CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về màng thực phẩm sinh học hoạt tính 1.1 Giới thiệu về bao bì hoạt tính Bao bì hoạt tính (Active Pakaging – AP) bao gồm màng bao hoặc lớp phủ hoạt tính là một lựa chọn hấp dẫn trong ngành công nghiệp thực phẩm trong vài thập kỷ qua. Các hợp chất có hoạt tính được tích hợp vào màng nhằm ngăn ngừa hoặc kiểm soát sự bùng phát mầm bệnh truyền nhiễm từ thực phẩm, kéo dài thời hạn sử dụng của sản phẩm thực phẩm và nâng cao tiêu chuẩn chất lượng và an toàn của các mặt hàng được đóng gói. Màng và lớp phủ hoạt tính đại diện cho sự chuyển đổi vai trò của hệ thống đóng gói thụ động thành hệ thống phòng thủ chủ động bằng cách xúc tác cho sự tương tác ba bên giữa môi trường, bao bì và sản phẩm. AP có thể hấp thụ các chất có hại từ thực phẩm vào bên trong bao bì hoặc thải ra một số hợp chất hoạt động có thể ức chế sự phát triển của vi khuẩn vào thực phẩm được bảo quản bên trong.
Ngoài ra AP còn giúp thực phẩm tránh khỏi những tác động xung quanh và điều kiện môi trường như sự biến đổi của độ ẩm, phản ứng của các enzyme, hiện tượng hóa nâu, oxy hóa chất béo từ những tác động vật lý, hóa lý và vi sinh vật gây nên. Từ những lý do đó AP đóng một vai trò quan trọng trong việc đóng gói và bảo quản thực phẩm tươi sống, chẳng hạn như trái cây, rau, các sản phẩm từ sữa, thịt và các sản phẩm từ thịt [4, 5]. Các hợp chất có hoạt tính có thể là chất chống hóa nâu, chất tạo màu, hương vị, chất dinh dưỡng, gia vị, hợp chất kháng khuẩn hoặc chống oxy hóa và chúng có thể có nguồn gốc tự nhiên hoặc tổng hợp. Butylated hydroxyanisole (BHA), butylated hydroxytoluene (BHT), propyl gallate (PG) và tertbutyl hydroquinone (TBHQ) là những hợp chất tổng hợp phổ biến được sử dụng trong bao bì thực phẩm hoạt tính.
Tuy nhiên gần đây, người ta quan tâm nhiều hơn đến các hợp chất có nguồn gốc tự nhiên vì một số chất chống oxy hóa tổng hợp có liên quan đến những ảnh hưởng xấu đến sức khỏe. Các hợp chất có nguồn gốc tự nhiên thường được sử dụng bao gồm tinh dầu, chiết xuất thực vật và gia vị, và men vi sinh [6].2 Màng bao thực phẩm bổ sung tinh dầu Tinh dầu (EO) với các thuộc tính kháng khuẩn là một chất bổ sung có hoạt tính sinh học đầy hứa hẹn cho sự phát triển của màng bao hoạt tính. Tinh dầu là chất có áp suất hơi cao, có khả năng tiếp cận với mầm bệnh thông qua pha lỏng và pha khí. Sự bay hơi của tinh dầu bị ảnh hưởng bởi các yếu tố bên ngoài như nhiệt độ, độ ẩm, nồng độ và áp suất.
Thành phần hoá học của EO là hỗn hợp các chất dễ bay hơi có nhiều dạng hoá học khác nhau bao gồm alcohol, acid, ester, aldehyde, ketone, amide, phenol,. nhưng chủ yếu là terpene, terpenoid, các phenol thơm đóng vai trò chính trong thành phần của EO [7]. Ưu điểm của tinh dầu là chúng có rất ít hoặc không có tác dụng phụ so với phụ gia tổng hợp. EOs được công nhận là chất thay thế cho các chất chống vi trùng tổng hợp trong ngành công nghiệp thực phẩm và cho thấy một tương lai đầy hứa hẹn.
