Tổng quan luận án

Việt Nam là quốc gia nhiệt đới với sản lượng rau quả tươi phong phú, đóng vai trò quan trọng trong cơ cấu kinh tế nông nghiệp và nhóm hàng xuất khẩu chủ lực. Tuy nhiên, do đặc thù sinh lý dễ hư hỏng, tỷ lệ thất thoát nông sản sau thu hoạch tại Việt Nam ước tính chiếm trên 30% tổng sản lượng. Các phương pháp bảo quản truyền thống như bảo quản lạnh, điều chỉnh khí quyển (CA/MAP), xử lý hóa chất hoặc chiếu xạ tồn tại những hạn chế về chi phí thiết bị, tiêu tốn năng lượng hoặc nguy cơ ảnh hưởng xấu đến sức khỏe người tiêu dùng và môi trường sinh thái. Bên cạnh đó, các loại bao bì nhựa tổng hợp truyền thống (PE, PP, PS, PVC) có thời gian phân hủy kéo dài và chỉ đóng vai trò như rào cản thụ động.

Khoảng trống nghiên cứu đặt ra là việc phát triển các hệ lớp phủ màng sinh học ăn được (edible coatings) từ polyme thiên nhiên có khả năng tự phân hủy, kết hợp với các hạt phụ gia nano vô cơ có hoạt tính kháng khuẩn như nano kẽm oxit ($\text{ZnO}$) nhằm nâng cao độ bền cơ lý, khả năng ngăn cản khí và ức chế vi sinh vật gây thối hỏng mà vẫn đảm bảo an toàn thực phẩm.

Luận án tiến sĩ hóa học của nghiên cứu sinh Lê Hải Khoa với đề tài "Nghiên cứu chế tạo tổ hợp nano kẽm oxit với các polysacarit thiên nhiên ứng dụng tạo màng bảo quản một số loại nông sản" được thực hiện nhằm giải quyết các mục tiêu khoa học sau:

  1. Nghiên cứu tổng hợp các hạt kẽm oxit có kích thước nano và hoạt tính kháng khuẩn.
  2. Nghiên cứu ứng dụng lớp màng phủ được chế tạo từ các hợp chất thiên nhiên an toàn kết hợp với các hạt nano kẽm oxit ứng dụng tạo màng bảo quản nông sản (chuối và bơ).
  • Đối tượng nghiên cứu: Hạt nano kẽm oxit ($\text{ZnO}$); các polysacarit thiên nhiên gồm chitosan ($\text{CH}$) và gum arabic ($\text{GA}$); hệ màng tổ hợp $\text{CH/GA}$ và màng nanocompozit $\text{CH/GA/ZnO}$; đối tượng nông sản bảo quản là quả chuối tiêu và quả bơ (bơ sáp).
  • Phạm vi nghiên cứu: Luận án tập trung khảo sát quá trình tổng hợp nano $\text{ZnO}$ bằng phương pháp thủy nhiệt; chế tạo và đánh giá đặc tính hóa lý, cấu trúc màng $\text{CH/GA/ZnO}$; thử nghiệm hoạt tính kháng vi khuẩn (Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis, Escherichia coli) và nấm mốc; kiểm nghiệm hiệu quả bảo quản chuối ở điều kiện $35 \pm 2\ ^\circ\text{C}$, độ ẩm $54%$ và bảo quản bơ ở $23 \pm 2\ ^\circ\text{C}$, độ ẩm $83%$.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án hệ thống hóa các tài liệu khoa học trong nước và quốc tế liên quan đến nguyên nhân gây hư hỏng nông sản sau thu hoạch, các giải pháp bảo quản hiện hành và tiềm năng ứng dụng vật liệu màng sinh học nanocompozit:

  • Nguyên nhân hư hỏng nông sản: Bao gồm hư hỏng cơ học do va đập và nén ép trong quá trình thu hái, phân loại, vận chuyển [3, 4]; hư hỏng do nhiễm vi sinh vật (vi khuẩn, nấm mốc) qua đất, nước, không khí [6]; hư hỏng do biến đổi sinh lý - sinh hóa nội tại như quá trình hô hấp (phân loại quả hô hấp thường và quả đột biến hô hấp như chuối, bơ, xoài), quá trình sinh khí etylen, sinh nhiệt và bốc hơi nước làm tổn hao khối lượng [7, 8].
  • Các phương pháp bảo quản sau thu hoạch:
    • Bảo quản lạnh: Ức chế vi sinh vật và làm chậm phản ứng trao đổi chất (Jaiswal và cs [9]), nhưng gây biến đổi cấu trúc, mất độ giòn của quả khi rã đông.
    • Điều chỉnh khí quyển: Phương pháp kiểm soát khí quyển $\text{CA}$ [10] và bao gói khí điều biến $\text{MAP}$ [11] giúp giảm cường độ hô hấp nhưng chi phí vận hành cao.
    • Sử dụng hóa chất: Sử dụng các hợp chất gốc clo ($50-200\text{ ppm}$) [12], $\text{SO}_2$, $\text{NaNO}_3$, natri benzoat [14]; tồn tại nhược điểm gây tồn dư độc hại và bị một số quốc gia hạn chế [15].
    • Chiếu xạ: Sử dụng tia gamma ($\text{Co-60}$, $\text{Cs-137}$), tia X hoặc chùm electron [16-19] phá hủy cấu trúc $\text{DNA}$ của vi sinh vật nhưng yêu cầu thiết bị chuyên dụng phức tạp.
    • Lớp phủ an toàn: Hình thành lớp cản bán thấm đối với hơi nước, $\text{O}_2$ và $\text{CO}_2$ (Pavlath và Orts [22]). Các hệ màng đơn và màng tổ hợp đã được nghiên cứu gồm polysacarit (Souza và cs [29], Salama và cs [27], Liu và cs [30]), lipid (Fei và cs [33], Sultan và cs [34]), protein (Zhang và cs [37], Le Tien và cs [38]) và màng compozit (Muley và Singhal [39], Ojeda và cs [28]).
  • Vật liệu Chitosan ($\text{CH}$) và Gum Arabic ($\text{GA}$):
    • Chitosan: Sản xuất từ quá trình đề axetyl hóa chitin vỏ giáp xác hoặc lên men nấm [43, 46, 47]; có khả năng tạo màng bóng, cản khí tốt và kháng khuẩn tự nhiên [44, 45]. Tại Việt Nam, nhiều nhóm nghiên cứu đã ứng dụng $\text{CH}$ trong bảo quản vải thiều, bưởi Diễn, cam sành, dâu tây (Nguyễn Thị Ngọc Tú [48], Nguyễn Duy Lâm [52], Hồ Phú Hà [53], Hà Thúc Chí Nhân [54], Nguyễn Văn Lợi [55], Thái Hoàng và Nguyễn Thúy Chinh [56]).
    • Gum arabic: Polysacarit tự nhiên từ cây keo Acacia, tan hoàn toàn trong nước lạnh, đóng vai trò chất nhũ hóa, ổn định màng và giảm tốc độ hô hấp ở quả hồng, cà chua, dâu tây, mơ (Saleem và cs [62], Ali và cs [63], Tahir và cs [64], Sajid và cs [65]).
  • Tổng quan nano kẽm oxit ($\text{ZnO}$): $\text{ZnO}$ là chất bán dẫn loại n, vùng cấm rộng $3{,}37\text{ eV}$, tồn tại ở 3 dạng tinh thể (wurtzite lục phương, zinc blende lập phương và rocksalt) [67, 68]. Các phương pháp tổng hợp hạt nano $\text{ZnO}$ gồm kết tủa [70, 77], thủy nhiệt [71, 78, 79], sol-gel [73, 80], cơ học [75, 82], vi nhũ tương [74, 81], lắng đọng hơi hóa học $\text{CVD}$ [84], siêu âm [76], vi sóng [85] và sinh tổng hợp xanh [86, 87]. Cơ chế kháng khuẩn của nano $\text{ZnO}$ được xác định qua việc sinh các gốc oxy hóa hoạt động ($\text{ROS}$ như $\cdot\text{OH}$, $\text{H}_2\text{O}_2$), giải phóng ion $\text{Zn}^{2+}$ và tiếp xúc phá vỡ màng tế bào [88-91].

