Khóa luận đặc tính màng phân hủy sinh học sericin và nanocellulose lá sả - ĐH SPKT TP.HCM

Nghiên cứu đặc tính màng phân hủy sinh học từ sericin và nanocellulose lá sả, tối ưu hóa cơ lý tính và khả năng bảo quản thực phẩm an toàn, thân thiện môi

• Tác giả: Phạm Minh Hoàng
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Khánh Dung
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm
• Đề tài: Khảo sát đặc tính màng phân hủy sinh học kết hợp sericin và nanocellulose từ lá sả cho ứng dụng thực phẩm
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về màng phân hủy sinh học sericin và nanocellulose lá sả

Màng phân hủy sinh học là vật liệu bao gói thế hệ mới, có khả năng tự phân giải trong môi trường tự nhiên. Nghiên cứu tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (HCMUTE) năm 2025 đã khảo sát màng kết hợp sericin từ kén tằm và nanocellulose chiết xuất từ lá sả. Đây là hướng nghiên cứu tiên tiến trong lĩnh vực công nghệ thực phẩm bền vững. Sericin là protein tự nhiên chiếm 25–30% trọng lượng kén tằm. Protein này có khả năng tạo màng, tạo gel và kháng oxy hóa tốt. Nanocellulose từ lá sả cung cấp cấu trúc sợi nano có diện tích bề mặt lớn, tăng cường độ bền cơ học cho màng. Sự kết hợp hai nguyên liệu sinh học này tạo ra vật liệu bao gói an toàn, thân thiện môi trường. Nghiên cứu đánh giá toàn diện các đặc tính vật lý, cơ học và chức năng của màng. Kết quả cung cấp dữ liệu khoa học quan trọng cho ngành bao bì thực phẩm Việt Nam. Đây là đóng góp thiết thực trong bối cảnh ô nhiễm nhựa đang là vấn đề toàn cầu cấp bách.

1.1. Nguồn gốc và đặc điểm của sericin từ kén tằm

Sericin là glycoprotein được tiết ra từ tuyến tơ của con tằm Bombyx mori. Protein này bao phủ lõi fibroin, chiếm khoảng 25–30% khối lượng kén khô. Sericin có ba biến thể chính: SER-1, SER-2 và SER-3, khác nhau về hàm lượng axit amin và trọng lượng phân tử. Thành phần axit amin chủ yếu gồm serine, aspartate và glycine. Sericin hòa tan trong nước nóng (α-sericin ở lớp ngoài) và không hòa tan (β-sericin ở lớp trong). Tính chất này ảnh hưởng trực tiếp đến quy trình chiết xuất và tạo màng.

1.2. Nanocellulose từ lá sả và tiềm năng ứng dụng

Lá sả (Cymbopogon citratus) là nguồn nguyên liệu cellulose dồi dào, sẵn có tại Việt Nam. Nanocellulose được thu nhận từ lá sả thông qua quy trình xử lý hóa học và cơ học. Vật liệu này có kích thước nano, diện tích bề mặt lớn và độ bền kéo cao. Khi phân tán vào nền màng polymer sinh học, nanocellulose đóng vai trò chất gia cường. Cấu trúc sợi nano tạo ra mạng lưới liên kết chặt chẽ, cải thiện tính chất cơ học và giảm tốc độ truyền ẩm của màng composite. Đây là hướng tận dụng phế phụ phẩm nông nghiệp có giá trị cao.

II. Phân tích đặc tính lý hóa của màng sericin nanocellulose lá sả

Nghiên cứu phân tích hệ thống các đặc tính lý hóa của màng composite sericin–nanocellulose. Các thí nghiệm được thiết kế tuần tự, kiểm soát từng biến số độc lập. Nhóm nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của bột rau câu, glycerol, nồng độ sericin và nanocellulose lên đặc tính màng. Độ dày màng dao động tùy theo tỷ lệ phối trộn nguyên liệu. Độ ẩm màng phản ánh khả năng giữ nước và ổn định cấu trúc trong điều kiện bảo quản. Độ trương nở cho thấy phản ứng của màng khi tiếp xúc với môi trường ẩm. Tốc độ truyền hơi nước (WVTR) là chỉ số quan trọng đánh giá khả năng rào cản ẩm của màng. Phổ FTIR xác định các nhóm chức đặc trưng, xác nhận sự hiện diện và tương tác giữa các thành phần trong màng. Thế Zeta và phân bố kích thước hạt của dịch sericin và nanocellulose được đo đạc trước khi tạo màng. Toàn bộ dữ liệu phân tích cung cấp nền tảng khoa học vững chắc cho việc tối ưu hóa công thức màng.

