tổng hợp màng chỉ thị ph từ cellulose vi khuẩn bằng phương pháp lên men acid acetic sử dụng dịch chiết hoa bụp giấm

Nguyên tắc chính đằng sau việc theo dõi độ tươi của thực phẩm là sự thay đổi độ pH, xảy ra trong mẫu trong quá trình thực phẩm bị hư hỏng Luchese et al, 2018.Thông thường màng thông minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NGUYỄN TẤT THÀNHKHOA KỸ THUẬT THỰC PHẨM VÀ MÔI TRƯỜNG

TỔNG HỢP MÀNG CHỈ THỊ PH TỪ CELLULOSE VIKHUẨN BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÊN MEN ACIDACETIC SỬ DỤNG DỊCH CHIẾT HOA BỤP GIẤM

Nhóm: 2

Tp.HCM, tháng 12 năm 2023

PHÂN CÔNG NHIỆM VỤ

ii

TÓM TẮT

SUMMARY

1.2.3 Chất thải nông nghiệp để sản xuất cellulose vi khuẩn 7

1.2.4 Phương pháp và điều kiện lên men 8

2.2.2 Sơ đồ nghiên cứu và bố trí thí nghiệm 10

2.2.2.1.Sơ đồ nghiên cứu 10

DANH MỤC HÌNH ẢNH, BẢNG BIỂU

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

2 Mục tiêu nghiên cứu

3 Nội dung nghiên cứu

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Màng chỉ thị pH1.1.1 Giới thiệu

Có ba loại bao bì thông minh chính bao gồm chỉ báo, vật mang dữ liệu và cảm biến Trong số các công nghệ này, kỹ thuật chỉ thị độ tươi bằng phép đo màu được sử dụng rộng rãi nhất vì phương pháp chế tạo dễ dàng, không phá hủy và chi phí thấp, tiện lợi, độ nhạy cao và kích thước nhỏ Ngoài ra, màu sắc có thể được theo dõi bằng mắt thường hoặc bằng máy đo màu (Mohammadalinejhad et al., 2020) Màng nhạy cảm với độ pH thông minh đại diện cho công nghệ mới, cung cấp khả năng giám sát độ tươi của mẫu thực phẩm theo thời gian thực Người tiêu dùng có thể sử dụng hệ thống đóng gói mới này để kiểm tra chất lượng thực phẩm theo thời gian thực thay vì thông qua các kỹ thuật phân tích truyền thống (Ezati et al., 2019, Chen et al., 2018, Li et al., 2019) Nguyên tắc chính đằng sau việc theo dõi độ tươi của thực phẩm là sự thay đổi độ pH, xảy ra trong mẫu trong quá trình thực phẩm bị hư hỏng (Luchese et al, 2018).

Thông thường màng thông minh nhạy cảm với độ pH có hai phần, sắc tố tự nhiên và chất hỗ trợ vững chắc Một số polyme tổng hợp và tự nhiên đã được sử dụng làm vật liệu hỗ trợ vững chắc cho chất màu Đối với màng thông minh, các chất màu tự nhiên khác nhau đã được sử dụng: thuốc nhuộm alizarin (Ezati et al, 2019), anthocyanin (Goodarzi et al, 2020, Luchese et al, 2018, Wang et al, 2018, De Arruda et al , 2015, Pham et al, 2019, Zhai et al, 2018), và chất curcumin (Chen et al, 2020) Anthocyanin là sắc tố tự nhiên được báo cáo rộng rãi nhất được sử dụng để chế tạo màng chỉ thị pH thông minh để theo dõi độ tươi của thực phẩm vì nó thay đổi màu sắc trong phạm vi rộng tùy theo sự thay đổi độ pH (Yun et al, 2019) Những màng thông minh đầy hứa hẹn này đã được phát triển bằng cách kết hợp anthocyanin từ các nguồn khác nhau: củ cải đỏ (Zhai et al, 2018), khoai tây tím (Li et al, 2019, Wei et al, 2017), dâu tằm (Liu et al, 2019), hoa đậu bướm (Syahirah et al, 2018), vỏ mận đen (Zhang et al, 2019) và hoa Echiumamoenum (Mohammadalinejhad et al, 2020) được sử dụng để theo dõi thời hạn sử dụng của các loại thực phẩm khác nhau.