Khoảng trống mà luận án giải quyết: Nghiên cứu kết hợp hai nguồn polysacarit tự nhiên ($\text{CH}$ và $\text{GA}$) với hạt nano $\text{ZnO}$ được tổng hợp có kiểm soát bằng phương pháp thủy nhiệt nhằm tạo ra hệ màng phủ nanocompozit $\text{CH/GA/ZnO}$ có độ bền cơ lý, tính cản khí tối ưu và hoạt tính kháng khuẩn - kháng nấm cao để bảo quản chuối và bơ ở điều kiện nhiệt độ phòng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và cơ chế tương tác

  • Cơ chế tạo màng tổ hợp $\text{CH/GA}$: Tương tác tĩnh điện giữa các nhóm cation mang điện tích dương ($-\text{NH}_3^+$) của chuỗi chitosan trong môi trường axit loãng và các nhóm anion mang điện tích âm ($-\text{COO}^-$) của chuỗi gum arabic tạo phức đa điện giải (polyelectrolyte complex), tăng tính linh hoạt và độ đồng nhất cho lớp phủ.
  • Cơ chế kháng khuẩn của nano $\text{ZnO}$: Sự tương tác bề mặt kích thích tạo các gốc tự do $\text{ROS}$ ($\text{H}_2\text{O}_2$, $\cdot\text{OH}$); $\text{H}_2\text{O}_2$ thâm nhập vào tế bào chất vi khuẩn làm biến tính protein và tổn hại $\text{DNA}$. Đồng thời, ion $\text{Zn}^{2+}$ phân ly làm rối loạn chức năng enzyme và ức chế chu trình vận chuyển qua màng tế bào.
  • Cơ chế bảo quản nông sản của lớp phủ: Tạo hàng rào vật lý hạn chế sự khuếch tán của $\text{O}_2$ vào trong quả và $\text{CO}_2$ ra ngoài, làm giảm cường độ hô hấp đột biến, hạn chế sản sinh khí etylen và làm chậm quá trình chín; ngăn cản sự thoát hơi nước gây tổn thất khối lượng; ức chế sự phát triển của vi sinh vật hoại sinh trên bề mặt vỏ.

Phương pháp thực nghiệm và kỹ thuật phân tích

  • Tổng hợp nano $\text{ZnO}$: Sử dụng phương pháp thủy nhiệt từ tiền chất kẽm axetat $\text{Zn(CH}_3\text{COO)}_2$ kết hợp chất định hướng cấu trúc hexamethylenetetramine ($\text{HMTA}$). Khảo sát các thông số: tỷ lệ mol tiền chất/$\text{HMTA}$ ($3:1, 2:1, 1:1, 1:2, 1:3$), nhiệt độ thủy nhiệt ($120, 150, 180, 200\ ^\circ\text{C}$) và thời gian phản ứng ($10, 12, 16, 18, 24\text{ giờ}$).
  • Phương pháp đặc trưng cấu trúc và hình thái:
    • Nhiễu xạ tia X ($\text{XRD}$): Xác định cấu trúc tinh thể, pha và độ tinh khiết của hạt nano $\text{ZnO}$.
    • Hiển vi điện tử quét ($\text{SEM}$) và Hiển vi điện tử truyền qua ($\text{TEM}$): Quan sát hình thái học, kích thước hạt nano $\text{ZnO}$ và cấu trúc bề mặt, mặt cắt ngang của lớp màng phủ trên vỏ quả.
    • Phổ tán xạ năng lượng tia X ($\text{EDX}$): Phân tích thành phần nguyên tố định tính và định lượng của vật liệu.
    • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier ($\text{FTIR}$) và Phổ Raman: Xác định các nhóm chức đặc trưng và liên kết hóa học trong tổ hợp $\text{CH/GA/ZnO}$.
    • Phân tích nhiệt trọng lượng ($\text{TGA}$): Đánh giá độ bền nhiệt và quá trình phân hủy nhiệt của màng tổ hợp.
  • Phương pháp đánh giá hoạt tính sinh học:
    • Hoạt tính kháng khuẩn: Đánh giá bằng phương pháp khuếch tán giếng thạch (agar well diffusion) và đĩa giấy (disk-diffusion) trên môi trường $\text{LB}$ agar với các chủng Staphylococcus aureus $\text{ATCC } 6538$, Bacillus subtilis $\text{ATCC } 9/58$ và Escherichia coli $\text{ATCC } 11229$; đo đường kính vòng kháng khuẩn ($\text{mm}$).
    • Hoạt tính kháng nấm: Nuôi cấy nấm mốc trên môi trường đĩa thạch $\text{PDA}$ có bổ sung nano $\text{ZnO}$ $0{,}5%$ và mẫu đối chứng để so sánh mật độ khuẩn lạc sau 7 ngày.
  • Phương pháp đánh giá chất lượng nông sản:
    • Tổn hao khối lượng: Xác định bằng phương pháp cân khối lượng định kỳ.
    • Độ cứng quả: Đo bằng máy đo độ cứng chuyên dụng.
    • Màu sắc vỏ: Đánh giá qua hệ giá trị màu $L^*$.
    • Hàm lượng axit tổng số: Chuẩn độ bằng dung dịch $\text{NaOH}$ chuẩn với chất chỉ thị phenolphtalein theo tiêu chuẩn $\text{TCVN } 5483:2007$.
    • Hàm lượng đường khử: Định lượng bằng phương pháp đo quang sử dụng axit dinitrosalicylic ($\text{DNS}$).
    • Hàm lượng vitamin C: Chuẩn độ oxy hóa khử bằng dung dịch iot chuẩn $0{,}1\text{ N}$ theo tiêu chuẩn $\text{TCVN } 11168:2015$.
    • Hàm lượng chất rắn hòa tan: Đo độ $\text{Brix}$ bằng khúc xạ kế.
    • Tỷ lệ thối hỏng: Tính theo tỷ lệ phần trăm số quả bị thối hỏng trên tổng số mẫu khảo sát.
    • Hàm lượng kẽm tồn dư: Phân tích hàm lượng kẽm di chuyển vào thịt quả chuối và bơ sau thời gian bảo quản.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan

Chương 1 tổng hợp có hệ thống cơ sở lý thuyết về bảo quản nông sản và khoa học vật liệu màng phủ. Tác giả phân tích chi tiết:

  • Đặc điểm sinh lý sau thu hoạch của quả chuối tiêu và quả bơ – hai loại quả có quá trình đột biến hô hấp mạnh, dễ bị sụt giảm chất lượng và thối hỏng nhanh ở điều kiện nhiệt đới.
  • Ưu và nhược điểm của các công nghệ bảo quản truyền thống (lạnh, $\text{CA}$, $\text{MAP}$, hóa chất, chiếu xạ) và khẳng định tính ưu việt của màng phủ an toàn sinh học.
  • Cấu trúc hóa học, tính chất tạo màng của chitosan ($\text{CH}$) và gum arabic ($\text{GA}$).
  • Cấu trúc tinh thể lục phương wurtzite của $\text{ZnO}$ cùng các phương pháp tổng hợp vật liệu nano vô cơ.
Phương pháp Tiền chất Điều kiện tổng hợp Kích thước hạt Tài liệu trích dẫn
Kết tủa $\text{Zn(CH}_3\text{COO)}_2$, $\text{KOH}$ $20-80\ ^\circ\text{C}$, sấy $120\ ^\circ\text{C}$ $160-500\text{ nm}$ [70]
Kết tủa $\text{Zn(NO}_3)_2$, $\text{NaOH}$ Sấy $70\ ^\circ\text{C}$ (6 h); nung $400\ ^\circ\text{C}$ (2 h) $\sim 42\text{ nm}$ [77]
Thủy nhiệt $\text{ZnCl}_2$, $\text{NaOH}$ $100-220\ ^\circ\text{C}$, $5-10\text{ giờ}$ $100-200\text{ nm}$ [78]
Thủy nhiệt $\text{Zn(CH}_3\text{COO)}_2$, $\text{H}_2\text{O}$, $\text{HMTA}$ Phản ứng $150\ ^\circ\text{C}$ (24 h); nung $400\ ^\circ\text{C}$ $\sim 35\text{ nm}$ [79]
Sol-gel $\text{Zn(NO}_3)_2$, $\text{C}_6\text{H}_8\text{O}_7\cdot\text{H}_2\text{O}$ $80\ ^\circ\text{C}$; sấy $110\ ^\circ\text{C}$; nung $450\ ^\circ\text{C}$ $\sim 21\text{ nm}$ [80]
Sol-gel $\text{Zn(CH}_3\text{COO)}_2$, $\text{C}_2\text{H}_5\text{OH}$ $80\ ^\circ\text{C}$, $3\text{ giờ}$ $\sim 3\text{ nm}$ [73]
Vi nhũ tương $\text{Zn(CH}_3\text{COO)}_2$, $\text{C}7\text{H}{16}$, $\text{NaOH}$... $60-70\ ^\circ\text{C}$ (24 h); nung $300-500\ ^\circ\text{C}$ $18-24\text{ nm}$ [74]
Vi nhũ tương $\text{Zn(NO}_3)_2$, $\text{NaOH}$, heptane, Triton X-100 $140\ ^\circ\text{C}$ (15 h); sấy $60\ ^\circ\text{C}$ $\sim 45\text{ nm}$ [81]
Cơ học $\text{ZnCl}_2$, $\text{Na}_2\text{CO}_3$, $\text{NaCl}$ Nung $300-450\ ^\circ\text{C}$ $\sim 51\text{ nm}$ [75]

Chương 2. Thực nghiệm và các phương pháp nghiên cứu

Chương này mô tả chi tiết hóa chất, thiết bị và các quy trình thực nghiệm:

  • Quy trình tổng hợp nano $\text{ZnO}$ thủy nhiệt: Hòa tan $\text{Zn(CH}_3\text{COO)}_2$ và $\text{HMTA}$ trong nước cất, khuấy đều, đưa vào bình phản ứng chịu áp suất (autoclave) gia nhiệt theo các chế độ thực nghiệm, sau đó lọc, rửa kết tủa, sấy khô và nung để thu hồi bột nano $\text{ZnO}$.
  • Quy trình pha chế màng: Hòa tan chitosan trong dung dịch axit axetic loãng, hòa tan gum arabic trong nước cất; phối trộn dung dịch $\text{CH}$ và $\text{GA}$ theo các tỷ lệ khảo sát; phân tán các hàm lượng hạt nano $\text{ZnO}$ ($0{,}1%; 0{,}3%; 0{,}5%; 1{,}0%$) vào dung dịch tổ hợp dưới sự hỗ trợ của máy khuấy cơ và siêu âm.
  • Quy trình xử lý quả: Chuối tiêu và bơ sáp sau khi thu hái được làm sạch bề mặt, nhúng vào chế phẩm tạo màng trong thời gian xác định, để ráo tự nhiên tạo lớp màng mỏng bao bọc bên ngoài quả, sau đó bảo quản theo dõi song song với các lô mẫu đối chứng (không phủ màng và phủ màng $\text{CH/GA}$ không có $\text{ZnO}$).
  • Phương pháp xác định chỉ tiêu chất lượng: Áp dụng đầy đủ quy chuẩn $\text{TCVN } 5483:2007$ cho độ axit và $\text{TCVN } 11168:2015$ cho vitamin C cùng các phép đo quang phổ học, khúc xạ kế và vi sinh học chuẩn.

Chương 3. Kết quả và thảo luận

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm đạt được:

  • Tối ưu hóa tổng hợp nano $\text{ZnO}$:
    • Ảnh hưởng của tỷ lệ $\text{Zn(CH}_3\text{COO)}_2/\text{HMTA}$, nhiệt độ và thời gian thủy nhiệt đến hình thái và kích thước hạt được làm rõ qua ảnh $\text{SEM}$ và $\text{TEM}$. Điều kiện thích hợp tạo ra các hạt nano $\text{ZnO}$ dạng hình cầu đồng đều, kích thước trung bình khoảng $35\text{ nm}$.
    • Kết quả $\text{XRD}$ khẳng định cấu trúc lục phương wurtzite đặc trưng của $\text{ZnO}$ với độ kết tinh cao, không xuất hiện pic pha tạp. Phổ $\text{EDX}$ xác nhận thành phần chỉ gồm hai nguyên tố kẽm ($\text{Zn}$) và oxy ($\text{O}$).
    • Đánh giá hoạt tính kháng khuẩn: Dung dịch nano $\text{ZnO}$ thể hiện hoạt tính ức chế rõ rệt đối với cả vi khuẩn Gram dương (S. aureus, B. subtilis) và Gram âm (E. coli). Khi tăng thể tích dung dịch từ $50\ \mu\text{l}$ lên $100\ \mu\text{l}$ và $200\ \mu\text{l}$, đường kính vòng kháng khuẩn đối với S. aureus đạt lần lượt $13\text{ mm}$, $17\text{ mm}$ và $17\text{ mm}$. Bột nano $\text{ZnO}$ $0{,}5%$ cũng ức chế mạnh mật độ khuẩn lạc nấm mốc phát triển trên môi trường $\text{PDA}$ sau 7 ngày.
  • Tối ưu hóa thành phần lớp phủ:
    • Tỷ lệ polyme thích hợp được xác định là $\text{CH } 1%$ kết hợp $\text{GA } 10%$, tạo dung dịch đồng nhất, màng tạo thành có độ bám dính cao và độ bóng tốt trên bề mặt vỏ quả.
    • Phổ $\text{FTIR}$ của màng $\text{CH/GA/ZnO}$ chỉ ra sự dịch chuyển của các pic dao động đặc trưng của liên kết hydro và nhóm chức amine, carboxylate, chứng minh sự tương tác liên kết giữa nền polysacarit và bề mặt hạt nano $\text{ZnO}$.
    • Giản đồ $\text{TGA}$ cho thấy màng nanocompozit có độ bền nhiệt cao hơn so với màng $\text{CH/GA}$ đơn thuần.
    • Ảnh $\text{SEM}$ mặt cắt vỏ chuối và vỏ bơ cho thấy lớp phủ $\text{CH/GA/ZnO}$ liên tục, che phủ các lỗ khí khổng và mao quản tự nhiên của vỏ quả.
  • Hiệu quả bảo quản quả chuối ($35 \pm 2\ ^\circ\text{C}$, độ ẩm $54%$):
    • Mẫu chuối đối chứng không phủ màng bị thâm đen, mềm nhũn và thối hỏng hoàn toàn sau 5–8 ngày. Mẫu phủ màng $\text{CH } 1% + \text{GA } 10% + \text{ZnO } 0{,}5%$ duy trì được màu sắc tươi, hạn chế xuất hiện đốm nâu, kéo dài thời gian bảo quản lên hơn 17 ngày.
    • Các chỉ tiêu hóa sinh được kiểm soát tốt: Tỷ lệ tổn hao khối lượng thấp hơn đáng kể; độ cứng vỏ và ruột quả duy trì tốt; hàm lượng vitamin C và độ $\text{Brix}$ (chất rắn hòa tan) biến đổi chậm; làm chậm quá trình tích lũy đường khử từ tinh bột; tỷ lệ thối hỏng giảm thiểu rõ rệt.
  • Hiệu quả bảo quản quả bơ ($23 \pm 2\ ^\circ\text{C}$, độ ẩm $83%$):
    • Quả bơ phủ màng $\text{CH } 1% + \text{GA } 10% + \text{ZnO } 0{,}3%$ giữ được giá trị độ sáng vỏ quả $L^*$, hạn chế sẫm màu, làm chậm quá trình giảm độ cứng của thịt quả và duy trì hàm lượng axit tổng số, vitamin C sau 7 ngày bảo quản so với mẫu đối chứng bị mềm nhũn và thâm đen nhanh chóng.
  • Đánh giá mức độ an toàn tồn dư kẽm:
    • Phân tích hàm lượng kẽm khuếch tán vào phần cùi/thịt quả chuối và quả bơ sau thời gian bảo quản cho thấy nồng độ $\text{Zn}$ hoàn toàn nằm trong giới hạn cho phép đối với thực phẩm, không gây độc tính cho người sử dụng.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới của luận án

  1. Nghiên cứu chế tạo thành công chế phẩm tạo màng phủ bảo vệ quả chuối và quả bơ với thành phần là các polyme thiên nhiên (chitosan và gum arabic) kết hợp với hạt nano vô cơ $\text{ZnO}$ có hoạt tính kháng khuẩn.
  2. Nghiên cứu ứng dụng lớp màng phủ an toàn chitosan/gum arabic/nano $\text{ZnO}$ trong bảo quản quả chuối, giúp kéo dài thời gian bảo quản quả chuối lên đến hơn 17 ngày trong điều kiện bảo quản ở nhiệt độ phòng ($35 \pm 2\ ^\circ\text{C}$, độ ẩm $54%$).
  3. Nghiên cứu ứng dụng lớp màng phủ an toàn chitosan/gum arabic/nano $\text{ZnO}$ trong bảo quản quả bơ, giúp kéo dài thời gian bảo quản quả bơ hơn 7 ngày trong điều kiện bảo quản ở nhiệt độ phòng ($23 \pm 2\ ^\circ\text{C}$, độ ẩm $83%$).

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

  • Luận án đã làm sáng tỏ cơ chế hình thành lớp phủ màng tổ hợp đa điện giải $\text{CH/GA}$ chứa hạt nano vô cơ $\text{ZnO}$ và cơ chế kháng khuẩn, cản khí bảo vệ quả đột biến hô hấp.
  • Công nghệ chế tạo màng đơn giản, chi phí nguyên liệu thấp, quy trình thực hiện an toàn và thân thiện với môi trường, có tiềm năng ứng dụng trực tiếp trong chuỗi cung ứng và xuất khẩu nông sản tươi.

Các công trình khoa học đã công bố

  1. Khoa Hai Le, Minh Dac Binh Nguyen, Lam Dai Tran, Hong Phuong Nguyen Thi, Chinh Van Tran, Khanh Van Tran, Hoai Phuong Nguyen Thi, Nga Dinh Thi, Y. Soo Yoon, Dinh Duc Nguyen, Duc Duong La. A novel antimicrobial ZnO nanoparticles-added polysaccharide edible coating for the preservation of postharvest avocado under ambient conditions, Progress in Organic Coatings (IF = 5.161), 2021, 158, 106339.
  2. Duc Duong La, Phuong Nguyen-Tri, Khoa Hai Le, Phuong Thi Mai Nguyen, Minh Dac Binh Nguyen, Anh Thi Kieu Vo, Minh Thi Hong Nguyen, Lam Dai Tran, Woo Jin Chung, Dinh Duc Nguyen. Effects of antibacterial ZnO nanoparticles on the performance of a chitosan/gum arabic edible coating for post-harvest banana preservation, Progress in Organic Coatings (IF = 5.161), 2021, 151, 106057.
  3. Khoa Hai Le, Duc Duong La, Phuong Thi Mai Nguyen, Minh Dac Binh Nguyen, Anh Thi Kieu Vo, Minh Thi Hong Nguyen, Lam Dai Tran, Soo Woong Chang, Xuan Hoan Nguyen, Dinh Duc Nguyen. Fabrication of Cleistocalyx operculatus extracts/chitosan/gum arabic composite as an edible coating for preservation of banana, Progress in Organic Coatings (IF = 5.161), 2021, 161, 106550.
  4. Lê Hải Khoa, Trần Khánh Huyền, Đặng Trung Dũng, Nguyễn Thị Hồng Phượng, Trần Đại Lâm, Lã Đức Dương. Tổng hợp nano kẽm oxit kháng khuẩn ứng dụng trong lớp phủ an toàn bảo quản chuối sau thu hoạch, Hội nghị khoa học toàn quốc lần thứ 6: Ăn mòn và bảo vệ kim loại vì sự phát triển bền vững, 2020, 82-89.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ vào nội dung được trình bày tại trang 98 của luận án, các định hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm:

  • Nghiên cứu mở rộng khả năng bảo quản của lớp phủ an toàn $\text{CH/GA/ZnO}$ đối với một số loại nông sản khác như xoài, chanh leo, cam, bưởi...
  • Nghiên cứu kết hợp thêm một số loại hạt nano vô cơ kháng khuẩn khác như $\text{Ag}$, $\text{TiO}_2$... vào trong lớp phủ an toàn compozit và đánh giá hiệu quả bảo quản.
  • Nghiên cứu chế tạo hệ lớp phủ kết hợp giữa $\text{CH/GA/ZnO}$ với các hoạt chất có hoạt tính chống oxy hóa cao được chiết xuất từ thiên nhiên (lá neem, lá chè xanh...) ứng dụng trong bảo quản chuối và bơ.
  • Xây dựng quy trình công nghệ chế tạo chất tạo màng an toàn và quy trình công nghệ phun phủ hệ màng ở quy mô bán công nghiệp phục vụ bảo quản hoa quả tươi sau thu hoạch.
  • Xây dựng mô hình ứng dụng thử nghiệm và chuyển giao công nghệ cho các hợp tác xã, doanh nghiệp trong lĩnh vực trồng trọt, chế biến và xuất khẩu nông sản.

Giá trị tham khảo

Bản luận án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn cao đối với:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên thuộc các chuyên ngành Hóa vô cơ, Hóa học vật liệu, Công nghệ sau thu hoạch, Công nghệ thực phẩm và Khoa học môi trường: Cung cấp phương pháp tổng hợp hạt nano oxit kim loại bằng con đường thủy nhiệt và quy trình chế tạo màng polyme nanocompozit.
  • Các phòng thí nghiệm và cơ sở nghiên cứu: Cung cấp phương pháp luận thực nghiệm về phân tích vật liệu ($\text{XRD}$, $\text{SEM}$, $\text{TEM}$, $\text{FTIR}$, $\text{TGA}$) kết hợp các phép thử nghiệm hóa sinh, vi sinh và kiểm soát chất lượng nông sản theo tiêu chuẩn Việt Nam ($\text{TCVN } 5483:2007$, $\text{TCVN } 11168:2015$).
  • Kỹ sư và doanh nghiệp chế biến nông sản: Cung cấp thông số kỹ thuật thực tế về tỷ lệ phối trộn chế phẩm tạo màng an toàn sinh học nhằm kéo dài thời gian lưu trữ chuối và bơ ở nhiệt độ thường mà không cần đầu tư hệ thống kho lạnh phức tạp.