2.1. Đặc tính cơ học độ bền kéo và kháng đâm xuyên

Độ bền kéo (tensile strength) và độ giãn dài (elongation at break) là hai chỉ số cơ học cốt lõi của màng bao gói. Màng sericin–nanocellulose lá sả được kiểm tra theo tiêu chuẩn ASTM. Nanocellulose đóng vai trò cốt sợi, tăng cường mạng lưới polymer và cải thiện đáng kể độ bền kéo. Glycerol được sử dụng làm chất hóa dẻo, điều chỉnh độ mềm dẻo và độ giãn dài của màng. Chỉ số kháng đâm xuyên phản ánh khả năng chịu lực cục bộ, quan trọng trong bảo quản thực phẩm rắn như táo và nho. Tỷ lệ nanocellulose tối ưu mang lại cân bằng giữa độ cứng và độ dẻo của màng.

2.2. Đặc tính rào cản ẩm và hoạt tính kháng oxy hóa

Tốc độ truyền hơi nước (WVTR) thấp là yêu cầu thiết yếu cho màng bao gói thực phẩm. Cấu trúc nano của nanocellulose lá sả tạo hiệu ứng mê lộ (tortuous path), làm giảm WVTR hiệu quả. Sericin đóng góp hoạt tính kháng oxy hóa nhờ thành phần axit amin giàu nhóm hydroxyl. Khả năng chống oxy hóa của màng được đánh giá qua phương pháp DPPH. Màng có hoạt tính kháng oxy hóa giúp kéo dài thời hạn sử dụng thực phẩm, ức chế quá trình oxy hóa lipid và sắc tố. Đây là ưu điểm vượt trội so với màng bao gói tổng hợp thông thường.

III. Phương pháp chế tạo và tối ưu hóa màng sericin nanocellulose

Quy trình chế tạo màng được thực hiện theo hai giai đoạn chính: thu nhận nguyên liệu và tạo màng composite. Sericin được chiết xuất từ vỏ kén tằm bằng phương pháp thủy nhiệt ở 100°C trong 30 phút. Vỏ kén được cắt thành sợi nhỏ 1–2 mm trước khi ngâm trong nước cất 4 giờ để tăng hiệu quả chiết. Dịch sericin sau lọc được sử dụng trực tiếp làm nền màng. Nanocellulose được thu nhận từ lá sả qua các bước tẩy trắng, thủy phân axit và siêu âm. Công thức màng cơ bản gồm dịch sericin, bột rau câu, glycerol và nanocellulose lá sả. Bột rau câu đóng vai trò chất tạo cấu trúc nền. Glycerol điều chỉnh độ dẻo màng. Hàm lượng các thành phần được tối ưu hóa qua 6 thí nghiệm độc lập. Màng thành phẩm được đúc trên khuôn phẳng, sấy khô và bảo quản ở điều kiện kiểm soát. Quy trình đảm bảo tính tái lặp và độ đồng đều của sản phẩm.

3.1. Quy trình chiết xuất sericin từ kén tằm tại HCMUTE

Kén tằm tươi hoặc khô được làm sạch loại bỏ bụi bẩn và tạp chất. Nhộng bên trong được lấy ra trước khi xử lý. Vỏ kén cắt thành sợi 1–2 mm, ngâm nước cất 4 giờ để trương nở. Hỗn hợp được đun ở 100°C trong 30 phút để chiết protein sericin. Dịch chiết lọc qua vải lọc thu dịch sericin trong. Thế Zeta và kích thước hạt của dịch sericin được xác định bằng máy DLS. Dịch sericin đạt tiêu chuẩn được sử dụng ngay hoặc bảo quản lạnh để tạo màng. Quy trình đơn giản, chi phí thấp, phù hợp với điều kiện phòng thí nghiệm trong nước.

