Tổng Hợp Vật Liệu Carbon Nano Dot Từ Vỏ Bưởi Cho Ứng Dụng Làm Màng Bọc Thực Phẩm

• Đề tài: Tổng Hợp Vật Liệu Carbon Nano Dot Từ Vỏ Bưởi Cho Ứng Dụng Làm Màng Bọc Thực Phẩm

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về polymer phân hủy sinh học
• 1.2. Các tính chất của màng polymer phân hủy sinh học
• 1.3. Màng polymer phân hủy sinh học trên nền polyvinyl alcohol (PVA)
• 1.4. Tổng quan về vật liệu carbon quantum dot
• 1.5. Các phương pháp tổng hợp
• 1.6. Liên hệ đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM
• 2.1. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị
• 2.2. Quy trình xử lý vỏ bưởi
• 2.3. Quy trình tổng hợp carbon quantum dot
• 2.4. Quy trình tổng hợp màng polymer PVA/CQD
• 2.5. Các phương pháp khảo sát tính chất màng
• 2.5.1. Phương pháp đo độ truyền qua
• 2.5.2. Phương pháp đo độ bền kéo và độ giãn dài
• 2.5.3. Phương pháp đo góc thấm ướt
• 2.5.4. Phương pháp đo hoạt tính bắt gốc tự do (chống oxy hóa)
• 2.5.5. Phương pháp đo tốc độ truyền hơi nước qua
• 2.5.6. Phương pháp đo độ trương và độ hòa tan của màng film
• 2.5.7. Các phương pháp phân tích
• 2.5.7.1. Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến (UV-Vis)
• 2.5.7.2. Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 2.5.7.3. Phương pháp kính hiển vi điện tử quét (SEM)
• 2.5.7.4. Phương pháp phân tích quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR)
• 2.5.7.5. Phương pháp đo phổ quang phát quang (PL)
• 2.5.7.6. Phương pháp đo phân tích kích thước hạt bằng tán xạ ánh sáng động (DLS)
• 2.6. Khảo sát khả năng bảo quản trái cây
• 2.6.1. Khả năng ngăn chặn tia UV
• 2.6.2. Khả năng ngăn trái cây chín
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
• 3.1. Tổng hợp CQD
• 3.2. Quang phổ UV-Vis
• 3.3. Phổ quang phát quang PL
• 3.4. Kết quả DLS
• 3.5. Kết quả FTIR
• 3.6. Kết quả EDX
• 3.7. Màng polymer phân hủy sinh học tích hợp CQD
• 3.7.1. Hình ảnh bề mặt - Kết quả SEM
• 3.8. Độ trương nước và độ hòa tan
• 3.9. Tốc độ truyền hơi nước qua
• 3.10. Khả năng bắt gốc tự do
• 3.11. Ứng dụng bảo quản trái cây
• 3.12. Khả năng ngăn trái cây chín
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH

I. Khám Phá Vật Liệu Carbon Nano Dot Từ Vỏ Bưởi Đầy Tiềm Năng

Trong bối cảnh ô nhiễm nhựa ngày càng trầm trọng, việc tìm kiếm các vật liệu thay thế bền vững trở thành ưu tiên hàng đầu. Nghiên cứu về tổng hợp vật liệu Carbon Nano Dot từ vỏ bưởi cho ứng dụng làm màng bọc thực phẩm mở ra một hướng đi đột phá, tận dụng phế phẩm nông nghiệp để tạo ra sản phẩm có giá trị cao. Vỏ bưởi, một nguồn sinh khối dồi dào, thường bị loại bỏ, nay được tái sinh thành các chấm lượng tử carbon (CQDs) thông qua các quy trình tổng hợp xanh. Loại vật liệu nano carbon này sở hữu những đặc tính quang học và hóa lý độc đáo, hứa hẹn trở thành thành phần chủ chốt trong việc phát triển màng bọc sinh học thế hệ mới. Các hạt nano carbon này không chỉ an toàn, không độc hại mà còn có khả năng tương thích sinh học cao. Sự kết hợp giữa vật liệu sinh học từ vỏ bưởi và công nghệ nano hiện đại là chìa khóa để giải quyết đồng thời hai vấn đề lớn: rác thải nhựa và an toàn thực phẩm. Hướng tiếp cận này không chỉ mang lại giá trị kinh tế mà còn góp phần xây dựng một nền kinh tế tuần hoàn, nơi các nguồn tài nguyên được sử dụng một cách hiệu quả và bền vững.

