tổng hợp màng composite chitosan kết hợp nanocellulose ứng dụng bảo quản thực phẩm

Tuy nhiên, khả năng hạn chế thẩm thấu hơi nước của màng có nanocellulose tăng vượt bậc, thông qua kết quả WVP WVP giảm 5,67 chất nhiệt cho thấy không có ảnh hưởng đáng kể nào của nanocel

TỔNG QUAN

Chitosan

Chitin được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1811 bởi Henri Braconnot Ông là đã tìm ra phần không tan trong kiềm từ nấm và đặt tên cho nó là “funginine” Năm 1823, Antoine Odier đã chiết xuất phần không tan trong kiềm này từ lớp biểu bì của côn trùng và đặt tên nó là “chitine”, bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp “khiton” có nghĩa là “vỏ bọc” [5]

Chitin là thành phần chính trong vỏ của nhiều loài động vật, bao gồm động vật chân đốt trên cạn (ví dụ: nhện, bọ cạp, bọ cánh cứng), động vật giáp xác biển (ví dụ: cua, tôm), nhuyễn thể (ví dụ: mực) và vi sinh vật Vỏ cua và tôm sau khi chế biến hải sản là nguồn nguyên liệu chính để sản xuất chitin Dựa trên chức năng sinh học và nguồn gốc tự nhiên, chitin được phân loại thành ba dạng cấu trúc: α-chitin, β-chitin và γ-chitin Sự phân biệt giữa các dạng này nằm ở sự sắp xếp của các chuỗi carbohydrate.

Chitosan xuất hiện bắt đầu từ năm 1894, được đặt tên bởi Hoppe – Seyler Chitosan là một loại polymer sinh học tự nhiên độc đáo, có nguồn gốc từ quá trình khử acetyl (ở các mức độ khác nhau) của chitin [9] Chitosan được bán ngoài thị trường, có dạng rắn hoặc dạng lỏng (Hình 1.1)

Hình 1 1 Hình ảnh minh họa của chitosan

Chitosan là polymer sinh học dồi dào nhất có nguồn gốc động vật [10] và là polysaccharide tự nhiên phong phú thứ hai sau cellulose [11] Năm 1950, cấu trúc của chitosan được phát hiện bằng tia X Việc xác định này đã góp phần thúc đẩy các nhà khoa học nghiên cứu về các dẫn xuất chitosan ứng dụng trong nhiều lĩnh vực từ năm

Chitin và chitosan đều là các polysaccharide tự nhiên (Hình 1.2) [12] Sự khác biệt chính giữa cấu trúc chitin và chitosan là các nhóm ở vị trí carbon C(2) Chitin gồm các đơn vị β-(1-4)-N-acetyl-D-glucosamine, chứa một nhóm amine N-acetyl ở vị trí C(2) Trong khi đó, các đơn vị chủ yếu của chitosan là β(1→4)-2-amino-D-glucose (hơn 80%) và β-(1→4)-2 acetamido-D-glucose, C(2) chỉ tương tác với một nhóm amine Chitin khử acetyl thành chitosan để tạo nhóm -NH2 có tính base, dễ tạo mạng lưới liên kết với các chất có gốc acid

Hình 1 2 Cấu trúc hóa học của (a) chitin và (b) chitosan [12]

1.1.2 Tính chất vật lý của chitosan

Chitosan có khả năng hút nước, hấp phụ chất màu, kim loại, kết dính với chất béo Chitosan cũng có khả năng tạo màng rất tốt Tính chất cơ lý của màng chitosan như độ bền kéo, độ giãn dài và độ trương nở với nước phụ thuộc nhiều vào trọng lượng phân tử và mức độ khử acetyl của chitosan Màng chitosan với mức độ khử acetyl cao có ứng suất kéo và độ giãn dài giới hạn cao hơn màng chitosan với mức độ khử acetyl thấp, tuy nhiên chúng có độ trương nở thấp hơn Đặc tính tạo màng của chitosan được coi là một trong những đặc tính quan trọng nhất của nó, đặc biệt là về mặt bảo quản thực phẩm Màng chitosan làm tăng chất lượng thực phẩm bằng cách hình thành các rào cản sau khi tạo màng Kết hợp chitosan với các polymer khác có thể cải thiện độ bền kéo và các đặc tính liên quan đến nước của màng [13] Độ bền kéo, độ giãn dài khi kéo của màng được chế tạo từ chitosan trọng lượng phân tử cao cao hơn so với màng từ chitosan trọng lượng phân tử thấp Tuy nhiên, độ thẩm thấu hơi nước của màng được chế tạo từ chitosan có trọng lượng phân tử cao thấp hơn so với màng có trọng lượng phân tử thấp [14]

Một trong những tính chất quan trọng của chitosan là độ hòa tan của nó Chitosan dễ hòa tan trong dung dịch acid loãng có giá trị pH thấp hơn 6,0, do nó có các nhóm amino chính có giá trị pKa là 6,3, khiến nó trở thành một base mạnh Sự hiện diện của các nhóm amino cho thấy pH ảnh hưởng đáng kể đến trạng thái tích điện và đặc tính của chitosan [15] Bởi vì các amin này trở nên tích điện dương và bị proton hóa ở độ pH thấp, nên chitosan là một chất đa điện phân cation hòa tan trong nước Tuy nhiên, khi độ pH tăng lên trên 6,0, các amin trong chitosan bị khử proton, polyme mất điện tích và trở nên không hòa tan Ở độ pH từ 6 đến 6,5, quá trình chuyển đổi hòa tan-không hòa tan xảy ra ở giá trị pKa Độ hòa tan của chitosan và kỹ thuật khử acetyl được sử dụng, vì giá trị pKa chủ yếu phụ thuộc vào mức độ N – acetyl hóa [16] Ở mức độ pH thấp, chitosan có thể dễ dàng tạo ra muối nitơ bậc bốn Kết quả là chitosan có thể bị hòa tan bởi các acid hữu cơ như acetic acid, formic acid và lactic acid [17] Formic acid được phát hiện là dung môi tối ưu cho chitosan, với các dung dịch được tạo ra trong hệ nước chứa 0,2

5 đến 100% formic acid [18] Dung môi được sử dụng thường xuyên nhất là acetic acid 1%, có độ pH khoảng 4,0

Khi được hòa tan trong dung dịch acid, chitosan tạo ra dung dịch nhớt Theo góc độ phân tử, độ nhớt của dung dịch chitosan là phép đo thể tích của các phân tử polymer Trọng lượng phân tử, nồng độ, pH và nhiệt độ của dung dịch chitosan đều liên quan đến độ nhớt của hỗn hợp Độ nhớt của chitosan tăng lên khi tăng mức độ khử acetyl, trọng lượng phân tử và nồng độ của nó và giảm xuống khi tăng nhiệt độ Ngoài ra, dung môi cũng ảnh hưởng đến độ nhớt [19]

Khả năng hòa tan của chitosan bị ảnh hưởng chủ yếu bởi trọng lượng phân tử và mức độ khử acetyl Khi tăng trọng lượng phân tử, một lượng lớn liên kết hydro trong và giữa các phân tử được hình thành giữa các chuỗi chitosan, làm cho các chuỗi phân tử của nó đan xen với nhau, khiến chitosan khó hòa tan hơn Với mức độ khử acetyl càng cao, trạng thái proton của nhóm amine cũng tăng trên chuỗi phân tử, dẫn đến chitosan dễ dàng hòa tan hơn Mức độ khử acetyl có thể được điều chỉnh bằng cách tiến hành quá trình khử acetyl trong dung dịch có tính base cao như natri hydroxide Tuy nhiên, chitin cần một thời gian dài để trương nở hoàn toàn trong dung môi cô đặc, do sự cản trở của mao quản trong các hạt chitin và các hiệu ứng truyển khối khuếch tán [20] Sự gia tăng mức độ khử acetyl trong khi tăng thời gian xử lý kiềm đã được xác nhận bởi Yong-Woo Cho và cộng sự [21]

