Nghiên cứu tạo màng bao gói thực phẩm từ chitosan kết hợp với gelatin

Hơn nữa bao bì sau khi sử dụng có thời gian phân hũy dài gây ảnh hưởng đến môi trường do đó các loại màng từ vật liệu sinh học có khả năng thay thế bao bì tổng hợp đang ngày càng được qu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐẶNG THỊ THÚY NI

NGHIÊN CỨU TẠO MÀNG BAO GÓI THỰC PHẨM TỪ

CHITOSAN KẾT HỢP VỚI GELATIN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

(Ngành: công nghệ thực phẩm)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

ĐẶNG THỊ THÚY NI

NGHIÊN CỨU TẠO MÀNG BAO GÓI THỰC PHẨM TỪ

CHITOSAN KẾT HỢP VỚI GELATIN

LỜI CẢM ƠN

Trải qua bốn năm học tập cho đến nay, em đã hoàn thành gần xong chương trình học và làm đề tài tốt nghiệp Trong suốt thời gian làm đề tài tốt nghiệp tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Nha Trang em đã học hỏi thêm nhiều kiến thức mới đồng thời rèn luyện khả năng thực hành, tiếp xúc trực tiếp với công việc nghiên cứu thay

vì chỉ được học kiến thức lý thuyết trên ghế nhà trường từ đó có thêm những kinh nghiệm để trang bị cho tương lai của mình

Qua đây em xin chân thành cảm ơn:

Ban Giám hiệu Trường Đại học Nha Trang, quý thầy cô trong Khoa Công nghệ Thực phẩm đã giúp em hoàn thành khóa học của mình

Em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Trang Sĩ Trung, TS Nguyễn Trọng Bách và ThS Nguyễn Công Minh là những người đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp hướng dẫn và tạo điều kiện cho em hoàn thành đề tài này

Em xin cảm ơn thầy TS Nguyễn Văn Hòa, ThS Nguyễn Thị Đan Phượng đã

tư vấn hỗ trợ em trong quá trình tiến hành nghiên cứu cùng thầy ThS Nguyễn Văn Hân và các thầy cô giáo phụ trách các phòng thí nghiệm đã nhiệt tình hỗ trợ và hướng dẫn cho em sử dụng các thiết bị tại phòng thí nghiệm

Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã giúp đỡ động viên

và tạo mọi điều kiện để em hoàn thành tốt khóa học cũng như với đề tài này

Trong quá trình hoàn thành bài báo cáo này em đã cố gắng rất nhiều nhưng không thể nào tránh khỏi sai sót Rất mong thầy cô đóng góp ý kiến để bào báo cáo của em được hoàn thành tốt hơn

Em xin chân thành cảm ơn!

Nha Trang, ngày 10 tháng 07 năm 2017

Sinh viên Đặng Thị Thúy Ni

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC BẢNG vi

DANH MỤC HÌNH vii

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 3

1.1 Giới thiệu về màng bao gói sinh học 3

1.1.1 Phân loại màng sinh học 3

1.1.2 Tính chất và ưu nhược điểm của màng sinh học 3

1.1.3 Các ứng dụng của màng sinh học 4

1.2 Tổng quan về nguyên liệu 5

1.2.1 Chitosan 5

1.2.1.1 Cấu trúc chitosan 5

1.2.1.2 Tính chất của chitosan 6

1.2.1.3 Ứng dụng tạo màng của chitosan 8

1.2.2 Gelatin 10

1.2.2.1 Cấu trúc gelatin 10

1.2.2.2 Tính chất của gelatin 11

1.2.2.3 Ứng dụng tạo màng của gelatin 14

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 16

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 16

1.3.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 18

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21

2.1 Đối tượng nghiên cứu 21

2.1.1 Chitosan 21

2.1.2 Gelatin 21

2.2 Phương pháp nghiên cứu 22

2.2.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 22

2.2.1.1 Bố trí thí nghiệm tổng quát 22

2.2.1.2 Bố trí thí nghiệm chi tiết 23

2.2.2 Phương pháp phân tích các tính chất cơ lý của màng 28

2.2.3 Phương pháp xử lý số liệu 31

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 32

3.1 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của dung môi và nồng độ chitosan đến tính chất màng chitosan 32

3.1.1 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của dung môi hòa tan chitosan đến tính chất màng chitosan 32

3.1.2 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ chitosan đến tính chất màng chitosan 38

3.2 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ gelatin đến tính chất màng gelatin 42

3.3 Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn chitosan/gelatin đến chất lượng màng chitosan/gelatin 44

3.4 Quy trình tạo màng chitosan kết hợp với gelatin 54

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 57

TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 PHỤ LỤC

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

chitosan/gelatin = 60/40

(40/60) Màng phối trộn chitosan 1,5% với gelatin 2,5% theo tỷ lệ

chitosan/gelatin = 20/80

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Ảnh hưởng của hệ dung môi sử dụng đến ứng suất kéo, độ giãn dài giới hạn, độ trương nở của màng chitosan có độ deacetyl khác nhau 8 Bảng 2.1 Chỉ tiêu chất lượng của mẫu chitosan 21 Bảng 3.1 Bảng kết quả cảm quan màu sắc và trạng thái của các màng từ các dung môi acid khác nhau 33 Bảng 3.2 Bảng kết quả cảm màu sắc và trạng thái của các màng có nồng độ chitosan tạo màng khác nhau 39 Bảng 3.3 Bảng kết quả ảnh hưởng của nồng độ gelatin đến màu sắc và trạng thái của màng gelatin 42 Bảng 3.4 Ký hiệu tên màng 45 Bảng 3.5 Kết quả đánh giá cảm quan về chỉ tiêu màu sắc và trạng thái của màng 47 Bảng 3.6 So sánh các chỉ tiêu về khả năng thấm nước và độ bền của màng trước

và sau trung hòa 53

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Công thức cấu tạo của chitin (a) chitosan (b) 5

Hình 1.2 Công thức phức của chitosan với kim loại 7

Hình 1.3 Cấu trúc của gelatin 10

Hình 1.4 Cấu trúc hóa học phân tử gelatin 11

Hình 1.5 Tỷ lệ (%) tương đối các loại acid amin trong 11

Hình 1.6 Cầu nối hydrat trong mạch gelatin 12

Hình 1.7 (a) Viên nhộng mềm, (b) Viên bao cứng 15

Hình 2.1 Mẫu chitosan 21

Hình 2.2 Mẫu gelatin 21

Hình 2.3 Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát 22

Hình 2.4 Sơ đồ bố trí thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của dung môi hòa tan chitosan đến tính chất màng chitosan 23

Hình 2.5 Sơ đồ bố trí thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ chitosan đến tính chất màng chitosan 25

Hình 2.6 Sơ đồ bố trí thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ gelatin đến màng gelatin 26

Hình 2.7 Sơ đồ bố trí thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn giữa chitosan và gelatin đến màng 27

Hình 2.8 Màng chuẩn bị kiểm tra ứng suất kéo và độ giãn dài 29

Hình 2.9 Thiết bị đo sức bền vật liệu instron 3366 29

Hình 2.10 Tiến hành kiểm tra tính chất cơ lý của màng, a) chuẩn bị kẹp màng vào thiết bị, b) màng bị đứt sau khi thực hiện đo 30

Hình 2.11 Biểu đồ thể hiện lực tác dụng và độ giãn của màng 30

Hình 3.1 Ảnh hưởng của loại dung môi đến độ dày và khối lượng màng chitosan 32 Hình 3.2 Biểu đồ ảnh hưởng của loại dung môi đến khả năng thấm nước của màng

