مروری بر مکانیسم پایداری و کاربرد امولسیون‌های آب در روغن حاوی مواد افزودنی مختلف

چکیده

امولسیون‌های آب در روغن (W/O) می‌توانند برای کپسوله کردن و رهایش کنترل­شده ترکیبات زیست فعال جهت غنی سازی محصولات غذایی برپایه چربی[1] استفاده شوند. با این حال، تثبیت طولانی مدت امولسیون های W/O یک کار چالش برانگیز در صنایع غذایی است و در نتیجه کاربرد بالقوه آنها را محدود می کند. برای تولید محصولات غذایی مبتنی بر امولسیون با کیفیت بالا، درک بهتر عوامل موثر بر پایداری امولسیون ضروری است. در سیستم غذایی واقعی، وضعیت پایداری امولسیون‌های W/O با در نظر گرفتن این واقعیت که افزودنی‌های مختلفی مانند نمک، شکر و سایر افزودنی‌های مولکول بزرگ در محصولات موجود است، پیچیده‌تر می‌شود. پایداری امولسیون‌های W/O ناشی از این افزودنی‌های کپسوله‌شده یکی از نگرانی های کنونی است و باید توجه ویژه ای به مبانی نظری مربوطه صورت گیرد. این مقاله چند روش متداول برای تهیه امولسیون‌های W/O را ارائه می‌کند و نقش افزودنی‌های مختلف (انواع محلول در آب و روغن) در تثبیت امولسیون‌های W/O مورد بحث قرار گرفته و نشان داده می‌شود تا بتوان به بینشی جدید در مورد مکانیسم پایداری سیستم های امولسیونی دست پیدا کرد. علاوه بر این، این مقاله یک نمای جامع از کاربردهای بالقوه امولسیون‌های W/O در سیستم‌های غذایی برای مثال به عنوان جایگزین‌های چربی، پلتفرم‌های رهایش کنترل‌شده مواد مغذی، و سیستم‌های حامل ترکیبات زیست فعال محلول در آب ارائه می‌کند. این اطلاعات ممکن است برای بهینه سازی فرمولاسیون امولسیون های W/O برای استفاده در محصولات غذایی عملگرا در مقیاس تجاری مفید باشد.

واژه‌های کلیدی: افزودنی‌ها، کاربرد، مکانیسم پایداری، امولسیون‌های W/O.

مقدمه

امولسیون‌ها، دیسپرسیون‌های کلوئیدی متشکل از حداقل دو مایع غیرقابل اختلاط هستند که یکی از آنها در دیگری پراکنده شده و با استفاده از سورفکتانت‌هایی با تعادل هیدروفیل-لیپوفیل مناسب (مقدار HLB) تثبیت می‌شوند (Bande, Prasad, Mishra, & Wasewar, 2008). امولسیون ها به طور گسترده ای در صنایع لوازم آرایشی (رژ لب، امولسیون آرایشی و بهداشتی)، داروسازی (ریزپوشانی و تحویل دارو)، نفت و صنایع غذایی استفاده می شوند (Zhu و همکاران، 2019). با توجه به تفاوت در فاز پراکنده، امولسیون ها را می توان به امولسیون های روغن در آب (O/W) و امولسیون های آب در روغن (W/O) طبقه بندی کرد. امولسیون O/W شامل قطرات روغن است که در فاز آبی پراکنده شده اند، در حالی که امولسیون W/O یک سیستم امولسیونی است که در آن فاز آبی در فاز پیوسته روغنی پراکنده می شود. امولسیفایرها، از جمله پلیمرهای طبیعی (پلی ساکاریدها، پروتئین‌ها و غیره) و سورفکتانت‌های شیمیایی، معمولاً برای تثبیت امولسیون‌ها بواسطه کاهش کشش سطحی بین دو فاز استفاده می‌شوند (Liu  و همکاران، 2017).

پایداری یک شاخص مهم برای سنجش ارزش تجاری محصولات غذایی مبتنی بر امولسیون W/O است. با این حال، امولسیون‌های W/O به دلیل بالابودن سطح مشترک[2] فاز پراکنده، سیستم‌های ترمودینامیکی ناپایدار هستند. تحرک زیاد قطرات آب باعث تقویت مکانیسم های بی ثبات کننده امولسیون W/O مانند ته نشین شدن، کرم شدن و ادغام می شود (Ushikubo  و Cunha، 2014). علاوه بر این، پارامترهای آماده سازی و شرایط محیطی مانند دما، قدرت یونی و حضور اکسیژن می تواند باعث اکسیداسیون لیپید و بی ثباتی فیزیکی امولسیون های W/O شود. ویژگی‌های ساختاری، خواص رئولوژیکی و پایداری امولسیون در طی انبارمانی به کیفیت سیستم‌های غذایی امولسیونی مانند اسپردها[3]، تاپینگ های زده شده[4]، سس‌ها و مارگارین مرتبط است. بسیاری از مطالعات نشان داده اند که ترکیبات فاز روغنی، سرعت نیروی برشی[5]، چرخه انجماد/ذوب، و نوع امولسیفایر اثرات قابل توجهی بر پایداری طولانی مدت و خواص حسی (به عنوان مثال، قابلیت پخش شدن، ویسکوزیته، ظاهر) امولسیون های W/O دارند (Lukic و همکاران، 2013). توسعه موفقیت‌آمیز امولسیون‌های خوراکی W/O با ویژگی‌های حسی مطلوب وابسته به درک خوب خواص فیزیکوشیمیایی و ساختاری امولسیون‌ها (اندازه و توزیع ذرات، ویسکوزیته، ویژگی‌های سطحی) می باشد. برای تولیدکنندگان مواد غذایی، ماندگاری امولسیون های W/O باید به طور جدی در طول ذخیره سازی طولانی مدت در نظر گرفته شود تا کیفیت غیر قابل تغییر محصولات غذایی امولسیونی تضمین شود.

