Phẩm màu là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa phẩm màu

Phẩm màu là những hợp chất có khả năng tạo màu cho vật liệu hoặc sản phẩm mà chúng được thêm vào. Các chất này hoạt động thông qua cơ chế hấp thụ có chọn lọc các bước sóng ánh sáng trong vùng nhìn thấy, từ đó phản xạ lại màu sắc đặc trưng mà mắt người có thể nhận biết. Tùy vào mục đích sử dụng và bản chất hóa học, phẩm màu được ứng dụng trong nhiều ngành như thực phẩm, mỹ phẩm, dược phẩm, dệt nhuộm, sơn và vật liệu xây dựng.

Phẩm màu có thể tồn tại ở hai dạng chính: thuốc nhuộm (dyes) – các hợp chất tan được trong dung môi như nước hoặc dầu; và chất màu (pigments) – các chất không tan, được sử dụng ở dạng phân tán hạt mịn. Khả năng tạo màu không chỉ phụ thuộc vào bản thân phẩm màu mà còn phụ thuộc vào nền (matrix) mà chúng được áp dụng, ví dụ như nền nhựa, giấy, sợi vải hay chất béo trong thực phẩm.

Trong phạm vi tiêu chuẩn kỹ thuật và quản lý chất lượng, thuật ngữ “phẩm màu” thường bao hàm cả nguồn gốc tự nhiên và tổng hợp. Các quy định hiện hành phân biệt rõ ràng giữa phẩm màu được phép dùng trong thực phẩm, mỹ phẩm hoặc công nghiệp nặng, dựa trên mức độ an toàn sinh học và độc tính môi trường.

Phân loại phẩm màu

Phẩm màu có thể được phân chia theo nhiều hệ tiêu chí khác nhau, tùy vào mục đích nghiên cứu hoặc ứng dụng cụ thể. Việc phân loại rõ ràng giúp người sử dụng lựa chọn đúng loại phẩm màu theo yêu cầu kỹ thuật, tiêu chuẩn an toàn và hiệu quả kinh tế.

Theo nguồn gốc:

• Tự nhiên: Được chiết xuất từ thực vật (curcumin từ nghệ, anthocyanin từ quả mọng), động vật (carmin từ côn trùng), hoặc khoáng chất (sắt oxit, than đen).
• Tổng hợp: Được sản xuất thông qua phản ứng hóa học, thường có màu sắc ổn định và hiệu suất nhuộm cao hơn.

Theo tính chất vật lý và cơ chế sử dụng:

• Thuốc nhuộm (Dyes): Hòa tan hoàn toàn trong môi trường sử dụng, thích hợp với chất lỏng hoặc vật liệu xốp.
• Chất màu (Pigments): Không hòa tan, tồn tại dạng hạt, phân tán trong nền mà không phản ứng hóa học.

Theo lĩnh vực ứng dụng:

Nhóm ứng dụng	Loại phẩm màu phổ biến	Đặc điểm
Thực phẩm	Curcumin, Beta-carotene, Tartrazine	Phải được phê duyệt về an toàn và liều lượng
Mỹ phẩm	CI Pigments, Iron Oxide, Carmine	Yêu cầu tính ổn định và không gây kích ứng
Công nghiệp	Titanium Dioxide, Ultramarine Blue	Bền ánh sáng, nhiệt và hóa chất

Cấu trúc phân tử và cơ chế tạo màu

Khả năng tạo màu của phẩm màu bắt nguồn từ cấu trúc điện tử của phân tử, đặc biệt là các nhóm chromophore – những phần tử có khả năng hấp thụ ánh sáng trong vùng khả kiến. Khi ánh sáng chiếu vào, chromophore hấp thụ một phần bước sóng và phản xạ phần còn lại. Mắt người nhìn thấy phần ánh sáng bị phản xạ, chính là màu sắc cảm nhận được.