3.2. Thu nhận nanocellulose từ lá sả và phân tích đặc tính

Lá sả được sấy khô, nghiền nhỏ và xử lý loại lignin bằng dung dịch NaOH. Giai đoạn tẩy trắng loại bỏ hemicellulose và lignin còn lại. Thủy phân axit sulfuric tạo ra tinh thể cellulose nano. Siêu âm phá vỡ kết tập, tạo huyền phù nanocellulose ổn định. Kích thước hạt và thế Zeta xác nhận chất lượng nanocellulose. Phổ FTIR xác định nhóm chức đặc trưng của cellulose tinh khiết. Nanocellulose lá sả đạt kích thước nano mong muốn được phân tán đều vào dung dịch màng, đảm bảo phân bố đồng nhất trong cấu trúc màng cuối cùng.

IV. Kết quả ứng dụng màng sericin nanocellulose bảo quản táo và nho

Nghiên cứu đánh giá khả năng ứng dụng thực tế của màng qua thử nghiệm bảo quản táo và nho. Táo được theo dõi sự phát triển màu sắc theo thời gian bảo quản. Nho được đánh giá qua ảnh phân tích, đo màu và độ cứng quả. Màng sericin–nanocellulose lá sả tạo lớp rào cản hiệu quả, làm chậm quá trình hô hấp và thoát hơi nước của quả. Hoạt tính kháng oxy hóa của sericin ức chế phản ứng hóa nâu enzymatic trên bề mặt táo. Cấu trúc màng bám chắc, trong suốt và không ảnh hưởng đến cảm quan tự nhiên của quả. Kết quả thực nghiệm xác nhận màng có tiềm năng thay thế màng bọc thực phẩm từ nhựa tổng hợp. Đây là bước tiến quan trọng hướng đến nền kinh tế tuần hoàn trong ngành thực phẩm Việt Nam. Nghiên cứu mở ra triển vọng thương mại hóa với nguyên liệu sẵn có, quy trình đơn giản và chi phí hợp lý.

4.1. Hiệu quả bảo quản táo và nho bằng màng sinh học

Táo bao phủ bằng màng sericin–nanocellulose duy trì màu sắc tươi sáng lâu hơn đối chứng. Quá trình hóa nâu bề mặt bị ức chế đáng kể nhờ hoạt tính kháng oxy hóa của sericin. Nho bảo quản bằng màng giữ độ cứng quả tốt hơn, giảm hiện tượng teo nhăn và mất nước. Phép đo màu (colorimetry) ghi nhận chỉ số L*, a*, b* ổn định hơn trong nhóm có màng bao. Độ cứng quả đo bằng texture analyzer cho thấy màng làm chậm quá trình mềm hóa tế bào thực vật sau thu hoạch. Màng không để lại mùi lạ hoặc thay đổi hương vị tự nhiên của quả.

4.2. Triển vọng thương mại hóa và hướng nghiên cứu tiếp theo

Màng sericin–nanocellulose lá sả sử dụng 100% nguyên liệu sinh học, phân hủy hoàn toàn trong môi trường tự nhiên. Chi phí sản xuất có thể giảm thêm khi tối ưu hóa quy trình chiết xuất quy mô lớn. Hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm bổ sung tinh dầu sả hoặc chất kháng khuẩn tự nhiên để mở rộng phổ ứng dụng. Nghiên cứu tính an toàn thực phẩm và đánh giá vòng đời (LCA) là bước cần thiết trước khi thương mại hóa. Đây là nền tảng quan trọng để phát triển bao bì thực phẩm xanh, đáp ứng xu hướng tiêu dùng bền vững toàn cầu và tiêu chuẩn môi trường ngày càng nghiêm ngặt.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu. Chương 2: Tổng quan. 3 Chương 3: Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu. Chương 4: Kết quả và bàn luận.

