Nghiên cứu thu nhận pectin từ một số nguồn thực vật và sản xuất màng pectin sinh học ứng dụng trong bảo quản thực phẩm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG  NGÔ THỊ MINH PHƯƠNG NGHIÊN CỨU THU NHẬN PECTIN TỪ MỘT SỐ NGUỒN THỰC VẬT VÀ SẢN XUẤT MÀNG PECTIN SINH HỌC ỨNG DỤNG TRONG BẢO QUẢN TRÁI CÂY LU

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG



NGÔ THỊ MINH PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU THU NHẬN PECTIN TỪ MỘT SỐ NGUỒN THỰC VẬT VÀ SẢN XUẤT MÀNG PECTIN SINH HỌC ỨNG DỤNG TRONG BẢO QUẢN TRÁI CÂY

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

ĐÀ NẴNG 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG



NGÔ THỊ MINH PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU THU NHẬN PECTIN TỪ MỘT SỐ NGUỒN THỰC VẬT VÀ SẢN XUẤT MÀNG PECTIN SINH HỌC ỨNG DỤNG

TRONG BẢO QUẢN TRÁI CÂY

Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm

Mã số: 62.54.01.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1 PGS.TS TRẦN THỊ XÔ

ĐÀ NẴNG 2019

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

LỜI CAM ĐOAN iv

DANH MỤC CHỮ VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT v

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH ix

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 5

1.1 Tổng quan về pectin 5

1.1.1 Giới thiệu chung về pectin 5

1.1.2 Kĩ thuật thu nhận pectin 8

1.1.3 Tổng quan về nguồn nguyên liệu chiết tách pectin 10

1.1.4 Một số ứng dụng của pectin 12

1.2 Tổng quan về màng pectin sinh học 13

1.2.1 Tổng quan về màng pectin 13

1.2.2 Khả năng đồng tạo màng giữa các polysaccharide 14

1.2.3 Nguyên liệu sử dụng trong nghiên cứu tạo màng pectin sinh học 15

1.2.4 Các phương pháp tạo màng phim và màng phủ 19

1.3 Một số phương pháp bảo quản trái cây 20

1.3.1 Bảo quản ở nhiệt độ thấp 20

1.3.2 Bảo quản bằng điều chỉnh thành phần khí quyển 22

1.3.3 Bảo quản trái cây bằng phương pháp phủ màng 23

1.3.4 Các phương pháp xử lý khác 24

1.4 Giới thiệu về xoài và bơ 24

1.4.1 Giới thiệu về xoài 24

1.4.2 Giới thiệu về bơ 25

1.5 Tình hình nghiên cứu chiết tách pectin và tạo màng pectin ứng dụng trong bảo quản thực phẩm 27

1.5.1 Ngoài nước 27

1.5.2 Trong nước 35

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 39

2.1 Vật liệu nghiên cứu 39

2.1.1 Nguyên liệu 39

2.1.2 Hóa chất 41

2.1.3 Chủng VSV chỉ thị 41

2.1.4 Dụng cụ, thiết bị thí nghiệm 41

2.2 Phương pháp nghiên cứu 41

2.2.1 Phương pháp xác định thành phần hóa học của nguyên liệu 41

2.2.2 Quy trình chiết tách pectin 42

2.2.3 Phương pháp xác định cấu trúc bằng phổ hồng ngoại FTIR 44

2.2.4 Phương pháp đo độ màu 45

2.2.5 Phương pháp xác định tính chất của pectin 45

2.2.6 Phương pháp tạo màng 47

2.2.7 Phương pháp xác định tính chất của màng 48

2.2.8 Phương pháp phủ màng bảo quản xoài, bơ 52

2.2.9 Phương pháp phân tích các chỉ tiêu của quả trong thời gian bảo quản 53

2.2.10 Phương pháp đánh giá chất lượng vi sinh 54

2.2.11 Phương pháp toán học 54

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 56

3.1 Xác định một số thành phần hóa học của nguyên liệu 56

3.2 Nghiên cứu chiết tách pectin 57

3.2.1 Khảo sát chọn dung môi chiết 57

3.2.2 Khảo sát các điều kiện chiết tách pectin bằng phương pháp ngâm chiết 57

3.2.3 Khảo sát các điều kiện chiết tách pectin bằng siêu âm 69

3.2.4 So sánh kết quả thu nhận pectin bằng phương pháp siêu âm và ngâm chiết thông thường73 3.3 Khảo sát khả năng tạo màng pectin phối hợp (màng pectin sinh học hoặc màng pectin composite) 76

3.3.1 Khảo sát độ bền cơ học của màng tạo thành bởi pectin vỏ bưởi (HMP) và pectin lá sương sâm (LMP) với các polymer đồng tạo màng 76

3.3.2 Khảo sát độ hòa tan của màng tạo thành bởi pectin bưởi và pectin lá sương sâm với các polymer đồng tạo màng 78

3.3.3 Khảo sát độ truyền hơi nước của màng tạo thành bởi pectin bưởi và pectin lá sương sâm với các polymer đồng tạo màng 79

3.3.4 Độ truyền khí oxy của màng tạo thành bởi pectin lá sương sâm và pectin vỏ bưởi với các polymer đồng tạo màng 80

3.4 Nghiên cứu tạo màng pectin lá sương sâm (LMP) phối hợp với các polymer đồng tạo màng (màng pectin composite) 81

3.4.1 Kết quả tạo màng pectin lá sương sâm (LMP) – chitosan (CS) 81

3.4.2 Kết quả tạo màng pectin lá sương sâm (LMP) – alginate (AG) 88

3.4.3 Kết quả tạo màng pectin lá sương sâm (LMP) - cacboxymethylcellulose (CMC) 93

3.4.4 Xây dựng đường đẳng nhiệt hấp thụ ẩm của các loại màng 98

3.5 Nghiên cứu tạo màng pectin lá sương sâm (LMP) phối hợp với vật liệu nano 99

3.5.1 Nghiên cứu tạo màng pectin lá sương sâm - alginate có cố định nano ZnO (LMP/AG2- ZnO-NPs) 100

3.5.2 Nghiên cứu tạo màng pectin lá sương sâm với nanochitosan (LMP/NaCS) 109

3.6 Nghiên cứu ứng dụng màng pectin sinh học để bảo quản xoài và bơ 119

3.6.1 Nghiên cứu lựa chọn loại màng pectin sinh học để bảo quản xoài và bơ 119

3.6.2 Nghiên cứu bảo quản xoài bằng màng P/NaCS 123

3.6.3 Nghiên cứu bảo quản bơ bằng màng pectin/alginate/ZnO-NPs 135

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 147

CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 149

TÀI LIỆU THAM KHẢO 151 PHỤ LỤC

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Người cam đoan

DANH MỤC CHỮ VÀ KÝ HIỆU VIẾT TẮT

ASTM American Society for Testing

and Materials

Tiêu chuẩn của Hoa Kỳ về kiểm tra vật liệu

ATR-FTIR Attenuated total

reflectance-Fourier transform infrared

Phổ hồng ngoại chuyển đổi Fourier - Phản xạ toàn phần

CMC Carboxymethyl Cellulose Carboxymethyl Cellulose

FTIR Fourier transform infrared Phổ hồng ngoại chuyển đổi Fourier HMP High methoxyl pectin Pectin methoxyl hóa cao

MC Molecular weight Khối lượng phân tử trung bình của

pectin từ vỏ chuối

MB Molecular weight Khối lượng phân tử trung bình của

pectin từ vỏ bưởi

MD Molecular weight Khối lượng phân tử trung bình của

pectin từ vỏ dưa hấu

ML Molecular weight Khối lượng phân tử trung bình của

pectin từ lá sương sâm

NaCS Nanochitosan Nano chitosan

S.cerevisiae Saccharomyces cerevisiase Saccharomyces cerevisiase

Microscopy

Kính hiển vi điện tử quét

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

1.1 Thành phần hóa học của vỏ dưa hấu tươi và khô 11

1.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ hô hấp của một số

loại quả

21

1.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ bảo quản đến thời hạn chín

và tổn thương lạnh của bơ

22

1.5 Kết quả bảo quản một số loại trái cây bằng màng phủ 23

3.6 Phương trình đường chuẩn và hệ số tương quan giữa

nồng độ và độ nhớt động học của các loại pectin

66

3.7 Độ nhớt riêng và khối lượng phân tử trung bình

của bốn loại pectin nghiên cứu

69

3.8 Ảnh hưởng của phương pháp chiết tách đến hiệu quả

và tính chất của pectin thu nhận

75

3.9 Độ dày và độ bền cơ học của các màng pectin - chitosan 81

Số hiệu

3.10 Các chỉ số màu của các màng pectin - chitosan 83 3.11 Góc tiếp xúc nước của các màng LMP - chitosan 83 3.12 Độ truyền khí oxy của các màng từ P và CS 88 3.13 Độ dày và độ bền cơ học của các màng LMP-alginate 88

