Khóa luận: Màng thực phẩm CMC và sodium alginate bổ sung khổ qua rừng - ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Nghiên cứu đặc tính và khả năng ứng dụng của màng thực phẩm carboxymethyl cellulose kết hợp sodium alginate bổ sung dịch chiết khổ qua rừng.

• Tác giả: Trần Hiếu Tâm
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Thị Hoàn
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm
• Đề tài: Đặc điểm và khả năng ứng dụng của màng thực phẩm carboxymethyl cellulose và sodium alginate bổ sung dịch chiết khổ qua rừng
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ô nhiễm môi trường do chất thải bao bì nhựa tổng hợp có nguồn gốc từ dầu mỏ đang là thách thức nghiêm trọng đối với hệ sinh thái và ngành công nghiệp thực phẩm. Nhựa truyền thống có thời gian phân hủy kéo dài hàng thế kỷ, gây tích tụ rác thải trên quy mô lớn ở cả môi trường đất và đại dương. Theo số liệu thống kê năm 2010 được trích dẫn trong văn bản, Việt Nam đứng thứ tư trên thế giới về khối lượng rác thải nhựa thải bỏ không đúng cách. Thực trạng này đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc phát triển các giải pháp bao bì có nguồn gốc tự nhiên, có khả năng phân hủy sinh học và an toàn với sức khỏe con người.

Trong xu hướng bao bì thực phẩm bền vững, màng polymer sinh học từ các nguồn tái tạo như polysaccharide (carboxymethyl cellulose, sodium alginate, chitosan, tinh bột) và protein đang nhận được sự quan tâm nghiên cứu lớn. Đặc biệt, việc phát triển bao bì "hoạt tính" thông qua tích hợp các hợp chất sinh học có nguồn gốc tự nhiên (như chiết xuất thảo mộc, tinh dầu thực vật) giúp tạo rào cản vật lý, đồng thời cung cấp khả năng ức chế vi sinh vật gây thối hỏng và chống oxy hóa lipid, từ đó kéo dài thời hạn bảo quản nông sản tươi mà không cần can thiệp hóa chất bảo quản tổng hợp.

Khóa luận tốt nghiệp mã số 2025-21116112 tại Bộ môn Công nghệ Thực phẩm, Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, do sinh viên Trần Hiếu Tâm và Nguyễn Thanh Hào thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Phạm Thị Hoàn, tập trung giải quyết bài toán phát triển màng thực phẩm phân hủy sinh học từ hệ nền carboxymethyl cellulose (CMC) và sodium alginate (SA), được gia cố mạng lưới liên kết bằng ion Ca²⁺ và bổ sung dịch chiết khổ qua rừng (Momordica charantia).

Mục tiêu chung của nghiên cứu là xây dựng quy trình chế tạo màng sinh học từ CMC/SA bổ sung dịch chiết khổ qua rừng, đánh giá chi tiết các tính chất lý – hóa, cơ học của màng và khảo sát khả năng ứng dụng thực tế của màng trong việc kéo dài thời gian bảo quản trái cây. Để đạt được mục tiêu này, nhiệm vụ nghiên cứu được phân rã thành 7 nội dung cụ thể:

1. Tổng quan lý thuyết và thực tiễn về màng sinh học.
2. Lựa chọn quy trình thu nhận dịch chiết khổ qua rừng.
3. Lựa chọn thành phần và quy trình công nghệ chế tạo màng sinh học.
4. Xác định tỷ lệ phối trộn tối ưu giữa dung dịch CMC và SA.
5. Xác định tỷ lệ dung dịch CaCl₂ (1%) phù hợp trong công thức màng CMC/SA.
6. Xác định hàm lượng dịch chiết khổ qua rừng thích hợp bổ sung vào hệ màng.
7. Đánh giá tác động của màng sinh học đối với hiệu quả bảo vệ quả chuối sứ trong 7 ngày bảo quản ở điều kiện nhiệt độ thường và điều kiện có chiếu xạ tia tử ngoại (UV).

Đối tượng nghiên cứu trực tiếp bao gồm hệ vật liệu tạo màng sinh học (CMC, SA, chất hóa dẻo glycerol, muối CaCl₂), dịch chiết quả khổ qua rừng (Momordica charantia), và quả chuối sứ (Musa spp., hay còn gọi là chuối xiêm) - một loại quả hô hấp bộc phát có tốc độ chín nhanh và thời gian bảo quản ngắn sau thu hoạch. Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong điều kiện thực nghiệm tại hệ thống phòng thí nghiệm của Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm (Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh), bao gồm Phòng thí nghiệm Phân tích kỹ thuật cao, Phòng thí nghiệm Hóa sinh, Phòng thí nghiệm Phân tích thực phẩm và Xưởng Công nghệ thực phẩm. Mô hình bảo quản chuối sứ được theo dõi liên tục trong thời gian 7 ngày ở 25 ± 2°C, độ ẩm tương đối 75–80% RH, có và không có tác động của tia UV bước sóng 280 nm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài dựa trên cơ chế tương tác đa cấu trúc giữa các polysaccharide mạch thẳng tích điện và các hợp chất chuyển hóa thứ cấp từ thực vật:

