CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1. Tổng quan về công nghệ nano Công nghệ nano hay ‘nanotechnology’ là khoa học nghiên cứu về sự kiểm soát vật chất ở cấp độ nguyên tử và phân tử, sao cho vật liệu phải có ít nhất một chiều kích thước nằm trong khoảng từ 1 – 100 nanometers (C. Công nghệ nano được biết đến vào thế kỷ thứ IV Công nguyên, khi ấy người Roman đã biết cách phủ lớp nano kim loại trên vật liệu thủy tinh, với hiện vật là chiếc cốc thủy tinh được gọi tên ‘Lycurgus cup’ có chứa các hạt nano bạc và vàng, nó vẫn đang được lưu trữ tại viện bảo tàng Anh ở LonDon.
Nhờ sự hiện diện của nano kim loại mà màu sắc của chiếc cốc này thay đổi từ xanh lá đến đỏ ruby khi chiếu ánh sáng lên chiếc cốc, màu sắc cốc cũng thay đổi khi chứa các loại chất lỏng khác nhau (Charles P. Thời trung cổ và phục hưng, các thợ gốm sứ châu Âu cũng đã biết cách phủ các lớp nano kim loại lên bề mặt sản phẩm đồ gốm để tạo các ánh sắc nhiều màu khác nhau, song ở thời kì này các khái niệm về công nghệ nano vẫn chưa được hình thành (I. Năm 1959 giáo sư Norio Taniguchi đã đặt ra thuật ngữ công nghệ nano sau khi nhà vật lý học Richard Feynman trình bày ý tưởng và quan điểm về khoa học nano tại cuộc họp của Hiệp hội vật lý Mỹ tại Viện Công Nghệ California. Đến năm 1981, cùng với sự phát triển của kính hiển vi điện tử quét cho phép quan sát được từng nguyên tử, kỉ nguyên của công nghệ nano chính thức được khởi đầu (Nano.
Cho đến nay công nghệ nano vẫn được nghiên cứu và phát triển mạnh, đồng thời cũng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như kỹ thuật điện tử, y học, mỹ phẩm, sản xuất năng lượng, xử lí nước, sinh học, nông nghiệp,… và thực phẩm (Doyle, 2006). Đặc biệt trong lĩnh vực công nghệ thực phẩm, công nghệ nano được ứng dụng trong các bao bì thực phẩm, các thực phẩm chức năng. Kỹ thuật nano cũng được dùng trong nhiều quá trình sản xuất chế biến thực phẩm giúp cải thiện màu sắc, hương vị, kết cấu và khả năng hấp thu của sản phẩm (Abbas, 2009). Công nghệ nano đã và đang có những tác động đáng kể mang lại nhiều giải pháp mới cho khoa học, kỹ thuật hiện đại và nền kinh tế toàn cầu.
Theo thống kê doanh số của các sản phẩm bao bì và đồ uống sử dụng công nghệ nano đã tăng vọt từ 150 triệu USD năm 2002 lên 860 triệu USD vào năm 2004 (Fletcher, 2006). Không chỉ dừng lại ở đó, nghiên cứu về thị trường công nghệ nano của ENRICH tại Hoa Kì (tổ chức European Network of Research and Innovation Centers and Hubs) dự kiến các ứng dụng của công nghệ nano sẽ có tỷ lệ tăng 1 do an trưởng hằng năm (CAGR- Compound Annual Growth Rate) khoảng 17% giữa năm 2018 – 2025, ước lượng giá trị của công nghệ nano năm 2015 lên tới hơn 1 triệu USD và còn đang tăng lên. Đề tài: “Đặc tính hóa học và khả năng kháng E. aureus của nano đồng gắn trên màng PET sử dụng chất khử là NaH2PO2” cũng là một trong những nghiên cứu thuộc phạm vi công nghệ nano hứa hẹn nhiều khả năng ứng dụng và mang lại giá trị nhất định cho các sản phẩm thực phẩm trong tương lai.
