Luận án TS Rutgers: Hạt nano beta-carotene không dung môi cho tăng cường thực phẩm

Phát triển hạt nano beta-carotene không dung môi tiên tiến. Ứng dụng đột phá giúp tăng cường dinh dưỡng thực phẩm an toàn, bền vững.

Trường ĐH

Rutgers, The State University of New Jersey

Chuyên ngành

Food Science

Tác giả

Luan An

Thể loại

Dissertation

Năm xuất bản

Số trang

236

Thời gian đọc

36 phút

Lượt xem

0

Lượt tải

0

Phí lưu trữ

50 Point

Tóm tắt nội dung

I. Hạt nano Beta carotene Tăng cường sinh khả dụng dinh dưỡng

Nghiên cứu tập trung vào việc cải thiện khả năng hấp thụ beta-carotene. Sử dụng công nghệ hạt nano giải quyết vấn đề sinh khả dụng thấp. Mục tiêu là tối đa hóa lợi ích dinh dưỡng của carotenoid quan trọng này trong thực phẩm.

1.1. Vấn đề sinh khả dụng thấp của nutraceutical.

Nhiều hợp chất nutraceutical hòa tan kém trong nước. Sự hòa tan kém này làm giảm tốc độ hấp thụ trong cơ thể sống. Điều này dẫn đến sinh khả dụng thấp. Cần có giải pháp cải thiện hấp thụ hiệu quả.

1.2. Hạt nano beta carotene Giải pháp tăng cường hấp thụ.

Sử dụng công nghệ hạt nano là một cách hứa hẹn. Hạt nano tăng tổng diện tích bề mặt của các chất dinh dưỡng khó tan. Điều này giúp chúng dễ hấp thụ hơn, nâng cao sinh khả dụng. Hạt nano beta-carotene là ví dụ điển hình cho giải pháp này.

1.3. Nâng cao giá trị dinh dưỡng của Beta carotene.

Beta-carotene là một carotenoid quan trọng. Nó là tiền chất vitamin A và chất chống oxy hóa mạnh mẽ. Việc tăng sinh khả dụng giúp cơ thể hấp thụ tối đa lợi ích. Hạt nano cung cấp giải pháp hiệu quả để tối ưu hóa giá trị dinh dưỡng.

II. Công nghệ không dung môi Tổng hợp xanh Carotenoid hiệu quả

Nghiên cứu phát triển phương pháp tổng hợp hạt nano beta-carotene an toàn và bền vững. Công nghệ này loại bỏ nhu cầu sử dụng dung môi hữu cơ. Đây là một bước tiến quan trọng trong công nghệ nano thực phẩm, hướng tới tổng hợp xanh hiệu quả.

2.1. Hạn chế của các phương pháp tổng hợp truyền thống.

Các phương pháp giảm kích thước hạt truyền thống tốn nhiều năng lượng. Ví dụ như nghiền bi hoặc nghiền phản lực. Chúng có thể để lại cặn vật liệu nghiền. Phương pháp đồng hóa áp suất cao cũng tiêu thụ nhiều năng lượng lớn và cần nguyên liệu dạng vi huyền phù.

2.2. Phương pháp khuếch tán nhũ tương Cách tiếp cận mới.

Nghiên cứu phát triển phương pháp tổng hợp "xanh" và có khả năng mở rộng. Phương pháp này dựa trên khuếch tán dung môi trong nhũ tương. Nó sử dụng các thành phần GRAS (Generally Recognized As Safe) của FDA. Beta-carotene là hợp chất mô hình được chọn để thử nghiệm.

2.3. Quy trình tổng hợp hạt nano Beta carotene không dung môi.

Sử dụng triacetin, một hợp chất triacetate hòa tan một phần, làm pha phân tán. Hợp chất kém hòa tan được chuyển vào giọt nhũ tương nano. Sau đó, nó kết tinh khi dung môi khuếch tán ra ngoài. Quá trình chuyển pha này xảy ra trong giọt nhũ tương nano biệt lập.

III. Tối ưu ổn định Beta carotene Giải pháp tăng cường thực phẩm

Độ ổn định của hạt nano beta-carotene là yếu tố then chốt cho hiệu quả tăng cường thực phẩm. Nghiên cứu đã điều tra các yếu tố ảnh hưởng. Mục tiêu là tạo ra các hạt nano bền vững, duy trì đặc tính và hiệu quả lâu dài.

3.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước và độ ổn định hạt.

