Nghiên cứu chế tạo màng sinh học pectin-alginate sử dụng pectin từ vỏ quả chanh dây tía (Passiflora edulis Sims.) và ứng dụng trong bảo quản chanh dây

Nghiên cứu này được thực hiện nhằm xây dựng công thức tạo màng phức hợp pectin-alginate (Pec-Alg) với thành phần cơ bản là pectin chiết xuất từ vỏ quả chanh dây kết hợp với alginate, glycerol và Ca2+. Dung dịch tạo màng Pec-Alg được chế tạo thông qua phối trộn và đồng hóa. Đặc tính kỹ thuật của màng được xác định bằng các chỉ tiêu: độ dày, sức căng, độ giãn đứt, độ thấm hơi nước, độ hấp thu ẩm. Mời các bạn tham khảo!

Vietnam J Agri Sci 2021, Vol 19, No 6: 840-851 Tạp chí Khoa học Nơng nghiệp Việt Nam 2021, 19(6): 840-851 www.vnua.edu.vn NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG SINH HỌC PECTIN-ALGINATE SỬ DỤNG PECTIN TỪ VỎ QUẢ CHANH DÂY TÍA (Passiflora edulis Sims.) VÀ ỨNG DỤNG TRONG BẢO QUẢN CHANH DÂY Nguyễn Trọng Thăng*, Nguyễn Thị Bích Thủy, Hồng Thị Minh Nguyệt Khoa Công nghệ thực phẩm, Học viện Nông nghiệp Việt Nam * Tác giả liên hệ: trongthang6886@vnua.edu.vn Ngày nhận bài: 03.03.2021 Ngày chấp nhận đăng: 03.06.2021 TÓM TẮT Nghiên cứu thực nhằm xây dựng công thức tạo màng phức hợp pectin-alginate (Pec-Alg) với 2+ thành phần pectin chiết xuất từ vỏ chanh dây kết hợp với alginate, glycerol Ca Dung dịch tạo màng Pec-Alg chế tạo thông qua phối trộn đồng hóa Đặc tính kỹ thuật màng xác định tiêu: độ dày, sức căng, độ giãn đứt, độ thấm nước, độ hấp thu ẩm Các mẫu chanh dây phủ màng phương pháp nhúng, sau tiến hành bảo quản điều kiện thường đánh giá biến đổi chất lượng thông qua tiêu sinh lý, lý, hóa sinh Kết xây dựng cơng thức tạo màng phức hợp Pec-Alg với thành phần sau: tỉ lệ pectin: nước 2,5% (w/v), tỉ lệ pectin: alginate 65:35 (v/v), tỉ lệ glycerol 20% (w/w) Ca2+ 5% (w/w) hiệu để tạo màng bảo quản chanh dây tươi Đồng thời, xác định thông số kĩ thuật màng Pec-Alg: Độ dày 0,139 ± 0,007 (mm); Sức căng 30,84 ± 1,87 (MPa); Độ giãn đứt 28,23 ± 0,82%; Độ thấm nước 2,48 ± 0,08 (×10-7g.m-1.h-1.Pa-1); Độ hấp thu ẩm 10,03 ± 0,48% Kết thực tế cho thấy màng Pec-Alg có tác dụng trì chất lượng kéo dài thời gian bảo quản chanh dây tươi lên đến 12 ngày (thêm ngày so với không phủ màng) điều kiện thường (nhiệt độ môi trường dao động 29-35C) Kết mở hướng ứng dụng tiềm màng sinh học Pec-Alg bảo quản an tồn rau tươi Từ khóa: Màng sinh học, pectin, alginate, vỏ chanh dây Development of Pectin-Alginate Biofilm Based on Pectin from Purple Passion Fruit Peel (Passiflora edulis Sims.) and its Application in Preservation of Fresh Passion Fruits ABSTRACT This study aimed to develop pectin-alginate (Pec-Alg) composite biofilm based on pectin extracted from purple passion fruit peel incorporated with alginate, glycerol and Ca2+ Mixing and homogenization methods were used to prepare the Pec-Alg film-forming solution The technical characteristics of the biofilm were determined by the following parameters: Film thickness, tensile strength, elongation at break, water vapor permeability, moisture absorption Passion fruit samples were coated by dipping method, then preserved under ambient conditions and evaluated the quality change through physiological, mechanical and biochemical parameters This study found the Pec-Alg biofilm formulation that suitable for preserving passion fruit with the following mixing proportion: pectin: water of 2.5% (w/v), pectin: alginate of 65:35 (v/v), 20% glycerol (w/w) and 5% Ca2+ (w/w) In addition, the specifications of Pec-Alg biofilm were also determined: Thickness of 0.139 ± 0.007 (mm), Tensile strength of 30.84 ± 1.87 (MPa), Elongation at break of 28.23 ± 0.82%, Water vapor permeability of 2.48 ± 0.08 (×10-7g.m-1.h-1.Pa-1), Moisture absorption of 10.03 ± 0.48% The actual results have shown that Pec-Alg biofilm could maintain the quality and prolong the storage time of fresh passion fruit up to 12 days (4 more days) under normal conditions (ambient temperature range of 29 to 35C) These results open up potential applications of Pec-Alg biofilm in preserving fresh fruits and vegetables Keywords: Biofilm, pectin, alginate, purple passion fruit peel 840 Nguyễn Trọng Thăng, Nguyễn Thị Bích Thủy, Hồng Thị Minh Nguyệt ĐẶT VẤN ĐỀ Màng sinh học để bảo quản rau tươi xu hướng giới nhu cầu người ngày quan tâm đến sức khoẻ, an tồn thực phẩm vấn đề mơi trường (Falguera & cs., 2011) Màng pectin gây ý tính khơng độc hại, khơng mùi phân hủy sinh học Hơn nữa, loại màng có tính thấm khí thấp tạo nên lớp rào cản tốt để ngăn chặn trao đổi khí (Espitia & cs., 2014) Nguồn chiết xuất pectin dồi dào, nhiên khơng phải loại pectin chế tạo màng bảo quản Tính chất màng phụ thuộc vào đặc tính hóa lý pectin độ este hóa, số methoxyl, đương lượng, hàm lượng axit anhydrouronic (Nisar & cs., 2018) Vì vậy, nghiên cứu sử dụng pectin chiết xuất từ vỏ chanh dây tía, xác định đặc tính hóa lý thuộc loại LMP (Low Methoxyl Pectin) - loại pectin có số DE (Degree Esterification) < 50% số MI (Methoxyl Index) < 7% nên có tính tan thấp, có khả tạo gel khơng thuận nghịch, có độ đàn hồi, độ dẻo dai sức căng bề mặt cao, phù hợp cho mục đích tạo màng (Yapo & Koffi, 2014) Các màng phủ từ pectin nhìn chung có khả chống thấm khí tốt lại có tốc độ thấm nước cao chất ưa nước chúng Vì vậy, để tăng cường tính bảo quản cho màng pectin alginate phối trộn vào để làm tăng tính cản trở ẩm, cải thiện độ bền, độ đàn hồi khơng dính bết Sự kết hợp pectin alginate