Bài viết Chế tạo và xác định đặc tính màng phân hủy sinh học trên cơ sở poly(vinyl alcohol) và chitosan trình bày ảnh hưởng hàm lượng chitosan đến độ trương của màng; Ảnh hưởng hàm lượng chitosan đến độ bền kéo đứt của màng.
Dương Thế Hy 16 CHẾ TẠO VÀ XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH MÀNG PHÂN HỦY SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ POLY(VINYL ALCOHOL) VÀ CHITOSAN ELABORATION AND CHARACTERIZATION OF BIODEGRADABLE FILM BASED ON POLY(VINYL ALCOHOL) AND CHITOSAN Dương Thế Hy Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; dthy@dut.udn.vn Tóm tắt - Màng polymer phân hủy sinh học sở poly(vinyl alcohol) (PVA) chitosan (CTS) chế tạo phương pháp đúc từ dung dịch Glutaraldehyde (GA) sử dụng làm tác nhân tạo liên kết ngang để tăng cường độ chịu nước độ bền học màng Kết nghiên cứu cho thấy, độ trương nước màng giảm gần 50% phối hợp CTS Bên cạnh đó, độ trương màng PVA/CTS với hàm lượng CTS màng từ 5% đến 15% xấp xỉ Độ bền kéo màng PVA/CTS tăng lên theo hàm lượng CTS, nhiên, hàm lượng CTS màng đạt 15% độ bền kéo giảm xuống Kết xác định khả kháng khuẩn sử dụng vi khuẩn Bacillus Subtilis cho thấy, màng xuất khả kháng khuẩn có mặt CTS Quan sát màng sau chôn đất 50 ngày cho thấy tương thích sinh học màng, dấu hiệu phân hủy sinh học khoảng thời gian chôn lấp không quan sát thấy mắt thường Abstract - Poly(vinyl alcohol) (PVA)/chitosan (CTS) biodegradable films have been fabricated by solution casting Glutaraldehyde (GA) was used as a cross-linking agent to enhance the water resistance and mechanical strength of films The results of the study show that, the water swelling of films containing CTS reduces nearly 50% In addition, the swelling of PVA/CTS films with CTS content ranging from 5% to 15% is approximately the same The tensile strength of PVA/CTS films increases with the content of CTS; however, when the CTS content in the films reaches 15%, the tensile strength decreases Antibacterial test using Bacillus Subtilis bacteria shows that, the films containing CTS have antibacterial properties After 50 days being buried in soil, the films show the biocompatibility, but signs of biodegradation during this burial period are not visible Từ khóa - poly(vinyl alcohol); chitosan; màng; phân hủy sinh học; kháng khuẩn Key words - poly(vinyl alcohol); chitosan; film; biodegradable; antibacterial Đặt vấn đề Vật liệu polymer có nhiều đặc tính ưu việt nhẹ, bền học, bền hóa chất, dễ tạo hình đặc biệt dễ phối hợp, biến tính để đáp ứng nhiều yêu cầu kỹ thuật Ngoài giá thành vật liệu polymer rẻ so với loại vật liệu khác Chính vậy, lượng nhựa sản xuất tiêu thụ tồn giới tăng khơng ngừng, đạt đến 299 triệu vào năm 2013 [1] dự đoán gấp ba số vào năm 2050 Ở Việt Nam, theo báo cáo Ipsos Business Consulting, lượng nhựa tiêu thụ tính đầu người Việt Nam tăng mạnh từ 3,8 kg/người vào năm 1990 lên 41,3 kg/người vào năm 2018 Do vấn đề kinh tế công nghệ nên phần nhỏ rác thải nhựa tái chế xử lí, phần cịn lại thải môi trường tự nhiên Thật không may, hầu hết vật liệu polymer sử dụng khó phân hủy