Tiểu luận Đề tài tìm hiểu về vật liệu bao bì sinh học và Ứng dụng trong bảo quản thực phẩm

Tìm hiểu về vật liệu sử dụng sản xuất bao bì sinh họcViệc sử dụng bao bì để bao gói thực phẩm là một yêu cầu cần thiết và phổbiến trong nghành công nghệ thực phẩm.. • Giới thiệu về vật l

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HỒ CHÍ MINH

VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ THỰC PHẨM

TIỂU LUẬN

Đề tài: TÌM HIỂU VỀ VẬT LIỆU BAO BÌ SINH HỌC VÀ ỨNG DỤNG TRONG BẢO QUẢN THỰC PHẨM

Giảng viên hướng dẫn : Lê Văn Nhất Hoài

Sinh viên thực hiện : Nhóm 2

I Tìm hiểu về vật liệu sử dụng sản xuất bao bì sinh học

Việc sử dụng bao bì để bao gói thực phẩm là một yêu cầu cần thiết và phổbiến trong nghành công nghệ thực phẩm Trên thị trường có rất nhiều loạibao bì khác nhau được sử dụng để bao gói thực phẩm như: bao bì giấy,bao bì kim loại, bao bì thủy tinh, bao bì nhựa, Bao bì nhựa tuy dễ giacông, sản xuất, có độ bền cao và đặc biệt là rất thuận tiện khi sử dụngnhưng với cuộc sống hiện đại ngày nay rất đề cao việc bảo vệ môi trườngbao bì nhựa là một nhược điểm vì Bao bì sinh học đã phát triển mạnh mẽhơn từ năm 2000 đến nay Các công nghệ mới và sự phát triển trongngành công nghiệp sinh học đã dẫn đến việc sản xuất bao bì sinh học vớihiệu suất cao hơn và chi phí giảm PLA, PHA, và bao bì từ tảo biển ngàycàng trở nên phổ biến

• Nguồn gốc lịch sử:

-Bao bì vật liệu sinh học có nguồn gốc lịch sử gắn liền với những nỗ lực nhằm giảm thiểu tác động của bao bì truyền thống lên môi trường Dưới đây là một số điểm quan trọng trong lịch sử phát triển của bao bì vật liệu sinh học:

- Trong những năm 1800 của thế kỉ 19, việc sử dụng các vật liệu tự nhiênnhư giấy, bông và vải lanh cho bao bì đã khá phổ biến Tuy nhiên, những vật liệu này không phải lúc nào cũng được coi là sinh học theo định nghĩahiện đại

- Vào những năm 1960 và 1970, sự gia tăng nhận thức về ô nhiễm môi trường và vấn đề chất thải đã thúc đẩy nghiên cứu về các vật liệu thay thế Những nỗ lực đầu tiên để phát triển bao bì có thể phân hủy sinh học

đã được thực hiện

- Các nghiên cứu và phát triển vào thập kỷ 1980 đã dẫn đến việc tạo ra các loại bao bì sinh học đầu tiên, chủ yếu từ nguồn gốc thực vật như tinh bột, cellulose và các polymer tự nhiên khác.

- Vào thế kỷ 21, sự quan tâm ngày càng tăng đến bảo vệ môi trường đã thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của các vật liệu bao bì sinh học Công nghệ ngày càng tiên tiến cho phép sản xuất bao bì từ nhiều loại vật liệu sinh học khác nhau như nhựa từ tảo biển, vỏ lạc, và polymer phân hủy sinh học

- Ngày nay, ngành bao bì sinh học đang tiếp tục phát triển với nhiều đổimới công nghệ và nghiên cứu nhằm cải thiện hiệu suất, tính năng và khả năng phân hủy của các loại bao bì này Có sự gia tăng trong việc sử dụng vật liệu sinh học để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về bảo vệ môi trường

và bền vững

Bao bì vật liệu sinh học không chỉ nhằm mục đích giảm thiểu chất thải và

ô nhiễm mà còn hướng đến việc tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên tự nhiên và hỗ trợ các mô hình kinh tế tuần hoàn

