Ảnh hưởng của phụ gia tạo nhớt và nhiệt độ đến tính chất lưu biến của nước quả đục măng tây xanh

TÓM TẮT:

Trong nghiên cứu này, ảnh hưởng của các loại phụ gia tạo nhớt (xanthan gum, và carboxylmethylellulose) và nhiệt độ lên tính chất lưu biến của nước quả đục măng tây xanh được khảo sát bằng cách sử dụng thiết bị đo độ nhớt. Hai mức nồng độ của XG (0,2% và 0,3%), ba mức nồng độ của CMC (0,5%; 0,6%; và 0,7%) được dùng để khảo sát trong nghiên cứu. Ứng với mỗi mẫu bổ sung phụ gia tạo nhớt, 5 mức nhiệt độ được đánh giá (30^oC, 35^oC, 40^oC, 45^oC, và 50^oC). Kết quả các mẫu khảo sát đều tồn tại ứng suất ngưỡng, và có đặc tính của shear-thining. Mô hình Hershel-Bulkley tương thích với tất cả dữ liệu thực nghiệm.

Từ khóa: Carboxylmethyl celullos, lưu biến, phụ gia tạo nhớt, shear-thining, xanthan gum.

1. Đặt vấn đề

Măng tây (Asparagus officinalis L.) là một loại cây lâu năm thuộc họ Lily. Măng tây là một loại thực phẩm có giá trị dinh dưỡng cao, giàu hoạt chất sinh học, như: vitamin (C, K và nhóm B), các chất chống oxy hoá như polyphenol, tannins, flavanols, chlorophyll, saponin, amino acid (Cysteine, Glutathione) và một số khoáng chất (K, N, P, Ca, Mg, Zn,…) [1 - 2]. Măng tây có tác dụng chữa các bệnh có liên quan đến dạ dày, lợi tiểu, các bệnh tim mạch. Đặc biệt măng tây được sử dụng như một loại thảo dược chữa các bệnh đái tháo đường, xơ vữa động mạch,… [2 - 3]. Với hàm ẩm cao và đồng thời chứa nhiều hợp chất thiên nhiên có hoạt tính chống oxy hóa nên sản phẩm nước quả đục từ măng tây xanh sẽ mang đến giá trị dinh dưỡng cao cho người sử dụng. Tuy nhiên, dù có những tính năng tốt về mặt dược tính, nhưng dịch măng tây vẫn ít được sử dụng, vì: (i) dịch măng tây có mùi nồng, khó ngửi; (ii) dịch măng tây khó bảo quản, dễ bị tách lớp. Chính vì lý do đó, dịch măng tây chưa được sử dụng và sản xuất rộng rãi, nguyên liệu măng tây xanh chủ yếu dùng ở dạng tươi để chế biến món ăn hàng ngày.

Để tăng giá trị sử dụng của măng tây xanh, việc cần quan tâm là cải thiện chất lượng hóa lý của nước quả đục từ măng tây xanh. Một trong những phương pháp khả thi đó là bổ sung các hợp chất thuộc nhóm hydrocolloid. Việc bổ sung một số chất phụ gia tạo nhớt (gọi là hydrocolloid) sẽ làm tăng độ ổn định, cũng như độ nhớt của nước quả trong quá trình bảo quản [4]. Trong số các hợp chất hydrocolloid thì xanthan gum (XG) và carboxymethyl cellulose (CMC) là hai phụ gia sử dụng khá phổ biến trong công nghệ thực phẩm. XG thường được sử dụng trong các loại đồ uống từ cam, quýt và trong các loại đồ uống có hương vị trái cây để tạo trạng thái tốt cũng như ổn định mùi và hương vị cho sản phẩm [5]. Trong nước cam, XG ở nồng độ (0,02 - 0,06%) và CMC (0,02 - 0,14%) được phối trộn với nhau để ổn định thịt quả trong sản phẩm [6]. Những nghiên cứu liên quan đến mô hình tiên đoán sự thay đổi độ nhớt của các sản phẩm hiện rất hạn chế. Trong khi những dự đoán này sẽ giúp cho việc kiểm soát quá trình phối trộn cũng như chất lượng sản phẩm sau khi bổ sung hydrocolloid.

