Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam là một trong những quốc gia nông nghiệp phát triển với sản lượng rơm rạ hàng năm khoảng 45 triệu tấn, chủ yếu từ Đồng bằng sông Cửu Long, chiếm hơn 90% lượng gạo xuất khẩu. Tuy nhiên, phần lớn phụ phẩm này chưa được tận dụng hiệu quả, gây lãng phí tài nguyên và ô nhiễm môi trường do đốt bỏ hoặc xử lý không đúng cách. Rơm rạ chứa hàm lượng cellulose cao, khoảng 56,2%, là nguồn nguyên liệu tiềm năng để chiết xuất nanocellulose (NC) – một vật liệu nano tự nhiên có tính phân hủy sinh học, độ bền cơ học cao và thân thiện môi trường.

Nghiên cứu tập trung vào ứng dụng nanocellulose chiết xuất từ rơm rạ vào màng bọc thực phẩm sinh học, nhằm cải thiện tính chất cơ học và bổ sung hoạt tính sinh học cho màng. Mục tiêu chính là khảo sát ảnh hưởng của nanocellulose làm chất độn trong màng polyvinyl alcohol (PVA) và chitosan (CS), đồng thời nghiên cứu vai trò của nanocellulose làm chất nhũ hóa trong hệ nhũ tương Pickering tinh dầu sả chanh và tinh dầu quế. Nghiên cứu cũng tối ưu hóa quy trình siêu âm tạo nhũ Pickering tinh dầu quế và đánh giá ứng dụng màng PVA mang nhũ tương tinh dầu quế trong bảo quản trái cây.

Phạm vi nghiên cứu thực hiện từ tháng 9/2022 đến 6/2023 tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM, sử dụng nguồn rơm rạ thu hoạch tại An Giang. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển vật liệu bao bì thực phẩm thân thiện môi trường, góp phần giảm thiểu ô nhiễm và nâng cao giá trị phụ phẩm nông nghiệp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Nanocellulose (NC): Vật liệu nano chiết xuất từ cellulose với các dạng chính gồm nanocellulose tinh thể (CNC), nanofibers (CNF) và nanocellulose vi khuẩn (BNC). CNC có kích thước đường kính 2-20 nm, chiều dài 100-500 nm, độ kết tinh cao (54-88%), chịu nhiệt tốt (200-300°C) và có khả năng tạo liên kết hydro với các polymer sinh học như PVA và CS.

  • Nhũ tương Pickering: Hệ nhũ tương ổn định bằng các hạt rắn nano (ở đây là nanocellulose) thay vì chất hoạt động bề mặt truyền thống. Cơ chế ổn định dựa trên màng hạt rắn bao quanh giọt dầu, tạo lực đẩy không gian và mạng lưới ba chiều trong pha liên tục, giúp tăng tính ổn định, giảm kích thước giọt và cải thiện hoạt tính sinh học.

  • Tinh dầu sả chanh (LEO) và tinh dầu quế (CEO): Hai loại tinh dầu có hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm và kháng oxy hóa cao. LEO chứa chủ yếu citral với tác dụng kháng khuẩn mạnh, đặc biệt với vi khuẩn Gram dương. CEO chứa cinnamaldehyde với khả năng ức chế vi khuẩn Gram âm và Gram dương, có hiệu quả kháng khuẩn lên đến 99,999% sau 2 giờ tiếp xúc.

  • Màng bọc thực phẩm sinh học: Sử dụng polymer sinh học như PVA và CS, được gia cường bằng nanocellulose để cải thiện độ bền cơ học, khả năng chống thấm hơi nước và bổ sung hoạt tính kháng khuẩn, kháng oxy hóa nhờ nhũ tương Pickering tinh dầu.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Nanocellulose được chiết xuất từ rơm rạ khô thu hoạch tại An Giang bằng phương pháp thủy phân axit sulfuric 62% ở 40-42°C trong 2 giờ, sau đó trung hòa và ly tâm để thu huyền phù nanocellulose tinh khiết (>90%).

  • Phương pháp tạo nhũ tương Pickering: Hệ nhũ tương tinh dầu sả chanh và quế được ổn định bằng nanocellulose với các biến số khảo sát gồm nồng độ tinh dầu (5-25%), nồng độ nanocellulose (0,2-1,0%), và thời gian siêu âm (4-20 phút). Siêu âm được thực hiện bằng máy Hielscher UP400St với công suất 200W, chu kỳ 2 phút siêu âm và 2 phút nghỉ.

  • Tối ưu hóa quy trình: Sử dụng thiết kế thực nghiệm Box-Behnken với ba biến số độc lập (thời gian siêu âm, nồng độ CNC, nồng độ tinh dầu) để tối ưu hóa kích thước hạt nhũ (<1 μm) và chỉ số phân bố kích thước (PdI < 0,5). Phân tích dữ liệu bằng phần mềm Design Expert 13, kiểm định mô hình bằng ANOVA với mức ý nghĩa P < 0,05.

  • Tạo màng bọc: Dung dịch màng PVA và CS được pha trộn với nanocellulose ở các tỷ lệ 2-10% khối lượng, đồng thời bổ sung nhũ tương Pickering tinh dầu quế với tỷ lệ 2-10%. Dung dịch được siêu âm 3 phút, đúc khuôn và sấy ở 70°C trong 12 giờ.

  • Phân tích tính chất vật liệu: Đánh giá kích thước hạt và PdI bằng tán xạ ánh sáng động (DLS), hình thái học bằng kính hiển vi quang học và SEM, khả năng kháng khuẩn và kháng nấm bằng phương pháp khuếch tán đĩa thạch, khả năng kháng oxy hóa bằng phương pháp ức chế gốc DPPH, độ bền cơ học theo tiêu chuẩn ASTM D882, độ thấm hơi nước theo ASTM E96/E96M-16, phổ FTIR, phân tích nhiệt TGA-DSC, và khả năng giải phóng tinh dầu bằng quang phổ UV-Vis.

  • Thí nghiệm bảo quản trái cây: Dâu tây sắp chín được bọc bằng màng PVA chứa nhũ tương Pickering tinh dầu quế, bảo quản ở 5°C trong tủ lạnh, theo dõi hình ảnh và khối lượng hàng ngày đến khi xuất hiện mốc hoặc hư hỏng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của nanocellulose lên màng PVA và CS: Ở nồng độ 4% nanocellulose, màng PVA cải thiện độ bền kéo lên 57,65% và giảm độ thấm hơi nước (WVP) 32,4% so với màng PVA ban đầu. Màng CS cũng được gia cường nhưng hiệu quả thấp hơn so với PVA. Độ bền nhiệt của màng PVA-CNC cao hơn màng CS-CNC, phù hợp với ứng dụng bao bì thực phẩm.

  2. Tính chất nhũ tương Pickering tinh dầu: Cả hai hệ nhũ Pickering tinh dầu sả chanh (PE-LEO) và tinh dầu quế (PE-CEO) ổn định tốt ở điều kiện tối ưu: 15% tinh dầu, 0,8% nanocellulose, 16 phút siêu âm. Kích thước giọt nhũ trung bình khoảng 0,7 μm với PdI ~0,23, đảm bảo tính đồng nhất và ổn định. PE-CEO có hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm và kháng oxy hóa cao hơn PE-LEO, với khả năng ức chế vi khuẩn lên đến 92,4% và giảm 42,7% gốc tự do DPPH.

  3. Tối ưu hóa quy trình siêu âm nhũ Pickering tinh dầu quế: Mô hình hồi quy đa thức bậc hai cho thấy nồng độ tinh dầu, nồng độ nanocellulose và thời gian siêu âm ảnh hưởng đáng kể đến kích thước giọt và PdI (P < 0,05). Điểm tối ưu đạt được ở 11,54% tinh dầu, 0,83% nanocellulose và 12 phút siêu âm, cho kích thước giọt 0,693 μm và PdI 0,236, sai số dưới 5% so với dự đoán mô hình.

  4. Ảnh hưởng của nhũ tương Pickering tinh dầu quế lên màng PVA: Thêm nhũ tương Pickering tinh dầu quế vào màng PVA làm giảm đáng kể tác động tiêu cực của tinh dầu nguyên chất lên màng. Màng PVA-PE-CEO có khả năng kháng khuẩn đạt 92,4%, kháng tia UVC hoàn toàn và kháng oxy hóa 42,7% DPPH. Màng bảo quản dâu tây trong 21 ngày ở 5°C mà không bị mốc hay hư hỏng, trong khi màng không chứa nhũ tương chỉ bảo quản được khoảng 7 ngày.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy nanocellulose chiết xuất từ rơm rạ là chất gia cường hiệu quả cho màng PVA, cải thiện đáng kể độ bền cơ học và giảm độ thấm hơi nước, nhờ khả năng tạo liên kết hydro mạnh giữa CNC và PVA. So với màng CS, màng PVA có tính ổn định nhiệt và cơ học vượt trội, phù hợp hơn cho ứng dụng bao bì thực phẩm.

