Công nghệ & sản phẩm mới, Khoa học và đời sống, Tin tức

Mô tả đặc tính thực phẩm chức năng ở kích cỡ nano bằng SAXS

Phát triển các vật mang ở kích thước nano (nanocarriers) để phân phối thực phẩm chức năng là một lĩnh vực nghiên cứu tích cực trên thế giới hiện nay. Cả quá trình phát triển và sản xuất đều yêu cầu các kỹ thuật xác định đặc tính cung cấp thông tin về cách thức các điều kiện nạp và xử lý chất dinh dưỡng ảnh hưởng đến cấu trúc và độ ổn định cuối cùng của các vật mang nano (nanocarriers) cũng như sự phân tán của chúng trong thực phẩm. Bài báo này nêu lý do tại sao tán xạ tia X góc nhỏ (SAXS) là một kỹ thuật cần thiết để mô tả đặc tính của thực phẩm chức năng.

 

 

Thực phẩm chức năng, là thực phẩm mang lại lợi ích sức khỏe bổ sung ngoài các thành phần dinh dưỡng cơ bản như chất béo, protein và carbohydrate. Ví dụ đơn giản bao gồm ngũ cốc ăn sáng được tăng cường và men vi sinh. Sự tăng trưởng nhanh chóng của thị trường sức khỏe thể chất và sức khỏe tinh thần, kết hợp với nhận thức về sức khỏe ngày càng tăng của khách hàng có nghĩa là thực phẩm chức năng hiện là một trong những lĩnh vực nghiên cứu khoa học dinh dưỡng tích cực nhất.

 

Thực phẩm chức năng ổn định và có sẵn trong tự nhiên

 

Nghiên cứu gần đây tập trung vào việc bảo tồn tính nguyên vẹn của các thành phần chức năng trong khi đảm bảo chúng luôn hấp thụ được vào cơ thể. Các đặc tính vốn có của túi (vesicles) và micelles được tìm thấy trong thiên nhiên như được tìm thấy trong thực vật hoặc động vật rất hấp dẫn đối với các nhà khoa học thực phẩm vì hệ tiêu hóa của chúng ta đã phát triển để giải phóng và hấp thụ các chất bên trong chúng. Những phát triển gần đây trong kỹ thuật mô tả đặc tính đã cải thiện sự hiểu biết về các kiến ​​trúc sinh học tự nhiên và cách chúng tự lắp ráp, cho phép tạo ra các liposome tổng hợp gần giống với các cấu trúc sinh học được tìm thấy trong thiên nhiên.

 

Vật mang nano (Nanocarriers) được thiết kế để phân phối thực phẩm chức năng

 

Một số thách thức mà các nhà khoa học thực phẩm phải đối mặt hiện nay là việc thiết kế các giải pháp mới để bảo vệ thực phẩm chức năng, giải phóng có kiểm soát và tăng tương thích sinh học của các hợp chất như vitamin, khoáng chất, chất chống oxy hóa, hợp chất tạo mùi thơm và dầu. [5,9-13] Nghiên cứu gần đây đã tập trung vào việc thiết kế một loạt các vật mang nano tự lắp ráp để phân phối thực phẩm bao gồm vi nhũ tương dựa trên lipid và protein, pha tinh thể lỏng và cấu trúc nano phân tán.

 

Khả năng của vật mang nano trong việc ổn định các hợp chất thực phẩm chức năng trong quá trình tổng hợp và giải phóng hàm lượng của chúng khi muốn, phụ thuộc nhiều vào thành phần và cấu trúc của chúng. Đặc điểm hóa các cấu trúc nano tự lắp ráp và hiểu cách thức các điều kiện nạp và lắp ráp chất dinh dưỡng ảnh hưởng đến cấu trúc cuối cùng và đặc tính của chúng là một phần thiết yếu trong việc thiết kế hệ thống phân phối thực phẩm chức năng. Một kỹ thuật phân tích đặc biệt thích hợp để xác định đặc tính của các vật mang nano và sự phân tán trong thực phẩm chức năng là tán xạ tia X góc nhỏ (SAXS) .[14]

