Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật hóa học: Nghiên cứu ứng dụng nanocellulose có nguồn gốc từ rơm vào màng bọc thực phẩm

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN THỊ HẢI YẾN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NANOCELLULOSE CÓ NGUỒN GỐC TỪ RƠM

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Thị Kim Phụng

PGS TS Lê Anh Kiên (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS Trần Phước Nhật Uyên

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS Hà Cẩm Anh

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 17 tháng 7 năm 2023

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1 Chủ tịch: PGS.TS Nguyễn Thị Phương Phong

2 Phản biện 1: TS Trần Phước Nhật Uyên 3 Phản biện 2: TS Hà Cẩm Anh

4 Ủy viên: TS Trần Tấn Việt 5 Ủy viên, thư kí: TS Lê Vũ Hà

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Thị Hải Yến MSHV: 2170759 Ngày, tháng, năm sinh: 08/04/1998 Nơi sinh : Hải Dương Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã số : 8520301

I TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu ứng dụng nanocellulose có nguồn gốc từ rơm vào màng bọc thực phẩm (Application of nanocellulose from rice straw in food packaging)

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :

- Nội dung 1: Nghiên cứu, khảo sát, đánh giá và so sánh ảnh hưởng của nanocellulose làm chất độn trong màng CS và PVA

- Nội dung 2: Nghiên cứu, khảo sát, đánh giá và so sánh ảnh hưởng của nanocellulose làm chất nhũ hóa trong nhũ tương Pickering tinh dầu sả chanh và nhũ tương Pickering tinh dầu quế

- Nội dung 3: Tối ưu hóa quy hoạch thực nghiệm quy trình chế tạo hệ nhũ Pickering tinh dầu ổn định bằng nanocellulose và kiểm tra độ phù hợp của mô hình

- Nội dung 4: Nghiên cứu, khảo sát và đánh giá ứng dụng bảo quản trái cây của màng PVA mang nhũ tương tinh dầu quế

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 09/2022

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06/2023

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS Lê Thị Kim Phụng – PGS.TS Lê Anh Kiên

Tp HCM, ngày 30 tháng 06 năm 2023

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

(Họ tên và chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN (Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

(Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, em xin được gửi lời cảm ơn tới tất cả quý thầy cô của trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP.HCM nói chung và các thầy cô khoa Kỹ thuật Hóa học nói riêng Thầy cô chính là nguồn tri thức dồi dào, cũng chính là những người truyền cảm hứng và động lực giúp em vững bước trên con đường học tập

Em xin dành lời cảm ơn đặc biệt đến cô PGS.TS Lê Thị Kim Phụng và thầy PGS.TS Lê Anh Kiên Thầy cô chính là người đã trực tiếp định hướng, hướng dẫn và giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình học tập cũng như làm luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Những lời khuyên, những tri thức thầy cô truyền đạt là những bài học quý giá nhất với em, là hành trang vững chắc cho em trong sự nghiệp nghiên cứu sau này

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thành viên của Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ Lọc hóa dầu – RPTC, đặc biệt là bạn Lý Bội Tuyền, đã hỗ trợ em hết mình trong quá trình làm luận văn thạc sĩ

Em xin gửi lời cảm ơn thân tình tới người thân, anh chị em đồng nghiệp và bạn bè đã ở bên cạnh, vừa là nguồn động viên tinh thần, vừa là giúp đỡ em trong quá trình hoàn thành việc học cao học

Cuối cùng, em xin gửi tới toàn thể các thầy cô lời chúc dồi dào sức khỏe, vững trí bền tâm để dìu dắt những chuyến đò sang sông thành công!

TÓM TẮT

Nguồn rơm rạ dồi dào ở nước ta với hàm lượng cellulose cao chính là nguồn nguyên liệu tiềm năng để tổng hợp nanocellulose với các ứng dụng ngày càng được mở rộng Nghiên cứu này đề cập tới ứng dụng của nanocellulose trong màng bọc thực phẩm, bao gồm ứng dụng làm chất độn trong nhựa và tạo hệ nhũ Pickering thêm vào góp phần bổ sung hoạt tính sinh học của màng Qua so sánh ảnh hưởng của nanocellulose đến màng Polyvinylancol và màng Chitosan cho thấy ảnh hưởng của nanocellulose lên Polyvinylancol rõ rệt và hiệu quả hơn Ở nồng độ 4% nanocellulose, màng thu được cải thiện 57,65% độ bền kéo, WVP giảm 32,4% so với màng PVA ban đầu

Nghiên cứu hệ nhũ Pickeing để thêm vào màng, nanocellulose ổn định hệ nhũ tương Pickering tinh dầu sả chanh và tinh dầu quế trong nước bằng phương pháp siêu âm, từ đó so sánh ảnh hưởng của nanocellulose tới hoạt chất kháng khuẩn, kháng nấm và kháng oxy hóa của hệ Ở thí nghiệm đơn biến, cả hai hệ nhũ đều có điều kiện tạo mẫu tốt nhất giống nhau: 15% tinh dầu; 0,8% nanocellulose và 16 phút siêu âm Cả 2 hệ nhũ Pickering tinh dầu đều cho thấy hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm và kháng oxy hóa cao

Hệ nhũ Pickering tinh dầu quế có hoạt tính cao hơn nên được lựa chọn để tối đa hóa quy trình tạo nhũ, thực hiện quy hoạch thực nghiệm với hàm mục tiêu là PdI nằm trong khoảng 0,129 đến 0,5 và kích thước hạt nhũ nằm trong khoảng 0,643μm đến 1μm Các yếu tố ảnh hưởng gồm nồng độ tinh dầu, nồng độ nanocellulose trong huyền phù và thời gian siêu âm, từ đó thu được mô hình của quá trình và được chứng minh phù hợp với thực nghiệm với mẫu tối ưu tại điều kiện nồng độ tinh dầu trong nước 11,54%; nồng độ nanocellulose trong huyền phù 0,83% và 6 lần siêu âm, tương ứng với 12 phút siêu âm Kết quả thu được kích thước giọt nhũ là 0,693μm với PdI đạt 0,236, nằm trong khoảng sai số 5% so với dự đoán của phần mềm chứng minh mô hình bài toán đặt ra phù hợp với thực nghiệm, có thể áp dụng vào việc mở rộng quy mô cho quá trình

Nghiên cứu báo cáo về ảnh hưởng của nanocellulose và nhũ tương Pickering tinh dầu quế ổn định bằng nanocellulose lên màng phân hủy sinh học Phương pháp thêm tinh dầu quế vào màng dưới dạng nhũ tương Pickering đã làm giảm thiểu đáng kể hiệu ứng tiêu cực của tinh dầu lên màng Đồng thời, giúp màng có khả năng kháng khuẩn đạt 92,4%, kháng hoàn toàn tia UVC và 42,7% gốc tự do DPPH Hơn nữa, màng thu được bảo quản được dâu trong vòng 21 ngày mà không bị mốc, hỏng

ABSTRACT

The abundant source of rice straw in our country with a cellulose content of about 28-43% is a potential source of raw materials for the synthesis of nanocellulose With outstanding features such as thermal stability, high mechanical strength, biodegradation and environmental friendliness, the applications of nanocellulose are increasingly expanding This study deals with the application of nanocellulose in food packaging, including its application as a filler in plastics and creating an additional Pickering emulsion that contributes to the bioactivity of the film By comparing the effect of nanocellulose on Polyvinylancol film and Chitosan film, the effect of nanocellulose on Polyvinylancol is more pronounced and effective At the concentration of 4% nanocellulose, the film obtained improved 57.65% tensile strength, WVP decreased 32.4% compared to the original PVA film

