Khóa luận: Màng tinh bột/gelatin/glycerol + nano đồng - Trần Duy Hải (ĐH SPKT TP.HCM)

Nghiên cứu màng tinh bột gelatin nano đồng với đặc tính cơ lý vượt trội, khả năng kháng mốc hiệu quả và tính chất màu sắc ổn định cho ứng dụng bao bì thực phẩm.

• Tác giả: Trần Duy Hải
• Người hướng dẫn: TS. 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: Tính Chất Cơ Lý, Màu Sắc Và Kháng Mốc Của Màng Tinh Bột/Gelatin/Glycerol Kết Hợp Nano Đồng
• Loại tài liệu: Khóa Luận Tốt Nghiệp Đại Học
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan về Màng Tinh Bột Gelatin Nano Đồng

Màng tinh bột/gelatin/glycerol kết hợp nano đồng là một vật liệu composite tiên tiến được tạo thành từ sự kết hợp của tinh bột sắn, gelatin, glycerol và các hạt nano đồng. Đây là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong công nghệ polyme và khoa học vật liệu, với ứng dụng rộng rãi trong bao gói thực phẩm, dược phẩm và các sản phẩm y tế. Sự kết hợp giữa các thành phần hữu cơ và nano đồng tạo ra một vật liệu có tính năng vượt trội, đặc biệt là khả năng kháng khuẩn và kháng mốc. Nghiên cứu này nhằm khám phá các tính chất cơ lý, màu sắc và kháng mốc của màng, giúp tối ưu hóa ứng dụng thực tiễn của nó.

1.1. Khái Niệm và Cơ Bản

Tinh bột là polymer thiên nhiên có cấu trúc amylose và amylopectin, cung cấp độ bền cơ học cho màng. Gelatin là protein thu được từ collagen, cải thiện tính linh hoạt và độ dính. Glycerol hoạt động như chất dẻo hóa, tăng độ mềm dẻo của màng. Nano đồng được kết hợp để tăng cường khả năng kháng mốc và kháng khuẩn, tạo ra một vật liệu đa chức năng với các ứng dụng tiềm năng trong công nghiệp thực phẩm.

1.2. Ý Nghĩa Nghiên Cứu

Nghiên cứu về màng tinh bột/gelatin kết hợp nano đồng đáp ứng nhu cầu phát triển các vật liệu bao gói sinh học thân thiện với môi trường. Việc hiểu rõ các tính chất cơ lý và màu sắc giúp cải thiện chất lượng sản phẩm cuối cùng. Khả năng kháng mốc của vật liệu này mở ra cơ hội ứng dụng rộng rãi trong bảo quản thực phẩm lâu dài.

II. Tính Chất Cơ Lý của Màng Tinh Bột Nano Đồng

Tính chất cơ lý của màng tinh bột/gelatin/glycerol kết hợp nano đồng là yếu tố quyết định chất lượng và khả năng ứng dụng của vật liệu. Các tính chất cơ lý bao gồm độ bền kéo, độ co giãn, độ cứng và khả năng chịu lực của màng. Sự kết hợp giữa tinh bột, gelatin và glycerol tạo ra một ma trận polymer với độ liên kết phù hợp. Việc thêm nano đồng không chỉ cải thiện tính chất kháng mốc mà còn ảnh hưởng đến cấu trúc tinh thể và độ bền cơ học của màng. Tỉ lệ tinh bột và gelatin, cũng như pH của dung dịch, đều có ảnh hưởng đáng kể đến các tính chất cơ lý.

2.1. Độ Bền Kéo và Co Giãn

Độ bền kéo của màng phụ thuộc vào nồng độ tinh bột trong hỗn hợp. Khi tăng hàm lượng tinh bột, độ bền kéo tăng do cấu trúc tinh bột cứng chắc. Độ co giãn được cải thiện bởi gelatin và glycerol, hoạt động như chất dẻo hóa tạo ra ma trận mềm dẻo. Nano đồng giúp gia cố cấu trúc, tăng độ bền cơ học tổng thể của màng.

2.2. Ảnh Hưởng của pH đến Tính Chất Cơ Lý

pH của dung dịch ảnh hưởng đến tương tác điện hóa giữa các thành phần polymer. Ở pH thấp, gelatin có tính axit mạnh, tăng độ dính và độ bền cơ học. Ở pH trung bình, cấu trúc nguyên tử của nano đồng ổn định, cung cấp độ gia cố tối ưu. Sự cân bằng pH giúp tối ưu hóa tính chất cơ lý của màng.

III. Đặc Tính Màu Sắc của Màng Kết Hợp Nano Đồng

Màu sắc của màng tinh bột/gelatin/nano đồng là một yếu tố quan trọng đối với tính thẩm mỹ và ứng dụng thực tiễn. Màng có thể thể hiện màu từ vàng nhạt đến nâu đỏ tùy thuộc vào nồng độ và kích thước của hạt nano đồng. Phổ UV-Vis của dung dịch nano đồng cho thấy sự hấp thụ ánh sáng ở bước sóng 560-570 nm, đặc trưng cho các hạt nano đồng. Sự thay đổi pH ảnh hưởng đến tính chất quang học của màng do sự thay đổi cấu trúc và kích thước nano đồng. Việc kiểm soát màu sắc có thể được sử dụng như một chỉ báo chất lượng cho quy trình điều chế.

3.1. Nguồn Gốc Màu Sắc từ Nano Đồng

Nano đồng có khả năng tạo ra màu sắc đặc trưng do hiệu ứng Surface Plasmon Resonance (SPR). Khi ánh sáng tương tác với bề mặt các hạt nano, các electron tự do dao động tạo ra sự hấp thụ cường độ cao. Kích thước hạt của nano đồng (thường từ 10-100 nm) quyết định bước sóng hấp thụ tối ưu. Trong ma trận polymer, nano đồng phân tán đều tạo ra màu sắc nhất quán và đổi thay.

3.2. Ảnh Hưởng của pH và Thành Phần đến Màu Sắc

pH ảnh hưởng trực tiếp đến hình thái và kích thước của nano đồng trong dung dịch. Ở pH thấp, nano đồng có xu hướng tạo thành hạt lớn hơn, dẫn đến màu sắc sẫm hơn. Ở pH cao, hạt nano nhỏ hơn với màu sắc nhạt hơn. Nồng độ tinh bột cũng ảnh hưởng đến độ đục và màu sắc tổng thể của màng cuối cùng.

IV. Khả Năng Kháng Mốc của Màng Tinh Bột Nano Đồng

Khả năng kháng mốc là một trong những ưu điểm nổi bật nhất của màng tinh bột/gelatin kết hợp nano đồng. Nano đồng có tính kháng khuẩn và kháng mốc mạnh mẽ thông qua cơ chế giải phóng ion Cu²⁺, làm phá hủy tế bào bề mặt của mốc và vi khuẩn. Các ion đồng xâm nhập vào tế bào vi sinh vật, gây tổn thương DNA và protein, dẫn đến vô hiệu hóa chúng. Ma trận polymer từ tinh bột và gelatin cung cấp một nền tảng ổn định để phân tán nano đồng, đảm bảo hiệu suất kháng mốc dài hạn. Nghiên cứu cho thấy màng này có khả năng kháng mốc tốt khi được kiểm tra với các nấm mốc phổ biến trong bảo quản thực phẩm.

4.1. Cơ Chế Kháng Mốc của Nano Đồng

Nano đồng kháng mốc thông qua nhiều cơ chế: (1) Giải phóng ion Cu²⁺ gây độc tính với tế bào; (2) Tạo stress oxi hóa làm hư hại các thành phần tế bào; (3) Tương tác với vách tế bào gây thủng tế bào bào và rò rỉ chất nội bào. Ma trận polymer giúp kiểm soát tốc độ giải phóng ion, tạo ra hiệu suất kháng mốc bền vững và kéo dài hiệu lực.

4.2. Ảnh Hưởng của Thành Phần đến Kháng Mốc

Tỉ lệ tinh bột:gelatin ảnh hưởng đến độ dày và mật độ của màng, theo đó ảnh hưởng đến khả năng phân tán nano đồng. Tỷ lệ cao tinh bột tạo ra màng dày hơn với phân bố nano đồng đều hơn. pH của dung dịch ảnh hưởng đến trạng thái oxi hóa-khử của đồng, tác động đến hiệu suất kháng mốc. Nghiên cứu cho thấy pH tối ưu là khoảng 5-7 để đạt khả năng kháng mốc tối đa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Tổng quan vi Chương 2 Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu Chương 3 Kết quả và bàn luận Kết luận và kiến nghị Ngoài ra, báo cáo còn các phần là tài liệu tham khảo và phụ lục. vii TỔNG QUAN Tổng quan về nano đồng Nano NP là những vật chất cực nhỏ có kích thước từ 1 đến 100 nm. Chúng có thể được phân loại thành các lớp khác nhau dựa trên thuộc tính, hình dạng hoặc kích thước của chúng. Các nhóm khác nhau bao gồm fulleren , NP kim loại, NP gốm và NP cao phân tử.

