Thermoplastic starch (TPS)

2. Vật liệu bao bì sinh học từ tinh bột

2.2.3 Thermoplastic starch (TPS)

Thermoplastic starch là vật liệu polymer bằng tinh bột có chứa chất dẻo chịu nhiệt. Thermoplastic starch đã có nhiều bước phát triển trong ngành công nghiệp polymer sinh học. Những polymer này được tạo ra từ tinh bột bắp, lúa mì, khoai tây. Thermoplastic starch khác PLA và PHA là không qua giai đoạn lên men. Để có những thuộc tính như plastic, TPS được trộn với các vật liệu khác, chất độn, và chất xơ. Với hàm lượng tinh bột lớn hơn 50% sẽ tạo lên các loại plastic khác nhau để đáp ứng nhu cầu của thị trường.

TPS gồm :

- EAA (copolyme là ethylen –acrylic acid): loại plastic này nhạy cảm với sự thay đổi của môi trường, dễ bị rách trượt và không bị phân hủy hoàn toàn bởi vi sinh vật.

- Starch/vinyl alcohol copolymer :

 Tùy vào điều kiện gia công, loại tinh bột và thành phần của copolymer sẽ tạo lên nhiều loại plastic với hình dạng và hoạt tính khác nhau. Plastic chứa tinh bột có tỷ lệ AM/AP lớn hơn 20/80 sẽ không hòa tan ngay ở cả trong nước sôi, còn plastic chứa tinh bột có tỷ lệ AM/AP nhỏ hơn 20/80 sẽ bị hòa tan từng phần.

 Cơ chế của sự phân hủy:

Thành phần tự nhiên dù được che chắn bởi cấu trúc mạng nhưng vẫn bị phân hủy bởi enzyme ngoại bào của vi sinh vật. Thành phần tổng hợp được phân hủy bởi sự hấp thụ bề mặt của vi sinh vật.

 Tinh bột cũng có thể được bổ sung thêm các polyme kỵ nước như các polyester béo. Polyester béo có điểm tan chảy thấp khó tạo thành vật liệu nhiệt dẻo và thổi tạo hình. Khi trộn tinh bột với polyester béo sẽ cải thiện được nhược điểm này. Một số polyester béo thích hợp là poly-ε- caprolactone và các copolymer của nó, hoặc các polymer tạo thành từ phản ứng của các glycol như 1,4 - butandiol với một số acid: succinic, sebacic, adipic, azelaic, decanoic, brassillic. Sự kết hợp này sẽ tăng thuộc tính cơ, giảm sự nhạy cảm với nước và tăng khả năng phân hủy.

a. Tính chất, cấu tạo của bao bì TPS

Tính chất:

- Chống quá trình oxy hóa tốt. - Dễ hút ẩm.

- Bị giòn, nứt rời khi thấm nước.

- Có thể biến đổi thành dạng mềm hoặc chảy dưới nhiệt độ, áp suất cao hoặc cứng lại khi bị đông lạnh

Cấu tạo:

Tinh bột được bao gồm amylose Amylose là một polymer có cấu trúc mạch thẳng, cấu tạo từ gốc α-D-glucopyranosyl liên kết với nhau bằng liên kết α-1,4- glycoside và amylopectin là một polymer có cấu trúc mạch nhánh, cấu tạo từ các gốc α-D-glucopyranosyl liên kết với nhau bằng liên kết α-1,4-glycoside và α-1,6- glycoside.

Hình 2.14: Cấu tạo mạch amylose trong phân tử tinh bột

Hình 2.15: Cấu trúc mạch amylopectin trong phân tử tinh bột

Độ dẻo của vật liệu được tạo ra bởi liên kết hydro giữa nhóm hydroxyl của tinh bột với các thành phần khác như nước, glycerol và sorbitol.

b. Vai trò

- Giảm tác nhân gây nên hiệu ứng nhà kính

- Tiết kiệm được công sức và chi phí cho công tác xử lý và thu gom rác thải - Đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm cho người tiêu dùng

- Giúp tận dụng nguồn nguyên liệu nội địa, không phải nhập hạt nhựa (giá cao hơn tinh bột nhiều lần) nên tiết kiệm được một khoản chi phí đáng kể để bù vào chi phí đầu tư công nghệ, thiết bị.

- Tạo nên một bộ mặt mới cho doanh nghiệp, không chỉ kinh doanh vì mục đích lợi nhuận mà còn vì môi trường, cộng đồng.

- Giúp doanh nghiệp giành được niềm tin của khách hàng vì doanh nghiệp được vinh danh là những người bảo vệ môi trường

b. Yêu cầu về bao bì sinh học

- Có tính chống thấm. - Có đặc tính quang học. - Có tính co giãn.

- Có thể đóng dấu và in ấn dễ dàng. - Kháng nhiệt và hóa chất.

- Có tính ổn định, thân thiện với môi trường và có giá cả cạnh tranh..

- Hơn nữa, bao bì phải phù hợp với quy định về bao bì thực phẩm, tương tác giữa bao bì và thực phẩm phải đảm bảo chất lượng và an toàn thực phẩm. - Khi thải ra môi trường quá trình phân hủy phải tương tự như bao bì giấy và

không để lại dư lượng độc hại. - Phải tan rã trong thời gian thải ra.