1.1.2 Màng thông minh dựa trên các nguồn

Nhiều loại trái cây và rau quả có chứa anthocyanin trong các cơ quan thực vật, rễ, lá, thân và các loại ngũ cốc chọn lọc (Wallace và Giusti 2019; Smeriglio và cộng sự 2016; De Pascual-Teresa và Sanchez-Ballesta 2008; Lila 2004; Kong và cộng sự 2003) Trước đây, người ta đã nỗ lực rất nhiều để xác định các nguồn anthocyanin chính có thể tìm thấy trong môi trường tự nhiên (Wallace và Giusti 2019; Li và cộng sự 2012; De Pascual-Teresa và Sanchez-Ballesta 2008; Wu và cộng sự 2006) Nguồn chính cung cấp anthocyanin và nồng độ anthocyanin (mg/100 mg) được thể hiện trong Hình 1 (De PascualTeresa và Sanchez-Ballesta 2008) Nguồn anthocyanin phong phú bao gồm nho đỏ, cà tím, mâm xôi đen, mâm xôi, quả việt quất dại, acai, cam, dâu đen marion, ngô tím, rượu vang đỏ, anh đào, chokeberry, cơm cháy, nho đen và đỏ, dâu tây, lựu, v.v ( Li và cộng sự 2012; Juroszek và cộng sự 2009; Yang, Zheng và Cao 2009).

Trong số các anthocyanidin tự nhiên (cyanidin, pelargonidin, delphinidin, petunidin, peonidin và malvidin), cyanidin, delphinidin và pelargonidin là hiện diện nhiều nhất, mỗi loại chiếm 50% hoa, 69% quả và 80 % anthocyanin của lá cây Trong trái cây, cyanidin-3-glucoside là anthocyanin được biết đến nhiều nhất (Kong và cộng sự 2003) Nguồn anthocyanin của Cyanidin là cơm cháy, lê, sung, anh đào, bắp cải đỏ, táo, lý gai, v.v Nguồn anthocyanin Peonidin là xoài, anh đào, mận, quả mọng, nho, v.v Nguồn anthocyanin Pelargonidin là bắp cải đỏ, chuối, khoai lang, dâu tây , v.v Nguồn anthocyanin của Petunidin và malvidin là nho đỏ, quả việt quất, v.v Nguồn anthocyanin của Delphinidin là cà rốt tím, đậu xanh, lựu, cà tím, v.v (Khoo và cộng sự 2017; Smeriglio và cộng sự 2016; De Pascual-Teresa và Sanchez-Ballesta 2008)

1.1.2.2.Polysacarit

Polysacarit có nhiều ưu điểm so với các polyme sinh học khác vì chúng tạo thành mạng lưới gắn kết với các polyme khác thông qua tương tác cộng hóa trị hoặc không cộng hóa trị (Rhim, Park và Ha 2013) Nói chung, glycerol hoặc polyethylen glycol có thể được sử dụng làm chất làm dẻo, và axit lactic và axit axetic có thể được sử dụng để điều chỉnh độ pH Màng dựa trên polysacarit cũng cho phép tạo ra một rào cản hiệu

quả đối với sự thẩm thấu khí để giảm sự thất thoát hơi hữu cơ trong quá trình bảo quản hoặc ngăn chặn sự xâm nhập của dung môi vào thực phẩm, từ đó làm giảm sự suy giảm chất lượng và do đó cải thiện thời hạn sử dụng của thực phẩm ăn liền

Ngoài ra, màng dựa trên polysaccharides có đặc tính cơ học tuyệt vời (độ bền kéo) tương đương với màng dựa trên polyme tổng hợp Hầu hết các polysacarit đều tương thích với các chất phụ gia khác nhau, bao gồm cả sắc tố anthocyanin, rất hữu ích để tăng cường chức năng của màng dựa trên polysacarit.

1.1.2.3.Chitosan

Trong số các polyme sinh học dựa trên polysacarit, chitosan nhận được nhiều sự chú ý nhất do tính phong phú, khả năng tương thích sinh học, khả năng phân hủy sinh học và các đặc tính chức năng như hoạt động kháng khuẩn và chống oxy hóa (Roy và Rhim 2020c; Roy, Văn Hải và cộng sự 2020; Yong, Wang , Bai và cộng sự 2019; Kurek và cộng sự 2018) Chitosan là một polysacarit cation được tạo ra bằng cách khử acetyl chitin trong kiềm, đây là loại polymer sinh học có nhiều nhất sau cellulose (Yong, Wang, Bai và cộng sự 2019; Kurek và cộng sự 2018) Ngoài các đặc tính chức năng, chitosan còn có nhiều ưu điểm khi dùng làm ma trận polyme đóng gói như đặc tính tạo màng tuyệt vời, đặc tính cơ học và rào cản, v.v (Halasz và Csoka 2018; Yoshida et al 2014).