Hình 3.3 Biểu đồ ảnh hưởng của loại dung môi đến ứng suất kéo và độ giãn dài của màng chitosan 36 Hình 3.4 Biểu đồ ảnh hưởng của nồng độ chitosan đến khối lượng và độ dày của màng chitosan 38 Hình 3.5 Biểu đồ ảnh hưởng của nồng độ chitosan đến ứng suất kéo và độ giãn dài của màng chitosan 40 Hình 3.6 Biểu đồ ảnh hưởng của nồng độ chitosan tạo màng đến độ thấm nước của màng chitosan 41 Hình 3.7 Biểu đồ ảnh hưởng của nồng độ gelatin đến ứng suất kéo và độ giãn dài của các màng gelatin 43 Hình 3.8 Sơ đồ ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn chitosan/gelatin đến độ dày của các màng chitosan/gelatin 46 Hình 3.9 Biểu đồ ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn chitosan/gelatin đến độ thấm nước của màng chitosan/gelatin 48 Hình 3.10 Biểu đồ ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn chitosan/gelatin đến ứng suất kéo của màng chitosan/gelatin 49 Hình 3.11 Biểu đồ ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn chitosan/gelatin đến độ giãn dài của màng chitosan/gelatin 51 Hình 3.12 a) Độ thấm nước trương nở của màng trước trung hòa, b) độ thấm nước trương nở của màng sau trung hòa 53 Hình 3.13 Sơ đồ qui trình tạo màng kết hợp chitosan/gelatin 55 Hình 3.14 a) bóc màng ra khỏi đĩa, b) sản phẩm màng hoàn thiện 56

LỜI MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, việc sử dụng bao bì từ vật liệu polymer như PE (polyethylen), PP (polyprothyline), PVC (polyvinyl chloride), bao bì tổng hợp… trong bao gói thực phẩm có nguy cơ phát tán hợp chất độc hại từ bao bì vào thực phẩm Hơn nữa bao bì sau khi sử dụng có thời gian phân hũy dài gây ảnh hưởng đến môi trường do đó các loại màng từ vật liệu sinh học có khả năng thay thế bao bì tổng hợp đang ngày càng được quan tâm nghiên cứu

Chitosan là polysaccharide không độc, có khả năng phân hủy sinh học, có tính tương hợp sinh học cao và khối lượng phân tử lớn [13] Chitosan có các tính chất đặc trưng như khả năng tạo gel, tạo màng, hấp phụ màu, kháng nấm, kháng khuẩn, chống oxi hóa… nên chitosan được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghệ, đặc biệt trong tạo màng sinh học Màng chitosan có các tính chất cơ lý tốt có khả năng thay thế cho các loại bao bì như PE, các bao bì tổng hợp Bên cạnh chitosan, gelatin là polymer có khả năng tạo màng tốt, nguồn nguyên liệu dồi dào, giá thành thấp, dễ tạo màng nhưng yếu về mặt cơ học

Màng sinh học tạo thành từ chitosan có các đặc tính cơ lý tốt nhưng giá thành chitosan cao khó ứng dụng rộng rãi trong khi đó gelatin có giá thành thấp hơn chitosan nhưng màng tào thành từ gellatin không bền khi gặp nước và dễ bị vi khuẩn, nấm tấn

công Xuất phát từ những thực tế trên, đề tài “Nghiên cứu tạo màng bao gói thực phẩm từ chitosan kết hợp với gelatin” được thực hiện

2 Mục đích của đề tài

Tạo được màng chitosan kết hợp với gelatin

3 Nội dung của đề tài

- Nghiên cứu ảnh hưởng của dung môi và nồng độ chitosan đến tính chất của màng chitosan

- Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ gelatin dến tính chất của màng gelatin

- Nghiên cứu tỷ lệ phối trộn giữa dung dịch chitosan và dung dịch gelatin thích

hợp trong quá trình tạo màng chitosan/gelatin

4 Ý nghĩa khoa học của đề tài

Đề tài sẽ hình thành các dẫn liệu khoa học cho việc kết hợp gelatin và chitosan

để tạo màng bao gói thực phẩm

5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Sản phẩm của đề tài có khả năng ứng dụng để tạo màng trong bao gói một số loại thực phẩm như các sản phẩm khô, rau quả…có giá trị về mặt kinh tế

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu về màng bao gói sinh học

Màng bao sinh học là loại màng có khả năng tự phân hủy Nó là sản phẩm được hình thành từ nguồn nguyên liệu tự nhiên có thể là các polymer được tách trực tiếp

từ vi sinh vật, polymer tổng hợp từ các monomer có nguồn gốc sinh học hay các hợp chất hữu cơ thiên nhiên được biến đổi

Màng bao sinh học thường không màu, không mùi, không vị, không độc và có khả năng tự phân hủy thân thiện với môi trường Do đó không chỉ góp phần bảo vệ chất lượng thực phẩm, kéo dài thời gian bảo quản nó còn giúp giảm ô nhiễm môi trường [14]

1.1.1 Phân loại màng sinh học

Loại 1: Màng được tạo ra từ các polymer sinh học như các polysaccarit (tinh bột, xenluloza), chitin-chitosan, protein (gluten của bột mì, casein)

Loại 2: Màng được tạo ra từ các monomer có nguồn gốc sinh học như polylactat Các monomer này được sản xuất nhờ phương pháp lên men cacbon hydrat tự nhiên Loại 3: Từ các polymer được tách chiết trực tiếp từ vi sinh vật hoặc vi khuẩn cấy truyền gen

Các màng sinh học loại 1 mang lại hiệu quả cao nhất do sử dụng nguồn nguyên liệu có sẵn trong tự nhiên, chúng được ứng dụng rộng rãi trong ngành bao gói thực phẩm Màng bao sinh học dần trở thành bao bì tương lai thay thế cho các loại bao bì

có nguồn gốc từ dầu mỏ như PE, PP

1.1.2 Tính chất và ưu nhược điểm của màng sinh học

- Tính chất:

Màng bao sinh học cũng có một số tính chất gần giống như một màng bao tổng hợp: tính bền, tính dẻo, độ trong suốt… Ngoài ra chúng có khả năng phân hủy được trong môi trường tự nhiên nhờ xúc tác enzyme của các vi sinh vật [16, 14] Đây là đặc tính ưu việt khác biệt nhất của bao bì sinh học

Các tính chất của bao bì sinh học phụ thuộc nhiều vào cấu trúc phân tử, khối lượng phân tử, độ uốn dẻo, thành phần hóa học cũng như bản chất tương tác giữa các phân tử

- Ưu điểm của màng bao sinh học

Có thể ăn được nên được tiêu thụ dưới dạng sản phẩm [10] Màng có khả năng kháng khuẩn, chống oxi hóa, chống mất nước, chất béo, hương thơm và các hợp chất khác có mặt trong thực phẩm, giữ được chất lượng và tăng thời gian bảo quản sản phẩm [18]

Màng bao có khả năng phân hủy sinh học không ảnh hưởng đến môi trường [16]

An toàn đối với thực phẩm, sức khỏe con người và thân thiện với môi trường

- Nhược điểm của màng bao sinh học

Khả năng được sử dụng rộng rãi rất thấp khi bao bì plactic đã trở thành một vật liệu mang tính truyền thống lâu đời

Phạm vi sử dụng của bao bì sinh học hẹp hơn bao bì plactic

Khả năng in ấn, độ bền, độ dẻo của bao bì sinh học còn thua kém bao bì plactic

1.1.3 Các ứng dụng của màng sinh học

Nhờ có những tính chất vật lý như một màng bao tổng hợp Ngoài ra còn có hoạt tính sinh học, không độc và đặc biệt là có khả năng tự phân hủy nhờ đó màng bao sinh học dần thay thế cho màng bao tổng hợp với nhiều ứng dụng trên nhiều lĩnh vực:

Tạo màng bao gói thực phẩm ứng dụng trong lĩnh vực thực phẩm

Ứng dụng tạo gạc chữa bỏng “thông minh’’ dùng trong y học, màng sinh học giúp ngăn ngừa biến chứng nhiễm trùng vết thương bỏng, tạo điều kiện che phủ vết thương nhanh và rút ngắn thời gian điều trị, giảm bị sẹo [12]

