Đồ án màng kháng khuẩn và chỉ thị pH nền Pectin - CMC - ĐH SPKT TPHCM

Đồ án HCMUTE nghiên cứu chế tạo màng kháng khuẩn và chỉ thị pH từ nền pectin carboxymethyl cellulose ứng dụng trong bao bì bảo quản thực phẩm thông minh.

• Tác giả: Phạm Quốc Bảo
• 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: Màng kháng khuẩn và chỉ thị pH trên nền Pectin - Carboxymethyl Cellulose
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về màng kháng khuẩn và chỉ thị pH dựa trên nền pectin

Pectin là polysaccharide tự nhiên có nguồn gốc từ thành tế bào thực vật, được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thực phẩm nhờ đặc tính gel hóa. Carboxymethyl cellulose (CMC) là dẫn xuất cellulose có khả năng hòa tan trong nước, kết hợp với pectin tạo thành vật liệu sinh học linh hoạt. Màng kháng khuẩn dựa trên nền pectin-CMC kết hợp với các hợp chất hoạt tính sinh học như anthocyanin có thể phát hiện sự thay đổi pH và ức chế vi sinh vật. Anthocyanin là sắc tố tự nhiên trong hoa quả, có khả năng thay đổi màu sắc theo pH môi trường, từ đỏ (pH thấp) sang tím/xanh (pH trung tính) và không màu (pH kiềm). Sự kết hợp này tạo ra vật liệu thông minh ứng dụng trong bao bì thực phẩm, y tế và nông nghiệp.

1.1. Đặc điểm cấu trúc của pectin và carboxymethyl cellulose

Pectin là polysaccharide mạch thẳng chứa chủ yếu acid galacturonic, hình thành gel trong điều kiện acid và có ion Ca2+. Cấu trúc pectin quyết định độ bền cơ học và khả năng phân hủy sinh học của màng. Carboxymethyl cellulose (CMC) có nhóm carboxyl (-COOH) gắn vào mạch cellulose, tăng khả năng giữ nước và tương tác ion. Sự kết hợp pectin-CMC tạo thành mạng lưới polymer liên kết chéo, cải thiện độ ổn định cơ học và khả năng hấp thụ nước. Tỷ lệ phối trộn pectin:CMC ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất cơ lý của màng, như độ dày, độ bền kéo và khả năng phân hủy.

1.2. Cơ chế hoạt động của anthocyanin trong màng chỉ thị pH

Anthocyanin tồn tại dưới 4 dạng cân bằng ở các giá trị pH khác nhau: cation flavylium (màu đỏ, pH < 2), base quinonoidal (màu tím/xanh, pH 4-6), carbinol (không màu, pH 5-7) và chalcone (vàng nhạt, pH > 7). Tại pH acid, anthocyanin hấp thụ mạnh ánh sáng ở bước sóng 520 nm, tạo màu đỏ đặc trưng. Khi pH tăng, cấu trúc phân tử thay đổi dẫn đến mất màu. Cơ chế này cho phép màng phát hiện sự biến đổi pH môi trường, cảnh báo tình trạng hư hỏng thực phẩm hoặc nhiễm khuẩn.

II. Vấn đề nghiên cứu trong phát triển màng kháng khuẩn chỉ thị pH

Màng kháng khuẩn chỉ thị pH dựa trên nền pectin-CMC đối mặt với thách thức về độ bền cơ học kém khi tiếp xúc với độ ẩm cao. Khả năng chống thấm oxy và hơi nước của màng chưa đáp ứng yêu cầu bảo quản thực phẩm lâu dài. Ngoài ra, anthocyanin dễ bị phân hủy dưới tác động của ánh sáng, nhiệt độ và enzyme, dẫn đến mất chức năng chỉ thị. Sự tương tác giữa anthocyanin và hệ polymer pectin-CMC cũng ảnh hưởng đến hiệu quả kháng khuẩn của màng. Các nghiên cứu trước đây chưa giải quyết triệt để vấn đề cân bằng giữa độ bền vật liệu, khả năng chỉ thị pH và hoạt tính kháng khuẩn.

2.1. Hạn chế của vật liệu pectin CMC trong môi trường ẩm

Pectin-CMC hấp thụ nước mạnh, dẫn đến giảm độ bền kéo và tăng độ dày màng. Trong môi trường ẩm ướt, màng dễ bị biến dạng, mất khả năng bảo vệ thực phẩm. Cơ chế hấp thụ nước của pectin liên quan đến sự hydrat hóa nhóm carboxyl trong CMC, tạo thành gel mềm. Điều này gây khó khăn trong việc duy trì cấu trúc màng khi ứng dụng trong bao bì thực phẩm tươi sống. Cần bổ sung các chất chống thấm hoặc xử lý hóa học để cải thiện độ ổn định kích thước.

2.2. Độ ổn định của anthocyanin trong quá trình sản xuất màng

Anthocyanin dễ bị oxy hóa và phân hủy nhiệt trong quá trình sấy màng hoặc ép nhiệt. Ánh sáng UV thúc đẩy quá trình phân hủy, làm giảm hiệu quả chỉ thị pH. Các nghiên cứu chỉ ra rằng anthocyanin từ lá cẩm hoặc hoa đậu biếc có độ ổn định cao hơn so với các nguồn khác. Tuy nhiên, việc bảo quản dịch chiết anthocyanin ở nhiệt độ thấp (-20°C) và sử dụng chất chống oxy hóa như axit ascorbic có thể kéo dài tuổi thọ. Cần tối ưu hóa quy trình sản xuất để duy trì hoạt tính sinh học của anthocyanin.

III. Phương pháp nghiên cứu chế tạo màng kháng khuẩn chỉ thị pH

Nghiên cứu sử dụng phương pháp trích ly anthocyanin từ lá cẩm bằng dung môi nước ở 50°C trong 60 phút, sau đó phối trộn với dung dịch pectin-CMC theo tỷ lệ tối ưu. Dung dịch polymer được đổ khuôn và sấy khô ở 40°C để tạo màng. Khả năng kháng khuẩn được đánh giá thông qua phương pháp khuếch tán đĩa, sử dụng vi khuẩn E. coli và S. aureus. Chỉ thị pH được xác định bằng phương pháp đo độ hấp thụ quang phổ ở bước sóng 520 nm tại pH 1,0 và 4,5. Độ bền cơ học được đo bằng máy đo lực kéo, khả năng phân hủy sinh học được đánh giá trong môi trường đất.

3.1. Quy trình chiết xuất và tinh chế anthocyanin

Lá cẩm được sấy khô ở 50°C trong 24 giờ, nghiền thành bột. Bột lá cẩm (1g) được trích ly với 100 mL nước cất ở 50°C trong 60 phút, sử dụng bể điều nhiệt để duy trì nhiệt độ. Dịch chiết được lọc qua giấy lọc Whatman, bảo quản trong lọ tối màu ở 4°C. Hàm lượng anthocyanin được xác định bằng phương pháp pH vi sai, so sánh với cyanidin-3-glucoside. Dịch chiết sau tinh chế có màu tím đỏ, ổn định trong 1 tháng khi bảo quản lạnh.

3.2. Kỹ thuật phối trộn và tạo màng pectin CMC

Dung dịch pectin (2% w/v) và CMC (1% w/v) được hòa tan trong nước cất ở 70°C. Anthocyanin chiết xuất được bổ sung vào dung dịch polymer theo tỷ lệ 1:5 (v/v). Dung dịch hỗn hợp được đổ vào khuôn silicon, sấy khô ở 40°C trong 24 giờ. Độ dày màng đo bằng micrometer, dao động từ 0,1-0,3 mm. Màng sau khi tạo có màu tím nhạt, khả năng hấp thụ nước 20-30% sau 24 giờ ngâm trong nước.

IV. Kết quả ứng dụng và triển vọng của màng kháng khuẩn chỉ thị pH

Màng kháng khuẩn chỉ thị pH từ pectin-CMC- anthocyanin thể hiện khả năng ức chế E. coli (đường kính vòng vô khuẩn 12 mm) và S. aureus (10 mm). Màng chuyển màu từ đỏ sang tím khi pH tăng từ 2 lên 7, cho phép phát hiện nhanh tình trạng hư hỏng thực phẩm. Độ bền kéo đạt 45 MPa, thấp hơn so với màng thương mại (60 MPa), nhưng có thể cải thiện bằng cách bổ sung nano cellulose. Khả năng phân hủy sinh học đạt 85% sau 30 ngày trong đất. Kết quả cho thấy tiềm năng ứng dụng trong bao bì thực phẩm thông minh, y tế và nông nghiệp.

4.1. Hiệu quả kháng khuẩn và chỉ thị pH trong điều kiện thực tế

Màng được ứng dụng thử nghiệm trên thịt heo tươi trong 7 ngày. Ở ngày thứ 3, màng chuyển sang màu tím nhạt (pH ~6), báo hiệu sự phát triển vi khuẩn. Sau 7 ngày, vi sinh vật tăng 2 log CFU/g, nhưng màng vẫn giữ nguyên chức năng chỉ thị. Kết quả tương tự ghi nhận trên cá hồi, chứng tỏ khả năng ứng dụng rộng rãi. Độ chính xác của chỉ thị pH đạt 92% so với phương pháp đo pH truyền thống.

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

Màng pectin-CMC- anthocyanin có chi phí sản xuất thấp (5-7 USD/m²) so với bao bì nhựa truyền thống. Tuy nhiên, cần nghiên cứu cải thiện độ bền cơ học và khả năng chống thấm để mở rộng ứng dụng. Việc tích hợp các hợp chất kháng khuẩn tự nhiên như chitosan hoặc tinh dầu có thể nâng cao hiệu quả. Ngoài ra, phát triển màng đa chức năng kết hợp chỉ thị pH, kháng khuẩn và cảm biến nhiệt độ sẽ tạo ra sản phẩm đột phá trong ngành bao bì thực phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Trong những năm gần đây, mối quan tâm về môi trường và sự thay đổi về sở thích của người tiêu dùng đối với các dòng bao bì thực phẩm đã tạo nên một số nghiên cứu sâu rộng về phát triển bao bì sinh học an toàn với con người nói riêng cũng như môi trường nói chung. Bao bì sinh học hiện nay được tạo thành từ hơn 20 loại vật liệu được đánh giá là an toàn thân thiện với môi trường. Trong nghiên cứu này chúng tôi chọn Pectin và CMC làm vật liệu để nghiên cứu màng bao thông minh. Mục tiêu nghiên cứu Trong nghiên cứu này chúng tôi kỳ vọng tạo ra màng bao thông minh có tính kháng khuẩn và chỉ thị pH để ứng dụng trong bảo quản thực phẩm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Lĩnh vực hóa học thực phẩm. - Lĩnh vực bao bì thực phẩm. Nội dung nghiên cứu - Lựa chọn dịch chiết phù hợp cho nghiên cứu - Khảo sát sự ảnh hưởng của pH đến anthocyanin và điều kiện bảo quản độ bền màu của dịch chiết. - Định hướng tính vật liệu cao nhất cho màng.

- Khảo sát sự ảnh hưởng của dịch chiết ở từng nồng độ khác nhau khi bổ sung vào màng Pectin-Carboxymethy Cellulose. - Nghiên cứu đặc tính của màng đã bổ sung dịch chiết. - Khảo sát sự thay đổi của thực phẩm lên màng. - Đánh giá khả năng kháng vi sinh vật.

1 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2. Khái quát về lá cẩm: Lá cẩm là loại cây thân thảo thuộc họ Acanthaceae có tên khoa học là (Peristrophe Bivalvis L.) mọc ở những vùng khí hậu mát ẩm, được trồng phổ biến ở các tỉnh Mường Khương, Lào Cai, Mộc Châu, Sơn La và Thái Nguyên của Việt Nam (Luu và cộng sự, 2006). Lá cẩm được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực mà trong đó phải kể đến là dịch chiết lá cẩm được sử dụng trong công nghệ dược phẩm và thực phẩm. Chúng được phân loại dựa trên màu sắc của dịch chiết của lá, chúng được chia thành bốn dạng đó là đỏ, tím, đỏ tím và vàng (Chi, 1999); (Trinh và cộng sự, 2003).

Đã có rất nhiều nghiên cứu về sự đổi màu của anthocyanin ở các giá trị pH khác nhau để làm chất chỉ thị như “Ứng dụng để sản xuất giấy chỉ thị phát hiện nhanh hàn the trong thực phẩm” (Nguyen và cộng sự, 2012), “Nghiên cứu tạo giấy chỉ thị từ anthocyanin chiết xuất từ rau dền đỏ”(Nguyen & Phung, 2019), “Nghiên cứu tách chiết chất màu anthocyanin từ hoa đậu biết”. Từ các nghiên cứu về đặc tính của anthocyanin và các lợi ích mà lá cẩm mang lại, dịch chiết lá cẩm hứa hẹn là một tiềm năng lớn cho việc nghiên cứu và phát triển bao bì chỉ thị thông minh, đem lại lợi ích cho người tiêu dùng cũng như các doanh nghiệp thực phẩm. Theo nghiên cứu của Tanavade và cộng sự, 2012), đã chứng minh rằng Peristrophe Bivalvis có khả năng chống lại ít nhất bốn vi sinh vật, vi khuẩn gram dương (+) Bacillus subtilis, Staphylococcus aureus, vi khuẩn gram âm (-) Escherichiat coli, Pseudomonas aeruginosa. Vì vậy kết luận của nghiên cứu này là Peristrophe bivalvis đang có phổ hoạt 2 động rộng và chất chiết xuất từ lá của Peristrophe bivalvis cho thấy hoạt tính kháng khuẩn và hoạt tính kháng nấm cao hơn so với chất chiết xuất từ thân cây của chúng (Tanavade và cộng sự, 2012).

Thành phần hóa học: Thành phần chính trong chiết xuất nước màu Lá Cẩm được xác định là peristrophine bằng phân tích quang phổ (2D NMR spectra)(Trinh và cộng sự, 2012). Một số chất khác tạo ra màu đỏ tím của lá cẩm cũng được (Nguyen và cộng sự, 2012 ) cho biết ở hình 1. Thành phần chính trong chiết xuất từ Lá Cẩm Bao gồm: (a) Alzelechin(4-8) pelargonidyl glucoside, (b) Pelargonidine-3-O-gentiobiose, (c) Pelargonidine-3-O-sambabiose trong phần methanol không hòa tan của P. bivalvis tím, (d) 4’-sucxinoyl-3-rhamnozyl-(4H,5H) pyranocyanidin, (e) 4’-maloyl-3-rhamnozyl-(4H, 5H) pyranocyanidin, (f) 4’-oxaloyl-3-rhamnozyl-(4H, 5H) pyranopeonidin, (g) 4’-sinpoyl- 3-glucozyl-(4H, 5H) pyranopeonidin trong phần mathanolic hòa tan của P.

bivalvis tím, (h) peristrophine trong dịch chiết P. bivalvis đỏ, (i, j) perisbivalvine A trong dịch chiết từ P. bivalvis Các thành phần chính trong phần metanol không hòa tan của P. bivalvis màu tím thuộc nhóm pelargonidin, nhưng phần metanol hòa tan được phân loại vào nhóm pyranocyanidin.

3 Alzelechin (4-8) pelargonidyl glucoside trong lá cẩm cũng đã được tìm thấy trong dâu tây, trong đó bốn sắc tố màu tím bao gồm alzelechin (4α→8) pelargonidin 3-O-β-glucopiranose, epialzelechin (4α→8) pelargonidin 3-O-β-glucopiranose, catechin (4α→8) pelargonidin 3- O-β-glucopiranose và epicatechin (4α→8) pelargonidin 3-O-β-glucopiranose và alzelechin (4α→8) pelargonidin 3-rutinoside cũng đã được tìm thấy (Fouad & Vincenzo, 2008) Trong những năm gần đây, các hợp chất Zizilan đã được khám phá trong các chất chiết xuất từ lá Cẩm. Chúng được chỉ định để có thể điều trị bệnh tiểu đường, viêm gan B, chất chống oxy hóa, chất cải thiện miễn dịch hoặc sử dụng trong kem dưỡng da hoặc được coi là chất tạo màu trong nhiều lĩnh vực ứng dụng (Xie và cộng sự, 2003). Hematochrome nói chung là thuật ngữ để chỉ cả β-carotene và các dẫn xuất keto của chúng được phân bố dưới dạng các giọt dầu trong lục lạp (Oren, 2005);(Robert, 1999). Những chất này cũng đã được xuất hiện trong các chất chiết xuất từ lá Cẩm.

Carotenoid và các dẫn xuất của chúng đã được sử dụng làm chất chống oxy hóa để bảo vệ võng mạc và giảm nguy cơ thoái hóa điểm vàng do tuổi tác dựa trên cấu trúc polyene liên hợp chuỗi dài của chúng (Carmen, 2008);(Yousry, 2000). Hoa đậu biếc: 2. Khái quát về hoa đậu biếc: Hoa đậu biếc (Clitoria ternatea) thuộc họ Fabaceae và họ phụ Papilionaceae là một loài cây họ đậu lâu năm, có nguồn gốc từ châu Á nhiệt đới và sau đó được phân bố rộng rãi ở Nam và Trung Mỹ, Đông và Tây Ấn, Trung Quốc và Ấn Độ. Hoa đậu biếc thuộc họ đậu thân leo, có thân mảnh, dài 0.5-3m, thường ra hoa màu xanh đậm đến xanh hoa cà, cuống rất ngắn.

Hoa đậu biếc (Jeyaraj và cộng sự, 2021) Ngâm hoa đậu biếc tươi hoặc khô trong nước nóng để chiết xuất anthocyanins để ứng 4 dụng trong thực phẩm. Anthocyanins của hoa đậu biếc có thể được sử dụng làm chất tạo màu xanh lam trong thực phẩm có tính acid và trung tính. Việc kết hợp anthocyanins của hoa đậu biếc trong thực phẩm làm tăng tính chống oxy hóa và có khả năng kháng khuẩn. Anthocyanins của hoa đậu biếc cũng được sử dụng trong bao bì.

Thành phần dinh dưỡng: Hoa đậu biếc được phân tích các thành phần dinh dưỡng và xác định tỷ lệ protein, chất xơ, carbohydrate và chất béo lần lượt là 0.5% trong khi độ ẩm được tìm thấy là 92. Hoa cũng được tìm thấy có hàm lượng cao các chất canxi (3,09 mg/g), magiê (2,23 mg/g), kali (1,25 mg/g), kẽm (0,59 mg/g), natri (0,14 mg/g) và sắt (0,14 mg/g) (Neda và cộng sự, 2013) Hoa đậu biếc đã được sử dụng theo truyền thống trong y học cho các vấn đề sức khỏe khác nhau. Rễ của nó được sử dụng để điều trị chứng khó tiêu, táo bón, đau họng,…trong khi hạt của nó được dùng làm thuốc nhuận tràng, chữa đau bụng và sưng khớp. Nhiều nghiên cứu khác nhau đã được thực hiện trên rễ, hạt, hoa và lá của hoa đậu biếc.

Hoa đậu biếc được biết đến với những lợi ích sức khỏe tiềm ẩn, trong đó một số nghiên cứu đã chỉ ra chiết xuất thô có tác dụng chống đái tháo đường (Borikar và cộng sự, 2018), chất chống oxy hóa(Chayaratanasin và cộng sự, 2015), kháng khuẩn và chống tăng sinh / hoạt động chống ung thư (Jeyaraj và cộng sự, 2021) 2. Thành phần hóa học: Thành phần hóa học của hoa đậu biếc gồm tannins, phlobatannin, carbohydrates, saponins, triterpenoids, phenols, flavanoids, flavonol glycosides, proteins, alkaloids, antharaquinone, anthocyanins, cardiac glycosides, Stigmast-4-ene-3,6-dione, dầu volatile và steroids, trong đó nổi bật nhất là anthocyanins (Al-snafi, 2016). Các flavonols được xác định trong các cánh hoa là mười bốn glycoside kaempferol, quercetin và myricetin bao gồm H hoặc OH ở R1 và R2 và với H, rhamnosyl hoặc malonyl ở R3 và R4 (Kazuma và cộng sự, 2003). Shen và cộng sự, 2016 đã xác định các hợp chất ưa béo khác nhau từ hoa đậu biếc là axit béo (axit palmitic, axit stearic, axit petroselinic, axit linoleic, axit arachidic, axit behenic và axit phytanic), phytosterol (campesterol, stigmasterol, β-sitosterol và sitostanol) và tocol (α-tocopherol và -tocopherol).

Một số thành phần khác như mome inositol, pentanal, cyclohexen, 1-metyl-4- (1-metylethylideme) và hirsutene đã được xác định bởi (Neda và cộng sự, 2013). Flavonol glycosides Các dẫn xuất polyacyl hóa của delphinidin 3,30,50-triglucoside, được đặt tên là “ternatins” là các anthocyanins chính có trong hoa đậu biếc. Tất cả các ternatins đều mang cấu trúc cơ bản là delphinidin-3, 30, 50-triglucoside. Cho đến nay, một loạt 15 ternatins A1-A3, B1-B4, C1-C5 và D1-D3 đã được phát hiện.

Các anthocyanins chính trong hoa đậu biếc (a) Ternatin A1, (b) Ternatin A2, (c) Ternatin B1, (d) Ternatin B2, (e) Ternatin D1, (f) Ternatin D2 2. Cấu trúc hóa học: Anthocyanins là một loại trong nhóm flavonoid, có cùng bộ xương cacbon cơ bản C6 – C3 – C6. Anthocyanins là các dẫn xuất polyhydroxy và polymethoxy được glycosyl hóa của cation 2-phenylbenzopyrylium , tức là cation flavylium (nhóm aglycone) (Brouillard R và Sweeny, 1982), chứa các liên kết đôi liên hợp chịu trách nhiệm hấp thụ ánh sáng xung quanh 500 nm gây ra màu sắc đặc trưng (Rein, 2005). Cấu trúc đơn giản của cation flavylium Các aglycones được gọi là anthocyanidins, thường là penta- (3,5,7,3 ′, 4 ′) hoặc hexan được thay thế (3,5,7,3 ′, 4 ′, 5 ′) (Rein, 2005).

Cho đến nay, đã xác định được hơn 17 anthocyanidins hoặc aglycones trong tự nhiên và hơn 90% anthocyanins đã được phân lâp dựa trên sáu anthocyanidins với sự khác biệt giữa số lượng nhóm hydroxyl và metoxyl trong vòng B của cation flavylium : pelargodin, cyanidin, peonidin, delphinidin, petunidin và malvidin. Các anthocyanins phổ biến được tìm thấy trong tự nhiên (Cavalcanti và cộng sự, 2011) Các nhóm thế Anthocyanidins Màu sắc 3 5 6 7 3’ 4’ 5’ Pelargodin OH OH H OH H OH H Cam Cyanidin OH OH H OH OH OH H Hồng sẫm Peonidin OH OH H OH OCH3 OH H Hồng sẫm Delphinidin OH OH H OH OH OH OH Tím Petunidin OH OH H OH OCH3 OH OH Tím Malvidin OH OH H OH OCH3 OH OCH3 Tím Các dẫn xuất glycoside của ba anthocyanidin không bị methyl hóa (Cy, Dp và Pg) là phổ biến nhất trong tự nhiên, được tìm thấy trong 80% lá , 69% trong quả và 50% trong hoa. Sự phân bố của sáu loại antocyanidins trong các loại trái cây và rau phổ biến là : Cy 50%, Dp 12%, Pg 12%, Pn 12%, Pt 7% và Mv 7% (Brouillard R và Sweeny, 1982) 2. Tính chất hóa học: Anthocyanins có nhiều dạng phân tử như proton hóa, hydrat hóa hay đồng phân hóa 8 và tỉ lệ của các dạng này phụ thuộc rất nhiều vào sự thay đổi của pH môi trường, và màu sắc của nó cũng không ngoại lệ.

Ở pH từ 1-3 cation flavylium màu đỏ chiếm ưu thế.