Studying the Pickeing emulsion system to add to the film, nanocellulose stabilized the Pickering emulsion system of lemongrass essential oil and cinnamon essential oil in water by ultrasonic method, thereby comparing the effects of nanocellulose on antibacterial, antifungal and system's antioxidant capacity In univariate experiment, both emulsion systems had the same best modeling conditions: 15% essential oil; 0.8% nanocellulose and 16 min of sonication Both essential oil Pickering emulsions showed high antibacterial, antifungal and antioxidant activities Pickering emulsion system with higher activity of cinnamon essential oil should be selected to maximize the emulsification process, implementing the experimental plan with the objective function of PdI in the range of 0.129 to 0.5 and the emulsion particle size in the range of 0.129 to 0.5 in the range of 0.643μm to 1μm The influencing factors include concentration of essential oil, concentration of nanocellulose in suspension and sonication time, from which a model of the process was obtained and proved to be experimentally consistent with the optimal sample at concentration conditions domestic essential oil 11.535%; nanocellulose concentration in the suspension 0.83% and 6 times of sonication, corresponding to 12 min of sonication The results obtained were 0.693μm with a PdI of 0.236, within an

error of 5% compared to the prediction of the software, proving that the problem model is in agreement with the experiment and can be applied to the analysis scale up the process

The study reports on the effect of nanocellulose and a Pickering emulsion of cinnamon essential oil stabilized with nanocellulose on biodegradable films The method of adding cinnamon essential oil to the film as a Pickering emulsion significantly minimized the negative effect of the essential oil on the membrane At the same time, the membrane has antibacterial ability of 92.4%, completely resistant to UVC rays and 42.7% of DPPH free radicals Moreover, the obtained film can be preserved for 21 days without mold or spoilage

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là Nguyễn Thị Hải Yến, mã số học viên 2170759 Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình nghiên cứu của tôi, có sự hỗ trợ từ Giáo viên hướng dẫn là PGS.TS Lê Thị Kim Phụng và PGS.TS Lê Anh Kiên Các nội dung nghiên cứu và kết quả trong đề tài này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nghiên cứu nào trước đây

Nếu phát hiện có bất kỳ sự gian lận nào tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước Hội đồng cũng như kết quả luận văn của mình

Người cam đoan

Nguyễn Thị Hải Yến

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ i

LỜI CẢM ƠN ii

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu 16

2.1.2 Mục tiêu nghiên cứu 16

2.1.3 Nội dung nghiên cứu 16

2.3.2 Quy trình ổn định hệ nhũ Pickering tinh dầu bằng nanocellulose 18

2.3.3 Quy trình tạo màng chứa nanocellulose 19

2.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT VẬT LIỆU 20

2.4.1 Phương pháp tối ưu hóa và quy hoạch thực nghiệm 20

2.4.2 Các phương pháp xác định tính chất vật liệu 21

2.5 Nội dung nghiên cứu 26

2.5.1 Nghiên cứu, khảo sát và đánh giá ứng dụng của nanocellulose làm chất nhũ hóa trong nhũ tương Pickering tinh dầu sả chanh và tinh dầu quế 26

2.5.2 Tối ưu hóa quy hoạch thực nghiệm quy trình siêu âm nhũ tương Pickering tinh dầu quế và kiểm tra độ phù hợp của mô hình 27

2.5.3 Nghiên cứu, khảo sát và đánh giá ứng dụng của nanocellulose làm chất độn trong màng CS và màng PVA 28

2.5.4 Nghiên cứu, khảo sát và đánh giá ứng dụng của hệ nhũ Pickering tinh dầu quế ổn định bằng nanocellulose trong màng PVA 29

2.5.5 Bảo quản hoa quả bằng màng đã chế tạo được 30

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 31

3.1 TÍNH CHẤT CỦA NANOCELLULOSE TINH THỂ TỪ NGUỒN RƠM

RẠ 31

3.2 ẢNH HƯỞNG CỦA NANOCELLULOSE TINH THỂ TỚI TÍNH CHẤT HỆ NHŨ PICKERING TINH DẦU 32

3.2.1 Khảo sát đơn biến 32

3.2.2 Hình thái bề mặt của hệ nhũ tương Pickering tinh dầu ổn định bằng nanocellulose 37

3.2.3 Phân tích thành phần nhóm chức 38

3.2.4 Hoạt tính kháng khuẩn, kháng nấm in vitro của hệ nhũ tương Pickering tinh dầu ổn định bằng nanocellulose 39

3.2.5 Khả năng kháng oxy hóa – DPPH 42

3.3 KẾT QUẢ TỐI ƯU HÓA QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM QUY TRÌNH SIÊU ÂM NHŨ TƯƠNG PICKERING TINH DẦU QUẾ VÀ KIỂM TRA ĐỘ PHÙ HỢP CỦA MÔ HÌNH 43

3.3.1 Tối ưu hóa quy hoạch thực nghiệm 43

3.5 ẢNH HƯỞNG CỦA HỆ NHŨ PICKERING TINH DẦU QUẾ ỔN ĐỊNH BẰNG NANOCELLULOSE TINH THỂ TỚI TÍNH CHẤT CỦA MÀNG

3.5.4 Độ thẩm thấu hơi nước 60

3.5.5 Độ truyền qua của màng 61

3.5.6 Khả năng giải phóng tinh dầu 61

3.5.7 Khả năng kháng khuẩn, kháng nấm 62

3.5.8 Khả năng kháng oxy hóa – DPPH 62

3.6 THÍ NGHIỆM BẢO QUẢN HOA QUẢ 63

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66

LEO Lemongrass essential oil Tinh dầu sả chanh PE-LEO Pickering emulsion lemongrass

essential oil

Hệ nhũ Pickering tinh dầu sả chanh

CEO Cinnamon essential oil Tinh dầu quế

A.alternata Alternaria alternata Nấm Alternaria alternata B.cinerea Botrytis cinerea Nấm Botrytis cinerea

DLS Dynamic light scattering Tán xạ ánh sáng động

SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét

DPPH 1,1-diphenyl-2-picrylhydrazyl picrylhydrazyl FTIR Fourier transform infrared

Nhiệt trọng trường vi sai

WVP Water vapor permeability Độ thẩm thấu hơi nước

DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1-1: Thủy phân axit sợi cellulose tạo CNC [8] 3

Hình 1-2: Quá trình cơ học phân cắt các sợi cellulose thành CNF [8] 4

Hình 1-3: Tỷ lệ khung hình ảnh hưởng tới mô đun ứng suất của màng chứa CNC [18] 5

Hình 2-6: Kính hiển vi điện tử truyền qua Prisma E 24

Hình 2-7: Thiết bị nhiễu xạ tia X D2 Phaser, Bruker 24

Hình 2-8: Máy quang phổ UV-Vis 754 STECH INTERNATIONAL 24

Hình 2-9: Thiết bị đo FTIR 24

Hình 2-10: Máy Testometric X350 (Anh) 24

Hình 2-11: Thiết bị đo TGA-DSC 24

Hình 3-1: Hình ảnh SEM của CNC tổng hợp được 31

Hình 3-2: Độ bền nhiệt của CNC tổng hợp được 31

Hình 3-3: Phổ FTIR của CNC tổng hợp được 32

Hình 3-9: Ảnh SEM của PE.LEO.16 (a) và PE.CEO.16 (b) 38

Hình 3-10: Phổ FTIR của LEO, CEO, CNC, PE-LEO.16 và PE-CEO.16 39

Hình 3-11: Đường kính vòng kháng khuẩn của PE-LEO và PE-CEO kháng lại E coli (a), P aeruginosa (b), E faecalis (c), S aureus (d), MRSA (e) 40

Hình 3-12: Đường kính vòng kháng khuẩn của LEO kháng lại E coli (a), P aeruginosa (b), E faecalis (c), S aureus (d), MRSA (e) 40

Hình 3-13: Đường kính vòng kháng khuẩn của CEO kháng lại E coli (a), P aeruginosa (b), E faecalis (c), S aureus (d), MRSA (e) 40

Hình 3-14: Phân bố kết quả thực nghiệm so với tính toán của kích thước giọt 45

Hình 3-15: Phân bố kết quả thực nghiệm so với tính toán của PdI 46

Hình 3-16: Đồ thị bề mặt đáp ứng biểu diễn tương tác của: nồng độ CNC và tỉ lệ tinh dầu (a), thời gian siêu âm và tỉ lệ tinh dầu (b), thời gian siêu âm và nồng độ CNC (c) đến kích thước giọt nhũ 48

Hình 3-17: Đồ thị bề mặt đáp ứng biểu diễn tương tác của: nồng độ CNC và tỉ lệ tinh dầu (a), thời gian siêu âm và tỉ lệ tinh dầu (b), thời gian siêu âm và nồng độ CNC (c) đến giá trị PdI 49

