i TÓM TẮT KHÓA LUẬN Trong khuôn khổ đề tài “ Chế tạo màng chỉ thị pH từ PVA, tinh bột và agar bổ sung dịch chiết bắp cải tím ứng dụng trong bao bì thực phẩm”, chúng tôi đã thực hiện chế
TỔNG QUAN
Bao bì thông minh
Bao bì thông minh là công nghệ mới trong ngành thực phẩm, cho phép tự động theo dõi và thông báo về những thay đổi môi trường ảnh hưởng đến thực phẩm trong quá trình bảo quản Nhờ vào các nhãn dán trên bao bì, người tiêu dùng có thể nhận biết thông tin an toàn thực phẩm thông qua những thay đổi vật lý rõ ràng Với tiềm năng ứng dụng lớn, bao bì thông minh dự kiến sẽ chiếm tỷ trọng đáng kể trong sản xuất bao bì thực phẩm trong tương lai.
Hình 1.1 Phân loại bao bì thông minh
Bao bì thông minh được phân loại thành ba loại chính: (1) phương tiện truyền dữ liệu (sử dụng mã QR code); (2) chỉ thị (dựa trên các yếu tố như nhiệt độ, thời gian, rò rỉ khí và pH); và (3) cảm biến (dựa trên khí, oxy và vi sinh) Sự khác biệt nổi bật giữa chỉ thị và cảm biến là cảm biến có khả năng định lượng chất phân tích mục tiêu trong bao bì thông qua tín hiệu phản hồi, trong khi chỉ thị chỉ xác định sự hiện diện hoặc không có của chất phân tích mục tiêu, hoặc thực hiện phân tích bán định lượng.
1.1.1 Màng chỉ thị pH a Giới thiệu
Trong những năm gần đây, công nghệ đóng gói thông minh đã phát triển mạnh mẽ, đáp ứng nhu cầu cao về an toàn thực phẩm và dinh dưỡng Màng chỉ thị pH dựa trên polymer phân hủy sinh học kết hợp với chất tạo màu tự nhiên đã được giới thiệu như một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực này.
Màng chỉ thị pH trong bao bì thực phẩm không chỉ bảo vệ sản phẩm khỏi các yếu tố môi trường mà còn có khả năng giám sát và phát hiện những thay đổi bên trong môi trường đóng gói theo thời gian thực.
Sự biến đổi chất lượng thực phẩm được thể hiện qua sự thay đổi độ pH theo thời gian, nhưng việc xác định pH trở nên khó khăn khi sản phẩm vào chuỗi cung ứng Điều này dẫn đến rủi ro về sức khỏe và lãng phí thực phẩm cho người tiêu dùng Do đó, việc giải quyết các thách thức liên quan là rất quan trọng Hiện nay, các màng chỉ thị pH đã thu hút sự chú ý nhờ khả năng giám sát tình trạng thực phẩm đóng gói và môi trường xung quanh, cung cấp cho người tiêu dùng một cách nhìn trực quan về sự thay đổi màu sắc, phản ánh sự biến đổi trong môi trường bên trong bao bì thực phẩm.
Màng chỉ thị pH là loại màng có khả năng thay đổi màu sắc khi có sự biến đổi pH Thông thường, màng này được cấu tạo từ hai thành phần chính: nền polymer và chất màu, với khả năng phản ứng màu sắc ở các mức pH khác nhau.
Nền polymer có thể được tạo ra từ các polymer sinh học như chitosan, tinh bột, agar, carageenan và các dẫn xuất cellulose, cũng như protein Những polymer này sở hữu các đặc tính nổi bật như khả năng tương thích sinh học, khả năng phân hủy sinh học và tính không độc hại, khiến chúng trở thành vật liệu tiềm năng cho ứng dụng trong bao bì thực phẩm.
Chất chỉ thị thường sử dụng trong thực phẩm là các sắc tố tổng hợp như bromocresol xanh và tím, chlorophenol, methyl và cresol đỏ, bromothymol xanh và xylenol Tuy nhiên, độc tính của các sắc tố này gây khó khăn trong việc đáp ứng kỳ vọng an toàn thực phẩm của người tiêu dùng Do đó, thuốc nhuộm tự nhiên chiết xuất từ thực vật trở thành lựa chọn thay thế an toàn hơn cho vật liệu đóng gói nhờ vào độc tính thấp và đặc tính tái tạo, không gây ô nhiễm Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng chất màu tự nhiên như curcumin, anthocyanin, chlorophyll và betalain có thể được sử dụng để phát triển màng chỉ thị pH hiệu quả.
Màng chỉ thị pH hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi màu sắc, cho phép xác định pH của môi trường Khi tiếp xúc với các môi trường có pH khác nhau, màng sẽ thay đổi màu sắc tương ứng, giúp người dùng dễ dàng nhận biết giá trị pH hiện tại.
Hình 1.2 Minh họa về sự thay đổi màu sắc của màng chỉ thị pH
Hoạt động của vi sinh vật và enzyme trong thực phẩm trong quá trình bảo quản dẫn đến sự hình thành nhiều chất chuyển hóa quan trọng Sự tích tụ của các chất chuyển hóa như amin và NH3 có thể ảnh hưởng đến chất lượng và độ an toàn của thực phẩm.
CO2 và hoạt động của vi sinh vật có khả năng làm thay đổi pH của thực phẩm, từ đó tạo ra phản ứng màu thông qua sự thay đổi độ acid-base, được ứng dụng để phát triển các màng chỉ thị Sự thay đổi màu sắc trên các màng chỉ thị này giúp người tiêu dùng nhanh chóng xác định độ tươi của thực phẩm.
Hình 1.3 Màng chỉ thị pH theo dõi độ tươi của tôm [2]
4 d Tính chất của màng chỉ thị pH
Màng chỉ thị pH có khả năng thay đổi màu sắc nhanh chóng, là một trong những tính chất quan trọng nhất của nó Nghiên cứu của Chen và cộng sự (2019) chỉ ra rằng màng được tạo thành từ PVA-chitosan kết hợp với anthocyanin trong dịch chiết bắp cải tím có sự thay đổi màu sắc rõ rệt Cụ thể, ở pH 1.0, màng có màu đỏ và chuyển dần sang tím khi pH tăng lên 6.0, tiếp theo là màu xanh lam ở pH 7.0 và 8.0, sau đó chuyển sang xanh lục ở pH 9.0 Đặc biệt, khi pH đạt 12.0, màng nhanh chóng chuyển sang màu vàng lục trong vòng chưa đầy 30 giây.
Màng chỉ thị pH có màu sắc khác nhau tùy thuộc vào giá trị pH, đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ sản phẩm khỏi các tác nhân gây hư hỏng và phân hủy Đặc tính cơ học của màng, cùng với khả năng thấm hơi nước (WVP) và thấm oxy (OP), ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm bằng cách kiểm soát sự truyền nước và oxy từ môi trường bên trong và bên ngoài.
Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc thêm chất chỉ thị vào nền polymer có thể tạo ra màng thông minh với tính chất cơ học cải thiện Zhai và cộng sự đã phát triển màng đo màu từ tinh bột/polyvinyl alcohol kết hợp với anthocyanin roselle (Hibiscus sabdariffa L.) ở các nồng độ khác nhau (0, 30, 60 và 120 mg/100 g tinh bột) và đánh giá các tính chất cơ học của chúng Kết quả cho thấy, khi thêm anthocyanin, nồng độ thấp nhất (30 mg/100 g tinh bột) không làm giảm độ bền kéo, nhưng các nồng độ cao hơn đều dẫn đến sự giảm độ bền kéo so với mẫu đối chứng Ngược lại, độ giãn dài của màng tăng lên ở tất cả các nồng độ.
Nghiên cứu của Liu và cộng sự (2018) cho thấy việc bổ sung curcumin ở nồng độ 0%, 1%, 3%, 5% và 7% vào màng κ-carrageenan ảnh hưởng đến các đặc tính cơ học và rào cản của màng Cụ thể, nồng độ curcumin lên đến 3% cải thiện độ bền kéo của màng so với mẫu đối chứng, mặc dù tất cả các nồng độ đều dẫn đến sự giảm độ giãn dài Đặc biệt, việc bổ sung curcumin đến 5% đã nâng cao đáng kể các đặc tính rào cản, cải thiện khả năng chống thấm hơi nước (WVP) và oxy (OP).
