NGHIÊN cứu một số yếu tố ẢNH HƯỞNG đến KHẢ NĂNG CHỊU lực của MÀNG BAO gói THỰC PHẨM được CHẾ tạo từ TINH bột sắn có bổ SUNG POLYETHYLENE

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA MÀNG BAO GÓI THỰC PHẨM ĐƯỢC CHẾ TẠO TỪ TINH BỘT SẮN CÓ BỔ SUNG POLYETHYLENE GLYCOL PEG RESEARCH ON FACTORS AFFECTING TENSIL

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA MÀNG BAO GÓI THỰC PHẨM ĐƯỢC CHẾ TẠO TỪ TINH BỘT SẮN CÓ BỔ SUNG POLYETHYLENE

GLYCOL (PEG)

RESEARCH ON FACTORS AFFECTING TENSILE STRENGTH

OF

POLYETHYLENE-GLYCOL-(PEG)-ADDED-CASSAVA-STARCH FILM

TRƯƠNG THỊ MINH HẠNH,

Trường Đại học Bách khoa, ĐH Đà Nẵng

VÕ VĂN QUỐC BẢO

Trường Đại học Nông Lâm, Đại học Huế

TÓM TẮT

Tinh bột sắn là polysaccharides (polyme tự nhiên), có khả năng tạo màng mỏng

do chính nó và cả khi phối trộn với các phụ liệu tạo màng khác, đồng thời có khả năng tự phân hủy nhanh trong môi trường tự nhiên Để nâng cao khả năng chịu lực và độ dẻo cho màng mỏng từ tinh bột sắn có bổ sung polyethylene glycol (PEG), cần nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình tạo màng Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm yếu tố toàn phần TĐY 2 n , chúng tôi đã nghiên cứu được ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ (nồng độ tinh bột sắn, nồng độ PEG và thời gian hồ hóa) đến độ bền đứt của màng Độ bền đứt là tiêu chuẩn quan trọng đáp ứng yêu cầu cho việc ứng dụng bao gói thực phẩm của màng mỏng Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi nồng độ huyền phù tinh bột sắn: 10,9%, nồng độ PEG: 0,35% và thời gian hồ hóa là 16 phút 30 giây thì khả năng chịu lực của màng là tốt nhất: 1,218 N/cm 2

Từ kết quả đạt được có thể xem xét khả năng ứng dụng của màng trong kỹ thuật bao gói thực phẩm để có thể thay thế vật liệu PE nhằm giải quyết những khó khăn trong xử lý môi trường hiện nay

ABSTRACT

Pure cassava starch, which is natural polymer polysaccharides, and its mixture with other additives is able to form edible films as well as to self-decompose quickly in natural environment In order to improve the tensile strength and pliability of PEG-added cassava-starch membrane, we carry out a detailed investigation of factors affecting the film-forming process Using the experiment planning method of 2n total factor, we have studied the effects of the technological factors, namely cassava starch concentration, PEG concentration and starched time, on film’s tensile strength In particular, tensile strength is the mainly important criteria in food packaging application The investigation results show that with concentration of 10,9% starch slurry, 0,35% PEG, and the starched time

of 16 minutes 30 seconds, the optimal obtained tensile strength is 1,218 N/cm2 From the obtained results, we can consider an application of PEG-added

cassava-starch film in food packaging as a substitution for PE material to alleviate difficulties in improving the current living environment

1 Giới thiệu

Hằng năm trên thế giới có khoảng 150 tấn màng ba o gói từ chất dẻo được sản xuất và tiêu thụ Hầu hết nguyên liệu của màng bao gói này cơ bản là dầu thô nên là kết quả của việc tăng nhu cầu sử dụng dầu và là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường, gây nên sự lãng phí Chính vì vậy, việc sử dụng vật liệu có nguồn gốc sinh học làm bao bì thay thế các vật liệu cũ đang trở nên cấp thiết [7], [8]

Các polysaccharides tự nhiên rất dễ phân hủy , đặc biệt đối với tinh bộ t, có thể cho sản phẩm có chi phí thấp và khả năng phân hủy lớn Tuy nhiên , tự bản phân nó không có tính mềm dẻo khi tạo màng Để ứng dụng tốt hơn thường tinh bột được trộn thêm các phụ gia thực phẩm khác như polyethylene glycol (PEG) (tác nhân làm mềm dẻo)

Nước ta có nguồn nguyên liệu tinh bột rất phong phú Ở miền Trung, tuy khí hậu khắc nghiệt, đất đai kém màu mỡ nhưng mỗi năm cho một sản lượng tinh bột rất cao, nhất là tinh bột sắn Tuy nhiên việc sử dụng nguồn nguyên liệu này sao cho có giá trị kinh tế cao, hiện nay còn hạn chế Vì vậy, việc nghiên cứu đưa nguồn nguyên liệu tinh bột này vào sản xuất công nghiệp như sản xuất màng bao

bì thực phẩm nhằm thay thế các chất dẻo khó phân hủy, có một ý nghĩa kinh tế - xã hội cao và vô cùng cấp thiết

Mục tiêu của nghiên cứu là tạo nên màng mỏng bao gói từ tinh bột sắn có phối trộn polyethylene glycol (PEG) là tác nhân tạo sự liên kết, làm mềm dẻo, không độc hại và xác định các yếu tố ảnh hưởng đến độ bền đứt của màng nhằm góp phần thuận lợi cho việc thay thế trên

2 Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu

2.1 Nguyên liệu nghiên cứu

- Tinh bột sắn: được cung cấp bởi nhà máy tinh bột sắn Thừa Thiên Huế, có chất lượng: độ trắng: >96,0%, độ tinh khiết: 97,5%, tạp chất không quá: 0,05%, hàm lượng đạm: 0.20%

- Polyethylene glycol (PEG): tinh khiết, dạng bột mịn, của tập đoàn Merck Schuchard, Đức

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp tạo màng [9]:

Qui trình tạo màng:

Polyethylene glycol (PEG) Tinh bột sắn Hòa tan Phối trộn Hồ hóa Tráng mỏng Làm khô

NướcMàng mỏng

* Cách tiến hành:

- Tinh bột sắn được hòa tan trong nước trong khoảng nồng độ từ 4-12% Phối trộn với PEG với nồng độ từ 0,1- 0,4% Tỷ lệ theo khối lượng giữa tinh bột sắn và các phụ gia là 10:1.Tiến hành hồ hóa ở nhiệt độ 7000C trong thời gian từ 5-

25 phút Trong quá trình hồ hóa cần phải khuấy đảo thường xuyên để cho tinh bột được hồ hóa đều

- Sau khi hồ hóa được đem đi đuổi khí và tiến hành tráng mỏng trên kính để đạt bề dày của màng là 0,4-0,5mm Làm khô ta được màng mỏng tinh bột sắn

2.2.2 Phương pháp xác định khả năng chịu lực của màng [4], [5]

- Dụng cụ xác định được biểu diễn trên sơ đồ hình 2.1

- Cách tiến hành: Tất cả các loại màng được cắt theo kích thước: chiều dài: 8

cm, chiều rộng: 3mm

Một đầu màng mỏng được kẹp chặt vào

móc cân, đầu kia được kẹp chặt vào móc khác và

chịu một lực kéo theo phương thẳng đứng FG bởi

một vật nặng m Tăng dần FG bằng cách tăng dần

trọng lực của vật nặng cho đến khi màng bị đứt,

ghi lại giá trị trọng lượng của vật nặng Độ bền

đứt của màng được tính theo công thức:

;

S

F

) Trong đó:

- S: diện tích của mẫu đem phân tích, (cm2)

FG = m.g N (Niuton)

- m là vật nặng ghi được (kg)

- g là lực trọng trường (9,81 N/kg)

2.2.3 Phương pháp toán học

- Sử dụng phương pháp luân phiên từng

biến, để nghiên cứu động thái của các yếu tố ảnh

hưởng đến khả năng chịu lực của màng tinh bột, đồng thời xác định tâm quy hoạch

cho phần làm tối ưu thực nghiệm tiếp theo [2]

- Xây dựng mô hình thí nghiệm theo phương pháp qui hoạch thực nghiệm TĐY23

với các tâm quy hoạch vừa tìm được Xây dựng phương trình hồi quy và từ đó tính toán tìm ra độ bền đứt tối ưu theo phần mềm Excel-Solver [1]

- Kết quả thí nghiệm được phân tích phương sai một nhân tố ANOVA (Anova single factor ) và so sánh sự sai khác của các giá trị trung bình bằng

phương pháp DUNCAN (Duncan’s Multiple Range Test) trên phần mềm thống kê SAS, phiên bản 6.12 chạy trên Windows

Hình 2.1 Dụng cụ đo khả năng chịu lực của màng [4]

3 Kết quả và thảo luận

3.1 Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của màng tinh bột

có phối trộn PEG bằng phương pháp luân phiên từng biến:

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của màng tinh bột, trong nghiên cứu này đề cập đến 3 yếu tố là: nồng độ tinh bột, nồng độ chất phụ gia PEG

và thời gian hồ hóa

3.1.1 Ảnh hưởng của nồng độ tinh bột sắn (TBS):

Tạo 5 mẫu màng tinh bột có nồng độ PEG: 0.2%, thời gian hồ hóa: 10 phút

và nồng độ tinh bột sắn thay đổi ở các mẫu từ 4-12% Kết quả thí nghiệm được xử

lý bằng phương pháp ANOVA, so sánh sự sai khác của các giá trị trung bình bằng phương pháp DUNCAN trên phần mềm SAS, và được biểu diễn trên đồ thị hình 3.1

0.307c

1.141b

-1.180a 1.182a

0 0.5 1 1.5

2 )

Nồng độ TBS (%)

Hình 3.1 Ảnh hưởng của nồng độ TBS đến độ bền đứt màng tinh bột

- trong đó a, b,c, d, là các hệ sô cần thiêt có trong chương trình xử lý thông kế,

nói lên giữa các kết quả trung bình của số liệu đo đuợc có sự sai khác có ý nghĩa

hay không có sự sai khác có ý nghĩa

Kết quả xử lý số liệu ở đồ thị 3.1 cho thấy, có sự khác biệt về độ bền đứt khi nồng độ tinh bột sắn nằm trong khoảng 6 - 8%, còn ở nồng độ 10% và 12% thì không có sự sai khác với mức ý nghĩa α = 0,05 và tại khoảng nồng độ này có độ bền đứt cao nhất Tuy nhiên, tại nồng độ 12%, quá trình tạo màng khó khăn, khả năng bám dính của dung dịch vào khuôn bị hạn chế Đồng thời, xét về mặt kinh tế chúng tôi quyết định chọn nồng độ tinh bột sắn 10% là thích hợp để cho màng tinh

bột có độ bền đứt cao nhất trong khảo sát này

3.1.2 Ảnh hưởng của nồng độ PEG:

Tiến hành tương tự như nghiên cứu 3.1.1 với 5 mẫu màng tinh bột có nồng

độ TBS 10%, thời gian hồ hóa là 10 phút, nồng độ chất phụ gia thay đổi từ 0-0,4% Kết quả trình bày trên đồ thị hình 3.2

1.180b 1.194a

0.135d

1.185ab

0 0.5 1 1.5

2 )

Nồng độ PEG (%)

Hình 3.2 Ảnh hưởng của nồng độ PEG đến độ bền đứt của màng mỏng

Ở đây các số mũ a, b, ab, c, d là các hệ số của quá trình xử lý tương tự phần 3.1.1

Đồ thị 3.2 cho thấy, khi tăng nồng độ PEG bổ sung vào từ 0 đến 0,3 % thì

độ bền đứt của màng tinh bột tăng và đạt giá trị cao nhất khi ở 0,3% Điều này xảy

ra là nhờ sau khi sấy khô những tính chất hoá dẻo của PEG lại có tác dụng làm tăng lực liên kết Van Der Waals [6], tăng khả năng liên kết giữa phân tử tinh bột với phân tử PEG Tuy nhiên, do PEG có khả năng hút ẩm nên khi bổ sung phụ gia này lớn hơn 0,4 % thì bắt đầu có hiện tượng co dúm và đã làm giảm độ bền đứt của màng Chính vì vậy, chọn nồng độ PEG thích hợp nhất cho phần nghiên cứu này là 0,3%

3.1.3 Ảnh hưởng của thời gian hồ hóa:

Chuẩn bị 5 mẫu màng tinh bột có nồng độ TBS là 10%, nồng độ PEG là 0,3%, thời gian hồ hóa thay đổi từ 5- 25 phút Kết quả xác định độ bền đứt của các màng tinh bột được cho trên đồ thị hình 3.3

Nhìn vào đồ thị hình 3.3 cho thấy, độ bền đứt của màng mỏng đạt giá trị cao nhất khi ở thời gian hồ hoá là 15 phút và sau đó lại giảm dần khi tiếp tục hồ hoá Điều này phù hợp với kết quả của các tác giả D.F Parra, C.C Tadini, P.Ponce, A.B Lugaox, Đại học Sao Paulo, Brazil và có thể giải thích như sau: khi

ở thời gian hồ hoá 15 phút, các mối liên kết cũ bị bẻ gãy và khi định hình chúng sẽ hình thành những liên kết mới bền chặt hơn và độ bền đứt cao hơn khi bổ sung PEG Chính vì vậy, độ bề đứt đạt giá trị cao nhất là 1,206 N/cm2

ở tại thời gian này Tuy nhiên nếu chúng ta tiếp tục tăng thời gian hồ hoá và đồng thời tiếp tục khuấy trộn thì khi định hình các mối liên kết mới sẽ sắp xếp lỏng lẻo hơn, các liên kết không ổn định nên đã ảnh hưởng không tốt đến độ bền của màng Điều này thể hiện rõ khi giá trị độ bền đứt ở 20 phút hồ hoá là 1,188N/cm2

và 25 phút là 1,143N/cm2 Chính những lý do đó, chúng tôi chọn thời gian hồ hóa là 15 phút để thực hiện các nghiên cứu tiếp theo

1.194b 1.206a 1.188c

0.543e

1.143d

0 0.5 1 1.5

2 )

Thời gian hồ hoá (phút)

Hình 3.3 Ảnh hưởng của thời gian hồ hoá đến độ bền đứt của màng mỏng

3.2 Xác định phương trình hồi quy và tối ưu hóa các thông số công nghệ

Chọn tâm quy hoạch có 3 yếu tố:

 Nồng độ tinh bột sắn: 10% Ký hiệu: Z1

 Thời gian hồ hóa: 15phút Ký hiệu: Z3

Từ tâm quy hoạch đã chọn, tiến hành thí nghiệm trong khoảng giới hạn của các yếu tố sau:

9 ≤ Z1 ≤ 11 0,25 ≤ Z2 ≤ 0,35

13 ≤ Z3 ≤ 17 Kết quả chọn mô hình thực nghiệm và thí nghiệm theo mô hình đƣợc trình bày ở bảng 3.1

Bảng 3.1 Mô hình thực nghiệm TYT22 và kết quả thí nghiệm theo mô hình

Số thứ tự thí

nghiệm Nồng độ TBS Z 1

Nồng độ PEG

Z 2 Thời gian hồ hóa Z 3

Độ bền đứt

Y

TN ở tâm

phương án

Nồng độ TBS

Nồng độ PEG

Thời gian hồ

j

y

Để việc tính toán được thực hiện thuận lợi, ta chuyển từ hệ trục tự nhiên

Z1, Z2, Z3 sang hệ trục không thứ nguyên (hệ mã hóa)

Ma trận quy hoạch yếu tố toàn phần 2 3

:

STT xo x1 x2 x3 x1x2 x1x3 x2x3 x1x2x3 y yˆ  2

1

1 ˆy

y 

1 + + + + + + + + 1.217 1.21925 0.000005062

2 + - + + - - + - 1.184 1.18175 0.000005063

3 + + - + - + - - 1.201 1.19675 0.000018063

4 + - - + + - - + 1.195 1.19925 0.000018062

5 + + + - + - - - 1.211 1.20875 0.000005063

6 + - + - - + - + 1.169 1.17125 0.000005062

7 + + - - - - + + 1.160 1.16425 0.000018062

8 + - - - + + + - 1.171 1.16675 0.000018063 Phương trình hồi quy tuyến tính của độ bền đứt có dạng như sau:

yˆ = bo + b1x1 + b2x2 + b3x3 + b12 x1x2 + b13x1x3 + b23x2x3 + b123x1x2x3

Giải bằng phương pháp ma trận trực giao cho ta các hệ số của phương trình hồi quy sau:

bo = 1,1885; b1 = 0,00875; b2 = 0,00675; b3 = 0,01075; b12 = 0,01, b23 = -0,0055,

b123 = -0,00325

 Tính phương sai tái hiện, kiểm định tiêu chuẩn Student và kiểm định tiêu chuẩn Fisher, ta được phương trình hồi quy cần tìm có dạng:

Qua phương trình (1) cho thấy độ bền đứt của màng tinh bột sắn có bổ sung PEG phụ thuộc vào cả 3 yếu tố: nồng độ TBS, nồng độ PEG và thời gian hồ hóa và tỷ lệ thuận với chúng Như vậy, khi tăng cả 3 yếu tố trên thì độ bền đứt sẽ tăng và ngược lại Ngoài ra, việc tăng hay giảm độ bền đứt của màng mỏng còn phụ thuộc vào sự tương tác của từng cặp yếu tố ảnh hưởng lẫn nhau như theo phương trình (1), nếu tăng tương tác cặp giữa PEG với nồng độ tinh bột sắn thì độ bền đứt sẽ tăng còn nếu tăng tương tác cặp giữa nồng độ PEG với thời gian hồ hoá thì độ bền đứt sẽ giảm Điều này chứng tỏ, việc bổ sung phụ gia sẽ tạo màng mỏng có độ bền cao, xz có ý nghĩa khoa học lớn Tuy nhiên, sự tăng hay giảm độ bền đứt của màng tinh bột sắn có bổ sung PEG đạt giá trị tối ưu chỉ nằm trong giới hạn khảo sát

Tiến hành tối ưu:

Mục tiêu của đề tài là tìm điều kiện tối ưu để chỉ số độ bền đứt là cao nhất

y = f (x , x , x )

ymax = Max y (x1, x2, x3)

Sử dụng chương trình Excel – Solver để tìm nghiệm tối ưu, tức là tìm giá trị của x1, x2, x3 để y đạt cực đại

Với miền ràng buộc : -1 ≤ x1, x2, x3 ≤ 1

Chuyển sang biến thực Zj = xj * ∆Zj + Z0j

Kết quả giải bài toán được trình bày trong bảng dưới đây:

x 1 x 2 x 3 Z 1 (%) Z 2 (%) Z 3 (phút) y max (N/cm 2 )

Từ kết quả thu được cho thấy điểm tối ưu cho độ bền đứt của màng tinh bột sắn có bổ sung PEG là 1.218 N/cm2, khi các thông số ảnh hưởng đến quá trình tạo

màng như sau: nồng độ tinh bột sắn 10.9%, nồng độ PEG 0.35%, thời gian hồ hóa 16 phút 30 giây Tuy nhiên, giá trị lớn nhất của độ bền đứt không phải chỉ

nằm tại điểm này mà là một vùng lân cận xung quanh điểm tối ưu

4 Kết luận:

- Nồng độ tinh bột sắn, nồng độ polyetylen glycol và thời gian hồ hóa ảnh hưởng rất lớn đến quá trình tạo màng tinh bột và tỷ lệ thuận với chúng Như vậy, khi tăng cả 3 yếu tố trên thì độ bền đứt sẽ tăng và ngược lại Trong khoảng giới hạn của nghiên cứu, các yếu tố này tác động tương hỗ nhau theo phương trình hồi qui như sau:

yˆ = 1,1885 + 0,00875x 1 + 0,00675x 2 +0,01075x 3 + 0,01x 1 x 2 -0,00325x 2 x 3

- Các thông số tốt nhất cho quá trình tạo màng tinh bột sắn có bổ sung etylenglycol (màng TBS-PEG) là nồng độ tinh bột sắn 10,9%, nồng độ PEG 0,35%, thời gian hồ hóa 16 phút 30 giây, màng tinh bột đạt được độ bền đứt là 1,218 N/cm2

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Trần Trí Dũng (2005), Excel-Solver cho kỹ sư, NXb Khoa học và Kỹ thuật,

Hà Nội

[2] Hoàng Đình Hoà (1999), Tối ưu hoá trong công nghiệp thực phẩm, NXB

Khoa học và Kỹ Thuật, Hà Nội

[3] Cao Văn Hùng (2001) “Bảo quản và chế biến sắn (khoai mì)”- NXB Nông

Nghiệp TP Hồ Chí Minh

[4] Trần Thị Luyến (2005), “Nghiên cứu khả năng chịu lực và độ giãn của màng

mỏng chitosan và phụ liệu đồng tạo màng”, Tạp chí Khoa học Công nghệ thuỷ

sản năm 2005, Đại học Nha Trang

[5] Trần Thị Luyến (2005), “Nghiên cứu chế tạo và thăm dò một số đặc tính chịu lực, độ giãn, tự phân huỷ, khả năng diệt khuẩn của màng chitosan pha trộn

dùng cho bao gói thực phẩm”, Tạp chí Khoa học Công nghệ thuỷ sản năm

2005, Đại học Nha Trang

[6] Lê Ngọc Tú (chủ biên) (2004), Bùi Đức Lợi, Lưu Duẩn, Ngô Hữu Hợp, Đặng

Thị Thu, Nguyễn Trọng Cần, Hoá học thực phẩm, NXB Khoa học và Kỹ

thuật, Hà Nội

[7] Cereda M.T and Oliverra M A (2003) “Postharvest quality of peaches

covered with a film from Cassava starch as an alternative to commercial Wax”- Brazil

[8] Maria A Garcia, Maria Victoria E Grossmann, Mirian N Martino, Noemi E

Zaritzky and Suzama Mali (2004) “Mechanical and thermal properties of yam

starch films - Estadual de Londrina University, Brazil

[9] D.F Parra, C.C Tadini, P Ponce, A.B Luga˜o (2004) “Mechanical

properties and water vapor transmission in some blends of cassava starch edible films” -Food Engineering Laboratory, Chemical Engineering

Department, Brazil