Khóa luận điều chế màng hoạt tính pectin và mủ trôm chứa tinh dầu cam hương - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Nghiên cứu điều chế và khảo sát tính chất màng hoạt tính từ pectin kết hợp mủ trôm phối trộn tinh dầu cam hương nhằm đánh giá khả năng kháng nấm mốc và vi

• Tác giả: Nguyễn Thị Thùy Trang
• 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 Thực phẩm
• Đề tài: Điều chế và khảo sát tính chất của màng hoạt tính trên nền pectin và mủ trôm chứa tinh dầu cam hương Bergamot (Citrus bergamia)
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan màng hoạt tính pectin và mủ trôm chứa tinh dầu cam hương

Xu hướng bao bì xanh đang thay đổi ngành công nghiệp thực phẩm. Màng sinh học từ các nguồn polyme tự nhiên nhận được sự quan tâm lớn. Nghiên cứu tập trung phát triển màng composite phân hủy sinh học an toàn. Pectin là polysaccharide dồi dào từ phụ phẩm nông nghiệp. Polysaccharide này tạo gel tốt nhưng có độ bền cơ học hạn chế. Mủ trôm là nguồn polymer sinh học bản địa giàu tiềm năng. Cấu trúc của mủ trôm chứa nhiều nhóm ưa nước và tạo mạng lưới bền vững. Sự kết hợp giữa pectin và mủ trôm tạo ra nền polymer hydrogel đồng nhất. Nền vật liệu này cải thiện cơ tính và độ dẻo dai. Tinh dầu cam hương đóng vai trò là tác nhân sinh học chủ động. Tinh dầu phân tán đều trong mạng lưới polysaccharide nhờ chất hoạt động bề mặt. Màng composite thu được sở hữu độ trong suốt và bề mặt láng mịn. Các hợp chất bay hơi trong tinh dầu được giữ lại hiệu quả. Vật liệu này mở ra hướng đi mới cho ngành đóng gói hiện đại. Màng hoạt tính vừa bảo vệ thực phẩm vừa thân thiện với môi trường tự nhiên.

1.1. Khái niệm và tiềm năng của màng bao sinh học

Màng bao sinh học là cấu trúc mỏng chế tạo từ vật liệu tự nhiên. Polysaccharide và protein đóng vai trò chất tạo màng cơ bản. Màng có khả năng ăn được hoặc phân hủy sinh học trong đất. Sự gia tăng rác thải nhựa thúc đẩy giải pháp này phát triển. Vật liệu sinh học có nguồn gốc tái tạo và trữ lượng dồi dào. Chúng thay thế nhựa tổng hợp gốc dầu mỏ độc hại. Khả năng kiểm soát trao đổi khí của màng sinh học rất tốt. Màng hạn chế tiếp xúc trực tiếp giữa thực phẩm và oxy bên ngoài. Quá trình hô hấp của nông sản tươi giảm đi đáng kể. Nhờ đó, chất lượng sản phẩm được duy trì ổn định qua thời gian. Màng phân hủy hoàn toàn không để lại dư lượng độc hại.

1.2. Vai trò của tinh dầu cam hương trong màng hoạt tính

Tinh dầu cam hương bergamot chiết xuất từ vỏ quả Citrus bergamia. Hợp chất chứa các thành phần bay hơi giàu hoạt tính sinh học. Hai thành phần chính gồm limonene và linalyl acetate. Những phân tử này có khả năng kháng khuẩn tự nhiên rất mạnh. Tinh dầu ức chế sự sinh sôi của nấm men và nấm mốc gây thối rữa. Việc đưa tinh dầu vào màng polymer chuyển màng thụ động thành màng chủ động. Hợp chất kháng khuẩn khuếch tán chậm rãi lên bề mặt thực phẩm. Cơ chế phóng thích có kiểm soát ngăn ngừa vi khuẩn tái nhiễm. Tinh dầu còn đóng vai trò như chất chống oxy hóa tự nhiên. Quá trình ôi thiu lipid trong thực phẩm nhiều chất béo bị kìm hãm. Tinh dầu bergamot nâng cao giá trị thương phẩm cho bao bì sinh học.

