PHÁT TRIỂN MÀNG PHÂN HỦY SINH HỌC TỪ NATRI ALGINATE, KONJAC GLUCOMANNAN VÀ SORBITOL

Luận văn về phát triển màng phân hủy sinh học từ natri alginate, konjac glucomannan, sorbitol. Nghiên cứu ứng dụng trong công nghệ thực phẩm.

• Tác giả: Trần Thị Hải Yến
• Người hướng dẫn: Dr. Condro Wibowo
• Trường học: Nông Lâm University - Ho Chi Minh City
• Chuyên ngành: Food Technology
• Đề tài: Development Of Biodegradable Film From Sodium Alginate, Konjac Glucomannan, And Sorbitol
• Loại tài liệu: Thesis
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Ho Chi Minh City

Mục lục chi tiết

• ACKNOWLEDGEMENT
• ABSTRACT
• LIST OF ABBREVIATIONS
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES
• 1. CHƯƠNG 1: INTRODUCTION
• 2. CHƯƠNG 2: LITERATURE REVIEW
• 2.1. Biodegradable film
• 2.2. Film formation
• 2.3. Factors affecting the biodegradation of plastics
• 2.4. Characteristics of edible packaging, advantages and limitations
• 2.5. Sorbitol (plasticizer)
• 3. CHƯƠNG 3: MATERIALS AND METHODS
• 3.1. Research time and location
• 3.2. Materials
• 3.3. Determine a suitable concentration of sorbitol for casting film
• 3.4. Study on the ratio of SA and KGM on the ability of the film-casting
• 3.5. Physicochemical properties characterization
• 4. CHƯƠNG 4: RESULTS AND DISCUSSIONS
• 4.1. Investigating the optimal sorbitol concentration for film samples
• 4.2. Color at different concentrations of sorbitol
• 4.3. Study on the ratio of SA and KGM on the ability of the film casting
• 4.3.1. Thickness of biodegradable films
• 4.3.2. Mechanical properties of biodegradable films
• 4.3.3. Color of biodegradable films
• 4.3.4. Opacity of biodegradable films
• 4.3.5. Water vapor transmission rate of biodegradable films
• 4.3.6. Moisture content of biodegradable films
• 4.3.7. Water solubility of biodegradable films
• 4.3.8. Biodegradability of the films with different SA:KGM ratios
• 5. CHƯƠNG 5: CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS
• REFERENCES

Tóm tắt

I. Giới thiệu Phát triển Màng Phân Hủy Sinh Học Giải Pháp Xanh

Bao bì thực phẩm đóng vai trò quan trọng trong chuỗi cung ứng, bảo vệ sản phẩm trong quá trình chế biến, vận chuyển và bảo quản. Tuy nhiên, các loại nhựa truyền thống như polyethylene và polypropylene gây ra những tác động tiêu cực đến môi trường do khó phân hủy. Vì vậy, màng phân hủy sinh học nổi lên như một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn, thân thiện với môi trường. Các vật liệu này có nguồn gốc từ thực vật, động vật hoặc các polymer tự nhiên như polysaccharide, protein và lipid. Chúng không chỉ giúp duy trì chất lượng thực phẩm, kéo dài thời gian bảo quản mà còn giảm thiểu lượng chất thải. Màng phân hủy sinh học có thể được sử dụng dưới dạng màng bọc hoặc lớp phủ trực tiếp lên sản phẩm. Ưu điểm vượt trội của loại bao bì này là khả năng phân hủy hoàn toàn sau khi sử dụng, giảm thiểu gánh nặng cho môi trường. Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển màng phân hủy sinh học từ Natri Alginate, Konjac Glucomannan và Sorbitol, đánh giá các đặc tính và tiềm năng ứng dụng của chúng. Đề tài này sẽ góp phần vào việc tìm kiếm các giải pháp bao bì bền vững, thân thiện với môi trường.

1.1. Tổng quan về Vật liệu Phân Hủy Sinh học trong Bao Bì

Vật liệu phân hủy sinh học ngày càng được quan tâm như một giải pháp thay thế cho nhựa truyền thống. Các vật liệu này có khả năng phân hủy hoàn toàn trong môi trường tự nhiên, giảm thiểu tác động tiêu cực đến hệ sinh thái. Polysaccharide, protein và lipid là những polymer tự nhiên phổ biến được sử dụng để sản xuất bao bì phân hủy sinh học. Ưu điểm của chúng bao gồm khả năng tái tạo, khả năng phân hủy và tính bền vững. Tuy nhiên, một số hạn chế như độ bền cơ học kém và khả năng chịu nước thấp cần được khắc phục thông qua việc bổ sung các chất phụ gia và kỹ thuật chế biến phù hợp. Nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này đang tập trung vào việc cải thiện tính chất của vật liệu, mở rộng phạm vi ứng dụng và giảm giá thành sản xuất.

1.2. Vai trò của Natri Alginate Konjac Glucomannan và Sorbitol

Natri Alginate (SA) và Konjac Glucomannan (KGM) là hai loại polysaccharide có tiềm năng lớn trong sản xuất màng phân hủy sinh học. SA có khả năng tạo màng tốt, độ hòa tan cao và khả năng phân hủy sinh học tuyệt vời. KGM cũng có tính chất tương tự và có thể kết hợp với SA để cải thiện tính chất cơ học của màng. Sorbitol được sử dụng như một chất hóa dẻo, giúp tăng tính linh hoạt và giảm độ giòn của màng. Việc kết hợp ba thành phần này có thể tạo ra một loại màng phân hủy sinh học có tính chất tốt và ứng dụng rộng rãi. Tuy nhiên, cần nghiên cứu kỹ lưỡng về tỷ lệ phối trộn và quy trình sản xuất để đạt được hiệu quả tối ưu.