3.15 Góc tiếp xúc nước của các màng LMP - alginate 90 3.16 Độ dày và độ bền cơ học của các màng pectin - CMC 93

3.28 Hao hụt khối lượng và mức độ thoát nước, nhu cầu oxy

của xoài và bơ bảo quản ở nhiệt độ 25oC và độ ẩm 50%

3.30 Độ sáng (chỉ số L*) của xoài phủ màng và không phủ

màng bảo quản ở các nhiệt độ khác nhau

131

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu

1.2 Một đoạn của phân tử pectin có nhóm chức năng 6

1.5 Quy trình sản xuất pectin thương mại 10

1.9 Quy trình điều chế nanochitosan sử dụng methacrylic

1.10 Quá trình tạo màng trên khuôn ở quy mô phòng thí

2.2 Ảnh SEM, TEM và mẫu bột nano ZnO tổng hợp được 40 2.3 Quy trình chiết pectin ở quy mô phòng thí nghiệm 43

3.1 Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của từng cặp yếu tố đến

hàm lượng pectin thu nhận từ vỏ bưởi 59

3.2 Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của từng cặp yếu tố đến

hàm lượng pectin thu nhận từ lá sương sâm 60

3.3 Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của từng cặp yếu tố đến

hàm lượng pectin thu nhận từ vỏ chuối 62

3.4 Đồ thị biểu diễn sự ảnh hưởng của từng cặp yếu tố đến

hàm lượng pectin thu nhận từ vỏ dưa hấu 63 3.5 Phổ hồng ngoại FT-IR của các mẫu pectin chiết tách 64

3.6 Đồ thị biểu diễn tương quan độ nhớt động học của

Số hiệu

3.7 Ảnh hưởng của biên độ đến hàm lượng pectin 70 3.8 Ảnh hưởng của chu kì đến hàm lượng pectin 71 3.9 Ảnh hưởng của thời gian đến hàm lượng pectin 72

3.13 Độ bền kéo đứt của các màng được tạo thành từ pectin

vỏ bưởi (HMP) và pectin lá sương sâm (LMP) 77

3.14 Độ giãn dài của các màng được tạo thành từ pectin vỏ

bưởi (HMP) và pectin lá sương sâm (LMP) 77

3.15 Độ hòa tan của các màng được tạo thành từ

pectin vỏ bưởi (HMP) và pectin lá sương sâm (LMP) 79

3.16 Độ truyền hơi nước của các màng được tạo thành từ

pectin vỏ bưởi (HMP) và pectin lá sương sâm (LMP) 79

3.17 Độ truyền khí oxy của các màng được tạo thành từ

pectin vỏ bưởi và pectin lá sương sâm 80 3.18 Độ hòa tan của các màng LMP – chitosan 85 3.19 Độ thấm hơi nước của các màng LMP – chitosan 85

Đường đẳng nhiệt hấp thụ ẩm của màng LMP/AG

không có và có bổ sung nano ZnO với các hàm lượng

Khả năng kháng các chủng vi sinh vật của màng

LMP/AG2 bổ sung nano ZnO với các hàm lượng khác

nhau

106

3.33 Phổ FTIR của màng LMP/AG2 có bổ sung 0,1%

3.34 SEM của bề mặt màng (ảnh trên) và mặt cắt ngang của

3.37 Hình ảnh đánh giá khả năng kháng vi sinh vật 115

3.38 Khả năng kháng các chủng vi sinh vật của các màng

Số hiệu

3.41 (a) Mẫu đối chứng; (b) Mẫu phủ màng P/AG/nano

3.42 Hình ảnh bơ được phủ màng P/AG/nano ZnO (trái) và

3.43 Hao hụt khối lượng (a) và độ cứng (b) của xoài trong

3.44 Cách gọt vỏ chuẩn bị mẫu để đo độ cứng của xoài 125 3.45 Hình ảnh xoài trong quá trình bảo quản 126

3.46 Độ màu (giá trị L) của vỏ xoài (a), ruột xoài (b) trong

3.47 Hao hụt khối lượng của xoài phủ màng và không phủ

màng bảo quản ở các nhiệt độ khác nhau 128

3.48 Độ cứng của xoài phủ màng và không phủ màng bảo

3.49

Tổng chất rắn hòa tan, đường khử, tổng acid và

vitamin C của xoài phủ màng và không phủ màng bảo

quản ở các nhiệt độ khác nhau

132

3.50

Số lượng tế bào nấm men và nấm mốc từ xoài phủ

màng và không phủ màng bảo quản ở các nhiệt độ

khác nhau

134

3.51 Tổng tế bào vi sinh vật hiếu khí từ xoài phủ màng và

không phủ màng bảo quản ở các nhiệt độ khác nhau 134 3.52 Hình ảnh bơ sau thời gian bảo quản 10 ngày 135 3.53 Cách chuẩn bị mẫu đo độ cứng của bơ 136

3.54 Hao hụt khối lượng của bơ phủ màng và không phủ

màng bảo quản ở các nhiệt độ khác nhau 137

3.55 Độ cứng của bơ phủ màng và không phủ màng bảo

Số hiệu

3.56 Độ màu của vỏ bơ phủ màng và không phủ màng bảo

3.57 Tổng chất rắn hòa tan của bơ phủ màng và không phủ

màng bảo quản ở các nhiệt độ khác nhau 141

3.58 pH của phần ruột bơ phủ màng và không phủ màng

3.59 Hàm lượng lipid và chỉ số iodine của bơ phủ màng và

không phủ màng bảo quản ở các nhiệt độ khác nhau 144

3.60 Số lượng tế bào nấm men, nấm mốc từ bơ phủ màng

và không phủ màng bảo quản ở các nhiệt độ khác nhau 145

3.61 Tổng tế bào vi sinh vật hiếu khí từ bơ phủ màng và

không phủ màng bảo quản ở các nhiệt độ khác nhau 145

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Pectin được sử dụng rộng rãi trong thực phẩm không chỉ là phụ gia an toàn với vai trò chất ổn định, chất nhũ hóa, chất làm đặc mà còn có tác dụng làm giảm chất béo, đường, cholesterol trong máu Nhu cầu sử dụng pectin thế giới ngày càng cao, hàng năm trung bình khoảng 45.000 tấn Tuy nhiên, việc sản xuất pectin đáp ứng cho nhu cầu tiêu dùng của thế giới vẫn còn hạn chế, chỉ có một số công ty đảm nhận vai trò cung cấp điển hình như Cargill và CP Kelco [106] Do đó việc nghiên cứu nhằm nâng cao sản lượng cũng như chất lượng của pectin là vấn đề cần thiết

Nguồn nguyên liệu để sản xuất pectin thương mại phổ biến nhất hiện nay vẫn là

bã táo và vỏ cam quýt [108] Điều này cũng là nguyên nhân làm hạn chế về số lượng pectin sản xuất được Trên thế giới cũng đã có nhiều công trình nghiên cứu về chiết tách pectin từ các nguồn nguyên liệu khác như vỏ thanh long, vỏ chuối, vỏ dưa hấu,… Tuy nhiên, hàm lượng và tính chất của pectin tùy thuộc vào vùng miền, loài, giai đoạn sinh trưởng, bộ phận, thổ nhưỡng, chế độ canh tác… của nguồn nguyên liệu, đặc biệt chưa có nghiên cứu nào đánh giá toàn diện hàm lượng và tính chất của sản phẩm pectin thu được Đối với nước ta, việc sản xuất pectin ở quy mô công nghiệp vẫn chưa được thực hiện, chủ yếu vẫn phải nhập khẩu từ nước ngoài với giá thành cao Trong khi đó, Việt Nam là nước có khí hậu nhiệt đới gió mùa nên nguồn nguyên liệu thực vật rất phong phú như chuối, bưởi, dưa hấu, Đặc biệt, lá sương sâm là một nguồn nguyên liệu phong phú, chứa hàm lượng pectin cao nhưng vẫn chưa có nghiên cứu nào về chiết tách pectin từ nguồn nguyên liệu này Vì vậy, việc nghiên cứu chiết tách pectin

từ một số nguồn thực vật có sẵn trong nước có ý nghĩa lớn trong việc mở ra khả năng

tự sản xuất pectin để cung cấp cho thị trường trong nước ở các lĩnh vực công nghệ thực phẩm và y học, hạn chế nhập khẩu với giá cao Ngoài ra, còn giúp các doanh nghiệp chủ động trong việc sản xuất các sản phẩm có ứng dụng pectin, nâng cao giá trị

sử dụng các sản phẩm nông nghiệp, đồng thời có thể giải quyết phế phẩm cho ngành chế biến rau quả, hạn chế ô nhiễm môi trường Qua tham khảo một số tài liệu [13], [29], [40], [108], nghiên cứu này chọn vỏ bưởi, vỏ dưa hấu, vỏ chuối và lá sương sâm làm nguồn nguyên liệu chiết tách pectin vì các nguồn nguyên liệu này có hàm lượng pectin cao và đây là nguồn nguyên liệu có nhiều tại Việt Nam

Nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, lại phát triển chủ yếu về nông nghiệp, theo báo cáo của Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn tại Hội nghị trực tuyến tổng kết công tác ngành nông nghiệp năm 2018 và triển khai kế hoạch năm 2019 “Năm

2018, thị trường tiêu thụ nông sản của Việt Nam được mở rộng, xuất khẩu đạt kỷ lục mới với con số 40,02 tỷ USD” Vì vậy việc bảo quản nông sản sau thu hoạch là một yêu cầu cấp bách nhằm tránh tình trạng “được mùa mất giá” Tuy nhiên vấn đề bảo quản trái cây là một công việc khó khăn vì sau khi thu hoạch, trái cây vẫn tiếp tục quá trình sống, vẫn tiếp diễn các thay đổi về thành phần hóa học, tính chất vật lí và những quá trình hóa sinh Việc sử dụng các màng là một lựa chọn tốt cho việc bảo quản rau quả vì màng sẽ tạo ra một rào cản bán thấm về khí và hơi nước, duy trì được chất lượng của sản phẩm Trong những năm gần đây, đã có một số công trình nghiên cứu màng sinh học bảo quản thực phẩm để thay thế cho bao bì plastic, do chúng có khả năng phân hủy sinh học dễ dàng, hạn chế ô nhiễm môi trường Hơn nữa, màng sinh học được làm từ nguồn nguyên liệu tự nhiên đảm bảo an toàn thực phẩm, không ảnh hưởng đến sức khỏe người tiêu dùng Nghiên cứu gần đây đã tập trung vào các loại màng làm từ polysaccharide như chitosan, hemicelluloses, tinh bột và cũng đã có một

số bài báo trình bày và đánh giá về sự phát triển và ứng dụng của màng ăn được [106] Tuy vậy mỗi loại màng đều có những ưu nhược điểm khác nhau và phù hợp để bảo quản một hoặc một nhóm thực phẩm nhất định Pectin là một polysaccharide có khả năng tạo màng làm rào cản khí oxy rất tốt nhưng ngược lại có độ hòa tan trong nước cao [70] Chính vì thế cần phải kết hợp với các polysaccharide khác và vật liệu nano

để cải thiện một số tính chất của màng Việc nghiên cứu màng pectin sử dụng trong bảo quản thực phẩm cũng là một xu hướng đang được quan tâm nhưng trên thế giới chưa có nhiều nghiên cứu về màng pectin đặc biệt chưa có nghiên cứu nào được thực hiện tại Việt Nam

Nghiên cứu này hướng đến việc tạo màng pectin sinh học nhằm bảo quản xoài

và bơ vì đây là hai loại trái cây có giá trị dinh dưỡng và giá trị kinh tế cao, có nhiều ở Việt Nam và các nước nhiệt đới, là loại trái cây được mọi người trên thế giới ưa chuộng Tuy nhiên xoài và bơ đều là những loại quả có cường độ hô hấp mạnh nên thời gian bảo quản ngắn gây khó khăn cho việc xuất khẩu Để hướng tới mục tiêu kéo dài thời gian bảo quản nhằm tiêu thụ rộng rãi và xuất khẩu, những công trình nghiên

cứu về bảo quản xoài và bơ là rất cần thiết, góp phần nâng cao giá trị thương phẩm cho rau quả trên thị trường trong và ngoài nước

Xuất phát từ những lí do trên, việc nghiên cứu thu nhận pectin từ một số nguồn thực vật và sản xuất màng pectin sinh học ứng dụng trong bảo quản xoài và bơ là một hướng nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực góp phần thúc đẩy ngành công nghệ sau thu hoạch nói chung và công nghệ thực phẩm nói riêng của nước ta ngày càng phát triển

2 Mục tiêu của luận án

Nghiên cứu chiết tách pectin từ các nguồn thực vật được trồng phổ biến ở Việt Nam (vỏ bưởi, vỏ dưa hấu, vỏ chuối và lá sương sâm) Xác định tính chất của các loại pectin chiết tách, từ đó lựa chọn nguồn pectin và polymer đồng tạo màng (CMC, chitosan, alginate) phù hợp để tạo màng pectin sinh học, ứng dụng trong bảo quản trái cây

3 Nội dung của luận án

Với những mục tiêu nêu ra, nhiệm vụ của đề tài là sẽ giải quyết các nội dung sau đây:

- Nghiên cứu chiết tách pectin bằng phương pháp ngâm chiết và siêu âm từ 4 nguồn nguyên liệu lựa chọn: lá sương sâm, vỏ chuối, vỏ dưa hấu và vỏ bưởi

- Xác định tính chất của các loại pectin thu nhận như độ nhớt, khối lượng phân

tử, chỉ số DE, từ đó lựa chọn loại pectin phù hợp để tạo màng

- Nghiên cứu tạo màng pectin sinh học (còn gọi là màng pectin composite) từ pectin với polymer đồng tạo màng là CMC, chitosan và alginate, từ đó lựa chọn phương án tạo màng thích hợp, đồng thời nghiên cứu phối hợp với vật liệu nano để nâng cao chất lượng của màng ứng dụng trong bảo quản trái cây

- Nghiên cứu ứng dụng màng pectin sinh học để bảo quản trái cây (xoài và bơ) Khảo sát ảnh hưởng của việc phủ màng và nhiệt độ đến thời gian bảo quản

4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án

Nội dung nghiên cứu của luận án có ý nghĩa khoa học và thực tiễn như sau:

- Ý nghĩa khoa học:

+ Cung cấp thông tin khoa học về quy trình công nghệ sản xuất pectin, các điều kiện tốt nhất để chiết tách pectin từ các nguồn nguyên liệu thực vật nghiên cứu, đồng thời xác định một số tính chất cơ bản của sản phẩm pectin

+ Đánh giá khả năng tạo màng phối hợp giữa pectin có chỉ số methoxyl cao (HMP) và pectin có chỉ số methoxyl thấp (LMP) với các polysaccharide đồng tạo màng là chitosan (CS), alginate (AG), carboxyl methyl cellulose (CMC) Cung cấp thông tin về các chỉ tiêu cơ, lý, hóa, sinh học của các loại màng pectin composite

+ Chứng minh khả năng tạo màng phối hợp giữa pectin với vật liệu nano (nanochitosan và nano ZnO)

+ Xác định khả năng sử dụng màng pectin sinh học để kéo dài thời gian bảo quản xoài và bơ Chứng minh tính ưu việt của việc sử dụng màng pectin sinh học trong bảo quản bảo quản trái cây

- Ý nghĩa thực tiễn:

+ Là cơ sở để xây dựng công nghệ sản xuất pectin từ các nguồn nguyên liệu sẵn

có tại Việt Nam, đặc biệt là từ các nguồn phế phụ phẩm của chế biến rau quả góp phần giảm thiểu lượng pectin ngoại nhập, đồng thời hạn chế ô nhiễm môi trường

+ Là cơ sở để xây dựng qui trình sản xuất các loại màng pectin sinh học nhằm mục đích ứng dụng trong bảo quản thực phẩm

+ Là cơ sở để ứng dụng màng phủ trong bảo quản bơ, xoài nhằm kéo dài thời gian bảo quản

5 Cấu trúc của luận án

Luận án gồm 148 trang (không kể phần phụ lục), kết cấu bao gồm:

Phần mở đầu có 4 trang trình bày tính cấp thiết, mục tiêu, nội dung, ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của luận án

Nội dung chính gồm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan tài liệu gồm 34 trang;

Chương 2: Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu, gồm có 17 trang;

Chương 3: Kết quả nghiên cứu gồm có 91 trang;

Phần kết luận và kiến nghị gồm 2 trang

Ngoài ra phần các công trình công bố và tài liệu tham khảo gồm 13 trang Trong luận án có 148 tài liệu tham khảo tiếng Việt, tiếng Anh và trang web