Hình 3-18: Giản đồ TGA (PVA-CNC) (a), DTG (PVA-CNC) (b), TGA CNC) (c), DTG (CS-CNC) (d) 52

(CS-Hình 3-19: Phổ FTIR của PVA-CNC (a), CS-CNC (b) 53

Hình 3-20: Độ bền kéo và độ giãn dài của PVA-CNC (a), CS-CNC (b) 54

Hình 3-21: Độ thẩm thấu hơi nước của PVA-CNC (a), CS-CNC (b) 55

Hình 3-22: Cơ chế giúp CNC làm giảm WVP của PVA [119] 56

Hình 3-23: Giản đồ TGA (a), DTG (b) của màng PVA-CEO 57

Hình 3-24: Phổ FTIR của màng PVA-CEO 58

Hình 3-25: Độ bền cơ học của màng PVA CEO 5 so với màng PVA, PVA2 58

Hình 3-26: Hình thái bề mặt màng PVA (a), PVA 2 (b), PVA CEO 5 (c) 60

Hình 3-27: Độ thẩm thấu hơi nước của màng PVA-CEO 60

Hình 3-28: Độ truyền qua của màng PVA CEO 60

Hình 3-29: Khả năng giải phóng tinh dầu của màng trong môi trường 10%

etanol và 50% etanol 62

Hình 3-30: Khả năng kháng oxy hóa của màng PVA-CEO 63

Hình 3-31: Độ giảm khối lượng qua từng ngày của dâu 65

Hình 0-1: Đường chuẩn độ hấp thu theo nồng độ tinh dầu quế 76

Hình 0-2: Đường chuẩn khả năng kháng oxy hóa theo nồng độ CEO 76

Hình 0-3: Đường chuẩn khả năng kháng oxy hóa theo nồng độ của CEO 77

DPPH/PE-Hình 0-4: Đường chuẩn khả năng kháng oxy hóa tinh dầu sả chanh 77

Hình 0-5: Đường chuẩn khả năng kháng oxy hóa PE-LEO 78

Hình 0-6: Hình ảnh thực tế của hệ nhũ Pickering tinh dầu trong thí nghiệm thay đổi nồng độ tinh dầu sau 30 ngày để ổn định: PE-LEO (a) và PE-CEO (b) 78

Hình 0-7: Hình ảnh màng chế tạo được 79

Bảng 3-1: PdI của nhũ tương PE-LEO theo % LEO 33

Bảng 3-2: PdI của nhũ tương PE-CEO theo %CEO 33

Bảng 3-3: PdI của nhũ tương PE-LEO theo %CNC trong huyền phù 35

Bảng 3-4: PdI của nhũ tương PE-CEO theo %CNC trong huyền phù 35

Bảng 3-5: PdI của nhũ tương PE-LEO theo thời gian siêu âm 37

Bảng 3-6: PdI của nhũ tương PE-CEO theo thời gian siêu âm 37

Bảng 3-7: Định tính kháng khuẩn của tinh dầu và nhũ tương 39

Bảng 3-8: Giá trị MIC của PE-CEO, PE-LEO, CEO và LEO kháng lại 7 loại vi khuẩn, vi nấm 41

Bảng 3-9: Khả năng kháng oxy hóa (IC50) 43

Bảng 3-10: Bảng mã hóa và giá trị các biến khảo sát 43

Bảng 3-11: Bảng ma trận mã hóa thí nghiệm và kết quả thực nghiệm 44

Bảng 3-12: Kết quả phân tích hồi quy theo mô hình đa thức bậc hai cho kích thước giọt nhũ 46

Bảng 3-13: Kết quả phân tích hồi quy theo mô hình đa thức bậc hai cho giá trị PdI 47

Bảng 3-14: Điều kiện tối ưu của quy trình 50

Bảng 3-15: Kết quả thí nghiệm lặp lại mẫu tối ưu 50

Bảng 3-16: Độ truyền qua của màng PVA và CS tại bước sóng 280nm và 600nm 56

Bảng 3-17: So sánh độ bền cơ học của màng tổng hợp được với một số màng thông dụng khác 59

Bảng 3-18:Kết quả xác định mật độ E.coli sau khi tiếp xúc với màng trong 24 giờ 62

Bảng 3-19: Bảng theo dõi các mẫu dâu theo thời gian 64

MỞ ĐẦU

Màng bọc thực phẩm là vật dụng cần thiết đối với mỗi gia đình, yêu cầu sự an toàn cao vì ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người Thay vì sử dụng các màng thực phẩm từ nguồn nguyên liệu polymer tổng hợp, con người đang dần quan tâm nhiều hơn tới màng bọc thực phẩm có nguồn gốc sinh học Nanocellulose (NC) là một vật liệu nano tự nhiên được chiết xuất từ tế bào thực vật với các đặc tính hấp dẫn như độ bền tốt, độ cứng lớn và diện tích bề mặt cao Ngoài ra, cấu trúc nanocellulose chứa nhiều nhóm hydroxyl có thể biến đổi bề mặt Từ đó, NC được ứng dụng vào trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: y sinh, vật liệu compozit, dệt may, tạo màng, … Việt Nam không chỉ là một nước nông nghiệp phát triển mà còn là nước xuất khẩu gạo đứng thứ hai thế giới Việc thu hoạch sản phẩm nông nghiệp đã và đang phát thải ra một lượng lớn sinh khối Lượng sinh khối này chứa lượng lớn cellulose, tuy nhiên, vẫn chưa thực sự được xử lý đúng cách Phần lớn sinh khối được đốt ngay khu vực thu hoạch và tạo ra rất nhiều các khí nhà kính và bụi mịn, gây ô nhiễm không khí và nguồn nước, làm ảnh hưởng tới đời sống của sinh vật và con người Mặt khác, các phụ phẩm từ nông nghiệp này vẫn có thể được sử dụng ứng dụng vào những lĩnh vực khác như phân bón, dệt may, …

Do đó, việc tận dụng các nguồn phụ phẩm nông nghiệp dồi dào làm nguyên liệu cho sản xuất màng bọc thực phẩm chứa CNC là cấp thiết và phù hợp với xu

hướng tổng hợp vật liệu thân thiện với môi trường Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng

nanocellulose có nguồn gốc từ rơm vào màng bọc thực phẩm” xây dựng quy trình

ứng dụng NC vào màng bọc thực phẩm hiệu quả

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 PHỤ PHẨM RƠM RẠ

1.1.1 Tình hình phụ phẩm rơm rạ tại Việt Nam

Lúa là cây trồng chủ lực trong sản xuất trồng trọt ở Việt Nam Theo Bộ Nông nghiệp và phát triển nông thôn, hàng năm, nước ta có khoảng 45 triệu tấn rơm khô, phần lớn tới từ Đồng bằng sông Cửu Long, nơi đang cung cấp hơn 90% lượng gạo xuất khẩu của cả nước [1] Với khối lượng này, nếu không quản lý và sử dụng tốt sẽ gây nên một sự lãng phí Theo tính toán của các chuyên gia nông nghiệp và môi trường, con số lãng phí hằng năm có thể lên tới vài trăm nghìn tỉ đồng Bên cạnh đó, lượng phế phụ phẩm này không sử dụng đúng mục đích có thể gây ô nhiễm môi trường (đất, không khí và nước) do hoạt động vùi lấp yếm khí, xử lý bừa bãi hay đốt bỏ

Hiện nay, một số giải pháp cho việc quản lý và sử dụng hiệu quả rơm rạ đã được đưa vào sử dụng như: hạn chế hoặc cấm đốt rơm rạ, xử lý rơm rạ bằng chế phẩm sinh học để tạo phân hữu cơ, đốt yếm khí làm biochar bón cho lúa, làm thức ăn gia súc, trồng nấm,… [2]

1.1.2 Thành phần hóa học rơm rạ

Thành phần hóa học của rơm rạ gồm cellulose (56,2%), lignin (9,2%), hemi cellulose (7,0%) và các thành phần khác như pectins, lipids, proteins, đường, axit hữu cơ [3] Nhưng khi rơm rạ bị đốt cháy, thành phần C,H,O sẽ biến thành khí CO2, CO và hơi nước; protein bị phân hủy và biến thành các khí NO2, NO3, SO2…[4]

Nguồn sinh khối dồi dào của rơm rạ hứa hẹn rất nhiều ứng dụng hữu ích cho cuộc sống con người Trong luận văn này, học viên sử dụng nguồn cellulose từ rơm rạ để nghiên cứu ứng dụng làm chất nhũ hóa và chất gia cường

1.2 VẬT LIỆU NANOCELLULOSE

1.2.1 Giới thiệu nanocellulose

Cellulose bao gồm các vùng có trật tự cao (cấu trúc tinh thể) và vùng mất trật tự (cấu trúc vô định hình) với những vai trò khác nhau: vùng kết tinh tạo độ cứng và

độ bền cho cellulose, vùng vô định hình giúp cellulose có tính linh hoạt Nanocellulose được chiết xuất từ cellulose, có khả năng phân hủy sinh học, khối lượng riêng thấp và sức bền lớn [5] Nanocellulose (NC) được phân thành ba loại chính: nano cellulose tinh thể (crystalline nanocellulose – CNC), sợi nanocellulose (cellulose nanofibers – CNF) và nano cellulose vi khuẩn (bacterial nanocellulose – BNC) Cả ba loại đều giống nhau về thành phần hóa học nhưng khác nhau về hình thái, kích thước, độ kết tinh và một số tính chất do sự khác biệt về nguồn gốc và phương pháp chiết xuất [5, 6]

Trong khi CNF được tạo ra từ phương pháp cơ học, BNC được tổng hợp từ dưới lên, CNC thường được tổng hợp bằng cách thủy phân axit cellulose [7] CNC có dạng que ngắn, đường kính 2-20 nm và chiều dài 100-500 nm với độ kết tinh cao, khoảng 54-88% [5, 6, 8] Hình I-1 cho thấy tổng hợp CNC bằng sợi cellulose bằng cách thủy phân axit, phần kết tinh vẫn được giữ nguyên, trong khi phần vô định hình bị loại bỏ [5, 9] CNFs là sợi dài, linh hoạt, được chiết xuất từ cellulose bằng phương pháp cơ học với đường kính 1-100 nm và chiều dài 500-2000 nm [10] CNF chứa cả phần tinh thể và phần vô định hình So với CNC, CNF có tỷ lệ khung hình cao (chiều dài so với đường kính), diện tích bề mặt cao, và nhiều nhóm hydroxyl [6] Hình I-2 thể hiện quá trình cơ học phân cắt các sợi cellulose thành CNF [8] BNC được sản xuất từ việc tạo ra các loại đường có trọng lượng phân tử thấp bởi vi khuẩn chủ yếu là Gluconacetobacter xylinus trong vài ngày đến hai tuần [10, 11] Vì vậy, BNC luôn ở dạng tinh khiết, không bị lẫn các thành phần khác như lignin, hemicellulose, pectin BNC có đường kính trung bình 20-100 nm

Hình 1-1: Thủy phân axit sợi cellulose tạo CNC [8]

Hình 1-2: Quá trình cơ học phân cắt các sợi cellulose thành CNF [8]

1.2.2 Tính chất của nanocellulose

1.2.2.1 Độ bền nhiệt

Độ bền nhiệt là một thông số quan trọng khi đánh giá ứng dụng của vật liệu nano trong các lĩnh vực như bao bì và thuốc Nhiệt độ phân hủy của NC vào khoảng 200 - 300oC, vì vậy, trong quá trình sản xuất, nhiệt độ của các hỗn hợp chứa NC phải được kiểm soát dưới 200oC để tránh sự phân hủy NC [12] Phân hủy nhiệt của nanocomposite thông thường được chia làm 2 giai đoạn chính: loại bỏ hơi nước và quá trình de-polyme hóa Giai đoạn đầu, các chất dễ bay hơi như nước được loại bỏ, nước được hấp thụ bởi các nanocellulose ưu nước có thể gây ra sự phân hủy polyme thông qua quá trình thủy phân, dẫn tới suy giảm tính ổn định nhiệt [13] Nguồn nanocellulose khác nhau, loại chất nền, phương pháp chế tạo và quá trình sấy khô có thể ảnh hưởng tới độ bền nhiệt của nanocomposite Sự gia tăng của các nhóm sulfat sau quá trình thủy phân và độ kết tinh giảm của NC có thể làm giảm tính ổn định nhiệt của vật liệu [14]

Giai đoạn thứ hai chiếm tỉ lệ giảm trọng lượng lớn nhất, quyết định tính ổn định nhiệt của vật liệu Độ ổn định của vật liệu bị ảnh hưởng rất nhiều bởi liên kết liên phân tử giữa NC và ma trận chất nền polyme [15]

1.2.2.2 Tỉ lệ khung hình

Tỷ lệ khung hình là tỷ lệ giữa chiều dài và kích thước, xác định sự hình thành pha dị hướng và các đặc tính gia cố Các hạt nano hình thành mạng lưới vững chắc thông qua liên kết hydro, tạo hiệu ứng gia cố cho vật liệu, phụ thuộc lớn vào tỷ lệ khung hình của hạt nano [16] Các thử nghiệm kéo cũng cho thấy màng chứa huyền

phù CNC có mô đun ứng suất tăng khi tăng tỷ lệ khung hình (Hình 1-3) Đối với

CNC, tỷ lệ khung hình dễ xác định hơn CNF, phụ thuộc vào cả nguồn cellulose và điều kiện thủy phân Tỷ lệ khung hình thay đổi trong khoảng 10 đối với cotton, 67 đối với tunicin hoặc capim dourado (cỏ vàng) và có thể cao hơn 100 đối với vỏ đậu nành [17]

Hình 1-3: Tỷ lệ khung hình ảnh hưởng tới mô đun ứng suất của màng chứa CNC [18]

1.2.2.3 Độ bền cơ học

Mô đun kéo của cellulose đơn tinh thể đã được ước tính ở cả thực nghiệm và lý thuyết, nằm trong khoảng từ 56 đến 220 GPa, với độ bền kéo khoảng 10 GPa CNF với độ kết tinh thấp hơn dẫn tới mô đun thấp hơn, trung bình khoảng 100 GPa [19] Cellulose đơn tinh thể với mật độ khoảng 1,5 – 1,6 g/cm3, là vật liệu khá nhẹ Mô đun kéo riêng phần, là tỷ lệ giữa mô đun kéo và mật độ, vào khoảng 85 J/gvới CNC, 65 J/g với CNF, cao hơn nhiều so với thép, khoảng 25 J/g [7]

1.2.2.4 Tính chất bề mặt và khả năng tương thích bề mặt của nanocellulose trong chất nền

Nanocellulose có khả năng phân tán tốt trong một số dung môi phân cực mạnh, nhất là nước, do tương tác của các nhóm hydroxyl trên bề mặt [20] Bên cạnh đó, các liên kết hydro giữa các nanocellulose vẫn tồn tại, gây ra kết tụ cục bộ Một số biện pháp vật lý như pha loãng, siêu âm, đồng hóa có thể làm suy yếu các liên kết hydro, giúp hỗ trợ phân tán nanocellulose [21] Mặt khác, vì ưa nước nên nanocellulose khó phân tán trong các môi trường kỵ nước như các dung môi phân cực thấp hoặc không

phân cực, hay phần lớn chất nền polyme Biến tính bề mặt là phương pháp phù hợp để cải thiện khả năng tương thích cũng như độ phân tán của nanocellulose [22]

Mật độ điện tích bề mặt là yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới khả năng phân tán của nanocellulose Thế Zeta của huyền phù CNC thủy phân bởi axit clohydric chỉ khoảng -10mV trong khi thủy phân có chứa axit sunfuric đạt -43,8mV [23, 24] Sự có mặt của nhóm sunfat dẫn tới việc nanocellulose phân tán trong nước tốt hơn Thủy phân cellulose với axit clorosulfonic cũng có hiệu ứng tương tự, tuy nhiên độ kết tinh và ổn định nhiệt của nanocellulose bị giảm [25]

1.2.3 Ứng dụng của nanocellulose như chất nhũ hóa trong hệ nhũ Pickering tinh dầu trong nước

Tinh dầu (essential oils - EOs) được thu hút rộng rãi nhờ khả năng kháng nấm, kháng khuẩn, kháng nấm và kháng oxy hóa hiệu quả [26] Hàm lượng và thành phần của các hợp chất có hoạt tính sinh học trong EOs rất đa dạng và phụ thuộc vào nguồn gốc của EOs [27] Tuy nhiên, EOs có một số nhược điểm như: năng lượng bề mặt thấp, độ bay hơi cao và rất nhạy cảm với quá trình oxy hóa, ánh sáng và phân hủy nhiệt [28] Hơn nữa, bản chất kị nước của EO cũng hạn chế ứng dụng của chúng, đặc biệt là đối với thực phẩm và dược phẩm [29]

Bằng cách sử dụng các hạt rắn (kim loại, oxit, hạt dị hướng, v.v.) làm chất ổn định, nhũ tương Pickering (Pickering emulsion – PE) ổn định các giọt dầu trong nước

bằng cơ chế tĩnh điện và không gian (Hình 1-4) [30] Đầu tiên, các hạt tạo thành một

màng dày đặc xung quanh các giọt dầu (hoặc nước đối với nhũ tương nước trong dầu) ngăn chúng kết hợp với nhau thông qua lực đẩy không gian Tiếp theo, mạng lưới ba chiều các hạt rắn có thể hình thành trong pha liên tục xung quanh các giọt, ức chế sự chuyển động của các giọt, tạo thành mạng lưới 3D [31] Phương pháp ổn định này làm giảm kích thước giọt và tránh sự kết tụ của các giọt và được chế tạo bằng cách sử dụng năng lượng, chẳng hạn như đồng hóa, siêu âm và các phương pháp khác [32] Các hạt rắn làm chất ổn định cho nhũ tương Pickering cần phải có những tính chất như sau: (i) thấm ướt một phần, không bị tan trong cả pha phân tán và pha liên tục; (ii) điện tích bề mặt của hạt không quá lớn; (iii) kích thước hạt nên nhỏ hơn nhiều so với kích thước nhũ tương mong muốn

Tính chất nhũ tương Pickering được hình thành bởi các hạt rắn bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau: loại hạt rắn, nồng độ hạt, nồng độ dầu, pH và cường độ ion [33] Nguồn gốc và nồng độ hạt rắn liên quan tới việc hình thành và ổn định hạt nhũ Pickering: kích thước giọt giảm khi tăng nồng độ hạt rắn vì càng có nhiều diện tích giọt được bao bọc, tạo thành cấu trúc mạng 3D trong pha liên tục, ngăn chặn sự chuyển động của giọt và kết tụ Nếu nồng độ hạt rắn không đổi, kích thước giọt dầu có xu hướng tăng Điều này là tiếp xúc dầu-nước tăng lên, diện tích bề mặt cần bao phủ tăng, mặt khác, các giọt dầu trong nhũ tương đặc có xu hướng di chuyển về gần nhau hơn, khiến các giọt dầu dễ hợp nhất với nhau tạo hạt nhũ có kích thước lớn hơn Độ pH và cường độ ion ảnh hưởng tới tương tác tĩnh điện trong nhũ tương Pickering Điện thế bề mặt giọt dầu giảm khi cường độ ion tăng lên do hiệu ứng sàng lọc tĩnh điện Sự yếu đi của lực đẩy giữa các giọt nhỏ có thể dẫn tới sự kết tụ thành các hạt lớn hơn [34] Kích thước giọt nhũ ảnh hưởng đến tính ổn định và tính chất hóa lý của nhũ tương Pickering: thông thường, giảm kích thước giọt nhũ dẫn đến cải thiện tính ổn định lưu trữ và tăng độ nhớt của nhũ tương

Các thông số chính liên quan sự hình thành nhũ tương Pickering là: (i) sức căng bề mặt của nhũ tương, (ii) kích thước hạt nhũ và (iii) thuộc tính thấm ướt bề mặt của hạt rắn Nếu nhũ tương ổn định bằng hạt rắn đơn lớp, các hạt rắn có góc tiếp xúc 15° < θ < 90° phù hợp với nhũ tương dầu trong nước (Oil/Water – O/W), trong khi các hạt có góc tiếp xúc trong khoảng 90° < θ < 165° phù hợp với nhũ tương nước trong dầu (Water/Oil – W/O) [35] Sự đảo pha của nhũ tương Pickering từ dạng O/W sang W/O có thể diễn ra khi biến tính bề mặt hạt rắn Pha nhũ tương có thể biến đổi bằng chất hoạt động bề mặt cation alkyl ammonium didecyldimethylammonium bromide (DMAB) và cetyltrimethyl-ammonium bromide (CTAB) [36] Theo chiều tăng DMAB cho thấy sự đảo ngược pha kép từ O/W sang W/O và quay lại O/W Nếu nhũ tương được ổn định bằng nhiều lớp hạt rắn, 15° < θ < 129,3° ứng với nhũ tương O/W, 50,7° < θ < 165° ứng với nhũ tương W/O

Hình 1-4: Bản chất của hệ PE CEO [37]

Trong số các chất ổn định rắn khác nhau, NC là vật liệu tiềm năng trong ổn định nhũ tương Pickering nhờ kích thước nano, tính lưỡng tính và các đặc tính thuận lợi khác như tính ổn định hóa học, khả năng phân hủy sinh học [38]

Nhũ tương Pickering O/W ổn định bằng BNC được đặc trưng và đánh giá bởi kích thước giọt trung bình với khả năng chống kết tụ khi nồng độ BNC cao hơn 2g/L [39] Trong khi đó, đối với CNC thu được từ quá trình thủy phân bằng axit sunfuric, hàm lượng mật độ điện tích bề mặt càng cao thì nhũ tương Pickering càng ổn định [40] Mật độ điện tích bề mặt, dị hình tinh thể khác nhau dẫn tới tính ưa nước và hình thái của CNC khác nhau, ảnh hưởng tới khả năng ổn định nhũ tương Pickering [41] Nếu CNC ổn định hệ nhũ tương Pickering bằng cơ chế tĩnh điện, dựa trên các hạt cứng với tỉ lệ cấu hình thấp và lực đẩy giọt dầu thì CNF ổn định hệ nhũ tương Pickering bằng cơ chế không gian dựa trên sự hình thành mạng lưới ba chiều [42] Tuy nhiên, sợi quá dài cũng hình thành rối và gây tụ các giọt lại ở nồng độ nhũ tương cao [20]

1.2.3.1 Tổng quan về hệ nhũ Pickering tinh dầu sả chanh ổn định bằng nanocellulose

Tinh dầu sả chanh (Cymbopogon citratus), (Lemongrass essential oil – LEO)

chứa một lượng đáng kể các chất có hoạt tính sinh học, chẳng hạn như citral (hỗn hợp của geranial và neral), isoneral, isogeranial, geraniol, … Các thành phần này mang lại các tác dụng dược lý khác nhau cho LEO, bao gồm các đặc tính kháng nấm, kháng khuẩn, kháng nấm, chống ung thư và chống oxy hóa Các nhóm chức khác nhau thể hiện khả năng kháng khuẩn khác nhau, trong đó phenol và andehit có hoạt tính cao nhất, este và hydrocacbon có hoạt tính thấp nhất [43] Hoạt tính kháng khuẩn của LEO chủ yếu là do andehit trong citral [44]

LEO có hiệu quả trong việc phân hủy vi khuẩn, vì LEO gây độc tế bào và gây ra tác dụng độc hại trong màng tế bào và tế bào chất, dẫn đến suy thoái tế bào, mất enzym, phá vỡ lớp kép phospholipid và ức chế hoạt động di truyền [45] Vốn dĩ, tác dụng kháng khuẩn của LEO hiệu quả đối với vi khuẩn Gram dương hơn so với vi khuẩn Gram âm [46] Vi khuẩn Gram âm ít bị ảnh hưởng bởi LEO do có thêm một lớp trên màng ngoài của chúng, bao gồm các lipopolysacarit ưa nước Lớp này hoạt động như một rào cản không thấm nước, mặc dù các loại tinh dầu có bản chất ưa béo [47] Đối với nấm, LEO có thể tác động trực tiếp lên lớp lipid kép của nấm do tính chất dễ bay hơi và ưa béo [48], tương tự như đối với vi khuẩn Gram âm LEO có thể làm mất ổn định màng tế bào và ức chế quá trình tổng hợp màng tế bào tiếp theo, đồng thời làm chậm quá trình hình thành bào tử nấm và hô hấp tế bào [47]

Citral đã được chứng minh làm tăng các gốc oxy nội bào, đồng thời ức chế tổng hợp glutathione làm tăng tác dụng chống ung thư [49] Citral điều chỉnh tốt ứng suất oxy hóa trong các tế bào ung thư, chống tăng sinh tế bào [50] Ngoài ra, so với các chất chống oxy hóa khác, LEO chiếm ưu thế vì LEO an toàn, không gây xuất huyết cho con người Vì vậy, có thể áp dụng LEO bảo quản trong ngành công nghiệp thực phẩm

Hiện nay, có rất ít những nghiên cứu đã báo cáo về hệ nhũ Pickering tinh dầu sả chanh (Pickering emulsion lemongrass essential oil – PE-LEO) Khả năng kháng nấm của hỗn hợp Natri agrinat và LEO ổn định bởi CNF được nghiên cứu để kiểm soát Penicillium Digitatum và P.italicum, mầm bệnh trên cây họ cam chanh [51] LEO tại nồng độ 0,75% có thể tăng cường tác dụng kháng nấm 88,28% (P Digitatum) và 91,94% (P italicum) Các lớp phủ chứa nhũ tương Pickering này có thể là ứng dụng tiềm năng cho bao bì, đặc biệt với các loại trái cây họ cam chanh

Với những tính chất nổi trội của tinh dầu sả chanh và nanocellulose, đặc tính tuyệt vời của hệ nhũ Pickering có thể mang lại, nghiên cứu hệ nhũ tương Pickering tinh dầu sả chanh ổn định bằng NC là thiết thực cho các ứng dụng trong y tế và thực phẩm, cần có nhiều hơn những nghiên cứu về vấn đề này

1.2.3.2 Tổng quan về hệ nhũ Pickering tinh dầu quế ổn định bằng nanocellulose

Tinh dầu quế (Cinnamomum), (Cinnamon essential oil – CEO) là hỗn hợp tinh

dầu bao gồm các hợp chất hóa học chính như: cinnamaldehyde (71,50%), linalool (7,00%), β-caryophyllene (6,40%), eucalyptol (5,40%) và eugenol [52] Cinnamaldehyde là một chất chống oxy hóa tự nhiên và các nghiên cứu trên động vật cho thấy chiết xuất từ vỏ quế dùng đường uống có thể giúp ngăn ngừa loét dạ dày [53] Cinnamaldehyde ức chế hoàn toàn Helicobacter pylori [54]

CEO có hoạt tính kháng khuẩn hiệu quả chống lại hư hỏng của thực phẩm và các vi khuẩn gây bệnh Escherichia coli (E.coli) và Staphylococcus aureus (S.aureus) [55] Nồng độ ức chế tối thiểu (minimum inhibition concentration – MIC) của CEO đối với 2 loại vi khuẩn trên là 1,0mg/ml trong khi nồng độ diệt khuẩn tối thiểu (minimum bactericide concentration – MBC) là 4,0 mg/ml đối với E.coli và 2,0 mg/ml đối với S.aueus CEO gây tổn thương cho các tế bào, rò rỉ các chất điện giải, làm giảm hoạt động trao đổi chất của vi khuẩn từ 3 đến 5 lần Đối với E.coli và S.aureus, vi khuẩn giảm lần lượt 99,999% và 99,9% sau 2 giờ tiếp xúc với CEO [56] Điều đó chứng minh CEO có hiệu quả kháng khuẩn đối với cả vi khuẩn gram âm và dương trong một thời gian ngắn Nghiên cứu đối với CEO, tinh dầu chanh, phong lữ, hương thảo và đinh hương đều cho thấy hiệu quả như nhau đối với cả vi khuẩn gram âm và vi khuẩn gram dương [57]

Tuy nhiên, quá trình phân hủy và bay hơi dễ dàng diễn ra khi để tinh dầu tiếp xúc với ánh sáng, oxy và nhiệt trong chế biến thực phẩm, dẫn đến những hạn chế trong ứng dụng của chúng trong bảo quản thực phẩm [58]

Hệ nhũ tương Pickering tinh dầu quế (Pickering emulsion cinnamon essential oil – PE-CEO) được rất nhiều các nhà khoa học quan tâm PE-CEO ổn định bởi CNC và CNF cho thấy kích thước hạt lần lượt từ 25 - 50μm và từ 30 - 100μm [59] Cả hai loại nhũ tương đều ổn định sau 30 ngày bảo quản, sau đó tạo thành một lớp kem dưới cùng nhũ tương với chỉ số tạo kem của nhũ tương ổn định nhất là 34,3% và 42,8% Cả hai loại đều cho thấy hoạt động ức chế vi khuẩn gram âm và dương Giá trị ức chế

của nhũ tương CNC (30,1) đối với Bacillus subtilis thấp hơn so với nhũ tương CNF (65)

Nghiên cứu về quá trình nhũ hóa CEO ổn định bằng hạt rắn zein-pectin, thế Zeta của PE-CEO là 31,23mV, cho thấy nhũ tương ổn định tốt [60] Giá trị độ thấm ướt của hạt trong CEO là 89,2o, giá trị độ thấm ướt trung bình Giá trị của góc tiếp xúc ba pha gần bằng 90o có lợi cho sự ổn định nhũ tương [61] Các thí nghiệm kháng nấm Alternaria alternata (A.alternata) và Botrytis cinerea (B.cinerea) của PE-CEO ổn định bằng zein được tiến hành [60] Đối với A.alternata, sự tăng trưởng nấm giảm khi nồng độ tinh dầu tăng từ 0,04 - 0,12μL/ml, nồng độ cao hơn của CEO khả năng ức chế hầu như không tăng Đối với B.cinerea, khả năng ức chế của PE-CEO không đáng kể trong 48 giờ đầu tiên

Một nghiên cứu khác so sánh giữa các loại nhũ tương Pickering tinh dầu ổn định bằng CNF gồm các tinh dầu: thảo quả, quế và gỗ Ho [62] Các giọt nhũ tương hình cầu và có đường kính trung bình từ 10 – 20μm, tùy thuộc vào đặc tính lý hóa của tinh dầu và độ phủ trên bề mặt CNF Cấu trúc hóa học thảo quả và quế ổn định và các cặp điện tử cộng hưởng có lợi cho lực hút điện tử giữa các thành phần, dẫn đến sự ổn định không gian, tạo thành một mạng lưới ba chiều sợi nanocellulose

Các nghiên cứu đều cho thấy việc chế tạo PE-CEO có tiềm năng cho nhiều ứng dụng như bảo quản và đóng gói thực phẩm, chất diệt khuẩn trên bề mặt hay các sản phẩm mỹ phẩm

Trước đây, chưa có nghiên cứu đề cập tới hệ nhũ tương Pickering tinh dầu sả chanh ổn định bằng nanocellulose Luận văn này sẽ nghiên cứu so sánh khả năng ổn định hệ nhũ Pickering tinh dầu sả chanh (nhẹ hơn nước) và hệ nhũ Pickering tinh dầu quế (nặng hơn nước) của nanocellulose có nguồn gốc từ rơm rạ

1.2.4 Ứng dụng của nanocellulose trong màng bọc thực phẩm

Bên cạnh ứng dụng làm chất ổn định trong hệ nhũ tương Pickering tinh dầu, nanocellulose còn được sử dụng làm chất gia cường trong nghiên cứu về các màng bọc thực phẩm hiện nay

Các loại nhựa gốc hóa dầu như polyolefin, polyeste ngày càng trở nên phổ biến ứng dụng trong đóng gói do khả năng sản xuất số lượng lớn với chi phí thấp và

các đặc tính nổi bật của chúng (độ bền kéo, độ bền xé và khả năng chịu nhiệt tốt) Tuy nhiên, các loại nhựa gốc hóa dầu có tốc độ thẩm thấu hơi nước rất thấp và hoàn toàn không thể phân hủy sinh học Điều này dẫn đến ô nhiễm môi trường, gây ra các vấn đề ô nhiễm sinh thái lớn Bắt kịp xu hướng này, nhựa phân hủy sinh học đã được sử dụng để thay thế vật liệu nhựa khó phân hủy tổng hợp từ nguồn nhiên liệu hóa thạch trong sản xuất các mặt hàng bao bì thực phẩm bền vững Vì màng polyme sinh học rất dễ bị ảnh hưởng bởi các biến đổi môi trường bao gồm ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm cũng như có độ bền cơ học thấp [63] Do đó, nhiều nghiên cứu về màng phân hủy sinh học đã được công bố [64]

1.2.4.1 Tổng quan về nanocellulose trong màng Chitosan (CS)

Chitosan (CS) là một polysacarit ưa nước, là kết quả của quá trình deacetyl hóa chitin CS không độc, có khả năng phân hủy sinh học, tương thích sinh học và có thể kháng khuẩn, phù hợp với các ứng dụng y sinh và đóng gói Các nghiên cứu cho thấy khả năng tương thích giữa CS và NC khi NC gia cường trong chất nền CS NC có thể được đưa vào màng CS theo ba cách: đưa trực tiếp NC vào, biến tính hóa học hoặc vật lý bề mặt, và biến đổi dựa trên đặc tính bề mặt cation của CS [65]

Do cùng thuộc họ polysaccarit và đều ưa nước, CS gia cường bằng NC giúp tăng độ bền cơ học, độ bền nhiệt và cả khả năng chống nước, chứng tỏ khả năng tương tác bề mặt tốt giữa CS và CNC [66-68], CNF [69, 70]

CNC được biến tính bằng methyl adipoyl clorua để phản ứng với các nhóm amin của CS tạo ra màng tăng 150% độ bền kéo và giảm tính ưa nước đáng kể so với màng CS ban đầu [71] Lượng nhỏ genipin (0,05%) được sử dụng làm tác nhân liên kết ngang trong chất nền CS gia cường bằng CNC, giúp cải thiện cả khả năng chống nước, độ bền cơ học và đặc tính sinh học [72] Các màng tạo liên kết ngang thu được kháng khuẩn Listeria monocytogenes trong thịt tốt hơn so với màng không tạo liên kết ngang Đưa axit tannic vào màng CS/NC cải thiện độ bền kéo 82,6% và giảm độ ẩm 73,5% cũng như độ hòa tan trong nước lên tới 67,9% so với màng CS/NC [73]

1.2.4.2 Tổng quan về nanocellulose trong màng Polyvinylancol (PVA)

Polyvinylancol (PVA) có tính ưa nước cao, tính ổn định hóa học mạnh và khả năng tạo màng tuyệt vời [74] Tuy nhiên, giống như các màng sinh học khác, PVA

rất nhạy cảm với các tác động của môi trường và dễ bị phân hủy bởi nước Do đó, các nghiên cứu để tăng cường tính chất của màng PVA đã được tiến hành

Nhờ cấu trúc ưa nước của PVA, PVA có thể hình thành liên kết hydro với NC Màng PVA và NC có thể chế tạo theo các kỹ thuật khác nhau, phổ biến nhất là đúc dung dịch, electrospinning, hoặc trùng hợp tại chỗ Nhiệt độ nóng chảy của PVA rất gần với nhiệt độ phân hủy nên việc sử dụng chất hóa dẻo (glyxerol, ure hoặc amit aliphatic) là cần thiết [75] CNF có nguồn gốc từ củ cải đường gia cường trong màng PVA cải thiện mô đun ứng suất và độ bền kéo của PVA theo hệ số lần lượt là 20 và 3,5 lần khi CNF đạt 50% [76] Tuy nhiên, màng có NC khá dòn so với màng PVA ban đầu Ngay cả ở hàm lượng thấp (2,5% - 10%), CNF có tác dụng tăng cường mô đun kéo của màng PVA lên gấp 3 lần [77] Màng nanocompozit kết hợp các hạt nano oxit kẽm và tinh bột/PVA cho thấy khả năng cản nước, tính chất cơ học được cải thiện khi hàm lượng sợi nano tăng lên [78]

Nguồn NC cũng ảnh hưởng trực tiếp tới tính chất cơ học của màng nanocompozit Nanocompozit của PVA với 3% CNC từ bông lót có tỉ lệ cấu hình L/D xấp xỉ 12, tăng 19,4% độ bền kéo [79]; PVA với 3% CNC từ lõi ngô (L/D khoảng 53) tăng 150% độ bền kéo so với màng PVA ban đầu [80]

Độ ổn định nhiệt của màng PVA gia cường bằng nanocelulose cao hơn màng PVA ban đầu được thấy trong phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) [81] Mặt khác, phân tích nhiệt vi sai (DSC) cho thấy tính chất nhiệt của vật liệu giảm, có thể là do NC ưa nước, làm tăng lượng nước trong màng

Các đặc tính rào cản của màng PVA cũng tăng khi được gia cường với NC [79] Lý do là liên kết hydro giữa các phân tử và nội phân tử trong CNC được mở rộng, dẫn đến sự sắp xếp lại của các phân tử nước trong màng, giảm bớt độ dẻo trong màng Tuy nhiên, kết tụ CNC dẫn tới làm giảm độ bền cơ học, đặc biệt ở hàm lượng cao, cũng là một vấn đề đáng quan tâm

Trong luận văn này sẽ nghiên cứu so sánh ảnh hưởng của nanocellulose có nguồn gốc từ rơm rạ lên chất tạo màng PVA và CS, từ đó chọn ra được mẫu màng với hàm lượng nanocellulose phù hợp nhất Nanocellulose sẽ được đưa vào màng

bằng phương pháp siêu âm thay vì khuấy cơ học để giảm sự kết tụ của nanocellulose trong dung dịch màng

1.2.4.3 Tổng quan về nhũ tương Pickering tinh dầu ổn định bởi nanocellulose trong màng bọc thực phẩm

Nhũ tương Pickering tinh dầu ổn định bằng NC đang ngày càng được ứng dụng nhiều trong các loại màng bọc để tăng cường tính kháng khuẩn, kháng nấm hay kháng oxi hóa có từ nhũ Pickering cho màng bọc Ngoài ra, nhũ tương Pickering còn ảnh hưởng đáng kể tới những tính chất khác của màng như độ bền cơ học, màu sắc, độ truyền qua,…

Độ bền cơ học của màng chứa tinh dầu phụ thuộc vào loại tinh dầu được sử dụng [82] Theo thứ tự tinh dầu gỗ Ho, tinh dầu quế và tinh dầu thảo quả, độ bền cơ học màng giảm dần Điều này có thể giải thích là do tương tác giữa tinh dầu và màng, tạo ra những liên kết hydro Theo chiều tăng tinh dầu (tinh dầu quế từ 5-10%, tinh dầu organo từ 5-20%), độ linh hoạt của PVA giảm nhẹ, không đáng kể [83] PE-CEO giúp cải thiện tính chất màng hơn là nhũ tinh dầu organo cùng nổng độ và hệ nhũ cũng giúp giảm thiểu ảnh hưởng xấu của tinh dầu nguyên chất tới màng

Độ truyền qua của màng PVA gia cường bằng carboxymetyl ở bước sóng 280nm và 600nm giảm rõ rệt khi tăng nồng độ của CEO từ 0-3% [84] Màng PVA chứa CEO hấp thụ tia cực tím có thể là do sự hấp thụ mạnh của cinnamaldehyde (thành phần chính của CEO) ở bước sóng 287 nm [85] Mức hấp thụ tia cực tím cao giúp thực phẩm đựng trong bao bì hạn chế được quá trình oxy hóa lipid, thích hợp dùng cho các thực phẩm nhạy với ánh sáng

Màng chứa nhũ tương Pickering tinh dầu có khả năng kháng khuẩn, kháng nấm Màng chứa PE-CEO có khả năng ức chế A.alternata và B.cinerea sau 96 giờ tiếp xúc với MIC tương ứng là 0,14IL/mL và 0,08IL/mL [37]