Màng chitosan là vật liệu polymer phân hủy sinh học có thể bị phân hủy và đồng hóa bởi vi sinh vật hoặc chất tiết của chúng dưới tác dụng của enzyme hoặc hóa chất phân hủy trong một thời gian và điều kiện xác định Chuỗi phân tử chitosan chứa một số lượng lớn các nhóm amine hoạt động và các liên kết glycoside dễ vỡ Tốc độ phân hủy sinh học chitosan có liên quan đến trọng lượng phân tử, mức độ khử acetyl và lượng acetyl dư được tìm thấy dọc theo chuỗi của nó Vì chitosan là một polymer bán tinh thể có trạng thái kết tinh nhất định nên khả năng phân hủy sinh học và mức độ khử acetyl

6 của nó cũng phụ thuộc vào mức độ kết tinh Khi mức độ khử acetyl giảm, độ kết tinh của nó cũng giảm, dẫn đến tốc độ phân hủy sinh học tăng Do đó, chuỗi chitosan có trọng lượng phân tử thấp hơn có thể phân hủy sinh học hiệu quả hơn so với chuỗi có trọng lượng phân tử cao hơn [22]

1.1.3 Hoạt tính sinh học của chitosan

Chitosan có được biết đến và ứng dụng rộng rãi do nó có hoạt tính sinh học nổi bật như kháng oxy hóa, kháng khuẩn và kháng nấm tốt Khả năng kháng oxy hóa là một trong những tính chất được quan tâm của chitosan [23] Một mặt, chitosan nhờ sự có mặt của nhóm amino sẽ thu gom các gốc tự do hoặc góp phần tăng cường hàm lượng các chất kháng oxy hóa để làm gián đoạn chuỗi phản ứng oxy hóa do gốc tự do tạo ra Mặt khác, chitosan góp phần gia tăng hoạt lực của các enzyme kháng oxy hóa giúp chuyển hóa các hợp chất oxy hoạt động thành các hợp chất vô hại Nồng độ chitosan, trọng lượng phân tử và mức độ khử acetyl là các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng kháng oxy hóa của chitosan Chitosan với trọng lượng phân tử cao, sẽ có các liên kết hydro nội phân tử, làm suy yếu chức năng của các nhóm hydroxyl và amino, dẫn đến việc giảm khả năng kháng oxy hóa [24] Shuai Pu và cộng sự cũng đã chứng minh điều này, khả năng kháng oxy hóa của chitosan tăng lên khi nồng độ chitosan, mức độ khử acetyl tăng và trọng lượng phân tử giảm [25] So với các chất kháng oxy hóa truyền thống, chitosan có hoạt tính kháng oxy hóa tương đối thấp do không có chất cho nguyên tử hydro có thể hoạt động như một chất kháng oxy hóa phá vỡ chuỗi, và việc bổ sung liều lượng cao sẽ ảnh hưởng đến hương vị và kết cấu của thực phẩm Do đó, để đạt được hiệu quả kháng oxy hóa tối ưu, chitosan thường được kết hợp với các chất kháng oxy hóa tự nhiên khác như polyphenol trong chiết xuất và tinh dầu trong quá trình bảo quản thực phẩm

Hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm của chitosan đã thu hút sự chú ý Nhờ đó, chitosan được xem như một chất bảo quản thực phẩm tự nhiên tiềm năng [26] Chitosan thể hiện hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm, chống lại nhiều loại vi sinh vật gây bệnh và

7 gây hư hỏng, bao gồm nấm (nấm men và nấm mốc), vi khuẩn Gram dương và Gram âm [27] Khả năng kháng khuẩn, kháng nấm của chitosan chủ yếu phụ thuộc vào mức độ khử acetyl và trọng lượng phân tử Khi tăng mức độ khử acetyl và giảm trọng lượng phân tử, khả năng kháng nấm của chitosan là mạnh mẽ hơn [28] Ngoài ra, chitosan còn có khả năng chống lại vi sinh vật ở pH thấp hoặc nhiệt độ cao [29] Ở vi khuẩn Gram dương, chitosan tương tác tĩnh điện với teichoic acid tích điện âm trong peptidoglycan Ở vi khuẩn Gram âm, điện tích âm cao do lipopolysaccharide cung cấp bị vô hiệu hóa [30] Theo Qi và cộng sự, chitosan ở kích thước hạt nano có thể ức chế sự phát triển của vi khuẩn bao gồm Escherichia coli (E coli), Staphylococcus aureus (S aureus) và Salmonella choleraesuis (S choleraesuis) [31] Lou và cộng sự tuyên bố rằng dung dịch chitosan có hoạt tính kháng khuẩn cao đối với Burkholderia seminalis [32]

Một số giả thuyết đã được đề xuất để làm sáng tỏ cơ chế hoạt động kháng khuẩn của chitosan Giả thuyết đầu tiên là sự tương tác tĩnh điện giữa nhóm tích điện dương, amine được proton hóa (NH3 +) của chitosan và nhóm tích điện âm trên màng tế bào của vi khuẩn, như các nhóm phosphoryl của phospholipid, protein, amino acid và nhiều loại lipopolysaccharide khác nhau [33] Sự tương tác này đã phá vỡ tính toàn vẹn về cấu trúc và chức năng của màng vi khuẩn, hòa tan thành tế bào, giải phóng thành phần nội bào, và cuối cùng là chết tế bào Hơn nữa, sự liên kết cạnh tranh của chitosan với polyanion và các ion kim loại với bề mặt vi khuẩn có khả năng dẫn đến việc ngăn chặn sự hấp thu chất dinh dưỡng của vi khuẩn [34] Một cơ chế khả thi khác là sự tương tác của chitosan với DNA của vi sinh vật Sự tương tác này đã làm ngăn chặn quá trình tổng hợp DNA, RNA và tổng hợp protein của vi sinh vật, dẫn đến chết tế bào [35] Hơn nữa, chitosan hoạt động như một tác nhân chelate, tương tác có chọn lọc với các kim loại vi lượng thiết yếu, ngăn chặn quá trình sản sinh độc tố và sự phát triển của vi sinh vật [8]

Gelatin

Hình 1 3 Hình ảnh minh họa của gelatin

Gelatin là một polymer sinh học được điều chế bằng cách khử tự nhiên collagen bằng nhiệt Gelatin có sẵn trong da và xương động vật với sự có mặt của acid loãng Nó có dạng bột trong suốt, không màu hoặc có màu vàng nhạt và gần như không vị (Hình

1.3) Gelatin bao gồm một lượng lớn glycine, proline và 4-hydroxy proline là các amin acid (Hình 1.4) Dựa theo cấu trúc hóa học, khi phối trộn chitosan và gelatin sẽ xảy ra tương tác hóa học giữa nhóm -NH2 của chitosan và nhóm -COOH của gelatin

Hình 1 4 Cấu trúc hóa học của gelatin [12]

Gelatin thu được từ collagen có thể có tính acid hoặc base tùy thuộc vào phương pháp chiết xuất Gelatin có tính acid hoặc base đều có thể cung cấp các hoạt chất sinh học có tính acid [40]

Gelatin chủ yếu được sử dụng như một chất tạo gel trong ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm và nó tạo thành gel khi làm mát dưới 35 o C Các gel được hình thành bởi gelatin có bản chất trong suốt, đàn hồi và có thể đảo ngược nhiệt Trên

Ở nhiệt độ 35 độ C, gelatin có cấu trúc phân tử đơn lẻ, không xảy ra liên kết hydro giữa các chuỗi Tuy nhiên, ở nhiệt độ thấp hơn, gelatin chuyển sang dạng nếp gấp của collagen, cho phép tạo liên kết hydro.

Gelatin có khả năng tạo màng trong và dẻo Tính chất của màng gelatin bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ sấy Tùy thuộc vào loại gelatin, nó có thể trải qua quá trình tạo phức polyion với các tác nhân mang điện tích dương hoặc âm Gelatin rất ưa nước và có đặc tính ngăn cản khí tốt Gelatin là một loại polymer sinh học rất có giá trị cho các ứng dụng kỹ thuật mô Tuy nhiên, tính chất cơ học kém của nó đã hạn chế ứng dụng nó như một vật liệu đóng gói Việc này đã góp phần thúc đẩy các nghiên cứu để cải thiện tính chất cơ học của gelatin Màng composite shellac/gelatin đã được chuẩn bị bởi Soradech và cộng sự [41] Họ đã quan sát thấy sự tương tác bề mặt mạnh mẽ giữa shellac và gelatin do liên kết hydro giữa các nhóm carboxyl và hydroxyl của shellac và amino với nhóm carboxyl của gelatin Màng hỗn hợp shellac/gelatin cho thấy độ ẩm, năng lượng bề mặt và độ phân cực cao hơn khi hàm lượng gelatin tăng lên Những kết quả này chỉ ra rằng tính ưa nước của composite đã được cải thiện Ngoài ra, độ bền kéo và mô đun Young của màng gelatin cũng được nghiên cứu cải thiện [42]

1.2.3 Ứng dụng gelatin trong bảo quản thực phẩm

Ngoài ứng dụng trong y học, dược phẩm, nông nghiệp, gelatin cũng phổ biến trong ngành thực phẩm Nhờ khả năng tạo màng của mình, gelatin được sử dụng nhiều để đóng gói thực phẩm, đáp ứng nhu cầu bảo quản và vận chuyển sản phẩm.

