Tổng Hợp Màng Composite Chitosan Kết Hợp Nanocellulose Ứng Dụng Bảo Quản Thực Phẩm

Khám phá ứng dụng của màng composite chitosan kết hợp nanocellulose trong bảo quản thực phẩm, nâng cao chất lượng và an toàn thực phẩm.

• Tác giả: Trần Thị Châu Giang
• Người hướng dẫn: PGS. Lê Thị Kim Phụng
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Tổng Hợp Màng Composite Chitosan Kết Hợp Nanocellulose Ứng Dụng Bảo Quản Thực Phẩm
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ
• MỤC LỤC
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
• LỜI MỞ ĐẦU
• 0.1. Giới thiệu về chitosan
• 0.2. Tính chất vật lý của chitosan
• 0.3. Hoạt tính sinh học của chitosan
• 0.4. Ứng dụng chitosan trong bảo quản thực phẩm
• 0.5. Giới thiệu về gelatin
• 0.6. Tính chất của gelatin
• 0.7. Ứng dụng gelatin trong bảo quản thực phẩm
• 0.8. Giới thiệu về glycerol
• 0.9. Ứng dụng glycerol trong màng composite
• 0.10. Giới thiệu về nanocellulose
• 0.11. Tính chất của nanocellulose
• 0.12. Ứng dụng nanocellulose trong màng composite
• 0.13. Nghiên cứu màng composite chitosan gần đây
• 1. MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.2. Nội dung nghiên cứu
• 2. HÓA CHẤT, DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ
• 2.1. Dụng cụ và thiết bị
• 3. CÁC QUY TRÌNH TỔNG HỢP
• 3.1. Quy trình tổng hợp màng chitosan/gelatin
• 3.2. Quy trình tổng hợp nanocellulose
• 3.3. Quy trình tổng hợp màng chitosan/gelatin kết hợp nanocellulose
• 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 4.1. Độ thẩm thấu hơi nước (WVP)
• 4.2. Tán xạ ánh sáng động (DLS)
• 4.3. Nhiễu xạ tia X (XRD)
• 4.4. Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT – IR)
• 4.5. Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM)
• 4.6. Phân tích nhiệt lượng (TGA)
• 5. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 5.1. Ảnh hưởng của trọng lượng phân tử chitosan lên tính chất màng chitosan/gelatin
• 5.2. Ảnh hưởng của nồng độ chitosan lên tính chất màng chitosan/gelatin
• 5.3. Ảnh hưởng của nồng độ gelatin lên tính chất màng chitosan/gelatin
• 5.4. Ảnh hưởng của nanocellulose lên tính chất màng chitosan/gelatin
• 5.5. Đánh giá bổ sung tính chất màng
• 6. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Tổng quan về Màng Composite Chitosan Kết Hợp Nanocellulose

Màng composite chitosan kết hợp nanocellulose đang trở thành một giải pháp tiềm năng trong lĩnh vực bảo quản thực phẩm. Chitosan, một polysaccharide tự nhiên, có khả năng tạo màng tốt và tính kháng khuẩn. Khi kết hợp với nanocellulose, màng composite này không chỉ cải thiện tính chất cơ học mà còn tăng cường khả năng bảo quản thực phẩm. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng nanocellulose giúp tăng cường độ bền và khả năng hạn chế thẩm thấu hơi nước của màng, từ đó kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm.

1.1. Chitosan Vật liệu chính trong màng composite

Chitosan là một polymer sinh học có nguồn gốc từ chitin, với nhiều ứng dụng trong bảo quản thực phẩm. Đặc tính kháng khuẩn và khả năng tạo màng của chitosan giúp bảo vệ thực phẩm khỏi vi khuẩn và nấm mốc. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng màng chitosan có thể tạo ra rào cản hiệu quả đối với độ ẩm và khí, từ đó giữ cho thực phẩm tươi lâu hơn.

1.2. Nanocellulose Tăng cường tính năng cho màng composite

Nanocellulose là một vật liệu sinh học có khả năng cải thiện tính chất cơ học của màng composite. Khi được bổ sung vào chitosan, nanocellulose giúp tăng cường độ bền kéo và khả năng hạn chế thẩm thấu hơi nước. Nghiên cứu cho thấy rằng màng composite chứa nanocellulose có khả năng bảo quản thực phẩm tốt hơn so với màng chitosan đơn thuần.