II. Hạn chế của màng pectin và mủ trôm khi thiếu tinh dầu hoạt tính

Màng bao sinh học truyền thống đối mặt với nhiều rào cản kỹ thuật. Nhược điểm lớn nhất là tính ưa nước cao của polysaccharide. Pectin và mủ trôm đều chứa lượng lớn nhóm hydroxyl tự do. Các nhóm phân cực này dễ dàng liên kết với phân tử nước xung quanh. Khi tiếp xúc môi trường ẩm, màng nhanh chóng bị trương nở. Khả năng cản hơi nước của màng pectin đơn thuần rất kém. Màng dễ bị rách và suy giảm độ bền kéo khi hút ẩm. Ngoài ra, vật liệu polysaccharide tinh khiết hoàn toàn thiếu tính kháng khuẩn. Màng chỉ đóng vai trò che chắn cơ học thụ động. Vi khuẩn gây bệnh như Escherichia coli vẫn có thể phát triển trên bề mặt thực phẩm. Nấm mốc Colletotrichum gloeosporioides dễ dàng làm hỏng cấu trúc quả tươi. Thực phẩm bảo quản bằng màng thụ động vẫn có nguy cơ thối rữa cao. Nhu cầu bổ sung hoạt chất tự nhiên kháng vi sinh vật trở nên cấp thiết. Vấn đề tương thích pha giữa dầu và nước cũng là một thách thức lớn. Tinh dầu kỵ nước cần phân tán đều mà không gây tách lớp màng.

2.1. Nguy cơ lây nhiễm vi sinh vật trên thực phẩm tươi

Thực phẩm sau thu hoạch chịu sự tấn công mạnh từ vi sinh vật. Vi khuẩn Escherichia coli gây nhiễm độc đường tiêu hóa nghiêm trọng. Chủng vi khuẩn này xâm nhập nhanh vào các loại thịt và rau quả. Bên cạnh vi khuẩn, nấm mốc Colletotrichum gloeosporioides là tác nhân gây bệnh thán thư phổ biến. Bệnh làm hư hỏng mô trái cây và gây sụt giảm năng suất thu hoạch. Bao bì thông thường không tiêu diệt được mầm bệnh tiềm ẩn này. Bào tử nấm mốc vẫn phát triển mạnh trong điều kiện yếm khí. Quá trình hư hỏng sinh học diễn ra nhanh chóng, gây lãng phí kinh tế lớn. Màng bao bì thụ động hoàn toàn bất lực trước sự nhân lên của vi khuẩn. Ngành thực phẩm đòi hỏi bao bì có cơ chế kháng khuẩn chủ động.

2.2. Nhược điểm về độ hút ẩm và độ bền cơ lý của màng tự nhiên

Độ bền cơ học quyết định khả năng ứng dụng thực tế của màng bao. Polysaccharide tự nhiên thường giòn gãy khi khô ráo. Độ ẩm cao lại khiến màng bị nhão và biến dạng. Màng pectin đơn lẻ có độ bền kéo thấp, dễ rách khi chịu lực. Mủ trôm thô có độ nhớt quá cao, gây khó khăn cho việc dàn màng phẳng. Cấu trúc gel chưa tinh chế tạo nên bề mặt sần sùi và kém thẩm mỹ. Khả năng cản trở truyền hơi nước của polyme tự nhiên còn nhiều hạn chế. Hơi nước dễ xuyên qua màng làm thực phẩm mất nước nhanh chóng. Quá trình thoát ẩm khiến quả tươi teo tóp và giảm giá trị thương mại. Giải pháp cải biến hóa học và bổ sung chất dẻo hóa là rất cần thiết.