Trong công nghệ sinh học: ứng dụng màng trong cảm biến sinh học, các bộ phận sinh học ứng dụng màng sinh học cho kết quả ổn định, độ tin cậy cao

Trong nông nghiệp: màng bao sinh học được sử dụng làm màng bao để phủ cây trồng và các bầu ươm cây giúp giữ ẩm, che sương Ngoài ra màng có thể tự phân hủy tạo độ xốp cho đất, không gây ảnh hưởng đến môi trường

Các ứng dụng của màng bao sinh học đang dần được các nhà nghiên cứu khai thác tối đa để có thể ứng dụng nhiều hơn trong tương lai

1.2 Tổng quan về nguyên liệu

1.2.1 Chitosan

Chitosan là dẫn xuất của chitin được hình thành khi tách nhóm acetyl (quá trình deacetyl hóa chitin) khỏi chitin nên chitosan chứa rất nhiều nhóm amino Chitosan thường ở dạng vảy hoặc dạng bột có màu trắng ngà Công thức cấu tạo của chitosan gần giống với với chitin và cellulose chỉ khác là chitosan chứa nhóm amin ở cacbon thứ 2

1.2.1.1 Cấu trúc chitosan

Chitosan được cấu tạo từ các mắc xích D- glucosamin liên kết với nhau bởi liên kết β-1,4-glycoside và thường được gọi là poly β-(1-4)-D- glucosamin (cấu trúc III) Công thức phân tử: (C6H11O4N)n

Phân tử lượng: Mchitosan = (161,07)n

Trên thực tế chitosan là polymer hữu cơ chứa các đơn vị là Glucosamine và acetyl-glucosamine liên kết với nhau bằng liên kết β-1,4-glycoside

N-Hình 1.1 Công thức cấu tạo của chitin (a) chitosan (b)

Các mắt xích chitin đan xen trong mạch cao phân tử chitosan khoảng 10% [5]

Tỉ lệ Glucosamine và N-acetyl-glucosamine phụ thuộc vào mức độ deacetyl hóa Chitosan là chitin đã được deacetyl hóa bằng kiềm hoặc 1 số chủng enzyme đặc a)

b)

Phân tử lượng của chitosan quyết định tính chất của chitosan: khả năng kết dính, tạo màng, tạo gel, khả năng hấp phụ chất màu, đặc biệt là khả năng ức chế vi sinh vật Chitosan có phân tử lượng càng lớn thì có độ nhớt càng cao, khả năng tạo màng tốt Tuy nhiên, chitosan phân tử lượng thấp thường có hoạt tính sinh học cao hơn, thường có nhiều ứng dụng trong nông nghiệp, y học và công nghệ sinh học Thông thường, phân

tử lượng của chitosan nằm trong khoảng từ 100.000 dalton đến 1.200.000 dalton [13]

Độ rắn của chitosan phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nguồn gốc chitin, độ deacetyl hóa, phân tử lượng và quá trình xử lý chitin và chitosan

1.2.1.2 Tính chất của chitosan

 Tính chất vật lý

Chitosan là một chất rắn ở dạng bột có màu trắng ngà, còn ở dạng vảy có màu

trắng hay hơi vàng, xốp, nhẹ, có thể xay nhỏ theo các kích cỡ khác nhau [5, 10]

Chitosan có tính kiềm nhẹ, không mùi vị, không tan trong nước, dung dịch kiềm và acid đậm đặc nhưng tan trong acid loãng (pH = 6) như acid formic, acetic, citric tạo dung dịch keo dương, nhớt và trong suốt giúp không bị kết tủa khi có khi có mặt của một số ion kim loại nặng như Pb, Hg…và giúp tạo màng tốt [5]

Nhiệt độ nóng chảy 309 – 3110C [8]

Chitosan là một polycation mang điện tích dương (pH<6,5) nên có khả năng bám dính trên các bề mặt có điện tích âm như protein, aminopolysaccharide (alginate), acid béo và phospholipid nhờ sự có mặt của nhóm amino (NH2)

Chitosan là polymer không độc, có tính chất cơ học tốt, dể tạo màng, có thể tự phân hủy sinh học và có tính hòa hợp sinh học cao với cơ thể [8]

 Tính chất hóa học của chitosan

Chitosan có khả năng hút nước, khả năng hấp phụ chất màu, kim loại, dính kết với chất béo, có khả năng kháng khuẩn, kháng nấm, mang DNA… Các tính chất trên phụ thuộc rất lớn vào độ deacetyl hóa [13] Độ deacetyl cao chitosan có khả năng hấp thụ màu, tạo phức với kim loại tốt hơn, khả năng kháng khuẩn và kháng nấm cao hơn Tuy nhiên, độ deacetyl hóa cao làm giảm khả năng hút nước của chitosan Độ deacetyl

hóa thấp (75%) khả năng hút nước của chitosan đạt đến 659% cao hơn nhiều với chitosan có độ deacetyl hóa cao là 486% [13]

Trong phân tử chitin/chitosan và một số dẫn xuất của chitin có chứa các nhóm

chức mà trong đó các nguyên tử oxi và nitơ của nhóm chức còn cặp electron chưa

sử dụng, do đó chúng có khả năng tạo phức, phối trí với hầu hết các kim loại nặng

và các kim loại chuyển tiếp như: Hg+, Cd2+, Zn2+, Cu2+, Ni2+, Co2+… tùy nhóm chức trên mạch polymer mà thành phần và cấu trúc của phức khác nhau

Ví dụ: với phức Ni (II) nếu chitin có cấu trúc bát diện có số phối trí bằng 6, nếu chitosan có cấu trúc tứ diện có số phối trí bằng 4

Hình 1.2 Công thức phức của chitosan với kim loại

Phản ứng với iod trong môi trường sulfurid tạo màu tím Nhờ tính chất này

mà có thể dùng trong phân tích định tính chitosan

Phản ứng với acid đậm đặc tạo thành muối khó tan

Chitosan có thể hình thành gel với aldehyde khi kết hợp với aldehyde trong điều kiện thích hợp Đây là cơ sở để bẫy tế bào, enzyme [5]

 Khả năng tạo màng của chitosan

Chitosan hòa tan trong môi trường acid thành hệ keo dương có khả năng tạo màng rất tốt Màng chitosan có các tính chất cơ lý như độ chịu kéo, độ rắn, độ thấm

thường, màng chitosan có độ deacetyl cao có ứng suất kéo và độ giãn dài cao, có lẽ

do độ rắn cao hơn và sự hình thành liên kết hydro nội phân tử nhiều hơn [29, 34] Trong khi đó, màng chitosan được hình thành từ chitosan có độ deacetyl thấp có độ trương nở, khả năng thẩm thấu cao hơn loại màng từ chitosan có độ deacetyl hóa cao [8, 29]

Hệ dung môi sử dụng để hòa tan chitosan tạo màng ảnh hưởng đến các chỉ tiêu cơ lý của màng (bảng 1.1)

Bảng 1.1 Ảnh hưởng của hệ dung môi sử dụng đến ứng suất kéo, độ giãn dài giới hạn, độ trương nở của màng chitosan có độ deacetyl khác nhau [13]

Dung

môi

Ứng suất kéo (N/mm 3 )

Độ giãn dài giới hạn

Chitosan

độ deacetyl thấp

Chitosan

độ deacetyl cao

Chitosan

độ deacetyl thấp

Chitosan

độ deacetyl cao

Chitosan

độ deacetyl thấp

Chitosan

độ deacetyl cao Acid

Ngoài ra, tính chất của màng còn phụ thuộc nhiều vào việc sử dụng dung môi hòa tan chitosan để tạo màng [13]

