Đây là loại vật liệu đóng gói bao bì kháng vi sinh vật phổ biến và quan trọng nhất. Bất chấp những lo ngại về sức khỏe và an toàn liên quan đến các thành phần
cịn lại từ polyme khơng phân hủy sinh học, việc sử dụng polyme vẫn tiếp tục phát triển so với các vật liệu thơng thường nói trên vì tính rẻ tiền, trọng lượng thấp, có thể chịu nhiệt (vi sóng,…) và dễ chế tạo thành vơ số hình dạng và kích cỡ. Một số ứng dụng phổ biến của nó là chai, khay, túi, cốc, hộp,...Tuy nhiên, polyme dễ bị thấm khí, ẩm và ánh sáng.
Trong số các loại polyme được sử dụng để đóng gói thực phẩm, polyolefin ( POF) và polyester (PET) là những vật liệu phổ biến nhất. Các vật liệu khác bao gồm polyvinyl chloride (PVC), polystyrene (PS), polyamide (PA), Ethylen vinyl alcohol cũng được sử dụng nhiều.
Hai loại vật liệu thuộc loại polyolefin là polyethylene (PE) và polypropylene (PP) được sử dụng rộng rãi do nhẹ, dễ uốn, có tính bền, ổn định, khả năng tái sử dụng và khả năng chống lại hóa chất và độ ẩm. Sữa chua, nước trái cây, hộp đựng bơ, chai nước, bao bì nilong, bán lẻ, bánh mì và túi thực phẩm đơng lạnh là một trong những ứng dụng phổ biến của PE. Nó là một loại nhựa nhiệt dẻo được điều chế thơng qua phản ứng trùng hợp propylene. Cịn PP có thể chống hơi nước hiệu quả. Nó cũng có nhiệt độ nóng chảy cao, phù hợp cho các sản phẩm thực phẩm cần đóng gói hay xử lý ở nhiệt độ cao [5].
Polyeste ( PET ) là một loại vật liệu bao gói điện trở nhiệt, dầu, dung mơi hay acid. Nó có độ dẻo dai, độ bền cơ học và độ cứng tốt và nhiệt độ nóng chảy cao (270°C). Ngồi ra, nó cịn có các đặc tính ưu việt như nhẹ, khơng thấm khí, trong suốt và khả năng chống vỡ cao. Chai, bồn, lọ, khay, vỉ, túi và giấy gói cho đồ ăn nhẹ là các ứng dụng thường thấy nhất của loại bao bì vì nó an tồn và dễ sản xuất [9]. Nhu cầu về vật liệu PET với nhiều hình dạng khác nhau khơng tồn dư acetaldehyde ngày càng gia tăng [5].
Hiện này, các vấn đề về môi trường đang là trọng điểm, vậy nên việc thúc đẩy nhu cầu của người tiêu dùng đối với bao bì “xanh hơn” sẽ phát triển trong tương lai gần. Thay thế các loại polyme phân hủy sinh học hoặc sử dụng các loại bao bì có thể tái chế cho những loại bao bì polyme khơng phân hủy sinh học [1]. Polyme phân hủy sinh học từ sinh khối được sử dụng trong vật liệu đóng gói kháng vi sinh vật
dựa trên màu xanh lá cây như cellulose, carrageenan, hỗn hợp tinh bột/polyme từ polysaccharid, whey protein, casein, gluten từ protein, chất béo thực vật và dầu từ lipid [9].
