Bài giảng Tổng quan về chất hoạt động bề mặt

PHẦN I TỔNG QUAN VỀ CHẤT HOẠT ĐỘNG BỀ MẶT Chất hoạt động bề mặt là chất khi cho vào dung môi, sức căng bề mặt của dung môi giảm xuống. Phân loại chất hoạt động bề mặt: Theo bản chất ái nước: Chất hoạt động bề mặt mang điện tích âm (Anionic surfactants) Chất hoạt động bề mặt mang điện tích dương (Cationic surfactants) Chất hoạt động bề mặt không mang điện tích (Non-ionic surfactants) Chất hoạt động bề mặt lưỡng tính (Amphoteric/zwitterionic surphactants) Theo bản chất nhóm kỵ nước: Phân loại nguồn cung cấp: Gốc alkyl mạch thẳng thu từ acid béo tự nhiên. Các alkyl mạch ngắn từ alcol Các hydrocacbon dầu mỏ Từ phản ứng Fischer Hệ nhũ tương: Có rất nhiều hệ nhũ tương khác nhau trong thực phẩm, nhưng chúng ta thường gặp 3 dạng: Hệ d/n: Pha phân tán: dầu. Pha liên tục: nước. Ví dụ: mayonnaises, kem sữa, bánh phết kem… Hệ n/d: Pha phân tán: nước. Pha liên tục: dầu. Ví dụ: bơ, maragine, sốt dùng với sa-lat… Hệ n/d/n : Hệ nhũ tương dầu trong nước là hệ khá phức tạp trong thực phẩm do các giọt phân tán của nó có chứa nước. Chất hoạt động bề mặt có vai trò rất lớn trong đời sống và sản xuất. Một số ứng dụng của chất hoạt động bề mặt ở các lĩnh vực như: 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 NỘI DUNG CHÍNH  Mục đích sử dụng: 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 trộn lẫn vào nhau mà một trong hai có mặt dưới dạng những giọt nhỏ của pha bị phân tán, pha còn lại ở dưới dạng pha liên tục. Phần lớn các nhũ tương thực phẩm đều là kiểu dầu trong nước hoặc nước trong dầu. Hiện tượng tách pha là hiện tượng không mong muốn trong sản xuất thực phẩm. Do đó, ta cần sử dụng chất hoạt động bề mặt làm bền hệ nhũ tương để tránh hiện tượng tách lớp. Phụ gia làm bền nhũ tương được chia làm hai loại: các ester một phần của các acid béo và các polyol hoặc acid hữu cơ; phospholipid như lecithine. Các loại thực phẩm khác nhau sử dụng chất hoạt động bề mặt khác nhau: Sữa bột, bột dinh dưỡng: chất nhũ hóa (dùng chế biến dạng lỏng thành dạng bột), chất ổn định, khí trơ. Sữa uống: màu, mùi, chất nhũ hóa, chất ổn định. Nước ngọt, nước trái cây: chất bảo quản, màu, mùi, chất ổn định, chống oxy hóa, chất điều chỉnh độ acid. Kem: chất tạo nhũ, chất ổn định, tạo cấu trúc, chống oxy hóa, hương liệu, chất màu. Mứt: chất tạo gel, chất bảo quản. Bia: chất tạo bọt Cơ chế hoạt động của các chất hoạt động bề mặt: 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 giọt lỏng Sự chảy của giọt lỏng này vào giọt lỏng khác Để làm bền nhũ tương 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 điện tích cùng dấu trên bề mặt pha phân tán, các lực tĩnh điện sẽ chống lại lực hút Van der Wall giữa các giọt lỏng. Tạo hệ các giọt lỏng phân tán có kích thước các giọt nhỏ và đồng đều. Tạo độ nhớt cao trong pha liên tục. Một số chất hoạt động bề mặt thường dùng trong thực phẩm: Protein: Nhiều sản phẩm thực phẩm là hệ nhũ tương như sữa bò, sữa đậu nành, kem, nước cốt dừa, bơ, phô