1.1. Giới thiệu về chấm lượng tử carbon Carbon Quantum Dots CQDs

Chấm lượng tử carbon, hay Carbon Quantum Dots (CQDs), là một loại vật liệu nano carbon không chiều với kích thước cực nhỏ, thường dưới 10 nanomet. Chúng được cấu tạo chủ yếu từ các nguyên tử carbon lai hóa sp² và sp³, mang lại những đặc tính vượt trội. Một trong những tính chất nổi bật nhất của CQDs là đặc tính huỳnh quang mạnh, có thể điều chỉnh được thông qua việc thay đổi kích thước hạt và các nhóm chức trên bề mặt. Ngoài ra, CQDs còn có độ hòa tan trong nước tốt, tính tương thích sinh học cao, và độc tính thấp, khiến chúng trở thành vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng y sinh và thực phẩm. Các nghiên cứu gần đây, bao gồm cả đề tài của Ao Văn Đức Thành (2024), đã chứng minh CQDs sở hữu tính chất chống oxy hóa và khả năng kháng khuẩn, mở ra tiềm năng lớn trong lĩnh vực bảo quản thực phẩm.

1.2. Vỏ bưởi Từ phế phẩm nông nghiệp đến nguyên liệu nano giá trị

Vỏ bưởi là một loại phế phẩm nông nghiệp phổ biến tại Việt Nam và nhiều quốc gia khác, chiếm một khối lượng đáng kể trong tổng sản lượng bưởi. Thay vì bị thải bỏ gây lãng phí và ô nhiễm, vỏ bưởi đã được xác định là nguồn carbon sinh học dồi dào, chi phí thấp và thân thiện với môi trường để tổng hợp xanh nên các vật liệu nano carbon. Thành phần chính của vỏ bưởi bao gồm cellulose, hemicellulose và lignin, là những tiền chất carbon lý tưởng. Việc tận dụng vỏ bưởi không chỉ giải quyết bài toán xử lý chất thải mà còn tạo ra một chuỗi giá trị mới cho ngành nông nghiệp. Quá trình biến vỏ bưởi thành CQDs từ vỏ bưởi là một minh chứng điển hình cho kinh tế tuần hoàn, góp phần phát triển các vật liệu phân hủy sinh học bền vững.

II. Phương Pháp Tổng Hợp Carbon Nano Dot Từ Vỏ Bưởi Hiệu Quả

Quy trình tổng hợp vật liệu Carbon Nano Dot từ vỏ bưởi được thực hiện thông qua các phương pháp tiên tiến, ưu tiên tính hiệu quả, chi phí thấp và thân thiện với môi trường. Trong đó, phương pháp thủy nhiệt nổi lên như một lựa chọn tối ưu. Đây là một kỹ thuật tổng hợp xanh không đòi hỏi dung môi hữu cơ độc hại hay điều kiện vận hành phức tạp. Bột vỏ bưởi khô, sau khi được xử lý và nghiền mịn, sẽ được đưa vào bình phản ứng thủy nhiệt cùng với nước cất và các chất phụ gia khác. Nghiên cứu của Ao Văn Đức Thành (2024) nhấn mạnh vai trò của urea như một nguồn cung cấp nitơ, giúp tăng cường các nhóm chức trên bề mặt chấm lượng tử carbon và cải thiện các đặc tính quang học của chúng. Quá trình này không chỉ đơn giản mà còn cho phép kiểm soát tốt kích thước và tính chất của vật liệu nano carbon tạo thành. Kết quả thu được là dung dịch CQDs có độ ổn định cao, sẵn sàng cho các bước chế tạo màng bọc thực phẩm tiếp theo, thể hiện tiềm năng to lớn trong việc sản xuất quy mô công nghiệp.

