nghiên cứu tổng hợp màng polymer phân hủy sinh học kết hợp hạt nano bạc cho ứng dụng bảo quản thực phẩm

x TÓM TẮT KHÓA LUẬN Trong luận văn tốt nghiệp này với đề tài “Nghiên cứu tổng hợp màng polymer phân hủy sinh học kết hợp hạt nano bạc cho ứng dụng bảo quản thực phẩm”, chúng tôi đã nghi

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

S K L 0 1 1 8 7 7

Tp Hồ Chí Minh, tháng 8/2023 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT HÓA HỌC

i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

- -

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

SVTH: Trần Phi Hùng MSSV: 19128035 GVHD: Ts Trần Thị Nhung

Tp Hồ Chí Minh, tháng 8 năm 2023

NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP MÀNG POLYMER PHÂN HỦY SINH HỌC KẾT HỢP HẠT NANO BẠC CHO ỨNG

DỤNG BẢO QUẢN THỰC PHẨM

i

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành khóa luận này, đầu tiên tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô Khoa Công nghệ Hóa học & Thực phẩm thuộc Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất về cơ sở vật chất và thiết bị giúp tôi hoàn thàn khóa luận này

Đặc biệt tôi xin gửi làm cảm ơn sâu sắc nhất đến cô TS Trần Thị Nhung đã tận tình hướng dẫn, hỗ trợ truyền dạy kinh nghiệm, kiến thức, giải đáp các thắc mắc giúp tôi hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này

Tôi xin đồng gửi lời cảm ơn đến cô Nguyễn Thị Mỹ Lệ đã dốc công quản lý, hỗ trợ và cung cấp các thiết bị cho quá trình thực hiện luận văn được tốt nhất Xin được gửi lời cảm ơn đến các bạn sinh viên K19 ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Hóa Học đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Với kinh nghiệm còn hạn chế, trong quá trình thực hiện không tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong nhận được sự quan tâm, đóng góp ý kiến từ các thầy cô để bài báo cáo được hoàn thiện hơn

ii

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là kết quả của quá trình nghiên cứu và thực nghiệm của tôi dưới sự hướng dẫn của cô TS Trần Thị Nhung Các số liệu và kết quả nghiên cứu là hoàn toàn trung thực và khách quan chưa từng được công bố dưới hình thức nào, các thông tin trích dẫn được ghi rõ nguồn gốc

Sinh viên thực hiện

Trần Phi Hùng

1.1 Tổng quan về vật liệu nano kim loại 1

1.1.1 Giới thiệu chung 1

1.1.2 Đặc điểm tính chất 2

1.1.3 Ứng dụng 5

1.1.4 Tổng hợp vật liệu nano kim loại 5

1.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu và ứng dụng của hạt nano bạc 7

1.3 Tổng quát về màng polymer phân hủy sinh học 8

1.3.1 Tình hình nghiên cứu về màng polymer phân hủy sinh học 8

1.3.2 Tính chất của màng polymer phân hủy sinh học 8

1.3.3 Các polymer cho màng nhựa phân hủy sinh học 9

1.3.4 Ứng dụng của màng polymer phân hủy sinh học 10

1.4 Tổng quan về vi khuẩn E coli 11

1.4.1 Các phương pháp diệt khuẩn E coli 12

1.4.2 Cơ chế kháng khuẩn của hạt nano bạc 12

1.5 Liên hệ đề tài 13

2.3.1 Phương pháp đo phổ hấp thu tử ngoại khả kiến UV – Vis 17

2.3.2 Phương pháp đo độ truyền quang 17

2.3.3 Phương pháp đo độ hút nước và độ tan 18

2.3.4 Phương pháp đo độ bền kéo và độ giãn dài 18

2.3.5 Phương pháp đo góc thấm ướt 19

2.4 Các phương pháp phân tích 19

2.4.1 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM 19

2.4.2 Phương pháp phân tích quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) 20

2.4.3 Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 20

2.4.4 Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng TGA 20

2.5 Khả năng kháng khuẩn 21

2.5.1 Phương pháp đo vòng tròn kháng khuẩn 21

2.5.2 Phương pháp đo đường cong sinh trưởng 23

2.5.3 Phương pháp trải đĩa vi khuẩn 23

2.6 Khả năng bảo quản thực phẩm 23

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 25

3.1 Tổng hợp hạt nano bạc AgNPs 26

v

3.2 Chế tạo màng polymer phân hủy sinh học PVA/CS/Ag 28

3.2.1 Hình ảnh bề mặt – Kết quả SEM 28

3.2.2 Độ truyền qua của màng – Phổ hấp thu UV – Vis 29

3.2.3 Thành phần hóa học – kết quả phổ dao động phân tử FTIR 30

3.2.4 Độ bền kéo và độ giãn dài 32

3.2.5 Độ hút nước và độ tan 33

3.2.6 Góc thấm ướt của màng 35

3.2.7 Độ bền nhiệt của màng – Phân tích nhiệt khối lượng TGA 36

3.3 Khảo sát khả năng diệt khuẩn và ngăn chặn vi khuẩn 37

3.3.1 Phương pháp đo vòng tròn ngăn chặn vi khuẩn 37

3.3.2 Phương pháp đo đường cong tăng trưởng 39

3.3.3 Phương pháp trải đĩa 39

3.4 Khảo sát khả năng bảo quản thực phẩm 42

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

PHỤ LỤC 48

vi

DANH MỤC BẢNG

Chương 1 Bảng 1.1 Hàm lượng hạt nano được tổng hợp bằng acid galic cần thiết để kháng khuẩn tương ứng theo kích thước 7Chương 3

Bảng 3.1 Kích thước của vùng ngăn chặn vi khuẩn E coli của các mẫu ( mm) 38

Bảng 3.2 Hiệu suất diệt vi khuẩn của mẫu vật liệu tương ứng tỉ lệ PVA/CS/Ag = 10: 1: 0.025 ở các hàm lượng vật liệu khác nhau 41Bảng 3.3 Sự thay đổi bề ngoài của quả mận Sơn La bọc bởi các mẫu màng khác nhau 43

vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Chương 1:

Hình 1.1 So sánh kích thước của vật liệu nano 1

Hình 1.2 Tỉ lệ diện tích bề mặt theo thể tích của một khối lập phương 2

Hình 1.3 Biến đổi giữa năng lượng bề mặt và kích thước của hạt nano vàng 2

Hình 1.4 Ảnh hưởng của kích thước đến nhiệt độ nóng chảy của hạt nano chì 3

Hình 1.5 Ảnh hưởng của kích thước và hình dạng đến sự phát quang của tinh thể vật liệu nano CdSe 4

Hình 1.6 Hiệu ứng cộng hưởng bề mặt 4

Hình 1.7 Cấu tạo của thiết bị phân tích dựa vào hiệu ứng cộng hưởng bề mặt 5

Hình 1.8 Hạt nano kim loại kháng khuẩn trong bao bì cho ứng dụng bảo quản thực phẩm 5

