Phủ phun chỉ đơn giản bao gồm việc phun các dung dịch vuông góc trên một bề mặt tiếp nhận được cố định thẳng đứng. Mặc dù những nghiên cứu đầu tiên của phủ phun đã được thực hiện vào năm 2000 với thao tác bằng tay “plant mister”như là thiết bị phun, các kết quả của nghiên cứu này là không đủ đạt yêu cầu, chất lượng màng thu được kém so với màng bằng phương pháp nhúng; do đó, phương pháp này đã không còn được thực hiện [30].
2
Hình 1.13Quy trình phủ phun
(1) Dung dịch mang điện tích âm (2) dung dịch rửa
(3) dung dịch mang điện tích dương (4) dung dịch rửa
Một nghiên cứu có hệ thống hơn sau đó với cải tiến trong việc thiết lập các thông số, kiểm soát quá trình tốt hơn như khoảng cách phun, góc của hình nón phun, thời gian phun, khối lượng phun, và tốc độ phun, sử dụng bình xịt máy bơm không khí như là thiết bị phun. Phương pháp mới này đã cải thiện thời gian tạo màng, giảm từ khoảng 20 phút/lớp nhúng xuống khoảng 5 giây/lớp. Các độ dày lớp thu được bằng cách phun thường ít hơn so với những màng thu được bằng cách nhúng vì bỏ qua bước rửa, nó đã chỉ ra rằng sự có mặt hay vắng mặt của bước rửa giữa các lớp và thời gian rửa đóng một vai trò quan trọng trên các thuộc tính màng[14].
Một số nghiên cứu so sánh gần đây cho thấy màng đa lớp chuẩn bị bằng cách nhúng dày đặc hơn, và ít thô hơn so với những màngthu được bằng cách phunneutron reflectometry (NR) hay X-ray reflectometry (XRR) với cùng số lớp[17].
Một nhược điểm của phun là sự thất thoát của vật liệu không bám bởi thoát khỏi bề mặt sau khi phun làm hao tốn dung dịch phun. Tuy nhiên, vì thời gian tạo màng ngắn và dễ thực hiện, kỹ thuật phun đã tìm được xem như một kỹ thuật tạo
2
màng hữu ích. Việc tạo màng bằng kỹ thuật phun đã có nhiều ứng dụng như tạo hạt nano, dây nano, ion kim loại nano,enzymvà thậm chí cả các tế bào.
Một thí nghiệm thú vị được quan sát với độ phản ứng trong quá trình tạo màng của kỹ thuật phun, với những lớp PDADMAC và titan (IV) bis (ammonium lactato) dihydroxide, một tiền chất để làm cho các hạt nano TiO2, được xây dựng bởi phun liên tiếp của các thành phần [4][10][18][20][22][27][35].
Việc sử dụng rộng rãi kỹ thuật phun dẫn đến việc nghiên cứu và sử dụng các thiết bị phun khác và phát triển của các thiết lập phức tạp hơn như một hệ thống phun tự động.Một sự kết hợp của kỹ thuật phun với kỹ thuật quay mới đây cũng đã được báo cáo, sử dụng vòi phun máy phun để phun [19][21][26].
1.3.3 Ưu điểm của màng bao ăn được kích thước nano
Màngăn được hiện đang được sử dụng trên nhiều loại thực phẩm, bao gồm trái cây, rau, thịt, sôcôla, bánh kẹo, sản phẩm bánh mì và khoai tây chiên. Lớp màng phủ ăn đượctạo ra các rào cản chống thấm khí, độ ẩm và lipid. Ngoài ra, chúng có thể cải thiện các tính chất kết cấu của thực phẩm hoặc có vai trò như là các chất mang của các hợp chất như màu sắc, hương vị, chất chống oxy hóa, các chất dinh dưỡng và kháng sinh.