Bảng 1 2 Một số nghiên cứu về màng gelatin ứng dụng trong bảo quản thực phẩm

Nguyên liệu màng Ứng dụng trong bảo quản

Màng thấm ăn được dựa trên ĸ-carrageenan, gelatin và curcumin Phi lê cá trắm cỏ He và cộng sự

Màng gelatin và tinh bột chứa chiết xuất củ cải đỏ (Raphanus sativus L.) Thịt gà và tôm

Màng gelatin có bổ sung curcumin, betanin và anthocyanin Thức ăn nhanh Etxabide và cộng sự (2021) [45]

Màng phức hợp alginate/tinh bột/gelatin có bổ sung chiết xuất bắp cải tím Thịt cừu Alves và cộng sự

Glycerol

Glycerol là rượu đường nên có vị ngọt do chứa 3 nhóm hydroxyl và có 1 nhóm -

OH làm glycerol tan trong nước Glycerol là chất lỏng có độ nhớt cao, không màu và không mùi Glycerol được tạo ra từ quá trình thủy phân chất béo và dầu, và là sản phẩm phụ của quá trình sản xuất dầu diesel sinh học Nó có thể được lấy từ mỡ động vật hoặc các nguồn thực vật như dầu cọ, dừa hoặc dầu đậu nành (Hình 1.5) [47]

Hình 1 5 Hình ảnh minh họa của glycerol

1.3.2 Ứng dụng glycerol trong màng composite

Màng composite sinh học có khả năng tạo màng nhưng cần bổ sung các chất hỗ trợ xử lý, chẳng hạn như chất hóa dẻo để tăng độ bền cơ học và khả năng ngăn cản Trong các loại chất hóa dẻo, glycerol được sử dụng phổ biến nhất Ví dụ điển hình là ứng dụng glycerol làm chất hóa dẻo cho màng chitosan/microcrystalline cellulose, màng cellulose acetate và màng tinh bột.

Nanocellulose

Cellulose là polymer tự nhiên phổ biến nhất trên thế giới Do nó có trong thành tế bào của hầu hết các loài thực vật Cellulose được tạo thành từ các phân tử glucose, đặc biệt là homopolymer của anhydroglucose Nó là vật liệu thân thiện với môi trường, đa phần không có tính chất độc hại và có khả năng phân hủy sinh học cao Do đó, cellulose được xem là lựa chọn hàng đầu trong ngành công nghiệp vật liệu sinh học ứng dụng trong các lĩnh vực như y sinh, dược phẩm, thực phẩm và bao bì

Nanocellulose là vật liệu cellulose có kích thước nano, có bề mặt riêng và độ xốp cao và có khả năng liên kết với nhau Ngoài ra, nanocellulose còn có độ cứng cao, độ dẫn điện và độc tính thấp đặc biệt là có khả năng phân hủy sinh học cao giúp bảo vệ môi trường Vì vậy mà những vật liệu như nanocellulose là một chủ đề thú vị đối với các nhà nhà nghiên cứu và các ngành công nghiệp phát triển vật liệu

Nanocellulose có thể được phân loại dựa vào nguồn gốc, phương pháp sản xuất, hình dạng, kích thước và chức năng của chúng Thông thường, tồn tại ba loại nanocellulose: nanocellulose tinh thể (CNC), nanocellulose dạng sợi (CNF) và nanocellulose vi khuẩn (BNC) Cấu trúc mỗi loại được thể hiện qua Hình 1.6 [51]

Hình 1 6 Hình ảnh của (a) CNC, (b) CNF và (c) BNC [51]

Nanocellulose tinh thể (CNC) gồm các hạt nano hình trụ, thuôn dài, kém linh hoạt và giống hình que có chiều rộng từ 3 – 50 nm, chiều dài từ 50 – 500 nm và có tỉ lệ khung hình l/d khoảng từ 1 – 70 Sự đa dạng về kích thước, tỷ lệ kết tinh và hình thái của CNC sẽ phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu cellulose và điều kiện chuẩn bị cũng như kỹ thuật phân lập thực nghiệm được sử dụng CNC có độ kết tinh từ 54 – 58%, mật độ khối từ

1,57 – 1,59 g/cm 3 và độ xốp thấp chỉ khoảng 0,01 – 0,05 cm 3 /g Độ cứng dọc trục là 105 – 168 GPa, mô đun Young là 18 – 50 GPa và độ bền kéo xấp xỉ 8 GPa Điện tích bề mặt được đánh giá qua thế zeta, rơi vào khoảng 39.61 ± 1,5 mV [51]

Nanocellulose dạng sợi (CNF) thường thu được thông qua các phương pháp phân tách cơ học, có dạng sợi, chiều rộng từ 4 – 100 nm, chiều dài khoảng 500 – 2000 μm và tỉ lệ khung hình l/d thường lớn hơn 100 Kích thước của CNF thường phụ thuộc vào các điều kiện của quá trình chuẩn bị và biến đổi hóa học của chúng Tương tự như CNC, các đặc tính cơ bản và chất lượng của CNF cũng phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu thô và quy trình khai thác cụ thể được sử dụng CNF có độ kết tinh từ 50 – 65%, mật độ khối từ 1,54 – 1,6 g/cm3 và độ xốp từ 0,1 – 0,2 cm 3 /g Độ cứng dọc trục là 30 – 40 GPa, mô đun Young từ 10 – 15 GPa và độ bền kéo khoảng 0,8 – 1 GPa Thế zeta có giá trị là - 15± 0,65 mV [51]

Nanocellulose vi khuẩn (BNC) bao gồm các sợi nano siêu mịn, tinh khiết và hình ruy băng với đường kính 20 – 100 nm, kéo dài vài micromet và có cấu trúc hóa học tương tự như cellulose trong thực vật, với công thức hóa học cơ bản là (C6H10O5)n BNC thường thu được bằng cách nuôi cấy vi khuẩn trong vài ngày, cấu trúc, hình thái và tính chất có thể được điều chỉnh bởi các điều kiện nuôi cấy như nguồn dinh dưỡng, tỷ lệ oxy, chủng vi khuẩn và thời gian ủ Khác với CNC và CNF, các đặc tính của BNC phụ thuộc vào nhiều yếu tố như điều kiện nuối cấy, loại vi sinh vật tổng hợp và chất dinh dưỡng có trong điều kiện nuôi cấy Độ kết tinh của BNC có thể đạt đến 82,5%, mô đun Young đạt

30 GPa và độ bền kéo lên đến gần 450 MPa [51]

1.4.3 Ứng dụng nanocellulose trong màng composite

Dựa vào những tính chất nổi bật, tính thân thiện với môi trường và an toàn cho cơ thể sinh vật, nanocellulose ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống Một số ngành ứng dụng nổi bật của nanocellulose có thể kể đến như ngành công nghiệp giấy, bao bì, vật liệu sinh học tiên tiến, y sinh Trong những năm gần đây, đã có một sự tăng trưởng đáng kể trong việc quan tâm đến việc sử dụng nanocellulose làm vật liệu nền polyme để tạo ra vật liệu sinh học hiệu suất cao Lý do cốt lõi cho sự hấp dẫn của nanocellulose là vật liệu có độ đồng đều cao hơn và ít khuyết tật hơn với

16 các tính chất cơ học nâng cao có thể đạt được bằng cách giảm kích thước của sợi cellulose Nó có thể được sử dụng như một chất làm gia cố để điều chế vật liệu tổng hợp với dung dịch polyme hòa tan trong nước để sửa đổi độ nhớt và tăng tính chất cơ học của vật liệu tổng hợp khô Điều quan trọng nhất là việc bổ sung nanocellulose vào các polyme có thể phân hủy sinh học, cho phép cả việc cải thiện các tính chất cơ học và tăng tốc độ phân hủy sinh học [52].