III. Phương pháp điều chế màng hoạt tính pectin và mủ trôm tinh dầu

Quy trình chế tạo màng hoạt tính bao gồm các công đoạn khoa học chính xác. Bước khởi đầu là thủy phân mủ trôm thô trong môi trường kiềm NaOH loãng. Quá trình này cắt mạch phân tử, làm giảm độ nhớt và tăng độ hòa tan của mủ trôm. Dung dịch mủ trôm sau đó được trung hòa về độ pH ổn định. Tiếp theo, dung dịch pectin nồng độ xác định được phối trộn vào hệ thống. Tỷ lệ tối ưu giữa mủ trôm và pectin tạo liên kết hydro bền chặt. Glycerol được bổ sung vào hỗn hợp với vai trò chất dẻo hóa linh hoạt. Phụ gia này chèn vào giữa các chuỗi polymer, giúp màng bớt giòn và tăng độ giãn dài. Tinh dầu cam hương bergamot được đưa vào hệ dịch bằng kỹ thuật nhũ hóa hiện đại. Chất hoạt động bề mặt Tween 80 đóng vai trò phân tán đều các giọt tinh dầu kỵ nước. Máy đồng hóa phân cắt các hạt tinh dầu về kích thước siêu nhỏ. Hỗn hợp dung dịch đồng nhất được khử bọt khí chân không hoàn toàn trước khi đổ màng. Dung dịch được trải đều trên khuôn phẳng và sấy ở nhiệt độ kiểm soát. Màng tạo thành có cấu trúc dẻo dai, bề mặt nhẵn bóng và phân bố tinh dầu đồng nhất.

3.1. Kỹ thuật thủy phân mủ trôm và phối trộn pectin

Thủy phân kiềm là giải pháp hiệu quả xử lý mủ trôm nguyên liệu. Dung dịch natri hydroxide loãng phá vỡ một phần mạch nhánh phức tạp. Độ nhớt dung dịch giảm xuống mức thích hợp cho quá trình dàn màng đồng đều. Hỗn hợp mủ trôm thủy phân được trung hòa cẩn thận bằng axit clohydric loãng. Polyme thu được sau đó kết hợp với dung dịch pectin tinh khiết. Liên kết hydro liên phân tử hình thành giữa các nhóm hydroxyl và carboxyl của hai chất. Tỷ lệ phối trộn cân đối giúp hệ hydrogel đạt cấu trúc mạng lưới ổn định nhất. Thể nhũ tương tạo thành có độ nhớt vừa phải, không vón cục và dễ tạo hình. Quá trình này giúp nâng cao độ đồng nhất quang học và cơ học của màng thành phẩm.

3.2. Phương pháp nhũ hóa và phân tán tinh dầu cam hương

Nhũ hóa tinh dầu bergamot đòi hỏi sự hỗ trợ của chất nhũ hóa Tween 80. Tween 80 làm giảm sức căng bề mặt giữa pha dầu và dung dịch nước. Quá trình khuấy đảo cơ học với tốc độ cao phân chia tinh dầu thành các giọt siêu nhỏ. Máy đồng hóa giúp hệ nhũ tương đạt trạng thái phân tán đồng thể và bền vững. Nhờ đó, tinh dầu không bị nổi lên bề mặt trong suốt thời gian sấy khô màng. Nồng độ tinh dầu được khảo sát để đạt hiệu quả kháng khuẩn tối ưu nhất. Mức nồng độ phù hợp không làm suy giảm độ bền cơ học của vật liệu. Phổ hồng ngoại FTIR chứng minh sự liên kết hài hòa giữa các nhóm chức hóa học. Tinh dầu phân bố đều trong mạng lưới màng, sẵn sàng giải phóng chậm khi sử dụng.