II. Vấn đề trong Bảo Quản Thực Phẩm và Giải Pháp Màng Composite

Ngành công nghiệp thực phẩm đang đối mặt với nhiều thách thức trong việc bảo quản thực phẩm, bao gồm sự phát triển của vi khuẩn và nấm mốc. Các phương pháp bảo quản truyền thống thường không hiệu quả và có thể gây hại cho sức khỏe con người. Màng composite chitosan kết hợp nanocellulose được xem là một giải pháp hiệu quả, giúp giảm thiểu sự phát triển của vi sinh vật và kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm.

2.1. Thách thức trong bảo quản thực phẩm hiện nay

Sự phát triển nhanh chóng của vi sinh vật trong thực phẩm là một trong những thách thức lớn nhất. Các phương pháp bảo quản truyền thống như sử dụng hóa chất có thể gây ra tác động tiêu cực đến sức khỏe con người. Do đó, cần tìm kiếm các giải pháp tự nhiên và an toàn hơn.

2.2. Màng composite Giải pháp bảo quản thực phẩm an toàn

Màng composite chitosan kết hợp nanocellulose không chỉ an toàn cho sức khỏe mà còn hiệu quả trong việc bảo quản thực phẩm. Chúng tạo ra một lớp bảo vệ tự nhiên, ngăn chặn sự xâm nhập của vi sinh vật và giữ cho thực phẩm tươi ngon lâu hơn.

III. Phương Pháp Tổng Hợp Màng Composite Chitosan Kết Hợp Nanocellulose

Quá trình tổng hợp màng composite chitosan kết hợp nanocellulose bao gồm nhiều bước quan trọng. Đầu tiên, chitosan được hòa tan trong dung dịch acid để tạo thành dung dịch nhớt. Sau đó, nanocellulose được thêm vào và khuấy đều để đảm bảo sự phân tán đồng nhất. Cuối cùng, dung dịch được đúc thành màng và để khô. Phương pháp này giúp tạo ra màng có tính chất cơ học tốt và khả năng bảo quản thực phẩm hiệu quả.

3.1. Quy trình tổng hợp màng chitosan

Quy trình tổng hợp màng chitosan bắt đầu bằng việc hòa tan chitosan trong dung dịch acid. Sau đó, các thành phần khác như gelatin và nanocellulose được thêm vào để tạo ra màng composite. Quá trình này cần được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo tính đồng nhất của màng.

3.2. Đánh giá tính chất của màng composite

Sau khi tổng hợp, màng composite cần được đánh giá về các tính chất như độ bền kéo, độ giãn dài và khả năng thẩm thấu hơi nước. Các phương pháp phân tích như nhiễu xạ tia X và kính hiển vi điện tử quét được sử dụng để xác định cấu trúc và tính chất của màng.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn của Màng Composite Chitosan Kết Hợp Nanocellulose

Màng composite chitosan kết hợp nanocellulose đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong bảo quản thực phẩm. Chúng không chỉ giúp kéo dài thời gian bảo quản mà còn giữ nguyên chất lượng và hương vị của thực phẩm. Nghiên cứu cho thấy rằng màng này có thể được sử dụng để đóng gói các loại thực phẩm như trái cây, rau củ và thực phẩm chế biến sẵn.

4.1. Ứng dụng trong bảo quản trái cây và rau củ

Màng composite chitosan kết hợp nanocellulose có khả năng bảo quản trái cây và rau củ rất tốt. Chúng giúp ngăn chặn sự phát triển của vi sinh vật và giữ cho thực phẩm tươi lâu hơn. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng màng này có thể kéo dài thời gian bảo quản trái cây lên đến 30%.

4.2. Ứng dụng trong thực phẩm chế biến sẵn

Màng composite cũng được sử dụng để bảo quản thực phẩm chế biến sẵn. Chúng tạo ra một lớp bảo vệ tự nhiên, giúp giữ nguyên hương vị và chất lượng của thực phẩm. Việc sử dụng màng này không chỉ an toàn mà còn thân thiện với môi trường.

V. Kết Luận và Tương Lai của Màng Composite Chitosan Kết Hợp Nanocellulose

Màng composite chitosan kết hợp nanocellulose là một giải pháp hứa hẹn trong bảo quản thực phẩm. Với những ưu điểm vượt trội về tính năng và an toàn, màng này có thể trở thành lựa chọn hàng đầu cho ngành công nghiệp thực phẩm trong tương lai. Nghiên cứu và phát triển thêm các công thức màng mới sẽ giúp tối ưu hóa tính năng và mở rộng ứng dụng của chúng.

