Tổng quan nghiên cứu

Ngành công nghiệp thực phẩm toàn cầu và tại Việt Nam đang phát triển mạnh mẽ, kéo theo nhu cầu về bao bì đóng gói thực phẩm ngày càng tăng. Tuy nhiên, bao bì nhựa truyền thống chủ yếu từ dầu mỏ không thể phân hủy sinh học, gây ra vấn đề ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Do đó, việc phát triển các vật liệu bao bì thân thiện môi trường, đặc biệt là màng composite phân hủy sinh học, trở thành xu hướng cấp thiết. Chitosan, một polymer sinh học có nguồn gốc từ chitin trong vỏ tôm, cua, được đánh giá cao nhờ tính không độc hại, khả năng kháng khuẩn, kháng nấm và kháng oxy hóa. Tuy nhiên, màng chitosan đơn lẻ còn tồn tại hạn chế về tính chất cơ học và độ nhạy với độ ẩm. Việc kết hợp chitosan với gelatin và nanocellulose nhằm cải thiện các đặc tính này là hướng nghiên cứu mới mẻ và có tiềm năng ứng dụng lớn trong bảo quản thực phẩm.

Luận văn tập trung tổng hợp màng composite chitosan/gelatin kết hợp nanocellulose, khảo sát ảnh hưởng của trọng lượng phân tử chitosan, nồng độ chitosan, nồng độ gelatin và nồng độ nanocellulose đến các tính chất vật lý, cơ học và rào cản hơi nước của màng. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn từ tháng 9/2023 đến tháng 1/2024 tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển vật liệu bao bì sinh học có khả năng phân hủy, nâng cao hiệu quả bảo quản thực phẩm, đồng thời giảm thiểu tác động môi trường từ bao bì nhựa truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về polymer sinh học và vật liệu composite:

  • Lý thuyết về chitosan: Chitosan là polymer sinh học được tạo thành từ quá trình khử acetyl của chitin, có tính chất kháng khuẩn, kháng nấm và khả năng tạo màng. Trọng lượng phân tử và mức độ khử acetyl ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất cơ học và độ hòa tan của màng.
  • Lý thuyết về gelatin: Gelatin là polymer thu được từ collagen, có khả năng tạo gel và màng dẻo, thường được phối trộn với chitosan để cải thiện tính chất cơ học và tính kỵ nước của màng composite.
  • Mô hình vật liệu composite với nanocellulose: Nanocellulose, với kích thước nano, độ cứng cao và khả năng phân hủy sinh học, được sử dụng làm chất gia cố trong màng polymer nhằm tăng cường tính cơ học và giảm độ thẩm thấu hơi nước. Sự phân tán đồng nhất của nanocellulose trong ma trận polymer là yếu tố quyết định hiệu quả cải thiện tính chất màng.

Các khái niệm chính bao gồm: độ bền kéo (tensile strength), độ giãn dài (elongation at break), độ thẩm thấu hơi nước (water vapor permeability - WVP), độ hòa tan, và chỉ số kết tinh (crystallinity index - CrI).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Chitosan với mức độ khử acetyl >75% và trọng lượng phân tử từ 158 kDa đến 324 kDa, gelatin, glycerol, và nanocellulose được tổng hợp từ cellulose thu hồi từ rơm rạ. Các hóa chất và thiết bị chuẩn được sử dụng để tổng hợp và đánh giá màng composite.
  • Phương pháp tổng hợp: Màng composite chitosan/gelatin được tổng hợp bằng phương pháp đúc dung dịch, với tỷ lệ phối trộn chitosan và gelatin 1:1, nồng độ nanocellulose khảo sát ở 1% w/v. Nanocellulose được điều chế bằng thủy phân acid sulfuric và xử lý ly tâm, lọc để thu huyền phù nanocellulose.
  • Phương pháp phân tích: Đánh giá tính chất màng bao gồm đo độ dày, độ đục (UV-VIS), độ hòa tan, độ bền cơ học (máy Testometric X350 Universal), độ thẩm thấu hơi nước (phương pháp cốc nước ướt), tán xạ ánh sáng động (DLS) để xác định kích thước hạt và thế zeta, nhiễu xạ tia X (XRD) để xác định độ kết tinh, phổ FT-IR để xác định nhóm chức, kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM) để khảo sát hình thái bề mặt, và phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) để đánh giá độ bền nhiệt.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 9/2023 đến tháng 1/2024, bao gồm tổng hợp màng, đánh giá tính chất vật lý và cơ học, phân tích cấu trúc và thảo luận kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng trọng lượng phân tử chitosan: Màng composite với chitosan trọng lượng phân tử trung bình (272 kDa) đạt độ bền kéo cao nhất 10,695 N/mm² và độ giãn dài 23,068%, đồng thời có độ đục thấp nhất 2,669 mm⁻¹, giúp màng trong hơn. Độ thẩm thấu hơi nước (WVP) của màng dao động trong khoảng 1,56 – 1,63 x 10⁻⁴ g/h.Pa, không bị ảnh hưởng đáng kể bởi trọng lượng phân tử.
  2. Ảnh hưởng nồng độ chitosan: Khi tăng nồng độ chitosan từ 0,5% lên 1,0% w/v, độ bền kéo tăng từ 9,349 N/mm² lên 16,429 N/mm², độ giãn dài tăng từ 21,909% lên 38,022%. Độ thẩm thấu hơi nước dao động nhẹ trong khoảng 1,35 – 1,65 x 10⁻⁴ g/h.Pa. Độ hòa tan giảm đáng kể từ 42,39% xuống 22,46%, cho thấy màng trở nên bền hơn với nước khi tăng nồng độ chitosan.
  3. Ảnh hưởng nồng độ gelatin: Tăng nồng độ gelatin giúp cải thiện độ bền kéo và giảm độ thẩm thấu hơi nước, tuy nhiên làm tăng độ đục của màng. Màng với tỷ lệ phối trộn tối ưu đạt sự cân bằng giữa tính cơ học và tính trong suốt.
  4. Ảnh hưởng nanocellulose: Bổ sung nanocellulose 1% w/v làm giảm độ bền kéo và độ giãn dài của màng xuống còn 39,4% và 42,4% so với màng không có nanocellulose. Tuy nhiên, khả năng hạn chế thẩm thấu hơi nước tăng vượt bậc, WVP giảm 5,67 lần từ 1,59 x 10⁻⁴ g/h.Pa, cho thấy nanocellulose cải thiện hiệu quả rào cản hơi nước. Phân tích XRD xác nhận độ kết tinh tăng lên khi có nanocellulose, trong khi FE-SEM cho thấy nanocellulose phân tán đồng nhất trong ma trận chitosan/gelatin.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy trọng lượng phân tử chitosan trung bình là lựa chọn tối ưu, cân bằng giữa độ bền kéo và độ giãn dài, đồng thời giữ được độ trong suốt của màng. Việc tăng nồng độ chitosan làm tăng tính cơ học và giảm độ hòa tan, phù hợp với yêu cầu bảo quản thực phẩm cần màng bền và ít thấm nước. Gelatin góp phần cải thiện tính kỵ nước và độ bền cơ học nhưng làm tăng độ đục, cần điều chỉnh tỷ lệ phối trộn để đạt hiệu quả tối ưu.

Sự bổ sung nanocellulose làm giảm tính cơ học do có thể tạo ra các điểm tập trung ứng suất, nhưng cải thiện đáng kể khả năng cản hơi nước nhờ tăng độ kết tinh và cấu trúc mạng lưới chặt chẽ hơn. Điều này phù hợp với mục tiêu bảo quản thực phẩm cần hạn chế sự truyền hơi ẩm, kéo dài thời gian bảo quản. Các kết quả này tương đồng với các nghiên cứu gần đây về màng composite chitosan/gelatin và nanocellulose trên thế giới, đồng thời mở rộng hiểu biết về ảnh hưởng của các thành phần trong màng composite.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh độ bền kéo, độ giãn dài, WVP giữa các mẫu với trọng lượng phân tử và nồng độ chitosan khác nhau, cũng như bảng tổng hợp các chỉ số kết tinh và hình ảnh FE-SEM minh họa sự phân tán nanocellulose.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu công thức màng composite: Khuyến nghị sử dụng chitosan trọng lượng phân tử trung bình (khoảng 272 kDa) với nồng độ 1,0% w/v phối trộn cùng gelatin 0,75% w/v và nanocellulose 1% w/v để đạt hiệu quả bảo quản thực phẩm tối ưu. Thời gian thực hiện tối ưu hóa trong 3-6 tháng, do các nhóm nghiên cứu vật liệu sinh học thực hiện.
  2. Ứng dụng trong bảo quản thực phẩm tươi sống: Áp dụng màng composite này để bọc các loại thực phẩm tươi như rau củ, trái cây nhằm giảm mất nước và kéo dài thời gian bảo quản ít nhất 20-30% so với bao bì truyền thống. Các doanh nghiệp chế biến và bảo quản thực phẩm là chủ thể thực hiện.
  3. Nghiên cứu mở rộng về tính kháng khuẩn và kháng oxy hóa: Kết hợp thêm các chất kháng oxy hóa tự nhiên hoặc chiết xuất thực vật để tăng cường khả năng bảo quản, giảm thiểu vi sinh vật gây hư hỏng. Thời gian nghiên cứu dự kiến 6-12 tháng, do các trung tâm nghiên cứu và trường đại học thực hiện.
  4. Phát triển quy trình sản xuất công nghiệp: Xây dựng quy trình sản xuất màng composite trên quy mô pilot, đảm bảo tính đồng nhất và hiệu quả kinh tế. Các doanh nghiệp sản xuất vật liệu bao bì sinh học cần phối hợp với viện nghiên cứu để triển khai trong 12-18 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Thực phẩm: Nghiên cứu về vật liệu sinh học, polymer phân hủy sinh học, ứng dụng trong bảo quản thực phẩm, giúp mở rộng kiến thức và phát triển đề tài nghiên cứu mới.
  2. Doanh nghiệp sản xuất bao bì sinh học và thực phẩm: Áp dụng công thức và quy trình tổng hợp màng composite thân thiện môi trường, nâng cao chất lượng sản phẩm và đáp ứng xu hướng tiêu dùng xanh.
  3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách môi trường: Tham khảo để xây dựng các chính sách khuyến khích sử dụng bao bì phân hủy sinh học, giảm thiểu ô nhiễm nhựa, thúc đẩy phát triển bền vững.
  4. Các tổ chức nghiên cứu và phát triển công nghệ vật liệu mới: Tận dụng kết quả nghiên cứu để phát triển các vật liệu composite mới, đa dạng hóa ứng dụng trong y sinh, dược phẩm và công nghiệp thực phẩm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Màng composite chitosan/gelatin/nanocellulose có ưu điểm gì so với màng nhựa truyền thống?
    Màng composite này phân hủy sinh học, thân thiện môi trường, có khả năng kháng khuẩn, kháng nấm và giảm thẩm thấu hơi nước hiệu quả, giúp bảo quản thực phẩm lâu hơn mà không gây ô nhiễm như nhựa dầu mỏ.

  2. Tại sao trọng lượng phân tử chitosan lại ảnh hưởng đến tính chất màng?
    Trọng lượng phân tử ảnh hưởng đến độ bền kéo, độ giãn dài và độ hòa tan của màng. Trọng lượng phân tử trung bình tạo ra màng có độ bền và độ giãn dài tối ưu, đồng thời giữ được độ trong suốt tốt.

  3. Nanocellulose có vai trò gì trong màng composite?
    Nanocellulose làm tăng độ kết tinh của màng, cải thiện khả năng cản hơi nước, giúp giảm đáng kể độ thẩm thấu hơi nước, mặc dù có thể làm giảm một phần tính cơ học do tạo điểm tập trung ứng suất.

  4. Phương pháp tổng hợp màng composite có phức tạp không?
    Phương pháp đúc dung dịch sử dụng các dung dịch polymer hòa tan, trộn đều và sấy khô tạo màng, khá đơn giản và có thể áp dụng trên quy mô phòng thí nghiệm và công nghiệp pilot.

  5. Màng composite này có thể ứng dụng cho loại thực phẩm nào?
    Phù hợp với các loại thực phẩm tươi sống như rau củ, trái cây, thực phẩm dễ hư hỏng cần hạn chế mất nước và oxy hóa, giúp kéo dài thời gian bảo quản và giữ nguyên chất lượng.

Kết luận

  • Màng composite chitosan/gelatin với chitosan trọng lượng phân tử trung bình (272 kDa) và nồng độ 1,0% w/v phối trộn gelatin 0,75% w/v đạt tính chất cơ học và độ trong suốt tối ưu.
  • Bổ sung nanocellulose 1% w/v làm giảm độ bền kéo và độ giãn dài nhưng cải thiện đáng kể khả năng cản hơi nước, giảm WVP 5,67 lần.
  • Phân tích XRD và FE-SEM xác nhận sự gia tăng độ kết tinh và phân tán đồng nhất nanocellulose trong màng composite.
  • Công thức màng composite này có tiềm năng ứng dụng trong bảo quản thực phẩm thân thiện môi trường, góp phần giảm ô nhiễm nhựa.
  • Các bước tiếp theo bao gồm tối ưu công thức, mở rộng nghiên cứu tính kháng khuẩn, kháng oxy hóa và phát triển quy trình sản xuất công nghiệp.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp liên hệ để hợp tác phát triển và ứng dụng màng composite thân thiện môi trường trong ngành công nghiệp thực phẩm.