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

Đồ án nghiên cứu tổng hợp vật liệu carbon nano dot từ vỏ bưởi, ứng dụng làm màng bọc thực phẩm, góp phần bảo vệ môi trường và sức khỏe.

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

Mục lục chi tiết

• 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

Tóm tắt

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.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Theo báo cáo năm 2020 của Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc (FAO), khoảng 14% tổng lượng thực phẩm sản xuất cho nhu cầu con người bị hư hỏng và thất thoát trước khi tiếp cận thị trường tiêu thụ. Các loại nông sản tươi sống như rau củ và trái cây có cường độ trao đổi chất, hô hấp cao nên rất nhanh bị suy giảm chất lượng, biến đổi màu sắc, hao hụt dinh dưỡng (đặc biệt là vitamin B, C) và oxy hóa lipid dưới tác động của môi trường, ánh sáng và tia cực tím (UV). Trong khi đó, các phương pháp bảo quản truyền thống như sấy khô, đông lạnh thường làm suy giảm giá trị cảm quan, còn việc sử dụng bao bì nhựa tổng hợp khó phân hủy lại gây ra áp lực ô nhiễm môi trường nghiêm trọng.

Trước thực trạng đó, khóa luận tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học (chuyên ngành Hóa vô cơ) tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh của sinh viên Ao Văn Đức Thành, dưới sự hướng dẫn của TS. Trần Thị Nhung, đã thực hiện đề tài "Tổng hợp vật liệu carbon nano dot từ vỏ bưởi cho ứng dụng làm màng bọc thực phẩm". Nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán tận dụng nguồn phế phụ phẩm nông nghiệp (vỏ bưởi) để tổng hợp vật liệu nano carbon chấm lượng tử (Carbon Quantum Dots - CQDs), sau đó tích hợp vào nền polymer phân hủy sinh học Polyvinyl Alcohol (PVA) nhằm tạo ra màng bọc thực phẩm chức năng có khả năng kháng tia UV, chống oxy hóa và kéo dài thời gian bảo quản nông sản.

Nhiệm vụ nghiên cứu được xác định cụ thể gồm ba nội dung chính:

1. Xây dựng quy trình tổng hợp vật liệu carbon quantum dot từ bột cùi vỏ bưởi kết hợp biến tính bề mặt bằng urea thông qua phương pháp thủy nhiệt.
2. Chế tạo màng composite phân hủy sinh học trên nền polyvinyl alcohol kết hợp với CQD (PVA/CQD) cùng chất hóa dẻo glycerol.
3. Khảo sát cấu trúc hóa lý, tính chất cơ lý, độ truyền quang, khả năng chống tia cực tím, hoạt tính chống oxy hóa và đánh giá hiệu quả bảo quản thực tế trên hai đối tượng trái cây là mận cơm và sơ ri.

Đối tượng nghiên cứu là chấm lượng tử carbon tổng hợp từ vỏ bưởi và màng polymer phân hủy sinh học PVA/CQD. Thời gian thực hiện đề tài từ ngày 19/02/2024 đến ngày 31/07/2024 tại hệ thống phòng thí nghiệm thuộc Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận dựa trên nền tảng lý thuyết về vật liệu nano carbon không chiều (0D) và polymer phân hủy sinh học:

• Carbon Quantum Dots (CQDs): Là các hạt nano carbon kích thước dưới 10 nm, cấu tạo từ nhân carbon vô định hình kết hợp miền tinh thể lai hóa $sp^2$, bề mặt chứa nhiều nhóm chức phân cực (-OH, -COOH, -NH$_2$). Vật liệu sở hữu các ưu điểm: tính tương thích sinh học cao, không độc hại, độ phân tán tốt trong nước, khả năng phát quang và hấp thụ mạnh bức xạ tử ngoại, cùng hoạt tính khử gốc tự do (chống oxy hóa).
• Polyvinyl Alcohol (PVA): Là polymer bán tinh thể tan trong nước, có khả năng tạo màng tốt, trong suốt, tương thích sinh học và phân hủy sinh học hoàn toàn. Khi kết hợp với CQD và chất tạo liên kết ngang/hóa dẻo glycerol, mạng lưới liên kết hydro nội phân tử và liên phân tử được hình thành, giúp cải thiện các hạn chế về cơ lý và rào cản hơi nước của PVA tinh khiết.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được triển khai đồng bộ qua các giai đoạn:

