Nghiên cứu chế tạo và xác định đặc tính màng trên cơ sở chitosan và tinh bột

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA  HUỲNH THỊ THU DIỆU NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VÀ XÁC ĐỊNH ĐẶC TÍNH MÀNG TRÊN CƠ SỞ CHITOSAN VÀ TINH BỘT Chuyên ngành: Kỹ thuật Hoá học Mã số: 8520301 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC Đà Nẵng – Năm 2019 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS Dương Thế Hy Phản biện 1: TS Phan Thế Anh Phản biện 2: TS Lê Minh Đức Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ ngành Kỹ thuật Hoá học họp Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 31 tháng năm 2019 Có thể tìm hiểu luận văn tại:  Trung tâm Học liệu, ĐHĐN Trường Đại học Bách khoa  Thư viện Khoa Hoá, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN MỞ ĐẦU Cùng với phát triển khoa học kỹ thuật, ngành công nghệ chế biến thủy sản phát triển vượt bậc đóng góp phần khơng nhỏ vào việc phát triển kinh tế đất nước Tuy nhiên, công nghệ chế biến thủy sản phát triển bên cạnh thuận lợi chế biến mặt hàng thủy sản có chất lượng cao phục vụ cho xuất tiêu thụ nước cịn có bất lợi lượng phế liệu thủy sản thải nhiều làm ô nhiễm môi trường Một nguồn phế liệu thải vỏ động vật giáp xác tôm, cua, ghẹ… Nguồn phế liệu chủ yếu dùng làm thức ăn chăn ni hay làm phân bón nên hiệu kinh tế thấp Mục tiêu đặt cho nhà công nghệ nghiên cứu để tận dụng tối đa thành phần có phế liệu thủy sản nhằm nâng cao hiệu kinh tế chúng tránh ô nhiễm môi trường chúng gây nên Trong mặt hàng thủy sản có giá trị kinh tế mặt hàng thủy sản đông lạnh từ giáp xác chiếm từ 70 - 80% cơng suất chế biến Vì vậy, lượng phế liệu từ vỏ giáp xác nhà máy thủy sản thải lớn khoảng 70.000 tấn/năm [1] Nguồn phế liệu chứa lượng lớn chitin, nguồn nguyên liệu quan trọng cho công nghiệp sản xuất chitosan Trên thực tế, chitin biopolymer phổ biến thứ hai sau cellulose Cũng giống cellulose, chitin phổ biến tự nhiên lại khó ứng dụng trực tiếp khả hịa tan kém, nhiệt độ nóng chảy cao nhiệt độ phân hủy Chính người ta phải biến tính cắt ngắn mạch phân tử chitin ứng dụng Sản phẩm phổ biến sản xuất trực tiếp từ chitin chitosan Chitosan có khả hịa tan dung dịch acid lỗng nên thuận tiện cho việc gia công sản phẩm dạng màng Màng chitosan có độ bền học cao, thấm ẩm Chitosan có nhiều đặc tính tốt khơng độc, tương thích sinh học, phân hủy sinh học đặc biệt khả kháng khuẩn Vì ứng dụng nhiều lĩnh vực y tế, thực phẩm, mỹ phẩm Chitosan hợp chất sinh học có tính ưu việt phù hợp cho việc bảo quản thực phẩm, rau Ngoài khả kháng vi sinh vật, chitosan cịn có khả hạn chế q trình hơ hấp hiếu khí tự nhiên rau trái bảo quản lâu [2] Mặt dù màng chitosan có nhiều ưu điểm bảo quản số loại rau sau thu hoạch có hạn chế, ví dụ khả ức chế số loại vi sinh vật kém, khó điều chỉnh độ thấm CO2 O2 [3] Vì để ứng dụng cách có hiệu màng chitosan, người ta thường kết hợp với thành phần khác Tinh bột nguồn polymer sinh học dồi dào, rẻ tiền, an toàn phân hủy sinh học Tinh bột sử dụng nhiều để tổng hợp vật liệu phân hủy sinh học thay cho polymer tổng hợp chi phí thấp khả phân hủy sinh học Tuy nhiên, vật liệu từ tinh bột chưa ứng dụng nhiều màng tinh bột yếu mặt học, không bền gặp môi trường nước, dễ bị vi khuẩn, nấm công nên khả ứng dụng để làm màng bảo quản thấp Để tăng cường khả chịu nước tính chất học cho màng tinh bột người ta tiến hành tạo liên kết ngang Tuy nhiên mức độ cải thiện hai tính chất chưa đạt mong đợi [4] Từ phân tích cho thấy kết hợp tinh bột chitosan kết hợp ưu điểm hạn chế nhược điểm loại polymer thành phần Ngồi cịn điều chỉnh khả thấm ẩm, thấm khí, độ bền lí màng cách dễ dàng Đề tài “Nghiên cứu chế tạo xác định đặc tính màng sở chitosan tinh bột" đề xuất nhằm thực mục đích Mục tiêu trước mắt đề tài tạo màng sở phối hợp chitosan tinh bột xác định số đặc tính màng chế tạo CHƯƠNG - TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chitin - chitosan: Trong tự nhiên chitin tồn động vật thực vật thành phần xương ngồi động vật giáp xác tôm, cua hay mực [5] Chitin – chitosan có khối lượng