Nghiên cứu, đề xuất quy trình chế tạo nhựa phân hủy sinh học từ gelatin và chitosan

Bài viết Nghiên cứu, đề xuất quy trình chế tạo nhựa phân hủy sinh học từ gelatin và chitosan được nghiên cứu với mục đích giảm thiểu tình trạng rác thải nhựa không phân hủy gây ô nhiễm môi trường và tận dụng nguồn tài nguyên tự nhiên và tái tạo thân thiện với môi trường thay cho nhựa làm từ nhiên liệu hóa thạch – nguồn tài nguyên đang dần cạn kiệt và khan hiếm.

NGHIÊN CỨU, ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH CHẾ TẠO NHỰA PHÂN HỦY SINH HỌC TỪ GELATIN VÀ CHITOSAN Đậu Hoàng Thanh Ngân1*, Nguyễn Trúc Quân1, Nguyễn Văn Tứ2, Nguyễn Đình Lộc2 Khoa Marketing & Kinh doanh quốc tế, Trường Đại học Cơng nghệ TP Hồ Chí Minh Viện Khoa học Ứng dụng, Trường Đại học Công nghệ TP Hồ Chí Minh GVHD: PGS.TS Thái Văn Nam, ThS Trịnh Trọng Nguyễn TÓM TẮT Nghiên cứu đề cập đến việc chế tạo nhựa phân hủy sinh học từ gelatin chitosan có bổ sung glycerol tạo dẻo, natri benzoat chất kháng khuẩn trình thay đổi nhựa để môi trường tự nhiên phân hủy môi trường đất Tỷ lệ phối trộn gelatin – chitosan - glycerol tối ưu tương ứng 40/50/10 có bổ sung 0,1% natri benzoat Các mẫu nhựa tạo theo quy trình có màu sắc ban đầu đẹp, mẫu nhựa trắng dai chắc, sau thời gian tuần mơi trường tự nhiên khơng có thay đổi đáng kể màu sắc, trạng thái, kích thước Trong mơi trường đất, mẫu nhựa thay đổi màu sắc (từ màu trắng chuyển sang màu ngà vàng) tự phân hủy thành mảnh nhỏ, kích thước giảm dần rõ rệt qua tuần Từ khóa: Nhựa sinh học, phân hủy sinh học, nhựa, gelatin, chitosan ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, “ô nhiễm trắng” trở thành vấn đề đáng lo ngại quốc gia giới Là 20 quốc gia có lượng rác thải lớn nhất, mơi trường tự nhiên Việt Nam đứng trước thách thức lớn Rác thải nhựa bền khó bị phân hủy, đem chơn lấp vừa tốn diện tích đất, vừa gây ô nhiễm cho đất nguồn nước Mặc dù có nhiều giải pháp khác đưa nhằm giảm thiểu tình trạng này, ví dụ như: bao bì sinh học làm từ bột sắn [4], màng phân hủy sinh học làm từ gelatin [3], nhựa PLA [5]…nhưng thực tế tồn đọng nhiều khuyết điểm độ bền sử dụng không cao, không thực phân hủy sinh học, giá thành cao, Để khắc phục vấn đề tồn nghiên cứu trước, định thực đề tài “Nghiên cứu, đề xuất quy trình chế tạo nhựa phân hủy sinh học từ Gelatin Chitosan”, với mục đích giảm thiểu tình trạng rác thải nhựa không phân hủy gây ô nhiễm môi trường tận dụng nguồn tài nguyên tự nhiên tái tạo thân thiện với môi trường thay cho nhựa làm từ nhiên liệu hóa thạch – nguồn tài nguyên dần cạn kiệt khan 549 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Vật liệu 2.1.1 Chitosan Chitosan dẫn xuất chitin sau tách nhóm acetyl nên chitosan có nhóm amino Độ deacetyl chitosan thông số quan trọng, đặc trưng cho tỉ lệ 2- acetamido-2-deoxy-D-glucopyranose với 2amino-2-deoxy-D-glucopyranose phân tử chitosan [2] Tính chất chitosan khả hút nước, khả hấp phụ chất màu, kim loại, kết dính với chất béo, kháng khuẩn, kháng nấm, mang DNA… phụ thuộc lớn vào độ deacetyl hóa Tương tự, khả kháng khuẩn, kháng nấm chitosan cao mẫu chitosan có độ deacetyl cao Cụ thể, khả kháng khuẩn tốt chitosan