1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Tổng quan nguyên liệu tạo màng chỉ thị pH
Polyvinyl alcohol (PVA) là một polymer tổng hợp phổ biến, có công thức hóa học là [CH2CH(OH)]n PVA nổi bật với khả năng hòa tan trong nước và sở hữu nhiều đặc tính quan trọng như tính tương thích sinh học, khả năng tạo màng và khả năng phân hủy sinh học.
PVA được sản xuất thông qua quá trình trùng hợp vinyl acetate, tạo ra poly (vinyl acetate), sau đó được thủy phân thành poly (vinyl alcohol) PVA thường được phân loại thành ba nhóm dựa trên mức độ thủy phân: thủy phân một phần (84.2 – 89.0 %), thủy phân vừa phải (92.5 – 96.5 %), và thủy phân hoàn toàn (98.0 – 99.0 %) Mức độ thủy phân là yếu tố quyết định các tính chất vật lý, hóa học và cơ học của PVA.
Hình 1.5 Phản ứng thủy phân tạo PVA
Màng PVA có độ bền kéo và độ giãn dài cao, nhưng dễ tan trong nước, hạn chế ứng dụng của nó Để khắc phục nhược điểm này, việc kết hợp PVA với polysaccharide đã cải thiện đặc tính của màng Nghiên cứu cho thấy, khi thêm tinh bột vào màng PVA, tính ưa nước giảm và các tính chất cơ học được tăng cường, mở rộng tiềm năng ứng dụng của PVA trong bao bì thực phẩm.
Tinh bột bắp là polysaccharide tự nhiên từ thực vật, được sử dụng phổ biến trong ngành thực phẩm như chất tạo gel, chất làm đặc và chất độn Hơn 85% sản lượng tinh bột toàn cầu đến từ tinh bột bắp, cho thấy vai trò quan trọng của nó trong sản xuất thực phẩm.
Tinh bột bắp có công thức hóa học (C6H10O5)n bao gồm hai đại phân tử chính là amylose
Tinh bột bao gồm 30-40% amylose và 60-70% amylopectin Amylose có cấu trúc mạch dài và thẳng, được hình thành từ các gốc glucose liên kết bằng các liên kết alpha-D-1,4-glycoside Trong khi đó, amylopectin là chuỗi polysaccharide phân nhánh, với các liên kết alpha-D-1,4-glycoside ở mạch thẳng và các liên kết tại vị trí phân nhánh Tinh bột có khả năng trương nở và hồ hóa; khi ở nhiệt độ phòng, các hạt tinh bột hấp thụ nước và trương nở, quá trình này có tính thuận nghịch Khi gia nhiệt, các liên kết hydro bị phá vỡ, dẫn đến sự hydrat hóa của amylose và amylopectin, làm tăng độ nhớt và độ trong của hỗn hợp Khi để nguội, các phân tử tinh bột sắp xếp lại để hình thành gel tinh bột với cấu trúc mạng ba chiều.
8 amylose và amylopectin nối trực tiếp với nhau bởi liên kết hydro hoặc nối gián tiếp nhờ các phân tử nước [24]
Tinh bột là vật liệu phổ biến trong nghiên cứu bao bì hoạt tính và thông minh Nồng độ tinh bột lý tưởng để tạo màng là khoảng 10-15% Nếu nồng độ quá thấp (dưới 4%), dung dịch khó hình thành gel, dẫn đến màng không liền mạch và không đạt độ dày yêu cầu Ngược lại, nồng độ quá cao (>30%) làm dung dịch trở nên nhớt, khó tráng đều Ở nồng độ thích hợp, gel hình thành ngay lập tức khi làm nguội, vì vậy cần giữ nhiệt độ dung dịch cao hơn nhiệt độ tạo gel trước khi tiến hành tráng màng.
Agar là một polysaccharide không đồng nhất chiết xuất từ tảo biển thuộc họ Rhodophyceae, gồm hai thành phần chính là agarose (70%) và agaropectin (30%) Agar được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thực phẩm nhờ khả năng tạo gel đặc biệt, với sự khác biệt lớn giữa nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ tạo gel mang lại những đặc tính độc đáo Tính an toàn của agar càng làm tăng sự phổ biến của nó trong ngành thực phẩm Agarose là polymer mạch thẳng cấu tạo từ các đơn vị agarobiose, trong khi agaropectin chứa D-galactose và L-galactose với nhiều nhóm phụ axit như sulfate.
Hình 1.6Cấu trúc của agarose (a) và agaropectin (b)
Agar chỉ tan trong nước khi nhiệt độ đạt ≥ 85ºC và bắt đầu gel hóa, đông đặc ở 32 – 40ºC Quá trình chuyển đổi từ gel sang dung dịch có thể thực hiện bằng cách gia nhiệt Trong cấu trúc gel, liên kết hydro liên phân tử và nội phân tử chủ yếu được hình thành từ agarose Sự kết hợp của nguyên tử O giữa D-galactose và 3,6-anhydro-L-galactopyranose tạo ra liên kết hydro nội phân tử, với nhóm OH tại vị trí C4 của D-galactose liên kết với nguyên tử O của 3,6-anhydro-L-galactopyranose theo cấu hình trục.
Bắp cải tím (Brassica oleracea var capitata rubra) thuộc chi Brassica họ Cruciferous
Bắp cải tím, có nguồn gốc từ Châu Âu, hiện được trồng rộng rãi trên toàn cầu Tại Việt Nam, loại rau này chủ yếu được trồng ở các tỉnh có khí hậu mát mẻ như Đà Lạt và Sapa.
Bắp cải tím chứa các hợp chất anthocyanin với hàm lượng cao (≥10 g/kg DM), tạo nên màu sắc đặc trưng của nó Hơn 30 loại anthocyanin đã được phát hiện trong bắp cải tím, chủ yếu là anthocyanin gốc cyanidin, có thể ở dạng không acyl hóa hoặc acyl hóa với một hoặc hai axit như axit cumaric, axit sinapic và axit caffeic Bên cạnh đó, bắp cải tím còn là nguồn cung cấp dinh dưỡng phong phú, bao gồm vitamin C, K, beta-carotene, khoáng chất, chất xơ, polyphenol và glucosinolate.
Anthocyanin (ATH) là một sắc tố flavonoid phổ biến trong tự nhiên, có mặt trong nhiều mô của thực vật như cánh hoa, rễ, thân, củ, quả, lá và hạt ATH đóng vai trò quan trọng trong việc phát tán, thụ phấn và phát triển các cơ quan thực vật Với cấu trúc cation 2-phenylbenzopyrylium hoặc flavylium, ATH được phân loại là polyphenol và chất chuyển hóa thứ cấp Các dạng khác nhau của ATH tạo ra màu sắc đa dạng như đỏ, xanh lam và tím trong rau, hoa và trái cây.
Màu sắc của anthocyanin chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố vật lý và hóa học trong môi trường, bao gồm tính chất và chủng loại của anthocyanidin, lượng đường liên kết, cũng như phản ứng hóa học với glycoside và acid.
Các dẫn xuất glycoside tự nhiên phổ biến bao gồm 3-monosides, 3-biosides, 3,5-diglucosides và 3,7-diglucosides, trong đó 3-glucosides xuất hiện nhiều hơn 2,5 lần so với 3,5-diglucosides Khi anthocyanidin kết hợp với các glycoside, sẽ tạo thành anthocyanin, với cyanidin-3-glucosides là loại phổ biến nhất.
Cấu trúc cơ bản của anthocyanin bao gồm khung 15C với một vòng chromane và một vòng thơm B ở vị trí 2 (C6-C3-C6) Anthocyanin có thể chứa một hoặc nhiều phân tử đường liên kết tại các vị trí hydroxyl hóa khác nhau trên mạch chính, với các nhóm thế tại vị trí R1.
R2 sẽ là một anthocyanidin tương ứng
Có hơn 23 loại anthocyanidins khác nhau, nhưng chỉ 6 loại phổ biến nhất ở thực vật có mạch, bao gồm cyanidin (50%), pelargonidin (12%), peonidin (12%), delphinidin (12%), petunidin (7%) và malvidin (7%) Cấu trúc cơ bản của anthocyanidins, kết hợp với các nhóm thế ở vị trí R1 và R2, tạo ra các dạng như cyanidin, pelargonidin, peonidin, delphinidin, petunidin và malvidin.
Bảng 1.1 Các nhóm thế trong cấu trúc của anthocyanidin
Pelargonidin Cyanidin Delphinidin Peonidin Petunidin Malvidin
R 1 H OH OH OCH3 OCH3 OCH3
Hình 1.8 Cấu trúc các dạng của anthocyanin: a) flavylium cation; b) carbinol pseudobase; c) quinonoidal base; d) anionic quinoidal base ; e) chalcone
Phương pháp in điện hóa
1.3.1 Giới thiệu chung Để cung cấp thông tin sản xuất thiết yếu cho người tiêu dùng, hầu hết các vật liệu đóng gói thực phẩm được in bằng các loại mực có màu Tuy nhiên, mực có thể gây ô nhiễm thực phẩm, thậm chí gây nguy hiểm tới sức khỏe người tiêu dùng Chính vì thế, nhu cầu phát triển mực in có nguồn gốc từ tự nhiên cùng với các kỹ thuật in công nghệ mới đang rất được phát triển hiện nay [53]
In điện hóa là quá trình tạo ra thông tin trên bề mặt vật liệu, như được minh họa trong Hình 1.11 Nghiên cứu về in điện hóa với nhiều màu sắc dựa trên sự thay đổi màu của anthocyanin, do ion H+ và OH- sinh ra từ quá trình điện phân nước Phương trình phản ứng điện phân nước tại hai đầu điện cực được mô tả cụ thể trong nghiên cứu này.
Hình 1.11Minh họa quy trình in điện hóa trên hydrogel chitosan/agarose/ATH [55]
1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Trong nước vẫn chưa có các nghiên cứu về phương pháp in điện hóa lên màng chỉ thị pH bằng dòng điện một chiều
Nghiên cứu về in điện hóa đã chỉ ra rằng phương pháp này dựa vào sự thay đổi màu sắc của anthocyanin khi phản ứng với pH trong hydrogel chitosan/agarose Khi áp dụng điện thế âm cho dây không gỉ, được sử dụng như bút, lên bề mặt hydrogel, pH cục bộ sẽ thay đổi, dẫn đến sự biến đổi màu sắc của anthocyanin và cho phép ghi lại thông tin trên hydrogel Nghiên cứu của Si Wu và cộng sự (2018) đã xác nhận rằng chữ viết có thể tồn tại tạm thời trong hydrogel và giữ được độ ổn định khi hydrogel khô.
Nghiên cứu của Zhai và cộng sự (2018) đã thành công trong việc in mẫu lên màng bằng phương pháp in điện hóa, tạo ra một loại hydrogel rắn chắc, đồng nhất và có độ dẻo dai tốt Bằng cách điều chỉnh hướng và cường độ dòng điện, mẫu hình bông hóa có cánh màu đỏ cam và lá màu xanh được thể hiện rõ ràng trên bề mặt hydrogel, như minh họa trong hình 1.12 Các mẫu in trên màng không bị mất đi chất lượng.
Màng được sử dụng làm cảm biến khí cho thực phẩm cho thấy tính bền vững của mẫu in bằng phương pháp in điện hóa Tuy nhiên, các nghiên cứu hiện tại chưa khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố như thời gian và chất điện ly đến quá trình in điện hóa Việc điều chỉnh màu sắc dễ dàng dựa trên các yếu tố này có thể mở rộng ứng dụng của màng in điện hóa.
Hình 1.12 Mẫu in điện hóa [53]
THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nguyên liệu, hóa chất và dụng cụ
2.1.1 Nguyên liệu và hóa chất
Bảng 2.1 Nguyên liệu và hóa chất
Nguyên liệu và hóa chất Nguồn gốc
Bắp cải tím Công ty cổ phần nông sản Viet Fresh
Bột agar Công ty TNHH Hải Long
Poly vinyl alcohol (PVA) Himedia, Ấn Độ
Tinh bột bắp Công ty cổ phần Bột Thực Phẩm Tài Ký
Glycerol, 99.5% Xilong Scientific, Trung Quốc
Ethanol absolute (C2H5OH) Chemsol, Việt Nam
Trong khóa luận, các dụng cụ thiết yếu bao gồm cốc thủy tinh, ống đong, bình định mức, pipet, micropipet, ống bóp cao su, nhiệt kế, đĩa petri và bình tia Những dụng cụ này đóng vai trò quan trọng trong quá trình thực hiện thí nghiệm và thu thập dữ liệu.
Khuấy từ gia nhiệt, bể siêu âm, máy đo pH, máy quang phổ UV – Vis, máy đo cơ tính.
Sơ đồ nghiên cứu
Khóa luận nghiên cứu ảnh hưởng của hàm lượng agar và dịch chiết đến tính chất của màng chỉ thị pH, như được thể hiện trong hình 2.1.
Các polymer như PVA, tinh bột và agar được sử dụng để tạo màng bằng cách khuấy trộn với glycerol và dịch chiết bắp cải tím Để xác định tính chất của màng chỉ thị pH, các phép đo bao gồm màu sắc theo pH, FTIR, cơ tính, độ truyền quang, độ ẩm, độ tan, độ trương, khả năng truyền ẩm và khả năng in điện hóa được thực hiện.
Phương pháp thực nghiệm
2.3.1 Quy trình trích ly dịch chiết
Dịch chiết từ bắp cải tím được thực hiện thông qua phương pháp trích ly dung môi kết hợp với sóng siêu âm, theo nghiên cứu của Fuleki và cộng sự (1980) Quy trình trích ly này được mô tả chi tiết trong hình 2.1.
Hình 2.2Sơ đồ quy trình trích ly dịch chiết Đầu tiên, bắp cải tím được rửa và cắt nhỏ Cân 100 g bắp cải tím cho vào erlen, thêm
Trích ly 200 mL hỗn hợp nước và cồn tuyệt đối với tỉ lệ 1:1 (v/v) bằng phương pháp siêu âm ở nhiệt độ 60 ºC trong 1 giờ Sau khi hoàn thành, lọc dịch chiết qua giấy lọc và bảo quản trong lọ tối màu ở ngăn mát tủ lạnh để chuẩn bị cho các khảo sát tiếp theo.
2.3.2 Quy trình tạo màng chỉ thị pH
PVA, tinh bột và agar được hòa tan trong nước cất theo tỷ lệ quy định Hỗn hợp dung dịch PVA, tinh bột, agar và glycerol được khuấy ở 90 ºC trong 2 giờ với tốc độ 100 vòng/phút Sau đó, hỗn hợp được làm nguội đến 60 ºC trước khi thêm dịch chiết bắp cải tím và khuấy tiếp trong 10 phút để tránh đông Dung dịch được đổ vào đĩa petri nhựa có đường kính 90 mm và để khô tự nhiên ở nhiệt độ phòng trong 72 giờ Màng được tách ra khỏi đĩa và bảo quản trong dung dịch NaCl bão hòa ở nhiệt độ phòng Hình 2.2 minh họa quy trình tạo màng chỉ thị pH, với các mẫu A1/A1,5/A2/A2,5 dùng để đánh giá ảnh hưởng hàm lượng agar và mẫu M0/M20/M40/M60 để đánh giá ảnh hưởng hàm lượng dịch chiết bắp cải tím đến các tính chất màng.
Hình 2.3 Quy trình tạo màng chỉ thị pH Bảng 2.2 Thành phần màng với các tỉ lệ khác nhau
Phương pháp thực nghiệm
2.4.1 Xác định tổng hàm lượng ATH
Tổng hàm lượng anthocyanin trong dịch chiết bắp cải tím được xác định bằng phương pháp pH vi sai Mẫu đo được chuẩn bị bằng cách thêm 1 mL dịch chiết vào 9 mL dung dịch đệm KCl/HCl 0.025M, pH 1.0 và 9 mL dung dịch đệm CH3COONa 0.4M, pH 4.5, sau đó ổn định trong 15 phút Độ hấp thụ của hai dung dịch này được đo ở bước sóng 520 nm và 700 nm bằng máy đo quang phổ UV-Vis (UH-3500, Hitachi).