tạo loại màng phức hợp có khả ngăn cản oxy thấm qua ức chế tượng oxy hóa thực phẩm Bên cạnh đó, màng cịn có khả làm giảm thất ẩm lượng ẩm màng bốc trước nước thực phẩm, từ màng bao khơ co lại làm cho lượng ẩm bên không (Seixas & cs., 2013) Thêm vào đó, hóa dẻo màng nâng cao cách thêm vào tác nhân làm dẻo Các chất hóa dẻo thường sử dụng chất có khối lượng phân tử nhỏ làm tăng độ bền tính linh động lớp phủ Các chất hóa dẻo phổ biến glycerol, sorbitol, propylene glycol… Các chất phải hoạt tính tan với polymer, phải giữ lại hỗn hợp lâu, ổn định cao, không bay quan trọng mùi chất không làm ảnh hưởng tiêu cực đến tính chất màng (Guibert & Biquet, 1996) Hơn nữa, pectin loại LMP việc bổ sung Ca2+ có tác dụng tăng cường liên kết ngang, làm cho mạng lưới chuỗi phân tử chặt chẽ đồng thời làm tăng khả kéo dãn màng (Seixas & cs., 2013) Thực tế nghiên cứu chúng tơi cho thấy, số loại màng có tiêu kỹ thuật khả quan để bảo quản Tuy nhiên, áp dụng thực tế lại khơng có hiệu Do đó, để kiểm định hiệu thực tế màng Pec-Alg, chanh dây tươi phủ màng tiến hành theo dõi biến đổi chất lượng suốt thời gian bảo quản Như vậy, việc tạo màng với thành phần pectin, kết hợp với alginate, glycerol, Ca2+ có tác dụng tăng cường chất lượng tính bảo quản màng Tuy nhiên, câu hỏi đặt cần phối trộn thành phần với tỉ lệ phù hợp Do đó, mục đích nghiên cứu chế tạo màng sinh học Pec-Alg đáp ứng yêu cầu bảo quản tươi đánh giá hiệu chanh dây PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Vật liệu nghiên cứu Pectin có độ tinh khiết 76% thuộc loại LMP chiết xuất từ vỏ chanh dây tía (Passiflora edulis Sims.) trồng tỉnh Sơn La theo quy trình có chỉnh sửa Ranganna & cs (2001) Tất hóa chất sử dụng hóa chất tinh khiết thương mại có xuất xứ từ Đức, Ấn Độ, Trung Quốc Pectin đối chứng pectin thương mại thuộc loại HMP (High Methoxyl Pectin) hãng HiMedia (Ấn Độ), sodium alginate chiết xuất từ tảo nâu (hãng Zhanyun, Trung Quốc), glycerol nguồn gốc thực vật (hãng Duchefa, Hà Lan) 2.2 Chế tạo màng phức hợp Pec-Alg Dựa phương pháp Galus & Lenart (2013) có chỉnh sửa Pectin sodium alginate 841 Nghiên cứu chế tạo màng sinh học pectin-alginate sử dụng pectin từ vỏ chanh dây tía (Passiflora edulis Sims.) ứng dụng bảo quản chanh dây hòa tan riêng rẽ nước cất ấm (60C) máy đồng hóa với tốc độ 800 vòng/phút 15 phút để thu dung dịch pectin với nồng độ khác 1,5; 2,0; 2,5; 3,0% (w/v) dung dịch alginate 2% (w/v) Sau đó, dung dịch pectin trộn với dung dịch sodium alginate theo tỉ lệ bảng Bổ sung glycerol vào hỗn hợp, phối trộn máy đồng hóa với tốc độ 800 vịng/phút 30 phút Tiếp theo, tăng nhiệt độ dung dịch lên 70C bể ổn nhiệt 30ml dung dịch calcium chloride dihydrate thêm vào với tốc độ chảy ml/phút, khuấy để yên Sau đó, đổ 20ml dung dịch tạo màng vào đĩa petri có đường kính 14cm Đĩa petri sấy khơ 45C 10 Bảo quản màng bình hút ẩm độ ẩm tương đối 52% đến phân tích khoảng cách ban đầu đầu kẹp 60mm, sử dụng cảm biến tải trọng 100N Sức căng tính cơng thức sau: 2.3 phương pháp xác định đặc tính kĩ thuật màng Pec-Alg 2.3.3 Độ thấm nước 2.3.1 Độ dày màng Được xác định thước đo kĩ thuật số digital micrometer (Mitutoyo Co., Tokyo, Japan) với độ xác ± 0,001mm Đo lần vị trí ngẫu nhiên mẫu màng film, lấy giá trị trung bình Giá trị trung bình dùng để tính tốn tiêu khác như: tính chất học, độ thấm nước 2.3.2 Sức căng độ giãn đứt Sức căng (TS) độ giãn đứt (EB) xác định theo phương pháp chuẩn ASTM standard method D882 (ASTM, 2002), sử dụng máy Mark-10, USA Màng cắt thành miếng hình chữ nhật kích thước × 2cm Cài đặt TS(MPa)  Fmax  Trong đó: Fmax: lực lớn đo (N); : diện tích mặt cắt ngang màng (mm2) Độ giãn đứt tính cơng thức sau: EB(%)  l l0  100 Trong đó: 1: khoảng mẫu (mm); cách giãn dài thêm l0 : chiều dài ban đầu mẫu (mm) Được xác định dựa phương pháp tiêu chuẩn ASTM E-996-00 (ASTM, 2000) với vài chỉnh sửa Sử dụng lọ thủy tinh có đường kính miệng 3cm, chiều cao 5,3cm Để tạo độ ẩm tương đối 100%, lấy 8ml nước cất đổ vào lọ thủy tinh Sau đó, dùng màng (mẫu test) để bọc kín miệng lọ Tiếp theo, đặt lọ bình hút ẩm có chứa silica gel (0% RH) phịng nhiệt độ 25C Lọ thủy tinh cân 6giờ lần (độ xác 0,0001g, đo lần) Theo dõi thay đổi khối lượng theo thời gian để tìm hồi quy tuyến tính Tốc độ truyền nước (WVTR (g.h-1.m-2)) xác định độ dốc phần tuyến tính đường cong chia cho phần diện tích màng thẩm thấu Bảng Các cơng thức tạo màng phức hợp Pec-Alg 2+ Công thức Tỉ lệ pectin : nước (w/v) Tỉ lệ pectin : alginate (v/v) Tỉ lệ glycerol bổ sung (w/w) Tỉ lệ Ca bổ sung (w/w) P1 1,5 % 75:25 30 % 3% P2 2,0 % 70:30 25 % 4% P3 2,5 % 65:35 20 % 5% P4 3,0 % 60:40 15 % 6% ĐC 3,0 % 50:50 30 % 4% Ghi chú: ĐC: sử dụng pectin thị trường; P1, P2, P3, P4: sử dụng pectin từ vỏ chanh dây tía 842 Nguyễn Trọng Thăng, Nguyễn Thị Bích Thủy, Hồng Thị Minh Nguyệt Độ thấm nước màng tính cơng thức sau: WVP  m  d A  t  P Trong đó: WVP: độ thấm nước mẫu (g m-1 h-1.Pa-1); m: hao hụt khối lượng nước lọ thủy tinh (g); A: diện tích phần màng có nước thấm qua (= 7,06 ×10-4m2); t: thời gian (giờ); d: độ dày mẫu (m); P: độ chênh lệch áp suất nước riêng phần mặt màng (P = 3,179 × 10-3 Pa) 2.3.4 Độ hấp thu ẩm Được xác định dựa theo phương pháp Chaichi & cs (2016) Sử dụng mẫu màng khơ (2cm × 2cm) sấy 105C 24 (đến khối lượng không đổi) cân khối lượng (Wd) Tiếp theo, mẫu đặt bình hút ẩm có chứa dung dịch NaNO3 bão hịa để đảm bảo có độ ẩm tương đối 74% nhiệt độ 20-25C Mẫu cân đến đạt trạng thái cân (Wf) Độ hấp thu ẩm màng tính theo cơng thức sau: MA(%)  Wf  Wd Wd 2.4 Đánh giá hiệu màng Pec-Alg bảo quản chanh dây 2.4.2 Bố trí thí nghiệm phủ màng chanh dây Bố trí công thức (CT): Công thức đối chứng không phủ màng (ĐC), công thức phủ màng pectin thị trường (CT1) công thức phủ màng Pec-Alg lựa chọn (CT2) để bảo quản chanh dây Mỗi CT sử dụng 30 (cùng với lần lặp lại) Tiến hành phủ màng cách nhúng ngập chanh dây vào dung dịch phút, sau để màng se lại tự nhiên nhiệt độ phòng Các mẫu bảo quản điều kiện thường (nhiệt độ mơi trường dao động 29-35C) 2.4.3 Phân tích tiêu sinh lý, lý, hóa sinh chanh dây q trình bảo quản Cường độ hơ hấp lượng ethylene sản sinh xác định dựa phương pháp Maftoonazad & Ramaswamy (2008) sử dụng máy đo CO2, O2 Dual gas analyser ICA250, UK Ethylene analyser ICA56, UK; Tỉ lệ hao hụt khối lượng tự nhiên xác định phương pháp cân (độ xác 0,01g); Độ cứng xác định phương pháp không phá mẫu sử dụng thiết bị Mark 10, USA; Sự biến đổi màu sắc vỏ xác định máy đo màu Chromameter CR400, Nhật Bản; Hàm lượng chất khơ hồ tan tổng số xác định theo TCVN 4417-87 sử dụng chiết quang kế kỹ thuật số ATAGO (Atago, Tokyo, Nhật Bản); Hàm lượng axit hữu tổng số xác định theo TCVN 5483-91 (ISO 750-1981); Hàm lượng vitamin C xác định theo TCVN 6427-2: 1998 (ISO 6557/2: 1984) 2.4.1 Chuẩn bị mẫu chanh dây bảo quản Quả chanh dây tía (Passiflora edulis Sims.) trồng tỉnh Sơn La lấy mẫu theo TCVN 5102-90 (ISO 874-1980) Các lựa chọn tương đồng màu sắc, kích thước, độ cứng, thu hoạch cẩn thận, tránh làm tổn thương vận chuyển phịng thí nghiệm ngày thu hoạch Sau đó, rửa bụi bẩn, để nước chia thành lô tương ứng với cơng thức 2.5 Phân tích số liệu Tất số liệu thu thập đại diện thí nghiệm lặp lại Kết thí nghiệm phân tích phương sai nhân tố (one-way ANOVA) phần mềm Microsoft Excel Statgraphics Centurion 18 Sự khác biệt giá trị trung bình công thức đánh giá nhờ phép so sánh Tukey với mức tin cậy 95% 843 Nghiên cứu chế tạo màng sinh học pectin-alginate sử dụng pectin từ vỏ chanh dây tía (Passiflora edulis Sims.) ứng dụng bảo quản chanh dây Bảng Đặc tính kĩ thuật màng Pec-Alg Công thức Độ dày (mm) P1 0,087 ± 0,006 P2 e d 0,116 ± 0,002 Sức căng (MPa) c 16,68 ± 1,45 b 22,57 ± 2,11 c 30,84 ± 1,87 b 29,52 ± 2,16 a 6,17 ± 0,97 P3 0,139 ± 0,007 P4 0,168 ± 0,008 ĐC 0,187 ± 0,005 Độ giãn đứt (%) a 27,53 ± 0,39 a 30,01 ± 0,76 a 28,23 ± 0,82 a 19,43 ± 0,67 d Độ thấm nước -7 -1 -1 -1 (× 10 g m h Pa ) b 9,12 ± 0,32 9,66 ± 0,34 d 10,03 ± 0,48 d 8,91 ± 0,64 6,34 ± 0,22 2,48 ± 0,08 b 2,79 ± 0,36 c c 5,54 ± 0,63 c a 5,69 ± 0,26 Độ hấp thu ẩm (%) a 33,12 ± 0,78 b b b a 18,54 ± 0,67 Ghi chú: Số liệu thể dạng trung bình ± độ lệnh chuẩn Các chữ khác cột thể khác có ý nghĩa thống kê (P