1.2.1.3 Ứng dụng tạo màng của chitosan

Chitosan là hợp chất polyme tự nhiên an toàn với những tính chất tự nhiên: kháng nấm, chống oxy hóa, tạo gel, tạo màng, kháng khuẩn, làm trong… nên được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như công nghệ thực phẩm, trong nông nghiệp, trong lĩnh vực y dược, công nghệ sinh học, xử lý môi trường… trong đó phạm vi ứng

Màng bao chitosan được sản xuất dùng để bảo quản trái cây, các loại rau, trứng

gà, bảo quản tôm… chống biến nâu, mất nước, kháng nấm Ngoài ra còn hạn chế lượng oxi qua màng nên quá trình hô hấp của quả chậm dần, quá trình oxi hóa của các hợp chất phenol cũng giảm đi [13]

Màng chitosan bảo quản các sản phẩm thịt, cá thể hiện tác dụng hạn chế oxi hóa lipid do màng chitosan làm rào cản với oxi nhằm hạn chế quá trình hư hỏng Cơ chế chống oxi hóa của chitosan có thể là do hoạt tính tạo phức với các ion kim loại hoặc

do chitosan kết hợp với lipid [21, 13]

Trong bảo quản nông sản, chitosan tạo màng giúp bao bọc lấy hạt giống giúp ngăn ngừa sự tấn công của nấm trong đất, tăng cường khả năng nảy mầm và kích thích cây sinh trưởng; ứng dụng trong thủy sản màng chitosan bao bọc và kết dính làm tăng độ ổn định của thức ăn tôm, cá, giảm độ phân rã của thức ăn trong nước nâng cao hiêu quả sử sụng và cải thiện được môi trường ao nuôi [13]

Trong lĩnh vực xử lý nước thải chitosan được sử dụng chế tạo vật liệu màng sợi nano chitosan/polyethylen oxit ứng dụng làm màng lọc hấp phụ ion kim loại nặng

Sử dụng chitosan làm màng bao các loại thuốc

Ngoài ứng dụng của màng chitosan trong các lĩnh vực, chitosan còn có nhiều ứng dụng khác cũng đang rất được quan tâm:

- Ứng dụng làm chất keo tụ, tạo bông để làm trong nước quả Chitosan với hàm lượng 0,8 kg/m3 có thể làm giảm độ đục của nước táo ép xuống rất nhiều lần Chitosan

có ái lực tốt đối với hợp chất polyphenol như catechin, proanthocyamidin, cinnamic acid và các dẫn xuất của chúng (soto- Perlata, Muller và Knorr, 1989) [13]

- Chitosan có khả năng cố định phân bón và thuốc trừ sâu

- Làm chất mang trong việc kiểm soát quá trình giải phóng thuốc và chất mang vận chuyển thuốc Ứng dụng trong điều trị viêm loét dạ dày do có tác dụng kháng

khuẩn đối với chủng vi khuẩn helicobacter pylori Bên cạnh đó chitosan ngăn cản sự

hấp thụ mỡ của cơ thể ứng dụng trong việc kiểm soát cân nặng và giảm cholesterol

- Trong công nghệ sinh học chitin-chitosan được ứng dụng trong nuôi cấy mô,cố

kháng nấm sinh học,…nhờ khả năng tự phân hủy, kháng khuẩn, kháng nấm, tạo màng

và tương thích sinh học cao [16, 6, 30]

1.2.2 Gelatin [3, 11]

Gelatin được định nghĩa là một loại protein tinh chế, thu được bởi sự thủy phân một phần collagen bằng phương pháp acid (gelatin loại A), kiềm (gelatin loại B), hoặc enzyme (European Pharmacopoeia 5, 2005)

Ngoài ra còn có nhiều định nghĩa khác về gelatin Theo Bailey và Paul (1998) gelatin căn bản là protein tinh sạch dùng trong thực phẩm thu nhận từ collagen đã bị thoái hóa do nhiệt, có cấu trúc như protein động vật

C102H149N31O38 + H2O  C102H151N31O39

1.2.2.1 Cấu trúc Gelatin [3]

Cấu trúc của gelatin gồm có 18 amino acid (Glycine, Alanine, Valine, Leucine, Isoleucine, Serine, Threaonine, Methionine, Aspartic Acid, Glutamic Acid, Lysine, Hydroxylysine, Arginine, Hstidine, Phenylalanine, Tytrosine, Prolin, Hydroxylproline), chúng liên kết với nhau theo một trật tự xác định, tuần hoàn, tạo nên chuỗi polypetide với khoảng 1000 acid amin, hình thành nên cấu trúc bậc 1 Cấu trúc bậc 2 tạo nên từ 3 chuỗi plypeptide xoắn lại theo theo hình xoắn ốc và chuỗi xoắn đó tự xoắn quanh nó tạo nên cấu trúc bậc 3 dạng phân tử dạng dây thừng được gọi là “prolo fibril”

Hình 1.3 Cấu trúc của gelatin

Các chuỗi peptide có chiều dài khác nhau phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu và phương pháp sản xuất Chuỗi có một đầu là amino, một đầu là carboxyl

Gelatin chứa một lượng lớn các amino: glycine, proline và 4-hydroproline Có cấu trúc cơ bản là –Ala-Gly-Pro-Arg-Gly-4Hyp-Gly-Pro

Hình 1.4 Cấu trúc hóa học phân tử gelatin

Các nhóm hoạt động trong phân tử gelatin hướng ra ngoài môi trường Một số nhóm có thể ion hóa trong nước như Carboxyl, Imidazol, Amino, Guadino, các nhóm quy định khả năng tạo liên kết hydro, quy định cấu trúc phân tử: nhóm peptide (-CO-NH-) và các nhóm không mang điện: hydroxyl (Serine, threomin, hydroxyproline, hydroxylysine, tyrosine)

Quá trình thủy phân hoàn toàn gelatin sẽ thu được 18 loại acid amin Tỷ lệ giữa các loại có thể thay đổi phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu và phương pháp sản xuất gelatin

Hình 1.5 Tỷ lệ (%) tương đối các loại acid amin trong gelatin

1.2.2.2 Tính chất của gelatin

 Tính chất vật lý

Gelatin ở dạng tinh khiết, miếng, vảy, bột hoặc hạt, không mùi, không vị, có màu từ trắng đến vàng nhạt, trong suốt, có độ ẩm từ 9-12% và có tỷ trọng 1,3-1,4

Gelatin có thể hút nước, trương nở và tan tạo dung dịch nhớt trong nước nóng (<50oC), lượng nước hấp thụ có thể cao gấp 5-10 lần khối lượng ban đầu Dung dịch này đem đi làm lạnh dù ở nồng độ rất thấp (0,25%) cũng có thể đông đặc

Ở trạng thái đông đặc, lực liên kết keo đông của gelatin là liên kết hydro thông qua cầu nối hydrat được thể hiện như hình vẽ sau

Hình 1.6 Cầu nối hydrat trong mạch gelatin

Gelatin tan nhanh trong dung dịch acid và kiềm và có thể tan trong glycerin, propylen, glycol, sorbitol, manitol nhưng không tan trong cồn, aceton, CCl4, benzen, ether và các dung môi hữu cơ khác

Kết tủa ở nồng độ cao trong dung dịch có các muối nồng độ thấp: phosphat, citrat, sulfat

Các tính chất của gelatin phụ thuộc nhiều vào nguyên liệu, pH, nhiệt độ, nồng

độ, thời gian và phương pháp sản xuất gelatin

 Tính chất hóa học

- Tính chất gel- độ bền gel

Tạo gel là yếu tố quan trọng đánh giá chất lượng gelatin khi đông Độ bền gel phụ thuộc vào nồng độ, khả năng hình thành gelatin Độ bền của khối gel được đặc trưng bởi độ bloom Theo định nghĩa, độ bloom là khối lượng tính bằng gam cần thiết tác dụng lên bề mặt gel tạo bởi pittong có d=13mm để khối gel lún xuống 4mm, khối gel có hàm lượng gelatin là 6,67%, tạo gel ở 10oC trong 16-18h