Nghiên cứu kiểm tra ảnh hưởng của chất hoạt động bề mặt. Nồng độ nước và thời gian đồng hóa cũng được xem xét cẩn thận. Các yếu tố này tác động trực tiếp đến kích thước và độ ổn định của hạt nano beta-carotene, quyết định chất lượng cuối cùng.

3.2. Vai trò của chất hoạt động bề mặt trong ổn định hạt nano.

Chất hoạt động bề mặt ảnh hưởng đến sự khuếch tán của triacetin. Sự hấp thụ chất hoạt động bề mặt trên bề mặt triacetin là yếu tố quan trọng. Nó giúp duy trì kích thước hạt nhỏ và ổn định, ngăn ngừa sự kết tụ của các hạt nano beta-carotene.

3.3. Mô hình toán học dự đoán kích thước hạt và cơ chế.

Lý thuyết Kolmogorov được áp dụng để làm rõ cơ chế vỡ của giọt nhũ tương. Nó dự đoán kích thước giọt dưới tác động của lực cắt. Một mô hình toán học được xây dựng để tìm kích thước giọt nhũ tương trong quá trình hình thành hạt nano. Điều này giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất.

IV. Nghiên cứu cơ chế hạt nano Beta carotene Công nghệ thực phẩm

Hiểu rõ cơ chế hình thành và ổn định của hạt nano beta-carotene là nền tảng. Điều này hỗ trợ phát triển công nghệ nano thực phẩm tiên tiến. Các phương pháp phân tích vật lý hóa học được sử dụng để khám phá các tương tác phức tạp.

4.1. Phân tích vật lý hóa học hệ Triacetin Beta carotene.

Nghiên cứu sâu về hóa học vật lý của hệ triacetin-beta-carotene là cần thiết. Độ hòa tan của beta-carotene trong triacetin được xác định chính xác. Các phương pháp đo lường hiện đại như quang phổ và DLS được sử dụng để phân tích.

4.2. Cơ chế hình thành và phá vỡ giọt nhũ tương.

Cơ chế hình thành giọt nhũ tương trong hệ triacetin-nước được nghiên cứu kỹ lưỡng. Cơ chế phá vỡ giọt trong dòng chảy tầng và dòng chảy rối được phân tích. Điều này quan trọng cho việc kiểm soát kích thước hạt nano beta-carotene.

4.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến kích thước giọt nhũ tương.

Nghiên cứu tác động của chất hoạt động bề mặt là trọng tâm. Các yếu tố khác như nồng độ pha và năng lượng cũng được xem xét. Mục tiêu là kiểm soát kích thước giọt hiệu quả. Điều này đảm bảo tạo ra hạt nano beta-carotene với đặc tính mong muốn.

V. Lợi ích hạt nano Beta carotene Chất chống oxy hóa mạnh mẽ

Việc chuyển đổi beta-carotene sang dạng hạt nano không chỉ tăng sinh khả dụng. Nó còn tối ưu hóa vai trò chất chống oxy hóa. Công nghệ này mở ra tiềm năng lớn cho các sản phẩm tăng cường thực phẩm, mang lại lợi ích sức khỏe vượt trội.

5.1. Nâng cao vai trò chất chống oxy hóa của Beta carotene.

Beta-carotene nổi tiếng với đặc tính chống oxy hóa mạnh mẽ. Dạng hạt nano giúp tăng cường khả năng hấp thụ và hoạt tính sinh học. Điều này tối đa hóa lợi ích sức khỏe, bảo vệ cơ thể khỏi tổn thương gốc tự do hiệu quả hơn.

5.2. Ứng dụng tiềm năng trong các sản phẩm thực phẩm.

Công nghệ này mở ra cơ hội lớn cho ngành thực phẩm và dinh dưỡng. Hạt nano beta-carotene có thể được thêm vào nhiều sản phẩm. Ví dụ như đồ uống, sữa, thực phẩm chức năng và bánh kẹo. Nó tăng giá trị dinh dưỡng và hấp dẫn cho người tiêu dùng.

5.3. Phát triển bền vững công nghệ nano thực phẩm xanh .

Phương pháp không dung môi là bước tiến tới tổng hợp "xanh" và bền vững. Nó giảm thiểu tác động môi trường và loại bỏ hóa chất độc hại. Điều này phù hợp với xu hướng phát triển bền vững toàn cầu. Công nghệ nano thực phẩm an toàn và hiệu quả được ưu tiên.

