1.4.1. Giới thiệu về cơng nghệ nano và tình hình nghiên cứu trên thế giới
Công nghệ nano là lĩnh vực khoa học mới xuất hiện nhưng đang dần chiếm lĩnh sự quan tâm về tiềm năng vượt trội trong việc chế tạo ra những vật liệu mới độc đáo có khả năng ứng dụng chuyên sâu trong nhiều lĩnh vực khoa học như dược phẩm, hóa học, nơng nghiệp, cơng nghệ sinh học [47].
Công nghệ nano là công nghệ liên quan đến thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng cách điều chỉnh các hình dạng và
kích cỡ theo thang đo nano mét (nm, 1 nm = 10-9 m). Ở quy mơ nano, vật liệu có các tính năng đặc biệt mà các vật liệu truyền thống khơng có do giảm kích thước và tăng diện tích bề mặt.
Ý tưởng cơ bản về công nghệ nano được đưa ra bởi nhà vật lí người Mỹ Richard Feynman năm 1959. Thuật ngữ "công nghệ nano" bắt đầu được sử dụng năm 1974 bởi Norio Taniguchi - một nhà nghiên cứu thuộc Đại học Tokyo, để chỉ khả năng chế tạo vi cấu trúc [8].
Loại vật liệu này có đặc tính khác biệt, thường vượt trội hơn so với các vật liệu thơng thường ở hai đặc điểm chính: hiệu ứng bề mặt (tỷ lệ bề mặt/khối lượng rất cao do đó các nguyên tử của hạt nano liên kết với nhau một cách yếu ớt nên chúng có phản ứng mạnh hơn) và hiệu ứng lượng tử (các điện tử thay đổi vị trí trong giới hạn bề mặt của hạt nano và khơng cịn phân bố theo mức năng lượng một cách rõ ràng, do đó chúng dao động tập thể tạo ra hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt) [35]. Những đặc điểm này ảnh hưởng đến đặc tính hóa lý chung của các vật liệu nano và tạo ra các đặc tính mới chưa từng có ở các vật liệu khối. Cơng nghệ mới này đã hình thành cơ sở cho một lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng liên ngành rộng lớn được phát triển nhanh trên toàn thế giới trong một vài thập kỷ vừa qua [3]. Việc áp dụng công nghệ nano vào các ngành nông nghiệp và thực phẩm được đặt ra lần đầu tiên trong chương trình hành động của Bộ Nơng nghiệp Hoa Kỳ vào tháng chín năm 2003 [42] và được dự đốn sẽ là cơng nghệ then chốt tạo ra thay đổi quan trọng trong các ngành này. Trong những năm đầu tiên, việc áp dụng công nghệ nano trong sản xuất nông nghiệp chủ yếu được thực hiện qua các nghiên cứu trong phịng thí nghiệm, nhưng ngay sau đó nó đã bắt đầu và đang tiếp tục có ảnh hưởng đáng kể trong các lĩnh vực quan trọng như lai tạo các giống cây trồng mới, phát triển vật liệu chức năng mới và hệ thống phân phối thơng minh cho hóa chất nơng nghiệp như thuốc diệt cỏ, phân bón và thuốc trừ sâu, hệ thống thông minh cho chế biến thực phẩm, bao bì và các lĩnh vực khác như như khắc phục hậu quả của dư lượng chất diệt cỏ và thuốc trừ sâu trong thực vật và đất, trong xử lý nước
thải, quản lý tài nguyên thiên nhiên và phát hiện sớm các mầm bệnh, các chất gây ô nhiễm trong cây trồng và thực phẩm …[24].
Do khả năng ứng dụng kỳ diệu và sâu rộng của công nghệ nano mà hiện nay trên thế giới đang xảy ra một cuộc chạy đua sôi động về việc nghiên cứu và phát triển ứng dụng công nghệ nano vào đời sống. Công nghệ nano được xem như là cuộc cách mạng công nghiệp mới không chỉ ở các nước phát triển, mà còn ở cả các nước đang phát triển. Chính phủ của nhiều quốc gia đã dành một khoản ngân sách đáng kể để hỗ trợ cho việc nghiên cứu và phát triển ứng dụng công nghệ nano vào thực tiễn. Không chỉ các trường Đại học, Viện nghiên cứu có các phịng thí nghiệm với các thiết bị nghiên cứu quy mơ mà các tập đồn sản xuất cũng tiến hành đầu tư vào nghiên cứu và phát triển cơng nghệ nano với các phịng thí nghiệm có tổng chi phí đầu tư khơng nhỏ. Trong thời kỳ 2005-2006, Hoa Kỳ dẫn đầu với chi phí đầu tư là 3,7 tỷ USD/năm thơng qua Chương trình Sáng kiến Công nghệ nano quốc gia (NNI). Tiếp theo là Nhật Bản và Liên minh châu Âu với 750 triệu USD và 1,2 tỷ USD/năm. Mức đầu tư ở các nước đang phát triển tuy thấp hơn, nhưng không làm giảm bớt dấu ấn của các nước này trong nghiên cứu và ứng dụng công nghệ nano. Ở Trung Quốc, số lượng các cơng trình khoa học liên quan đến công nghệ nano đã tăng từ 7,5% vào năm 1995 lên 18,3% vào năm 2004 và trở thành nước đứng thứ hai trong việc đầu tư cho vấn đề này. Các nước khác như như Ấn Độ, Hàn Quốc, Iran và Thái Lan cũng đang bắt kịp bằng cách tập trung vào các ứng dụng cụ thể cho sự phát triển và nhu cầu của từng nước đất. Hiện nay, Iran có chương trình trọng điểm ứng dụng công nghệ nano trong nông nghiệp và công nghiệp thực phẩm.