• Giới thiệu về vật liệu:

-Vật liệu đóng gói thông thường chủ yếu là nhựa, mất nhiều thời gian để phân hủy, trong khi vật liệu đóng gói có thể phân hủy sinh học bao gồm giấy, bột bắp, rong biển và sợi nấm phần lớn là vật liệu tái tạo có thể phânhủy trong thời gian ngắn

- Hiện nay trên thị trường có rất nhiều vật liệu tạo ra bao bì sinh học:

1 PLA - (polylactic acid)

1.1 Sản xuất từ sự lên men tinh bột

Các nguyên liệu tái tạo như tinh bột ngô, sắn, mía, và các loại cây trồng khác.Loại polyme này tiêu tốn ít năng lượng hơn plastic Mặc dù thân thiện với môi trường nhưng ko được sử dụng rộng rãi do chi phí SX cao.-Người ta sản xuất PLA dựa vào nguồn nguyên liệu từ tinh bột bắp Bắp được xay và cán Sau đó đường hóa thành các dextrin Các dextrin này sẽ chuyển thành acid lactic trong quá trình lên men.

-Quá trình cô đặcvòng goi là lactid Hợp chất này sẽ được làm sạch qua quá trình chưng cất Sau đó chúng trùng hợp tạo chuỗi polyme mạch dài

1.2 Sản xuất bao bì PLA (polylactic acid) từ vỏ quả dưa hấu

-Vỏ dưa hấu sau khi được nghiền (nếu vỏ khô bỏ thêm nước) rồi tiến hành lên men acid lactic để thu được dung dịch acid lactic Sau đó tiến hành kết tinh để tinh sạch lactic rồi tiến hành polyme hóa ta thu được polylactic acid Sau đó định hình theo hình dạng theo yêu cầu

2 Vật liệu Poly(hydroxylalkanoates) hay PHA:

Phương pháp lên mem gồm: Trồng các cây trồng như bắp, rồi thu hoạch, chách chiết glucose từ cây trồng sau đó lên men đường trong những tế bào chứa PHA, rửa và xoáy đảo tế bào để giải phóng PHA sau cùng là cô đặc và phơi khô trong khuôn

-Polyme TPS là polyme 100% tinh bột Để có những thuộc tính như plastic, TPS được trộn với các vật liệu khác Tinh bột liên kết với các polyme khác, với hàm lượng tinh bột lớn hơn 50% sẽ tạo nên các loại plastic

4.Vật liệu từ cellulose:

-Tính chất vật liệu từ cellulose

Cellophane có tính trong suốt, độ bóng bề mặt cao

Tính bền cơ học kém như lực xé, lực kéo, có thể xé rách dễ dàng khi có một vết cắt Không có độ cứng vững

Không thể hàn dán nhiệt, cellophane phủ nitrocellulose nhằm mực đích hàn dán nhiệt khi ghép mí và tăng tính chống thám khí

Màng cellophane có tính cứng, dòn thể kéo căng và cuộn một cách dễ dàng trên hệ thống thiết bị tạo màng , khá bền cơ nhưng nếu có vết rách, thủng thì rất dễ dàng xé rách

Tạo nếp gấp một cách dễ dàng Sản xuất Cellophane Lấy cellulose từ gỗ Cho vào dung môi, xử lí hóa học Đùn ép tạo thành màng Tách tạp chất

đẻ tạo thành màng trong suốt

1.3 Giới thiệu về bao bì sinh học

Bao bì sinh học: có nguồn gốc từ nguyên liệu có bản chất sinh học Hiện

nay bao bì được tổng hợp từ polime sinh học chẳng hạn như tinh bột,xenlulose, protein, và các chất hữu cơ lên men chiếm tỉ lệ cao là chủ yếu