Hình 1.9 Phương hướng trong tổng hợp vật liệu nano 6

Hình 1.10 Cấu trúc hóa học của chitin và chitosan 10

Hình 1.11 Cấu trúc phân tử của polyvinyl alcohol (PVA) 10

Hình 1.12 Polymer tạo ra bởi màng sinh học có nguồn gốc từ vi sinh vật 10

Hình 1.13 Mô hình cấu tạo của vi khuẩn E.coli 12

Hình 1.14 Mô tả cơ chế kháng khuẩn của hạt nano bạc AgNPs 13

Hình 1.15 Sơ đồ quy trình tổng hợp hạt nano bạc AgNPs 16

Chương 2 Hình 2.1 Quy trình tạo màng polymer kết hợp hạt nano bạc (PVA/CS/AgNPs) 17

Hình 2 2 Góc thấm ướt và cách xác định 19

Hình 2.3 Sơ đồ cấu tạo kính hiển vi điện tử quét – SEM 20

Hình 2.4 Sơ đồ cấu tạo của hệ thống phân tích nhiệt khối lượng TGA 21

Hình 2.5 Quy trình đổ môi trường vào đĩa petri 22

Hình 3.4 Ảnh chụp SEM của các màng không chứa bạc 28

Hình 3.5 Ảnh chụp SEM của các màng có chứa bạc 29

Hình 3.6 Độ truyền qua của các màng 30

Hình 3.7 Biểu đồ phổ FTIR của chitosan bột, màng PVA cùng các màng PVA/CS có tỉ lệ tương ứng 10: 1, 20: 1,30: 1 31

Hình 3.8 Biểu đồ phổ FTIR của các màng polymer có sự kết hợp với hạt nano bạc 32

Hình 3.9 Độ bền kéo và độ giãn dài của các mẫu màng khác nhau 33

Hình 3.10 Độ hút nước và độ tan của các mẫu màng khác nhau 34

Hình 3.11 Góc thấm ướt của các mẫu màng khác nhau 36

Hình 3.12 Kết quả phân tích nhiệt TGA của màng PVA, PVA/CS = 10: 1 và màng PVA/CS/AG = 10: 1: 0.025 Error! Bookmark not defined.Hình 3.13 Hình ảnh vòng tròn ngăn chặn vi khuẩn của các mẫu film khác nhau 38

Hình 3.14 Đường cong tăng trưởng của vi khuẩn theo thời gian 39

Hình 3.15 Hình chụp đĩa vi khuẩn khi tiếp xúc với các hàm lượng vật liệu khác nhau được chọn ứng với tỉ lệ PVA/CS/Ag = 10: 1: 0.025 41

Hình 3.16 Biểu đồ tỉ lệ mất khối lượng của các trái mận cơm khi được bọc bằng các màng vật liệu khác nhau 42

Hình 3.17 Biểu đồ thay đổi màu sắc của các trái mận cơm với các mẫu màng vật liệu khác nhau 43

ix

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

AgNPs Silver nanoparticles Hạt nano bạc hình cầu CFU Colony Forming Unit Đơn vị hình thành khuẩn

lạc UV-Vis Ultraviolet–visible

spectroscopy

Quang phổ hấp thụ tử ngoại

khả kiến SEM Scanning electron microscopes Kính hiển vi điện tử quét TEM Transmission electron

microscopes

Kính hiển vi điện tử truyền

qua TGA Thermogravimetric analysis Phân tích nhiệt trọng lượng FTIR Fourier transform infrared Hồng ngoại biến đổi Fourier

x

TÓM TẮT KHÓA LUẬN

Trong luận văn tốt nghiệp này với đề tài “Nghiên cứu tổng hợp màng polymer phân hủy sinh học kết hợp hạt nano bạc cho ứng dụng bảo quản thực phẩm”, chúng tôi đã nghiên cứu chế tạo màng nhựa có khả năng phân hủy sinh học từ polyvinyl alcohol (PVA) và chitosan kết hợp với hạt nano bạc được tổng hợp bằng phương pháp khử hóa học Hạt nano bạc sau khi được tổng hợp sẽ được phân tích hình dạng và cấu trúc bằng phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), quang phổ hấp thu tử ngoại khả kiến (UV - Vis) Kết quả cho thấy hạt nano bạc tạo ra có kích thước dao động khoảng từ 2 đến 20 nm trong một phân bố kích thước hạt tương đối đồng đều Ảnh hưởng của hàm lượng bạc lên tính chất của hạt nano bạc tạo thành cũng được khảo sát

Sau đó chúng tôi tiến hành phân tán hạt nano bạc tạo thành vào màng polymer dựa trên PVA và chitosan Các màng phân hủy sinh học sau khi được tạo thành sẽ được phân tích bề mặt thông qua kính hiển vi điện tử quét (SEM), khảo sát độ truyền qua bằng phương pháp đo phổ hấp thu tử ngoại (UV – Vis) cùng với các phương pháp khác nhằm đánh giá các tính chất của màng tạo thành bao gồm: độ bền kéo, độ giãn dài, độ hút và hòa tan trong nước, độ thấm ướt cùng với khả năng diệt khuẩn và bảo quản thực phẩm Trong đó chúng tôi sẻ tiến hành khảo sát 2 yếu tố bao gồm: ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng PVA/CS khác nhau gồm 10: 1, 20: 1, 30: 1 và ảnh hưởng của hàm lượng hạt nano bạc AgNPs lên tính chất của màng Các kết quả khảo sát cho thấy khi màng được tạo ra ở tỉ lệ PVA/CS/AgNPs là 10: 1: 0.025g cho những kết quả cơ tính và lý hóa vượt trội hơn

Ở khảo sát khả năng kháng khuẩn của màng, chúng tôi sử dụng ba phương pháp khác nhau bao gồm phương pháp trải đĩa, vòng tròn ngăn chặn vi khuẩn và đường cong sinh trưởng bằng cách đo độ hấp thu tại bước sóng 600 nm Kết quả chỉ ra khả năng kháng khuẩn tỉ lệ thuận với cả hàm lượng chitosan và hạt nano bạc

