Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh hiện nay, việc lạm dụng hóa chất tổng hợp để kéo dài thời gian bảo quản nông sản và thực phẩm đã gây ra nhiều hệ lụy nghiêm trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe người tiêu dùng và môi trường sinh thái. Theo ước tính, tỷ lệ sử dụng các chất bảo quản tổng hợp trong ngành nông nghiệp và thực phẩm vẫn ở mức cao, trong khi các chế phẩm có nguồn gốc tự nhiên chưa được khai thác hiệu quả. Chitosan, một polymer sinh học được chiết xuất chủ yếu từ vỏ tôm, cua, với các tính chất nổi bật như khả năng tạo màng sinh học, kháng khuẩn và kháng nấm, được xem là vật liệu tiềm năng thay thế các hóa chất tổng hợp. Bên cạnh đó, các thành phần tự nhiên như chiết xuất lá trầu, tinh dầu sả và ion kẽm cũng có khả năng kháng khuẩn, kháng nấm và chống oxy hóa tốt, nhưng dễ bị biến tính và kém ổn định trong điều kiện môi trường thực tế.

Luận văn tập trung nghiên cứu tổng hợp nanochitosan mang chiết xuất lá trầu (NCS-PB), tinh dầu sả (NCS-LEO) và ion kẽm (NCS-Zn) bằng phương pháp gel hóa ion kết hợp công nghệ siêu âm nhằm khắc phục các nhược điểm về tính ổn định và độc tính của các thành phần tự nhiên. Mục tiêu cụ thể là chiết xuất và định lượng thành phần cao lá trầu, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến tính chất lý hóa của các hạt nanochitosan mang hoạt chất, đánh giá hoạt tính sinh học và ứng dụng trong bảo quản trái cây cũng như chế tạo màng kháng khuẩn. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 9/2022 đến tháng 5/2023 tại Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các chế phẩm sinh học an toàn, thân thiện môi trường, góp phần giảm thiểu việc sử dụng hóa chất tổng hợp trong bảo quản nông sản, thúc đẩy phát triển nông nghiệp xanh và bền vững. Các chỉ số đánh giá như hiệu suất thu hồi chiết xuất lá trầu đạt 29,37%, hàm lượng flavonoid tổng cao nhất 1584,89 mg rutin/g cao khô, kích thước hạt nanochitosan trung bình từ 261,9 đến 715,6 nm, cùng hiệu quả kháng khuẩn và kháng oxi hóa vượt trội đã chứng minh tiềm năng ứng dụng thực tiễn của vật liệu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về polymer sinh học, đặc biệt là chitosan và nanochitosan, cùng các khái niệm chính như:

  • Chitosan và nanochitosan: Chitosan là polymer tự nhiên được tạo thành từ deacetyl hóa chitin, có khả năng tạo màng sinh học, kháng khuẩn và kháng nấm. Nanochitosan là dạng hạt nano của chitosan, có kích thước nhỏ giúp tăng diện tích bề mặt, cải thiện khả năng thẩm thấu và hoạt tính sinh học.

  • Phương pháp gel hóa ion: Dựa trên sự tương tác giữa nhóm amin tích điện dương của chitosan và nhóm polyanion tích điện âm của sodium tripolyphosphate (STPP), tạo thành các hạt nanochitosan ổn định.

  • Chiết xuất tự nhiên và hoạt tính sinh học: Chiết xuất lá trầu chứa các hợp chất flavonoid, polyphenol có tính kháng khuẩn, kháng nấm và chống oxy hóa. Tinh dầu sả chứa các terpen và terpenoid có khả năng kháng khuẩn và kháng nấm. Ion kẽm có tác dụng kháng khuẩn phụ thuộc nồng độ, đồng thời là nguyên tố dinh dưỡng thiết yếu.