- Không để lại chất độc ảnh hưởng tới khả năng tăng trưởng của thực vật.

c. Phương thức tạo ra bao bì

Hầu hết bao bì TPS hiện nay đều được sản xuất từ TPS ở dạng hạt đã được làm sẵn, do vậy chúng có thể được chế tạo thành film, hộp chứa hoặc bất cứ vật nào có hình dạng xác định. Trong tự nhiên, tinh bột không phải là vật liệu nhiệt dẻo, phân tử bán tinh thể trong hạt tinh bột tự động được biến đổi thành các tổ chức liên phân tử bậc cao tạo thành các cấu trúc tinh thể bền. Vì vậy, nhiệt độ nóng chảy của tinh bột cao hơn nhiệt độ phân hủy của nó, và quá trình phân hủy sẽ diễn ra trước quá trình nóng chảy nếu tinh bột được nung lên. Tuy nhiên nhờ sự tham gia của các phụ gia, cấu trúc tinh thể của hạt tinh bột bị phá vỡ và hạt tinh bột sẽ tan chảy ở nhiệt độ rất thấp, tạo ra vật liệu mới có tên vật liệu nhiệt dẻo hay TPS. Khi nung, viên nhựa nhiệt dẻo (TPS) sẽ bị nóng chảy và có thể chế tạo ra bất kỳ đồ vật mong muốn nào nhờ vào máy móc phù hợp kết hợp các công cụ tham gia trong quá trình làm nhựa như máy độn, máy khuôn, máy thổi màng….

Hình 2.16: Hạt TPS từ tinh bột

d. Sản phẩm chuyên dùng

Do tính chất trên nên bao bì TPS không phù hợp với thực phẩm ở dạng lỏng và thực phẩm có độ ẩm cao. Thường dùng làm bao bì chứa các sản phẩm khô, rau quả, dâu tây, trứng.

Hình 2.17: Ứng dụng của TPS trong các sản phẩm rau quả

e. Ưu điểm – nhược điểm

*Ưu điểm

Thermoplastic tinh bột (TPS) đã có chỗ đứng trên thị trường với các ưu điểm như:

- Thân thiện với môi trường

- Chi phí năng lượng, giá cả thấp hơn so với plastic truyền thống. * Nhược điểm

Mặc dù có nhiều ưu điểm nhưng TPS vẫn còn nhiều rào cản khiến chúng chưa được sử dụng rộng rãi như: sự hoài nghi của người tiêu dùng, chi phí kỹ thuật cao, rất nhạy cảm với nước và tính cơ động thấp, hút ẩm mạnh, phân hủy quá nhanh. Đối với EAA (copolyme là ethylene acrylic acid), nhược điểm của loại plastic này là nhạy cảm với sự thay đổi của môi trường, dễ bị rách trượt và không được phân hủy một cách hoàn toàn bởi vi sinh vật. Còn vật liệu starch/vinyl alcohol copolymers, điểm hạn chế của vật liệu này là giòn và nhạy cảm với độ ẩm.

f. Cách sử dụng và bảo quản

Mặc dù nước có tác dụng làm dẻo tinh bột nhưng lại không thích hợp trong việc làm dẻo các sản phẩm từ TPS. Khi thấm nước TPS sẽ giòn hơn và bị nứt rời. Glycerol là chất làm dẻo TPS thông dụng nhất. Không giống hạt tinh bột, viên TPS có thể dùng làm thành phần chính trong cấu trúc nhựa bởi vì TPS có thể tan chảy và chế tạo ra các hình dạng khác nhau. Tuy nhiên, TPS có hai nhược điểm chính: nó rất nhạy cảm với nước và tính cơ động thấp. Vì vậy, cần tránh sự tiếp xúc trực tiếp của bao bì TPS với nước và có các biện pháp hạn chế các va đập cơ học trong quá trình bảo quản và vận chuyển. Cách tiếp cận thông dụng nhất để cải tiến TPS là thay đổi cấu trúc của hạt tinh bột bằng tác dụng của hóa chất (tinh bột biến tính) và TPS thành phẩm từ tinh bột biến tính sẽ khắc phục được phần lớn nhược điểm trên.

g. Vấn đề vệ sinh môi trường

TPS có khả năng phân hủy sinh học hoàn toàn và nhanh chóng, không gây ô nhiễm môi trường. Tinh bột vốn là nguồn nguyên liệu dồi dào ở nước ta. Đã có những nghiên cứu thay thế bao bì plastic từ các chế phẩm dầu mỏ sang dạng bao bì plastic từ bắp. Nguồn nguyên liệu bắp có thể thỏa mãn nhu cầu lớn của bao bì plastic. Vật liệu làm từ nguồn nguyên liệu này hạn chế việc ô nhiễm môi trường do khi phân hủy nó không tạo ra các hợp chất độc.

h. Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm

Thermoplastic starches đã có nhiều bước phát triển trong ngành công nghiệp polymer sinh học. Tinh bột nhiệt dẻo đã cho ra đời sản phẩm mang tính ứng dụng cao để sản xuất bao bì sử dụng trong ngành thực phẩm. Những polymer này được tạo ra từ tinh bột bắp, lúa mì, khoai tây. Tinh bột liên kết với các polymer tổng hợp khác, với hàm lượng tinh bột có thể lớn hơn 50% sẽ tạo nên các loại plastic đáp ứng được nhu cầu thị trường.