Nghiên cứu, chế tạo chế phẩm màng bọc chứa vật liệu nano an toàn sinh học bảo quản trái cây

Nghiên cứu, chế tạo chế phẩm màng bọc chứa vật liệu nano an toàn sinh học bảo quản trái câyNghiên cứu, chế tạo chế phẩm màng bọc chứa vật liệu nano an toàn sinh học bảo quản trái cây

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

QUẢN TRÁI CÂY

Phương pháp nghiên cứu khoa học

Ngành Vật lý học (Chương trình đào tạo chuẩn)

Hà Nội - 2024

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

LỜI CẢM ƠN

Bằng tất cả tấm lòng, em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Mai Hồng Hạnh (Trưởng bộ môn Quang lượng tử, Khoa Vật Lý, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – ĐHQGHN) đã tận tình chỉ dạy và giúp đỡ cho em khi em tham gia học phần “Phương pháp nghiên cứu khoa học” Trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu, dưới sự hướng dẫn tận tình của cô, em đã tiếp thu được rất nhiều kiến thức bổ ích về chuyên môn, kỹ năng làm thực nghiệm, kỹ năng làm việc nhóm một cách hiệu quả cùng những lối sống và cách đối nhân xử thế trong cuộc sống thường nhật Em kính chúc cô và gia đình luôn luôn mạnh khỏe và đạt được nhiều thành công trong cuộc sống và trong nghiên cứu

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các thầy cô trong bộ môn Quang lượng tử và Khoa Vật Lý đã tạo điều kiện tốt nhất cho em trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành tiểu luận này

Em xin cảm ơn chị Mai Kiều Anh, chị Trần Hải Yến cùng những anh chị trong bộ môn Quang lượng tử đã hướng dẫn, chỉ dạy tận tình và truyền lại nhiều kinh nghiệm đáng giá trong quá trình làm nghiên cứu

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn này đến tới gia đình và bạn bè đã luôn ủng hộ và giúp đỡ em rất nhiều trong quãng thời gian vừa qua

Hà Nội, tháng 1 năm 2024

Sinh viên Nguyễn Hoàng Hiệp

1.1: Công nghệ bảo quản trái cây bằng chế phẩm tạo màng 07

1.2: Công nghệ chế phẩm màng bọc chứa vật liệu nano an toàn sinh học 08

PHẦN 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 11

2.2.2: Quy trình nhúng trái chuối nhằm kiểm tra khả năng bảo quản của màng bọc 13

PHẦN 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 14

3.1: Hình ảnh màng bọc dạng gel sau khi chế tạo 14

3.2: Hình ảnh trái chuối khi kiểm tra tính bảo quản của màng bọc bằng phương pháp nhúng 14

KẾT LUẬN 17

TÀI LIỆU THAM KHẢO 18

Hình 4: Màng bọc dạng gel sau khi được chế tạo 14

Hình 5: Hình ảnh chuối trước khi để 14 ngày 14

Hình 6: Hình ảnh chuối sau khi để 14 ngày 15

Hình 7: Hình cảnh chuối được cắt ra sau khi để 14 ngày 16

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Danh sách hóa chất thí nghiệm 11

Bảng 2: Danh sách dụng cụ thí nghiệm 11

MỞ ĐẦU

Vấn đề ô nhiễm thực phẩm, đặc biệt là nhiễm vi sinh vật sau khi chế biến là một trong số các nguyên nhân chính liên quan tới bệnh thực phẩm, vấn nạn sức khỏe cộng đồng và là gánh nặng kinh tế đối với ngành công nghiệp thực phẩm Đóng gói là một trong các khâu cuối cùng trước khi thực phẩm được bảo quản, đưa đi phân phối và tiêu dùng Bởi vậy, đóng gói và vật liệu đóng gói là khâu có ý nghĩa đặc biệt và là bước có thể kiểm soát ô nhiễm vi sinh vật sau chế biến Việc kiểm soát sự nhiễm này là một giải pháp quan trọng làm giảm thiểu các tác hại nói trên Ngoài ra, thực phẩm được đóng gói trở nên an toàn hơn, chất lượng được đảm bảo và thuận lợi cho việc cung cấp và phân phối [1]