Vì vậy, bài viết đánh giá tính lưu biến của nước quả măng tây xanh khi thay đổi nồng độ hydrocolloid (XG, và CMC) ở những nhiệt độ khác nhau, nhằm xác định đặc tính lưu biến của sản phẩm, mô hình phù hợp tiên đoán sự thay đổi độ nhớt cũng như phân tích các hệ số quan trọng của mô hình cùng năng lượng hoạt hóa. Kết quả nghiên cứu là cơ sở ứng dụng hydrocolloid trong dòng sản phẩm nước quả đục từ nguyên liệu rau.

2. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

2.1. Đối tượng nghiên cứu

Các mẫu hydrocolloid thương mại dùng trong nghiên cứu là Xanthan Gum (XG) được cung cấp bởi Kelco Division of Merck and Company Inc. (LT100, Kelco, Co. Ltd, USA) và Carboxymethyl Cellulose (CMC) cung cấp bởi Suzhou Elifa Chemical Co. Ltd. (Suzhou, Jiangshu, China).

2.2. Chuẩn bị dịch măng tây

Để thu nước qua đục măng tây xanh, ban đầu, nguyên liệu được chọn lựa, xử lý sơ bộ lấy phần ngọn, làm sạch và trần ở 85^oC trong vòng 4 phút. Sau đó, nguyên liệu được xay nghiền trong nước với tỉ lệ nước: măng tây là 2:1 và lọc thu dịch ép. Trước khi phối trộn với phụ gia, dịch ép được hiệu chỉnh đến 12^oBrix bằng syrup 60^oBrix.

2.3. Thiết kế thí nghiệm

Hai mức nồng độ của XG (0,2% và 0,3%) và ba mức nồng độ của CMC (0,5%; 0,6%; và 0,7%) được dùng để khảo sát trong nghiên cứu. Trong nghiên cứu này, 5 mức nhiệt độ được đánh giá (30^oC, 35^oC, 40^oC, 45^oC và 50^oC).

Độ nhớt được đo bằng thiết bị đo nhớt Brookfield. Mẫu thí nghiệm được cho vào cốc thủy tinh 250ml và đạt trạng thái cân bằng sau khoảng 20 phút ở nhiệt độ mong muốn, sau đó sẽ thay đổi tuyến tính tốc độ biến dạng trượt từ 10 đến 100 s-¹. Kết quả thu được biểu đồ của ứng suất trượt theo tốc độ biến dạng trượt.  

2.4. Mô hình toán học

Đối với chất lỏng phi Newton, mô hình Power-law và mô hình Hershel-Bulkley (gọi tắt HB) được ứng dụng để phân tích đặc tính lưu biến của mẫu.

Mô hình Power-Law:  σ = K γ^&n    (1)

Trong đó: σ là ứng suất trượt (Pa), và γ^& là tốc độ biến dạng trượt (s^-1), K (Pa s^-n) là hằng số, γ^& (s-1) là tốc độ biến dạng, và n là hệ số dòng chảy (không thứ nguyên).

Mô hình HB:  σ = σ₀ + K_H(γ^&)n_H   (2)

Trong đó: σ(Pa) là ứng suất trượt (shear stress), σ₀(Pa) là ứng suất ngưỡng (yield stress), K_H(Pa s^-nH) là hằng số, γ^&(s^-1) là tốc độ biến dạng, và n_H là hệ số dòng chảy (không thứ nguyên).

2.5. Ước lượng năng lượng hoạt hóa

Sự thay đổi độ nhớt hoặc độ nhớt biểu kiến đối với những nồng độ và loại hydrocolloid khác nhau theo nhiệt độ được đánh giá bằng cách sử dụng mô hình Arrhenius:  η = Aexp(-E_a/ RT)                         (3)              

Trong đó: A là hệ số trước mũ, E_a là năng lượng hoạt hóa (kJ/mol), và R là hằng số khí lý tưởng (8,314 J/mol.K).

2.6. Phương pháp xử lý số liệu

Dữ liệu thực nghiệm được phân tích bằng phần mềm SPSS 15 sử dụng những kỹ thuật thống kê cơ bản. Tất cả thí nghiệm và những chỉ tiêu phân tích được lặp lại 3 lần.