Các đặc tính cơ bản của lớp màng phủ phụ thuộc vào các đặc tính của vật liệu tạo màng.Hiện nay, các vật liệu tạo màng chính được sử dụng để xây dựng các lớp phủ ăn được là polysaccharides, protein và lipid.Nghiên cứu của Park (1999) đã cho thấy màng lipidcó khả năng cản ẩm tốt nhưng cản khí và độ bền cơ học kém; màngpolysaccarides thường được dùng để kiểm soát lượng oxy và các loại khí kháctruyền qua màng, trong khi đó màng làm từ protein có tác dụng làm tăng cơ tính của màng. Do đó, đã có rất nhiều nghiên cứu về việc bổ sung các chất phụ gia để cải thiện các tính chất chức năng của các lớp màng ăn được như các polyol, giọt nhũ tương, mixen hoạt tính bề mặt, các loại sợi, hoặc các hạt vật chất.
2
Cho đến nay, các nghiên cứu tạo màng ăn được ít cân nhắc đến các cấu trúc bên trong. Hơn nữa, màng có kích thước nano để khắc phục các vấn đề liên quan đến lớp màng ăn đượccũng ít được quan tâm.Theo Kotov (2003), màng kích thước nano có nhiều khả năng được sử dụng như lớp phủ được gắn vào bề mặt thực phẩm, chứ không phải là lớp màng tự đứng (self-standing), bởi vì đặc điểm siêu mỏng của chúng làm cho chúng rất mong manh.
Màng nano gồm 2 hoặc nhiều lớp vật liệu liên kết với nhau tạo kích thước nano.Các hạt phân tử kích thước nano phân tán đều với cấu trúc chặt chẽ sẽ tạo nên rào cản chắn thấm khí và thất thoát chất dinh dưỡng từ nguyên liệu. Ngoài ra có thể bổ sung các thành phần hoạt tính sinh học như chất kháng oxy hóa hay kháng khuẩn nhằm cải thiện chức năng bảo quản của màng. Gần đây nhất, các nhà nghiên cứu Kurek, Descours, Galic, Voilley và Debeaufort(2012) cũng đã khẳng định rằng màng nano có thể giữ các hợp chất thơmcho nguyên liệu. Do đó, màng bao cấu trúc nano có thể kéo dài thời hạn sử dụng thực phẩm và nâng cao chất lượng thực phẩm.
Nếu như ở màng thông thường, chỉ một số ít nguyên tử nằm trên bề mặt, còn lại nằm sâu bên trong, bị các lớp ngoài che chắn thì trong vật liệu màng nano, hầu hết các nguyên tử bị phơi ra bề mặt hoặc bị che chắn không đáng kể. Do vậy, ở màng có bề dày kích thước nano, mỗi nguyên tử được tự do thể hiện toàn bộ tính chất của mình trong tương tác với môi trường xung quanh theo hướng bề mặt màng nano, làm xuất hiện nhiều đặc tính nổi trội như tính chất quang, điện, cơ,. Và những tính chất này bị ảnh hưởng bởi ba hiệu ứng gồm hiệu ứng lượng tử, hiệu ứng bề mặt và hiệu ứng kích thước.
Màng nano có ưu điểm là tăng độ truyền suốt làm tăng giá trị cảm quan sản phẩm, làm sản phẩm gần với trạng thái tự nhiên nhất, đó là điều người tiêu dùng mong đợi và nhà sản xuất hướng đến.
1.4Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước liên quan đến đề tài
1.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
2
Trên thế giới đã có nhiều đề tài nghiên cứu về màng nano alginate ứng dụng trong bảo quản thực phẩm.
Năm 2010, Maria G. Carneiro-da-Cunha và cộng sự đã nghiên cứu tạo màng nano alginate-chitosan nồng độ 0,2% (w/v) gồm 5 lớp có khả năng chống thấm nước tốt[23].
Năm 2012, Henriette M.C. Azeredo và cộng sự nghiên cứu kết hợp giữa alginate và puree sơri để tạo thành lớp màng phủ nano ăn được trên các tấm thủy tinh và ứng dụng trên bề mặt quả sơri.Lớp phủ này làm giảm hao hụt khối lượng, tỷ lệ chín, tỷ lệ hư hỏng cũng như duy trì màu đỏ tự nhiên của sơri trong suốt quá trình bảo quản [13].