Khái niệm công nghệ nano Công nghệ nano được Viện Công Nghệ Nano Quốc Gia Hoa Kỳ (National Nanotechnology Initiative – NNI) định nghĩa là sự hiểu biết và kiểm soát vật chất có cấu trúc với ít nhất một chiều không gian ở kích thước nằm giữa 1 – 100 nanometers (Chau, 2015). Tuy nhiên, một số nhà khoa học khác lại định nghĩa vật liệu nano ở một khoảng nghĩa rộng hơn. Cụ thể, Mohanraj et al. (2006) định nghĩa hạt nano là vật liệu có kích thước nằm trong khoảng từ 10 – 1000 nm.
Masuo et al. (2007) cũng định nghĩa hạt nano theo nghĩa hẹp là hạt có kích thước nhỏ hơn 10 – 20 nm, khi đó các tính chất vật lí và hoá học của vật liệu sẽ biến thiên một cách rõ rệt theo điều kiện môi trường. Theo lời tác giả trên, các loại vật liệu có 3 chiều không gian nằm trong khoảng từ 1 nm – 1 μm đều có thể được xem là vật liệu nano. Các định nghĩa trên là cơ sở để xác định bản chất của một vật liệu nano.
Tuy nhiên để xác định chính xác các thuộc tính của vật liệu nano, các yếu tố như hình dạng, năng lượng, diện tích bề mặt, tỉ lệ thể tích, chức năng và các tính chất vật lí hoặc hóa học khác cần phải được nghiên cứu. Trải qua nhiều thập kỷ cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, công nghệ nano cũng có nhiều định nghĩa khác tùy thuộc vào từng lĩnh vực ứng dụng. Phân loại vật liệu nano Dựa vào mục đích sử dụng, vật liệu nano có thể được chia thành vật liệu nano sử dụng trong đóng gói thực phẩm và vật liệu nano sử dụng trong sản xuất, xử lí thực phẩm (Kumar et al. Tuy nhiên, cách phân loại dựa vào đặc điểm cấu trúc không gian 3 chiều của vật liệu phổ biến hơn và rõ ràng hơn.
Vật liệu có tất cả chiều không gian nằm trong kích thước nano (0D) thường tồn tại dưới nhiều dạng như hạt nano tròn, hạt nano khối lập phương, hạt nano khối đa giác và một số cấu trúc phân nhánh phức tạp khác (RW, Siegel, 1993). Vật liệu có 2 chiều không gian nằm trong kích thước nano và 1 chiều không gian còn lại không thuộc kích thước nano (1D) thường tồn tại dưới dạng sợi (nanofibers), dạng nano ống (nanotubes) hoặc dạng nano hình que (nanorods). Sợi nano có thể được sản xuất bằng vật liệu vô cơ và nhiều loại polyme bao gồm nylon, polyurethane, polyolefin, polyethylene terephthalate, polycarbonate, polyvinyl alcohol, polylactic acid, polystyrene, polyamide. Chúng có thể được tạo thành một mạng lưới nhằm ứng dụng cho ngành công nghệ lọc nước thải (Brown et al.
Trong khi đó, nano dạng ống thường có dạng tinh thể hình trụ rỗng đặc biệt với các nguyên tử được tổ chức như hình ngũ giác, hình lục giác và/hoặc hình đa giác (Terrones et al. Vật liệu có 1 chiều không gian nằm trong kích thước nano và 2 chiều không gian còn lại không thuộc kích thước nano (2D) thường tồn tại dưới dạng nano dạng tấm (nanoplates) hoặc nano dạng mặt phẳng (nanosheet). Bề dày của các loại vật liệu trên có thể xấp xỉ trong khoảng vài lớp nguyên tử (Ohring, M., 2001) trong khi đó kích thước của 2 chiều không gian còn lại có thể dao động trong khoảng 70 – 150 nm đối với nano dạng tấm và xấp xỉ 600 nm đối với nano dạng mặt phẳng vô định hình (graphene nanoribbons) (Baringhaus et al. Trái ngược với tất cả loại vật liệu trên, vật liệu nano 3D không có chiều không gian nào nằm trong kích thước nano.