mơi trường tự nhiên, v ì vấn đề ô nhiễm rác thải polymer ngày nghiêm trọng Một giải pháp vừa đáp ứng nhu cầu sử dụng polymer người vừa giảm thiểu vấn đề ô nhiễm rác thải polymer tăng cường sử dụng polymer có khả phân hủy sinh học Các sản phẩm từ polymer sau sử dụng bị phân hủy nhanh chóng điều kiện tự nhiên không tạo sản phẩm độc hại Chitin polymer sinh học phổ biến thứ hai sau cellulose Mặc dù phổ biến tự nhiên chitin lại khó ứng dụng trực tiếp khả hịa tan kém, có nhiệt độ nóng chảy cao nhiệt độ phân hủy Chính vậy, người ta phải biến tính cắt ngắn mạch phân tử chitin ứng dụng Sản phẩm phổ biến sản xuất trực tiếp từ chitin CTS CTS có khả hịa tan dung dịch acid lỗng nên thuận tiện cho việc gia cơng sản phẩm dạng màng Màng CTS có độ bền học cao, thấm ẩm cứng CTS có nhiều đặc tính tốt khơng độc, tương thích sinh học, phân hủy hủy sinh học đặc biệt khả kháng khuẩn gram âm [2] gram dương [3] Vì vậy, ứng dụng nhiều lĩnh vực y tế, thực phẩm, mỹ phẩm Poly(vinyl alcohol) (PVA) loại polymer tổng hợp có đặc tính phù hợp cho việc sản xuất màng bị phân hủy sinh học hoàn toàn [4] Tuy nhiên, PVA lại hút nước nhiều Để cải thiện khả chịu nước PVA, nghiên cứu trước [5] tiến hành tạo liên kết ngang cho PVA glutaraldehyde (GA) Điều kiện tối ưu cho q trình đóng rắn PVA GA xác định là: Tỷ lệ khối lượng GA/PVA = 1/100, acid acetic/PVA = 3,5/100, nhiệt độ đóng rắn 90 o C thời gian đóng rắn 7h Độ trương màng PVA đóng rắn GA cải thiện rõ rệt, từ 154% chưa đóng rắn giảm xuống cịn 118% sau đóng rắn Điều cho thấy, việc tạo liên kết ngang hạn chế phần tính hút nước Để tăng thêm khả chống hút nước tiến hành phối trộn PVA với polymer có tính kỵ nước Ở nghiên cứu này, màng polymer tạo sở phối hợp PVA CTS với mục đích bổ sung ưu điểm CTS vào sản phẩm từ nguyên liệu PVA Hàm lượng CTS màng 5%, 10% 15% khối lượng Các điều kiện đóng rắn tối ưu cho PVA tìm nghiên cứu trước [5] áp dụng cho nghiên cứu Thực nghiệm 2.1 Hóa chất PVA với độ thủy phân 99% khối lượng phân tử trung bình khối 85000 – 124000 g/mol, GA (dung dịch 50% nước), acid acetic (99%) mua hãng Sigma - ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 5.1, 2020 Tốc độ truyền nước (WVT) xác định theo phương pháp ASTM E 96-95 Màng cố định lên miệng cốc nhơm, đường kính cm có chứa sẵn 10 gam silicagel sấy 120 o C 12h, sau đặt vào bình kín có sẵn cốc chứa dung dịch muối Mg(NO3 )2 bão hòa để hở nhiệt độ 25 o C Tiến hành cân cốc nhôm sau 12 ngày Tốc độ truyền nước màng tính theo cơng thức 𝑊 𝑊𝑉𝑇 = (2) 𝑡 𝐴 Trong đó, W khối lượng cốc (gam) thời điểm t (h), A diện tích màng (m ) Khả kháng khuẩn màng kiểm tra vi khuẩn Gram dương (Bacillus Subtilis) Màng đặt bề mặt đĩa thạch cấy sẵn vi khuẩn đặt vào tủ ấm nhiệt độ 35 o C Sau 12h kiểm tra ngoại quan Khả phân hủy sinh học xác định cách chôn mẫu đất độ sâu 20 cm ngồi mơi trường tự nhiên định kỳ lấy lên để quan sát thay đổi ngoại quan Kết thảo luận 3.1 Ảnh hưởng hàm lượng chitosan đến độ trương màng Kết xác định độ trương mẫu thể 140 Độ trương bão hòa (%) 2.2 Tạo màng polymer Cho lượng PVA nước cất tính tốn để tạo dung dịch 10% PVA