Câu hỏi thường gặp

1. Tỷ lệ thành phần tối ưu của chế phẩm màng phủ $\text{CH/GA/ZnO}$ để bảo quản chuối và bơ là bao nhiêu?
Theo kết quả nghiên cứu trong luận án, nồng độ polyme nền thích hợp là Chitosan ($\text{CH}$) $1%$ kết hợp Gum Arabic ($\text{GA}$) $10%$. Đối với quả chuối, hàm lượng nano $\text{ZnO}$ tối ưu được bổ sung là $0{,}5%$; đối với quả bơ, hàm lượng nano $\text{ZnO}$ tối ưu là $0{,}3%$.

2. Hạt nano $\text{ZnO}$ trong luận án được tổng hợp bằng phương pháp nào và có đặc trưng gì?
Hạt nano $\text{ZnO}$ được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt sử dụng tiền chất kẽm axetat $\text{Zn(CH}_3\text{COO)}_2$ và hexamethylenetetramine ($\text{HMTA}$). Hạt thu được có dạng hình cầu, cấu trúc tinh thể lục phương wurtzite tinh khiết, kích thước trung bình khoảng $35\text{ nm}$ và có hoạt tính kháng khuẩn cao đối với S. aureus, B. subtilis, E. coli và nấm mốc.

3. Màng phủ $\text{CH/GA/ZnO}$ giúp kéo dài thời gian bảo quản chuối và bơ được bao lâu ở điều kiện nào?
Lớp màng phủ giúp kéo dài thời gian bảo quản quả chuối lên đến hơn 17 ngày ở điều kiện nhiệt độ phòng ($35 \pm 2\ ^\circ\text{C}$, độ ẩm $54%$) và kéo dài thời gian bảo quản quả bơ lên hơn 7 ngày ở điều kiện $23 \pm 2\ ^\circ\text{C}$, độ ẩm $83%$, trong khi các mẫu đối chứng không phủ màng bị hư hỏng sau 3–8 ngày.

4. Cơ chế nào giúp hệ màng $\text{CH/GA/ZnO}$ bảo vệ nông sản khỏi thối hỏng?
Lớp màng tạo rào cản bán thấm làm giảm tốc độ trao đổi khí ($\text{O}_2, \text{CO}_2$), hạn chế thoát ẩm, giảm cường độ hô hấp và ức chế sinh khí etylen. Đồng thời, sự có mặt của nano $\text{ZnO}$ cùng chitosan phát huy tác dụng kháng khuẩn, diệt nấm nhờ sự hình thành các gốc oxy hóa hoạt động ($\text{ROS}$) và ion $\text{Zn}^{2+}$, bảo vệ bề mặt quả khỏi vi sinh vật gây thối hỏng.

5. Việc sử dụng nano $\text{ZnO}$ trong lớp màng phủ có gây mất an toàn do thôi nhiễm kẽm vào thịt quả không?
Luận án đã phân tích định lượng hàm lượng kẽm tồn dư trong phần cùi chuối và thịt quả bơ sau thời gian bảo quản. Kết quả cho thấy hàm lượng kẽm thâm nhập vào bên trong thịt quả rất thấp và hoàn toàn nằm trong ngưỡng an toàn cho phép theo các tiêu chuẩn dinh dưỡng và an toàn thực phẩm.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Lê Hải Khoa đã nghiên cứu thành công quy trình tổng hợp hạt nano $\text{ZnO}$ kích thước khoảng $35\text{ nm}$ bằng phương pháp thủy nhiệt và chế tạo hệ màng phủ an toàn sinh học từ tổ hợp chitosan/gum arabic chứa nano $\text{ZnO}$. Hệ màng nanocompozit thể hiện khả năng cản khí, hạn chế mất nước và kháng khuẩn, kháng nấm vượt trội, giúp kéo dài thời gian bảo quản quả chuối lên hơn 17 ngày ($35 \pm 2\ ^\circ\text{C}$) và quả bơ lên hơn 7 ngày ($23 \pm 2\ ^\circ\text{C}$) trong khi vẫn duy trì các chỉ tiêu cảm quan và dinh dưỡng. Công trình đã công bố 3 bài báo quốc tế trên tạp chí chuyên ngành uy tín (Progress in Organic Coatings) và mở ra tiềm năng ứng dụng thực tiễn trong công nghệ bảo quản nông sản sau thu hoạch tại Việt Nam.