Tổng quan luận án

Công trình luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Công nghệ Thực phẩm của nghiên cứu sinh Lương Hùng Tiến, thực hiện tại Viện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội dưới sự hướng dẫn của PGS. Hồ Phú Hà và GS. Ngô Xuân Bình (cùng sự hỗ trợ chuyên môn về vật liệu nano của PGS. Mai Anh Tuấn), mang tên: "Nghiên cứu tạo chế phẩm chitosan – Nano Bạc ứng dụng trong bảo quản quả sau thu hoạch" (Hà Nội, 2019).

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Căn cứ theo số liệu của Cục Trồng trọt và Tổng cục Thống kê được trình bày trong luận án, sản xuất cây ăn quả tại Việt Nam năm 2018 đạt diện tích 969,4 nghìn ha, sản lượng trên 9 triệu tấn với kim ngạch xuất khẩu đạt 3,8 tỷ USD (lần đầu tiên vượt kim ngạch xuất khẩu lúa gạo đạt 3,03 tỷ USD) và mục tiêu năm 2019 đạt 1 triệu ha cùng 4,2 tỷ USD. Mặc dù sản lượng và kim ngạch tăng trưởng bình quân khoảng 10%/năm, tỷ lệ tổn thất sau thu hoạch đối với rau quả tươi tại Việt Nam vẫn duy trì ở mức cao, dao động từ 25% đến 30% giá trị sản lượng. Nguyên nhân trực tiếp là do rau quả có hàm lượng nước cao, dễ bị vi sinh vật xâm nhiễm và gây thối hỏng trong điều kiện công nghệ sau thu hoạch còn hạn chế.

Các phương pháp bảo quản quả tươi hiện có tồn tại những giới hạn kỹ thuật nhất định: phương pháp xử lý nhiệt đòi hỏi năng lượng và nhân công lớn; phương pháp hóa chất (như sử dụng Benomyl, Carbendazim, Topxin-M, xông SO2) tiềm ẩn nguy cơ tồn dư độc hại, khó đáp ứng các tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm khắt khe; trong khi công nghệ khí quyển kiểm soát (CA) hay khí quyển biến đổi (MA) đòi hỏi đầu tư trang thiết bị phức tạp.

Về mặt vật liệu sinh học, chitosan (polyme tự nhiên thu nhận từ phế liệu giáp xác) có đặc tính tạo màng bán thấm điều chỉnh trao đổi khí, kiểm soát hô hấp và bay hơi nước nhưng hiệu lực ức chế vi sinh vật đơn độc chưa đủ mạnh để bảo quản lâu dài trong thực tế. Ngược lại, nano bạc (AgNPs) sở hữu hoạt tính kháng vi sinh vật phổ rộng ở nồng độ rất thấp (khoảng 5 ppm đã có thể ức chế vi khuẩn đến 99%). Luận án xác định khoảng trống nghiên cứu trọng tâm: Tại Việt Nam, các nghiên cứu trước đây chủ yếu khảo sát riêng rẽ chitosan hoặc nano bạc; chưa có công trình nào nghiên cứu một cách hệ thống quy trình phối trộn phức hợp màng chitosan – nano bạc nhằm tích hợp khả năng tạo màng sinh học và hiệu lực kháng khuẩn/kháng nấm để ứng dụng trên các loại quả đặc thù có giá trị kinh tế cao như vải thiều Lục Ngạn, cam sành Hà Giang và bưởi Diễn.