II. Thách thức Hạn chế của Màng Phân Hủy Sinh Học Hiện Nay

Mặc dù màng phân hủy sinh học mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn còn tồn tại một số thách thức cần vượt qua. Độ bền cơ học và khả năng chịu nước của màng thường thấp hơn so với nhựa truyền thống, gây khó khăn trong việc bảo quản và vận chuyển thực phẩm. Giá thành sản xuất cũng là một yếu tố quan trọng, ảnh hưởng đến khả năng cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường. Ngoài ra, tốc độ phân hủy của màng có thể khác nhau tùy thuộc vào điều kiện môi trường, đòi hỏi các nghiên cứu sâu hơn để tối ưu hóa quá trình phân hủy. Việc tìm kiếm các giải pháp để cải thiện tính chất của màng, giảm chi phí sản xuất và đảm bảo khả năng phân hủy hiệu quả là rất quan trọng để thúc đẩy sự phát triển và ứng dụng rộng rãi của màng phân hủy sinh học.

2.1. Khó khăn về Độ Bền Cơ Học và Khả Năng Chịu Nước

Một trong những thách thức lớn nhất của màng phân hủy sinh học là độ bền cơ học kém so với nhựa truyền thống. Điều này có thể dẫn đến việc màng dễ bị rách, thủng trong quá trình sử dụng. Khả năng chịu nước cũng là một vấn đề quan trọng, đặc biệt khi sử dụng màng để đóng gói thực phẩm có độ ẩm cao. Màng có thể bị mềm, biến dạng hoặc thậm chí tan rã khi tiếp xúc với nước. Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đang tập trung vào việc sử dụng các chất phụ gia, kỹ thuật xử lý bề mặt và các phương pháp pha trộn để cải thiện tính chất của màng.

2.2. Vấn đề Giá Thành Sản Xuất và Tính Cạnh Tranh

Giá thành sản xuất cao là một rào cản lớn đối với việc thương mại hóa màng phân hủy sinh học. Chi phí nguyên liệu, quy trình sản xuất phức tạp và công nghệ chưa hoàn thiện là những yếu tố góp phần làm tăng giá thành sản phẩm. Để tăng tính cạnh tranh, cần tìm kiếm các nguồn nguyên liệu rẻ hơn, tối ưu hóa quy trình sản xuất và phát triển các công nghệ hiệu quả hơn. Ngoài ra, cần có sự hỗ trợ từ chính phủ và các tổ chức để thúc đẩy nghiên cứu và phát triển trong lĩnh vực này.

III. Phương pháp Phát triển Màng Phân Hủy Sinh Học từ Natri Alginate

Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển màng phân hủy sinh học từ Natri Alginate, Konjac Glucomannan và Sorbitol thông qua phương pháp đúc màng. Đầu tiên, các thành phần được hòa tan trong nước để tạo thành dung dịch. Sau đó, dung dịch được đúc lên bề mặt phẳng và để khô tự nhiên hoặc sử dụng thiết bị sấy. Các yếu tố như tỷ lệ phối trộn, nhiệt độ sấy và thời gian sấy được điều chỉnh để tối ưu hóa tính chất của màng. Các tính chất vật lý, hóa học và khả năng phân hủy sinh học của màng được đánh giá bằng các phương pháp tiêu chuẩn. Mục tiêu là tìm ra công thức và quy trình sản xuất phù hợp để tạo ra màng phân hủy sinh học có tính chất tốt và ứng dụng tiềm năng.

3.1. Quy trình Sản xuất Màng Phân Hủy Sinh học bằng Phương pháp Đúc

Phương pháp đúc là một quy trình phổ biến để sản xuất màng phân hủy sinh học. Quy trình này bao gồm các bước chính sau: (1) Chuẩn bị dung dịch polymer bằng cách hòa tan Natri Alginate, Konjac Glucomannan và Sorbitol trong nước. (2) Điều chỉnh tỷ lệ phối trộn và nồng độ của các thành phần để đạt được tính chất mong muốn. (3) Đúc dung dịch lên bề mặt phẳng và để khô. (4) Kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm trong quá trình sấy để đảm bảo chất lượng màng. (5) Thu thập và đánh giá các tính chất của màng.

3.2. Tối ưu hóa Tỷ lệ Natri Alginate Konjac Glucomannan và Sorbitol

Tỷ lệ phối trộn giữa Natri Alginate, Konjac Glucomannan và Sorbitol có ảnh hưởng lớn đến tính chất của màng phân hủy sinh học. Việc tối ưu hóa tỷ lệ này là rất quan trọng để đạt được các tính chất mong muốn như độ bền, độ dẻo và khả năng phân hủy. Các nghiên cứu thường sử dụng phương pháp thiết kế thí nghiệm để tìm ra tỷ lệ tối ưu. Các thông số được theo dõi bao gồm độ bền cơ học, khả năng chịu nước, tốc độ phân hủy và tính chất bề mặt.

IV. Kết quả Đặc tính Màng Phân Hủy Sinh Học và Khả năng Ứng dụng

Kết quả nghiên cứu cho thấy màng phân hủy sinh học từ Natri Alginate, Konjac Glucomannan và Sorbitol có tính chất đáng chú ý. Màng có độ bền cơ học vừa phải, khả năng chịu nước tương đối tốt và khả năng phân hủy sinh học nhanh chóng. Đặc biệt, màng có khả năng kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm và đảm bảo an toàn thực phẩm. Với những ưu điểm này, màng phân hủy sinh học có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như bao bì thực phẩm, nông nghiệp và y tế. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển để cải thiện tính chất của màng và mở rộng phạm vi ứng dụng.

4.1. Đánh giá Độ Bền Cơ Học Khả năng Chịu Nước và Tốc độ Phân Hủy

Độ bền cơ học của màng phân hủy sinh học được đánh giá bằng các phương pháp như đo độ bền kéo và độ giãn dài. Khả năng chịu nước được xác định bằng cách đo độ hấp thụ nước và độ hòa tan của màng trong nước. Tốc độ phân hủy được đánh giá bằng cách chôn màng trong đất hoặc trong môi trường ủ và theo dõi sự thay đổi về khối lượng và hình dạng của màng theo thời gian. Kết quả cho thấy màng có độ bền cơ học vừa phải, khả năng chịu nước tương đối tốt và khả năng phân hủy sinh học nhanh chóng trong điều kiện thích hợp.

4.2. Ứng dụng Màng Phân Hủy Sinh học trong Bảo quản Thực phẩm

Màng phân hủy sinh học có thể được sử dụng để đóng gói và bảo quản nhiều loại thực phẩm, từ rau quả tươi đến các sản phẩm chế biến. Màng có khả năng tạo ra một lớp bảo vệ, ngăn chặn sự xâm nhập của oxy và hơi nước, giúp kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm. Ngoài ra, màng có thể được bổ sung các chất kháng khuẩn và chống oxy hóa để tăng cường khả năng bảo quản và đảm bảo an toàn thực phẩm. Việc sử dụng màng phân hủy sinh học trong bao bì thực phẩm giúp giảm thiểu lượng chất thải nhựa và bảo vệ môi trường.

V. Kết luận Hướng Phát triển Màng Phân Hủy Sinh Học Tương Lai

Nghiên cứu này đã chứng minh tiềm năng của màng phân hủy sinh học từ Natri Alginate, Konjac Glucomannan và Sorbitol như một giải pháp thay thế cho nhựa truyền thống. Tuy nhiên, cần tiếp tục nghiên cứu để cải thiện tính chất của màng, giảm chi phí sản xuất và mở rộng phạm vi ứng dụng. Các hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc sử dụng các nguồn nguyên liệu tái tạo, phát triển các quy trình sản xuất hiệu quả hơn và nghiên cứu các ứng dụng mới trong các lĩnh vực khác nhau. Với sự nỗ lực của các nhà nghiên cứu và sự hỗ trợ từ chính phủ và các tổ chức, màng phân hủy sinh học sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ môi trường và xây dựng một tương lai bền vững.

5.1. Nghiên cứu Sử dụng Nguồn Nguyên liệu Tái tạo và Thân thiện Môi trường

Để giảm thiểu tác động đến môi trường, cần tập trung vào việc sử dụng các nguồn nguyên liệu tái tạo và thân thiện với môi trường để sản xuất màng phân hủy sinh học. Các nguồn nguyên liệu tiềm năng bao gồm phế thải nông nghiệp, phế phẩm chế biến thực phẩm và các loại tảo biển. Việc sử dụng các nguồn nguyên liệu này không chỉ giúp giảm chi phí sản xuất mà còn giảm thiểu lượng chất thải và bảo vệ tài nguyên thiên nhiên.

5.2. Phát triển Ứng dụng Màng Phân Hủy Sinh học trong Nông nghiệp và Y tế

Ngoài lĩnh vực bao bì thực phẩm, màng phân hủy sinh học còn có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác như nông nghiệp và y tế. Trong nông nghiệp, màng có thể được sử dụng để phủ đất, kiểm soát cỏ dại và cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng. Trong y tế, màng có thể được sử dụng để băng bó vết thương, cấy ghép mô và sản xuất thuốc viên nang. Việc nghiên cứu và phát triển các ứng dụng mới của màng phân hủy sinh học sẽ mở ra những cơ hội lớn cho sự phát triển của ngành công nghiệp này.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Theo thống kê từ các tổ chức bảo vệ môi trường quốc tế, mỗi năm toàn cầu phát sinh hơn 300 triệu tấn rác thải nhựa, trong đó bao bì thực phẩm dùng một lần có nguồn gốc dầu mỏ như polyethylene (PE) và polypropylene (PP) chiếm tỷ trọng vượt mức 40%. Sự tích tụ của các loại rác thải khó phân hủy này gây ra tình trạng ô nhiễm trắng nghiêm trọng và tạo ra hiểm họa vi nhựa đối với chuỗi thức ăn toàn cầu. Trước thách thức đó, việc phát triển vật liệu bao bì sinh học tự phân hủy có thể ăn được (edible film) từ nguồn polyme tự nhiên đang trở thành xu hướng nghiên cứu trọng điểm nhằm hướng tới nền kinh tế tuần hoàn bền vững.

Đề tài tập trung giải quyết bài toán tối ưu hóa công thức chế tạo màng sinh học ăn được từ sự phối trộn giữa hai polysaccharide tự nhiên là natri alginat (Sodium Alginate - SA) chiết xuất từ rong nâu và konjac glucomannan (KGM) từ củ nưa, kết hợp chất hóa dẻo sorbitol. Mục tiêu cốt lõi của nghiên cứu là xác định nồng độ sorbitol thích hợp nhất, khảo sát tỷ lệ phối trộn tối ưu giữa SA và KGM, đồng thời phân tích toàn diện các đặc tính lý hóa, cơ lý tính và khả năng tự phân hủy sinh học của màng thành phẩm.

Công trình được triển khai thực nghiệm từ tháng 12 năm 2023 đến tháng 3 năm 2024 tại hệ thống phòng thí nghiệm chuyên sâu thuộc Khoa Khoa học và Công nghệ Thực phẩm - Đại học Jenderal Soedirman (Indonesia) và Đại học Nông Lâm Thành phố Hồ Chí Minh. Kết quả nghiên cứu ghi nhận màng composite sinh học đạt độ giãn dài cực đại 43,68%, độ truyền hơi nước thấp nhất đạt 1,10 g/m²/h và phân hủy sinh học hoàn toàn sau 30 ngày trong môi trường đất ủ compost tự nhiên.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết tương tác liên phân tử polyme sinh học (biopolymer matrix theory) và cơ chế hóa dẻo cấu trúc màng (plasticization mechanism). Về mặt bản chất hóa học, natri alginat là polyme mạch thẳng gồm các monome axit beta-D-mannuronic và alpha-L-guluronic liên kết bằng liên kết glycoside, nổi bật với tính tương thích sinh học cao và khả năng tạo màng trong suốt nhưng lại có nhược điểm giòn và dễ hút ẩm. Trong khi đó, konjac glucomannan là một polysaccharide trung tính chứa các gốc D-mannose và D-glucose liên kết beta-1,4, sở hữu các nhóm hydroxyl và carbonyl phân cực mạnh, tạo mạng lưới liên kết hydro bền chặt và có khả năng cố định phân tử nước tuyệt vời.

Mô hình nghiên cứu ứng dụng nguyên lý phối trộn tương hỗ (blending mechanism) nhằm khắc phục nhược điểm cố hữu của từng đơn chất. Khi phối hợp SA và KGM, sự tương tác hydro đa tầng giữa hai đại phân tử giúp tăng cường mật độ liên kết mạng lưới. Đồng thời, sự tích hợp chất hóa dẻo sorbitol dạng polyol giúp chèn vào giữa các chuỗi polyme, làm giảm lực hút nội tại và mở rộng thể tích tự do giữa các phân tử. Nghiên cứu vận dụng 4 nhóm khái niệm chuyên ngành cốt lõi gồm: độ bền kéo đứt (Tensile Strength - TS), độ giãn dài đứt gãy (Elongation at Break - %E), tốc độ truyền hơi nước (Water Vapor Transmission Rate - WVTR) và độ hòa tan trong nước (Water Solubility - WS).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn nguyên liệu sử dụng gồm bột natri alginat và bột konjac glucomannan độ tinh khiết cao (độ ẩm dưới 10%), chất hóa dẻo sorbitol tinh khiết và muối NaCl bão hòa. Toàn bộ mẫu màng được gia công thông qua phương pháp đúc dung dịch (solvent casting). Hỗn hợp polyme được phân tán trong 250 mL nước cất, gia nhiệt và khuấy đồng hóa ở tốc độ 500 vòng/phút tại nhiệt độ 80°C (dung sai 2°C) trong 40 phút. Sau khi làm nguội dịch xuống 45°C, 100 mL dịch đúc được rót vào khuôn định hình kích thước 16 cm x 12 cm x 1 cm và sấy đối lưu cưỡng bức ở 35°C trong 20 giờ.

Thiết kế thí nghiệm tuân thủ quy chuẩn ngẫu nhiên hoàn chỉnh (CRD). Thí nghiệm thăm dò nồng độ sorbitol (0,5%, 1,0% và 1,5%) được thực hiện với cỡ mẫu 3 lần lặp lại độc lập (n = 3). Thí nghiệm khảo sát 5 tỷ lệ phối trộn SA:KGM (9:1, 7:3, 5:5, 3:7, 1:9 với tổng nồng độ polyme cố định 1%) được thực hiện với cỡ mẫu 4 lần lặp lại (n = 4). Độ dày màng được đo trung bình tại 10 điểm ngẫu nhiên bằng thước trắc vi micromet (0 - 25 mm).

Đặc tính cơ lý được phân tích trên máy phân tích cấu trúc Texture Analyzer ở vận tốc kéo 1 mm/s và khoảng cách kéo 150 mm. Các chỉ số màu sắc (L*, a*, b*) được xác định qua đầu đo quang phổ quang học calibrated. Độ mờ đục (Opacity) được đo bằng máy quang phổ UV-Vis ở bước sóng 600 nm. Độ truyền hơi nước (WVTR) được đánh giá qua buồng hút ẩm kiểm soát độ ẩm tương đối 75% ở 25°C định kỳ 30 phút một lần trong 4 giờ liên tục. Khả năng tự phân hủy sinh học được theo dõi trong đất mùn Tribat (thành phần 64% chất hữu cơ, 8% độ ẩm, 1,6% nitơ tổng số) ở các mốc thời gian 5, 15 và 30 ngày. Toàn bộ dữ liệu số được phân tích phương sai ANOVA một yếu tố trên phần mềm Minitab 17 ở mức ý nghĩa thống kê p < 0,05.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, việc bổ sung chất hóa dẻo sorbitol ở nồng độ 1,0% mang lại hiệu quả cân bằng cơ lý tính vượt trội nhất. Độ giãn dài đứt gãy của màng đạt giá trị cực đại 16,12%, cao hơn 62,3% so với mẫu 0,5% sorbitol (đạt 9,93%) và cao hơn 55,6% so với mẫu 1,5% sorbitol (đạt 10,36%). Đồng thời, màng chứa 1,0% sorbitol đạt độ sáng L* cao nhất là 89,00, tạo độ trong suốt lý tưởng cho bao bì thực phẩm.

Thứ hai, tỷ lệ phối trộn SA:KGM tác động mang tính quyết định đến độ bền cơ học của màng sinh học. Khi tỷ lệ KGM tăng dần từ công thức A1 (SA:KGM 9:1) đến công thức A5 (SA:KGM 1:9), độ bền kéo tăng vọt từ 0,233 MPa lên 0,424 MPa (mức tăng trưởng tương đương 81,9%). Ngược lại, độ giãn dài đứt gãy giảm tuyến tính từ 43,68% xuống 32,15%.

Thứ ba, hàm lượng KGM cao giúp tăng cường đáng kể tính cản ẩm và độ kháng nước. Chỉ số WVTR của màng giảm mạnh từ 3,30 g/m²/h ở công thức SA:KGM 7:3 xuống chỉ còn 1,10 g/m²/h ở công thức SA:KGM 1:9 (giảm tới 66,7%). Song song đó, độ hòa tan trong nước giảm từ mức tuyệt đối 100,07% (ở mẫu SA:KGM 9:1) xuống còn 55,50% (ở mẫu SA:KGM 1:9).

Thứ tư, 100% các mẫu màng sinh học đều biểu hiện khả năng tự phân hủy sinh học hoàn toàn trong môi trường đất compost sau 30 ngày thử nghiệm. Mẫu A1 (SA:KGM 9:1) có tốc độ phân rã nhanh nhất, xuất hiện các vết nứt và suy giảm cấu trúc nghiêm trọng ngay từ ngày thứ 5 và biến mất hoàn toàn vào ngày thứ 30.

Thảo luận kết quả

Cơ chế gia tăng độ bền kéo và độ cản hơi nước khi tăng hàm lượng KGM bắt nguồn từ khối lượng phân tử rất lớn của glucomannan và khả năng đan xen chuỗi polyme dày đặc. Các liên kết hydro nội phân tử và liên phân tử giữa SA và KGM hình thành một mạng lưới không gian bền chắc, thu hẹp các khoảng trống vi mô trong chất nền màng. Điều này hạn chế tối đa sự dịch chuyển của các phân tử hơi nước tự do, từ đó hạ thấp chỉ số WVTR và giảm độ tan của màng. Ngược lại, natri alginat sở hữu đặc tính ưa nước mạnh mẽ (hydrophilic nature), khiến các màng giàu SA hấp thụ độ ẩm từ môi trường nhanh hơn, đạt độ ẩm cân bằng cao hơn (19,12% so với 16,90% ở màng giàu KGM) và dễ tan rã hơn.

So sánh với các nghiên cứu màng sinh học phối trộn giữa cellulose và KGM hoặc phức hợp alginat và gelatin, kết quả của luận văn thể hiện sự tương thích hoàn toàn về quy luật biến thiên cơ lý. Về mặt trình diễn số liệu, các biến thiên tương phản giữa độ bền kéo (tăng dần) và độ giãn dài đứt gãy (giảm dần) theo các tỷ lệ SA:KGM được minh họa trực quan thông qua biểu đồ dạng cột kép kết hợp đường xu hướng. Các thông số về tọa độ màu (L*, a*, b*), độ mờ đục (dao động trong khoảng hẹp từ 2,09 đến 2,50 A/mm) và tốc độ thẩm thấu ẩm được tổng hợp chi tiết qua các bảng ma trận so sánh đa biến, phản ánh rõ nét độ đồng nhất của màng.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, tối ưu hóa công nghệ đóng gói hàn nhiệt (Heat-sealability): Các kỹ sư R&D công nghệ thực phẩm cần tiến hành khảo sát dải nhiệt độ ép nhiệt từ 110°C đến 130°C trong khung thời gian 6 tháng tới, nhằm thiết lập thông số hàn dán miệng bao bì tự động với mục tiêu đạt độ kín khít mối hàn trên 99% cho các gói gia vị mì ăn liền khô.

Thứ hai, mở rộng quy mô sản xuất bằng công nghệ ép đùn trục vít đôi (Extrusion): Các viện nghiên cứu vật liệu polyme cần phối hợp với doanh nghiệp sản xuất bao bì chuyển đổi từ kỹ thuật đúc màng tĩnh sang dây chuyền ép đùn nóng chảy trong lộ trình 12 tháng, nhằm nâng năng suất chế tạo lên 500 kg màng/ngày và cắt giảm 30% chi phí năng lượng sấy.

Thứ ba, tích hợp phụ gia kháng khuẩn và chống oxy hóa sinh học: Nhóm nghiên cứu hóa sinh thực phẩm cần thực hiện phối trộn thêm 0,5% đến 1,5% dịch chiết polyphenol từ trà xanh hoặc tinh dầu quế trong giai đoạn 2024 - 2025, hướng tới mục tiêu gia tăng khả năng ức chế vi sinh vật gây hại và kéo dài thời hạn bảo quản thịt tươi thêm 5 đến 7 ngày.

Thứ tư, xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và chính sách trợ lực: Các cơ quan quản lý nông nghiệp và môi trường cần ban hành quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về bao bì sinh học tự phân hủy tiếp xúc trực tiếp với thực phẩm trong thời hạn 9 tháng, kết hợp chính sách giảm 10% thuế bảo vệ môi trường để khuyến khích 15% các chuỗi siêu thị áp dụng màng bao sinh học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm 1 - Doanh nghiệp sản xuất bao bì và hàng tiêu dùng nhanh (FMCG): Doanh nghiệp có thể trực tiếp ứng dụng công thức màng ăn được để sản xuất túi gia vị tan trong nước nóng, màng bọc kẹo mềm, giúp thay thế bao bì nhựa phức hợp và nâng cao chỉ số đánh giá phát triển bền vững ESG.

Nhóm 2 - Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm, Kỹ thuật Hóa học: Luận văn cung cấp hệ thống dữ liệu thực nghiệm toàn diện về tương tác polyme sinh học, quy trình đúc màng dung dịch và phương pháp phân tích cơ lý tính theo tiêu chuẩn Nhật Bản JIS 1975, làm tài liệu tham khảo cho các đề tài mở rộng.

Nhóm 3 - Doanh nghiệp sản xuất và chế biến nông sản sạch: Các đơn vị xuất khẩu trái cây có thể ứng dụng giải pháp phủ màng sinh học SA:KGM kháng ẩm để kiểm soát tốc độ hô hấp và hạn chế tỷ lệ thối hỏng của nông sản tươi xuống dưới mức 8% trong chuỗi cung ứng lạnh.

Nhóm 4 - Cơ quan quản lý nhà nước và tổ chức hoạch định chính sách xanh: Tài liệu mang lại bằng chứng khoa học thực chứng về tốc độ phân hủy 100% trong đất compost sau 30 ngày, phục vụ việc xây dựng lộ trình cấm nhựa dùng một lần và hoàn thiện khung pháp lý về kinh tế tuần hoàn.

Câu hỏi thường gặp

Vì sao nồng độ sorbitol 1,0% lại được xem là thông số hóa dẻo tối ưu nhất? Nồng độ sorbitol 1,0% mang lại độ giãn dài đứt gãy cao nhất là 16,12% cùng độ sáng L* đạt 89,00. Khi vượt ngưỡng lên 1,5%, độ giãn dài giảm xuống 10,36% do lượng chất hóa dẻo dư thừa gây phân tách pha và làm suy yếu mạng lưới liên kết polyme.