… Rất hợp vệ sinh, tiện lợi, giảm được lượng rác thải ra ngoài môitrường từ đó giảm được sự nóng lên của Trái Đất

Theo định nghĩa của Jawaid và cộng sự (2019), bao bì phân hủy sinh học

là các sản phẩm bao bì được sản xuất từ các nguồn nguyên liệu có thểphân hủy sinh học, thu được từ các nguồn tài nguyên tái tạo; các loại vậtliệu phân hủy sinh học này có thể được phân loại là polyme xanh và cácthuộc tính của chúng đã thu hút sự chú ý đáng kể trên thế giới vì vai tròcủa chúng có thể thay thế cho các vật liệu nhựa được sản xuất từ hóa dầu.Ngoài ra bao bì sinh học còn được hiểu là loại túi được làm từ những vậtliệu hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên Dưới tác động của vi sinh vật có sẵntrong môi trường, khi bao bì tiếp xúc có thể phá vỡ được cấu trúc của sảnphẩm và phân hủy nhanh hơn từ 8-12 tháng, hạn chế gây ô nhiễm môitrường đất, nước

Bao bì phân hủy sinh học có thể phân hủy nhanh chóng khi có được cácchất xúc tác sinh học trực tiếp từ môi trường hoặc gián tiếp bằng cách xử

lý của con người để đảm bảo an toàn, giảm thiểu thời gian phân hủy rácthải đáng kể cho môi trường, bảo vệ hệ sinh thái Bao bì sinh học có thể

bị vi sinh vật phân hủy sau khi sử dụng thành nước, CO2 và các chất dinhdưỡng được trả lại cho đất

Hình 1: Các sản phẩm tái chế sinh học

1.4 Các sản phẩm dùng bao bì sinh học:

Hộp bã mía là loại bao bì có khả năng phân huỷ sinh học và có thể

ủ phân tại nhà Những hộp này nhẹ và không thấm nước được làm

từ sợi thực vật còn sót lại sau khi ép mía Nguyên liệu thô cấp thựcphẩm thích hợp để đóng gói thực phẩm và chất thải nhà bếp Saukhi sử dụng có thể chôn trực tiếp vào đất làm phân trộn.

Túi giấy Kraft: Được sản xuất bằng bột giấy Túi giấy kraft không

thấm nước cũng không thấm dầu nên chúng chủ yếu được sử dụng

để đóng gói bánh mì, thư từ và quần áo Túi không độc hại, khôngmùi, không gây ô nhiễm mang lại kết cấu chất lượng cao, phù hợpvới ngành bán lẻ

Bao bố: Bao bố được dệt từ sợi đay, một loại

sợi tự nhiên Sau khi sử dụng, chúng có thểđược chôn xuống đất bằng rễ cây mới trồng

để tạo lớp thoát nước tốt, thoáng khí, sản sinh

ra chất hữu cơ và vi khuẩn giúp bao tải phân hủy dần Bao tải vải

bố có thể được sử dụng để đựng gạo, lúa mì, bột mì, hạt cà phê,v.v.,

Hình 3: Túi giấy Kraft Hình 2: Hộp bã mía

Hình 4: Bao bố đựng thực phẩm

Loại túi Polylactide (PLA): Thành phần chính của túi polylactide

(PLA) là bột ngô Túi PLA có đặc tính tương tự như túi nhựa thôngthường, với ưu điểm là công nghệ tiên tiến và giá thành rẻ Tuynhiên, vì không chịu được nhiệt và ánh sáng nên túi PLA khôngthích hợp để đóng gói trực tiếp trong nhà máy và chủ yếu được sửdụng làm túi mua sắm, túi bánh mì, túi đựng tạp chí