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Nghiên cứu tạo ra chế phẩm chitosan – nano bạc có khả năng ứng dụng trong công nghệ thực phẩm, đồng thời đánh giá khả năng kháng các chủng vi sinh vật gây bệnh và gây hư hỏng thực phẩm điển hình.
  2. Nghiên cứu ứng dụng chế phẩm chitosan – nano bạc trong bảo quản quả sau thu hoạch (vải thiều, cam sành, bưởi Diễn), hướng tới việc ứng dụng chế phẩm nhằm kéo dài thời gian tồn trữ, bảo đảm vệ sinh an toàn thực phẩm và chất lượng cảm quan của nông sản.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu chính:
    • Chitosan thu nhận từ phế liệu vỏ tôm sú (Penaeus monodon) và các chế phẩm chitosan tinh sạch (CA1, CA2).
    • Dung dịch keo nano bạc tổng hợp bằng phương pháp hóa học sử dụng tác nhân khử Trisodium citrate (TSC).
    • Chế phẩm phức hợp chitosan – nano bạc ở các tỷ lệ phối trộn khác nhau.
    • Các chủng vi sinh vật kiểm định: Vi khuẩn Gram âm (Escherichia coli ATCC 25922, Salmonella enterica subsp. enterica Typhimurium ATCC 14028), vi khuẩn Gram dương (Staphylococcus aureus ATCC 25923, Bacillus cereus ATCC 13061, Lactobacillus plantarum NCDN4); nấm men (Saccharomyces cerevisiae CK S102, Saccharomyces BM, Pichia sp.); nấm mốc (Aspergillus niger D15, Penicillium digitatum, Penicillium expansum, Alternaria sp.).
    • Nông sản khảo sát: Quả vải thiều Lục Ngạn (Bắc Giang), quả cam sành Hà Giang và quả bưởi Diễn (Hà Nội).
  • Phạm vi không gian và thời gian:
    • Thời gian thu mẫu nguyên liệu quả thực hiện qua các mùa vụ từ năm 2013 đến năm 2016: Vải thiều thu hoạch từ ngày 15 tháng 6 đến 05 tháng 7; cam sành thu hoạch từ ngày 15 tháng 12 đến 15 tháng 1; bưởi Diễn thu hoạch từ ngày 01 tháng 12 đến 31 tháng 12. Quả thu hái đạt độ chín kỹ thuật 85% – 90% diện tích bề mặt vỏ đổi màu đặc trưng, thời gian từ lúc thu hái đến khi xử lý thí nghiệm không quá 24 giờ.
    • Địa điểm thực nghiệm: Viện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm (Đại học Bách khoa Hà Nội) và Bộ môn Công nghệ Thực phẩm (Trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trong và ngoài nước

Luận án tiến hành tổng quan hệ thống các công trình nghiên cứu xoay quanh 4 trục nội dung chính:

  1. Nghiên cứu sản xuất và tinh sạch chitosan:

    • Trên thế giới: Các phương pháp tách chiết chitin/chitosan truyền thống bằng hóa học (dùng axit khử khoáng và kiềm khử protein) bộc lộ nhược điểm tiêu tốn năng lượng và gây ô nhiễm môi trường. Xu hướng sinh học sử dụng enzyme protease (trypsin, papain, pepsin, alcalase) hoặc lên men vi khuẩn lactic đã được công bố bởi Rao và Stevens (2006) khi sử dụng Lactobacillus có thể khử 81,6% protein và 59,8% khoáng.
    • Tại Việt Nam: Các nghiên cứu tách chiết chitin, chitosan bắt đầu từ năm 1978 tại Đại học Thủy sản Nha Trang, tiếp đó là công trình của Nguyễn Văn Ngoạn và cộng sự (1993 - 1995), Trần Thị Luyến và cộng sự (sử dụng lên men vi khuẩn lactic khử được 61% protein và 43% khoáng), Lê Thanh Hà và cộng sự (Trường Đại học Bách khoa Hà Nội), cùng các nghiên cứu gần đây của Nguyễn Thị Minh Nguyệt và cộng sự.

  2. Đặc tính kháng vi sinh vật và ứng dụng của chitosan:

    • Hoạt tính kháng khuẩn của chitosan chịu ảnh hưởng bởi trọng lượng phân tử, độ deacetyl hóa (DDA), pH và nhiệt độ. Simpson và cộng sự chứng minh chitosan có DDA 92,5% đạt hiệu quả kháng khuẩn cao hơn mức 85%. Tsai và Su (1999) xác định chitosan kháng khuẩn tối ưu ở pH 5,0 và hiệu lực giảm mạnh ở pH 7,0-9,0. Bautista-Baños và cộng sự (2004) ghi nhận chitosan ức chế sự phát triển của sợi nấm và nảy mầm bào tử Fusarium, Penicillium, Rhizopus.
    • Ứng dụng màng chitosan trên quả tươi được công bố bởi Krishna và Rao (2014) trên quả ổi; tại Việt Nam có Nguyễn Bích Thủy và cộng sự (2008) bảo quản chanh tươi 30 ngày, Trần Thị Thu Huyền và Nguyễn Thị Bích Thủy (2011) bảo quản nhãn 20 ngày ở 10°C với màng chitosan 2%.