Hiện nay, thực phẩm chủ yếu chỉ được đựng và bao gói bằng các màng polyme có nguồn gốc dầu mỏ như polyetylen (PE) Các loại màng này có nhược điểm là gây tổn thất chất dinh dưỡng trong quá trình bảo quản và không tiêu diệt các vi sinh vật gây hại trong thực phẩm hay xâm nhập từ bên ngoài Hơn nữa, các màng này thường chứa các chất độc và không có khả năng tự phân hủy, là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường Ngoài ra, việc bảo quản thực phẩm thường lạm dụng quá mức các chất hóa học và đặc biệt là việc sử dụng các chất kháng sinh trong y học vào bảo quản, chế biến thực phẩm, đây là một nguyên nhân dẫn đến tình trạng phát tán nhanh tính kháng thuốc, là nguy cơ lớn đối với sức khỏe con người [2], [3], [4]

Đối với Việt Nam, một vùng đất có khí hậu nhiệt đới ẩm gió mùa, các công nghệ bảo quản nông sản, đặc biệt là trái cây vẫn còn đang hết sức hạn chế Chúng ta còn thiếu trầm trọng các cơ sở hạ tầng đáp ứng các nhu cầu sơ chế, bảo quản, chế biến và vận chuyển trái cây Các phương pháp bảo quản truyền thống không còn có thể đáp ứng được những yêu cầu gắt gao hơn trong thời đại ngày nay Trong khi đó, phương pháp bảo quản lạnh vẫn chưa được phổ biến và phù hợp với các khu vực nông nghiệp, các hộ nông dân Việc sử dụng một số hóa chất có nguồn gốc từ những loại nấm không rõ ràng càng tạo ra những mối lo ngại lớn về vấn đề an toàn thực phẩm, để rồi từ đấy ảnh hưởng đến tới vấn đề kinh doanh của các doanh nghiệp thu mua trái cây, cũng như là nỗi lo lắng của người tiêu dùng về việc trái cây mình mua có đảm bảo an toàn không Nhu cầu về việc bảo quản trái cây

6 tươi trong nước cũng như là có thể đem ra thị trường quốc tế đang trở thành vấn đề cấp thiết Từ việc đó, bài tiểu luận “Nghiên cứu, chế tạo chế phẩm màng bọc chứa vật liệu nano an toàn sinh học bảo quản trái cây” đã được tổng kết lại những gì em tìm tòi, học tập và nghiên cứu

Bài tiểu luận này gồm 3 phần: Phần 1: Tổng quan

Giới thiệu về tình hình nghiên cứu, chế tạo chế phẩm màng bọc chứa vật liệu nano an toàn sinh học bảo quản trái cây

Phần 2: Phương pháp nghiên cứu Trình bày các phương pháp nghiên cứu, chế tạo chế phẩm màng bọc chứa vật liệu nano an toàn sinh học bảo quản trái cây

Phần 3: Kết quả và thảo luận Trình bày và đánh giá kết quả thu được thông qua quá trình nghiên cứu, làm thực nghiệm

PHẦN 1: TỔNG QUAN

1.1: Công nghệ bảo quản trái cây bằng chế phẩm tạo màng

Hiện nay, công nghệ sử dụng các loại màng bao ăn thường được có nguồn gốc từ protein, polysaccharide, liquid bao phủ trái cây đã và đang nhận được nhiều sự quan tâm từ các nhà khoa học cho đến những doanh nghiệp thu mua trái cây do những hiệu quả mà công nghệ này đem lại Màng phủ là các lớp vật liệu mỏng được phủ lên toàn bộ bề mặt trái cây để bổ sung hoặc thay thế cho lớp phủ sáp bảo vệ tự nhiên Lớp màng này có vai trò như một lớp màng bán thấm giúp kiểm soát quá trình truyền ẩm, trao đổi khí và hô hấp cũng như giảm các rối loạn sinh lý, sinh hóa trên trái cây tươi Ngoài ra, lớp phủ cũng sẽ không ảnh hưởng đến chất lượng của trái cây về mặt cảm quan cũng như là trải nghiệm của người tiêu dùng trong thời gian sử dụng sản phẩm [5]