Xem trước tài liệu
Tải đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Luận án tiến sĩ solvent free beta carotene nanoparticles for food fortification

Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung

Tải đầy đủ (236 trang)

Trích đoạn nội dung luận án

Tải xuống để đọc toàn bộ

RUTGERS, THE STATE UNIVERSITY OF NEW JERSEY PHONG TIEN HUYNH SOLVENT-FREE BETA-CAROTENE NANOPARTICLES FOR FOOD FORTIFICATION New Brunswick, New Jersey October 2012 ABSTRACT OF THE DISSERTATION SOLVENT-FREE BETA-CAROTENE NANOPARTICLES FOR FOOD FORTIFICATION By PHONG TIEN HUYNH Dissertation director: Professor PAUL TAKHISTOV Most nutraceutical compounds are poorly-water soluble. Their low solubility decreases the adsorption rate in living organisms leading to their low bioavailability. Utilization of nanoparticles is a promising way to improve the solubility of hydrophobic compounds. Nanoparticles increase the total surface area of the poorly-water soluble nutraceuticals making them more bioavailable.

Some traditional methods for decreasing particle size include pearl or jet milling, where particles are broken down through grinding or collisions under high pressure. These mechanical processes not only require high energy input but also raise a concern of milling media residues. The high pressure homogenizer approach applies implosion forces and collision of particles to generate nanosuspensions. This method requires microsuspensions as starting material and consumes high energy.

ii     Among several emulsion-based techniques for preparing nanoparticles, solvent diffusion practice is a novel approach in which a poorly-water soluble compound is transferred into nanoemulsion droplets of a partially water-soluble organic solvent. The compound then crystallizes because the solvent diffuses out of the emulsion droplets. The key point of proposed emulsion-diffusion technology is that the phase transition occurs within an isolated nanoemulsion droplet. The main purpose of this study is to develop a “green” and scalable method for preparing nanosuspensions of highly hydrophobic compounds.

We use FDA GRAS ingredients to create nanoparticles of poorly-water soluble nutraceuticals. β-carotene is selected as a model hydrophobic nutraceutical. Triacetin, a partially- water soluble triacetate compound, is used as the dispersed phase of nanoemulsions. The influence of surfactant, water concentration, and homogenization time on particle size and stability is investigated.

The impact of surfactant on diffusion flux of triacetin is studied. Kolmogorov theory is applied to reveal the breakup mechanism of emulsion droplets under shear and predict their size. A mathematical model is built to discover the size of emulsion droplet during the formation of nanosuspensions. It is hoped that the this work will greatly advance the manufacture of nanoparticles of poorly-water soluble nutraceuticals iii     ACKNOWLEDGEMENTS I would like to thank my advisor professor Takhistov, for his guidance, unending support, and for exposing me to a broad range of studies including nutraceuticals, simulations and colloidal science.

In addition, I would like to thank him for always supporting my somewhat non-conventional ideas for side projects. I would also like to thank members of professor Takhistov’s group including: Marlena Brown, Abhishek Sahay, Maha Ashehab for their collaborations knowledge, and support throughout the years. In addition, I would like to thank Dr Changhoon Chai for advices and helps at beginning. I would like to thank Dr.

Khusid, Dr Yam, and Dr Karwe for their great suggestions and discussions. I would like acknowledge US government and Vietnamese government for their program to give me a chance to study in the United States of America. iv     DEDICATION I dedicate this dissertation to my family who endlessly love and support me to make this work possible. v     TABLE OF CONTENT ACKNOWLEDGEMENTS.

iv   TABLE OF CONTENT. vi   LIST OF TABLE. ix   LIST OF FIGURES.   Nanotechnology and nanoparticles in food.

  Solid lipid nanoparticle (SLN.   Nanostructure lipid carriers (NLC).   Lipid drug conjugate (LDC).   Co-acervate nanoparticles.

  Smaller size better solubility of nutraceuticals.   High pressure homogenization.   Solvent – based method.   Emulsion as template method.62   MATERIALS AND METHODS.

  Beta-carotene (MW = 536.   Spectrofotometer for defining the solubility of beta-carotene in triacetin.   Optical goniometer for surface tension.   Dynamic light scattering (DLS) technique for particle size and zeta potential84   2.

  Differential scanning calorimetry.   X-ray diffraction for characterizing crystallinity.   Diffusing wave spectroscopy for nano-rheology of gels .94   PHYSICAL CHEMISTRY OF TRIACETIN – BETA CAROTENE SYSTEM.   The formation of emulsion droplet in triacetin –water system.