Màng bọc thực phẩm: Sản phẩm này được làm từ chitosan và lá

ổi Chitosan là nguồn nguyên liệu từ phế phẩm lớn thứ hai thế giới.Tiền thân của chitosan chính là chitin có nhiều trong vỏ của độngvật giáp xác Lá ổi, đây là một nguồn phế phẩm mang nhiều hoạttính sinh học nhưng vẫn chưa được khai thác triệt để Dịch chiết cótrong lá ổi mang tính kháng khuẩn Dùng để bọc thức ăn thay thếcho các loại màng PE hoặc PVC

Hạt xốp (đậu phộng): đậu phộng đóng gói có thể phân hủy sinh

học từ thực vật được làm từ tinh bột, sẽ tan trong nước chỉ sau vàiphút, khiến chúng vô hại với môi trường và

thậm chí có thể bị sinh vật tiêu hóa Sản

phẩm có thể dùng làm đệm cho các linh kiện

Hình 7: Hạt xốp đậu phộng từ tinh bột

1.5) Tính chất

Ngày nay việc thay đổi bao bì vật liệu sinh học vẫn đang trong quá trìnhphát triển So với bao bì thông thường, bao bì làm bằng vật liệu sinh họcthân thiện hơn với môi trường, ít ô nhiễm hơn và giúp hiện thực hóa nềnkinh tế tuần hoàn Hiện nay, bao bì thân thiện với môi trường phổ biếnnhất bao gồm các loại sau, trong mỗi loại bao bì có thể được chia thànhnhiều loại:

- Bao bì phân hủy sinh học: Bao bì phân hủy sinh học có thể bị vi sinh vậtphân hủy sau khi sử dụng thành nước, CO2 và các chất dinh dưỡng đượctrả lại cho đất

- Bao bì có thể tái sử dụng: Bao bì có thể tái sử dụng có chất lượng dàyhơn và đàn hồi hơn, cho phép tái sử dụng nhiều lần để tăng tuổi thọ củabao bì

- Bao bì tái chế: Bao bì tái chế được làm từ nhựa tái chế có nguồn gốc từchai PET và bao bì cũ Tuy nhiên, do tính chất vật lý của nhựa (có xuhướng bị phân hủy sau mỗi lần tái sản xuất), vật liệu nhựa mới luôn phảiđược bổ sung để làm bao bì tái chế Hoặc sản xuất từ các nguyên liệu

thân thiện hơn với môi trường như: tinh bột, cellulose, hoặc protein thựcvật, giúp giảm thiểu tác động đến môi trường.

- Bao bì sinh khối: Bao bì sinh khối được sản xuất bằng vật liệu sinh họcbao gồm nhiều loại thực vật khác nhau như bột ngô, rơm lúa mì, bã mía

và gỗ Đây là những nguồn nguyên liệu bền vững

- Tính bảo vệ: Cung cấp khả năng bảo vệ tốt cho sản phẩm bên trong,

như chống ẩm, ánh sáng, và oxy, giúp duy trì chất lượng sản phẩm

1.6) Ưu và nhược điểm của bao bì vật liệu sinh học

Nhược điểm:

Chi phí sản xuất cao: Giá thành sản xuất bao bì sinh học thường cao hơn

so với bao bì nhựa truyền thống, ảnh hưởng đến giá bán sản phẩm

Thời gian phân hủy: Mặc dù có khả năng phân hủy sinh học, nhưng thời

gian phân hủy có thể kéo dài trong điều kiện không thuận lợi

Tính ổn định: Một số loại bao bì sinh học có thể kém bền hơn so với bao

bì nhựa, dễ bị hư hỏng hoặc biến dạng khi tiếp xúc với độ ẩm hoặc nhiệt

độ cao

Khả năng tái chế hạn chế: Không phải tất cả các loại bao bì sinh học

đều có thể tái chế, và quy trình tái chế có thể phức tạp hơn

Đặc tính vật lý: Một số bao bì sinh học có thể không đạt được các đặc

tính vật lý như độ bền kéo hoặc độ dày như bao bì nhựa

Sự chấp nhận của người tiêu dùng: Một số người tiêu dùng có thể chưa

quen hoặc không tin tưởng vào bao bì sinh học, dẫn đến khó khăn trongviệc tiếp cận thị trường

