Ứng dụng màng composite chitosan/nanocellulose trong bảo quản thực phẩm

THỰC NGHIỆM

• Mục tiêu và nội dung nghiên cứu .1 Mục tiêu nghiên cứu
• Hóa chất, dụng cụ và thiết bị .1 Hóa chất
• Các quy trình tổng hợp

1 – 2g chitosan được hòa tan trong 100ml acid acetic 1% bằng cách khuấy ở nhiệt độ 60oC trong 1 giờ, để tạo ra dung dịch chitosan đồng nhất. Các nhóm -OH của glycerol hình thành liên kết hydro với các nhóm carbonyl và nhóm amino có trong gelatin và chitosan [58], [59]. Màng composite chitosan/gelatin được tổng hợp khảo sát đơn biến: trọng lượng phân tử chitosan, nồng độ chitosan và nồng độ gelatin theo Bảng 2.1 và đánh giá tính chất thông qua các phương pháp trong Bảng 2.2 để chọn công thức phù hợp nhất.

Cellulose được thu hồi từ rơm rạ theo quy trình đã được nhóm nghiên cứu công bố trước đây, đạt được độ tinh khiết >90% [64]. Để nghiên cứu sự ảnh hưởng của nồng độ nanocellulose lên tính chất màng, màng composite chitosan/gelatin được phối trộn với nanocellulose nồng độ 1% w/v và được đánh giá tính chất theo Bảng 2.2. Kích thước hạt, thế zeta (ZPV) và PdI của nhũ tương được phân tích bằng phương pháp tán xạ ánh sáng động (Dynamic light scattering – DLS).

Máy phân tích kích thước hạt Zetasizer Nano ZS90 và máy phân tích điện thế zeta (Malvern Instruments Ltd., Malvern, Anh) đã được sử dụng để đo kích thước hạt và điện thế zeta. Thiết bị tán xạ ánh sáng động được sử dụng trong bài nghiên cứu này nhằm xác định sự phân bố kích thước hạt của mẫu, điện tích bề mặt hạt. Phương pháp phân tích (X-Ray Diffraction - XRD) là phương pháp phân tích cấu trúc chất rắn, vật liệu được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Nhiễu xạ tia X là một kỹ thuật phân tích không phá hủy mẫu, cung cấp thông tin về cấu trúc tinh thể và các thông số cấu trúc khác. Xác định thành phần chất rắn chưa biết là rất quan trọng đối với các nghiên cứu về địa chất, khoa học môi trường, khoa học vật liệu, kỹ thuật và sinh học. Khi bức xạ tia X tương tác với vật chất sẽ có hiệu ứng tán xạ đàn hồi với các điện tử của các nguyên từ trong vật liệu có cấu trúc tinh thể, dẫn đến hiện tượng nhiễu xạ tia X.

Phổ hồng ngoại giúp xác định sự có mặt của các nhóm chức và các liên kết có trong hợp chất hóa học dựa trên việc đo lượng ánh sáng mà mẫu hấp thu ứng với bước sóng tương ứng. Phân tích nhiệt lượng (Thermogravimetric analysis – TGA) được thực hiện trên thiết bị METTLER TOLEDO 3+ Large furnace, Thụy Sĩ trong môi trường khí nitơ, ở tốc độ gia nhiệt 10°C/phút từ 30°C đến 650°C cho biết độ bền nhiệt của mẫu, khảo sát sự thay đổi trọng lượng của mẫu trong các điều kiện nhiệt độ khác nhau. Dữ liệu về nhiệt độ, khối lượng, thời gian được tổng hợp thành một biểu đồ có trục “y” là khối lượng hoặc phần trăm khối lượng và trục “x”.

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Chitosan có trọng lượng phân tử trung bình có độ hòa tan cao, dường như là do giảm tương tác giữa các phân tử như lực Van der Waals và liên kết hydro, trọng lượng phân tử càng thấp thì lực hút giữa các phân tử càng thấp [63]. Trong trường hợp màng chitosan 2% w/v và tỉ lệ phối trộn với gelatin là 0,8:1, tương ứng với nồng độ chitosan có trong màng là 0,889% w/v, Pereda và cộng sự đã thu được độ bền kéo là 17,3 N/mm2.Sự khác biệt này có thể là do mức độ khử acetyl của chitosan được sử dụng để chế tạo màng, Pereda đã sử dụng chitosan với mức độ khử acetyl 90%. Những yếu tố này bao gồm trọng lượng phân tử và mức độ khử acetyl của chitosan, loại và lượng chất hóa dẻo bổ sung và các điều kiện chuẩn bị màng sẽ ảnh hưởng đến cấu trúc mạng lưới trong màng chitosan [67].

Đã có báo cáo rằng một polyelectrolyte tích điện dương (tức là chitosan) và một polyampholyte tích điện âm ở giá trị pH hoạt động (tức là gelatin), có thể trải qua các tương tác liên kết để tạo thành phức hợp polyelectrolyte hòa tan [66]. 2 Ảnh hưởng của nồng độ chitosan lên độ dày của màng chitosan/gelatin Nồng độ chitosan. 8 Ảnh hưởng của nồng độ chitosan lên độ đục của màng chitosan/gelatin. Hình 3.8 thể hiện sự ảnh hưởng của nồng độ chitosan đến độ đục của màng chitosan/gelatin. Điều này phù hợp do bản chất gelatin trong hơn chitosan, chitosan thường có màu vàng nhạt, tương tự kết quả của Pereda về độ đục của màng gelatin, màng chitosan và màng kết hợp chitosan/gelatin [66]. w/v) cao hơn nồng độ gelatin (0,75% w/v) có tính chất tương đồng nhau, và mẫu có nồng độ chitosan thấp hơn nồng độ gelatin có tính chất tương đồng nhau. Trong màng composite, việc giảm độ bền kéo và độ giãn dài khi giảm nồng độ gelatin là do sự hiện diện của gelatin làm giảm khả năng kết tinh của chitosan trong màng, được xác nhận bởi mẫu XRD [66]. Chitosan 1,0% w/v và gelatin 0,75% w/v được phối trộn theo tỉ lệ 1:1, và kết hợp với nanocellulose 1% w/v để nghiên cứu và đánh giá sự ảnh hưởng của nanocellulose lên tính chất màng.

Sự gia tăng giảm độ bền kéo của màng được gia cố bằng nanocellulose là do hai yếu tố như sự tương tác giữa tinh thể nano và polyme và hiệu ứng gia cố xảy ra thông qua sự truyền ứng suất ở bề mặt tiếp xúc giữa tinh thể nano và polyme [70]. Độ giãn dài của màng giảm là do sự kết hợp của các tinh thể nanocellulose vào nền chitosan dẫn đến sự tương tác mạnh mẽ giữa chất độn và nền, làm hạn chế chuyển động của nền [71]. Sự tương tác giữa các nhóm sunfat anion của nanocelulose với các nhóm amin cation của chitosan bị cạnh tranh bởi sự tương tác giữa các nhóm hyroxyl của gelatin với các nhóm amin cation của chitosan, do đó độ bền kéo và độ giãn dài của màng chitosan/gelatin bị giảm.

Mặt khác, việc thêm chất gia cường quá nhiều có thể làm tăng số lượng khuyết tật trong màng, chẳng hạn như bong bóng bị mắc kẹt trong quá trình chuẩn bị màng, dẫn đến giảm độ bền kộo và độ gión dài. Vỡ vậy, với sự giảm độ bền kộo rừ rệt của màng chitosan/gelatin, cần biến tính bề mặt nanocellulose trước khi thêm vào màng để đặc tính cơ học của màng tốt hơn và tối ưu hóa nồng độ nanocellulose cho vào màng. Với nghiên cứu về màng chỉ có gelatin, nanocellulose cũng giúp cải thiện đáng kể các đặc tính cơ học của màng (độ bền kéo 20,71 MPa và độ giãn dài 131,27%) do tương tác liên kết hydro mạnh, cấu trúc xoắn ba nhiều hơn và sự phân tán tương đối triệt để của cellulose trong màng [74].

15 Ảnh hưởng của nanocellulose lên độ hòa tan của màng chitosan/gelatin Hình 3.15 thể hiện độ hòa tan của màng chitosan/gelatin (chitosan 1,0% w/v và gelatin 0,75% w/v) khi kết hợp với nanocellulose 1% w/v theo thời gian. Trong một nghiên cứu, Tessaro và cộng sự đã chứng minh sự hiện diện của nanocellulose ít ảnh hưởng đến độ hoa tan của màng gelatin, nhưng làm giảm độ hoa tan của màng chitosan và chitosan/gelatin. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nanocellulose cho thấy độ bền kéo và độ giãn dài của màng giảm khi có nanocellulose, chỉ đạt 39,4% và 42,4% so với màng không có nanocellulose.

Phân tích phổ hồng ngoại (FT-IR) được thực hiện bằng cách quan sát hình dạng của các dải hấp thụ, trong đó các đỉnh cụ thể có thể được gán cho nhóm chức năng nhất định trong một hợp chất. 17 Giản đồ TGA của màng CS, CS/GLY, CS/GE/GLY và CS/GE/GLY/CNC Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) của màng chitosan, chitosan/glycerol, chitosan/gelatin/glycerol khi không có nanocellulose và khi có nanocellulose sau thử nghiệm 630oC được thể hiện trong Hình 3.17.