IV. Hiệu quả ứng dụng màng hoạt tính pectin và mủ trôm trong thực tế

Kết quả nghiên cứu khẳng định tiềm năng ứng dụng thực tế vượt trội của vật liệu. Màng hoạt tính pectin và mủ trôm chứa tinh dầu cam hương thể hiện hoạt tính sinh học mạnh. Khả năng kháng nấm mốc Colletotrichum gloeosporioides đạt mức ấn tượng qua các thử nghiệm. Vòng ức chế vi sinh vật mở rộng rõ rệt khi tăng tỷ lệ tinh dầu bergamot. Màng cũng thể hiện hoạt tính ức chế mạnh đối với vi khuẩn gram âm Escherichia coli. Cấu trúc tinh thể và liên kết hydro bền chặt giúp cải thiện độ bền kéo. Độ giãn dài của màng đáp ứng tốt yêu cầu gia công bao bì thực phẩm linh hoạt. Khả năng cản trở hơi ẩm tăng lên đáng kể nhờ các giọt dầu kỵ nước. Khi bọc nông sản, màng làm chậm quá trình hô hấp và mất nước của quả tươi. Màu sắc và hàm lượng vitamin của thực phẩm được lưu giữ dài ngày. Vật liệu tự phân hủy sinh học trong đất mà không gây ô nhiễm thứ cấp. Đây là giải pháp bao bì xanh đầy tiềm năng thay thế túi nylon công nghiệp. Doanh nghiệp thực phẩm có thể ứng dụng trực tiếp nhằm nâng cao giá trị chuỗi cung ứng.

4.1. Hiệu quả kháng vi sinh vật và bảo quản nông sản

Màng hoạt tính tạo lớp khiên bảo vệ vững chắc cho nông sản tươi sau thu hoạch. Tinh dầu giải phóng từ từ giúp tiêu diệt bào tử nấm mốc gây thán thư trên vỏ quả. Sự xâm nhiễm của vi khuẩn đường ruột nguy hại cũng bị ngăn chặn triệt để. Màng làm giảm tốc độ tiêu thụ oxy và làm chậm sự chín sớm của trái cây. Nhờ tính thấm hơi nước tối ưu, màng hạn chế đọng sương bề mặt. Hiện tượng úng nước hay thối nhũn thường gặp trong túi bọc kín được triệt tiêu. Quả duy trì độ tươi giòn tự nhiên và giữ được độ căng mọng lâu hơn. Thời gian bảo quản thương phẩm kéo dài thêm từ bảy đến mười ngày. Chất lượng nông sản xuất khẩu nhờ đó được đảm bảo an toàn tối đa.

4.2. Triển vọng thương mại hóa và phát triển bền vững

Công nghệ chế tạo màng từ mủ trôm và pectin mở ra xu hướng kinh tế tuần hoàn. Nguồn nguyên liệu mủ trôm nội địa rất dồi dào với chi phí hợp lý. Phụ phẩm vỏ quả dùng trích ly pectin cũng rất phong phú. Việc tận dụng nguồn sinh khối bản địa giúp giảm phụ thuộc hạt nhựa nhập khẩu. Quá trình tạo màng không dùng dung môi hữu cơ độc hại. Bao bì sau khi loại bỏ tự tiêu biến trong đất chỉ sau vài tháng. Vật liệu phân hủy hoàn toàn thành mùn hữu cơ, không sinh hạt vi nhựa. Giải pháp này đáp ứng các tiêu chuẩn khắt khe về bảo vệ môi trường toàn cầu. Màng hoạt tính sinh học hứa hẹn thay đổi tương lai ngành đóng gói nông sản.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Chương 2. TỔNG QUAN Chương 3. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Chương 4. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN Chương 5.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5 CHƯƠNG 2. Tổng quan về hydrogels 2. Định nghĩa hydrogel Hydrogel là các mạng polymer có thể hấp thụ và giữ nước trong mạng lưới ba chiều của chúng (Ahmed 2015). Hydrogel nhạy cảm với các kích thích môi trường khác nhau như pH, nhiệt độ, ion, tín hiệu điện, ánh sáng, áp suất, đặc hiệu kháng nguyên, độ nhạy enzyme và nồng độ glucose (K.