Giai đoạn	Phương pháp thực hiện	Mục đích và thông số kỹ thuật
Xử lý nguyên liệu	Gọt lấy cùi trắng vỏ bưởi, sấy khô 60°C, xay mịn, rây qua sàng.	Thu nhận nguồn tiền chất carbon đồng nhất từ sinh khối.
Tổng hợp CQD	Phương pháp thủy nhiệt (Bottom-up) trong bình hydrothermal tại 200°C trong 12 giờ; đánh siêu âm 1 giờ; lọc qua giấy lọc 9 cm và màng lọc 0,22 µm.	Tổng hợp 4 hệ mẫu CQD theo khối lượng urea đưa vào: CQD 0g, CQD 0,5g, CQD 1g, CQD 2g.
Chế tạo màng PVA/CQD	Hòa tan PVA 11,39 wt% ở 90°C trong 2 giờ; bổ sung dung dịch CQD khuấy 300 rpm trong 3 giờ; thêm glycerol khuấy 2 giờ; trải màng trên đĩa petri nhựa, làm khô 48 giờ ở nhiệt độ phòng.	Chế tạo các mẫu màng với tỷ lệ CQD 1g (3%, 5%, 7%, 10%) và tỷ lệ các loại CQD khác nhau (0g, 0,5g, 1g, 2g urea) ở mức cố định 5%.
Phân tích đặc trưng hạt và màng	Phổ hấp thụ UV-Vis (Hitachi UH-5300, dải bước sóng 190–1100 nm); Phổ huỳnh quang (PL, kích thích 365 nm); Tán xạ ánh sáng động (DLS) & Thế Zeta; Phổ hồng ngoại FTIR (Jasco FT/IR-4700); Phổ tán sắc năng lượng EDX; Kính hiển vi điện tử quét SEM.	Xác định nhóm chức, liên kết hóa học, thành phần nguyên tố, hình thái bề mặt, phân bố kích thước hạt và độ bền phân tán.
Khảo sát cơ lý và hóa lý màng	Đo độ bền kéo (TS) và độ giãn dài (E%) trên máy CT3 Texture Analyzer (tốc độ kéo 3 mm/s, kích thước mẫu 1x5 cm); Đo góc thấm ướt qua phần mềm ImageJ; Đo độ trương ($W_s$) và độ hòa tan ($W_{sol}$); Tốc độ truyền hơi nước (WVTR) ở 45°C trong 20 giờ.	Đánh giá độ linh hoạt, độ dẻo dai, tính ưa nước và khả năng cản ẩm của vật liệu màng.
Khảo sát hoạt tính & ứng dụng	Đo khả năng bắt gốc tự do DPPH (đo Abs ở bước sóng 517 nm); Thử nghiệm bảo quản trái mận cơm dưới tủ chiếu tia UV và bảo quản trái sơ ri trong điều kiện thường (đo độ mất khối lượng $L%$ và độ sai lệch màu sắc $\Delta E_{ab}^*$).	Đánh giá khả năng chống oxy hóa, cản UV và hiệu quả bảo quản thực phẩm thực tế trong 10 ngày.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Chương này tổng thuật toàn diện cơ sở lý luận và các tài liệu khoa học liên quan đến bao bì phân hủy sinh học và vật liệu chấm lượng tử carbon:

• Tính cấp thiết của màng polymer sinh học: Phân tích thực trạng ô nhiễm do rác thải nhựa hóa thạch và nhu cầu chuyển dịch sang các màng polymer sinh học có khả năng tự phân hủy. Trình bày chi tiết cấu trúc, ưu điểm (tạo màng, tương thích sinh học) và nhược điểm (kém bền nhiệt, rào cản hơi nước và tia cực tím hạn chế) của màng Polyvinyl Alcohol (PVA).
• Vật liệu Carbon Quantum Dots (CQD): Định nghĩa CQD là hạt nano carbon kích thước 2–10 nm. Trình bày các đặc tính: tính chất quang học (hấp thụ UV, phát huỳnh quang điều chỉnh được), tính trơ hóa học, tính tương thích sinh học cao và khả năng hấp phụ bề mặt nhờ diện tích tiếp xúc lớn.
• Phương pháp tổng hợp và ứng dụng: So sánh hai phương pháp tiếp cận: Top-down (phóng điện hồ quang, phá hủy laser, bóc tách điện hóa) và Bottom-up (thủy nhiệt, vi sóng, siêu âm, nhiệt phân). Tác giả nhấn mạnh phương pháp thủy nhiệt từ phế phẩm nông nghiệp (vỏ bưởi) là giải pháp kinh tế, thân thiện môi trường và an toàn cho bao bì thực phẩm. Điểm qua các ứng dụng của CQD trong quang điện tử, y sinh, xử lý môi trường và đóng gói thực phẩm.