• Carboxymethyl cellulose (CMC): Là dẫn xuất cellulose mạch thẳng mang tính anion, chứa các nhóm carboxymethyl (–CH₂COO⁻) thay thế một phần nhóm hydroxyl (–OH) trên các đơn vị anhydroglucose. CMC có khả năng hòa tan hoàn toàn trong nước lạnh khi độ thế (DS) lớn hơn 0,4, tạo dung dịch keo nhớt có đặc tính rào cản tốt đối với khí O₂, CO₂ và lipid, đồng thời cung cấp độ dẻo dai thông qua mạng lưới liên kết hydro nội và liên phân tử.
• Sodium alginate (SA): Là polyuronate mạch thẳng tự nhiên chiết xuất từ thành tế bào rong nâu, cấu tạo từ hai monomer uronic acid là β-D-mannuronic acid (M) và α-L-guluronic acid (G) liên kết qua liên kết 1→4 glycoside. Điểm mấu chốt trong lý thuyết tạo màng của SA là cơ chế tạo gel liên kết chéo với cation hóa trị hai: các ion Ca²⁺ xen vào giữa các đoạn G-block liền kề của các chuỗi polymer, hình thành cấu trúc liên kết phối trí ba chiều bền vững theo mô hình "hộp trứng" (egg-box model).
• Hợp chất hoạt tính sinh học từ khổ qua rừng (Momordica charantia): Khổ qua rừng chứa các nhóm hoạt chất gồm polysaccharide, protein/peptide (như các RIPs, MAP30, polypeptide-P), triterpenoid/saponin (cucurbitane, momordicoside, goyasaponin) và đặc biệt là nhóm phenolic, flavonoid (catechin, acid gallic, gentisic, chlorogenic, caffeic). Các hợp chất này đóng vai trò chất chống oxy hóa tự nhiên và chất kháng vi sinh vật trong hệ màng hoạt tính.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được thiết kế theo quy trình nhiều bước, sử dụng các kỹ thuật phân tích tiêu chuẩn:

Thông số / Chỉ tiêu phân tích	Phương pháp và Thiết bị phân tích	Tiêu chuẩn / Cơ chế thực hiện
Độ dày màng	Thước kẹp điện tử kỹ thuật số INSIZE 2167-25 (độ chính xác 0,0001 mm)	Đo ngẫu nhiên tại 10 vị trí khác nhau trên màng, lấy giá trị trung bình
Màu sắc bề mặt	Máy đo màu Konica Minolta CR-400 (Nhật Bản)	Đo hệ màu Hunter Lab: L* (độ sáng), a* (tông đỏ/xanh lục), b* (tông vàng/xanh dương)
Cơ lý (TS, EB%) và đâm xuyên	Máy phân tích kết cấu Brookfield CT3 (Mỹ), đầu dò TA-RCA	Mẫu 60 × 10 mm, ủ RH 75% 24h, vận tốc kéo 5 mm/s; đầu dò xuyên ∅ = 2 mm
Độ ẩm (MC%) & Hòa tan (WS%)	Sấy đối lưu ở 105°C đến khối lượng không đổi (Tủ sấy Yamato)	Phương pháp khối lượng Amaregouda và Kamanna (ngâm nước cất 24h đối với WS)
Hấp thụ nước (WU%) & Trương nở (SR%)	Ngâm mẫu trong 30 mL nước cất ở nhiệt độ phòng 60 phút	Phương pháp khối lượng theo Hasan và cộng sự
Tốc độ truyền ẩm (WVTR)	Cốc đo tỷ trọng chứa silica gel (30 g), 75% RH, 30°C trong 72 giờ	Phương pháp khối lượng theo Basha và cộng sự, công thức $WVTR = G / (t \times A)$
Độ truyền quang UV-Vis	Máy quang phổ UV-Vis UH5300 Hitachi (Nhật Bản)	Quét bước sóng từ 200 nm đến 800 nm, đánh giá khả năng chặn tia cực tím
Cấu trúc nhóm chức	Máy quang phổ hồng ngoại FTIR-4700 Jasco (Nhật Bản)	Phân tích dao động liên kết hóa học và tương tác hydro, ion trong màng
TPC, TFC, Hoạt tính DPPH	Đo quang phổ hấp thụ UV-Vis (chuẩn acid gallic và quercetin)	Đánh giá tổng polyphenol, flavonoid và % ức chế gốc tự do DPPH
Kháng khuẩn và kháng nấm	Kỹ thuật khuếch tán giếng thạch trên môi trường LB	Thử nghiệm trên E. coli, S. aureus và nấm Rhizopus stolonifer (giải trình tự ITS)
Các chỉ tiêu quả chuối	Cân phân tích, Quantek Q2, chuẩn độ acid (TA), thuốc thử DNS, CT3	Đo hao hụt khối lượng, cường độ hô hấp, acid tổng số, đường khử, độ cứng

Nguồn gốc nguyên vật liệu và hóa chất nghiên cứu được tác giả công bố minh bạch:

• Sodium alginate và carboxymethyl cellulose xuất xứ Trung Quốc, cung ứng bởi Công ty TNHH TMDV Khoa học SBC Việt Nam.
• Quả khổ qua rừng tươi và chuối sứ xanh thu mua tại Chợ Đầu mối nông sản Thủ Đức, TP. Hồ Chí Minh.
• Hóa chất hạt hút ẩm Silica Gel Self indicator do hãng GHTECH (JHD, Trung Quốc) sản xuất.
• Dung môi methanol, ethanol 70°, chỉ thị methyl red, thuốc thử acid dinitrosalicylic (DNS), NaOH, DPPH và môi trường nuôi cấy Luria-Bertani (LB) do Công ty TNHH TM DV Đất Việt (Quận 10, TP. Hồ Chí Minh) phân phối.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Mở đầu

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài xuất phát từ vấn đề rác thải nhựa toàn cầu và thực trạng ô nhiễm bao bì tại Việt Nam. Tác giả phân tích sự chuyển dịch công nghệ bao bì từ màng trơ sang màng bao sinh học hoạt tính. Chương này xác định rõ mục tiêu chế tạo màng composite CMC/SA có bổ sung hoạt chất khổ qua rừng, giới hạn không gian - thời gian thực nghiệm, liệt kê 7 nhiệm vụ nghiên cứu trọng tâm, đồng thời phân tích ý nghĩa khoa học trong việc làm sáng tỏ tương tác liên phân tử của hệ màng polymer phối trộn và ý nghĩa thực tiễn khi ứng dụng bảo quản chuối sứ ở quy mô thử nghiệm pilot.