Gel gelatin có khả năng tan chảy ở nhiệt độ cơ thể có cảm giác tan trong miệng Tính chất này giúp gelatin ứng dụng nhiều trong chế biến thực phẩm

- Độ nhớt: Là một trong những tính chất quan trọng đánh giá chất lượng gelatin Độ nhớt thương mại thường 2-7 cP, tối đa 3cP

Độ nhớt dịch gelatin phụ thuộc nhiều vào nguồn nguyên liệu, nồng độ dung dịch, dung môi, pH dung dịch và nhiệt độ

Ở nhiệt độ dưới 20oC, nồng độ vừa phải gelatin sẽ tồn tại ở dạng gel, trong khoảng 20-35oC vừa tồn tại ở dạng gel vừa tồn tại ở dạng dung dịch nhớt, trên

35oC dù ở nồng độ cao các phân tử gelatin vẫn không liên kết với nhau, chúng trở nên rời rạc

- Tính lưỡng tính: Gelatin tồn tại trong dung dịch dưới dạng lưỡng cực +CH2-COO-, được gọi là ion “Zwitter” Do đó gelatin thể hiện tính lưỡng tính, có thể phản ứng được với cả acid và bazo

NH3 Điểm đẳng điện

Tại giá trị pH các phân tử gelatin không có sự duy chuyển dung dịch gelain sẽ kém bền nhất, dể tủa và có hàm lượng tối đa các phân tử protein không tích điện Điểm đẳng điện ảnh hưởng đến độ nhớt, độ bền của gel làm ảnh hưởng đến khả năng ứng dụng của gelatin

Điểm đẳng điện của gelatin có thể thay đổi từ 9,4 đến 4,8 (90-95% các nhóm acid carboxylic tự do) Điểm đẳng điện phụ thuộc vào nồng độ muối trong dung dịch, nguồn nguyên liệu và phương pháp sản xuất

 Khả năng tạo màng của gelatin

Khả năng tạo màng của gelatin giúp nó được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp thực phẩm và dược phẩm Kết hợp gelatin với các chất tạo màng khác hỗ trợ các đặc tính của nhau và giúp hạ giá trị sản phẩm Một số màng thường được kết hợp với gelatin:

Màng tinh bột - gelatin: trong hỗn hợp gelatin có tác dụng cải thiện tính chất của màng Nồng độ gelatin trong hỗn hợp càng cao sẽ làm tăng khả năng kéo giãn của màng Tuy nhiên, tại pH của hỗn hợp bằng pI của gelatin thì khả năng kéo giãn của màng kém do không có sự tương tác giữa gelatin và tinh bột Khi pH hỗn hợp

càng xa pI của gelatin thì liên kết giữa tinh bột và gelatin được hình thành làm cho khả năng kéo giãn của màng tăng lên

Màng gellan- gelatin: gel gelatin mềm, đàn hồi và phụ thuộc chủ yếu vào nồng độ; gel gellan cứng và giòn phụ thuộc chủ yếu vào pH và nồng độ Đặc tính cơ học của màng gellan/gelatin phụ thuộc vào tỷ lệ phối trộn gellan và gelatin Hàm lượng gelatin trong hỗn hợp tăng sẽ làm giảm khả năng tan trong nước, giảm tỉ lệ căng phồng và ứng suất kéo của màng nhứng sẽ giúp màng tăng độ giãn của màng

Màng chitosan – gelatin: Gelatin có tác dụng làm tăng hiệu quả tạo màng của chitosan trong điều kiện pH thấp và nhiệt độ cao Màng kết hợp chitosan/gelatin có khả năng tan trong nước ở nhiệt độ thường

1.2.2.3 Ứng dụng tạo màng của gelatin

Được đánh giá là một chất keo sinh học, khả năng tạo gel, tạo nhũ, ổn định nhũ, tan chảy ở nhiệt độ cao, đông đặc ở nhiệt độ thấp, gelatin được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Đặc biệt gelatin có khả năng tạo màng mỏng Vì vậy nhiều nghiên cứu dùng gelatin chế tạo màng bao thực phẩm nhờ nguồn nguyên liệu gelatin dồi dào, giá thành thấp

Gelatin sử dụng làm màng thực phẩm làm tăng giá trị cảm quan, hạn chế quá trình giảm trọng lượng do bốc hơi nước [35], có khả năng ngăn cản khí và các chất hòa tan tốt; có khả năng chống lại sự oxi hóa, sự biến màu, sự xâm nhập của vi sinh vật và giảm sự hấp thụ dầu trong quá trình chiên Tuy nhiên màng được làm từ gelatin

có tính chất cơ học yếu, không bền khi gặp môi trường nước, dể bị vi khuẩn, nấm tấn công nên khả năng bảo quản đối với thực phẩm thấp [22, 6] Vì vậy để tạo màng bao thực phẩm gelatin thường là vật liệu được bổ sung vào các vật liệu tạo màng khác để giảm giá thành của sản phẩm

Trên thực tế khả năng tạo màng của gelatin được ứng nhiều trong lĩnh vực y dược: Sản xuất bao con nhộng cứng hay mềm, có tác dụng bảo vệ thuốc chống những tác nhân có hại như ánh sáng và oxi Với viên bao cứng, sử dụng gelatin có độ Bloom cao và độ nhớt của dung dịch giúp điều chỉnh độ dày của thành viên bao Viên bao mềm sử dụng gelatin có độ Bloom thấp hơn thông thường từ 150-200 và có bổ sung chất hóa dẻo (sorbitol, propylenglycol, và thường gặp nhất là glycerine)

Hình 1.7 (a) Viên nhộng mềm, (b) Viên bao cứng

Sản xuất màng gelatin-alginat có cố định thuốc nam ứng dụng trong điều trị tổn thương bỏng [12]

Màng gelatin còn ứng dụng trong kỹ thuật phim ảnh làm lớp gelatin bao phủ lên phim hoặc giấy Gelatin mảnh có độ trương phồng cao và nhất là khi kết dính nhạy sáng giống như tinh thể bạc với hỗn hợp halogen Nó là cơ sở của phim và giấy được

sử dụng cho kỹ thuật nhiếp ảnh chuyên và không chuyên Gelatin sử dụng phải có độ bloom cao (250-310g) vì thế gelatin da cá ít sử dụng trong lĩnh vực này

Ngoài những ứng dụng tạo màng gelatin đến các lĩnh vực thực phẩm, y dược,

kỹ thuật hay một số lĩnh vực khác Gelatin còn nhiều ứng dụng khác:

- Là chất tạo bọt, chất ổn định trong sản xuất kẹo dẻo, kẹo mềm gelatin; giữ hương

vị tự nhiên cho các sản phẩm thịt hộp, thịt nguội Trong sản xuất kem gelatin giúp duy trì nhũ tương, tạo hình cho cây kem nhờ khả năng ngăn cản quá trình tách lỏng khi làm đông lạnh kem, tránh tạo tin thể đá khi bảo quản

- Là thành phần tá dược bổ sung vào thuốc mỡ, kem đánh răng và là thành phần cầm máu, hàn gắn vết thương, tác nhân thay thế máu

- Trong lĩnh vực kỹ thuật: Sử dụng trong kỹ thuật đúc điện, chống thấm nước, nhuộm và phủ lam kính hiển vi Sử dụng làm chất keo, dùng để dán nhiều loại vật liệu khác nhau như keo thủy tinh, sứ, gỗ, plastic, kim loại…

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Hai nhà khoa học Bùi Văn Miên và Nguyễn Anh Trinh thuộc bộ môn phát triển sản phẩm Khoa Công nghệ Thực phẩm Trường Đại học Nông Lâm Tp.Hồ Chí Minh