مطالعات متعدد نشان داده‌اند که پایداری امولسیون‌های W/O به پارامترهای مختلف فراوری از جمله نوع و غلظت امولسیفایر آبگریز، ماهیت فاز روغنی، پارامترهای فرآیند هموژنیزاسیون، نسبت جرم/حجم فازهای آبی و روغنی و تکنیک های هموژنیزاسیون بستگی دارد (Zhu و همکاران، 2019). انتخاب پارامترهای فراوری مناسب می‌تواند به کنترل خواص فیزیکوشیمیایی امولسیون‌های W/O برای دستیابی به پایداری بالاتر کمک کند. علاوه بر پارامترهای فوق، پایداری امولسیون W/O به ترکیباب موجود در امولسیون نیز بستگی دارد. ترکیب ماتریس مواد غذایی امولسیونی واقعی پیچیده است. به جز روغن، آب و امولسیفایرها/تثبیت کننده ها، سایر افزودنی ها و مواد مغذی مانند نمک ها، قندها، ویتامین ها، اسیدهای آمینه و اسیدهای فنولیک نیز ممکن است در فاز روغنی یا فاز آبی امولسیون های W/O توزیع شوند. از آنجایی که برخی از این افزودنی ها دارای اثر اسمزی و خاصیت امولسیون کنندگی هستند، ممکن است بر پایداری سیستم های امولسیون W/O تأثیر بگذارند. تحقیقات متعدد نشان داده است که وجود مواد افزودنی مانند نمک های معدنی (Zhu و همکاران، 2016) پروتئین ها (Sapei و همکاران، 2012)، و ترکیبات فاز روغنی (Nadin و همکاران، 2010) تأثیر قابل توجهی بر پایداری و رهایش کنترل شده امولسیون های W/O دارد. بنابراین، محققان باید مکانیسم‌های تثبیت بالقوه افزودنی‌های مختلف موجود در فاز روغنی یا آبی را برای به دست آوردن یک فرمولاسیون قابل اعتماد از سیستم غذایی مرتبط با امولسیون‌های W/O بررسی کنند.

هدف این مقاله ارائه یک نمای کلی از پیشرفت‌های اخیر در طراحی و کاربرد امولسیون‌های W/O است. روش‌های رایج در مورد تهیه امولسیون‌های W/O معرفی شده است. تأکید بیشتر بر افزودنی‌های مختلف (انواع محلول در آب یا روغن) است که بر پایداری فیزیکی و طولانی‌مدت امولسیون‌های W/O تأثیر می‌گذارند. به طور خاص، مکانیسم‌های تثبیت بالقوه امولسیون‌های حاوی این افزودنی‌ها در این مقاله مورد بحث و توضیح قرار گرفته‌اند. علاوه بر این، چالش ها و جهت گیری های آینده در توسعه محصولات غذایی مبتنی بر امولسیون W/O گنجانده خواهد شد.