Nghiên cứu màng composite chitosan gần đây

Nghiên cứu về màng sinh học kết hợp chitosan và gelatin đang được ứng dụng rộng rãi trong bảo quản thực phẩm Năm 2022, Bertolo và cộng sự đã tối ưu hóa màng bao bì thực phẩm chitosan/gelatin sử dụng chiết xuất vỏ quả lựu Công thức tối ưu gồm 0,8% chitosan, 0,2% gelatin và 1 mg/g dịch chiết thể hiện các đặc tính vật lý và sinh học mong muốn Sự kết hợp dịch chiết mang lại nhiều lợi ích, bao gồm màu sắc thay đổi, độ hòa tan giảm, độ bền cơ học tăng, đặc tính rào cản ánh sáng cải thiện, hoạt tính chống oxy hóa và kháng khuẩn chống lại Botrytis cinerea, S aureus và S enteritidis.

Năm 2023, Tagrida và cộng sự đã nghiên cứu tính chất của màng hỗn hợp gelatin/chitosan kết hợp với dịch chiết ethanol lá trầu hoặc liposome chứa dịch chiết lá trầu Màng được nghiên cứu để ứng dụng làm túi đựng dầu tôm Màng được làm dẻo bằng các chất tạo dẻo khác nhau Các mẫu màng không có dịch chiết được dẻo hóa bằng

17 glycerol có độ bền kéo và độ giãn dài cao hơn các mẫu màng được dẻo hóa bằng polyethylene glycol Mẫu dùng glycerol có độ bền kéo 34,45 ± 1,56 MPa và độ giãn dài 5,9% ± 1,45%, còn mẫu dùng polyethylene glycol có độ bền kéo 21,59 ± 1,05 Mpa và độ giãn dài 1,29% ± 0,03% Loại chất hóa dẻo không ảnh hưởng đến hoạt tính chống oxy hóa của màng Màng có sử dụng glycerol làm chất tạo dẻo và dịch chiết không bọc trong liposome cho thấy các đặc tính tốt hơn so với các màng khác Kết quả cho thấy công thức màng này có thể được sử dụng làm bao bì hoạt tính để làm chậm quá trình oxy hóa lipid trong dầu tôm [54]

Năm 2023, Tagrida và cộng sự đã nghiên cứu đặc điểm, khả năng kháng oxy hóa và kháng khuẩn của màng gelatin cá/chitosan kết hợp với dịch chiết lá trầu (Piper betle L.) Dịch chiết lá trầu được chiết bằng dung môi ethanol, và được khảo sát ở nổng độ 0%, 1% và 2% Việc kết hợp dịch chiết lá trầu vào màng hỗn hợp gelatin/chitosan ảnh hưởng đến tính chất cơ học của chúng và làm thay đổi màu sắc của màng một chút Kết quả của nghiên cứu cho thấy sự có mặt của dịch chiết lá trầu giúp tăng độ đàn hồi, độ bền nhiệt và khả năng hàn nhiệt của màng Tuy nhiên, khả năng bịt kín giảm dần khi tăng tỷ lệ chitosan Khả năng rào cản hơi nước cùng với khả năng rào cản tia cực tím và ánh sáng khả Fkhangskiến đã được cải thiện đối với màng chứa 2% dịch chiết lá trầu Khi tăng nồng độ dịch chiết lá trầu, độ trương nở và khả năng hòa tan trong nước của màng giảm, trong khi khả năng kháng oxy hóa và kháng khuẩn tăng lên [55]

Một vài nghiên cứu trên thế giới về màng chitosan kết hợp với nanocellulose cho thấy việc kết hợp này giúp cải thiện tính chất cơ học, khả năng thẩm thấu hơi nước của màng Tuy nhiên, việc nghiên cứu màng composite chitosan/gelatin kết hợp nanocellulose còn hạn chế Ngoài ra, việc khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chitosan và nồng độ gelatin khi thêm vào màng chitosan/gelatin chưa được đánh giá chi tiết Vì vậy, đề tài nghiên cứu “Tổng hợp màng composite chitosan kết hợp nanocellulose ứng dụng bảo quản thực phẩm” đã được thực hiện

THỰC NGHIỆM

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Tổng hợp màng composite chitosan kết hợp nanocellulose ứng dụng bảo quản thực phẩm

• Nghiên cứu tổng hợp màng composite chitosan

• Đánh giá tính chất của màng composite chitosan

• Nghiên cứu ảnh hưởng của nanocellulose lên tính chất màng composite chitosan

• Tổng hợp và đánh giá ảnh hưởng của trọng lượng phân tử chitosan lên tính chất màng chitosan/gelatin

• Tổng hợp và đánh giá ảnh hưởng của nồng độ chitosan lên tính chất màng chitosan/gelatin

• Tổng hợp và đánh giá ảnh hưởng của nồng độ gelatin lên tính chất màng chitosan/gelatin

• Đánh giá ảnh hưởng của nanocellulose lên tính chất màng chitosan/gelatin.

Hóa chất, dụng cụ và thiết bị

Chitosan (C6H11O4N)n được cung cấp bởi Công ty Cổ phần Việt Nam Food, Cà Mau, Việt Nam với mức độ khử acetyl >75% Chitosan khảo sát gồm 4 loại: trọng lượng phân tử thấp (LW: 158 kDa; độ nhớt ≤150 cPs), trọng lượng phân tử trung bình (MW1:

272 kDa; độ nhớt 150-500 cPs), (MW2: 290 kDa; độ nhớt 500-1000 cPs) và trọng lượng phân tử cao (HW: 324 kDa; độ nhớt ≥1000 cPs)

Các hóa chất bao gồm: gelatin (C10H151N31O39 99,0%, Trung Quốc), glycerol (C3H8O3 99,0%, Trung Quốc), cồn tuyệt đối (C2H5OH 99,5%, Việt Nam), acetic acid (CH3COOH 99,5%, Trung Quốc), DPPH (C18H12N5O6 97%, Nhật Bản), natri hydroxide (NaOH, Trung Quốc), sulfuric acid (H2SO4, Trung Quốc).

2.2.2 Dụng cụ và thiết bị

Dụng cụ: becher, ống đong, pipet, vải lọc, phễu lọc, đĩa petri, đũa khuấy, nhiệt kế, ống ly tâm, cá từ

Thiết bị: máy khuấy từ gia nhiệt, cân phân tích, bơm chân không, tủ sấy, máy ly tâm, máy siêu âm.

Các quy trình tổng hợp

2.3.1 Quy trình tổng hợp màng chitosan/gelatin

Quy trình chế tạo màng chitosan/gelatin được tham khảo từ quy trình của Bertolo [53] và điều chỉnh cho phù hợp 1 – 2g chitosan được hòa tan trong 100ml acid acetic 1% bằng cách khuấy ở nhiệt độ 60 o C trong 1 giờ, để tạo ra dung dịch chitosan đồng nhất Sau đú, dung dịch được lọc bằng màng lọc 100àm để loại bỏ cỏc tạp chất Song song đú, dung dịch gelatin được điều chế bằng cách hòa tan 1 – 2g gelatin trong 100ml nước Dung dịch chitosan và dung dịch gelatin được khuấy trộn với nhau theo các tỷ lệ 1:1 trong 30 phút Tiếp đó, glycerol 0,3ml được thêm vào hỗn hợp 100ml, và khuấy thêm 30 phút nữa Cứ 50ml hỗn hợp thu được đổ vào một khuôn inox 12,4cm x 15,4cm và sấy ở nhiệt độ 60 o C trong 24 giờ để bay hơi, tạo màng hoàn chỉnh Màng được bóc ra khỏi khuôn inox và bảo quản trong bình hút ẩm để sử dụng tiếp (Hình 2.1)

Hình 2 1 Quy trình tổng hợp màng chitosan/gelatin

Trong môi trường axit, nhóm cacbonyl của gelatin tương tác ion với nhóm amin mang điện tích dương (NH3+) của chitosan Liên kết tĩnh điện và liên kết hydro được cho là cơ chế chính tạo nên tương tác giữa gelatin và chitosan Thêm vào đó, nhóm -OH của glycerol cũng hình thành liên kết hydro với các nhóm cacbonyl và amino có trong gelatin và chitosan.