Trong khảo sát khả năng bảo quản thực phẩm, chúng tôi lựa chọn quả mận cơm Sơn La để đánh giá khả năng bảo quản của màng trong điều kiện chiếu tia UV Kết quả cho thấy màng polymer phân hủy sinh học khi có sự kết hợp của hạt nano bạc AgNPs cho khả năng hấp thụ tia UV, giảm thiểu đáng kể ảnh hưởng của tia UV đến chất lượng thực

xi phẩm trong điều kiện khảo sát

Tóm lại, màng polymer phân hủy sinh học tạo thành từ PVA và chitosan kết hợp cùng hạt nao bạc trong nghiên cứu của chúng tôi cho thấy cơ tính cao, khả năng diệt khuẩn tốt cùng khả năng cản tia UV giúp tăng cường bảo vệ chất lượng của thực phẩm Những kết quả trên cho thấy tiềm năng to lớn của màng polymer phân hủy sinh học thay thế các loại bao bì nhựa cho thực phẩm thông thường trên thị trường hiện nay

xii

MỞ ĐẦU

Sự phát triển của khoa học đem đến cho con người những tiến bộ vượt bậc trên khắp các lĩnh vực trong cuộc sống Tuy nhiên đi kèm với đó là những thách thức mang tính thời đại liên quan đến sự ô nhiễm môi trường khiến cho con người phải thay đổi đi hành vi của mình Lối sống xanh khi sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo, giảm thiểu phát thải khí nhà kính hay chuyển sang các vật liệu thân thiện cho môi trường được đẩy mạnh [1] Tiêu biểu là việc thay thế các sản phẩm từ nhựa truyền thống được sản xuất bằng dầu mỏ vốn khó phân hủy và gây nên ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái sang các loại nhựa thân thiện với môi trường, mà đặc biệt là ở lĩnh vực bao bì bảo quản cho thực phẩm đang nhận được nhiều sự chú ý Các màng polymer có khả năng phân hủy sinh học tốt, thân thiện với con người và môi trường có khả năng đáp ứng các yêu cầu cho việc bảo quản và đóng gói thực phẩm đang nổi lên như những ứng viên hàng đầu [2, 3] Một số polymer tiêu biểu đã và đang được ứng dụng trong các lĩnh vực y học và thực phẩm như polylactic acid (PLA), polyhydroxyankanoates (PHA), các polysaccharide, cenlulose… Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng chitosan là một polymer có khả năng phân hủy sinh học được tạo ra từ quá trình deacetyl hóa chitin có nguồn gốc từ vỏ các loài giáp xác Chitosan được biết đến với khả năng kháng khuẩn, tương thích sinh học tốt với con người khi đã được ứng dụng cho các màng đắp vết thương hay vật liệu mang thuốc trong y học Để đáp ứng yêu cầu trở thành màng bao bì bảo quản cho thực phẩm, chúng tôi cải thiện cơ tính màng tạo thành bằng việc kết hợp với polyvinyl alcohol – PVA, được biết đến cho khả năng tạo ra màng tốt với độ bền cao và đặc biệt không độc đối với con người Sự kết hợp này tạo ra một màng có độ bền cơ học được nâng cao phù hợp cho ứng dụng làm màng bao bì nhờ sự gia tăng các liên kết trong mạng lưới cấu trúc của polymer [4, 5]

Một vấn đề thường gặp phải trong quá trình bảo quản thực phẩm đó là sự phát triển của vi khuẩn, nấm mốc làm biến tính gây hư hỏng thực phẩm Các biện pháp bảo quản như đóng hộp, chân không hay đông lạnh không phù hợp cho các loại thực phẩm tươi sống như rau củ, thịt cá, trái cây Do đó chúng tôi hướng tới việc nâng cao giá trị sử dụng của màng khi kết hợp khả năng kháng khuẩn nhằm giải quyết vấn đề gây độc và hư hỏng thực phẩm do vi khuẩn gây nên Trong nghiên cứu này chúng tôi hướng đến giải pháp

xiii sử dụng vật liệu diệt vi khuẩn an toàn với người sủ dụng, không gây ảnh hưởng chất lượng, tính thẫm mỹ và mùi vị của thực phẩm khi bảo quản Vật liệu được dùng cần khả năng tổng hợp nhanh chóng và đơn giản, chi phí hợp lí để tối ưu Các giải pháp sử dụng tinh dầu hoặc các hợp chất chiết xuất từ thiên nhiên gây ra những bất cập nhất định về mùi vị hay độ bền Do đó các hạt nano của kim loại và oxit kim loại có tính kháng khuẩn đã được chú ý đến nhờ việc đáp ứng tuyệt vời các yêu cầu đề ra khi có khả năng dễ dàng tổng hợp ở điều kiện đơn giản [6, 7] Chúng tôi đã lựa chọn hạt nano bạc AgNPs để tích hợp lên màng bao của mình sau khi cân nhắc hiệu quả diệt khuẩn vượt trội kèm an toàn cao cho người sử dụng của nó [8, 9]

Thông qua các luận điểm trên, trong nghiên cứu này chúng tôi đã tạo ra một màng polymer phân hủy sinh học kết hợp hạt nano bạc nhằm thay thế màng bao thực phẩm thông thường Màng tạo ra có độ bền cơ học đi cùng khả năng tiêu diệt vi khuẩn vượt trội mang đến tiềm năng cao trong tương lai

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về vật liệu nano kim loại

1.1.1 Giới thiệu chung

Vật liệu nano kim loại là một nhánh của vật liệu nano nói chung, mô tả về các cấu trúc khác nhau của kim loại như hạt, sợi, màng hay các ống … mà trong đó có ít nhất một chiều kích thước của chúng dao động trong khoảng từ 1 – 100 nm [10] Chính nhờ vào kích thước siêu nhỏ của mình, các kim loại và hợp kim thể hiện được những tính chất khác biệt về vật lí, hóa học, so với vật liệu khối truyền thống

Ý tưởng về vật liệu nano có từ thế kỷ thứ 5 trước Công Nguyên khi những nhà khoa học Hy Lạp đã đặt ra giả thuyết rằng liệu có thể phân chia vật chất thành những mảnh nhỏ đến mức không thể phân chia được nữa hay không, điều mà ngày nay ta gọi là nguyên tử Tuy nhiên, mãi đến năm 1959, khái niệm về nano mới được nhà vật lí Richard Feynman giới thiệu [11]

Kể từ đây, thời đại của vật liệu và các cấu trúc nano đã nhanh chóng phát triển bùng nổ, từ những transitor siêu nhỏ trong các CPU máy tính với kích thước chỉ 7 nm cho đến các robot nano vận chuyển thuốc trong y học Tất cả cho ta thấy được những tiềm năng to lớn mà công nghệ nano đã, đang và sẽ mang lại [12]

Hình 1.1 So sánh kích thước của vật liệu nano

Hình 1.2 Tỉ lệ diện tích bề mặt theo thể tích của một khối lập phương Khi các nguyên tử trên bề mặt không có hoặc có ít liên kết hơn so với các nguyên tử ở phía trong cấu trúc, phần năng lượng còn dư này làm cho tỉ lệ năng lượng trên diện tích bề mặt lớp bên ngoài cao hơn so với phía trong Mức năng lượng cao hơn kết hợp với tỉ lệ diện tích bề mặt lớn là nguyên nhân khả năng dễ dàng phản ứng của vật liệu nano [14]

Hình 1.3 Biến đổi giữa năng lượng bề mặt và kích thước của hạt nano vàng Một đặc điểm nữa liên quan tỉ lệ diện tích bề mặt là nhiệt độ nóng chảy Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu phụ thuộc vào sự liên kết và mật độ liên kết trong cấu trúc mạng tinh

3 thể Do có tỉ lệ các phân tử nằm ở bề mặt cao làm cho việc phá vỡ hoặc sắp xếp lại liên kết của cấu trúc mạng sẽ dễ dàng hơn, nhiệt độ nóng chảy sẽ thấp dần theo kích thước vật liệu [15]