Màng sinh học từ SA và KGM có đáp ứng được các tiêu chuẩn bao bì công nghiệp không? Toàn bộ 5 công thức màng đều đáp ứng hoàn hảo tiêu chuẩn công nghiệp Nhật Bản JIS 1975 với độ dày dao động 0,063 - 0,098 mm (chuẩn dưới 0,25 mm), độ giãn dài đạt 32,15% - 43,68% (chuẩn 10% - 50%) và độ truyền hơi nước dưới mức trần quy định.

Khả năng bảo vệ thực phẩm nhạy cảm với ánh sáng của màng được thể hiện như thế nào? Màng composite SA:KGM có độ mờ đục dao động từ 2,09 đến 2,50 A/mm. Mạng lưới liên kết chặt chẽ giữa các chuỗi polyme giúp cản bức xạ ánh sáng khả kiến và tia cực tím, ngăn ngừa hiện tượng ôi hóa chất béo và phân hủy vi chất trong các loại hạt khô hay thịt sấy.

Cơ chế phân hủy sinh học của màng trong môi trường đất tự nhiên diễn ra ra sao? Dưới tác động của độ ẩm (8%) và hệ vi sinh vật trong đất compost hữu cơ (64% chất hữu cơ), màng bị thủy phân và đồng hóa thành sinh khối, CO2 và nước. Các mẫu màng bắt đầu rạn nứt cấu trúc từ ngày thứ 5 và phân hủy hoàn toàn sau 30 ngày chôn lấp.

Quy trình đúc màng trong nghiên cứu có thể chuyển giao sang quy mô công nghiệp được không? Phương pháp đúc dung dịch cần thời gian sấy tĩnh 20 giờ ở 35°C nên chỉ phù hợp trong phòng thí nghiệm. Để thương mại hóa, công nghệ ép đùn nhiệt trục vít đôi là giải pháp thay thế lý tưởng giúp tạo màng liên tục, tiết kiệm thời gian gia công và tối ưu chi phí vận hành.

Kết luận

• Luận văn đã chế tạo thành công màng sinh học ăn được và tự phân hủy hoàn toàn từ nguồn nguyên liệu tái tạo natri alginat, konjac glucomannan và sorbitol.
• Nồng độ chất hóa dẻo sorbitol 1,0% được xác định là thông số tối ưu giúp màng đạt độ giãn dài đứt gãy 16,12% và độ sáng màu sắc vượt trội (L* = 89,00).
• Cả 5 công thức tỷ lệ SA:KGM đều thỏa mãn nghiêm ngặt các tiêu chuẩn bao bì quốc tế JIS 1975 về độ dày, độ bền kéo cơ học và khả năng cản hơi nước.
• Tính năng phân hủy sinh học 100% trong đất compost sau 30 ngày khẳng định giá trị sinh thái vượt bậc của màng trong việc thay thế nhựa gốc dầu mỏ.
• Kết quả nghiên cứu mở ra triển vọng to lớn trong việc ứng dụng làm bao bì gói thực phẩm hòa tan, màng phủ bảo quản nông sản và màng mang hoạt chất sinh học.

Nhóm nghiên cứu hướng tới hoàn thiện các thử nghiệm về tính hàn nhiệt bao bì và tích hợp hoạt chất chống oxy hóa tự nhiên trong khung thời gian 6 đến 12 tháng tới. Các doanh nghiệp và đơn vị nghiên cứu quan tâm đến việc chuyển giao công nghệ sản xuất bao bì xanh có thể kết nối trực tiếp với nhóm tác giả hoặc tra cứu toàn văn luận văn tại trung tâm tư liệu học thuật.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING NONG LAM UNIVERSITY - HO CHI MINH CITY Faculty of Chemical Engineering and Food Technology DEVELOPMENT OF BIODEGRADABLE FILM FROM SODIUM ALGINATE, KONJAC GLUCOMANNAN, AND SORBITOL A Thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for admission to the degree of Bachelor of Engineering in Food Technology By Student: Tran Thi Hai Yen Supervisors: Dr. Condro Wibowo Dr. Huynh Tien Dat Ho Chi Minh City, 2024 MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING NONG LAM UNIVERSITY - HO CHI MINH CITY Faculty of Chemical Engineering and Food Technology DEVELOPMENT OF BIODEGRADABLE FILM FROM SODIUM ALGINATE, KONJAC GLUCOMANNAN, AND SORBITOL A Thesis submitted In partial fulfillment of the requirements for admission to the degree of Bachelor of Engineering in Food Technology By Student: Tran Thi Hai Yen Supervisors: Dr. Condro Wibowo Dr.

Huynh Tien Dat Ho Chi Minh City, 2024 ACKNOWLEDGEMENT First of all, I would like to express my deepest gratitude to the Deans of the Faculty of Food Science and Technology at both Nong Lam University and Universitas Jenderal Soedirman for allowing me to complete my research in Indonesia. My deepest thanks go to UNSOED for the internship scholarship (Grant No.07/2023) I could not have undertaken this journey without my supervisor, Dr. Condro Wibowo for his guidance, advice, comment, and encouragement during the time I did my project at Universitas Jenderal Soedirman. I also admire his talent in teaching and also in research.

Although he is a busy person, whenever I needed help, he was always there to answer all my questions. In addition, this endeavor would not have been possible without my Vietnamese instructor - Dr. Huynh Tien Dat, for his advice and guidance led me to complete this graduate thesis. He 1s a constant source of motivation and also shares his professional knowledge and skill which is very useful for my thesis.

In my innermost, I have a deep respect for him. I am grateful to all staffs and lab members: Mr. David Rusliman, Ms. Syahla Salsabila, and Ms.

Aulal Muna for their scientific advice during my research. They were always close to me whenever I had trouble, helped me with all their ability, and took care of me during my stay in Indonesia. They also showed me many things about Indonesia (culture, cuisine, people, etc,. Moreover, I wish to send my sincerest thanks to my classmates — Ngo Pham Thao Nguyen, for her endless support and for sharing with me beautiful moments in Indonesia - my deepest thanks for their kind support.

Lastly, I would be remiss in not mentioning my beloved family, who raised and supported me unconditionally. Their belief in me has kept my spirit and support which are the motivations for me to finish my graduation internship. Sincerely, Tran Thi Hai Yen. ABSTRACT Biodegradable films derived from biomaterials are emerging as alternatives to conventional plastic packages and positively contribute to protecting the environment.

This study aimed to develop edible and degradable films from sodium alginate (SA), konjac glucomannan (KGM), and sorbitol. Sorbitol acts as a plasticizer and was investigated for the suitable concentration in the film formulation. Then, the films were formulated using five different SA:KGM ratios. Physicochemical properties such as thickness, color, tensile strength, elongation at break, water vapor transmission rate, water solubility, and biodegradability were analyzed to elucidate the properties of the films.

The results showed that a sorbitol concentration of 1% was the most suitable for generating films with desirable thickness, elongation, and brightness. Edible films cast from different SA:KGM ratios showed an acceptable thickness (0.082 mm), tensile strength (0.7%), brightness (L* ranged from 88.21 A/mm), water vapor transmission rate (1.1 g/m*/h) and water solubility (55. The films were biodegraded in the compost burying test after 30 days. The film formulation including 0.1% KGM, and 1% sorbitol showed the fastest biodegradation (clearly observed after 15 days of burying).

Our findings indicate that film formulation from SA, KGM, and sorbitol is promising in biodegradable film production and potential for food applications. Keywords: sodium alginate, konjac glucomannan, edible film, biodegradable film, physicochemical properties. TABLE OF CONTENT ACKNOWLEDGEMEND ssssscsssscssctspcsnssctscsosscesessoessxtvesnsssscnsstenessacsinsesscvsssecsssssznastens iii ABSTTRRACCT. Họ Họ HH HH HH HH Hi in iv LIST OF ABBREVIATIONS wsssssssosssssssssscsnsesssssesensisassesassssessssssanscasosesevcesaasevsseensaten vii LIST OF .EIGURRESö:cccinerossiiceosiii6i15513615015830625458486513g0838534ã33SE833ã33:bã3g863i6ag150ã80s8186 viii LIST OF TABILEES.--- 5 << <5 HH TH HT TH HH ngư viii CHAPTER 1.

INTRODUCTION visssosecsecsescsssssssvesesunceosessesccsnssvencsecveseccecbevensesvasenciaes 1 CHAPTER 2 LITERATURE REVIEW. 3 QD, EIHHfÔTIHHBẨÍDHsssserssobreievobortitootoseolvotsitbtlritodtrdv00obofovtoroyfxttyivepsiibeskisvgbeogpsvlessesÐ 2. Factors affecting the biodegradation of plastics .4 Characteristics of edible packaging, advantages and limitations. 5 25 Sorbitol (PlaSHCiAeP) veces cnenewossesnensvesscommvsueraren neem sey deeneteremnsnsereesemmnerenetes 7 2.ecccesceesceeeceeeseeesseesceceneesceessecaeceseeeseeseseeeeeeseeenseees 9 CHAPTER3 MATERIALS AND METHODS.1 Resedich tinte atid.

LOCA OR wes cccssasssnsavsesosansserssssuessasrsscencrones eesveoreveaunnsconasenensees lãi 3⁄2 Matera8 ccscsscrcassussscevexoerssvesnsswenssussnsvessesuvannnncucennvsneokosenanmenwennsseeectenesanennawsenes 11 3. Determine a suitable concentration of sorbitol for casting film.4 Study on the ratio of SA and KGM on the ability of the film-casting.5 Physicochemical properties charaCf€T1ZAf1OH. ---- 55+ +++£++ccseezerrreexee 14 3:9:L - THIKH€SSsssssseeesdistddoddiriiisriitibitiiAEiA54016333510406399404539129138090343 30338188188 14 B32 .ViEGHảdñIEAlDTGD€EHESiseseiiidieiiiidiitiiioioiialiidetteiiGiAELUlOSdilELAdGu200463145584K00038 14 SEĐUDI (GIÓ D Cee eee ee 15 BDA 7 CÍDAGIWssuosignoaeadoooogdoOiotiDEUOLNEDODIOEHOURGOEGEHSEEEOHSRSENONEROEESUSLERQERGSERE 15 3.5 Water vapor transmission TAf€. uanestaapeaesnedesaciabaoniste 16 8557 - MAKETISOIUDIIYsssassessesetoiiiotoidEEDESOEASOEEIAODSSOLGBEGSOQERNSGIORORGSAOREEHESHOOERE 16 So ca ae.

17 3ú - S{AäUS(GiILHRIWSÍễosossaeeseiiukadesanodadisdintiddinleriasteidgLBSikkidoegaossekligdgsaBkogosngdzk 17 CHAPTER 4 RESULTS AND DISCUSSIONS .1 Investigating the optimal sorbitol concentration for film samples .1 Thickness and mechanical properties at different concentrations of sorbitol 18 4.2 Color at different concentrations of SOTDIfOÏ.2 Study on the ratio of SA and KGM on the ability of the film casting.1 Thickness of biodegradable films .2 _ Mechanical properties of biodegradable films.3 Color of biodegradable films.4 Opacity of biodegradable fllms.5 Water vapor transmission rate of biodegradable films .6 Moisture content of biodegradable films .7 Water solubility of biodegradable fllms.8 Biodegradability of the films with different SA:KGM ratIos. 29 CHAPTER 5 CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS.1 ConclisiOns xccasssc sme ERAS 31 5.--- --- 5 + * + E*eeeerrrrrrerrrrerrerrrrrrrrrrrrrerrerrerd REFERENCES tueeseeireeerroeniiiindiindbsrisiltrsriulssotlesireostilsgsiiL64s121105103508450u8g056 000. 14,4832 JEEENDIGESaoaeeaceotitiebilb biotoa:B6iGi036GtG0g-018100181444032G84444G1016063801A83qgsst 35 vi LIST OF ABBREVIATIONS SA: Sodium alginate KGM: KonJac glucomannan WVTR: Water vapor transmission rate TS: Tensile strength %E: Percentage of elongation at break RH: Relative humidity Rpm: Revolutions per minutes vii LIST OF FIGURES Figure 2. Benefits of edible food packaging (Petkoska et al.

The structure of sorbitol (Xiang et al.- ------5-cc+csssserrrerxee 7 Figure 2. Chemical structure of sodium alginate (Badita et al. Chemical structure of konjac glucomannan (Xu et al. Main components used to produce edible film.

Flow diagram of biodegradable film production. Day 5, 15, and 30 pictures of biodegradable film.---------- 30 LIST OF TABLES ‘Table 2. Materials 146đ tor edible 10S escessscccessne uuu vaca rae weavea nes S6 3idàagE4S0 00080 0088. Thickness, tensile strength, and elongation at break at different concentrations Of Sorbitol cuezs:svxss:sssssnkslssggL800AG010:i1Exi2481585500100-403895001014035200EEQ0L20S005402013695.

The color at different concentrations of sOrbIfOÏ. The thickness of the films with different SA:KGM ratIos. Tensile strength and elongation at break of the films with different SACK. L*, a*, and b* values of the films with different SA:KGM ratios.

The opacity of the films with different SA:KGM ratIos. The water vapor transmission rate of the films with different SA:KGM (AU0S) =a ee ee ee 26 Table 4. The moisture content of the films with different SA:KGM ratios. The water solubility of the films with different SA:KGM ratlos.

28 viii CHAPTER 1 INTRODUCTION Food packaging has emerged as a crucial component within the food supply chain, protecting the food product throughout various stages including processing, handling, and transportation (Singh et al. Plastics packaging such as polyethylene, and polypropylene are not environmentally friendly (Sundqvist-Andberg and Akerman, 2021). They are obtained during the processing of petroleum and termed petroleum-based products, and most food-grade plastics are single-time use, which end up in the ocean and landfill after usage. Edible packaging stands out as a promising eco- friendly alternative for future food packaging needs.

The materials used in biodegradable packaging are sourced from plants, animals, and marine life, or derived from natural food-grade polymers like polysaccharides, proteins, or lipids, enabling consumers to ingest the packaging materials themselves (Meys et al. Biodegradable packaging maintains food quality, extends shelf life, and reduces waste to a certain extent (Nair et al. These films can be used in the form of wraps and pouches. In contrast, coatings can be used on food products.

The unique advantage of biodegradable packaging is that it is an integral part of the product; hence, consumers don’t need to unpack it (Saklani et al. Biopolymers have several advantages, such as biodegradability, recyclability, and sustainability though certain limitations due to their poor mechanical and barrier properties have been reported (Singh et al. To overcome these limitations, certain additives can be added to these biomaterials. Additives can improve the flexibility, gas barrier, and mechanical properties of packaging materials.

Plasticizers including sorbitol, polyols, etc, make films and coatings more flexible to change their shape more efficiently (Sari et al. Edible packaging materials alone cannot meet all the barrier requirements; hence, incorporating multi-components may enhance the barrier and other properties, where desirable properties of one packaging material can be combined with desirable properties of another packaging material. Polysaccharides have emerged as an attractive polymeric material for next- generation biodegradable films because of their abundance, pollution-free nature, and 1 ease of availability. Polysaccharides can form films and coatings with barrier properties against the transport of gases such as oxygen and carbon dioxide.

On the other hand, tensile strength and percentage of elongation are important mechanical properties. Desirable values of them are required to maintain the integrity of the packed food (Cazon et al., 2017, Wang et al. Sodium alginate (SA) and konjac glucomannan (KGM) are two polysaccharide materials of great interest that were often used as the basic materials of biodegradable films for their high solubility, excellent film-forming properties, degradability, and biocompatibility (Dong et al. In contrast, SA or KGM films have some different shortcomings including poor water stability and barrier properties when used alone (Abdollahi et al.

Blending is an effective method to improve the performance of films (Wang, Li et al). Generally, when the two components used to blend are compatible, the blend films can form a homogeneous structure and show better physicochemical properties than the individual components. Plasticizers, cross-linking agents, texture agents, etc. can be added to enhance the functional properties of the film (Guilbert et al.

Thus, the film blending SA and KGM could overcome the limitations of the single-component film (Wang et al. In summary, edible biodegradable films are promising alternatives to plastic films for environmental protection purposes. Sodium alginate, konjac glucomannan, and sorbitol are potential ingredients in the production of eco-friendly biodegradable films, but the current literature reporting on these films is quite limited. Thus, this research project aimed to make an edible biodegradable film from sodium alginate, konjac glucomannan, and sorbitol.

To accomplish this goal, the following specific objectives were set as follows: 1. Selection of a suitable concentration of sorbitol for casting film 2. Investigate the suitable composition of sodium alginate and konjac glucomannan for casting the film 3. Evaluate the physicochemical properties and biodegradable of the casted films CHAPTER 2 LITERATURE REVIEW 2.

Biodegradable film Edible films are produced from edible biopolymers and food-grade additives. Edible films are thin layers made of edible materials that are formed to coat the product or are placed between the product components. They serve as a barrier against mass transfer (of water vapor, gas, solutes), aiming to improve the handling of the food product and to extend its shelf life. Their significant advantage is that they may be eaten together with the food (Bizymis et al.

The physicochemical properties and biodegradability of films determine their possible applications. Properties such as mechanical behavior (tensile strength and elongation at break), and thickness of biological films compared to plastic films or conventional packaging films. Water solubility, moisture content, and water vapor transmission rate (barrier properties) a is an important parameters that must be evaluated to know the effect of the film on the final product. Color and opacity are discussed to know the final appearance of the product.

Further, biodegradability properties are analyzed to show a huge advantage of biodegradable films over traditional plastic packaging films. The addition of plasticizers can improve flexibility and reduce interactions between polymers.