1.4. Công nghệ nano và tiềm năng ứng dụng của nano
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
25
thuốc kháng sinh được phát minh và đưa vào ứng dụng với hiệu quả cao, người ta không còn 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 trò quan trọng trong sự phosphoryl oxy hóa, và huy động sắt. Sự thiếu hụt đồng trong thực vật được biểu
26
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 công tác phòng 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 không 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 nông nghiệp để kiểm soát 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 quá trình vận chuyển điện tử qua màng, phá vỡ và thâm nhập vào thành tế bào,
27
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 hòa 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 không 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 vô cơ có lợi thế khác biệt hơn hẳn các tác nhân kháng khuẩn hóa học thông 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].
28
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 soát 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
29
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:
polysaccharide (như tinh bột, chitosan, alginate, và konjak glucomannan) đã được sử dụng để chế tạo hỗn hợp dựa trên màng nano bạc. Ví dụ, zeolit bạc đã được phát triển như là chất kháng khuẩn phổ biến nhất được kết hợp thành nhựa và được phép sử dụng trong bảo quản thực phẩm, thanh trùng các sản phẩm. Zeolit có một số nguyên tử bề mặt được thay thế bằng các nguyên tử bạc được ép thành lớp mỏng (3
÷ 6 mm) trên bề mặt của các polyme bao bì tiếp xúc với thực phẩm, liên tục giải phóng các ion bạc khi các hạt nano bạc tiếp xúc với dung dịch nước từ thức ăn [45].
Một số bằng chứng đã chứng minh sự an toàn của việc áp dụng các vật liệu bạc. Có rất ít báo cáo trong các tài liệu về độc tính bạc mặc dù phơi nhiễm lớn với bạc trong điều trị vết thương bỏng. Tính không độc hại của dung dịch nano bạc đặc biệt là trong trường hợp các hạt nano nhỏ hơn đã được chứng minh qua xét nghiệm kích thích da thực hiện trên thỏ. Hendi và cộng sự báo cáo rằng các hạt nano bạc có thể thúc đẩy chữa lành vết thương và giảm sự xuất hiện vết sẹo theo các mức độ phụ thuộc vào liều. Hơn nữa, kết quả thí nghiệm cho thấy các hạt nano bạc hoạt động bằng cách giảm viêm, và không có tác dụng phụ trên chức năng gan và thận thông qua mô hình thí nghiệm trên chuột [45].
Cơ quan An toàn Thực phẩm Châu Âu đã khuyến cáo nồng độ giới hạn của nano Ag giải phóng từ bao bì không được vượt quá 0,05 mg/L trong nước và 0,05 mg/kg trong thực phẩm [6]. Các sản phẩm của nano bạc đã được chứng minh có thể được sử dụng như một lớp phủ bề màng trên các loại rau dễ hư hỏng để tăng cường sự kháng khuẩn và tăng thời hạn sử dụng thực phẩm [43].