CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.5. Nghiên cứu tạo màng pectin lá sương sâm (LMP) phối hợp với vật liệu nano
3.5.2. Nghiên cứu tạo màng pectin lá sương sâm với nanochitosan (LMP/NaCS)
(LMP/NaCS)
Nanochitosan có kích thước phân tử nhỏ hơn chitosan, bề mặt tiếp xúc lớn hơn nên khả năng kháng vi sinh vật có thể cao hơn chitosan. Ở phần nghiên cứu trước (mục 3.4.1.6) đã cho thấy dung dịch tạo màng pectin/chitosan có khả năng kháng A. niger, E. coli và S. cerevisiae. Với mục đích nâng cao hơn nữa khả năng kháng vi sinh
vật và cải thiện các tính chất của màng sử dụng trong bảo quản thực phẩm, tiến hành nghiên cứu tạo màng pectin LMP với nanochitosan (LMP/NaCS). Nồng độ nanochitosan phối trộn trong màng là 25%, 50% và 75%. Màng LMP và màng nanochitosan riêng lẻ cũng được chuẩn bị đồng thời để so sánh. Nanochitosan được thu nhận và thực hiện tạo màng như đã mô tả ở mục 2.1 và mục 2.2.4.2. Sau khi tạo màng LMP/NaCS, thực hiện kiểm tra các tính chất của màng.
3.5.2.1. Xác định độ dày và tính chất cơ học của các màng LMP/NaCS
3.24. Màng LMP dày hơn so với màng NaCS (p <0,05). Khi hàm lượng NaCS tăng từ 25% đến 50% thì độ dày của màng hỗn hợp giảm dần. Tuy nhiên, khi hàm lượng NaCS tăng đến 75% thành phần tạo màng, độ dày của màng hỗn hợp lại tăng và cao hơn so với màng LMP. Sự giảm độ dày của màng khi bổ sung NaCS từ 25-50% có thể là do sự hình thành liên kết ion giữa NaCS mang điện tích dương với LMP mang điện tích âm làm mất dần điện tích của các polymercomposite, do đó các mạch polymer sẽ tập hợp tốt hơn (vì mất lực đẩy tĩnh điện). Khi lượng NaCS dư (75%) sẽ xuất hiện lực đẩy tĩnh điện của các hạt NaCS mang điện tích dương làm cho sự tập hợp các phần tử polymer kém hơn làm tăng độ dày màng.
Bảng 3.24. Độ dày và tính chất cơ học của màng LMP/NaCS
Loại màng Độ dày, µm Độ bền kéo đứt, MPa Độ giãn dài, %
LMP 54,0±2,50b 7,10±0,22b 7,17±0,35b LMP/NaCS1 46,5±2,05c 10,84±0,38a 17,22±0,90a LMP/NaCS2 47,7±1,80c 8,96±0,19b 10,60±0,29b LMP/NaCS3 61,2±2,46a 2,86±0,09c 8,65±0,42b LMP/CS2 75,0±3,4b 19,70±0,90a 10,55±0,50a NaCS 43,00±1,46c 3,57±0,15c 10,52±0,43b
Ghi chú: các chữ cái khác nhau trong cùng một cột thể hiện sự khác nhau có nghĩa của các giá trị (với mức ý nghĩa p ≤ 0,05)
Tính chất cơ học của các màng (bao gồm độ bền kéo đứt, độ giãn dài) được biểu diễn ở bảng 3.24. Độ bền kéo đứt của màng LMP cao hơn độ bền kéo đứt của màng NaCS. Khi hàm lượng NaCS trong màng là 25% (LMP/NaCS1), độ bền kéo đứt của màng đạt giá trị cao nhất (10,84±0,38 MPa). Tuy nhiên, khi hàm lượng NaCS tăng đến 50% và 75% thì độ bền kéo đứt của màng giảm dần. Sự biến đổi về độ giãn dài tương ứng với độ bền kéo đứt. Màng LMP/NaCS1 có độ giãn dài cao nhất (17,22±0,9 %) và khi tăng hàm lượng NaCS lên đến 50 và 75% thì độ giãn dài giảm. Việc tăng độ bền kéo đứt và độ giãn dài của màng LMP/NaCS1 và LMP/NaCS2 có thể giải thích là do có sự hình thành nhiều liên kết giữa pectin và nanochitosan.