vào cốc thủy tinh có khuấy từ Tiến hành khuấy với tốc độ 200 đến 250 vòng/phút nhiệt độ phòng 30 phút, sau vừa khuấy vừa gia nhiệt cho hỗn hợp lên 90 o C Tăng tốc độ khuấy lên 400 500 vịng/phút tiếp tục trì khuấy trộn nhiệt độ 30 phút, lúc thu dung dịch suốt Hạ nhiệt độ dung dịch xuống 50 o C cho acid acetic, GA với lượng tính tốn vào vào tiếp tục khuấy trộn 10 phút đổ đĩa Đối với màng có phối hợp với chitosan khơng cho acid acetic vào mà sau cho GA vào tiếp tục cho từ từ dung dịch chitosan 3% dung dịch acid acetic tiếp tục khuấy trộn 10 phút trước đổ đĩa Các đĩa để khô tự nhiên 48h Màng polymer tách khỏi đĩa sấy 90 o C thời gian Sau sấy, màng để nguội tự nhiên đến nhiệt độ phòng bảo quản túi nhựa polyethylene có đặt silicagel hút ẩm 2.3 Xác định đặc tính vật liệu Độ trương màng xác định cách ngâm mẫu nước cất nhiệt độ 25 o C, sau thời gian mẫu lấy ra, dùng giấy thấm để làm khô bề mặt cân Công thức sử dụng để xác định độ trương mẫu 𝑊𝑠 − 𝑊𝑑 𝑆𝑊 (% ) = 𝑥100 (1) 𝑊𝑑 Trong đó, SW(%) độ trương, Ws khối lượng mẫu sau ngâm Wd khối lượng mẫu trước ngâm Độ bền kéo màng đo máy Shimadzu theo tiêu chuẩn ASTM D 638 với tốc độ kéo 50 mm/phút Hình 120 100 80 60 40 20 0% 5% 10% % Chitosan màng 15% Hình Độ trương bão hòa màng hàm lượng CTS khác Hình cho thấy, có mặt CTS độ trương màng giảm đáng kể Điều tính kị nước CTS mang lại Ngồi ra, kết khảo sát cịn cho thấy, độ trương bảo hòa màng chứa CTS với hàm lượng khác xấp xỉ nhau, khoảng 70% Nghiên cứu Chuang cộng [7] cho thấy, PVA CTS khơng tương thích hồn tồn, q trình tạo màng CTS có xu hướng di chuyển bề mặt làm cho hàm lượng CTS bề mặt cao bên Có lẽ lí nên bề mặt màng có chứa CTS nghiên cứu có hàm lượng CTS đủ cao để thể tính kháng nước xấp xỉ 3.2 Ảnh hưởng hàm lượng chitosan đến độ bền kéo đứt màng Đóng rắn khơng cải thiện khả chịu nước mà làm tăng độ bền lý màng Hình cho thấy, độ bền kéo màng PVA tăng gần 100% đóng rắn GA Các liên kết ngang hình thành phân tử PVA thông qua cầu nối phân tử GA ngăn cản trượt tương đối mạch phân tử PVA trình kéo nguyên nhân làm cho độ bền kéo đứt tăng lên Độ bền kéo (N/mm2) Aldrich CTS thu được deacetyl hóa chitin phịng thí nghiệm theo quy trình cơng bố [6] Độ deacetyl hóa 52% (xác định phổ hồng ngoại) 17 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0% 5% 10% % chitosan màng 15% Hình Độ bền kéo màng PVA đóng rắn với hàm lượng CTS khác (cột gạch ngang màng PVA khơng đóng rắn) Độ bền kéo màng phối hợp CTS theo tỉ lệ khác thể Hình Ta thấy màng phối hợp với CTS cho giá trị độ bền kéo cao so với màng PVA chưa phối trộn với CTS Khi tăng hàm lượng CTS độ bền màng tăng lên sau giảm xuống Màng chứa 10% CTS có độ bền kéo cao nhất, cụ thể 78 N/mm , sau giảm cịn 59,5 N/mm tăng hàm lượng CTS lên 15% Kết phù hợp với công bố Dương Thế Hy 18 Esam A El-Hefian cộng [8] Nghiên cứu Esam A El-Hefian cho thấy, độ bền kéo CTS bé so với PVA phối hợp CTS vào PVA độ bền màng thu tăng lên đáng kể Tuy nhiên, độ bền màng giảm liên tục hàm lượng CTS màng vượt 20% 3.3 Tốc độ truyền nước Tốc độ truyền nước phản ánh khả khuếch tán phân tử nước qua màng