 

Tán xạ tia X góc nhỏ (SAXS) cung cấp thông tin cần thiết về các chất mang nano và sự phân tán của chúng

 

SAXS là một kỹ thuật phân tích cho phép xác định sự phân tán vật mang nano trong môi trường mục tiêu của chúng. Kỹ thuật này không yêu cầu chuẩn bị mẫu như các bước làm khô, đông lạnh và nhuộm màu thường gặp trong các kỹ thuật phân tích khác, do đó đảm bảo mẫu ở điều kiện tương tự như trong các sản phẩm thực phẩm.

 

Trong quá trình phân tích SAXS, các photon tia X tán xạ từ các điện tử trong mẫu để xác định sự khác biệt về mật độ điện tử ở cấp nano, cung cấp thông tin cấu trúc ở kích thước nano về mesophase (là một trạng thái vật chất trung gian giữa chất lỏng và chất rắn), cấu trúc nano và sự phân tán. SAXS cho phép nhà khoa học quan sát tác động của các yếu tố như lượng chất dinh dưỡng và các điều kiện bên ngoài như độ pha loãng và thay đổi pH đối với cấu trúc và đặc tính cuối cùng của các vật mang nano.[14-16]

 

Ví dụ, SAXS có thể được sử dụng để mô tả các pha tinh thể lỏng của các tiểu nhũ tương lipid (miniemulsions) có cấu trúc nano (các hạt submicron) để tạo ra hỗn hợp bao gồm các chất phụ gia an toàn cho thực phẩm. Các hình dưới đây là trích xuất của một nghiên cứu dùng SAXS để mô tả đặc tính được thực hiện trên các dạng nhũ tương của các hợp chất hương vị thực phẩm của các nhà khoa học từ Đại học Orleans. Một kết luận quan trọng của nghiên cứu này là mặc dù có thành phần hóa học rất giống nhau, nhưng nhũ tương cho thấy một trạng thái cấu trúc khác (được gọi là pha) khi thay đổi lượng hương liệu, điều này có thể ảnh hưởng đến đặc tính giải phóng của chúng. Hơn nữa, nó được chỉ ra rằng có thể thêm tới 20% hoặc 25% hợp chất hương liệu (liên quan đến khối lượng lipid), tùy thuộc vào loại của nó, trước khi quan sát thấy sự thay đổi cấu trúc lớn của các tiểu nhũ tương tự lắp ráp. Với hàm lượng hương liệu như trên, người ta quan sát thấy sự mất trật tự nghiêm trọng, điều này cho thấy cấu trúc kém ổn định hơn và khả năng các hợp chất hương liệu bị rò rỉ ra ngoài tăng lên.

 

Sử dụng SAXS để mô tả cấu trúc nano của các liposome 

 

Một ví dụ khác mà SAXS vô cùng phù hợp để mô tả đặc tính của liposome. Việc sử dụng liposome bắt chước chính xác những gì được tìm thấy trong thiên nhiên để cung cấp các hợp chất thực phẩm chức năng, như là mục tiêu cuối cùng để cung cấp chất dinh dưỡng, nhưng trên thực tế, việc tổng hợp liposome với kích thước được kiểm soát và việc nạp lượng chất dinh dưỡng vẫn là một thách thức vì nó thường đòi hỏi các quy trình chính xác và sử dụng dung môi không mong muốn như chloroform (chất độc với môi trường). [5,8] Do đó, rất nhiều nghiên cứu được tiến hành nhằm tìm ra các con đường mới để tổng hợp các liposome có tính chất tự nhiên, cũng như phát triển các liposome phi tự nhiên để đi đến các con đường sản xuất đơn giản hơn và an toàn hơn.

 

Nghiên cứu gần đây của một nhóm các nhà khoa học Brazil mô tả một hệ thống được thiết kế để cung cấp Vitamin D3 và curcumin được bao bọc cùng nhau trong liposome. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng SAXS để khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ và chất dinh dưỡng lên cấu trúc và đặc tính của liposome cuối cùng.

 

Kết quả của họ cho thấy rằng cả hai chất dinh dưỡng đều có thể được nạp vào một liposome bằng cách sử dụng bao bọc đồng thời (co-encapsulated), và việc nạp chất dinh dưỡng và bao bọc đồng thời ít ảnh hưởng đến cấu trúc cuối cùng, xác nhận rằng curcumin và vitamin D3 có thể được phân phối cùng nhau ở nồng độ mà nó cho phép người dùng đáp ứng lượng khuyến nghị hàng ngày.[12] Ngoài ra, nhóm nghiên cứu cho thấy rằng các liposome này ổn định ở nhiệt độ từ 20 đến 60 ˚C, đây là một chỉ số tuyệt vời về sự ổn định trong quá trình bảo quản và vận chuyển đến khách hàng.

 

 

Xeuss và Nano-inXider: hai giải pháp cho nghiên cứu thực phẩm chức năng

 

Nghiên cứu sâu sắc về phân tán vật mang nano cho ngành công nghiệp thực phẩm chức năng đòi hỏi phải xác định đặc tính chính xác và đáng tin cậy. Nano-inXider của Xenocs là giải pháp lý tưởng để nghiên cứu thực phẩm chức năng, đánh giá chất lượng (độ ổn định) vì nó nhỏ gọn, thân thiện với người dùng, giá cả phải chăng cho việc mô tả đặc tính ở cấp độ nano. Thiết bị rất linh hoạt và có thể phân tích chất rắn, chất lỏng, bột nhão và gel ở các điều kiện nhiệt độ khác nhau. Sử dụng quy trình thu thập dữ liệu tự động, Nano-inXider cung cấp phản hồi nhanh chóng cho các nhà khoa học vật liệu với thông tin cấu trúc liên quan ở cả kích cỡ nano và kích cỡ nguyên tử thông qua kỹ thuật SAXS / WAXS đồng thời. Sự kết hợp giữa việc nạp mẫu dễ dàng, quy trình thu thập dữ liệu tự động và phân tích kết quả được hỗ trợ bởi Nano-inXider khiến nó trở nên hoàn hảo không chỉ để phân tích các vật mang nano ở dạng phân tán mà còn cho nhiều ứng dụng khoa học thực phẩm khác. Nhà khoa học thực phẩm có thể thực hiện các nghiên cứu về tác động của các đa hình pha tinh thể lên kết cấu thực phẩm và tác động lên cảm giác, hoặc phân tích “tại chỗ” (In-Situ) đặc tính của trạng thái kết tinh của chất béo trước và sau khi sản xuất.

 

Xeuss là một platform tán xạ rất linh hoạt đáp ứng nhu cầu của các nhà khoa học vật liệu và các chuyên gia về tán xạ đang tìm kiếm một giải pháp dễ tiếp cận hơn cho việc mô tả đặc tính của các mẫu của họ hơn ở các trung tâm gia tốc hạt lớn Synchrotron. Ví dụ, nó có một khả năng bổ sung cho các phép đo Ultra-SAXS và SAXS kết hợp cho phép xác định đặc tính của cấu trúc vi mô (micro), nano và meso của hệ chất béo có thể ăn được. 

 

Hãy cùng xem nhà khoa học FOODHAY thuộc Viện Niels Bohr, trường Đại học Copenhangen – Đan Mạch giới thiệu thiết bị Nano-inXider đang giúp họ nghiên cứu Khoa học thực phẩm từ bất kỳ dạng mẫu nào một cách rất đơn giản. [17]

 

Tìm hiểu thêm thiết bị tán xạ tia X cho ứng dụng trên tại đây!