Chương 2: Thực nghiệm

Trình bày chi tiết hóa chất, dụng cụ, thiết bị và các quy trình công nghệ:

• Danh mục hóa chất gồm: PVA, Glycerol 99,5%, DPPH 0,1 mM, Methanol 99,7%, Cồn 96°, Urea, nước cất hai lần.
• Quy trình xử lý phế phẩm vỏ bưởi để thu bột cùi trắng và quy trình tổng hợp 4 mẫu dung dịch hạt CQD (CQD 0g, CQD 0,5g, CQD 1g, CQD 2g) ở điều kiện 200°C trong 12 giờ.
• Quy trình chế tạo màng phân hủy sinh học PVA/CQD thông qua kỹ thuật đổ màng dung dịch (solvent casting).
• Hệ thống công thức tính toán tường minh cho các chỉ tiêu:
  • Độ truyền qua ($T%$): $T% = (I / I_0) \times 100$
  • Độ bền kéo ($TS$): $TS = P / A$ (MPa)
  • Độ giãn dài tương đối ($E%$): $E% = [(L_1 - L_0) / L_0] \times 100$
  • Hoạt tính bắt gốc tự do DPPH: $Antioxidant (%) = [(A_0 - A) / A_0] \times 100$
  • Tốc độ truyền hơi nước: $WVTR = (m_0 - m_1) / (S \times h)$ ($\text{g}/\text{m}^2\cdot\text{h}$)
  • Độ trương ($W_s%$) và độ hòa tan ($W_{sol}%$): $W_s = [(W_s - W_d) / W_d] \times 100$; $W_{sol} = [(W_d - W_{ds}) / W_d] \times 100$
  • Độ sai lệch màu sắc theo không gian màu CIELAB: $\Delta E_{ab}^* = \sqrt{(L_n^* - L_1^)^2 + (a_n^ - a_1^)^2 + (b_n^ - b_1^*)^2}$
  • Tỷ lệ hao hụt khối lượng mẫu trái cây: $L% = [(W_0 - W_1) / W_0] \times 100$

Chương 3: Kết quả và bàn luận

Chương này tập trung phân tích các dữ liệu đo đạc cấu trúc, hình thái và tính chất của vật liệu:

1. Đặc trưng của hạt nano CQD:

• Phổ UV-Vis: Các mẫu CQD đều xuất hiện hai vùng hấp thụ đặc trưng tại bước sóng 273 nm (chuyển dịch electron $\pi \to \pi^$ của liên kết carbon $C=C$ lai hóa $sp^2$) và 320 nm (chuyển dịch $n \to \pi^$ của liên kết $C=O$ và $C=N$). Cường độ hấp thụ tăng dần khi tăng lượng urea biến tính.
• Phổ huỳnh quang (PL): Dưới bước sóng kích thích 365 nm, mẫu CQD 0g và 0,5g phát ánh sáng xanh lá, trong khi CQD 1g và 2g chuyển dịch sang màu xanh lam với cường độ phát quang tăng rõ rệt theo tỷ lệ pha tạp urea.
• Phân bố kích thước hạt (DLS) & Thế Zeta: Kích thước thủy động lực học ghi nhận: CQD 0g là 59,07 nm; CQD 0,5g là 32,3 nm; CQD 1g phân bố hai cụm 50,79 nm (56,89%) và 59,07 nm (43,11%); CQD 2g là 43,68 nm (các giá trị DLS lớn hơn kích thước thực tế do sự hình thành lớp vỏ hydrat hóa bởi các nhóm chức ưa nước trên bề mặt). Thế Zeta có xu hướng dịch chuyển âm hơn khi tăng lượng urea, giúp hệ keo phân tán bền vững, hạn chế kết tụ trong nước.
• Phổ FTIR: Xác nhận sự xuất hiện của các dải dao động: 3301–3221 cm$^{-1}$ (nhóm -OH và dao động kéo giãn N-H), 2937–2925 cm$^{-1}$ (liên kết C-H), 1662–1647 cm$^{-1}$ (liên kết C-O), 1590–1579 cm$^{-1}$ (liên kết C=N xuất hiện khi pha tạp urea) và 1399–1388 cm$^{-1}$ (nhóm C-OH).
• Phân tích thành phần nguyên tố (EDX):

Mẫu vật liệu	% Khối lượng C	% Khối lượng O	% Khối lượng N
CQD 0g	72,53	27,47	0,00
CQD 0,5g	71,06	23,69	5,25
CQD 1g	55,16	39,44	5,40
CQD 2g	53,21	36,09	10,70

2. Đặc trưng và tính chất của màng composite PVA/CQD:

• Hình thái bề mặt (SEM): Màng PVA tinh khiết có bề mặt phẳng, nhẵn mịn và đồng nhất. Khi tích hợp CQD ở hàm lượng từ 3% đến 7% hoặc lượng urea thấp (0g, 0,5g), các hạt nano phân tán tương đối tốt. Ở nồng độ CQD cao (10%) hoặc lượng urea lớn (1g, 2g), bề mặt xuất hiện các cụm hạt phân bố dày đặc và có hiện tượng kết tụ cục bộ.
• Phổ FTIR màng: Sự dịch chuyển dải hấp thụ của nhóm -OH và N-H về vùng số sóng thấp hơn chứng minh sự hình thành liên kết hydro bền chặt giữa chuỗi polymer PVA và các nhóm chức bề mặt của hạt CQD.
• Độ truyền quang, độ trong và độ đục: Màng PVA tinh khiết trong suốt, cho tia UV (200–380 nm) và ánh sáng khả kiến (380–760 nm) xuyên qua. Khi tăng tỷ lệ CQD 1g từ 3% lên 10%, màng duy trì độ trong suốt chấp nhận được ở vùng ánh sáng khả kiến nhưng ngăn chặn gần như hoàn toàn bức xạ tử ngoại UV. Độ đục của màng tăng dần và độ trong giảm dần tỷ lệ thuận với nồng độ CQD và urea.
• Cơ tính (Độ bền kéo & Độ giãn dài): Màng PVA nguyên chất có độ bền kéo thấp nhưng độ giãn dài cao. Khi bổ sung CQD (từ 3% đến 10%), độ bền kéo của màng tăng lên đáng kể trong khi độ giãn dài giảm xuống, do liên kết hydro giữa các nhóm chức -OH/-COOH của CQD với PVA giúp gia cố mạng lưới liên kết polymer.
• Độ trương, độ hòa tan và góc thấm ướt: PVA tinh khiết có độ trương rất lớn ($W_s = 852,82%$). Khi tích hợp CQD, độ trương và độ hòa tan giảm do các nhóm -OH tự do của PVA đã liên kết với hạt nano. Góc thấm ướt của tất cả các màng đều $< 90^\circ$ (thể hiện tính ưa nước), tuy nhiên góc thấm ướt tăng dần khi hàm lượng CQD tăng, cho thấy tính kháng nước bề mặt được cải thiện.
• Tốc độ truyền hơi nước (WVTR): Việc bổ sung CQD làm giảm đáng kể tốc độ truyền hơi nước qua màng. Đặc biệt, mẫu màng PCQD 1g-5% làm giảm chỉ số WVTR đến 30,4% so với màng PVA tinh khiết.
• Khả năng bắt gốc tự do DPPH: Màng PVA đối chứng hoàn toàn không có hoạt tính chống oxy hóa (0%). Ngược lại, màng composite PVA/CQD thể hiện khả năng quét gốc tự do tăng dần theo hàm lượng hạt nano, đạt giá trị cực đại 88,19% ở mẫu chứa 10% CQD 1g nhờ sự hiện diện dồi dào của các nhóm cho electron trên bề mặt hạt nano.

3. Khảo sát hiệu quả bảo quản nông sản thực tế:

• Thử nghiệm ngăn chặn tia UV trên trái mận cơm (10 ngày chiếu xạ UV liên tục):
  • Tỷ lệ hao hụt khối lượng: Sau 10 ngày, mẫu không bọc (Control) mất 24,08% khối lượng; bọc màng PVA mất 23,27%; bọc màng thương mại (TM) mất 9,58%; màng PCQD 1g-3% mất 22,56%; PCQD 1g-5% mất 20,02%; PCQD 1g-7% mất 22,24%; PCQD 1g-10% mất 22,09%. Màng composite PCQD 1g-5% duy trì khả năng giữ ẩm tốt nhất trong các màng sinh học.
  • Sai lệch màu sắc ($\Delta E_{ab}^$ ngày 10): Mẫu Control có mức biến đổi màu lớn nhất ($\Delta E_{ab}^ = 26,90$), tiếp đến là màng PVA ($\Delta E_{ab}^* = 21,37$) và màng TM ($\Delta E_{ab}^* = 19,94$). Các màng chứa CQD ngăn chặn biến đổi màu sắc vượt trội: PCQD 1g-3% đạt 17,07; PCQD 1g-5% đạt 14,15; PCQD 1g-7% đạt 10,22 và PCQD 1g-10% đạt mức biến đổi màu thấp nhất là 10,03.
• Thử nghiệm ngăn chín và mất nước trên trái sơ ri (10 ngày bảo quản): Màng PCQD 1g-5% tạo rào cản hạn chế quá trình hô hấp và thoát hơi nước của quả sơ ri, giúp quả duy trì độ căng bóng, giữ độ tươi và giảm thâm héo so với mẫu không bọc và mẫu bọc màng PVA tinh khiết.