Chromophore thường là những nhóm chức chứa liên kết đôi liên hợp như –C=C–, –C=O, –N=N– (azo), hoặc vòng thơm. Ngoài ra, các nhóm auxochrome như –OH, –NH₂ có khả năng điều chỉnh màu sắc bằng cách thay đổi mật độ điện tử trong phân tử. Sự thay đổi cấu trúc này ảnh hưởng đến năng lượng hấp thụ, từ đó điều chỉnh màu sắc theo dải màu quang phổ.

Phương trình mô tả mối liên hệ giữa năng lượng hấp thụ và bước sóng ánh sáng là:

$E = h\nu = \frac{hc}{\lambda}$

Trong đó:

• $E$: Năng lượng của photon hấp thụ
• $h$: Hằng số Planck
• $c$: Vận tốc ánh sáng
• $\lambda$: Bước sóng ánh sáng hấp thụ

Do vậy, phẩm màu khác nhau có khả năng hấp thụ các bước sóng khác nhau và tạo ra các màu sắc đặc trưng như đỏ, xanh, vàng, tím… Tính chất này được khai thác không chỉ trong sản xuất mà còn trong phân tích định lượng bằng phổ UV–Vis.

Ứng dụng trong thực phẩm

Trong ngành công nghiệp thực phẩm, phẩm màu giữ vai trò quan trọng về mặt cảm quan, giúp tăng tính hấp dẫn của sản phẩm, khôi phục màu sắc bị mất trong quá trình chế biến hoặc lưu trữ, và tạo sự đồng nhất giữa các lô sản xuất. Nhiều sản phẩm tự nhiên có màu kém ổn định và dễ biến đổi, do đó việc bổ sung phẩm màu là cần thiết để đảm bảo tính thẩm mỹ và nhận diện thương hiệu.

Các phẩm màu thực phẩm phải được kiểm nghiệm kỹ lưỡng về độ an toàn sinh học. Ở Hoa Kỳ, các chất này được quản lý bởi Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm (FDA). Ở châu Âu, Cơ quan An toàn Thực phẩm Châu Âu (EFSA) đảm nhận vai trò đánh giá rủi ro và quy định liều lượng tối đa cho phép (Acceptable Daily Intake – ADI).

Ví dụ các phẩm màu được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm:

• E100 – Curcumin: màu vàng từ nghệ, có đặc tính chống oxy hóa
• E160a – Beta-carotene: màu cam từ cà rốt, tiền chất của vitamin A
• E133 – Brilliant Blue FCF: màu xanh tổng hợp, thường dùng trong nước giải khát
• E150a – Caramel: màu nâu từ đường cháy, dùng trong nước ngọt và nước tương

Việc lựa chọn phẩm màu trong thực phẩm không chỉ phụ thuộc vào màu sắc mong muốn mà còn phải xem xét đến độ bền màu trong điều kiện pH, ánh sáng và nhiệt độ.

Ứng dụng trong mỹ phẩm và dược phẩm

Phẩm màu là thành phần không thể thiếu trong ngành công nghiệp mỹ phẩm, nơi màu sắc đóng vai trò trung tâm trong việc định hình thẩm mỹ, cá tính và trải nghiệm người dùng. Chúng được sử dụng trong son môi, phấn mắt, má hồng, sơn móng tay và hàng loạt sản phẩm trang điểm khác. Phẩm màu trong mỹ phẩm cần đạt các yêu cầu khắt khe về độ tinh khiết, ổn định với ánh sáng, độ bền màu và đặc biệt là tính an toàn trên da và vùng nhạy cảm.

Phẩm màu dùng trong mỹ phẩm được phân loại theo danh mục CI (Color Index), với các tiêu chuẩn cụ thể cho từng khu vực. Tại Hoa Kỳ, FDA yêu cầu các chất tạo màu trong mỹ phẩm phải nằm trong danh sách được phê duyệt, trong đó một số phải được chứng nhận riêng lẻ cho từng lô sản xuất. Tại châu Âu, các chất này chịu sự kiểm soát của Quy định EU số 1223/2009 về mỹ phẩm.