Có hai phương thức cơ bản để chế tạo vật liệu nano là “top-down” và “bottom-up”. “Top-down” nghĩa là chia nhỏ một hệ thống lớn để tạo ra được đơn vị kích thước nano như phương pháp nghiền, biến dạng, ăn mòn laser. “Bottom-up” là phương thức lắp ghép các nguyên tử, phân tử để thu được các hạt có kích thước nano gồm các phương pháp hóa học, lắng đọng hơi hóa học, phương pháp tự lắp ghép [2]. Tính kháng khuẩn của nano đồng Vật liệu nano cũng đã được ứng dụng làm chất kháng khuẩn để kiểm soát mầm bệnh do vi khuẩn.

Bạc đã được biết đến là một chất kháng khuẩn trong nhiều năm và được sử dụng rộng rãi để kiểm soát vi khuẩn gây bệnh. Đồng là một kim loại khác, được báo cáo là một chất kháng khuẩn. Các hạt nano đồng đã được báo cáo trong việc kiểm soát hiệu quả bệnh đạo ôn và bệnh đốm lá Xanthomonas oryzae và Xanthomonas campestris. Mondal và Mani (2012) cũng tìm thấy hiệu quả của công thức nano đồng đối với bệnh bạc lá do vi khuẩn ở lựu ở mức 0,2 nồng độ ppm, thấp hơn 60.000 lần so với oxychloride đồng, phương pháp xử lý thông thường.

Việc giảm lượng thuốc bảo vệ thực vật làm giảm chi phí cho nông dân với việc duy trì cân bằng môi trường tốt hơn. Paulkumar và cộng sự. (2014) phát hiện ra rằng tổng hợp hạt nano bạc dựa trên chiết xuất tiêu đen giúp tăng cường hoạt động diệt khuẩn. Các hạt nano bạc tổng hợp màu xanh lá cây này cho thấy hoạt tính kháng khuẩn chống lại các mầm bệnh thực vật Citrobacter freundii và Erwinia cacticida.

Tương tự như vậy, các hạt nano bạc chiết xuất từ củ mặt trời thể hiện hoạt tính kháng khuẩn chống lại vi khuẩn gây bệnh Ralstonia solanacearumvà Xanthomonas axonopodis ( Aravinthan và cộng sự, 2015 ). [3] 1 Hoạt tính kháng khuẩn của các hạt nano đồng kém hơn so với Ag hoặc ZnO đòi hỏi nồng độ NP cao hơn để đạt hiệu quả tương tự. Tuy nhiên, đồng rẻ hơn các nano khác có thể được sử dụng làm vật liệu nano để tăng hiệu quả kháng sinh. Các ion Cu2+ ở nồng độ cao tạo ra hiệu ứng độc hại bằng cách tạo ra ROS, làm rối loạn quá trình tổng hợp axit amin và DNA.

Hoạt tính của VQG Cu cũng phụ thuộc vào loài, ví dụ: VQG Cu có hoạt tính kháng khuẩn cao hơn đối với B.subtilis bởi vì chúng có ái lực với các amin dồi dào và nhóm cacboxyl trên bề mặt tế bào. Các ion đồng có thể được giải phóng xen kẽ với các sợi axit nucleic và cũng ức chế các quá trình sinh hóa khác. Các NP Cu đã được chứng minh là có hiệu quả đối với một loạt các HAIs. Sự kết hợp giữa VQG Cu và NPs cho thấy độc tính đối với vi khuẩn Gram-negative.[5] Các thuộc tính của hạt nano có thể được kiểm soát tùy thuộc vào về phương pháp tổng hợp.

Khử hóa học Các chất khử điển hình bao gồm polyols (Park và cộng sự, 2007) [6], natri borohydride (Song và cộng sự, 2004) [7], hydrazine (Su và cộng sự, 2007) [8], axit ascorbic (Wu và cộng sự, 2006) [9], và hypophosphite (Zhu và cộng sự, 2004) [10]. Một số phản ứng khử hóa học có thể là tiến hành ở nhiệt độ phòng. Năm 2008, hạt nano Cu có kích thước hạt nhỏ hơn 10 nm được tổng hợp bởi khử Cu2+ trong dung dịch (Ostaeva và cộng sự, 2008) [11]. Prucek et al, tổng hợp tinh thể nano Cu có đường kính 14 nm sử dụng khử Cu bằng natri borohydride (Prucek và cộng sự, 2009) [12].

2 Trong một nghiên cứu khác, Chatterjee et al. đã sử dụng CuCl2 có sự hiện diện của gelatin làm chất ổn định để tổng hợp các hạt nano Cu ổn định với kích thước 50-60 nm (Chatterjee và cộng sự, 2012) [13]. Vi nhũ tương được đưa vào các phương pháp khử hóa học. Vi nhũ tương là đẳng hướng, đồng nhất về mặt vĩ mô, và các dung dịch ổn định về mặt nhiệt động học có chứa ít nhất ba thành phần, cụ thể là pha phân cực (thường là nước), pha không phân cực (thường là dầu), và chất hoạt động bề mặt (Malik và cộng sự, 2012) [14].

Salzemann và cộng sự. đã sử dụng vi nhũ tương để tổng hợp. Hạt nano Cu có kích thước 3–13 nm (Salzemann và cộng sự, 2004) [15]. Trong 2013, các nano Cu có kích thước 70–80 nm được tổng hợp bằng cách sử dụng phương pháp khử hóa học (Kaminski và cộng sự, 2013) [16].

Phương pháp quang hóa (Chiếu xạ) Lò vi sóng gia nhiệt đã nhận được nhiều sự quan tâm như một phương pháp mới để tổng hợp các hạt nano kim loại trong dung dịch. Các nhà nghiên cứu đã xác nhận thành công ứng dụng của phương pháp này trong việc hình thành các cấu trúc nano Cu, Au, platin (Pt), Ag, và vàng - paladi (Au - Pd). Điều kiện gia nhiệt bằng vi sóng không chỉ tạo điều kiện cho việc hình thành các hạt nano hình cầu trong vòng vài phút mà còn có các tấm (tấm đa giác tinh thể đơn, que, dây, ống và đuôi gai). Hình thái và kích thước cấu trúc nano có thể được kiểm soát bằng cách thay đổi thông số thực nghiệm, chẳng hạn như nồng độ của tiền chất muối kim loại, polyme hoạt động bề mặt, chuỗi chiều dài của polyme hoạt động bề mặt, dung môi và hoạt động nhiệt độ phản ứng (Mallikarjuna và cộng sự, 2011) [17].

Năm 2003, Cu các hạt nano có kích thước khoản 15 nm được tổng hợp quang hóa bằng cách sử dụng poly (N-vinylpyrolidone) làm chất ổn định (Zhong và cộng sự, 2000) [18]. Trong một công trình khác, người ta thấy rằng các yếu tố như như cường độ ánh sáng, tính chất nhạy cảm và nồng độ chất hoạt động bề mặt polyvinyl pyrrolidone (PVP) hạt nano bị ảnh hưởng kích thước (Giuffrida và cộng sự, 2008) [19]. 3 Năm 2004, Zhu et al. tổng hợp Các hạt nano Cu sử dụng (CuSO4) làm tiền chất và natri hypophosphite làm chất khử trong ethylene glycol dưới chiếu xạ vi sóng.

Kích thước của hạt nano Cu được điều chế bằng phương pháp này là 10 nm (Zhu và cộng sự, 2004) [20]. Trong năm 2010, Các hạt nano Cu được tổng hợp bằng vi sóng hỗ trợ khử hóa chất trong môi trường nước bằng cách sử dụng chất tạo màng sinh học làm chất ổn định và axit ascorbic làm chất khử (Chen và cộng sự, 2010) [21]. Trong một nghiên cứu khác, Blosi et al. báo cáo tổng hợp các hạt nano Cu dạng keo có đường kính khác nhau từ 45 đến 130 nm sử dụng gia nhiệt vi sóng.

Lý do chính cho việc sử dụng lò vi sóng là phản ứng đồng nhất nhanh điều kiện trong quá trình tổng hợp (Blosi và cộng sự, 2011) [22]. Phương pháp điện hóa (Điện phân) Sự điện li từ lâu đã được sử dụng để khử các ion kim loại. Năm 2008, hạt nano Cu có kích thước 40-60 nm được tổng hợp bằng CuSO4 và axit sunfuric như dung dịch điện phân (Raja và cộng sự, 2008) [23]. Theivasanthi và Alagar đã báo cáo sự tổng hợp điện phân của các hạt nano Cu sử dụng CuSO4 làm tiền chất; tổng hợp các hạt nano Cu được hình cầu với kích thước hạt 24 nm (Theivasanthi và Alagar, 2011) [24].

Phân hủy nhiệt Trong quá trình này, các phản ứng hóa học xảy ra trong áp suất và lò phản ứng được kiểm soát nhiệt độ nơi dung môi đạt đến nhiệt độ trên nhiệt độ sôi của nó. Nếu nước được sử dụng làm dung môi trong phương pháp này thì nó được gọi là quá trình thủy nhiệt (Yu, 2001; Rajamathi và Seshadri, 2002) [25]. Trong năm 2011, Baco-Carles và cộng sự. đã sử dụng phương pháp này để tổng hợp Cu các hạt nano có kích thước 3,5–40 nm (Baco-Carles và cộng sự, 2011) [26].

Một nghiên cứu khác, các hạt nano Cu có kích thước khác nhau được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt, sử dụng chất hoạt động bề mặt natri dodecyl benzensulfonat 4 (SDBS) để ổn định và kiểm soát hình dạng và kích thước hạt nano (Chen và cộng sự, 2010) [27]. Phương pháp vật lý Cắt bỏ bằng laser Lắng đọng cắt bỏ bằng laser xung (PLD) là một phương pháp tổng hợp hấp dẫn do khả năng tạo ra các hạt nano phân bố kích thước hẹp và mức độ tạp chất thấp (Pronko và cộng sự, 2003) [28]. Trong hạt nano hình thành, các giai đoạn sau phải được xem xét: sự tạo mầm đồng nhất, trong đó các nguyên tử hơi được tạo ra bởi cắt bỏ bằng laser đã được bão hòa siêu bão hòa. Và hạt tăng trưởng, nơi các hạt nhân quan trọng đang phát triển, bắt giữ các nguyên tử trên bề mặt của chúng, và thực hiện chuyển đổi thành hạt (Han và cộng sự, 2002) [29].

Trình cắt bỏ bằng laser xung xảy ra trong một buồng dưới chân không và với sự hiện diện của một số khí trơ (Raja và cộng sự, 2008) [30]. Năm 2010, các hạt nano Cu được tổng hợp bằng laser xung khử Cu mục tiêu trong nước cất. Trung bình thu được kích thước hạt là 20–37 nm (Aye và cộng sự, 2010) [31]. Các hạt nano đồng được điều chế trong dầu dừa nguyên chất bằng tia laser kỹ thuật cắt bỏ của Sadrolhosseini et al.

Một tấm Cu ngâm trong chất lỏng được chiếu xạ bằng tia laser Nd: YAG tại bước sóng 532 nm trong 5, 10, 20 và 30 phút. Họ nhận thấy tăng thời gian cắt từ 5 đến 30 phút kích thước hạt đó trong chất lỏng nano giảm từ 11 xuống 4 nm trong khi nồng độ, chiết suất và phần trăm thể tích của dung dịch nano tăng lên (Saolhosseini và cộng sự, 2013) [32]. Saito và cộng sự báo cáo quá trình tổng hợp các hạt nano Cu ở dạng keo sử dụng tia laser cắt bỏ trong buồng chân không với sự hiện diện của một khí trơ để ngăn chặn quá trình oxy hóa (Saito và Yasukawa, 2008) [33]. Sự bay hơi khí 5 Hóa hơi thường được sử dụng để chế tạo các hạt nano.

Trong phương pháp này, các vật liệu đích được hóa hơi bằng nhiệt nguồn và sau đó được cô đặc nhanh chóng (Tavakoli và cộng sự, 2007) [34].