Tổng hàm lượng anthocyanin được quy về đương lượng cyanidin-3-glucoside (C3G), được tính theo công thức sau:
Mw: Khối lượng phân tử cyanidin-3-glucoside anthocyanin (Mw = 449.2 g.mol -1 )
DF: Hệ số pha loãng (DF = 10)
E: Độ hấp thu mol (E = 26900 L.cm -1 mol -1 )
2.4.2 Xác định khả năng đổi màu theo pH và phổ hấp thụ của dịch chiết
Sự thay đổi màu sắc của dịch chiết bắp cải tím được quan sát trong các dung dịch có pH từ 1.0 đến 12.0 Các dung dịch đệm được chuẩn bị theo tiêu chuẩn TCVN 4320:1986 Dịch chiết được pha loãng với tỷ lệ 1:9 (v/v) bằng dung dịch đệm Phổ hấp thụ của các dung dịch được đo bằng máy quang phổ UV-Vis (UH 3500, Hitachi) trong khoảng bước sóng 400-800 nm.
Bảng 2.3 Chuẩn bị các dung dịch có giá trị pH 1.0-12.0 pH Cách chuẩn bị
Chuẩn bị dung dịch KCl 0.1M bằng cách hòa tan 1.34 g KCl trong
Chuẩn bị 180 mL nước cất và điều chỉnh pH của dung dịch bằng HCl (38% w/w) để đạt được hai giá trị pH lần lượt là 1.0 và 2.0 (±0.1) Cuối cùng, định mức dung dịch bằng nước cất đến thể tích 200 mL và bảo quản trong lọ thủy tinh.
Hút 2.07 mL CH3COOH 99.5% (d = 1.048 g/mL) hòa tan trong 180 mL nước cất để tạo thành dung dịch CH3COOH 0.2M Điều chỉnh dung dịch trên bằng CH3COONa 0.2M và kiểm soát bằng pH để thu được các dung dịch có giá trị pH lần lượt là 3.0, 4.0, 5.0, 6.0 (±0.1) Sau cùng định mức lên thể tích 200 mL bằng nước cất và bảo quản trong lọ thủy tinh
Cân 0.56 g acid boric H3BO3 hòa tan trong 180 mL nước cất để tạo thành dung dịch H3BO3 0.05M Điều chỉnh dung dịch trên bằng NaOH 0.1M và kiểm soát bằng pH kế để thu được dung dịch có pH bằng 7.0 (±0.1) Sau cùng định mức lên 200 mL bằng nước cất và bảo quản trong lọ thủy tinh
Hòa tan 12.89 g Na2HPO4.12H2O trong 180 mL nước cất để tạo dung dịch có nồng độ 0.2M Sử dụng HCl 0.1M để điều chỉnh pH của dung dịch, kiểm soát bằng pH kế để đạt giá trị pH 8.0 hoặc 9.0 (±0.1) Cuối cùng, định mức dung dịch lên 200 mL bằng nước cất và bảo quản trong lọ thủy tinh.
Hòa tan 12.89 g Na2HPO4.12H2O trong 180 mL nước cất để tạo dung dịch 0.2M Sử dụng NaOH 0.1M để điều chỉnh pH của dung dịch, kiểm soát bằng pH kế để đạt giá trị pH 10.0 và 11.0 (±0.1) Cuối cùng, định mức dung dịch lên 200 mL bằng nước cất và bảo quản trong lọ thủy tinh.
Hòa tan 2.68 g KCl trong 180 mL nước cất để tạo dung dịch nồng độ 0.2M Sử dụng NaOH 0.1M để điều chỉnh pH của dung dịch đến mức 12.0 (±0.1) với sự kiểm soát bằng pH kế Cuối cùng, định mức dung dịch lên 200 mL bằng nước cất và bảo quản trong lọ thủy tinh.
2.4.3 Màu sắc màng chỉ thị pH Để đánh giá sự thay đổi màu sắc của màng chỉ thị pH, các mẫu màng được cắt thành tấm vuông (kích thước 1 × 1.5 cm) Nhúng các màng vào dung dịch đệm pH 1.0-12.0 Sau khi loại bỏ dung dịch đệm còn thừa bằng giấy lọc, màng được chụp hình bằng máy scan (CanoScan Lide 300) Các thông số L*, a* và b* từ ảnh scan được phân tích bằng phần mềm ImageJ 1.54f
Tổng độ chênh lệch màu sắc (ΔE) được tính theo công thức dưới đây [58]: ΔE = √(L ∗ i − L ∗ ) 2 + (a ∗ i − a ∗ ) 2 + (b i ∗ − b ∗ ) 2 Trong đó:
L ∗ i , a i ∗ , b i ∗ là thông số màu của mẫu khảo sát sau khi nhúng vào dung dịch pH
L*,a*, b* là thông số màu của mẫu khảo sát tại pH 7.0
Tọa độ L* đại diện cho độ tối và độ sáng, với giá trị âm (-) biểu thị độ tối và giá trị dương (+) biểu thị độ sáng Tọa độ a* phản ánh tông màu, trong đó giá trị âm (-) tương ứng với màu xanh lá cây và giá trị dương (+) thể hiện màu đỏ Tọa độ b* cũng phản ánh tông màu, với giá trị âm (-) thể hiện màu xanh dương và giá trị dương (+) đại diện cho màu vàng.
Phổ hồng ngoại FTIR được sử dụng để đánh giá các tương tác phân tử trong mẫu màng, giúp nhận diện các liên kết trước và sau phản ứng giữa các thành phần Thiết bị quang phổ Fourier Transform Infrared Spectrometer (FTIR – 4700, Jasco, Nhật Bản) được sử dụng để ghi lại phổ hồng ngoại Mẫu được đặt trên bàn đo và quét phổ IR trong khoảng từ 400 – 4000 cm -1 với độ phân giải 4 cm -1.
2.4.5 Độ dày và cơ tính Đo độ dày: Độ dày của các mẫu màng được xác định bằng thước đo điện tử Panme có độ chính xác 1/1000 mm Kết quả được lấy là giá trị trung bình của 5 lần đo tại các vị trí khác nhau Đo cơ tính: Độ bền kéo (Tensile Strength - TS) và độ giãn dài khi đứt (Elongation at break - EB) của mẫu khảo sát được đo bởi máy đo cơ tính Testometric M350 – 10CT
Theo tiêu chuẩn ASTM D882, mẫu được kiểm tra với tốc độ kéo 60 mm/phút và lực kích hoạt 0.5 N, kích thước mẫu là 1×4 cm Trước khi đo, mẫu được bảo quản ở nhiệt độ phòng trong thùng kín chứa dung dịch NaCl bão hòa Độ bền kéo được tính toán dựa trên công thức quy định.
Fmax: Lực tác động tối đa khi kéo màng (N)
S: Diện tích mặt cắt ngang của mẫu (mm 2 ) (S = chiều rộng×bề dày) Độ giãn dài khi đứt được tính theo công thức:
L1 (mm): Khoảng cách giữa 2 ngàm khi mẫu đứt
L0 (mm): Khoảng cách giữa 2 ngàm ban đầu
2.4.6 Độ truyền quang Độ truyền quang (đặc tính cản tia UV và Vis) của màng được thực hiện theo phương pháp của Nur Hazirah và cộng sự (2016) [59] Mẫu màng được cắt thành hình chữ nhật có kích thước (4 × 1.2 cm) và đặt trực tiếp vào khe đo của máy đo quang phổ UV-Vis (UH 5300, Hitachi) trong vùng bước sóng 200 – 800 nm Thông số khảo sát là phổ ánh sáng truyền qua màng (%T) theo bước sóng, sử dụng không khí làm mẫu blank
2.4.7 Độ ẩm, độ tan, độ trương
Mẫu màng khảo sát được đo theo bài báo của Chen và cộng sự với một số thay đổi nhỏ
Cắt mẫu có kích thước 1.5 × 1.5 cm, cân và ghi nhận giá trị m0 Sấy mẫu ở 55 ºC đến khi khối lượng ổn định và ghi nhận giá trị m1 Ngâm mẫu trong 50 mL nước cất trong 24 giờ ở nhiệt độ phòng, sau đó loại bỏ nước thừa và cân để ghi nhận khối lượng ướt m2 Cuối cùng, sấy mẫu ở 55 ºC đến khối lượng không đổi, cân và ghi nhận giá trị m3 Độ ẩm (Moisture Content – MC) được tính theo công thức.