Chương 2: Tổng quan

Chương 2 tổng hợp cơ sở lý thuyết toàn diện về màng sinh học và các đối tượng liên quan qua 4 nhánh nội dung lớn:

• Tổng quan về màng sinh học: Định nghĩa màng mỏng polymer sinh học (độ dày dưới 0,3 mm), phân loại theo nguồn gốc (polymer tự nhiên từ polysaccharide, protein, lipid; polymer tổng hợp sinh học như PLA, polycaprolactone; polymer vi sinh vật như PHA, PHB, cellulose vi khuẩn) và phân loại theo cấu trúc (màng đơn lớp, màng composite/nanocomposite, màng nhũ tương). Phân tích ưu nhược điểm của 3 kỹ thuật gia công màng: phương pháp đúc dung môi (nhiệt độ sấy 25–60°C, nồng độ polymer 3–10% w/v), phương pháp ép đùn (120–170°C, bổ sung 10–60% chất hóa dẻo) và kỹ thuật kéo sợi điện nano (electrospinning).
• Ứng dụng màng sinh học: Khảo sát vai trò bao gói màng hoạt tính trên thịt đỏ, gia cầm, thủy hải sản, các sản phẩm từ sữa (bảo quản phô mai mềm đến 45 ngày), bánh kẹo và đặc biệt là nhóm rau quả tươi sau thu hoạch; tổng hợp các ứng dụng trong nông nghiệp, y sinh, linh kiện điện tử và xử lý môi trường.
• Đối tượng và thành phần nguyên liệu: Phân tích đặc tính sinh lý hô hấp bộc phát của chuối sứ (Musa spp.). Trình bày thực vật học và hóa thực vật của cây khổ qua rừng (Momordica charantia var. abbreviata), chi tiết hóa các nhóm hoạt chất gồm polysaccharide (chiếm ~6% khối lượng khô), protein/peptide (MAP30, polypeptide-P), saponin/triterpenoid phân nhóm cucurbitane (momordicoside, goyasaponin), acid phenolic và flavonoid (catechin chiếm 72–86% tổng phenolic chiết bằng nước cận tới hạn). Giới thiệu đặc tính hóa lý, cấu trúc phân tử và cơ chế tạo màng của CMC và SA (mô hình hộp trứng liên kết ion Ca²⁺).
• Tình hình nghiên cứu: Phân tích các công trình nghiên cứu trong nước (màng sắn/PVA/nano Ag-SiO₂ của Kiều; màng bột củ huyền bảo quản trứng gà của Bình và Đào; màng chitosan/chùm ngây bảo quản mít của Phúc và cộng sự) và các nghiên cứu quốc tế (nano liposome tỏi, chiết xuất vỏ xoài, chiết xuất bã ô liu trên nền PLA). Khẳng định khoảng trống nghiên cứu: chưa có công bố nào kết hợp dịch chiết khổ qua rừng vào hệ nền polymer CMC/SA.

Chương 3: Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương 3 mô tả chi tiết quy trình công nghệ và thiết kế thực nghiệm:

• Quy trình thu nhận dịch chiết khổ qua rừng: Quả tươi qua sàng lọc, rửa sạch, cắt lát mỏng, sấy ở nhiệt độ 50°C đến độ ẩm dưới 13%, nghiền thành bột mịn. Bột được phối trộn với dung môi ethanol 70% theo tỷ lệ 1:10 (w/v), chiết xuất hỗ trợ bằng sóng siêu âm ở 30°C trong 30 phút, lọc chân không và lưu trữ ở 2–4°C.
• Quy trình công nghệ chế tạo màng CMC/SA: Chuẩn bị dung dịch SA 2% và CMC 2% riêng biệt bằng cách hòa tan trong nước cất ở 80°C suốt 2 giờ. Phối trộn hai dung dịch polymer ở nhiệt độ ổn định 40°C, bổ sung lần lượt 0,5% glycerol, dịch chiết khổ qua rừng và dung dịch CaCl₂ 1%. Khuấy từ liên tục, lọc tạp chất, khử bọt khí và để yên ổn định cấu trúc trong 24 giờ. Rót 15 g ± 0,01 g dung dịch vào đĩa petri đường kính 90 mm, sấy đối lưu ở 55°C trong 24 giờ để tạo màng.
• Bố trí 4 thí nghiệm chính:
  1. Thí nghiệm 1 (TN1): Khảo sát 7 công thức tỷ lệ phối trộn CMC:SA gồm 1:0 (mẫu C1), 3:1 (C3A), 2:1 (C2A), 1:1 (CA), 1:2 (CA2), 1:3 (CA3) và 0:1 (A1), giữ cố định glycerol 0,5% và dịch chiết 5%.
  2. Thí nghiệm 2 (TN2): Khảo sát 4 mức bổ sung dung dịch liên kết chéo CaCl₂ (1%) gồm 1% (CA-Ca1), 2% (CA-Ca2), 3% (CA-Ca3) và 4% (CA-Ca4) trên nền tỷ lệ CMC:SA tối ưu từ TN1.
  3. Thí nghiệm 3 (TN3): Khảo sát 7 mức bổ sung dịch chiết khổ qua rừng gồm 0% (KQ-0), 5% (KQ-5), 10% (KQ-10), 20% (KQ-20), 30% (KQ-30), 40% (KQ-40) và 50% (KQ-50).
  4. Thí nghiệm 4 (TN4): Thử nghiệm bảo quản chuối sứ với 4 lô nghiệm thức: CT0 (đối chứng, không màng, điều kiện thường), UV0 (không màng, chiếu UV), CT1 (phủ màng, điều kiện thường), UV1 (phủ màng, chiếu UV). Chế độ chiếu xạ UV dùng đèn Philips 8W bước sóng 280 nm đặt cách mẫu 50 cm, chu kỳ chiếu 4 đợt/ngày (1,5 giờ/đợt, nghỉ 1 giờ giữa các đợt, tổng thời gian chiếu 6 giờ/ngày).
• Phương pháp phân tích: Mô tả chi tiết nguyên lý, công thức tính toán cho 17 chỉ tiêu kiểm tra tính chất cơ lý, cấu trúc quang phổ FTIR, rào cản hơi nước/dầu, hoạt tính sinh học và chất lượng quả sau thu hoạch.