5.1. Tương lai của màng composite trong ngành thực phẩm

Với sự phát triển của công nghệ, màng composite chitosan kết hợp nanocellulose có thể được tối ưu hóa hơn nữa để đáp ứng nhu cầu bảo quản thực phẩm ngày càng cao. Nghiên cứu thêm về các thành phần tự nhiên khác có thể giúp cải thiện tính năng của màng.

5.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo nên tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình sản xuất và đánh giá tính năng của màng trong các điều kiện bảo quản thực phẩm khác nhau. Điều này sẽ giúp xác định rõ hơn về khả năng ứng dụng của màng composite trong thực tế.

Nội dung chính

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.

Trích đoạn nội dung tài liệu

LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, ngành công nghiệp thực phẩm trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đang phát triển, nên nhu cầu về bao bì đóng gói cũng tăng lên. Bao bì nhựa có nguồn gốc chủ yếu là từ dầu mỏ. Tuy nhiên, nhựa làm từ dầu mỏ thông thường không thể phân hủy, điều này đã tạo ra các vấn đề ô nhiễm môi trường. Do đó, bao bì làm từ polymer phân hủy sinh học đã được nghiên cứu và ứng dụng để thay thế bao bì nhựa trong đóng gói, bảo quản thực phẩm [1].

Trong các polymer phân hủy sinh học, chitosan được coi là một vật liệu hoàn hảo để phát triển màng dùng trong thực phẩm, do nó có đặc tính không độc hại, kháng khuẩn, kháng nấm và kháng oxy hóa. Màng chitosan cũng có một số nhược điểm cần được cải thiện, bao gồm tính chất cơ học thấp và độ nhạy cao với độ ẩm [2]. Do đó, màng chitosan kết hợp với các polymer sinh học khác đã được nghiên cứu và ứng dụng trong bảo quản các loại thực phẩm khác nhau [3]. Gelatin cho thấy tiềm năng lớn khi kết hợp với chitosan để tạo bao bì đóng gói thực phẩm, do màng chitosan/gelatin có tính chất cơ học tốt, tính kỵ nước bề mặt tốt [4].

Ngoài ra, để cải thiện nhược điểm của màng composite chitosan, nanocellulose đã được nghiên cứu, bổ sung vào màng Tuy nhiên, nghiên cứu về màng chitosan/gelatin kết hợp với nanocellulose còn hạn chế. Với những lý do trên, đề tài “Tổng hợp màng composite chitosan kết hợp nanocellulose ứng dụng bảo quản thực phẩm” đã được thực hiện. Mục tiêu nhằm tạo ra bao bì thân thiện môi trường, có đặc tính tốt, có khả năng kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm và an toàn đối với sức khỏe con người.1 Giới thiệu về chitosan Chitin được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1811 bởi Henri Braconnot. Ông là đã tìm ra phần không tan trong kiềm từ nấm và đặt tên cho nó là “funginine”.

Năm 1823, Antoine Odier đã chiết xuất phần không tan trong kiềm này từ lớp biểu bì của côn trùng và đặt tên nó là “chitine”, bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp “khiton” có nghĩa là “vỏ bọc” [5]. Chitin là thành phần cấu trúc chính trong vỏ của động vật chân đốt trên cạn (ví dụ: nhện, bọ cạp, bọ cánh cứng), động vật giáp xác biển (ví dụ: cua, tôm), nhuyễn thể (ví dụ: mực) và vi sinh vật [6]. Vỏ cua và vỏ tôm thải ra sau quá trình sản xuất hải sản đang là nguồn nguyên liệu chính để sản xuất chitin [7]. Tùy theo chức năng sinh học và nguồn gốc tự nhiên, chitin được phân loại thành ba dạng cấu trúc: α-chitin, β-chitin và γ-chitin.

Các dạng này được phân biệt theo sự sắp xếp của các chuỗi carbohydrate [8]. Chitosan xuất hiện bắt đầu từ năm 1894, được đặt tên bởi Hoppe – Seyler. Chitosan là một loại polymer sinh học tự nhiên độc đáo, có nguồn gốc từ quá trình khử acetyl (ở các mức độ khác nhau) của chitin [9]. Chitosan được bán ngoài thị trường, có dạng rắn hoặc dạng lỏng (Hình 1.

1 Hình ảnh minh họa của chitosan 2 Chitosan là polymer sinh học dồi dào nhất có nguồn gốc động vật [10] và là polysaccharide tự nhiên phong phú thứ hai sau cellulose [11]. Năm 1950, cấu trúc của chitosan được phát hiện bằng tia X. Việc xác định này đã góp phần thúc đẩy các nhà khoa học nghiên cứu về các dẫn xuất chitosan ứng dụng trong nhiều lĩnh vực từ năm 1950 đến nay [2]. Chitin và chitosan đều là các polysaccharide tự nhiên (Hình 1.

Sự khác biệt chính giữa cấu trúc chitin và chitosan là các nhóm ở vị trí carbon C(2). Chitin gồm các đơn vị β-(1-4)-N-acetyl-D-glucosamine, chứa một nhóm amine N-acetyl ở vị trí C(2). Trong khi đó, các đơn vị chủ yếu của chitosan là β(1→4)-2-amino-D-glucose (hơn 80%) và β-(1→4)-2 acetamido-D-glucose, C(2) chỉ tương tác với một nhóm amine. Chitin khử acetyl thành chitosan để tạo nhóm -NH2 có tính base, dễ tạo mạng lưới liên kết với các chất có gốc acid.

2 Cấu trúc hóa học của (a) chitin và (b) chitosan [12] 3 1.2 Tính chất vật lý của chitosan Chitosan có khả năng hút nước, hấp phụ chất màu, kim loại, kết dính với chất béo. Chitosan cũng có khả năng tạo màng rất tốt. Tính chất cơ lý của màng chitosan như độ bền kéo, độ giãn dài và độ trương nở với nước phụ thuộc nhiều vào trọng lượng phân tử và mức độ khử acetyl của chitosan. Màng chitosan với mức độ khử acetyl cao có ứng suất kéo và độ giãn dài giới hạn cao hơn màng chitosan với mức độ khử acetyl thấp, tuy nhiên chúng có độ trương nở thấp hơn.

Đặc tính tạo màng của chitosan được coi là một trong những đặc tính quan trọng nhất của nó, đặc biệt là về mặt bảo quản thực phẩm. Màng chitosan làm tăng chất lượng thực phẩm bằng cách hình thành các rào cản sau khi tạo màng. Kết hợp chitosan với các polymer khác có thể cải thiện độ bền kéo và các đặc tính liên quan đến nước của màng [13]. Độ bền kéo, độ giãn dài khi kéo của màng được chế tạo từ chitosan trọng lượng phân tử cao cao hơn so với màng từ chitosan trọng lượng phân tử thấp.

Tuy nhiên, độ thẩm thấu hơi nước của màng được chế tạo từ chitosan có trọng lượng phân tử cao thấp hơn so với màng có trọng lượng phân tử thấp. [14] Một trong những tính chất quan trọng của chitosan là độ hòa tan của nó. Chitosan dễ hòa tan trong dung dịch acid loãng có giá trị pH thấp hơn 6,0, do nó có các nhóm amino chính có giá trị pKa là 6,3, khiến nó trở thành một base mạnh. Sự hiện diện của các nhóm amino cho thấy pH ảnh hưởng đáng kể đến trạng thái tích điện và đặc tính của chitosan [15].

Bởi vì các amin này trở nên tích điện dương và bị proton hóa ở độ pH thấp, nên chitosan là một chất đa điện phân cation hòa tan trong nước. Tuy nhiên, khi độ pH tăng lên trên 6,0, các amin trong chitosan bị khử proton, polyme mất điện tích và trở nên không hòa tan. Ở độ pH từ 6 đến 6,5, quá trình chuyển đổi hòa tan-không hòa tan xảy ra ở giá trị pKa. Độ hòa tan của chitosan và kỹ thuật khử acetyl được sử dụng, vì giá trị pKa chủ yếu phụ thuộc vào mức độ N – acetyl hóa [16].

Ở mức độ pH thấp, chitosan có thể dễ dàng tạo ra muối nitơ bậc bốn. Kết quả là chitosan có thể bị hòa tan bởi các acid hữu cơ như acetic acid, formic acid và lactic acid [17]. Formic acid được phát hiện là dung môi tối ưu cho chitosan, với các dung dịch được tạo ra trong hệ nước chứa 0,2 4 đến 100% formic acid [18] Dung môi được sử dụng thường xuyên nhất là acetic acid 1%, có độ pH khoảng 4,0. Khi được hòa tan trong dung dịch acid, chitosan tạo ra dung dịch nhớt.

Theo góc độ phân tử, độ nhớt của dung dịch chitosan là phép đo thể tích của các phân tử polymer. Trọng lượng phân tử, nồng độ, pH và nhiệt độ của dung dịch chitosan đều liên quan đến độ nhớt của hỗn hợp. Độ nhớt của chitosan tăng lên khi tăng mức độ khử acetyl, trọng lượng phân tử và nồng độ của nó và giảm xuống khi tăng nhiệt độ. Ngoài ra, dung môi cũng ảnh hưởng đến độ nhớt [19].

Khả năng hòa tan của chitosan bị ảnh hưởng chủ yếu bởi trọng lượng phân tử và mức độ khử acetyl. Khi tăng trọng lượng phân tử, một lượng lớn liên kết hydro trong và giữa các phân tử được hình thành giữa các chuỗi chitosan, làm cho các chuỗi phân tử của nó đan xen với nhau, khiến chitosan khó hòa tan hơn. Với mức độ khử acetyl càng cao, trạng thái proton của nhóm amine cũng tăng trên chuỗi phân tử, dẫn đến chitosan dễ dàng hòa tan hơn. Mức độ khử acetyl có thể được điều chỉnh bằng cách tiến hành quá trình khử acetyl trong dung dịch có tính base cao như natri hydroxide.

Tuy nhiên, chitin cần một thời gian dài để trương nở hoàn toàn trong dung môi cô đặc, do sự cản trở của mao quản trong các hạt chitin và các hiệu ứng truyển khối khuếch tán [20]. Sự gia tăng mức độ khử acetyl trong khi tăng thời gian xử lý kiềm đã được xác nhận bởi Yong-Woo Cho và cộng sự [21]. Màng chitosan là vật liệu polymer phân hủy sinh học có thể bị phân hủy và đồng hóa bởi vi sinh vật hoặc chất tiết của chúng dưới tác dụng của enzyme hoặc hóa chất phân hủy trong một thời gian và điều kiện xác định. Chuỗi phân tử chitosan chứa một số lượng lớn các nhóm amine hoạt động và các liên kết glycoside dễ vỡ.

Tốc độ phân hủy sinh học chitosan có liên quan đến trọng lượng phân tử, mức độ khử acetyl và lượng acetyl dư được tìm thấy dọc theo chuỗi của nó. Vì chitosan là một polymer bán tinh thể có trạng thái kết tinh nhất định nên khả năng phân hủy sinh học và mức độ khử acetyl 5 của nó cũng phụ thuộc vào mức độ kết tinh. Khi mức độ khử acetyl giảm, độ kết tinh của nó cũng giảm, dẫn đến tốc độ phân hủy sinh học tăng. Do đó, chuỗi chitosan có trọng lượng phân tử thấp hơn có thể phân hủy sinh học hiệu quả hơn so với chuỗi có trọng lượng phân tử cao hơn [22].3 Hoạt tính sinh học của chitosan Chitosan có được biết đến và ứng dụng rộng rãi do nó có hoạt tính sinh học nổi bật như kháng oxy hóa, kháng khuẩn và kháng nấm tốt.

Khả năng kháng oxy hóa là một trong những tính chất được quan tâm của chitosan [23]. Một mặt, chitosan nhờ sự có mặt của nhóm amino sẽ thu gom các gốc tự do hoặc góp phần tăng cường hàm lượng các chất kháng oxy hóa để làm gián đoạn chuỗi phản ứng oxy hóa do gốc tự do tạo ra. Mặt khác, chitosan góp phần gia tăng hoạt lực của các enzyme kháng oxy hóa giúp chuyển hóa các hợp chất oxy hoạt động thành các hợp chất vô hại. Nồng độ chitosan, trọng lượng phân tử và mức độ khử acetyl là các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng kháng oxy hóa của chitosan.

Chitosan với trọng lượng phân tử cao, sẽ có các liên kết hydro nội phân tử, làm suy yếu chức năng của các nhóm hydroxyl và amino, dẫn đến việc giảm khả năng kháng oxy hóa [24]. Shuai Pu và cộng sự cũng đã chứng minh điều này, khả năng kháng oxy hóa của chitosan tăng lên khi nồng độ chitosan, mức độ khử acetyl tăng và trọng lượng phân tử giảm [25].