Chương 5: Kết luận và kiến nghị. 4 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2. Tổng quan về màng phân hủy sinh học 2. Khái niệm Màng phân hủy sinh học là loại màng được sản xuất từ các polymer có khả năng phân hủy tự nhiên dưới tác động của vi sinh vật, nước, và các yếu tố môi trường khác.

Theo Vasanthi K, màng phân hủy sinh học thường được làm từ nguyên liệu như tinh bột, cellulose, protein thực vật, hoặc các polymer tổng hợp như axit polylactic và polyhydroxyalkanoates nên chúng không gây hại cho môi trường và có thể phân hủy thành các chất tự nhiên như nước, carbon dioxide (CO2). Đặc điểm Theo nghiên cứu của Vasanthi K, thì màng phân hủy sinh học bao gồm các nguyên liệu, quá trình phân hủy và một số tính năng (Vasanthi K, 2017) dưới đây: Nguyên liệu: đối với màng phân hủy sinh học thường được sản xuất từ các nguồn tài nguyên khác nhau, giúp giảm thiểu tác động đến môi trường so với các loại nhựa truyền thống. Quá trình phân hủy: màng này cũng có khả năng phân hủy thành các chất tự nhiên như nước, carbon dioxide. dưới tác động của vi sinh vật trong môi trường thích hợp.

Thời gian phân hủy có thể từ vài tuần đến vài tháng, tùy thuộc vào điều kiện của môi trường. Tính năng: màng phân hủy sinh học còn có các tính năng tương tự như màng nhựa truyền thống, bao gồm các khả năng chống thấm, độ bền cơ học và tính linh hoạt. Tuy nhiên, chúng vẫn có độ bền thấp hơn trong một số trường hợp nhất định. Ứng dụng Theo nghiên cứu của Vasanthi K, màng phân hủy sinh học được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong đó bao gồm đóng gói thực phẩm, sử dụng làm màng phủ cho cây trồng, túi đựng, đồ dùng một lần, các sản phẩm vệ sinh (Vasanthi K, 2017).

Lợi ích Bởi vì, ứng dụng của màng phân hủy sinh học rất da dạng nên lợi ích mà nó đem lại cũng rất nhiều. Theo nghiên cứu của Vasanthi K, thì việc sử dụng màng phân hủy sinh học giúp giảm lượng rác thải nhựa trong môi trường, góp phần bảo vệ hệ sinh thái, thân thiện với môi trường (màng phân hủy sinh học không để lại các chất độc hại sau khi phân hủy, giúp bảo vệ sức khỏe con người và động vật), về mặt kinh tế (màng phân hủy sinh học có thể giúp 5 giảm chi phí sản xuất và thu hoạch trong nông nghiệp, đồng thời tạo ra các sản phẩm phù hợp hơn) (Vasanthi K, 2017). Tổng quan về kén tằm Kén tằm là một chất liệu tự nhiên từ tơ tằm với cấu trúc không dệt, được tạo ra từ một sợi tơ liên tục có chiều dài trong khoảng 1000 - 1500 m. Tơ tằm là một loại sợi tự nhiên có bản chất là các protein được con tằm nhả ra trong quá trình kết kén làm tổ.

Protein tơ tằm chủ yếu bao gồm sericin và fibroin. Tơ tằm được hình thành từ sợi fibroin kép bên trong (chiếm 72 – 81 %), bên ngoài phủ một lớp sericin (chiếm 19 – 28 %). Fibroin có khối lượng phân tử cao (khoảng 200 - 350 kDa) là thành phần chính đảm nhận vai trò cơ tính của sợi tơ. Sự khác nhau giữa hai loại protein là về mặt cấu trúc tinh thể.