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng đến ứng suất trượt của nước quả đục bổ sung phụ gia tạo nhớt

Hình 1 thể hiện sự thay đổi của ứng suất trượt (Pa) của các mẫu khác nhau về loại hydrocolloid, nồng độ của hydrocolloid, và nhiệt độ khi thay đổi tốc độ biến dạng.

Hình 1: Ảnh hưởng của tốc độ biến dạng trượt lên ứng suất trượt của nước quả đục ở những nồng độ XG, CMC khác nhau tại những nhiệt độ khác nhau

Kết quả này cho thấy, tất cả các mẫu khảo sát đều tồn tại ứng suất ngưỡng (σ₀, Pa), và tất cả đều có đặc tính của shear-thining. Ứng suất ngưỡng có thể đo trực tiếp bằng thực nghiệm [7], hoặc tính toán thông qua mô hình. Mô hình Casson xác định ứng dụng ngưỡng khi căn bậc 2 của σ và γ^& được biểu diễn tuyến tính trên đồ thị: σ^0.5  = K_0c + K_c (γ^&)^0.5    (4)

Trong nghiên cứu này, mô hình Casson được ứng dụng để ước lượng các giá trị ứng suất ngưỡng và trình bày trong Bảng 1 cùng với hệ số tương quan R² có giá trị trong khoảng 0,959 và 1,000. Theo Steffe (1996) [7] và Mizrahi (1979) [8], các giá trị ứng suất ngưỡng phụ thuộc rất lớn vào khoảng tốc độ trượt biến dạng, loại mô hình, hình dạng và kích thước các phân tử trong puree. Ngoài ra trong nghiên cứu này kết quả còn chỉ ra rằng ứng suất ngưỡng còn phụ thuộc lớn đến nhiệt độ của sản phẩm.

Bảng 1. Ứng suất ngưỡng σ_0(Pa) của nước quả đục măng tây xanh ước lượng từ mô hình Casson

Ghi chú: Kết quả được trình bày dưới dạng giá trị ứng suất ngưỡng ước lượng từ mô hình Casson (hệ số tương quan)

Phân tích hồi quy tuyến tính dữ liệu thực nghiệm thu được phương trình mô tả ứng suất ngưỡng ở những nồng độ hydrocolloid khác nhau, và nhiệt độ khác nhau. Sai số chuẩn được xác định là khoảng 7,5% và giá trị R² điều chỉnh là 0,97 đối với XG, và sai số chuẩn được xác định là khoảng 8,9% và giá trị R² điều chỉnh là 0,90 đối với CMC.

XG:   σ_0(XG) = 2,8662 + 75,4644*x₁ – 0,286773*x₂                            (5)

CMC: σ_0(CMC) = -0,70418 + 3,0036*x₁ – 0,0124227*x₂                         (6)

Trong đó: x₁ và x₂ là tương ứng với các mức mã hóa của nồng độ hydrocolloid (%) và nhiệt độ (^oC). Dựa vào các hệ số trước các biến chỉ ra rằng ứng suất ngưỡng tỉ lệ thuận với nồng độ hydrocolloid và tỉ lệ nghịch với nhiệt độ. Loại hydrocolloid ảnh hưởng rất lớn đến sự thay đổi của ứng suất ngưỡng. Trong đó, khi tăng 1% nồng độ thì độ nhớt tạo thành bởi XG tăng gấp hơn 25 lần so với tác dụng của CMC. Bên cạnh đó, mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ lên độ nhớt của mẫu bổ sung XG cũng gấp 23 lần so với sự thay đổi nhiệt độ của mẫu bổ sung CMC.

Một điều lưu ý, trong khoảng nhiệt độ của nước quả đục khảo sát từ 30 đến 50^oC thì ứng suất ngưỡng của các mẫu có mức độ giảm khác nhau. Cụ thể các mẫu giảm lần lượt 55%, 41%, 73%, 29%, và 21% đối với các mẫu măng tây đục bổ sung 0,2% XG; 0,3% XG; 0,5% CMC; 0,6% CMC, và 0,7% CMC. Đây là một kết quả quan trọng khi ứng dụng thực tế, ở những quá trình bơm dòng lưu chất ở nhiệt độ cao cần lưu ý nhiệt độ sản phẩm để thuận tiện thực hiện quá trình.