Năm 2013, Mehdi Alboofetileh và cộng sự đã nghiên cứu khả năng kháng khuẩn của màng nano alginate khi bổ sung các tinh dầu quế, đinh hương, thì là, kinh giới. Kết quả cho thấy khi bổ sung tinh dầu kinh giới sẽ cho khả năng kháng khuẩn cao nhất, tiếp theo là đinh hương, quế[25].
Cũng năm 2013, Tianjia Jiang và cộng sự đã khảo sát ảnh hưởng hoá lý và vi sinh của màng nano alginate trên nấm shiitake (Lentinus edodes) khi bảo quản lạnh. Sau 16 ngày bảo quản ở 4±10C, kết quả cho thấy lớp màng nano alginate có các tính chất hóa lý và cảm quan tốt hơn nhiều so với mẫu đối chứng, lượng vi sinh vật cũng thấp hơn. Vì vậy có thể sử dụng màng bao nano alginate để bảo quản nấm shiitake (Lentinus edodes) nhằm kéo dài thời hạn sử dụng cũng như nâng cao chất lượng bảo quản chúng [37].
1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Tạo màng nano ứng dụng trong bảo quản thực phẩm vẫn còn khá mới ở Việt Nam.Hiện tại, ta đang hướng công nghệ nano vào nhiều lĩnh vực như chăn nuôi, trồng trọt; đóng gói, bao bì chứa thực phẩm; tạo ra thực phẩm trong đó có hạt nano chứa các chất dinh dưỡng quan trọng cung cấp cho cơ thể. [44]
2
Năm 2011 được coi là năm công nghệ nano trong thực phẩm được thương mại hóa rộng rãi nhất từ trước tới nay. Hội thảo Khoa học “Ứng dụng Công nghệ Nano trong sản xuất thực phẩm tại Việt Nam” được tổ chức hồi cuối năm 2011 đã giới thiệu sự thành công của các nhà khoa học Việt Nam trong việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ Nano để tạo ra các dòng sản phẩm thực phẩm có lợi có sức khỏe cộng đồng. Có 3 sản phẩm được Công ty Cổ phần FNC tung ra và phân phối độc quyền gồm bột dinh dưỡng Gly Balance, nước uống dinh dưỡng Protection và cao dược thảo Fitness. Thêm vào đó, các nhà nghiên cứu cũng đã tạo ra loại túi nilon mặt trong có chứa lớp mỏng hạt nano bạc khử được vi khuẩn, nhờ đó mà thực phẩm chứa trong đó giữ được lâu hơn 3-4 lần so với loại túi nilon thường. Các thùng chứa thực phẩm trong kho cũng được tráng một lớp nano bạc để bảo quản được lâu.Nguyên tố bạc có cấu trúc nguyên tử thích hợp, nguyên tử bạc rất dễ nhường điện tử cho bên ngoài để trở thành ion bạc, sau đó ion bạc lại dễ nhận điện tử để trở thành nguyên tử bạc trung hoà. Điện tử mà nguyên tử bạc nhường cho bên ngoài dễ kích thích để tạo thành các phản ứng oxy hoá, kết quả là dễ làm tổn thương, phá hoại màng bọc của các loại vi khuẩn, tiêu diệt chúng hoặc làm cho chúng khó sinh sôi, nảy nở. Ngoài ra, để phát hiện vi khuẩn E.coli trong thực phẩm, người ta đã chế tạo ra loại túi mà mặt trong có chứa các hạt SiO2 hình cầu kích cỡ nanomet, trên bề mặt của mỗi hạt có đính kháng thể và các phân tử chất huỳnh quang.Khi thực phẩm đựng trong túi nhiễm vi khuẩn E.coli, lập tức các kháng thể bám chặt vào, các phân tử chất huỳnh quang trên hạt nano SiO2 tiếp xúc với vi khuẩn E. coli sáng lên. Nhờ thế mà khi nhìn vào túi đựng thực phẩm đổi màu, người ta có thể biết ngay trong thực phẩm có vi khuẩn E.coli.[43][44]
