Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ với đề tài "Preparation and characterization of active coating solution based on chitosan incorporated with natural extracts for preserving harvested agricultural produce" (tên tiếng Việt: Nghiên cứu chế tạo chế phẩm bảo quản trái cây có hoạt tính sinh học trên cơ sở màng chitosan và chiết xuất tự nhiên) được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Nguyễn Thị Thương, chuyên ngành Hóa lý thuyết và Hóa lý (mã số: 9440119), khóa đào tạo 2018 tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Hà Thúc Chí Nhân và PGS. Bạch Long Giang. Luận án được hoàn thành và bảo vệ vào năm 2023.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Theo số liệu thống kê được tác giả trích dẫn, khoảng 30% đến 60% tổng sản lượng rau quả tươi bị tổn thất và lãng phí sau thu hoạch do quá trình xử lý và bảo quản chưa phù hợp. Tổn thất sau thu hoạch gây thiệt hại kinh tế trực tiếp cho người sản xuất, lãng phí tài nguyên đất, nước, năng lượng và ảnh hưởng tiêu cực đến an ninh lương thực. Các nguyên nhân chính dẫn đến sự suy giảm chất lượng nông sản bao gồm sự bốc thoát hơi nước làm mất khối lượng, hoạt động hô hấp sinh lý, sự sản sinh khí ethylene ($C_2H_4$), cùng sự tấn công của vi sinh vật gây hư hỏng (vi khuẩn, nấm mốc).

Các giải pháp truyền thống như bảo quản lạnh, chiếu xạ, kiểm soát khí quyển (CA), bao gói biến đổi khí quyển (MAP), hoặc sử dụng hóa chất tổng hợp (hợp chất gốc clo, sulfur dioxide, chất chống oxy hóa tổng hợp BHA, BHT) đều tồn tại những nhược điểm: chi phí đầu tư thiết bị cao, nguy cơ tổn thương lạnh, làm biến đổi hương vị, hoặc để lại tồn dư hóa chất ảnh hưởng đến sức khỏe người tiêu dùng.

Việc ứng dụng màng/lớp phủ sinh học ăn được (edible coating) từ biopolymer tự nhiên, đặc biệt là chitosan (CS), nổi lên như một hướng tiếp cận tiềm năng nhờ khả năng tạo màng tốt, tính tương thích sinh học, tự phân hủy sinh học và tính an toàn thực phẩm (được Cục Quản lý Thực phẩm và Dược phẩm Hoa Kỳ - FDA công nhận GRAS năm 2013). Tuy nhiên, màng chitosan thuần có nhược điểm cố hữu: độ giòn cao, khả năng chịu lực cơ học chưa tối ưu, độ nhạy ẩm cao, và hoạt tính kháng khuẩn ở trạng thái màng rắn bị hạn chế do các nhóm amin ($-NH_2$) chỉ ức chế vi khuẩn khi tiếp xúc trực tiếp.

Nhằm khắc phục các hạn chế này, việc bổ sung các hợp chất polyphenol tự nhiên giàu hoạt tính chống oxy hóa và kháng khuẩn từ thực vật vào nền chitosan đã được nghiên cứu. Mặc dù vậy, các nghiên cứu trước đây thường gặp tình trạng: việc bổ sung một chiết xuất đơn lẻ có thể tăng cường hoạt tính sinh học nhưng lại làm suy giảm độ bền kéo hoặc làm tăng độ truyền hơi nước của màng. Tác giả xác định khoảng trống nghiên cứu chính: chưa có công trình nào đánh giá so sánh và khảo sát hiệu ứng đồng kết hợp (co-incorporation) giữa chiết xuất lá trầu không (Piper betle L. - PBLE) và chiết xuất lá bần ổi (Sonneratia ovata - SOE) trong màng phủ chitosan, cũng như nghiên cứu động học giải phóng polyphenol trong các môi trường thực phẩm mô phỏng và thử nghiệm bảo quản thực tế song song trên cả nhóm quả có đỉnh hô hấp và không có đỉnh hô hấp.

Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là chế tạo và đánh giá các đặc trưng lý hóa, cơ lý, sinh học của màng và dung dịch phủ chitosan kết hợp chiết xuất lá trầu không và chiết xuất lá bần ổi, đồng thời ứng dụng chế phẩm này trong bảo quản nông sản sau thu hoạch. Các mục tiêu cụ thể được xác định:

  1. Đánh giá ảnh hưởng so sánh của việc bổ sung đơn lẻ chiết xuất Piper betle L. (PBLE) và chiết xuất Sonneratia ovata (SOE) đến cấu trúc, tính chất cơ lý, tính cản hơi nước, tính cản tia cực tím (UV), hoạt tính kháng oxy hóa và kháng khuẩn của màng chitosan.
  2. Đánh giá hiệu ứng đồng kết hợp (co-incorporation) giữa PBLE và SOE ở các tỷ lệ phối trộn khác nhau lên các đặc tính lý hóa, cơ học và hoạt tính sinh học của màng composite chitosan.
  3. Nghiên cứu động học và cơ chế phóng thích polyphenol từ các màng hoạt tính trong 4 môi trường thực phẩm mô phỏng (nước cất, dung dịch acid acetic 3%, dung dịch ethanol 10%, dung dịch ethanol 50% hoặc 95%).
  4. Khảo sát tính chất hóa lý (sức căng bề mặt, độ nhớt, pH) và hiệu quả phủ (công bám dính, hệ số phân tán) của dung dịch phủ trên bề mặt quả.
  5. Ứng dụng chế phẩm dung dịch phủ tối ưu để kéo dài thời gian bảo quản chuối Laba (Musa acuminata - đại diện cho quả có đỉnh hô hấp) và cam sành (King orange - đại diện cho quả không có đỉnh hô hấp).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu:
    • Biopolymer nền: Chitosan (CS).
    • Chiết xuất tự nhiên: Chiết xuất ethanol từ lá trầu không (Piper betle L. thu hái tại huyện Hóc Môn, TP. Hồ Chí Minh) và lá bần ổi (Sonneratia ovata thu hái tại rừng ngập mặn Cần Giờ, TP. Hồ Chí Minh).
    • Màng và dung dịch phủ: CS đơn thuần, CS bổ sung PBLE (CS-PBLE1, CS-PBLE2, CS-PBLE3 tương ứng 1%, 2%, 3% w/v), CS bổ sung SOE (CS-SOE1, CS-SOE2, CS-SOE3 tương ứng 1%, 2%, 3% w/v), và CS đồng kết hợp SOE và PBLE (CS-SOE1-PBLE1 tỷ lệ 1:1, CS-SOE1.4-PBLE0.6 tỷ lệ khối lượng 1.6 hoặc CS-SOE1.4-PBLE2.5).
    • Đối tượng bảo quản: Chuối Cavendish/Laba (Musa acuminata) và cam sành (Citrus nobilis / King orange).
  • Phạm vi nghiên cứu: Các thí nghiệm chế tạo vật liệu, đánh giá hóa lý, cơ lý, phân tích phổ, thử nghiệm vi sinh, đo đạc giải phóng hoạt chất và thử nghiệm bảo quản quả được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm tại điều kiện nhiệt độ phòng (20 °C) và độ ẩm tương đối 64% RH.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước được tác giả tổng thuật

Tác giả đã hệ thống hóa các nhóm phương pháp bảo quản nông sản sau thu hoạch hiện hữu:

  • Phương pháp vật lý: Bảo quản lạnh, các kỹ thuật làm mát sơ bộ (forced air cooling, hydrocooling, vacuum cooling); xử lý nhiệt (ngâm nước nóng 50–60 °C, hơi nóng, khí nóng); chiếu xạ bằng tia gamma từ nguồn phóng xạ Cesium-137 hoặc Cobalt-60 (liều thấp < 1 kGy ức chế nảy mầm, liều trung bình 1–10 kGy giảm vi sinh vật, liều cao > 10 kGy tiêu diệt nấm/vi khuẩn nhưng gây tổn thương mô và DNA); màng phủ thương mại ăn được (Natureseal, Semperfresh).
  • Phương pháp hóa học: Sử dụng dung dịch chứa clo ($NaClO$), peroxyacetic acid (PAA), hydrogen peroxide ($H_2O_2$), acid hữu cơ (citric, acetic, lactic, malic), nitric oxide (NO - ức chế phức hợp ACC oxidase), sulfur dioxide ($SO_2$ - dùng cho nho nhưng có nguy cơ tồn dư sulfit).
  • Xử lý khí quyển và kỹ thuật mới: Xử lý bằng Ozone (nồng độ 2.5 ppm), chất ức chế thụ thể ethylene 1-methylcyclopropene (1-MCP), kiểm soát khí quyển (CA: $O_2 < 8%$, $CO_2 > 1%$), bao gói khí quyển biến đổi (MAP), và xử lý plasma lạnh (cold plasma).

Về nghiên cứu màng chitosan và chất bổ sung:

  • Việc sử dụng phụ gia vô cơ và chất chống oxy hóa tổng hợp: BHA, BHT [26], đồng oxide $CuO$ [27], titan dioxide $TiO_2$ [28], ống nano halloysite [29], hạt nano lưu huỳnh [30].
  • Bổ sung chiết xuất thực vật đơn lẻ vào chitosan:
    • Chiết xuất cỏ xạ hương (thyme extract): tăng khả năng chống oxy hóa nhưng độ bền kéo giảm còn 13 MPa, mô đun đàn hồi 14 MPa [43].
    • Chiết xuất trà và kenaf (1%): độ bền kéo đạt 28 MPa và 22 MPa, độ giãn dài 41% và 40%, tuy nhiên độ trương nở cao [31].
    • Chiết xuất polyphenol từ táo non: cải thiện kháng khuẩn và giảm độ truyền hơi nước từ 10.9 xuống thấp hơn, nhưng làm giảm độ bền kéo từ 27.48 MPa xuống mức thấp và giảm độ bền nhiệt [43, 49].
    • Chiết xuất lá Pistacia terebinthus: ức chế vi sinh vật nhưng làm giảm độ bền kéo đáng kể từ 26.86 MPa xuống 15 MPa [44].
    • Chiết xuất quả Berberis crataegina: kháng E. coli, P. aeruginosa, S. aureus, B. subtilis nhưng độ bền kéo và mô đun Young thấp hơn màng chitosan thuần [45].
    • Chiết xuất nghệ (turmeric): tăng độ bền kéo (32–48 MPa) nhưng làm tăng độ truyền hơi nước [48].
    • Chiết xuất hương thảo (rosemary) và gừng (ginger): giảm độ bền kéo từ 20 MPa xuống 12 MPa và 18 MPa, làm tăng độ ẩm màng lên 24% và 26% so với chitosan thuần (13%) [31].
  • Kết hợp đa cấu tử trong màng chitosan:
    • Hạt nho kết hợp carvacrol [50]; hỗn hợp tinh dầu quế và dầu đậu nành [51]; chiết xuất hạt nho phối hợp tinh dầu Ziziphora clinopodioides [52]; chiết xuất vỏ lựu kết hợp tinh dầu Thymus kotschyanus [53]; tinh dầu Ziziphora clinopodioides và chiết xuất Ficus carica [54]; hỗn hợp tinh dầu chanh, cỏ xạ hương và quế [55].
  • Thành phần hóa học của nguyên liệu:
    • Piper betle L.: Chu Phạm Ngọc Son và cộng sự [62, 63] đã xác định các hợp chất chính trong tinh dầu lá trầu không Hóc Môn gồm chavibetol, chavibetol acetate, 4-allylpyrocatechol diacetate và eugenol; các nghiên cứu khác chỉ ra sự hiện diện của hydroxychavicol, 4-chromanol với khả năng kháng khuẩn Gram âm, Gram dương và kháng oxy hóa mạnh.
    • Sonneratia ovata: Nguyễn Thị Hoài Thu và cộng sự [67, 68] đã phân lập và xác định các nhóm hợp chất trong lá bần ổi Cần Giờ gồm steroid ($\beta$-sitosterol), triterpenoid (corosolic acid), flavonoid (luteolin, luteolin-7-O-$\beta$-D-glucopyranoside, vitexin, isoorientin), lignan (sonnerstigmane A-D) và phenolic (sonnerphenolic A-C, acid gallic).