phân tử lớn Cấu trúc chitin tổ hợp monosaccharide liên kết với liên kết glycozit hình thành sợi có tổ chức Hơn nữa, chitin tồn trạng thái tự luôn liên kết với hợp chất protein, CaCO3 hợp chất hữu khác [6] 1.1.1 Cấu trúc phân tử chitin chitosan: a) Chitin b) Chitosan 1.1.2 Các loại nguyên vật liệu sản xuất chitin Chitin chitosan chiết rút từ nhiều nguồn nguyên liệu từ vỏ tôm cua, tảo, nấm, vi khuẩn sâu bọ Nguồn phế thải tơm, cua, ghẹ, nang mực q trình chế biến thủy sản nguồn nguyên liệu sẵn có, nhiều, chứa hàm lượng chitin cao 1.1.3 Tính chất chitosan: Chitosan chất rắn, xốp, nhẹ, không mùi, không vị, dạng bột có màu trắng ngà, dạng vẩy có màu trắng hay vàng Chitosan có tính kiềm nhẹ, khơng hồ tan nước kiềm hồ tan dễ dàng dung dịch axit loãng axit acetic, axit propionic, axit lactic, axit citric … Khi hồ tan chitosan mơi trường axit lỗng tạo thành keo dương Đây điểm đặc biệt phần lớn keo polyssacharide có điện tích âm Chitosan xem polycation có khả bám dính vào bề mặt điện tích âm có khả tạo phức với số ion kim loại Chitosan hồ tan dung dịch axit acetic lỗng có pH = – 6.5 tạo thành dung dịch keo dương, nhờ mà keo Chitosan khơng bị kết tủa có mặt số ion kim loại nặng Pb3+, Hg2+ Trong biến tính hóa học chitosan nhóm chức amino xảy phản ứng hóa học phản ứng acetyl hóa, phản ứng tạo base bậc 4, phản ứng với aldehyde cetone hình thành nên base Schiff… từ tạo hợp chất khác có đặc tính ưu việt kháng vi khuẩn, kháng nấm, kháng oxy hóa, kháng virus, kháng acid, kháng ung bướu, khơng độc, khơng dị ứng, hồn tồn có tính tương hợp sinh học tự hủy sinh học Còn vị trí nhóm hydroxyl xảy vài phản ứng hóa học phản ứng o-acetyl hóa, liên kết hydro với nguyên tử phân cực, phản ứng ghép…Do chitin có khả phản ứng tính hòa tan nên chitosan thu hút nhiều nhà nghiên cứu để tạo dẫn xuất có cấu trúc rõ ràng với tính chất chức tốt [12] Chitosan có tính tương thích sinh học cao, không độc hại biểu đặc tính bảo quản Nó áp dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực, bao gồm chăm sóc y tế, điều trị kháng khuẩn, quản lý nước thải, ổn định enzyme mỹ phẩm Tuy nhiên, tính hịa tan nó, chitosan khó xử lý, dẫn đến chức khả ứng dụng bị hạn chế chitosan thể hoạt động sinh học có giá trị khác nhau, chẳng hạn hoạt động chống ung thư, hoạt động miễn dịch, hoạt động hạ đường huyết, hoạt động diệt khuẩn chitosan đặc biệt thú vị Hoạt động kháng khuẩn dẫn xuất chitosan có hiệu việc ức chế phát triển tế bào vi khuẩn (hoạt tính kháng khuẩn bị ảnh hưởng trọng lượng phân tử, mức độ deacetyl, nồng độ dung dịch pH môi trường) Ức chế hoạt động kháng khuẩn chitosan biến tính cụ thể ức chế kháng khuẩn E coli, C albicans, S aureus M furfur đạt tới 95% sau sử dụng chitosan nồng độ thấp (1 mg/mL) Ở nồng độ mg/L 10 mg/mL, khả ức chế kháng khuẩn đạt 70-100% so với hầu hết loài vi khuẩn, ngoại trừ P aeruginosa Ngược lại, khả ức chế không hiệu P aeruginosa phát nồng độ chitosan kiềm hóa mg/mL, đó, tỷ lệ khả ức chế cao 91,2% đạt nồng độ chitosan 10 mg/mL Chitosan kiềm hóa có hiệu chống lại vi khuẩn kỵ khí P mụn trứng cá, với tỷ lệ khả ức chế cao 95% quan sát thấy nồng độ 10 mg/mL Hoạt động kháng khuẩn dẫn xuất chitosan phát rõ vi khuẩn gram âm nhiễm khuẩn [13] Chitosan kết hợp với aldehyde điều kiện thích hợp để hình thành gel, sở để bẫy tế bào, enzym Tính chất chitosan phụ thuộc nhiều vào độ tinh khiết, độ deacetyl hóa, phân tử lượng Chitosan có độ tinh khiết cao dễ tan, dung dịch hịa tan có độ cao, có tính kết dính cao ứng dụng vào nhiều lĩnh vực Độ deacetyl hóa thơng số quan trọng, đặc trưng cho tỉ lệ 2-acetamido-2deoxy-D-glucopyranose với 2-amino-2-deoxy-D-glucopyranose phân tử chitosan Khả thấm nước màng chitosan có độ deacetyl hóa thấp cao so với màng chitosan có độ deacetyl hóa cao [14] Phân tử lượng chitosan thơng số quan trọng [15], định tính chất chitosan khả kết dính, tạo màng, tạo gel, khả hấp phụ chất màu [16] Chitosan có nhiều tác dụng sinh học đa dạng khả hút nước, giữ ẩm, kháng nấm, kháng khuẩn với nhiều chủng loại khác [17]-[20] Kích thích tăng sinh tế bào người động thực vật, có khả ni dưỡng tế bào điều kiện nghèo dinh dưỡng 1.1.4 Ứng dụng chitosan Chitosan dẫn xuất chúng có nhiều ứng dụng nông nghiệp, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp nhẹ, y học số ngành khác Chitosan bào chế nhiều hình thức khác nhau: chất dẻo, bột nhuyễn, lát mỏng, xịt… Trong y học: Từ chitosan vỏ cua, tơm sản xuất glucosamin, dược chất quý dùng để chữa khớp Chúng thường dùng làm tác nhân hạ cholesterol, vật liệu vá vết thương, vật liệu chữa bỏng, vật liệu y sinh học dược phẩm, chất chống đơng máu, chống ung thư làm kính áp trịng Trong công nghiệp: Chitosan dùng nhiếp ảnh, ngành giấy xử lý dệt nhuộm in Trong nơng nghiệp: Chitosan dùng làm phân bón kích thích sinh trưởng trồng Trong cơng nghệ thực phẩm: Làm bao bì bảo quản thực phẩm, kháng khuẩn Chitosan có nguồn gốc tự nhiên, khơng độc an toàn cho người sử dụng làm thực phẩm [21] Tạo lớp màng bên nhằm hạn chế phát triển vi sinh vật bề mặt, nguyên nhân gây thối hỏng thực phẩm, thay cho bao bì PE Màng chitosan dễ phân hủy môi trường tự nhiên 1.2 Tổng quan tinh bột sắn: 1.2.1 Giới thiệu tinh bột Tinh bột phân tử polysacarit tự nhiên, phân hủy sinh học, rẻ tiền, tái tạo có sẵn Các nguồn tinh bột thực vật khác ngũ cốc (lúa mì, ngơ, gạo, lúa mạch, yến mạch, lúa miến, kê lúa mạch đen), họ đậu (đậu lăng, đậu đỏ, đậu xanh, đậu tương, lạc…), số họ đậu chưa sử dụng (đậu kiếm, đậu bồ câu), rễ củ (sắn, khoai tây, khoai mỡ, khoai lang) trái chưa chín (chuối, xồi) Hạt tinh bột chủ yếu tìm thấy hạt, rễ củ, thân, lá, chí phấn hoa [22] Tinh bột có khối lượng phân tử cao gồm đơn vị glucose nối với liên kết α-glycozide, có cơng thức phân tử (C6H10O5)n, n từ vài trăm đến vài ngàn Trong thực vật, tinh bột thường dạng khơng hồ tan nước Do tích tụ lượng lớn tế bào mà không ảnh hưởng đến áp suất thẩm thấu Tinh bột chất riêng biệt, bao gồm hai thành phần amylose amylopectin Amylose polymer mạch thẳng, chứa từ từ 500-2.000 đơn vị glucose, liên kết liên kết α-1,4 glycozide Amylopectin polyme mạch nhánh, ngồi mạch có liên kết α-1,4 glycozide cịn có nhánh liên kết với mạch liên kết α-1,6 glycozide Cấu trúc nhánh làm cho phân tử cồng kềnh hơn, chiều dài mạch nhánh khoảng 25-30 đơn vị glucose Phân tử amylopectin chứa tới 100.000 đơn vị glucose Hai chất khác nhiều tính chất lý học, hóa học chúng qui định nên tính chất lý hóa tinh bột Tinh bột biến hình để giúp ngăn cản thay đổi không mong muốn cấu trúc, cảm quan thối hóa phân hủy tinh bột q trình chế biến lưu trữ Các tính chất “sẵn có” tinh bột thay đổi chúng bị biến hình để thu tính chất mới, chí hồn tồn lạ Việc thay đổi tính chất thực phản ứng hóa học khác thủy phân, oxy hóa, ether hóa, ester hóa, liên kết ngang Liên kết ngang cách tiếp cận phổ biến để cải thiện hiệu tinh bột cho ứng dụng khác Tinh bột sản phẩm tinh bột liên kết ngang với tác nhân liên kết ngang, chẳng hạn phosphorus oxychloride, sodium trimetaphosphate, so- dium tripolyphosphate, epichlorohydrin, and 1,2,3,4-diepoxy- butane để cải thiện tính chất học ổn định nước sản phẩm tinh bột 1.2.2 Hình dạng, đặc điểm, kích thước hạt tinh bột Các cacbonhydrat tạo diệp lục quang hợp, nhanh chóng chuyển thành tinh bột Tinh bột mức độ gọi tinh bột đồng hóa, linh động, sử dụng trình trao đổi chất chuyển hóa thành tinh bột dự trữ hạt, quả, củ, rễ, thân bẹ [24] Tinh bột sắn có dạng hình cầu, hình trứng hình mũ, có số hạt trũng, điều nhận thấy từ kết chụp hiển vi điện tử quét [26], [27] Kích thước hạt tinh bột qua phương pháp nhiễu xạ tia X: Kính hiển vi điện tử qt xác định kích thước trung bình hạt tinh bột hạt nằm vùng quan sát kính, nên số liệu khơng đặc trưng cho tồn khối hạt Những phương pháp khác phương pháp lắng, rây, sàng để phân chia hệ thống tinh bột phần có kích thước đồng nghiên cứu thời gian, khơng xác (hạt to lẫn hạt nhỏ) Để khắc phục điều này, ta sử dụng phương pháp nhiễu xạ tia X Nó phân tích xử lý số liệu đo cách nhanh chóng xác [28] Cấu tạo kích thước hạt tinh bột phụ thuộc vào giống cây, điều kiện trồng trọt trình sinh trưởng Cấu tạo bên vi hạt phức tạp Vi hạt tinh bột có cấu tạo lớp, lớp có lẫn lộn amylose dạng tinh thể amylopectin xếp theo phương hướng tâm Nhờ phương pháp hiển vi điện tử quét nhiễu xạ tia X thấy hạt tinh bột “nguyên thủy” có chuỗi polysaccait amylose amylopectin tạo thành xoắn ốc với ba gốc glucose vòng Trong tinh bột hạt ngũ cốc, phân tử có chiều dài từ 0,35 - 0,7µm; chiều dày lớp hạt tinh bột 0,1 µm Hơn nữa, phân tử lại xếp theo hướng tâm nên mạch glucoside polysaccarit phải dạng gấp khúc nhiều lần Các mạch polysaccarit xếp hướng tâm tạo độ tinh thể: mạch nhánh phân tử amylopectin nằm xen kẽ mạch nhánh phân tử Ngoài cách xếp bên vậy, hạt tinh bột cịn có vỏ bọc phía ngồi Đa số nhà nghiên cứu [25] cho vỏ hạt tinh bột khác với tinh bột bên trong, chứa ẩm bền tác động bên ngồi Trong hạt tinh bột có lỗ xốp khơng Vỏ hạt tinh bột có lỗ nhỏ chất hịa tan xâm nhập vào bên đường khuếch tán 1.2.3 Thành phần hóa học tinh bột [26], [27], [29] Tinh bột hợp chất đồng thể mà gồm hai polysaccarit khác nhau: amylose amylopectin Tỉ lệ amylose/amylopectin xấp xỉ 1/4 Trong tinh bột nếp (gạo nếp ngô nếp) gần 100% amylopectin Trong tinh bột đậu xanh, dong riềng hàm lượng amylose chiếm 50% 1.2.4 Thành phần, cấu trúc amylose [26], [27] Amylose loại mạch thẳng, chuỗi dài từ 500-2000 đơn vị glucose, liên kết liên kết α - 1,4 glicozit Amylose “ngun thủy” có mức độ trùng hợp khơng phải hàng trăm mà hàng ngàn 1.2.5 Thành phần, cấu trúc amylopectin [27] Phân tử amylopectin chứa đến 100000 đơn vị glucose Có thể nhận thấy phân tử amylose amylopectin Amylopectin polymer mạch nhánh, ngồi mạch có liên kết α-1,4 glicozit cịn có nhánh liên kết với mạch liên kết α-1,6 glicozit Mối liên kết nhánh làm cho phân tử cồng kềnh hơn, chiều dài chuỗi mạch nhánh khoảng 25-30 đơn vị glucose Sự khác biệt amylose amylopectin luôn rõ nét Bởi lẽ, phân tử amylose thường có phần nhỏ phân nhánh có tính chất giống amylopectin 1.2.6 Các phản ứng tiêu biểu tinh bột [26], [27] 1.2.7 Những tính chất vật lý huyền phù tinh bột nước [26], [31] 1.2.8 Độ nhớt hồ tinh bột Một tính chất quan trọng tinh bột có ảnh hưởng đến tính chất kết cấu nhiều sản phẩm độ nhớt độ dẻo Phân tử tinh bột có nhiều nhóm hydroxyl có khả liên kết với làm cho phân tử tinh bột tập hợp lại, giữ nhiều nước khiến cho dung dịch có độ đặc, độ dính, độ dẻo độ nhớt cao Yếu tố ảnh hưởng đến độ nhớt dung dịch tinh bột đường kính biểu kiến phân tử hạt phân tán, đặc tính bên tinh bột kích thước, thể tích, cấu trúc bất đối xứng phân tử Nồng độ tinh bột, pH, nhiệt độ, tác nhân oxi hóa, thuốc thử phá hủy liên kết hydro làm cho tương tác phân tử tinh bột thay đổi làm thay đổi độ nhớt dung dịch tinh bột 1.2.9 Khả tạo gel thối hóa gel Tinh bột sau hồ hóa để nguội, phân tử tương tác xếp lại tạo cách có trật tự để tạo thành gel tinh bột với cấu trúc mạng chiều Để tạo gel dung dịch tinh bột phải có nồng độ đậm đặc vừa phải, phải hồ hóa để chuyển tinh bột thành trạng thái hịa tan sau để nguội trạng thái yên tĩnh Trong gel tinh bột có liên kết hydro tham gia, nối trực tiếp mạch polyglucode gián tiếp qua phân tử nước Khi gel tinh bột để nguội thời gian dài co lại lượng dịch thể ra, gọi thối hóa Q trình tăng mạnh gel để lạnh đơng sau cho rã đơng 1.2.10 Hóa dẻo tinh bột 10 axit citric chiếm khoảng 8% khối lượng khô trái chanh Trong đề tài acid citric sử dụng để đóng rắn màng tinh bột, acid citric coi tác nhân liên kết ngang độc nhất, có giá thành rẻ có khả tạo liên kết ngang với màng tinh bột 1.3.2 Thông tin tổng quát - Tên theo IUPAC: 2-hydroxypropane -1,2,3-tricarboxylic acid - Tên thông thường: axit chanh - Cơng thức phân tử: C6H8O7 HOC(COOH)(CH2COOH)2 1.3.3 Tính chất - Tính axit Axit citric ảnh hưởng nhóm carboxyl -COOH, nhóm carboxyl cho proton để tạo thành ion citrat Các muối citrat dùng làm dung dịch đệm tốt để hạn chế thay đổi pH dung dịch axit - Các ion citrat kết hợp với ion kim loại để tạo thành muối, phổ biến muối canxi citrat dùng làm chất bảo quản giữ vị cho thực phẩm Bên cạnh ion citrat kết hợp với ion kim loại tạo thành phức dùng làm chất bảo quản làm mềm nước 1.3.4 Ứng dụng - Với vai trò chất phụ gia thực phẩm, axit citric dùng làm gia vị, chất bảo quản thực phẩm đồ uống, đặc biệt nước giải khát Muối citrat nhiều kim loại dùng để vận chuyển khoáng chất thành phần chất ăn kiêng vào thể Tính chất đệm phức citrat dùng để hiệu chỉnh độ pH chất tẩy rửa dược phẩm - Được dùng công nghệ sinh học công nghiệp dược phẩm để làm ống dẫn thay phải dùng axit nitric - Axit citric cho vào thành phần kem để giữ giọt chất béo tách biệt Ngồi thêm vào nước ép chanh tươi - Axit citric coi an toàn sử dụng cho thực phẩm quốc gia giới Nó thành phần tự nhiên có mặt hầu hết vật thể sống, lượng dư axit citric bị chuyển hóa đào thải khỏi thể - Dùng axit citric để tạo liên kết ngang cho tinh bột có hiệu 11 quả, liên kết ngang với màng tinh bột độ bền cao màng khơng hình thành liên kết Các màng liên kết ngang axit citric có độ thấm nước thấp so với màng khơng liên kết ngang Sự hình thành cấu trúc chặt chẽ sau liên kết ngang ngăn chặn trương tinh bột hạn chế di chuyển phân tử, dẫn đến giảm độ thấm nước [34] 1.4 Tổng quan Natri Hypophotphit 1.4.1 Tính chất: Natri hypophotphit (NaH2PO2, cịn có tên natri photphinat) muối natri axit photphorơ thường gặp dạng kết tinh ngậm nước, NaPO2H2·H2O Natri hypophotphit chất rắn nhiệt độ phịng, có dạng tinh thể trắng không mùi, tan nước dễ dàng hấp thụ nước khơng khí, phân hủy đun nóng tạo photphin, khí độc, gây khó chịu cho đường hô hấp Natri Hypophotphit dạng tinh thể trắng, hút ẩm 1.4.2 Ứng dụng: - Trong dược phẩm: Natri Hypophotphit dùng làm chất chống oxy hóa - Thu hồi kim loại màu - Thành phần dung dịch xi mạ điện - Natri Hypophotphit tác nhân xử lý nước - Bảo quản thịt - Ngăn trình đổi màu polymer - Natri Hypophotphit dùng sản xuất hóa chất - Natri hypophosphite chất có tác dụng ức chế phát triển vi khuẩn gram âm gây bệnh làm hư hỏng thực phẩm chọn mơi trường phịng thí nghiệm Natri hypophosphite có hiệu việc ức chế phát triển vi khuẩn kỵ khí gram âm, nói chung khơng hiệu vi khuẩn hiếu khí Pseudomonas vi khuẩn Campylobacter jejuni Nó có tiềm chất bảo quản thực phẩm kháng khuẩn, vi sinh vật làm hư hỏng thực phẩm chẳng hạn thịt, cá sản phẩm từ sữa nguyên nhân vi khuẩn gram âm gây nên [35] Trong đề tài Natri Hypophotphit sử dụng làm chất xúc tác cho phản ứng đóng rắn tinh bột acid citric 12 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 2.1 Nội dung thực Đề tài nghiên cứu gồm giai đoạn, giai đoạn có mục tiêu, nhiệm vụ khác nhau, cách thực khác nhau, giai đoạn trước tiền đề cho giai đoạn đưa kết mong muốn cuối Giai đoạn 1: Tìm điều kiện tối ưu để đóng rắn màng tinh bột Giai đoạn 2: Từ điều kiện tối ưu tìm giai đoạn 1, phối trộn chitosan vào tinh bột với hàm lượng chitosan màng 5%; 10%; 20% 2.2 Hoá chất dụng cụ thiết bị a) Hóa chất: b) Dụng cụ, thiết bị: 2.3 Tiến hành thực nghiệm Quy trình tóm tắt tiến trình thực nghiệm chọn điều kiện tối ưu đóng rắn theo sơ đồ 2.1 Glycerol cho vào tinh bột trước hồ hóa, sau giai đoạn hồ hóa tinh bột, tiến hành phối trộn AC chất xúc tác mô tả sơ đồ, đúc màng cách đổ đĩa petri, sau để màng bay tự nhiên Khi tạo màng, lấy tiến hành đóng rắn nhiệt độ thời gian chọn để khảo sát Chọn màng có độ trương bé nhất, điều kiện tối ưu để đóng rắn màng tinh bột 2.4 Deacetyl hóa chitin Sử dụng 400g dung dịch NaOH 4M để deacetyl hóa 46g Chitin, khuấy trộn máy khuấy từ gia nhiệt 90°C 4h Sau đem lọc rửa chitosan thu đến pH trung tính sấy khơ Sản phẩm xác định độ deacetyl hóa phổ hồng ngoại biến đổi Fourier 2.5 Đo độ trương màng Đo độ trương màng theo thời gian theo Công thức (1) Cách tiến hành: Màng polymer ngâm nước cất, sau thời gian xác định mẫu lấy ra, lau khô bề mặt giấy thấm cân 2.6 Đo đồ bền kéo đứt màng Đo độ bền kéo đo theo tiêu chuẩn ASTM D638, tốc độ 13 kéo màng 1mm/phút Độ bền kéo màng đo phịng thí nghiệm polymer trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng 2.7 Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) TGA đo máy STA 6000 phịng thí nghiệm hóa dầu, khoa Hóa, trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng Khối lượng mẫu đao động từ đến mg, tốc độ gia nhiệt 10 °C/phút, môi trường ni tơ, lưu lượng dịng khí ni tơ 20 ml/phút 2.8 Xác định khả kháng khuẩn Kiểm tra mức độ kháng khuẩn màng vi khuẩn Gram âm (Escherichia coli) Các màng đĩa thạch cấy sẵn vi khuẩn, sau 12h kiểm tra ngoại quan 2.9 Xác định độ thấm nước màng Độ thấm nước (WVP) xác định theo phương pháp ASTM E 96-95 (ASTM 1995b) Mẫu màng cố định lên hộp nhơm có chứa sẵn silicagen bên để giữ độ ẩm ban đầu bên hộp 0% Sau đặt vào bình hút ẩm có điều chỉnh độ ẩm tương đối mơi trường bình 50±5% dung dịch muối Mg(NO3)2 bão hòa Tiến hành đo sau 12 ngày để biết lượng nước hấp thụ qua màng 2.10 Khảo sát khả phân hủy sinh học Mẫu chôn đất ngồi mơi trường tự nhiên định kỳ lấy lên để quan sát thay đổi ngoại quan CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Deacetyl hóa chitin 3.1.1 Deacetyl hóa Chitosan tạo cách deacetyl hóa chitin Q trình deacetyl hóa gia nhiệt để tăng hiệu suất phản ứng Sản phẩm thu có màu vàng nâu Hình 3.1 14 0.95 0.90 Hình 3.1: Chitosan Mức độ deacetyl hóa xác định phổ hồng ngoại biến đổi Fourier 0.85 0.80 0.75 1077 0.70 0.40 0.35 1422 1372 1323 0.45 1652 1594 2920 0.50 1148 2878 0.55 892 0.60 1025 3418 Absorbance 0.65 0.30 0.25 0.20 0.15 400 350 300 250 200 150 100 500 W av enu mber s ( c m- 1) Hình 3.2: Phổ FTIR chitosan 3.1.2 Ảnh hưởng màu chitosan đến màng Màu chitosan có ảnh hưởng đến màu màng sau đúc Hình 3.3 màng tinh bột, màng gần suốt Tuy nhiên, sau phối trộn với chitosan màu màng thu chuyển sang màu vàng 15 a b Hình 3.3: (a) Màng tinh bột (b) màng chitosan Ngồi ra, thực nghiệm cịn cho thấy màng có chitosan trước sấy có màu nhạt so với sau sấy (Hình 3.4) Hình 3.4: Màng tinh bột/chitosan chưa đóng rắn 150°C 3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình đóng rắn màng tinh bột 3.2.1 Ảnh hưởng hàm lượng acid citric (AC) Để khảo sát ảnh hưởng hàm lượng AC đến mức độ đóng rắn tinh bột tinh bột phối trộn với AC với hàm lượng khác đóng rắn 150°C 30 phút Sản phẩm thu được đo độ trương Kết thể đồ thị Hình 3.5 Độ trương (%) 16 160 140 120 100 80 60 40 20 AC 5% AC3 % AC1 % 20 Thời gian (phút) Hình 3.5: Độ trương màng tinh bột nhiệt độ đóng rắn 150°C 30 phút Từ kết thể đồ thị, thay đổi hàm lượng AC (1, 3, %) độ trương màng tinh bột bị ảnh hưởng, màng tinh bột chứa 5% AC so với màng có hàm lượng AC % trương Tốc độ trương ban đầu mẫu giống Đối với màng AC 1% độ lệch chuẩn lớn so với màng cịn lại Ngun nhân tính đồng mật độ liên kết ngang mẫu Tuy độ trương mẫu chứa 5% AC thấp mức độ trương lớn, lên đến 85%, đồng thời, thời gian đạt đến mức độ trương bảo hòa ngắn, khoảng 10 phút AC sử dụng để tạo liên kết ngang cho tinh bột Vì hàm lượng AC tăng lên làm cho mật độ liên kết ngang mẫu sau đóng rắn tăng lên, từ dẫn đến chiều dài đoạn mạch polymer liên kết ngang giảm xuống, điều kéo theo khả trương polymer đóng rắn giảm xuống Ở hướng ngược lại, polymer có khả tan nước việc đánh giá mật độ liên kết ngang thơng qua xác định độ trương theo phương pháp ngâm trực tiếp vào nước cho kết khơng xác Sở dĩ q trình ngâm phần polymer tan vào nước làm cho độ trương biểu kiến xác định trở nên thấp mẫu có mật độ liên kết ngang thấp Tuy nhiên, nghiên cứu biến đổi độ trương mẫu phù hợp 17 với logic ảnh hưởng của hàm lượng chất đóng rắn đến mật độ liên kết ngang nói Do ảnh hưởng hịa tan tinh bột (nếu có) q trình đo độ trương khơng đủ lớn để làm sai lệch kết luận rút từ kết thực nghiệm Với mong muốn tạo màng tinh bột có khả trương nước bé nên hàm lượng AC 5% lựa chọn cho nghiên cứu 3.2.2 Ảnh hưởng thời gian đóng rắn Để khảo sát thời gian đóng rắn màng tinh bột, nồng độ AC cố định 5%, nhiệt độ 150°°C thay đổi thời gian đóng rắn 10; 20; 30 phút Kết thu thể qua đồ thị Hình 3.6 Hình 3.6: Ảnh hưởng thời gian đóng rắn đến độ trương Từ đồ thị cho thấy, hàm lượng AC (5%) chất xúc tác, sấy nhiệt độ, thay đổi thời gian sấy ảnh hưởng đến khả trương màng tinh bột Khi thời gian đóng rắn 10 phút 20 phút sản phẩm thu có độ trương lớn so với thời gian đóng rắn 30 phút Điều thời gian đóng rắn ngắn mật độ liên kết ngang hình thành chưa đủ lớn làm cho độ trương sản phẩm