Khả năng kháng oxy hóa của màng cũng gia tăng theo chiều tăng nồng độ CEO [84] Tuy nhiên, do quá trình sấy khô, bảo quản, oxy hóa, khả năng kháng oxy của màng chứa CEO không cao bằng CEO cùng nồng độ Kích thước giọt nhũ tương Pickering ảnh hưởng đáng kể tới khả năng kháng oxy hóa của màng [86], cụ thể là kích thước hạt giảm thì khả năng kháng oxy hóa tăng, là do bề mặt tiếp xúc lớn hơn

Khả năng giải phóng tính dầu của màng chứa nhũ Pickering tinh dầu cũng được quan tâm Thí nghiệm mô phỏng hai loại thực phẩm bằng môi trường 10% etanol và 50% etanol Thời gian đầu, tinh dầu giải phóng ra nhanh hơn và nhanh chóng đạt trạng thái cân bằng và giải phóng chậm dần Màng chứa PE-CEO giải phóng chậm hơn so với màng nhũ tương tinh dầu organo Ở môi trường 50%, tinh dầu được giải phóng nhanh hơn 10% etanol Nhiệt độ và độ ẩm tăng cũng làm tăng tốc độ giải phóng tinh dầu [87].Với những tính chất ưu việt kể trên, nhũ tương Pickering tinh dầu ổn định bằng nanocellulose rất phù hợp với cái ứng dụng trong y tế, màng bọc thực phẩm với độ an toàn cao và thân thiện với môi trường

Hiện nay, chưa có nhiều báo cáo về hệ nhũ tương Pickering tinh dầu sả chanh được ổn định bẳng nanocellulose Trong luận văn này, tác giả sẽ nghiên cứu so sánh hệ nhũ tương Pickering tinh dầu sả chanh và tinh dầu quế ổn định bằng nanocellulose, tìm ra hệ nhũ Pickering có hoạt tính cao hơn để ứng dụng vào màng phân hủy sinh học Đồng thời, tác giả cũng báo cáo kết quả so sánh ảnh hưởng của nanocellulose lên màng phân hủy sinh học Từ đó, nanocellulose được thêm vào màng hai dạng: chất gia cường và chất ổn định cho hệ nhũ Pickering tinh dầu

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM 2.1 ĐỐI TƯỢNG, MỤC TIÊU VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.1.1 Đối tượng nghiên cứu

Nanocellulose chiết xuất từ rơm rạ khô được thu hoạch tại An Giang

2.1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu ứng dụng nanocellulose vào màng bọc thực phẩm giúp màng bọc có độ bền và hoạt tính cao

2.1.3 Nội dung nghiên cứu

- Nội dung 1: Nghiên cứu, khảo sát, đánh giá và so sánh ảnh hưởng của nanocellulose làm chất độn trong màng CS và PVA

- Nội dung 2: Nghiên cứu, khảo sát, đánh giá và so sánh ảnh hưởng của nanocellulose làm chất nhũ hóa trong nhũ tương Pickering tinh dầu sả chanh và nhũ tương Pickering tinh dầu quế

- Nội dung 3: Tối ưu hóa quy hoạch thực nghiệm quy trình chế tạo hệ nhũ Pickering tinh dầu ổn định bằng nanocellulose và kiểm tra độ phù hợp của mô hình

- Nội dung 4: Nghiên cứu, khảo sát và đánh giá ứng dụng bảo quản trái cây của màng PVA mang nhũ tương tinh dầu quế

2.2 HÓA CHẤT, DỤNG CỤ VÀ THIẾT BỊ 2.2.1 Hóa chất

Bảng 2-1: Danh mục hóa chất sử dụng

STT Tên nguyên liệu Công thức hóa học Xuất xứ

8 Tinh dầu sả chanh C10H16O (chủ yếu) Việt Nam

nanocellulose được thể hiện ở sơ đồ khối Hình 2-1 Huyền phù nanocellulose được

tổng hợp bằng cách thủy phân sử dụng 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, phản ứng được dừng lại bằng cách pha loãng dung dịch 10 lần và ly tâm 5000 vòng/ phút trong 3 lần, mỗi lần 5 phút Dung dịch được trung hòa bằng cách thẩm tách với nước khử ion được thay 6 giờ một lần, thu được huyền phù nanocellulose

Hình 2-1: Quy trình tổng hợp nanocellulose

2.3.2 Quy trình ổn định hệ nhũ Pickering tinh dầu bằng nanocellulose

Hình 2-2 biểu diễn quá trình chế tạo nhũ tương Pickering tinh dầu ổn định

bằng nanocellulose dựa theo chuyển đổi quy trình đã được báo cáo trước đây [62] Nhũ tương dầu trong nước được điều chế bằng cách kết hợp tinh dầu với các nồng độ khác nhau (5 %, 10 %, 15 %, 20 %, 25 % v/v) và huyền phù CNC với các nồng độ khác nhau (0,2 %; 0,4 %; 0,6 %; 0,8 %; 1,0 % w/v) bằng cách siêu âm bằng máy siêu âm đồng hóa Hielscher UP400St (Đức) Quá trình siêu âm được thực hiện ở công suất 200W với mỗi lần siêu âm gồm 2 phút siêu âm và 2 phút nghỉ, số lần siêu âm được khảo sát là (2, 4, 6, 8, 10 lần), tương ứng với 4, 8, 12, 16, 20 phút

Hình 2-2: Quy trình ổn định hệ nhũ Pickering tinh dầu bằng nanocellulose

2.3.3 Quy trình tạo màng chứa nanocellulose

Quy trình tạo màng chứa nanocellulose được xây dựng thông qua quy trình

tạo màng của Silverio và đồng nghiệp [80] Hình 2-3 thể hiện quy trình tạo màng

chứa nanocellulose được sử dụng trong nghiên cứu này Nhựa PVA (hoặc CS) được phân tán trong nước bằng máy khuấy từ gia nhiệt ở 80 độ C trong 3 giờ, tạo dung dịch chất tạo màng 6 % đối với PVA, 1 % đối với CS (CS cần thêm 1 % CH3COOH để tan) Đối với khảo sát ảnh hưởng của nanocellulo đến tính chất màng, dung dịch chất tạo màng, huyền phù CNC và glyxerol được cho vào cốc đong với các tỉ lệ mCNC

: mnhựa = 2 %, 4 %, 6 %, 8 % và 10 % tạo thành dung dịch màng Đối với khảo sát ảnh hưởng của nhũ Pickering tinh dầu tới tính chất màng, PE được bổ sung với các tỉ lệ mPE : mnhựa = 2 %, 4 %, 6 %, 8 % và 10 % Dung dịch màng được siêu âm trong 3 phút với cường độ 200 kW và tần số 24 kHz Sau khi siêu âm, dung dịch màng được cho vào khuôn, sấy ở 70 oC, 12 giờ Màng thu được bảo quản trong túi zip

Hình 2-3: Quy trình tạo màng nanocellulose

2.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ ĐÁNH GIÁ TÍNH CHẤT VẬT LIỆU

2.4.1 Phương pháp tối ưu hóa và quy hoạch thực nghiệm

Quy hoạch thực nghiệm là một quá trình hoạch định nghiên cứu đạt các mục tiêu xác định Mục đích của quy hoạch thực nghiệm là tối thiểu thí nghiệm, thời gian và kinh phí; tối đa thông tin thu được, từ đó xây dựng được mô hình toán học thống kê thực nghiệm, đánh giá được ảnh hưởng của các yếu tố tới quá trình cần khảo sát

Quy trình thực nghiệm được tiến hành như sau: đầu tiên, xác định và khảo sát các thông số ảnh hưởng đến quy trình, lựa chọn các hàm mục tiêu của quá trình để nghiên cứu [89] Tiếp theo, lựa chọn các mức yếu tố phù hợp để đưa vào mô hình thông qua kết quả khảo sát thực nghiệm Sử dụng phần mềm Design expert 13 (DE 13) lập bảng ma trận kế hoạch thực nghiệm và thu thập kết quả Cuối cùng, xác định và kiểm tra mô hình mô phỏng bằng phần mềm DE 13 có phù hợp với thực nghiệm hay không Từ mô hình của các hàm mục tiêu, chọn các thông số yêu cầu cần tối ưu, chọn điểm tối ưu phù hợp và thực hiện thí nghiệm kiểm tra điểm tối ưu