Chương 4: Kết quả và bàn luận

Chương 4 trình bày các số liệu thực nghiệm và thảo luận cơ chế phân tử:

• Ảnh hưởng của tỷ lệ CMC/SA (TN1): Đánh giá sự biến thiên của độ dày, độ bền kéo, độ giãn dài khi đứt, khả năng kháng đâm xuyên, độ ẩm, độ hấp thụ nước, độ trương nở, độ hòa tan, góc thấm ướt, độ thấm dầu và độ truyền qua. Phổ FTIR xác nhận sự hình thành các liên kết hydro liên phân tử giữa nhóm hydroxyl/carboxymethyl của CMC và chuỗi alginate, tạo mạng lưới đồng nhất. Công thức phối trộn tỷ lệ 1:1 (mẫu CA) cho tính chất cơ lý và khả năng tạo màng cân bằng nhất.
• Ảnh hưởng của tác nhân gia cố CaCl₂ 1% (TN2): Khi bổ sung dung dịch CaCl₂ 1%, các ion Ca²⁺ tương tác với nhóm carboxylat thuộc đoạn G-block của alginate, hình thành mạng lưới không gian ba chiều theo mô hình hộp trứng. Sự gia cố này làm tăng độ bền cơ học, giảm độ hòa tan và cải thiện khả năng chống thấm hơi nước (giảm WVTR). Mẫu gia cố với 2% dung dịch CaCl₂ 1% (CA-Ca2) thể hiện cấu trúc bền vững và ổn định cơ lý vượt trội.
• Ảnh hưởng của hàm lượng dịch chiết khổ qua rừng (TN3): Khảo sát dải nồng độ từ 0% đến 50%. Tỷ lệ dịch chiết làm biến đổi màu sắc màng (tăng độ đục và chuyển sắc tố do polyphenol/flavonoid), tăng độ dày và làm thay đổi cấu trúc rào cản ánh sáng (ngăn tia cực tím hiệu quả). Hàm lượng TPC, TFC và hoạt tính bắt gốc tự do DPPH tăng tuyến tính thuận với lượng dịch chiết. Thử nghiệm vi sinh ghi nhận vòng ức chế kháng khuẩn rõ rệt đối với cả vi khuẩn Gram âm (E. coli) và Gram dương (S. aureus). Đồng thời, màng thể hiện khả năng ức chế mạnh chủng nấm mốc gây thối hỏng trên chuối được phân lập và định danh bằng giải trình tự vùng gen ITS là Rhizopus stolonifer. Mẫu KQ-20 (20% dịch chiết) đạt điểm tối ưu giữa hoạt tính bảo vệ sinh học và độ bền cơ lý (độ bền kéo 14,98 MPa, kháng đâm xuyên 11,23 N). Thử nghiệm chôn lấp đất cũng chứng minh màng có khả năng phân hủy sinh học hoàn toàn sau thời gian ngắn.
• Khả năng ứng dụng bảo quản chuối sứ (TN4): Lớp phủ màng sinh học tạo ra lớp màng bán thấm trên bề mặt vỏ chuối, kiểm soát quá trình trao đổi khí. Kết quả đo đạc trong 7 ngày ghi nhận: mẫu chuối phủ màng (CT1 và UV1) có độ hao hụt khối lượng thấp hơn rõ rệt so với đối chứng (CT0 và UV0), giảm cường độ hô hấp (kiềm chế đỉnh hô hấp bộc phát), làm chậm tốc độ suy giảm độ cứng vỏ và thịt quả, duy trì độ acid chuẩn độ (TA) và hạn chế sự gia tăng đột biến hàm lượng đường khử. Dưới điều kiện chiếu xạ tia UV (bước sóng 280 nm), lớp màng thể hiện khả năng chắn sáng vượt trội, ngăn ngừa hiện tượng thâm đen vỏ và suy thoái phẩm chất quả do bức xạ quang hóa.

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

Tổng kết toàn bộ thông số kỹ thuật của quy trình chế tạo màng composite CMC/SA gia cố Ca²⁺ tích hợp dịch chiết khổ qua rừng; khẳng định hiệu quả kéo dài thời gian bảo quản chuối sứ thêm 7 ngày ở điều kiện nhiệt độ phòng; đưa ra các kiến nghị hoàn thiện về nghiên cứu mở rộng quy mô sản xuất thử nghiệm (pilot) và kiểm nghiệm trên các đối tượng nông sản khác.

Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu đã đưa ra các số liệu định lượng cụ thể xác nhận hiệu năng tạo màng và bảo quản:

Nhóm chỉ tiêu	Mẫu tối ưu / Thông số thực nghiệm đạt được
Công thức tạo màng tối ưu	Tỷ lệ dung dịch CMC 2% : SA 2% = 1:1 (w/w); dung dịch CaCl₂ (1%) = 2%; dịch chiết khổ qua rừng = 20% (KQ-20); glycerol = 0,5%
Tính chất cơ học	Độ bền kéo (Tensile Strength - TS): 14,98 MPa; Khả năng kháng đâm xuyên: 11,23 N
Hoạt tính sinh học & Kháng khuẩn	Tích hợp thành công hàm lượng polyphenol và flavonoid; ức chế vi khuẩn Escherichia coli, Staphylococcus aureus
Kháng nấm mốc chuyên biệt	Phân lập và giải trình tự gen vùng ITS xác định nấm thối hỏng trên chuối là Rhizopus stolonifer; màng KQ-20 ức chế hiệu quả sự phát triển của chủng này
Hiệu quả bảo quản chuối sứ (7 ngày)	Giảm hao hụt khối lượng; giảm tốc độ hô hấp; duy trì độ cứng; kìm hãm biến động độ acid chuẩn độ (TA) và hàm lượng đường khử
Bảo vệ quang hóa (tia cực tím)	Chặn hiệu quả bức xạ UV (đèn 8W, bước sóng 280 nm), bảo vệ quả khỏi tổn thương quang hóa

