Có bao giờ bạn tự hỏi, tại sao khi đổ dầu vào nước, dầu luôn chiếm “thế thượng phong”, nổi lên trên mặt nước? Hiện tượng tách lớp này không chỉ do dầu nhẹ hơn nước mà còn do tính phân cực và lực tương tác giữa các phân tử dầu và nước rất khác nhau.
Do đó, để cả hai có thể hòa hợp với nhau, trộn lẫn vào nhau (nhũ tương hóa), cần phải đến các lực mới để tạo ra sự liên kết nhất định giữa chúng.
Nghe có vẻ lạ lẫm nhưng trên thực tế, quá trình nhũ tương hóa đã được sử dụng rộng rãi để tạo nhiều loại sản phẩm trong ngành nông nghiệp, chế biến thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm và y sinh. Ví dụ trong lĩnh vực dược phẩm và thực phẩm chức năng, các loại nhũ tương thường được dùng để bao bọc, bảo vệ những dược chất “mong manh”, dễ bị biến tính ở môi trường bên ngoài trước khi đưa vào cơ thể. Còn trong cuộc sống hằng ngày, các loại nhũ tương phổ biến ở quanh ta chính là các loại sốt, kem tươi, bơ, mayonnaise….
Hiện nay có nhiều phương pháp tạo nhũ tương. Về cơ bản, sự hình thành của nhũ tương đòi hỏi nhiều năng lượng để tạo ra các lực cắt bên ngoài cường độ cao để làm phá vỡ những phân giới giữa dầu và nước. Do chất lượng của các nhũ tương ảnh hưởng lớn đến hình thức bên ngoài, độ bền, hiệu quả phân phối cũng như cảm giác ngon miệng khi ăn nên việc lựa chọn phương pháp tạo nhũ tương cũng hết sức quan trọng.
Các phương pháp thường dùng để tạo nhũ tương bao gồm khuấy cơ học, trộn tĩnh, phun tia, đồng hóa áp suất cao và phân tán bằng siêu âm. Mỗi phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, ví dụ khuấy cơ học đơn giản, chi phí thấp nhưng lại tạo giọt kích thước lớn, độ ổn định thấp, đồng hóa áp suất cao thì giọt nhỏ, độ ổn định cao nhưng chi phí ban đầu cao, tốn năng lượng…
Giữa các phương pháp tạo nhũ tương hiện thời, công nghệ siêu âm nổi lên như một cách tiếp cận hợp lý như dễ vận hành, chi phí thấp, dễ bảo trì và dễ làm sạch (do đầu rung siêu âm và bể siêu âm là hai bộ phận riêng biệt, dễ dàng tháo lắp vệ sinh, khác với các thiết bị liền khối khác). Nhũ tương tạo ra bằng phương pháp siêu âm cũng tạo ra những giọt dầu kích thước nhỏ, thậm chí có thể ở cấp độ nano, nên có độ ổn định cao, bền vững trong nước. Bên cạnh đó, công nghệ siêu âm còn giúp giảm việc sử dụng hóa chất khác, tiết kiệm năng lượng và có thể tùy chỉnh kích thước giọt.
Tại sao công nghệ siêu âm có thể làm được những điều này?
Việc tạo ra nhũ tương bằng công nghệ siêu âm phụ thuộc vào sự chuyển hóa năng lượng sóng âm thành năng lượng cơ học của hai chất lỏng, dầu và nước, thông qua hiện tượng tạo bọt khí bằng sóng âm (acoustic cavitation): một loạt quá trình bao gồm hình thành bóng khí, phát triển kích thước, dao động và suy sụp trong môi trường chất lỏng.
Trong quá trình lan truyền sóng âm, các bọt khí xuất hiện, lớn lên đến một ngưỡng kích thước nhất định, chúng sẽ giãn nở và suy sụp dữ dội. Sự bùng nổ tức thời của các bọt khí khiến cho áp suất và thể tích quanh các bọt khí thay đổi nhanh chóng, do đó tạo ra những lực tác động lên đặc tính của dòng chảy chất lỏng. Chúng ta hãy mường tượng, tại điểm các bọt khí nhỏ bé bùng phát, nhiệt độ và áp suất gia tăng tới mức khó tưởng tượng: nhiệt độ tương đương 4726,85 độ C (5000 độ K), nghĩa là có thể hóa lỏng kim loại và nóng gấp hơn ba lần dung nham núi lửa; áp suất gấp cả ngàn lần áp suất khí quyển (100 Mpa); tốc độ thay đổi nhiệt độ từ nóng sang lạnh ở mức 10 tỷ độ mỗi giây (1010 K/s); dẫn đến sự xuất hiện của sóng xung kích, vi dòng cực mạnh với tốc độ lên tới 400 km/giờ, tương đương với vận tốc của các siêu xe như Czinger 21C V Max (407 km/h), McLaren Speedtail, Koenigsegg Regera (402 km/h).
Quá trình phân mảnh của các bọt khí này để tạo ra các bọt khí mới và tạo ra các lực thúc đấy sự hòa trộn các loại chất lỏng và truyền khối trong môi trường chất lỏng.