tăng Mẫu đóng rắn 30 phút có độ trương bảo hịa thấp mẫu lại tốc độ trương lúc đầu lại cao so với mẫu cịn lại Từ kết thực nghiệm chọn thời gian đóng rắn 30 phút 3.2.3 Ảnh hưởng nhiệt độ đóng rắn Màng tinh bột với hàm lượng AC (5%) đóng rắn thời gian 30 phút nhiệt độ khác biểu diễn qua đồ thị Hình 3.7 18 Hình 3.7: Ảnh hưởng vào nhiệt độ đóng rắn đến độ trương Từ kết khảo sát thực nghiệm ta thấy yếu tố ảnh hưởng đề cập khảo sát trên, độ trương màng phụ thuộc vào nhiệt độ đóng rắn màng: hàm lượng AC thời gian đóng rắn, thay đổi nhiệt độ 120°C 150°C nhiệt độ đóng rắn cao màng có độ trương Từ đồ thị Hình 3.7 ta thấy ban đầu chưa thấy rõ khác biệt độ trương hai màng, thời gian ta thấy nhiệt độ thấp màng trương nhiều Kết luận: Từ kết khảo sát thực nghiệm ta thấy màng tinh bột có hàm lượng AC 5% đóng rắn 150°C 30 phút có độ trương bé Điều kiện đóng rắn sử dụng để chế tạo màng tinh bột phối hợp với chitosan 3.3 Ảnh hưởng hàm lượng chitosan đến độ trương màng Hình 3.8: Đồ thị biểu độ trương loại màng 19 Sau phối trộn chitosan vào màng tinh bột tiến hành đóng rắn điều kiện tìm trên, mẫu thu được đo độ trương Kết độ trương thể Hình 3.8 Màng tinh bột chưa đóng rắn trương nhanh chưa đạt bảo hịa màng bị rách nên khơng thể tiếp tục đo Nếu dùng AC đóng rắn màng cải thiện độ bền, q trình đo mẫu khơng bị rách Khi phối hợp tinh bột với chitosan tính hút nước màng giảm xuống Điều tính kỵ nước chitosan cao so với tinh bột hồ hóa Do hàm lượng chitosan màng tăng độ trương màng giảm xuống Với màng có chứa 20% chitosan độ trương bảo hịa nhỏ 60%, giảm 25% so với màng tinh bột khơng có chitosan 3.4 Tính chất lý Tính chất lí màng thể qua độ bền kéo Hình 3.9 Kết đo độ bền kéo cho thấy màng tinh bột chưa đóng rắn (màng tinh bột) có độ bền kéo cao màng sau đóng rắn Hiện tượng quan sát thấy Yu cộng [37], nhiên họ khơng đưa giải thích Đây điều bất thường khơng phù hợp với quy luật chung không giống với số nghiên cứu công bố Nguyên nhân mẫu tinh bột đóng rắn hút ẩm nhiều mẫu tinh bột khơng đóng rắn trước đo độ bền kéo sai sót q trình chuẩn bị mẫu kéo Khi đưa chitosan vào màng độ bền màng cải thiện Hàm lượng chitosan cao màng bền Hình 3.9: Độ bền kéo đứt màng 20 3.5 Sự phân hủy nhiệt Kết phân tích nhiệt trọng lượng thể Hình 3.10 Sự phân hủy tinh bột khơng đóng rắn trải qua giai đoạn Giai đoạn nhiệt độ nhỏ 150°C, giai đoạn từ 150 °C đến 270°C giai đoạn từ 270°C đến 330°C Theo Renato Queiroz Assis cộng [13], giai đoạn bay nước, đồ thị cho thấy hàm lượng nước màng khoảng 10%, giai đoạn phân hủy glycerin phần tinh bột giai đoạn phân hủy tinh bột Với tinh bột đóng rắn khơng thấy xuất giai đoạn trường hợp tinh bột khơng đóng rắn q trình phân hủy cịn lại giai đoạn Điều có mát glycerin q trình đóng rắn tham gia phản ứng glycerin với tác nhân đóng rắn để chuyển thành hợp chất có khối lượng phân tử cao Lượng chất lại sau trình phân hủy tăng lên có sử dụng tác nhân đóng rắn Điều tiến hành đóng rắn tinh bột có sử dụng NaH2PO2, hợp chất vơ có chứa kim loại Na hợp chất Na không bay điều kiện thí nghiệm Khi phối hợp chitosan vào dạng đường cong TGA khoảng nhiệt độ phân hủy không thay đổi so với trường hợp tinh bột đóng rắn, nhiên độ khối lượng giai đoạn giảm xuống Sở dĩ chitosan phân hủy phần nhỏ giai đoạn Điều dẫn đến khối lượng mẫu lại sau phân hủy tăng lên Hình 3.10: TGA màng 3.6 Sự thấm nước Độ thấm nước màng tính theo cơng thức Sự 21 thay đổi khối lượng cốc theo thời gian thể Hình 3.11 Hệ số góc phương trình Hình 3.11 giá trị w/t cơng thức Diện tích cốc sử dụng 0,002376 m2 (đường kính 55 mm) Từ cơng thức tính độ thấm nước qua màng (Bảng 3.1) Bảng 3.1 cho thấy độ thấm nước màng tinh bột gần khơng bị ảnh hưởng việc đóng rắn tinh bột Giá trị độ thấm nước màng tinh bột khơng đóng rắn có đóng rắn Khi phối hợp tinh bột với chitosan, hàm lượng 5% chitosan độ thấm nước giảm xuống, tăng hàm lượng chitosan lên 10 20% độ thấm nước lại tăng lên, đạt giá trị cao so với trường hợp màng tinh bột nguyên Tuy nhiên, nhìn chung kết thu không khác nhiều Độ thấm nước ngồi phụ thuộc cấu trúc, thành phần hóa