Đóng góp của khóa luận đối với lĩnh vực nghiên cứu bao gồm:

1. Đóng góp khoa học: Khóa luận lần đầu tiên thiết lập cơ sở dữ liệu thực nghiệm về tương tác liên phân tử trong hệ polymer lai ba thành phần gồm Carboxymethyl cellulose, Sodium alginate và dịch chiết thảo dược khổ qua rừng (Momordica charantia). Kết quả phân tích quang phổ FTIR và thử nghiệm cơ lý làm sáng tỏ cơ chế đồng tạo mạng: liên kết hydro giữa CMC và SA kết hợp với liên kết ion dạng "hộp trứng" giữa Ca²⁺ và các khối G-block của alginate, tạo nền tảng vững chắc để bẫy và phân tán đồng đều các hợp chất phenolic, flavonoid, saponin trong chất nền polymer. Bên cạnh đó, nghiên cứu đã phân lập và định danh chính xác tác nhân vi nấm gây hư hỏng chuối sứ bản địa bằng kỹ thuật sinh học phân tử (giải trình tự ITS trên GenBank), cung cấp bằng chứng thực nghiệm về hoạt tính kháng nấm Rhizopus stolonifer của màng sinh học.
2. Đóng góp thực tiễn: Cung cấp quy trình công nghệ hoàn chỉnh từ khâu trích ly hoạt chất khổ qua bằng sóng siêu âm đến kỹ thuật đúc màng bằng phương pháp đổ dung dịch. Công thức màng có khả năng ứng dụng thực tế để làm lớp phủ bảo quản nông sản tươi dạng màng ăn được hoặc bao bì tự hủy sinh học, giúp kéo dài thời gian lưu thông thương mại của chuối sứ lên đến 7 ngày trong điều kiện phân phối không có chuỗi lạnh, đóng góp giải pháp cụ thể cho mô hình kinh tế tuần hoàn và giảm thiểu rác thải nhựa nông nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên phạm vi và các nội dung được văn bản trình bày, nghiên cứu có các giới hạn thực nghiệm sau:

• Quy mô chế tạo: Quy trình tạo màng mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm bằng phương pháp đúc dung dịch tĩnh trong đĩa petri nhựa (đường kính 90 mm, khối lượng 15 g/đĩa), chưa được khảo sát trên các dây chuyền gia công quy mô pilot hoặc công nghiệp liên tục như ép đùn hay đúc cán liên tục.
• Đối tượng thử nghiệm: Hiệu quả bảo quản thực tế của màng mới chỉ được kiểm chứng trên một đối tượng duy nhất là quả chuối sứ (Musa spp.) trong khung thời gian bảo quản cố định là 7 ngày.
• Điều kiện môi trường khảo sát: Nghiên cứu tập trung vào hai kịch bản môi trường: điều kiện nhiệt độ phòng (25 ± 2°C, 75–80% RH) và điều kiện chiếu xạ tia UV nhân tạo (bước sóng 280 nm, chu kỳ 6 giờ/ngày); chưa khảo sát biến thiên chất lượng trong điều kiện bảo quản lạnh sâu, kiểm soát khí quyển (CA/MA) hoặc các chuỗi cung ứng xuất khẩu đường dài.
• Hướng nghiên cứu tiếp theo: Tác giả đề xuất hoàn thiện quy trình công nghệ nhằm mở rộng sản xuất thử nghiệm màng ở quy mô pilot, đồng thời mở rộng phạm vi khảo sát ứng dụng của màng trên nhiều chủng loại rau quả và nông sản tươi khác nhau.

Giá trị tham khảo

Báo cáo khóa luận là tài liệu tham khảo có giá trị học thuật và ứng dụng chuyên sâu cho:

• Sinh viên và học viên sau đại học: Thuộc các chuyên ngành Công nghệ Thực phẩm, Công nghệ Sau thu hoạch, Kỹ thuật Hóa học và Khoa học Vật liệu Polymer Sinh học.
• Cán bộ nghiên cứu và doanh nghiệp phát triển sản phẩm: Các kỹ sư nghiên cứu bao bì sinh học phân hủy tự nhiên, bao bì hoạt tính kháng khuẩn - chống oxy hóa, và các đơn vị logistics/bảo quản nông sản sau thu hoạch.
• Các phần nội dung đáng tham khảo nhất trong văn bản:
  • Chương 3 (Mục 3.2 và 3.4): Bản mô tả chi tiết quy trình chiết xuất khổ qua rừng có hỗ trợ sóng siêu âm (nồng độ dung môi ethanol 70%, tỷ lệ 1:10, nhiệt độ 30°C, 30 phút) và quy trình đúc màng composite CMC/SA khử bọt 24 giờ.
  • Chương 3 (Mục 3.5): Hệ thống các phương pháp phân tích cơ lý và hóa lý chuẩn hóa theo tài liệu quốc tế (Khodaei, Amaregouda & Kamanna, Hasan, Basha), đặc biệt là quy trình đo tốc độ truyền ẩm (WVTR) bằng cốc silica gel và phương pháp phân lập, giải trình tự ITS định danh nấm mốc gây bệnh thực vật.
  • Chương 4 (Mục 4.3 và 4.4): Bộ dữ liệu thực nghiệm về mối tương quan giữa hàm lượng hoạt chất sinh học (TPC, TFC, %DPPH) với khả năng ức chế vi sinh vật (E. coli, S. aureus, Rhizopus stolonifer) và động học biến đổi sinh lý (hô hấp, hao hụt khối lượng, độ cứng, acid, đường khử) của quả chuối trong 7 ngày bảo quản.

Câu hỏi thường gặp

1. Công thức phối trộn tối ưu để tạo màng sinh học trong nghiên cứu này gồm những thành phần cụ thể nào?
Công thức màng tối ưu được xác định từ ba thí nghiệm thăm dò liên tiếp (TN1, TN2, TN3), bao gồm: dung dịch CMC 2% và dung dịch SA 2% phối trộn theo tỷ lệ khối lượng 1:1 (w/w, mỗi loại 7,5 g); dung dịch chất hóa dẻo glycerol ở mức bổ sung 0,5% (0,075 g); dung dịch gia cố liên kết CaCl₂ 1% ở mức bổ sung 2% (tương đương 0,15 g); và dịch chiết khổ qua rừng ở tỷ lệ bổ sung 20% (ký hiệu mẫu KQ-20, tương đương 3,0 g). Hỗn hợp đạt khối lượng rót khuôn chuẩn 15 g trên đĩa petri 90 mm và sấy ở 55°C trong 24 giờ.

2. Khả năng chịu lực cơ học của màng sinh học tối ưu (KQ-20) đạt giá trị bao nhiêu và được đo bằng thiết bị gì?
Mẫu màng tối ưu KQ-20 đạt độ bền kéo (Tensile Strength - TS) là 14,98 MPa và khả năng kháng đâm xuyên đạt 11,23 N. Các chỉ tiêu cơ lý này được xác định trên thiết bị phân tích kết cấu Brookfield CT3 (xuất xứ Mỹ) sử dụng đầu dò TA-RCA (cho phép đo kéo với khoảng cách ngàm 15 mm, tốc độ 5 mm/s) và đầu dò đâm xuyên hình trụ tròn đường kính 2 mm.

3. Chủng vi nấm gây hư hỏng trên quả chuối sứ được nhóm tác giả phân lập và định danh là loài nào?
Chủng nấm mốc gây thối hỏng trên quả chuối sứ được nhóm tác giả phân lập trực tiếp từ vết bệnh trên vỏ chuối, sau đó tiến hành tách chiết DNA, giải trình tự vùng gen ITS (Internal Transcribed Spacer) và phân tích so chiếu BLAST trên ngân hàng gen quốc tế GenBank. Kết quả xác định chủng nấm phân lập là Rhizopus stolonifer. Màng sinh học bổ sung dịch chiết khổ qua rừng thể hiện vòng kháng nấm rõ rệt đối với chủng nấm này.

4. Quy trình trích ly dịch chiết khổ qua rừng trong nghiên cứu được tiến hành với các thông số kỹ thuật nào?
Trái khổ qua rừng tươi được rửa, cắt lát mỏng và sấy ở 50°C đến khi độ ẩm đạt dưới 13%, sau đó nghiền thành bột mịn. Quá trình chiết xuất sử dụng dung môi ethanol 70% phối trộn với bột khổ qua theo tỷ lệ 1:10 (w/v). Hỗn hợp được trích ly có hỗ trợ của bể siêu âm ở nhiệt độ 30°C trong thời gian 30 phút, sau đó lọc chân không để thu dịch chiết trong suốt và bảo quản lạnh ở 2–4°C trước khi phối trộn màng.

5. Thử nghiệm bảo quản chuối sứ được thiết kế với các điều kiện môi trường và chế độ chiếu UV như thế nào?
Thử nghiệm bảo quản chuối sứ (TN4) được tiến hành trong 7 ngày ở điều kiện nhiệt độ phòng ổn định 25 ± 2°C và độ ẩm tương đối 75–80% RH. Bốn nghiệm thức được theo dõi song song: CT0 (đối chứng thường), UV0 (đối chứng có UV), CT1 (bọc màng điều kiện thường) và UV1 (bọc màng có UV). Chế độ chiếu tia cực tím sử dụng đèn UV Philips công suất 8W, bước sóng phát xạ 280 nm, treo cách quả chuối 50 cm. Đèn được kích hoạt theo chu kỳ gián đoạn 4 đợt/ngày (mỗi đợt kéo dài 1 giờ 30 phút, nghỉ 1 giờ giữa các đợt trong khung giờ 8:00 đến 18:00), đạt tổng thời lượng chiếu xạ 6 giờ mỗi ngày.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Trần Hiếu Tâm và Nguyễn Thanh Hào đã chế tạo thành công màng thực phẩm phân hủy sinh học từ hệ polymer kết hợp Carboxymethyl cellulose và Sodium alginate, gia cố mạng lưới liên kết bằng ion Ca²⁺ và tích hợp hoạt chất từ dịch chiết khổ qua rừng (Momordica charantia). Công thức màng tối ưu với 20% dịch chiết khổ qua rừng đạt độ bền kéo 14,98 MPa, kháng đâm xuyên 11,23 N, đồng thời sở hữu hoạt tính chống oxy hóa cao và khả năng ức chế hiệu quả vi khuẩn E. coli, S. aureus cùng vi nấm gây hư hỏng Rhizopus stolonifer. Ứng dụng thực nghiệm trên chuối sứ khẳng định lớp phủ sinh học giúp kìm hãm cường độ hô hấp, giảm hao hụt khối lượng, duy trì cấu trúc độ cứng, bảo vệ quả dưới tác động của bức xạ UV và kéo dài thời gian bảo quản thêm 7 ngày ở điều kiện môi trường bình thường. Đây là công trình thực nghiệm hoàn chỉnh, cung cấp luận cứ khoa học và thông số công nghệ rõ ràng cho hướng phát triển bao bì thực phẩm tự hủy thân thiện với môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu Chương 2: Tổng quan Chương 3: Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu Chương 4: Kết quả và bàn luận Chương 5: Kết luận và kiến nghị 3 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 2. Tổng quan về màng sinh học 2. Giới thiệu chung về màng sinh học Màng sinh học là một vật liệu mỏng, cấu trúc rắn, thường có độ dày dưới 0,3 mm [5], được hình thành thông qua quá trình liên kết chéo giữa các phân tử polymer với các thành phần chức năng như chất hóa dẻo và tác nhân tạo mạng lưới. Màng có thể được chế tạo bằng kỹ thuật đúc, ép đùn hoặc kéo sợi điện [6].

