Chế tạo màng chỉ thị pH từ agar, tinh bột bắp bổ sung dịch chiết bắp cải tím và bột nghệ ứng dụng trong bao bì thực phẩm

Khóa luận chế tạo màng chỉ thị pH từ agar, tinh bột bắp tại Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Phạm Thị Thu Nà
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Vinh Tiến
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Chế tạo màng chỉ thị pH từ agar, tinh bột bắp bổ sung dịch chiết bắp cải tím và bột nghệ ứng dụng trong bao bì thực phẩm
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp đại học
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về màng chỉ thị pH từ agar tinh bột bắp

Nghiên cứu chế tạo màng chỉ thị pH từ agar, tinh bột bắp tại ĐH SPKT TP.HCM mở ra hướng đi mới cho ngành bao bì thông minh. Đề tài do sinh viên Phạm Thị Thu Nà thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Vinh Tiến vào năm 2023. Xu hướng bao bì sinh học tự phân hủy đang dần thay thế nhựa tổng hợp. Sự kết hợp giữa tinh bột bắp và polymer agar tạo ra cấu trúc nền dẻo dai. Hai nguồn nguyên liệu này đều an toàn, giá thành thấp và dồi dào tại Việt Nam. Điểm đột phá của màng là tích hợp hai chất màu tự nhiên gồm anthocyanin từ bắp cải tím và curcumin từ củ nghệ. Sự phối hợp này tạo nên hệ thống phản ứng màu đa dạng trước sự dao động của độ pH môi trường. Màng đóng vai trò như cảm biến sinh học trực quan giúp người tiêu dùng kiểm tra chất lượng thực phẩm không cần phá hủy bao gói. Nghiên cứu giải quyết bài toán lãng phí thực phẩm và nâng cao tính an toàn trong chuỗi cung ứng hàng ngày. Công nghệ chế tạo màng polyme sinh học này thân thiện với môi trường tự nhiên.

1.1. Cấu trúc và vai trò của nền polymer tinh bột bắp và agar

Tinh bột bắp đóng vai trò là pha liên tục tạo mạng lưới polymer chính cho màng. Nồng độ tinh bột thích hợp để đúc màng thường dao động từ 10% đến 15%. Tuy nhiên, màng tinh bột đơn thuần có nhược điểm giòn và kém chịu nước. Agar chiết xuất từ tảo đỏ là polysaccharide gồm agarose và agaropectin với khả năng tạo gel vững chắc. Cấu trúc xoắn kép của agar liên kết hydro chặt chẽ với các chuỗi amylose và amylopectin trong tinh bột bắp. Sự kết hợp này cải thiện cơ tính, tăng độ bền kéo và giảm tính thấm nước. Nền màng tạo thành có độ trong suốt vừa phải, dẻo dai và chịu nhiệt tốt trong điều kiện bảo quản thực phẩm thông thường.

1.2. Cơ chế chỉ thị màu của anthocyanin và curcumin

Anthocyanin chiết xuất từ bắp cải tím đổi màu nhạy bén nhờ sự biến đổi cấu trúc vòng flavylium cation dưới tác động của ion H+. Chất này cho sắc đỏ hồng ở môi trường acid mạnh và chuyển dần sang tím, xanh lá khi độ kiềm tăng. Curcumin từ bột nghệ mang sắc vàng ổn định và chuyển sang màu nâu đỏ tại môi trường kiềm đậm đặc. Phối hợp dịch chiết bắp cải tím và curcumin theo tỷ lệ thể tích 8:1 mở rộng đáng kể dải nhận biết màu sắc. Màng hiển thị đỏ hồng ở pH 1-3, tím ở pH 4-7, xanh dương ở pH 8-9 và vàng ở pH 10-12. Phổ màu rõ nét này tạo điều kiện thuận lợi để người dùng đánh giá trạng thái ôi thiu bằng mắt thường.

II. Phân tích giới hạn màng chỉ thị pH từ agar tinh bột bắp

Quá trình phát triển màng chỉ thị sinh học đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật. Tinh bột bắp có tính chất ưa nước cao nên màng thuần tinh bột dễ bị rã, trương nở mất kiểm soát khi tiếp xúc bề mặt ẩm ướt. Mẫu 100TBM và 95TBM thể hiện cơ tính yếu, dễ cong vênh và rách khi gặp chất lỏng. Ngược lại, việc tăng hàm lượng agar trong mẫu 85TBM nâng cao độ bền kéo nhưng gây ra tác dụng phụ tiêu cực. Tỷ lệ agar cao làm giảm độ tương phản chuyển màu khi môi trường biến đổi từ trung tính sang kiềm. Độ truyền quang của màng 85TBM cũng tăng lên mức bất lợi. Ánh sáng xuyên qua màng nhiều sẽ đẩy nhanh quá trình oxy hóa chất béo trong thực phẩm đóng gói. Thêm vào đó, khảo sát kháng khuẩn đối với chủng Staphylococcus aureus cho thấy màng không có khả năng ức chế vi khuẩn. Chất màu tự nhiên cũng dễ bị phân hủy quang học dưới tác động của nhiệt độ và ánh sáng mặt trời kéo dài. Các vấn đề này đòi hỏi phải cân bằng tỷ lệ phối trộn polymer thật chuẩn xác.

2.1. Suy giảm cơ lý tính và độ nhạy màu do tỷ lệ phối trộn

Tỷ lệ phối trộn tinh bột và agar tác động trực tiếp đến tính liên kết mạng lưới không gian. Màng chứa hàm lượng tinh bột cao như 100TBM có độ bền kéo rất thấp, chỉ đạt dưới ngưỡng tiêu chuẩn bao gói thông dụng. Mẫu này cũng có độ hòa tan và độ trương nở cao trong nước. Khi bổ sung lượng lớn agar lên 15% (mẫu 85TBM), độ bền cơ học tăng nhưng độ cứng màng cũng tăng theo. Điều này làm giảm độ giãn dài tương đối của vật liệu. Cấu trúc mạng lưới quá đặc khít ở mẫu 85TBM cản trở sự khuếch tán của các phân tử ion đệm. Hệ quả là màng phản ứng chậm và giảm độ nhạy màu khi pH chuyển dịch sang vùng kiềm.

2.2. Hạn chế về truyền ẩm và khả năng kháng khuẩn thực tế

Khả năng truyền hơi nước là thông số kỹ thuật quan trọng của màng bao bọc thực phẩm. Các màng có tỷ lệ tinh bột cao cho tốc độ truyền ẩm lớn, khiến thực phẩm dễ mất nước hoặc hút ẩm ngược từ khí quyển. Kết quả thử nghiệm vi sinh với vi khuẩn Staphylococcus aureus cho thấy vòng kháng khuẩn không xuất hiện ở bất kỳ mẫu màng nào. Nồng độ curcumin và anthocyanin đưa vào màng chỉ đủ đáp ứng chức năng chỉ thị màu, chưa đủ hoạt tính ức chế vi sinh vật gây hại. Khi thử nghiệm trên sữa tươi, độ ẩm cao làm màng hòa tan một phần, làm lem chất màu ra chất lỏng. Điều này khẳng định màng chưa phù hợp với môi trường thực phẩm dạng lỏng.