mai nóng chảy, mayonnaise,… và những thành phần protein thường đóng vai trò nổi bật trong việc làm bền các hệ này. Protein được 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 (làm đặc, tạo độ nhớt, độ “cứng – dẻo”) có tác dụng ngăn cản các giọt chất béo hợp nhất. Tùy theo pH, ion hóa các gốc R của các acid amin trong mạch polypeptide cũng tạo ra các lực đẩy tĩnh điện, góp phần làm bền hệ nhũ tương. Protein ít có khả năng làm bền hệ nhũ tương nước/dầu, nguyên nhân là do phần lớn protein có bản chất ưa nước và do đó chúng bị hấp phụ ở pha nước gần bề mặt phân chia pha. Hai giọt dầu khi chưa có mặt protein Pha dầu Protein (biến tính) hấp phụ ở bề mặt phân chia ngăn cản các giọt chất béo hợp nhất Các lực đẩy tĩnh điện xuất hiện có tác dụng làm bền hệ nhũ tương Bề mặt phân chia Bề mặt phân chia Khả năng hấp phụ và làm bền nhũ tương của protein Chất hoạt động bề mặt ưa nước: Carragreenan: (chất hoạt động bề mặt anion) Carrageenan bắt đầu được sử dụng hơn 600 năm trước đây, được chiết xuất từ rêu Irish moss. Vào những năm 30 của thế kỷ XX, carrageenan được sử dụng trong công nghiệp bia và hồ sợi. Carrageenan được sử dụng ở nhiều dạng khác nhau trong nhiều sản phẩm mà chúng ta sử dụng hàng ngày, nhất là trong lĩnh vực thực phẩm và bánh kẹo. Tính phổ biến của carrageenan được thể hiện ở 4 đặc điểm sau: Tham gia như một chất tạo đông đối với một số sản phẩm như: kem, sữa, bơ, pho mát. Làm bền nhũ tương, giúp cho dung dịch ở trạng thái nhũ tương cân bằng với nhau mà không bị tách lớp. Có thể thay đổi kết cấu của sản phẩm với tính chất hóa lý, cơ học mong muốn, tạo ra các sản phẩm đông đặc có độ bền dai. Giúp ổn định các tinh thể trong các sản phẩm bánh, kẹo ngăn chặn đường và nước đá bị kết tinh. Tương tác giữa carrageenan với protein: Đây là một trong những tính chất quan trọng của carrageenan và cũng là đặc trưng cho tất cả các chất tạo gel cũng như các chất không tạo gel là xuất hiện phản ứng với protein. Phản ứng này xảy ra nhờ các cation có mặt trong các nhóm protein tích điện tác dụng với nhóm sulfat mang điện âm của carrageenan và có tính quyết định đến độ bền cơ học của gel. Trong công nghiệp sữa, nhờ vào tính chất liên kết với các protein trong sữa mà carrageenan được sử dụng (với nồng độ 0,015 – 0,025 %) làm tác nhân để ngăn chặn sự tách lỏng và làm ổn định các hạt coca trong sữa sôcôla. Tạo gel: Carrageenan có một tính chất vô cùng quan trọng là tạo gel ở nồng độ thấp (nhỏ hơn 0,5 %). Ở dạng gel các mạch polysaccharide xoắn vòng 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 (hay dung môi). Từ dạng dung dịch chuyển sang dạng gel là do tương tác giữa các phân tử polyme hòa tan với các phân tử dung môi ở 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 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. Ứng dụng trong công nghiệp sữa Carrageenan có khả năng liên kết với protein của sữa, làm cho hạt nhũ tương sữa – nước bền vững. Chính vì tính chất này mà carrageenan không thể