شکل گیری امولسیون های W/O: روش های امولسیون سازی

آماده‌سازی امولسیون‌های W/O شامل حل کردن یک امولسیفایر آبگریز در فاز پیوسته و به دنبال آن افزودن مرحله‌ای دیسپرسیون آبی به فاز پیوسته تحت هم زدن متوسط ​​است (Esquena و همکاران، 2003). روش‌های امولسیون‌سازی مختلفی برای تهیه امولسیون‌های W/O استفاده شده که بصورت خلاصه در جدول 1 آمده است. این روش‌های امولسیون‌سازی شامل هموژنیزاسیون با فشار بالا، هموژنیزاسیون روتور-استاتور، امولسیون‌سازی میکروکانالی[6]، امولسیون‌سازی غشایی[7]، میکروسیال‌سازی[8]، و امولسیون‌سازی با اولتراسوند است. سیستم روتور-استاتور و هموژنیزاسیون با فشار بالا جزء روش های "امولسیون سازی با انرژی بالا" هستند و نرخ اتلاف انرژی نسبتاً بالایی دارند. علاوه بر این، آنها می توانند به طور انعطاف پذیری اندازه ذرات امولسیون W/O را بواسطه تنظیم سرعت چرخش/برش یا فشار فرایند هموژنیزاسیون کنترل کنند. چرخش سریع روتور می تواند سطح مشترک روغن/آب را دچار اغتشاش و از هم­گسیختگی کرده و قطرات بزرگتر را به قطرات کوچکتر بشکند. در اکثر مطالعات صنعتی/آزمایشگاهی برای به دست آوردن یک امولسیون خام W/O، معمولاً محلول‌های روغن و آب تحت فرایند برش با سرعت بالا (دستگاه روتور-استاتور) قرار گرفته و به دنبال آن برای کاهش بیشتر اندازه قطرات امولسیون از هموژنیزاسیون با فشار بالا استفاده می شود. در عمل، سرعت چرخش/برش دستگاه روتور-استاتور از 1500 تا 24000 دور در دقیقه متغیر است. اعمال فرآیند اختلاط یا تجزیه مکانیکی منجر به تولید قطرات امولسیونی نسبتاً بزرگ (> 1 میکرومتر) با توزیع اندازه ذرات ناهمگن می شود که برای پایداری امولسیون‌های W/O مفید نیست. دستگاه های هموژنیزاسیون فشار بالا در کاهش اندازه قطرات کارآمدتر از سیستم های روتور-استاتور هستند. به طور معمول، فشار هموژنیزاسیون به 100 مگاپاسکال محدود می شود. اگر شدت هموژنیزاسیون خیلی پایین باشد، امولسیون W/O به دست آمده پراکنده با توزیع اندازه گسترده است. با افزایش غلظت امولسیفایر و فشار هموژنیزاسیون، می‌توانیم حداقل اندازه ذرات امولسیون W/O را به حدود 250 نانومتر بدست آوریم (Prichapan و همکاران، 2017).

قطرات مونودیسپرس یا تک پراکنده می توانند به پایداری امولسیون های W/O و کنترل دقیق خواص فیزیکی و همچنین رهایش کنترل شده ترکیبات از آنها  کمک کنند (ویسکوزیته، اندازه ذرات، ریزساختار، شکل) (Zhu و همکاران، 2019). بنابراین، در سال‌های اخیر، محققان بر توسعه روش‌های امولسیون‌سازی دیگر از جمله میکروسیال‌سازی، میکروکانال و امولسیون‌سازی غشایی تمرکز کرده‌اند. امولسیون غشایی معمولاً برای تولید امولسیون های O/W استفاده می شود. تنها چند مطالعه استفاده از آن را در تهیه امولسیون‌های W/O با غشاهای آبگریز مانند غشای آبگریز SPG[9]، غشای سرامیکی و غشای پلی تترافلورواتیلن (PTFE) را گزارش کرده‌اند. اندازه ذرات امولسیون W/O شدیدا متاثر از کشش سطحی بین فازهای آب و روغن، غلظت امولسیفایر، فشار غشاء و اندازه منافذ غشا می باشد. امولسیون‌های کاملا مونودیسپرس W/O را می‌توان با روش میکروسیالی تولید کرد که در آن در هر بازه زمانی یک قطره منفرد به طور مطلوب ساخته می‌شود. ترشوندگی سطح[10] عامل مهمی در تعیین انواع امولسیون است. برای تهیه امولسیون‌های W/O، از چندین روش از جمله گسیختگی متقاطع در یک میکروکانال اتصال T یا Y[11]، دستگاه جریان با هندسه کنترل‌شده[12] و تجزیه جریان برشی[13] استفاده شده است (Zhu و همکاران، 2019). با این حال، تاکنون این سیستم های تولید امولسیون تنها در مقیاس آزمایشگاهی بررسی شده اند.

 پایداری امولسیون های W/O: اثر افزودنی ها

نمک های آلی

عوامل زیادی مانند کسر حجمی فاز پراکنده، غلظت سورفکتانت و وجود مواد افزودنی بر پایداری امولسیون‌های W/O تأثیر می‌گذارند. مشخص شده است که می توان پایداری امولسیون های W/O را با افزودن غلظت مناسب نمک معدنی (به عنوان مثال، CaCl2، NaCl، MgCl2 و MgSO4) در فاز آبی بهبود بخشید. محققان تاثیر افزوده شدن نمک معدنی بر ترکیب، ساختار و خواص فیزیکی امولسیون های W/O را بررسی کرده اند. سه راه اصلی وجود دارد که بوسیله آن نمک ها می توانند از امولسیون های W/O در برابر ادغام[14] و رسوب محافظت کنند. نقش الکترولیت ها در تثبیت پایداری امولسیون های W/O در جدول 2 خلاصه شده است.

برای دریافت متن کامل و منابع بکار رفته در تهیه این مطلب درخواست خود را با ایمیل گروه  به آدرس  [email protected] مطرح نمائید. پاسخگویی به ایمیل نهایتا پس از 48 ساعت انجام خواهد شد.

[1] -fat-based food products

[2] -interfacial area

[3] -spreads

[4] -whipped toppings

[5] -shearing speeds

[6] - microchannel emulsification

[7] - membrane emulsification

[8] - microfluidics

[9] - Shirasu-porous-glass

[10] - surface wettability

[11] - cross-flowing rupture in a T- or Y-junction microchannel

[12] - geometry-controlled flow device

[13] - shearing-flow breakup

[14] - coalescence