III. Phương pháp tạo màng chỉ thị pH từ agar tinh bột bắp tối ưu

Nhóm nghiên cứu tại ĐH SPKT TP.HCM đã áp dụng phương pháp đúc màng dung môi để tối ưu hóa công thức. Quy trình bắt đầu bằng việc hồ hóa tinh bột bắp kết hợp hòa tan agar dưới sự kiểm soát nhiệt độ nghiêm ngặt. Hỗn hợp polymer được phối trộn theo bốn tỷ lệ chính gồm 100:0, 95:5, 90:10 và 85:15. Dung dịch chỉ thị kép gồm dịch chiết bắp cải tím và curcumin phối trộn theo tỷ lệ thể tích chuẩn 8:1 trước khi đưa vào hệ polymer. Nhiệt độ của dung dịch tạo màng luôn duy trì cao hơn điểm tạo gel trước khi tráng lên khuôn phẳng. Sau khi phân tích toàn diện các đặc tính hóa lý, mẫu 90TBM với tỷ lệ 90 tinh bột bắp và 10 agar được xác định là công thức tối ưu nhất. Mẫu này sở hữu độ bền cơ lý tốt, ít biến dạng và duy trì độ truyền quang lý tưởng từ 300 đến 700 nm. Màng 90TBM đổi màu rõ rệt và ổn định khi tiếp xúc với các mẫu kiểm tra, đồng thời có khả năng viết điện hóa ổn định.

3.1. Quy trình chiết xuất và phối trộn chất màu chỉ thị

Anthocyanin được trích ly từ bắp cải tím tươi bằng dung môi ethanol trong môi trường acid hóa nhẹ để bảo toàn cấu trúc hoạt chất. Bột nghệ nguyên chất được chiết xuất nhằm thu hồi hoạt chất polyphenol curcumin có độ tinh khiết cao. Hai dịch chiết màu được hòa lẫn theo tỷ lệ thể tích chuẩn 8 phần anthocyanin và 1 phần curcumin. Tỷ lệ này tạo ra phổ hấp thu quang học cân bằng, cho phép mắt thường nhận diện chuyển đổi màu cực kỳ sắc nét. Hỗn hợp chất màu tự nhiên sau đó được phân tán đồng đều vào dung dịch polymer đã hồ hóa ở 60 độ C. Quá trình khuấy đảo cơ học liên tục đảm bảo các hạt màu phân bố đồng nhất khắp chất nền.

3.2. Tiêu chuẩn đánh giá và xác định công thức 90TBM tối ưu

Hệ thống kiểm tra chất lượng màng bao gồm phép đo độ bền kéo đứt trên máy Brookfield CT3 và đo độ dày bằng panme điện tử Shahe. Độ chênh lệch màu delta E được đo bằng máy so màu quang phổ tại 12 giá trị pH từ acid đến base. Mẫu 90TBM vượt trội hơn các mẫu khác nhờ cấu trúc mạng liên kết bền vững nhưng vẫn giữ được độ linh động của phân tử. Khả năng chống oxy hóa của màng 90TBM thể hiện tốt trên cả dung môi nước và ethanol. Màng không bị quăn mép khi tiếp xúc với độ ẩm bề mặt vừa phải. Phổ hồng ngoại FT-IR xác nhận có tương tác hydro mạnh mẽ giữa các nhóm chức mà không tạo ra hợp chất độc hại mới.

IV. Ứng dụng thực tế màng chỉ thị pH từ agar tinh bột bắp ĐH SPKT

Kết quả nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM mở ra tiềm năng lớn cho màng 90TBM trong ngành bảo quản thực phẩm. Màng chỉ thị được ứng dụng trực tiếp để theo dõi quá trình hư hỏng của thịt heo tươi và sữa tươi ở điều kiện bảo quản thực tế. Trong quá trình thịt heo phân hủy, các hợp chất bazơ nitơ bay hơi như amoniac và amin tích tụ làm tăng độ pH môi trường bao bì. Màng 90TBM phản ứng nhanh chóng bằng cách đổi màu từ hồng tím sang xanh lục rồi ngả vàng rõ rệt. Người tiêu dùng có thể nhận biết độ ôi thiu của thịt ngay lập tức mà không cần mở hộp. Đối với sữa tươi, do tính chất thể lỏng, màng ít phát huy hiệu quả vì dễ phân tán màu vào môi trường. Vì vậy, màng 90TBM được định hướng ứng dụng tốt nhất cho thực phẩm dạng rắn và khô như thịt đỏ, phi lê cá và hải sản tươi sống. Bên cạnh đó, màng còn có khả năng viết điện hóa độc đáo, mở ra tiềm năng làm nhãn điện tử thông minh trong tương lai.

4.1. Giám sát độ tươi sống của thịt heo và hải sản đóng gói

Khi thịt heo bảo quản ở nhiệt độ phòng, vi sinh vật hiếu khí phân giải protein thành các amin dễ bay hơi (TVB-N). Nồng độ base gia tăng làm thay đổi độ pH cục bộ xung quanh bao bì thịt. Màng 90TBM dán bên trong khay thịt phản ứng tức thì với các phân tử khí này. Màu sắc màng chuyển từ hồng tím ban đầu sang xanh lam rồi chuyển dần sang vàng sẫm khi thịt biến chất hoàn toàn. Sự chuyển đổi màu này rất rõ ràng dưới mắt thường, không yêu cầu thiết bị hỗ trợ quang học phức tạp. Đây là giải pháp hữu hiệu để kiểm soát an toàn thịt tươi trong siêu thị.

4.2. Tiềm năng ứng dụng viết điện hóa và phát triển bao bì xanh

Khảo sát viết điện hóa trên màng 90TBM mở ra một hướng phát triển nhãn nhạy cảm ứng thông minh. Dưới tác động của dòng điện cực nhỏ, các ion hydrogen cục bộ bị thay đổi, cho phép tạo vết đổi màu sắc nét trên bề mặt màng. Kỹ thuật này có thể dùng để in mã vạch tự nhiên hoặc ký hiệu nhận diện không dùng mực in hóa chất độc hại. Nguồn nguyên liệu agar và tinh bột bắp có thể phân hủy sinh học hoàn toàn trong đất mà không gây ô nhiễm thứ cấp. Đây là nền tảng quan trọng giúp các doanh nghiệp thực phẩm hiện thực hóa chiến lược bao bì xanh bền vững, giảm thiểu rác thải nhựa công nghiệp.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong ngành công nghiệp chế biến và cung ứng thực phẩm, việc theo dõi, kiểm soát chất lượng sản phẩm trong suốt quá trình lưu thông và bảo quản đóng vai trò thiết yếu nhằm đảm bảo sức khỏe người tiêu dùng. Thông thường, các chỉ tiêu hóa học và vi sinh chỉ được phân tích tại cơ sở chế biến; khi đã phân phối ra thị trường, các biến đổi sinh hóa tiếp diễn khiến thực phẩm có nguy cơ biến chất mà giác quan thông thường khó phát hiện được nếu không mở bao bì. Sự suy giảm chất lượng này thường đi kèm quá trình chuyển hóa của vi sinh vật và enzyme, giải phóng các hợp chất có tính acid hữu cơ, amine bay hơi hoặc các hợp chất nitơ dễ bay hơi (TVB-N), làm thay đổi độ pH của môi trường bao gói.