Màng sinh học sẽ là bao bì hoạt tính khi được bổ sung các hợp chất hoạt tính sinh học. Lúc này, màng sinh học mang lại nhiều lợi ích hơn so với bao bì thông thường vì ngoài việc bảo vệ thực phẩm chống lại tác động cơ học, mối nguy hóa học và sinh học, chúng còn có thể giảm tác động của tia UV [7], kiểm soát sự hấp thụ khí (ví dụ: oxy, ethylene, carbon dioxide và hơi nước) [7, 8] và kiểm soát sự giải phóng các thành phần hoạt tính sinh học (ví dụ: chất chống oxy hóa, chất kháng khuẩn và hương vị) [9, 10]. Đồng thời, màng sinh học này cũng giúp giảm quá trình oxy hóa lipid, tăng giá trị dinh dưỡng của thực phẩm và thời hạn sử dụng của nó [11]. Phân loại màng sinh học Màng sinh học có thể được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau tùy theo mục đích nghiên cứu hoặc ứng dụng thực tiễn.

Trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến hành phân loại màng sinh học theo hai phương diện chính, bao gồm nguồn gốc vật liệu và đặc điểm cấu trúc của vật liệu. Cách tiếp cận phân loại này vừa đảm bảo tính hệ thống, vừa phản ánh đầy đủ bản chất và tiềm năng ứng dụng đa dạng của màng sinh học trong lĩnh vực thực phẩm. Phân loại theo nguồn gốc vật liệu Polymer sinh học tự nhiên: Các polymer thuộc nhóm này thường có nguồn gốc tự nhiên từ polysaccharide, protein và lipid. Polysaccharide có thể bao gồm cellulose, alginate, tinh bột, chitosan, pectin, carrageenan, pullulan hoặc các dẫn xuất của các chất này [12].

Tuy nhiên, những vật liệu này có một số nhược điểm khi ứng dụng trong sản xuất màng sinh học là đặc tính rào cản hơi nước cũng như khả năng gia công màng kém, màng bị giòn và dễ nứt. Những điều này làm giảm độ bền cơ học của màng và giảm độ ổn định khi sử dụng lâu dài, khiến chúng dễ bị ảnh hưởng bởi độ ẩm [13-15]. Bên cạnh polysaccharide còn có màng sinh học gốc protein với đặc tính cơ học tuyệt vời và khả năng rào cản hiệu quả đối với khí oxy ở độ ẩm tương đối. Tuy nhiên cũng giống màng từ polysaccharide, bản chất ưa nước cũng 4 khiến hiệu quả rào cản hơi nước thấp [16].

Theo nguồn gốc, protein có thể được chia thành hai loại: protein có nguồn gốc thực vật, chẳng hạn như gluten lúa mì, đậu nành và zein ngô, và protein có nguồn gốc động vật, chẳng hạn như collagen, whey, casein và gelatin. Polymer sinh học tổng hợp: Các polymer này thường được sản xuất thông qua các quá trình hóa học từ các monomer sinh học [12]. Các vật liệu này bao gồm copolyme aliphatic-aromatic, polyester aliphatic, polylactide, copolyme aliphatic, và chúng được tạo ra từ các monome có nguồn gốc sinh học tái tạo như acid polylactic (PLA) và các monomer có nguồn gốc dầu như polycaprolactone [17]. PLA là một polyme sinh học được trùng hợp từ các monomer acid lactic, là một ví dụ điển hình cho polymer có thể được tạo ra bằng tổng hợp hóa học sử dụng các monomer có nguồn gốc sinh học tái tạo, cũng là một trong những polymer có triển vọng nhất do tính sẵn có cùng với khả năng tái chế đã được chứng mình.

Bên cạnh đó, chúng còn có khả năng phân hủy và tiềm năng thay thế các vật liệu nhựa thông thường. Tuy nhiên, việc sử dụng PLA để đóng gói thực phẩm hiện đang bị hạn chế do tính chất cơ học và rào cản kém của nó [18]. Polymer từ vi sinh vật: Polymer từ vi sinh vật bao gồm các polymer được sản xuất bởi các vi sinh vật hoặc vi khuẩn đã trải qua biến đổi gen thông qua quá trình lên men [12]. Tiêu biểu cho nhóm này là polyhydroxyalkanoate (PHA) là họ polyester sinh học do vi khuẩn tổng hợp (ví dụ polyhydroxybutyrate PHB), và cellulose vi khuẩn do vi khuẩn Acetobacter tổng hợp.

PHA là polymer phân hủy sinh học hoàn toàn, có tính tương thích sinh học cao, kỵ nước, bền với tia UV [12]. Nhựa PHA có tính chất gần với nhựa truyền thống và được kỳ vọng cạnh tranh với nhựa nguồn gốc dầu mỏ trong bao bì thực phẩm nhờ tính linh hoạt và bền nhiệt [12]. Cellulose vi sinh vật (thường thấy ở kombucha Scoby hoặc nata de coco) tạo mạng lưới nano-cellulose rất bền, có thể dùng làm màng bao bì ăn được hoặc màng đựng thực phẩm. Phân loại theo cấu trúc và vật liệu chế tạo Màng đơn lớp (monolayer films): Là màng được tạo từ một lớp vật liệu đồng nhất.

Thành phần có thể là một polymer hoặc hỗn hợp đồng nhất các polymer sinh học và phụ gia. Màng đơn lớp thường dễ sản xuất (ví dụ đúc khuôn đổ dung dịch hoặc ép đùn). Tuy nhiên, màng đơn lớp từ polymer sinh học thuần thường chưa tối ưu tất cả các tính chất (ví dụ: màng tinh bột nguyên chất giòn và chống ẩm kém). Do đó, người ta cải tiến bằng cách pha trộn polymer (tạo màng composite) hoặc kết hợp nhiều lớp.