2.1. Quy trình tổng hợp xanh bằng phương pháp thủy nhiệt chi tiết

Phương pháp thủy nhiệt là một quá trình hóa học diễn ra trong môi trường nước ở nhiệt độ và áp suất cao. Để tổng hợp CQDs từ vỏ bưởi, đầu tiên vỏ bưởi được làm sạch, sấy khô và xay thành bột mịn. Bột vỏ bưởi sau đó được phân tán trong nước cất, cùng với các hàm lượng urea khác nhau (0g, 0.5g, 1g, 2g theo nghiên cứu gốc), và được khuấy đều. Hỗn hợp này được chuyển vào một bình phản ứng thủy nhiệt (autoclave) và gia nhiệt ở nhiệt độ khoảng 200°C trong 12 giờ. Dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất cao, các hợp chất carbon trong vỏ bưởi sẽ bị carbon hóa và tự lắp ráp thành các hạt nano. Sau khi phản ứng kết thúc, sản phẩm được làm nguội, lọc để loại bỏ các tạp chất lớn và thu được dung dịch chấm lượng tử carbon thô. Dung dịch này tiếp tục được tinh chế để sử dụng cho các ứng dụng sau này.

2.2. Vai trò của Urea trong việc tăng cường đặc tính vật liệu

Việc bổ sung Urea vào quá trình thủy nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện chất lượng của CQDs từ vỏ bưởi. Urea (CO(NH₂)₂) là một nguồn cung cấp nguyên tố Nitơ hiệu quả. Khi bị phân hủy ở nhiệt độ cao, nó tạo ra các nhóm chức chứa nitơ (ví dụ: -NH₂) gắn lên bề mặt của các chấm lượng tử carbon. Quá trình này được gọi là N-doping. Theo kết quả phân tích EDX trong tài liệu gốc, hàm lượng nitơ tăng lên đáng kể khi tăng lượng urea, từ 0% lên đến 10,70%. Sự hiện diện của các nhóm chức này không chỉ làm tăng cường đặc tính huỳnh quang (phát quang mạnh hơn dưới ánh sáng UV) mà còn cải thiện độ ổn định của CQDs trong dung dịch, thể hiện qua giá trị thế Zeta ngày càng âm hơn. Điều này giúp các hạt nano phân tán tốt hơn và ít bị kết tụ, một yếu tố then chốt cho việc chế tạo màng composite đồng nhất.

III. Hướng Dẫn Chế Tạo Màng Bọc Thực Phẩm Sinh Học PVA CQDs

Việc chế tạo màng bọc thực phẩm từ vật liệu Carbon Nano Dot là bước ứng dụng quan trọng của nghiên cứu. Polyvinyl alcohol (PVA), một loại polymer phân hủy sinh học, được chọn làm nền chính do có đặc tính tạo màng tốt, trong suốt và an toàn. Quy trình bắt đầu bằng việc hòa tan PVA trong nước để tạo thành dung dịch nền. Sau đó, dung dịch chấm lượng tử carbon đã được tổng hợp từ vỏ bưởi được thêm vào và khuấy đều để đảm bảo các hạt nano phân tán đồng nhất trong nền polymer. Glycerol được thêm vào như một chất hóa dẻo, giúp màng tăng độ mềm dẻo và đàn hồi. Hỗn hợp cuối cùng được đổ lên các đĩa petri và để khô tự nhiên trong không khí, tạo thành một lớp màng bọc sinh học mỏng, đồng nhất. Màng PVA/CQD này là một dạng vật liệu đóng gói thông minh, kết hợp được độ bền cơ học của PVA và các tính năng ưu việt của vật liệu nano carbon, sẵn sàng cho các thử nghiệm về an toàn thực phẩm và hiệu quả bảo quản.

3.1. Quá trình tích hợp vật liệu nano carbon vào màng PVA

Tích hợp vật liệu nano carbon vào ma trận PVA là một quá trình đòi hỏi sự chính xác để tạo ra một màng composite đồng nhất. Dung dịch PVA 11,39% được nấu ở 90°C. Sau đó, dung dịch CQDs từ vỏ bưởi với các nồng độ khác nhau (ví dụ 3%, 5%, 7%, 10%) được thêm từ từ vào dung dịch PVA nóng và khuấy liên tục trong vài giờ. Lực khuấy từ giúp phá vỡ các cụm hạt nano và phân tán chúng đều trong dung dịch polymer. Sự hình thành các liên kết hydro giữa các nhóm hydroxyl (-OH) của PVA và các nhóm chức (-OH, -COOH, -NH₂) trên bề mặt CQDs là yếu tố cốt lõi, giúp tăng cường sự gắn kết giữa hai pha. Quá trình này tạo ra một mạng lưới liên kết chặt chẽ, cải thiện đáng kể các tính chất cơ học và rào cản của màng ăn được (edible film) so với màng PVA tinh khiết.

3.2. Phân tích cấu trúc và đặc tính hóa lý của màng bọc

Để đánh giá chất lượng của màng bọc sinh học PVA/CQD, nhiều phương pháp phân tích hiện đại đã được áp dụng. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) được sử dụng để quan sát hình thái bề mặt, cho thấy sự phân bố của các hạt CQDs trên nền PVA. Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) xác nhận sự hình thành liên kết hydro giữa PVA và CQDs. Các thử nghiệm cơ tính đo độ bền kéo và độ giãn dài cho thấy màng composite bền hơn màng PVA nguyên bản. Đặc biệt, khả năng chặn tia UV được cải thiện rõ rệt, khi màng PVA/CQD có thể hấp thụ gần như hoàn toàn bức xạ tử ngoại, một yếu tố quan trọng trong bảo quản thực phẩm. Các chỉ số khác như tốc độ truyền hơi nước, độ trương và độ hòa tan cũng được đo lường để đánh giá tính ổn định và hiệu quả của màng.

IV. Đánh Giá Hiệu Quả Bảo Quản Thực Phẩm Của Màng Bọc Mới

Hiệu quả thực tiễn là thước đo cuối cùng cho sự thành công của vật liệu Carbon Nano Dot từ vỏ bưởi. Các thử nghiệm bảo quản thực phẩm đã chứng minh những ưu điểm vượt trội của màng PVA/CQD so với màng bọc thông thường. Nhờ khả năng kháng khuẩn và tính chất chống oxy hóa mạnh mẽ từ các chấm lượng tử carbon, màng bọc này giúp làm chậm quá trình hư hỏng của thực phẩm. Trong nghiên cứu gốc, màng PVA/CQD đã được sử dụng để bọc các loại trái cây như mận và sơ ri. Kết quả cho thấy các loại quả được bọc bằng màng mới giữ được độ tươi, màu sắc và giảm đáng kể tỷ lệ mất nước so với mẫu đối chứng. Khả năng ngăn chặn tia UV của màng cũng góp phần bảo vệ các vitamin và sắc tố tự nhiên trong trái cây, duy trì giá trị dinh dưỡng. Những kết quả này khẳng định tiềm năng to lớn của màng bọc sinh học từ vỏ bưởi trong ngành công nghệ nano trong thực phẩm.

4.1. Kết quả thực nghiệm bảo quản trái cây mận và sơ ri

Nghiên cứu của Ao Văn Đức Thành (2024) đã tiến hành các thí nghiệm thực tế để kiểm chứng hiệu quả của màng. Đối với trái mận cơm, các mẫu được bọc bằng màng PVA/CQD cho thấy độ mất khối lượng thấp hơn và sự thay đổi màu sắc (ΔE*) ít hơn đáng kể so với mẫu không bọc và mẫu bọc màng PVA. Điều này chứng tỏ màng mới có khả năng giữ ẩm và ngăn chặn tác động của tia UV hiệu quả. Tương tự, với trái sơ ri, màng PVA/CQD giúp làm chậm quá trình chín và hư hỏng, kéo dài thời gian bảo quản. Trái cây giữ được vẻ ngoài tươi ngon và ít bị nhăn nheo hơn. Các kết quả này cung cấp bằng chứng xác thực về ứng dụng của C-dots trong việc nâng cao chất lượng và tuổi thọ của nông sản.

4.2. Đặc tính chặn tia UV và khả năng chống oxy hóa vượt trội

Một trong những tính năng nổi bật của màng bọc sinh học PVA/CQD là khả năng chặn tia cực tím (UV). Phổ UV-Vis cho thấy màng PVA tinh khiết cho phần lớn tia UV đi qua, trong khi màng có tích hợp CQDs hấp thụ gần như 100% tia UV trong dải sóng 200-380 nm. Tính năng này giúp bảo vệ thực phẩm khỏi quá trình oxy hóa do ánh sáng, ngăn ngừa sự phai màu và mất mát vitamin. Bên cạnh đó, tính chất chống oxy hóa của màng được đánh giá thông qua khả năng bắt gốc tự do DPPH. Kết quả cho thấy màng PVA/CQD có hoạt tính chống oxy hóa cao, đạt tới 88,19% ở nồng độ CQD 10%, trong khi màng PVA không có khả năng này. Sự kết hợp của hai đặc tính này tạo ra một rào cản bảo vệ kép, giúp thực phẩm tươi lâu hơn.

V. Triển Vọng Tương Lai Của Màng Bọc Carbon Nano Dot Từ Vỏ Bưởi

Sự thành công trong việc tổng hợp vật liệu Carbon Nano Dot từ vỏ bưởi và ứng dụng làm màng bọc thực phẩm mở ra một tương lai đầy hứa hẹn cho ngành công nghiệp đóng gói bền vững. Vật liệu phân hủy sinh học này không chỉ giải quyết được bài toán ô nhiễm nhựa mà còn nâng cao chất lượng bảo quản thực phẩm. So với màng bọc nhựa truyền thống có nguồn gốc từ dầu mỏ, màng PVA/CQD có lợi thế vượt trội về tính thân thiện với môi trường và khả năng cung cấp các tính năng bảo vệ tích cực. Trong tương lai, hướng nghiên cứu có thể tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình sản xuất để giảm chi phí và nâng cao hiệu suất, tiến tới thương mại hóa sản phẩm. Hơn nữa, có thể tích hợp thêm các cảm biến vào màng để tạo ra vật liệu đóng gói thông minh, có khả năng cảnh báo về độ tươi của thực phẩm. Đây là một bước tiến quan trọng hướng tới một nền kinh tế xanh, tuần hoàn và an toàn hơn.

5.1. So sánh ưu điểm vượt trội so với màng bọc nhựa thông thường

So với màng bọc nhựa PE hay PVC truyền thống, màng bọc sinh học PVA/CQD có nhiều ưu điểm đáng kể. Thứ nhất, nó có khả năng phân hủy sinh học, giúp giảm gánh nặng rác thải nhựa cho môi trường. Thứ hai, nó có nguồn gốc từ phế phẩm nông nghiệp tái tạo, góp phần vào sự phát triển bền vững. Thứ ba, nó không chỉ là một lớp rào cản thụ động mà còn là một bao bì chủ động (active packaging) với khả năng kháng khuẩn và chống oxy hóa, giúp kéo dài tuổi thọ sản phẩm. Cuối cùng, khả năng chặn tia UV là một tính năng mà hầu hết các loại màng bọc thông thường không có. Mặc dù có thể còn những thách thức về chi phí sản xuất và độ bền trong môi trường ẩm, những lợi ích mang lại cho thấy tiềm năng thay thế rất lớn.

5.2. Hướng phát triển vật liệu đóng gói thông minh và bền vững

Tương lai của ngành đóng gói thuộc về các vật liệu đóng gói thông minh và bền vững. Nền tảng PVA/CQD là một khởi đầu lý tưởng. Bằng cách thay đổi các nhóm chức trên bề mặt chấm lượng tử carbon, có thể tạo ra các màng bọc có khả năng phản ứng với sự thay đổi pH hoặc sự hiện diện của các khí sinh ra trong quá trình hư hỏng thực phẩm, từ đó thay đổi màu sắc để cảnh báo người tiêu dùng. Công nghệ nano trong thực phẩm cho phép tích hợp các cảm biến siêu nhỏ vào màng mà không ảnh hưởng đến tính an toàn. Việc kết hợp với các vật liệu sinh học khác như chitosan hay tinh bột có thể tiếp tục cải thiện các đặc tính của màng. Hướng đi này không chỉ giúp đảm bảo an toàn thực phẩm mà còn giảm thiểu lãng phí thực phẩm, đóng góp vào an ninh lương thực toàn cầu.