  3. Tổng hợp và đặc tính kháng khuẩn của nano bạc:

    • Turkevich và cộng sự (1951) thiết lập phương pháp khử ion bạc từ bạc nitrat bằng natri citrat. Nghiên cứu sinh tổng hợp nano bạc qua vi khuẩn Pseudomonas stutzeri, Klebsiella pneumoniae (kích thước 5-32 nm) hay vi nấm (Verticillium, Fusarium oxysporum, Aspergillus fumigatus, Trichoderma asperellum) được điểm lại chi tiết.
    • Khả năng kháng vi sinh vật của nano bạc đối với E. coli, S. aureus, P. aeruginosa và vi nấm gây bệnh thực vật như A. niger, Sclerotium rolfsii, Rhizoctonia bataticola được chứng minh qua các công trình của Jolanta và cộng sự (2013), Papaiah và cộng sự (2013).
    • Tại Việt Nam: Nguyễn Đức Nghĩa và cộng sự (2001) chế tạo hạt nano bạc kích thước 4-7 nm; Lê Anh Tuấn và cộng sự (2010), Nguyễn Thị Mỹ Lan và cộng sự (2009), Trương Thu Hiền và Nguyễn Như Lâm (2009) khảo sát nồng độ diệt khuẩn tối thiểu của nano bạc.

  4. Công nghệ bảo quản sau thu hoạch đối với vải, cam và bưởi:

    • Kobkiat và cộng sự khảo sát xử lý nhiệt 37-55°C; Ramma và cộng sự (2014) kết hợp SO2 và HCl 3% duy trì màu vỏ vải; Joas và cộng sự kết hợp axit citric và chitosan 1% ở pH 0,8; Zhang và Quantick sử dụng chitosan phối hợp axit glutamic.
    • Tại Việt Nam: Đại học Nông Lâm Thái Nguyên phối hợp với Israel (2005) bảo quản vải Lục Ngạn bằng màng PE đục lỗ và xử lý lạnh (15-20 ngày); màng BQF-15 kết hợp MAP bảo quản cam sành (2-3 tháng); Nguyễn Phan Thiết và Nguyễn Thị Bích Thủy (2012) xử lý 1-MCP 600 ppm cho quả vải; Viện Nghiên cứu Rau quả (2003) bảo quản vải trên 1 tháng ở 4°C; Viện Cây ăn quả miền Nam và Đại học Cần Thơ bảo quản cam bằng chitosan 0,25% kết hợp bao PE đục lỗ ở 12°C đạt 8 tuần; Viện Cơ điện Nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch sử dụng màng sáp Carnauba và PE bảo quản bưởi Đoan Hùng.

Vị trí và khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Luận án định vị nghiên cứu tại điểm giao thoa giữa công nghệ vật liệu nano và công nghệ chế biến – bảo quản sau thu hoạch. Luận án giải quyết toàn diện chuỗi mắt xích: từ cải tiến công nghệ sinh học sản xuất chitosan độ tinh sạch cao từ phế liệu tôm sú, kiểm soát các thông số tổng hợp nano bạc bằng tác nhân khử TSC, xác lập công thức phối trộn phức hợp chitosan – nano bạc đạt độ ổn định keo, đến việc tối ưu hóa quy trình tiền xử lý và chế độ bảo quản màng bao cho 3 loại quả vải thiều, cam sành và bưởi Diễn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Cơ chế tác động của màng bao sinh học: Lớp phủ màng chitosan hoạt động như một hệ bao bì khí quyển điều chỉnh (Modified Atmosphere - MA), làm thay đổi tính thấm đối với O2, CO2 và hơi nước, ức chế cường độ hô hấp, làm chậm quá trình già hóa sinh lý và ức chế sự hoạt hóa của enzyme polyphenoloxidase (PPO), peroxidase (PO) gây nâu hóa vỏ quả.
  • Cơ chế kháng vi sinh vật của chitosan: Tương tác tĩnh điện giữa các nhóm amin mang điện tích dương (-NH3+) của chitosan ở môi trường axit (pH < 6,3) với bề mặt tích điện âm của màng tế bào vi sinh vật gây rối loạn tính thấm chọn lọc, làm rò rỉ các thành phần nội bào (ion K+, protein, axit nucleic) và thủy phân peptidoglycan.
  • Cơ chế kháng vi sinh vật của nano bạc: Hạt nano bạc với tỷ diện bề mặt lớn bám dính vào màng tế bào, giải phóng liên tục các ion Ag+. Ion Ag+ tương tác với nhóm sulfhydryl (-SH) và phosphate của các enzyme hô hấp và chuỗi truyền điện tử, vô hiệu hóa enzyme chuyển hóa oxy, đồng thời gắn vào các base của ADN, ức chế quá trình nhân đôi tế bào vi sinh vật.
  • Cơ chế cộng hưởng của phức hợp chitosan – nano bạc: Chuỗi polymer chitosan vừa đóng vai trò chất mang phân tán và ổn định kích thước hạt nano bạc (ngăn ngừa hiện tượng tụ đám), vừa kết hợp hai cơ chế phá hủy màng và vô hiệu hóa chuyển hóa nội bào, nâng cao phổ diệt khuẩn và diệt nấm.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Luận án là công trình nghiên cứu theo hướng thực nghiệm định lượng và phân tích thực chứng trong phòng thí nghiệm và phòng bảo quản:

Nội dung thực nghiệm Phương pháp & Quy trình công nghệ Thiết bị & Kỹ thuật phân tích
Sản xuất chitin và chitosan Lên men sinh học loại protein và khoáng từ phế liệu tôm bằng Lactobacillus plantarum NCDN4; Deacetyl hóa 2 giai đoạn bằng dung dịch NaOH 40% (tỷ lệ 1:10 w/v). Cân phân tích, tủ sấy, lò nung, máy đo độ nhớt.
Tinh sạch chitosan - Quy trình 1 (CA1): Ngâm nước 80°C, hòa tan axit axetic 1%, lọc cặn, kết tủa bằng NaOH 10% (pH 8,0), ly tâm 9000 vòng/phút, sấy đông khô ở -20°C trong 4 ngày.
- Quy trình 2 (CA2): Ngâm nước nhiệt độ thường, hòa axit axetic 1%, kết tủa NaOH 10% (pH 8,0), ly tâm 9000 vòng/phút, sấy đối lưu 50°C trong 1 ngày.		 Máy sấy đông khô, máy sấy chân không, máy ly tâm 9000 rpm.
Tổng hợp nano bạc Khử AgNO3 1 mM (1,6987g AgNO3/100 mL deion) bằng Trisodium citrate (TSC) 1% ở 87°C với 2 tốc độ nhỏ giọt: 10s/giọt (45 phút) và 2,2s/giọt (10 phút). Bếp khuấy từ gia nhiệt, bình cầu đáy tròn, máy đo UV-vis.
Đặc trưng hóa cấu trúc Khảo sát hình thái, kích thước hạt và hiệu ứng cộng hưởng Plasmon bề mặt. Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), kính hiển vi điện tử quét (SEM), quang phổ hấp thụ tử ngoại - khả biến (UV-vis).
Khảo sát hoạt tính kháng vi sinh vật Xác định nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) và nồng độ diệt nấm tối thiểu (MFC) bằng phương pháp đối kháng trực tiếp trong dịch lỏng và khuếch tán đĩa thạch trên môi trường LB, MRS, PDA, PDB, MP, Hansen. Tủ ấm vi sinh, tủ lắc ổn nhiệt, máy đo mật độ quang (OD).
Theo dõi chất lượng quả bảo quản Đánh giá theo thời gian: Tỷ lệ hao hụt khối lượng tự nhiên; Tỷ lệ thối hỏng (%); Hàm lượng chất khô hòa tan tổng số (TSS, °Bx); Hàm lượng đường tổng số (%); Hàm lượng axit hữu cơ tổng số (%); Biến đổi màu sắc vỏ quả (hệ chỉ số L*, a*, b*). Chiết quang kế REF-513, máy quang phổ so màu Colorlite (Đức), phương pháp chuẩn độ trung hòa (axit tổng).
Đánh giá an toàn thực phẩm Xác định dư lượng bạc (mg/kg) bám dính trên vỏ và xâm nhập vào cùi/thịt quả sau các khoảng thời gian bảo quản. Phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử ngọn lửa (AAS).
Xử lý số liệu Phân tích phương sai một nhân tố và nhiều nhân tố (ANOVA) để so sánh ý nghĩa thống kê giữa các công thức thí nghiệm. Phần mềm thống kê chuyên dụng.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương 1 (27 trang) tập trung hệ thống hóa cơ sở lý luận và các thành tựu nghiên cứu về:

  • Cấu trúc hóa học của chitosan (polyme tuyến tính cấu thành từ các đơn vị 2-amino-2-deoxy-β-D-glucosamine nối với nhau qua liên kết β-(1,4)-glucoside); các thông số vật lý (độ nhớt, khối lượng phân tử từ 100.000 đến 1.200.000 Da, độ hòa tan trong axit ở pH < 6,0); tính chất sinh học (không độc, LD50 = 16 g/kg thể trọng).
  • Các lý thuyết vật lý về vật liệu nano bạc: Cấu hình electron (1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 5s1), bán kính nguyên tử (0,288 nm), hiệu ứng cộng hưởng Plasmon bề mặt với phổ hấp thụ cực đại trong dải 400 - 460 nm, mối tương quan giữa kích thước hạt và tỷ số nguyên tử bề mặt (hạt đường kính 1 nm có tỷ số nguyên tử bề mặt đạt 90% và năng lượng bề mặt 9,23×10^12 erg/mol; hạt 10 nm có tỷ số 20% và năng lượng 4,08×10^11 erg/mol).
  • Phân tích sinh lý sau thu hoạch của 3 loại quả: Vải (Litchi sinensis Sonn.) là quả hô hấp đột biến, vỏ mỏng nhiều tannin dễ bị enzyme PPO và PO oxy hóa gây nâu hóa nhanh, sản sinh ethylen nội sinh kích thích già hóa; Cam sành (Citrus sinensis Osbeck) và Bưởi Diễn (Citrus grandis (L.) Osbeck) là quả hô hấp không có đỉnh biến, dễ bị tấn công bởi nấm mốc (Penicillium digitatum, Penicillium italicum, Galactomyces geotrichum, Alternaria sp.) và mất nước qua các tổn thương cơ học vỏ quả.

Chương 2: Vật liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 (15 trang) mô tả chi tiết nguồn gốc vật liệu, thông số thiết bị và các quy trình công nghệ chuẩn hóa:

  • Thông số công nghệ sản xuất chitosan thô bằng phương pháp sinh học: Lên men phế liệu tôm sú 4 ngày ở 30°C với L. plantarum NCDN4, pH dịch lên men biến đổi từ 6,0 về 4,5; xử lý deacetyl hóa bã chitin bằng NaOH 40% (tỷ lệ 10:1 v/w) trong 4,5 giờ thu được chitosan thô có độ DDA đạt 89%.
  • Chi tiết hai quy trình công nghệ tinh sạch chitosan tạo ra hai dòng chế phẩm: CA1 (sử dụng kỹ thuật ngâm nước nóng 80°C và sấy đông khô ở -20°C trong 4 ngày) và CA2 (sử dụng kỹ thuật ngâm nước thường và sấy đối lưu 50°C trong 1 ngày).
  • Phương pháp tổng hợp hạt nano bạc từ dung dịch AgNO3 1 mM khử bằng trisodium citrate 1% ở nhiệt độ kiểm soát 87°C, so sánh hai chế độ nhỏ dịch 10s/giọt (tổng thời gian 45 phút) và 2,2s/giọt (tổng thời gian 10 phút).
  • Quy trình bố trí thí nghiệm bảo quản quả: Thiết lập các công thức nồng độ phức hợp chitosan – nano bạc (chế phẩm CT3 và các biến thể), khảo sát ảnh hưởng của các chế độ tiền xử lý (rửa, xử lý nhiệt, nhúng chế phẩm), so sánh môi trường bảo quản ở nhiệt độ thường (20 - 25°C) và nhiệt độ lạnh (3 - 5°C đối với vải, 10 - 12°C đối với cam và bưởi).

Chương 3: Kết quả và thảo luận

Chương 3 (69 trang) là chương trọng tâm trình bày các số liệu và phân tích thực nghiệm:

  • Cải tiến sản xuất chitosan tinh khiết: Chitin thu từ phương pháp sinh học có hàm lượng tro và protein dư thấp. Quá trình deacetyl 2 giai đoạn tạo ra sản phẩm chitosan có độ DDA cao (đạt 89%). Chế phẩm CA1 (sấy đông khô) có độ xốp cao, hòa tan nhanh trong dung dịch axit loãng; chế phẩm CA2 (sấy đối lưu) có độ nén cao hơn nhưng duy trì độ nhớt ổn định.
  • Đặc trưng keo nano bạc: Khảo sát nhiệt độ phản ứng cho thấy ở 87°C, dung dịch keo nano bạc có màu vàng sậm đặc trưng, phổ UV-vis ghi nhận đỉnh hấp thụ đối xứng tại bước sóng khoảng 420 nm chứng minh sự tạo thành hạt đồng đều; ảnh chụp SEM và TEM xác nhận các hạt nano bạc có dạng hình cầu, đường kính phân bố đồng nhất trong dải kích thước nano mét, không bị kết tụ khi nhỏ dịch TSC ở tốc độ 10s/giọt trong 45 phút.
  • Hoạt tính kháng vi sinh vật in vitro:
    • Chitosan CA1 và CA2 thể hiện hoạt tính ức chế rõ rệt đối với vi khuẩn (E. coli, S. aureus, B. cereus) và nấm mốc (A. niger D15). Khả năng kháng khuẩn phụ thuộc mạnh vào pH môi trường (kháng tốt nhất ở pH đệm 5,0).
    • Dung dịch nano bạc nồng độ thấp (5 - 50 ppm) thể hiện hoạt tính ức chế mạnh đối với E. coli, Salmonella, nấm men Saccharomyces và nấm mốc gây thối cuống quả.
    • Phức hợp chitosan – nano bạc (công thức CT3) cho thấy hiệu ứng kháng khuẩn và diệt nấm hiệp đồng vượt trội, giảm rõ rệt nồng độ MIC và MFC so với khi dùng từng cấu tử riêng lẻ.
  • Kết quả ứng dụng bảo quản trên quả tươi:
    • Quả vải thiều Lục Ngạn: Xử lý bằng màng bao phức hợp chitosan – nano bạc kết hợp bảo quản lạnh (3 - 5°C) giúp duy trì màu sắc đỏ tươi của vỏ quả (hạn chế sự giảm chỉ số L*, a* sau 7 ngày), làm chậm tốc độ suy giảm chất khô hòa tan (TSS) và axit hữu cơ tổng số, khống chế mật độ bào tử nấm men – nấm mốc trên bề mặt, kéo dài thời gian bảo quản thương phẩm lên 25 - 30 ngày (so với 3 - 5 ngày ở mẫu đối chứng không xử lý).
    • Quả cam sành Hà Giang: Chế phẩm tạo màng giúp giảm tỷ lệ thối hỏng do mốc xanh, mốc xám, giảm tỷ lệ hao hụt khối lượng tự nhiên do bay hơi nước, duy trì hàm lượng đường tổng số và vitamin, kéo dài thời gian tồn trữ thương phẩm đạt từ 60 đến 90 ngày.
    • Quả bưởi Diễn: Màng bao ức chế quá trình hô hấp và nấm bệnh thối cuống, duy trì độ cứng vỏ, ổn định chỉ số màu sắc L*, a*, b* và chất lượng tép bưởi sau 90 ngày bảo quản.
    • Đánh giá an toàn thực phẩm: Kết quả phân tích phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) ghi nhận dư lượng bạc trên cùi thịt quả vải, cam, bưởi sau các thời gian bảo quản đều nằm ở mức an toàn, không vượt quá giới hạn quy định vệ sinh an toàn thực phẩm.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới của luận án