Cấu trúc đa lớp cho phép tích hợp ưu điểm của từng lớp để cải thiện tổng thể tính năng màng [2]. Chẳng hạn, một lớp chitosan kết hợp với một lớp alginate đã được chứng minh tăng độ bền kéo (TS ~78,58 MPa so với 56,36 MPa của màng đơn) và giảm bay hơi tinh dầu trong màng chứa hoạt chất (hạn chế mất đến 70% tinh dầu so với màng đơn) [2]. Tương tự, cấu trúc 3 lớp với lớp ngoài kỵ nước (ví dụ zein) và lớp trong ưa nước (ví dụ gelatin) tạo màng có tính chất hàng rào một chiều độc đáo: ngăn hơi ẩm xâm nhập từ ngoài vào nhưng hấp thụ ẩm bên trong, giúp thực phẩm không bị đọng nước [2]. Màng composite và nanocomposite: Màng composite là màng pha trộn từ hai hay nhiều loại polymer hoặc vật liệu trong cùng một lớp (khác với đa lớp là các lớp riêng biệt) [2].

Mục tiêu là kết hợp chức năng và ưu điểm của các thành phần khác nhau trong một màng đồng nhất [2]. Ví dụ, trộn protein và polysaccharide có thể tạo mạng lưới polymer đan xen, cải thiện độ bền cơ học và giảm tính thấm nước nhờ tương tác phân tử giữa các chuỗi polymer [2]. Bên cạnh polymer, hạt nano cũng được đưa vào màng tạo nano-composite để tăng cường tính chất. Nhiều nghiên cứu chỉ ra bổ sung nano kim loại oxit (Ag, TiO2, ZnO.) có thể nâng cao tính kháng khuẩn cho màng, hoặc thêm nano đất sét, nano cellulose giúp cải thiện đáng kể độ bền và khả năng cản khí, cản ẩm [2].

Chẳng hạn, trộn nanoclay vào màng cellulose từ vỏ táo giúp màng bền hơn và giảm rõ rệt độ thấm hơi nước [2]. Màng composite hoặc nanocomposite hiện đang là hướng đi chính để khắc phục nhược điểm của từng polymer sinh học đơn lẻ, tạo ra vật liệu bao bì sinh học đa năng và hiệu quả hơn. Màng nhũ tương (emulsified films): Đây là dạng màng đặc biệt, thực chất là màng composite đa pha, trong đó chất béo hoặc sáp được phân tán dạng nhũ trong nền polymer có tính ưa nước (polysaccharide hoặc protein). Màng nhũ tương tận dụng ưu điểm của chất béo kỵ nước để cải thiện khả năng chống thấm nước cho màng polymer ưa nước mà không cần ghép từng lớp polymer riêng biệt [2].

Các kỹ thuật tạo màng sinh học 2. Phương pháp đúc dung môi Phương pháp đúc dung môi là kỹ thuật phổ biến trong chế tạo màng sinh học từ quy mô nhỏ ở phòng thí nghiệm đến quy mô lớn ở pilot [19]. Polymer được hòa tan trong dung môi thích hợp, sau đó đổ vào khuôn và làm khô để hình thành màng. Có nhiều yếu tố có thể gây ảnh hưởng đến chất lượng màng chế tạo bằng phương pháp đúc dung môi như nồng độ 6 polymer, khả năng hòa tan của polymer, tốc độ bay hơi của dung môi và nhiệt độ đúc.

Cụ thể, nồng độ polymer (3–10% w/v) ảnh hưởng đáng kể đến độ nhớt và tính chất cơ học của màng; nồng độ quá cao gây khó đúc, còn nồng độ thấp làm giảm độ bền cơ học. Tính hòa tan của polymer quyết định hiệu quả tạo màng, không phụ thuộc vào nhiệt độ nóng chảy. Một số polymer cần có các dung môi thích hợp để hòa tan, ví dụ như tinh bột thường dùng nước hoặc nước cùng glycerol làm dung môi, trong khi protein sử dụng dung dịch chứa chất hóa dẻo như glycerol hoặc sorbitol để tăng tính linh hoạt. Tốc độ bay hơi dung môi, chịu ảnh hưởng bởi nhiệt độ và độ ẩm, quyết định tính đồng đều của màng.

Nhiệt độ đúc lý tưởng nằm trong khoảng 25–60°C, với nhiệt độ thấp giúp màng dẻo và đồng nhất hơn, còn nhiệt độ cao rút ngắn thời gian nhưng có thể làm màng giòn. Quá trình sấy đóng vai trò then chốt trong việc tăng cường tương tác phân tử và ổn định cấu trúc vi mô của màng [20, 21]. Polymer + dung môi Sấy khô Đúc màng Màng sinh học Hình 2.1: Phương pháp đúc dung môi tạo màng Ưu điểm của phương pháp đúc dung môi là quy trình đơn giản, chi phí thấp và không cần thiết bị chuyên dụng [22]. Nhiệt độ xử lý thấp giúp bảo toàn cấu trúc của vật liệu nhạy nhiệt đây là yếu tố quan trọng trong sản xuất màng sinh học [21].

Tuy nhiên, thách thức lớn nhất là chuyển đổi từ quy mô thí nghiệm sang công nghiệp do các biến số như nhiệt độ và tốc độ ảnh hưởng đến chất lượng màng [23]. Phương pháp ép đùn Phương pháp ép đùn là kỹ thuật gia công phổ biến trong sản xuất màng, giúp cải thiện cấu trúc và tính chất hóa lý của vật liệu. Ép đùn là phương pháp gia công hiệu quả, kỹ thuật này dựa trên đặc tính nhiệt dẻo của polymer và không cần sử dùng dung môi, nên thường áp dụng trong sản xuất màng sinh học quy mô công nghiệp [24, 25]. Quá trình gồm 7 ba giai đoạn: (i) cấp liệu là quá trình nén hỗn hợp khô có bổ sung chất hóa dẻo (10–60%), (ii) nhào trộn giúp tăng mật độ và nhiệt độ, (iii) gia nhiệt đầu ra (120–170°C), polymer vượt qua nhiệt độ nóng chảy ở điều kiện độ ẩm rất thấp, xảy ra hiện tượng hóa dẻo.