  Definition of emulsion.   Formation of emulsion droplets.   Droplet breakup mechanism.   Droplet breakup mechanism in laminar flow.

  Droplet breakup mechanism in turbulence flow.   Impact of surfactant on emulsion droplet size.   Impact of other factors to emulsion droplet size.   The adsorption of surfactant on triacetin interface.

  Solubility of beta-carotene in triacetin.   Mathematic model for the diffusion of triacetin from an emulsion droplet.   The crystallization of beta-carotene in emulsion droplet.   The diffusion of triacetin from a droplet.

  Impact of surfactant on the particle size.   Impact of operation parameters on the particle size and stability of nanosuspension141   6.   Shelf life of beta-carotene nanoparticles .144   CHARACTERIZATION OF BETA-CAROTENE NANO PARTICLES .150   EDIBLE FILM LOADED BETA-CAROTENE NANOPARTICLES: MODEL OF FOOD FORTIFICATION.   Physical chemistry of aqueous hydroxypropyl methyl cellulose (HPMC) solution 156   3.

  Film formation model.   Factors impact the film formation.   Nano-rheology of HPMC gels.   Moisture adsorption of the films .183     viii     LIST OF TABLE Table 1: Physicochemical and biopharmaceutical drug properties and food effect [20].

6   Table 2:Percentage of surface molecules for different particle sizes [68]. 12   Table 3: Sensitivity of some vitamins to the food matrix and environment factors. 38   Table 4: Comparative challenges for delivery nutraceuticals: in-food and in-vivo. 48   Table 5: The 10 foods having the highest beta-carotene content per serving.

65   Table 6: Biochemical functions of beta-carotene in humans. 67   Table 7: The HLB value of some chemical groups. 75   Table 8: The application of emulsifiers based on their HLB value. 76   Table 9: Dimensions of the lamellar[406].

79   Table 10 : Seven crystal systems. 92   Table 11: High shear mixer properties and maximum particle size for triacetin – lecithin system. 111   Table 12: The surface tension of triacetin – surfactant – water system and the maximum emulsion droplet size estimated by Kolmogorov theory. 112   Table 13: Adsorption parameters of surfactant -triacetin system.

117   Table 14: Molar factor of Triacetin. 125   Table 15: Distance among surfactant molecules adsorbed on triacetin surface. 138   Table 16: The sorption isotherm model confidence fit of the films. 178   ix     LIST OF FIGURES Figure 1: Scale of the structural elements in food matrices.

4   Figure 2: Fators influencing the stability of vitamins in foods [59]. 11   Figure 3: Loading mechanisms for nanoparticulate delivery systems. 13   Figure 4: Schematic representations of modifications to the conventional liposome. 15   Figure 5: Schematic of methods for formation of two types of ionic hydrogels.

18   Figure 6: Schematics of micelle formation from amphiphilic unimers and drug incorporation by covalent binding or non covalent binding to the hydrophobic moiety [120] (Adapted from [121]). 21   Figure 7: Intestinal absorption pattern. 40   Figure 8: The collision of particles during peal milling. 50   Figure 9: Jet milling chamber (the dash - dotted represents the outlet stream; the curve arrow stands for the circular stream for particle separation; 𝜃 is the nozzle angle).

51   Figure 10: Particles break under high shear in high pressure homogenizer. 54   Figure 11: Morphology of particle prepared by spraying method [310]. 58   Figure 12 : Schematic procedure of preparation solid lipid nanoparticles [324]. 61   Figure 13 : The structure of chemicals used in the research.

64   Figure 14: Force acting on the molecules at interface and in the bulk. 72   Figure 15: The distribution of surfactant with different HLB values in oil – water mixture. 76   Figure 16: Lamellar structures of lecithin at interface. 78   Figure 17: Schematic of a spetrophotometer.

81   Figure 18 : Geometry of a pendant droplet. 83   Figure 19: The fluctuation of scattering light from particles in a liquid medium. 86   Figure 20 : Schematic diagram of heat flux differential scanning calorimetri cells. 89   Figure 21: A typical DSC thermogram of a material showing the glass transition Tg , recrystallization exotherm temperature Tc and enthalpy ΔH c , melting endotherm onset melting temperature, Tm0 , the extrapolation onset crystallization, Tme , the peak of melting temperature, 𝑇𝑚, and heat of fusion, ∆𝐻𝑚.