Khoảng trống luận án giải quyết

Luận án giải quyết khoảng trống về việc thiếu hụt một hệ màng composite từ chitosan kết hợp đồng thời hai nguồn chiết xuất giàu polyphenol có tính chất bổ trợ nhau: PBLE (giàu acid gallic, eugenol, hydroxychavicol, vượt trội về kháng khuẩn, chống oxy hóa, cản UV nhưng làm yếu cơ lý) và SOE (giàu luteolin-7-O-glucoside, acid gallic, luteolin, vượt trội về cải thiện cơ lý và độ ổn định nhiệt). Luận án cũng lấp đầy khoảng trống dữ liệu về mô hình hóa động học phóng thích polyphenol từ hệ màng này trong các môi trường mô phỏng thực phẩm khác nhau và hiệu quả bảo quản thực chứng trên hai mô hình nông sản hô hấp điển hình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và cơ chế tương tác

  1. Cấu trúc và tính chất của Chitosan: Chitosan là polymer sinh học cấu tạo từ các đơn vị $\beta$-(1-4) liên kết giữa D-glucosamine và N-acetyl-D-glucosamine, đặc trưng bởi bậc deacetyl hóa (DA) và khối lượng phân tử ($M_w$). Nhóm amin hoạt động ($-NH_2$) ở vị trí C2 quyết định tính chất tĩnh điện, khả năng hòa tan trong môi trường acid nhẹ và hoạt tính kháng khuẩn tự thân thông qua tương tác tĩnh điện với nhóm phosphoryl tích điện âm của màng phospholipid vi khuẩn.
  2. Hóa học Polyphenol và cơ chế chống oxy hóa, kháng khuẩn:
    • Phân loại: Phenolic acids (acid benzoic, acid hydroxycinnamic), Flavonoids (flavone, flavanone, flavonol, flavan-3-ol, isoflavone, chalcone, anthocyanidine) và Stilbenoids (resveratrol).
    • Cơ chế dập tắt gốc tự do: Quá trình bẻ gãy chuỗi gốc tự do thông qua cơ chế chuyển nguyên tử hydro (HAT: $Ar\text{-}OH + R^\bullet \rightarrow Ar\text{-}O^\bullet + RH$), chuyển điện tử đơn liên hợp proton (ET-PT), hoặc mất proton liên tiếp kèm chuyển điện tử (SPLET).
    • Cơ chế kháng khuẩn: Polyphenol tương tác với vách tế bào, màng nguyên sinh chất và enzyme vi khuẩn qua liên kết hydro, liên kết cộng hóa trị, tương tác kỵ nước; làm biến tính tính thấm màng tế bào, ức chế tổng hợp acid nucleic và ngăn chặn vận chuyển protein.
  3. Cơ chế tương tác Chitosan - Polyphenol:
    • Liên kết hydro giữa các nhóm $-OH$, $-NH_2$ của chitosan với nhóm phenolic $-OH$.
    • Liên kết ester hình thành giữa nhóm $-CH_2OH$ của chitosan và nhóm $-COOH$ tự do của acid phenolic (như acid gallic chưa phân ly).
    • Tương tác tĩnh điện giữa nhóm carboxylat ($-\text{COO}^-$) của acid phenolic phân ly với nhóm $-\text{NH}_3^+$ của chitosan.
    • Tác động đóng vai trò như liên kết chéo (cross-linking) hoặc chất hóa dẻo (plasticizer) tùy thuộc nồng độ và bản chất phân tử.
  4. Mô hình động học phóng thích:
    • Mô hình Peleg: $\frac{t}{M_t} = k_1 + k_2 t$ (trong đó $k_1$ liên quan đến tốc độ phóng thích ban đầu, $k_2$ là hằng số liên quan đến dung lượng phóng thích cực đại ở trạng thái cân bằng $M_\infty = 1/k_2$).
    • Mô hình Kopcha: $M_t = A \cdot t^{1/2} + B \cdot t$ (trong đó hệ số $A$ đại diện cho cơ chế khuếch tán Fickian, hệ số $B$ đại diện cho cơ chế ăn mòn/hòa tan cốt polymer matrix erosion). Tỷ số $A/B$ xác định cơ chế chiếm ưu thế.
    • Mô hình Korsmeyer-Peppas: $\frac{M_t}{M_\infty} = k \cdot t^n$ (trong đó $k$ là hằng số tốc độ, $n$ là số mũ khuếch tán; $n \le 0.45$ chỉ thị cơ chế khuếch tán dạng Quasi-Fickian).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

  • Chiết xuất và phân tích thành phần tự nhiên:
    • Chiết hồi lưu/ngâm chiết bằng dung môi ethanol từ bột lá Piper betle L. và Sonneratia ovata.
    • Xác định độ ẩm, hàm lượng tro, hiệu suất chiết xuất.
    • Định lượng tổng hàm lượng polyphenol (TPC) bằng phương pháp Folin-Ciocalteu (tính theo mg GAE/g) và tổng hàm lượng flavonoid (TFC) bằng phương pháp tạo màu với nhôm clorua (tính theo mg RE/g).
    • Phân tích định danh hợp chất bằng sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC).
    • Đánh giá hoạt tính chống oxy hóa qua thử nghiệm quét gốc tự do DPPH (xác định giá trị $IC_{50}$).
    • Đánh giá hoạt tính kháng khuẩn qua phương pháp đo đường kính vòng kháng khuẩn (khuếch tán đĩa thạch) và phương pháp ủ lỏng (liquid incubation test) đối với Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Escherichia coli.
  • Chế tạo màng và dung dịch phủ:
    • Hòa tan chitosan trong dung dịch acid acetic loãng, bổ sung glycerol làm chất hóa dẻo.
    • Phối trộn dịch chiết PBLE và SOE đơn lẻ (1%, 2%, 3% w/v) hoặc đồng kết hợp theo các tỷ lệ khối lượng (1:1 và 1.6).
    • Tạo màng bằng phương pháp đổ khuôn (solution casting) và sấy khô để thu nhận màng hoạt tính.
  • Phương pháp đặc trưng màng:
    • Hình thái bề mặt và cấu trúc vi mô: Kính hiển vi điện tử quét (SEM).
    • Cấu trúc liên kết hóa học: Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier phản xạ toàn phần suy giảm (ATR-FTIR).
    • Cấu trúc tinh thể: Nhiễu xạ tia X (XRD).
    • Độ ổn định nhiệt: Phân tích nhiệt trọng lượng và đạo hàm nhiệt trọng lượng (TGA/DTG).
    • Tính chất bề mặt và tương tác nước: Đo góc tiếp xúc nước (WCA), độ ẩm, độ tan trong nước, độ trương nở (swelling degree).
    • Tính chất quang học: Đo độ truyền qua UV-Vis (khảo sát khả năng cản UV và độ trong suốt), đo màu sắc ($L, a, b$, độ sai khác màu tổng số $\Delta E$, chỉ số trắng White Index WI).
    • Tính chất cơ lý: Đo độ bền kéo (Tensile Strength - TS) và độ giãn dài khi đứt (Elongation at Break - EB) theo tiêu chuẩn ASTM.
    • Tính cản hơi nước: Đo tốc độ truyền hơi nước (WVTR) và hệ số thẩm thấu hơi nước (WVP).
  • Phương pháp khảo sát phóng thích hoạt chất:
    • Ngâm màng trong 4 môi trường mô phỏng thực phẩm quy chuẩn: Nước cất ($H_2O$ - mô phỏng thực phẩm lỏng/thủy dịch), Acid acetic 3% ($w/v$ - mô phỏng thực phẩm có tính acid), Ethanol 10% ($v/v$ - mô phỏng đồ uống có cồn/thực phẩm kiềm nhẹ), Ethanol 50% ($v/v$ - mô phỏng thực phẩm nhiều chất béo).
    • Xác định hàm lượng polyphenol phóng thích ($TPs$), hàm lượng lưu giữ trong màng cốt ($TPCR$) và tỷ lệ phần trăm phóng thích theo thời gian ở 25 °C. Khớp dữ liệu vào các phương trình động học Peleg, Kopcha, Korsmeyer-Peppas.
  • Phương pháp đánh giá dung dịch phủ và bảo quản quả:
    • Đo tính chất hóa lý của dung dịch phủ: sức căng bề mặt, độ nhớt, pH.
    • Tính toán các thông số tương tác bề mặt: công bám dính ($W_a$) và hệ số phân tán ($S$).
    • Phân tích SEM bề mặt vỏ chuối và cam có phủ và không phủ màng.
    • Thử nghiệm bảo quản: Chuối Laba và cam sành được xử lý nhúng phủ dung dịch và lưu trữ ở điều kiện 20 °C, độ ẩm 64% RH.
    • Đánh giá chất lượng định kỳ: Tốc độ hô hấp (đo lượng $CO_2$ sinh ra, $mg,CO_2/kg\cdot h$), tỷ lệ hao hụt khối lượng tự nhiên (Weight loss, %), biến đổi màu sắc vỏ ($L, a, b$), tổng hàm lượng chất rắn hòa tan (TSS, $^\circ\text{Brix}$), độ acid chuẩn độ (TA, %), hàm lượng Vitamin C ($mg/100g$), pH.

Nội dung chính theo từng chương

Chapter 1: Introduction and Literature Review

Chương 1 tổng quan sâu sắc về cơ sở khoa học của tổn thất sau thu hoạch và các kỹ thuật bảo quản hiện hành. Tác giả phân tích chi tiết các yếu tố môi trường ảnh hưởng đến nông sản gồm nhiệt độ bảo quản, độ ẩm tương đối (RH tối ưu ~95% nhằm hạn chế bốc thoát hơi nước mà không gây đọng sương làm thối hỏng), thành phần chất khí ($O_2, CO_2, C_2H_4$). Tác giả làm rõ cơ chế sinh tổng hợp ethylene từ 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid (ACC) qua xúc tác enzyme ACC synthase và ACC oxidase.

Chương này cũng tổng hợp các phương pháp xử lý vật lý, hóa học, xử lý khí và làm nổi bật ưu - nhược điểm của từng phương pháp. Phần tổng quan về vật liệu đi sâu vào cấu trúc polymer của chitin/chitosan, vai trò của bậc acetyl hóa (DA) và khối lượng phân tử ($M_w$) lên tính chất cơ lý, tính cản và hoạt tính kháng khuẩn. Chương 1 phân loại chi tiết các nhóm polyphenol thực vật, cơ chế bẻ gãy gốc tự do và cơ chế tương tác đa dạng (liên kết hydro, liên kết ester, liên kết tĩnh điện, khâu mạch chéo) giữa polyphenol và mạch polysaccharide chitosan. Đồng thời, tác giả tổng thuật đặc tính của hai nguồn nguyên liệu tự nhiên của Việt Nam: lá trầu không (Piper betle L.) và lá bần ổi (Sonneratia ovata), cùng các đặc tính sinh lý - hóa sinh trong quá trình chín của chuối (trái cây có đỉnh hô hấp) và cam sành (trái cây không có đỉnh hô hấp).

Chapter 2: Experiment and Methods

Chương 2 trình bày toàn bộ quy trình thực nghiệm, xuất xứ hóa chất, quy trình chiết xuất ethanol, các công thức phối chế tạo màng và dung dịch phủ. Chương này quy định chi tiết các kỹ thuật phân tích hóa lý (SEM, ATR-FTIR, XRD, TGA/DTG, góc tiếp xúc, độ ẩm, độ tan, độ trương nở, WVTR, độ truyền quang UV-Vis), các phương pháp thử nghiệm sinh học (DPPH, kháng khuẩn trên đĩa thạch và môi trường ủ lỏng đối với S. aureus, P. aeruginosa, E. coli), phương pháp đánh giá động học phóng thích polyphenol trong 4 dung môi mô phỏng thực phẩm ở 25 °C, và quy trình thực nghiệm bảo quản chuối Laba và cam sành tại 20 °C, 64% RH cùng phương pháp đo các chỉ tiêu hóa sinh (tốc độ hô hấp, hao hụt khối lượng, màu vỏ, TSS, TA, Vitamin C, pH).

Chapter 3: Results and Discussion

1. Đặc trưng của chiết xuất và màng chitosan kết hợp PBLE (CS-PBLE)

  • Đặc tính dịch chiết PBLE: Chiết xuất lá trầu không có tổng hàm lượng polyphenol (TPC) rất cao đạt 457.25 mg GAE/g. Phân tích HPLC xác định các hợp chất phenolic chính là acid gallic, eugenol và hydroxychavicol. Thử nghiệm vi sinh cho thấy PBLE có hoạt tính kháng khuẩn mạnh đối với cả vi khuẩn Gram dương (S. aureus) và Gram âm (E. coli, P. aeruginosa), cùng hoạt tính quét gốc tự do DPPH cao.
  • Tính chất màng CS-PBLE: Khi phối trộn PBLE vào màng chitosan ở các nồng độ 1%, 2%, 3% (CS-PBLE1, CS-PBLE2, CS-PBLE3):
    • Phổ ATR-FTIR và XRD cho thấy sự hình thành liên kết hydro và tương tác giữa các nhóm chức phenolic với mạch chitosan, làm thay đổi cấu trúc tinh thể của màng.
    • Phân tích quang học: Màng bổ sung PBLE cải thiện vượt bậc khả năng cản tia cực tím (UV-barrier property), giảm mạnh độ truyền qua ở vùng UV nhưng vẫn giữ độ trong suốt tương đối ở vùng ánh sáng khả kiến.
    • Hoạt tính sinh học: Giá trị $IC_{50}$ quét gốc DPPH giảm mạnh (hoạt tính tăng), màng thể hiện tính ức chế vi khuẩn P. aeruginosa vượt trội ngay cả sau 30 ngày bảo quản ở nhiệt độ phòng (27 °C).
    • Nhược điểm: Việc tăng hàm lượng PBLE làm giảm độ bền kéo (Tensile Strength) và độ giãn dài của màng, do các phân tử polyphenol kích thước nhỏ cản trở sự liên kết liên tục của chuỗi polymer chitosan.

2. Đặc trưng của chiết xuất và màng chitosan kết hợp SOE (CS-SOE)

  • Đặc tính dịch chiết SOE: Chiết xuất lá bần ổi có tổng hàm lượng polyphenol TPC đạt 166.66 mg GAE/g và tổng hàm lượng flavonoid (TFC) đạt 132.823 mg RE/g. Thành phần phenolic chính được nhận diện gồm luteolin-7-O-glucoside, acid gallic và luteolin. SOE có hoạt tính kháng khuẩn và chống oxy hóa.
  • Tính chất màng CS-SOE: Khi bổ sung SOE vào chitosan (CS-SOE1, CS-SOE2, CS-SOE3):
    • Khác biệt với PBLE, sự hiện diện của SOE làm gia tăng đáng kể độ bền cơ lý của màng. Độ bền kéo (Tensile Strength) của màng CS-SOE tăng rõ rệt nhờ tương tác tạo mạng liên kết cộng hưởng và liên kết chéo giữa các phân tử flavonoid/polyphenol của SOE với mạch chitosan.
    • Phân tích TGA/DTG chứng minh màng CS-SOE có độ ổn định nhiệt (thermostability) được nâng cao so với màng chitosan thuần.
    • Khả năng kiểm soát độ trương nở và độ ẩm của màng được cải thiện tốt.