Nguyễn Tiến Dũng tổng hợp và dịch

Các bài viết liên quan đến ứng dụng trong khoa học thực phẩm:

Tài liệu tham khảo và đọc thêm:

  1. ‘Functional Foods: Benefits, Concerns and Challenges—A Position Paper from the American Council on Science and Health’ — Hasler CM, The Journal of Nutrition, 2002.
  2. ‘The Role of Functional Foods, Nutraceuticals, and Food Supplements in Intestinal Health’ — Cencic A, Chingwaru W, Nutrients, 2010.
  3. ‘Position of the Academy of Nutrition and Dietetics: Functional Foods’ — Crowe KM, Francis C, Journal of the Academy of Nutrition and Dietetics, 2013.
  4. ‘Dietary lipids from an evolutionary perspective: sources, structures and functions’ — German JB, Maternal & Child Nutrition, 011.
  5. ‘Self-assembly in food — A concept for structure formation inspired by Nature’ — Sagalowicz L, Michel M, Blank I, Schafer O, Leser ME, Current Opinion in Colloid & Interface Science, 2017.
  6. ‘Food Lipids: Chemistry, Nutrition, and Biotechnology’ — Akoh CC, Min DB, Marcel Dekker, Inc., 2002.
  7. ‘Analysis of biostructural changes, dynamics, and interactions – Small-angle X-ray scattering to the rescue’ — Vestergaard B, Archives of Biochemistry and Biophysics, 2016.
  8. ‘Liposome: classification, preparation, and applications’ — Akbarzadeh A, Rezaei-Sadabady R, Davaran S, Joo SW, Zarghami N, Hanifehpour Y, Samiei M, Kouhi M, Nejati-Koshki K, Nanoscale Research Letters, 2013.
  9. ‘Nanoencapsulation of food ingredients using lipid based delivery systems’ — Fathi M, Mozafari MR, Mohebbi M, Trends in Food Science & Technology, 2012.
  10. ‘Nanoencapsulation Techniques for Food Bioactive Components: A Review’ —Ezhilarasi PN, Karthik P, Chhanwal N, Anandharamakrishnan C, Food and Bioprocess Technology, 2013.
  11. ‘Lyotropic Liquid Crystalline Phases for the Formulation of Future Functional Foods’ — Sadeghpour A, Rappolt M, Journal of Nutritional Health & Food Engineering, 2016.
  12. ‘Structural characterization of multilamellar liposomes coencapsulating curcumin and vitamin D3’ — Chaves MA, Filho PLO, Garcia Jange C, Sinigaglia-Coimbra R, Oliveira CLP, Pinho SC, Colloids and Surfaces A, 2018.
  13. ‘Influence of #-lactones on monolinolein/water bulk and emulsified mesophases’ — Tidu A, Méducin F, Faugère A, Guillot S, Langmuir, 2018.
  14. ‘Nanotechnologies for Solubilization and Delivery in Foods, Cosmetics and Pharmaceuticals’ — Garti N, Amar-Yuli I, DEStech Publications, 2012.
  15. ‘Physicochemical characterization of drug nanocarriers’ — Manaia EB, Abuçafy MP, Chiari-Andréo BG, Silva BL, Oshiro JA, Chiavacci LA, International Journal of Nanomedicine, 2017.
  16. ‘Nanocarriers for Drug Delivery: Nanoscience and Nanotechnology in Drug Delivery’ — Mohapatra S, Ranjan S, Dasgupta N, Mishra RK, Thomas S, Elsevier, 2018.
  17. https://food.au.dk/foodhay/instruments/food-biophysics-platform/food-soft-materials-structure-lab/saxswaxs-instrument

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Gọi điện cho tôi Gửi tin nhắn Facebook Messenger
Gọi ngay Form Liên hệ Messenger