Về mặt bản chất, chúng là các dạng vật liệu nano 0D, 1D hoặc 2D kết hợp với một vật liệu có dạng ma trận (matrix) khác. Theo đó, dựa vào bản chất 3 do an của loại vật liệu ma trận, có thể chia chúng làm 2 thuật ngữ: vật liệu nano hỗn hợp (nanocomposites) và vật liệu nano cấu trúc (nanostructured). Vật liệu nano hỗn hợp được định nghĩa là hỗn hợp của nhiều pha rắn các vật liệu khác, với ít nhất 1 chiều không gian nằm trong kích thước nano (Camargo et al. Bản chất của vật liệu ma trận có thể là polymers, vật liệu gốm hoặc kim loại.
Riêng đối với nghiên cứu này, cấu trúc màng lọc PET – nano đồng cũng có thể được xem là 1 dạng vật liệu nano hỗn hợp. Một ví dụ khác về vật liệu nano hỗn hợp là xương, với các tinh thể nano canxi hydroxyapatite được phân tán trong một ma trận collagen. Đối với vật liệu nano cấu trúc (nanostructured), có thể hiểu dạng vật liệu này là sự kết hợp của nhiều dạng vật liệu nano khác dưới 1 kích thước nằm trong khoảng nano (Pawar et al. Các dạng cấu trúc nano kim loại kết hợp với chất bao polymers tạo thành hạt nano tròn hoặc hình đa giác cũng có thể được xem là vật liệu nano cấu trúc (Siegel, R.
Ứng dụng công nghệ nano trong thực phẩm trên thế giới và ở Việt Nam Các đặc tính và tính chất của vật liệu nano phụ thuộc vào cấu tạo nguyên tử, phân tử cấu thành chúng. Vì thế vật liệu nano có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt thời gian gần đây công nghệ nano cho thấy nhiều vai trò hữu hiệu trong lĩnh vực công nghệ thực phẩm. Công nghệ vi bao nano Gần đây, một số nghiên cứu đã sử dụng các phương pháp bao gói nano hay nanoencapsulation để bao bọc các hợp chất như hương, vị, khoáng chất, vitamins, thuốc kháng khuẩn, chất màu, chất chống oxi hóa, vi sinh vật và vi chất dinh dưỡng (Chen, 2006); (Hsieh, 2007). Công nghệ bao gói này giúp kiểm soát được các tương tác giữa các hợp chất này với điều kiện môi trường, kiểm soát được thời gian lưu hương vị trên sản phẩm.
Công nghệ nano trong quá trình xử lí, chế biến thực phẩm Một số thực phẩm có thể được bổ sung enzymes trong quá trình xử lí để biến đổi các thành phần làm tăng hương vị, giá trị dinh dưỡng, các hợp chất có lợi cho sức khỏe,… Việc sử dụng công nghệ nano giúp tăng hiệu suất làm việc của enzymes trên thực phẩm một cách vượt trội (tăng khả năng hoạt động, kéo dài thời gian sử dụng và giảm chi phí sử dụng enzymes), vì nó giúp enzymes phân tán rộng rãi trên bề mặt và qua các thành phần của thực phẩm (Yu, 2005). 4 do an Công nghệ cảm biến nano (nanosensors) Ngoài bao gói thực phẩm, việc bảo quản thực phẩm cũng cực kì quan trọng, vì thế một số nghiên cứu đã sử dụng nanosensors để phát hiện các sản phẩm thực phẩm bị hư hỏng. Nanosensors có thể là các vật liệu gồm hàng nghìn hạt nano được thiết kế phát ra huỳnh quang với màu sắc khác nhau khi tiếp xúc với mầm bệnh thực phẩm, các loại cảm biến nano,… (Sozer, 2009). Các vật liệu nano kháng khuẩn Vật liệu nano kháng khuẩn phổ biến là các hợp chất nano của kim loại như bạc, vàng, kẽm, đồng,… Các nghiên cứu về đề tài này có thể kể đến như: Đặc tính của hạt nano oxide đồng trong các ứng dụng kháng khuẩn (Guogang Ren, 2009), Khả năng chống vi sinh vật của nano kim loại và oxide kim loại (Kumar V., 2016), Khả năng kháng khuẩn của nano bạc kết hợp trên sợi poly vinyl alcohol (PVA) (Hong, 2006),… 5 do an 1.
Tổng quan về nano đồng 1.