3. Đánh giá so sánh, hiệu ứng đồng kết hợp và động học giải phóng polyphenol

  • Hiệu ứng đồng kết hợp: Sự kết hợp đồng thời cả hai chiết xuất trong màng CS-SOE1-PBLE1 (tỷ lệ 1:1) và CS-SOE1.4-PBLE0.6 (tỷ lệ khối lượng 1.6) tạo ra sự bổ trợ: khắc phục hoàn toàn điểm yếu suy giảm cơ tính của PBLE nhờ khung liên kết của SOE, đồng thời tận dụng hoạt tính kháng khuẩn, kháng oxy hóa mạnh và khả năng cản UV từ PBLE. Màng CS-SOE1.4-PBLE0.6 thể hiện hiệu quả tổng hòa tốt nhất về độ bền cơ lý, tính cản hơi nước (WVTR thấp), cản UV, độ bền nhiệt và hoạt tính sinh học.
Mẫu màng / Thông số Đặc tính cơ lý (TS & EB) Tính cản hơi nước (WVTR) Tính cản tia UV Hoạt tính kháng khuẩn & DPPH Độ ổn định nhiệt
CS (đối chứng) Cơ tính chuẩn Khả năng cản ẩm trung bình Cản UV kém Kháng khuẩn yếu ở thể rắn Chuẩn nhiệt
CS-PBLE (đơn lẻ) Giảm độ bền kéo Cải thiện cản ẩm Cản UV rất mạnh Kháng khuẩn & DPPH rất cao Giảm nhẹ
CS-SOE (đơn lẻ) Tăng mạnh độ bền kéo Cản ẩm tốt Cản UV trung bình Kháng khuẩn & DPPH khá Tăng độ ổn định nhiệt
CS-SOE-PBLE (đồng kết hợp) Cơ tính cao và dẻo dai Cải thiện rõ rệt nhất Duy trì cản UV cao Kháng khuẩn & DPPH cao Duy trì độ bền nhiệt cao
  • Động học phóng thích Polyphenol:
    • Tốc độ và mức độ giải phóng polyphenol phụ thuộc mạnh vào bản chất môi trường thực phẩm mô phỏng: phóng thích nhanh và nhiều nhất trong môi trường Acid acetic 3% do tính tan của khung màng chitosan trong acid; phóng thích chậm hơn và có kiểm soát trong môi trường nước cất, ethanol 10% và ethanol 50%.
    • Màng CS-SOE2 giải phóng polyphenol chậm hơn màng CS-PBLE2 trong tất cả các môi trường mô phỏng do liên kết chặt chẽ hơn giữa các hợp chất của SOE với nền chitosan.
    • Khớp mô hình toán học: Dữ liệu thực nghiệm tương thích rất cao với mô hình Peleg và mô hình Kopcha. Kết quả Kopcha chỉ ra cơ chế giải phóng từ màng CS-PBLE2 chủ yếu do khuếch tán (diffusion-controlled), màng CS-SOE2 chịu sự chi phối của cơ chế ăn mòn cốt polymer (matrix erosion), trong khi màng đồng kết hợp CS-SOE1.4-PBLE0.6 thể hiện sự kết hợp đồng thời của cả hai cơ chế. Tính toán theo mô hình Korsmeyer-Peppas cho thấy số mũ khuếch tán $n \le 0.45$, khẳng định cơ chế khuếch tán tuân theo dạng Quasi-Fickian.

4. Tính chất hóa lý của dung dịch phủ

Việc bổ sung SOE và PBLE làm giảm đáng kể sức căng bề mặt và độ nhớt của dung dịch chitosan, giúp dung dịch dễ dàng trải rộng và bám dính trên bề mặt kỵ nước của vỏ quả. Dung dịch CS-SOE2, CS-SOE1-PBLE1 và CS-SOE1.4-PBLE0.6 đạt công bám dính ($W_a$) và hệ số phân tán ($S$) cao nhất trên bề mặt vỏ chuối và vỏ cam.

5. Ứng dụng bảo quản chuối Laba (trái cây có đỉnh hô hấp)

  • Ảnh hưởng lên hình thái: Ảnh SEM cho thấy lớp phủ CS-SOE1.4-PBLE0.6 phân tán đồng đều, bao bọc kín các lỗ khí khổng trên bề mặt vỏ chuối.
  • Hiệu quả sinh hóa: Lớp màng ức chế quá trình hô hấp (giảm lượng $CO_2$ sinh ra, $mg,CO_2/kg\cdot h$), làm chậm quá trình chín sinh lý. Sau 10 ngày bảo quản ở 20 °C, mẫu chuối được phủ CS-SOE1.4-PBLE0.6 duy trì được độ tươi xanh của vỏ (hạn chế chuyển màu vàng và xuất hiện đốm nâu), giảm tỷ lệ mất khối lượng, làm chậm sự biến đổi tổng hàm lượng chất rắn hòa tan (TSS) và duy trì độ acid chuẩn độ (TA) so với mẫu đối chứng không phủ.

6. Ứng dụng bảo quản cam sành (trái cây không có đỉnh hô hấp)

  • Dung dịch CS-SOE1.4-PBLE0.6 cho độ bám dính và hệ số phủ vượt trội trên bề mặt vỏ cam sành xù xì, hàn kín các lỗ khí và khuyết tật bề mặt theo ghi nhận từ ảnh SEM.
  • Kết quả bảo quản: Chế phẩm CS-SOE1.4-PBLE0.6 giúp kéo dài thời gian bảo quản cam sành tươi lên đến 29 ngày ở 20 °C và 64% RH (kéo dài thời gian bảo quản gấp 3 lần so với mẫu đối chứng không phủ chỉ giữ được khoảng dưới 10 ngày). Lớp phủ hạn chế tối đa sự mất nước/sụt giảm khối lượng, duy trì độ cứng, màu sắc vỏ ($L, b$), giữ ổn định hàm lượng đường hòa tan và đặc biệt là bảo toàn hàm lượng Vitamin C quý giá trong dịch quả.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và học thuật

  1. Khảo sát hệ vật liệu mới: Lần đầu tiên nghiên cứu một cách hệ thống ảnh hưởng riêng lẻ và ảnh hưởng đồng kết hợp (co-incorporation) của chiết xuất lá trầu không (Piper betle L.) và chiết xuất lá bần ổi (Sonneratia ovata) lên các tính chất hóa lý, cấu trúc tinh thể, cơ lý, độ cản khí/ẩm, độ bền nhiệt và hoạt tính sinh học của màng sinh học chitosan.
  2. Làm sáng tỏ cơ chế giải phóng hoạt chất: Cung cấp bộ dữ liệu thực nghiệm và thông số động học về sự phóng thích polyphenol từ màng chitosan hoạt tính trong 4 môi trường thực phẩm mô phỏng quy chuẩn ($H_2O$, acid acetic 3%, ethanol 10%, ethanol 50%/95%). Chứng minh sự phù hợp của mô hình Peleg, mô hình Kopcha và xác định cơ chế giải phóng Quasi-Fickian theo mô hình Korsmeyer-Peppas.
  3. Mở rộng lý thuyết tương tác bề mặt trong bảo quản: Thiết lập mối tương quan giữa sức căng bề mặt, độ nhớt của dung dịch phủ với công bám dính, hệ số phân tán và sự phân bố lớp phủ trên cấu trúc vi mô khí khổng của vỏ quả nhiệt đới.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và ứng dụng

  1. Chế tạo thành công chế phẩm màng phủ sinh học đa năng: Tạo ra dung dịch phủ hoạt tính tối ưu CS-SOE1.4-PBLE0.6 có khả năng tương thích tốt, phân tán đều, vừa có độ bền cơ học cao, tính cản hơi nước và cản UV vượt trội, vừa có khả năng kháng khuẩn, chống oxy hóa bền bỉ.
  2. Kéo dài thời gian bảo quản nông sản thực tế: Ứng dụng thành công chế phẩm để bảo quản chuối Laba (đại diện cho quả có đỉnh hô hấp) duy trì chất lượng tốt trong 10 ngày và cam sành (đại diện cho quả không có đỉnh hô hấp) kéo dài thời gian lưu trữ đạt 29 ngày ở 20 °C, 64% RH (gấp 3 lần mẫu đối chứng), duy trì tối ưu khối lượng, màu sắc vỏ, độ acid, hàm lượng đường và Vitamin C.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Ứng dụng công thức phối trộn màng sinh học kết hợp hai chiết xuất thực vật tự nhiên (tỷ lệ khối lượng tối ưu SOE:PBLE tương ứng 1.6 hoặc 1:1) thay thế cho các hóa chất bảo quản tổng hợp độc hại.
  • Sử dụng phương pháp nhúng phủ trực tiếp dung dịch màng lên nông sản sau thu hoạch trước khi đưa vào hệ thống lưu thông phân phối ở nhiệt độ mát (20 °C).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

Nghiên cứu được thực hiện hoàn toàn ở quy mô phòng thí nghiệm (pilot/laboratory study). Các thông số thực nghiệm được khảo sát chủ yếu ở một điều kiện môi trường bảo quản cố định (nhiệt độ phòng 20 °C và độ ẩm tương đối 64% RH) mà chưa đánh giá trên dải nhiệt độ và độ ẩm biến thiên thực tế của chuỗi cung ứng thương mại.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

Tác giả định hướng mở rộng nghiên cứu trong tương lai theo 3 hướng cụ thể:

  • Hướng 1: Nghiên cứu ảnh hưởng độ tan của chitosan và chiết xuất ở các giá trị pH khác nhau lên quá trình tạo màng, tính đồng nhất, hiệu quả phủ và tính chất kháng oxy hóa của màng thành phẩm.
  • Hướng 2: Nghiên cứu ảnh hưởng của dải nhiệt độ và độ ẩm bảo quản khác nhau lên hiệu quả bảo quản chuối Cavendish/Laba và cam sành sau thu hoạch.
  • Hướng 3: Nghiên cứu và đánh giá định lượng tác động của các chủng vi sinh vật gây bệnh đặc thù sau thu hoạch trên chuối và cam sành có và không có lớp phủ chitosan-chiết xuất tự nhiên trong suốt quá trình lưu trữ.

Giá trị tham khảo

Luận án có giá trị tham khảo chuyên môn sâu đối với các nhóm đối tượng và lĩnh vực sau:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Hóa lý, Hóa học Polymer, Vật liệu Sinh học: Tham khảo quy trình chế tạo màng composite biopolymer, phương pháp phân tích tương tác liên kết (FTIR, XRD, TGA), kỹ thuật đo góc tiếp xúc bề mặt và đặc biệt là phương pháp toán học mô hình hóa động học phóng thích hoạt chất sinh học (mô hình Peleg, Kopcha, Korsmeyer-Peppas).
  • Các nhà khoa học và kỹ sư ngành Công nghệ Thực phẩm, Bảo quản Nông sản sau thu hoạch: Tham khảo các công thức phối trộn chế phẩm phủ sinh học ăn được, quy trình xử lý nhúng phủ, phương pháp đánh giá các chỉ tiêu sinh lý - hóa sinh (tốc độ hô hấp qua lượng $CO_2$, đường khử, độ acid chuẩn độ, tổn thất khối lượng, sự biến đổi màu vỏ) trên cả hai nhóm quả có đỉnh hô hấp và không có đỉnh hô hấp.
  • Doanh nghiệp sản xuất bao bì sinh học và chế phẩm nông nghiệp hữu cơ: Tham khảo định hướng khai thác nguồn phụ phẩm giàu hoạt tính sinh học bản địa (lá trầu không Hóc Môn, lá bần ổi Cần Giờ) nhằm phát triển các dòng sản phẩm bảo quản nông sản xanh, an toàn, thay thế hóa chất bảo quản truyền thống.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao việc kết hợp đồng thời cả PBLE và SOE vào màng chitosan lại vượt trội hơn so với việc sử dụng từng chiết xuất đơn lẻ?