Trước thực trạng rác thải nhựa tổng hợp gây ô nhiễm môi trường và nhận thức ngày càng tăng về lối "sống xanh" sau đại dịch Covid-19, xu hướng nghiên cứu vật liệu bao bì sinh học có khả năng phân hủy tự nhiên kết hợp chức năng chỉ thị thông minh đang được chú trọng. Việc sử dụng các hóa chất chỉ thị tổng hợp (như bromocresol xanh, bromocresol tím, cresol đỏ) tiềm ẩn nguy cơ độc hại đối với sức khỏe và không phù hợp với thực phẩm. Thay vào đó, các chất màu tự nhiên có nguồn gốc thực vật như anthocyanin và curcumin được đánh giá cao về tính an toàn và độ nhạy pH. Tuy nhiên, màng chỉ thị đơn thành phần anthocyanin thường bộc lộ hạn chế khi chuyển màu kém rõ nét ở dải pH từ trung tính sang kiềm – khoảng pH đặc trưng cho sự ôi thiu của nhiều loại thịt và thủy sản. Sự kết hợp giữa anthocyanin từ bắp cải tím và curcumin từ bột nghệ là giải pháp kỹ thuật nhằm mở rộng và làm rõ nét dải chuyển màu này.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài bao gồm:

1. Trích ly và xác định khả năng đổi màu theo pH cùng phổ hấp thụ UV-Vis của dịch chiết anthocyanin từ bắp cải tím, dung dịch curcumin từ bột nghệ và hỗn hợp chất màu phối trộn ở tỷ lệ tối ưu.
2. Chế tạo màng polymer sinh học từ hỗn hợp tinh bột bắp và agar với các tỷ lệ phối trộn khác nhau, có bổ sung hỗn hợp chất màu chỉ thị.
3. Khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn polymer và chất màu đến các đặc tính lý hóa, cơ lý và cấu trúc của màng: độ dày, màu sắc, khả năng chuyển màu theo pH, độ bền kéo, độ giãn dài, khả năng truyền ẩm, độ ẩm, độ hòa tan, độ trương nở, độ truyền quang và quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR).
4. Đánh giá hoạt tính sinh học của màng gồm khả năng chống oxy hóa (phương pháp dập tắt gốc tự do ABTS) và khả năng kháng khuẩn đối với chủng Staphylococcus aureus.
5. Kiểm tra khả năng ứng dụng thực tế của màng trong việc theo dõi độ tươi của thịt heo (trong 48 giờ) và sữa tươi (trong 72 giờ) ở nhiệt độ phòng, đồng thời thử nghiệm khả năng viết điện hóa lên màng chỉ thị.

Đối tượng nghiên cứu là màng bao bì sinh học chỉ thị pH chế tạo từ nền polymer tinh bột bắp kết hợp agar, phối trộn hai chất màu tự nhiên anthocyanin và curcumin. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở các khảo sát thực nghiệm trong phòng thí nghiệm đối với các dung dịch đệm chuẩn từ pH 1 đến 12, thực phẩm mô hình gồm thịt heo tươi và sữa tươi bảo quản ở điều kiện nhiệt độ phòng, cùng chủng vi sinh vật kiểm chứng Staphylococcus aureus.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết và vật liệu nghiên cứu

• Bao bì chỉ thị pH (pH-indicator packaging): Hoạt động dựa trên nguyên lý cảm quan hóa sự biến đổi hóa học của thực phẩm. Khi thực phẩm bị phân hủy bởi vi sinh vật, các chất chuyển hóa dạng khí (như trimethylamine, dimethylamine, ammonia) hoặc acid hữu cơ bay hơi sẽ phản ứng trực tiếp với chất chỉ thị gắn trên màng, tạo ra sự thay đổi màu sắc quan sát được bằng mắt thường.
• Tinh bột bắp (Corn starch - TB): Nguồn polysaccharide tự nhiên chiếm hơn 85% sản lượng tinh bột toàn cầu, cấu tạo từ hai đại phân tử: amylose (khoảng 25%, mạch thẳng liên kết $\alpha$-D-1,4-glycoside) và amylopectin (khoảng 75%, mạch nhánh có thêm liên kết $\alpha$-D-1,6-glycoside). Tinh bột có khả năng tạo gel và tạo màng thông qua mạng lưới liên kết hydro liên phân tử khi bay hơi dung môi, tạo màng có tính cản khí tốt nhưng cản ẩm kém do chứa nhiều nhóm hydroxyl (-OH) ưa nước.
• Agar (AG): Polysaccharide chiết xuất từ tảo đỏ thuộc họ Rhodophyceae, gồm hai thành phần: agarose (khoảng 70%, polymer trung tính mạch thẳng của disaccharide agarobiose) và agaropectin (khoảng 30%, hỗn hợp polysaccharide phân nhánh chứa các nhóm phụ acid như sulfat và pyruvate). Agar tạo gel qua cấu trúc xoắn kép bền nhiệt, giúp tăng cường cơ tính và khả năng liên kết của màng phối trộn.
• Anthocyanin (ATH): Sắc tố không bào thuộc nhóm flavonoid, trích ly từ bắp cải tím (Brassica oleracea var capitata ruba). Cấu trúc khung flavonoid 15C mang điện tích cation flavylium nhạy cảm cao với pH. Ở pH < 3, dạng cation flavylium màu đỏ hồng chiếm ưu thế; ở pH 4–7 chuyển dần sang dạng quinonoidal base màu tím; ở pH 8–9 chuyển sang dạng anion quinonoidal base màu xanh lam; ở pH 10–12 chuyển thành dạng chalcone màu vàng.
• Curcumin (CR): Hợp chất polyphenol kỵ nước chính trong củ nghệ (Curcuma longa), thuộc nhóm curcuminoid (diferuloylmethane - DFM chiếm khoảng 77%). Curcumin tồn tại ở trạng thái cân bằng đồng phân hỗ biến keto-enol. Phân tử có màu vàng ở môi trường acid và trung tính (dạng keto chiếm ưu thế), chuyển nhanh sang màu đỏ cam hoặc nâu đỏ khi bước vào môi trường kiềm (pH > 8, do sự hình thành dạng ion enolate).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