---

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính

1. Tổng hợp thành công vật liệu carbon quantum dot từ bột cùi vỏ bưởi bằng phương pháp thủy nhiệt 200°C trong 12 giờ, đồng thời pha tạp thành công nguyên tố nitơ từ tiền chất urea với hàm lượng N đạt tới 10,70% khối lượng.
2. Chế tạo thành công hệ màng bao bì composite PVA/CQD phân hủy sinh học, có độ dày đồng đều khoảng 0,064 mm.
3. Tích hợp CQD vào nền PVA giúp cải thiện đồng thời nhiều tính chất lý hóa:
   • Tăng cường độ bền kéo cơ học.
   • Giảm tốc độ truyền hơi nước (WVTR của màng PCQD 1g-5% giảm 30,4% so với PVA).
   • Tăng hoạt tính chống oxy hóa bắt gốc tự do DPPH lên tới 88,19% (ở nồng độ 10% CQD).
   • Ngăn cản gần như tuyệt đối tia tử ngoại UV ở dải bước sóng 200–380 nm.
   • Bảo quản thực nghiệm trên trái mận cơm và sơ ri cho thấy màng giúp giảm thất thoát khối lượng và hạn chế tối đa sự biến đổi màu sắc ($\Delta E_{ab}^*$ giảm từ 26,90 xuống còn 10,03 sau 10 ngày).

Đóng góp thực tiễn và học thuật

• Đề xuất quy trình công nghệ xanh khép kín: chuyển hóa phụ phẩm nông nghiệp phổ biến (vỏ bưởi) thành vật liệu nano carbon quang học có giá trị gia tăng cao mà không sử dụng dung môi độc hại.
• Tạo ra loại màng bao bì thực phẩm chủ động (active packaging) có nguồn gốc sinh học, có khả năng tự phân hủy, giải quyết triệt để vấn đề rác thải nhựa một lần trong ngành đóng gói nông sản.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Khóa luận được Hội đồng đánh giá và tác giả thẳng thắn chỉ ra các hạn chế thực tế:

• Khảo sát hoạt tính kháng khuẩn: Do giới hạn về mặt thời gian thực hiện, đề tài chưa kịp triển khai các thử nghiệm đánh giá khả năng ức chế vi sinh vật và kháng khuẩn (Gram âm, Gram dương) của màng PVA/CQD. Đây là nội dung quan trọng cần được tiến hành bổ sung trong các nghiên cứu tiếp nối.
• Tính đồng nhất thuật ngữ và dữ liệu: Khóa luận ban đầu có sự xen lẫn giữa hai khái niệm "carbon nano dot" và "carbon quantum dot" (đã được tác giả hiệu chỉnh sang CQD trong phiếu trả lời góp ý).
• Kỹ thuật đo DLS: Kết quả phân tích DLS kích thước hạt cần được hoàn thiện đồ thị phân bố chi tiết hơn và thể hiện rõ giá trị trung bình kèm khoảng sai số đo đạc thực nghiệm.

---

Giá trị tham khảo

Khóa luận là nguồn tài liệu tham khảo có giá trị cao cho:

• Sinh viên, học viên chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Hóa học, Hóa vô cơ, Khoa học Vật liệu: Tham khảo quy trình thực nghiệm chi tiết về phương pháp thủy nhiệt tổng hợp hạt nano carbon từ nguồn sinh khối tự nhiên, cũng như kỹ thuật pha tạp dị nguyên tố (Nitơ từ urea).
• Nhà nghiên cứu ngành Công nghệ Thực phẩm và Bao bì Sinh học: Cung cấp phương pháp luận và bộ chỉ tiêu đánh giá toàn diện một màng film polymer composite chức năng (từ đo quang phổ, cơ lý, độ thấm hơi nước, hoạt tính DPPH đến thử nghiệm thực tế trên trái cây bằng không gian màu CIELAB).
• Các dự án khởi nghiệp hoặc phòng R&D: Ứng dụng mô hình kinh tế tuần hoàn, tận dụng phế phụ phẩm vỏ trái cây chế biến để tạo màng bọc bảo quản nông sản xuất khẩu.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tiền chất sinh khối và phương pháp tổng hợp hạt nano carbon trong khóa luận là gì?
Nghiên cứu sử dụng phần cùi trắng của vỏ bưởi sau khi sấy khô ở 60°C và nghiền mịn qua sàng làm nguồn tiền chất carbon. Hạt nano carbon (CQD) được tổng hợp thông qua phương pháp thủy nhiệt (Bottom-up) trong bình hydrothermal chịu nhiệt ở 200°C trong 12 giờ.

2. Việc bổ sung urea trong quá trình thủy nhiệt mang lại tác dụng gì cho vật liệu CQD?
Urea đóng vai trò là nguồn cung cấp nguyên tố Nitơ để pha tạp lên bề mặt hạt CQD. Quá trình này giúp gia tăng các nhóm chức chứa Nitơ (liên kết C=N, dao động N-H), làm tăng hàm lượng nguyên tố N từ 0% lên tới 10,70% (ở mẫu CQD 2g), tăng cường độ phát huỳnh quang dưới bước sóng kích thích 365 nm và làm thế Zeta dịch chuyển về giá trị âm hơn, giúp hệ hạt nano phân tán ổn định và chống kết tụ trong nước.

3. Tại sao kích thước hạt CQD đo bằng phương pháp DLS lại lớn hơn kích thước thực tế (2–10 nm)?
Kỹ thuật tán xạ ánh sáng động (DLS) xác định đường kính thủy động lực học của hạt khi phân tán trong môi trường nước. Do bề mặt CQD chứa nhiều nhóm chức ưa nước phân cực (-OH, -COOH, -NH$_2$), các phân tử nước liên kết mạnh tạo thành lớp vỏ hydrat hóa bao quanh hạt, làm cho kích thước đo được qua DLS (dao động từ 32,3 nm đến 59,07 nm) lớn hơn đáng kể so với kích thước lõi tinh thể thực tế của hạt.

4. Màng composite PVA/CQD thể hiện khả năng bảo quản trái cây thực nghiệm như thế nào?
Khi thử nghiệm trên trái mận cơm dưới nguồn chiếu xạ UV trong 10 ngày, màng chứa CQD ngăn chặn tia cực tím vượt trội, giúp giảm thiểu tối đa sự biến đổi màu sắc với độ sai lệch màu $\Delta E_{ab}^*$ chỉ từ 10,03 đến 17,07 (so với mẫu không bọc là 26,90 và màng PVA nguyên chất là 21,37). Trên trái sơ ri, màng PCQD 1g-5% tạo rào cản hơi nước và giảm tốc độ hô hấp, giúp giảm hao hụt khối lượng và kéo dài độ tươi của quả.

5. Hoạt tính chống oxy hóa bắt gốc tự do DPPH của màng đạt mức cao nhất là bao nhiêu?
Trong khi màng PVA nguyên chất hoàn toàn không có hoạt tính chống oxy hóa (0%), việc tích hợp CQD đã giúp màng composite có khả năng bắt gốc tự do tăng dần theo nồng độ hạt nano, đạt hiệu suất bắt gốc tự do cao nhất là 88,19% ở mẫu màng chứa 10% CQD 1g.

---

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Ao Văn Đức Thành đã nghiên cứu thành công quy trình công nghệ xanh nhằm chuyển hóa phế phụ phẩm vỏ bưởi thành vật liệu carbon quantum dot và ứng dụng chế tạo màng phân hủy sinh học nền PVA/CQD. Màng vật liệu mới thể hiện các tính năng vượt trội về độ bền kéo, rào cản hơi nước, khả năng chặn tia cực tím tuyệt đối và hoạt tính chống oxy hóa cao (88,19%), mang lại hiệu quả bảo quản thực tế rõ rệt trên mận cơm và sơ ri. Đây là công trình thực nghiệm hoàn chỉnh, có giá trị khoa học và tiềm năng ứng dụng thực tiễn cao trong định hướng phát triển bao bì thực phẩm sinh học thân thiện với môi trường.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Bảo quản thực phẩm là một trong những vấn đề quan trọng hàng đầu trong ngành công nghiệp thực phẩm hiện nay, nhằm đáp ứng nhu cầu ngày cảng cao của người tiêu dùng về thực phẩm tươi, ngon và an toàn. Theo như tô chức lương thực và nông nghiệp liên hiệp quốc (FAO) vào năm 2020 đã báo cáo rằng khoảng 14% thực phẩm sản xuất nhằm mục đích phục vụ nhu cầu ăn uống của con người trên toàn thế giới đã bị hư hỏng trước khi được đưa ra thị trường [1]. Các loại cây trồng dễ bị hư hỏng như trái cây và rau củ quả tươi có hoạt động trao đổi chat cao có thể nhanh chóng bị hư hỏng làm cho màu sắc và mùi vị bị thay đối [2, 3]. Các phương pháp bảo quản truyền thống như đông lạnh, sây khô.

mặc dù đã được sử dụng rộng rãi nhưng vẫn còn một số hạn chế như làm giảm di chất lượng, cảm quan, giá trị dinh dưỡng của thực phẩm. Do đó mà việc nghiên cứu, tìm kiêm các giải pháp bảo quản mới, hiệu quả và an toàn hơn là vô cùng cân thiệt. Carbon quantum dot (CQD) la cdc hat nano carbon có kích thước nhỏ, có tính chất quang học và điện tử đặc biệt. CQD đã được chứng minh có khả năng kháng khuẩn, chống oxy hóa và kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm hiệu quả [6].

Việc kết hợp PVA và CQD đề chế tạo màng bao quản thực phẩm mới có thể tận dụng được những ưu điểm của cả hai loại vật liệu, tạo ra một loại màng bảo quản thực phẩm mới, thân thiện với môi trường và đem lại hiệu qua sử dụng cao hơn so với bao bì nhựa thông thường. Dựa vào những đặc điểm ưu việt đã được nêu ở trên thì việc tạo ra màng polymer mới PVA kết hợp CQD sẽ giải quyết được các vấn đề về việc kéo dải thời gian sử dụng của thực phẩm, đồng thời còn giải quyết được các vấn đề về ô nhiễm môi trường do rác thải nhựa. Vì vậy, vật liệu bao bì này hứa hẹn sẽ trở nên phổ biến trong tương lai vì tính đơn giản, chi phí rẻ, hiệu quả cao mà chúng mang lại đôi với con người. CHUONG 1:TONG QUAN 1.Tổng quan về polymer phân hủy sinh học 1.Tính cấp thiết Trong thời đại ngày nay, vẫn đề ô nhiễm môi trường do việc sản xuất và tiêu hủy bao bì làm từ nhựa tổng hợp khó phân hủy, không phân hủy rất được mọi người quan tâm [7].

Nên những vật liệu phân hủy sinh học được thiết kế để giảm tác động tiêu cực của nhựa đến môi trường, đồng thời vẫn tăng thời hạn sử dụng, chất lượng và độ an toàn của thực phẩm đóng gói [8]. Do đó, trong bối cảnh này, màng bọc thực phẩm mới phân hủy sinh học sử dụng CQD đã thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu như một vật liệu tiềm năng trong lĩnh vực bảo quản thực phẩm. CQD có những tính chất vật lý và hóa học khá đặc biệt như kích thước nhỏ, nhiều nhóm chức năng trên bề mặt, không độc hại, độ hòa tan trong nước cao, tương thích sinh học tốt và thân thiện với môi trường, chống oxy hóa tuyệt vời, chi phí chế tạo thấp và dễ tổng hợp [9]. Vì những lý do này mà CQD rat có tiềm năng cho nhiều ứng dụng khác nhau trong việc đóng gói, bảo quản thực phẩm [9].

Đặc biệt CQD được tổng hợp từ nguồn phế phẩm nông nghiệp, nguyên liệu tái chế gan đây đã thu hút được sự chú ý lớn vì tính phong phú, không độc hại, dễ tổng hợp, chi phí thấp và giải quyết được vấn đề ô nhiễm môi trường [10-12]. Do đó bột vỏ bưởi đã được sử dụng làm nguồn carbon dùng để tổng hợp CQD. Phương pháp tổng hợp được sử dụng ở đây là phương pháp thủy nhiệt là một phương pháp đơn giản, hiệu quả, không độc hại, thân thiện với môi trường, tiết kiệm năng lượng và chi phí tổng hop [13]. Vì vay, trong dé tai này, chúng tôi nhắn mạnh vào việc tổng hợp vật liệu CQD từ vỏ bưởi và nghiên cứu về khả năng ứng dụng trong việc làm mảng bọc thực phẩm.

Bằng cách nảy, chúng tôi hi vọng có thể đóng góp vảo việc giải quyết các vấn đề về ô nhiễm môi trường do rác thải bao bì nhựa không phân hủy và trong việc bảo quản thực phẩm nhằm làm tăng thời gian sử dụng của thực phẩm. Các tính chất của màng polymer phân hủy sinh học 1.1 Tính chất cơ học Tính chất cơ học là một tính chất quan trọng của mảng phân hủy sinh học, được thể hiện thông qua các chỉ số như độ bên kéo, độ bền đâm thủng, lực tải, độ đàn hồi và độ giãn dài. Trong số đó, độ bền kéo và độ giãn dài là hai chỉ số quan trọng nhất dùng để đánh giá tính chất cơ học của mảng phân hủy sinh học. Độ bền kéo cho chúng ta biết về tính linh hoạt của màng, trong khi độ giãn dài lại cho biết mức độ dẻo dai của màng.

Hai chỉ số này cho chúng ta biết được mức độ chịu lực của màng và độ giãn tối đa mà màng có thê đạt được, từ đó có thể đánh giá xem tính chất cơ học của màng có phù hợp với ứng dụng mà chúng ta hướng đến hay không.Kha nang phan huy sinh học Đây là tính chất yêu cầu phải có đối với màng vì đây là mục đích hướng đến của mang polymer phân hủy sinh học là bảo vệ môi trường, thân thiện với môi trường. Tính chất nảy của màng được đánh giá thông qua thông số độ hòa tan của màng. Độ hoà tan của màng sinh học có thể được đánh giá bằng cách đo lường khối lượng màng trước và sau khi tiếp xúc với nước trong một khoảng thời gian nhất định. Sự giảm khối lượng của màng sau quá trình này cho biết mức độ phân hủy và khả năng hoà tan của nó.

Độ truyền hơi nước Là một tính chất dùng để đánh giá tốc độ khuếch tán của các phân tử nước qua màng, đặc biệt độ truyền hơi nước rất được chú ý quan tâm trong lĩnh vực bảo quản thực phẩm, trái cây. Độ truyền hơi nước được đánh giá thông qua độ mất khối lượng của thực pham, trái cây, lượng hơi nước truyền qua màng trong 1 khoảng thời gian nhất định.Kha nang chong tia UV Anh sang rat bat lợi trong việc duy trì chất lượng và dinh dưỡng của thực phẩm. Đặc biệt tia UV sẽ gây oxy hóa dầu trong thực phẩm làm ôi thiu thực phẩm, oxy hóa các sắc tố tự nhiên có trong thực phẩm và làm thay đổi màu sắc của trái cây, làm thất thoát vitamin B, C trong trái cây [14]. Chính vì vậy mà nhiều loại thực phẩm cần được phải được ngăn chan tia UV trong quá trình bảo quản.

CQD là một loại vật liệu nano có khả năng hấp thụ được tia cực tím vì vậy khi tích hợp CQD vào màng PVA là một giải pháp để tăng cường khả năng chống tia UV của mảng PVA để nhằm mục đích bảo quản thực phẩm và chất lượng dinh dưỡng của thực phẩm được lâu hơn.Khả năng chống oxy hóa Hoạt tính chống oxy của CQD có tầm quan trọng đặc biệt theo quan điểm thương mại, do nó có tiềm năng cao được ứng dụng trong ngành công nghệ thực phẩm. Hoạt tính chống oxy của CQD được chú ý là do sự hiện diện của các nhóm hydroxyl trên bề mặt, dễ phân tán trong nước[ 13]. Khả năng này được đánh giá thông qua khả năng bắt gốc tự do DPPH bằng cách sử dụng phép do UV-Vis [15].Mang polymer phan hiy sinh hoc trén nén polyvinyl alcohol (PVA) Polyvinyl alcohol (PVA) 1a mét mang polymer phan huy sinh học đã được nghiên cứu rộng rãi cho các ứng dụng sản xuất màng film, đóng gói thực phẩm. PVA có nhiều ưu điểm như là ít độc hại, có khả năng phân hủy sinh học và khả năng tương thích sinh học, tính ưa nước, đặc tính tạo mảng tốt, độ trong suốt và độ bền cơ học tốt [17].

Tuy nhiên mặc dù có tính ưa nước và khả năng hòa tan trong nước nhưng PVA vẫn không thể đáp ứng được đầy đủ các tiêu chí để làm màng đóng gói các thực phẩm quan trọng, điều này làm hạn chế đi ứng dụng của PVA [18]. Với mục đích tăng thêm tính ứng dụng cho màng PVA, người ta đã tích hợp các loại vật liệu nano vào mang PVA dé sản xuất ra các loại mảng mới có các tính chất tốt hơn so PVA tinh khiết.Tổng quan về vật liệu carbon quantum dot 1.Khái niệm Cham lượng tử carbon (CQD) là một loại vật liệu nano carbon khong chiều có kích thước nhỏ từ 2 — 10 nm, được cấu tạo chủ yếu từ carbon vô định hình cùng với các vùng tinh thê nano lai hóa sp? carbon grafite. Những nghiên cứu gần đây cho thấy CQD được chú ý đến trên toàn thế giới nhờ các tính chất đặc biệt như phát quang, điện, hóa học và ít độc hại, khả năng hòa tan trong nước tốt, thân thiện với môi trường, dễ tổng hợp. Nhờ các tính chất độc đáo nên CQD được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như cảm biến, y học, điện tử, quang điện.1 Tính chất quang học Cac cham lượng tử carbon (CQD) có thể chuyển sang trạng thái kích thích bằng cách hấp thụ bức xạ điện từ và sau đó phát ra huỳnh quang mạnh.

Phổ huỳnh quang có thê được tinh chỉnh và tăng cường thông qua việc điều chỉnh các thông số khác nhau, chăng hạn như kích thước, nhóm chức năng bề mặt và phương pháp tổng hợp các chấm lượng tử carbon [19]. Tính trơ về mặt hoá học Tính trơ hóa học của chấm lượng tử carbon (CQD) được đặc trưng bởi độ ôn định bề mặt của chúng. Tính chất này chủ yếu bị ảnh hưởng bởi các nhóm chức năng bề mặt có trên các chấm lượng tử carbon. Tính ôn định hóa học đặc biệt của các cham lượng tử carbon, cho phép chúng duy trì cường độ huỳnh quang trong những điều kiện khắc nghiệt, chăng hạn như nồng độ cao, nhiệt độ cao và tiếp xúc với axIt và bazơ mạnh.Ít độc hại và khả năng tương thích sinh học cao Thông thường, nồng độ thấp của dung dịch CQD không gây độc hại đáng kế cho tế bào con người và trong một số trường hợp, nó thậm chí còn có thể thúc đây sự phát triển của tế bào.

Tuy nhiên, độc tính tế bảo của CQD có xu hướng tăng đáng kế khi nồng độ của chúng tăng đến một mức nhất định nào đó [20] và do có khả năng tương thích sinh học cao và độc tính tế bào thấp.