1.4.2. Tiềm năng ứng dụng của nano
1.4.2.1. Khả năng kháng nấm, kháng khuẩn của các hạt nano
Bạc và đồng là những kim loại từ lâu đã được biết đến với sự thể hiện độc tính mạnh, chống lại một loạt các vi sinh vật như vi khuẩn, virus, tảo và nấm. Tuy nhiên, không giống với các kim loại nặng khác (chì, thủy ngân…) bạc không thể hiện tính độc với con người. Do vậy, từ xa xưa các hợp chất cấu tạo từ bạc, đồng đã được sử dụng thường xuyên trong y học để điều trị bỏng và nhiễm trùng. Sau khi
thuốc kháng sinh được phát minh và đưa vào ứng dụng với hiệu quả cao, người ta khơng cịn quan tâm đến tác dụng kháng khuẩn của bạc nữa. Tuy nhiên, từ những năm gần đây, do hiện tượng các chủng vi sinh vật ngày càng trở nên kháng thuốc, người ta lại quan tâm trở lại đối với việc ứng dụng khả năng diệt khuẩn và các ứng dụng khác của bạc, đặc biệt là dưới dạng hạt có kích thước nano. Những tác dụng kháng khuẩn này đã được nhiều nhà nghiên cứu ghi nhận. Các tiềm năng kháng khuẩn của kim loại này cho phép sử dụng chúng trong các sản phẩm liên quan đến chăm sóc sức khỏe con người. Nghiên cứu cho thấy tác dụng kháng khuẩn mạnh mẽ của các hạt nano bạc trên cả vi khuẩn Gram (+) và Gram (-), chủ yếu là các chủng đa kháng thuốc. Nó cũng có thể được sử dụng như một tác nhân kháng nấm, và hoạt tính này đã được nghiên cứu khá cụ thể. Các hạt nano, bao gồm nano bạc có thể có nhiều hình dạng khác nhau như hình cầu, que và hình khối [17]. Các hạt nano bạc trải qua sự tương tác với vi khuẩn phụ thuộc vào hình dạng và trực tiếp ảnh hưởng đến hiệu quả kháng khuẩn [27].
Trong số các vật liệu kim loại chuyển tiếp, đồng là nguyên liệu quan trọng nhất. Đặc biệt, hiệu quả ức chế nấm của nano Cu tốt hơn so với các hạt nano kim loại khác như Al, Fe, Mn, Ni, Zn, và các sản phẩm hạt Cu kích thước lớn hơn. Đặc biệt, việc sử dụng các loại thuốc tổng quát với một lượng đồng lớn dẫn đến dư lượng đồng cao trong sản xuất cũng như trong đất và gây ô nhiễm nước. Cu là nguyên tố vi lượng cần thiết cho sự phát triển của cây trồng, tồn tại ở dạng Cu2+ và Cu+ trong điều kiện sinh lý. Nồng độ cần thiết cho sự phát triển bình thường của thực vật là 10-14 đến 10-16 M, thấp hơn nồng độ này sẽ xảy ra thiếu hụt. Tuy nhiên nồng độ cao hơn so với nồng độ cần thiết lại sẽ ức chế quang hợp của cây trồng. Nó hoạt động như một thành phần cấu trúc quy định sự tổng hợp protein, tham gia vận chuyển điện tử quang hợp, hô hấp của ty thể, chuyển hóa thành tế bào, tín hiệu của hormone, phản ứng oxy hóa, đồng là yếu tố cho nhiều phản ứng enzyme thực hiện bởi các enzyme như polyphenol oxidase, amino oxidase, plastocyanin, laccase, superoxide dismutase. Ở cấp độ tế bào, nó đóng một vai trị quan trọng trong sự phosphoryl oxy hóa, và huy động sắt. Sự thiếu hụt đồng trong thực vật được biểu