Hình 2 2 Tương tác giữa chitosan, gelatin và glycerol [59]

Bảng 2 1 Khoảng khảo sát màng chitosan/gelatin

Trọng lượng phân tử chitosan (kDa)

0,875; 1,00 Màng composite chitosan/gelatin được tổng hợp khảo sát đơn biến: trọng lượng phân tử chitosan, nồng độ chitosan và nồng độ gelatin theo Bảng 2.1 và đánh giá tính chất thông qua các phương pháp trong Bảng 2.2 để chọn công thức phù hợp nhất

Bảng 2 2 Các phương pháp đánh giá tính chất màng chitosan/gelatin

STT Phương pháp Nội dung

1 Độ dày Phân tích đặc tính để đánh giá thêm

2 Độ đục (UV – VIS) Phân tích ngoại quan và đặc tính

3 Độ hòa tan Phân tích khả năng hòa tan

4 Độ thẩm thấu hơi nước Phân tích khả năng cản hơi nước

5 Độ bền cơ học Phân tích độ bền cơ học

2.3.2 Quy trình tổng hợp nanocellulose

Cellulose được thu hồi từ rơm rạ theo quy trình đã được nhóm nghiên cứu công bố trước đây, đạt được độ tinh khiết >90% [64] Quy trình tổng hợp nanocellulose được thể hiện ở sơ đồ khối Hình 2.3 Cellulose sau khi tẩy trắng được thủy phân trong dung dịch H2SO4 62% với tỷ lệ chất rắn: chất lỏng là 1g : 12 ml, được khuấy trộn liên tục trong khoảng nhiệt độ 40 – 42°C trong 2 giờ Sau đó, dung dịch được trung hòa, rồi pha loãng

10 lần với nước khử ion và ly tâm 5000 vòng/phút trong 3 lần, mỗi lần 20 phút Sau mỗi lần ly tâm, phần huyền phù được giữ lại Phần nổi phía trên được lọc qua màng NMO có kích thước lỗ 25 μm để loại bỏ mọi tạp chất còn lại Dịch lọc thu được dưới dạng huyền phù nanocellulose

Hình 2 3 Quy trình tổng hợp nanocellulose từ cellulose

2.3.3 Quy trình tổng hợp màng chitosan/gelatin kết hợp nanocellulose

Quy trình tổng hợp màng chitosan/gelatin kết hợp nanocellulose được mô tả trong sơ đồ khối Hình 2.4 Để đánh giá ảnh hưởng của nồng độ nanocellulose đến đặc tính màng, màng composite chitosan/gelatin đã được bổ sung nanocellulose với nồng độ 1% w/v và các đặc tính của màng đã được đánh giá như trình bày trong Bảng 2.2.

Trung hòa Pha loãng 10 lần

Hình 2 4 Quy trình tổng hợp màng chitosan/gelatin kết hợp nanocellulose

Phương pháp nghiên cứu

2.4.1 Độ dày Độ dày của màng được đo bằng thước đo độ dày Mitutoyo, Nhật Bản (Hình 2.5) với độ chia nhỏ nhất là 0,001 mm Độ dày trung bình được đánh giá với 10 điểm ngẫu nhiên của màng và xác định độ lệch chuẩn

Hình 2 5 Thước đo độ dày

2.4.2 Độ hòa tan Độ hòa tan trong nước của màng được xác định tương tự nghiên cứu của Bertolo [53] Màng được sấy khô rồi cân Sau đó, màng được ngâm trong 10 ml nước cất có khuấy trong 7 giờ ở nhiệt độ phòng Phần màng không hòa tan được sấy khô ở 105◦C trong 15 phút và cân lại Độ hòa tan trong nước được tính theo phương trình: Độ hòa tan (%) =𝑊 1 − 𝑊 2

𝑊 1 𝑥100 Trong đó: W1: khối lượng màng trước khi ngâm nước (g)

W2: khối lượng màng không tan sau khi sấy (g)

Thí nghiệm được thực hiện ba lần cho mỗi mẫu và kết quả được đưa ra bởi giá trị trung bình và độ lệch chuẩn

2.4.3 Độ đục Độ đục của màng được xác định bằng tỷ lệ giữa độ hấp thụ ở bước sóng 600 nm (máy đo quang phổ UV – VIS 754 Stech International, Trung Quốc) và độ dày của màng [53] Độ đục của màng được tính theo phương trình sau: Độ đục (𝐴 𝑚𝑚 −1 ) = 𝐴𝑏𝑠 600

𝐿 Trong đó: Abs600: giá trị độ hấp thụ ở bước sóng 600 nm

L: độ dày của màng (mm)

Các mẫu màng được cắt thành kích thước 10 x 70 mm Độ dày của các mẫu được xác định trước khi thí nghiệm Độ bền cơ học được thực hiện trên máy Testometric X350 Universal, Anh Thử nghiệm được thực hiện ở tốc độ 5 mm/phút sử dụng cảm biến tải trọng 1N Độ bền cơ học được thể hiện qua thông số độ bền kéo (N/mm 2 ) và độ giãn dài (%)

2.4.5 Độ thẩm thấu hơi nước (WVP) Độ thẩm thấu hơi nước (Water vapor permeability – WVP) của màng được tiến hành bằng phương pháp cốc nước ướt Các màng có đường kính 40 mm được đậy kín trên cốc nhựa chứa 6 ml nước cất Diện tích hình tròn hở miệng có đường kính 20 mm Nước được cân mỗi giờ trong 8 giờ ở nhiệt độ xác định và độ ẩm tương đối Độ thẩm thấu hơi nước được tính theo phương trình sau:

𝑡 𝐴 ∆𝑃 Trong đó: m: độ giảm khối lượng của cốc chứa màng (g)

L: độ dày của màng (m) t: thời gian phân tích (h)

A: diện tích màng được bịt kín trong cốc (m 2 ) ΔP: chênh lệch áp suất hơi nước trong cốc (Pa)

2.4.6 Tán xạ ánh sáng động (DLS)

Kích thước hạt, thế zeta (ZPV) và PdI của nhũ tương được phân tích bằng phương pháp tán xạ ánh sáng động (Dynamic light scattering – DLS) Máy phân tích kích thước hạt Zetasizer Nano ZS90 và máy phân tích điện thế zeta (Malvern Instruments Ltd., Malvern, Anh) đã được sử dụng để đo kích thước hạt và điện thế zeta Độ phân tán 0,5 wt% được đo ở 25°C và pH 7,0 Mỗi mẫu được quét ba lần Thiết bị tán xạ ánh sáng động được sử dụng trong bài nghiên cứu này nhằm xác định sự phân bố kích thước hạt của mẫu, điện tích bề mặt hạt

Dựa vào chuyển động Brownian và chuyển dịch Doppler Khi một chùm tia laser chiếu vào một huyền phù hạt trong chuyển động Brown, bước sóng (hoặc tần số) của ánh sáng tới bị thay đổi sau khi va vào hạt đang chuyển động, tạo ra một chuyển dịch Doppler (một lượng thay đổi nhỏ của tần số ánh sáng tán xạ so với ánh sáng không tán xạ) Sự thay đổi này sẽ được ghi nhận để đưa ra các thông tin về kích thước, phân bố, hình dạng và cấu trúc của hạt

Cấu trúc và thành phần pha tinh thể của nanocellulose được đánh giá thông qua hệ thống nhiễu xạ tia X D2 Phaser (Bruker, Đức) với bức xạ CuKα (λ = 0,154 nm), điện áp hoạt động 40 kV, dòng điện 40 mA và 2θ = 10 - 30° Chỉ số kết tinh CrI được tính bằng công thức: Chỉ số kết tinh CrI = (I002 - Iam)/I002, trong đó I002 là cường độ phản xạ mạnh nhất (phản xạ 002) và Iam là cường độ nhiễu xạ vô định hình.