Ưu điểm:

- Dễ phân hủy: thân thiện với môi trường, được sản xuất từ nguyên liệu

tái tạo, giúp giảm thiểu ô nhiễm và khối lượng rác thải nhựa Tổng hợppolyeste phân hủy sinh học trên nền các axit caboxylic

- Tăng giá trị sản phẩm và thương hiệu: các công ty đang chú ý hơn và

ngày càng quan tâm đến bao bì thân thiện với môi trường, sẵn sàng chấpnhận giá sản phẩm cao hơn Sử dụng bao bì có khả năng phân hủy sinhhọc mang lại cho sản phẩm sự độc đáo trên thị trường, đồng thời kết hợptriết lý thân thiện với môi trường sẽ tăng thêm giá trị cho sản phẩm vàthương hiệu.Dễ dàng in ấn và trang trí, tạo ra bao bì hấp dẫn và thu hútngười tiêu dùng

- Tính ứng dụng cao:

* Tỷ lệ chất thải công nghiệp được xử lý đúng cách Chất thải côngnghiệp là một trong những vấn đề lớn trong hoạt động của doanh nghiệpđược các cơ quan quản lý ở các quốc gia khác nhau giám sát chặt chẽ.Việc sử dụng bao bì phân hủy sinh học tuân thủ hệ thống tái chế cho phépcác doanh nghiệp khẳng định rằng bao bì của họ có thể được xử lý thôngqua tái chế sinh khối, từ đó làm tăng tỷ lệ chất thải công nghiệp được xử

lý đúng cách

* Giảm thải hiệu ứng nhà kính: Trong khi phát triển, thực vật hấp thụCO2, do đó lượng khí thải carbon trong vòng đời của các sản phẩm bao bìphân hủy sinh học thấp hơn đáng kể so với nhựa (PP, PE, PET,…) từ đógiảm lượng khí thải carbon thải ra môi trường

- Hạn chế chất độc ảnh hướng đến thực phẩm: đối với các sản phẩm

thông thường khi để đồ ăn quá nóng sẽ làm các hộp nhựa biến chất, thấmvào thực phẩm, dần về lâu gây ảnh hưởng đến các cơ quan trong cơ thể

Vì thế các bao bì 100% từ nhựa phân hủy sinh học, thì giai đoạn thứ nhất

là tổng hợp nhựa sinh học từ nguồn nguyên liệu tự nhiên, trong giai đoạnthứ hai có thể bổ sung vật liệu tổng hợp làm phụ gia hay trộn hợp. Hailoại nhựa phân hủy sinh học có tiềm năng ứng dụng lớn nhất là polylacticaxit (PLA) và polybutylene succinate (PBS), có thể sản xuất từ nguyênnguyên liệu tái tạo hoặc nguyên liệu hóa thạch, có thể tập trung nguồn lựcphát triển lĩnh vực này trong nước.

1.7 Phân Loại

Dựa vào thành phần cấu tạo nên bao bì sinh học mà chúng ta có thể chiabao bì sinh học làm 5 loại

1. PLA - (polylactic acid)

Được SX từ sự lên men tinh bột Loại polyme này tiêu tốn ít năng lượnghơn plastic Mặc dù thân thiện với môi trường nhưng ko được sử dụngrộng rãi do chi phí SX cao

Người ta SX PLA dựa vào nguồn nguyên liệu từ tinh bột bắp Bắp đượcxay và cán Sau đó đường hóa thành các dextrin Các dextrin này sẽchuyển thành acid lactic trong quá trình lên men

Quá trình cô đặc sẽ làm cho 2 phân tử plastic kết hợp lại thành cấu trúcvòng goi là lactid Hợp chất này sẽ được làm sạch qua quá trình chưngcất Sau đó chúng trùng hợp tạo chuỗi polyme mạch dài