thiếu được trong công nghiệp chế biến sữa. Sữa nóng có chứa carrageenan được làm lạnh sẽ tạo gel, giữ cho nhũ tương của sữa với nước được bền vững, không bị 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. Ứng dụng trong các ngành thực phẩm khác Carrageenan được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực chế biến thực phẩm khác nhau như: kem, phomat, bánh pudding, si rô, đồ uống lạnh, mứt ít đường và sữa chua. Các công ty chế biến thịt cũng sử dụng carrageenan trong chế biến thịt vì carrageenan có khả năng tăng hiệu suất các sản phẩm bằng cách giữ nước bên trong sản phẩm. Ngoài ra, carrageenan còn được thêm vào bia hoặc rượu để tạo phức protein và kết lắng chúng làm cho sản phẩm được trong hơn. Pectin (chất hoạt động bề mặt anion): a. Nguồn gốc và cấu tạo: Pectin là một polysaccharide tồn tại phổ biến trong thực vật, là thành phần tham gia xây dựng cấu trúc tế bào thực vật. Ở thực vật pectin tồn tại chủ yếu ở 2 dạng là pectin hòa tan và protopectin không hòa tan. Hợp chất pectin được đặc trưng bởi 2 chỉ số quan trọng là chỉ số methoxyl “MI” biểu hiện cho phần trăm khối lượng nhóm methoxyl –OCH3 có trong phân tử pectin và chỉ số este hóa “DE” thể hiện mức độ este hóa của các phân tử acid galactoronic trong phân tử pectin. Dựa trên mức độ methoxy hóa và este hóa, trong thương mại chia pectin thành 2 loại: pectin có độ methoxyl hóa cao và pectin có độ methoxyl hóa thấp. Pectin methoxyl hóa cao (High Methoxyl Pectin – HMP): DE >50 % hay MI > 7%. Chất này có thể làm tăng độ nhớt cho sản phẩm. Muốn tạo đông cần phải có điều kiện pH = 3,1 – 3,4 và nồng độ đường trên 60 %. Pectin methoxyl hóa thấp (Low Methoxyl Pectin – LMP): DE < 50 % hay MI < 7%. Được sản xuất bằng cách giảm nhóm methoxyl trong phân tử pectin. Pectin methoxy thấp có thể tạo đông trong môi trường không có đường. Chúng thường được dùng làm màng bao bọc các sản phẩm. Các pectin đều là những chất keo háo nước nên có khả năng hydrat hóa cao nhờ sự gắn các phân tử nước vào nhóm hydroxyl của chuỗi polymethyl galacturonic. Ngoài ra, trong phân tử pectin có mang điện tích âm nên chúng có khả năng đẩy lẫn nhau có khả năng làm giãn mạch và làm tăng độ nhớt của dung dịch. Khi làm giảm độ tích điện và hydrat hóa sẽ làm cho sợi pectin xích lại gần nhau và tương tác với nhau tạo nên một mạng lưới ba chiều rắn chứa pha lỏng ở bên trong. b. Ứng dụng: Pectin là chất tạo gel quan trọng nhất được sử dụng để tạo ra cấu trúc gel cho thực phẩm. Khả năng tạo gel của nó được sử dụng trong những thực phẩm cần có sự ổn định của nhiều pha. Tác dụng tạo gel của pectin được sử dụng chủ yếu trong các sản phẩm mứt trái cây và mứt đông. Tác dụng của pectin là tạo ra cấu trúc mứt đông và mứt trái cây không bị thay đổi trong quá trình vận chuyển, tạo ra mùi vị thơm ngon cho sản phẩm và giảm sự phá vỡ cấu trúc. Trong một số trường hợp, pectin còn được sử dụng với carageenan để tăng hiệu quả tạo gel. Gelatin: (chất hoạt động bề mặt anion) Là các polypeptid cao phân tử dẫn xuất từ collagen, là thành phần protein chính trong các tế bào liên kết của nhiều loại động vật, bao gồm xương, da… Cơ chế tạo gel: 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 (tạo gel) khi làm lạnh. Sự chuyển đổi SOL – GEL có tính thuận nghịch. Nhiệt độ nóng chảy 27 – 340C Có khả năng tạo gel mà không cần phối hợp với chất khác. Công dụng của Gelatin: Tạo đông: Gelly, Jam Ổn định: kem Nhũ hóa: tạo khí Làm đặc: súp, đồ hộp Kết dính: kẹo, sản phẩm thịt Làm trong: rượu Lecithine: (chất hoạt động bề mặt lưỡng tính) Là một trong những phospholipid phổ biến nhất và là tên thương hiệu trên thị trường. Lecithine có thể là một hay hỗn hợp các phospholipid. Trong cấu trúc phân tử của lecithine có 2 phần háo nước và háo béo, do đó lecithine được dùng như chất nhũ hóa của hệ dầu trong nước. người ta chiết xuất lecithine từ hạt đậu nành hoặc lòng đỏ trứng gà. Ứng dụng của lecithine: Quá trình lecithine hóa trong công nghệ sản xuất sữa bột: Một số sản phẩm sữa bột có hàm lượng chất béo khá cao nên khó hòa tan vào trong nước do một số hạt sữa được bao bọc xung quanh bởi một màng mỏng lipid tự do. Chính vì thế, chúng trở nên “kỵ nước”. Hiện tượng này xảy ra ngay cả trong sản xuất sữa bột tan nhanh và ảnh hưởng đến khả năng hòa tan của sản phẩm. Để khắc phục nhược điểm trên, người ta sử dụng quá trình lecithine hóa. Bản chất của quá trình này là tạo một màng mỏng lecithine bao quanh các hạt sữa. Nhờ khả năng nhũ hóa của lecithine, các hạt sữa với màng bao lipid sẽ trở nên hòa tan trong nước lạnh, hạn chế được hiện tượng không tan hay đóng vón khi pha sữa. PHẦN IIII CÁC QUY TRÌNH Phô mai nguyên liệu Hơi nước Bao bì Cắt và bao gói Gia nhiệt và khuấy trộn Xử lý Đổ khuôn Làm nguội Phô mai nấu chảy Sữa & các sản phẩm từ sữa Phụ gia Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất phô mai nấu chảy có nồng độ chất khô cao Theo sơ đồ trên, chất phụ gia được thêm vào ở giai đoạn gia nhiệt và khuấy trộn. Mục đích của quá trình này là nấu chảy phô mai nguyên liệu nhằm phá vỡ hoàn toàn cấu trúc gel ban đầu của chúng, tiếp theo là phối trộn phô mai đã được nấu chảy với các nguyên liệu và phụ gia khác thành một hỗn hợp đồng nhất. Phụ gia sử dụng ở đây là hỗn hợp trisodium citrate, sodium bicarbonate và acid citric để tạo cấu trúc gel cho phô mai. Ngày nay, nhiều phụ gia mới xuất hiện, thông dụng nhất là 4 phụ gia sau: Nhóm sodium polyphosphate (E.450) Nhóm sodium orthophosphate (E.339) Sodium citrate (E.331) Acid citric (E.330) Quy trình sản xuất thạch dừa: Phụ gia Quy trình chế biến thạch dừa được trình bày trong sơ đồ phía trên. Dùng máy cắt để cắt khối cellulose tạo các miếng nhỏ, đều đặn. Ngâm sản phẩm trong dung dịch Na2CO3 3-5% trong 15’ để trung hoà acid acetic còn sót bên trong thạch. Sau đó xả lại bằng nước lạnh. Đun sôi để làm trong sản phẩm và tao độ dai bằng cách bổ sung chất tạo dai. Ngâm đường tạo độ ngọt và tăng độ trong cho sản phẩm. Bổ sung màu, mùi để hoàn thiện giá trị cảm quan.