  • Khả năng kháng khuẩn và kháng oxi hóa: Các hạt nanochitosan mang hoạt chất được đánh giá dựa trên khả năng ức chế vi khuẩn Staphylococcus aureus, khả năng bắt gốc tự do DPPH và ứng dụng bảo quản thực phẩm.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các thí nghiệm tổng hợp nanochitosan mang chiết xuất lá trầu, tinh dầu sả và ion kẽm tại Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Lọc Hóa Dầu, Trường Đại học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh. Cỡ mẫu gồm các hạt nanochitosan được tổng hợp với các nồng độ chitosan, tỷ lệ hoạt chất/chitosan và tỷ lệ chitosan/STPP khác nhau nhằm khảo sát ảnh hưởng đến kích thước, độ ổn định và hiệu suất bao bọc.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Chiết xuất cao lá trầu bằng phương pháp trích ly rắn-lỏng có hỗ trợ siêu âm và enzyme cellulase, xác định hiệu suất thu hồi và hàm lượng flavonoid tổng bằng phương pháp đo màu UV-Vis.

  • Phân tích kích thước hạt và độ ổn định bằng kỹ thuật Dynamic Light Scattering (DLS) và đo thế zeta.

  • Phân tích hình thái và thành phần hóa học bằng kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM), phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR), phổ tán sắc năng lượng tia X (EDS) và nhiễu xạ tia X (XRD).

  • Đánh giá hoạt tính sinh học: Khả năng kháng khuẩn và kháng nấm được xác định bằng phương pháp khuếch tán giếng thạch và đo mật độ quang trong môi trường lỏng. Khả năng kháng oxi hóa được đánh giá qua hiệu suất bắt gốc tự do DPPH và xác định nồng độ IC50.

  • Ứng dụng thực tiễn: Đánh giá hiệu quả bảo quản dâu tây sau thu hoạch bằng dịch nhúng nanochitosan mang hoạt chất trong 15 ngày ở 4ºC và chế tạo màng kháng khuẩn từ poly(vinyl alcohol) (PVA) gia cường nanocellulose tinh thể (CNC) kết hợp NCS-LEO.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2022 đến tháng 5/2023, với các giai đoạn chiết xuất, tổng hợp, phân tích và đánh giá ứng dụng được thực hiện tuần tự.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu suất chiết xuất và hàm lượng flavonoid tổng của cao lá trầu: Phương pháp chiết có hỗ trợ siêu âm đạt hiệu suất thu hồi 29,37%, với hàm lượng flavonoid tổng cao nhất là 1584,89 mg rutin/g cao khô. Thời gian chiết 30 phút được xác định là tối ưu để thu được lượng hoạt chất cao.

  2. Kích thước và độ ổn định của các hạt nanochitosan: Kích thước trung bình của NCS-PB, NCS-LEO và NCS-Zn lần lượt là 372,9 nm, 715,6 nm và 261,9 nm. Thế zeta của các hạt dao động từ 25,0 đến 30,0 mV, chỉ số phân bố kích thước (PDI) nằm trong khoảng 0,333 đến 0,410, cho thấy hệ hạt có độ ổn định cao và phân bố kích thước đồng đều.

  3. Hiệu suất bao bọc và khả năng tải hoạt chất: Các hạt nanochitosan mang chiết xuất lá trầu và tinh dầu sả có hiệu suất bao bọc trên 70%, khả năng tải hoạt chất đạt khoảng 40-50%, đảm bảo hiệu quả bảo vệ và giải phóng hoạt chất trong ứng dụng thực tế.

  4. Hoạt tính sinh học: Các hạt NCS-PB, NCS-LEO và NCS-Zn thể hiện khả năng ức chế hiệu quả vi khuẩn Staphylococcus aureus với nồng độ ức chế tối thiểu (MIC) thấp hơn so với chitosan nguyên bản. Hiệu suất bắt gốc tự do DPPH của NCS-PB và NCS-LEO đạt 98,23%, cho thấy khả năng kháng oxi hóa vượt trội.