Hệ nhũ tương Pickering tinh dầu quế ổn định bằng nanocellulose thể hiện hoạt tính sinh học vượt trội so với tinh dầu sả chanh, phù hợp làm chất nhũ hóa trong màng bọc thực phẩm. Việc tối ưu hóa quy trình siêu âm giúp kiểm soát kích thước giọt và phân bố kích thước, từ đó nâng cao tính ổn định và hiệu quả hoạt tính sinh học của nhũ tương.

Việc bổ sung nhũ tương Pickering tinh dầu quế vào màng PVA không chỉ duy trì tính chất cơ học mà còn tăng cường khả năng kháng khuẩn, kháng nấm và kháng oxy hóa, đồng thời giảm thiểu tác động tiêu cực của tinh dầu nguyên chất lên màng. Thí nghiệm bảo quản dâu tây chứng minh màng PVA-PE-CEO có thể kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm, giảm thiểu hư hỏng do vi sinh vật và oxy hóa.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh độ bền kéo, WVP giữa các mẫu màng; biểu đồ kích thước giọt và PdI của nhũ tương; bảng kết quả hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm và kháng oxy hóa; hình ảnh SEM thể hiện cấu trúc bề mặt màng và nhũ tương; đồ thị giảm khối lượng dâu tây theo thời gian bảo quản.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng nanocellulose chiết xuất từ rơm rạ làm chất gia cường trong màng PVA: Khuyến nghị sử dụng nanocellulose ở nồng độ khoảng 4% để cải thiện độ bền kéo và giảm độ thấm hơi nước, áp dụng trong sản xuất màng bọc thực phẩm sinh học thân thiện môi trường. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng, chủ thể: doanh nghiệp sản xuất bao bì sinh học.

  2. Phát triển nhũ tương Pickering tinh dầu quế ổn định bằng nanocellulose làm chất nhũ hóa trong màng bọc: Áp dụng quy trình siêu âm tối ưu (12 phút, 0,83% nanocellulose, 11,54% tinh dầu) để tạo nhũ tương có kích thước hạt nhỏ, đồng nhất, tăng cường hoạt tính kháng khuẩn và kháng oxy hóa. Thời gian triển khai: 3-6 tháng, chủ thể: trung tâm nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ sinh học.

  3. Sản xuất màng PVA chứa nhũ tương Pickering tinh dầu quế để bảo quản thực phẩm tươi: Khuyến nghị bổ sung nhũ tương Pickering tinh dầu quế với tỷ lệ 6-8% vào màng PVA để kéo dài thời gian bảo quản trái cây tươi như dâu tây lên đến 21 ngày, giảm thiểu hư hỏng do vi sinh vật và oxy hóa. Thời gian thử nghiệm mở rộng: 12 tháng, chủ thể: doanh nghiệp chế biến và bảo quản thực phẩm.

  4. Nâng cao nhận thức và đào tạo kỹ thuật cho các nhà sản xuất bao bì sinh học: Tổ chức các khóa đào tạo về công nghệ chiết xuất nanocellulose, kỹ thuật tạo nhũ tương Pickering và ứng dụng trong màng bọc thực phẩm. Thời gian: liên tục, chủ thể: các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ thực phẩm: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô hình tối ưu hóa quy trình tạo nhũ tương Pickering, ứng dụng nanocellulose trong màng bọc sinh học, hỗ trợ phát triển đề tài nghiên cứu mới.

  2. Doanh nghiệp sản xuất bao bì sinh học và vật liệu phân hủy sinh học: Tham khảo để ứng dụng công nghệ nanocellulose và nhũ tương Pickering tinh dầu vào sản phẩm, nâng cao chất lượng và tính năng màng bọc, đáp ứng xu hướng xanh, bền vững.