Mặt khác, sóng âm cũng làm thay đổi về mặt hóa học của các chất lỏng. Sự suy sụp của các bóng khí dẫn đến phản ứng cắt đồng ly (homolytic cleavage), bẻ gãy một liên kết hóa học cộng hóa trị giữa các phân tử nước và hình thành các gốc tự do, trong đó gốc tự do hydroxyl có thể oxy hóa bất kỳ vật liệu nào hoặc có thể tương tác với nhau để hình thành phân tử hydro peroxide và đến lượt mình, hydro peroxide tiếp tục tấn công các acid béo không bão hòa của lipid. Các chất nhũ hóa tự nhiên hay dầu có thể bị ô xy hóa khi gặp các gốc tự do.
Đáng chú ý, vi tia được hình thành từ quá trình suy sụp bong bóng trong dung dịch nước cũng đẩy các phân tử nước gần pha dầu vào pha nước, nhũ tương nước/dầu được hình thành khi nhiều hạt nước xâm nhập vào pha dầu. Sau đó, nhũ tương tiếp tục bị phá vỡ thành những hạt nhỏ hơn khi chúng liên tục chịu tác động của sóng âm, trong khi một số giọt dầu quay trở lại pha dầu. Quá trình này liên tục diễn ra cho đến khi kích thước hạt nhũ tương đủ nhỏ, đủ bền để hình thành nhũ tương dầu/nước.
Dưới tác động của sóng âm, quá trình hòa trộn, đồng nhất của hai chất lỏng tưởng chừng khó tương hợp như dầu và nước đã diễn ra một cách ổn thỏa với ba quá trình chính: 1) các giọt dầu biến dạng và bị phá vỡ, 2) các chất nhũ hóa được vận chuyển và hấp phụ xung quanh các giọt dầu đồng thời hình thành lớp bọc nhũ hóa cho các giọt dầu, 3) các giọt nhũ tương va chạm và sáp nhập với nhau để hình thành các hạt mới.
Công nghệ siêu âm còn thêm một đặc quyền khác, đó là khả năng điều chỉnh kích thước các hạt nhũ tương như mong muốn.
Việc hiểu rõ cơ chế nhũ tương hóa nước đầu và điều chỉnh được các thông số trong quá trình siêu âm giúp người ta có thể đưa kích thước các hạt nhũ tương tới kích thước mong muốn như macro, micro, nano. Ví dụ, người ta đã trộn dầu mù tạt trong nước bằng siêu âm với những điều kiện khác nhau để hình thành nhũ tương nano với kích thước hạt 87,38 nanomet trong vòng 30 phút siêu âm, và có độ ổn định trong vòng ba tháng trong điều kiện phòng mà không có bất kỳ biểu hiện tách nước hoặc tách lớp.
Việc điều chỉnh một số tham số cũng có thể làm tăng, giảm kích thước giọt như thời gian nhũ hóa, nồng độ chất hoạt động bề mặt, công suất tiêu thụ năng lượng, tỉ lệ thể tích dầu…, ví dụ tăng tỷ lệ nước làm tăng kích thước giọt, sử dụng thêm một số chất hoạt động bề mặt làm giảm kích thước giọt tới 25 nano mét hoặc thậm chí 19 nano mét với nhũ tương từ dầu khuynh diệp và nước.
Mặc dù nguyên lý của sóng âm làm thay đổi môi trường chất lỏng đã được phát hiện từ nửa thế kỷ trước nhưng những tìm hiểu mới về cơ chế hình thành cho thấy quá trình nhũ tương hóa hai chất lỏng cổ điển như dầu và nước bằng công nghệ sóng âm là một quá trình phức tạp, tinh tế và tin cậy, đủ để ứng dụng trong những ngành sản xuất và chế biến đòi hỏi những tiêu chuẩn nghiêm ngặt: chế biến thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm. Không chỉ đem lại những sản phẩm tốt về mặt cảm quan (kết cấu, độ mịn), công nghệ siêu âm còn có thể tạo ra những sản phẩm giá thành rẻ hơn (do tốn ít chi phí nhiên liệu, bảo trì, phụ gia), sản phẩm tốt hơn (do điều khiển được kích thước dẫn đến độ thấm cao hơn)…
Đặc biệt trong các ngành công nghiệp đang ngày một bùng nổ về nhu cầu tiêu thụ này, công nghệ siêu âm còn là một phương pháp tối ưu do đáp ứng các tiêu chuẩn sản xuất xanh, thân thiện với môi trường, không dùng nhiệt. Tuy nhiên, không phải là siêu âm không có điểm yếu. Một trong số đó là công nghệ siêu âm mới hiệu quả ở quy mô nhỏ và vừa do hiệu quả siêu âm phụ thuộc vào đầu dò cũng như cần phải kiểm soát một vài yếu tố quan trọng như thời gian siêu âm, chú ý đến các gốc tự do có thể ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm…
——————————————
“New insights into the mechanisms of ultrasonic emulsification in the oil–water system and the role of gas bubbles”. Ultrasonics Sonochemistry
“Applications and effects of ultrasound assisted emulsification in the production of food emulsions: A review”. Trends in Food Science & Technology.
“Ultrasonic assisted formation and stability of mustard oil in water nanoemulsion: Effect of process parameters and their optimization”. Ultrasonics Sonochemistry
“Ultrasound Emulsification: Effect of Additives on Dispersed Phase Volume and Droplet Size”
“Characteristics of emulsion preparation in an ultrasonic microreactor: cavitation, droplet size and energy efficiency”