5. Chất kháng vi sinh vật
5.1 Chất kháng vi sinh vật tự nhiên
Ngày nay cùng với sự phát triển của xã hội, sự hiện đại và không ngừng đổi mới của thiết bị máy móc, cơng nghệ sản xuất, ngành cơng nghệ thực phẩm ngày càng phát triển và có vị trí quan trọng trong thị trường.Nhu cầu tiêu dùng ăn uống không bao giờ là lỗi thời. Nó là nhu cầu vơ cùng thiết yếu có vai trị vơ cùng quan trọng trong cuộc sống của chúng ta. Vì thế ngành cơng nghệ thực phẩm ln cho chỗ đứng vị thế nhất định trong cuộc sống ngày này. Các vấn đề đặt ra làm sao để ăn ngon, ăn đầy đủ chất dinh dưỡng, đáp ứng được nhu cầu ăn uống của người tiêu dùng mà lại vừa có giá thành phải chăng, bao bì đặc sắc lạ mắt, thu hút thị hiếu của người tiêu dùng, mà vừa bảo quản được lâu, đóng gói đẹp mắt gây ấn tượng với người tiêu dùng. Đây là những động lực thúc đẩy mảng bao bì thực phẩm ngày càng phát triển và lớn mạnh.
Các nhà khoa học đã thực hiện nhiều nghiên cứu nhằm tìm ra cách tích hợp tạo ra các loại bao bì thực phẩm thân thiện với mơi trường nhưng vừa có thể hồn thành tốt nhiệm vụ của nó chính là giữ cho thực phẩm bảo quản được lâu, lại cịn khơng gây ảnh hưởng đến sức khoẻ con người. Trong quá trình chế biến và bảo quản thực phẩm, ln có sự tồn tại của vi sinh vật cịn sót lại qua các quá trình hoặc do sự lây nhiễm chéo vi sinh vật từ các nguồn khác nhau, mà chính vì lí do đó gây hư hỏng thực phẩm, vậy vấn đề được đặt ra làm sao để hạn chế sự sinh trưởng và phát triển của những vi sinh vật này? Người ta nghĩ ra cách chế tạo bao bì thực phẩm được tích hợp các chất chống vi sinh vật có nguồn gốc từ tự nhiên và qua quá trình tổng hợp hố nhằm mục đích kiểm sốt sự nhiễm vi sinh vật trên bề mặt thực phẩm để nâng cao sự an toàn cho người tiêu dùng khi sử dụng thực phẩm và kéo dài thời hạn sử dụng của chúng. Một số hợp chất kháng khuẩn có thể được kết hợp với các loại vật liệu đóng gói khác nhau tạo nên nhiều loại bao bì kháng khuẩn khác nhau. Trong những năm gần đây, nhu cầu của người tiêu dùng đối với các thành
phần thực phẩm có nguồn gốc từ tự nhiên tăng lên vì tính an tồn và sẵn có của nó, các hợp chất tự nhiên đang bắt đầu được ưa chuộng và thay thế các chất phụ gia thường dùng trong thực phẩm. Các chất kháng khuẩn đến từ tự nhiên được xem là an tồn hơn và ít gây ảnh hưởng đến sức khoẻ con người hơn Các nghiên cứu gần đây chủ yếu tập trung vào việc ứng dụng các chất kháng khuẩn tự nhiên trong hệ thống đóng gói thực phẩm vì tính sẵn có và an tồn của chúng, hơn hẳn các chất hoá học và thị hiếu của người tiêu dùng ưa chuộng những sản phẩm đến từ thiên nhiên hơn hẳn. Các hợp chất có nguồn gốc sinh học như vi khuẩn, hóa chất thực vật, enzyme có thể được sử dụng trong bao bì thực phẩm và nó được xem như một hoạt chất kháng vi sinh vật. Các chất kháng khuẩn tự nhiên thường được chiết xuất từ các nguyên liệu có nguồn gốc tự nhiên và nó địi hỏi quy trình chiết xuất phức tạp, nhiều công đoạn nên đôi khi giá thành sẽ cao do sự chiết tách cần những thiết bị máy móc hiện đại nhưng nó đối với người tiêu dùng vẫn là lựa chọn hàng đầu [10].
5.1.1 Tinh dầu
Từ xưa đến nay, người ta đã biết áp dụng tinh dầu để bảo quản thực phẩm vì những lợi ích tuyệt vời mà nó đem lại. Tinh dầu là một dạng chất lỏng chứa các hợp chất thơm dễ bay hơi, gồm nhiều thành phần khác nhau, chứa nhiều hợp chất công thức hố học phức tạp. Nó được chiết xuất bằng nhiều phương pháp khác nhau như chưng cất hơi nước, phương pháp ướp hương, phương pháp ép lạnh hoặc chiết xuất dung môi… Lá, thân, cành, hoa, vỏ cây, rễ cây hoặc những bộ phận khác của thực vật là nguồn nguyên liệu để chiết tách tinh dầu. Tinh dầu có nguồn gốc sẵn có từ thực vật hoặc là được tổng hợp nhân tạo trong quy mô công nghiệp. Tinh dầu đa dạng gồm nhiều loại, tinh dầu nguyên chất được chiết xuất 100% từ thiên nhiên không bao gồm các hợp chất tạo hương tạo mùi khác, hoặc tinh dầu tổng hợp gồm nhiều thành phần cấu tử hương khác nhau được chiết tách thông qua các phản ứng phương pháp hố học. Tinh dầu cịn được xem là sự sống là nguồn tinh tuý nhất của thực vật, vì nó bao gồm tất cả những hợp chất cấu tử mùi hương mang nét đặc trưng cho loại thực vật đó. Xuyên suốt chiều dài lịch sử, tinh dầu luôn được các quý tộc ưa chuộng, và được xem như thứ dược liệu mắc mỏ, quý báu đối với những người cổ đại. Tinh dầu được ví như thứ hàng hố đắt đỏ, thường được dùng để tạo mùi hương
sống, mang lại cảm giác thoải mái thư giãn cho con người. Nó được xem như một loại phương pháp trị bệnh dược liệu đến từ thiên nhiên vì những tác động tinh thần mà nó đem lại.Ngồi ra ngày nay người ta còn biết ứng dụng lợi ích của tinh dầu trong ngành thực phẩm cụ thể là trong việc tạo ra một loại bao bì đóng gói có chứa tinh dầu để tăng khả năng kháng khuẩn, kéo dài thời gian sử dụng cho thực phẩm.
Tinh dầu hay còn được gọi tắt là EO, EO là các loại dầu phức tạp được sản xuất tự nhiên dưới dạng chất chuyển hóa thứ cấp đi từ các nguyên liệu thực vật. Tinh dầu là hỗn hợp các cấu tử có cơng thức hố học phức tạp chứa các hợp chất khác nhau, chẳng hạn như monoterpen, diterpenes và triterpenes, bao gồm các dẫn xuất oxy hóa của chúng và các hợp chất phenolic- các chất này chịu trách nhiệm cho các đặc tính kháng khuẩn của các loại tinh dầu. Ngồi tác dụng kháng khuẩn đặc trưng , tinh dầu cịn có đặc tính kháng nấm, chống oxy hóa, kháng các loại vi rút,giúp chống các cơn co thắt, kháng cả độc tố, chống lại ký sinh trùng và khử trùng hiệu quả. Tinh dầu không chỉ đem lại hương thơm thư giãn , sảng khối tác động đến hệ thần kinh mà nó cịn có khả năng kháng khuẩn tuyệt vời, ứng dụng trong các q trình bao gói thực phẩm. Ngày nay có rất nhiều loại tinh dầu có khả năng kháng khuẩn mà các nhà khoa học đã tìm ra như: tinh dầu bạch đàn, khuynh diệp, tinh dầu trà, tinh dầu hoa trà, tinh dầu tràm trà, tinh dầu oải hương, thảo mộc, tinh dầu sả, cam thảo, húng tây, bạc hà cỏ xạ hương và các loại hương thảo….[10].
Nhiều nghiên cứu gần đây đã cho thấy rằng các loại tinh dầu có khả năng kháng khuẩn hiệu quả cụ thể như loại tinh dầu Mentha piperita EO (MPO), Bunium percicum EO (BPO), và nanocellulose (NC). Ba loại tinh dầu này được bổ sung vào màng PLA để sản xuất ra một loại màng kháng khuẩn với một tỉ lệ các thành phần đặc trưng nhất định. Màng được tạo thành từ hỗn hợp dung dịch 1% PLA, 0,5%, MPO và 1% NC sẽ cho kết quả tốt nhất về đặc tính kháng khuẩn và cảm quan. Các nhà nghiên cứu tiến hành bảo quản thịt bị xay được đóng gói bằng màng kháng khuẩn ở nhiệt độ 40C trong 12 ngày và quan sát đánh giá mức độ kháng khuẩn của các loại vật liệu này Họ phát hiện ra rằng MPO và BPO có hoạt tính kháng khuẩn chống lại 3 chủng vi sinh vật Staphylococcus aureus, Enterobacteriaceae và Pseudomonas rất hiệu quả [11]. Ngồi ra người ta cịn tiến hành thực hiện những nghiên cứu và cho rằng dầu Copaiba có khả năng chống lại trực khuẩn Subtilis khi
được dùng kết hợp với giấy và màng PLA. Chúng đều cho thấy rằng chúng các hoạt tính kháng khuẩn mạnh mẽ đối với chủng vi sinh vật B. subtilis khi hàm lượng tinh dầu đạt 20% trọng lượng sản phẩm. Llana-Ruiz-Cabello và cộng sự của mình đã nghiên cứu đưa các nồng độ khác nhau của tinh dầu Origanum vulgare L. virens gọi tắt là OEO vào màng PLA để đánh giá hoạt tính kháng khuẩn của màng đối với loại thực phẩm salad và kết quả ông nhận được là chúng có đặc tính kháng khuẩn chống lại các loại nấm men và nấm mốc, với nồng độ 5% - 10% thì đặc tính kháng khuẩn có hiệu quả mạnh mẽ nhất, nhưng ở tỉ lệ 0,1% nó khơng có tác dụng với Salmonella typhimurium và Pseudomonas aeruginosa, nhưng nó lại có khả năng ức chế mạnh mẽ sự sinh trưởng và phát triển của chủngS. aureusvàE. coli.
5.1.2 Bacteriocins
Bacteriocin là một chất kháng khuẩn có bản chất là các peptide được tổng hợp thơng qua các q trình dịch mã ở ribosome, nó được tạo ra cả vi khuẩn Gram âm và vi khuẩn Gram dương mục đích để ức chế sự sinh trưởng và phát triển của các chủng vi khuẩn khác. Bacteriocin có hoạt tính kháng các vi sinh vật cạnh tranh với chúng có thể cũng loại hoặc khác lồi. Ngồi ra nó cịn có tên gọi là một chất diệt khuẩn do vi khuẩn tạo ra, nó được mã hóa bởi các gen và được tổng hợp bởi các ribosome trong tế bào vi khuẩn. Các loài vi khuẩn sản sinh ra Bacteriocin đến từ nhiều nguồn khác nhau và chúng có nhiều cấu trúc, hình dạng khác nhau,mang tính đặc trưng riêng biệt. Nó tạo ra hợp chất có đặc tính kháng khuẩn mạnh mẽ và ức chế sự cạnh tranh của vi sinh vật. Nisin và pediocin thường được sử dụng trong quá trình tổng hợp loại hợp chất này. Bacteriocins được tổng hợp chỉ khi vi khuẩn gặp các điều kiện ức chế, ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của chúng do các tác động của môi trường sống, sự cạnh tranh về nguồn dinh dưỡng, khơng gian sống trong quần thể vi sinh vật. Chính những điều kiện bất lợi như vậy, góp phần làm cho những hợp chất Bacteriocins được sản sinh. Bản chất của chúng là peptide kháng khuẩn sinh ra bởi vi khuẩn để chống lại các vi khuẩn có liên quan khác. Nói cách khác, loại vi khuẩn tạo ra loại bacteriocin nào thì nó sẽ có khả năng kháng lại chính bacteriocins đó. Các bacteriocins này có hoạt tính kháng khuẩn rất cao dù chỉ sử dụng ở một nồng độ rất ít, tuy nhiên chúng chỉ hoạt động ở một phạm vi hẹp, chỉ ức
kháng khuẩn của Bacteriocins không phụ thuộc vào số lượng acid amine có trong phân tử mà nó phụ thuộc vào đặc điểm tính chất của từng loại vi khuẩn, các yếu tố, điều kiện của môi trường tác động. Bacteriocins đặc tính phát huy mạnh mẽ nhất trong mơi trường có pH thấp, nó tương đối bền vững ở nhiệt độ cao và không bị ảnh hưởng nhiều bởi nồng độ các dung mơi hữu cơ. Ngồi ra Bacteriocins cịn có kết hợp với các yếu tố kháng khuẩn khác. Protein có nguồn gốc từ động vật, các lysozyme , phân giải nhiều tế bào Gram dương và được sử dụng để ngăn chặn sự hình thành khí trong một số loại pho mát. Các Lysozyme và nisin được sinh ra có thể hoạt động để bất hoạt các tế bào của Listeria monocytogenes [12] Bacteriocins có vai trị rất quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm, đặc biệt là để bảo quản sinh học và kéo dài thời hạn bảo quản thực phẩm, và kiểm soát vi sinh vật trong quá trình lên men và một số quá trình bảo quản khác. Nisin và pedicin PA-1 / AcH là những hoạt chất đã được nghiên cứu và được phép sử dụng để làm chất bảo quản sinh học, ứng dụng trong bao bì đóng gói , ứng dụng rộng rãi trong quy trình bảo quản và chế biến thực phẩm [13].
Do chúng có bản chất protein, bị phân giải bởi các enzyme phân giải protein nên bacteriocin không gây ra các tác dụng phụ, không gây ra phản ứng dị ứng trong cơ thể con người và các vấn đề về sức khỏe do chúng bị phân cắt nhanh chóng bởi các enzyme protease, lipase trong hệ thống tiêu hố. Vì những đặc tính tuyệt vời mà chúng mang lại, Bacteriocins nhanh chóng được thương mại hố. Các váng sữa, các loại đường mía, các chất thải từ quá trình chế biến, bảo quản thực phẩm, cũng được các nhà khoa học nghiên cứu để sản xuất ra hoạt chất bactericins để ứng dụng trong công nghệ thực phẩm [14].
5.1.3 Lysozyme
Lysozyme có bản chất là một loại protein. Lysozyme, hay còn được gọi là muramidase hoặc N-acetylmuramide glycanhydrolase là một loại enzyme kháng khuẩn có nguồn gốc từ động vật và có mặt ở khắp nơi trong cơ thể con người và động vật, cũng như trong thực vật và một số lồi vi sinh vật. Nó có mặt hầu hết và phổ biến trong các mô và dịch tiết của cơ thể sinh vật Lysozyme cũng được tìm thấy trong các hạt tế bào chất của đại thực bào và bạch cầu trung tính đa nhân.Trong một số loại thực phẩm, đặc biệt là lịng trắng trứng gà, người ta cũng tìm thấy sự hiện
diện của Lysozyme. Bản chất của Lysozyme là một glycoside hydrolase có khả năng hoạt động đặc biệt trên thành tế bào của vi sinh vật. Lysozyme có khả năng làm tiêu biến thành tế bào của vi khuẩn Gram dương. Nó có hoạt tính tiêu diệt mạnh mẽ vì thế nó khơng chỉ được sử dụng trong việc bảo quản thực phẩm mà nó cịn có