Nguyên tắc trong phương pháp bảo quản trái cây bằng chế phẩm tạo màng: Màng bao

là một vật liệu được sử dụng để phủ lên bề mặt trái cây, do đó, nó không được chứa chất độc hại, dị ứng hay các thành phần không tiêu hóa Bên cạnh đó, vật liệu phủ cần có các đặc tính cơ học tốt, bền, đặc biệt ngăn cản tốt đối với đô ẩm, O2, CO2, khí ethylene, bám dính, bán thấm tốt cũng như đồng thời có khả năng chống lại sự xâm nhập của sâu bệnh, các loại vi sinh vật có hại Song song với đó, màng cũng cần tương thích về mặt cảm quan đối với từng loại trái cây được sử dụng, có khả năng duy trì hoặc nâng cao tính thẩm mỹ và các thuộc tính cảm quan như màu sắc, độ bóng

Ưu điểm của phương pháp: Dễ sử dụng do kỹ thuật không quá phức tạp, không yêu

cầu nhân lực trình độ cao; Quy mô áp dụng rộng vì có thể phù hợp cho sản xuất tập trung hoặc trông quy mô hộ/liên hộ; Là công nghệ không đắt tiền; Dễ dàng kết hợp với các phương pháp bảo quản khác; Thân thiện với môi trường

Nhược điểm của phương pháp: Khi bảo quản ở nhiệt độ thường, có khả năng dẫn với

sự thay đổi mùi vị, màu sắc, sự khác lạ trên bề mặt (hiện tượng dính, trơn) Phương pháp này không thích hợp để dùng cho bảo quản các loại rau ăn lá

8

Tính an toàn thực phẩm của chế phẩm tạo màng: Các polyme thiên nhiên và tổng hợp,

các loại sáp và nhựa cây sử dụng trong sản xuất chế phẩm tạo màng đều được phép của Cơ quan Quản lý thực phẩm và thuốc của Mỹ (FDA) và Cơ quan Quản lý an toàn thực phẩm của EU (EUFSA) FDA cho phép sử dụng các loại sáp và các chất tạo màng như là phụ gia thực phẩm hoặc “được coi là an toàn” Tất cả thành phần sử dụng đều thuộc danh mục “E number” của EU Các chất phụ gia khác trong thành phần của chế phẩm cũng luôn được chú ý chọn và thay thế bằng những hợp chất an toàn, được phép sử dụng trong thực phẩm

1.2: Công nghệ chế phẩm màng bọc chứa vật liệu nano an toàn sinh học

Do tầm quan trọng ngày càng tăng của việc bảo quản trái cây, các phương pháp được sử dụng để đạt được bảo quản trái cây an toàn đã tăng lên đáng kể về sự đa dạng Do đó, việc kết hợp nhiều vật liệu dùng để bảo quản trái cây cũng có sự đa dạng hơn Để tạo được lớp màng bao phủ bề mặt trái cây, nó phải tạo ra một lượng O2 thấp và môi trường khí CO2

cao giữa điều kiện bên ngoài và thực phẩm bên trong nhằm giảm tỷ lệ trao đổi khí Được chiết suất từ cellulose, polysaccharide Cacborxymethyl Cellulose (CMC) là một sản phẩm nông nghiệp rất quan trọng và được coi là an toàn cho con người do không có tính độc hại CMC được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực bởi khả năng phân hủy sinh học với đặc tính ưa nước cùng khả năng tạo màng trong suốt, độ trương nở cao Và CMC cũng cho thấy hiệu quả hoạt động mạnh mẽ và vô cùng tốt trong việc bảo quản trái cây

Hình 1:Bột Carboxymethyl Cellulose (CMC)

Glycerol hay còn được gọi là glycerine là một hợp chất hữu cơ chứa ba nhóm hydroxyl đơn giản Là một chất lỏng có vị ngọt, không màu, không mùi, không độc hại, có tính hút ẩm cao và được sử dụng rất rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực điển hình là trong ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, y tế, mỹ phẩm Bên cạnh đó, glycerol cũng rất nổi trội trong lĩnh vực bảo quản trái cây nhờ khả năng tạo độ nhớt và kết cấu cho màng bao Glycerol cũng có khả năng giữ nước và ngăn chặn sự mất nước từ bề mặt của màng, cũng như cải thiện chất lượng của màng bao, tạo ra một môi trường bảo quản trái cây mà không làm mất đi chất dinh dưỡng hay vị thơm tự nhiên của trái cây