Hình 1.4 Ảnh hưởng của kích thước đến nhiệt độ nóng chảy của hạt nano chì

1.1.2.2 Hiệu ứng kích thước

Việc thêm vàng vào giúp tạo ra thủy tinh có các màu sắc đa dạng như vàng, đỏ, tím được ứng dụng từ thời trung cổ hay cuộc chiến màn hình tivi theo công nghệ chấm lượng tử OLED giữa SAMSUNG và LG những năm 2015 đều liên quan tới kích thước của hạt nano Điều này là do khi thay đổi hình dạng, kích thước của hạt nano làm cho màu sắc mà ta quan sát được cũng thay đổi theo

Nguyên nhân bắt nguồn từ việc thay đổi kích thước làm cho khoảng giá trị của mức năng lượng vùng cấm – band gap thay đổi, khi các electron thuộc vùng hóa trị hấp thu năng lượng và nhảy lên mức năng lượng vùng dẫn cà thiếu ổn định hơn Do các điện tử có xu hướng sẽ quay và về mức năng lượng hóa trị thấp và bền hơn Quá trình này đòi hỏi điện tử phải giải phóng năng lượng dưới dạng photon ánh sáng Sự khác nhau về giá trị năng lượng này giữa các kích thước vùng cấm khác nhau dẫn đến việc tạo ra các photon có mức năng lượng khác nhau Các phonton tuân theo định luật về năng lượng đó là: E = ℎ𝑐

𝜆 với 𝜆 là bước sóng ánh sáng Điều này làm cho ta thấy được các màu sác khác nhau cho từng bước sóng 𝜆 riêng [16]

4 Hình 1.5 Ảnh hưởng của kích thước và hình dạng đến sự phát quang của tinh thể vật

liệu nano CdSe

1.1.2.3 Hiệu ứng cộng hưởng bề mặt

Plasmon bề mặt là sự dao động của những điện tử tự do trên bề mặt nano kim loại dưới sự kích thích của bức xạ tới Hiện tượng cộng hưởng bề mặt (surface plasmon resonance) xảy khi chùm tia bức xạ chiếu tới, kích thích và làm cho các điện tử dao động Một điện trường được tạo nên từ sự dao động này Khi điện tử dao động tương đối với hạt nhân, tương tác điện từ giữa hạt nhân và điện tử sẽ tạo ra lực hồi phục gây nên dao động và tạo nên một lưỡng cực ở hạt nano Khi tần số dao đông này trùng với tần số của bức xạ tới sẽ xảy ra hiện tượng cộng hưởng từ bề mặt, làm cho vật liệu hấp thu mạnh bức xạ tới Hiện tượng cộng hưởng từ chỉ xảy ra đối với các nguyên tử nằm ở bề mặt, do đó sẽ bị ảnh hưởng bởi hình dạng và kích thước của các nguyên tử trên bề mặt Bất kể sự thay đổi nào cũng gây nên sự khác biệt về sự phân bổ điện trường đều làm ảnh hưởng đến tần số dao động

Hình 1.6 Hiệu ứng cộng hưởng bề mặt Từ việc kiểm soát được việc chế tạo các hạt nano kim loại và sử dụng hiệu ứng cộng hưởng bề mặt, biến đây trở thành một kỹ thuật phân tích được ứng dụng trong lĩnh vực

5 hóa học, sinh học và y tế Nhờ vào sự phân tích cường độ của chùm ánh sáng phản xạ còn lại sau khi xảy ra cộng hưởng giúp xác định được sự tương tác của các phần tử hấp thụ lên bề mặt kim loại từ đó định lượng và định tính phần tử có mặt [17]

Hình 1.7 Cấu tạo của thiết bị phân tích dựa vào hiệu ứng cộng hưởng bề mặt

1.1.3 Ứng dụng

Hạt nano kim loại nhờ vào các tính chất đặc biệt của mình đã đóng góp rất nhiều vai trò quan trong trong nhiều lĩnh vực hiện nay Tiêu biểu là các ứng dụng xúc tác quang giúp phân hủy chất thải [6, 18], cảm biến khí [19], quang điện tử trong lĩnh vực bán dẫn [20], … Đặc biệt với các kim loại quý như vàng (Au), bạc (Ag), bạch kim (Pt) có những tiềm năng ứng dụng trong y tế do khả năng tương thích sinh học cao với cơ thể con người, mở ra những ứng dụng về chẩn đoán và điều trị trong y học [21]

Đặc biệt, hạt nano đã nổi lên như là một giải pháp kháng khuẩn hiệu quả với các kim loại bạc, vàng có hiệu quả vượt trội Kết hợp tính chất kháng khuẩn này vào các lĩnh vực y tế, thực phẩm đang là một hướng đi mới đầy hứa hẹn [22-24]

Hình 1.8 Hạt nano kim loại kháng khuẩn trong bao bì cho ứng dụng bảo quản thực

phẩm

1.1.4 Tổng hợp vật liệu nano kim loại

Nhờ vào tiềm năng phát triển của mình, các phương pháp tổng hợp hạt nano khác nhau

6 đã được phát triển Ngày càng nhiều cách tổng hợp nhanh chóng, rẻ tiền, thân thiện môi trường nhưng vẫn nâng cao hiệu suất đã được nghiên cứu Việc tổng hợp hạt nano kim loại được chia làm hai hướng: Từ dưới lên (Bottom up) và từ trên xuống (Top down) [25]

Hình 1.9 Phương hướng trong tổng hợp vật liệu nano Theo đó với Top – down, vật liệu ở dạng khối được chia nhỏ đến kích thước nano Ngược lại Bottom down là việc hợp nhất các nguyên, phân tử Từ đây thì các phương pháp cụ thể được ra đời

1.1.4.1 Phương pháp vật lí

Phương pháp này sử dụng cơ học như nghiền, mài, quang khắc, lắng đọng hơi hoặc phóng điện hồ quang,… Điểm yếu phương pháp này chính là nó tiêu tốn nhiều năng lượng cũng như đòi hỏi điều kiện nghiêm ngặt [26]

1.1.4.2 Phương pháp hóa học

Nguyên tắc là dựa vào các chất khử hóa học nhằm khử ion kim loại ở dạng dung dịch thành kim loại Các muối kim loại thường được sử dụng để tổng hợp như HAuCl4, AgNO3, H2PtCl6 Những chất khử như sodium citrate, acid citric hay sodium borohydride là những tác nhân phổ biến Một vấn đề thường gặp phải ở phương pháp này chính là việc ngăn cản quá trình kết tụ của hạt nano, do đó phương pháp này thường đi kèm việc sử dụng chất làm bền Cơ chế đó là tạo ra lực đẩy tĩnh điện làm bề mặt hạt nano tích điện cùng dấu nhau, cản trở sự kết tụ của các hạt giúp tạo được hạt nano đồng đều với kích thước nhỏ [27]

1.1.4.3 Phương pháp sinh học

Phương pháp sinh học là giải pháp xanh giúp bảo vệ môi trường trong việc tổng hợp hạt nano Phương pháp này dùng vi sinh vật hoặc các enzyme có trong các loài thực vật để khử ion kim loại Nhờ vào đặc điểm này mà phương pháp tổng hợp sinh học có giá thành

7 rẻ, an toàn cho con người cũng như môi trường, có thể thực hiện quy mô lớn Tuy nhiên trở ngại về kích thước hạt cũng như độ đồng nhất là những cản trở ở kĩ thuật này [28]

1.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu và ứng dụng của hạt nano bạc

Ngày nay các ứng dụng của hạt nano bạc là vô cùng đa dạng, từ các lĩnh vực đời sống như y tế, sức khỏe, thực phẩm hay các mảng công nghiệp quang học và xúc tác Nổi bật nhất của hạt nano bạc đó là những đặc tính tương thích sinh học tuyệt vời với cơ thể con người, đem đến ứng dụng trong mỹ phẩm, dược phẩm, bảo quản thực phẩm và trên hết là một tác nhân hỗ trợ chẩn đoán và điều trị ung thư [29, 30]

Hạt nano bạc có các tính chất rất đặc trưng của vật liệu nano, vì vậy bất kì sự thay đổi nhỏ nào về hình thái và kích thước hạt cũng sẽ ảnh hưởng rất lớn đến tính chất Đặc biệt ở hoạt tính kháng khuẩn, kích thước và hình thái là chìa khóa cho hiệu suất của nano bạc Cơ chế kháng khuẩn của hạt nano bạc dựa vào việc tiếp xúc và gây mất cân bằng màng tế bào vi khuẩn, xâm nhập vào tế bào và làm mất cân bằng nội bào vi khuẩn nhờ vào các phản ứng sinh hóa [31, 32] Do đó kích càng nhỏ thì diện tích tiếp xúc hay khả năng xuyên qua màng được cải thiện

Trong một ví dụ [33], nhóm nghiên cứu đã tổng hợp hạt nano bạc bằng acid galic với ba dạng kích thước là 7, 29, 89 nm Kết quả khảo sát khả năng tiêu diệt vi khuẩn đối với

hai loại vi khuẩn là E coli và S aureus đã cho thấy với kích thước hạt nano tạo thành

càng nhỏ thì khả năng diệt khuẩn càng cao Kết quả được trình bày trong bảng 1.1 sau đây Do đó, trong nghiên cứu này chúng tôi nhắm tới việc giảm kích thước của hạt nano bạc trong màng polymer phân hủy sinh học nhằm nâng cao hiệu quả diệt khuẩn của nó Bảng 1.1 Hàm lượng hạt nano được tổng hợp bằng acid galic cần thiết để kháng khuẩn

tương ứng theo kích thước

8

1.3 Tổng quát về màng polymer phân hủy sinh học

1.3.1 Tình hình nghiên cứu về màng polymer phân hủy sinh học

Trong khoảng 50 năm trở lại đây, kể từ khi người ta bắt đầu sản xuất quy mô lớn nhựa từ dầu mỏ và nó đã trở thành một vật liệu thiết yếu trong cuộc sống Các sản phẩm từ nhựa len lỏi từ những công trình xây dựng đồ sộ cho đến những vật dụng cơ bản trong đời sống hằng ngày Chính nhờ vào những tính chất ưu việt kết hợp nguồn cung khổng lồ với giá thành cũng như chất lượng ngày càng được cải tiến đã đưa vị trí của nó gần như không thể thay thế

Tuy nhiên nhựa cũng phát sinh những vấn đề nghiêm trọng khi sự ô nhiễm rác thải nhựa đã lan rộng đến tất cả vùng đất trên Trái Đất Nhựa gây ô nhiễm bắt nguồn từ bản chất của chúng khi trong quá trình sản xuất, các chất hóa dẻo cùng phụ gia được thêm vào Khi sử dụng ở nhiệt độ cao từ 70 độ C, các chất này sẽ bị giải phóng Nếu con người hấp thu cơ thể sẽ gây nên nguy cơ mắc các căn bệnh hiểm nghèo mà điển hình là ung thư Ngoài ra tác động đến hệ sinh thái bắt nguồn từ thời gian phân hủy lên đến hàng trăm năm hoặc hơn, các hạt vi nhựa len lỏi đến từng các thể sinh vật gây đột biến, làm giảm độ xốp của đất, làm đất bạc màu ảnh hưởng trực tiếp đến canh tác nông nghiệp [34, 35]

Một giải pháp tiềm năng đã và đang được phát triển đó là phát triển các loại nhựa mới có nguồn gốc từ sinh khối Nhựa được tạo ra theo hướng này mang đặc tính an toàn với sức khỏe cũng như thân thiện với môi trường Ứng dụng chủ yếu đang được hướng đến đó chính là việc tạo ra màng bao bì ứng dụng trong quá trình đóng gói, bảo quản thực phẩm [36]

1.3.2 Tính chất của màng polymer phân hủy sinh học

Tên gọi màng polymer phân hủy sinh học bắt nguồn từ chính tính chất đặc trưng của chúng: khả năng phân tự hủy sinh học dưới tác dụng của môi trường và vi sinh vật Các màng polymer này khi phân hủy tạo thành các sản phẩm như như carbon dioxide CO2, metan CH4, nước và sinh khối Các sản phẩm này không những không gây hại cho con người mà còn sẽ tiếp tục được tuần hoàn trong hệ sinh quyển và là nguồn vật chất kiến thiết của các chu trình mà điển hình là chu trình carbon [3, 37]

Nhờ tính chất này, việc đưa sản phẩm từ nhựa phân hủy sinh học vào đời sống đang

9 được đẩy mạnh, đặc biệt là ở mảng bao bì thực phẩm và y tế

1.3.3 Các polymer cho màng nhựa phân hủy sinh học

Nguồn nguyên liệu đa dạng đến từ sinh khối chính là lý do hiện nay có rất nhiều loại polymer đang được nghiên cứu và phát triển

Có ba hướng chính trong việc tìm nguồn polymer cho màng nhựa phân hủy sinh học [2, 36, 38] như sau:

1.3.3.1 Polymer được lấy trực tiếp từ sinh khối

Các polysaccharide như tinh bột, cellulose, gelatin cùng một số loại protein là nguồn cung cấp chủ yếu Bên cạnh điểm mạnh là khả năng ngăn chặn không khí làm chậm quá trình hô hấp, giảm mất nước [2] phù hợp để bảo quản thực phẩm thì độ bền của màng polymer tạo ra thấp và vấn đề khi bảo quản ẩm do tính chất ưa nước gây ra những khó khăn nhất định Trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng chitosan, một polysaccharide thu được từ việc deacetyl hóa chitin có trong vỏ các loài giáp xác

Chitosan là một bazơ yếu và không tan trong nước nhưng hòa tan trong dung dịch acid loãng (pKa = 6.3 -7) khi các nhóm chức glusamie chuyển từ -NH2 thành -NH3+ Tính kìm hãm và tiêu diệt vi khuẩn của chitosan từ lâu đã đã biết tới với khả năng làm mất cân bằng điện tích màng tế bào vi sinh vật Đặc biệt với khả năng tương thích sinh học cao của chitosan với cơ thể con người, nó được ứng dụng trong các vai trò làm lành vết thương, polymer vận chuyển thuốc hay ứng dụng làm màng bao bì cho thực phẩm [4, 39, 40]

10 Hình 1.10 Cấu trúc hóa học của chitin và chitosan

1.3.3.2 Các polymer được tạo nên thông qua quá trình trùng hợp

Các polymer sinh học như acid lactic, polymer và polyester béo, monome gốc dầu,… với khả năng tổng hợp ở quy mô lớn bằng các kỹ thuật tạo lớp phủ khiến những polymer này có một tiềm năng lớn để đưa vào sản xuất hàng loạt Điển hình như acid polylactic hay polyethylen glycol

Trong nghiên cứu này, polyvinyl alcohol – PVA là một polymer phân hủy sinh học với nguồn gốc tổng hợp được sử dụng PVA có một số tính chất nổi bật: an toàn sinh học với cơ thể con người, độ truyền qua cao cũng nhưng độ bền cơ học lớn, phù hợp tạo nên các màng bao bì cho ứng dụng đóng gói thực phẩm [5, 41]

Hình 1.11 Cấu trúc phân tử của polyvinyl alcohol (PVA)

1.3.3.3 Polymer tạo ra bởi vi sinh

Các polymer này là sản phẩm của quá trình phân hủy của vi khuẩn biến đổi gen Sản phẩm điển hình chính là polyhydroxy-alkanoat Ngoài ra, quá trình sinh trưởng của vi sinh vật thường tạo ra biofilm – màng sinh học Từ đây có thể điều chế thành các polyester hay các polyaccharide [42]

Hình 1.12 Polymer tạo ra bởi màng sinh học có nguồn gốc từ vi sinh vật

1.3.4 Ứng dụng của màng polymer phân hủy sinh học

11 Ứng dụng đang được nghiên cứu và đẩy mạnh nhất như đã đề cập ở trên đó chính là màng bao bì bảo quản cho thực phẩm Ngoài ra, nhờ vào tính tương thích sinh học của mình, nó còn được ứng dụng trong y tế và sinh học Chức năng như làm chỉ khâu vết thương, polymer mang thuốc cũng mang nhiều hứa hẹn [43] Ngoài ra việc tích hợp các vật liệu có khả năng kháng khuẩn như các hạt nano kim loại và oxit kim loại làm mở rộng khả năng ứng dụng của màng polymer phân hủy sinh học trong việc làm màng bọc các thiết bị y tế để ngăn chặn sự lây nhiễm vi khuẩn, hay trong lọc nước, tách khí, miếng đắp chặn nhiễm trùng vết thương

1.4 Tổng quan về vi khuẩn E coli

Escherucha coli (E.coli) là vi khuẩn gram âm được phát hiện vào năm 1885 Người tìm

thấy và đặt tên cho nó là một nhà vi khuẩn học người Áo Theodore Escherich Đây là vi khuẩn thuộc nhóm vi khuẩn đường ruột, hình dạng hầu hết là dạng một tế bào có lông đuôi và có khả năng di động cao Trong trường hợp môi trường sống không thuận lợi thì hình dạng chuyển thành dạng hình que dài như sợi chỉ Kích thước dao động từ 2- 3 µm

x 0,5 µm Bản chất vi khuẩn E.coli là một tế bào nhân sơ (nhân không liên kết với màng tế bào) E.coli có ý nghĩa và tầm quan trọng rất cao trong lĩnh vực sinh học với bản chất

điển hình của một vi khuẩn gram âm, mang nhiều giá trị và liên quan mật thiết đến những nghiên cứu dịch tể, kháng sinh ở người

E.coli được cấu tạo từ 5 phần quan trọng như sau:

- Nhân vi khuẩn (Chromosomal DNA) - Tế bào chất (Cytoplasm)

- Vỏ (Capsule) - Thành tế bào (Cell wall) - Màng sinh chất (Plasma membrance)

E.coli sống được trong khoảng nhiệt độ từ 5- 40 độ C, một vài chủng sống được ở môi

trường nghèo dinh dưỡng Điều kiện nuôi cấy với nhiệt độ tương đươnng cơ thể người (37 độ C) chính là điều kiện lí tưởng cho vi khuẩn sinh sống và phát triển Xét về khả

năng gây bệnh, ta chia E.coli làm 3 nhóm: gây bênh tiêu chảy (DEC – Diarrheagenic E

coli), gây bệnh ở đường ruột (IPEC – intestinal pathogenie E coli), gây bệnh ngoài

12

đường ruột (ExPEC – Extraintestinal pathogenie E coli)

Hình 1.13 Mô hình cấu tạo của vi khuẩn E.coli

1.4.1 Các phương pháp diệt khuẩn E coli

Các phương pháp hóa học, vật lí dùng để khử trùng nước như tia UV (cực tím), nhiệt độ (đun sôi), lọc, tiệt trùng Pasteur, dùng hóa chất có tính sát khuẩn (cồn, chất sát trùng,

clo,…) đều có thể tiêu diệt E coli Ngoài ra, các hạt nano kim loại và oxit kim loại Cu, Zn, Au, Ag,… được chứng minh là có khả năng diệt khuẩn E coli tốt Hiệu quả diệt

khuẩn của nó phụ thuộc vào hình dạng, kích thước và thành phần hóa học của vật liệu Đặc biệt việc sử dụng vật liệu nano và nanocomposite có thể hạn chế được việc kháng thuốc của vi khuẩn như các phương pháp khác, từ đó việc sử dụng vật liệu nano kim loại và oxit kim loại trong diệt khuẩn ngày càng nhận được sự quan tâm

Một số nghiên cứu tiêu biểu như titanium oxide làm xúc tác quang phân hủy chất màu hữu cơ và diệt khuẩn [44] hoặc sử dụng graphene dưới ánh sáng laser cận hồng ngoại (NIR) cũng giúp tăng cường khả năng kháng khuẩn của vật liệu [45] Đặc biệt, hạt nano bạc không yêu cầu các điều kiện xúc tác cũng như khả năng tổng hợp nhanh chóng đã giúp nó chiếm ưu thế như là một giải pháp công nghệ chống lại tình trạng vi khuẩn kháng thuốc trên toàn cầu hiện nay

1.4.2 Cơ chế kháng khuẩn của hạt nano bạc

AgNPs được biết tới với khả năng tiêu diệt vi khuẩn hữu hiệu Điều này có liên quan đến bản chất của Ag cũng đặc tính của các hạt nano Người ta xem xét đặc tính kháng khuẩn của Ag dựa vào các cơ chế như sau: Hạt nano bạc xuyên qua hoặc có thể bám lên

13 màng tế bào gây ra mất cân bằng điện tích màng, rối loạn quá trình trao đổi chất qua màng Ngoài ra sự có mặt của hạt nano cũng làm sinh các loại oxy phản ứng ROS bao gồm -OH-, O2-, H2O2 gây nên chuỗi phản ứng nội bào và phá hủy tế bào Ion Ag cũng tấn công và phá hủy quá trình phiên mã và dịch mã của nhân tế bào Các ion bạc liên kết với protein và axit nucleic tích điện âm, gây ra những thay đổi và biến dạng cấu trúc trong axit nucleic của tế bào vi khuẩn nhờ sự tương tác với các nhóm chức thiol, photphate, hydroxyl,…[7, 46] Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng ba phương pháp để đánh giá khả năng kháng khuẩn bao gồm phương pháp đo vòng tròn ngăn chặn, phương pháp đo đường cong tăng trưởng và phương pháp đếm khuẩn

Hình 1.14 Mô tả cơ chế kháng khuẩn của hạt nano bạc AgNPs

1.5 Liên hệ đề tài

Dựa trên xu thế xanh, ứng dụng công nghệ để tạo ra các giải pháp bền vững thì việc sử dụng vật liệu nhựa phân hủy sinh học đã và đang phát triển nhanh chóng Chế tạo nên một màng phân hủy sinh học đáp ứng khả năng thay thế cho màng bọc thực phẩm truyền thống giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường là một mục tiêu đầy hứa hẹn Trong nghiên cứu này, bằng sự kết hợp của hai loại polymer phân hủy sinh học là polyvinyl alcohol và chitosan đem đến một màng nhựa phân hủy sinh học an toàn với người sử dụng Sự phát triển của công nghệ nano đã đem đến những giải pháp cho nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong lĩnh vực kháng khuẩn Với bản chất đặc biệt của mình, hạt nano có khả năng diệt khuẩn mạnh mẽ và là một giải pháp tuyệt vời chống lại tình trạng vi khuẩn kháng thuốc kháng sinh ngày nay Hạt nano bạc với tính ưu việt, chế tạo nhanh chóng và đơn

14 gian được sử dụng là tác nhân kháng khuẩn Thông qua việc tích hợp hạt nano bạc vào trong màng polymer phân hủy sinh học PVA/CS giúp tạo ra một sản phẩm màng bao bì có khả năng diệt khuẩn mạnh mẽ mà các màng bọc truyền thống không đáp ứng được Điều này giúp bảo vệ thực phẩm khỏi sự phân hủy của vi khuẩn lẫn giúp an toàn cho sức khỏe con người, bảo vệ môi trường mà vẫn đảm bảo năng lực bảo quản thực phẩm một cách hữu hiệu là những mục tiêu mà đề tài đặt ra Ngoài ra, màng tạo thành cũng phải đảm bảo được độ bền, khả năng phân hủy sinh học và khả năng chống nước kết hợp với khả năng kháng khuẩn, tất cả điều này hứa hẹn tiềm năng to lớn của việc thay thế các màng bọc truyền thống

2.2.2 Quy trình tổng hợp vật liệu

Nghiên cứu này tập trung vào việc tổng hợp màng phân hủy sinh học gồm hai polymer là chitosan và PVA, kết hợp cùng hạt nano bạc (AgNPs) tạo thành một màng composite hoàn chỉnh

Quá trình gồm 2 giai đoạn: tổng hợp hạt nano bạc và tạo màng polymer tích hợp hạt nano bạc trong màng

Giai đoạn 1: Tổng hợp hạt nano bạc (AgNPs) Thuyết minh quy trình: Dung dịch chitosan 1%wt (tỉ lệ: dung dịch acid acetic 1% v/v + 1g chitosan được khuấy từ qua đêm) và nước cất hòa vào erlen theo tỉ lệ xác định, đặt lên máy khuấy từ và khuấy không gia nhiệt trong 20 phút để đồng nhất Tiếp đến cho từ từ dung dịch bạc nitrate AgNO3 vào và tiếp tục khuấy trong 10 phút Sau đó nhỏ dung

16 dịch NaBH4 đã được chuẩn bị vào, dung dịch từ không màu chuyển sang màu vàng nâu Tiếp tục khuấy trong 1 giờ để các hạt nano bạc được phân tán đều

Phản ứng tạo thành hạt nano bạc như sau: 2AgNO3 + 2NaBH4 => 2Ag + B2H6 + H2 + 2NaNO3

Hình 1.15 Sơ đồ quy trình tổng hợp hạt nano bạc AgNPs

2.2.2.1 Giai đoạn 2: Chế tạo màng polymer (PVA/CS/AgNPS)

Thuyết minh quy trình Dung dịch PVA đã được chuẩn bị bằng khuấy từ và gia nhiệt trước, sau đó cho dung dịch chitosan đã tổng hợp hạt nano bạc vào và tiến hành khuấy từ trong 3 giờ Tiếp đến, một lượng glycerol được thêm vào trong dung dịch màng và tiếp tục khuấy trong 3 giờ, cuối cùng được đem đi đánh siêu âm để loại bỏ bọt khí lẫn vào trong dung dịch

Tiến hành bước trải màng: hút một lượng dung dịch (6ml) trải đều lên đĩa petri, hút loại bỏ các bọt khí và để khô ở nhiệt độ môi trường Sau 2 ngày tiến hành dùng nhíp kẹp bóc cẩn thận màng

17 Hình 2.1 Quy trình tạo màng polymer kết hợp hạt nano bạc (PVA/CS/AgNPs)

2.3 Các phương pháp khảo sát tính chất màng

2.3.1 Phương pháp đo phổ hấp thu tử ngoại khả kiến UV – Vis

Phương pháp phổ hấp thụ tử ngoại khả kiến hay còn gọi là phổ hấp thụ điện từ (dựa trên sự hấp thụ bước sóng điện từ khi truyền qua môi trường) Với ưu điểm chi phí thấp, thời gian đo nhanh cùng với việc không làm phá hủy mẫu giúp nó trở thành một lựa chọn được ưa chuộng trong phân tích cả những hợp chất vô cơ và hữu cơ Với khả năng phân tích định lượng và định tính, vùng bước sóng làm việc trải dài, thông thường từ 190 – 1100 nm, tức gồm cả vùng hồng ngoại gần (trên 800 nm) hay vùng tử ngoại xa (dưới 200 nm) Trong nghiên cứu này, vật liệu màng polymer kết hợp hạt nano bạc PVA/CS/AgNPs được phân tích ở trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh bằng máy UH – 5300 Hitachi

2.3.2 Phương pháp đo độ truyền quang

Màng polymer sau khi khô được cắt thành các tấm nhỏ hình chữ nhật có kích thước 5x1 cm Sử dụng máy đo UV-Vis ở chế độ quét bước sóng (Wavelength Scan) để khảo sát mức độ cho bức xạ truyền qua của màng trong phạm vi từ 190 – 1100 (nm) Tiến hành

