Chế tạo bao bì sử dụng một lần tự phân hủy từ xơ dừa

Do những tác động tiêu cực đến môi trường của nhựa tổng hợp mà ngày nay việc phát triển các vật liệu phân hủy sinh học cho các ứng dụng công nghiệp và thương mại là rất cần thiết. Nguyên liệu được sử dụng trong nghiên cứu này bao gồm: Xơ dừa (14%) kết hợp với tinh bột biến tính 1403 (7%) và glyxerol (2%). Các vật liệu chứa đựng thực phẩm được tạo ra bằng phương pháp ép định hình và được tráng một lớp paraffin để tăng cường độ cứng và khả năng chống thấm nước.

Chuyên san Phát triển Khoa học và Công nghệ số 7(1), 2021 CHẾ TẠO BAO BÌ SỬ DỤNG MỘT LẦN TỰ PHÂN HỦY TỪ XƠ DỪA Nguyễn Kim Ngân*, Nguyễn Thị Thúy Kiều, Tạ Lê Quốc An Trường Đại học Cơng Nghệ Sài Gịn * Tác giả liên lạc: kimngancntp6616@gmail.com TĨM TẮT Do tác động tiêu cực đến mơi trường nhựa tổng hợp mà ngày việc phát triển vật liệu phân hủy sinh học cho ứng dụng công nghiệp thương mại cần thiết Nguyên liệu sử dụng nghiên cứu bao gồm: Xơ dừa (14%) kết hợp với tinh bột biến tính 1403 (7%) glyxerol (2%) Các vật liệu chứa đựng thực phẩm tạo phương pháp ép định hình tráng lớp paraffin để tăng cường độ cứng khả chống thấm nước Bao bì thu có độ cứng 53,69 ± 0,784 N, tỷ lệ thấm nước bao bì chứa đựng thực phẩm 70 oC 12,82±0,53%(w/w) sau Kết đánh giá cảm quan cho thấy khác biệt mùi vị nước uống chứa đựng bao bì nghiên cứu bao bì PET Bao bì bị phân hủy thành mảnh nhỏ sau 25 ngày chơn lấp Tóm lại, vật liệu từ xơ dừa có triển vọng để tạo loại bao bì phân hủy sinh học với đặc tính vật lý thích hợp cho ứng dụng thực phẩm tiếp xúc trực tiếp Từ khóa: Nhựa sinh học, phân hủy sinh học, xơ dừa, tính chất vật lý DISPOSABLE BIODEGRADABLE FOOD CONTAINER FROM COIR Nguyen Kim Ngan*, Nguyen Thi Thuy Kieu, Ta Le Quoc An Saigon Technology University * Corresponding author: kimngancntp6616@gmail.com ABSTRACT In recent times, due to the negative environmental impacts of synthetic plastics, the development of biodegradable packagingfor both industrial and commercial applications is very essential Materials used in this study included: Coir (coconut fiber, 14%) combined with modified starch 1403 (7%) and glycerol (2%) Food containerswere created by pressing materials to form desired shapeand then coated with paraffin to enhance their hardness and water resistance The obtained food containers hada hardness of 53.6852 ± 0.784 N, and the water permeability rate of the containerswhen used for storing food at 70oC after hourswas 12.8169 ± 0.53372% (w/w) The packagingwas not affected by acidic agents so itcan be applied to foods with low pH values The sensory evaluation results showed that there was no difference in the taste of drinking water containing in research packaging and PET packaging Packaging was decomposed into small pieces after 25 days of landfill In conclusion, coir packaging holds great potential for the formulation of biodegradable containers with the physical properties suitable for food applications in direct contact Keywords: bioplastic, biodegradation, coir, physical properties TỔNG QUAN Bên cạnh đó, với tính tiện dùng yếu việc thu gom xử lý, rác thải Ô nhiễm nhựa hiện tác nhân toàn cầu gây thiệt hại cho hệ sinh thái 10 Chuyên san Phát triển Khoa học và Công nghệ số 7(1), 2021 nhựa và gây vấn nạn ô nhiễm môi trường sớng ngày nghiêm trọng Ước tính số 8.3 tỷ nhựa sản xuất từ năm 1950 đến năm 2015, 5.7 sớ bị vứt vào bãi rác mơi trường tự nhiên đại dương (Barnes 2019) Theo nghiên cứu nhất, hiện Đại Tây Dương có khoảng 12 – 21 triệu hạt vi nhựa trôi tầng trung thượng (200m mặt nước biển) (Pabortsava and Lampitt 2020) Các loại nhựa phần lớn sử dụng đóng gói thực phẩm Polymers, Polyethylene, Polypropylene, Polystyrene… không thể phân hủy sinh học (Pabortsava and Lampitt 2020) Ngoài ra, loại rác thải nhựa phân rã thành hạt vi nhựa nhỏ có khả xâm nhập vào chuỗi thức ăn, gây ảnh hưởng cho sức khỏe động vật lẫn người (Zhang, Xu et al 2020) Do ô nhiễm gần là vĩnh viễn mà rác thải nhựa gây cho môi trường mối lo ngại lớn mang tính tồn cầu (Barnes 2019) Tuy nhiên, trái với nguyên liệu nhựa, sinh khối lignocellulose nguồn lượng tái tạo dồi tiết kiệm chi phí Sinh khới lignocellulose thường thu từ nguồn như: dư lượng rừng (gỗ, cành, lá), dư lượng nông nghiệp (thân ngô, rơm, bã mía, xơ dừa,…) Đáng buồn thay, phần lớn sinh khới lignocellulose thường xử lý cách đốt cháy loại bỏ trực tiếp mơi trường gây lãng phí ảnh hưởng môi trường Vấn đề khai thác ứng dụng sinh khới lignocellulose chìa khóa để mở loại vật liệu tương lai gần nhằm góp phần giảm thiểu nhiễm mơi trường sớng Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu kết hợp cellulose xơ dừa, tinh bột biến tính glycerol tỷ lệ khác để chế tạo vật liệu bao bì dễ phân hủy có khả thay loại plastic bao bì dùng lần Đồng thời tiến hành thử tính chất lý, đánh giá mức độ an toàn, đánh giá cảm quan khả phân hủy vật liệu VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Vật liệu Những nguyên liệu sử dụng nghiên cứu bao gồm: xơ dừa thu mua từ các sở sản xuất xơ dừa tại tỉnh Bến Tre; tinh bột biến tính 1403 (New Zealand Starch), glycerol (C3H8O3 – trọng lượng phân tử 92.09 gmol-1, độ tinh khiết 99.5% - Xilong Scientific Co.,Ltd), paraffin (East Town Petroleum Chemicals Company) Phương pháp Xơ dừa tiền xử lý thơng qua q trình tẩy trắng dung dịch NaClO2, và loại bỏ thành phần lignin hemicellulose dung dịch KOH để thu sợi cellulose Sợi cellulose nghiền phối trộn với tinh bột biến tính và glycerol để tăng cường tính chất lý cho vật liệu, hỗn hợp sau phối trộn ép định hình bao bì và đem sấy 600C 24 Sau quá trình sấy bao bì phủ màng Paraffin mỏng để tăng tính chớng thấm nước Các kết thí nghiệm và tính chất vật liệu xác định theo các phương pháp sau: Xác định khả tẩy trắng: phương pháp đo UV-vis dung dịch sau ngâm xơ dừa và so màu xơ dừa trước và sau xử lý Xác định độ cứng vật liệu: theo tiêu chuẩn ASTM D78 Xác định khả hấp thụ nước vật liệu: theo tiêu chuẩn ASTM D570 Xác định ảnh hưởng bao bì đến mùi vị thực phẩm: phương pháp đánh giá cảm quan - phép thử phân biệt giống khác Xác định khả phân hủy bao bì: chơn lấp mơi trường đất và quan sát mức độ phân hủy bao bì theo thời gian thực Phương pháp xử lý số liệu: tất thí nghiệm lặp lại lần, kết 11 Chuyên san Phát triển Khoa học và Cơng nghệ sớ 7(1), 2021 trình bày dạng giá trị trung bình ± độ lệch chuẩn Sử dụng phần mềm JMP 10.0 để phân tích thớng kê sớ liệu thí nghiệm và đánh giá khác biệt mẫu KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Nồng độ NaClO2 2% thời gian xử lý 30 phút cho kết tẩy trắng tối ưu Ảnh hưởng nồng độ NaClO2 và thời gian xử lý đến mức độ thay đổi màu sắc xơ dừa thể hiện hình NaClO2 mơi trường acid tạo gốc ClO2 tham gia phản ứng oxy hóa khử với các nhóm -OH nhân Benzen nhóm Cacbua thơm phân tử lignin làm màu Thời gian tẩy màu đủ lâu lượng ClO2 phản ứng hồn tồn, tẩy màu thời gian ngắn ClO2 phản ứng khơng hết, tẩy màu khơng hiệu làm lãng phí hóa chất [A] (A) (B) Hình 1: Ảnh hưởng nồng độ (A) thời gian ngâm (B) NaClO2 đến khả tẩy trắng xơ dừa Lignin hemicellulose có tính chất dễ mức độ tới ưu nào lượng lignin tan mơi trường kiềm và xác hemicellulose khơng đổi lignin định phương pháp cân khới lượng xơ hemicellulose hịa tan hết dung dừa trước sau ngâm KOH Khi thời dịch KOH.[B] Hình cho thấy nồng độ gian ngâm KOH càng tăng lượng KOH 6% thời gian ngâm 24 lignin hemicellulose bị hịa tan có thể loại bỏ Lignin và hemicelulose tối tăng lên đáng kể, tăng đến ưu (A) (B) Hình 2: Mức độ loại bỏ lignin hemicellulose nồng độ KOH (A) thời gian ngâm KOH (B) Càng tăng tỷ lệ cellulose mao quản giảm, cellulose tăng lên nhiều chúng nằm xếp chồng lên thu hẹp lỗ trống liên kết với liên kết hydro Khi chúng xếp chồng lên thành nhiều lớp độ kéo đứt vật liệu tăng lên và độ hút nước giảm dần xuống Ngược lại tỷ lệ cellulose thấp chúng phân bớ rời rạc nằm cách xa nên tạo lổ rỗng, từ nước dễ dàng vào làm cho độ hút nước tăng lên và độ kéo đứt bị giảm xuống.[C] Hàm lượng cellulose 14% đáp ứng đặc 12 Chuyên san Phát triển Khoa học và Công nghệ sớ 7(1), 2021 tính lý và giảm độ hút nước vật liệu Nồng độ tinh bột biến tính 1403 là 7% cho các tính chất vật liệu tớt - Đới với sản phẩm khơng có tinh bột, cấu trúc tạo lổ rỗng lớn nên nước dễ dàng ngấm vào bên (Hình 4) cịn có thành phần tinh bột phân tử tinh bột xen kẽ vào lổ rỗng làm bít lổ rỗng tạo nên cấu trúc chặt chẽ cho sản phẩm làm giảm khả hút nước sản phẩm (Hình 5) Khi phới trộn nguyên liệu lại với nhau, tác dụng nhiệt q trình hồ hịa làm tinh bột hút nước và trương nở Điều tác động đến mạch amylose làm chúng duỗi Sau q trình sấy có hiện tượng thối hóa tinh bột hàm lượng nước và sợi amylose xếp khít lại với Kết là làm tăng lực liên kết dẫn đến việc nguyên liệu có độ cứng cao và làm giảm khả hút nước (Harris, Ahrenstorff et al 2015)[D] - Glycerol chất chất hóa dẻo, sử dụng glycerol để cải thiện thêm liên kết và tăng khả giữ ẩm cho vật liệu Khi glycerol chen vào phân tử hỗn hợp tinh bột, khoảng cách phân tử bị thu hẹp lại nên giảm độ linh động làm liên kết chặt chẽ (Hạnh và Gương 2014)[E] Ngược lại, hàm lượng glycerol nhiều sấy vật liệu khó khơ Ngồi ra, thêm nhiều glycerol hàm lượng nước vật liệu tăng lên và ảnh hưởng đến độ kéo đứt vật liệu làm tăng tính mềm dẻo Đó là phân tử glycerol phá vỡ tính đặc tinh bột, làm giảm tương tác với hydro và tăng độ linh động polyme (Lusiana, Putri et al 2019)[F] Nồng độ glycerol bổ sung là 2% làm sản phẩm dễ định hình và có độ kéo đứt, độ hút nước phù hợp - (A) - (C) (B) Hình 3: Ảnh hưởng tỷ lệ Cellulose (A), tinh bột (B) và glycerol (C) đến độ kéo đứt bao bì (A) (A) (B) Hình 4: Cấu trúc bề mặt (A) bên (B) vật liệu khơng có tinh bột 13 (B) Hình 5: Cấu trúc bề mặt (A) bên (B) vật liệu có tinh bột Chuyên san Phát triển Khoa học và Công nghệ số 7(1), 2021 Kết đánh giá mức độ hút nước bao bì các nhiệt độ khác (hình 6) cho thấy bao bì có khả chịu nhiệt độ thực phẩm chứa đựng là 70oC Hình 6: Ảnh hưởng nhiệt độ đến mức độ hút nước bao bì Thời gian sử dụng cho bao bì so sánh với sản phẩm bao bì từ bã mía có sẵn thị trường cho thấy khả chớng thấm nước bao bì nghiên cứu và bao bì có thị trường là tương tự sau (Hình 7) Tuy nhiên, mẫu bao bì thị trường sử dụng màng plastic (hình 8) để tạo khả chống thấm nước cho sản phẩm dẫn đến thời gian phân hủy kéo dài và khó phân hủy so với bao bì nghiên cứu sử dụng màng paraffin để chớng thấm nước (hình 9) 040 y = 0.0841x + 17.949 R² = 0.937 035 031 031 030 ĐỘ HÚT NƯỚC (%) 036 032 029 026 025 024 021 020 025 y = 0.1553x + 7.2521 R² = 0.9916 Thị trường 019 017 015 Nghiên cứu 013 010 005 000 50 100 150 200 THỜI GIAN (PHÚT) Hình 7: Biểu đồ thể hiện độ hút nước mẫu nghiên cứu mẫu thị trường 14 Chuyên san Phát triển Khoa học và Công nghệ sớ 7(1), 2021 Màng Plastic Màng Plastic (A) (B) Hình 8: Cấu trúc bề mặt (A) bên (B) mẫu thị trường Màng Parafin (A) (B) Hình 9: Cấu trúc bề mặt (A) bên (B) mẫu nghiên cứu Mức độ nhiễm Cl- và SO42- nước chứa cốc sau 24 13,2mg/L 3,36mg/L nhỏ quy định QCVN 01:2009/BYT-Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia nước ăn uống 22 lần đối với tiêu Cl- 74 lần đối với tiêu SO42- Tốc độ nhiễm Cl- và SO42là 4,96.10-5 mg/cm2/giờ và 0,89.105 mg/cm2/giờ Kết chứng minh mức độ an tồn bao bì nghiên cứu sử dụng làm bao bì trực tiếp chứa đựng thực phẩm Bao bì từ xơ dừa sau 25 ngày có phân hủy rõ rệt, dĩa bị gãy vụn so với ban đầu Trong điều kiện chôn lấp ẩm ướt qua thời gian 25 ngày độ chống thấm Paraffin giảm dần lớp sáp bao phủ cịn lỗ nhỏ, từ tạo điều kiện thuận lợi cho nước thấm vào bên Trong đất có chứa vi sinh vật có khả tạo enzyme để thủy phân tinh bột Tinh bột bị phân hủy tinh bột có tính chất hút nước xảy phản ứng thủy phân phản ứng oxy hóa làm cắt mạch tinh bột, sản sinh khí CO2, làm vật liệu độ liên kết [G] Sau tinh bột bị phân hủy vật liệu trở nên rỗng và dễ hút nước hơn, mà cellulose dễ bị phân hủy nước vi sinh vật dễ dàng thâm nhập sâu vào mạng lưới Người thử không phân biệt khác đối với mẫu nước ́ng chứa bao bì Plastic bao bì từ vật liệu xơ dừa với kết xử lý số liệu phép thử cảm quan phân biệt – giống khác là X2tt=1,143