có độ deacetyl 90% Tuy nhiên, khả hút nước chitosan giảm tăng độ deacetyl [2] Chitosan dùng nghiên cứu cung cấp trung tâm chế biến thuộc Đại Học Thủy Sản, chiết tách từ vỏ tôm sú sau qua công đoạn khử khống HCl, khử protein deacetyl hóa NaOH đậm đặc Các tiêu chất lượng Chitosan nguyên liệu: - Màu sắc, trạng thái : trắng, dạng mảnh - Độ ẩm - Hàm lượng tro - Độ nhớt - Độ deacetyl (DD) : 95% - Độ tan 2.1.2 : 11% : 0,9% : 300 cps : 99,8% (trong axit acetic 1%) Gelatin Gelatin sản phẩm thuỷ phân phần collagen, hòa tan nước Khi thuỷ phân sâu hơn, ta thu collagen thủy phân [2] Gelatin phụ gia thực phẩm lý tưởng nhiều loại thực phẩm khơng có vị lạ với tính chất tạo nhũ tương, liên kết, ổn định tạo gel Gelatin dùng làm chất ổn định bọt sản phẩm kem, đồ tráng miệng [2] Gelatin dùng nghiên cứu sản phẩm Pháp sản xuất – phân phối Việt Nam, cơng ty hóa chất Thái Hịa – 138 Tơ Hiến Thành, Q.3, Tp Hồ Chí Minh Các tiêu chất lượng gelatin: - Màu sắc, trạng thái : màu vàng nhạt, dạng bột mịn - Độ ẩm - Độ tinh khiết - Độ hòa tan : 100% nước nóng (trên 300C) : 12% : 99% 550 2.1.3 Natri Benzoat (Sodium Benzoate) Natri benzoat: Natri benzoat có cấu trúc liên quan đến axit benzoic, cơng thức hóa học C6H5COONa; tồn dạng bột, dạng hạt có độ hịa tan nước nhiều axit benzoic nên thường sử dụng phổ biến để làm chất bảo quản thực phẩm 2.1.4 Glycerol Glycerol: (hay gọi Glycerin) loại rượu đa chức Trihydroxy Alcohol tạo gốc Hidrocacbon C3H5 nhóm -OH với cơng thức hóa học C3H5(OH)3 Glycerol chất lỏng khơng màu, khơng mùi có vị nhẹ Glycerol sử dụng rộng rãi ngành công nghiệp thực phẩm chất tạo chất giữ ẩm công thức dược phẩm Với khả tạo màng đặc tính kháng khuẩn tốt mà Chitosan thường sử dụng nghiên cứu khả tạo màng phối trộn Gelatin Một số ứng dụng Gelatin phối trộn Chitosan kể đến chế tạo màng bảo quán thực phẩm đông lạnh [1,6,] Việc két hợp Gelatin Chitosan để chế tạo nhựa phân hủy sinh học mang ý nghĩa mặt môi trường mà mang ý nghĩa mặt kinh tế Việc chế tạo thành công nhựa phân hủy sinh học với thành phần hoàn toàn từ tự nhiên đặt móng cho việc giảm thiểu tình trạng rác thải, ô nhiễm môi trường rác thải nhựa gây nên; đồng thời giải vấn đề cạn kiệt nguồn tài nguyên không tái tạo sản phẩm nhựa thơng thường có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch Ngồi ra, việc tận dụng thành phần bỏ từ động vật da, vỏ, xương… giúp giải trình trạng tải phế thải động vật mà nâng cao giá trị kinh kế chúng so với việc vứt sử dụng để làm thức ăn cho gia súc làm phân bón 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Nghiên cứu lý thuyết - Thu thập, tổng hợp phân tích đánh giá tài liệu tin cậy có liên quan đến nghiên cứu - Nghiên cứu, tham vấn chuyên môn để đưa tỉ lệ phối trộn tối ưu cho mẫu nhựa sinh học Có tổng cộng mẫu nhựa với thành phần tỉ lệ phối trộn (theo khối lượng) trình bày Bảng Mỗi mẫu phối trộn thực lặp lại lần để kiểm tra độ ổn định sản phẩm Bảng Tỉ lệ phối trộn mẫu nhựa sinh học Mẫu Nguyên liệu Tỉ lệ phối trộn Gelatin – Glycerol 70/30 Gelatin – Chitosan 60/40 551 Chất bổ sung 2.2.2 Gelatin – Chitosan – Glycerol 40/50/10 Gelatin – Chitosan – Glycerol 40/50/10 Natri benzoat 