MC = m 0 −m 1 m 0 × 100 (%) Giá trị độ trương (Water Uptake – WU) được tính theo công thức:
WU = m 2 −m 3 m 3 × 100 (%) Giá trị độ tan (Water Solubility – WS) được tính theo công thức:
2.4.8 Khả năng truyền ẩm (WVP)
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
Xác định tổng hàm lượng ATH
Anthocyanin là nhóm flavonoid quan trọng, nổi bật với màu sắc từ đỏ đến tím và chủ yếu có trong trái cây và rau củ Nghiên cứu này tập trung vào việc chiết xuất anthocyanin từ bắp cải tím, với hàm lượng anthocyanin được xác định bằng phương pháp pH vi sai Kết quả cho thấy hàm lượng anthocyanin trong dịch chiết bắp cải tím đạt 261.86 ± 0.83 mg/L, tính theo đương lượng C3G.
Hàm lượng anthocyanin (ATH) trong dịch chiết đạt mức cao, có thể nhờ vào việc sử dụng sóng siêu âm trong quá trình chiết xuất Nghiên cứu của Chandrasekhar và cộng sự (2012) chỉ ra rằng hàm lượng anthocyanin tối đa thu được lên tới 390,6 mg/L.
Khả năng đổi màu theo pH và phổ hấp thụ của dịch chiết
Sự thay đổi màu sắc và phổ hấp thụ của dịch chiết từ bắp cải tím khi phản ứng với các dung dịch có pH khác nhau là một đặc tính quan trọng cho việc phát triển màng chỉ thị pH ATH được chiết xuất từ bắp cải tím cho thấy sự biến đổi màu sắc rõ rệt trong khoảng pH từ 1.0 đến 12.0.
Dịch chiết bắp cải tím thể hiện sự thay đổi màu sắc rõ rệt theo pH, với màu đỏ ở pH 1.0-2.0, màu hồng đến tím ở pH 3.0-7.0 Khi pH tăng lên, màu sắc chuyển sang xanh dương/xanh lá ở pH 8.0-10.0 và xanh lá/vàng ở pH 11.0-12.0 Đặc biệt, sự chuyển đổi màu sắc diễn ra mạnh mẽ khi pH thay đổi từ 7.0 lên 8.0, từ tím sang xanh dương.
Nghiên cứu của Liang và cộng sự (2019) chỉ ra rằng dịch chiết từ bắp cải tím có khả năng thay đổi màu sắc của dung dịch, với màu hồng, tím, xanh dương và xanh lá ứng với các mức pH từ 3.0 đến 10.0, như thể hiện trong hình 3.2 [62].
Hình 3.2 Màu sắc của dịch chiết trong các dung dịch pH [62]
Phép đo UV-Vis được sử dụng để nghiên cứu phổ hấp thụ của các dung dịch trong khoảng ánh sáng khả kiến 400-800 nm, tương ứng với sự thay đổi màu sắc trong hình 3.1 Kết quả từ phổ UV-Vis, như được trình bày trong hình 3.3, cho thấy sự dịch chuyển bước sóng hấp thụ cực đại, với bước sóng tăng dần khi pha loãng dịch chiết trong các dung dịch có pH từ 1.0 đến 12.0.
Hình 3.3 Phổ hấp thụ của dịch chiết theo pH 1.0-6.0 (a) và pH 7.0-12.0 (b)
Sự dịch chuyển sắc tố của anthocyanin xảy ra khi pH thay đổi, với đỉnh hấp thu tối đa tại 520 nm ở pH 1.0-2.0, phản ánh màu đỏ của dung dịch Khi pH tăng từ 2.0 lên 3.0, đỉnh hấp thu giảm cường độ và dịch chuyển đến 528 nm Nghiên cứu cho thấy, ở pH khoảng 3.0 hoặc thấp hơn, cation flavylium chiếm ưu thế trong dung dịch Tăng pH dẫn đến sự cạnh tranh giữa phản ứng hydrat hóa ở vị trí 2 của cation flavylium và các phản ứng khác.
Trong cấu trúc cation flavylium, có 30 ứng chuyển proton liên quan đến nhóm hydroxyl có tính acid Khi pH đạt khoảng 4.0, đỉnh hấp thụ giảm cường độ và dịch chuyển về bước sóng 532 nm, cho thấy sự tồn tại của dạng cấu trúc carbinol pseudobase.
Hỗn hợp anthocyanin có thể tồn tại ở các dạng cân bằng khác nhau như cation flavylium (màu đỏ), carbinol pseudobase (không màu), base quinonoidal (tím hoặc xanh) và chalcone (màu vàng) trong khoảng pH 4.0-6.0, tạo ra màu tím của dung dịch Màu sắc này có thể thay đổi khi điều chỉnh độ pH; ở pH 8.0-10.0, đỉnh hấp thụ khoảng 602 nm xuất hiện trên phổ UV-Vis, trong khi ở pH > 11.0, không có bước sóng hấp thụ cực đại do sự phân hủy của anthocyanin ở pH cao Những phát hiện tương tự về sự thay đổi màu sắc và phổ UV-Vis đã được Zhai và cộng sự (2017) ghi nhận khi chiết xuất anthocyanin từ cây hoa hồng.
Màu sắc màng chỉ thị
Sự thay đổi màu sắc của màng chỉ thị pH là yếu tố quan trọng, mang lại cái nhìn trực quan dễ quan sát Bảng 3.1 minh họa sự biến đổi màu của màng khi tiếp xúc với dung dịch có pH từ 1.0 đến 12.0, cùng với các thông số L, a, b, và ∆E được trình bày trong phụ lục 1.
Bảng 3.1 Mẫu với các tỉ lệ khác nhau khi tiếp xúc với dung dịch có pH từ 1-12
Tất cả các màng chỉ thị đều có khả năng đổi màu khi tiếp xúc với dung dịch, với quá trình này diễn ra nhanh chóng trong vòng 30 giây Sự thay đổi màu sắc của màng tương ứng với sự biến đổi màu của dịch chiết, đặc biệt rõ ràng ở pH 1.0-2.0 và pH > 8.0 Màng có màu đỏ tại pH 1.0 và 2.0, sau đó chuyển màu khi pH tăng lên 7.0 Tại pH 8.0, màng bắt đầu xuất hiện màu xanh dương, và khi pH tăng lên 10.0-12.0, màng nhanh chóng chuyển sang màu xanh lá, rồi dần chuyển sang màu vàng sau khoảng 5 phút.
Khi tăng hàm lượng agar trong màng, sự khác biệt về màu sắc ở cùng một giá trị pH là không đáng kể và khó nhận biết bằng mắt Giá trị độ chênh lệch màu sắc ∆E tại pH 8.0 lần lượt là 30.8 ± 0.41 (A1), 29.52 ± 0.67 (A1,5), 31.81 ± 0.34 (A2), và 31.06 ± 0.04 (A2,5), cho thấy hàm lượng agar không ảnh hưởng đáng kể đến khả năng thay đổi màu của màng Điều này có thể do agar chủ yếu tác động đến các tính chất vật lý và cơ học của màng, mà không ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất chỉ thị pH.
Khi tăng hàm lượng dịch chiết, sự thay đổi màu sắc của màng trở nên rõ rệt hơn Giá trị
Tại pH 8.0-12.0, giá trị ∆E tăng đáng kể, đặc biệt ở pH 10.0 với các giá trị ∆E lần lượt là 27.38 ± 0.24 (M20), 34.89 ± 1.15 (M40) và 46.63 ± 0.45 (M60) Nghiên cứu của Ashrafi và cộng sự (2018) chỉ ra rằng, khi nồng độ anthocyanin chiết xuất từ cây tía tô tăng lên, màu sắc của màng trở nên đậm hơn so với mẫu đối chứng.
Màng chỉ thị pH thể hiện sự chuyển đổi màu sắc rõ rệt nhất khi pH vượt quá 7.0, từ màu tím sang màu xanh dương Điều này cho thấy màng này phù hợp cho các ứng dụng trong môi trường kiềm hơn là trong môi trường acid.
Phổ FTIR
Phổ FTIR được sử dụng để đánh giá sự tương tác hóa học giữa agar với PVA/TB và giữa ATH với nền màng Kết quả FTIR của màng được thể hiện trong hình 3.4, trong khi các nhóm chức chính được liệt kê trong bảng 3.2.
Hình 3.4 trình bày phổ FTIR của màng chỉ thị với các tỷ lệ agar (a) và (b) của dịch chiết Bảng 3.2 liệt kê các liên kết chính trong màng và các đỉnh đặc trưng trong phổ FTIR, cung cấp cái nhìn sâu sắc về cấu trúc hóa học của màng chỉ thị.
Hình 3.4 chỉ ra rằng tất cả các mẫu đều có các đỉnh hấp thụ trong khoảng 3600-3000 cm^-1, đặc trưng cho dao động giãn dài của nhóm -OH.
34 thụ ở số sóng 2936-2937 cm -1 là sự xuất hiện của liên kết C-H trong các nhóm alkyl có trong cấu trúc màng
Quan sát hình 3.4a cho thấy mẫu chứa agar (A2,5) xuất hiện các đỉnh đặc trưng: 889 cm -1 đại diện cho nhóm ester sulfate, 930 cm -1 cho cầu nối C-O-C của 3,6-anhydro-L-galactopyranose, và 1643 cm -1 cho nhóm C=O của ketone Những đỉnh này chỉ có trong agar và không có trong mẫu đối chứng (PVA/tinh bột), xác nhận sự hiện diện của agar trong thành phần màng.
Hình 3.4b cho thấy rằng đối với màng không chứa dịch chiết (M0), đỉnh hấp thụ cực đại của nhóm -OH ở vùng số sóng 3284 cm -1 đã dịch chuyển xuống 3280 cm -1 khi so với màng có dịch chiết (M60) Sự dịch chuyển này có thể do liên kết hydro hình thành giữa các nhóm hydroxyl trong dịch chiết và các polymer Bên cạnh đó, dải đặc trưng cho lượng nước trong màng được quan sát tại đỉnh 1647 cm -1 Các đỉnh hấp thụ trong khoảng 1149-1000 cm -1 phản ánh dao động hóa trị của liên kết C-O và vòng pyranose của các đơn vị glucose trong tinh bột và agar.
Phổ FTIR của các mẫu màng có bổ sung dịch chiết không thay đổi so với màng đối chứng, cho thấy hàm lượng dịch chiết quá nhỏ không đủ để xuất hiện các đỉnh đặc trưng cho các nhóm chức của ATH.
Độ dày và cơ tính
Độ dày và cơ tính của màng được đánh giá để xác định ảnh hưởng của tỷ lệ agar và dịch chiết đến các tính chất của nó Kết quả về độ bền kéo (Tensile Strength - TS) và độ giãn dài (Elongation at break - EB) của mẫu được trình bày trong hình 3.5 và hình 3.6, cũng như trong phụ lục.
Mức tăng hàm lượng agar từ 1 đến 2.5 g (tương ứng với 12.5% đến 62.5% khối lượng) trong thành phần màng đã làm tăng đáng kể độ bền kéo từ 5.09 ± 0.27 đến 8.45 ± 0.26 MPa Sự gia tăng này có thể được giải thích bởi việc hình thành các liên kết hydro liên phân tử giữa agar và các thành phần trong màng, tạo ra cấu trúc mạng ba chiều gây chướng ngại trong không gian Tuy nhiên, sự hình thành liên kết này cũng hạn chế tính di động của chuỗi polysaccharide, dẫn đến giá trị độ giãn dài giảm.
Nghiên cứu của Taharrudin và cộng sự (2022) cho thấy khi tăng lượng agar từ 0 đến 10% trọng lượng trong màng agar/tinh bột, độ bền kéo tăng từ 2.10 lên 8.61 MPa, trong khi độ giãn dài khi đứt giảm 86,60% Tương tự, nghiên cứu của Wu và cộng sự (2019) cũng xác nhận xu hướng này khi hàm lượng agar trong màng agar và tinh bột tăng.
Các thông số TS và EB của màng ở các tỉ lệ M0, M20 và M40 không có sự khác biệt đáng kể Nguyên nhân có thể là do lượng ATH chỉ chiếm một phần nhỏ, không đủ để ảnh hưởng đến các chỉ số TS và EB.
Màng M60 có độ bền kéo và độ giãn dài giảm đáng kể, có thể do sự tương tác liên phân tử của PVA, agar và tinh bột bị phá vỡ bởi hàm lượng ATH quá cao Nghiên cứu của Prietto và cộng sự (2017) cho thấy việc bổ sung anthocyanin làm giảm độ bền kéo của màng so với màng đối chứng.
Hình 3.6 Độ bền kéo (a) và độ giãn dài (b) của màng với hàm lượng dịch chiết tăng
Độ truyền quang
Đặc tính cản ánh sáng UV-Vis của màng đóng vai trò quan trọng trong ứng dụng bao bì thực phẩm, vì ánh sáng này có khả năng làm gia tăng quá trình phân hủy và oxy hóa thực phẩm Điều này dẫn đến việc phá hủy chất dinh dưỡng, mất màu và hình thành các chất độc hại Nghiên cứu quang phổ đã chỉ ra độ truyền qua (%T) trong các bước sóng khác nhau, giúp đánh giá hiệu quả của màng bao bì trong việc bảo vệ thực phẩm.
200 – 800 nm, được trình bày trong hình 3.7 Đối với các màng có chứa ATH, khả năng truyền qua của tia UV trong phạm vi 200 –
Màng có khả năng cản tia UV tốt, với độ truyền qua dưới 10% ở bước sóng 380 nm, nhờ vào khả năng hấp thụ tia UV của vòng thơm trong hợp chất phenolic có trong dịch chiết bắp cải tím Đặc biệt, đường cong truyền qua cho thấy một cực tiểu tại khoảng bước sóng 520–600 nm, liên quan đến sự hấp thụ ánh sáng của các cation flavylium trong cấu trúc anthocyanin Kết quả này cũng được xác nhận qua phổ hấp thụ UV-Vis của dịch chiết bắp cải tím và tương đồng với nghiên cứu của Zhang và cộng sự (2020) về độ truyền qua của màng tinh bột/PVA kết hợp với dịch chiết từ khoai lang tím và bắp cải tím.
Hình 3.7 cho thấy rằng các mẫu với hàm lượng agar tăng dần có khả năng cản ánh sáng tốt hơn, với độ dày màng lần lượt là 0.092 ± 0.008 (A1), 0.118 ± 0.008 (A1,5), 0.134 ± 0.005 (A2) và 0.142 ± 0.008 (A2,5) Điều này chứng tỏ có mối tương quan thuận giữa độ dày và độ truyền quang, khi hàm lượng agar tăng, độ dày màng cũng tăng, góp phần nâng cao khả năng rào cản của màng.
Màng chứa ATH cho thấy độ truyền ánh sáng giảm đáng kể trong vùng UV-Vis, cho thấy khả năng cản ánh sáng UV-Vis có mối tương quan thuận với hàm lượng ATH Nghiên cứu của Luchese và cộng sự (2018) cũng chỉ ra rằng, đặc tính cản ánh sáng của màng tinh bột chứa anthocyanin từ quả việt quất tăng lên khi hàm lượng anthocyanin gia tăng Theo Ashrafi và cộng sự (2018), các vòng thơm trong cấu trúc phân tử anthocyanin có khả năng hấp thụ tia UV-Vis, góp phần nâng cao khả năng cản ánh sáng của màng Vì vậy, sự hiện diện của anthocyanin có thể cải thiện đặc tính cản ánh sáng của màng, mở rộng khả năng ứng dụng trong các hệ thống đóng gói thực phẩm.
Độ ẩm, độ trương, độ tan
Độ ẩm, độ trương và độ tan là những thông số quan trọng để đánh giá tiềm năng ứng dụng của màng Độ ẩm ảnh hưởng đến độ nhạy và phản ứng của màng với sự thay đổi pH, đặc biệt khi sử dụng làm chỉ thị cho sự hư hỏng của thực phẩm Trong khi đó, độ tan trong nước phản ánh khả năng chống nước và độ ổn định kích thước của màng, với độ tan cao là một yếu tố cần thiết cho hiệu suất của màng.