Trong dược phẩm, phẩm màu được dùng để phân biệt dạng bào chế, tăng độ nhận diện thương hiệu hoặc che mùi vị khó chịu. Ngoài ra, chúng còn giúp bệnh nhân dễ nhận diện thuốc, đặc biệt với người cao tuổi hoặc trẻ em. Một số phẩm màu còn hỗ trợ chức năng bảo vệ hoạt chất khỏi ánh sáng hoặc oxy hóa. Tuy nhiên, do khả năng gây dị ứng tiềm ẩn, nhiều quốc gia đã áp dụng giới hạn nghiêm ngặt về hàm lượng và loại phẩm màu dùng trong thuốc, đặc biệt với các dạng uống hoặc dùng ngoài.

Ứng dụng trong công nghiệp và vật liệu

Trong ngành công nghiệp, phẩm màu – chủ yếu là pigments – đóng vai trò quyết định trong việc tạo màu cho vật liệu như sơn, nhựa, cao su, mực in, vật liệu xây dựng và chất phủ. Do yêu cầu cao về độ bền cơ học, độ bền ánh sáng, khả năng kháng hóa chất và ổn định nhiệt, các pigments công nghiệp thường là chất vô cơ có cấu trúc tinh thể vững chắc hoặc các polymer ổn định.

Các loại pigments phổ biến trong công nghiệp gồm:

• Titanium dioxide (TiO₂): màu trắng, có khả năng che phủ và phản xạ ánh sáng mạnh
• Iron oxides (Fe₂O₃, Fe₃O₄): màu nâu, đỏ, vàng, sử dụng trong vật liệu xây dựng, mỹ phẩm, sơn
• Ultramarine blue: màu xanh lam từ aluminosilicate chứa lưu huỳnh
• Chromium oxide (Cr₂O₃): màu xanh lục bền màu, thường dùng trong gốm và xi măng

Trước đây, các phẩm màu chứa chì, cadmium, và thủy ngân từng được sử dụng rộng rãi nhờ độ bền vượt trội, nhưng hiện nay đã bị loại bỏ hoặc kiểm soát nghiêm ngặt do độc tính cao và khả năng tích lũy sinh học gây hại cho sức khỏe và môi trường.

Yếu tố quan trọng trong lựa chọn phẩm màu công nghiệp còn bao gồm khả năng tương thích với nền sử dụng (dầu, nước, polymer), kích thước hạt (ảnh hưởng đến độ mịn và khả năng phân tán), cũng như chi phí sản xuất.

An toàn sức khỏe và độc tính

Vấn đề an toàn sức khỏe liên quan đến phẩm màu là một chủ đề được nghiên cứu sâu rộng và liên tục cập nhật. Một số phẩm màu tổng hợp, đặc biệt là các azo dyes, được xác định là có khả năng gây phản ứng dị ứng, rối loạn tiêu hóa hoặc ảnh hưởng hệ thần kinh. Một số nghiên cứu còn liên kết việc tiêu thụ quá mức phẩm màu tổng hợp với hội chứng tăng động giảm chú ý (ADHD) ở trẻ em.

Các phẩm màu như Tartrazine (E102), Sunset Yellow (E110) hay Allura Red (E129) đã bị cấm hoặc hạn chế sử dụng tại nhiều quốc gia. EFSA và FDA đều có cơ chế cập nhật danh mục phẩm màu được phép dùng dựa trên đánh giá rủi ro theo mô hình phơi nhiễm – liều lượng – thời gian.

Để đảm bảo an toàn, các tổ chức như EFSA, FAO/WHO Codex và FDA đưa ra mức tiêu thụ hàng ngày chấp nhận được (Acceptable Daily Intake – ADI) cho từng loại phẩm màu. Những giới hạn này dựa trên bằng chứng từ các thử nghiệm độc tính cấp và mạn tính, nghiên cứu trên động vật và mô hình dịch tễ học.

Tác động môi trường

Sự hiện diện của phẩm màu, đặc biệt là dyes tổng hợp, trong nước thải công nghiệp là mối đe dọa nghiêm trọng đối với môi trường. Nhiều hợp chất phẩm màu có cấu trúc phân tử bền vững, khó phân hủy sinh học và có thể tích tụ trong nước, đất và sinh vật thủy sinh. Các dyes azo, anthraquinone và triphenylmethane là những chất ô nhiễm phổ biến trong ngành dệt nhuộm, in ấn và sản xuất giấy.

Việc thải phẩm màu ra môi trường mà không xử lý đúng cách gây ra hàng loạt hệ lụy:

• Giảm khả năng quang hợp của sinh vật thủy sinh do giảm độ trong của nước
• Ảnh hưởng đến sức khỏe con người qua chuỗi thực phẩm
• Gây độc cho hệ vi sinh trong bùn hoạt tính tại trạm xử lý

Các giải pháp công nghệ được áp dụng để xử lý phẩm màu trong nước thải bao gồm:

• Phương pháp hấp phụ (carbon hoạt tính, zeolite)
• Oxy hóa nâng cao (UV/H₂O₂, ozone, Fenton)
• Lọc màng (nano/microfiltration)
• Phương pháp sinh học (sinh học hiếu khí hoặc kỵ khí)

Tổng quan các giải pháp có thể tham khảo tại ScienceDirect – Dye Wastewater Treatment.

Phân tích phẩm màu

Để kiểm soát chất lượng và đảm bảo tuân thủ quy định an toàn, phẩm màu trong sản phẩm tiêu dùng phải được định lượng và định tính chính xác. Các phương pháp phân tích hiện đại thường được áp dụng bao gồm:

• Sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC): Phân tích các thành phần trong hỗn hợp phẩm màu với độ chính xác cao
• Phổ UV–Vis: Xác định bước sóng hấp thụ đặc trưng của từng loại phẩm màu
• Phổ hồng ngoại (FTIR): Phát hiện các nhóm chức đặc trưng trong cấu trúc hóa học
• Khối phổ (MS): Xác định khối lượng phân tử và cấu trúc

Các kỹ thuật này không chỉ được dùng trong kiểm nghiệm thực phẩm, dược phẩm mà còn trong giám sát ô nhiễm và kiểm tra hàng nhập khẩu.

Xu hướng phát triển phẩm màu tự nhiên

Trước sự gia tăng quan ngại về phẩm màu tổng hợp, ngành công nghiệp toàn cầu đang chuyển dịch mạnh mẽ sang sử dụng phẩm màu tự nhiên. Những chất này được chiết xuất từ thực vật, tảo, vi khuẩn hoặc nấm – vốn có nguồn gốc sinh học, thân thiện với môi trường và ít gây dị ứng.

Các nguồn phẩm màu tự nhiên phổ biến gồm:

• Anthocyanins: màu tím – đỏ từ quả mọng, bắp cải tím
• Betalains: màu hồng – đỏ từ củ dền
• Chlorophylls: màu xanh từ lá cây
• Phycocyanin: màu xanh lam từ tảo spirulina

Tuy nhiên, phẩm màu tự nhiên vẫn còn một số thách thức lớn như độ bền màu thấp, nhạy với ánh sáng, pH và nhiệt độ. Công nghệ vi bao (microencapsulation), đồng thời với việc sử dụng phụ gia bảo vệ, đang được nghiên cứu để khắc phục các hạn chế này.

Tài liệu tham khảo

• U.S. FDA – Color Additives
• European Food Safety Authority – Food Additives
• ScienceDirect – Colorant
• FAO/WHO Codex – Food Additives
• NCBI – Synthetic Food Colors and Behavior
• ScienceDirect – Dye Wastewater Treatment