0,1% Nghiên cứu thực nghiệm Hình Quy trình chế tạo nhựa sinh học từ Gelatin – Chitosan mẫu Mô tả quy trình chế tạo mẫu nhựa Mẫu 1: Giai đoạn 1: Hòa tan 35mg bột Gelatin với nước lạnh bình thủy tinh nhiệt độ thường Giai đoạn 2: Khuấy từ từ, đồng thười gia nhiệt hỗn hợp khơng bị vón cục Giai đoạn 3: Khi hỗn hợp hóa lỏng hồn tồn thêm 15ml Glycerol 95% vào hỗn hợp, tiếp tục khuấy gia nhiệt Giai đoạn 4: Nếu muốn chất liệu suốt, phải lược bỏ hoàn toàn lớp bọt trắng Nếu khơng, giữ hỗn hợp, tạo nên lớp mềm mịn bề mặt hỗn hợp Giai đoạn 5: Đỗ hỗn hợp vào khuôn (nhôm, thủy tinh) đặt cố định (không dùng chất liệu gỗ cac-tông làm cho hỗn hợp trở nên dính làm hỏng hình dạng chất dẻo sinh học) Mẫu 2: Giai đoạn 1: Hòa tan 30mg bột Gelatin với nước lạnh bình thủy tinh nhiệt độ thường Các giai đoạn 2, 4, tương tự quy trình chế tạo nhựa sinh học theo mẫu 552 Giai đoạn 3: Khi hỗn hợp hóa lỏng hồn tồn thêm 20mg Chitosan vào hỗn hợp, tiếp tục khuấy gia nhiệt Mẫu 3: Giai đoạn 1: Hòa tan 20mg bột Gelatin với nước lạnh bình thủy tinh nhiệt độ thường Các giai đoạn 2, 4, tương tự quy trình chế tạo nhựa sinh học theo mẫu Giai đoạn 3: Khi hỗn hợp hóa lỏng hồn tồn thêm 5ml Glyxerol 95%; 25mg Chitosan với tỉ lệ thích hợp vào hỗn hợp, tiếp tục trộn làm nóng Mẫu 4: Giai đoạn 1: Hịa tan 20mg bột Gelatin với nước lạnh bình thủy tinh nhiệt độ thường Các giai đoạn 2, 4, tương tự quy trình chế tạo nhựa sinh học theo mẫu Giai đoạn 3: Khi hỗn hợp hóa lỏng hồn tồn thêm 5ml Glyxerol 95%; 25mg Chitosan Natri benzoat 0,1 % (m/v) vào hỗn hợp, tiếp tục trộn làm nóng KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Nghiên cứu xây dựng quy trình chế tạo nhựa sinh học tự hủy từ Gelatin phối trộn Chitosan Glycerol với tỉ lệ phối trộn tối ưu 40/50/10 Nghiên cứu bổ sung chất kháng khuẩn Natri benzoat 0,1% nhằm tăng cường tính kháng khuẩn nhựa sinh học từ thành phần Gelatin Chitosan Các mẫu nhựa để môi trường tự nhiên tuần quan sát, so sánh mắt thường thay đổi kích cỡ, màu sắc trạng thái vật liệu Hình Nhựa sinh học từ Gelatin – Chitosan (mẫu 4) sau tháng điều kiện môi trường tự nhiên 553 Các mẫu nhựa tạo theo quy trình (Hình 1) có màu sắc ban đầu đẹp, mẫu nhựa trắng dai Nhìn chung, sau thời gian tuần điều kiện độ ẩm tự nhiên, nhiệt độ phịng mẫu nhựa thay đổi màu sắc khơng nhiều Kích thước độ bền mẫu nhựa sau thời gian tuần chưa quan sát thấy có thay đổi đáng kể Khi để đất, mẫu nhựa sinh học thay đổi màu sắc tự phân hủy thành mảnh nhỏ, kích thước giảm dần rõ rệt qua tuần Mẫu đất sử dụng thí nghiệm đất thịt thường dùng để trồng chứa tỉ lệ 45% cát, 40% mùn, 15% sét, có hạt nhỏ, tơi xốp thống khí Các mẫu nhựa vùi đất để trời với nhiệt độ từ 300C - 350C độ ẩm khoảng 50 – 60% Hình Nhựa sinh học từ Gelatin – Chitosan (mẫu 4) sau tuần tuần để đất Qua kết phân tích rút số kết luận sau: Việc thêm Chitosan vào hỗn hợp dung dịch Gelatin tăng độ bền học khả liên kết cho nhựa sinh học Mặc dù Chitosan có đặc tính kháng khuẩn, nhiên, chúng lại dễ dàng bị phá hủy chất bảo quản hoa quả, dư lượng thuốc trừ sâu Vì việc thêm lượng nhỏ Natri benzoat nhằm khắc phục khả kháng khuẩn nhằm tạo nên mẫu nhựa sinh học hoàn thiện 554 