Quan trọng nhất, việc sử dụng các loại tinh dầu được Cơ quan Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ (FDA) công nhận là an toàn [8]. Ngoài ra EO tự nhiên là những chất kỵ nước thường không thể trộn lẫn với các dung dịch tạo màng do sự kết tụ của các giọt dầu hoặc sự phân tách pha trong quá trình sấy khô màng. Tính không trộn lẫn của của các chất này dẫn đến cấu trúc màng không đồng nhất và tính chất vật lý kém [9]. Do đó các chất nhũ hoá được sử dụng đồng thời với EO để đảm bảo sự phân bố đồng đều của các giọt dầu trong màng.
Trước đây màng và lớp phủ tinh dầu hoạt tính thường chỉ có một thành phần để tạo màng. Tuy nhiên vài năm trở lại đây có rất nhiều bài báo khoa học, nghiên cứu đã triển khai kết hợp hai hay nhiều thành phần nguyên liệu làm màng có thể ăn được để tạo màng phức hợp với mục đích làm cho màng tổng thể có những đặc tính, tính chất vượt trội hơn so với với màng chỉ sử dụng một thành phần nguyên liệu. Một số công trình nghiên cứu có thể kể đến như sau: Nooshin Noshirvani (2017) [10] đã khảo sát ảnh hưởng của tinh dầu quế và gừng đến một số tính chất sinh học, vật lý và hóa lý của màng chitosan - carboxymethyl cellulose được nhũ hóa bằng axit oleic. Kết quả cho thấy cả hai EO đều làm giảm tính thấm hơi nước của các màng hoạt tính, với hiệu quả giảm cao hơn đối với quế.
Kết quả là góc tiếp xúc 6 với nước được cải thiện 36–59% đối với màng gừng và 65–93% đối với màng quế, tùy thuộc vào nồng độ EO. Về tính chất cơ học, nồng độ cao nhất của EOs giúp cải thiện độ giãn dài lần lượt là 328% và 111% với quế và gừng. Hossein Haghighi và cộng sự (2019) đã tính hành khảo sát các đặc tính vật lý, cơ học, tính thấm nước và kháng khuẩn của màng hỗn hợp chitosan-gelatin được kết hợp với EO của quế, sả, đinh hương hồng, nhục đậu khấu và cỏ xạ hương. Kết quả cho thấy các màng hoạt tính ức chế sự phát triển của bốn mầm bệnh vi khuẩn thực phẩm chính bao gồm Campylobacter jejuni, Escherichia coli, Listeria monocytogenes và Salmonella typhimurium, trong số các EO được thử nghiệm, cỏ xạ hương là hiệu quả nhất.
Màng tinh dầu hoạt tính có thể được coi là rào cản hiệu quả chống lại tia UV. Sự kết hợp của EO với màng chitosan-gelatin làm tăng độ dày, độ ẩm, tính thấm hơi nước và làm giảm giá trị độ trong và độ mờ của ánh sáng. Augustine Amalraj và các cộng sự (2020) [11] đã nghiên cứu màng tổng hợp sinh học dựa trên chitosan (CS), gum arabic (GA) và polyetylen glycol (PEG) kết hợp với tinh dầu tiêu đen (BPEO) và tinh dầu gừng (GEO) được chế tạo bằng phương pháp đúc dung môi. Các màng CS/GA/PEG được kết hợp với BPEO và GEO cho thấy hoạt tính kháng khuẩn cao đối với Bacillus cereus , Staphylococcus aureus , Escherichia coli và Salmonella typhimuriu.
Các kết quả thu được đã chứng minh rằng cả màng CS/GA/PEG được tích hợp BPEO và GEO đều là những lựa chọn thay thế đầy hứa hẹn cho vật liệu đóng gói thực phẩm và băng vết thương.3 Hoạt tính của màng bao thực phẩm bổ sung tinh dầu 1.1 Khả năng chống oxy hoá Chất chống oxy hoá thường là các chất khử giúp trung hoà các chất không ổn định được gọi là các gốc tự do phát triển dưới dạng hoạt động chứa oxygen (reactive oxygen species – ROS). Sự tương tác, sản xuất, tích tụ các gốc oxy hoá tự do và ROS liên quan như anion superoxide, các gốc hydroxyl và hydro peroxide dẫn đến hiện tượng stress oxy hoá, làm tổn thương màng tế bào và các bộ phận khác của tế bào [12]. 7 Một số nghiên cứu đã tiết lộ rằng EO là nguồn chất chống oxy hóa tự nhiên với nhiều phương thức hoạt động như ngăn chặn khởi đầu chuỗi, thu dọn gốc tự do, chất khử, chấm dứt peroxit, ngăn chặn sự hấp thụ hydro tiếp tục cũng như dập tắt sự hình thành oxy nhóm đơn và liên kết các chất xúc tác ion kim loại chuyển tiếp [13]. Một trong những phương pháp in vitro được sử dụng để đánh giá hoạt động chống oxy hoá là phương pháp hấp thụ gốc tự do 2,2’- azinobis (3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonate) (ABTS•+).
