Nghiên cứu chế tạo màng kháng khuẩn từ agar và dịch chiết nghệ

Nghiên cứu chế tạo màng kháng khuẩn từ agar và dịch chiết nghệ. Khám phá quy trình, tính chất và ứng dụng bảo quản thực phẩm một cách tự nhiên.

• Tác giả: Huỳnh Văn Lợi
• 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 Kỹ thuật Hóa học
• Đề tài: Chế tạo màng kháng khuẩn từ agar và dịch chiết nghệ
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Màng Kháng Khuẩn từ Agar và Nghệ Giải Pháp Bảo Quản Thực Phẩm Tự Nhiên

Màng kháng khuẩn từ agar và nghệ là một giải pháp bảo quản thực phẩm tiên tiến và thân thiện với môi trường. Đây là công nghệ sử dụng agar làm polymer nền kết hợp với dịch chiết nghệ có chứa curcumin – một tác nhân kháng khuẩn mạnh. Nghiên cứu từ Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã chứng minh hiệu quả của phương pháp này trong việc ứng dụng bảo quản thực phẩm tự nhiên. Màng agar kháng khuẩn không chỉ kéo dài tuổi thọ của sản phẩm mà còn an toàn cho sức khỏe con người. Công nghệ này đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về sản phẩm bảo quản thực phẩm không chứa hóa chất tổng hợp.

1.1. Tầm Quan Trọng của Bảo Quản Thực Phẩm Hiện Đại

Bảo quản thực phẩm đóng vai trò quan trọng trong chuỗi cung ứng tiêu dùng. Màng kháng khuẩn tự nhiên giúp ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn như S. aureus mà không cần sử dụng chất bảo quản hóa học. Sử dụng dịch chiết nghệ rẻ tiền và hiệu quả là giải pháp tối ưu cho các doanh nghiệp thực phẩm vừa và nhỏ.

1.2. Lợi Thế của Công Nghệ Agar Kháng Khuẩn

Agar có khả năng tạo gel ổn định, rẻ hơn gelatin và alginate. Màng từ agar kết hợp glycerol như chất hóa dẻo tạo ra sản phẩm có độ bền kéo và độ dãn dài thích hợp. Công nghệ này đã được xác thực thông qua phổ FTIR và các phương pháp viết điện hóa hiện đại.

II. Thành Phần và Quá Trình Chế Tạo Màng Kháng Khuẩn

Quá trình chế tạo màng kháng khuẩn từ agar và dịch chiết nghệ bao gồm các bước khoa học chính xác. Thành phần chính gồm agar nồng độ 1.5% (w/v), dịch chiết nghệ 0.5% (v/v), và glycerol 30% so với khối lượng agar. Glycerol đóng vai trò là chất hóa dẻo, cải thiện tính chất cơ học của màng. Dịch chiết nghệ chứa curcumin – hoạt chất kháng khuẩn chính, được sử dụng thay vì bột curcumin nguyên chất để giảm chi phí sản xuất. Quá trình này được thực hiện tại các phòng lab có tiêu chuẩn, đảm bảo chất lượng và độ ổn định của sản phẩm cuối cùng.

2.1. Vai Trò của Agar trong Màng Kháng Khuẩn

Agar là polysaccharide tự nhiên từ tảo đỏ, tạo nên cấu trúc gel vững chắc cho màng bảo quản thực phẩm. So với gelatin và alginate, agar có giá thành rẻ hơn và khả năng tạo gel tốt hơn. Nó không gây phản ứng hóa học với các hoạt chất kháng khuẩn từ dịch chiết nghệ, như chứng minh bởi phổ FTIR.

2.2. Hoạt Chất Kháng Khuẩn từ Dịch Chiết Nghệ

Dịch chiết nghệ chứa curcumin – thành phần có khả năng kháng khuẩn mạnh mẽ. Sử dụng dịch chiết thay bột curcumin giúp giảm chi phí sản xuất mà vẫn đạt hiệu quả xấp xỉ. Nghiên cứu chứng minh màng có bổ sung dịch chiết giảm sự phát triển của S. aureus hiệu quả.