hiện như uốn cong cuống lá và úa nhẹ cùng với sự đi mất vĩnh viễn sức trương trong lá non [37]. Tính chất kháng khuẩn của các hạt nano đồng đã được so sánh với triclosan và cả hai đều có tác dụng kháng khuẩn hiệu quả. Đồng dạng nano ở nồng độ thấp có khả năng kháng khuẩn rất mạnh. Cơ quan bảo vệ môi trường của Mỹ đã công nhận nano đồng là chất kháng khuẩn để diệt các vi khuẩn Gram (-) và Gram (+). Theo Durán [13] và Prabhu [32], giống như các hạt nano bạc, nano Cu cũng đã chứng minh hoạt tính kháng khuẩn phụ thuộc vào kích thước. Vì vậy, để đạt được các hoạt tính kháng khuẩn tối đa, cần phải phát triển các phương pháp khác nhau nhằm tổng hợp các hạt nano Cu phân tán với kích thước nhỏ, tỷ lệ diện tích bề mặt/ thể tích lớn. Kanhed và cộng sự (2014) đã thông báo khả năng của nano đồng chống lại hàng loạt nấm gây bệnh ở cây trồng như Phoma destructiva, Curvularia lunata, Alternaria alternata và Fusarium oxysporum [21]. Ouda (2014)
đồng thời phát hiện nano đồng và nano đồng kết hợp với nano bạc có khả năng kìm hãm và diệt hai loại nấm Uernaria alternata và Botrytis cinere gây bệnh trên nhiều loại cây trồng khác nhau [26]. Hơn nữa, việc sử dụng nano Cu giúp giảm lượng hóa chất trong cơng tác phịng ngừa bệnh nấm Fusarium sp. Đã có báo cáo chỉ ra ở nồng độ nano Cu 450 ppm đường kính của tản nấm Fusarium sp. hầu như không
tăng và có thể ức chế 93,98% sự phát triển nấm sau 9 ngày ủ [44]. Các nano Cu cũng cho thấy hoạt tính kháng nấm đầy hứa hẹn đối với nấm gây bệnh thực vật F.
oxysporum, C. lunata, A. alternata, và P. destructiva. Các hoạt động của nano Cu
đã được tìm thấy là tốt hơn so với các loại thuốc diệt nấm Bavistin thương mại chống lại tất cả 4 loại nấm gây bệnh thực vật. Trong sự kết hợp của nano Cu với Bavistin, sự ức chế tăng khơng đáng kể và khi đó, chỉ sử dụng nano Cu đã đem lại hiệu quả để kiểm soát nấm gây bệnh cây trồng. Như vậy, các nano Cu có thể được sử dụng như một chất kháng nấm mới trong nơng nghiệp để kiểm sốt các loại nấm gây bệnh thực vật cũng như một chất khử trùng mạnh ở gia cầm và chăn nuôi [21].
Hoạt tính kháng khuẩn của các hạt nano có thể liên quan đến một số cơ chế. Các hạt nano có thể tương tác trực tiếp với các tế bào vi sinh vật, ví dụ: làm gián đoạn q trình vận chuyển điện tử qua màng, phá vỡ và thâm nhập vào thành tế bào,
hoặc oxy hóa các thành phần tế bào, hoặc sản xuất các sản phẩm thứ cấp (ví dụ: các các các gốc tự do oxy hóa (ROS) hoặc các ion kim loại nặng hịa tan gây thiệt hại) [23].
1.4.2.2. Lợi ích khi sử dụng các hạt nano trong kháng nấm, kháng khuẩn
Kích thước của các hạt nano kim loại đảm bảo rằng các hạt nano có diện tích tiếp xúc lớn đáng kể khi xử lý với nước thải chứa vi khuẩn. Xem xét một tình huống giả định với các hạt hình cầu có kích thước đồng đều, giảm kích thước hạt từ ~10 μm xuống 10 nm sẽ tăng diện tích bề mặt tiếp xúc lên 109 lần. Với bề mặt tiếp xúc lớn như vậy được dự kiến sẽ tăng cường mức độ loại bỏ vi khuẩn. Theo Agnihotri và cộng sự (2014), những hạt nano kích thước 10 nm sẽ tăng tác động kháng khuẩn. Do kích thước của chúng nhỏ nhất, hạt dễ dàng xâm nhập vào các vi sinh vật, gây ra hiệu ứng độc tính cao hơn so với những hạt lớn hơn [20]. Khi sử dụng với nồng độ thấp hơn, các hạt có kích thước nano sẽ đủ khả năng để kiểm soát vi sinh vật. Cách tiếp cận này có thể có hiệu quả hơn phương pháp điều trị hiện có, đặc biệt là đối với một số sinh vật ít nhạy cảm với kháng sinh vì khả năng chống lại sự thâm nhập tế bào [17]. Tuy nhiên, kích thước khơng phải là mục đích chính khi lựa chọn các hạt nano có hoạt tính kháng khuẩn, mà đặc tính hóa lý của hạt nano là mối quan tâm lớn trong việc chế tạo các vật liệu diệt khuẩn [27].