2
CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
2.1Vật liệu nghiên cứu
2.1.1 Vật liệu
Alginate (Sodium alginate) (HiMedia - Ấn Độ)
Bảng 2.1 Thông số kỹ thuật của Sodium alginate (HiMedia)
Thông số kỹ thuật
Hình dạng Độ hòa tan
pH (dung dịch 1% ở 250C)
Độ hao hụt khi sấy khô (1050C trong 2 giờ)
Canxi lactate
Bảng 2.2 Thông số kỹ thuật của Canxi lactate
Hình dạng Độ hòa tan
pH (dung dịch 5% ở 250C) Độ hao hụt sau khi sấy khô
2.1.2 Dụng cụ và thiết bị
2.1.2.1 Dụng cụ
Lam kính thủy tinh
Kích thước: 25,4 x 76,2 mm Độ dày: 1 – 1,2 mm
Becher 50 ml, 100 ml, 250 ml Đũa thủy tinh
Ống đong 100 ml
Bình định mức 100 ml Đồng hồ bấm giây
Các loại dụng cụ khác như: băng keo cách nhiệt, kéo, kẹp giấy, …
2.1.2.2 Thiết bị
Máy khuấy từ Cân phân tích Bếp từ
Kính hiển vi điện tử HITACHI S - 4800 của Phòng công nghệ cao - Khu công nghệ cao
Máy đo phổ hồng ngoại (FT-IR) Brucker tensor 27 của Viện hóa học - Viện hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam.
2.2Phương pháp nghiên cứu
2.2.1 Xử lý lam kính
Sử dụng dung dịch Piranha bazơ để làm sạch lam kính trước khi thực hiện nhúng màng.
Dung dịch Piranha là một hỗn hợp thường có tỷ lệ 3:1 của axít sulfuric (H2SO4) đậm đặc và peroxide hiđro 25-30% (H2O2). Các kiểu pha khác có thể có tỷ lệ 4:1 hay 7:1. Một dung dịch tương tự khác, đôi khi gọi là dung dịch Piranha bazơ là dung dịch tỷ lệ 3:1 giữa hydroxit amoni (NH4OH) và peroxide hiđro 25-30%. Dung dịch Piranha dùng để rửa các chất bẩn hữu cơ bám trên bề mặt của một chất nền. Là một hỗn hợp có tính oxi hóa mạnh nên nó có thể rửa sạch hầu hết các vật liệu hữu cơ.
Pha hỗn hợp dung dịch piranha bazơ gồm NH4OH:H2O2 theo tỷ lệ 3:1 (tiến hành trong tủ hút). Sau đó, ngâm lam kính vào hỗn hợp dung dịch piranha bazơ
3
trong 1 giờ và rửa lại nhiều lần bằng nước cất.Cuối cùng lam kính được đưa vào tủ sấy đề sấy khô qua đêm.
2.2.2 Phương pháp tạo màng
AAlglgininaatete Canxi lactate
Hòa tan Dung dịch Tạo màng (phương pháp nhúng) Xác định FT-IR Nồng độ Alginate Số lớp phủ màng Nồng độ Canxi lactate Màng nano Alginate
Hình 2.1 Sơ đồ quá trình tạo màng nano alginate
Chuẩn bị dung dịch alginate bằng cách hòa tan bột alginate thương phẩm vào nước cất ở 700C trong 30 phút.
Canxi lactate được hòa tan trong nước cất ở nhiệt độ phòng.
Tạo màng nano alginate bằng phương pháp nhúng. Lam kính sau khi xử lý được nhúng vào mỗi dung dịch trong 2 phút, với những lớp phủ thừa cho phép nhỏ giọt ra trong 2 phút. Mẫu được nhúng vào các dung dịch theo các thứ tự sau: đầu tiên nhúng vào dung dịch alginate, sau đó rửa trong nước cất ta được màng 1 lớp. Tiếp đến nhúng vào dung dịch canxi lactate, và cuối cùng nhúng rửa trong nước cất, ta thu được lớp màng thứ 2. Cứ tiếp tục lặp lại các bước để thu được màng có số lớp mong muốn.
