Chất hoạt động bề mặt trong hóa học thực phẩm - Văn hóa dân gian | Trường Đại học Khánh Hòa

PHẦN I: TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan về chất hoạt động bề mặt [1] 1.1.1 Khái niệm
Chất hoạt động bề mặt là những chất có khả năng làm thay đổi tương tác pha và năng
lượng ở mặt ranh giới tiếp giáp lỏng – khí, lỏng – rắn hoặc dầu – nước… Các chất này
có khả năng hấp phụ lên lớp bề mặt (Г > 0), có độ tan tương đối nhỏ và sức căng bề mặt σ bé hơn dung môi
Các chất hoạt động bề mặt trong nước đa số là các chất hữu cơ: axit béo, muối của axit
béo, este, rượu, alkyl sulfate,… 1.1.2 Phân loại
Trên cơ sở tính chất của các chất hoạt động bề mặt và hệ thống nhũ người ta chia
chúng thành các loại sau đây:
Chất hoạt động bề mặt tan trong nước gồm 2 phần: hiđrocacbon (lipophin hay
hidrophob) và phần chứa các nhóm phân cực như –COONa, –SO Na, –OH … 3
(hidrophin hay lipophob) có tác dụng làm cho chúng dễ tan trong nước
Chất hoạt động bề mặt hòa tan dầu nước: phần hiđrophin làm cho nó tan trong nước
còn gốc hiđrocacbon dài tạo cho nó tan trong dầu
Chất hoạt động bề mặt tan trong dầu: Phần lipophin là các gốc hiđrocacbon mạch
nhánh hay hiđrocacbon vòng thơm tạo cho nó dễ tan trong dầu
1.1.3. Cấu tạo và tính chất
Chất hoạt động bề mặt là các chất có tác dụng làm giảm sức căng bề mặt của chất
lỏng. Phân tử chất hoạt động bề mặt gồm hai phần: Đầu kỵ nước (Hydrophop) và đầu
ưa nước (Hydrophyl). Và tính chất hoạt động bề mặt phụ thuộc vào hai phần này.
Đầu kỵ nước phải đủ dài, mạch Carbon từ 8 – 21, ankyl thuộc mạch ankal, anken mạch
thẳng hay có gắn vòng cylo hoặc vòng benzene…
Đầu ưa nước phải là một nhóm phân cực mạnh như cacboxyl (COO-), Hydroxyl (- OH), amin (-NH ), sulfat (-OSO 2 3)…
Chất hoạt động bề mặt là nhóm hoá chất như chất tạo nhũ, chất thấm ướt, chất phân
tán, chất tạo bọt, chất trải. Dung dịch chất hoạt động bề mặt trong nước khác với nước
sạch, giảm sức căng bề mặt, hỗ trợ sự thấm ướt và sự phân tán của hoạt chất.
Các tính chất của chất hoạt động bề mặt: Tính thấm ướt Khả năng tạo bọt Khả năng hòa tan
Khả năng hoạt động bề mặt Khả năng nhũ hóa Điểm đục Tính ưa nước ưa dầu 1.2. Ứng dụng
Trong công nghiệp dệt nhuộm: Chất làm mềm cho vải sợi, chất trợ nhuộm
Trong công nghiệp mỹ phẩm: Chất tẩy rửa, nhũ hóa, chất tạo bọt
Trong ngành in: Chất trợ ngấm và phân tán mực in
Trong nông nghiệp: Chất để gia công thuốc bảo vệ thực vật
Trong xây dựng: Dùng để nhũ hóa nhựa đường, tăng cường độ đóng rắn của bê tông
Trong dầu khí: Chất nhũ hóa dung dịch khoan
Trong công nghiệp khoáng sản: Làm thuốc tuyển nổi, chất nhũ hóa, chất tạo bọt để làm giàu khoáng sản
Trong công nghệ thực phẩm: chất nhũ hóa, chất tạo bọt...
PHẦN II: CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT TRONG CỘNG NGHỆ THỰC PHẨM
2.1. Mục đích sử dụng [2]
Chất hoạt động bề mặt được sử dụng trong thực phẩm với mục đích làm bền nhũ
tương. Nhũ tương là hệ phân tán của hai chất lỏng không hòa tan lẫn nhau, một pha
này được phân bố trong pha kia trong hình dạng của những hạt rất nhỏ. Phần lớn các
nhũ tương trong thực phẩm là dầu trong nước hoặc nước trong dầu. Hiện tượng tách
pha là hiện tượng không mong muốn trong thực phẩm, nên ta sử dụng chất hoạt động
bề mặt làm bền nhũ tương để tránh tách lớp.
Các loại thực phẩm khác nhau sử dụng chất hoạt động bề mặt khác nhau:
Mứt: chất tạo gel, chất bảo quản Bia: chất tạo bọt
Sữa uống: chất nhũ hóa, chất ổn định
Sữa bột, bột dinh dưỡng: Chất ổn định, khí trơ, chất nhũ hóa (chế biến dạng lỏng thành dạng bột)
Kem: chất tạo nhũ, chất ổn định…
2.2. Cơ chế hoạt động [2]
Các hệ nhũ tương thường không bền là do những nguyên nhân sau:
Sự nổi lên hay sự lắng xuống của các giọt lỏng
Sự kết tụ của các giot lỏng
Sự chảy của giọt lòng này vào giọt lòng khác.
Để làm bên nhũ trong thực phẩm, ta sẽ thêm vào các chất hoạt động bề mặt có tác dụng sau:
Làm giảm sức căng bề mặt phân chia pha
Tạo một lớp phân chia bề mặt
Tạo các diện tích cùng cấu trên bề mặt pha phân tán, các lực tĩnh
điện sẽ chống lại lực hút Van der Well giữa các giọt lòng
Tạo hệ các giọt lỏng phân tán có kích thước các giọt nhỏ và đồng đều
Tạo độ nhớt cao trong phủ liên tục.
2.3. Một số ứng dụng chất hoạt động bề mặt trong công nghệ thực phẩm: 2.3.1. Protein [3]
Protein là một hợp chất đại phân tử được tạo thành từ rất nhiều các đơn phân là các
axit amin. Axit amin được cấu tạo bởi ba thành phần: một là nhóm amin (-NH ), 2 hai là
nhóm Cacboxyl (-COOH) và cuối cùng là các nguyên tử Cacbon trung tâm đính với
một nguyên tử Hydro và nhóm biến đổi R quyết định tính chất của axit amin. Người ta
đã phát hiện ra được tất cả 20 axit amin trong thành phần của tất cả các loại protein
khác nhau trong cơ thể sống
Protein được sử dụng làm bền hệ nhũ tương trong các sản phẩm như: sữa bò, sữa đậu
nành, kem, nước cốt dừa, bơ, phomai nóng chảy, mayonnaise,… những thành phần
protein thường đóng vai trò nổi bật trong việc làm bền các hệ này
Protein ít có khả năng làm bền hệ nhũ tương nước/dầu, nguyên nhân là do bản chất
chúng ưa nước và do đó chúng bị hấp phụ ở pha nước gần bề mặt phân chia pha.
Protein hấp thụ ở bề mặt phân chia giữa các giọt dầu phân tán và pha nước liên tục có
các tính chất vật lý và lưu biến, có tác dụng ngăn các giọt chất béo hợp nhất. Tùy theo
pH, ion hóa các gốc R của các axit amin trong mạch polypeptide tạo ra các lực tĩnh
điện, góp phần làm bền hệ nhũ tương.
Sữa là một hệ nhũ tương phức tạp và là một dung dịch keo. Hệ nhũ tương gồm
các giọt béo phân tán trong dung dịch liên tục chứa protein. Hàm lượng béo trong sữa
khá đa dạng từ 0,1% trong sữa gầy đến 20% trong sữa nguyên kem. Do đó chất nhũ
hóa đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì sự ổn định của hệ, tránh hiện tượng phân
tách lớp và làm giảm giá trị của sản phẩm.
Chất nhũ hóa trong sữa đa số là monoglycerid và diglyceride của các acid béo
và rượu. Chúng có tác dụng tạo thành các lớp phim membrane mỏng bao quanh các
giọt béo này trong quá trình đồng hóa sữa. * Sodium alginate:
Alginate là polysaccharide được chiết suất từ rong nâu Phaeophyecae, tồn tại liên kết
với muối, kali, canxi và magie. Tùy thuộc vào từng loại mà alginate có khả năng duy
trì một số loại cấu trúc sản phẩm. Sodium alginate được sử dụng như một chất nhũ hóa
ion. Sodium alginate có khả năng tan trong nước lạnh và được dùng như chát làm dày dung dịch. * Carragreenan:
Được chiết suất từ rong đỏ thuộc Rhodophycea. Có 3 loại đã được định danh là Kappa,
iota và lambda. Kappa thường được sử dụng trong các sản phẩm sữa, đặc biệt ở sữa có bổ sung acid béo omega 3.
+ Tương tác giữa Carragreenan với protein:
Phản ứng xảy ra nhờ các cation có mặt trong các nhóm sulfat mang điện âm của
carragreenan và có tính quyết định độ bền cơ học của gel. Trong công nghiệp sữa,
nhờ vào tính chất liên kết với các protein trong sữa mà carragreen được sử dụng
(nồng độ 0,015 – 0,025%) làm tác nhân để ngăn chặn sự tách lỏng và làm ổn định các hạt coca trong sữa socola. + Tạo gel:
Carragreenan có thể tạo gel ở nồng độ thấp (nhỏ hơn 0,5%). Ở dạng gel các mạch
polysacharide xoắn như lò xo và cũng có thể xoắn với nhau tạo thành khung xương
không gian ba chiều vững chắc, bên trong có thể chứa nhiều phân tử nước hoặc dung
môi. Từ dạng dung dịch chuyển sang dạng gel do sự tương tác pha giữa các phân tử
polyme hòa tan với các phân tử dung môi bên trong, nhờ tương tác này mà gel tạo
thành có độ bền cơ học cao. Phần xoắn vòng lò xo chính là những mầm tạo gel,
chúng lôi kéo các phân tử dung môi vào vùng liên kết.
Cơ chế tạo gel: trước hết là xuất hiện sự chuyển đổi cấu hình từ dạng cuộn sang dạng
xoắn lò xo, tiếp sau là sự kết hợp các xoắn và tụ hợp lại có trật tự tạo thành xoắn kép
– gel. Như vậy, gel là tập hợp các xoắn có trật tự hay còn gọi là xoắn kép.
Carragreenan có khả năng liên kết với protein của sữa, làm cho hạt nhũ trong sữa –
nước bền vững. Chính vì tính chất này mà Carragreenan không thể thiếu được trong
công nghiệp chế biến sữa. Sữa nóng có chứa Carragreenan được làm lạnh sẽ tạo gel,
giữ cho nhũ tương của sữa với nước được bền vững, không phân lớp. Tác nhân chính
trong quá trình tạo gel là do liên kết giữ các ion sulfat với các đuôi mang điện của các
phân tử protein và các Cation Ca2-, K- có mặt trong sữa. * Guar gum:
Được sử dụng như một chất làm dày. Gum có khả năng hòa tan trong nước lạnh, tăng
độ nhớt để tạo thành dịch psedoplatic trắng sữa. Dịch này có tác dụng cao ngăn chặn
sự tách béo tạo cặn trong sản phẩm
* Lecthine (chất hoạt động bề mặt lưỡng tính)
Là một trong những phospholipid phổ biến nhất và là tên thương hiệu trên thị
trường. Lecthine có thể là một hay nhiều hỗn hợp phospholipid. Lecthine thường
được sử dụng trong chất nhũ hóa hệ dầu trong nước. Người ta chiết suất Lecthine từ
hạt đậu nành và lòng đỏ trứng gà.
Một số sản phẩm có hàm lượng chất béo khá cao nên khó hòa tan vào trong
nước do một số hạt sữa được bao bọc bởi một màng lipid tự do. Chính vì thế chúng
trở nên kị nước. Hiện tượng này xảy ra ngay trong sữa bột tan nhanh và ảnh hưởng
đến khả năng hòa tan của sản phẩm.
Để khắc phục nhược điểm trên, người ta ứng dụng Lecthine hóa. Bản chất quá
trình này là tạo một màng mỏng Lecthine quanh các hạt sữa. Nhờ khả năng nhũ hóa
của Lecthine, các hạt sữa với màng bao lipid sẽ hòa tan trong nước lạnh, hạn chế tình
trạng không tan hay đóng vón khi pha sữa. Sữa chua:
Trong sữa chua hàm lượng chất béo từ 0-3,5% chất béo sữa và 10-15% chất béo
phi sữa. Chất nhũ hóa thường được sử dụng có nguồn gốc tự nhiên và gum đã biến
tính, chiết suất từ rong biển (Carragreenan, alginate) và gelatin.
* Gelatin: (chất hoạt động bề mặt anion)
Gelatin là các polypeptid cao phân tử dẫn xuất từ collagen, thành phần protein
chính trong các tế bào liên kết của nhiều loại động vật gồm xương, da, …
Gelatin trương nở khi cho vào nước lạnh, lượng nước hấp thu khoảng 5-10 lần thể tích chính nó.
Tan chảy khi gia nhiệt, đông đặc khi làm lạnh (tạo gel). Sự chuyển đổi SOL-
GEL có tính thuận nghịch.
Nhiệt độ nóng chảy 27-34OC.
chất này có khả năng tạo thành gel cấu trúc và chống khả năng tách lớp ở sản phẩm
có hàm lượng chất béo sữa thấp. Sữa chua là sản phẩm có cấu trúc hạt gel và dạng
keo, chất nhũ hóa có tác dụng như chất tạo gel , làm dày và ổn định cấu trúc. Kẹo chocolate:
Tất cả chocolate đều chứa 0,5% lecithin (E322) hoặc ammonium phosphatide
(E442). Chất nhũ hóa được thêm vào sẽ cung cấp đúng độ đặc của chocolate. Vì vậy,
nó có thể được đổ khuôn tạo thành hình dáng mong muốn. Nếu được trữ ở nhiệt độ
cao thì trên bề mặt nó sẽ xuất hiện màu trắng hoặc xám, làm cho sản phẩm ít hấp đẫn
hơn. Sorbitan tristearate (E42) làm trì hoãn quá trình này.
Trong sản xuất chocolate người ta thường sử dụng lecithin là chất nhũ hóa
nhằm tạo cấu trúc và chống hiện tượng “nở hoa bề mặt” của sản phẩm. Bánh mì
Chúng ta vẫn làm được bánh mì mà không cần chất nhũ hóa nhưng nó sẽ khô,
thể tích nhỏ, sản phẩm không thẩm mĩ và dễ hỏng. Nếu tăng thêm 0,5% chất nhũ hóa
vào bột nhào đủ đạt được thể tích tăng cường, ruột bánh mì mềm hơn và thời hạn sử
dụng lâu hơn. Các chất nhũ hóa được sử dụng trong bánh mì:
- Bột strengtheners (e.g. diacetyl tartaric acid esters (E472e)
- Sodium or calcium stearoyl-2-lactylate (E481, E482)
- Dough softeners (e.g. môn- and di-glycerides of fatty acids (E471). Chất củng cố
bột nhào làm cho bột mạnh hơn và kết quả là làm gia tăng kết cấu và thể tích. Chất
làm mềm bột cho phép có thể đạt được ruột bánh mì mềm hơn và tăng thời gian sử dụng. Kem:
Kem là hệ keo phức tạp, trong đó 17% chất béo sữa, 13-17% đường, 8% chất khô khác.
Monoglyxeride là chất nhũ hóa thông dụng được sử dụng trong sản xuất kem.
Nó có thể liên kết cạnh tranh với bề mặt protein sữa ở cả hai hệ nhũ tương béo trong
nước và khí trong nước và một phần có thể làm mất ổn định hệ nhũ tương béo.
Tuy nhiên chất ổn định polysaccharide thường liên kết với chất béo của kem
làm giảm khả năng tạo thành tinh thể đá lớn trong quá trình bảo quản cũng như duy
trì cấu trúc mong muốn của sản phẩm cuối cùng.
Để ổn định cấu trúc và đạt các tiêu chuẩn của sữa, đặc biệt sản phẩm có tính
chất lưu biến cao, người ta sử dụng chất nhũ hóa hay chất nhũ hóa chung với chất ổn
định. Sự kết hợp của chất nhũ hóa và chất ổn định đặc biệt tác dụng tốt đến các sản
phẩm sữa lỏng chức năng. Đối với sữa chua thì việc sử dụng chất ổn dịnh giúp sản
phẩm đạt được những đặc tính mong muốn về độ nhớt và hình dạng, vị, cấu trúc.
Ngoài ra trong kem ít béo, sử dụng chất nhũ hóa với làm lượng thấp có thể đạt được
cấu trúc sản phẩm tốt
Một số chất hoạt động bề mặt: Acid benzoic và natribenzoate Acid acetic Protein-polysacchyride Las Sodium alginate: Carragreenan: Gelatin: ammonium phosphatide (E442 Sorbitan tristearate (E42)
Bột strengtheners (e.g. diacetyl tartaric acid esters (E472e)
- Sodium or calcium stearoyl-2-lactylate (E481, E482)
Dough softeners (e.g. môn- and di-glycerides of fatty acids (E471). TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Bài giảng ‘Chất hoạt động bề mặt’ trường Đại học Thủy lợi, 2018
[2] https://luanvan.net.vn/luan-van/do-an-ung-dung-chat-hoat-dong-be-mat-trong- thuc-pham-35570/
[3] ‘Cấu trúc và tính chất vật lý, hóa học của protein’, Science Vietnam hóa học thực phẩm (2022)
[4] https://luanvan.co/luan-van/de-tai-ung-dung-cac-chat-hoat-dong-be-mat-trong- thuc-pham-44172/
[5] Encyclopedia of Colloid and Interface Science, Tharwat Tadros.
[6] Surfactants Used in Food Industry, Iva Kralova