3.5.2.2. Xác định tính chất hydrate hóa của các màng LMP/NaCS
được biểu diễn ở bảng 3.25.
Dựa vào kết quả khảo sát độ hòa tan của các màng ở bảng 3.25, ta thấy màng LMP tan hoàn toàn trong nước và màng nanochitosan tan ít trong nước. Khi tỉ lệ NaCS trong hỗn hợp tạo màng tăng từ 25 đến 75% thì độ hịa tan của màng tương ứng giảm dần từ 45,65 đến 11,11%. Việc giảm độ hòa tan là kết quả của sự hình thành các liên kết hydro, liên kết ngang và liên kết ion giữa NaCS và LMP, đồng thời do bản chất không ưa nước của nanochitosan.
Khả năng thấm ướt của bề mặt màng liên quan đến tính ưa nước và kị nước của bề mặt màng và được đánh giá bằng phương pháp xác định góc tiếp xúc nước. Cách chuẩn bị mẫu và tiến hành đo góc tiếp xúc của màng trên thiết bị được trình bày ở phụ lục 2. Giá trị góc tiếp xúc nước của các màng được biểu diễn ở bảng 3.25. Có thể thấy từ bảng 3.25 rằng góc tiếp xúc ban đầu của màng LMP và màng NaCS riêng lẻ lần lượt là 62,1o và 84,8o. Góc tiếp xúc nước của màng NaCS lớn hơn so với màng LMP. Điều này chứng tỏ rằng màng NaCS ít ưa nước hơn so với màng LMP. Việc bổ sung nanochitosan vào pectin làm tăng tính khơng ưa nước của bề mặt màng hỗn hợp. Khi tỷ lệ NaCS trong màng hỗn hợp tăng từ 25 đến 75%, góc tiếp xúc của màng tăng từ 89,3 lên 97,1o tương ứng với màng LMP/NaCS1 và LMP/NaCS3. Tuy nhiên, khơng có sự khác biệt đáng kể giữa góc tiếp xúc nước của màng LMP/NaCS1 và LMP/NaCS2. Màng LMP/NaCS3 có góc tiếp xúc nước cao hơn so với hai màng LMP/NaCS1 và LMP/NaCS2 có thể là do sự tương tác ion giữa các nhóm chức của nanochitosan và LMP làm giảm nhóm ưa nước. Ngồi ra, bề mặt của màng LMP/NaCS3 gồ ghề hơn nên góc tiếp xúc nước của bề mặt màng cũng tăng lên.
Bảng 3.25. Tính chất hydrate hóa của các màng LMP/NaCS
Loại màng Độ hịa tan, % Góc tiếp xúc nước, o Độ thấm hơi nước, g.mm/m2.ngày.kPa LMP 100±0a 62,1±2,12c 1,3303±0,0285a LMP/NaCS1 45,65±1,69b 89,30±6,86ab 0,2699±0,0089c LMP/NaCS2 37,50±1,69c 95,40±10,74ab 0,2052±0,0083d LMP/NaCS3 11,11±1,13d 97,10±2,90a 0,5922±0,0204b LMP/CS2 9,09±0,50d 98,80±3,40ab 0,9323±0,009 NaCS 37,84±1,98c 84,80±1,75b 0,1755±0,0085d
Ghi chú: các chữ cái khác nhau trong cùng một cột thể hiện sự khác nhau có nghĩa của các giá trị (với mức ý nghĩa p < 0,05)
Độ thấm hơi nước của các màng có thành phần nanochitosan đều thấp hơn màng pectin và cao hơn màng nanochitosan. Màng có tỉ lệ phối trộn 50% NaCS có độ thấm hơi nước thấp nhất. Kết quả này cho thấy màng có tỉ lệ phối trộn 50% NaCS có cấu trúc chặt chẽ hơn, làm cho đường dẫn để nước khuếch tán vào trở nên phức tạp hơn và dài hơn, làm giảm độ thấm hơi nước và độ truyền hơi nước của màng.