Đây là các phương pháp nhanh, đơn giản và được sử dụng rộng rãi để xác định sự có mặt của các chất chống oxy hóa trong một hệ thống xác định. Cation gốc tự do ABTS•+ được tạo ra bằng cách hoạt hóa metmyoglobin với hydroperoxide khi có mặt acid ABTS. Sau đó, chất chống oxy hóa được thêm vào để bắt giữ cation gốc tự do ABTS•+, dẫn đến sự giảm độ hấp thụ của dung dịch [14]. Cơ chế phản ứng của ABTS•+ và chất chống oxy hoá được biết đến như hình 1.
1 Cơ chế tạo thành gốc tự do cation ABTS•+ và phản ứng của gốc tự do với chất chống oxy hoá 8 1.2 Khả năng kháng khuẩn Khả năng kháng khuẩn của EO liên quan đến các chất chuyển hóa thứ cấp, phần lớn trong số đó là terpen (đặc biệt là monoterpene) có chứa các dẫn xuất oxy hóa và các hợp chất khác, chẳng hạn như hydrocacbon, ete, rượu, este của axit aliphatic và phenolic. Các hợp chất phenolic thực hiện các hoạt động kháng khuẩn của chúng bằng nhiều cơ chế khác nhau và chúng được liệt kê dưới đây: [15] (i) Liên kết bám dính giữa mầm bệnh và hợp chất phenolic. (ii) Liên kết protein và thành tế bào của mầm bệnh với các hợp chất phenolic dẫn đến vô hiệu hóa enzyme. (iii) Xen kẽ vào thành tế bào và/hoặc DNA trong quá trình bất hoạt mầm bệnh 1.4 Các nguyên liệu sản xuất màng bổ sung tinh dầu Các vật liệu được sử dụng để sản xuất bao bì hoạt tính ăn được nói chung và màng tinh dầu nói riêng phải phù hợp với con người, không độc hại và có khả năng vận chuyển các hợp chất hoạt tính.
Các polyme thường được sử dụng là các polysaccharide, protein, lipid.1 Polysaccharide Polysaccharide là thành phần không gây hại cho sức khỏe và con người có thể ăn được, chúng có nhiều trong tự nhiên. Trong polysaccharide có mặt các nhóm hydroxyl tự do và sẽ tạo liên kết hydro với các chất được thêm vào. Ưu điểm chính của polysaccharides là sự phong phú, sẵn có, chi phí thấp, không độc hại và có khả năng xử lý nhiệt [16]. Tuy nhiên màng nền polysaccharide ưa nước nên tính toàn vẹn của bao bì sẽ giảm trong điều kiện độ ẩm cao.
Màng nền polysaccharide có thể được cải thiện bằng cách thêm một số chất ưa béo như là sáp hay dầu,.và bổ sung thêm các chất chống vi khuẩn và chất chống oxy hóa vào vật liệu đóng gói có thể làm giảm quá trình nhanh chín hay hư hỏng của sản phẩm thực phẩm và tăng thời gian sử dụng [17]. Polysaccharide có thể được chia thành nhiều loại dựa vào nguồn gốc từ động vật, thực vật và vi sinh vật. Một số polysaccharides thường được sử dụng là tinh bột, aligante, carrageenan, carbonxymethyl cellulose, gum arabic, chitosan, pectin và xanthangum. 9 Gum là các polysaccharide được tạo ra từ nhiều đơn vị đường đơn được gọi là monosaccharide, chúng được liên kết với nhau bằng liên kết glycoside để tạo thành các phân tử lớn hơn.