THẢO LUẬN Qua kết nghiên cứu đánh giá sơ bộ, nhìn chung Đề tài “Nghiên cứu, đề xuất quy trình chế tạo nhựa phân hủy sinh học từ Gelatin Chitosan” bước đầu thành công việc tìm nguồn nguyên liệu thay cho loại nhựa từ nhiên liệu hóa thạch gây nhiễm môi trường Tuy nhiên, nghiên cứu dừng lại phương pháp nghiên cứu định tính (quan sát mắt thay đổi bên ngồi kích cỡ, màu sắc, trạng thái…) mẫu nhựa mà chưa sâu vào phương pháp nghiên cứu định lượng Vậy nên, để tăng tính thuyết phục hồn thiện cho nghiên cứu nói trên, cần phải trọng sử dụng phương pháp định lượng để đánh giá tiêu nhựa, cụ thể sau: - Tìm kiếm chất liên kết/chất độn… để tăng độ bền sử dụng cho nhựa - Kiểm tra, đánh giá tiêu học nhựa: độ bền kéo [4], phần trăm giãn dài đứt [4], modul Young… - Kiểm tra, đánh giá tiêu hóa lý: xác định khối lượng riêng cấu trúc phân tử kính hiển vi điện tử quét (SEM) [1], thử thay đổi kích thước nhiệt độ cao [7], kiểm tra tính kháng khuẩn [7] - Kiểm tra, đánh giá khả phân hủy sinh học nhựa môi trường đất, nước [7]… TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Hồ Khánh Hỷ cộng - Chế tạo màng chitosan/glycerol chitosan/glycerol bổ sung nanochitosan bảo quản thực phẩm cá thu - Tuyển Tập Nghiên Cứu Biển, 2016, tập 22: 48 – 58 [2] Ngô Đăng Nghĩa, Lê Minh Hùng, Hoàng Xuân Tùng (2018) - Xu hướng nghiên cứu ứng dụng polymer sinh học cơng nghiệp thực phẩm – Báo cáo phân tích xu hướng công nghệ |Trung tâm thông tin thống kê KH&CN [3] N Sudermana, M.I.N Isab, N.M Sarbon - The effect of plasticizers on the functional properties of biodegradable gelatin-based film: A review - Food Bioscience 24 (2018) 111–119 [4] Susilawati, Iis Rostini, Rusky Intan Pratama, Emma Rochima - Characterization of Bioplastic Packaging from Tapioca Flour Modified with the Addition of Chitosan and Fish Bone Gelatin - World Scientific News 135 (2019) 85-98 [5] Jiménez L1 , Mena MJ1 , Prendiz J1 , Salas L1 and Vega-Baudrit J1,2 - Polylactic Acid (PLA) as a Bioplastic and its Possible Applications in the Food Industry - J Food Sci Nutr 2019, 5: 048 DOI: 10.24966/FSN-1076/100048 [6] Lê Thị Minh Thủy Trương Thị Mộng Thu - Nghiên cứu kết hợp màng bao chitosan dịch chiết chanh (Citrus aurantiifolia) để bảo quản lạnh chả cá thác lác (Chitala Chitala) - Tập 55, Số (2019) Trang: 105-112 555 [7] Allison M Brookhart et al (2020) - A comparison of gelatin and traditional plastics – University of Massachusetts Amherst | Biomedicine/Biosystems https://icons.cns.umass.edu/innovation-portal/1417gelatin-traditional-plastics 556 ... khuẩn nhằm tạo nên mẫu nhựa sinh học hoàn thiện 554 THẢO LUẬN Qua kết nghiên cứu đánh giá sơ bộ, nhìn chung Đề tài ? ?Nghiên cứu, đề xuất quy trình chế tạo nhựa phân hủy sinh học từ Gelatin Chitosan? ??... [1,6,] Việc két hợp Gelatin Chitosan để chế tạo nhựa phân hủy sinh học mang ý nghĩa mặt mơi trường mà cịn mang ý nghĩa mặt kinh tế Việc chế tạo thành công nhựa phân hủy sinh học với thành phần... 2.2.2 Gelatin – Chitosan – Glycerol 40/50/10 Gelatin – Chitosan – Glycerol 40/50/10 Natri benzoat 0,1% Nghiên cứu thực nghiệm Hình Quy trình chế tạo nhựa sinh học từ Gelatin – Chitosan mẫu Mơ tả quy