Khi hàm lượng NaCS chiếm 75% thành phần tạo màng, độ thấm hơi nước của màng tăng lên vì khi hàm lượng NaCS ở mức cao, tạo nên một lượng dư khơng cần thiết để hình thành các liên kết. Các nhóm -OH và -NH3+ tự do cịn lại đều dễ tương tác với nước. Ngồi ra các hạt nanochitosan dư có thể làm cho bề mặt màng trở nên gồ ghề và màng dày hơn, có nhiều lỗ hổng dẫn đến làm tăng độ thấm hơi nước. Tương tự, Chang P.R. và cộng sự [45] đã có cơng bố là nanochitosan với một lượng dư khơng cần thiết sẽ kết tụ lại với nhau làm giảm đi chức năng có lợi và thậm chí làm tăng độ thấm hơi nước.
3.5.2.3. Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp thụ ẩm của các màng LMP/NaCS
Hình 3.35 biểu diễn đường đẳng nhiệt hấp thụ ẩm của các màng LMP/NaCS với các tỉ lệ phối trộn khác nhau.
Hình 3.35. Đường đẳng nhiệt hấp thụ ẩm của các màng pectin – nanochitosan
Ở điều kiện nhiệt độ 25 oC màng NaCS và các màng hỗn hợp LMP/NaCS đều 0 10 20 30 40 50 60 70 0.11 0.33 0.57 0.65 0.75 0.86 0.93 H àm l ư ợ ng ẩ m c ân b ằ ng , % Hoạt độnước P NaCS PNaCS 50-50 PNaCS 75-25 P/NaCS25-75 0,11 0,33 0,57 0,65 0,75 0,86 0,93
năng hút ẩm thấp nhất so với các màng có tỉ lệ 25% và 50% NaCS ở các điều kiện ẩm độ môi trường. Khả năng hút ẩm của các màng tăng mạnh khi độ ẩm của môi trường lớn hơn 75% (tương ứng với hoạt độ của nước là 0,75). Ở độ ẩm 99%, các màng đều xuất hiện các giọt nước trên bề mặt và lượng nước hấp thụ được trên 200%. Những dữ liệu này không được biểu diễn trong kết quả này.
3.5.2.4. Xác định độ màu của các màng LMP/NaCS
Độ màu của các màng bảo quản ảnh hưởng rất lớn đến màu sắc của sản phẩm, sự ưa chuộng và chấp thuận của người tiêu dùng đối với sản phẩm. Thiết bị đo độ màu được trình bày ở phụ lục 2. Kết quả đánh giá độ màu của màng được trình bày ở bảng 3.26.
Vì màng NaCS có màu vàng và màng pectin có màu vàng rất nhạt nên khi hàm lượng nanochitosan chiếm 75% trong hỗn hợp tạo màng thì ảnh hưởng đáng kể đến các giá trị L*, a* và b* của bề mặt màng còn với nồng độ nanochitosan thấp hơn thì hầu như không ảnh hưởng đáng kể đến màu của màng hỗn hợp so với màng pectin riêng lẻ. Cụ thể khi nồng độ nanochitosan tăng từ 75 đến 100% trong màng thì màng có độ sáng giảm dần (L* giảm) và màu chuyển sang vàng (vì b* tăng) so với mẫu pectin ban đầu.
Bảng 3.26. Độ màu của các màng LMP/NaCS
Loại màng Các thông số L a b Chroma Hue LMP 96,24±0,31a 0,14±0,01b 2,57±0,12d 2,57±0,11d 86,81±0,5b LMP/NaCS1 95,76±0,2a -0,23±0,01d 5,98±0,31c 5,99±0,25c 87,09±0,73b LMP/NaCS2 95,69±0,31a -0,13±0,02c 6,59±0,63c 6,60±0,63c 88,12±0,11ab LMP/NaCS3 95,48±0,25a 0,10±0,01b 7,49±0,32b 7,49±0,32b 89,25±0,26a LMP/CS2 95,43±0,34 -0,32±0,06 7,90±0,64 7,91±0,65 92,12±0,25 NaCS 94,51±0,18b 0,22±0,01a 9,27±0,43a 9,28±0,42a 88,62±0,35a
Ghi chú: các chữ cái khác nhau trong cùng một cột thể hiện sự khác nhau có nghĩa của các giá trị (với mức ý nghĩa p < 0,05)
So với màng hỗn hợp tạo thành từ LMP và chitosan thì màng pectin-nanochitosan có màu tốt hơn vì có độ sáng cao, ít vàng hơn, sẽ phù hợp cho việc bảo quản thực phẩm
vì khơng ảnh hưởng đến màu sắc bên ngoài của sản phẩm.