Ramteke và cộng sự, 2012). Các polymer này ưa nước, liên kết ngang với nhau và không hòa tan trong nước. Các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều loại hydrogel khác nhau có nguồn gốc từ tự nhiên hoặc tổng hợp cũng như từ các dẫn xuất và hỗn hợp của chúng để đáp ứng các nhu cầu cụ thể trong các lĩnh vực như kỹ thuật mô (J.D, Tang và cộng sự, 2019), phân phối thuốc (W. Liu và cộng sự, 2019) và xử lý nước thải (S.

Kalia và cộng sự, 2016; R. Barbucci và cộng sự, 2010; V. Sinha và cộng sự, 2019). Những hydrogel ưa nước này có độ mềm gần giống với đặc tính cơ học của mô động vật vì vậy chúng có triển vọng đặc biệt cho các ứng dụng trong y học tái tạo (B.

Slaughter và cộng sự, 2009). Hơn nữa, hydrogel đã được sử dụng dưới nhiều hình thức khác nhau như bộ khung (I. El- Sherbiny và cộng sự, 2013; C. Spicer và cộng sự, 2019), hydrogel tiêm (K.

Liang và cộng sự, 2019), nanogel (J. Kousalová và cộng sự, 2018), microgel và microspheres (được sử dụng để đóng gói tế bào hoặc tác nhân trị liệu) (I. Bjørge và cộng sự, 2018), sợi nano (Y. Wakuda và cộng sự, 2018) và dạng màng mỏng được gọi là màng hydrogel.

Màng hoạt động như rào cản cho phép chọn lọc các thành phần nhất định đi qua trong khi cản trở những thành phần khác. Quá trình quan trọng này chủ yếu xoay quanh kích thước của lỗ rỗng và tính chất vật liệu được sử dụng để tạo nên màng. Màng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như xử lý nước và nước thải, tách khí, công nghiệp thực phẩm và đồ uống, cũng như các ứng dụng y tế và dược phẩm. Hơn nữa, màng hydrogel cho thấy tiềm năng lớn trong các lĩnh vực như phát triển lớp phủ chống bẩn/kháng khuẩn, đóng vai trò là chất nền nuôi cấy tế bào và tạo điều kiện thuận lợi cho các ứng dụng băng bó vết thương.

Phân loại hydrogel · Phân loại dựa theo nguồn gốc nguyên liệu Hydrogel có thể được phân loại thành hai nhóm dựa trên nguồn gốc tự nhiên hoặc tổng hợp (Zhao và cộng sự, 2013). 6 + Hydrogel tự nhiên có khả năng phân hủy sinh học, tương thích sinh học và đặc dính bám dính tế bào tốt. + Hydrogel tổng hợp hữu ích hơn so với hydrogels tự nhiên vì có tính chất cơ học và hóa học tốt hơn. + Hydrogel lai là sự kết hợp giữa các ưu điểm của hydrogel tổng hợp và tự nhiên, nhiều polymer sinh học tự nhiên như dextran, collagen, chitosan được kết hợp với các polymer tổng hợp như poly (N – isopropylacrylamide) và polyvinyl alcohol.

· Phân loại dựa theo phương pháp tổng hợp polymer Dựa vào kỹ thuật tổng hợp hydrogels có thể phân thành nhiều loại: + Homopolymeric hydrogel (Hydrogels đồng nhất): mạng polymer có nguồn gốc từ một loại monomer duy nhất, là đơn vị cấu trúc cơ bản bao gồm bất kỳ mạng polymer nào (Takashi và cộng sự, 2007). Homopolymers có thể có bộ khung liên kết ngang phụ thuộc vào bản chất của monomer và phương pháp trùng hợp. Những hydrogels này nhạy cảm với pH và nhiệt độ, được đặc trưng cho ứng dụng phân phối thuốc (Shailesh Kumar Singh và cộng sự, 2017).