18 đặt tấm màng vào vị trí đặt cuvet Giữ tấm màng được thẳng, hướng chùm tia tới xuyên qua tấm màng

2.3.3 Phương pháp đo độ hút nước và độ tan

Tấm màng polymer được cắt ra thành các tấm nhỏ có kích thước 2x1 cm Các tấm màng sau đó đem đi sấy khô ở 60°C trong 12 giờ Tiến hành cân và ghi nhận giá trị khối lượng ban đầu (𝑊0) Mẫu được ngâm trong nước cất ở nhiệt độ phòng trong 24 giờ, sau đó vớt ra, tiến hành làm khô bằng cách thấm giấy lọc Cân khối lượng mẫu lúc này ta thu được khối lượng ướt (𝑊𝑡) Đem mẫu đi sấy khô ở 60 C trong 12 giờ, tiến hành cân ta thu được giá trị lượng mẫu còn lại (𝑊𝑑)

Từ 3 giá trị khối lượng trên, ta thu được - Độ hấp thu 𝑊𝑎(%) = 𝑊𝑡 −𝑊0

𝑊 0 × 100% - Độ mất khối lượng 𝑊𝑠(%) = 𝑊𝑜 −𝑊𝑑

𝑊 0 × 100%

2.3.4 Phương pháp đo độ bền kéo và độ giãn dài

Phương pháp đo độ bền kéo và độ giãn dài nhằm xác định được ứng suất và độ biến dạng của màng polymer tạo thành Đây là thông số quan trọng vì nó liên quan trực tiếp đến khả năng sử dụng để bảo quản và vận chuyển cho thực phẩm Các màng polymer được cắt thành tấm có kích thước 5x1 cm Dùng thước kẹp điện tử panme khảo sát giá trị bề dày trung bình của tấm màng polymer Sau đó đưa tấm màng vào máy đo cơ tính Hai đầu màng được hai ngàm của máy đo kẹp lấy và giữ cố định Tiến hành đo, ngàm dưới máy giữ cố định và ngàm trên bắt đầu di chuyển lên kéo theo tấm phim, tốc độ kéo của ngàm là 3 mm/s Máy đo ghi lực kéo và chiều dài đã kéo được và trả kết quả lực kéo theo thời gian, quãng đường ngàm di chuyển Độ bền kéo được là tỉ số giữa giá trị cực đại của lực tác dụng trước khi màng polymer bị đứt với tiết diện của nó theo công thức sau đây:

δ =𝐹𝐴Trong đó δ là độ bền kéo (Tensile strength, N/mm2 hoặc Mpa) F là lực tác dụng (N), A là tiết diện chịu lực (mm2) A = d*s với d là chiều rộng tấm phim

19 (mm), s là độ dày (mm)

Độ giãi dài là tỉ lệ giữa chiều dài ban đầu của phần màng polymer nằm giữa 2 ngàm và giá trị của nó trước khi bị đứt

2.3.5 Phương pháp đo góc thấm ướt

Phương pháp đo góc thấm ướt nhằm xác định ứng xử của bề mặt vật liệu đối với nước Tính chất này thể hiện qua giá trị góc thấm ướt theta θC Khi góc thấm ướt càng bé ta nói bề mặt vật liệu có tính ưa nước, ở góc 0° vật liệu thấm ướt hoàn toàn Khi góc càng cao, bề mặt vật liệu sẽ kị nước, ở 180° thì bề mặt vật liệu hoàn toàn không thấm nước Chuẩn bị mẫu đo với việc nhỏ dung dịch màng lên lam kính hiển vi Sử dụng lam kính có kích thước 25,4 x 76,2 mm ứng với 1.5 ml dung dịch màng polymer lên và trải đều trên tấm kính và được đem sấy khô ở 60 độ C trong 6 giờ

Tiến hành xác định góc thấm ướt: Dùng micro pipet nhỏ một lượng glycerol khoảng 10 ul lên tấm kính, camera đặt đối diện và vuông góc tấm kính Ghi nhận hình ảnh giọt glycerol khi vừa tiếp xúc tấm kính Sử dụng phầm mềm ImageJ để xác định góc thấm ướt θC của màng thông qua tính năng drop analysis

Hình 2 2 Góc thấm ướt và cách xác định

2.4 Các phương pháp phân tích

2.4.1 Phương pháp kính hiển vi điện tử quét SEM

Phương pháp kính hiển vi điện tử quét giúp xác định hình ảnh với độ phân giải cao của bề mặt mẫu dạng rắn bằng cách sử dụng chùm tia điện tử (electron) quét lên trên bề mặt mẫu Ảnh được tạo nên bằng việc ghi nhận, xử lí, phân tích các bức xạ tạo ra do tương tác giữa chùm tia electron tới với bề mặt mẫu SEM với giá thành hợp lí, xử lí mẫu đơn giản cũng như có thể đạt độ phóng đại đến khoảng 10 nm là phương pháp hữu ích trong việc xác định hình thái trên bề mặt mẫu mà không phá hủy nó

20 Hình 2.3 Sơ đồ cấu tạo kính hiển vi điện tử quét – SEM

2.4.2 Phương pháp phân tích quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR)

Phương pháp phân tích quang phổ hồng ngoại biến đối Fourier giúp xác định các nhóm chức có trong mẫu từ đó cho thấy được cấu trúc và thành phần hóa học Phương pháp này sử dụng dải phổ ánh sáng hồng ngoại và phù hợp cho cả các hợp chất hữu cơ lẫn vô cơ Trong nghiên cứu này, vật liệu màng polymer kết hợp hạt nano bạc PVA/CS/AgNPs được phân tích ở trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật thành phố Hồ Chí Minh bằng máy FTIR ở phòng B212 khoa Công Nghệ Hóa Học và Thực Phẩm

2.4.3 Phương pháp kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM)

Kỹ thuật phân tích kính hiển vi điện tử truyền qua TEM được ứng dụng rộng rãi nhằm phân tích hình thái, kích thước và cấu trúc của mẫu vật liệu dạng rắn Nguyên lí hoạt động của TEM nhờ vào việc sử dụng chùm tia bức xạ năng lượng cao chiếu xuyên qua mẫu vật liệu kết hợp cùng hệ thống thấu kính từ giúp tạo ra ảnh có độ phóng đại cực lớn Trong nghiên cứu này, vật liệu màng biofilm PVA/CS/AgNPs được phân tích bằng máy đo TEM ở phòng siêu cấu trúc, viện Vệ sinh dịch tể Trung ương, Hà Nội

2.4.4 Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng TGA

Đây là một phương pháp phân tích giúp theo dõi được sự biến đổi tính chất hóa lí của vật liệu thông qua sự thay đổi khối lượng theo một chương trình nhiệt độ Phương pháp phân tích nhiệt trọng lượng giúp cung cấp thông tin về các quá trình biến đổi hóa lí của vật liệu dựa trên các hiệu ứng nhiệt trong quá trình, định tính và định lượng thành phần của mẫu có hoạt tính nhiệt