đã nghiên cứu ứng dụng dùng chitosan để tạo màng “Nghiên cứu tạo màng vỏ bọc chitosan từ vỏ tôm và ứng dụng bảo quản thủy sản” Đây được coi là một loại bao bì vừa có tính năng bảo vệ thực phẩm nhờ khả năng kháng khuẩn, giữ nước và còn có thể sử dụng như thực phẩm mà không hề ảnh hưởng đến môi trường xung quanh Việc tạo màng bổ sung thêm các phụ gia là các chất hóa dẻo (Ethyen glycol – EG, Polyethylen Glycol – PEG) giúp tăng độ đàn hồi và tính dẻo dai cho màng Những

vỏ bọc đầu tiên ra đời được ứng dụng bao gói xúc xích thì thấy ngoài việc giúp cho sản phẩm có hình dáng đẹp màng chitosan còn có tác dụng chống mất màu và giữ được hưng vị đặc trưng cho sản phẩm sau thời gian bảo quản [8]

Tiếp nối thành công hai nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu ứng dụng vỏ bọc chitosan để bảo quản các loại thủy sản tươi và khô và đã đạt được những thành công mong muốn Ngoài nghiên cứu ứng dụng trực tiếp màng bảo quản, nhóm nghiên cứu cùng cộng sự đã nghiên cứu các yếu tố (nhiệt độ, thời gian làm khô, chất phụ gia, nồng độ chitosan) ảnh hưởng đến độ dày và áp suất phá vở của màng Kết quả cho thấy điều kiện môi trường không ảnh hưởng tới độ dày nhưng ảnh hưởng đến áp suất phá vở màng, áp suất phá vở màng và độ dày tăng phụ thuộc vào nồng độ chitosan

và chất phụ gia [7]

Nhóm tác giả Châu Văn Minh, Phạm Hữu Điển, Đặng Lan Hương, Trịnh Đức Hưng, Hoàng Thanh Hương đã nghiên cứu dùng màng chitosan để bảo quản hoa quả tươi Kết quả hoa quả dùng màng bao đã kéo dài thời gian bảo quản hơn so với hoa quả chỉ được bảo quản lạnh, cho kết quả kiểm tra số lượng vi sinh vật giảm đáng kể [9]

Tác giả Đống Thị Anh Đào và Châu Trần Diễm Ái thuộc Khoa Công nghệ Hóa học và Dầu Khí trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh nghiên cứu chế tạo thành công một số màng bán thấm polysaccharide như CMC, chitosan dùng bao gói bảo quản nhãn trong môi trường có nồng độ CO2 cao hơn môi trường khí quyển Kết quả là nhãn được bao gói bằng màng bán thấm vẫn giữ được giá trị thương phẩm sau

45 ngày bảo quản tăng gấp 3- 9 lần so với cùng điều kiện bảo quản không có bao bì [2] Năm 2007, PSG.TS Trần Thị Luyến – Trường Đại học Nha Trang cùng với ThS Lê Thanh Long – Đại học Nông Lâm Huế nghiên cứu “Bảo quản trứng gà bằng bằng màng bọc chitosan kết hợp phụ gia” Kết quả cho thấy ở nhiệt độ thường trứng

gà tươi được bọc màng chitosan nồng độ 1.5% có bổ sung 0.05% sodium benzoat hoặc 1% sorbitol có khả năng duy trì chất lượng ở hạng A đến 15- 20 ngày sau khi đẻ; trong khi đó, trứng gà tươi không qua bao màng chỉ duy trì chất lượng A không quá 5 ngày, đồng thời các chỉ tiêu chất lượng khác (hao hụt khối lượng, chỉ số màu lòng đỏ) đều có biến đổi lớn hơn so với trứng gà được bảo quản bằng màng bao chitosan Bên cạnh đó, màng bọc không tạo cảm giác lạ cho người sử dụng so với trứng già tươi thương phẩm cùng lợi về chất lượng cảm quan [4]

Ngoài ứng dụng bảo quản, một số nhà nhiên cứu thuộc trường đại học khoa học

tự nhiên có ý tưởng mới sử dụng màng chitosan chế ra các đồ dụng sinh hoạt tự phân hủy thường ngày như cốc, bát, dĩa thức ăn, giấy gói kẹo dùng một lần Những đồ dùng sinh hoạt thường ngày này có khả năng tự phân hủy được ở môi trường ẩm trong thời gian ngắn

Tại trường đại học Nha Trang cũng đã có những nghiên cứu chế tạo màng chitosan kết hợp với các phụ liệu khác để ứng dụng trong bảo quản sản phẩm và còn giảm giá thành của màng bao:

- Nghiên cứu chế tạo màng bao của chitosan – gelatin và ứng dụng bao gói cá ngừ đại dương của tác giả Lê Thị Minh Thủy Tác giả đã tìm ra được 2 màng tối ưu là chitosan/gelatin/natribenzoat = 60/40/0,1 và chitosan/gelatin = 60/40 thông qua kiểm tra sức căng và độ giãn của màng Kết quả cho thấy màng kết hợp chitosan/gelatin với tỉ lệ

60/40 có bổ sung natribenzoat 0,1% có khả năng kháng vi sinh vật khá tốt và hạn chế được sự hình thành histamine trong quá trình bảo quản [11]

- Tác giả Nguyễn Trọng Bách đã nghiên cứu thử nghiệm màng bảo quản thực phẩm từ chitosan phối hợp với các loại phụ liệu khác nhau là agar, alginat, tinh bột biến tính và cao su Tác giả lựa chọn được màng chitosan/tinh bột = 70/30 với tinh bột 3% sau khi kiểm tra các chỉ tiêu cơ lý Đồng thời, khi sử dụng màng trên bảo quản thịt bò tươi và cá thu kết quả cho thấy đã làm giảm đáng kể nồng độ vi sinh vật hiếu khí trên bề mặt khi bảo quản ở nhiệt độ 0-5oC, giữ được màu sắc và trạng thái tốt hơn [1]

- Tuy nhiên 2 đề tài trên chưa nghiên cứu sâu vào khả năng chống mất nước của màng, sự tương thích về mặt sinh học và kiểm tra khả năng kháng vi khuẩn cụ thể Năm 2013, đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường “Thu nhận chitin, chitosan từ

vỏ tôm để ứng dụng làm màng bao sinh học trong bảo quản thực phẩm” ở Trường Đại học Bà Rịa-Vũng Tàu do Nguyễn Thị Nga chủ nhiệm đề tài Nghiên cứu đã có những kết quả đáng kể: thu nhận được chitin và chitosan, khảo sát và chọn được nồng

độ acid acetic 1-2% là phù hợp tạo màng có độ bóng và độ đàn hồi cao, nghiên cứu

đã ứng dụng bảo quản táo xanh bằng màng bao chitosan theo các tỷ lệ phối trộn bằng phương pháp nhúng và đạt được kết quả táo bảo được rất lâu [10]

Như vậy màng bao sinh học có khả năng tự phân hủy đã và đang được rất nhiều nhà nghiên cứu quan tâm và màng bao sinh học có tiềm năng phát triển trong tương lai Tuy nhiên, để tạo ra màng chitosan thực sự giống như các bao bì PE, PP… có khả năng ứng dụng bảo quản nhiều loại thực phẩm khác nhau nhờ khả năng thấm nước, hút ẩm thấp hơn, ứng suất kéo tốt hơn so với các màng chitosan đã có mặt trên thị trường Cần được tìm hiểu và nghiên cứu thêm

1.3.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Đề tài tạo màng bao chitosan, màng bao chitosan kết hợp với các vật liệu khác được nhiều nhóm tác giả nghiên cứu Các nhóm đã có những nghiên cứu về các yếu

tố ảnh hưởng đến các tính chất cơ lý của các loại màng, bên cạnh đó còn tìm hiểu nghiên cứu các đặc tính của màng như tính chất chống oxi hóa, tính kháng khuẩn và đạt được những kết quả nhất định: tác giả Kienzle-Sterzer và cộng sự (1982) báo cáo

những thay đổi về tính chất cơ học của lớp màng chitosan với dung môi acid Họ ước tính loại acid và nồng độ chitosan được sử dụng trong việc chuẩn bị màng có thể đã ảnh hưởng đến mật độ đường giao nhau và những giới hạn topo trong các màng Điều này có thể là do sự tương tác giữa chitosan và dung dịch acid; tác giả Qiao C., Ma X., Zhang J và cộng sự (2017) nghiên cứu tương tác phân tử trong các màng coposite gelatin/chitosan Điểm nổi bật của nghiên cứu đã cho thấy hai vật liệu gelatin và chitosan có thể trộn lẫn được với nhau ở mức phân tử và các tương tác giữa các phân

tử được tạo ra bởi liên kết hydro và lực tĩnh điện gây cản trở sự hình thành mạng gelatin, bên cạnh đó cho thấy với hàm lượng chitosan bổ sung vào ngày càng cao sẽ làm giảm độ ổn định nhiệt của màng composite [27]; nhóm tác giả M.S.Rao, S.R.Kannatt, S.P.Chawla, A.Sharma nghiên cứu tạo màng bao chitosan kết hợp guargum Màng tạo ra bởi chitosan 1% phối trộn guargum 1% với tỉ lệ guargum khác nhau dao động từ 0-50% (v/v) được đánh tính chất cơ lý và khả năng kháng khuẩn Kết quả cho thấy màng có tỉ lệ guargum 15% thấm oxi rất thấp, có khả năng chống

lại vi khuẩn E.coli và staphylococcus aureus tốt nhất, bên cạnh đó cũng cho tính chất

Năm 2015, Edyta Malinowska-Panczyk, Hanna Staroszczyk, Karolina

Gottfried, Ilona Kolodziejska, Anna Wojtasz-Pajak thực hiện đề tài nghiên cứu “Tính

Ảnh hưởng của việc kết hợp chitosan vào các màng gelatin đã được nghiên cứu Hiệu quả diệt khuẩn của dung dịch chitosan gia tăng theo thời gian và nhiệt độ ủ mẫu Hai

chủng vi khuẩn Pseudomonas fluorescens và Listeria innocua cho thấy sự nhạy cảm hơn với chitosan so với các chủng Escherichia coli và Staphylococcus aureus Sự

phát triển của vi khuẩn dưới đĩa chitosan đã bị ức chế Màng gelatin-chitosan ảnh hưởng mạnh mẽ trong việc kháng khuẩn [25]

Nghiên cứu tạo màng chitosan kháng khuẩn để ứng dụng bao gói thực phẩm được nhóm tác giả S Tripathi, G K Mehrotra, and P K Dutta thực hiện năm 2008 Nghiên cứu hiện tại phác thảo việc chuẩn bị và kháng khuẩn của màng Màng chitosan được chứng minh rằng có hoạt tính kháng khuẩn kéo dài thời gian bảo quản cho sản phẩm [33] Ngoài ra còn có nhiều nghiên cứu khác về màng chitosan, màng chitosan kết hợp với các vật liệu khác như: hai nhà khoa học K.Soontarapa và N Suwan thuộc trường đại học Chulalongkorn Thái Lan hợp tác nghiên cứu cùng K-I Ota, S Mitsushima và N Kamiya thuộc đại học Yokomaha Nhật Bản nghiên cứu làm tăng hiệu quả trao đổi ion, tăng độ kín của màng chitosan bằng một hóa chất hay chất kích thích và các nghiên cứu cho thấy ứng dụng thực tiễn của màng chitosan, màng chitosa/gelatin trong lĩnh vực công nghệ thực phẩm và y dược:

Nghiên cứu dùng hỗn hợp chitosan/gelatin bao gói bảo quản cá của tác giả Lopez – Caballero và các cộng sự cho thấy sau 20 ngày bảo quản mùi vị của chả cá hầu như không có biến đổi nhiều và các tính chất chất lượng của sản phẩm (độ kết,

độ dẻo…) hầu như không thay đổi

Năm 2013, sự hợp tác giữa các nhóm tác giả Elias Shahram, Seyed Homayoon Sadraie, Gholamreza Kaka, Hadi Khoshmohabat, Mohammad Hosseinalipour, Farzad Panahi, Mohammad Reza Naimi-Jamal từ các Trường Đại học ở Airan thực hiện đánh giá khả năng màng chitosan-gelatin ứng dụng ngăn cản bám dích mô sau phẫu thuật trong cecum chuột Kết quả màng chitosan/gelatin có ảnh hưởng giảm đáng kể đến độ bám dính sau phẫu thuật, nhưng đáng ngạc nhiên hơn là mẫu có nồng

độ chitosan trên 25% không ảnh hưởng đến việc giảm sự hình thành bám dính trong

mô chuột [31]

CHƯƠNG 2: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Đối tượng nghiên cứu

2.1.1 Chitosan

Chitosan thu nhận từ quá trình deacetyl chitin tại trung tâm thí nghiệm thực hành Trường Đại học Nha Trang theo quy trình của tác giả Trang Sĩ Trung và cộng

sự (2012) Chất lượng của chitosan được trình bày ở bảng 2.1

Bảng 2.1 Chỉ tiêu chất lượng của mẫu chitosan

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm

2.2.1.1 Bố trí thí nghiệm tổng quát

Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát nghiên cứu tạo màng kết hợp chitosan/gelatin được thực hiện ở hình 2.3

Hình 2.3 Sơ đồ bố trí thí nghiệm tổng quát

Qua sơ đồ hình 2.3, quá trình thí nghiệm được thực hiện thông qua 3 nội dung:

- Nghiên cứu ảnh hưởng của dung môi và nồng độ chitosan đến tính chất màng chitosan

Phân tích các chỉ tiêu cơ lý của màng:

+ Xác định độ giãn dài của màng + Xác định ứng suất kéo màng + Xác định độ dày của màng + Xác định khả năng thấm nước của màng Xác định giá trị cảm quan màng (màu sắc, trạng thái)

Lựa chọn thông số tạo màng thích hợp

Nghiên cứu lựa chọn dung

môi tạo màng chitosan

Nghiên cứu lựa chọn nồng

độ gelatin thích hợp trong

quá trình tạo màng

- Nghiên cứu tỷ lệ phối trộn giữa dung dịch chitosan và dung dịch gelatin thích hợp trong quá trình tạo màng chitosan/gelatin

2.2.1.2 Bố trí thí nghiệm chi tiết

 Nghiên cứu ảnh hưởng của dung môi và nồng độ chitosan đến tính chất màng chitosan

 Nghiên cứu ảnh hưởng của loại dung môi đến tính chất màng chitosan

Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của dung môi hòa tan chitosan đến tính chất của màng chitosan được tiến hành như hình 2.4

Chọn dung môi hòa tan chitosan phù hợp

Phân tích các chỉ tiêu cơ lý của màng:

+ Xác định khối lượng và độ dày của màng + Xác định khả năng thấm nước của màng + Xác định ứng suất kéo và độ giãn dài của màng Xác định giá trị cảm quan màng (màu sắc, trạng thái)

HCl 0,25% Acid lactic1% Acid formic1%

Chitosan

Acid acetic 1%

Dung môi tạo màng khác nhau

Tạo màng

- Acid acetic (CH3COOH) 1%

- Acid clohydric (HCl) 0,25%

- Acid lactic (C3H6O3) 1%

- Acid formic (HCOOH) 1%

Sau khi hòa tan, mỗi dung dịch chitosan ứng với mỗi loại dung môi được khuấy trộn đều sau đó li tâm 5000 vòng, 10 phút để loại bọt khí và cặn bẩn 25ml dung dịch được rót vào vào đĩa peptri nhựa đã chuẩn bị Màng được làm khô ở 50oC, 12 giờ và sau đó được trung hòa qua NaOH 2% trong 30 phút, rửa sạch bằng nước cất 3 lần rồi

để khô ở nhiệt độ phòng có quạt gió và thu hồi sản phẩm

Màng được tạo ra từ các loại dung môi khác nhau đem kiểm tra các chỉ tiêu: màu sắc, độ dày, khối lượng, độ thấm nước, ứng suất kéo và độ giãn dài của màng

Xử lý số liệu và kiểm tra, so sánh các kết quả chọn ra dung môi phù hợp để hòa tan chitosan tạo màng

 Ảnh hưởng của nồng độ chitosan đến tính chất màng chitosan

Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ chitosan đến tính chất màng chitosan được tiến hành như hình 2.5

Tiến hành thí nghiệm thăm dò trên dải nồng độ chitosan từ 0,1-5%, sau đó chọn

03 nồng độ (A%, B%, C%) mà tại đó việc tiến hành tạo màng là dễ nhất

Cân chitosan ứng với 3 nồng độ A%, B%, C% hòa tan trong dung môi phù hợp theo kết quả thí nghiệm hình 2.4 Dung dịch chitosan ở 3 nồng độ được khuấy trộn đều sau đó li tâm 5000 vòng, 10 phút để loại bọt khí và cặn bẩn 25ml dung dịch được rót vào đĩa peptri nhựa có diện tích đáy 154cm2 đã chuẩn bị Màng được làm khô ở

50oC, 12h sau đó được trung hòa qua NaOH 2% trong 30 phút, rửa sạch bằng nước cất 3 lần rồi để khô ở nhiệt độ phòng có quạt gió Thu hồi sản phẩm rồi thực hiện kiểm tra chỉ tiêu của màng về màu sắc, độ dày, khối lượng, độ thấm nước, ứng suất kéo và độ giãn dài của màng

Chitosan (Trong dung môi tối ưu)

Phân tích số liệu chọn nồng độ

chitosan phù hợp

Phân tích các chỉ tiêu cơ lý của màng:

+ Xác định ứng suất kéo và độ giãn dài của màng + Xác định độ dày của màng

+ Xác định khả năng thấm nước của màng Xác định giá trị cảm quan màng (màu sắc, trạng thái)

Tạo màng

So sánh kết quả có được của các màng có nồng độ chitosan khác nhau Chọn màng có nồng độ chitosan cho kết quả tốt nhất

 Nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ gelatin đến tính chất màng gelatin

Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ gelatin đến một số tính chất của màng gelatin được tiến hành như hình 2.6

Tiến hành thực nghiệm thăm dò tạo màng trên dãy nồng độ 1-4%, chọn 04 nồng

độ (1.5%, 2%, 2.5%, 3%) để tạo màng Ở nồng độ dưới 1,5% màng tạo thành rất mỏng khó bóc ra khỏi đĩa, nồng độ lớn hơn 3% trong điều kiện nhiệt độ sấy 50oC, 12 giờ màng tạo thành dày, màng cảm quan thiếu độ dai và độ chắc

Lần lượt hòa tan gelatin với các nồng độ tương ứng trong nước 50±5oC, 30 phút Để nguội đến nhiệt độ phòng sau đó li tâm 5000 vòng, 10 phút để loại bọt khí

và cặn bẩn 25ml dung dịch được rót vào đĩa peptri nhựa có diện tích đáy 154cm2 đã

Dịch gelatin

Phân tích số liệu chọn nồng độ gelatin

phù hợp

Phân tích các chỉ tiêu cơ lý của màng

+ Xác định độ giãn dài của màng + Xác định ứng suất kéo màng của màng Cảm quan màng (màu sắc, trạng thái)

Tạo màng

1.5%

chuẩn bị, màng được làm khô ở 50oC, 12 giờ Thu hồi sản phẩm rồi thực hiện kiểm tra chỉ tiêu cơ lý và cảm quan màu sắc, trạng thái của màng So sánh kết quả chọn nồng độ gelatin phù hợp tạo màng gelatin

 Nghiên cứu tỷ lệ phối trộn giữa dung dịch chitosan và dung dịch gelatin thích hợp trong quá trình tạo màng chitosan/gelatin

Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn dịch chitosan với dịch gelatin tạo màng kết hợp chitosan/gelatin được tiến hành như hình 2.7

Hình 2.7 Sơ đồ bố trí thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn

giữa chitosan và gelatin đến tính chất của màng

Hai dung dịch chitosan và gelatin có nồng độ được chọn qua nghiên cứu ở sơ

đồ hình 2.5 và hình 2.6 được phối trộn để tạo màng kết hợp với các tỷ lệ

Phân tích các chỉ tiêu cơ lý của màng

+ Xác định độ giãn của màng + Xác định ứng suất kéo màng + Xác định độ dày của màng + Xác định khả năng thấm nước của màng Xác định giá trị cảm quan màng (màu sắc, trạng thái)

bị Màng được làm khô ở 50oC, 12h sau đó được trung hòa qua NaOH 2% trong 30 phút, rửa sạch bằng nước cất 3 lần rồi để khô ở nhiệt độ phòng có quạt gió, thu hồi sản phẩm

Màng kết hợp chitosan với gelatin được tạo thành đem đi kiểm tra cảm quan và phân tích các chỉ tiêu cơ lý của màng So sách các kết quả phân tích lựa chọn màng

có tỷ lệ phối trộn phù hợp

2.2.2 Phương pháp phân tích các tính chất cơ lý của màng

a) Xác định ứng suất kéo, độ kéo giãn dài

Độ giãn dài, ứng suất kéo của màng được xác định bằng thiết bị đo sức bền vật việu instron 3366 với phần mềm Bluehill lite tại bộ môn Chế Tạo, khoa Cơ Khí, Trường Đại học Nha Trang (các thông số về máy được trình bày trong phần phụ lục 1)

Nguyên tắc: mẫu thử được kéo theo trục dọc chính với tốc độ không đổi cho tới khi mẫu thử nứt rạn hoặc cho tới khi ứng suất (tải) hoặc độ biến dạng (giãn dài) đạt tới giá trị định trước Trong suốt quá trình này đo tải trọng và độ giãn dài của mẫu thử

Một số khái niệm được dùng theo TCVN 4501-1÷5:2009 dùng để đo độ bền của màng:

- Ứng suất kéo (độ bền kéo): Lực kéo trên đơn vị diện tích của mặt cắt ngang ban đầu trong phạm vi chiều dài đo, tác động lên mẫu thử tại thời điểm lực tác dụng lên mẫu thử đạt giá trị lớn nhất Đơn vị tính megapascal (MPa)

- Độ giãn dài: là độ giãn của mẫu tại thời điểm lực kéo làm đứt màng so với ban đầu Đơn vị tính là mm

Chuẩn bị mẫu: mỗi màng cần kiểm tra cắt thành 3 màng có kích thước 1 x 10

cm, được dán băng keo ở hai đầu và đánh dấu tên các màng (hình 2.8) Chú ý, các miếng màng nhỏ có kích thước như trên phải đảm bảo: không có vết nứt, bọt hay lỗ hổng trên màng và trên cùng một loại màng phải có độ dày bằng nhau… để tránh sai

số cho kết quả đo

Hình 2.8 Màng chuẩn bị kiểm tra ứng suất kéo và độ giãn dài

Màng được kẹp chặt bằng ngàm trên và dưới, cài đặt các thông số cho phần mềm Bluehill lite của máy tính

Đơn vị ứng suất kéo: MPa

Đơn vị độ giãn dài: mm

Hình 2.9 Thiết bị đo sức bền vật liệu instron 3366

Hình 2.10 Tiến hành kiểm tra tính chất cơ lý của màng, a) chuẩn bị kẹp màng

vào thiết bị, b) màng bị đứt sau khi thực hiện đo

Kết quả đo được

Ngàm trên

Màng kiểm tra

Ngàm dưới

Màng bị kéo đứt