học phụ thuộc vào chiều dày màng, giảm chiều dày màng tăng Yu Xianda cộng [38] nghiên cứu ảnh hưởng chiều dày màng PVA đến độ thấm nước thấy chiều dày màng đạt 50 micromet tốc độ thay đổi độ thấm nước theo chiều dày màng trở nên bé Ở nghiên cứu sử dụng màng có chiều dày tương đối lớn nên giá trị độ thấm nước thu bé, khơng thấy rõ ảnh hưởng thành phần hóa học màng đến độ thấm nước Trường hợp màng chứa 5% chitosan khó kết luận chưa kiểm tra tính lặp lại 1.6 0% CS 1.4 5% CS 10% CS Khối lượng (g) 1.2 20% CS Tinh bột Không đóng rắn y = 0.0081x + 0.0289 R² = 0.9964 0.8 y = 0.0068x - 0.0279 R² = 0.9945 0.6 y = 0.0086x + 0.0174 R² = 0.9883 0.4 y = 0.0083x + 0.1543 R² = 0.9961 0.2 y = 0.0081x + 0.1507 R² = 0.99 0 40 80 120 Thời gian (h) 160 Hình 3.11: Sự thay đổi khối lượng cốc theo thời gian 200 22 Bảng 3.1: Độ thấm nước màng Tinh bột không chứa Tinh bột có chứa chitosan (có chitosan đóng rắn) Khơng đóng rắn Đóng rắn 5% 10% 20% Chiều dày màng (mm) 0,244 ± 0,015 0,154 ± 0,009 0,21 ± 0,012 0,238 ± 0,009 0,258 ± 0,019 Độ thấm nước (g/m2.h) 3,41 3,41 2,86 3,62 3,49 3.7 Khả kháng khuẩn a b Hình 3.12: Khả kháng khuẩn màng (a) tinh bột đóng rắn (b) tinh bột phối trộn 10% chitosan Tính chất kháng khuẩn màng thử nghiệm vi khuẩn gram âm Escherichia coli Trước đặt vào đĩa thạch cấy vi khuẩn, màng ngâm nước cất thay nước pH nước ngâm đạt 6,8 đến 7,2 nhằm loại bỏ hết acid màng Hình 3.12 cho thấy có vịng kháng khuẩn xuất xung quanh màng có chứa chitosan, màng khơng chứa chitosan khơng có Như đưa chitosan vào màng màng 23 có khả kháng khuẩn gram âm Có chế kháng khuẩn đề nghị chitosan Cơ chế thứ cho khả chống vi khuẩn chitosan xuất phát từ chất polycationic [39] Khi có mặt acid, nhóm NH2 bị proton hóa, điện tích dương nhóm amino tương tác với phần mang điện âm màng tế bào vi khuẩn làm thay đổi tính chất barrier chúng nên ngăn cản vào dưỡng chất và/hoặc gây giảm nội bào Cơ chế thứ cho kháng khuẩn có liên quan đến việc thấm chitosan KLPT thấp vào bên tế bào, liên kết với DNA kết ức chế tổng hợp RNA protein [40] Như vậy, kết luận khả kháng khuẩn chitosan nghiên cứu xảy theo chế thứ 3.8 Khảo sát phân hủy sinh học Các màng chôn đất khu vực trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng để khảo sát khả phân hủy sinh học chúng Tuy nhiên, độ bền màng không cao nên sau 10 ngày chôn lấp màng bị phá hủy học (Hình 3.13), khơng thể tiếp tục khảo sát Hình 3.13: Các màng tinh bột chứa 0, 5, 10 20% (từ trái qua phải) trước chơn (phía trên) sau khơn đất 10 ngày (phía dưới) 24 KẾT LUẬN Từ nội dung nghiên cứu thực tế trình bày, luận văn góp phần làm rõ số vấn đề khoa học việc nghiên cứu kết hợp loại polyme tự nhiên chitosan tinh bột tạo màng làm màng bao thực phẩm Luận văn giải vấn đề sau: - Đã tìm điều kiện tối ưu đóng rắn cho màng tinh bột: hàm lượng acid citric 5% so với khối lượng tinh bột, hàm lượng xúc tác 50% so với acid citric, đóng rắn 150 0C 30 phút - Độ bền kéo màng tinh bột đóng rắn nhỏ so với màng khơng đóng rắn - Việc phối hợp chitosan vào tinh bột tạo màng có tính hút nước hơn, độ bền kéo tăng lên có khả kháng vi khuẩn gram âm Escherichia coli KIẾN NGHỊ - Khảo sát khả bảo vệ màng số loại thực phẩm khô - Tăng cường độ bền màng cách thêm vào polymer thứ 3, ví dụ polyvilylalcohol Do số nguyên nhân khách quan chủ quan, thân cố gắng khắc phục khó khăn để hồn thành luận văn, kết nghiên cứu không tránh khỏi thiếu sót Kính mong đóng góp ý kiến q thầy bạn để luận văn hoàn thiện ... lí màng cách dễ dàng Đề tài ? ?Nghiên cứu chế tạo xác định đặc tính màng sở chitosan tinh bột" đề xuất nhằm thực mục đích Mục tiêu trước mắt đề tài tạo màng sở phối hợp chitosan tinh bột xác định. .. dụng để chế tạo màng tinh bột phối hợp với chitosan 3.3 Ảnh hưởng hàm lượng chitosan đến độ trương màng Hình 3.8: Đồ thị biểu độ trương loại màng 19 Sau phối trộn chitosan vào màng tinh bột tiến... hợp tinh bột với chitosan tính hút nước màng giảm xuống Điều tính kỵ nước chitosan cao so với tinh bột hồ hóa Do hàm lượng chitosan màng tăng độ trương màng giảm xuống Với màng có chứa 20% chitosan