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

1.1 Tổng quan về pectin

1.1.1 Giới thiệu chung về pectin

Thành tế bào thực vật được cấu tạo từ nhiều loại polysacccaride như cellulose, pectin, xyloglucan và cả protein Các thành phần này gắn kết với nhau và tạo thành một mạng lưới không gian chặt chẽ Pectin chiếm một lượng khá lớn trong thành tế bào và chủ yếu nằm ở phiến giữa trong mô tế bào thực vật bậc cao [148]

1.1.1.1 Cấu trúc và thành phần hoá học của pectin

Giống như hầu hết các polysaccharide thực vật khác, thành phần hóa học của pectin thay đổi tùy theo nguồn nguyên liệu và điều kiện chiết tách Mặc dù pectin được phát hiện cách đây 200 năm nhưng thành phần và cấu trúc của pectin vẫn chưa được xác định rõ Cấu trúc của pectin rất khó xác định vì pectin có thể thay đổi trong quá trình chiết tách, quá trình bảo quản, chế biến nguyên liệu thực vật [97] Hiện nay, pectin chủ yếu là do các acid D-galacturonic tham gia tạo thành chuỗi polymer bằng liên kết α (1-4) glycosidic, trong đó có một số có nhóm carboxyl bị este hóa với methyl đối với pectin tự nhiên và trong một số loại pectin thương mại còn chứa cacboxamide (Hình 1.2) [93]

Tỉ lệ giữa lượng acid galacturonic este hóa với methyl so với tổng số đơn vị acid glacturonic hiện diện trong pectin được gọi là mức độ este hóa Dựa vào chỉ số

DE có thể phân loại pectin thành hai nhóm: pectin có DE> 50% gọi là HMP, pectin có

DE< 50% gọi là LMP Amidated pectin là pectin chiết tách bằng dung dịch amoniac, kết quả tạo ra sản phẩm có chứa các nhóm chức este với nhóm amide [101] Tùy thuộc nguồn thực vật và phương pháp chiết tách mà mức độ methyl hóa trong pectin có thể khác nhau [18]

a) carboxyl và este; b) amide

Tính chất độc đáo nhất của pectin là khả năng tạo gel với sự có mặt của đường

và acid hoặc các ion Ca2+ Tính chất tạo gel này làm cho nó có một vai trò quan trọng trong nhiều sản phẩm thực phẩm Cơ chế tạo gel của pectin được điều chỉnh chủ yếu bởi mức độ este hóa

HMP tạo gel khi có mặt của đường và acid bằng cách giảm hiện tượng hydrate hoá Khi thêm acid vào, các nhóm tích điện có khả năng ngậm nước cao chuyển thành

(a)

(b)

amide

nhóm acid carboxylic ít ngậm nước và không tích điện Việc giảm số lượng điện tích

âm này không chỉ làm giảm lực hút giữa các phân tử pectin và nước mà còn làm giảm lực đẩy giữa các phân tử pectin Đường tiếp tục làm giảm khả năng hydrate hóa của pectin bằng cách cạnh tranh lấy nước Những điều kiện này làm giảm khả năng phân tán của pectin [18], [21 Quá trình tạo gel của HMP và LMP được thể hiện như sơ đồ hình 1.3 và hình 1.4 Giá trị pK của pectin rất khác nhau tuỳ theo chỉ số DE của pectin, pectin có DE 65% thì pK 3,55 trong khi acid pectic có DE 0% thì pK 4,1 [101]

LMP tạo gel cần phải có cation hóa trị hai, thường là canxi Ở LMP, tỉ lệ các nhóm COO- cao do đó các liên kết giữa những phân tử pectin sẽ được tạo thành qua cầu nối là Ca2+ Cơ chế tạo gel của LMP được dựa trên mô hình “hộp trứng” như mô hình tạo gel ở hình 1.4 Cấu trúc của gel phụ thuộc vào nồng độ Ca2+ và gel này có tính

trung tâm để phát triển kết cấu thực phẩm đạt yêu cầu Những hệ gel này mạnh và đàn hồi hơn khi thêm cầu nối liên kết như ion canxi [99] Gần đây người ta nghiên cứu đến

sự tương tác giữa pectin và một số loại keo khác như quá trình tạo gel của LMP với guar, tinh bột oxy hóa, maltodextrin từ khoai tây và gum arabic Khả năng tương tác giữa các chất này tốt khi các chất có khả năng tương thích không gian cao [99]

1.1.2 Kĩ thuật thu nhận pectin

Quá trình thu nhận pectin gồm 3 công đoạn chính như sau: [Nguyên liệu] Chiết tách [Pectin hòa tan] Kết tủa [Pectin kết tủa] Hoàn thiện [Sản phẩm pectin]

1.1.2.1 Công đoạn chiết tách pectin

Pectin trong nguyên liệu bao gồm pectin hòa tan và protopectin không tan Protopectin nằm dưới dạng liên kết với các thành phần khác của thành tế bào thực vật,

vì vậy công đoạn đầu tiên trong qui trình thu nhận pectin là làm đứt các liên kết để chuyển protopectin từ thành tế bào ra bên ngoài dưới dạng pectin hòa tan Một số phương pháp chiết tách pectin đã được sử dụng như:

1) Chiết bằng phương pháp ngâm chiết

- Chiết tách trong nước

Bằng cách gia nhiệt nguyên liệu trong nước có thể chiết tách pectin Phương pháp này không được sử dụng trong công nghiệp vì phải thực hiện trong thời gian dài

và nhiệt độ cao Hai yếu tố này sẽ dẫn đến sự thủy phân pectin trong quá trình chiết tách và rất tốn kém vì nhu cầu năng lượng cao

- Chiết tách trong dung dịch acid

Hiện nay sản xuất pectin công nghiệp chủ yếu sử dụng phương pháp ngâm chiết trong dung dịch acid Protopectin trong nguyên liệu sẽ chuyển thành pectin hòa tan dưới tác dụng của acid [74] Pectin có chỉ số este hóa cao được chiết tách hiệu quả bằng dung dịch acid yếu vì các liên kết hóa học của protopectin yếu Để thúc đẩy quá trình thủy phân của protopectin và tách pectin, người ta thường dùng dung dịch acid

vô cơ (HC1, H2SO3, H2SO4, HNO3) và một số acid hữu cơ có khối lượng phân tử thấp (acetic; oxalic, citric, tartaric,…) [133] Trong môi trường acid mạnh liên kết glycosidic của pectin bị thủy phân nhiều

2) Chiết tách bằng enzyme

Chiết bằng enzyme sẽ tạo được sản phẩm xanh và sạch nhưng giá thành cao

Hơn nữa, chiết bằng phương pháp này kéo dài thời gian xử lí nguyên liệu (khoảng 20 giờ) và pectin thu được có khả năng tạo gel

thấp [125] Kết quả nghiên cứu của tiến sĩ của Oni Yuliarti năm 2011 cho thấy pectin thu nhận bằng hỗn hợp chế phẩm enzyme thương mại (Cellulast 1,5L, Cellullyve TR

400 và Cytolase CL) có khối lượng phân tử thấp hơn so với pectin thu nhận bằng phương pháp acid và nước [101]

3) Chiết tách bằng dung dịch muối và kiềm

Việc sử dụng muối làm tác nhân chiết tách chủ yếu để thay thế các ion kim loại hóa trị 2 hoặc 3 của pectin hòa tan hoặc muối của pectin Các tác nhân được sử dụng là muối của kim loại hóa trị 2 hoặc 3 của acid nitric, sulfuric, acid phosphoric, cả polyphosphat và oxalat Trên quy mô công nghiệp, việc chiết tách pectin này không còn thực hiện vì phải sử dụng một lượng muối rất lớn Hơn nữa dịch chiết pectin có chứa nồng độ muối lớn do đó rất khó để làm sạch và xử lí chất thải về sau

Chiết pectin bởi dung dịch kiềm diễn ra hiệu quả ở độ pH 7-12 Tác nhân chiết tách thường sử dụng nhất là các dung dịch của NH4OH Trong dung dịch kiềm, protopectin bị thủy phân, quá trình de-este hóa của pectin diễn ra, mạch pectin bị cắt đứt rất mạnh do đó khả năng tạo gel không cao

4) Chiết tách pectin bằng phương pháp siêu âm

Các phương pháp truyền thống để chiết tách pectin là gia nhiệt trực tiếp khoảng 60-100oC trong khoảng thời gian 20-360 phút và pH 1-3 Quá trình chiết này có nhược điểm là thời gian dài [47] Việc chiết có hỗ trợ siêu âm được thực hiện dựa vào cơ chế

là do tác động cơ học, xâm thực khí và những hiệu ứng nhiệt dẫn đến sự tác động đến thành tế bào thực vật, làm phá vỡ thành tế bào, giảm kích thước của các chất và tăng

sự chuyển động của các chất qua màng tế bào Một vài nghiên cứu cho thấy siêu âm làm tăng năng suất hoặc hiệu suất chiết cũng như giảm thời gian chiết tách pectin [55]

1.1.2.2 Công đoạn kết tủa pectin

Để kết tủa pectin có thể sử dụng các loại rượu như isopropanol, methanol, ethanol Ngoài ra có thể dùng các tác nhân kết tủa khác như nhôm clorua, nhôm hydroxide và sunfate Theo Steven Nagy, các pectin mang điện tích âm sẽ liên kết với keo mang tích điện dương tạo kết tủa, sau đó tạo thành các mạng liên kết hình giống cái lược nổi lên trên bề mặt [114] Trong thực tế, người ta thường sử dụng rượu vì

pectin có chỉ số DE cao (>70%) không kết tủa tốt với các muối và hơn nữa khi kết tủa bằng muối, phải có

công đoạn rửa và loại bỏ muối ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi pectin [87]

1.1.2.3 Quy trình sản xuất pectin thương mại

Hiện nay, trên thế giới người ta đã sản xuất pectin ở quy mô công nghiệp và nguyên liệu sử dụng chủ yếu là bã táo và vỏ cam quýt Quy trình sản xuất pectin thương mại được thể hiện ở hình 1.5

1.1.3 Tổng quan về nguồn nguyên liệu chiết tách pectin

Nguyên liệu chính sử dụng trong sản xuất pectin thương mại là vỏ cam quýt và

bã táo Trong nghiên cứu này, bốn loại nguyên liệu sau đã được sử dụng để nghiên cứu:

1.1.3.1 Vỏ dưa hấu

Dưa hấu có tên khoa học là Citrullus lanatus được trồng trên khắp nước ta Dưa

Vỏ cam quýt hoặc bã táo

Chiết tách

Lọc

Kết tủa bằng rượu etylic

De-este hóa Làm khô

Nghiền nhỏ Phối trộn

Rượu bay hơi Làm khô

Nghiền nhỏ

Phối trộn

Acid hoặc base (Amonia)

Rượu bay hơi

Pectin có chỉ số este hóa cao Pectin có chỉ số este hóa thấp

hấu gồm 3 phần chính: thịt quả chiếm khoảng 68% trọng lượng, vỏ chiếm 30% còn lại

là hạt với khoảng 2% [85] Vỏ chiếm một phần trọng lượng đáng kể nhưng phần lớn đều bị bỏ đi khi sử dụng, đặc biệt trong các ngành công nghiệp sản xuất nước ép dưa hấu hay bột pure dưa hấu Đã có nhiều nghiên cứu xác định thành phần hóa học của vỏ dưa hấu để tìm ra hướng ứng dụng mới Kết quả thành phần hóa học của vỏ dưa hấu được thể hiện ở bảng 1.1

Bảng 1.1 Thành phần hóa học của vỏ dưa hấu tươi và khô [40]

Kết quả ở bảng 1.1 cho thấy pectin chiếm 13,41% lượng vỏ dưa hấu khô, chứng

tỏ hàm lượng pectin trong vỏ dưa hấu tương đối cao

1.1.3.2 Vỏ chuối

Sản lượng chuối đứng thứ hai trên thế giới sau sản lượng các loại quả chi Citrus [50] Chính vì vậy đây là nguyên liệu dồi dào có thể đáp ứng cho quá trình sản xuất pectin Theo nghiên cứu của Anhwange (2009), vỏ chuối sấy khô với độ ẩm 6,7% có thành phần hóa học như bảng 1.2 [26]

Bảng 1.2 Thành phần hóa học của vỏ chuối khô [26]

bưởi ép, chiết tách tinh dầu, làm dược liệu Trong quá trình tiêu thụ, chỉ 50% khối lượng tươi của quả là phần ăn được, 50% khối lượng phế thải còn lại (bao gồm vỏ quả, cùi bưởi, hạt,…) được thải ra môi trường Thống kê của Mark và cộng sự (2007) cho thấy trong giai đoạn 2003-2004, cứ một triệu tấn bưởi được sử dụng thì sau khi xử lý

đã thải ra môi trường 500 nghìn tấn vỏ bưởi phế thải, đây là nguồn chưa được sử dụng

có hiệu quả mà chỉ bán làm thức ăn gia súc Theo nghiên cứu của Pawadee Methacanon và cộng sự, trong vỏ bưởi (phần vỏ trắng) có chứa hàm lượng pectin lên đến 30% so với trọng lượng vỏ khô Như vậy, với hàng triệu tấn bưởi được tiêu thụ hằng năm thì lượng phế thải bưởi được thải ra là cực lớn, đây là nguồn nguyên liệu dồi dào cho tách chiết thu nhận pectin [108]

1.1.4 Một số ứng dụng của pectin

Hiện nay, pectin có nhiều ứng dụng trong công nghệ thực phẩm Một ứng dụng phổ biến của pectin là sử dụng HMP tạo cấu trúc cho mứt đông và mứt trái cây có chứa đường, LMP tạo cấu trúc trong các sản phẩm mứt trái cây không đường dành cho người bị bệnh tiểu đường Trong công nghệ chế biến nước giải khát, pectin giúp ổn định hệ huyền phù của sản phẩm Trong yaourt trái cây, pectin tạo cấu trúc mịn, giúp phân bố đều các mẫu trái cây nhỏ trong sữa và nó còn làm cho sản phẩm có bề mặt nhẵn bóng Trong yaourt uống, pectin từ táo và quả chi Citrus bảo vệ protein không bị biến tính trong quá trình tiệt trùng, ngăn chặn protein kết tủa và sự kết bông Pectin giúp sản phẩm ổn định và đạt tính chất cảm quan tốt nhất, không giảm chất lượng ngay

cả khi bảo quản một thời gian dài

Trong công nghệ dược phẩm, pectin được dùng chế thuốc uống, thuốc tiêm để cầm máu trước và sau phẫu thuật răng hàm mặt, tai mũi họng, phụ khoa, chữa chảy máu đường tiêu hóa, tiết niệu Dung dịch pectin 5% còn được sử dụng như thuốc sát trùng H2O2 trong phẫu thuật răng hàm mặt, tai mũi họng Ngoài ra pectin có một số tác dụng dược lý như kéo dài thời gian tiêu hóa thức ăn trong ruột, có tác dụng tăng hấp thu dưỡng chất trong thức ăn; giảm hấp thu lipit, khống chế tăng đường huyết trước và sau bữa ăn ở người có bệnh tiểu đường, chống táo bón; giảm cholesterol toàn phần trong máu (đặc biệt là giảm cholesterol xấu LDL) ở người rối loạn lipit máu

Ngoài ra, pectin còn có khả năng tạo màng nên có thể được sử dụng để bao gói hoặc phủ màng nhằm mục đích rào cản hơi nước, rào cản khí và vi sinh vật

1.2 Tổng quan về màng pectin sinh học

1.2.1 Tổng quan về màng pectin

Các polysaccharide đều có khả năng tạo màng, pectin cũng có tính chất tạo màng Màng ăn được ứng dụng trong lĩnh vực thực phẩm chỉ mới được nghiên cứu trong 50 năm qua Màng pectin được nghiên cứu và chính thức được cấp bản quyền phát minh sáng chế vào năm 2004 cho nghiên cứu của Ross C., San Diego ở Hoa Kỳ [120] về cách tạo màng như sau: pha dung dịch pectin (hãng CP Kelco) nồng độ 14% bằng nước khử ion ở nhiệt độ 65°C, dung dịch pectin sau khi tan hoàn toàn được trung hòa với dung dịch NaOH 10% đến pH = 6,5 Sử dụng chất hóa dẻo là glycerin 1% và polyethylene glycol 0,5% cùng với 2,3% tinh dầu và 0,4% natri saccharin Dung dịch được đổ lên khuôn nhựa polystyrene

Một ví dụ khác về quá trình tạo màng pectin của Scott, Robert và cộng sự được cấp bản quyền sáng chế châu Âu năm 2002 [129] Trong quy trình tạo màng này các tác giả tạo màng bằng phương pháp phủ với các bước chính: Chuẩn bị dung dịch tạo màng Tiến hành nhúng viên nang gelatin cứng (được sản xuất sẵn) vào dung dịch tạo màng, giữ ở 60°C Sau đó đưa qua hệ thống sấy thì sẽ thu được viên nang gelatin cứng

có màng phủ Thành phần của màng phủ là pectin 16,3%, tinh bột hydroxypropyl 65,3%, glycerol 8,1%, CaCl2 0,2% [129]

Màng pectin có những tính chất như sau:

- LMP có thể tạo liên kết ngang với ion canxi để tạo thành gel và màng Độ bền kéo của màng pectin tăng lên khi nhóm metoxyl thấp, việc loại bỏ các nhóm este dẫn

đến tăng liên kết ngang giữa các nhóm cacboxyl [63]

- Pectin có tính ưa nước nên màng pectin có thể thấm truyền hơi nước cao Khả năng thấm nước của màng pectin cao hơn so với các màng tinh bột, chitosan, PE vì pectin là một polysaccarit có nhiều nhóm –OH nên khả năng phân cực lớn Ta có thể cải thiện tính chất này bằng việc bổ sung parafin hoặc sáp ong hoặc kết hợp với các polysaccarit khác như chitosan, alginate hoặc CMC [63]

- Pectin có khả năng thấm khí nhưng khả năng thấm khí của nó thấp hơn so với màng chitosan, PE, màng amylopectin,… Độ thấm khí này còn phụ thuộc vào mức độ ion hóa, chỉ số liên kết ngang, khối lượng lượng phân tử, khả năng liên kết hydro [63] Dựa vào tính chất này người ta có thể sử dụng màng pectin để kéo dài thời gian bảo quản của trái cây và rau quả

- Màng pectin có thể là chất mang để cố định các tác nhân kháng vi sinh vật, chất chất chống oxy hóa, một số chất dinh dưỡng, phụ gia thực phẩm nên khi phủ cho thực phẩm sẽ ngăn ngừa những hư hỏng hóa học và vi sinh

- Pectin có tính chất dễ tan trong nước và ăn được do đó rất tiện lợi cho việc sử dụng, không cần phải thực hiện quá trình phân hủy hay tái sử dụng mà vẫn đảm bảo không ảnh hưởng đến môi trường

- Màng pectin có đặc tính là không bám dính và có bề mặt hơi bóng [63]

Màng được tạo thành từ riêng pectin có độ bền kéo đứt thấp, độ hòa tan cao, độ thấm hơi nước cao nên gây hạn chế trong ứng dụng bảo quản thực phẩm Màng tổng hợp có thể được xây dựng nhằm kết hợp những ưu điểm của mỗi thành phần [73]

Một số tác giả đã nghiên cứu sử dụng màng ăn được từ pectin để bảo quản rau, quả, thịt và các sản phẩm thực phẩm khác nhằm cải thiện, bảo vệ hoặc tăng giá trị cảm quan của sản phẩm [63] Nghiên cứu này hướng tới ứng dụng bảo quản trái cây do đó màng tạo được phải có khả năng trao đổi nước và khí Màng tạo được để bảo quản trái cây phải có mức độ thấm khí và nước thích hợp do đó cần phải bổ sung các chất phụ trợ để phù hợp với mỗi loại trái cây

1.2.2 Khả năng đồng tạo màng giữa các polysaccharide

Bản chất chung của các polysaccharide là đều có khả năng tạo màng Việc phối trộn các polysaccharide đã tạo nên những màng có tính chất khác so với màng đơn lẻ Pectin có khả năng kết hợp với các polysaccaride khác và tạo thành gel, đặc biệt là với

alginate [99] Gần đây người ta nghiên cứu đến sự tương tác giữa pectin và một số loại keo khác như quá trình tạo gel của LMP với guar, tinh bột oxy hóa, maltodextrin từ khoai tây và gum arabic Khả năng tương tác giữa các chất này tốt khi các chất có khả năng tương thích không gian cao [109] CMC là một trong những dẫn xuất phổ biến của cellulose, nó là một polysaccaride anion không có hại đối với sức khỏe con người

và có khả năng tạo màng tốt CMC có khả năng cải thiện độ bền cơ học và có tính chất rào cản của màng tinh bột CMC có chứa mạch chính là polysaccaride kị nước và có chứa nhiều nhóm carboxyl ưa nước do đó CMC vừa có tính ưa nước và kị nước do đó

nó có thể sử dụng để tạo màng dễ phân hủy và ăn được [73] Chitosan và alginate cũng

là các polysaccharide có khả năng tạo màng có độ bền cơ học tốt và ăn được [73]

1.2.3 Nguyên liệu sử dụng trong nghiên cứu tạo màng pectin sinh học

nó có thể sử dụng nhiều trong việc tạo màng ăn được CMC có khả năng cải thiện độ bền cơ học và có tính chất rào cản của màng tinh bột Hơn nữa, CMC có chứa mạch chính là polysaccaride kị nước và có chứa nhiều nhóm carboxyl ưa nước do đó CMC vừa có tính ưa nước và kị nước do đó nó có thể sử dụng để tạo màng dễ phân hủy và

ăn được [55] Theo nghiên cứu của Zhi-Wei W và cộng sự thì LMP và CMC có khả

năng kết hợp với nhau để tạo màng [147]

2) Chitosan (CS)

Chitosan là dẫn xuất chính của chitin, đại phân tử được tìm thấy trong khung xương động vật giáp xác và động vật thân mềm, được sản xuất bằng cách deacetyl hóa chitin Chitosan là là poly β-(1-4)-2-amino-2-deoxy-D-gluco hoặc là poly β-(1-4)-D-glucosamin Cấu trúc lý tưởng của chitosan được thể hiện trong hình 1.7 Chitosan thương mại điển hình có khoảng 85% được deacetyl hóa [55], [89] Chitosan không hòa tan trong nước ở pH trung tính

Tuy nhiên, nó có thể hoà tan trong acid acetic và HCl loãng nhưng không hòa tan trong acid sunfuric loãng ở nhiệt độ phòng Tại pH acid, nhóm -NH2 chuyển sang -

NH3 +, có thể kết hợp với polyanions để tạo ra các phức Ở pH cao (> 4), chitosan có thể tạo phức với kim loại nặng Những tính chất này làm cho chitosan được ứng dụng rộng rãi trong việc làm lành vết thương, sản xuất da nhân tạo, bảo quản thực phẩm, mỹ phẩm, và xử lý nước thải Chitosan tạo màng có độ bền cơ học tốt [55] và có khả năng tạo màng với các polymer có chứa nhóm chức mang điện tích âm Nghiên cứu của tác giả Dang T.M.Q cho thấy có thể tạo màng từ chitosan và methylcellulose [48]

3) Alginate (AG)

Alginate được chiết tách từ rong biển nâu Alginate có mặt trong rong biển ở dạng muối của natri, calcium, magie, stronti và barium và ở dạng gel hóa

Hình 1.8. Cấu trúc của alginate

Alginate được chiết tách từ rong biển nâu Alginate có mặt trong rong biển ở dạng muối của natri, calcium, magie, stronti và barium và ở dạng gel hóa

Alginate là polymer tuyến tính, không phân nhánh chứa β - (1 → 4) giữa mannuronic acid (M) và liên kết α- (1 → 4) giữa acid L-guluronic (G) và là một polymer anion Alginate là copolymer không ngẫu nhiên, là một copolymer có dạng khối Khi có mặt của calcium hoặc một loại ion hóa trị hai thì alginate lập tức tạo gel,

D-vì nó tạo cấu trúc không gian ba chiều dạng "hộp trứng" trong đó ion Ca 2+ tạo cầu nối giữa khu vực tiếp giáp của chuỗi polymer liền kề [55] Theo nghiên cứu của Alborzi S

và Sabina G thì alginate và pectin kết hợp với nhau để tạo màng vì cả hai đều chứa nhóm chức COO- nên có thể tạo cấu trúc dạng “hộp trứng” khi có mặt ion Ca2+ [18], [123]

1.2.3.2 Chất hóa dẻo

Chất hoá dẻo là những chất phân tử thấp được thêm vào để làm mềm cấu trúc của màng Các chất hóa dẻo cải thiện tính chất cơ học, khả năng làm rào cản và các tính chất vật lý của màng biopolymer Chúng phải phù hợp với các polymer tạo màng, chúng có khả năng làm giảm lực giữa các phân tử và tăng tính di động của các chuỗi polymer Hợp chất ưa nước như polyols (glycerol, sorbitol) và polyethylene glycol thường được sử dụng làm chất hóa dẻo trong màng ưa nước Hợp chất tan trong chất béo như dầu trong các loại rau, lecithin hay các acid béo cũng có thể đóng vai trò như chất nhũ hoá và hóa dẻo [73] Nghiên cứu này chọn glycerol để tạo màng

1.2.3.3 Chất kháng khuẩn

Một số loại chất kháng vi sinh vật thường dùng trong bảo quản thực phẩm như acid benzoic, acid propionic, natri benzoate, acid sorbic và kali sorbate được cố định lên màng phim hoặc màng phủ để ức chế sự phát triển của vi khuẩn và nấm mốc Thực

tế, các chất kháng vi sinh vật này chỉ có khả năng ức chế sự phát triển của vi sinh vật trên bề mặt thực phẩm Chất bảo quản này có thể là những chất bảo quản hóa học hoặc chất bảo quản tự nhiên Xu thế mới hiện nay là sử dụng các vật liệu nano có khả năng kháng vi sinh vật Trong nghiên cứu này sử dụng nanochitosan và nano ZnO trong qui trình tạo màng nhằm nâng cao khả năng kháng khuẩn

a) Nanochitosan

Nanochitosan được quan tâm nhiều trong lĩnh vực chế biến thực phẩm, trong y học Việc sử dụng các polysaccharide tự nhiên có cố định nanochitosan đã thu hút được sự nghiên cứu của nhiều nhà khoa học vì chúng có khả năng tương thích sinh học, có khả năng phân hủy sinh học và có tính ưa nước, đặc biệt nanochitosan có tính chất độc đáo là có khả năng kháng vi sinh vật

Nanochitosan có thể được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau, sau đây là một ví dụ về phương pháp tổng hợp nanochitosan:

Phương pháp này bắt đầu từ sự gel hóa ion, quá trình gel hóa chitosan xảy ra đồng thời với quá trình đồng trùng hợp các methacrylic acid Bước đầu tiên xảy ra ở nhiệt độ phòng, có sự khuấy trộn của dung dịch methacrylic acid với dung dịch chitosan tích điện trái dấu

Việc tích điện trái dấu của chitosan và methacrylic acid dẫn đến việc tạo liên Acrylic acid

kết ion, trong khi đó việc trùng hợp gốc được bắt đầu bằng việc bổ sung kali persulfate Phản ứng này bắt đầu xảy ra dưới điều kiện nhiệt độ 60 - 70oC Phản ứng trùng hợp kéo dài khoảng 6 giờ, sau đó quá trình hình thành các hạt nano được ổn định qua đêm Cuối cùng, các monomer không phản ứng được loại bỏ bằng cách rửa nhiều lần bằng nước cất [113]

b) Nano ZnO

Các hạt nano từ kim loại như đồng, kẽm và vàng đã được nghiên cứu nhiều trong thời gian gần đây Nano ZnO đã được nghiên cứu là có tính kháng khuẩn Trên

cơ sở phân tích sự phát triển của vi sinh vật thì thấy nano ZnO có khả năng kháng một

số loại vi sinh vật như S aureus cao hơn so với các oxit kim loại khác Trong một

nghiên cứu khác vào năm 2008, Tam và cộng sự đã nghiên cứu và cho thấy nano ZnO được điều chế bằng phương pháp thủy nhiệt có khả năng kháng vi sinh vật Khi nano ZnO ở nồng độ 5mM đến 15mM thì dung dịch này có khả năng kháng hoàn toàn vi sinh vật, có nghĩa là không có tế bào vi sinh vật sống nào trên một đơn vị đo Nano ZnO có tác dụng phá hủy màng tế bào vi sinh vật nên có khả năng tiêu diệt vi sinh vật [136] Là một trong những oxit kim loại, nano ZnO có tổng diện tích bề mặt lớn, có khả năng kết tinh, có tính chất cơ học tốt chính vì thế mà chúng là hạt nano tiềm năng trong việc ứng dụng gia cường vật liệu polymer Hơn nữa, nano ZnO có tính chất đặc biệt nữa là chúng có khả năng hấp thụ tia cực tím và có khả năng kháng vi sinh vật, do vậy rất thích hợp trong lĩnh vực ứng dụng bảo quản thực phẩm Thêm vào đó, nano ZnO có thể được tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau với giá thành thấp hơn nhiều so với việc tổng hợp các hạt nano kim loại khác Điều quan trọng hơn nữa là nano ZnO được tin tưởng là không độc hại và được liệt kê trong danh sách thành phần

an toàn (GRAS) bởi FDA Nano ZnO sử dụng trong nghiên cứu này được tổng hợp bằng phương pháp sol-gel [71]

1.2.4 Các phương pháp tạo màng phim và màng phủ

1.2.4.1 Phương pháp tạo màng phim

Để tạo màng phim, có thể sử dụng công nghệ đúc, đùn, tạo màng trên băng tải, khuôn hoặc sấy phun Việc lựa chọn phương pháp nào phụ thuộc vào bản chất của nguyên liệu và mục đích công nghệ

Quá trình tạo màng trên khuôn được thực hiện dựa trên nguyên tắc: Dung dịch

được đổ màng hoặc trải đều lên khuôn, thường làm bằng polyester hoặc giấy để phủ Các chất nền tạo màng được đưa qua một buồng sấy để loại bỏ nước Quá trình tạo màng trên khuôn được biểu diễn ở hình 1.10

Hình 1.10 Quá trình tạo màng trên khuôn ở quy mô phòng thí nghiệm [73]

1.2.4.2 Phương pháp tạo màng phủ

Cách đơn giản nhất để ứng dụng màng là tạo màng trực tiếp từ dung dịch Phụ thuộc vào nồng độ của dung dịch tạo màng, sản phẩm sẽ hấp thụ một lượng thích hợp của lớp phủ cần thiết để hình thành lớp phủ mong muốn và khi sấy khô sẽ tạo thành một lớp bảo vệ trên bề mặt thực phẩm Màng thu được bằng cách bay hơi nước có độ thấm nước thấp hơn so với màng tạo thành bằng phương pháp sấy phun Màng cũng có thể được hình thành bằng cách làm lạnh các dung dịch Tuy nhiên làm mát có thể dẫn đến hiện tượng tạo chất ở trạng thái vô định hình, dạng tinh thể hoặc tạo các màng với các độ thấm khác nhau [73]

1.3 Một số phương pháp bảo quản trái cây

1.3.1 Bảo quản ở nhiệt độ thấp

Bảo quản lạnh là một phương pháp tốt để bảo quản rau quả Các phương pháp khác chỉ đạt hiệu quả cao khi được kết hợp với bảo quản ở nhiệt độ thấp Xoài và bơ là loại quả dễ hư hỏng vì sau thu hoạch quá trình hô hấp diễn ra nhanh, kết quả là quả mềm gây ảnh hưởng xấu đến việc bảo quản, thao tác và vận chuyển Vì chỉ bảo quản trong thời gian ngắn nên xoài và bơ không thể vận chuyển để tiêu thụ ở vùng xa

Bảo quản lạnh là một trong những phương pháp quan trọng của công nghệ sau thu hoạch Tuy nhiên việc kéo dài thời gian bảo quản bằng phương pháp này gặp khó khăn vì nhiệt độ phải đủ thấp để hạn chế những tổn thương do quá trình chín nhưng

đồng thời không bị tổn thương lạnh Lợi ích chính của việc bảo quản lạnh xoài là duy trì được độ cứng của quả bằng cách làm giảm hao hụt khối lượng và một số quá trình trao đổi chất khác Đối với hầu hết các giống bơ, khi giảm nhiệt độ bảo quản làm tăng thời gian bảo quản đáng kể vì quá trình hô hấp bị ức chế mạnh bởi nhiệt độ thấp Tốc

độ hô hấp của các loại quả hô hấp đột biến và hô hấp không đột biến được biểu diễn ở bảng 1.3

Bảng 1.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ hô hấp của một số loại quả

(được biểu diễn bằng hàm lượng CO 2 tạo thành, mlCO 2 /kg.h) [44]

hô hấp của quả

Bảo quản xoài trong điều kiện lạnh có thể kéo dài thời gian bảo quản được 3-4 ngày so với bảo quản ở điều kiện thường Tuy nhiên việc bảo quản lạnh các loại trái cây nhiệt đới như xoài có hạn chế bởi quá trình tổn thương lạnh, hầu hết các giống xoài phải được bảo quản ở nhiệt cao hơn 13oC Một số giống xoài có thể bảo quản an toàn ở nhiệt độ 7-8°C trong khi một số khác yêu cầu bảo quản phải ở nhiệt độ trên

10oC hoặc thậm chí trên 13oC tùy thuộc vào mức độ chín, giống xoài và thời gian bảo

quản Có thể bảo quản xoài ở nhiệt độ 10oC với quả chín và quả xanh tương ứng khoảng 18-21 ngày hoặc 23-26 ngày

Tổn thương lạnh ở bơ gây ra các triệu chứng như nâu hóa vỏ, thịt quả, không chín sau bảo quản, tạo ra mùi vị xấu Nhiệt độ bảo quản có tổn thương lạnh xảy ra ở

bơ được biểu diễn ở bảng 1.4 Hơn nữa, trái cây bị tổn thương lạnh sẽ không thể chín tiếp bình thường được Vì vậy việc chọn nhiệt độ thích hợp cho quá trình bảo quản quả

là một công việc khó khăn vì nó phải đảm bảo kéo dài thời gian bảo quản đồng thời tránh hiện tượng tổn thương lạnh

Bảng 1.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ bảo quản đến thời hạn chín

và tổn thương lạnh của bơ [57]

Nhiệt độ,

o C

Số ngày quả chín

Tổn thương lạnh, %

Nhiệt độ,

o C

Số ngày quả chín

Tổn thương lạnh, %

1.3.2 Bảo quản bằng điều chỉnh thành phần khí quyển

Với các loại trái cây có hô hấp đột biến, có thể sử dụng phương pháp điều chỉnh thành phần khí quyển để kéo dài thời gian bảo quản bằng cách tăng hàm lượng CO2 và giảm hàm lượng O2, kết quả sẽ hạn chế được các quá trình gây chín quả như quá trình

hô hấp và sản sinh ethylene

Trong nghiên cứu của Rathore và cộng sự, nhóm tác giả sử dụng túi polyethylene để bọc xoài, kết quả làm giảm quá trình hô hấp và quá trình thoát hơi nước, tăng thời gian bảo quản ở một khoảng nhất định Tuy nhiên việc đọng nước trên

bề mặt của túi polyethylene tạo ra những hiệu ứng không tốt do đó có một số nghiên cứu cải tiến, như bảo quản xoài trong túi polyethylene có đục lỗ Xoài là loại quả có khả năng dung nạp một lượng thấp CO2, vì vậy nếu tạo môi trường với hàm lượng thấp CO2 (10 and 20%) kết hợp với hàm lượng O2 hàm lượng 5% làm giảm được quá trình sản sinh ethylene trong 3 tuần trong điều kiện bảo quản ở 12oC mà không ảnh hưởng gì đến quá trình chín Bảo quản ở điều kiện hàm lượng oxy thấp 1% sẽ làm cho xoài có những mùi không đặc trưng và màu vỏ không bình thường trong quá trình bảo quản Khi nghiên cứu với xoài, người ta nhận thấy rằng ở nồng độ CO 50% và 2% O

trong 5 ngày hoặc 70-80% CO2 và ít hơn 0,1% O2 trong 4 ngày thì không có ảnh hưởng xấu đến quá trình chín [65]

1.3.3 Bảo quản trái cây bằng phương pháp phủ màng

Việc sử dụng các màng phim và màng phủ đang được nghiên cứu là một lựa chọn tốt cho việc bảo quản rau quả vì màng sẽ tạo ra một rào cản bán thấm về khí và hơi nước, duy trì được chất lượng của sản phẩm Màng phim và màng phủ đang được nghiên cứu là chất mang hiệu quả để nâng cao chất lượng bảo quản Sau đây là một số

ví dụ về bảo quản trái cây bằng màng phủ (bảng 1.5)

Bảng 1.5 Kết quả bảo quản một số loại trái cây bằng màng phủ [38]

Loại

Dâu tây

Carrageenan Glycerol, CaCl2

Tween 80 Giảm hao hụt khối lượng

Lê Sáp Carnauba - Làm giảm sự thay đổi màu và hàm

lượng oxy bên trong quả

Tạo được môi trường khí quyển điều chỉnh, làm giảm hư hỏng, nâng cao giá trị cảm quan bề mặt Màng phủ polysaccharide làm giảm quá trình chín tăng hàm lượng chất thơm Màng phủ sáp carnauba làm giảm hao hụt khối lượng

Nói chung, mục đích của việc sử dụng màng phim và màng phủ là để kìm hãm quá trình trao đổi khí, hơi nước và chất thơm vì vậy nó làm nhiệm vụ tạo ra môi trường khí quyển điều chỉnh phù hợp có thể làm giảm quá trình hô hấp, già hóa, làm giảm thất thoát chất bay hơi, kìm hãm quá trình thất thoát ẩm, làm giảm sự thay đổi màu sắc của rau quả trong quá trình bảo quản

Cụ thể như sau:

- Làm giảm việc sản sinh ethylene

- Làm giảm thất thoát hơi nước

- Làm giảm quá trình hô hấp của trái cây: khi trái cây bị hư hỏng thì quá trình

hô hấp diễn ra nhanh làm tăng hàm lượng CO2 và tiêu thụ nhiều oxy, vì vậy làm giảm thời gian bảo quản Tuy nhiên cần lưu ý khi bảo quản bằng phương pháp điều chỉnh không khí và phủ màng với hàm lượng oxy rất thấp gây ra hiện tượng hô hấp yếm khí, kết quả tạo ra các hợp chất tạo hương vị xấu, các hợp chất như ethanol, ketones và aldehyde Việc tạo hô hấp yếm khí này còn phụ thuộc vào loại trái cây, một số loại trái cây có hiện tượng tăng các hợp chất này khi bảo quản trong điều kiện yếm khí như cà chua nhưng một số trái cây thì không có hiện tượng này, ví dụ như chuối

- Làm giảm quá trình nâu hóa: nâu hóa là một trong những khó khăn khi phải duy trì chất lượng của trái cây cắt lát Khi trái cây cắt ra, các phản ứng dưới tác dụng của enzyme polyphenol oxidase, các hợp chất phenolic phản ứng với oxy không khí tạo thành các hợp chất màu nâu Việc phủ màng giúp cho trái cây ít tiếp xúc với không khí nên hạn chế được quá trình nâu hóa

- Hạn chế sự phát triển của vi sinh vật: khi mô trái cây bị tổn thương, độ ẩm bề mặt và thành phần tế bào chất của tế bào với hàm lượng đường và protein cao là điều kiện tốt để cho vi sinh vật phát triển, gây hư hỏng trái cây Điều quan trọng cần lưu ý khi bảo quản trong môi trường khí quyển điều chỉnh, có thể gây nên sự tăng trưởng và

sản sinh độc tố của vi khuẩn C botulinum với độ pH cao hơn 4,8, vì vậy cần phải xử lí

trái cây kĩ trước khi đưa vào bảo quản [73]

1.3.4 Các phương pháp xử lý khác

Trái cây được chiếu xạ sẽ bị chậm trễ quá trình chín, sẽ ức chế làm giảm quá trình thay đổi màu vỏ Việc kết hợp xử lí nước nóng 55°C trong 5 phút và chiếu xạ 30Gy là phương pháp tốt để kéo dài thời gian bảo quản và bảo vệ chất lượng của xoài Chiếu xạ còn có tác dụng tiêu diệt côn trùng trong trái cây Ngoài ra người ta thường hay dùng các loại hóa chất để tiêu diệt các loại nấm gây hư hỏng xoài, ví dụ như sử dụng benomyl để tiêu diệt nấm gây bệnh thán thư Tuy nhiên các loại hóa chất không được khuyến cáo sử dụng vì rủi ro độc hại và có nguy cơ ảnh hưởng đến sức khỏe con người

1.4 Giới thiệu về xoài và bơ

1.4.1 Giới thiệu về xoài

Xoài (Mangifera indica L.) được biết đến là loại trái cây hấp dẫn vì có hương vị

thơm ngon, có giá trị dinh dưỡng cao, đa dạng về chủng loại, được thu hoạch quanh năm và dễ dàng thích nghi trong nhiều điều kiện khác nhau Đây là loại trái cây được trồng trên 90 quốc gia và là loại trái cây nhiệt đới quan trọng ở khu vực châu Á Xoài

là loại trái cây thuộc nhóm hô hấp đột biến, chúng chín hoàn toàn trong khoảng 4 - 5 ngày ở nhiệt độ thường, vì vậy gây hạn chế trong việc phân phối và lưu hành trên thị trường Những tổn thất sau thu hoạch chủ yếu là do hao hụt khối lượng, quá trình chín

quá và hư hỏng Bệnh quả bị thối vì loài nấm mốc thán thư C gloeosporioides là một

trong những hư hỏng phổ biến của xoài trong quá trình vận chuyển, bảo quản và lưu hành trên thị trường [96]

Bảng 1.6 Một số thành phần hóa học của xoài (hàm lượng/100g thịt quả) [143]

Thành phần các chất

Đơn

vị

Hàm lượng

Carbohydrate g 17 Acid pantothenic mg 0,160

Tổng đường g 14,80 Pyridoxine (vit

1.4.2 Giới thiệu về bơ

Bơ là một loại trái cây quý mà người tiêu dùng luôn mong muốn sử dụng Hiện