  5. Ứng dụng bảo quản dâu tây: Dâu tây được xử lý bằng dung dịch NCS-PB và NCS-LEO duy trì được độ tươi và giảm thiểu độ hụt khối lượng trong 15 ngày bảo quản ở 4ºC, so với mẫu đối chứng không xử lý. Ngoài ra, màng PVA/CNC/NCS-LEO có khả năng kháng khuẩn hiệu quả, ức chế sự phát triển của vi khuẩn E. aureus rõ rệt.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc sử dụng phương pháp gel hóa ion kết hợp siêu âm giúp tạo ra các hạt nanochitosan có kích thước nhỏ, đồng đều và ổn định, phù hợp cho việc mang và bảo vệ các hoạt chất nhạy cảm như flavonoid và tinh dầu. Hiệu suất chiết xuất cao lá trầu bằng siêu âm vượt trội so với các phương pháp truyền thống, giúp tăng hàm lượng hoạt chất có hoạt tính sinh học.

Hoạt tính kháng khuẩn và kháng oxi hóa của các hạt nanochitosan mang hoạt chất được cải thiện đáng kể so với chitosan nguyên bản, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về khả năng tăng cường hoạt tính sinh học khi giảm kích thước hạt và kết hợp với các thành phần tự nhiên. Việc ứng dụng trong bảo quản dâu tây và chế tạo màng kháng khuẩn chứng minh tính khả thi và hiệu quả của vật liệu trong thực tế, góp phần giảm thiểu sử dụng hóa chất tổng hợp, bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng và môi trường.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ kích thước hạt, biểu đồ hiệu suất bao bọc, bảng so sánh MIC và IC50, cũng như hình ảnh FE-SEM minh họa hình thái hạt nano và ảnh ngoại quan dâu tây trong quá trình bảo quản.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường nghiên cứu tối ưu hóa quy trình tổng hợp nanochitosan nhằm nâng cao hiệu suất bao bọc và khả năng tải hoạt chất, tập trung vào điều chỉnh tỷ lệ chitosan, hoạt chất và STPP để đạt kích thước hạt nhỏ hơn 300 nm, tăng tính ổn định và hiệu quả sinh học. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng, chủ thể: các nhóm nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật hóa học và công nghệ sinh học.

  2. Phát triển các sản phẩm bảo quản nông sản dựa trên nanochitosan mang chiết xuất tự nhiên để thay thế hóa chất tổng hợp, tập trung vào các loại trái cây dễ hư hỏng như dâu tây, xoài, mận. Mục tiêu giảm thiểu độ hụt khối lượng và tăng thời gian bảo quản ít nhất 30%. Thời gian triển khai: 1-2 năm, chủ thể: doanh nghiệp công nghệ sinh học và nông nghiệp.

  3. Mở rộng ứng dụng nanochitosan trong chế tạo màng bao gói thực phẩm kháng khuẩn kết hợp với các vật liệu phân hủy sinh học khác như nanocellulose, nhằm nâng cao tính năng cơ học và kháng khuẩn của màng. Thời gian nghiên cứu: 12 tháng, chủ thể: các viện nghiên cứu vật liệu và công ty sản xuất bao bì.

  4. Đẩy mạnh nghiên cứu đánh giá độc tính và an toàn sinh học của nanochitosan mang ion kẽm trong các ứng dụng thực tế để đảm bảo không gây tác dụng phụ cho người tiêu dùng và môi trường. Thời gian thực hiện: 6-9 tháng, chủ thể: các trung tâm nghiên cứu dược phẩm và an toàn thực phẩm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật hóa học, công nghệ sinh học: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về tổng hợp và ứng dụng nanochitosan, phương pháp chiết xuất hoạt chất tự nhiên và kỹ thuật phân tích vật liệu nano, hỗ trợ phát triển đề tài nghiên cứu liên quan.

  2. Doanh nghiệp sản xuất chế phẩm bảo quản nông sản và thực phẩm: Tham khảo để ứng dụng công nghệ nanochitosan mang hoạt chất tự nhiên trong sản xuất các sản phẩm bảo quản an toàn, thân thiện môi trường, nâng cao giá trị sản phẩm và đáp ứng yêu cầu thị trường.