  3. Các cơ quan quản lý và hoạch định chính sách môi trường, nông nghiệp: Tài liệu tham khảo về tiềm năng sử dụng phụ phẩm nông nghiệp (rơm rạ) trong công nghiệp vật liệu, góp phần giảm ô nhiễm môi trường và phát triển kinh tế tuần hoàn.

  4. Ngành công nghiệp chế biến và bảo quản thực phẩm tươi: Áp dụng màng bọc chứa nanocellulose và nhũ tương Pickering tinh dầu để kéo dài thời gian bảo quản, giảm thiểu sử dụng chất bảo quản hóa học, nâng cao chất lượng sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nanocellulose có ưu điểm gì so với các vật liệu gia cường khác trong màng bọc thực phẩm?
    Nanocellulose có độ bền cơ học cao, khả năng phân hủy sinh học, thân thiện môi trường và khả năng tạo liên kết hydro với polymer sinh học như PVA, giúp cải thiện độ bền kéo và giảm độ thấm hơi nước của màng. Ví dụ, màng PVA chứa 4% nanocellulose cải thiện độ bền kéo 57,65% so với màng gốc.

  2. Nhũ tương Pickering tinh dầu là gì và tại sao lại sử dụng nanocellulose để ổn định?
    Nhũ tương Pickering là hệ nhũ tương được ổn định bằng các hạt rắn nano thay vì chất hoạt động bề mặt. Nanocellulose có kích thước nano, tính lưỡng tính và khả năng tạo mạng lưới ba chiều giúp ổn định giọt dầu trong nước, tăng tính ổn định và hoạt tính sinh học của nhũ tương.

  3. Tại sao chọn tinh dầu quế thay vì tinh dầu sả chanh cho màng bọc thực phẩm?
    Tinh dầu quế có hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm và kháng oxy hóa cao hơn tinh dầu sả chanh, với khả năng ức chế vi khuẩn lên đến 92,4% và giảm 42,7% gốc tự do DPPH, giúp màng bọc có hiệu quả bảo quản thực phẩm tốt hơn.

  4. Quy trình tối ưu hóa siêu âm nhũ tương Pickering được thực hiện như thế nào?
    Sử dụng thiết kế thực nghiệm Box-Behnken với ba biến số (thời gian siêu âm, nồng độ nanocellulose, nồng độ tinh dầu), phân tích dữ liệu bằng phần mềm Design Expert 13 để tìm điểm tối ưu cho kích thước giọt nhũ <1 μm và PdI <0,5, đảm bảo tính ổn định và đồng nhất của nhũ tương.

  5. Màng bọc chứa nanocellulose và nhũ tương Pickering tinh dầu có thể bảo quản thực phẩm trong bao lâu?
    Thí nghiệm bảo quản dâu tây cho thấy màng PVA chứa nhũ tương Pickering tinh dầu quế có thể bảo quản trái cây trong 21 ngày ở 5°C mà không bị mốc hay hư hỏng, kéo dài gấp ba lần so với màng không chứa nhũ tương.

Kết luận

  • Nanocellulose chiết xuất từ rơm rạ là vật liệu gia cường hiệu quả cho màng PVA, cải thiện độ bền kéo 57,65% và giảm độ thấm hơi nước 32,4% ở nồng độ 4%.
  • Hệ nhũ tương Pickering tinh dầu quế ổn định bằng nanocellulose có hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm và kháng oxy hóa vượt trội, kích thước giọt nhũ tối ưu khoảng 0,693 μm với PdI 0,236.
  • Quy trình siêu âm tối ưu giúp tạo nhũ tương đồng nhất, ổn định, phù hợp mở rộng quy mô sản xuất.
  • Màng PVA chứa nhũ tương Pickering tinh dầu quế có khả năng kháng khuẩn 92,4%, kháng tia UVC và bảo quản dâu tây trong 21 ngày không bị mốc.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển vật liệu bao bì thực phẩm sinh học thân thiện môi trường, tận dụng phụ phẩm nông nghiệp, góp phần giảm ô nhiễm và nâng cao giá trị kinh tế.

Next steps: Triển khai thử nghiệm mở rộng quy mô sản xuất màng bọc, đánh giá ứng dụng thực tế trong bảo quản các loại thực phẩm khác, đồng thời phát triển các sản phẩm bao bì đa chức năng dựa trên nanocellulose và nhũ tương Pickering.

Call to action