 4 B
và 4 C có phương thức kép đối với nhũ tương
có chứa 1 và 2 mM CaCl2 sau 5 ngày bảo
quản Mặc dầu không tạo ra phương thức kép
nhưng sự thay đổi kích thước hạt xảy ra rất rõ
ràng đối với nhũ tương có chứa 20 mM CaCl2
sau 3 ngày bảo quản
3.2 ảnh hưởng của canxi clorua đến các
tính chất bề mặt dị thể
Để loại bỏ sự ảnh hưởng của các
monoglyceride và diglyceride có trong dầu
hoa hướng dương đến các tính chất bề mặt dị
thể, thí nghiệm này đ! sử dụng n-hexandecane
là pha dầu để nghiên cứu
ảnh hưởng của canxi clorua đến các tính
chất bề mặt dị thể được 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) nhưng 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 tương ứng từ 13,51 ± 0,44 mN/m đến 10,39 ± 2,21 mN/m và 9,62 ± 1,49 mN/m (bảng 1)
Trang 60 5 10 15
C
0
5
10
15
B
0 5 10 15
A
0
5
10
15
§−êng kÝnh h¹t ( m) µ
§−êng kÝnh h¹t ( m) µ
§−êng kÝnh h¹t ( m) µ
§−êng kÝnh h¹t ( m) µ
§å thÞ 4 Sù ph©n bè kÝch th−íc h¹t dÇu cña nhò t−¬ng cã cho thªm canxi clorua tr−íc khi ngò hãa
vµ b¶o qu¶n ë thêi gian kh¸c nhau: 0 (A), 1 (B), 2 (C), 5 (D), 10 (E) vµ 20 mM (F) CaCl
Trang 7Đồ thị 5 ảnh hưởng của canxi clorua đến sức căng bề mặt dị thể
n-hexandecane/dung dịch natri clorua Bảng 1 ảnh hưởng của canxi clorua đến suất co giãn bề mặt của bề mặt dị thể
n-hexandecane/dung dịch natricasseinat
(mN/m)
(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 tương 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
Nhưng trong thực tế các kết quả thí nghiệm lại
cho thấy sự trái ngược về suất co gi!n bề mặt
dị thể Hiện tượng này có thể được giải thích
rằng khi cho thêm 1 mM CaCl2 vào trong dịch
protein thì chưa 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 vượt 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 lượng 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 Phương pháp phân tích kích thước hạt đ! chứng minh rằng ion canxi có ảnh hưởng đến
độ bền của nhũ tương khi nó được cho thêm vào trước hoặc sau khi nhũ hóa
Hàm lượng canxi clorua cho thêm vào càng tăng thì độ bền của nhũ tương càng giảm và nồng độ tới hạn là 10 mM đủ để làm cho nhũ tương không ổn định trong thời gian bảo quản Tuy nhiên khi CaCl2 cho vào sau khi nhũ hóa thì độ bền của nhũ tương ít bị
Trang 8ảnh hưởng hơn so với CaCl2 cho vào trước khi
nhũ hóa
Độ bền của nhũ tương được 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 hưởng nhiều bởi canxi nhưng 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 tương được xác định
bởi sự bền vững của lớp màng bao quanh hạt
dầu, đặc biệt với nhũ tương thực phẩm được
làm từ protein thì sự bền vững của lớp màng
này bị ảnh hưởng bởi ion canxi Trong thực tế
sản xuất thực phẩm, canxi là thành phần có
giá trị dinh dưỡng 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 như thế nào để
vừa đảm bảo được nhu cầu dinh dưỡng cho
con người và vừa đảm bảo được độ bền của
nhũ tương
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