3.5.2.5. Kiểm tra phổ hồng ngoại FTIR các màng LMP/NaCS
Phổ hồng ngoại của các mẫu màng LMP, NaCS và LMP/NaCS được biểu diễn ở hình 3.36.
Như những nghiên cứu trước, peak chính để nhận diện mẫu chitosan là nhóm chức C = O amide I (amide dao động kéo dài) ở bước sóng 1635 cm−1 và amide II ở số sóng 1539 cm−1. Phổ hồng ngoại của mẫu NaCS ở hình 3.37 cho thấy có sự dịch chuyển nhẹ số sóng hấp thụ của các nhóm chức này sang các số sóng tương ứng là 1620 cm−1 và 1548 cm−1. Sự xuất hiện peak ở số sóng 1548 cm−1 có thể là do sự hình thành liên kết giữa nhóm amin của chitosan và methacrylic acid (MAA).
Hình 3.36. Phổ hồng ngoại (FT-IR) của màng LMP, NaCS và LMP/NaCS
LMP được đặc trưng bởi liên kết -C=O thể hiện ở peak ở số sóng 1608 cm−1 và liên kết ester ở số sóng 1741 cm−1.
Với phổ hồng ngoại của màng LMP/NaCS2, sự thay đổi chính thể hiện ở số sóng 1500–1700 cm−1 liên quan đến dao động kéo dài của liên kết amide và thực tế là do có sự tương tác giữa nhóm amin của nanochitosan và nhóm carboxylic của pectin; Sau phản ứng, dao động của nhóm amin ban đầu ở số sóng 1590 and 1539 cm-1 yếu
-1 -1 0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 1000 2000 3000 4000 5000 hhhh p th p th p th p th Số sóng, cm-1 Pectin CSNPs P/CSNPs
trưng cho liên kết -COO-NH2 xuất hiện. Peak hấp thụ ở số sóng 3700–3300 cm−1 đặc trưng cho nhóm –OH đã thay đổi nhiều so với phổ của màng NaCS, điều này chứng tỏ rằng đã có sự tương tác giữa nhóm –OH và nhóm amide NH của NaCS. Điều này một lần nữa khẳng định lại giả thuyết rằng khi bổ sung NaCS làm giảm số lượng các nhóm –OH tự do của ma trận LMP. Như đã thảo luận ở trên, chính sự tương tác này đã làm cho màng hỗn hợp chặt khít hơn gây khó khăn trong việc di chuyển nước, kết quả làm giảm tính thấm nước và truyền hơi nước của màng, làm tăng độ bền kéo.
3.5.2.6. Xác định khả năng kháng vi sinh vật của các màng LMP/NaCS
Khả năng kháng vi sinh vật của các dung dịch tạo màng từ LMP và NaCS được kiểm tra với các chủng E.coli, S.cerevisiae, A.niger và C.gloeosporioides. Kết quả
đường kính vịng kháng vi sinh vật (được tính bằng cm) của các dung dịch tạo màng được biểu diễn ở hình 3.37 và hình 3.38.
Kết quả thu nhận cho thấy các dung dịch tạo màng có chứa nanochitosan đều có khả năng kháng bốn chủng vi sinh vật nghiên cứu là E.coli, S.cerevisiae, A.niger và
C.gloeosporioides, trong khi đó màng LMP khơng có khả năng kháng các chủng vi
sinh vật nghiên cứu như đã trình bày ở mục 3.4.1.6. Những dung dịch tạo màng chứa NaCS có khả năng kháng chủng A.niger và S.cerevisiae tốt hơn chủng E.coli và C.gloeosporioide.
Hình 3.37. Hình ảnh đánh giá khả năng kháng vi sinh vật (A) Dung dịch LMP kháng
S.cerevisiae, (B) NaCS kháng S.cerevisiae, (C) LMP/NaCS2 kháng C. gloeosporioides,
(A)
(D) (E)
Hình 3.38. Khả năng kháng các chủng vi sinh vật của các màng LMP/NaCS
So sánh với kết quả nghiên cứu của dung dịch tạo màng pectin/chitosan (LMP/CS) thì dung dịch tạo màng LMP/NaCS có khả năng kháng các vi sinh vật cao hơn. Có thể giải thích, vì do những tính chất đặc biệt của hạt nano là có kích thước hạt rất nhỏ gọn cũng như có số lượng điện tích trên bề mặt lớn hơn chitosan nên khả năng tương tác với màng tế bào vi sinh vật tốt hơn. Khi hàm lượng NaCS trong dung dịch tạo màng tăng từ 25 đến 50% thì khả năng kháng vi sinh vật của dung dịch tạo màng tăng lên. Về cơ chế kháng vi sinh vật của NaCS có những luận điểm được đưa ra như đã trình bày ở mục 3.4.1.6. Dung dịch tạo màng LMP/NaCS3 có khả năng kháng vi sinh vật thấp hơn so với dung dịch tạo màng LMP/NaCS2. Lí do làm giảm khả năng ức chế vi sinh vật của màng LMP/NaCS3 so với màng LMP/NaCS2 có thể là do sự kết tụ và phân tán không đồng đều các hạt NaCS làm giảm bể mặt tiếp xúc với các tế bào vi sinh vật [37]. Điều quan trọng hơn cả đã được khẳng định là NaCS có khả năng ức chế các loại vi sinh vật nhưng hồn tồn khơng có biểu hiện độc tính trên tế bào động vật có vú [15].
3.5.2.7. Xác định độ truyền khí oxy của các màng LMP/NaCS
Kết quả ở bảng 3.27 biểu diễn độ truyền khí oxy của màng LMP, NaCS và LMP/NaCS2.
Từ kết quả ở bảng 3.27, ta thấy độ truyền khí oxy của màng LMP và NaCS lần lượt là 671,0125 và 320,8cc/m2.ngày cho thấy rằng những màng này có khả năng làm
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
P/NaCS1 P/NaCS2 P/NaCS3 NaCS
Đ ư ờ ng kí nh v ịn g kh án g vi s in h v ậ t, cm
A.niger E.Coli Colletotrichum gloeosporioides S.cerevisiae
3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0
rào cản khí oxy tốt hơn so với các loại vật liệu LDPE và HDPE với độ truyền khí oxy lần lượt là 7000 - 8500 và 2300 - 3100 cc/m2.ngày. Thông thường, những màng polymer sinh học thường có khả năng làm rào cản khí oxy tốt. Sự kết hợp giữa LMP và nanochitosan với tỉ lệ 50:50 đã làm giảm độ truyền khí oxy của màng tạo thành. Việc tăng khả năng làm rào cản khí oxy của màng LMP/NaCS2 có thể được giải thích là do sự hình thành liên kết hydro nội phân từ giữa các mạch pectin và liên kết hydro giữa các nhóm OH của LMP và NaCS, ngồi ra cịn có sự hình thành liên kết tĩnh điện giữa nhóm –NH3+ của NaCS và nhóm –COO- của LMP. Sự tương tác này làm cho màng có cấu trúc đặc khít, chặt chẽ nên độ truyền khí oxy thấp.
Bảng 3.27. Độ truyền oxy của các màng LMP/NaCS
Loại màng Độ truyền khí oxy,
cc/m2.ngày Loại màng
Độ truyền khí oxy,
cc/m2.ngày
LMP 671,01 LMP/CS 51,49
LMP/NaCS2 18,63 NaCS 320,80
3.5.2.8. Kiểm tra hình thái học của các màng LMP/NaCS (SEM)
Hình ảnh SEM của bề mặt màng và mặt cắt ngang của các màng LMP, NaCS, LMP/NaCS2 được biểu diễn ở hình 3.39.
Bề mặt màng LMP (A) có cấu trúc mịn và đồng nhất, chỉ có một ít các hạt rắn nhỏ trên bề mặt. Bề mặt màng NaCS (B) có chứa các vi hạt do đó có bề mặt gồ ghề hơn so với màng LMP. Màng có 50% thành phần NaCS (LMP/NaCS2) có bề mặt mịn hơn so với màng NaCS.
Hình ảnh mặt cắt ngang của các màng cho thấy ở bên trong màng LMP (D) và màng NaCS (E) có những lỗ hổng. Sự hình thành các lỗ hổng trong màng LMP và NaCS có thể là do lực đẩy tĩnh điện giữa các nhóm mang điện tích trong các polymer. Hình ảnh mặt cắt ngang của màng LMP/NaCS2 mịn chỉ có những lỗ hổng có kích