Các hạt nano vơ cơ có lợi thế khác biệt hơn hẳn các tác nhân kháng khuẩn hóa học thơng thường. Vấn đề quan trọng nhất gây ra bởi các tác nhân kháng khuẩn hóa học là kháng đa thuốc. Các sản phẩm liên quan đến nano bạc nhấn mạnh thêm công bố về sức mạnh của nano bạc như: giết chết khoảng 650 loại vi khuẩn có hại trong một thời gian ngắn khoảng 30 phút, nhanh hơn so với các dạng khác của bạc từ 2 ÷ 5 lần. Gần đây, các hạt nano bạc được báo cáo là hợp chất kháng khuẩn mới mà không phát triển vi khuẩn kháng thuốc. Ion bạc rất dễ phản ứng, dẫn đến ức chế hô hấp của vi sinh vật và sự trao đổi chất. Hơn nữa, nó đã được đề xuất rằng các ion bạc xen vào DNA của vi khuẩn khi xâm nhập vào tế bào, ngăn chặn sự sinh sôi của các tác nhân gây bệnh [20].
1.4.2.3. Tiềm năng ứng dụng nano trong lĩnh vực bảo quản
Việc điều chỉnh polyme sử dụng cho các ứng dụng thực phẩm nhằm ngăn ngừa sự nhiễm vi sinh vật hoặc sự gia tăng hư hỏng thực phẩm do vi sinh vật đang được chú ý. Một loại hợp chất thu hút sự quan tâm lớn trong lĩnh vực bao bì thực phẩm là các hạt nano kim loại, chẳng hạn như đồng, kẽm, titan, magiê, vàng và bạc. Những vật liệu polyme được bổ sung các hạt nano và có thể thay đổi các hạt nano để làm cho chúng hoạt động hơn do đó tạo ra các vật liệu mới phù hợp có khả năng ứng dụng trong bảo quản và bao gói, nhằm kéo dài thời hạn sử dụng của các mặt hàng thực phẩm. Trong số các hạt nano có sẵn, các hạt nano bạc đã thu hút được sự quan tâm đáng kể do hiệu quả của chúng đối với một loạt các vi sinh vật. Vì lý do này bạc đã được sử dụng như là một chất phụ gia hoặc lớp phủ trên các polyme khác nhau để kháng khuẩn. Các ion kim loại như bạc, bạc zeolite, đồng và vàng, được chấp thuận làm phụ gia trong polyme thực phẩm, đặc biệt là ở Mỹ và Nhật Bản [12].
Bao bì kháng khuẩn là một hình thức đầy hứa hẹn của vật liệu đóng gói thực phẩm hoạt hóa ngăn ngừa nhiễm khuẩn trong thực phẩm [12]. Việc kết hợp vật liệu nano cho bao bì thực phẩm được đẩy mạnh trong thập kỷ vừa qua, có thể được chia thành hai hình thức chính:
+ Bao bì cải thiện, cho phép vật liệu nano được trộn vào mạng lưới polymer để cải thiện các đặc tính rào cản khí như polymer hoặc lớp nanocomposites.
+ "Bao bì hoạt hóa", trong đó hạt nano có đặc tính kháng khuẩn mạnh tương tác trực tiếp với thực phẩm hoặc môi trường để bảo vệ thức ăn tốt hơn. Nano kim loại nổi bật đang thu hút sự nghiên cứu về tính chất diệt khuẩn là Cu, Zn, Au, Ti, và Ag. Nano kim loại có thể được gắn vào các mạng lưới khác nhau như polyme và chất ổn định (citrate và rượu chuỗi dài) thông qua các phương thức sản xuất khác nhau như được phủ, hấp phụ hoặc kết hợp trực tiếp trong quá trình tổng hợp [6]. Các vật liệu có mặt nano bạc kết hợp vào vật liệu đóng gói đã có thể kiểm sốt vi sinh vật tạp nhiễm bằng cách giảm tốc độ tăng trưởng của vi sinh vật. Vì bạc kháng khuẩn có thể được giải phóng dần khỏi bao bì trong một thời
gian dài, hoạt động này cũng có thể được kéo dài sang giai đoạn vận chuyển và lưu trữ phân phối thực phẩm [12].
Nhiều nỗ lực đã được thực hiện để kết hợp các hạt nano bạc thành các vật liệu đóng gói có thể chấp nhận được như giấy lọc, polyethylene mật độ thấp và polymethyl methacrylate. Ngoài ra, nhiều vật liệu phân hủy sinh học, ví dụ: