Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh sản lượng rau quả tại Việt Nam tăng nhanh nhưng vẫn chưa đáp ứng được nhu cầu tiêu dùng và xuất khẩu, vấn đề an toàn thực phẩm trở thành thách thức lớn. Theo Cục An toàn thực phẩm (Bộ Y tế, 2015), trung bình mỗi năm có khoảng 170 vụ ngộ độc thực phẩm, ảnh hưởng đến hơn 7 nghìn người và gây tử vong cho 37 người. Trong đó, việc bảo quản thực phẩm sau thu hoạch đóng vai trò quan trọng nhằm giảm thiểu tổn thất và đảm bảo an toàn cho người tiêu dùng. Nano chitosan, một dạng vật liệu sinh học có kích thước nano, được xem là giải pháp tiềm năng nhờ tính an toàn, thân thiện môi trường và chi phí thấp.

Luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp tạo hạt nano chitosan bằng kỹ thuật tạo gel ion với sodium tripolyphosphate (STPP) dưới sự hỗ trợ của sóng siêu âm và đồng hóa áp lực cao. Mục tiêu chính là khảo sát các điều kiện tạo hạt nano chitosan tối ưu nhằm thu được kích thước hạt nhỏ nhất, đồng thời đánh giá khả năng kháng nấm của nano chitosan trong điều kiện in vitro. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2016 tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.

Kết quả nghiên cứu không chỉ góp phần phát triển quy trình công nghệ sản xuất nano chitosan hiệu quả mà còn mở rộng ứng dụng trong bảo quản thực phẩm, đặc biệt là trong việc kiểm soát sự phát triển của nấm mốc gây hại như Colletotrichum acutatum. Qua đó, nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc nâng cao chất lượng và an toàn thực phẩm, đồng thời hỗ trợ phát triển ngành công nghệ thực phẩm tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết và mô hình nghiên cứu chính:

  1. Lý thuyết tạo gel ion (Ionic Gelation): Phương pháp này dựa trên tương tác tĩnh điện giữa chitosan tích điện dương và polyanion như sodium tripolyphosphate (STPP). Quá trình tạo gel ion giúp hình thành các hạt nano chitosan thông qua liên kết ion giữa nhóm amino (-NH3+) của chitosan và nhóm phosphate (-PO4^3-) của STPP. Đây là phương pháp phổ biến do tính đơn giản, chi phí thấp và khả năng tạo hạt có kích thước nhỏ, phân bố đồng đều.

  2. Ảnh hưởng của sóng siêu âm và đồng hóa áp lực cao: Sóng siêu âm tạo ra các bong bóng khí trong dung dịch, khi vỡ sẽ sinh ra nhiệt độ và áp suất cao, đồng thời tạo các gốc tự do hydroxyl (OH·) giúp cắt mạch chitosan, giảm khối lượng phân tử và kích thước hạt. Đồng hóa áp lực cao hỗ trợ phân tán và giảm kích thước hạt bằng lực cơ học mạnh.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Kích thước hạt nano chitosan: Đường kính trung bình của các hạt nano, ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất và hiệu quả ứng dụng.
  • Khối lượng phân tử (Mw) và độ deacetyl hóa (DDA): Hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến khả năng tạo hạt và kích thước hạt nano.
  • Hoạt tính kháng nấm: Khả năng ức chế sự phát triển của nấm mốc Colletotrichum acutatum trong điều kiện in vitro.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu chitosan thu được từ hai nguồn: Công ty Hùng Tiến (Cần Thơ) và Trường Đại học Thủy sản Nha Trang. Các mẫu được khảo sát về tính chất cơ bản như khối lượng phân tử và độ deacetyl hóa bằng phương pháp sắc ký thẩm thấu gel (GPC) và phổ hồng ngoại (FTIR).

Phương pháp tạo hạt nano chitosan sử dụng kỹ thuật tạo gel ion với STPP, kết hợp sóng siêu âm và đồng hóa áp lực cao. Các yếu tố ảnh hưởng như pH dung dịch chitosan, tỷ lệ chitosan/STPP, công suất và thời gian siêu âm được khảo sát và tối ưu hóa bằng quy hoạch thực nghiệm sử dụng phần mềm JMP 9.0.

Kích thước và phân bố hạt nano được xác định bằng phương pháp tán xạ ánh sáng động học (DLS) và kính hiển vi điện tử quét (FE-SEM) cùng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM). Hoạt tính kháng nấm được đánh giá qua thí nghiệm in vitro với nấm Colletotrichum acutatum trên môi trường PDA, đo đường kính tản nấm và tính tỷ lệ ức chế phát triển.

Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong vòng 6 tháng, từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2016, tại phòng thí nghiệm công nghệ nano và công nghệ thực phẩm của Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của các yếu tố đến kích thước hạt nano chitosan:

    • pH dung dịch chitosan ảnh hưởng rõ rệt đến kích thước hạt, với pH 4 cho kích thước hạt nhỏ nhất khoảng 165.5 nm.
    • Tỷ lệ chitosan/STPP tối ưu là 4:1, giúp tạo hạt có kích thước nhỏ và phân bố đồng đều.
    • Công suất siêu âm 5.85 W/g và thời gian siêu âm 288 giây là điều kiện tối ưu để tạo hạt nano chitosan kích thước nhỏ nhất.

  2. Ảnh hưởng của nguyên liệu chitosan:

    • Chitosan có khối lượng phân tử 57.7 kDa và độ deacetyl hóa 94.3% tạo ra hạt nano kích thước trung bình 165.5 nm.
    • Nguyên liệu chitosan với khối lượng phân tử 48 kDa và độ deacetyl hóa 54.6% tạo hạt có kích thước lớn hơn, khoảng 228.4 nm.

  3. Độ bền của dung dịch nano chitosan:

    • Dung dịch nano chitosan ổn định trong vòng 3 ngày, kích thước hạt không thay đổi đáng kể.

  4. Hoạt tính kháng nấm:

    • Nano chitosan kích thước 165.5 nm thể hiện khả năng ức chế mạnh mẽ sự phát triển của nấm Colletotrichum acutatum trong điều kiện in vitro, với tỷ lệ ức chế phát triển nấm đạt mức cao nhất so với các kích thước hạt lớn hơn.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc sử dụng sóng siêu âm kết hợp đồng hóa áp lực cao giúp giảm kích thước hạt nano chitosan hiệu quả, đồng thời cải thiện sự phân bố kích thước hạt. Điều này phù hợp với cơ chế cắt mạch chitosan do gốc hydroxyl sinh ra trong quá trình siêu âm, làm giảm khối lượng phân tử và kích thước hạt.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kích thước hạt nano chitosan đạt được trong nghiên cứu này (165.5 nm) nằm trong khoảng kích thước tối ưu để phát huy hoạt tính sinh học, đặc biệt là kháng nấm. Các nghiên cứu quốc tế cũng chỉ ra rằng kích thước hạt nano từ 200-600 nm có hiệu quả kháng nấm tốt, tuy nhiên kích thước nhỏ hơn giúp tăng diện tích bề mặt và điện tích dương, từ đó tăng khả năng tương tác với tế bào nấm.

Ảnh hưởng của khối lượng phân tử và độ deacetyl hóa đến kích thước hạt cũng được khẳng định, nguyên liệu có khối lượng phân tử và độ deacetyl hóa cao hơn tạo ra hạt nano nhỏ hơn và ổn định hơn. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc lựa chọn nguyên liệu phù hợp cho quy trình sản xuất.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố kích thước hạt theo các điều kiện pH, tỷ lệ CS/STPP, công suất và thời gian siêu âm, cũng như bảng so sánh kích thước hạt và hoạt tính kháng nấm giữa các mẫu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình tạo hạt nano chitosan bằng gel ion kết hợp sóng siêu âm và đồng hóa áp lực cao để sản xuất nano chitosan kích thước nhỏ, đồng đều, phục vụ bảo quản thực phẩm. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng. Chủ thể: các doanh nghiệp công nghệ thực phẩm và viện nghiên cứu.

  2. Lựa chọn nguyên liệu chitosan có khối lượng phân tử khoảng 57.7 kDa và độ deacetyl hóa trên 90% để đảm bảo kích thước hạt nano nhỏ và hoạt tính sinh học cao. Thời gian: liên tục trong quá trình sản xuất. Chủ thể: nhà cung cấp nguyên liệu và nhà sản xuất.

  3. Phát triển sản phẩm nano chitosan ứng dụng trong bảo quản rau quả và trái cây sau thu hoạch nhằm giảm thiểu tổn thất do nấm mốc, nâng cao chất lượng và thời gian bảo quản. Thời gian: 12-18 tháng. Chủ thể: doanh nghiệp chế biến nông sản và trung tâm nghiên cứu.