Gần đây, nhiều loại màng nhạy cảm với pH thông minh dựa trên chitosan đã được phát triển Họ phát hiện ra rằng việc bổ sung chiết xuất đã tăng cường đặc tính cơ học, rào cản hơi nước và chặn tia UV của màng composite dựa trên chitosan mà không làm mất đi độ trong suốt của màng Họ phát hiện ra rằng các tính chất cơ học (độ bền kéo và độ giãn dài khi đứt) được cải thiện đáng kể ở màng composite dựa trên chitosan, nhưng tính ưa nước giảm đáng kể.

Yoshida và cộng sự (2014) đã mô tả màng thông minh dựa trên chitosan sử dụng anthocyanin phân lập từ nho Họ nhận thấy độ hòa tan trong nước và tốc độ truyền hơi nước của màng bổ sung anthocyanin giảm đáng kể, trong khi tính chất cơ học của màng không thay đổi đáng kể so với màng chitosan đối chứng Họ cũng quan sát thấy sự thay đổi rõ ràng và đáng chú ý về màu sắc của màng chitosan từ màu hồng trong môi trường axit, xanh lục nhạt trong điều kiện trung tính và tím trong điều kiện cơ bản.

Trong một báo cáo khác, Kurek et al (2018) đã mô tả chiết xuất từ bã quả việt quất và quả mâm xôi có bổ sung màng chỉ thị pH dựa trên chitosan Quan trọng nhất, sự thay đổi màu sắc độc đáo và đặc biệt đã được nhìn thấy ở khoảng pH từ 4–7 Ngoài ra, người ta nhận thấy rằng việc bổ sung sắc tố đã cải thiện hoạt động chống oxy hóa mà không làm thay đổi đáng kể tính thấm khí oxy và tính chất cơ học, nhưng tính thấm hơi nước lại tăng lên đôi chút Zhang, Zou và cộng sự (2019) đã chế tạo màng chỉ thị màu thông minh dựa trên chitosan trộn với chiết xuất vỏ mận đen làm nguồn cung cấp anthocyanin và các hạt nano titan dioxide làm chất độn nano Họ phát hiện ra rằng màng composite thể hiện đặc tính cản hơi nước và hiệu suất cơ học được nâng cao so với màng chitosan nguyên chất Họ cũng phát hiện ra rằng màng composite được bổ sung anthocyanin và chất độn nano có độ nhạy pH tốt cũng như các hoạt động loại bỏ gốc tự do, loại bỏ ethylene và kháng khuẩn.

Pirsa và cộng sự (2020) đã báo cáo về việc điều chế màng chỉ thị màu thông minh dựa trên tinh chất chitosan/Melissa officinalis/chiết xuất vỏ lựu Họ cho thấy rằng việc bổ sung chiết xuất vỏ quả lựu làm giảm sự mất độ ẩm, giảm tính thấm hơi nước, tăng độ bền kéo nhưng làm giảm độ giãn dài khi đứt Họ cũng cho thấy màu của màng phát triển chuyển từ đỏ sang xanh khi độ pH thay đổi từ 2 đến 5.

1.1.2.4.Tinh bột

Tinh bột cũng đã được sử dụng trong sản xuất màng chỉ thị thay đổi màu do tính không độc hại, khả năng tương thích sinh học, khả năng tái sản xuất, khả năng phân hủy sinh học, tính sẵn có và khả năng tạo màng tốt (Andretta và cộng sự 2019; Prietto và cộng sự 2017; Zhai và cộng sự 2017) ) Các đặc tính bên trong và cấu trúc của tinh bột phụ thuộc chủ yếu vào các nguồn như sắn, lúa mì, ngô, gạo và khoai tây Những loại tinh bột này có thể được chuyển hóa thành vật liệu nhựa nhiệt dẻo khi có mặt chất hóa dẻo để tạo ra màng dẻo và trong suốt Màng làm từ tinh bột thường có đặc tính ổn định cơ học và nhiệt thấp (Luchese, Abdalla và cộng sự 2018; Luchese, Garrido và cộng sự 2018; Prietto và cộng sự 2017).

Người ta biết rằng việc bổ sung các polyme sinh học khác, chẳng hạn như PVA, agar, cellulose, v.v., sẽ cải thiện các tính chất của màng dựa trên tinh bột như độ nhạy ẩm, tính chất cơ học và nhiệt (Mehdizadeh et al 2020; Jayakumar et al 2019;

Gutierrez và Alvarez 2018; Prietto và cộng sự 2017; Zhai và cộng sự 2017) Màng bao bì thông minh làm từ bột ngô với bắp cải đỏ và anthocyanin đậu đen đã được Prietto et al (2017) Màu sắc của màng thay đổi từ hồng sang tím và xanh tùy thuộc vào độ pH và độ ổn định màu của màng bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ và độ sáng Họ cũng quan sát thấy độ bền kéo của màng composite thông minh làm từ bột ngô giảm khi bổ sung anthocyanin đậu đen; tuy nhiên, việc bổ sung anthocyanin bắp cải đỏ không làm thay đổi tính chất cơ học Tần và cộng sự (2020) sản xuất màng bao bì thông minh sử dụng tinh bột sắn và Lycium ruthenicum Murr anthocyanin (LRA) Việc bổ sung LRA cải thiện đáng kể độ bền kéo, khả năng chặn ánh sáng nhìn thấy tia cực tím và các đặc tính chống oxy hóa tùy thuộc vào hàm lượng LRA Lucehse và cộng sự (2018) đã báo cáo về việc dư lượng quả việt quất đã bổ sung màng dựa trên tinh bột sắn và họ tuyên bố rằng việc bổ sung sắc tố màu làm cho màng kém linh hoạt hơn với đặc tính kéo và khả năng thấm hơi nước giảm Cùng tác giả (Luchese, Abdalla, et al 2018) cũng báo cáo về việc điều chế anthocyanin từ bã việt quất có bổ sung màng dựa trên tinh bột sắn Họ phát hiện ra rằng việc bổ sung sắc tố anthocyanin giúp cải thiện đặc tính rào cản tia UV của màng, điều này chủ yếu là do sự tồn tại của các hợp chất thơm trong bã quả việt quất Họ cũng phát hiện ra rằng các hợp chất hoạt động của màng được giải phóng trong môi trường axit axetic Gutierrez và Alvarez (2018) đã báo cáo về việc tạo ra màng thông minh dựa trên tinh bột ngô bằng cách trộn chiết xuất quả việt quất và đất sét nano bằng công nghệ ép đùn.

Ở đây, chiết xuất quả việt quất đóng vai trò là chất làm dẻo để tăng tính linh hoạt của màng với khả năng chịu nhiệt giảm Tuy nhiên, màng composite ép đùn không thể hiện đặc tính phản ứng với pH, điều này có thể là do sự phân hủy nhiệt của sắc tố trong quá trình ép đùn Đây là một hạn chế đối với việc sản xuất quy trình xử lý mở rộng các màng nhạy cảm với độ pH thông minh sử dụng chất màu tự nhiên cho các ứng dụng đóng gói thực phẩm Andretta và cộng sự (2019) đã chế tạo màng phản ứng pH được sản xuất từ tinh bột sắn và bã quả việt quất bằng phương pháp ép đùn Họ phát hiện ra rằng các tính chất cơ học, tính thấm hơi nước và tính ưa nước không thay đổi so với màng tinh bột nguyên chất, nhưng cặn việt quất không được phân bố đồng nhất trong ma trận polyme tinh bột.

1.1.3 Ứng dụng của màng chỉ thị

Trong số các công nghệ khác nhau được phát triển để theo dõi độ tươi của các mẫu thực phẩm, phương pháp đo màu đã thu hút được sự chú ý đáng kể vì sự thay đổi màu sắc của màng chỉ thị có thể được kiểm tra bằng mắt thường hoặc bằng cách sử dụng các thông số màu (L, a và bvalues) (Goodarzi et al ., 2020) (Ezati et al, 2019) Một số nỗ lực đã được thực hiện để phát triển màng chỉ thị dựa trên các polyme sinh học và sắc tố tự nhiên khác nhau Quy trình phổ biến để theo dõi độ tươi bao gồm việc cố định màng trên khoảng trống phía trên bao bì và theo dõi màu sắc của màng trong các khoảng thời gian cố định (Moradi et al, 2019) (Chen et al, 2018).