91   Figure 22: Unit cell. 92   Figure 23: X-ray diffraction on a crystal (left) and the schematic of an X-ray diffraction (right). 93   Figure 24: Schematic of DWS technique. 98   Figure 25: A typical Oil/Water emulsion system.

101   Figure 26: Physicochemical process of emulsification [417]. 103   Figure 27: The droplet breakup mechanism. 105   Figure 28: The streamlines of laminar flow field of equation (43) for 1   ≥ 𝛼   ≥ 0. 106   Figure 29: Emulsion droplet size versus surface tension.

111   x     Figure 30 : Surface tension of lecithin and Tween 20 solutions. 117   Figure 31: Solubility of β-carotene in Triacetin Curve. 118   Figure 32: The diffusion of triacetin from an emulsion droplet. 119   Figure 33: The evolution of droplet radius over time.

124   Figure 34: The diffusion flux of triacetin from a pendant droplet. 126   Figure 35: Nucleation energy. 130   Figure 36 : The mass fraction of solid beta-carotene versus emulsion droplet size during the diffusion of triacetin. 133   Figure 37: Triacetin diffused from a pendant droplet.

134   Figure 38 : The flux of triacetin in different surfactant solutions. 135   Figure 39: Impact of surfactant on the particle size. 140   Figure 40: impact of homogenization time on particle size. 141   Figure 41: Particle size and zeta potential as function of water content and time.

144   Figure 42 : The impact of Oswald ripening on particle size distribution. 144   Figure 43: The evolution of particle size distribution during 4 days since they are created. 148   Figure 44: The shelf life of beta-carotene nanoparticles during long time storage. 149   Figure 45 : XRD spectra of pure beta – carotene and beta – carotene nanoparticles.

151   Figure 46: DSC thermograms of pure beta-carotene, lecithin, and beta-carotene nanoparticle. 151   Figure 47: Particle size distribution of beta-carotene nanoparticles before lyophilization and after lyophilization. 153   Figure 48: SEM image of the beta-carotene nanoparticles. 154   Figure 49: Structure of HPMC.

156   Figure 50: The polymer - surfactant interaction in aqueous media. 156   Figure 51: surface tension of lecithin - HPMC aqueous solution. 158   Figure 52: Model of water removal from the polymer solution during film formation 159   Figure 53: The distribution of polymer concentration in the film at different evaporation rate. 160   Figure 54: The evaporation flux of the films.

165   Figure 55 : Surface of the HPMC films under microscope. 165   Figure 56: Phase diagram of lecithin -water system.I means “viscous isotropic” phase; Tc represents the ill-defined boundary of crystal – to – liquid crystal phase transition; the cross-hatched region between 0 to 5% water from 45 to 900C stands for a poorly region where lamellar liquid crystalline phase may coexist with another liquid crystalline phase [406]. 166   Figure 57: Diagrammatic reconstruction of the bimolecular lecithin leaflet in relation to the amount of water present.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Câu hỏi thường gặp

Luận án "Nghiên cứu hạt nano beta-carotene không dung môi tăng cường thực phẩm" nghiên cứu về vấn đề gì?

Phát triển hạt nano beta-carotene không dung môi tiên tiến. Ứng dụng đột phá giúp tăng cường dinh dưỡng thực phẩm an toàn, bền vững.

Luận án "Nghiên cứu hạt nano beta-carotene không dung môi tăng cường thực phẩm" được bảo vệ tại trường nào?

Luận án này được bảo vệ tại Rutgers, The State University of New Jersey. Năm bảo vệ: 2012.

Luận án "Nghiên cứu hạt nano beta-carotene không dung môi tăng cường thực phẩm" thuộc chuyên ngành gì?

Luận án "Nghiên cứu hạt nano beta-carotene không dung môi tăng cường thực phẩm" thuộc chuyên ngành Food Science. Danh mục: Công Nghệ Thực Phẩm.

Luận án "Nghiên cứu hạt nano beta-carotene không dung môi tăng cường thực phẩm" có bao nhiêu trang?

Luận án "Nghiên cứu hạt nano beta-carotene không dung môi tăng cường thực phẩm" có 236 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.

Cách tải luận án "Nghiên cứu hạt nano beta-carotene không dung môi tăng cường thực phẩm" về máy như thế nào?

Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.

Luận án liên quan

Chia sẻ tài liệu: Facebook Twitter