nghiên cứu chế tạo màng chitosan - gelatin ứng dụng làm bao bì thực phẩm

1 MỞ ĐẦU 1> Tính cấp thiết của đề tài: Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, ngành công nghệ chế biến thủy sản cũng phát triển vượt bậc và đóng góp một phần không nhỏ vào việc phát triển nền kinh tế đất nước. Tuy nhiên, công nghệ chế biến thủy sản phát triển bên cạnh những thuận lợi như chế biến ra các mặt hàng thủy sản có chất lượng cao, đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm phục vụ cho xuất khẩu và tiêu thụ trong nước còn có bất lợi là lượng phế liệu thủy sản thải ra rất nhiều làm ô nhiễm môi trường. Một trong những nguồn phế liệu thải ra là vỏ của các động vật giáp xác như tôm, cua, ghẹ… Nguồn phế liệu này hiện nay chủ yếu dùng làm thức ăn chăn nuôi hay làm phân bón nên hiệu quả kinh tế rất thấp. Mục tiêu đặt ra cho các nhà công nghệ là nghiên cứu để tận dụng tối đa những thành phần có trong phế liệu thủy sản nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế của chúng và tránh được ô nhiễm môi trường do chúng gây nên. Trong các mặt hàng thủy sản có giá trò kinh tế thì các mặt hàng thủy sản đông lạnh từ giáp xác chiếm từ 70 – 80% công suất chế biến. Vì vậy, lượng phế liệu từ vỏ giáp xác do các nhà máy thủy sản thải ra khá lớn khoảng 70.000 tấn / năm. Nguồn phế liệu này chứa một lượng lớn chitin – là nguyên liệu quan trọng cho công nghiệp sản xuất chitosan và các sản phẩm có giá trò khác. Chitosan là một dẫn xuất của Chitin, nó là một polyme hữu cơ phổ biến trong tự nhiên và được ứng dụng trong nhiều lónh vực khoa học công nghệ. Một trong những ứng dụng của chitosan là làm màng mỏng bao gói thực phẩm. Trong thực tế sản xuất hiện nay, vật liệu chính dùng bao gói thực phẩm là màng nhựa PE (polyethylen), P. (polyprothylen). Tuy nhiên dùng các vật liệu này bao gói thực phẩm thì có một số hạn chế là thời gian phân hủy chúng kéo dài, khó xử lý và gây ô 2 nhiễm môi trường. Vì vậy, người ta nghiên cứu dùng màng chitosan để bao gói thực phẩm thay thế cho bao PE, P. nhằm hạn chế ô nhiễm môi trường do rác thải là các polyme tổng hợp. Màng Chitosan có khả năng kháng khuẩn, kháng nấm, không sinh độc tố, giữ nước tốt cho thực phẩm trong quá trình bảo quản nhưng màng Chitosan khá đắt tiền nên dùng nó bao gói thực phẩm chưa đem lại hiệu quả kinh tế. Việc nghiên cứu phối trộn Chitosan với các chất khác nhằm tạo ra màng Chitosan có độ bền cao, giá thành phù hợp dùng làm bao gói thực phẩm là vấn đề đang được quan tâm hiện nay. Có nhiều nghiên cứu dùng Gelatin để chế tạo màng bao thực phẩm vì nguồn Gelatin dồi dào, giá thành thấp lại có khả năng tạo màng cao, khi sử dụng làm màng thực phẩm nó làm tăng giá trò cảm quan, hạn chế quá trình giảm trọng lượng do bốc hơi nước. Tuy nhiên, màng Gelatin yếu về mặt cơ học, không bền khi gặp môi trường nước, dễ bò vi khuẩn, nấm tấn công nên khả năng bảo quản đối với thực phẩm thấp. Việc nghiên cứu kết hợp giữa các polyme tự nhiên để sản xuất màng bảo quản thực phẩm đã được thực hiện nhiều như màng chitosan với xenlulose, chitosan với alginate, chitosan với tinh bột, vv có thể tạo nên một số tính chất mới của màng. Tuy nhiên các nghiên cứu này cũng cần mở rộng với các polyme khác và kỹ thuật tạo màng cho từng hỗn hợp polyme là rất khác nhau và phức tạp đòi hỏi sự đầu tư nghiên cứu nhiều trước khi tính đến khả năng thương mại hóa sản phẩm. Màng chitosan khi phối trộn với các gelatin tạo nên một số tính chất mới của màng nên có thể làm thay đổi một số tính năng của màng chitosan như tính kháng khuẩn, kháng nấm… nên trong luận văn này nghiên cứu bổ sung thêm Natri benzoat nhằm tăng cường khả năng kháng khuẩn của màng chitosan phối trộn gelatin. 3 Chính vì vậy, việc thực hiện đề tài “ Nghiên cứu chế tạo màng Chitosan - Gelatin ứng dụng làm bao bì thực phẩm” nhằm tạo ra màng bao thực phẩm vừa có tính kháng nấm, kháng khuẩn, khả năng giữ nước cho thực phẩm vừa có giá thành hợp lý ở Việt Nam hiện nay là vấn đề có ý nghóa thực tiễn rất lớn. 2> Ý nghóa khoa học của đề tài: - Xác đònh được nồng độ Chitosan, nồng độ Gelatin, nồng độ Natri benzoat phù hợp để có thể tạo ra màng mỏng vừa đáp ứng được các yêu cầu làm bao gói thực phẩm vừa có giá thành phù hợp. - Đưa ra công thức phối trộn tối ưu cho quy trình sản xuất thích hợp đối với màng Chitosan – Gelatin sử dụng làm bao gói thực phẩm. - Xác đònh được những biến đổi về chất lượng và dinh dưỡng của sản phẩm cá ngừ đại dương fillet trong quá trình cấp đông và bảo quản đông. 3> Ý nghóa thực tiễn của đề tài: - Dùng màng Chitosan – Gelatin để bao gói thực phẩm thay thế cho màng nhựa PE, P. vì màng mỏng bao gói từ Chitosan có tính kháng khuẩn và chống mất nước cho thực phẩm rất tốt. - Góp phần giải quyết lượng phế liệu thủy sản có nguồn gốc từ vỏ giáp xác từ các xí nghiệp chế biến thủy sản đồng thời nâng cao giá trò kinh tế của các loại phế liệu thủy sản so với việc chỉ dùng chúng làm thức ăn gia súc hay làm phân bón. 4 Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN VỀ CHITOSAN: 1.1.1 Cấu trúc phân tử của chitosan: Chitosan là một amino polysaccarit, được hình thành từ quá trình tách gốc acetyl của chitin bằng xử lý bằng xút đặc. Chitosan được phát hiện lần đầu tiên bởi Rouget vào năm 1859. Công thức cấu tạo của chitosan gần giống như chitin và xellulose nhưng không giống vì chitin chỉ tan trong một số ít hệ dung môi, mà điển hình là Lithium Chloride-Tertiary Amides, chitosan thì dễ tan trong các axít hữu cơ, thông thường dùng axit acetic nên có nhiều ứng dụng hơn chitin. Hình 1.1: Cấu trúc chitin, chitosan, xellulose Hình 1.1 : Cấu trúc chitin, chitosan, xellulose 5 Chitosan là một polyme hữu cơ có cấu trúc tuyến tính từ các đơn vò β - D – glucosamin liên kết với nhau bằng liên kết β - 1,4 Glucozit. Chitosan là sản phẩm được sản xuất từ chitin sau khi xử lý chitin trong kiềm đặc nóng (quá trình deacetyl hóa chitin) [34], [43]. 1.1.2 Các loại nguyên vật liệu sản xuất chitin và chitosan chính: Chitin và chitosan có thể được chiết rút từ nhiều nguồn nguyên liệu như từ vỏ tôm cua, tảo, nấm, vi khuẩn và sâu bọ. Nguồn phế thải tôm, cua, ghẹ, nang mực trong quá trình chế biến thủy sản là nguồn nguyên liệu sẵn có, nhiều, chứa hàm lượng chitin, chitosan cao. Bảng 1.1: Thành phần hóa học chủ yếu của các nguyên liệu chính sản xuất chitin và chitosan ( Muzzarelli, 1997) Nguyên liệu Thành phần Độ ẩm Protit Tro Lipit Chitin Cua 1. Callinectes sapidus 4,5 24 56 2 12,9 2. Chinonecetes opilio 29,19 40,6 1,35 26,65 3. Portunus trituberculatus 12,9 10,3 57,9 0,3 17,1 Tôm 1. Penaeus monodom 9,1 26,8 29,3 0,5 34,9 Phần vỏ giáp đầu ngực 9,7 42,8 20,8 1,2 36,5 Phần vỏ 2. Pandalus borealis 23,5 33,9 14,7 30,0 Tôm càng 9,24 61,6 26,67 1,4 30 Tôm sông nước ngọt 5,7 28,1 44 4,4 12,5 Con moi lân 44,6 24,7 1,8 19,9 1.1.3 Tính chất của chitosan: Hình 1.2: Sơ đồ quá trình deacetyl hóa chitin. 6 Đặc tính cơ bản của Chitosan: - Chitosan có nguồn gốc thiên nhiên, không độc, an toàn cho người khi sử dụng làm thực phẩm, dược phẩm, có tính hòa hợp sinh học cao đối với cơ thể, có khả năng tự phân hủy sinh học. - Chitosan có nhiều tác dụng sinh học đa dạng như: khả năng hút nước, giữ ẩm, kháng nấm, kháng khuẩn với nhiều chủng loại khác nhau [18], [25], [29], [36], kích thích tăng sinh tế bào ở người và động thực vật, có khả năng nuôi dưỡng tế bào trong điều kiện nghèo dinh dưỡng. Tính chất hoá học: - Chitosan là chất rắn, xốp, nhẹ, ở dạng bột có màu trắng ngà, dạng vẩy có màu trắng trong hay hơi vàng. - Không mùi, không vò. - Chitosan có tính kiềm nhẹ, không hoà tan trong nước và trong kiềm nhưng hoà tan dễ dàng trong các dung dòch axit loãng như axit acetic, axit propionic, axit lactic, axit citric …. Khi hoà tan chitosan trong môi trường axit loãng tạo thành keo dương. Đây là một điểm rất đặc biệt vì phần lớn các keo polyssacharit có điện tích âm. Chitosan được xem như là một polycation có khả năng bám dính vào bề mặt các điện tích âm và có khả năng tạo phức với một số ion kim loại. - Chitosan khi hoà tan trong dung dòch axit acetic loãng có pH = 6 – 6.5 tạo thành một dung dòch keo dương, nhờ đó mà keo Chitosan không bò kết tủa khi có mặt của một số ion kim loại nặng như Pb 3+ , Hg 2+ . - Chitosan kết hợp với aldehyt trong điều kiện thích hợp để hình thành gel, đây là cơ sở để bẫy tế bào, enzym. Tính chất của chitosan phụ thuộc rất nhiều vào độ tinh khiết, độ deacetyl hóa, phân tử lượng và độ rắn. Chitosan có độ tinh khiết càng cao thì càng dễ tan, màu sắc 7 dung dòch hòa tan có độ trong cao, có tính kết dính cao và được ứng dụng vào nhiều lónh vực hơn. Độ deacetyl hóa là một thông số quan trọng, đặc trưng cho tỉ lệ giữa 2- acetamido-2-deoxy-D-glucopyranose với 2-amino-2-deoxy-D-glucopyranose trong phân tử chitosan. Khả năng thấm nước của màng chitosan có độ deacetyl hóa thấp thì sẽ cao hơn so với màng chitosan có độ deacetyl hóa cao [58]. Phân tử lượng của chitosan cũng là một thông số quan trọng [59], nó quyết đònh tính chất của chitosan như khả năng kết dính, tạo màng, tạo gel, khả năng hấp phụ chất màu [60]. Độ rắn của chitosan phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nguồn gốc chitin, độ deacetyl hóa, phân tử lượng và thường có 2 peak chính ở khoảng 9 – 10 0 và 20 0 quét khi xác đònh bằng nhiễu xạ tia X (Hình 1.3). Hình 1.3. Phổ nhiễu xạ tia X của các loại chitosan khác nhau. a: Phân tử lượng thấp, độ deacetyl trung bình; b: Độ nhớt thấp, độ deacetyl cao c: Độ nhớt cao, độ deacetyl hóa trung bình; d: Độ nhớt cao, độ deacetyl hóa cao Nguồn: Nunthanid et al. (2001) Hình 1.4: Phổ hồng ngoại-IR và phổ cộng hưởng từ hạt nhân-MNR của chitosan Phổ hồng ngoại-IR của chitin (A) và chitosan (B) Phổ cộng hưởng từ hạt nhân-MNR của chitin (A) và chitosan (B) 8 9 1.2 TỔNG QUAN VỀ GELATIN 1.2.1 Nguồn gốc Gelatin: - Gelatin là chế phẩm được tạo thành từ quá trình thủy phân Colagen (có loại Colagen lúc đun nóng trong nước có thể biến thành Gelatin như Colagen vẩy cá nhưng cũng có loại phải qua bước xử lý mới có thể biến thành Gelatin) [23]. - Khi làm biến tính collagen dưới tác động của tác nhân biến tính như nhiệt, vật lý và hóa học ta thu được gelatin. 1.2.2. Cấu trúc của gelatin: - Giống như cấu trúc của colagen, gelatin có cấu trúc dạng chuỗi. Chuỗi gelatin gồm những phân tử có kích thước siêu nhỏ liên kết lại với nhau bằng liên kết hydro tạo thành mạng lưới gelatin [40], [50]. - Công thức tiêu biểu của gelatin là - Alanin – Glycin – Prolin – Arginin – Glycin – Glutamic – 4 Hydroxyproline – Glycin – Prolin – [60] Hình 1.5: Cấu trúc phân tử gelatin 10 - Phân tích thành phần axit amin của một số loại gelatin ta được kết quả trình bày trong Bảng 1.2 Bảng 1.2: Thành phần axit amin của một số loại gelatin [49] Tên axit amin Số lượng axit amin / 1000 g gelatin Gelatin da cá chép Gelatin da cá tuyết Gelatin da cá chó Glycin Alanin Valin Isoleucin Leucin Prolin Hydroxyprolin Phenylalanin Tyrosin Serin Threoinin Methionin Cystin Hydroxylysin Lyzin Histidin Arginin Aspartic axit Glutamic axit 317 120 19 12 25 124 73 14 3,2 43 27 12 <1 4,5 27 4,5 53 47 74 345 107 19 11 23 102 53 13 3,5 69 25 13 <1 6 25 7,5 51 52 75 328 114 18 9,2 20 129 70 14 1,8 41 25 12 <1 7,9 22 7,4 45 54 81 [...]... 13 - Người ta nghiên cứu dùng Gelatin để chế tạo màng bao thực phẩm vì nguồn Gelatin dồi dào, giá thành thấp lại có khả năng tạo màng cao, khi sử dụng làm màng thực phẩm nó làm tăng giá trò cảm quan, hạn chế quá trình giảm trọng lượng do bốc hơi nước[26], [32] Tuy nhiên, màng Gelatin yếu về mặt cơ học, không bền khi gặp môi trường nước, dễ bò vi khuẩn, nấm tấn công dẫn đến khả năng bảo quản đối với thực. .. Như vậy việc dùng màng chitosan bao bọc thực phẩm có thể kéo dài thời gian bảo quản, giảm sự thối hỏng do khả năng kháng khuẩn, kháng nấm của nó Màng mỏng chitosan có thể ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp bao gói, bao bì thực phẩm vì nó có thể thay thế PE để sản xuất giấy bóng kính bao bọc thực phẩm cao cấp Đặc biệt màng mỏng chitosan còn có khả năng bảo quản thực phẩm và thực phẩm tươi sống Ngoài... khuẩn, khả năng giữ nước cho thực phẩm với khả năng dễ tạo màng và giá thành rẻ của Gelatin để chế tạo màng Chitosan – Gelatin bao gói thực phẩm có giá thành phù hợp nhằm làm giảm mức độ mất nước của thực phẩm trong quá trình bảo quản lạnh và bảo quản đông 14 1.3 TỔNG QUAN VỀ CÁC CHẤT BẢO QUẢN DÙNG TRONG SẢN PHẨM THỰC PHẨM NHẰM TĂNG CƯỜNG KHẢ NĂNG KHÁNG KHUẨN CỦA THỰC PHẨM Theo quy đònh danh mục các... chitosan – gelatin với tỷ lệ phối trộn là 80/20 CG 3: màng chitosan – gelatin với tỷ lệ phối trộn là 60/40 CG 4: màng chitosan – gelatin với tỷ lệ phối trộn là 40/60 CG 5: màng chitosan – gelatin với tỷ lệ phối trộn là 20/80 CG 6: màng chitosan – gelatin với tỷ lệ phối trộn là 0/100 CGB 1-1 : màng chitosan – gelatin với tỷ lệ phối trộn là 100/0 bổ sung 0,05% Natri benzoat CGB 2-1 : màng chitosan – gelatin. .. benzoat CGB 3-1 : màng chitosan – gelatin với tỷ lệ phối trộn là 60/40 bổ sung 0,05% Natri benzoat CGB 4-1 : màng chitosan – gelatin với tỷ lệ phối trộn là 40/60 bổ sung 0,05% Natri benzoat CGB 5-1 : màng chitosan – gelatin với tỷ lệ phối trộn là 20/80 bổ sung 0,05% Natri benzoat CGB 6-1 : màng chitosan – gelatin với tỷ lệ phối trộn là 0/100 bổ sung 0,05% Natri benzoat CGB 1-2 : màng chitosan – gelatin với... benzoat CGB 2-2 : màng chitosan – gelatin với tỷ lệ phối trộn là 80/20 bổ sung 0,1% Natri benzoat CGB 3-2 : màng chitosan – gelatin với tỷ lệ phối trộn là 60/40 bổ sung 0,1% Natri benzoat 34 CGB 4-2 : màng chitosan – gelatin với tỷ lệ phối trộn là 40/60 bổ sung 0,1% Natri benzoat CGB 5-2 : màng chitosan – gelatin với tỷ lệ phối trộn là 20/80 bổ sung 0,1% Natri benzoat CGB 6-2 : màng chitosan – gelatin. .. benzoat CGB 1-3 : màng chitosan – gelatin với tỷ lệ phối trộn là 100/0 bổ sung 0,15% Natri benzoat CGB 2-3 : màng chitosan – gelatin với tỷ lệ phối trộn là 80/20 bổ sung 0,15% Natri benzoat CGB 3-3 : màng chitosan – gelatin với tỷ lệ phối trộn là 60/40 bổ sung 0,15% Natri benzoat CGB 4-3 : màng chitosan – gelatin với tỷ lệ phối trộn là 40/60 bổ sung 0,15% Natri benzoat CGB 5-3 : màng chitosan – gelatin với... benzoat CGB 6-3 : màng chitosan – gelatin với tỷ lệ phối trộn là 0/100 bổ sung 0,15% Natri benzoat CGB 1-4 : màng chitosan – gelatin với tỷ lệ phối trộn là 100/0 bổ sung 0,2% Natri benzoat CGB 2-4 : màng chitosan – gelatin với tỷ lệ phối trộn là 80/20 bổ sung 0,2% Natri benzoat CGB 3-4 : màng chitosan – gelatin với tỷ lệ phối trộn là 60/40 bổ sung 0,2% Natri benzoat 35 CGB 4-4 : màng chitosan – gelatin. .. quá trình chế biến và bảo quản nên cần có biện pháp hạn chế tổn thất chất dinh dưỡng Mục đích của luận văn là nghiên cứu dùng màng chitosan phối trộn phụ liệu tối ưu làm màng bao cá ngừ đại dương fillet 18 1.6 ỨNG DỤNG CỦA CHITOSAN Chitosan và dẫn xuất của chúng có rất nhiều ứng dụng trong nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp nhẹ, y học và một số ngành khác Chitosan có thể được bào chế ra... đã nghiên cứu dùng màng Chitosan để bảo quản hoa quả tươi [3], [4] thì thấy dùng màng Chitosan bảo quản thì thời gian bảo quản hoa quả kéo dài hơn so với hoa quả chỉ được bảo quản lạnh Kiểm tra số lượng vi sinh vật thì thấy hoa quả được bảo quản bằng màng Chitosan có khả năng kháng khuẩn rất tốt 1.7.2 Nghiên cứu ngoài nước: - Krasavtsev và các cộng tác viên đã nghiên cứu ứng dụng màng Chitosan làm bao . vậy, việc thực hiện đề tài “ Nghiên cứu chế tạo màng Chitosan - Gelatin ứng dụng làm bao bì thực phẩm nhằm tạo ra màng bao thực phẩm vừa có tính kháng nấm,. nhiều nghiên cứu dùng Gelatin để chế tạo màng bao thực phẩm vì nguồn Gelatin dồi dào, giá thành thấp lại có khả năng tạo màng cao, khi sử dụng làm màng thực