Kết quả khảo sát cho thấy rằng khi tăng hàm lượng agar trong ứng dụng làm bao bì thực phẩm, độ ẩm, độ trương và độ tan của màng đều có sự thay đổi rõ rệt Cụ thể, hình 3.8 minh họa sự biến đổi của độ ẩm (a), độ trương (b) và độ tan (c) của màng theo hàm lượng agar tăng lên Những thông tin này được trình bày chi tiết trong phụ lục 4 và 5.
Kết quả nghiên cứu cho thấy việc tăng hàm lượng agar làm giảm độ ẩm, độ trương và độ tan của màng Nguyên nhân là do mạng lưới tương tác mạnh mẽ giữa các chuỗi agar làm giảm lượng polymer tự do trong màng, dẫn đến sự giảm thiểu độ ẩm và độ trương Mạng lưới này cũng giảm thể tích polymer tự do và khoảng cách giữa các phân tử trong màng, khiến cho sự di chuyển của các phân tử nước trở nên khó khăn hơn.
Việc bổ sung 62.5% agar (A2,5) so với 25% agar (A1) đã làm giảm độ tan gần 26%, đồng thời tăng cường khả năng chống nước hiệu quả Sự gia tăng này dẫn đến khả năng hòa tan trong nước bị hạn chế, do bản chất của agar vốn khó tan.
Nhiệt độ thường của 39 nước là yếu tố giải thích cho kết quả nghiên cứu Để hòa tan agar, cần sử dụng nước nóng với nhiệt độ trên 85ºC Hình 3.9 minh họa độ ẩm (a), độ trương (b) và độ tan (c) của màng khi hàm lượng dịch chiết tăng lên.
Hình 3.9 chỉ ra rằng khi tăng hàm lượng dịch chiết, độ ẩm, độ tan và độ trương đều có xu hướng tăng, điều này phản ánh tính chất ưa nước của anthocyanin Sự gia tăng này có thể liên quan đến việc phá vỡ các liên kết liên phân tử giữa các phân tử polymer, dẫn đến khả năng hòa tan cao hơn trong nước Nghiên cứu của Min và cộng sự (2021) cũng cho thấy chiết xuất vỏ quả lựu ảnh hưởng đến chuỗi polymer và liên kết hydrogen trong màng chitosan.
Khả năng truyền ẩm (Water vapor permeability - WVP)
Khả năng truyền ẩm (WVP) là chỉ số quan trọng phản ánh khả năng cản hơi nước của màng WVP thấp giúp kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm, trong khi đó, các màng chỉ thị màu lại yêu cầu giá trị WVP cao hơn để duy trì độ ẩm hiệu quả.
Màng được cải thiện với độ cao 40, giúp tăng cường độ nhạy với sự biến đổi pH Ảnh hưởng của hàm lượng agar và ATH được thể hiện rõ trong hình 3.10 và số liệu trong phụ lục 6.
Hình 3.10a chỉ ra rằng giá trị WVP của màng giảm khi hàm lượng agar tăng, nhờ vào cấu trúc vi mô của màng trở nên chặt chẽ hơn với mạng ba chiều dày đặc, dẫn đến giảm đáng kể tính thấm của màng Điều này khiến các phân tử nước khó khuếch tán vào trong màng, làm cho giá trị WVP thấp hơn Nghiên cứu của Wu và cộng sự (2009) cũng khẳng định rằng việc tăng hàm lượng agar từ 5-10% sẽ làm giảm đáng kể tính thấm ẩm của màng.
Giá trị WVP tăng khi hàm lượng dịch chiết trong màng tăng, do ATH và các chất khác trong dịch chiết có tính ưa nước, tạo liên kết hydro với polymer trong màng Điều này làm tăng quá trình thẩm thấu hơi nước, giảm hiệu quả cản hơi nước của màng Tuy nhiên, nếu hàm lượng dịch chiết quá cao, cấu trúc bên trong màng có thể bị phá vỡ do hiệu ứng hóa dẻo của anthocyanin, dẫn đến tăng khả năng truyền ẩm Kết quả này tương tự với nghiên cứu của Xiaodong và cộng sự.
(2018) khi tăng hàm lượng dịch chiết củ cải đỏ trên nền màng gelatin, gellan gum [53].
In điện hóa
Phương pháp in điện hóa là một giải pháp in xanh, có khả năng in thông tin trên nhiều loại bao bì thực phẩm Phương pháp này không chỉ tiềm năng phát triển mà còn có thể thay thế các loại mực in từ dầu mỏ trong tương lai Nghiên cứu này tập trung vào việc khai thác những lợi ích của công nghệ in điện hóa.
41 chúng tôi thử đánh giá khả năng in điện hóa lên màng chỉ thị pH chứa anthocyanin từ dịch chiết bắp cải tím
Màu sắc của anthocyanin bị ảnh hưởng lớn bởi pH và quá trình điện phân nước, tạo ra các ion H+ và OH- Dựa trên nguyên tắc này, quá trình in điện hóa được triển khai Các mẫu in điện hóa đa dạng màu sắc được phát triển từ sự thay đổi màu của anthocyanin do các ion H+ và OH- sinh ra từ phản ứng điện phân nước.
3.9.1 Ảnh hưởng của thời gian in và loại điện cực
Việc lựa chọn tấm graphite và tấm đồng làm điện cực trong thí nghiệm in điện hóa dựa trên tính dẫn điện và tính trơ hóa học của các vật liệu này Đồng, với khả năng dẫn điện tuyệt vời, đảm bảo dòng điện hoạt động hiệu quả, trong khi graphite, nhờ tính trơ hóa học cao, giúp ngăn chặn các phản ứng không mong muốn trong quá trình in điện hóa Mẫu viết điện hóa sử dụng tấm graphite và tấm đồng được thể hiện trong hình 3.11 đến hình 3.15.
Hình 3.11 Mẫu in điện hóa với tấm điện cực graphite (+) và đầu bút (-) trong thời gian
Hình 3.12 Mẫu in điện hóa với tấm điện cực graphite (-) và đầu bút (+) trong thời gian
Màu xanh và hồng xuất hiện trên màng trong cả hai trường hợp, cho thấy graphite là điện cực trơ, dẫn đến đồng thời hai quá trình điện phân nước Cả H+ và OH− được tạo ra ở hai mặt của mẫu, gây ra hiện tượng đa màu sắc Hơn nữa, quá trình điện phân nước cũng tạo ra bọt khí, và sự di chuyển của bọt khí làm màu sắc in bị loang.
Hình 3.13 Mẫu in điện hóa với tấm điện cực đồng (-) và đầu bút (+) trong thời gian 5s
Hình 3.14 Mẫu in điện hóa với tấm điện cực đồng (+) và đầu bút (-) trong thời gian 5s
Mẫu in điện hóa với tấm đồng (-) và đầu bút (+) cho thấy kết quả tương tự như khi sử dụng tấm graphite Tuy nhiên, khi đầu bút được kết nối với cực âm của nguồn điện, chỉ xuất hiện màu xanh mà không bị loang Toàn bộ bề mặt dưới của màng kết nối với tấm đồng không có sự thay đổi màu sắc, nguyên nhân là do quá trình oxy hóa đồng diễn ra thay vì oxy hóa nước.
Khi 𝜑 𝐶𝑢2+/𝐶𝑢 < 𝜑 𝑂2,𝐻+/𝐻2𝑂 (0.34 < 1.23 V), chỉ có OH- được tạo ra trên bề mặt tiếp xúc với đầu bút theo phản ứng 2H2O + 2e -> 2OH- + H2, dẫn đến việc tăng độ pH ở vùng in Đối với mẫu in trên cả tấm điện cực đồng và tấm điện cực graphite, cường độ màu của mẫu tăng lên rõ rệt khi thời gian in kéo dài Khi tấm đồng được kết nối với cực dương và đầu còn lại dùng để in, màng chỉ xuất hiện màu xanh mà không có sự loang màu, theo các điều kiện thực hiện đã trình bày ở hình 3.11-3.13 Do đó, tấm đồng (+) với đầu bút (-) được lựa chọn để thực hiện các khảo sát tiếp theo.
3.9.2 Ảnh hưởng của chất điện ly
Chất điện ly mạnh tạo ra nhiều ion tự do, từ đó tăng cường độ dẫn điện của màng, giúp rút ngắn thời gian in lên màng Kết quả khảo sát về ảnh hưởng của chất điện ly được thể hiện trong hình 3.15.
Hình 3.15 Ảnh hưởng của chất điện ly đến khả năng in trong 5s và 30s
Khi mẫu chứa chất điện ly, kết quả in điện hóa có sự khác biệt nhỏ với thời gian in là 5 giây, với sự xuất hiện màu vàng trên vùng in và màu vàng này rõ hơn khi thời gian in tăng lên 30 giây Tuy nhiên, loại chất điện ly không ảnh hưởng đáng kể đến kết quả Điều này cho thấy rằng chất điện ly có tác động đến quá trình in điện hóa, và thời gian điện phân có thể được rút ngắn khi có mặt chất điện ly.
3.9.3 Ảnh hưởng của hiệu điện thế
Hiệu điện thế đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra màu sắc của các mẫu Hình 3.16 minh họa mẫu in điện hóa với hiệu điện thế tăng, cho thấy sự ảnh hưởng rõ rệt của nó đến quá trình này.
Hình 3.16 Mẫu in điện hóa với các hiệu điện thế khác nhau trong 30s
Khi hiệu điện thế tăng, màu sắc chuyển từ nhạt sang đậm do dòng điện lớn hơn làm quá trình điện phân nước diễn ra mạnh mẽ Điều này cho thấy rằng việc sử dụng hiệu điện thế cao hơn có thể rút ngắn thời gian in để đạt được độ đậm mong muốn Để mở rộng ứng dụng, chúng tôi đã thử nghiệm việc sử dụng đầu bút để viết trực tiếp lên màng Kết quả cho thấy, khi lựa chọn đúng các yếu tố như tấm đồng (+) và đầu bút (-) cùng với chất điện ly, tốc độ điện phân đủ nhanh để có thể viết mặc dù thời gian tiếp xúc giữa đầu bút và màng rất ngắn.
Hình 3.17 Mẫu chữ viết trên màng
Độ bền màu
Độ bền màu sau khi in là yếu tố quan trọng cho khả năng ứng dụng thực tế Màng được bảo quản trong môi trường có độ ẩm 75% trong thời gian dài sẽ ảnh hưởng đến độ bền màu của sản phẩm.
30 ngày được thể hiện trong hình 3.18, hình 3.19 và phụ lục 7
Hình 3.18 Kết quả độ bền màu trong 30 ngày
Hình 3.19 cho thấy sự thay đổi màu sắc của mẫu theo thời gian, với màng xanh lá bắt đầu xuất hiện sự loang màu rõ rệt từ ngày 15 Kết quả đo màu trong hình 3.19 cho thấy các giá trị L, a, b, ∆E thay đổi nhanh trong 5 ngày đầu, sau đó chậm dần trong 25 ngày tiếp theo Màu sắc vào ngày thứ 5 đậm hơn so với ngày đầu tiên, có thể do sự khuếch tán CO2 trong không khí làm giảm pH, dẫn đến màu xanh đậm hơn.
Hình 3.19 chỉ ra rằng sự gia tăng ∆E theo thời gian bảo quản cho thấy sự khác biệt về màu sắc Nguyên nhân có thể là do môi trường có độ pH cao, dẫn đến sự hình thành cấu trúc chủ yếu của anthocyanin ở dạng base quinoidal và chalone Trong các dạng cấu trúc này, anthocyanin có tính ổn định kém, dẫn đến sự thay đổi màu sắc theo thời gian Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây của Zhai và cộng sự (2018).
Quá trình in điện hóa tạo ra vùng màu sắc bền vững, có thể quan sát bằng mắt thường Sản phẩm từ in điện hóa trên màng có khả năng thay thế cho các loại mực in thông thường, mở ra nhiều ứng dụng mới trong ngành in ấn.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Trong quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp với đề tài “Chế tạo màng chỉ thị pH từ PVA, tinh bột và agar bổ sung dịch chiết bắp cải tím ứng dụng trong bao bì thực phẩm”, chúng tôi đã đạt được những kết quả quan trọng Màng chỉ thị pH được chế tạo có khả năng phát hiện sự thay đổi pH, từ đó ứng dụng hiệu quả trong bao bì thực phẩm, giúp nâng cao độ an toàn và chất lượng sản phẩm Nghiên cứu này không chỉ góp phần vào việc phát triển công nghệ bao bì mà còn mở ra hướng đi mới trong việc sử dụng nguyên liệu tự nhiên trong ngành thực phẩm.
1 Chiết xuất được anthocyanin từ bắp cải tím và đánh giá khả năng thay đổi màu của dịch chiết ở các pH 1.0-12.0 Kết quả cho thấy dịch chiết có các màu theo pH như sau: đỏ (pH 1.0-2.0), hồng (pH 3.0-6.0), tím (pH 7.0), xanh dương (pH 8.0-10.0) và vàng (pH 10.0-12.0) Phổ UV-Vis cho thấy sự chuyển dịch các đỉnh hấp thụ tương ứng với sự thay đổi màu sắc của dung dịch
2 Chế tạo thành công màng chỉ thị pH từ PVA, tinh bột, agar bổ sung dịch chiết bắp cải tím có khả năng thay đổi màu trong các dung dịch có pH 1.0-12.0
3 Màu sắc màng chỉ thị pH thay đổi không rõ rệt khi tăng hàm lượng agar nhưng khi tăng hàm lượng dịch chiết bắp cải tím thì màu sắc màng thay đổi rõ rệt
4 Phổ FTIR của màng không có sự khác biệt rõ rệt khi tăng hàm lượng agar và hàm lượng dịch chiết
5 Khi tăng hàm lượng agar từ 1.0 đến 2.5 g (tương ứng với 12.5% - 62.5% khối lượng agar so với PVA/TB) thì độ giãn dài giảm từ 82.43 ± 3.98 đến 52.73 ± 4.97%, độ ẩm giảm từ 10.56 ± 0.84 đến 8.99 ± 0.48%, độ trương giảm từ 406.50 ± 7.86 đến 301.91 ± 5.16%, độ tan giảm từ 40.28 ± 1.66 đến 30.44 ± 1.89%, khả năng truyền ẩm giảm từ 2.3077 ± 0.0147 đến 1.8933 ± 0.0485 (×10 -10 g.m -1 Pa) và độ bền kéo tăng từ 5.09 ± 0.27 đến 8.45 ± 0.26 N/mm 2 Qua kết quả khảo sát, có thể chọn hàm lượng agar thích hợp để tạo màng chỉ thị là 2.5 g
6 Khi tăng hàm lượng dịch chiết bắp cải tím từ 0 đến 60 mL thì độ ẩm tăng từ 11.38 ± 0.28 đến 14.99 ± 0.37%, độ trương tăng từ 274.10 ± 8.53 đến 426.39 ± 8.70, độ tan tăng từ 24.42 ± 1.24% đến 44.29 ± 1.89%, khả năng truyền ẩm tăng từ 2.0480 ± 0.0300 đến 2.3500 ± 0.0501 (×10 -10 g.m -1 Pa) Bên cạnh đó, độ bền kéo giảm từ 6.14 ± 0.50đến 3.79 ± 0.21 N/mm 2 , độ giãn dài giảm từ 69.42 ± 3.24 đến 56.13 ± 1.02% Qua kết quả khảo
48 sát, có thể chọn hàm lượng dịch chiết bắp cải tím thích hợp để tạo màng chỉ thị là 40 mL
7 Xác nhận thành công khả năng in điện hóa lên màng bằng dòng điện một chiều Quá trình khảo sát cho thấy màu của vùng được in bị ảnh hưởng bởi thời gian in, loại điện cực, loại chất điện ly và hiệu điện thế
8 Khi dùng tấm đồng làm cực dương thì màu in điện hóa không bị loang và đơn sắc, điều này phù hợp cho các ứng dụng thực tế
Nghiên cứu này đã đạt được những kết quả bước đầu quan trọng Để hoàn thiện nghiên cứu, tôi đề xuất tiếp tục thực hiện các khảo sát bổ sung.
- Khảo sát kết quả in điện hóa lên các mẫu ở dạng gel trước khi hình thành màng
- Khảo sát khả năng ứng dụng của màng trên các loại thực phẩm khác nhau
- Khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng đến độ bền màu của mẫu in điện hóa