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

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 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-CASSAVASTARCH FILM TRƢƠNG THỊ MINH HẠNH, Trường Đại học Bách khoa, ĐH Đà Nẵng VÕ VĂN QUỐC BẢO Trường Đại học Nơng Lâm, Đại học Huế TĨM TẮT Tinh bột sắn polysaccharides (polyme tự nhiên), có khả tạo màng mỏng phối trộn với phụ liệu tạo màng khác, đồng thời có khả tự phân hủy nhanh môi trường tự nhiên Để nâng cao khả chịu lực độ dẻo cho màng mỏng từ tinh bột sắn có bổ sung polyethylene glycol (PEG), cần nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố đến trình tạo màng Bằng n phương pháp quy hoạch thực nghiệm yếu tố tồn phần TĐY , chúng tơi nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố công nghệ (nồng độ tinh bột sắn, nồng độ PEG thời gian hồ hóa) đến độ bền đứt màng Độ bền đứt tiêu chuẩn quan trọng đáp ứng yêu cầu cho việc ứng dụng bao gói thực phẩm màng mỏng Kết nghiên cứu cho thấy, nồng độ huyền phù tinh bột sắn: 10,9%, nồng độ PEG: 0,35% thời gian hồ hóa 16 phút 30 giây khả chịu lực màng tốt nhất: 1,218 N/cm Từ kết đạt xem xét khả ứng dụng màng kỹ thuật bao gói thực phẩm để thay vật liệu PE nhằm giải khó khăn xử lý môi trường 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 n planning method of 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/cm From the obtained results, we can consider an application of PEG-added 49 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 cassava-starch film in food packaging as a substitution for PE material to alleviate difficulties in improving the current living environment Giới thiệu Hằng năm giới có khoảng 150 tấn màng ba o gói từ chất dẻo đƣợc sản xuất tiêu thụ Hầu hết nguyên liệu màng bao gói này bản là dầu thô nên kết quả của việc tăng nhu cầu sƣ̉ dụng dầu và là nguyên nhân gây ô nhiễm môi trƣờng, gây nên sƣ̣ lãng phí Chính vậy, việc sử dụng vật liệu có nguồn gốc sinh học làm bao bì thay vật liệu cũ trở nên cấp thiết [7], [8] Các polysaccharides tự nhiên dễ phân hủy , đặc biệt đối với tinh bộ t, có thể cho sản phẩm có chi phí thấp và khả phân hủy lớn Tuy nhiên , tƣ̣ bản phân nó không có tí nh mềm dẻo tạo màng Để ứng dụng tốt thƣờng tinh bột đƣợc trộn thêm phụ gia thực phẩm khác nhƣ polyethylene glycol (PEG) (tác nhân làm mềm dẻo) Nƣớc ta có nguồn nguyên liệu tinh bột phong phú Ở miền Trung, khí hậu khắc nghiệt, đất đai màu mỡ nhƣng năm cho sản lƣợng tinh bột cao, tinh bột sắn Tuy nhiên việc sử dụng nguồn nguyên liệu cho có giá trị kinh tế cao, hạn chế Vì vậy, việc nghiên cứu đƣa nguồn nguyên liệu tinh bột vào sản xuất công nghiệp nhƣ sản xuất màng bao bì thực phẩm nhằm thay chất dẻo khó phân hủy, có ý nghĩa kinh tế - xã hội cao vô cấp thiết Mục tiêu nghiên cứu tạo nên màng mỏng bao gói từ tinh bột sắn có phối trộn polyethylene glycol (PEG) tác nhân tạo liên kết, làm mềm dẻo, không độc hại xác định yếu tố ảnh hƣởng đến độ bền đứt màng nhằm góp phần thuận lợi cho việc thay Nguyên liệu phương pháp nghiên cứu 2.1 Nguyên liệu nghiên cứu - Tinh bột sắn: đƣợc cung cấp nhà máy tinh bột sắn Thừa Thiên Huế, có chất lƣợng: độ trắng: >96,0%, độ tinh khiết: 97,5%, tạp chất không quá: 0,05%, hàm lƣợng đạm: 0.20% - Polyethylene glycol (PEG): tinh khiết, dạng bột mịn, 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 NƣớcMàng mỏng 50 Hồ hóa Tráng mỏng Làm khơ TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 * Cách tiến hành: - Tinh bột sắn đƣợc hòa tan nƣớc khoảng nồng độ từ 4-12% Phối trộn với PEG với nồng độ từ 0,1- 0,4% Tỷ lệ theo khối lƣợng tinh bột sắn phụ gia 10:1.Tiến hành hồ hóa nhiệt độ 7000C thời gian từ 525 phút Trong trình hồ hóa cần phải khuấy đảo thƣờng xuyên tinh bột đƣợc hồ hóa - Sau hồ hóa đƣợc đem đuổi khí tiến hành tráng mỏng kính để đạt bề dày màng 0,4-0,5mm Làm khô ta đƣợc màng mỏng tinh bột sắn 2.2.2 Phương pháp xác định khả chịu lực màng [4], [5] - Dụng cụ xác định đƣợc biểu diễn sơ đồ hình 2.1 - Cách tiến hành: Tất loại màng đƣợc cắt theo kích thƣớc: chiều dài: cm, chiều rộng: 3mm Một đầu màng mỏng đƣợc kẹp chặt vào móc cân, đầu đƣợc kẹp chặt vào móc khác chịu lực kéo theo phƣơng thẳng đứng FG vật nặng m Tăng dần FG bằng cách tăng dần trọng lực vật nặng màng bị đứt, ghi lại giá trị trọng lƣợng vật nặng Độ bền đứt màng đƣợc tính theo cơng thức: F P ; (N/cm2) S Trong đó: - S: diện tích mẫu đem phân tích, (cm2) FG = m.g N (Niuton) - m vật nặng ghi đƣợc (kg) - g lực trọng trƣờng (9,81 N/kg) 2.2.3 Phương pháp tốn học Hình 2.1 Dụng cụ đo khả - Sử dụng phƣơng pháp luân phiên chịu lực màng [4] biến, để nghiên cứu động thái yếu tố ảnh hƣởng đến khả chịu lực màng tinh bột, đồng thời xác định tâm quy hoạch cho phần làm tối ƣu thực nghiệm [2] - Xây dựng mơ hình thí nghiệm theo phƣơng pháp qui hoạch thực nghiệm TĐY23 với tâm quy hoạch vừa tìm đƣợc Xây dựng phƣơng trình hồi quy từ đó tính tốn tìm độ bền đứt tối ƣu theo phần mềm Excel-Solver [1] - Kết thí nghiệm đƣợc phân tí ch phƣơng sai một nhân tố ANOVA (Anova single factor ) so sánh sai khác giá trị trung bình bằng phƣơng pháp DUNCAN (Duncan’s Multiple Range Test) phần mềm thống kê SAS, phiên 6.12 chạy Windows 51 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 Kết thảo luận 3.1 Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến khả chịu lực màng tinh bột có phối trộn PEG phương pháp luân phiên biến: Có nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến khả chịu lực màng tinh bột, nghiên cứu đề cập đến yếu tố là: nồng độ tinh bột, nồng độ chất phụ gia PEG thời gian hồ hóa 3.1.1 Ảnh hưởng nồng độ tinh bột sắn (TBS): Tạo mẫu màng tinh bột có nồng độ PEG: 0.2%, thời gian hồ hóa: 10 phút nồng độ tinh bột sắn thay đổi mẫu từ 4-12% Kết thí nghiệm đƣợc xử lý bằng phƣơng pháp ANOVA, so sánh sai khác giá trị trung bình bằng phƣơng pháp DUNCAN phần mềm SAS, đƣợc biểu diễn đồ thị hình 3.1 Độ bền đứt (N/cm ) 1.5 1.141b 1.180a 1.182a 0.5 0.307c - 10 12 Nồng độ TBS (%) Hình 3.1 Ảnh hưởng nồng độ TBS đến độ bền đứt màng tinh bột - a, b,c, d, hệ sơ cần thiêt có chương trình xử lý thơng kế, nói lên kết trung bình số liệu đo đuợc có sai khác có ý nghĩa hay khơng có sai khác có ý nghĩa Kết xử lý số liệu đồ thị 3.1 cho thấy, có khác biệt độ bền đứt nồng độ tinh bột sắn nằm khoảng - 8%, nồng độ 10% 12% khơng có sai khác với mức ý nghĩa α = 0,05 khoảng nồng độ có độ bền đứt cao Tuy nhiên, nồng độ 12%, trình tạo màng khó khăn, khả bám dính dung dịch vào khuôn bị hạn chế Đồng thời, xét mặt kinh tế định chọn nồng độ tinh bột sắn 10% thích hợp màng tinh bột có độ bền đứt cao khảo sát 3.1.2 Ảnh hưởng nồng độ PEG: Tiến hành tƣơng tự nhƣ nghiên cứu 3.1.1 với mẫu màng tinh bột có nồng độ TBS 10%, thời gian hồ hóa 10 phút, nồng độ chất phụ gia thay đổi từ 0-0,4% Kết trình bày đồ thị hình 3.2 52 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 1.5 Độ bền đứt (N/cm ) 1.180b 1.194a 1.185ab 0.789c 0.5 0.135d 0 0.1 0.2 0.3 0.4 Nồng độ PEG (%) Hình 3.2 Ảnh hưởng nồng độ PEG đến độ bền đứt màng mỏng Ở số mũ a, b, ab, c, d hệ số trình xử lý tƣơng tự phần 3.1.1 Đồ thị 3.2 cho thấy, tăng nồng độ PEG bổ sung vào từ đến 0,3 % độ bền đứt màng tinh bột tăng đạt giá trị cao 0,3% Điều xảy nhờ sau sấy khơ tính chất hoá dẻo PEG lại có tác dụng làm tăng lực liên kết Van Der Waals [6], tăng khả liên kết phân tử tinh bột với phân tử PEG Tuy nhiên, PEG có khả hút ẩm nên bổ sung phụ gia lớn 0,4 % bắt đầu có tƣợng co dúm làm giảm độ bền đứt màng Chính vậy, chọn nồng độ PEG thích hợp cho phần nghiên cứu 0,3% 3.1.3 Ảnh hưởng thời gian hồ hóa: Chuẩn bị mẫu màng tinh bột có nồng độ TBS 10%, nồng độ PEG 0,3%, thời gian hồ hóa thay đổi từ 5- 25 phút Kết xác định độ bền đứt màng tinh bột đƣợc cho đồ thị hình 3.3 Nhìn vào đồ thị hình 3.3 cho thấy, độ bền đứt màng mỏng đạt giá trị cao thời gian hồ hoá 15 phút sau đó lại giảm dần tiếp tục hồ hoá Điều phù hợp với kết tác giả D.F Parra, C.C Tadini, P.Ponce, A.B Lugaox, Đại học Sao Paulo, Brazil có thể giải thích nhƣ sau: thời gian hồ hoá 15 phút, mối liên kết cũ bị bẻ gãy định hình chúng hình thành liên kết bền chặt độ bền đứt cao bổ sung PEG Chính vậy, độ bề đứt đạt giá trị cao 1,206 N/cm thời gian Tuy nhiên tiếp tục tăng thời gian hồ hố đồng thời tiếp tục khuấy trộn định hình mối liên kết xếp lỏng lẻo hơn, liên kết không ổn định nên ảnh hƣởng không tốt đến độ bền màng Điều thể rõ giá trị độ bền đứt 20 phút hồ hoá 1,188N/cm2 25 phút 1,143N/cm2 Chính lý đó, chọn thời gian hồ hóa 15 phút để thực nghiên cứu 53 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 Độ bền đứt (N/cm ) 1.5 1.194b 1.206a 1.188c 1.143d 0.543e 0.5 10 15 20 25 Thời gian hồ hố (phút) Hình 3.3 Ảnh hưởng thời gian hồ hoá đến độ bền đứt màng mỏng 3.2 Xác định phương trình hồi quy tối ưu hóa thơng số cơng nghệ Chọn tâm quy hoạch có yếu tố:  Nồng độ tinh bột sắn: 10% Ký hiệu: Z1  Nồng độ PEG: 0,3% Ký hiệu: Z2  Thời gian hồ hóa: 15phút Ký hiệu: Z3 Từ tâm quy hoạch chọn, tiến hành thí nghiệm khoảng giới hạn yếu tố sau: ≤ Z1 ≤ 11 0,25 ≤ Z2 ≤ 0,35 13 ≤ Z3 ≤ 17 Kết chọn mơ hình thực nghiệm thí nghiệm theo mơ hình đƣợc trình bày bảng 3.1 Bảng 3.1 Mơ hình thực nghiệm TYT22 kết thí nghiệm theo mơ hình Số thứ tự thí nghiệm Nồng độ TBS Z1 Nồng độ PEG Z2 Thời gian hồ hóa Z3 Độ bền đứt Y 11 11 11 11 0,35 0,35 0,25 0,25 0,35 0,35 0,25 0,25 17 17 17 17 13 13 13 13 1,217 1,184 1,201 1,195 1,211 1,169 1,160 1,171 54 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 TN tâm phương án Nồng độ TBS Nồng độ PEG Z1 Z2 10 0,3 10 0,3 10 0,3 Thời gian hồ hóa Z3 15 15 15 Độ bền đứt y oj 1,203 1,209 1,205 Để việc tính toán đƣợc thực 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 23 : yˆ STT xo x1 x2 x3 x1x2 x1x3 x2x3 x1x2x3 y  y1  yˆ1 2 + + + + + + + + 1.217 1.21925 0.000005062 + - + + + 1.184 1.18175 0.000005063 + + - + + 1.201 1.19675 0.000018063 + - - + + + 1.195 1.19925 0.000018062 + + + + 1.211 1.20875 0.000005063 + - + + + 1.169 1.17125 0.000005062 + + - + + 1.160 1.16425 0.000018062 + - - + + + 1.171 1.16675 0.000018063 Phƣơng trình hồi quy tuyến tính độ bền đứt có dạng nhƣ sau: yˆ = bo + b1x1 + b2x2 + b3x3 + b12 x1x2 + b13x1x3 + b23x2x3 + b123x1x2x3 Giải bằng phƣơng pháp ma trận trực giao cho ta hệ số phƣơng 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 phƣơng sai tái hiện, kiểm định tiêu chuẩn Student kiểm định tiêu chuẩn Fisher, ta đƣợc phƣơng trình hồi quy cần tìm có dạng: ˆ = 1,1885 + 0,00875x1 + 0,00675x2 +0,01075x3 + 0,01x1x2 - 0,00325x2x3 (1) y Qua phƣơng trình (1) cho thấy độ bền đứt màng tinh bột sắn có bổ sung PEG phụ thuộc vào yếu tố: nồng độ TBS, nồng độ PEG thời gian hồ hóa tỷ lệ thuận với chúng Nhƣ vậy, tăng yếu tố độ bền đứt tăng ngƣợc lại Ngoài ra, việc tăng hay giảm độ bền đứt màng mỏng phụ thuộc vào tƣơng tác cặp yếu tố ảnh hƣởng lẫn nhƣ theo phƣơng trình (1), tăng tƣơng tác cặp PEG với nồng độ tinh bột sắn độ bền đứt tăng tăng tƣơng tác cặp nồng độ PEG với thời gian hồ hố độ bền đứt giảm Điều chứng tỏ, việc bổ sung phụ gia tạo màng mỏng có độ bền cao, xz có ý nghĩa khoa học lớn Tuy nhiên, tăng hay giảm độ bền đứt màng tinh bột sắn có bổ sung PEG đạt giá trị tối ƣu nằm giới hạn khảo sát Tiến hành tối ưu: Mục tiêu đề tài tìm điều kiện tối ƣu để số độ bền đứt cao y = f (x1, x2, x3) 55 