vật liệu Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ truyền nước, bao gồm chiều dày màng, nhiệt độ, cấu trúc màng, chất vật liệu… Trong ứng dụng bảo quản, đặc biệt bảo quản dược phẩm, thực phẩm, tốc độ truyền nước thông số kỹ thuật quan trọng để lựa chọn vật liệu bảo quản Ở nghiên cứu này, tốc độ truyền nước qua màng xác định theo phương pháp ASTM E 96-95 Các màng đúc có chiều dày 0,19 ± 0,02 mm, dung dịch Mg(NO3 )2 bão hòa sử dụng để tạo mơi trường có độ ẩm tương đối 52 ± 2% 25 o C [9] Tốc độ truyền nước xác định theo công thức 2, tỷ số W/t độ dốc đường thẳng biểu diễn thay đổi khối lượng cốc theo thời gian (Hình 3) 3.4 Khả kháng khuẩn Tính chất kháng khuẩn màng thử nghiệm vi khuẩn gram dương Bacillus Subtilis Màng sử dụng đo khả kháng khuẩn chứa 5% CTS Hình cho thấy, PVA khơng đóng rắn (khơng có GA) đóng rắn GA không chứa CTS kháng khuẩn, có vịng kháng khuẩn xuất xung quanh màng có chứa CTS Như vậy, đưa CTS vào màng màng có khả kháng khuẩn gram dương Có chế kháng khuẩn đề nghị CTS Cơ chế thứ cho rằng, khả chống vi khuẩn CTS xuất phát từ chất polycationic [10] Khi có mặt acid, nhóm NH bị proton hóa, điện tích dương nhóm amino tương tác với phần mang điện âm màng tế bào vi khuẩn làm thay đổi tính chất che chắn chúng nên ngăn cản vào dưỡng chất và/ gây giảm nội bào Cơ chế thứ cho rằng, kháng khuẩn có liên quan đến việc thấm CTS khối lượng phân tử thấp vào bên tế bào, liên kết với DNA kết ức chế tổng hợp RNA protein [11] Sự xuất vòng kháng khuẩn xung quanh màng cho thấy có khuếch tán phâ n tử CTS khỏi màng Khối lượng cốc (g) 162 158 y = 0,0077x + 160,29 R² = 0,9978 y = 0,0085x + 154,59 R² = 0,9961 0% CTS 5% CTS 15% CTS 154 y = 0,0064x + 149,22 R² = 0,9988 150 0% CTS 5% CTS Hình Khả kháng khuẩn màng 146 24 74 124 Thời gian (h) 174 224 Hình Sự thay đổi khối lượng cốc theo thời gian Từ kết độ dốc thu Hình diện tích màng tính tốc độ truyền nước qua màng (Hình 4) Độ thấm nước màng PVA chứa 10% chitosan tương tự màng PVA khơng đóng rắn có đóng rắn Tuy nhiên, tăng hàm lượng chitosan màng lên 15% độ thấm nước giảm xuống Tốc độ truyền nước (g/m2.h) PVA (không có GA) 3.5 Khả phân hủy sinh học Hình thể ngoại quan mẫu sau chôn đất độ sâu 20 cm 50 ngày Nhìn mắt thường chưa thấy thay đổi ngoại quan mẫu Tuy nhiên , tất mẫu có rể bám lên Điều chứng tỏ tương thích sinh học màng, đồng thời màng nơi cung cấp dưỡng chất nước cho thực vật Sự bám rể lên màng thúc đẩy phân hủy màng nhanh Thí nghiệm cịn tiếp tục theo dõi 3,5 3 2,8 3 2,26 2,5 1,5 Hình Màng PVA khơng đóng rắn (a), đóng rắn (b) có 15% chitosan (c) sau chôn đất 50 ngày 0,5 0% CTS 5% CTS 10% CTS 15% CTS Hàm lượng chitosan màng Hình Độ thấm nước màng (cột gạch ngang màng PVA khơng đóng rắn) Kết luận Việc phối hợp CTS vào màng PVA cải thiện độ kị nước, độ bền học màng, đồng thời làm cho màng có khả ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 5.1, 2020 kháng khuẩn Độ kị nước màng polymer tăng mạnh có 5% CTS màng sau khơng tiếp tục tăng theo hàm lượng CTS Độ bền kéo tăng theo hàm lượng CTS qua cực đại Màng PVA PVA/CTS thể tương thích sinh