3
Lam kính
Nhúng dung dịch Alginate
Rửa
Để khô tự nhiên
Nhúng dung dịch Canxi lactate
Rửa
Để khô tự nhiên
Hình 2.2 Sơ đồPhântạo màngtíchcácnanochỉ Alginatetiêu 2 lớp
2.2.3 Phương pháp xác định khả năng tạo liên kết giữa Ca2+ và alginate bằng phổ hồng ngoại FT-IR
3
Liên kết giữa ion canxi với alginate được xác định bằng thiết bị đo phổ hồng ngoại Brucker tensor 27 của viện hóa học thuộc viện hàn lâm khoa học và công nghệ Việt Nam – 01 Mạc Đĩnh Chi, quận 1, TP. HCM.
2.2.4 Phương pháp xác định độ dày màng
Độ dày màng được xác định bằng kính hiển vi quét điện tử SEM của Khu công nghệ cao - Lô I3, đường N2, Khu Công nghệ cao TP.HCM, quận 9, TP.HCM, Việt Nam.
2.2.5 Phương pháp xác định cấu trúc bề mặt màng
Cấu trúc màng được xác định thông qua ảnh chụp bằng thiết bị SEM của Khu công nghệ cao - Lô I3, đường N2, Khu Công nghệ cao TP.HCM, quận 9, TP. HCM.
2.2.6 Phương pháp xử lý số liệu
Số liệu nghiên cứu được xử lý bằng phần mềm Microsoft Excel và xử lý thống kê bằng chương trình Statgraphics.So sánh các giá trị trung bình của các công thức thí nghiệm bằng phép phân tích ANOVA.
2.3Bố trí thí nghiệm
2.3.1 Thí nghiệm 1: Đo phổ hồng ngoại FT-IR
Mục đích: Xác định liên kết giữa Ca2+ với alginate.
Tiến hành: Màng canxi alginate được tạo thành bằng phương pháp đổ khuôn, sau đó được sấy khô và nghiền thành bột, đem đo FT-IR. Ngoài ra, Natri alginate và Canxi lactate cũng tiến hành đo FT-IR để so sánh.
Quá trình tạo màng bằng phương pháp đổ khuôn được thực hiện qua 2 giai đoạn:
Giai đoạn 1: Dung dịch alginate được chuẩn bị ở nồng độ 0,2%. Cho 50ml dung dịch polymer vào đĩa petri nhựa được làm bằng polystyrene
3
kích thước 100x100x15 mm (công ty MidaMec, Việt Nam) có sẵn lam kính đã qua xử lí bằng dung dịch piranha bazơ. Sau đó, màng được đưa vào tủ sấy ở nhiệt độ 400C trong thời gian 20h.
Giai đoạn 2: Bổ sung cầu nối canxi, cho 50 ml dung dịch canxi lactate 2,0% w/v vào trong đĩa petri có chứa màng trong thời gian khoảng 20 phút, sau khi loại bỏ phần dung dịch canxi lactate dư thừa trên bề mặt màng, màng tiếp tục được đưa vào trong tủ sấy ở nhiệt độ 400C trong thời gian 24h.
Mẫu được đo dựa trên hiện tượng phân tử của vật chất quay xung quanh trục của nó dưới tác động của sóng điện từ khi được chiếu bởi ánh sáng có bước sóng từ 50 µm – 1 mm (200 – 10 cm-1) và sự dao động của các nguyên tử và các liên kết khi được chiếu sáng bởi ánh sáng có bước sóng ngắn hơn từ 0,8 – 50 µm, nhằm xác định cấu tạo các phân tử hữu cơ.
2.3.2 Thí nghiệm 2: Khảo sát nồng độ alginate và số lớp thích hợp
Mục đích: Chọn được nồng độ alginate với số lớp thích hợp để tạo màng kích thước nano.