III. Đặc Tính và Hiệu Năng Của Màng Kháng Khuẩn Agar

Màng kháng khuẩn từ agar có nhiều đặc tính vượt trội được khảo sát chi tiết. Màu sắc của màng chuyển từ không màu sang vàng khi tăng dần lượng dịch chiết nghệ. Độ dày và cơ tính (độ bền kéo, độ dãn dài) không thay đổi đáng kể, cho thấy sự ổn định của cấu trúc. Độ hấp thụ nước được kiểm soát tốt, quan trọng cho bảo quản thực phẩm. Phổ FTIR chứng minh không có liên kết hóa học giữa agar và các hợp chất nghệ, chỉ là sự trộn lẫn vật lý. Khả năng chống oxi hóa và kháng khuẩn được xác thực qua nhiều phương pháp khoa học, bao gồm viết điện hóa và kiểm tra với các chủng vi khuẩn.

3.1. Tính Chất Cơ Học và Vật Lý của Màng

Độ bền kéo và độ dãn dài của màng agar đạt mức ổn định, phù hợp cho ứng dụng bảo quản. Độ dày của màng được kiểm soát chặt chẽ bằng cách đổ đều lên bề mặt, đảm bảo tính nhất quán. Độ hấp thụ nước là yếu tố quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng bảo quản sản phẩm lâu dài.

3.2. Hoạt Tính Kháng Khuẩn và Chống Oxi Hóa

Khả năng kháng khuẩn của màng agar chứa dịch chiết nghệ được chứng minh qua việc giảm sự phát triển S. aureus trên môi trường giá đậu. Khả năng chống oxi hóa được đo lường qua phương pháp viết điện hóa, cho thấy curcumin từ dịch chiết hoạt động hiệu quả trong việc bảo vệ thực phẩm khỏi oxy hóa.

IV. Ứng Dụng và Triển Vọng Của Màng Kháng Khuẩn Agar Nghệ

Màng kháng khuẩn từ agar và dịch chiết nghệ mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong bảo quản thực phẩm tự nhiên. Sản phẩm có thể được áp dụng cho các loại thực phẩm dễ hỏng như thịt, cá, rau quả tươi. Công nghệ này phù hợp với xu hướng tiêu dùng xanh, không chứa hóa chất tổng hợp độc hại. Màng agar ăn được nâng cao giá trị sản phẩm và giảm rác thải nhựa. Với chi phí sản xuất thấp nhờ sử dụng dịch chiết nghệ rẻ tiền, công nghệ này có tính khả thi cao cho các doanh nghiệp thực phẩm. Nghiên cứu tiếp theo có thể khám phá sự kết hợp với các thành phần tự nhiên khác để tăng cường khả năng bảo quản.

4.1. Ứng Dụng Trong Ngành Công Nghiệp Thực Phẩm

Màng bảo quản thực phẩm từ agar-nghệ lý tưởng cho các sản phẩm thực phẩm tươi sống. Công nghệ này giảm chi phí so với bảo quản thông thường, đồng thời tăng tuổi thọ sản phẩm. Màng agar ăn được có thể tiêu thụ cùng thực phẩm, giảm rác thải môi trường.

4.2. Tiền Đề và Hướng Phát Triển Tương Lai

Nghiên cứu này mở đường cho việc kết hợp agar với các dịch chiết tự nhiên khác như chanh, tỏi. Công nghệ có tiềm năng phát triển thành sản phẩm thương mại, đặc biệt ở các thị trường bảo quản thực phẩm sinh học. Cần thêm nghiên cứu về độ bền bảo quản dài hạn và an toàn thực phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tổng quan về màng kháng khuẩn ăn được Việc sử dụng bao bì một lần sẽ phát thải ra môi trường một lượng lớn chất thải và tốn thêm nhiều chi phí để xử lý lượng chất thải này. Bắt nguồn từ lý do này ý tưởng màng và lớp phủ ăn được nghiên cứu, màng và lớp phủ ăn được có định nghĩa là chất nền liên tục được chế tạo từ có polymer như lipid, protein, polysaccharide. Ý tưởng trên đã có từ những thế kỉ trước vào thế kỉ 12 và 13 các loại trái cây có múi được nhúng vào sáp để làm quá trình mất nước để giữ sự tươi mới và có thể lưu trữ lâu hơn[1].

Trong thế kỉ 15 một loại màng màng được đầu tiên với cái tên Yuba từ sữa đậu nành được phát triển ở Nhật Bản[2]. Vào thế kỉ 16 ở Châu Âu để giữ ẩm, bề mặt thịt đã được phủ một lớp dầu, bên cạnh đó lần đầu tiên lớp phủ bằng gelatin được thực hiện vào thế kỷ 19[3]. Hiện nay thế kỷ 21 các loại màng ăn được được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng bao gồm lớp vỏ cho xúc xích, lớp phủ chocolate cho các loại hạt[1]. Việc được bao bên ngoài các loại thực phẩm và tiêu thụ cùng thực phẩm thì các loại màng ăn được cần có các yêu cầu như không vị, không mùi, không màu và trong suốt để tránh các tác động tiêu cực đến thực phẩm.

Bên cạnh đó các vật liệu tạo màng ăn được cũng có một số yêu cầu như nguyên vật liệu thô được công nhận an toàn, có khả năng làm giảm hoặc kháng lại các vi sinh vật gây bệnh[4]. Các vật liệu đóng gói truyền thống được sử dụng rộng rãi và phổ biến trong những năm gần đây bởi vì chúng tiện lợi, an toàn, tiết kiệm nhưng đa số những vật liệu đóng gói này làm từ nhựa các polymer có nguồn gốc từ dầu mỏ không có khả năng phân hủy sinh học và thời gian phân hủy rất dài từ đó gây ô nhiễm môi trường. Các nghiên cứu về việc sử dụng polymer có nguồn gốc tự nhiên có khả năng phân hủy sinh học hoặc có thể ăn được để làm vật liệu đóng gói nhằm mục đích cung cấp những lựa chọn bao bì thân thiện với môi trường thay thế cho các vật liệu đóng gói truyền thống đã được phát triển. Nối tiếp các nghiên cứu về màng ăn được các nhà khoa học đã có những công trình khoa học nghiên cứu việc bổ sung các hợp chất có khả năng kháng khuẩn được tích hợp vào các màng có khả năng ăn được với mục đích kéo dài thời gian sử dụng của thực phẩm được phổ biến và chấp nhận[5].

1 Các hợp chất có hoạt tính cao chẳng hạn như các chất có khả năng chống vi trùng, vi khuẩn có thể được tích hợp vào các màng phân hủy sinh học từ đó trở thành một loại “bao bì hoạt tính” có thể ứng dụng vào các ngành có đòi hỏi các yêu cầu về kháng khuẩn như ngành thực phẩm và y tế. Giải pháp này được nghiên cứu và phát triển để làm giảm ức chế sự phát triển của các mầm bệnh từ việc kháng lại và hạn chế sự phát triển của các vi khuẩn, vi sinh vật gây nên mầm bệnh[6]. Khi sản xuất chế biến các loại thực phẩm tươi sống, các vi sinh vật gây nhiễm bẩn được tìm thấy trên các thực phẩm này với mật độ rất cao, cần có sự kiểm soát sự phát triển của các vi sinh vật này để hạn chế việc gây ngộ độc thực phẩm. Để có thể kiểm soát sự phát triển của các vi sinh vật cần một lượng chất kháng khuẩn thêm vào trực tiếp hoặc trên bao bì của các thực phẩm này để ức chế sự phát triển của vi sinh vật, nhưng việc sử dụng “bao bì hoạt tính” có hiệu quả cao hơn so với việc thêm trực tiếp vào thực phẩm bởi vì có một số thành phần trong thực phẩm làm giảm hoạt tính của các chất kháng khuẩn.

Với việc sử dụng “bao bì hoạt tính” thì các chất kháng khuẩn bên trong bao bì được giải phóng có chọn lọc và tác dụng dần dần lên bề mặt của thực phẩm[7]. Màng kháng khuẩn được chia làm 2 loại chính. Đầu tiên là loại tiếp xúc trực tiếp với bề mặt thực phẩm có các tác nhân kháng khuẩn tiếp xúc trực tiếp với thực phẩm và một lượng nhỏ các tác nhân kháng khuẩn này có thể đi vào bên trong thực phẩm từ đó hạn chế sự phát triển của vi sinh vật, thường là bổ sung các túi hoặc miếng thấm hút có chứa chất kháng khuẩn vào bao bì, ở loại màng kháng khuẩn này có sự tiếp xúc giữa tác nhân kháng khuẩn và thực phẩm sau đó các tác nhân kháng khuẩn đi sâu vào trong thực phẩm, việc lựa chọn chất kháng khuẩn cần phụ thuộc nhiều vào hoạt động của tác nhân kháng khuẩn như tác nhân này chống lại vi sinh vật nào cần xác định rõ loại vi khuẩn đó[8]. Việc phát triển của các vi sinh vật khác không mong muốn có thể làm hỏng thực phẩm.

Trong khi loại màng kháng khuẩn còn lại được tích hợp tác nhân kháng khuẩn vào trong các polymer tạo thành màng bao bì để đạt được hoạt tính kháng khuẩn[9], các tác nhân kháng khuẩn không cần tiếp xúc trực tiếp với thực phẩm nhưng vẫn ngăn chặn sự phát triển của vi sinh vật mà không cần tiếp xúc với thực phẩm nhờ vào việc hình thành các mô hình giải phóng với các giai đoạn khác nhau có thể kiểm soát được và duy trì lâu dài các loại thực phẩm mang lại 2 khả năng ức chế vi khuẩn, mang lại sự an toàn hơn so với loại màng kháng khuẩn ăn được đầu tiên. Ví dụ như kết hợp các nano TiO2 có khả năng kháng khuẩn với chitosan một polymer sinh học kháng khuẩn có khả năng tạo màng, tạo ra màng kháng khuẩn kép được nghiên cứu bởi Zhang và các cộng sự[10]. Trong một số trường hợp của loại màng kháng khuẩn được tích hợp tác nhân kháng khuẩn này sự giải phóng các tác nhân kháng khuẩn là quá trình khuếch tán nền đơn giản phụ thuộc vào cấu trúc của polymer nền có nhánh, tuần hoàn, tuyến tính hoặc các liên kết ngang, bên cạnh đó cũng phụ thuộc vào tính phân cực của phân tử khuếch tán[11]. Trong nhóm màng này có thể được chia làm nhóm nhỏ khác là màng kháng khuẩn ăn được dựa vào polymer nền tạo nên chúng (polysaccharide, lipid, protein).Tổng quan về vật liệu tạo màng kháng khuẩn 1.

Giới thiệu chung Agar một polysaccharide mạch thẳng có nhiều trong tự nhiên, được định nghĩa là một chất hydrocolloid (keo nước) có khả năng tạo gel mạnh, có nhiều trong tảo đỏ với vai trò tạo thành cấu trúc hỗ trợ thành tế bào của một số loài tảo, được sản xuất từ tảo đỏ. Khả năng tạo gel của agar dựa vào các liên kết hidro được hình thành giữa các chuỗi galactan tuyến tính của trong mạch polysaccharide. Agar được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1658 tại Nhật Bản bởi Tarazaemon Minoya và sau đó được sử dụng rộng rãi ở các nước ở phương Đông trong thế kỉ 17 và 18. Nhà hóa học người Pháp Anselme Payen, người đầu tiên phân tích hóa học agar vào năm 1859 từ tảo biển Gelidium corneum[12], và ông cũng là người đầu tiên giới thiệu agar đến các nước ở phương Tây như là một loại thực phẩm.

Năm 1882 ứng dụng của agar trong lĩnh vực vi sinh được công bố bởi Koch một đánh dấu sự phổ biến của agar ở phương Tây và trên thế giới vào cuối thế kỉ 19[13]. Nhà nghiên cứu nổi tiếng là tiến sĩ Martin Glicksman đã xuất bản 2 công trình nghiên cứu vào năm 1969 và 1983 cập nhật agar là một chất hydrocolloids, những công trình này phản ánh khá chính xác về ứng dụng và cấu trúc của agar. Một chương về agar của Norman Stanley được xuất bản năm 1995 cung cấp những thông tin hữu ích về cấu trúc và đặc tính gel của agar. Được xem là chất phycocoloid (chất kết dính có nguồn gốc từ rong, tảo) đầu 3 tiên được sử dụng và là thành phần trong thực phẩm được cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) phê duyệt thuộc diện GRAS (công nhận an toàn) và năm 1972.

Ngoài ra agar vượt qua các bài kiểm tra về độc tính, gây đột biến vào năm 1973[13]. Tính chất vật lý Agar là chất rắn không mùi, không vị, không độc và có dạng bột màu trắng, trắng vàng hoặc vàng nhạt Hình 1. Bột agar Nhiệt độ nóng chảy: 85 oC Nhiệt độ tạo gel: 40-50 oC. Khi agar tạo gel sẽ không chảy cho đến khi gia nhiệt đến đến nhiệt độ nóng chảy.

Độ nhớt tương đối thấp và phụ thuộc vào nhiệt độ và pH, trong khoảng pH từ 4.0 độ nhớt không đổi. Cấu trúc và tính chất hóa học Agar là một polysaccharide mạch thẳng được cấu tạo từ các gốc galactose bằng 2 liên kết α-1,3 và β-1,4 xen kẽ và các đơn vị lặp là các disaccharide, agar là một hỗn hợp bao gồm 2 disaccharide là agarnose và agarosepectin với agarose chiếm 70%. Agarose là một polymer mạch thẳng được cấu tạo từ các đơn vị lặp lại của agarobiose được tạo thành từ D-galactose và 3,6-anhydro-L-galactose (hình 1.2), lượng 3,6- anhydro-L-galctopyranose chiếm đa số sau khi hình thành các agarobiose sẽ còn tồn tại một lượng dư chất này gọi là dư lượng anhydro-L-galactopyranose[12], [14]. 4 Agarosepectin có thành phần bao gồm D-galactose và L-galactose được biến đổi với nhiều nhóm phụ có tính axit như nhóm sulfate (hình 1.

Cấu trúc của agarose Hình 1. Cấu trúc agarosepectin Agar có công thức hóa học là C14H24O9. Khối lượng phân tử khoảng 336. Tên gọi theo IUPAC: (2R,3S,4S,5R)-2-(hydroxymethyl)-6-[[(4R,5S)-4-hydroxy-3- methyl-2,6-dioxabicyclo[3.1]octan-8-yl]oxy]-4-methoxyoxane-3,5-diol.7[16] Agar chỉ tan trong nước nóng, không tan trong nước lạnh cũng như cồn và cần nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ nóng chảy của chúng ≥85 oC tạo thành dung dịch agar khi hạ nhiệt độ sẽ xuất hiện hiện tượng gel hóa.

Có thể chuyển từ gel thành dung dịch trở lại 5 bằng cách gia nhiệt. Hiện tượng này gọi là “hiện tượng trễ tạo gel”, gọi như vậy bởi vì có sự khác biệt giữa nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ tạo gel. Khi gel cấu trúc của agar có sự hình thành liên kết hidro nội phân tử và liên phân tử chủ yếu xuất hiện ở thành phần agarose. Agarose một thành phần trong agar là copolymer của D-galactose và 3,6-anhydro-L-galactopyranose được liên kết bằng nguyên tử O có trong agar.

Với cấu trúc như vậy xảy ra việc hình thành liên kết hidro nội phân tử giữa nhóm OH ở vị trí carbon số 4 của D-galactose và nguyên tử O của 3,6-anhydro-L-galactopyranose theo cấu hình trục.