học chơn đất Với thời gian chôn lấp 50 ngày chưa phát dấu hiệu phân hủy sinh học mắt thường TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] A K Awasthi, M Shivashankar, and S Majumder, “Plastic solid waste utilization technologies: A Review”, IOP Conf Ser Mater Sci Eng., vol 263, article number 022024, 2017 [2] I M Helander, E L Nurmiaho-Lassila, R Ahvenainen, J Rhoades, and S Roller, “Chitosan disrupts the barrier properties of the outer membrane of gram-negative bacteria”, Int J Food Microbiol., vol 71, p 235–244, 2001 [3] K Bae, E J Jun, S M Lee, D I Paik, and J B Kim, “Effect of water-soluble reduced chitosan on Streptococcus mutans, plaque regrowth and biofilm vitality”, Clin Oral Investig., vol 10, article number 102, 2006 [4] C Frech, “Green Plastics: An Introduction to the New Science of Biodegradable Plastics (Stevens, E S.)”, J Chem Educ., vol 79, article number 1072, 2002 [5] Dương Thế Hy, “Khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến trình [6] [7] [8] [9] [10] [11] 19 đóng rắn tính chất màng poly(vinyl alcohol)”, Tạp chí khoa học cơng nghệ Đại học Đà Nẵng, vol 17, p 5-8, 2019 H Srinivasan, V Kanayairam, and R Ravichandran, “Chitin and chitosan preparation from shrimp shells Penaeus monodon and its human ovarian cancer cell line, PA-1”, Int J Biol Macromol., vol 107, p 662–667, Feb 2018 [6] W Y Chuang, T H Young, C H Yao, and W Y Chiu, “Properties of the poly(vinyl alcohol)/chitosan blend and its effect on the culture of fibroblast in vitro”, Biomaterials, vol 20, p 1479– 1487, 1999 [7] E A El-Hefian, M M Nasef, and A H Yahaya, “Preparation and Characterization of Chitosan/Poly(Vinyl Alcohol) Blended Films: Mechanical, Thermal and Surface Investigations”, Journal of Chemistry, vol 8, p 91-96, 2011 K Nazan Turhan and F Şahbaz, “Water vapor permeability, tensile properties and solubility of methylcellulose-based edible films”, J Food Eng., vol 61, p 459–466, 2004 P Mayachiew, S Devahastin, B M Mackey, and K Niranjan, “Effects of drying methods and conditions on antimicrobial activity of edible chitosan films enriched with galangal extract”, Food Res Int., vol 43, p 125–132, 2010 L A Hadwiger, D F Kendra, B W Fristensky, and W Wagoner, “Chitosan Both Activates Genes in Plants and Inhibits RNA Synthesis in Fungi”, in Chitin in Nature and Technology, R Muzzarelli, C Jeuniaux, and G W Gooday, Eds Boston, MA: Springer US, 1986, p 209–214 (BBT nhận bài: 02/3/2020, hoàn tất thủ tục phản biện: 25/3/2020) ... bền học màng, đồng thời làm cho màng có khả ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 5.1, 2020 kháng khuẩn Độ kị nước màng polymer tăng mạnh có 5% CTS màng. .. chitosan đến độ trương màng Kết xác định độ trương mẫu thể 140 Độ trương bão hòa (%) 2.2 Tạo màng polymer Cho lượng PVA nước cất tính tốn để tạo dung dịch 10% PVA vào cốc thủy tinh có khuấy từ Tiến... acetic, GA với lượng tính tốn vào vào tiếp tục khuấy trộn 10 phút đổ đĩa Đối với màng có phối hợp với chitosan khơng cho acid acetic vào mà sau cho GA vào tiếp tục cho từ từ dung dịch chitosan 3% dung