3.2. Chọn mô hình đặc tả lưu biến sản phẩm

Các giá trị độ nhớt biểu kiến, ứng suất trượt và tốc độ biến dạng trượt được ghi nhận khi thay đổi nồng độ XG (0,2; và 0,3%), thay đổi nồng độ CMC (0,5; 0,6; và 0,7 %) ở những nhiệt độ khác nhau (từ 30 đến 50^oC). Các mô hình Power Law, và Herschel-Bulkley được dùng để đánh giá các trị đo nhằm chọn lựa mô hình phù hợp mô tả đặc tính lưu biến của nước quả đục măng tây xanh ở những khoảng nhiệt độ, nồng độ và loại phụ gia thay đổi. Mô hình toán học phù hợp khi có hệ số tương quan cao.

Bảng 2. Các hệ số đường hồi qui phi tuyến theo mô hình Law Powder và mô hình Herschel-Bulkley của nước quả đục măng tây xanh bổ sung XG, CMC ở những nồng độ khác nhau và nhiệt độ khác nhau

Dựa vào kết quả Bảng 2 cho thấy cả mô hình Power Law, và mô hình HB đều có hệ số tương quan cao, từ 0,949 đến 0,999 đối với Power Law và từ 0,954 đến 1,000 đối với HB. Nếu so sánh từng điều kiện, thì mô hình HB đều có giá trị R² cao hơn so với Power Law. Như vậy, trong nghiên cứu này khi thay đổi loại phụ gia tạo nhớt, thay đổi nồng độ và nhiệt độ của nước quả đục măng tây xanh thì mô hình HB có năng lực tiên đoán tốt hơn so với Power Law. Kết quả cũng phù hợp khi mà quan sát hình 1, hầu hết các đường cong ứng suất trượt của nước quả đục măng tây xanh đều có ứng suất ngưỡng, do vậy mô hình Power Law sẽ ít phù hợp để mô tả đặc tính lưu biến của dòng sản phẩm này. Kết quả tương tự với nghiên cứu của Nindo và cộng sự (2005) khi nghiên cứu lưu biến của những loại puree việt quất và mâm xôi (10^oBrix) [9], hoặc trong nghiên cứu của Nindo và cộng sự (2007) đối với puree việt quất (trong khoảng 10 đến 25^oBrix) [10].

Phân tích hồi quy tuyến tính dữ liệu thực nghiệm thu được phương trình mô tả hệ số KH ở những nồng độ hydrocolloid khác nhau, và nhiệt độ khác nhau. Sai số chuẩn được xác định là khoảng 9,4% và giá trị R² điều chỉnh là 0,95 đối với XG, và sai số chuẩn được xác định là khoảng 2,2 % và giá trị R² điều chỉnh là 0,98 đối với CMC.

XG:   KH(XG)  =  0,274 + 6,62*x₁ – 0,025*x₂      (7)

CMC: KH(CMC)   = 0,168 + 1,48*x₁ – 0,0140667*x₂               (8)

Từ các phương trình trên cho thấy hệ số KH có tỉ lệ dương với nồng độ phụ gia, và tỉ lệ ẩm với nhiệt độ. Như vậy, sự gia tăng nồng độ phụ gia hoặc/và giảm nhiệt độ mẫu sẽ làm tăng giá trị hệ số KH dẫn đến tăng độ nhớt của sản phẩm. Kết quả tương tự về nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ phụ gia carrageenan (1 - 3%), Xanthan (1 - 3%), tinh bột (4 - 6%), và pectin (1 - 5%), cũng như nhiệt độ (20 - 80^oC) đến hệ số K khi các hydrocolloid phân tán trong nước cất [11].

4. Kết luận

Đặc tính lưu biến của nước quả đục măng tây xanh dưới ảnh hưởng của các loại phụ gia ở nồng độ khác nhau và ở những nhiệt độ khác nhau đã được khảo sát. Khi bổ sung XG, hoặc CMC vào ở những nhiệt độ khác nhau thì sản phẩm đều có ứng suất ngưỡng và có đặc tính của chất lỏng shear-thining. Mô hình HB phù hợp để dự báo sự thay đổi độ nhớt của sản phẩm khi thay đổi loại phụ gia tạo nhớt, nồng độ phụ gia, thậm chí là nhiệt độ của mẫu. Kết quả nghiên cứu cũng phát hiện nhiệt độ tăng thì độ nhớt của tất cả mẫu khảo sát giảm, và cả ứng suất ngưỡng cũng giảm với mức độ khác nhau. Đây là một kết quả quan trọng khi ứng dụng thực tế, ở những quá trình bơm dòng lưu chất ở nhiệt độ cao, cần lưu ý nhiệt độ sản phẩm để thuận tiện thực hiện quá trình.