Fibroin bao gồm các axit amin lặp đi lặp lại, liên kết với nhau dọc theo chuỗi, tạo thành một lượng lớn các vi tinh thể ở dạng tấm, làm tăng tính bền chắc của tơ tằm (Chen và cộng sự, 2012). Kén tằm là một vật liệu cấu trúc sinh học, nó có cấu trúc phân cấp mà các nhà khoa học cho rằng đã được tối ưu hóa thông qua áp lực tiến hóa trong hàng triệu năm để cung cấp khả năng bảo vệ tối ưu cho nhộng tằm khi chúng biến đổi thành bướm đêm cũng giúp chúng đối mặt với nhiều mối đe dọa như tấn công vật lý từ động vật, chim hoặc côn trùng, hoặc các mối đe dọa tinh vi hơn như vi khuẩn hoặc đơn giản là các điều kiện môi trường khắc nghiệt (gió, mưa, tia cực tím,…). Các nhà sinh thái học cũng chỉ ra rằng kén tằm phát triển không chỉ để chống lại các mối đe dọa khác mà còn để điều hòa môi trường, giúp loại bỏ sự hấp thụ nước và điều chỉnh luồng khí như oxy và carbon dioxide cho nhộng trong quá trình phát phát triển của chúng (Padamwar, 2004). Kén tằm (Bombyx mori) là dạng sản phẩm kén tằm thuần hóa được nghiên cứu rộng rãi nhất.

mori có bề dày lớn và độ bền kém, nhưng lại có khả năng kéo tốt với cấu trúc lớp được phân chia rõ ràng theo hướng bề mặt với sự kết nối keo giữa các lớp. Một số nghiên cứu có chỉ ra rằng tơ tằm bao gồm nhiều protein kháng khuẩn, đặc biệt là đặc tính kháng khuẩn đối với Staphylococcus aureus và Escherichia coli, mặc dù 40 chất ức chế protease đã được xác định từ kén của tằm, chứng minh sự ức chế đối với trypsin và các protein của nấm khác (Chen và cộng sự, 2012). Tổng quan về sericin Sericin là một loại protein tự nhiên được chiết xuất từ tơ tằm, đặc biệt là từ kén của con tằm (Bombyx mori). Đây là một thành phần quan trọng trong cấu trúc của tơ tằm, bên cạnh fibroin, protein chính tạo nên độ bền và tính chất của tơ (Silva và cộng sự, 2022).

Thành phần và cấu trúc hóa học của sericin Sericin hòa tan trong nước ở nhiệt độ từ 50 °C trở lên (Kweon, H và cộng sự, 2000). Tuy nhiên, ở nhiệt độ thấp hơn thì độ hòa tan của sericin giảm dần. Do đó, quá trình chuyển đổi cuộn ngẫu nhiên thành các tấm β xảy ra, dẫn đến sự hình thành gel (Kunz, R.I và cộng sự, 2016). Sericin là một protein ưa nước được đặc trưng bởi hàm lượng cao các nhóm hydroxyl, nhóm carboxyl và các axit amin phân cực.

Trong khi serine chi phối hàm lượng axit amin sericin, thì có 17 axit amin khác. 17 axit amin trong sericin đó là alanine, arginine, axit aspartic, cysteine, axit glutamic, glycine, histidine, isoleucine, leucine, lysine, methionine, phenylalanine, proline, threonine, tryptophan, tyrosine và valine (Das, G và cộng sự, 2021). Cấu tạo axit amin phức tạp này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định các biến thể của sericin, cụ thể là SER- 1, SER-2 và SER-3. Mỗi biến thể của sericin được đặc trưng bởi hàm lượng axit amin độc đáo và trọng lượng phân tử thay đổi (Das, G và cộng sự, 2021).

Tính chất vật lý 2. Khả năng tạo gel Khả năng hòa tan của dịch sericin trong nước nóng tạo điều kiện thuận lợi cho việc chuyển đổi cấu trúc, do đó cho phép quá trình tạo gel. Tuy nhiên, việc chuyển đổi cấu trúc này ở nhiệt độ thấp (10 ⁰C, pH trong khoảng 6 - 7) sẽ giúp hỗ trợ tạo ra các mạng ba chiều và thúc đẩy sự hình thành gel sericin (Zhu và cộng sự, 1998). Việc chuyển đổi cấu trúc của dịch sericin khi mẫu được gia nhiệt ở 50 - 60 ⁰C.

Ngược lại, khả năng tạo gel của sericin cũng có thể xảy ra được thông qua liên kết ngang hóa học, chẳng hạn như sử dụng glutaraldehyde, dẫn đến việc tạo ra có cấu trúc ổn định (Padamwar và cộng sự, 2004). Độ hòa tan Sericin ở lớp ngoài của lớp vỏ kén hòa tan nhiều nhất trong nước nóng (α-sericin), trong khi sericin ở lớp bên trong của sợi không hòa tan trong nước nóng (β-sericin). Điều này chỉ ra rằng vị trí của sericin trong sợi tơ ảnh hưởng đến khả năng hòa tan trong nước (Mondal và cộng sự 2007). Việc bổ sung natri polyacrylat làm tăng khả năng hòa tan của sericin, nhưng việc bổ sung formaldehyde, polyacrylamide,.

làm giảm độ hòa tan của sericin (Zhu và cộng sự, 1995). Trọng lượng phân tử Kết quả phân tích điện di trên gel của sericin được chiết bằng nước nóng cho thấy trọng lượng phân tử là 24000 Da. Ngược lại, phương pháp sấy phun tạo ra sericin có trọng 7 lượng phân tử 5000 – 50000 Da và hoạt động của enzyme là 300 – 10000 Da và 50000 Da khi được chiết bằng nước urê ở 100 oC (Tsubouchi và cộng sự, 1999). Ứng dụng của sericin Vật liệu phân hủy sinh học: trộn sericin với các loại nhựa khác có thể mang lại hiệu quả thân thiện với môi trường như polyme phân hủy sinh học (Annamaria và cộng sự, 1998).

Màng polymer, bọt, nhựa đúc và sợi có chứa sericin (0.01 - 50% w/w) có thể được tạo ra bằng cách phản ứng giữa sericin với hỗn hợp bao gồm polyol, tolylene, di-isocyanet, di- butyltin dilaurate,. Bọt Polyurethane bao gồm sericin được cho là có đặc tính hấp thụ và giải hấp độ ẩm vượt trội (Aiba và cộng sự, 1995). Vật liệu màng: phân tách dựa trên màng (như thẩm thấu ngược, lọc máu, siêu lọc và vi lọc) được sử dụng trong nhiều quy trình khác nhau như nước khử muối, sản xuất nước siêu tinh khiết, lĩnh vực xử lý sinh học và quá trình của một số hóa chất. Bởi vì, sericin chứa một lượng đáng kể các axit amin có cực trung tính và nhóm chức nên việc tạo màng từ sericin tinh khiết không phải là điều dễ dàng.

Tuy nhiên, màng được tạo ra từ sericin đã được liên kết ngang, trộn hoặc đồng trùng hợp với các chất khác được thực hiện một cách dễ dàng. Màng chứa sericin có tính ưa nước cao và có chứa protein màng polymer tổng hợp để tách nước khỏi chất hữu cơ có thể được tạo ra bằng cách đồng trùng hợp acrylonitrile, được sử dụng để tạo ra một số polyme tổng hợp cùng với sericin (Zhou và cộng sự, 2008). Vật liệu chức năng sinh học: theo nghiên cứu của Nakajima và cộng sự, thì lớp sericin được đặt lên trên các tinh thể lỏng có thể định hướng đồng đều các phân tử của tinh thể lỏng và không bị biến dạng. Do đặc tính chống đóng băng nên màng phủ sericin được áp dụng cho bên ngoài của một số các thiết bị làm lạnh (Nakajima và cộng sự, 1994) 2.

Tổng quan về sả Sả có tên khoa học là Cymbopogon citratus (DC.) Stapf, thuộc họ Poaceae (họ Lúa). Ở mỗi vùng thì sả có thể được biết với nhiều tên khác nhau như: cỏ sả, lá sả hoặc hương mao. Chi sả (Cymbopogon), thường được biết đến với tên gọi lemongrass, bao gồm khoảng 55 loài khác nhau. Những loài này chủ yếu có nguồn gốc từ vùng nhiệt đới bao gồm các khu vực như Châu Phi, Nam Á, Đông Nam Á, Đông Á và Australia.

Trong số này, loài phổ biến nhất là Cymbopogon citratus, thường được gọi là sả ta. Loại sả này hiện nay phân bố rộng rãi ở các quốc gia Đông Á và Đông Nam Á. Tại Việt Nam, cây sả được trồng rộng khắp ở các vùng miền.