CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về màng bao thực phẩm 1. Màng bao thực phẩm Màng bao thực phẩm đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong việc bảo quản và bảo vệ các sản phẩm thực phẩm khỏi những tác động có thể làm giảm chất lượng hoặc an toàn của chúng. Với những ưu điểm vượt trội, màng bao thực phẩm đã trở thành một phần không thể thiếu trong quá trình đóng gói sản phẩm trong ngành công nghiệp thực phẩm.
Một trong những mục đích chính của màng bao thực phẩm là tạo ra một lớp bảo vệ vững chắc xung quanh sản phẩm, ngăn cách chúng khỏi tiếp xúc với không khí, ánh sáng mặt trời, độ ẩm, vi khuẩn và các yếu tố bên ngoài có thể gây hại. Điều này giúp duy trì sự tươi mới, ngon lành và đảm bảo vệ sinh của thực phẩm, kéo dài thời gian bảo quản và bảo toàn chất lượng và dinh dưỡng của sản phẩm. Lĩnh vực bao bì thực phẩm luôn quan tâm hàng đầu đến việc sử dụng các vật liệu và phương pháp đóng gói phù hợp nhằm giảm thiểu tổn thất thực phẩm và đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng. Nhu cầu ngày càng tăng về thực phẩm chất lượng cao, điều đó đã thúc đẩy sự phát triển về nghiên cứu các công nghệ đóng gói tích cực, nhằm cung cấp thực phẩm an toàn, lành mạnh và chất lượng tốt hơn, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường liên quan đến bao bì.
Một trong những xu hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực này là kết hợp hai hay nhiều loại thành phần nguyên liệu để tạo ra các loại màng phức tạp với tính năng vượt trội. Trong đó, gia cường màng HPMC bằng NPs từ SCGs là một đề tài hứa hẹn. Màng bao thực phẩm nanocomposite này được tạo ra bằng cách kết hợp HPMC với NPs từ SCGs, tận dụng các tính chất độc đáo của từng thành phần để tăng cường tính năng và hiệu quả của màng.2 Các loại vật liệu nanocomposite trong ứng dụng màng bao thực phẩm 1.1 Vật liêu polymer nanocomposite Vật liệu PNC (polymer nanocomposite) là các vật liệu composite được tạo thành từ một chất nền polymer và chất độn NPs, như đất sét montmorillonite, ống nano cacbon, graphene nano, hay các hạt nano khác. Những chất độn này có kích thước siêu nhỏ và có khả năng tương tác tốt với polymer, cải thiện tính chất cơ học, khả năng bảo vệ và khả năng chống nhiệt của màng bao thực phẩm [1].
Vật liệu nanocomposite biopolymers Các vật liệu biopolymers bao gồm các loại như bột, cellulose, các polysaccharide khác, protein và polylactic acid (PLA) - một loại polymer tổng hợp từ các monome tự nhiên. Tuy biopolymers có nhiều ưu điểm nhưng cũng có hạn chế như tính cơ học và khả năng bảo vệ tương đối kém. Việc sử dụng nanocomposites đã được chứng minh là một giải pháp triển vọng để cải thiện các tính chất này. Hầu hết các báo cáo về sự hình thành và tính chất của màng biopolymers đều tập trung vào ứng dụng của chúng như màng ăn được [2].
Vật liệu nanocomposite cellulose Nanocomposite cellulose là một loại vật liệu nano tự nhiên thu hút nhiều sự quan tâm bởi các ưu điểm nổi bật về tính chất vật lý, khả năng tương thích sinh học, khả năng phân hủy sinh học và tính không độc hại. Tuy nhiên, bản thân màng cellulose là rào cản hơi nước kém vì tính chất ưa nước vốn có của polysacarit. Để cải thiện tính chất của màng, việc bổ sung các hạt NPs như sợi NPs cellulose (CNF) đã được nghiên cứu. Ví dụ như đề tài nghiên cứu của Azeredo và cộng sự về việc dùng CNF vào chất nền là màng của nước ép xoài [3].
Kết quả là độ bền kéo tăng (từ 4,09 lên 8,76 MPa), khả năng chống hơi nước giảm (từ 2,66 xuống ± 1,67 g.m2) và tỷ lệ thẩm thấu hơi nước giảm ít nhất 10%. Ngoài ra, De Moura và cộng sự đã đề xuất vật liệu nanocomposite sử dụng chitosan (CS) làm chất độn NPs trong HPMC để cải thiện các đặc tính rào cản cơ học và màng [4]. Kết quả là việc kết hợp các hạt NPs chitosan trong màng cải thiện độ bền kéo (30,7 đến 66,9 MPa) và tính chất rào cản màng. Phân tích SEM cho thấy các NPs chitosan có xu hướng lấp đầy các khoảng trống xốp trong ma trận HPMC, cải thiện tính chất kéo màng và tính thẩm thấu hơi nước.
Vật liệu nanocomposite tinh bột Nanocomposite tinh bột là một loại vật liệu được tạo thành bằng việc kết hợp tinh bột với các NPs như đất sét [5], oxit kẽm (ZnO), carboxymethylcellulose (CMC) [6], hay các chất vô cơ và polyme tổng hợp khác. Khuyết điểm của màng nanocomposite này là khả năng hấp thụ nước và chịu lực kém, dẫn đến sự dễ rách và hỏng trong quá trình sử dụng. Ngoài ra, tính chất cản hơi nước và không chịu nhiệt cao của tinh bột khiến cho màng bao thực phẩm này hạn chế trong việc đóng gói thực phẩm có yêu cầu đặc biệt về bảo quản và chịu nhiệt. Thời gian phân hủy dài của tinh bột cũng là một khuyết điểm khiến cho màng này gây tác động tiêu cực đến môi trường nếu không được phân hủy đúng cách.
Sự kết hợp này nhằm cải thiện tính chất và hiệu suất của tinh bột thông thường, đặc biệt là trong các ứng dụng đóng gói thực phẩm và các lĩnh vực khác. Vật liệu nanocomposite protein Vật liệu nanocomposite protein có nguồn gốc động vật thường được ứng dụng là casein, whey protein, collagen, lòng trắng trứng và protein myofibrillar cá [7]. Còn nguồn gốc thực vật đang được nghiên cứu bao gồm protein đậu nành, zein (protein ngô) và gluten lúa mì [8]. Tuy nhiên, các loại màng từ loại vật liệu này cũng có những hạn chế như tính cơ học và khả năng bảo vệ kém.
Việc sử dụng nanocomposites đã được nghiên cứu nhằm cải thiện các tính chất của chúng, ví dụ như là bằng cách thêm các loại NPs như TiO2, ZnO, nanoclay (như montmorillonite - MMT)… 1. Tình hình nghiên cứu màng bao thực phẩm bằng vật liệu nanocomposite Vật liệu nanocomposite là một loại vật liệu hỗn hợp gồm thành phần vô cơ và hữu cơ, đang được nghiên cứu và phát triển trong nhiều lĩnh vực. Nhờ kết hợp tính chất tốt nhất của từng thành phần, vật liệu này có tiềm năng ứng dụng cao cấp. Nghiên cứu đã chứng minh rằng vật liệu này mang lại những tính chất mới và cải thiện so với các vật liệu composite truyền thống.
Qua đó, độ dẫn điện, độ dẫn nhiệt và tính chất cơ học của polymer được cải thiện, cũng như trong khả năng thấm khí, độ thẩm thấu hơi nước, ổn định nhiệt và kháng hóa chất. 3 NPs từ SCGs có tiềm năng đáng kể trong việc ứng dụng vào màng bao thực phẩm. Nhờ vào các tính chất đặc biệt của nó, vật liệu này mang lại nhiều lợi ích đáng giá cho ngành đóng gói thực phẩm. SCGs chứa các hợp chất có khả năng hấp thụ tia UV, chẳng hạn như caffeic acid [10], quinic acid [11], trigonelline [12].
Khi sử dụng trong vật liệu PNC, giúp hạn chế tác động của ánh nắng mặt trời và giữ cho sản phẩm luôn tươi mới. Thêm vào đó, các hợp chất có trong bã cà phê, như flavonoid và phenolic, có khả năng kháng khuẩn và chống vi khuẩn [13]. Khi được tích hợp vào vật liệu PNC, chúng có thể giúp ngăn ngừa sự phát triển của vi khuẩn và nấm mốc trong màng bao thực phẩm, giúp bảo quản thực phẩm lâu hơn và ngăn ngừa sự ôi thiu. Ngoài ra, việc sử dụng SCGs sử dụng để tổng hợp NPs còn có tiềm năng trong việc cải thiện cơ tính, giảm tốc độ truyền hơi nước, chống oxy hóa… 1.
Tình hình nghiên cứu thế giới Việc nghiên cứu sử dụng NPs vào màng thực phẩm để tăng khả năng gia cường đang thu hút được nhiều sự chú ý của các nhà nghiên cứu trên thế giới, cụ thể những năm gần đây: Năm 2017, Magdalena Wrona và cộng sự đã chế tạo thành công màng thực phẩm HPMC kết hợp các NPs từ PLA được chiết xuất từ trà xanh. Khi kết hợp với màng HPMC đã làm thay đổi màu sắc của phim qua việc quan sát mẫu khi thêm và không thêm vào NPs PLA [14]. Năm 2022, Zheng và đồng nghiệp đã thành công trong việc kết hợp màng phim HPMC với XG (Xanthan Gum). Kết quả là tạo ra được màng có độ bền cơ học cao, với độ bền kéo là 39,21 ± 1,25 MPa khi 2 g/L XG được sử dụng để tạo màng.
Quan trọng là độ bền kéo cao hơn nhiều màng dựa trên XG được báo cáo khác, như là màng dựa trên gelatin và methylcellulose [15]. Năm 2015, Lee và cộng sự đã giới thiệu bã cà phê đã qua sử dụng làm chất độn có kích thước nano để chế tạo polymer nanocompozit. Vật liệu tổng hợp PVA/cà phê mang lại các tính năng cơ học được cải thiện đáng kể bao gồm độ bền kéo và mô đun Young so với vật liệu tổng hợp PVA/CB (Carbon Black). Ngoài ra, cấu trúc vi mô của cả hai vật liệu nano đã được quan sát từ phân tích hình thái học [16].
Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam Tại Việt Nam, việc đưa công nghệ nano vào ứng dụng trong phủ màng bảo quản rau quả tươi được các nhà khoa học trong nước đặc biệt quan tâm. Tình hình nghiên cứu vật liệu PNC trong nước đã được phát triển trong những năm gần đây: Năm 2010, Nguyễn Duy Lâm và cộng sự đã nghiên cứu tổng hợp thành công chế phẩm phủ màng dùng trong bảo quản một số rau quả tươi từ một số vật liệu chính là PE ( Polyethylene) hoặc HPMC và sáp carnauba [17]. Năm 2014, Nguyễn Thị Kim Cúc và đồng nghiệp đã trình bày kết quả về ứng dụng chế phẩm phủ màng nanochitosan-tinh dầu nghệ trong bảo quản quả vải, thanh long và cam. Qua đó, nanochitosan-tinh dầu nghệ đã ức chế sự phát triển của nấm bệnh cho quả như C.gloeosporioides gây bệnh thán như cho xoài và thanh long.
Kéo dài thời gian bảo quản quả thanh long là 20 ngày (nhiệt độ 6 oC) với tỉ lệ thối hỏng là 5,2%; thời gian bảo quản cam là 43 ngày ở điều kiện nhiệt độ 5-6 oC với tỉ lệ thối hỏng xấp xỉ 3% và quả vải được bảo quản kéo dài 30 ngày (ở 4-5 oC), tỉ lệ thối hỏng là 2% [18]. Năm 2017, Nguyễn Thị Minh Nguyệt thành công nghiên cứu việc kết hợp ba loại nano (nhũ tương sáp carnauba, chitosan và cellulose tinh thể) đã cải tiến được đầy đủ tính thấm và tính kháng vi sinh vật của màng HPMC. Qua đó, tác giả đã kết luận rằng nano sáp carnauba khi bổ sung vào HPMC có tác dụng làm tăng rõ rệt mức độ cản mất nước qua màng film HPMC và mảng phủ trực tiếp trên mặt quả chuối.