  3. Chuyên gia trong lĩnh vực nông nghiệp xanh và bảo vệ thực vật: Nghiên cứu cung cấp giải pháp thay thế hóa chất tổng hợp bằng các chế phẩm sinh học có hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm và kháng oxi hóa, góp phần phát triển nông nghiệp bền vững.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách về an toàn thực phẩm và môi trường: Thông tin trong luận văn giúp đánh giá tiềm năng và hiệu quả của các vật liệu sinh học trong bảo quản thực phẩm, từ đó xây dựng các chính sách khuyến khích sử dụng công nghệ xanh, giảm thiểu ô nhiễm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nanochitosan là gì và có ưu điểm gì so với chitosan thông thường?
    Nanochitosan là dạng hạt nano của chitosan với kích thước nhỏ hơn 1000 nm, giúp tăng diện tích bề mặt, cải thiện khả năng thẩm thấu và hoạt tính sinh học như kháng khuẩn, kháng nấm và kháng oxi hóa. Ví dụ, nanochitosan có thể dễ dàng thâm nhập vào tế bào vi sinh vật hơn so với chitosan dạng khối.

  2. Phương pháp gel hóa ion kết hợp siêu âm có ưu điểm gì trong tổng hợp nanochitosan?
    Phương pháp này đơn giản, không sử dụng dung môi hữu cơ độc hại, cho phép điều chỉnh kích thước hạt và độ ổn định bằng cách thay đổi tỷ lệ các thành phần. Công nghệ siêu âm giúp đồng nhất hỗn hợp, tăng hiệu quả tạo hạt nano đồng đều và ổn định.

  3. Chiết xuất lá trầu có những thành phần hoạt chất chính nào và tác dụng ra sao?
    Chiết xuất lá trầu chứa nhiều flavonoid, polyphenol như hydroxychavicol, eugenol có tác dụng kháng khuẩn, kháng nấm và chống oxy hóa mạnh, giúp ngăn ngừa sự phát triển của các mầm bệnh gây hại trong thực phẩm và cây trồng.

  4. Nanochitosan mang ion kẽm có an toàn khi sử dụng trong bảo quản thực phẩm không?
    Ion kẽm ở nồng độ thích hợp có tác dụng kháng khuẩn hiệu quả và là nguyên tố dinh dưỡng thiết yếu cho thực vật. Tuy nhiên, nồng độ quá cao có thể gây độc. Do đó, việc kiểm soát liều lượng trong nanochitosan là rất quan trọng để đảm bảo an toàn.

  5. Ứng dụng của nanochitosan mang hoạt chất trong bảo quản trái cây có hiệu quả như thế nào?
    Nghiên cứu cho thấy dung dịch nanochitosan mang chiết xuất lá trầu và tinh dầu sả giúp kéo dài thời gian bảo quản dâu tây đến 15 ngày ở 4ºC, giảm thiểu độ hụt khối lượng và hạn chế sự phát triển của vi sinh vật gây hại, góp phần nâng cao chất lượng và giá trị kinh tế của sản phẩm.

Kết luận

  • Đã tổng hợp thành công các hạt nanochitosan mang chiết xuất lá trầu, tinh dầu sả và ion kẽm với kích thước trung bình từ 261,9 đến 715,6 nm, độ ổn định cao và hiệu suất bao bọc hoạt chất trên 70%.
  • Các hạt nanochitosan thể hiện khả năng kháng khuẩn, kháng nấm và kháng oxi hóa vượt trội, đặc biệt hiệu quả trong ức chế vi khuẩn Staphylococcus aureus và bắt gốc tự do DPPH đạt 98,23%.
  • Ứng dụng thực tế trong bảo quản dâu tây cho thấy khả năng kéo dài thời gian bảo quản đến 15 ngày, giảm thiểu tổn thất về khối lượng và chất lượng sản phẩm.
  • Màng PVA/CNC/NCS-LEO được chế tạo có khả năng kháng khuẩn hiệu quả, mở ra hướng phát triển bao bì sinh học thân thiện môi trường.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu tối ưu quy trình tổng hợp, đánh giá độc tính và mở rộng ứng dụng trong bảo quản nông sản và thực phẩm nhằm phát triển nông nghiệp xanh, bền vững.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp quan tâm ứng dụng công nghệ nanochitosan mang hoạt chất tự nhiên để phát triển các sản phẩm bảo quản an toàn, hiệu quả và thân thiện với môi trường.