Sau đó, vật liệu này được bán cho các cty và được gia công thêm để cho

ra sp cuối cùng Sau 1 thời gian sử dụng thì PLA sẽ bị hủy đi hoặc tái chếlại

Sản xuất bao bì PLA (polylactic acid) từ vỏ quả dưa hấu:

Hiện nay nguồn nguyên liệu từ vỏ quả dưa hấu rất dồi dào, giá trị khôngcao nên tận dụng sản xuất bao bì sẽ phù hợp

Vỏ dưa hấu sau khi được nghiền (nếu vỏ khô bỏ thêm nước) rồi tiến hànhlên men acid lactic để thu được dung dịch acid lactic Sau đó tiến hànhkết tinh để tinh sạch lactic rồi tiến hành polyme hóa ta thu đượcpolylactic acid Sau đó định hình theo hình dạng theo yêu cầu

2. Vật liệu Poly(hydroxylalkanoates)

Poly(hydroxylalkanoates) hay PHA là một vật liệu polyme khác có nhiềuhứa hẹn Polyme này đang được nghiên cứu để thay thế cho bao bìplastic Các nhà sinh học đã biết đến sự tồn tại của PHA từ năm 1925trong tế bào vi khuẩn Nhiều loại PHA đã được tổng hợp từ các nguồncacbon, vi sinh vật hữu cơ khác nhau và có qua quá trình gia công 

Có 2 phương pháp để tổng hợp nên PHA:

 Phương pháp lên mem gồm: Trồng các cây trồng như bắp, rồi thuhoạch, chách chiết glucose từ cây trồng sau đó lên men đườngtrong những tế bào chứa PHA, rửa và xoáy đảo tế bào để giảiphóng PHA sau cùng là cô đặc và phơi khô trong khuôn

 Quá trình tổng hợp dựa vào sự phát triểu PHA trong tế bào câytrồng là một kỹ thuật mà đang được theo đuổi Quá trình nay thìgiống với quá trình đã mô tả ở trên nhưng bỏ qua gia đoạn lên ma.Người ta sử dụng một lượng lớn dung môi để trích ly nhựa từ câytrồng Sau đó phải tìm cách loại dung môi đi Do đó rất tốn kémnăng lượng

 Một số ưu điểm của PHA với PLA là khả năng tự phân hủy của nórất là cao và dễ tổng hợp Khi được đặt vào môi trường sinh vật tựnhiên thì nó sẽ tự phân hủy thành Co2 và nước Điều này giúp no

có nhiều ứng dụng trong cuộc sống

3. Thermoplastic tinh bột - TPS

Polyme TPS là polyme 100% tinh bột đã có chỗ đứng trên thị trường Nó

có ưu điểm là: chi phí năng lượng thấp, giá cả thấp hơn với plastic truyềnthống

Để có những thuộc tính như plastic, TPS được trộn với các vật liệu khác.Tinh bột liên kết với các polyme khác, với hàm lượng tinh bột lớn hơn50% sẽ tạo nên các loại plastic khác

a Starch/ Vinyl alcohol copolymers

Có nhiều loại plastic với hình dạng và hoạt tính khác nhau.plastic chứatinh bột có tỷ lệ AM/AP lớn hơn 20/80 sẽ ko hòa tan ngay cả ở trongnước sôi,ngược lại thì sẽ bị hòa tan từng phần

Điểm hạn chế của vật liệu này là giòn và nhạy cảm với độ ẩm

Cơ chế của sự phân hủy:

Thành phần tự nhiên: dù được che chắn bởi cấu trúc mạng nhưng vẫn bịphân hủy bởi enzyme ngoại bào của vsv Thành phần tổng hợp được phânhủy do sự hấp phụ bề mặt của vsv

b Aliphatic polyesters: