NGHIÊN cứu CHẾ tạo MÀNG SINH học đa CHỨC NĂNG từ PLA và POLYPHENOL TRÀ XANH

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HẢI PHÒNG ************** CUỘC THI KHOA HỌC, KĨ THUẬT CẤP THÀNH PHỐ DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC NĂM HỌC 2021 - 2022 Tên dự án: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG SINH HỌC ĐA CHỨC NĂNG TỪ PLA VÀ POLYPHENOL TRÀ XANH Nhóm: Nghiên cứu khoa học Lĩnh vực dự thi: Hóa vật liệu MÃ DỰ ÁN: VỊ TRÍ: Hải Phịng, tháng 11 năm 2021 MỤC LỤC PHẦN 1: LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI - ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP .1 PHẦN 2: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2.1 Tổng quan nhựa sinh học 2.2 Tổng quan poly(lactic acid) (PLA) 2.2.1 Đặc điểm PLA 2.2.2 Ứng dụng PLA 2.3 Tổng quan polyphenol 2.3.1 Cơ chế hoạt động polyphenol 2.3.2 Tác dụng polyphenol sức khỏe người .6 PHẦN 3: QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ 3.1 Các nghiên cứu thực nghiệm bước dự kiến tiến hành 3.2 Kết thu 3.2.1 Phổ hồng ngoại 3.2.2 Độ bền học 12 3.2.3 Hàm lượng ẩm màng .14 3.2.3 Các nội dung hướng nghiên cứu thời gian tới 14 TÀI LIỆU THAM KHẢO 15 PHẦN LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI - ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP Thứ nhất, theo chuyên gia công nghệ thực phẩm, dùng màng nhựa để bọc hoa làm hao hụt lượng vitamin có hoa quả; bọc trực tiếp đồ ăn chín, đồ ăn nóng hay thực phẩm nhiều dầu mỡ dễ khiến thành phần hóa học từ màng bọc thẩm thấu vào thức ăn Chúng tạo phản ứng hóa học gây hại cho sức khỏe Nhiều người có thói quen sử dụng màng bọc thực phẩm quay nóng thức ăn lị vi sóng mà khơng biết chất hóa học phthalates DEHA có màng bọc thực phẩm, gặp nhiệt độ cao chúng tan chảy biến thành chất gây ung thư Thứ hai, nhu cầu sử dụng vật liệu nhựa ngày lớn gây ảnh hưởng lớn đến môi trường sống Hiện hầu hết gia đình sử dụng màng/túi để bảo quản thực phẩm Trên thị trường sản phẩm màng nhựa để bảo quản thực phẩm chủ yếu sản xuất từ nhựa polyethylene (PE), poly(vinylchloride) (PVC) hay polypropylene (PP),… Đây loại nhựa làm từ dầu mỏ gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng cần nhiều thời gian (khoảng 400 năm) để phân hủy Khi phân hủy, chúng tạo thành vi nhựa xâm nhập vào đất nước làm ảnh hưởng trầm trọng đến môi trường sinh thái sinh vật, vi sinh vật Sử dụng màng bảo quản sản xuất từ nhựa tự phân hủy sinh học ủ compost trọng nghiên cứu, phát triển Một số loại nhựa sinh học dùng poly(lactic acid) (PLA), polyhydroxybutyrate (PHB), poly(vinyl alcohol) (PVA),… Các sản phẩm có thời gian phân hủy ngắn, tự phân hủy sinh học, thân thiện với mơi trường, giảm hiệu ứng nhà kính Việc phát triển sản phẩm màng sinh học đa chức vấn đề quan tâm nghiên cứu Vấn đề đặt với chúng là: Làm cách phát triển sản phẩm màng sinh học đa chức có giá thành rẻ, phù hợp với khí hậu nước ta, vừa giúp thực phẩm giữ độ tươi khơng bị nấm mốc, ngồi cịn có khả kháng khuẩn khơng gây độc hại đến thực phẩm, thân thiện môi trường? Để giải vấn đề nhà khoa học giới nước có số phương pháp như: - Phát triển màng sinh học dựa loại nhựa sinh học thân thiện môi trường PLA, PVA, PHB, tích hợp chất có hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm,… - Phát triển công nghệ chế tạo màng sinh học Từ tài liệu tìm hiểu được, chúng tiến hành thực dự án: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG SINH HỌC ĐA CHỨC NĂNG TỪ PLA VÀ POLYPHENOL TRÀ XANH Chúng mong thành cơng dự án giúp ích góp phần vào việc bảo vệ sức khỏe gia đình mơi trường xung quanh Ngồi ra, giúp chúng tuyên truyền đến gia đình quan trọng sức khỏe việc bảo quản thực phẩm cho cách PHẦN TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 2.1 Tổng quan nhựa sinh học Nhựa phân hủy sinh học loại nhựa bị phân hủy vi sinh vật, thường vi khuẩn cấu tạo nên nước, cacbon dioxide sinh khối khoảng thời gian định Các sản phẩm sau q trình tiếp tục tham gia vào trình cacbon khơng để lại chất có hại cho mơi trường Q trình phân hủy polyme chia thành giai đoạn chính: Suy thối sinh học, phân rã polyme, phân hủy sinh học khoáng hoá Một loại nhựa coi nhựa sinh học sản xuất phần tồn polyme có nguồn gốc sinh học Khơng phải tất nhựa sinh học có khả phân huỷ sinh học Ví dụ nhựa bio - PP, bio - PE bio - PET có nguồn gốc sinh học chúng có tính chất tương đồng với nhựa loại sản xuất từ nguồn gốc dầu mỏ, có nghĩa chúng khơng có khả tự phân huỷ sinh học 2.2 Tổng quan poly(lactic acid) (PLA) 2.2.1 Đặc điểm PLA Nhựa phân hủy sinh học PLA loại nhựa sinh học nhiệt dẻo có nguồn gốc từ thực vật bột ngơ, củ sắn, mía, tinh bột khoai tây,… Vì chúng có khả tự phân hủy sử dụng để sản xuất đồ dùng hàng ngày bao bì đựng thực phẩm, khay đựng, cốc, chén, màng thực phẩm gói rau, dụng cụ y tế,… Theo giáo sư Bert Sels Trung tâm xúc tác hóa học bề mặt axit lactic đưa vào lị phản ứng trùng ngưng thành “lactide” môi trường chân không điều kiện nhiệt độ cao Sau đó, lactide tác dụng xúc tác nhiệt độ phân giải thành chuỗi liên kết với tạo PLA Trong trình sản xuất nhựa PLA, người ta thường sử dụng xúc tác zeolite để hạn chế sinh rác thải bước trung gian Sản xuất sử dụng PLA ổn định giảm hiệu ứng nhà kính 2.2.2 Ứng dụng PLA PLA ứng dụng phổ biến lĩnh vực bao gói, nơng nghiệp, điện tử - viễn thông, giao thông vận tải, dệt may, đặc biệt lĩnh vực y sinh Nhựa PLA Cục quản lý thực phẩm dược phẩm Mỹ cho phép ứng dụng lâm sàng người Nó thử nghiệm thành công việc tái tạo mô quan xương, sụn, bàng quang, gan, van tim học Nhựa PLA có khả tương thích sinh học cao, phân hủy sinh học, xử lý nhiệt có độ bền học cao, độ hịa tan dung mơi hữu nên sử dụng nhiều vật liệu dẫn truyền thuốc PLA dùng để dẫn truyền cho bệnh uốn ván, hỗ trợ dẫn truyền cho thuốc insulin xịt miệng cho bệnh đái tháo đường loại 2, dẫn truyền cho nhóm thuốc paclitaxel chống ung thư, dẫn truyền cho nhóm thuốc FU paclitaxel, dẫn truyền thống cho trình điều trị ung thư,… Ngồi ra, PLA biến tính cịn có sản phẩm cấy ghép dùng vật liệu chế tạo thiết bị y tế tự tiêu, định hình, ghim, tấm, thiết bị truyền dịch lần, bao bì phân phối thuốc,… ứng dụng phương pháp điều trị da điều trị sẹo mặt, teo mỡ,… Trong lĩnh vực bao bì đóng gói, PLA dùng làm túi đựng thực phẩm, khay, hộp đựng thức ăn, sản xuất màng phim mỏng đóng gói thực phẩm, túi đựng đồ siêu thị, đĩa, ly, muỗng,… Đặc biệt PLA biến tính gia cường bentonite, phủ lớp microcrystalline cellusose, silicate có khả kháng tia UV