Trả lời: Khi sử dụng đơn lẻ, chiết xuất lá trầu không (PBLE) giàu acid gallic, eugenol và hydroxychavicol giúp màng có hoạt tính kháng khuẩn, chống oxy hóa, cản UV và cản hơi nước rất cao nhưng lại làm suy giảm độ bền cơ học (độ bền kéo). Ngược lại, chiết xuất lá bần ổi (SOE) giàu flavonoid lại giúp tăng cường mạng liên kết chéo, nâng cao độ bền kéo và độ ổn định nhiệt cho màng chitosan. Sự đồng kết hợp (đặc biệt ở tỷ lệ khối lượng 1.6 trong mẫu CS-SOE1.4-PBLE0.6) tạo ra hiệu ứng bổ trợ hoàn hảo: giữ vững độ bền cơ lý và tính ổn định nhiệt của SOE, đồng thời phát huy tối đa hoạt tính kháng khuẩn, kháng oxy hóa và tính cản quang của PBLE.

2. Sự phóng thích polyphenol từ màng chitosan diễn ra mạnh nhất trong môi trường thực phẩm mô phỏng nào và tuân theo cơ chế gì?

Trả lời: Polyphenol phóng thích nhanh và nhiều nhất trong môi trường Acid acetic 3% (mô phỏng thực phẩm có tính acid) do khung polymer chitosan dễ dàng hòa tan và trương nở mạnh trong môi trường acid. Dữ liệu thực nghiệm tương thích tốt với mô hình Peleg và Kopcha. Theo mô hình Kopcha, màng CS-PBLE2 giải phóng chủ yếu qua cơ chế khuếch tán Fickian, màng CS-SOE2 chịu sự chi phối của cơ chế ăn mòn nền polymer, còn màng đồng kết hợp CS-SOE1.4-PBLE0.6 diễn ra theo cả hai cơ chế. Tính toán theo mô hình Korsmeyer-Peppas cho thấy số mũ khuếch tán $n \le 0.45$, khẳng định cơ chế phóng thích là khuếch tán Quasi-Fickian.

3. Dung dịch phủ CS-SOE-PBLE đã kéo dài thời gian bảo quản của cam sành và chuối Laba được bao nhiêu ngày và qua những cơ chế tác động nào?

Trả lời: Dung dịch phủ tối ưu CS-SOE1.4-PBLE0.6 giúp kéo dài thời gian bảo quản chuối Laba lên đến 10 ngày và cam sành lên đến 29 ngày ở 20 °C và 64% RH (đối với cam sành, thời gian bảo quản tăng gấp 3 lần so với mẫu đối chứng không phủ). Cơ chế tác động bao gồm: lớp màng phân tán đều bịt kín các lỗ khí khổng trên vỏ (đã được chứng minh qua ảnh SEM), làm giảm tốc độ hô hấp sinh $CO_2$, giảm bốc thoát hơi nước gây sụt giảm khối lượng, ức chế vi sinh vật gây thối hỏng nhờ polyphenol, từ đó làm chậm quá trình biến đổi màu vỏ, duy trì độ cứng, bảo tồn hàm lượng đường hòa tan, acid hữu cơ và Vitamin C.

4. Thành phần hoạt chất chính có trong chiết xuất lá trầu không (PBLE) và lá bần ổi (SOE) được xác định trong luận án là gì?

Trả lời: Phân tích HPLC và định lượng quang phổ chỉ ra rằng:

  • Chiết xuất lá trầu không (Piper betle L. - PBLE) có tổng hàm lượng polyphenol TPC là 457.25 mg GAE/g, chứa các hợp chất phenolic chính là acid gallic, eugenol và hydroxychavicol.
  • Chiết xuất lá bần ổi (Sonneratia ovata - SOE) có tổng hàm lượng polyphenol TPC là 166.66 mg GAE/g và tổng hàm lượng flavonoid TFC là 132.823 mg RE/g, chứa các hợp chất chính gồm luteolin-7-O-glucoside, acid gallic và luteolin.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Thị Thương đã phát triển thành công hệ vật liệu màng và dung dịch phủ sinh học hoạt tính trên cơ sở chitosan đồng kết hợp chiết xuất lá trầu không (Piper betle L.) và lá bần ổi (Sonneratia ovata). Bằng các phương pháp phân tích hóa lý hiện đại và mô hình hóa toán học, công trình đã chứng minh sự vượt trội của hệ màng đồng kết hợp trong việc tối ưu hóa cơ tính, khả năng cản hơi nước, cản bức xạ tử ngoại, tính ổn định nhiệt và hoạt tính kháng khuẩn, kháng oxy hóa. Thử nghiệm thực tế khẳng định chế phẩm có khả năng kéo dài thời gian bảo quản chuối Laba đến 10 ngày và cam sành đến 29 ngày ở điều kiện 20 °C, 64% RH, mở ra tiềm năng ứng dụng vật liệu nguồn gốc tự nhiên trong công nghệ bảo quản nông sản sau thu hoạch.