Lời cảm ơn:

Nghiên cứu này do Trường Đại học Công nghiệp Thực phẩm TP. Hồ Chí Minh bảo trợ và cấp kinh phí theo HĐ số 65/HĐ-DCT.

TÀI LIỆU TRÍCH NGUỒN VÀ THAM KHẢO:

[1]. J. W. Lee, J. H. Lee, I. H. Yu, S. Gorinstein, J. H. Bae, and Y. G. Ku, "Bioactive Compounds, Antioxidant and Binding Activities and Spear Yield of Asparagus officinalis L.," Plant Foods Hum. Nutr., vol. 69, no. 2, pp. 175 - 181, 2014.

[2]. T. Zafar and J. S. Sidhu, Avocado Production, Processing, and Nutrition, no. February. 2018.

[3]. B. Y. Kim et al., "Effects of asparagus officinalis extracts on liver cell toxicity and ethanol metabolism," J. Food Sci., vol. 74, no. 7, 2009.

[4]. R. A. PADIVAL, S. RANGANNA, and S. P. MANJREKAR, "Cloud stabilization in citrus beverages by low methoxyl pectin," Int. J. Food Sci. Technol., vol. 15, no. 1, pp. 25 - 34, 1980.

[5]. S. Akkarachaneeyakorn and S. Tinrat, "Effects of types and amounts of stabilizers on physical and sensory characteristics of cloudy ready-to-drink mulberry fruit juice," Food Sci. Nutr., vol. 3, no. 3, pp. 213 - 220, 2015.

[6]. D. J. Pettitt, "Xanthan gum," Food Hydrocoll., vol. I. CRC Pre, pp. 127 - 149, 1982.

[7]. J. F. Steffe, Rheological Methods in Food Process Engineering. Freeman Press, 1996.

[8]. S. MIZRAHI, "A review of the physicochemical approach to the analysis of the structural viscosity of fluid fruit products," J. Texture Stud., 1979.

[9]. C. I. Nindo, J. Tang, J. R. Powers, and P. Singh, "Viscosity of blueberry and raspberry juices for processing applications," J. Food Eng., 2005.

[10]. C. I. Nindo, J. Tang, J. R. Powers, and P. S. Takhar, "Rheological properties of blueberry puree for processing applications," LWT - Food Sci. Technol., 2007.

[11]. M. Marcotte, A. R. T. Hoshahili, and H. S. Ramaswamy, "Rheological properties of selected hydrocolloids as a function of concentration and temperature," Food Res. Int., 2001.

EFFECTS OF HYDROCOLLOIDS AND TEMPERATURE ON

RHEOLOGICAL PROPERTIES OF CLOUDY ASPARAGUS JUICE

● MSc. NGUYEN THỊ THUY DUNG

Faculty of Chemical and Food Technology, Nguyen Tat Thanh University

● MSc. TRAN THI CUC PHUONG

Faculty of Food Science and Technology,

Ho Chi Minh City University of Food Industry

● MSc. NGUYEN THI VAN LINH

Faculty of Chemical and Food Technology, Nguyen Tat Thanh University

ABSTRACT:

This study is to analyze effects of hydrocolloids (xanthan Gum, and carboxylmethyl cellulose) and temperature on rheological properties of cloudy asparagus juice by using a rotational viscometer. Two samples of XG concentration (0.2, and 0.3 %), and three samples of CMC concentration (0.5, 0.6, and 0.7 %) were analyzed. Each sample was tested at five different temperature levels (30, 35, 40, 45, and 50^oC). Results showed that the yield stress appears in all samples. The Hershel-Bulkley model is compatible with all experimental data.

Keywords: Carboxylmethyl cellulose, rheological properties, hydrocolloids, shear-thining, xanthan gum.