Gần như tất cả các nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện trong lĩnh vực này đều nhằm mục đích tìm ra sự kết hợp chính xác giữa sắc tố tự nhiên và chất nền polyme Trong số các polyme sinh học, tinh bột là lựa chọn tốt hơn làm chất nền do đặc tính tạo màng tuyệt vời của nó Màng đo màu dựa trên tinh bột/rượu Polyvinyl kết hợp với sắc tố anthocyanin chiết xuất từ bụp giấm được phát triển làm màng chỉ thị độ tươi để theo dõi mức độ tươi của cá Các màng chứa nồng độ sắc tố anthocyanin khác nhau (30, 60,120 mg) đã được chế tạo và người ta thấy rằng màng có hàm lượng anthocyanin cao sẽ mất nhiều thời gian để chuyển màu, trong khi màng so màu có hàm lượng anthocyanin cực thấp sẽ cho màu sắc kém mặc dù tốc độ chuyển màu nhanh thay đổi màu sắc (Xiaodong et al, 2017).

Andratta et al cố định sắc tố anthocyanin chiết xuất từ quả việt quất bằng cách kết hợp sắc tố trong tinh bột sắn và phân tích độ ẩm, độ hòa tan trong nước, độ thấm hơi nước, độ thấm oxy, hình thái, màu sắc và tính chất cơ học của màng Sự thay đổi màu sắc chứng tỏ tiềm năng sử dụng màng chiết xuất tinh bột/quả việt quất làm chỉ báo để theo dõi độ tươi của sản phẩm thực phẩm (Andretta et al, 2019) Đối với các sản phẩm thực phẩm nhật ký, sự suy giảm chất lượng do vi sinh vật và hóa học trong quá trình hư hỏng thường đi kèm với sự thay đổi độ pH Anthocyanin chiết xuất từ cà rốt được sử dụng kết hợp với tinh bột để theo dõi độ tươi của sữa Màng chỉ thị so màu được phát triển bằng cách cố định anthocyanin có nguồn gốc từ cà rốt cho thấy độ ổn định màu sắc tuyệt vời và sự thay đổi màu sắc rõ ràng theo hàm số của độ pH (Goodarzi et al, 2020).

1.2 Màng cellulose từ vi khuẩn1.2.1 Khái niệm

Vào năm 1886 Brown đã báo cáo một loại cellulose do vi khuẩn sản xuất, thường được gọi là cellulose vi khuẩn (cellulose vi khuẩn) [1] Các loại vi khuẩn tạo ra cellulose nói chung là gram âm, hiếu khí hoàn toàn (cần oxy), không quang hợp và có thể tìm thấy trong giấm, trái cây và rau quả hoặc đồ uống có cồn [2], [3] Ngoài việc cung cấp oxy, những vi khuẩn này cần chất hữu cơ, tức là nguồn carbon có thể thu được từ các nguyên liệu thô khác nhau như chất thải từ trái cây, rau hoặc lignocellulose và các chất dinh dưỡng khác như nitơ, sắt, kẽm và vitamin [4].

Cellulose vi khuẩn, cũng như cellulose thực vật, là một polysaccharide tuyến tính bao gồm các monome β-d-glucopyranose được liên kết bởi các liên kết β-1,4 glycosid, tạo thành các phân tử cellobiose Không giống như cellulose thực vật, cellulose vi khuẩn được tổng hợp một cách tinh khiết, không chứa các phân tử thực vật khác như lignin, hemicellulose hoặc pectin, cấu trúc mạng siêu mịn, khả năng phân hủy sinh học cao, độ bền cơ học mạnh và mức độ trùng hợp và kết tinh cao[5] Độ tinh khiết của cellulose vi khuẩn là một lợi thế so với cellulose thực vật vì nó không yêu cầu quá trình chiết xuất và tinh chế tốn kém cũng như không sử dụng các hóa chất độc hại với môi trường[6].

1.2.2 Cấu trúc

Cellulose vi khuẩn có hai loại cấu trúc: có trật tự và không có trật tự Các loại bị rối loạn chủ yếu hình thành các sợi mịn ở bề mặt vi sợi bị rối loạn, trong khi các loại có trật tự hầu hết trong suốt Cấu trúc cellulose vi khuẩn thay đổi tùy thuộc vào loại vi khuẩn [7] Thông qua quá trình ngoại bào, Komagataeibacter xylinum có thể tạo ra một hạt ngoại bào bao gồm các mảng Ngược lại, cấu trúc cellulose vi khuẩn của các sợi nhỏ hoặc sợi ngắn được tạo ra bởi Achromobacter, Aerobacter, Alcaligenes hoặc Agrobacteria và Rhibozium Cellulose vi khuẩn do Sarcina sản xuất được biết là có cấu trúc cellulose vô định hình[7]