CrI=[(I200 –Iam)/I200]x100 Trong đó: I200(2θ = 22,5º) vùng tinh thể

Iam (2θ = 18º) vùng vô định hình

Phương pháp phân tích (X-Ray Diffraction - XRD) là phương pháp phân tích cấu trúc chất rắn, vật liệu được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Nhiễu xạ tia X là một kỹ thuật phân tích không phá hủy mẫu, cung cấp thông tin về cấu trúc tinh thể và các thông số cấu trúc khác Nhiễu xạ tia X được sử dụng rộng rãi nhất để xác định thành phần cấu trúc vật liệu như khoáng chất hoặc các hợp chất vô cơ Xác định thành phần chất rắn chưa biết là rất quan trọng đối với các nghiên cứu về địa chất, khoa học môi trường, khoa học vật liệu, kỹ thuật và sinh học Dựa vào hiện tượng nhiễu xạ của chùm tia X trên mạng lưới tinh thể Khi bức xạ tia X tương tác với vật chất sẽ có hiệu ứng tán xạ đàn hồi với các điện tử của các nguyên từ trong vật liệu có cấu trúc tinh thể, dẫn đến hiện tượng nhiễu xạ tia X Giản đồ nhiễu xạ tia X được sử dụng trong bài nghiên cứu này để xác định phần trăm tinh thể của mẫu sau mỗi bước xử lý Chỉ số kết tinh càng cao, vùng tinh thể trong mẫu càng lớn

2.4.8 Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT – IR)

Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (Fourier transform infrared spectroscopy – FT – IR) thu được bằng cách sử dụng máy quang phổ bằng thiết bị Alpha II, Bruker, Đức với số sóng trong khoảng 500 – 4000 cm -1 Mỗi mẫu được quét 16 lần với độ phân giải phổ là 2 cm -1 Phổ hồng ngoại giúp xác định sự có mặt của các nhóm chức và các liên kết có trong hợp chất hóa học dựa trên việc đo lượng ánh sáng mà mẫu hấp thu ứng với bước sóng tương ứng Tất cả các mẫu được làm khô trong tủ sấy ở nhiệt độ 50ºC cho đến khi khối lượng không thay đổi

Máy quang phổ thế hệ mới được chế tạo theo kiểu biến đổi Fourier Các loại phổ kế này là loại tự ghi, hoạt động theo nguyên tắc như sau: chùm tia hồng ngoại phát ra từ nguồn được chia thành hai phần, một đi qua và một môi trường đo rồi được bộ tạo đơn sắc tách thành từng bức xạ có tần số khác nhau và chuyển đến đầu cảm biến Đầu cảm biến so sánh cường độ hai chùm tia và chuyển thành tín hiệu điện có cường độ tỉ lệ với

Mẫu hấp thụ 29% bức xạ chiếu đến Cường độ dòng điện rất yếu nên phải khuếch đại nhiều lần trước khi chuyển vào bộ tự ghi để tạo phổ.

2.4.9 Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM)

Hình thái học của màng bọc được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (Field Emission Scanning electron microscope FE- SEM) là S4800, Hitachi, Nhật Bản Các mẫu được đông khô và phủ một lớp màng mỏng

Pt trước khi đo Điện áp hoạt động 5 kV và độ phóng đại từ 2,00k đến 60,0k

2.4.10 Phân tích nhiệt lượng (TGA)

Phân tích nhiệt lượng (Thermogravimetric analysis – TGA) được thực hiện trên thiết bị METTLER TOLEDO 3+ Large furnace, Thụy Sĩ trong môi trường khí nitơ, ở tốc độ gia nhiệt 10°C/phút từ 30°C đến 650°C cho biết độ bền nhiệt của mẫu, khảo sát sự thay đổi trọng lượng của mẫu trong các điều kiện nhiệt độ khác nhau

Trong phân tích TGA, khối lượng mẫu được theo dõi liên tục trong khi nhiệt độ thay đổi theo thời gian Các dữ liệu về nhiệt độ, khối lượng và thời gian được thể hiện trên đồ thị với trục y biểu thị khối lượng hoặc tỷ lệ phần trăm khối lượng, và trục x biểu thị nhiệt độ hoặc thời gian Đường cong kết quả được gọi là đường cong TGA, miêu tả sự biến đổi khối lượng mẫu khi nhiệt độ thay đổi.

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Ảnh hưởng của nồng độ chitosan lên tính chất màng chitosan/gelatin

Chitosan (272 kDa) với năm nồng độ khác nhau (0,50%; 0,625%; 0,75%; 0,875% và 1,00% w/v) được phối trộn với gelatin 0,75% w/v theo tỉ lệ 1:1 và được khảo sát ảnh hưởng lên tính chất màng

Hình 3 5 Ảnh hưởng của nồng độ chitosan lên độ bền kéo và độ giãn dài của màng chitosan/gelatin

0,500 0,625 0,750 0,875 1,000 Độ giãn dài (%) Độ bền kéo (N/mm2 )

Nồng độ chitosan (% w/v) Độ bền kéo Độ giãn dài

Nồng độ chitosan ảnh hưởng đến tính chất cơ học của màng chitosan/gelatin Độ bền kéo tăng từ 9,349 N/mm2 đến 16,429 N/mm2 khi tăng nồng độ chitosan trong dung dịch đổ màng Độ giãn dài của màng dao động từ 21,909% đến 38,022% và cũng tăng theo nồng độ chitosan Độ bền kéo tăng do chitosan có tác dụng tăng liên kết giữa các phân tử polyme, trong khi độ giãn dài tăng do chitosan làm cho màng trở nên linh hoạt hơn dưới tác dụng của ứng suất cơ học.

Hình 3 6 Ảnh hưởng của nồng độ chitosan lên độ thẩm thấu hơi nước của màng chitosan/gelatin

Khi tăng nồng độ chitosan từ 0,5% w/v lên đến 1,0% w/v, WVP dao động nhẹ trong khoảng 1,35 – 1,65 x 10 -4 g/h.m.Pa (Hình 3.6) Nói chung, tốc độ truyền hơi nước phụ thuộc vào cả độ khuếch tán và độ hòa tan của các phân tử nước trong nền màng Một số yếu tố có thể ảnh hưởng đến tính thấm hơi nước của màng chitosan Những yếu tố này bao gồm trọng lượng phân tử và mức độ khử acetyl của chitosan, loại và lượng chất hóa dẻo bổ sung và các điều kiện chuẩn bị màng sẽ ảnh hưởng đến cấu trúc mạng lưới trong màng chitosan [67]

Hình 3 7 Ảnh hưởng của nồng độ chitosan lên độ hòa tan của màng chitosan/gelatin Độ hòa tan có liên quan đến tính ưa nước của vật liệu [68] Khi tăng nồng độ chitosan, màng chitosan/gelatin giảm độ hòa tan đáng kể gấp 1,88 lần từ 42,39% xuống còn 22,46% (Hình 3.7) Điều này cũng được chứng minh trong nghiên cứu Pereda, màng chỉ có gelatin có độ hòa tan trong nước (100%) cao hơn màng chỉ có chitosan (16,2%) và chitosan/gelatin kết hợp (25,2% - 25,3%) Các giá trị thu được là kết quả của sự tương

Polyme sinh học có thể tương tác với nhau qua các lực tĩnh điện, liên kết hydro Nghiên cứu đã chỉ ra rằng polyelectrolyte mang điện tích dương (ví dụ chitosan) và polyampholyte mang điện tích âm (ví dụ gelatin) có thể tạo phức hợp polyelectrolyte hòa tan thông qua tương tác liên kết ở giá trị pH hoạt động.

Bảng 3 2 Ảnh hưởng của nồng độ chitosan lên độ dày của màng chitosan/gelatin

Hình 3 8 Ảnh hưởng của nồng độ chitosan lên độ đục của màng chitosan/gelatin

Khi tăng nồng độ chitosan từ 0,5% w/v lên đến 1,0% w/v, độ dày màng dao động trong khoảng 0,030 – 0,052 mm (Bảng 3.2) Hình 3.8 thể hiện sự ảnh hưởng của nồng độ chitosan đến độ đục của màng chitosan/gelatin Độ đục của màng có dao động tăng nhẹ từ 2,296 mm -1 lên đến 3,002 mm -1 Điều này phù hợp do bản chất gelatin trong hơn chitosan, chitosan thường có màu vàng nhạt, tương tự kết quả của Pereda về độ đục của màng gelatin, màng chitosan và màng kết hợp chitosan/gelatin [66]

Qua các nghiên cứu đánh giá, mẫu có nồng độ chitosan (0,875% w/v và 1,0% w/v) cao hơn nồng độ gelatin (0,75% w/v) có tính chất tương đồng nhau, và mẫu có nồng độ chitosan thấp hơn nồng độ gelatin có tính chất tương đồng nhau Điều này cho thấy tỉ lệ chitosan và gelatin có trong màng ảnh hưởng đáng kể đến tính chất của màng.

Ảnh hưởng của nồng độ gelatin lên tính chất màng chitosan/gelatin

Chitosan (272 kDa) nồng độ 0,75% w/v được phối trộn với gelatin với năm nồng độ khác nhau (0,50%; 0,625%; 0,75%; 0,875% và 1,00% w/v) theo tỉ lệ 1:1 và được khảo sát ảnh hưởng lên tính chất màng

Hình 3.9 thể hiện sự ảnh hưởng đáng kể của nồng độ gelatin đến độ bền kéo và độ giãn dài của màng chitosan/gelatin Khi tăng nồng độ gelatin từ 0,625% w/v lên 0,75% w/v bằng nồng độ chitosan, độ bền kéo giảm mạnh gấp 1,58 lần (từ 16,904 N/mm 2 xuống còn 10,695 N/mm 2 ) và độ giãn dài cũng giảm mạnh gấp 1,41 lần (từ 32,515 % xuống còn 23,068 %) Nhìn chung, độ bền kéo và độ giãn dài giảm khi nồng độ gelatin tăng Trong màng composite, việc giảm độ bền kéo và độ giãn dài khi giảm nồng độ gelatin là do sự hiện diện của gelatin làm giảm khả năng kết tinh của chitosan trong màng, được xác nhận bởi mẫu XRD [66] Những phát hiện này cho thấy rằng trong khi màng chitosan/gelatin mềm dẻo hơn thì màng chitosan cứng giòn hơn

Hình 3 9 Ảnh hưởng của nồng độ gelatin lên độ bền kéo và độ giãn dài của màng chitosan/gelatin

Khi tăng nồng độ gelatin lên 1,0% w/v, WVP của màng chitosan/gelatin tăng lên đáng kể gấp 1,52 lần so với màng có nồng độ gelatin 0,5% w/v (Hình 3.10) Sự thay đổi WVP của màng có liên quan đến sự hiện diện của các nhóm chức năng, chẳng hạn như nhóm hydroxyl và amino trong khung cấu trúc, thường là vị trí liên kết của các phân tử nước [69]

0,500 0,625 0,750 0,875 1,000 Độ giãn dài (%) Độ bền kéo (N/mm2 )

Nồng độ gelatin (% w/v) Độ bền kéo Độ giãn dài

Hình 3 10 Ảnh hưởng của nồng độ gelatin lên độ thẩm thấu hơi nước của màng chitosan/gelatin

Hình 3 11 Ảnh hưởng của nồng độ gelatin lên độ hòa tan của màng chitosan/gelatin

41 Độ hòa tan của màng khi tăng nồng độ gelatin được thể hiện qua Hình 3.11 Việc tăng nồng độ gelatin làm tăng khả năng hòa tan của chúng trong nước Màng có nồng độ gelatin cao thì có độ hòa tan cao do tính chất ưa nước của gelatin hoặc do khả năng hòa tan của gelatin

Bảng 3 3 Ảnh hưởng của nồng độ gelatin lên độ dày của màng chitosan/gelatin

Hình 3 12 Ảnh hưởng của nồng độ gelatin lên độ đục của màng chitosan/gelatin

42 Độ dày màng dao động trong khoảng 0,028 – 0,058 mm khi tăng nồng độ gelatin từ 0,5% w/v lên đến 1,0% w/v (Bảng 3.3) Độ đục của màng chitosan/gelatin có dao động giảm nhẹ trong khoảng 2,242 - 2,826 mm -1 (Hình 3.12), ngược lại với trường hợp tăng nồng độ chitosan

Qua khảo sát các nồng độ khác nhau của chitosan và gelatin, chúng tôi đã xác định được công thức màng tối ưu với nồng độ chitosan 1,0% w/v và nồng độ gelatin 0,75% w/v Công thức này thể hiện các đặc tính vượt trội so với các công thức khác, bao gồm độ giãn dài cao (36,760%), độ bền kéo cao nhất (16,429 N/mm2) và đặc biệt là độ hòa tan thấp đáng kể (22,46%) Do đó, công thức này được lựa chọn để tiếp tục nghiên cứu đánh giá nhằm xác định các ứng dụng tiềm năng của màng.

Ảnh hưởng của nanocellulose lên tính chất màng chitosan/gelatin

Chitosan 1,0% w/v và gelatin 0,75% w/v được phối trộn theo tỉ lệ 1:1, và kết hợp với nanocellulose 1% w/v để nghiên cứu và đánh giá sự ảnh hưởng của nanocellulose lên tính chất màng

Hình 3 13 Ảnh hưởng của nanocellulose lên độ bền kéo và độ giãn dài của màng chitosan/gelatin

0 1 Độ giãn dài (%) Độ bền kéo (N/mm2 )

Nồng độ CNC (% w/v) Độ bền kéo Độ giãn dài

43 Ảnh hưởng của nanocellulose đến đặc tính cơ học của màng chitosan/gelatin được thể hiện trong Hình 3.13 Độ bền kéo và độ giãn dài của màng giảm rõ rệt khi thêm chất gia cường nanocellulose 1% w/v Độ bền kéo và độ giãn dài của màng đều giảm khi có nanocellulose, lần lượt chỉ đạt 39,4% và 42,4% so với màng không có nanocellulose Sự gia tăng giảm độ bền kéo của màng được gia cố bằng nanocellulose là do hai yếu tố như sự tương tác giữa tinh thể nano và polyme và hiệu ứng gia cố xảy ra thông qua sự truyền ứng suất ở bề mặt tiếp xúc giữa tinh thể nano và polyme [70] Độ giãn dài của màng giảm là do sự kết hợp của các tinh thể nanocellulose vào nền chitosan dẫn đến sự tương tác mạnh mẽ giữa chất độn và nền, làm hạn chế chuyển động của nền [71] Sự tương tác giữa các nhóm sunfat anion của nanocelulose với các nhóm amin cation của chitosan bị cạnh tranh bởi sự tương tác giữa các nhóm hyroxyl của gelatin với các nhóm amin cation của chitosan, do đó độ bền kéo và độ giãn dài của màng chitosan/gelatin bị giảm Nồng độ nanocellulose quá cao cũng sẽ phá vỡ sự tương tác trong ma trận màng, làm giảm tính chất cơ học của màng Mặt khác, việc thêm chất gia cường quá nhiều có thể làm tăng số lượng khuyết tật trong màng, chẳng hạn như bong bóng bị mắc kẹt trong quá trình chuẩn bị màng, dẫn đến giảm độ bền kéo và độ giãn dài Vì vậy, với sự giảm độ bền kéo rõ rệt của màng chitosan/gelatin, cần biến tính bề mặt nanocellulose trước khi thêm vào màng để đặc tính cơ học của màng tốt hơn và tối ưu hóa nồng độ nanocellulose cho vào màng

Trong khi nanocellulose gia cường tốt cho màng chitosan nhưng lại làm màng giòn hơn khi tải lượng gia cường trên 60% Theo Khan và các cộng sự, nanocellulose tối ưu cho độ bền kéo của màng chitosan nằm trong khoảng 3-5% w/w Sau đó, độ bền kéo ổn định do sự kết tụ của các hạt nanocellulose, không cải thiện thêm tính chất cơ học Màng có xu hướng giòn hơn khi nồng độ hạt gia cố tăng lên.

Với nghiên cứu về màng chỉ có gelatin, nanocellulose cũng giúp cải thiện đáng kể các đặc tính cơ học của màng (độ bền kéo 20,71 MPa và độ giãn dài 131,27%) do tương tác liên kết hydro mạnh, cấu trúc xoắn ba nhiều hơn và sự phân tán tương đối triệt để của cellulose trong màng [74]

Hình 3 14 Ảnh hưởng của nanocellulose lên độ thẩm thấu hơi nước của màng chitosan/gelatin

Tỷ lệ hấp thụ hơi ẩm (WVP) của màng chitosan/gelatin giảm đáng kể khi bổ sung 1% w/v nanocellulose vào màng, giảm 5,67 lần từ 1,59 x 10-4 g/h.m.Pa xuống còn 0,28 x 10-4 g/h.m.Pa Nanocellulose có ảnh hưởng rất tích cực đến WVP của màng, làm giảm khả năng hấp thụ nước của màng Nanocellulose kết tinh cao ít ưa nước hơn chitosan và gelatin, hình thành các tương tác chất độn - ma trận mạnh Nanocellulose hoạt động như một mạng lưới thâm nhập vào chất nền, ngăn ngừa sự trương nở, hấp thụ nước của màng khi tiếp xúc với nước.

Hình 3 15 Ảnh hưởng của nanocellulose lên độ hòa tan của màng chitosan/gelatin

Sau khi gia tăng thời gian hòa tan, màng chitosan/gelatin kết hợp với nanocellulose 1% w/v cho kết quả độ hòa tan trong nước là 20,05% ở thời điểm 7 giờ, thấp hơn so với màng không chứa nanocellulose (22,46% ở hình 3.7) Sự giảm độ hòa tan này bắt nguồn từ mạng lưới nanocellulose cản trở quá trình khuếch tán nước vào ma trận Bên cạnh đó, nhóm chức âm của nanocellulose tương tác mạnh với nhóm chức dương của chitosan.

Trong một nghiên cứu, Tessaro và cộng sự đã chứng minh sự hiện diện của nanocellulose ít ảnh hưởng đến độ hoa tan của màng gelatin, nhưng làm giảm độ hoa tan của màng chitosan và chitosan/gelatin Do ái lực của chuỗi gelatin đối với các phân tử nước cao hơn so với chuỗi chitosan Gelatin là một chất đa điện phân có điện tích chủ yếu phụ thuộc vào độ pH của dung dịch [76]

Bảng 3 4 Ảnh hưởng của nanocellulose lên độ dày của màng chitosan/gelatin

Hình ảnh mẫu màng Độ dày của màng không bị ảnh hưởng đáng kể khi bổ sung nanocellulose (Bảng

3.4) Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nanocellulose cho thấy độ bền kéo và độ giãn dài của màng giảm khi có nanocellulose, chỉ đạt 39,4% và 42,4% so với màng không có nanocellulose Tuy nhiên, khả năng hạn chế thẩm thấu hơi nước của màng có nanocellulose tăng vượt bậc, thông qua kết quả WVP WVP của màng giảm rõ rệt khi chỉ mới bổ sung nanocellulose 1% w/v vào màng, giảm 5,67 lần từ 1,59 x 10 -4 g/h.m.Pa xuống còn 0,28 x 10 -4 g/h.m.Pa.

Đánh giá bổ sung tính chất màng

Phổ hồng ngoại (FT-IR) là phương pháp phân tích mẫu bằng cách dựa vào hình dạng dải hấp thụ trong phổ, những đỉnh cụ thể có thể được gán cho các nhóm chức năng cụ thể có trong hợp chất Phổ FT-IR của các mẫu composite (chitosan, gelatin, chitosan/glycerol, gelatin/glycerol, chitosan/gelatin/glycerol) được mô tả chi tiết trong hình.

Hình 3 16 Phổ FT – IR của màng GE, GE/GLY, CS, CS/GLY, CS/GE, CS/GE/GLY và

Kết quả cho thấy phổ hồng ngoại FT-IR của các mẫu có chitosan đều có các dải dao động lớn nằm ở khoảng 3100 - 3500 cm -1 tương ứng với các dao động giãn dài của -NH và -OH Các đỉnh quan sát được ở 2924 và 2870 cm −1 là đại diện cho dao động kéo giãn của -CH2 và -CH [77] Các đỉnh đặc trưng tại 1635 cm −1 , 1555 cm −1 , 1067 cm −1 và

1020 cm −1 lần lượt là dao động kéo giãn C=O, dao động uốn cong -NH và dao động kéo giãn C-O [58], [78] Ngoài ra, chitosan/gelatin còn thể hiện đỉnh ở 1638 cm -1 và 1535 cm -1 tương ứng với nhóm chức amide I và amide II Các nhóm cacbonyl của gelatin tương tác ion với các nhóm amin tích điện trái dấu (NH3 +) của chitosan trong điều kiện acid Hơn nữa, một số lượng lớn các nhóm chức, chẳng hạn như nhóm -COOH, -NH2 và -OH trong gelatin tương tác với các nhóm -OH và -NH2 có trong chuỗi chitosan Do đó, sự tương tác giữa gelatin và chitosan được cho là tương tác tĩnh điện và liên kết hydro [56], [57] Việc bổ sung glycerol vào chitosan/gelatin cho thấy đỉnh đặc trưng ở 1031

48 cm -1 Chitosan và gelatin tương tác với glycerol thông qua việc hình thành liên kết hydro Các nhóm -OH của glycerol hình thành liên kết hydro với các nhóm carbonyl và nhóm amino có trong gelatin và chitosan [58] Khi thêm nanocellulose vào màng chitosan/gelatin có glycerol, các đỉnh của màng không bị dịch chuyển, chứng tỏ không có phản ứng hóa học giữa chitosan/gelatin/glycerol với nanocellulose, không phát sinh nhóm chức mới

Hình 3 17 Giản đồ TGA của màng CS, CS/GLY, CS/GE/GLY và CS/GE/GLY/CNC

Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) của màng chitosan, chitosan/glycerol, chitosan/gelatin/glycerol khi không có nanocellulose và khi có nanocellulose sau thử nghiệm 630 o C được thể hiện trong Hình 3.17 Sự hao hụt khối lượng sau thử nghiệm không có sự khác biệt rõ rệt giữa các mẫu Trong quá trình thử nghiệm, hai vùng giảm trọng lượng chính được quan sát Ở vùng 30°C đến 100°C, tất cả các mẫu đều có sự giảm nhẹ trọng lượng do loại bỏ nước liên quan đến các nhóm ưa nước của polyme Khối

CSCS/GLYCS/GE/GLYCS/GE/GLY/CNC

49 lượng giảm trong giai đoạn đầu tiên khoảng 10-15% Giai đoạn khối lượng giảm thứ hai xảy ra trong khoảng nhiệt độ từ 250°C đến 300°C tương ứng với quá trình phân hủy của chitosan, gelatin [58] và nanocellulose [79] Giảm trọng lượng trong vùng này là khoảng 40-55%

Hình 3 18 Hình ảnh FE-SEM của màng (a) GE, (b)CS, (c) CS/GE, (d) CS/GE/GLY và

Hình thái bề mặt màng được chụp bằng kính hiển vi điện tử quét (FE-SEM) Ảnh FE-SEM của màng chitosan/gelatin được trình bày trên Hình 3.18 Màng gelatin thuần thúy (Hình 3.18a) và màng chitosan thuần túy (Hình 3.18b) thể hiện cấu trúc vi mô đơn giản, bề mặt tương đối phẳng mịn Màng chitosan/gelatin có bổ sung thêm glycerol (Hình 3.18d) cho thấy bề mặt phẳng hơn khi không có glycerol (Hình 3.18c) Hình thái bề mặt của màng có nanocellulose cho thấy nanocellulose được phân tán đồng nhất vào nền chitosan/gelatin (Hình 3.18e)

Hình 3 19 Phổ XRD của màng chitosan/gelatin (a) không có nanocellulose và (b) có nanocellulose

Nhiễu xạ tia X (XRD) là một kỹ thuật phân tích hữu ích để xác định cấu trúc tinh thể của vật liệu Hình 3.19 minh họa các đỉnh cường độ của màng chitosan/gelatin khi có và không có nanocellulose Gelatin là vật liệu vô định hình nhất, trong khi chitosan có cấu trúc tinh thể thấp hơn Ngược lại, nanocellulose sở hữu độ kết tinh cao.

2 θ (°) không có NC có NC

[80] Màng chitosan/gelatin hiển thị đỉnh cường độ chính ở 2θ = 22,40°, trong khi màng composite có nanocelulose hiển thị đỉnh cường độ chính ở 2θ = 22,27° Đỉnh XRD của màng chứa nanocellulose có cường độ mạnh hơn và có thể kết luận rằng việc bổ sung nanocellulose vào màng chitosan/gelatin gây ra sự gia tăng độ kết tinh