  4. Mở rộng nghiên cứu đánh giá hiệu quả bảo quản thực tế trên các loại nông sản khác nhau và khảo sát tính an toàn khi sử dụng nano chitosan trong bảo quản thực phẩm. Thời gian: 12 tháng. Chủ thể: viện nghiên cứu và các trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp thực nghiệm chi tiết về tạo hạt nano chitosan, giúp phát triển các đề tài liên quan đến vật liệu sinh học và bảo quản thực phẩm.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và chế biến thực phẩm: Tham khảo quy trình công nghệ tạo nano chitosan để ứng dụng trong sản xuất các sản phẩm bảo quản thực phẩm an toàn, thân thiện môi trường, nâng cao giá trị sản phẩm.

  3. Chuyên gia trong lĩnh vực nông nghiệp và bảo quản sau thu hoạch: Nghiên cứu cung cấp giải pháp mới giúp kiểm soát nấm mốc gây hại, giảm thiểu tổn thất sau thu hoạch, tăng thời gian bảo quản nông sản.

  4. Cơ quan quản lý và phát triển chính sách an toàn thực phẩm: Tham khảo các kết quả nghiên cứu để xây dựng các tiêu chuẩn, quy định về ứng dụng vật liệu nano sinh học trong bảo quản thực phẩm, góp phần nâng cao chất lượng và an toàn thực phẩm trên thị trường.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nano chitosan là gì và có ưu điểm gì so với chitosan thông thường?
    Nano chitosan là dạng chitosan có kích thước hạt ở mức nanomet (khoảng 20-600 nm), có diện tích bề mặt lớn hơn và điện tích dương cao hơn, giúp tăng hoạt tính sinh học như kháng khuẩn, kháng nấm và khả năng tương tác với tế bào. Ví dụ, nano chitosan kích thước 165.5 nm trong nghiên cứu này có khả năng ức chế nấm Colletotrichum acutatum mạnh hơn chitosan thông thường.

  2. Phương pháp tạo hạt nano chitosan nào được sử dụng trong nghiên cứu?
    Nghiên cứu sử dụng phương pháp tạo gel ion với sodium tripolyphosphate (STPP) làm chất tạo liên kết ngang, kết hợp sóng siêu âm và đồng hóa áp lực cao để giảm kích thước hạt và tăng độ đồng đều. Phương pháp này đơn giản, chi phí thấp và phù hợp với sản xuất quy mô lớn.

  3. Các yếu tố nào ảnh hưởng đến kích thước hạt nano chitosan?
    Các yếu tố chính gồm pH dung dịch chitosan, tỷ lệ chitosan/STPP, công suất và thời gian siêu âm, cũng như đặc tính nguyên liệu chitosan như khối lượng phân tử và độ deacetyl hóa. Ví dụ, pH 4 và tỷ lệ CS/STPP 4:1 cho kích thước hạt nhỏ nhất khoảng 165.5 nm.

  4. Nano chitosan có khả năng kháng nấm như thế nào?
    Nano chitosan kích thước nhỏ có khả năng ức chế sự phát triển của nấm Colletotrichum acutatum hiệu quả trong điều kiện in vitro, với tỷ lệ ức chế phát triển nấm cao hơn so với các kích thước hạt lớn hơn hoặc chitosan thông thường.

  5. Ứng dụng thực tế của nano chitosan trong bảo quản thực phẩm là gì?
    Nano chitosan có thể được sử dụng làm lớp phủ bảo quản cho rau quả, trái cây sau thu hoạch để ngăn ngừa sự phát triển của vi sinh vật gây hại, kéo dài thời gian bảo quản và giữ nguyên chất lượng sản phẩm. Ví dụ, nano chitosan đã được ứng dụng thành công trong bảo quản ớt, thanh long và cà chua.

Kết luận

  • Đã thiết lập thành công quy trình tạo hạt nano chitosan bằng phương pháp gel ion với STPP, kết hợp sóng siêu âm và đồng hóa áp lực cao, đạt kích thước hạt nhỏ nhất 165.5 nm.
  • Các yếu tố pH, tỷ lệ chitosan/STPP, công suất và thời gian siêu âm ảnh hưởng rõ rệt đến kích thước và phân bố hạt nano.
  • Nguyên liệu chitosan có khối lượng phân tử và độ deacetyl hóa cao hơn tạo hạt nano nhỏ hơn và ổn định hơn.
  • Nano chitosan kích thước 165.5 nm thể hiện hoạt tính kháng nấm mạnh mẽ đối với Colletotrichum acutatum trong điều kiện in vitro.
  • Đề xuất áp dụng quy trình và mở rộng nghiên cứu ứng dụng nano chitosan trong bảo quản thực phẩm nhằm nâng cao chất lượng và an toàn thực phẩm.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp triển khai sản xuất thử nghiệm, đánh giá hiệu quả bảo quản thực tế và phát triển sản phẩm ứng dụng nano chitosan trong ngành công nghệ thực phẩm.