CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.4.1. Kết quả tạo màng pectin lá sương sâm (LMP) – chitosan (CS)
Thực hiện tạo màng pectin lá sương sâm (LMP) phối hợp với chitosan (CS) với nồng độ chitosan tăng dần 25% (P/CS1), 50% (P/CS2), 75% (P/CS3) và màng pectin (P), màng chitosan (CS) làm đối chứng. Sau khi tạo màng được thực hiện, tiến hành khảo sát các chỉ tiêu chất lượng của chúng.
3.4.1.1. Xác định độ dày và tính chất cơ học của màng LMP - chitosan
Độ dày của màng là một tham số quan trọng trong việc tính tốn xác định độ thấm hơi nước, độ bền cơ học, một số tính chất khác của màng và được xác định như mục 2.2.7.1. Độ bền cơ học của các màng được thể hiện qua độ bền kéo đứt (TS), độ giãn dài (E) và được xác định như mục 2.2.7.5. Kết quả đo độ dày và độ bền cơ học của các màng được thể hiện ở bảng 3.9.
Bảng 3.9. Độ dày và độ bền cơ học của các màng pectin - chitosan
Loại màng Độ dày (µm) TS (MPa) E (%)
P 54,0±2,50d 7,1±0,2d 7,17±0,35c
P/CS1 80,2±3,9ab 11,3±0,5c 8,9±0,4b
P/CS2 75±3,4b 19,7±0,9a 10,55±0,5a
P/CS3 85±4,2a 9,8±0,5c 9,8±0,85ab
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)
Kết quả ở bảng 3.9 cho thấy màng chitosan dày hơn màng pectin. Các màng kết hợp giữa pectin và chitosan dày hơn so với màng pectin và màng chitosan. Màng hỗn hợp với tỉ lệ phối trộn 50:50 mỏng nhất trong các màng hỗn hợp. Sự khác nhau về độ dày của các màng liên quan đến cấu tạo và bản chất liên kết giữa các phân tử. Màng P/CS2 mỏng nhất, có thể giải thích là do có sự hình thành nhiều liên kết giữa nhóm – NH3+ của chitosan và –COOH của pectin tạo nên một mạng lưới không gian bền chặt và gọn hơn.
Độ bền kéo đứt của màng chitosan cao hơn so với màng pectin. Sự kết hợp của chitosan và pectin tạo nên các màng hỗn hợp có độ bền kéo đứt cao hơn so với màng pectin. Khi hàm lượng chitosan trong màng tăng từ 25 đến 50% thì độ bền kéo đứt của màng hỗn hợp tăng từ 11,3 đến 19,7MPa nhưng khi hàm lượng chitosan tăng đến 75% thì độ bền kéo đứt giảm xuống đến 9,8%. Có thể giải thích các kết quả trên như sau: độ bền kéo đứt của màng hỗn hợp cao là do sự hình thành các liên kết giữa các polymer đồng tạo màng. Trong trường hợp màng P/CS ngoài liên kết hydro và liên kết ngang như đã trình bày ở phần trên cịn có liên kết ion. Sự xuất hiện liên kết ion là do dung dịch chitosan được pha trong dung dịch acid acetic 1,5% có pH=3,5. Điểm đẳng điện của chitosan là 6,5 do vậy chuỗi mạch chitosan được proton hóa hồn tồn. Pectin có điểm đẳng điện là 3,5 và pectin được hòa tan trong nước có pH = 7 tạo dung dịch pectin có pH =4,5-5 nên hầu hết pectin có các nhóm mang điện tích âm. Vì vậy khi phối trộn, giữa pectin và chitosan có sự hình thành lực tương tác ion giữa các cation của chitosan và anion của pectin, kết quả làm giảm lực đẩy tĩnh điện giữa các polymer. Do vậy màng hỗn hợp đều có độ bền kéo đứt cao hơn so với màng pectin. Vì bản chất của chitosan là có khả năng tạo màng có độ bền kéo đứt cao hơn pectin nên khi hàm lượng chitosan càng tăng thì độ bền kéo đứt của màng hỗn hợp càng tăng nhưng khi hàm lượng chitosan tăng đến 75% tổng thành phần hỗn hợp thì độ bền kéo đứt giảm vì ở màng P/CS3 này, lực tương tác tĩnh điện giữa pectin và chitosan không tốt do mất cân bằng giữa tổng số điện tích âm và điện tích dương như ở màng P/CS2.
3.4.1.2. Xác định độ màu của các màng LMP - chitosan
được bao gói. Tiến hành xác định độ màu của màng như mục 2.2.4.
Kết quả về độ màu ở bảng 3.10 cho thấy khi hàm lượng chitosan trong màng hỗn hợp tăng lên, đặc biệt là khi hàm lượng chitosan từ 50% trở lên, chỉ số L giảm dần chứng tỏ độ sáng màng giảm dần và chỉ số b của màng tăng dần chứng tỏ màng chuyển sang màu vàng. Sự giảm độ sáng và tăng màu vàng là do bản chất của chitosan có độ sáng thấp và màu hơi vàng.
Bảng 3.10. Các chỉ số màu của các màng pectin - chitosan
Loại màng L* a* b* C* H* P 96,24±0,31a 0,14±0,01a 2,57±0,12c 2,57±0,11c 86,81±0,5d P/CS1 95,91±0,14b 0,03±0,01b 6,83±0,39b 6,83±0,39b 89,73±0,48c P/CS2 95,43±0,34c -0,32±0,06b 7,90±0,64a 7,91±0,65a 92,12±0,25b P/CS3 95,27±0,23cd -0,38±0,08b 8,70±0,67a 8,71±0,67a 92,47±0,36b CS 94,95±0,09d -0,94±0,1c 8,52±0,55a 8,57±0,55a 96,31±0,47a
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)
3.4.1.3. Xác định khả năng thấm ướt của bề mặt màng LMP - chitosan
Khả năng thấm ướt của bề mặt màng được thể hiện qua góc tiếp xúc nước và được xác định như mục 2.2.7.8. Kết quả về góc tiếp xúc nước của các màng được biểu diễn ở bảng 3.11.
Bảng 3.11. Góc tiếp xúc nước của các màng LMP - chitosan
Loại màng Góc tiếp xúc nước,
o Hình ảnh
Ban đầu Sau 12 giây Ban đầu Sau 12 giây
P 62,1±2,1c 45,2±2,9b
P/CS1 97,1± 6,3b 95,4± 4,9a P/CS2 98,8±3,4ab 93,5±4,7a P/CS3 103,4±4,9ab 101,2±2,3a CS 108,4±3,9a 100,1± 2,4a
của các giá trị (với mức ý nghĩa p < 0,05)
Theo H. Isawi và cộng sự [63] thì màng ưa nước có góc tiếp xúc 0◦< θ < 90◦ cịn màng khơng ưa nước có góc tiếp xúc 90◦<θ <180◦. Kết quả ở bảng 3.10 cho thấy, ở thời điểm ban đầu, góc tiếp xúc nước của màng pectin là 62,1±2,1o, của màng chitosan là 108,4±3,9o, của các màng hỗn hợp dao động trong khoảng 97,1± 6,3o đến 103,4±4,9o. Sau 12 giây tiếp xúc với nước, góc tiếp xúc của màng pectin giảm rõ rệt, giảm từ 62,1±2,1o đến 45,2±2,9o; góc tiếp xúc của các màng hỗn hợp và màng chitosan có giảm nhưng khơng đáng kể và đặc biệt là góc tiếp xúc của các màng hỗn hợp, màng chitosan không khác nhau sau 12 giây tiếp xúc với nước.
Kết quả này cho thấy màng pectin là màng ưa nước vì có góc tiếp xúc nước thấp cịn màng chitosan là màng khơng ưa nước vì có góc tiếp xúc nước cao. Mặc dù cả pectin và chitosan đều có số lượng nhóm phân cực lớn nhưng bề mặt của chúng lại thể hiện khả năng ưa nước khác nhau, điều này có thể là do kết quả của quá trình tạo liên kết hydro bên dưới bề mặt còn ở trên bề mặt do chitosan có các nhóm axetyl cịn sót lại là những nhóm khơng ưa nước. Các nhóm chức ưa nước của các polymer thường có khuynh hướng ẩn vào bên trong để đạt được năng lượng bề mặt thấp vì xung quanh là vùng khơng ưa nước cịn các nhóm khơng ưa nước phân bố ở bề mặt. Hàm lượng chitosan trong màng càng tăng, nhóm axetyl càng nhiều làm cho bề mặt mặt ít thấm nước hơn, kết quả góc tiếp xúc nước càng tăng. Kết quả góc tiếp xúc nước của các màng sau 12 giây cho thấy, màng pectin thấm nước nhanh vì có chứa nhiều nhóm ưa nước cịn các màng hỗn hợp và màng chitosan có số lượng nhóm ưa nước ít hơn nên trong khoảng 12 giây tiếp xúc thì giữa màng và nước chưa xảy ra sự tương tác nhiều nên góc tiếp xúc nước vẫn giảm khơng đáng kể so với ban đầu. Vì sự tương tác này xảy ra trong thời gian rất ngắn nên tỉ lệ phối trộn giữa pectin và chitosan không ảnh hưởng nhiều đến sự tương tác của màng và nước nên góc tiếp xúc nước của các màng có chứa chitosan sau 12 giây không khác nhau.
3.4.1.4. Xác định độ hòa tan của màng LMP - chitosan
Kết quả độ hòa tan của các màng được biểu diễn ở hình 3.18 cho thấy màng pectin hịa tan hồn tồn trong nước cịn màng chitosan tan rất ít trong nước. Khi hàm lượng chitosan trong màng hỗn hợp tăng từ 25 đến 50% thì màng hỗn hợp có độ hịa tan trong nước giảm từ 65,8 đến 9,09% nhưng khi hàm lượng chitosan của màng tăng
đến 75% thì độ hịa tan của màng hỗn hợp tăng. Có thể giải thích màng P/CS1 có độ hịa tan cao nhất trong các màng hỗn hợp vì màng này có hàm lượng pectin cao hơn, có số nhóm anion tự do nhiều trong chuỗi mạch khơng thể tạo liên kết với chitosan. Cịn mẫu màng P/CS3 có chứa lượng lớn chitosan, độ hịa tan của chitosan trong nước thấp do đó độ hòa tan màng P/CS3 thấp hơn so với màng P/CS1, hơn nữa vì lượng chitosan bổ sung vào ở hàm lượng 75% là nhiều hơn mức cần thiết để tạo liên kết tĩnh điện với pectin nên ảnh hưởng không tốt đến liên kết giữa mạng lưới pectin và chitosan, do đó cấu trúc màng khơng cịn chặt chẽ, dễ bị phá vỡ và dễ bị phân tán vào trong nước.
Hình 3.18. Độ hịa tan của các màng LMP – chitosan
Trong các màng hỗn hợp, màng P/CS2 có độ hịa tan thấp nhất. Kết quả có thể là do pectin và chitosan có khả năng tương tác, liên kết tốt khi phối trộn với tỉ lệ 50:50.
3.4.1.5. Xác định độ thấm hơi nước của màng LMP - chitosan
Kết quả khảo sát độ thấm hơi nước của các màng được biểu thị ở hình 3.19.
Hình 3.19. Độ thấm hơi nước của các màng LMP – chitosan
100 65,8 9,09 51,64 3,57 0 20 40 60 80 100 120 P P/CS1 P/CS2 P/CS3 CS Đ ộ h òa tan , % 1,33 1,06 0,93 1,01 0,64 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 P P/CS1 P/CS2 P/CS3 CS Đ ộ t h ấ m h ơ i n ư ớ c, g. m m /m 2.ngày .k P a
Biểu đồ hình 3.19 cho thấy độ thấm hơi nước của màng pectin cao hơn so với màng chitosan, của các màng hỗn hợp đều thấp hơn so với màng pectin. Trong các màng hỗn hợp, màng P/CS2 có độ thấm hơi nước thấp nhất. Có thể giải thích việc giảm độ thấm hơi nước của các màng khi bổ sung chitosan là kết quả của việc giảm số lượng các nhóm ưa nước như –OH và –COOH của pectin. Hơn nữa, sự hình thành liên kết hydro giữa nội mạch pectin, nội mạch chitosan, giữa pectin và chitosan làm giảm các nhóm tự do ưa nước, làm giảm độ thấm nước của màng. Màng P/CS2 có độ thấm hơi nước thấp nhất vì với tỉ lệ phối trộn 50:50 thì giữa pectin và chitosan có sự tương tác tĩnh điện mạnh, khoảng cách không gian giữa các chuỗi mạch polymer giảm làm cho nước khó hấp thụ vào bên trong mạng lưới của màng. Kết quả ở phần trước cũng cho thấy độ dày của màng P/CS2 cũng thấp nhất trong các màng hỗn hợp.
3.4.1.6. Xác định khả năng kháng vi sinh vật của màng LMP - chitosan
Xác định khả năng kháng vi sinh vật của màng thông qua đánh giá khả năng tác dụng của dung dịch tạo màng đối với nấm men, nấm mốc, vi khuẩn bằng phương pháp khuếch tán giếng thạch như mô tả ở mục 2.2.7.10. Hoạt tính kháng các chủng vi sinh vật nghiên cứu như E.coli, A.niger và S.cerevisiae đã được kiểm tra. Kết quả được biểu diễn ở hình 3.20 và hình 3.21.
Hình 3.20 và kết quả về đường kính kháng các chủng vi sinh vật nghiên cứu ở hình 3.21 cho thấy dung dịch tạo màng pectin LMP khơng có khả năng kháng các chủng E.coli, A.niger và S.cerevisiae nhưng dung dịch tạo màng chitosan có khả năng kháng các chủng vi sinh vật này.
(a) (b) (c)
Hình 3.20. Hình ảnh kháng các chủng vi sinh vật của màng LMP – chitosan:
Hình 3.21. Khả năng kháng các chủng vi sinh vật của các màng LMP - chitosan
Khi nồng độ chitosan càng cao thì khả năng kháng các vi sinh vật nghiên cứu càng mạnh. Tuy nhiên khi hàm lượng chitosan lớn hơn 50% thành phần tạo màng thì khả năng kháng các chủng vi sinh vật tăng lên không đáng kể. Khả năng kháng các chủng vi sinh vật khác nhau là khác nhau. Các dung dịch tạo màng có chứa chitosan có khả năng kháng nấm mốc A.niger cao hơn so với E.coli và S.cerevisiae, kết quả này có thể là do cấu tạo màng tế bào của các vi sinh vật này khác nhau. Để giải thích khả năng kháng vi sinh vật của chitosan hiện nay có thể sử dụng giả thuyết được các nhà nghiên cứu đưa ra: do tương tác giữa nhóm mang điện tích dương của chitosan là – NH3+ và nhóm mang điện tích âm trên bề mặt màng tế bào vi sinh vật. Sự tương tác tĩnh điện này làm thay đổi tính thấm thấu của màng tế bào, gây mất cân bằng trong cơ thể và do đó làm giảm sự phát triển của vi sinh vật [111].
3.4.1.7. Xác định độ truyền khí oxy của các màng LMP - chitosan
Sau khi khảo sát các tính chất của màng như độ bền cơ học, góc tiếp xúc nước, độ hòa tan, độ thấm hơi nước, độ truyền hơi nước và khả năng kháng các chủng vi sinh vật nghiên cứu thì có thể thấy rằng màng hỗn hợp P/CS2 đảm bảo được các chỉ tiêu tốt có thể ứng dụng trong lĩnh vực thực phẩm. Vì vậy, tiến hành xác định độ truyền khí oxy của màng P/CS2 so với màng P và màng CS riêng lẻ như mục 2.2.7.9, kết quả được thể hiện ở bảng 3.12.
Độ truyền khí oxy của màng P, màng CS và màng P/CS2 lần lượt là 671,01; 470,35 cc/m2.ngày; 51,49 cc/m2.ngày. So với các màng plastic trên thị trường như
0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 P P/CS1 P/CS2 P/CS3 CS Đ ư ờ ng k ín h vị ng k há ng vi s in h v ậ t, c m
LDPE và HDPE có độ truyền khí oxy lần lượt là 7000 - 8500 cc/m2.ngày và 2300 - 3100 cc/m2.ngày [101] thì các màng được tạo thành từ nguyên liệu pectin và chitosan đều có độ truyền khí thấp hơn nhiều. Màng hỗn hợp P/CS2 có độ truyền khí oxy thấp hơn nhiều so với màng P và màng CS, kết quả này có thể do mức độ liên kết giữa các phân tử polymer trong màng P/CS2 tốt giúp cho cấu trúc mạng lưới màng chặt chẽ hơn, khơng có nhiều khoảng trống để oxy khuếch tán và truyền qua màng.
Bảng 3.12. Độ truyền khí oxy của các màng từ P và CS
Loại màng P CS P/CS2
Độ truyền khí oxy,
cc/m2.ngày 671,01 470,35 51,49
Vì màng P/CS2 có độ thấm khí oxy thấp nên có thể ứng dụng trong lĩnh vực bảo quản nhằm giảm q trình oxy hóa lipid, q trình oxy hóa vitamin hoặc làm trì hỗn q trình hơ hấp của rau quả trong quá trình bảo quản.