Isopropyl Alcohol (IPA), hay còn gọi là isopropanol, là loại cồn hóa học không màu, dễ cháy, hơi ngọt và có mùi hắc nhẹ IPA thường được ứng dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp với công dụng như là một chất dung môi do có tính hòa tan được nhiều hợp chất không phân cực và không gây độc hại so với các dung môi khác Trong bảo quản, IPA có khả năng làm sạch và khử trùng bề mặt màng bao, giúp loại bỏ vi khuẩn và các tác nhân khác có thể ảnh hưởng đến quá trình bảo quản Với tính chất bay hơi nhanh, IPA còn có thể được sử dụng để làm khô nhanh màng bao sau khi phủ lên bề mặt trái cây, giúp tạo lên lớp màng bảo vệ mà không làm trái cây bị nát hoặc giảm chất lượng do tác động của nước IPA còn có thể được sử dụng để điều chỉnh độ nhớt của dung dịch màng bao, giúp tạo ra một lớp màng có độ liên kết và độ đàn hồi phù hợp

Hình 2: Glycerol Hình 3: Isopropyl Alcohol

10 Bạc là một kim loại quý và được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực bởi tính chất dẻo, độ dẫn điện cũng như là khả năng kháng khuẩn Và Nano Bạc là một trong những vật liệu nano quan trọng nhất trong công nghệ nano, đặc biệt là trong các ứng dụng để khử trùng với nhiều ưu điểm tích cực như: khả năng diệt vi khuẩn, chống nấm, khử mùi hiệu quả cao, diệt khuẩn nhanh, không gây kích ứng, an toàn với con người và môi trường [6] Trong chế phẩm màng bọc, Nano Bạc giúp ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn và vi sinh vật gây hại, làm tăng độ kết dính của màng, giúp bảo quản trái cây một cách hiệu quả hơn và kéo dài thời gian bảo quản

Trong công nghệ nano, Kẽm oxit (ZnO) được coi là vật liệu đa chức năng vì nano ZnO thể hiện hiệu quả kháng khuẩn cao, phát xạ cận cực tím, áp điện, độ trong suốt quang học và độ dẫn điện cao [7] Áp dụng trong công nghệ bảo quản, Nano ZnO ngoài khả năng chống khuẩn, chống nấm mốc, nó còn có tác dụng như là một chất chống oxy hóa, chống lại tia UV bởi tính chất quang của ZnO Hơn hết, ZnO là chất bán dẫn rẻ, không độc và có tính kháng khuẩn rất cao với nồng độ thấp, ngay cả khi không tiếp xúc tới ánh sáng mặt trời Một số nguyên cứu trước đây đã chứng minh rằng ZnO có thể tiêu diệt cả vi khuẩn gram âm và dương như Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Staphylococcus aureus và Enterococcus faecalis [5]

Sự kết hợp của Carboxymethyl Cellulose (CMC), Isopropyl Alcohol, Glycerol, Nano ZnO (150ppm), và Nano Ag (100ppm) tạo ra môt loại màng bọc dạng gel với nhiều ưu điểm CMC và Glycerol không chỉ làm mát và điều chỉnh độ nhớt, tạo ra màng gel mịn màng, mà còn giúp tăng độ kết dính và khả năng bám dính của màng lên bề mặt thực phẩm Sự kết hợp với Nano Ag và Nano ZnO không chỉ giúp chống khuẩn và chống nấm mốc mạnh mẽ, mà còn tăng khả năng bảo quản thực phẩm và ngăn chặn sự đóng tuyết, giữ cho thực phẩm được bảo quản trong điều kiện tốt nhất Màng bọc này không chỉ đảm bảo an toàn thực phẩm mà còn tối ưu hóa hiệu suất bảo quản thực phẩm trong thời gian dài

PHẦN 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1: Dụng cụ và hóa chất

Để thực hiện đề tài này, em đã sử dụng đối tượng thí nghiệm là trái chuối dùng để kiểm nghiệm tính bảo quản của màng bọc, phương pháp được sử dụng là phương pháp nhúng Sau đây là những dụng cụ và hóa chất mà em đã sử dụng để nghiên cứu:

2.1.1: Hóa chất

Bảng 1: Danh sách hóa chất thí nghiệm

Tên hóa chất Công thức hóa học Xuất xứ Sodium Carboxymethyl

Dung dịch ZnO 150ppm ZnO Trường ĐH Khoa học Tự nhiên,

Đại học Quốc gia Hà Nội

Dung dịch Ag 100ppm Ag Trường ĐH Khoa học Tự nhiên,

Đại học Quốc gia Hà Nội Isopropyl Alcohol (CH3)2CHOH Trung Quốc

Lưu ý: Mỗi dung dịch cần dùng pipet để đong sẽ phải dùng đầu côn pipet riêng cho mỗi loại

• Bước 2: Cho toàn bộ dung dịch vừa đong vào trong lọ đựng Đặt dưới máy khuấy đũa và khuấy trong 45-60 phút để cách dung dịch được hòa tan

• Bước 3: Sau khi các thành phần hòa tan và thu được một dung dịch màng bọc dạng gel Chuẩn bị đối tượng thí nghiệm là trái chuối và dùng phương pháp nhúng trái chuối vào dung dịch màng bọc để kiểm tra khả năng bảo quản

2.2.2: Quy trình nhúng trái chuối nhằm kiểm tra khả năng bảo quản của màng bọc a) Tiền xử lý trái chuối:

• Bước 1: Chuối sau khi được thu hoạch (còn xanh) sẽ được phân loại ra thành 2 phần: đối chứng và nhúng; chia tỉ lệ giữa 2 phần sao cho cân đối, không để một phần quá to, một phần quá nhỏ

• Bước 2: Rửa qua nước sạch nhằm loại bỏ bụi bẩn còn bám và bề mặt chuối, rồi để lên giá ráo Sau đó để riêng phần đối chứng sang một bên và không đụng gì tới phần đấy Phần nhúng sẽ tiếp tục được xử lý qua các chất khác

• Bước 3: Ngâm chuối của phần nhúng bằng dung dịch giấm 10% trong 10 phút giúp ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn và nấm, sau đó để ráo

• Bước 4: Ngâm chuối trong dung dịch muối Canxi Clorua (CaCl2) 8% nhiệt độ 4oC trong 10 phút (CaCl2 có tác dụng làm cứng quả, kéo dài thời gian bảo quản, giảm tỷ lệ hư hỏng) [8] Sau đó để ráo

b) Quy trình nhúng trái chuối:

• Bước 1: Chuối sau khi để ráo sẽ được đem đi nhúng trong dung dịch màng bọc dạng gel đã chế tạo Nhúng trong 10 phút để cho màng có thể bám chắc vào bề mặt vỏ chuối • Bước 2: Sau khi nhúng xong, để lên trên giá cho ráo Sau đó lót một cái đĩa bên dưới

giá để đỡ phần giá sao cho nó không tiếp xúc tới mặt bàn • Bước 3: Đặt chuối cả phần đối xứng và phần nhúng tại cùng một chỗ Để cả 2 phần đều

tại nhiệt độ phòng • Bước 4: Theo dõi chuối trong 14 ngày

14

PHẦN 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1: Hình ảnh màng bọc dạng gel sau khi chế tạo

Hình 4: Màng bọc dạng gel sau khi được chế tạo

Chế phẩm màng bọc bảo quản trái cây sau khi được điều chế tồn tại ở dạng gel, mang màu nâu vàng tới từ dung dịch nano Ag

3.2: Hình ảnh trái chuối khi kiểm tra tính bảo quản của màng bọc bằng phương pháp nhúng

Chuối sau khi được thu hoạch sẽ chia ra làm 2 phần: đối chứng và nhúng sao cho cân đối tỉ lệ Sau đó bắt đầu quá trình tiền xử lý và quy trình nhúng Hình 5 dưới đây là hình ảnh những trái chuối sau khi đã trải qua quá trình tiền xử lý và quá trình nhúng Những trái

chuối sẽ được đặt tại chung địa điểm với nhiệt độ phòng và theo dõi trong 14 ngày

Hình 5: Hình ảnh chuối trước khi để 14 ngày