  1. Đóng góp mới về mặt khoa học:
    • Hoàn thiện cơ sở khoa học về việc kết hợp polyme sinh học chitosan và vật liệu nano bạc tạo ra hệ phân tán keo composite có tính ổn định cao, phát huy hiệu ứng hiệp đồng kháng khuẩn và kháng nấm phổ rộng đối với các chủng vi sinh vật gây thối hỏng quả điển hình (E. coli, S. aureus, A. niger, Penicillium sp.).
    • Làm sáng tỏ các biến đổi hóa lý, sinh lý (cường độ hô hấp, hàm lượng TSS, đường tổng số, axit hữu cơ, sắc tố vỏ quả) và động thái phát triển của hệ vi sinh vật bề mặt trên vải thiều, cam sành và bưởi Diễn khi được bao bọc bởi màng mỏng chitosan – nano bạc.
  2. Đóng góp mới về mặt thực tiễn:
    • Là công trình nghiên cứu hoàn chỉnh đầu tiên tại Việt Nam thiết lập quy trình công nghệ tạo chế phẩm chitosan – nano bạc ứng dụng thành công trong bảo quản sau thu hoạch cho 3 loại quả chủ lực: vải thiều Lục Ngạn, cam sành Hà Giang và bưởi Diễn.
    • Xây dựng thành công các quy trình công nghệ bảo quản quả tươi ở quy mô thực nghiệm: kéo dài thời gian bảo quản vải thiều đạt 25 - 30 ngày (ở 3 - 5°C); kéo dài thời gian bảo quản cam sành Hà Giang và bưởi Diễn đạt từ 60 đến 90 ngày, đáp ứng mục tiêu thương mại phục vụ tiêu thụ trái vụ và dịp Tết Nguyên đán.
    • Chứng minh tính an toàn sinh học của chế phẩm thông qua việc kiểm soát định lượng dư lượng bạc bằng phổ AAS trên vỏ và cùi quả, khẳng định sản phẩm bảo quản an toàn cho sức khỏe người tiêu dùng.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Đề xuất áp dụng quy trình sản xuất chitin/chitosan bằng phương pháp sinh học (lên men lactic phế liệu tôm) tại các nhà máy chế biến thủy sản nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tạo nguồn nguyên liệu polyme sạch, giá thành hạ.
  • Đề xuất triển khai áp dụng quy trình bao màng chitosan – nano bạc tại các vùng chuyên canh vải thiều Bắc Giang, cam sành Hà Giang và bưởi Diễn Hà Nội kết hợp với chuỗi cung ứng lạnh sau thu hoạch.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của nghiên cứu:
    • Quy mô khảo nghiệm bảo quản mới dừng lại ở quy mô phòng thí nghiệm và bán pilot thực nghiệm; chưa khảo sát đầy đủ trên dây chuyền công nghiệp tự động hóa liên hoàn sau thu hoạch.
    • Đối tượng nghiên cứu tập trung vào 3 loại quả đặc thù miền Bắc (vải, cam, bưởi); các biến số về độ chín và điều kiện khí hậu qua từng năm mùa vụ có biên độ dao động nhất định.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:
    • Nghiên cứu mở rộng ứng dụng chế phẩm chitosan – nano bạc trên các đối tượng rau củ quả xuất khẩu khác của Việt Nam (như thanh long, xoài, chuối, chôm chôm).
    • Khảo sát sâu hơn về động học giải phóng ion bạc từ màng bao qua các lớp biểu bì thực vật trong điều kiện biến đổi ẩm độ và nhiệt độ vận chuyển thương mại đường dài.
    • Tối ưu hóa quy mô sản xuất công nghiệp cho chế phẩm tạo màng nhằm hạ giá thành thương mại hóa.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu trong các chuyên ngành Công nghệ Thực phẩm, Công nghệ Sau thu hoạch, Công nghệ Sinh học và Khoa học Vật liệu Nano; cung cấp phương pháp luận thực nghiệm chuẩn xác về tổng hợp hạt nano kim loại, biến tính polyme sinh học và kỹ thuật phân tích chất lượng nông sản.
  • Đối với các doanh nghiệp chế biến thủy sản và bảo quản nông sản: Công trình cung cấp giải pháp kỹ thuật cụ thể để tận thu phụ phẩm vỏ tôm sú thành chitosan có giá trị gia tăng cao, đồng thời chuyển giao quy trình kỹ thuật bao màng an toàn sinh học thay thế các hóa chất bảo quản tổng hợp độc hại.
  • Đối với các cơ quan quản lý nông nghiệp và chính sách: Cung cấp cơ sở dữ liệu thực nghiệm phục vụ việc xây dựng quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về ứng dụng vật liệu nano trong bảo quản nông sản thực phẩm tươi sống.

Câu hỏi thường gặp

1. Quy trình tinh sạch chitosan CA1 và CA2 trong luận án khác nhau ở những điểm công nghệ nào?

Chitosan thô (DDA 89%) sản xuất từ phế liệu tôm bằng phương pháp sinh học được tinh sạch theo hai quy trình:

  • Chế phẩm CA1: Chitosan thô được ngâm trong nước nóng 80°C, hòa tan hoàn toàn trong axit axetic 1%, lọc cặn, kết tủa lại bằng dung dịch NaOH 10% đến pH 8,0. Kết tủa được rửa tới trung tính, ly tâm ở tốc độ 9000 vòng/phút và làm khô bằng phương pháp sấy đông khô ở nhiệt độ -20°C trong 4 ngày đến khối lượng không đổi.
  • Chế phẩm CA2: Chitosan thô được ngâm trong nước ở nhiệt độ thường, hòa tan trong axit axetic 1%, lọc bỏ tạp chất, kết tủa bằng NaOH 10% đến pH 8,0, rửa trung tính, ly tâm 9000 vòng/phút và làm khô bằng phương pháp sấy đối lưu ở 50°C trong 1 ngày.

2. Các thông số tối ưu để tổng hợp dung dịch keo nano bạc đạt kích thước đồng đều trong luận án là gì?

Luận án chuẩn bị dung dịch AgNO3 nồng độ 1 mM (hòa tan 1,6987g AgNO3 trong 100 mL nước khử ion). Quá trình tổng hợp được tiến hành bằng cách lấy 45 mL AgNO3 1 mM, gia nhiệt ổn định trên máy khuấy từ đến nhiệt độ 87°C, sau đó nhỏ dần từng giọt chất khử Trisodium citrate (TSC) nồng độ 1% cho đến hết 5 mL với tốc độ nhỏ dịch 10 giây/giọt (0,02 mL/giọt), tương ứng tổng thời gian nhỏ dịch là 45 phút. Dung dịch keo thu được có màu vàng sậm, đạt đỉnh hấp thụ quang UV-vis đối xứng tại vùng 420 nm, các hạt nano phân bố hình cầu đồng đều và không bị kết tụ.

3. Hiệu quả kéo dài thời gian bảo quản của chế phẩm chitosan – nano bạc trên quả vải, cam và bưởi đạt được cụ thể là bao nhiêu ngày?

  • Quả vải thiều Lục Ngạn: Kéo dài thời gian bảo quản thương phẩm lên 25 – 30 ngày khi kết hợp màng bao và nhiệt độ lạnh 3 – 5°C (giữ màu sắc vỏ đỏ tươi, hạn chế hiện tượng nâu hóa do PPO).
  • Quả cam sành Hà Giang: Kéo dài thời gian bảo quản đạt từ 60 đến 90 ngày (2 – 3 tháng), kiểm soát thối hỏng do vi nấm và duy trì hàm lượng dịch quả.
  • Quả bưởi Diễn: Kéo dài thời gian bảo quản đạt 90 ngày (3 tháng) ở nhiệt độ thường và mát, giữ vững chất lượng tép bưởi và hạn chế hao hụt khối lượng tự nhiên.

4. Luận án đã kiểm tra và kết luận như thế nào về độ an toàn dư lượng của nano bạc trên quả sau bảo quản?

Luận án sử dụng phương pháp quang phổ hấp thụ nguyên tử (AAS) để định lượng dư lượng bạc (tính theo mg/kg) trên bề mặt vỏ quả và cùi/thịt quả sau các chu kỳ bảo quản khác nhau. Kết quả phân tích cho thấy màng chitosan hoạt động như một khung giữ các hạt nano bạc trên bề mặt vỏ ngoài, hạn chế tối đa sự khuếch tán vào cùi thịt quả bên trong. Dư lượng bạc xác định được trong phần ăn được của quả đều nằm dưới ngưỡng an toàn theo tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm đối với nông sản tươi sống.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của NCS. Lương Hùng Tiến đã giải quyết trọn vẹn mục tiêu công nghệ trong việc chế tạo thành công chế phẩm phức hợp chitosan – nano bạc đạt hoạt tính kháng khuẩn và kháng nấm vượt trội. Công trình đã làm sáng tỏ cơ chế sinh lý – hóa sinh và thiết lập quy trình bảo quản thực nghiệm hiệu quả cho 3 loại quả có giá trị kinh tế cao của Việt Nam gồm vải thiều Lục Ngạn, cam sành Hà Giang và bưởi Diễn với thời gian tồn trữ kéo dài từ 25 đến 90 ngày. Các kết quả phân tích hóa lý, cảm quan và dư lượng bạc bằng AAS khẳng định chế phẩm có độ an toàn cao, tạo cơ sở khoa học và thực tiễn vững chắc cho việc ứng dụng công nghệ màng bao sinh học nano trong công nghiệp bảo quản nông sản sau thu hoạch.