• Trích ly hoạt chất màu: Anthocyanin được trích ly từ bắp cải tím bằng phương pháp hỗ trợ sóng siêu âm (bể siêu âm Elma S300H ở 60°C trong 60 phút) với hệ dung môi ethanol:nước (tỷ lệ thể tích 1:1). Curcumin được trích ly từ bột nghệ thương mại trong ethanol tuyệt đối và lọc loại bã. Hai dịch chiết được khảo sát và phối trộn theo tỷ lệ thể tích 8ATH:1CR.
• Chế tạo màng (Casting method): Hòa tan hỗn hợp tinh bột bắp, agar và chất hóa dẻo glycerol trong nước cất. Đun và khuấy liên tục ở 90°C, tốc độ 200 rpm trong 25 phút bằng máy khuấy từ IKA C-MAG HS7 đến khi hồ hóa hoàn toàn. Để nguội dung dịch xuống 50°C, bổ sung 27% (v/v) hỗn hợp chất màu chỉ thị (8ATH:1CR), khuấy đều rồi đổ vào đĩa petri nhựa đường kính 90 mm. Màng được sấy đối lưu ở 55°C trong 12 giờ trên tủ sấy Memmert UN110, sau đó ổn định trong bình hút ẩm duy trì 75% RH (chứa dung dịch NaCl bão hòa) tối thiểu 48 giờ trước khi đo đạc.
• Phương pháp phân tích lý hóa và cơ lý:
  • Quang phổ hấp thụ UV-Vis: Đo phổ trong dải bước sóng 380–760 nm trên máy đo quang phổ hai chùm tia UH5300 HITACHI để theo dõi cực đại hấp thụ ở các giá trị pH từ 1 đến 12.
  • Đo màu sắc: Sử dụng máy so màu cầm tay Linshang LS171 xác định hệ số màu CIE ($L^, a^, b^*$) và tính toán tổng độ lệch màu ($\Delta E$).
  • Đo độ dày: Xác định tại 5 vị trí trên màng bằng thước Panme điện tử Shahe (độ chính xác 0,001 mm).
  • Đo cơ tính: Đo độ bền kéo (tensile strength, $N/mm^2$) và độ giãn dài khi đứt (elongation at break, %) bằng máy phân tích cấu trúc CT3 Brookfield (USA) với phần mềm WinTest Analysis, vận tốc kéo 60 mm/phút, lực kích hoạt 0,1 N.
  • Độ ẩm, độ hòa tan và độ trương nở: Cân khối lượng màng trước và sau khi sấy khô ở 105°C, cũng như sau khi ngâm nước trong khoảng thời gian xác định để tính các thông số phần trăm tương ứng.
  • Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR): Thực hiện trên máy MIR/NIR Frontier PerkinElmer nhằm xác định các nhóm chức đặc trưng và liên kết hydro liên phân tử giữa nền polymer và chất màu.
  • Khả năng chống oxy hóa: Đánh giá qua phản ứng dập tắt gốc tự do ABTS (axit 2,2'-azino-bis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic)) trong hai môi trường dung môi nước và ethanol.
  • Khả năng kháng khuẩn: Phương pháp khuếch tán đĩa thạch trên chủng vi khuẩn gram dương Staphylococcus aureus (cung cấp bởi Trung tâm Công nghệ Sinh học TP.HCM).
  • Thử nghiệm viết điện hóa: Sử dụng nguồn điện một chiều DC tác động lên bề mặt màng qua các điện cực để kiểm tra sự đổi màu cục bộ do các phản ứng điện phân tạo môi trường acid/base.

---

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về hệ thống bao bì thông minh, phân loại các công cụ chỉ thị và cảm biến dùng trong đóng gói thực phẩm. Tác giả đi sâu vào vật liệu tạo màng sinh học có nguồn gốc polysaccharide, phân tích chi tiết cơ chế hồ hóa, thoái hóa của tinh bột bắp, vai trò của tỷ lệ amylose/amylopectin và khả năng liên kết tạo khung mạng ba chiều của agar. Chương này cũng tổng hợp nguồn gốc thực vật, công thức hóa học, phổ hấp thụ quang học và cơ chế chuyển đổi dạng cấu trúc ion theo môi trường pH của anthocyanin (họ flavonoid) và curcumin (họ curcuminoid). Đồng thời, tác giả phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền cấu trúc của hai chất màu này như nhiệt độ, ánh sáng và pH, làm cơ sở khoa học cho việc phối trộn hai hợp chất chỉ thị để khắc phục điểm yếu chuyển màu ở môi trường trung tính và kiềm.

CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chương 2 trình bày chi tiết toàn bộ hóa chất, thiết bị, quy trình chế tạo màng và các tiêu chuẩn phân tích. Tác giả chuẩn bị hệ đệm chuẩn từ pH 1 đến pH 12 theo tiêu chuẩn TCVN 4320:1986 sử dụng các hệ muối và acid: KCl/HCl (pH 1–2), $CH_3COOH/CH_3COONa$ (pH 3–6), $H_3BO_3/Na_2B_4O_7$ (pH 7), $Na_2HPO_4/NaOH$ (pH 8–9), $Na_2B_4O_7/NaOH$ (pH 10–11) và $KCl/NaOH$ (pH 12). Quy trình tạo màng được khảo sát ở 4 tỷ lệ phối trộn polymer (tính theo phần trăm khối lượng):

• Mẫu 100TB:0AG (màng trắng ký hiệu 100TB, màng có chất màu ký hiệu 100TBM)
• Mẫu 95TB:5AG (màng trắng ký hiệu 95TB, màng có chất màu ký hiệu 95TBM)
• Mẫu 90TB:10AG (màng trắng ký hiệu 90TB, màng có chất màu ký hiệu 90TBM)
• Mẫu 85TB:15AG (màng trắng ký hiệu 85TB, màng có chất màu ký hiệu 85TBM)

Chương này cũng thiết lập chi tiết quy trình bố trí thí nghiệm kiểm tra độ bền cơ học trên máy kéo nén CT3 Brookfield, kỹ thuật quét quang phổ FT-IR, đo độ truyền quang ở dải bước sóng 300–700 nm, đánh giá khả năng truyền ẩm (WVP), thử nghiệm dập tắt gốc tự do ABTS, thử nghiệm kháng khuẩn đĩa thạch trên vi khuẩn S. aureus, và quy trình theo dõi thực phẩm tươi sống (thịt heo trong 48 giờ, sữa tươi trong 72 giờ).

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Chương 3 tập trung phân tích các dữ liệu thực nghiệm thu được:

• Đặc tính chuyển màu và phổ hấp thụ: Hỗn hợp 8ATH:1CR thể hiện các dải màu rõ rệt theo từng khoảng pH: pH 1–3 xuất hiện màu đỏ hồng; pH 4–7 chuyển sang tím; pH 8–9 chuyển sang xanh dương; pH 10–12 chuyển hẳn sang màu vàng. Phổ hấp thụ UV-Vis của hỗn hợp ghi nhận sự dịch chuyển cực đại hấp thụ phù hợp với các biến đổi cấu trúc từ dạng cation flavylium sang quinonoidal base và chalcone của anthocyanin cùng dạng enolate của curcumin.
• Đặc tính cơ lý và cấu trúc màng: Sự gia tăng hàm lượng agar từ 0% lên 15% làm tăng độ bền kéo và làm giảm khả năng truyền ẩm, độ ẩm, độ hòa tan cũng như độ trương nở của màng. Màng 85TBM thể hiện cơ tính cao nhất, nhưng lượng agar lớn làm cho sự chuyển màu từ trung tính sang kiềm kém sắc nét hơn mẫu 90TBM và có độ truyền quang cao hơn. Ngược lại, hai mẫu 100TBM và 95TBM có cơ tính kém, dễ bị quăn và biến dạng mạnh khi tiếp xúc với độ ẩm hoặc pha lỏng. Mẫu 90TBM đạt sự cân bằng tối ưu giữa độ bền cơ học và độ nhạy màu.
• Phổ hồng ngoại FT-IR và độ truyền quang: Phổ FT-IR của các màng ghi nhận sự hiện diện của các dải hấp thụ đặc trưng cho dao động kéo dãn của nhóm hydroxyl liên kết hydro ($3200–3400\text{ }cm^{-1}$), dao động kéo dãn C-H ($2920–2930\text{ }cm^{-1}$) và dao động của liên kết C-O-C trong vòng polysaccharide, khẳng định sự tương thích tốt giữa hai polymer và chất màu thông qua mạng lưới liên kết hydro. Độ truyền quang trong dải 300–700 nm biến thiên theo tỷ lệ phối trộn, trong đó màng chứa chất màu giúp cản tia tử ngoại tốt hơn màng trắng.
• Hoạt tính chống oxy hóa và kháng khuẩn: Màng thể hiện khả năng ức chế gốc tự do ABTS đáng kể trong cả môi trường nước và ethanol, trong đó mẫu 100TBM đạt giá trị chống oxy hóa cao nhất do mức độ giải phóng hoạt chất phenolic tự do thuận lợi hơn. Ở thử nghiệm kháng khuẩn với Staphylococcus aureus, không có mẫu nào tạo được vòng vô khuẩn trên đĩa thạch.
• Ứng dụng thực tế và viết điện hóa: Khi áp dụng màng 90TBM để theo dõi thịt heo bảo quản ở nhiệt độ phòng trong 48 giờ, màng đổi màu rõ rệt từ tím sang xanh rồi ngả vàng, tương ứng với sự gia tăng pH do vi sinh vật sinh ra các amine bay hơi. Đối với sữa tươi bảo quản trong 72 giờ, màng biến đổi màu kém phân biệt hơn do ảnh hưởng của môi trường lỏng gây trương nở màng. Trong khảo sát viết điện hóa, màng chuyển sang màu đỏ tại vị trí tiếp xúc với cực dương (sinh ion $H^+$) và chuyển sang màu xanh tại cực âm (sinh ion $OH^-$), chứng minh khả năng hiển thị thông tin bằng phản ứng điện hóa trực tiếp.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả định lượng và so sánh các công thức màng

Nghiên cứu đã khảo sát chi tiết 4 tỷ lệ phối trộn polymer màng mang chất màu. Các đặc tính được tổng hợp trong bảng đối sánh sau:

Mã mẫu màng	Tỷ lệ phối trộn polymer (TB : AG)	Tỷ lệ chất màu (ATH : CR)	Đặc tính cơ học và vật lý	Khả năng đổi màu theo pH (1–12)	Ứng dụng thực phẩm mô hình
100TBM	100 : 0	8 : 1	Cơ tính thấp; độ ẩm, độ hòa tan và độ trương nở cao nhất; dễ bị biến dạng quăn mép khi gặp ẩm; khả năng chống oxy hóa cao nhất.	Đổi màu rõ ở các dải pH; độ tương phản màu tốt.	Kém bền trong môi trường ẩm cao; dễ cong vênh.
95TBM	95 : 5	8 : 1	Cơ tính cải thiện nhẹ so với 100TBM nhưng vẫn dễ bị biến dạng trong môi trường ẩm.	Đổi màu rõ nét từ pH 1 đến 12.	Dễ bị cong vênh khi tiếp xúc ẩm từ thực phẩm.
90TBM	90 : 10	8 : 1	Cơ tính ổn định; độ truyền ẩm và độ trương nở ở mức trung bình; giữ phẳng tốt; cản quang phù hợp.	Đổi màu rất rõ và nhạy, đặc biệt ở khoảng chuyển từ trung tính sang kiềm.	Tối ưu nhất: Theo dõi rõ sự hư hỏng của thịt heo trong 48 giờ qua sự đổi màu từ tím sang xanh/vàng.
85TBM	85 : 15	8 : 1	Độ bền kéo cao nhất; khả năng truyền ẩm, độ ẩm, độ hòa tan và độ trương nở thấp nhất; độ truyền quang cao.	Đổi màu từ trung tính sang kiềm kém sắc nét hơn mẫu 90TBM do hàm lượng agar cao cản trở quan sát.	Ít nhạy màu hơn mẫu 90TBM; độ truyền quang cao làm tăng nguy cơ lọt sáng vào thực phẩm.

Đóng góp khoa học và giải pháp thực tiễn

• Giải pháp công nghệ: Xác định được tỷ lệ phối hợp chất màu tự nhiên 8 dịch chiết bắp cải tím : 1 dịch chiết bột nghệ (8ATH:1CR) giúp khắc phục triệt để nhược điểm đổi màu mờ nhạt từ vùng trung tính sang kiềm của màng chỉ chứa anthocyanin đơn lẻ, tạo ra 4 vùng màu chỉ thị rõ rệt: đỏ hồng (pH 1–3), tím (pH 4–7), xanh dương (pH 8–9) và vàng (pH 10–12).
• Lựa chọn tỷ lệ vật liệu nền tối ưu: Xác định công thức 90TBM (90% tinh bột bắp, 10% agar) là tỷ lệ tối ưu cho màng chỉ thị pH, giải quyết được sự đánh đổi giữa độ bền cơ học và độ nhạy màu của chất chỉ thị.
• Tính ứng dụng thực tế: Chứng minh màng 90TBM thích hợp ứng dụng để theo dõi độ tươi của thực phẩm dạng rắn, khô, ít thoát ẩm lỏng trực tiếp (như thịt heo), giúp nhận diện độ hư hỏng mà không cần phá hủy bao bì. Đồng thời, đề xuất khả năng viết và in điện hóa trực tiếp lên bao bì không dùng mực in hóa học thông qua điện cực DC.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các kết quả và phạm vi nghiên cứu thực nghiệm trong khóa luận, các hạn chế và hướng mở được ghi nhận như sau:

• Hạn chế của nghiên cứu:
  • Màng chỉ thị sinh học có bản chất ưa nước từ polysaccharide, do đó khi tiếp xúc với thực phẩm dạng lỏng (như sữa tươi) hoặc môi trường có độ ẩm quá cao, màng nhanh chóng bị trương nở, hòa tan một phần hoặc quăn mép làm sai lệch chỉ thị màu.
  • Màng hoàn toàn không thể hiện hoạt tính kháng khuẩn đối với chủng vi khuẩn gram dương Staphylococcus aureus trong thử nghiệm khuếch tán đĩa thạch.
  • Hàm lượng agar tăng (như ở mẫu 85TBM) làm tăng độ truyền quang của màng, cho phép ánh sáng xuyên qua nhiều hơn, có thể đẩy nhanh quá trình oxy hóa chất béo trong thực phẩm đóng gói.
• Hướng nghiên cứu tiếp:
  • Nghiên cứu bổ sung các chất kỵ nước sinh học hoặc chất khâu mạch an toàn để cải thiện khả năng kháng ẩm và duy trì cấu trúc màng trong môi trường thực phẩm dạng lỏng.
  • Phối trộn thêm các hoạt chất hoặc tinh dầu tự nhiên có hoạt tính kháng khuẩn mạnh nhằm phát triển màng bao bì vừa có chức năng chỉ thị thông minh vừa có chức năng bảo quản chủ động.
  • Đánh giá độ ổn định màu của màng dưới các tác động môi trường thực tế kéo dài (nhiệt độ bảo quản lạnh, ánh sáng huỳnh quang, tia cực tím) và hoàn thiện công nghệ viết/in điện hóa lên màng ở quy mô bán công nghiệp.

---

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và nghiên cứu viên thuộc các ngành:

• Công nghệ Thực phẩm: Tham khảo quy trình phát triển bao bì thông minh (smart packaging), phương pháp theo dõi chất lượng và hạn sử dụng của thịt tươi sống thông qua cảm biến quang học không phá hủy mẫu.
• Công nghệ Kỹ thuật Hóa học và Khoa học Vật liệu: Tham khảo công nghệ chế tạo vật liệu màng phân hủy sinh học (biodegradable films) từ polysaccharide, các phương pháp phân tích cơ tính (độ bền kéo, độ giãn dài trên máy CT3 Brookfield), phổ hồng ngoại FT-IR, khả năng cản ẩm và độ truyền quang.
• Kỹ thuật Chiết tách Hợp chất Tự nhiên: Cung cấp thông số trích ly hoạt chất anthocyanin bằng sóng siêu âm từ bắp cải tím và trích ly curcumin từ bột nghệ, cùng công thức pha chế 12 mức đệm chuẩn pH từ 1 đến 12 theo TCVN 4320:1986.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nghiên cứu lại kết hợp cả anthocyanin và curcumin mà không sử dụng riêng lẻ từng chất màu?

Anthocyanin có dải màu biến đổi phong phú nhưng khi chuyển từ môi trường trung tính sang môi trường kiềm thì màu sắc biến đổi không rõ rệt, khó nhận biết chính xác bằng mắt thường. Trong khi đó, nhiều loại thực phẩm khi hư hỏng lại chuyển từ môi trường trung tính sang kiềm do sinh ra các amine bay hơi. Curcumin có đặc tính đổi màu rất rõ từ vàng sang đỏ thẫm trong dải pH kiềm (pH > 8). Việc kết hợp hai chất màu theo tỷ lệ 8ATH:1CR giúp bổ trợ cho nhau, tạo nên dải màu chỉ thị rõ rệt qua 4 vùng: đỏ hồng (pH 1–3), tím (pH 4–7), xanh dương (pH 8–9) và vàng (pH 10–12).

2. Dựa vào những tiêu chí nào tác giả chọn màng 90TBM là công thức tối ưu thay vì mẫu 85TBM hay 100TBM?

Mẫu 100TBM và 95TBM có cơ tính kém, màng mềm yếu và dễ bị quăn mép, biến dạng khi gặp ẩm. Mẫu 85TBM tuy có cơ tính tốt nhất và độ truyền ẩm thấp nhất nhưng hàm lượng agar cao làm giảm độ tương phản chuyển màu ở dải trung tính sang kiềm, đồng thời có độ truyền quang cao làm ánh sáng dễ lọt qua gây hư hỏng thực phẩm. Do đó, mẫu 90TBM (90% tinh bột bắp : 10% agar) được chọn vì đạt sự cân bằng tối ưu giữa độ bền cơ học vừa đủ, khả năng giữ phẳng bề mặt và độ nhạy chuyển màu rõ nét nhất.

3. Hiệu quả chỉ thị của màng 90TBM khác nhau như thế nào giữa mẫu thịt heo và sữa tươi?

Khi theo dõi thịt heo bảo quản ở nhiệt độ phòng trong 48 giờ, màng 90TBM đổi màu rất rõ từ tím sang xanh rồi chuyển sang vàng theo sự biến đổi pH do các hợp chất nitơ bay hơi thoát ra. Ngược lại, khi thử nghiệm với sữa tươi trong 72 giờ, sự đổi màu diễn ra kém rõ rệt và màng bị biến dạng, cong vênh do hấp thụ nước từ pha lỏng. Kết quả này chỉ ra màng chỉ thị thích hợp ứng dụng cho thực phẩm dạng rắn hoặc khô, không phù hợp cho thực phẩm dạng lỏng.

4. Hiện tượng gì diễn ra trong thử nghiệm viết điện hóa lên màng chỉ thị TB-AG?

Khi tiếp xúc với nguồn điện một chiều, tại cực dương (anode), phản ứng điện phân nước giải phóng ion $H^+$ làm môi trường cục bộ mang tính acid, khiến màng chuyển sang màu đỏ hồng. Tại cực âm (cathode), phản ứng sinh ra ion $OH^-$ tạo môi trường kiềm, làm màng chuyển sang màu xanh. Hiện tượng này chứng minh khả năng ứng dụng màng trong việc ghi nhận hoặc in ấn thông tin điện hóa không cần dùng mực.

5. Kết quả kiểm tra hoạt tính kháng khuẩn của màng với chủng vi khuẩn Staphylococcus aureus như thế nào?

Thử nghiệm bằng phương pháp khuếch tán đĩa thạch ghi nhận không có bất kỳ mẫu màng nào (kể cả màng trắng lẫn màng chứa chất màu với các tỷ lệ polymer khác nhau) tạo được vòng vô khuẩn đối với chủng vi khuẩn Staphylococcus aureus. Điều này cho thấy nồng độ hoạt chất giải phóng từ màng trong điều kiện thử nghiệm chưa đủ để ức chế sự phát triển của chủng vi khuẩn gram dương này.

---

Kết luận

Khóa luận của tác giả Phạm Thị Thu Nà đã nghiên cứu chế tạo thành công màng chỉ thị pH phân hủy sinh học từ hai polymer tự nhiên là tinh bột bắp và agar, kết hợp hệ chất màu chỉ thị anthocyanin từ bắp cải tím và curcumin từ bột nghệ theo tỷ lệ phối trộn 8:1. Kết quả thực nghiệm đã xác định công thức 90TBM (90% tinh bột bắp : 10% agar) là tối ưu nhất nhờ sự cân bằng giữa độ bền cơ tính, khả năng cản quang và độ nhạy chuyển màu trực quan rõ nét từ pH 1 đến 12. Màng biểu hiện tiềm năng ứng dụng thực tiễn cao trong việc giám sát độ tươi của thực phẩm rắn có độ ẩm thấp (như thịt heo tươi) mà không cần mở bao bì, đồng thời mở ra khả năng hiển thị thông tin bằng kỹ thuật viết điện hóa không cần mực in hóa học.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về bao bì chỉ thị pH (pH-indicator packaging) Trong quá trình xử lý/chế biến thực phẩm, các chỉ tiêu hóa học và vi sinh có thể kiểm tra phân tích thường xuyên. Tuy nhiên, khi đã đi vào chuỗi cung ứng thì khó có thể tiếp tục kiểm tra những chỉ tiêu trên. Những thông số thay đổi liên tục ngay cả khi kết thúc quá trình xử lý và gây ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm. Sự thay đổi của sản phẩm bên trong bao bì khá khó để người tiêu dùng nhận ra được nếu không cảm quan, nhưng với sự giúp đỡ của bao bì thông minh thì có thể.

Bao bì thông minh giúp ghi nhận dễ dàng các thay đổi bên trong cũng như bên ngoài môi trường đóng gói vì vật liệu làm nên bao bì có khả năng cảm và ghi nhận các thuộc tính của thực phẩm được đóng gói hoặc môi trường bên trong đó và truyền đến cho người sử dụng thông tin về sự hư hỏng (hay chất lượng) của thực phẩm trong thời gian bảo quản. Nhìn chung, có một số dạng “công cụ” giúp bao bì thông minh thể hiện được chức năng như trên đó là: cảm biến, chỉ thị, mã vạch và nhận diện tần sóng vô tuyến (RFID), trong đó chỉ thị là công cụ không cần sử dụng đến thiết bị điện tử mà chúng cho tín hiệu về những biến đổi của thực phẩm thông qua sự thay đổi màu sắc bao bì có thể nhận biết được bằng mắt thường [4]. Màng bao chỉ thị pH được ứng dụng để nhận biết sự có mặt các hợp chất chuyển hóa bên trong bao bì, sinh ra từ hoạt động của vi sinh vật gây hư hỏng thực phẩm như acid hữu cơ (acetic/lactic acid,…), ethanol, amine hữu cơ (thường xuất hiện ở sản phẩm thịt trắng và đỏ), hợp chất bay hơi chứa nitrogen như trimethyl amine (xuất hiện ở sản phẩm thịt cá),… [4]. Một số nghiên cứu phát triển bao bì thông minh dùng công cụ chỉ thị độ tươi gần đây đã kết hợp chất màu chỉ thị có nguồn gốc tự nhiên vào vật liệu polymer sinh học có khả năng tạo màng.

Các chất màu tự nhiên này không độc hại, chi phí thấp, an toàn, độ nhạy cao khi độ pH thay đổi, những chất màu tiêu biểu gồm: anthocyanins, curcumin, betalain,chlorophyll, carotenoid, tannin, brazilin, quercetin, … Khi bao bì thực phẩm ở các điều kiện bảo quản khác nhau, vi sinh vật tồn tại sẵn trên thực phẩm hay xâm nhập từ bên 4 ngoài vào sẽ tạo ra các chất chuyển hóa (amin bay hơi và acid hữu cơ). Khi đó các hợp chất màu sẽ phản ứng với chúng làm thay đổi màu sắc của màng, nhờ vậy mà theo dõi được sự hư hỏng hay chất lượng của thực phẩm [5]. Ngoài việc sử dụng chất màu làm chỉ thị, thời hạn sử dụng của thực phẩm cũng có thể được kéo dài vì chất màu chiết xuất từ thực vật chứa nồng độ cao các thành phần phenolic có hoạt tính chống oxy hóa và kháng khuẩn [6].2 Tổng quan về vật liệu tạo bao bì chỉ thị pH Việc sản xuất và tiêu thụ các vật liệu đóng gói bằng nhựa là mối đe dọa nghiêm trọng đối với môi trường. Chính vì thế, các nhà nghiên cứu ngày càng chú ý đến việc phát triển màng bao bì có thể phân hủy sinh học.

Nhiều polymer sinh học có nguồn gốc tự nhiên bao gồm polysaccharide, protein và lipid được ứng dụng để chế tạo màng bao bì phân hủy sinh học. Vì chúng có thể tái chế, phân hủy trong thời gian ngắn, không độc hại và thân thiện với môi trường. Màng protein rào cản tốt đối với O2 , CO2 , chất thơm và lipit giúp ngăn chặn sự hỏng của thực phẩm nhưng tính thấm hơi nước cao [7]. Các vật liệu có nguồn gốc từ lipit được sử dụng chính là làm lớp phủ cho bao bì, giúp cải thiện tính chất rào cản chống lại hơi nước do bản chất kỵ nước của nó, cải thiện độ bóng bề mặt của vật liệu polymer.

Tuy nhiên, lớp phủ dễ ôi thiu và không tạo độ cố kết cho màng, bề mặt nhờn [8]. Vì thế, trong khóa luận này chủ yếu sử dụng vật liệu có nguồn gốc từ polysaccharide. Các vật liệu polysaccharide thường gặp là tinh bột, các dẫn xuất của cellulose, agar, carrageenan…Màng được hình thành bằng cách phá vỡ sự tương tác giữa các đoạn polymer chuỗi dài trong quá trình tụ giọt và hình thành liên kết hydro liên phân tử khi bay hơi dung môi tạo ra mạng lưới màng [7]. Vì vậy, các liên kết hydro đóng vai trò quan trọng trong sự tạo thành và đặc tính của màng.

Màng thể hiện tính cản khí, tính cơ học tốt nhưng khả năng ngăn cản hơi nước kém do số lượng lớn các nhóm hydroxyl và các thành phần ưa nước khác có trong cấu trúc của chúng [8]. Nhưng nhìn chung, polysaccharide là vật liệu đem lại những đặc tính chức năng cần có của bao bì. Để cải thiện một số nhược điểm về tính chất vật lý khi sử dụng đơn lẻ một loại vật liệu, bao bì tổng hợp được phát triển. 5 Bằng cách kết hợp hai hoặc ba thành phần tạo màng sinh học (cùng hoặc khác nguồn) bên cạnh việc bổ sung chất màu chiết xuất từ tự nhiên, một số tính chất của màng được tăng cường.

Chẳng hạn như màng biopolymer kết hợp protein và một loại polysaccharide làm tăng khả năng cản khí ở độ ẩm tương đối (RH) thấp, hay chỉ polysaccharide hoặc protein kết hợp với lipir kị nước, sản phẩm màng có tác dụng chống lại sự di chuyển của độ ẩm cao hơn màng làm từ một vật liệu đơn lẻ [7]. Như trong nghiên cứu của Siripatrawan U. (2016) [9] về sự ảnh hưởng của nồng độ chitosan bổ sung đến tính chất cơ học và rào cản của màng làm từ tinh bột bắp. Kết quả chỉ ra rằng khi nồng độ chitosan trong dung dịch càng tăng, khả năng thấm hơi nước của màng thấp hơn đáng kể còn độ bền kéo tăng cao so với mành chỉ làm từ tinh bột bắp (đo ở điều kiện 75% RH).1 Tinh bột bắp 1.1 Giới thiệu chung Ngô (Zea mays L.) là một thành viên của họ Poaceae, là một loại cây ngũ cốc có một lá mầm.

Nó được cho là có nguồn gốc từ Trung Mỹ và hiện được trồng trên toàn cầu ở các vùng nhiệt đới và ôn đới, chẳng hạn như Châu Mỹ, Đông Á, Nam Á, Đông Nam Á, Liên minh Châu Âu,…[10, 11]. Thường có sáu loại ngô: dent, flint, pop, pod, flour và sweet corn. Tính chất lý hóa của các loại này khác nhau đáng kể do ảnh hưởng của môi trường [12]. Ngô là nguồn tinh bột chính, chiếm hơn 85% lượng tinh bột được sản xuất trên toàn thế giới [6].

Tinh bột ngô gồm có hai đại phân tử chính là amylopectin và amylose, chúng khác nhau về độ dài và mức độ phân nhánh. Amylopectin là polysaccharide mạch nhánh, có mức độ phân nhánh cao hơn (ngoài có mạch chính liên kết với alpha-D-1,4-glycoside còn có mạch nhánh liên kết với mạch chính thông qua cầu nối alpha-D-1,6-glycoside) và thường chiếm khoảng 75% hạt tinh bột. Ngược lại, amylose là polysaccharide mạch thẳng (gồm các gốc glucose liên kết với nhau thông qua cầu nối alpha-D-1,4-glycoside) và chiếm 25% hạt tinh bột [9-13]. Việc sản xuất tinh bột ngô chiếm tỷ trọng chính trong toàn bộ ngành công nghiệp chế biến ngô, do cấu trúc phân tử amylose và amylopectin của nó cũng như các đặc tính lý hóa tuyệt vời so với các loại tinh bột khác [13].

Chính vì thế, tinh bột ngô được ứng dụng rộng rãi 6 trong ngành công nghiệp thực phẩm như chất làm đặc, chất tạo gel, chất độn và chất giữ nước [7].1: Cấu trúc hóa học của amylose và amylopectin [14] 1.2 Đặc tính Khả năng trương nở và hồ hóa Khả năng trương nở phụ thuộc vào sự thay đổi hàm lượng amylose và sự có mặt của các thành phần khác của tinh bột. Không những thế, khả năng trương nở của tinh bột còn phụ thuộc vào khả năng liên kết hydro giữa nước và tinh bột. Amylopectin có khả năng trương nở do sự liên kết yếu kém giữa các phân tử trong và ngoài tinh bột, trong khi đó, amylose hoạt động như một chất ức chế trương nở [14]. Ở nhiệt độ phòng, các hạt có thể hấp thụ lượng nước khoảng 30% trọng lượng của chúng và trương nở, chúng tương tác với nhau thông qua liên kết hydro, quá trình này có tính thuận nghịch [15].

Tuy nhiên những thay đổi về tính chất vật lý không còn mang tính thuận nghịch một khi có sự tham gia của nhiệt độ, dẫn đến quá trình được gọi là hồ hóa. Nhiệt tạo ra động năng bên trong hạt tinh bột, phá vỡ các liên kết hydro hiện có và cho phép nước xâm nhập vào hạt. 7 Amylose có xu hướng thoát ra khỏi hạt, cả amylose và amylopectin lúc này đều trở nên dễ dàng hydrat hóa vì phân tử nước tương tác với các nhóm hydroxyl của hai phân tử này, dẫn đến sự gia tăng độ nhớt và độ trong của hỗn hợp tinh bột – nước khhi quá trình hồ hóa tiếp tục diễn ra [15]. Khả năng tạo gel Khi để nguội hồ tinh bột thì các phân tử sẽ tương tác với nhau và sắp xếp lại một cách có trật tự để tạo thành gel tinh bột có cấu trúc mạng ba chiều.

Để tạo thành được gel thì dung dịch hồ tinh bột phải có nồng độ đậm đặc vừa phải, phải được hồ hóa để chuyển tinh bột thành trạng thái hòa tan và sau đó để nguội ở trạng thái yên tĩnh. Trong gel tinh bột chỉ có các liên kết hydro tham gia, nối trực tiếp các mạch amylose và amylopectin hoặc gián tiếp thông qua phân tử nước [16]. Khả năng tạo màng: Tinh bột nói chung là một trong những vật liệu được ứng dụng phổ biến nhất trong nghiên cứu hai loại bao bì hoạt tính và thông minh. Tuy nhiên, nếu nồng độ tinh bột quá thấp (dưới 4%), dung dịch khó hình thành được gel khi làm nguội, làm cho màng không được liền mạch và không đạt về độ dày.

Tuy nhiên, nồng độ tinh bột quá cao (>30%) cũng không tốt vì dung dịch quá nhớt, khó tráng đều được màng. Nồng độ tinh bột thích hợp nhất để tạo màng là khoảng 10-15%. Ở nồng độ thích hợp, gel hình thành gần như ngay lập tức khi được làm nguội, do đó, cần phải giữ nhiệt độ của dung dịch luôn ở mức cao hơn nhiệt độ tạo gel trước khi tiến hành tráng màng [17].1 Giới thiệu chung Agar là một polysaccharide được chiết xuất từ tảo đỏ biển thuộc họ Rhodopyceae. Agar bao gồm một hỗn hợp của hai polysaccharide: agarose và agaropectin, với agarose chiếm khoảng 70% hỗn hợp.

Agarose là một polymer mạch thẳng, được tạo thành từ các đơn vị lặp lạo của agarobiose, một disaccharide được tạo thành từ D-galactose và 3,6-anhydro-L- galactopyranose.