ánh sáng khả kiến (nguyên nhân gây biến tính chất lượng sản phẩm) nên cịn dùng làm bao bì bảo quản thực phẩm Ngồi ra, loại bao bì cịn có tính kháng khuẩn, thích hợp với việc bảo quản thực phẩm sống rau củ quả, thịt cá,… Trong lĩnh vực giao thông vận tải, vật liệu composite PLA nhiều công ty sản xuất ô tô sử dụng để làm lốp xe dự phòng, trải sàn, tay cầm, ghế ngồi, vịm xe,… Trong nơng nghiệp, PLA sử dụng ứng dụng làm màng phủ sinh học có tác dụng tăng tốc độ chín trồng, giữ phân bón, độ ẩm, ức chế nhiễm nấm, phát triển cỏ dại phá hoại trùng Ngồi ra, có loại màng phủ sinh học giúp trồng chống chịu với thay đổi thời tiết Bên cạnh đó, PLA biến tính dùng làm dây buộc cà chua, chậu số vật dụng khác Trong lĩnh vực điện tử - viễn thơng, PLA biến tính công ty chế tạo sử dụng nhiều lĩnh vực điện tử làm vỏ máy nghe nhạc, làm dummy cắm trực tiếp vào laptop chống bụi bẩn tác động, vỏ điện thoại, làm hệ thống khung máy tính, vỏ máy tính,… Ngồi lĩnh vực trên, nhựa PLA sử dụng để làm chai lọ đựng thuốc viên, vải lều, bề mặt chiếu, mực in 3D… 2.3 Tổng quan polyphenol Trà xanh chứa lượng lớn polyphenol Nó nhóm bioflavonoids, chứng minh có đặc tính chống oxy hóa, chống ung thư, kháng khuẩn chống vi rút Hầu hết polyphenol trà xanh catechin Catechin, chất chống oxy hóa tự nhiên, chứng minh có chức chất chống viêm chống ung thư 2.3.1 Cơ chế hoạt động polyphenol Polyphenol ức chế q trình oxy hóa cách làm cản trở chuỗi phản ứng oxy hóa thể, ức chế oxy hóa lipid Nên việc tiêu thụ loại thực phẩm chứa nhiều polyphenol giúp q trình oxy hóa diễn chậm hơn, thể khỏe mạnh, tươi tắn 2.3.2 Tác dụng polyphenol sức khỏe người Polyphenol hợp chất có lợi nhiều loại thực phẩm thực vật nhóm thành flavonoid, axit phenolic, stilbenes, lignans, Chúng cải thiện tiêu hóa, chức não lượng đường máu, bảo vệ chống lại cục máu đông, bệnh tim số bệnh ung thư Polyphenol có tác động đến gene biểu gene Một gene cụ thể người có khả ảnh hưởng đến cách thể phản ứng lại số loại polyphenol định Ngoài ra, polyphenol cịn ảnh hưởng đến hệ khuẩn đường ruột Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu màng kháng khuẩn từ PLA polyphenol trà xanh Do đó, nhóm nghiên cứu chúng định sử dụng polyphenol để tạo màng kháng khuẩn thay cho màng bọc thực phẩm mà gia đình hay sử dụng Nguyên liệu để làm sản phẩm: - Nguyên vật liệu: PLA, polyphenol, diclometan, etanol,… - Dụng cụ: cốc thủy tinh, pipet thủy tinh, từ, đĩa petri thủy tinh, trang, găng tay cao su, túi zip - Thiết bị: máy khuấy từ, tủ sấy, cân phân tích,… PHẦN 3: Q TRÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KẾT QUẢ 3.1 Các nghiên cứu thực nghiệm bước dự kiến tiến hành Bước 1: Chuẩn bị nguyên vật liệu, hóa chất, dụng cụ Tính tốn tỷ lệ thành phần Màng PLA/polyphenol với tỷ lệ 100/0, 97/3, 90/10 Cân xác khối lượng thành phần theo Bảng Bảng Tỷ lệ thành phần mẫu màng PLA/polyphenol TT Mẫu Tỷ lệ PLA/polyphenol Khối lượng PLA (g) Khối lượng polyphenol (g) M1 100/0 M2 97/3 1,94 0,06 M3 90/10 1,8 0,2 Bước 2: Hút 100 ml dung dịch diclometan (DCM) cho vào cốc thủy tinh, sau cho PLA từ vào, khuấy dung dịch máy khuấy từ đến PLA tan hoàn toàn Cần bịt đậy cốc để hạn chế DCM bay Bước 3: Hút 20 ml etanol cho vào cốc thủy tinh, sau cho polyphenol từ vào, khuấy dung dịch máy khuấy từ đến polyphenol tan hoàn toàn Bước 4: Trộn dung dịch bước bước với nhau, khuấy máy khuấy từ Sau đó, đổ dung dịch đĩa petri để khơ tự nhiên khơng khí, đến dung mơi bay hết nhìn thấy màng nhựa màu vàng nhạt đĩa petri Dùng dao dọc giấy dao tem để bóc màng, bóc từ xung quanh bên ngồi vào dần đến bên để màng khơng bị rách Bước 5: Bảo quản màng túi zip để đo đạc đặc trưng, tính chất 3.2 Kết thu 3.2.1 Phổ hồng ngoại 80 Polyphenol 75 45 40 35 30 25 20 15 000 3000 2000 Wavenumbers (cm-1) 1000 02.58 575.4 1384 23 1078.55 1025.17 50 34 24 90 %T 55 1152.51 60 1635.61 2929.35 65 761.66 70 72 70 M2 000 3000 3000 2000 Wavenumbers (cm-1) 80 75 70 65 60 55 45 50 40 30 35 20 25 10 15 2000 Wavenumbers (cm-1) 10 1000 736.4 701.4 78 1182.05 1127.22 104 3.02 80 868.36 74 1083.74 82 104 3.57 90 1127.4 88 737.29 701.36 867.69 14 52.4 1381.60 90 1181.38 76 174 7.4 92 1082.09 000 2995.86 96 14 52.4 1381.93 1359.27 1267.22 95 M1 2995.89 %Reflectance 98 174 8.04 %Reflectance 100 94 86 84 68 66 1000 100 85 M3 70 55 50 1129.75 45 1752.12 35 30 1084 23 25 1182.4 40 104 2.89 %Reflectance 65 60 754 24 689.30 75 14 53.17 1383.32 1359.54 3362.4 85 80 872.36 90 1649.79 95 2995.39 100 20 15 10 000 3000 2000 Wavenumbers (cm-1) 1000 Hình Phổ hồng ngoại (IR) polyphenol mẫu màng M1, M2, M3 Các mẫu màng kháng khuẩn đặc trưng phổ hồng ngoại thiết bị phổ hồng ngoại Nicolet iS10 hãng Thermo Scientific (Mỹ) Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Kết thu được trình bày Hình Từ kết thu phân tích mẫu, chúng em rút kết luận sau: 11 + Trên phổ hồng ngoại mẫu màng M2 M3 xuất píc dao động polyphenol PLA, chứng tỏ polyphenol đưa thành công vào mẫu màng M2 M3 + Vị trí pic dao động đặc trưng cho nhóm chức O-H, C=O dịch chuyển nhẹ chứng tỏ nhóm chức O-H, C=O polyphenol tương tác với nhóm C=O PLA Các thành phần mẫu M3 tương tác mạnh nhiều polyphenol hơn, dịch chuyển pic dao động nhiều so với mẫu M2 3.2.2 Độ bền học Độ bền học tính chất quan trọng để đánh giá màng sinh học đa chức Màng có tính chất học tốt bền, dai, giúp bảo quản hoa quả, thực phẩm tốt Đặc biệt trình vận chuyển, điều giúp màng hạn chế tác động ngoại lực vào thực phẩm Các mẫu màng kháng khuẩn đặc trưng tính chất học thiết bị đo lý đa Zwick theo tiêu chuẩn ASTM D882 Viện Kỹ thuật nhiệt đới, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Kết trình bày Hình Bảng M1 14 12 Spannung in MPa 10 0 Dehnung in % 12 10 M2 20 Spannung in MPa 15 10 0 10 10 Dehnung in % M3 Spannung in MPa 0 Dehnung in % Hình Đồ thị phụ thuộc lực kéo – độ giãn mẫu màng M1, M2, M3 Bảng Độ bền kéo đứt độ dãn dài đứt mẫu màng M1, M2, M3 TT Mẫu Độ bền kéo đứt (MPa) Độ dãn dài đứt (%) M1 13.79  0.22 2.22  0.68 M2 16.49  2.47 4.09  1.20 M3 3.50  0.51 3.14  0.74 Kết Hình cho thấy mẫu màng có cấu trúc đồng nên chênh lệch tính chất học vị trí mẫu khác khơng nhiều Bảng cho thấy mẫu màng M2 có độ bền kéo đứt độ dãn dài đứt lớn Điều chứng tỏ tỷ lệ 97/3, PLA polyphenol tương tác trộn lẫn với tốt, nên cải thiện độ bền kéo đứt độ dãn dài đứt vật liệu 13 Có thể kết luận đưa thêm polyphenol vào PLA hàm lượng thích hợp (3 %) cải thiện tính chất học PLA 3.2.3 Hàm lượng ẩm màng Hàm lượng ẩm màng xác định theo công thức: Trong đó, wi khối lượng mẫu ban đầu, wa khối lượng mẫu sau 24 sấy 105 oC Kết Bảng cho thấy mẫu màng có polyphenol có hàm lượng ẩm cao so với màng PLA ban đầu Đặc biệt, sử dụng tới 10 % polyphenol, màng có hàm ẩm cao, lên tới 12,22 % Bảng Hàm lượng ẩm mẫu màng M1, M2, M3 TT Mẫu M1 M2 M3 Hàm lượng ẩm (%) 1.11  0.02 3.01  0.15 12.22  1.27 Kết hợp kết phân tích phổ hồng ngoại, tính chất học hàm lượng ẩm mẫu màng M1, M2, M3, lựa chọn mẫu màng M2 với tỷ lệ PLA/polyphenol 97/3 cho nghiên cứu 3.2.4 Kết thử hoạt tính kháng sinh Phương pháp lỗ thạch phương pháp đánh giá ảnh hưởng chất thử lên phát triển chủng vi sinh vật nuôi cấy in vitro Nguyên tắc phương pháp xác định khả khuếch tán thuốc vào lớp thạch, gây ức chế phát triển vi khuẩn xung quanh khoanh lỗ thạch Vùng ức chế lớn tác dụng thuốc mạnh Hai chủng vi sinh vật kiểm định bao gồm (1) Vi khuẩn Gr (+): Staphylococcus aureus (ATCC 13709): cầu khuẩn gây mủ vết thương, vết bỏng, gây viêm họng, nhiễm trùng có mủ da quan nội tạng (2) Vi khuẩn Gr (-): Escherichia coli (ATCC 25922): vi khuẩn gram (-), gây số bệnh đường tiêu hóa viêm dày, viêm đại tràng, viêm ruột, viêm ly trực khuẩn Các mẫu PLA chứa 10 % polyphenol sử dụng để đánh giá khả 14 kháng khuẩn vật liệu Hình hình ảnh đĩa thạch mẫu PLA/polyphenol chủng Staphylococcus aureus Escherichia coli Bảng trình bày kết đường kính vịng vơ khuẩn mẫu PLA/polyphenol Ký hiệu mẫu M2 S.aureus E.coli M3 Hình Hình ảnh đĩa thạch mẫu thử chủng S aureus E coli Kết cho thấy mẫu thử M2 M3 có đường kính vịng vơ khuẩn 10 mm chủng S aureus E coli Như vậy, polyphenol phát huy vai trò kháng khuẩn đưa vào PLA Kết mở ứng dụng màng sinh học đa chức PLA/polyphenol với độ bền học cao khả diệt khuẩn tốt Bảng Đường kính vịng vơ khuẩn mẫu màng M2, M3 Đường kính vịng vơ khuẩn STT Tên mẫu (mm)* Staphylococc us aureus 15 Escherichia coli M2 10 10 M3 10 10 III Kết luận Đã chế tạo thành công màng sinh học PLA/polyphenol Màng chế tạo tỷ lệ PLA/polyphenol 97/3 có độ bền học cao, hàm lượng ẩm thấp, khả diệt khuẩn tốt, thích hợp làm màng sinh học đa chức TÀI LIỆU THAM KHẢO Trần Thanh Thủy, Tác dụng kháng khuẩn màng Polylactic acid –Nisin, Tạp chí Khoa học công nghệ (2018), 51: 729 MarinaTuralija, et al., Antimicrobial PLA films from environment friendly additives, Composites Part B: Engineering (2016), 102: 94-99 Yaru Wang, et al., Preparation, characterization, and adsorption application of poly (lactic acid)/tea polyphenols porous composite nanofiber membranes, The Journal of The Textile Institute (2019), 110: 1760-1766 16 ... Phát triển công nghệ chế tạo màng sinh học Từ tài liệu tìm hiểu được, chúng tiến hành thực dự án: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG SINH HỌC ĐA CHỨC NĂNG TỪ PLA VÀ POLYPHENOL TRÀ XANH Chúng mong thành... luận Đã chế tạo thành công màng sinh học PLA/ polyphenol Màng chế tạo tỷ lệ PLA/ polyphenol 97/3 có độ bền học cao, hàm lượng ẩm thấp, khả diệt khuẩn tốt, thích hợp làm màng sinh học đa chức TÀI... lại số loại polyphenol định Ngoài ra, polyphenol cịn ảnh hưởng đến hệ khuẩn đường ruột Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu màng kháng khuẩn từ PLA polyphenol trà xanh Do đó, nhóm nghiên cứu chúng định