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 ymax = Max y (x1, x2, x3) Sử dụng chƣơng trình Excel – Solver để tìm nghiệm tối ƣu, tức tìm giá trị x1, x2, x3 để y đạt cực đại Với miền ràng buộc : -1 ≤ x1, x2, x3 ≤ Chuyển sang biến thực Zj = xj * ∆Zj + Z0j Kết giải tốn đƣợc trình bày bảng dƣới đây: x1 x2 x3 Z1 (%) Z2 (%) Z3 (phút) ymax (N/cm2) 0.92 0.73 10.92 0.35 16.46 1.218 Từ kết thu đƣợc cho thấy điểm tối ƣu cho độ bền đứt màng tinh bột sắn có bổ sung PEG 1.218 N/cm2, thông số ảnh hƣởng đến trình tạo màng nhƣ 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 độ bền đứt nằm điểm mà vùng lân cận xung quanh điểm tối ƣu Kết luận: - Nồng độ tinh bột sắn, nồng độ polyetylen glycol thời gian hồ hóa ảnh hƣởng lớn đến trình tạo màng tinh bột tỷ lệ thuận với chúng Nhƣ vậy, tăng yếu tố độ bền đứt tăng ngƣợc lại Trong khoảng giới hạn nghiên cứu, yếu tố tác động tƣơng hỗ theo phƣơng trình hồi qui nhƣ sau: ˆ = 1,1885 + 0,00875x1 + 0,00675x2 +0,01075x3 + 0,01x1x2 -0,00325x2x3 y - Các thơng số tốt cho q trình tạo màng tinh bột sắn có bổ sung etylenglycol (màng TBS-PEG) nồng độ tinh bột sắn 10,9%, nồng độ PEG 0,35%, thời gian hồ hóa 16 phút 30 giây, màng tinh bột đạt đƣợc độ bền đứt 1,218 N/cm2 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Trí Dũng (2005), Excel-Solver cho kỹ sư, NXb Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [2] Hồng Đình Hồ (1999), Tối ưu hố công nghiệp thực phẩm, NXB Khoa học Kỹ Thuật, Hà Nội [3] Cao Văn Hùng (2001) “Bảo quản chế biến sắn (khoai mì)”- NXB Nơng Nghiệp TP Hồ Chí Minh [4] Trần Thị Luyến (2005), “Nghiên cứu khả chịu lực độ giãn màng mỏng chitosan 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 thăm dò số đặc tính chịu lực, độ giãn, tự phân huỷ, khả diệt khuẩn màng chitosan pha trộn dùng cho bao gói thực phẩm”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ thuỷ sản năm 2005, Đại học Nha Trang 56 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008 [6] Lê Ngọc Tú (chủ biên) (2004), Bùi Đức Lợi, Lƣu Duẩn, Ngơ Hữu Hợp, Đặng Thị Thu, Nguyễn Trọng Cần, Hố học thực phẩm, NXB Khoa học 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 57 ... - SỐ 3(26).2008 Kết thảo luận 3.1 Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng đến khả chịu lực màng tinh bột có phối trộn PEG phương pháp luân phiên biến: Có nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến khả chịu lực màng tinh. .. 2.2.3 Phương pháp tốn học Hình 2.1 Dụng cụ đo khả - Sử dụng phƣơng pháp luân phiên chịu lực màng [4] biến, để nghiên cứu động thái yếu tố ảnh hƣởng đến khả chịu lực màng tinh bột, đồng thời xác... lực màng tinh bột, nghiên cứu đề cập đến yếu tố là: nồng độ tinh bột, nồng độ chất phụ gia PEG thời gian hồ hóa 3.1.1 Ảnh hưởng nồng độ tinh bột sắn (TBS): Tạo mẫu màng tinh bột có nồng độ