Nghiên cứu tạo chế phẩm chitosan – nano bạc ứng dụng trong bảo quản quả sau thu hoạch

1.3 Ứng dụng của nano bạc kết hợp với các loại màng và màng chitosan trong bảo quản thực phẩm .... 1.1.5 Ứng dụng của chitosan trong bảo quản rau quả tươi Với hoạt tính kháng khuẩn và c

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án này là công trình của riêng tôi Các số liệu công bố trong luận án này là trung thực, một phần đã được công bố trên các tạp chí khoa học với sự đồng ý của đồng tác giả, phần còn lại chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào Tất cả các tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn và tham chiếu đầy đủ

Tập thể hướng dẫn Hà Nội, ngày tháng năm 2019

Tác giả luận án

PGS TS Hồ Phú Hà GS.TS Ngô Xuân Bình Lương Hùng Tiến

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian thực hiện công trình nghiên cứu này, tôi đã nhận được nhiều giúp đỡ và hỗ trợ của các thầy cô, đồng nghiệp, các cơ quan, bạn bè, các em sinh viên và người thân trong gia đình

Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Hồ Phú Hà, người đã trực tiếp hướng dẫn và định hướng cho tôi thực hiện công trình nghiên cứu này Cô là người

đã luôn bên cạnh động viên, truyền đạt những kiến thức quý báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến GS TS Ngô Xuân Bình, người

đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong suốt quá trình làm luận án

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới PGS TS Mai Anh Tuấn, người đã tận tình hướng dẫn chỉ bảo tôi về lĩnh vực công nghệ vật liệu nano thực hiện trong luận án

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô Viện Công nghệ Sinh học

và Công nghệ Thực phẩm, trường Đại học Bách khoa Hà Nội; đặc biệt là các thầy

cô bộ môn Công nghệ Thực phẩm đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận án

Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các cán bộ, anh chị em đồng nghiệp bộ môn Công nghệ Thực phầm, trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên đã giúp tôi thực hiện các nghiên cứu của mình

Xin cảm ơn các em sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm, trường Đại học Nông Lâm Thái Nguyên và các em sinh viên Viện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm đã giúp đỡ và hỗ trợ tôi trong quá trình làm luận án

Lời cuối cùng tôi dành cho các thành viên trong gia đình, các anh em bạn bè thân thiết đặc biệt là vợ và các con đã luôn tạo mọi điều kiện tốt nhất, động viên và

cổ vũ tôi rất nhiều trong suốt quá trình làm luận án Gia đình là động lực, tiếp thêm sức mạnh để tôi có thể vượt qua những khó khăn, vất vả để hoàn thành luận án tiến

sĩ này

MỤC LỤC

Trang

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ……… viii

DANH MỤC CÁC BẢNG ………….……… x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ………….………xii

MỞ ĐẦU ………….………1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Đặc điểm của chitosan 4

1.1.1 Chitosan 4

1.1.2 Sản xuất chitosan 4

1.1.2.1 Các phương pháp sản xuất chitosan 4

1.1.2.2 Tình hình nghiên cứu quy trình sản xuất tại Việt Nam 5

1.1.3 Các tính chất của chitosan 5

1.1.3.1 Tính chất vật lý của chitosan 5

1.1.3.2 Tính chất hóa học của chitosan 6

1.1.3.3 Tính chất sinh học của chitosan 6

1.1.4 Đặc tính kháng vi sinh vật của chitosan 7

1.1.4.1 Khả năng kháng vi sinh vật của chitosan 7

1.1.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng kháng vi sinh vật của chitosan 7

1.1.4.3 Cơ chế kháng vi sinh vật của chitosan 9

1.1.5 Ứng dụng của chitosan trong bảo quản rau quả tươi 9

1.2 Tổng quan về nano bạc 12

1.2.1 Giới thiệu về công nghệ nano 12

1.2.1.1 Vật liệu nano 12

1.2.1.2 Phân loại vật liệu nano 12

1.2.1.3 Cơ sở khoa học của công nghệ nano 13

1.2.2 Tính chất lý học của hạt nano bạc 13

1.2.2.1 Tính chất quang 13

1.2.2.2 Tính chất điện và nhiệt 14

1.2.2.3 Hiệu ứng bề mặt 14

1.2.3 Tổng hợp hạt nano bạc 14

1.2.4 Đặc tính kháng vi sinh vật của nano bạc 15

1.2.4.1 Khả năng kháng vi sinh vật của nano bạc 15

1.2.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng kháng khuẩn của nano 16

1.2.4.3 Cơ chế kháng vi sinh vật của nano bạc 17

Ứng dụng của nano bạc trong bảo quản rau quả tươi 18

1.3 Ứng dụng của nano bạc kết hợp với các loại màng và màng chitosan trong

bảo quản thực phẩm 20

1.3.1 Ứng dụng của nano bạc kết hợp với màng polyme không phân huỷ sinh học …… 20

1.3.2 Ứng dụng của nano bạc kết hợp với màng polyme phân huỷ sinh học 21

1.3.3 Ứng dụng của nano bạc kết hợp với màng chitosan trong bảo quản thực phẩm… 22

1.3.4 Sự giải phóng nano bạc từ màng bao vào thực phẩm 23

1.4 Giới thiệu một số loại quả sử dụng trong nghiên cứu và phương pháp bảo quản quả tại Việt Nam 24

1.4.1 Tình hình sản xuất và xuất khẩu quả tại Việt Nam 24

1.4.1.1 Giới thiệu chung về các loại quả sử dụng trong nghiên cứu 24

1.4.1.2 Những biến đổi của quả sau thu hoạch 25

1.4.1.3 Các bệnh của quả sau khi thu hoạch 27

1.4.2 Một số phương pháp bảo quản quả sau thu hoạch 27

1.4.2.1 Công nghệ bảo quản bằng phương pháp xử lý nhiệt 28

1.4.2.2 Công nghệ bảo quản trong môi trường thay đổi thành phần khí quyển……… 28

1.4.2.3 Công nghệ bảo quản bằng hóa chất 29

CHƯƠNG 2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 32

2.1 Vật liệu nghiên cứu 32

2.1.1 Phế liệu tôm 32

2.1.2 Vi sinh vật 32

2.1.3 Các loại quả sử dụng trong nghiên cứu 32

2.1.4 Nguyên vật liệu khác 33

2.1.4.1 Hóa chất 33

2.1.4.2 Môi trường 33

2.1.5 Thiết bị nghiên cứu 33

2.2 Phương pháp nghiên cứu 33

2.2.1 Nội dung và phương pháp thực nghiệm 33

2.2.1.1 Phương pháp tạo chế phẩm Chitin và chitosan 33

2.2.1.2 Phương pháp tinh sạch chitosan 35

2.2.1.3 Phương pháp tạo nano bạc 36

2.2.1.4 Phương pháp xác định khả năng kháng vi sinh vật của chế phẩm chitosan…… 38

2.2.1.5 Phương pháp xác định hoạt tính kháng vi sinh vật của nano bạc 40

2.2.1.6 Phương pháp xác định hoạt tính kháng vi sinh vật của chế phẩm chitosan-nano bạc 40

2.2.1.7 Phương pháp ứng dụng chế phẩm chitosan – nano bạc trong bảo quản

vải thiều, cam và bưởi 41

2.2.2 Phương pháp phân tích 43

2.2.2.1 Xác định độ deacetyl của chitosan bằng phương pháp UV 43

2.2.2.2 Xác định độ nhớt của chitosan 43

2.2.2.3 Xác định độ hòa tan của chế phẩm chitosan thô 44

2.2.2.4 Tỷ lệ hao hụt 44

2.2.2.5 Phân tích hàm lượng axit tổng số bằng phương pháp trung hòa 44

2.2.2.6 Xác định màu của quả 45

2.2.2.7 Xác định hàm lượng đường và chất khô hòa tan tổng số 45

2.2.2.8 Xác định lượng tồn dư nano bạc trong quả vải bằng phổ hấp thụ nguyên tử AAS 46

2.2.2.9 Phương pháp xác định tro, protein 46

2.2.2.10 Phương pháp xử lý thống kê 47

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 48

3.1 Một số cải tiến trong quá trình sản xuất chitosan tinh khiết để làm nguyên liệu cho chế tạo chế phẩm chitosan – nano bạc 48

3.1.1 Tạo chitin từ phế liệu tôm bằng phương pháp sinh học 48

3.1.2 Tạo chitosan có độ deacetyl hóa cao 49

3.1.2.1 Ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ đến độ deacetyl 49

3.1.2.2 Quá trình deacetyl 2 giai đoạn 50

3.1.3 Tinh sạch chitosan và ảnh hưởng của chế độ sấy đến tính chất của chitosan… 52

3.1.4 Khả năng kháng vi sinh vật của chitosan 54

3.1.4.1 Ảnh hưởng của pH đệm pha chitosan đến khả năng phát triển của vi sinh vật…… 55

3.1.4.2 Khả năng kháng vi khuẩn của chitosan 56

3.1.4.3 Khả năng kháng nấm men của chitosan 58

3.1.4.4 Khả năng kháng nấm mốc của chitosan 58

3.2 Một số cải tiến trong quá trình tổng hợp keo nano bạc làm nguyên liệu cho chế tạo chế phẩm chitosan – nano bạc 62

3.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến đặc tính của dung dịch keo nano bạc 62

3.2.2 Ảnh hưởng của tốc độ nhỏ dịch đến tính chất hạt nano bạc 63

3.2.3 Một số đặc tính của hạt nano bạc 64

3.2.3.1 Hình ảnh dung dịch nano bạc 64

3.2.3.2 Phân tích hạt nano bạc bằng UV – vis 64

3.2.3.3 Đặc điểm hạt nano bạc qua kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) 65

3.2.4 Khả năng kháng vi sinh vật của dung dịch nano bạc 66

3.2.4.1 Khả năng kháng vi khuẩn của nano bạc 67

3.2.4.2 Khả năng kháng nấm men của nano bạc 67

3.2.4.3 Khả năng kháng nấm mốc của nano bạc 68

3.3 Tạo chế phẩm chitosan – nano bạc và xác định đặc tính của chế phẩm 70

3.3.1 Quy trình phối trộn 70

3.3.2 Một số tính chất hóa lý của chế phẩm chitosan – nano bạc 70

3.3.3 Tính ổn định của chế phẩm chitosan – nano bạc 72

3.3.4 Khả năng kháng vi sinh vật in vitro của chế phẩm chitosan-nano bạc 72

3.3.4.1 Khả năng kháng vi khuẩn của chế phẩm chitosan-nano bạc 73

3.3.4.2 Khả năng kháng nấm men của chế phẩm chitosan-nano bạc 77

3.3.4.3 Khả năng kháng nấm mốc của chế phẩm chitosan-nano bạc 79

3.4 Ứng dụng chế phẩm chitosan – nano bạc trong bảo quản quả vải thiều 81

3.4.1 Ảnh hưởng của chế độ tiền xử lý đến quá trình bảo quản vải thiều 82

3.4.2 Ảnh hưởng của nồng độ thành phần chế phẩm đến quá trình bảo quản vải thiều…… 85

3.4.2.1 Sự biến đổi các chỉ tiêu lý hóa của quả vải 86

3.4.2.2 Sự biến đổi tỷ lệ thối hỏng quả vải 88

3.4.2.3 Sự biến đổi chỉ tiêu vi sinh vật trong quá trình bảo quản quả 89

3.4.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường bảo quản 90

3.4.3.1 Sự biến đổi các chỉ tiêu chất lượng của quả 90

3.4.3.2 Sự biến đổi tỷ lệ thối hỏng của quả 92

3.4.4 Tồn dư nano bạc trên vỏ quả vải 93

3.4.5 Quy trình bảo quản vải bằng chế phẩm chitosan – nano bạc 95

3.5 Ứng dụng chế phẩm chitosan – nano bạc trong bảo quản cam sành 95

3.5.1 Ảnh hưởng của chế độ tiền xử lý đến quá trình bảo quản cam sành 95

3.5.2 Ảnh hưởng của nồng độ thành phần chế phẩm 98

3.5.2.1 Sự biến đổi các chỉ tiêu lý hóa của quả 98

3.5.2.2 Sự biến đổi tỷ lệ thối hỏng của quả 100

3.5.2.3 Sự biến đổi chỉ tiêu vi sinh vật trong quá trình xử lý bằng chế phẩm……… 100

3.5.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường bảo quản 101

3.5.3.1 Sự biến đổi các chỉ tiêu lý hóa của quả 101

3.5.3.2 Sự biến đổi tỷ lệ thối hỏng quả 103

3.5.4 Quy trình bảo quản cam sành bằng chế phẩm chitosan – nano bạc 104

3.6 Ứng dụng chế phẩm chitosan – nano bạc trong bảo quản quả bưởi Diễn104 3.6.1 Ảnh hưởng của chế độ tiền xử lý tới quá trình bảo quản quả bưởi 104

3.6.1.1 Sự biến đổi các chỉ tiêu lý hóa của quả bưởi Diễn 104

3.6.1.2 Sự biến đổi tỷ lệ thối hỏng quả 106

3.6.2 Ảnh hưởng của nồng độ thành phần chế phẩm 107 3.6.2.1 Sự biến đổi các chỉ tiêu lý hóa của quả 107 3.6.2.2 Sự biến đổi chỉ tiêu vi sinh vật trong quá trình xử lý bằng chế phẩm……… 110 3.6.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường bảo quản 110 3.6.4 Quy trình bảo quản quả bưởi Diễn bằng chế phẩm chitosan – nano bạc 112 3.7 Thảo luận về ứng dụng chế phẩm bảo quản quả 112

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ………118 TÀI LIỆU THAM KHẢO ……… ……… 120 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN…….……135 PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Tên viết tắt Tên đầy đủ tiếng Anh Tên đầy đủ tiếng Việt

AgNPs: Silver nanoparticles Hạt nano bạc

ANOVA: Analysis of variance Phân tích phương sai

ANOVA ATCC: American Type Culture Collection Bộ sưu tập chủng chuẩn Mỹ

EVOH: Ethylene vinyl alcohol

FIC: Fractional Inhibitory Concentration Nồng độ ức chế riêng phần

HDPE: High Density Polyethylene PE tỷ trọng cao

LB: Luria Broth

LDPE: Low Density Polyethylene PE tỷ trọng thấp

MIC: Minimum Inhibitory Concentration Nồng độ ức chế tối thiểu MP: Meat Pepton

MRS: de Man, Rogosa and Sharpe

PDA: Potato Dextrose Agar

PDB: Potato Dextrose Broth

PE: Polyethylene

PS: Polystyrene

PVC Poly vinyl cloride

SEM: Scanning Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử quét

TEM: Transmission Electron Microscopy Kính hiển vi điện tử truyền

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Số nguyên tử bạc trong một đơn vị thể tích [69] 13

Bảng 1.2: Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano bạc 14

Bảng 1.3: Màng bao nano composite dựa trên phức hợp nano bạc và polyme không phân hủy 20

Bảng 1.4: Bao bì nano composite từ phức hợp nano bạc và polyme phân hủy sinh học 21

Bảng 1.5: Thành phần hoá học của một vài loại qủa [132] 25

Bảng 2.1: Các thông số sử dụng trong quá trình sản xuất chitosan thô 35

Bảng 2.2: Nồng độ phối hợp chitosan-nano bạc 40

Bảng 2.3: Nồng độ chế phẩm chitosan-nano bạc sử dụng trong bảo quản vải 42

Bảng 2.4: Nồng độ chế phẩm chitosan-nano bạc sử dụng trong bảo quản cam 42

Bảng 2.5: Nồng độ chế phẩm chitosan-nano bạc sử dụng trong bảo quản bưởi 42

Bảng 3.1: Tính chất của chitin thu nhận 49

Bảng 3.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ deacetyl đến màu sắc chitosan 50

Bảng 3.3: Ảnh hưởng của quy trình deaxetyl đến độ nhớt chitosan 51

Bảng 3.4: Tính chất của chitosan sau tinh sạch 53

Bảng 3.5: Ảnh hưởng của pH đệm pha chitosan đến khả năng phát triển của vi sinh vật 55

Bảng 3.6: Nồng độ ức chế tối thiểu (MIC, %) của chitosan đối với vi khuẩn 57

Bảng 3.7: Nồng độ ức chế tối thiểu (MIC, %) của chitosan đối với nấm men 58

Bảng 3.8: Nồng độ diệt nấm tối thiểu (MFC, %) của chitosan đối với nấm mốc 59

Bảng 3.9: Mật độ nấm mốc theo thời gian khi xử lý với 2 chế phẩm CA1 và CA2 ở nồng độ MFC 61

Bảng 3.10: Nồng độ ức chế tối thiểu (MIC, ppm) của nano bạc đối với vi khuẩn 67 Bảng 3.11: Nồng độ ức chế tối thiểu (MIC, ppm) của nano bạc đối với nấm men 67 Bảng 3.12: Khả năng kháng nấm mốc (MFC, ppm) của nano bạc 68

Bảng 3.13: Nồng độ cuối của chitosan và nano bạc trong phức hợp chitosan – nano bạc 70

Bảng 3.14: Đặc tính hoá lý của chế phẩm chitosan-nano bạc 70

Bảng 3.15: Tính ổn định của chế phẩm chitosan-nano bạc CT3 theo thời gian 72

Bảng 3.16: Khả năng kháng vi khuẩn của chế phẩm chitosan-nano bạc 73

Bảng 3.17: Khả năng kháng nấm men của phức hợp chitosan-nano bạc 77

Bảng 3.18: Khả năng kháng nấm mốc (%) của phức hợp chitosan - nano bạc 79

Bảng 3.19: Sự thay đổi chỉ số L*, a*, b* của vải ở các nồng độ chế phẩm chitosan - nano bạc sau 7 ngày bảo quản 88

Bảng 3.20: Diễn biến tổng số bào tử nấm men-nấm mốc trên quả vải khi sử dụng chế phẩm ở các nồng độ khác nhau theo thời gian 89

Bảng 3.21: Dư lượng bạc (mg/kg) trên quả vải sau thời gian bảo quản với phức chitosan-nano bạc 94 Bảng 3.22: Diễn biến tổng số bào tử nấm men – nấm mốc trên bề mặt quả cam khi

sử dụng chế phẩm chitosan-nano bạc ở các nồng độ khác nhau theo thời gian 101 Bảng 3.23: Sự thay đổi chỉ số L* của bưởi trong quá trình bảo quản ở các nồng độ chế phẩm chitosan và nano bạc 108 Bảng 3.24: Sự thay đổi chỉ số a* của bưởi trong quá trình bảo quản ở các nồng độ chế phẩm chitosan và nano bạc 109 Bảng 3.25: Sự thay đổi chỉ số b* của bưởi trong quá trình bảo quản ở các nồng độ chế phẩm chitosan và nano bạc 109 Bảng 3.26: Diễn biến tổng số bào tử nấm men – nấm mốc trên quả bưởi khi sử dụng chế phẩm chitosan-nano bạc ở các nồng độ khác nhau theo thời gian 110

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1: Công thức cấu tạo của chitosan 4

Hình 1.2: Tác động của ion bạc lên tế bào [79] 17

Hình 1.3: Ion bạc vô hiệu hóa enzym chuyển hóa oxy của vi khuẩn 18

Hình 2.1: Quy trình thu chitin từ phế liệu tôm theo phương pháp ứng dụng chế phẩm enzym 34

Hình 2.2: Sơ đồ tinh sạch chitosan bằng phương pháp sấy đối lưu và sấy đông khô 36

Hình 2.3: Quá trình tổng hợp dung dịch hạt nano bạc 37

Hình 2.4: Sơ đồ phương pháp đối kháng trực tiếp trong dịch nuôi cấy lỏng 39

Hình 3.1: Quy trình sản xuất chitin từ phế liệu tôm bằng phương pháp sinh học 48

Hình 3.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến độ deacetyl DDA 50

Hình 3.3: Quy trình sản xuất chitosan hoàn chỉnh 52

Hình 3.4: Chitosan sấy đông khô 54

Hình 3.5: Chitosan sấy đối lưu 54

Hình 3.6: Khả năng ức chế của chitosan CA2 lên khả năng sinh trưởng và phát triển của A niger D15 sau 24h nuôi cấy 59

Hình 3.7: Khả năng kháng nấm mốc A niger của chitosan theo thời gian 60

Hình 3.8: Dung dịch keo nano bạc ở nhiệt độ khử 80oC 62

Hình 3.9: Dung dịch keo nano bạc ở nhiệt độ khử 90oC 62

Hình 3.10: Dung dịch keo nano bạc ở nhiệt độ khử 85oC 63

Hình 3.11: Nano bạc nhỏ TSC 10 phút 64

Hình 3.12: Nano bạc nhỏ TSC 45 phút 64

Hình 3.13: Nồng độ khác nhau của dung dịch nano bạc 64

Hình 3.14: Phổ UV-vis của dung dịch hạt nano bạc 65

Hình 3.15: Ảnh chụp SEM của nano bạc 65

Hình 3.16: Ảnh chụp TEM của nano bạc 66

Hình 3.17: Khả năng kháng nấm mốc A niger D15 của nano bạc 68

Hình 3.18: Dung dịch chế phẩm chitosan-nano bạc theo CT3 71

Hình 3.19: Hình ảnh TEM của phức hợp chitosan – nano bạc 72

Hình 3.20: Khả năng kháng vi khuẩn E coli của chế phẩm chitosan-nano bạc (Các ô khác nhau được cấy chủng vi khuẩn đã xử lý đối kháng trong dịch lỏng ở nồng độ khác nhau) 73

Hình 3.21: Hình ảnh TEM về ảnh hưởng của chế phẩm chitosan-nano bạc đến các chủng vi khuẩn kiểm định 76

Hình 3.22: Hình ảnh TEM về ảnh hưởng của phức hợp chitosan-nano bạc đến Saccharomyces sp BM 78

Hình 3.23: Khả năng kháng nấm mốc A niger D15 của phức hợp chitosan-nano bạc ở các tỉ lệ phối trộn khác nhau 79

Hình 3.24: Ảnh hưởng của chế độ tiền xử lý tới quá trình bảo quản vải thiều 82 Hình 3.25: Ảnh hưởng của các chế độ tiền xử lý đến hàm lượng chất khô hòa tan tổng số của vải trong quá trình bảo quản 83 Hình 3.26: Ảnh hưởng của các chế độ tiền xử lý đến hàm lượng axit hữu cơ tổng số của vải trong quá trình bảo quản 84 Hình 3.27: Ảnh hưởng của chế độ tiền xử lý tới tỷ lệ hư hỏng của vải trong quá trình bảo quản 85 Hình 3.28: Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm chitosan – nano bạc đến thời gian bảo quản vải 86 Hình 3.29: Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm chitosan - nano bạc tới hàm lượng chất khô hòa tan tổng số của vải trong quá trình bảo quản 86 Hình 3.30: Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm chitosan - nano bạc tới hàm lượng axit hữu cơ tổng số của vải trong quá trình bảo quản 87 Hình 3.31: Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm chitosan-nano bạc đến tỷ lệ hư hỏng của quả vải theo thời gian 89 Hình 3.32: Ảnh hưởng của nhiệt độ (3-5oC) tới thời gian bảo quản quả vải 90 Hình 3.33: Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hàm lượng chất khô hòa tan tổng số của vải trong quá trình bảo quản 91 Hình 3.34: Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hàm lượng axit hữu cơ tổng số của vải trong quá trình bảo quản 91 Hình 3.35: Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hàm lượng đường tổng số của vải trong quá trình bảo quản 92 Hình 3.36: Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tỷ lệ hư hỏng của vải trong quá trình bảo quản 93 Hình 3.37: Hình ảnh SEM mặt trong và mặt ngoài vỏ vải sau khi xử lý với phức hợp chitosan-nano bạc 94 Hình 3.38: Sơ đồ quy trình bảo quản quả vải thiều bằng chế phẩm chitosan-nano bạc 95 Hình 3.39: Ảnh hưởng của các chế độ tiền xử lý tới hàm lượng chất khô hòa tan tổng số của cam trong quá trình bảo quản 96 Hình 3.40: Ảnh hưởng của các chế độ tiền xử lý tới hàm lượng axit hữu cơ tổng số của cam trong quá trình bảo quản 96 Hình 3.41: Ảnh hưởng của các chế độ tiền xử lý tới lượng đường tổng số của cam trong quá trình bảo quản 97 Hình 3.42: Ảnh hưởng của các chế độ tiền xử lý tới tỷ lệ hư hỏng của cam trong quá trình bảo quản 97 Hình 3.43: Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm chitosan - nano bạc tới hàm lượng chất khô hòa tan tổng số của cam trong quá trình bảo quản 99 Hình 3.44: Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm chitosan - nano bạc tới hàm lượng đường tổng số của cam trong quá trình bảo quản 99 Hình 3.45: Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm chitosan - nano bạc tới hàm lượng

Hình 3.46: Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm chitosan - nano bạc tới tỷ lệ hư hỏng của cam trong quá trình bảo quản 100 Hình 3.47: Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hàm lượng chất khô hòa tan tổng số của cam trong quá trình bảo quản 101 Hình 3.48: Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hàm lượng axit hữa cơ tổng số của cam trong quá trình bảo quản 102 Hình 3.49: Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hàm lượng đường tổng số của cam trong quá trình bảo quản 103 Hình 3.50: Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tỷ lệ hao hụt trong của cam quá trình bảo quản 103 Hình 3.51: Cam Sành bảo quản bằng chế phẩm chitosan-nano bạc 103 Hình 3.52: Sơ đồ quy trình bảo quản quả cam sành bằng chế phẩm chitosan-nano bạc 104 Hình 3.53: Ảnh hưởng của các chế độ tiền xử lý đến hàm lượng chất khô hòa tan tổng số của bưởi trong quá trình bảo quản 105 Hình 3.54: Ảnh hưởng của các chế độ tiền xử lý đến hàm lượng axit hữu cơ tổng số của bưởi trong quá trình bảo quản 105 Hình 3.55: Ảnh hưởng của các chế độ tiền xử lý đến tỷ lệ hư hỏng của bưởi trong quá trình bảo quản 106 Hình 3.56: Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm chitosan - nano bạc tới hàm lượng chất khô hòa tan tổng số của bưởi trong quá trình bảo quản 107 Hình 3.57: Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm chitosan - nano bạc đến hàm lượng axit hữu cơ tổng số của bưởi trong quá trình bảo quản 108 Hình 3.58: Tỷ lệ hư hỏng của bưởi Diễn ở nhiệt độ thường 111 Hình 3.59: Bưởi Diễn bảo quản bằng chế phẩm chitosan – nano bạc 111 Hình 3.60: Sơ đồ quy trình bảo quản quả bưởi Diễn bằng chế phẩm chitosan-nano bạc 112

MỞ ĐẦU

Sản xuất trái cây đóng vai trò quan trọng trong sản xuất nông nghiệp ở Việt Nam Năm 2018, diện tích cây ăn quả của Việt Nam đạt 969,4 nghìn ha với năng suất ước tính hơn 9 triệu tấn quả, giá trị xuất khẩu đạt 3,8 tỷ USD, lần đầu tiên vượt qua giá trị xuất khẩu lúa gạo (đạt 3,03 tỷ USD trong năm 2018) Theo Cục trồng trọt, trong năm 2019, diện tích cây ăn quả sẽ phấn đấu đạt 1 triệu ha, giá trị xuất khẩu đạt 4,2 tỷ USD Theo các số liệu thống kê cho thấy, cây ăn quả phát triển đều hàng năm về cả diện tích, sản lượng và giá trị xuất khẩu, năm sau cao hơn năm trước trung bình 10% Các loại cây ăn quả chính ở Việt bao gồm chuối, cam, quýt, nhãn, vải, xoài, thanh long, bưởi, sầu riêng và chôm chôm

Tuy nhiên, ở Việt Nam, tổn thất sau thu hoạch rau quả tươi là cao, theo các báo cáo thống kê, tổn thất về giá trị sản lượng trung bình hàng năm từ 25 – 30% Tổn thất như vậy là do các rau quả có hàm lượng nước lớn, là môi trường thuận lợi cho vi sinh vật phát triển, việc áp dụng kỹ thuật công nghệ trong bảo quản sau thu hoạch còn yếu kém Chính vì vậy, cần ứng dụng công nghệ bảo quản duy trì về chất lượng và số lượng rau củ quả sau thu hoạch

Các phương pháp bảo quản rau quả hiện nay trên thế giới dựa vào hai nguyên lý chính: hạn chế biến đổi do vi sinh vật và hạn chế biến đổi sinh lý bất lợi Đến nay, trên thế giới có nhiều phương pháp bảo quản rau quả tươi phổ biến gồm hạn chế các biến đổi sinh lý của rau củ quả gồm: khí quyển kiểm soát (CA), khí quyển điều chỉnh (MA), phủ màng; hạn chế hoạt động của vi sinh vật gồm: xử lý hóa chất, nhiệt độ Nghiên cứu của nhóm tác giả là một biến thể của MA, lớp màng tạo ra trên bề mặt quả là một loại bao bì có tác dụng điều chỉnh sự trao đổi khí qua màng dẫn tới làm chậm quá trình hô hấp tạo ra những biến đổi sinh lý cho bảo quản rau quả

Trong các phương pháp hóa học, do yêu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng, xu hướng sử dụng hợp chất tự nhiên tăng lên do các yêu cầu về an toàn thực phẩm Trong các hợp chất tự nhiên thì Chitosan đặc biệt được quan tâm do là polyme tự nhiên, có khả năng tạo màng, hạn chế trao đổi khí O2 tốt, có khả năng kháng khuẩn tự nhiên, đồng thời màng tạo ra bởi chitosan có đặc tính bền nước, dễ

áp dụng trên đối tượng rau củ quả

Tại Việt Nam, chitin, chitosan (sản phẩm deacetyl hóa chitin) được tách từ phế liệu công nghiệp chế biến thủy sản Vì vậy, nếu khai thác và sử dụng hiệu quả chitosan không những có lợi cho tận dụng tài nguyên mà còn xử lý ô nhiễm môi trường Các nghiên cứu về sử dụng chitosan trên thế giới hiện nay có nhiều, kể cả

sử dụng chitosan lẫn các dẫn xuất của chitosan và cả nano chitosan Tuy nhiên, trên thực tế thì những ứng dụng chitosan và các sản phẩm còn chưa như mong đợi Hiện nay, chitosan đang được sử dụng với tính chất tạo màng là chính Mặc dù chitosan

có khả năng kháng vi sinh vật nhưng hiệu ứng như vậy còn chưa đủ để ứng dụng trong thực tiễn Các nghiên cứu trên thế giới có xu hướng ứng dụng là tạo ra các chế phẩm từ chitosan có bổ sung các chất hóa học diệt vi sinh vật để tăng hiệu quả ứng dụng

Trong số các chất hóa học, chất diệt nấm tự nhiên, gần đây được sử dụng nhiều là các hợp chất nano như: nano Ag, TiO2, Nano Bạc (Nano Ag) có đặc tính kháng vi sinh vật cao, sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, môi trường,

y tế, thực phẩm Đã có nhiều nghiên cứu chứng minh nano Ag tiêu diệt nhiều loại vi sinh vật gây thối hỏng rau củ quả Tại Việt Nam đã có những nghiên cứu riêng rẽ về tác dụng của chitosan và nano Ag, nhưng chưa có các công bố về tác dụng phối hợp của hai hoạt chất

Quả vải, cam, bưởi là những loại quả được ưa chuộng và có giá trị xuất khẩu cao hiện nay ở Việt Nam Quả vải trồng chủ yếu ở một số tỉnh miền bắc, có thời gian thu hoạch ngắn, khó bảo quản nên tổn thất cao Quả cam sành Hà Giang và bưởi Diễn có nhu cầu về bảo quản lớn là do thu hoạch chính vào tháng 10 và tháng

11 âm hàng năm, tuy nhiên để bán được số lượng lớn và giá thành cao thì cần tiêu thụ vào dịp tết Nguyên đán và rằm tháng riêng Vì vậy, hai loại quả này cần bảo quản và giữ được về hình thái và chất lượng trong thời gian dài khoảng hai tháng

Xuất phát từ những lí do trên, chúng tôi lựa chọn đề tài “Nghiên cứu tạo chế phẩm chitosan – Nano Bạc ứng dụng trong bảo quản quả sau thu hoạch”

Trong luận án này, chúng tôi đặt ra mục tiêu tạo ra một chế phẩm bảo quản rau quả tươi gồm hai thành phần Chitosan và Nano Ag, chế phẩm bảo quả có tính đa dụng,

để sử dụng được trên nhiều đối tượng khác nhau Đánh giá được hiệu lực của chế phẩm đối với một số vi sinh vật gây hư hỏng thực phẩm điển hình và thử nghiệm hiệu quả trong bảo quản đối với quả vải, quả cam và quả bưởi

Mục tiêu nghiên cứu:

- Nghiên cứu tạo ra chế phẩm chitosan – nano bạc, có khả năng ứng dụng trong công nghệ thực phẩm, đồng thời đánh giá được khả năng kháng vi sinh vật gây bệnh, gây hư hỏng điển hình

- Nghiên cứu ứng dụng chế phẩm chitosan – nano bạc trong bảo quản quả sau thu hoạch, hướng tới sử dụng rộng rãi chế phẩm trong các lĩnh vực thực phẩm, đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm, nâng cao sức khỏe cộng đồng

Nội dung nghiên cứu:

- Nội dung 1: Nghiên cứu chế tạo và tinh sạch chế phẩm chitosan, chế tạo chế phẩm nano bạc và đánh giá khả năng kháng vi sinh vật của từng chế phẩm thu được

- Nội dung 2: Nghiên cứu phương pháp phối hợp chitosan – nano bạc nhằm nâng cao hiệu quả kháng vi sinh vật và xác định khả năng kháng vi sinh vật của chế phẩm

- Nội dung 3: Ứng dụng chế phẩm chitosan – nano bạc trong bảo quản thực

phẩm (Vải thiều Lục Ngạn, cam sành Hà Giang và bưởi Diễn)

Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của luận án:

Giá trị thực tiễn của luận án:

- Tạo ra chế phẩm màng chitosan – nano bạc hiệu quả kéo dài thời gian bảo quản một số loại quả như quả vải, cam, bưởi Diễn, có tiềm năng ứng dụng đối với các nông sản, thực phẩm khác

Điểm mới của luận án:

- Đây là công trình đầu tiên tại Việt Nam tạo ra chế phẩm chitosan– nano bạc

có khả năng kháng vi sinh vật và ứng dụng trong bảo quản quả sau thu hoạch

- Đây là công trình đầu tiên tại Việt Nam ứng dụng chế phẩm chitosan-nano bạc trong bảo quản quả vải thiều, cam sành Hà Giang, bưởi Diễn đạt được thời gian bảo quản từ 25 – 90 ngày, bảo đảm an toàn cho sức khỏe người sử dụng

Cấu trúc luận án:

Luận án được trình bày trong 118 trang với 26 bảng và 60 hình Mở đầu (3 tr.); Chương 1 Tổng quan (27 tr.); Chương 2 Vật liệu và phương pháp nghiên cứu (15 tr.); Chương 3 Kết quả và thảo luận (69 tr.); Kết luận và kiến nghị (2 tr.); 183 tài liệu tham khảo và phần phụ lục

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Đặc điểm của chitosan

1.1.1 Chitosan

Chitosan là sản phẩm deacetyl hóa chitin, trong đó nhóm (-NH2) thay thế nhóm (- COCH3) ở vị trí C(2) Do quá trình khử acetyl xảy ra không hoàn toàn nên người ta quy ước độ deacetyl hóa (degree of deacetylation) DDA > 50% thì gọi là chitosan [1] Chitosan có cấu trúc tuyến tính từ các đơn vị 2-amino-2-deoxy-β-D-glucosamine liên kết với nhau bằng liên kết β-(1,4)-glucoside (Hình 1.1) [1]

Hình 1.1: Công thức cấu tạo của chitosan

Trong các loài thủy sản đặc biệt là trong vỏ tôm, cua, ghẹ, hàm lượng chitin - chitosan chiếm khá cao dao động từ 14 - 35% so với trọng lượng khô Vì vậy vỏ tôm, cua, ghẹ là nguồn nguyên liệu chính để sản xuất chitin – chitosan [1]

Chitosan được xem là polyme tự nhiên quan trọng nhất, không độc, có khả năng phân huỷ sinh học, có khả năng tạo màng và có tính tương thích về mặt sinh học Chitosan có khả năng tích điện dương do đó nó có khả năng kết hợp với những chất tích điện âm như chất béo, lipid và axit mật Với đặc tính có thể hoà tan tốt trong môi trường axit, chitosan được chú ý đặc biệt như là một loại vật liệu mới và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như dược phẩm, mỹ phẩm, xử lý nước thải và trong thực phẩm như là tác nhân kết hợp, gel hóa, hay tác nhân ổn định [2]

1.1.2 Sản xuất chitosan

Chitosan thường được sản xuất từ chất thải giáp xác vỏ như tôm, cua, ghẹ [3] Chitosan phân tách từ vỏ tôm được thực hiện qua 4 bước cơ bản: khử khoáng (DM), khử protein (DP), khử màu (DC), và deacetyl hóa (DDA)

1.1.2.1 Các phương pháp sản xuất chitosan

Hiện nay, chitosan được thu từ chitin theo hai phương pháp chính là phương pháp hóa học và phương pháp sinh học

+ Phương pháp hóa học: được chia làm 3 giai đoạn chính: loại bỏ khoáng bằng axit, loại bỏ protein bằng kiềm và tẩy màu loại sắc tố và chất béo [1]

Ưu điểm: Thời gian xử lý vỏ tôm thu được chitin nhanh

Nhược điểm: Chitin thu được phụ thuộc nhiều vào qui trình xử lý với axit và kiềm Quá trình này tiêu tốn năng lượng, đưa ra môi trường một lượng lớn nước thải chứa kiềm

và axit gây ăn mòn và ô nhiễm mạnh, đồng thời rất khó tách các sản phẩm còn giá trị như: chất màu, protein… Chitin thu được có tính ổn định thấp Giá thành của sản phẩm chitin và chitosan sản xuất theo phương pháp này cao, nên bất lợi trong vấn đề thương mại

+ Phương pháp sinh học: sử dụng vi khuẩn sinh protease hay chế phẩm

protease để loại protein, vi khuẩn lactic hay Bacillus để loại khoáng

Phương pháp dùng chế phẩm protease, các chế phẩm enzyme sử dụng như: trypsin, papain, pepsin [4], chymotrysin, pancreatin, alcalase [5] Phương pháp enzyme có ưu điểm là thời gian ngắn (vài giờ) tuy nhiên có giá thành cao hơn so với phương pháp vi sinh, lượng protein còn lại trong chitin cao (4,4-7,9%) [6]

Phương pháp loại khoáng ra khỏi phế liệu tôm sử dụng vi khuẩn lactic là hướng nghiên cứu hiện nay [7] So với loại protein, phương pháp sinh học loại khoáng dùng vi khuẩn lactic đạt hiệu quả khá cao, thường loại >90% khoáng thậm chí có thể loại được đến 99,7% khoáng chỉ trong thời gian 2-3 ngày [7] Rao và Stevens (2006) cho thấy dùng

Lactobacillus có thể khử 81,6% protein và 59,8% khoáng [8]

Phương pháp sinh học ngoài việc cho chitin có chất lượng cao, thân thiện môi trường còn cho phép tận thu dịch lên men dùng làm thức ăn cho gia súc có giá trị Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp là thời gian lên men kéo dài

1.1.2.2 Tình hình nghiên cứu quy trình sản xuất tại Việt Nam

Tại Việt Nam đã có một vài nghiên cứu về tách chiết chitin, chitosan Năm

1978, trường Đại học Thủy sản Nha Trang bắt đầu nghiên cứu vấn đề này Sau đó, Nguyễn Văn Ngoạn và cs thuộc viện nghiên cứu Hải sản (1993 - 1995) đã nghiên cứu và sản xuất chitin, chitosan Vật liệu chitosan của Viện Hóa học được Bộ Y tế công nhận là nguyên liệu dược dụng, đạt tiêu chuẩn dùng trong y tế Chitosan đã được thành công ứng dụng trong chế biến thực phẩm hoặc làm chế phẩm công nghiệp vải, màng chitosan và glucosamin [9]

Trần Thị Luyến và cs nghiên cứu thu hồi chitin bằng phương pháp lên men

lactic dùng vi khuẩn L plantarum Tuy nhiên, hàm lượng protein và khoáng bị khử

chưa cao chỉ tương ứng 61% và 43% [10] Hạn chế của các nghiên cứu trên là chưa đưa ra được qui trình hoàn thiện để thu hồi được chitin đạt tiêu chuẩn Gần đây nhất, việc nghiên cứu thu nhận chitin từ phế liệu tôm bằng phương pháp sinh học đã được nghiên cứu bởi Lê Thanh Hà và cs thuộc Trường Đại học Bách Khoa Hà nội và đã thu được kết quả khả quan [11] Gần đây nhất, tác giả Nguyễn Thị Minh Nguyệt và

cs (2015) đã hoàn thiện được quy trình tổng hợp nano chitosan bằng sử dụng axit methacrylic và đánh giá được hoạt tính kháng nấm của chế phẩm, đây là hướng mới trong việc sản xuất chitosan và các chế phẩm [12]

1.1.3 Các tính chất của chitosan

1.1.3.1 Tính chất vật lý của chitosan

Chitosan là chất rắn, xốp, nhẹ, hình vảy, màu trắng hay vàng nhạt, không

tan tốt trong axit có pH <6,0; tuy nhiên tại pH>7,0 chitosan khó hoà tan hơn do khuynh hướng xảy ra kết lắng hoặc tạo gel [14]

Chitosan có khối lượng phân tử khác nhau ứng với các nguồn chitin khác nhau Sản phẩm chitosan có khối lượng phân tử từ 100,000 - 1,200,000 Daltons phụ thuộc vào quá trình xử lý Người ta thường phân loại chitosan dựa vào trọng lượng phân tử [15, 16]

Bản chất của chitosan là polyme sinh học có phân tử lượng lớn nên khi hòa tan vào dung môi, chitosan tạo dung dịch có độ nhớt lớn, dung dịch dạng gel, tạo thành màng mỏng khi được phun hay phủ một lớp mỏng lên bề mặt vật liệu và để khô tự nhiên Màng chitosan dai, khó xé rách, có khả năng tự phân hủy sinh học [14] Ứng dụng tính chất này nên chitosan được dùng để tạo màng không thấm bảo quản trứng, trái cây, hay dùng hỗ trợ trong điều trị viêm loét dạ dày, tá tràng (trong môi trường axit của dạ dày, chitosan tạo gel che phủ, bảo vệ niêm mạc) [9]

Quá trình deacetyl hóa (DDA) bao gồm quá trình loại nhóm acetyl khỏi chuỗi phân tử chitin và hình thành phân tử chitosan với nhóm amin hoạt động hóa học cao Mức độ DDA của chitosan khoảng 56%-99% (nhìn chung là 80%) phụ thuộc vào loài giáp xác và phương pháp sử dụng [17] Phương pháp để xác định mức độ deacetyl hóa của chitosan bao gồm thử ninhydrin, chuẩn độ theo điện thế, quang phổ hồng ngoại, chuẩn độ bằng HI

1.1.3.2 Tính chất hóa học của chitosan

Trong phân tử chitosan có chứa các nhóm chức -OH, -NHCOCH3 và nhóm –

OH, nhóm -NH2, phản ứng hóa học có thể xảy ra ở vị trí nhóm chức tạo ra dẫn xuất thế O-, dẫn xuất thế N- [15] Mặt khác chitosan là những polyme mà các monome được nối với nhau bởi các liên kết α-(1-4)-glicoside, các liên kết này rất dễ bị cắt đứt bởi các chất hoá học như: axit, bazơ, tác nhân oxy-hóa và các enzyme thuỷ phân

Trong phân tử chitosan và một số dẫn xuất của chitosan có chứa các nhóm chức mà trong đó các nguyên tử Oxi và Nitơ của nhóm chức còn cặp electron chưa

sử dụng, do đó chúng có khả năng tạo phức, phối trí với hầu hết các kim loại nặng

và các kim loại chuyển tiếp như: Hg2+, Cd2+, Zn2+, Cu2+, Ni2+, Co2+ , tùy nhóm chức trên mạch polyme mà thành phần và cấu trúc của phức khác nhau Hơn nữa chitosan và các kim loại như Ag+, Cu2+, Ni2+, …có tính chất khử trùng và diệt khuẩn, sau khi chitosan liên kết với các ion kim loại nhờ oxi hay nito, các liên kết ràng buộc làm tăng cường hoạt tính kháng khuẩn [18]

1.1.3.3 Tính chất sinh học của chitosan

Chitosan được chứng minh là có nhiều hoạt tính sinh học Chitosan có khả năng kích thích làm tăng cường hệ thống miễn dịch cơ thể, hạn chế sự phát triển của các tế bào u bướu, ung thư, HIV/AIDS, chống tia tử ngoại, chống ngứa,… [19, 20] Ngoài ra, chitosan có thể hấp thụ chất bẩn trong đường ruột, phòng chống bệnh tiểu đường, hạ huyết áp, phòng bệnh xơ cứng động mạch, đào thải độc tố và hấp thụ kim loại nặng, cải thiện cơ năng tiêu hóa [20-22] Chitosan có khả năng thúc đẩy làm lành da, phục hồi vết thương, cầm máu, thấm máu ở vị trí bị xuất huyết [23]

Chitosan hầu như không độc, LD50 = 16 g/kg cân nặng cơ thể, không gây độc trên súc vật thực nghiệm và người, không gây độc tính trường diễn (LD50 lượng chất độc gây chế 50% số cá thể thí nghiệm) [24]

1.1.4 Đặc tính kháng vi sinh vật của chitosan

1.1.4.1 Khả năng kháng vi sinh vật của chitosan

Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng chitosan có khả năng ức chế sự phát triển của vi sinh vật Khả năng kháng khuẩn của chitosan phụ thuộc các yếu tố: loại chitosan, pH, nhiệt độ, thành phần thực phẩm [38] Chitosan có khả năng kháng virus [25] và nhiều loài vi sinh vật như vi khuẩn Gram (-), vi khuẩn Gram (+), nấm mốc và nấm men

a Khả năng kháng vi khuẩn

Chitosan ức chế sự phát triển của rất nhiều vi khuẩn như Escherichia coli, Salmonella, Vibrio parahaemolyticus, Listeria monocytogenes, Bacillus cereus, Staphylococcus aureus,…Nồng độ ức chế sự phát triển của vi khuẩn thay đổi trong

khoảng 10 – 16000 ppm [26] Ngoài ra, các thí nghiệm cũng cho thấy có rất nhiều ion kim loại có thể ảnh hưởng đến đặc tính kháng khuẩn của chitosan như K+, Na+, Mg2+,… Các nghiên cứu cho thấy chitosan có thể làm yếu đi chức năng bảo vệ của thành tế bào nhiều vi khuẩn [26-28]

b Khả năng kháng nấm men và nấm mốc

Hoạt tính kháng nấm của chitosan được chứng minh qua các nghiên cứu với

nhiều loại nấm khác nhau như Saccharomyces ludwigii, Pichia, Pseudomonas fragi, Candida, Zygosaccharomyces bailii, Pyricularia grisea, … Nồng độ nhỏ nhất ức

chế sự phát triển thay đổi từ 10 – 5000 ppm Nhìn chung, chitosan ở nồng độ 1000

ppm làm giảm sự phát triển của các loại nấm trừ Zygomycetes vì chitosan là một

thành phần cấu tạo trong thành tế bào của chúng [2, 29]

Nghiên cứu hiệu quả kháng nấm mốc gây hư hỏng quả của chitosan nồng độ 0,5; 1; 1,5 và 2% cho thấy chitosan có tác dụng kháng nấm ở các giai đoạn phát triển khác nhau (sự tăng trưởng của sợi nấm, sự nảy mầm của bào tử) của cả

Colettochitrum musae phân lập từ chuối, Colettochitrum gloeosporioides phân lập

từ đu đủ và thanh long [30] Kết quả này cũng tương tự như kết quả của Baños và cs (2004) [31] cho rằng sự tăng trưởng của sợi nấm và sự này mầm của

Bautista-bảo tử nấm Fusarium, Penicillium, và Rhizopus bị ức chế bởi chitosan, tuy nhiên so với Penicillium và Rhizopus thì Fusarium là nấm nhạy cảm nhất Việc giảm tối đa

trọng lượng khô của sợi nấm và ức chế hình thành bào tử được quan sát thấy ở

chitosan nồng độ 2% đối với Colettochitrum musae phân lập từ chuối, Colettochitrum gloeosporioides phân lập từ đu đủ và thanh long [30] Hiệu ứng tương tự cũng được chứng minh trong các nghiên cứu trước đây về F oxysporum

phân lập từ đu đủ [31] Các nghiên cứu khác cũng đã chỉ ra rằng chitosan kích thích

hình thành bào tử của Penicillium digitatum và C gloeosporioides [31]

Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng kháng vi sinh vật của

trọng lượng phân tử lớn hơn 30 000 Dalton cho hiệu quả cao nhất kháng E coli, với

phạm vi khảo sát trọng lượng phân tử chitosan từ 10 000 – 170 000 Dalton [35]

Tuy nhiên, rất khó để tìm được mối tương quan rõ ràng giữa khả năng kháng khuẩn và trọng lượng phân tử của chitosan Các nghiên cứu về hoạt động diệt khuẩn của chitosan có thể so sánh được tùy thuộc vào vi sinh vật thử nghiệm, điều kiện thử nghiệm và trọng lượng phân tử của chitosan, độ DDA của chitosan, nhưng các kết quả thu được không hoàn toàn tương thích, có sự khác biệt Tăng trọng lượng

phân tử dẫn đến giảm hoạt tính kháng E coli của chitosan trong một số nghiên cứu

[28, 36, 37] Ngược lại với kết quả đề cập ở trên không có sự khác biệt trong hoạt

động kháng khuẩn của chitosan có trọng lượng phân tử khác nhau đối với E coli và

B subtilis [36, 38] Thêm vào đó, do chitosan là một polyme tự nhiên, phạm vi

trọng lượng phân tử chitosan rộng với độ deacetyl hóa là khác nhau phụ thuộc từng nghiên cứu Chính vì vậy, khó có thể xác định trọng lượng phân tử tối ưu nhất của chitosan để cho hoạt tính kháng khuẩn tốt nhất

b Mức độ deacetyl hóa

Hoạt tính kháng khuẩn của chitosan tỷ lệ thuận với DDA của chitosan [39, 40] Sự gia tăng DDA có nghĩa là số lượng các nhóm amin trên chitosan tăng lên, kết quả là trong môi trường có tính axit gia tăng sự tương tác giữa chitosan và các điện tích âm trên màng tế bào vi sinh vật [41] Simpson và cs báo cáo rằng chitosan với DDA là 92,5% có hiệu quả cao hơn so với chitosan có DDA 85% [42] Mức độ diacetyl hóa cao làm tăng khả năng hòa tan chitosan và tăng mật độ điện tích do đó cải thiện độ bám dính của chitosan lên các tế bào vi sinh vật [43]

c Độ pH

Hoạt động kháng khuẩn của chitosan bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi pH [44-47]

pH thấp hơn làm tăng hoạt tính kháng khuẩn được giải thích bởi nhiều lí do, ngoài hiệu ứng ức chế vi sinh vật mục tiêu của các axit Ở môi trường có giá trị pH thấp, khả năng hòa tan của chitosan cao và proton trong dung dịch chitosan cao làm tăng hiệu quả kháng khuẩn [43] Nghiên cứu của Tsai & Su (1999) [47] kiểm tra khả

năng kháng khuẩn của chitosan (DDA 98%) đối với E coli ở các giá trị pH khác

nhau là 5,0; 6,0; 7,0; 8,0; 9,0 cho rằng chitosan có khả năng kháng khuẩn tốt nhất ở

pH 5,0 và chitosan có hoạt tính kháng khuẩn kém ở pH 9,0 Các nhà nghiên cứu khác cũng kết luận rằng chitosan không có hoạt tính kháng khuẩn ở pH 7,0 do nhóm amin và độ hòa tan của chitosan ở pH này rất kém [28, 44]

d Nhiệt độ

Nhiệt độ cũng có ảnh hưởng đến hoạt tính kháng vi sinh vật của chitosan Nhiệt độ cao hơn 37oC làm tăng hoạt tính kháng khuẩn của chitosan so với nhiệt độ

lạnh Tsai và Su đã kiểm tra tác động của nhiệt độ đến hoạt động kháng E coli của

chitosan [47] Huyền phù tế bào trong đệm photphat (pH 6) có chứa chitosan với nồng độ 150ppm được nuôi ở 4, 15, 25, 37oC trong các khoảng thời gian khác nhau

và định lượng số tế bào còn sống sót Các hoạt tính kháng khuẩn được tìm thấy tỷ lệ thuận với nhiệt độ ở nhiệt độ 25 và 37oC, các tế bào E coli đã hoàn toàn bị giết chết

trong vòng 1 giờ Tuy nhiên ở nhiệt độ thấp hơn 4 và 15oC số lượng E coli giảm

trong vòng 5 giờ đầu và sau đó ổn định Tác giả kết luận rằng hoạt động chống vi khuẩn giảm do giảm tỷ lệ tương tác giữa chitosan và các tế bào ở nhiệt độ thấp hơn

e Cation và polyanion

Các nhà nghiên cứu đề xuất rằng các cation tạo phức hợp với chitosan và làm giảm số nhóm amin dẫn đến giảm hiệu quả diệt khuẩn của chitosan [28]

1.1.4.3 Cơ chế kháng vi sinh vật của chitosan

Mặc dù cơ chế kháng khuẩn chính xác của chitosan chưa được hiểu một cách đầy đủ, tuy nhiên có 3 cơ chế giải thích khả năng kháng khuẩn của chitosan là: Khả năng kháng khuẩn của chitosan là do sự tương tác giữa điện tích dương của nhóm amin (NH3+) ở giá trị pH thấp hơn 6,3 (các pKa của chitosan) và bề mặt tích điện

âm của vi khuẩn Kết quả là làm thay đổi các đặc tính của màng bán thấm, do đó gây mất cân bằng thẩm thấu bên trong và bên ngoài dẫn đến ức chế sự tăng trưởng của vi sinh vật [2] Chitosan thủy phân peptidoglycan trong thành tế bào vi sinh vật dẫn đến làm rò rỉ các chất điện giải trong tế bào như các ion kali, và các thành phần protein có trọng lượng phân tử thấp khác (như protein, axit nucleic, glucoza, và lactat dehydrogenaza) [34, 48]

Trong nghiên cứu về tính kháng E coli của chitosan từ vỏ tôm người ta cho

rằng khả năng ức chế vi khuẩn của chitosan là do liên kết giữa chuỗi polyme của chitosan với các ion kim loại trên bề mặt của vi khuẩn làm thay đổi tính thấm của màng tế bào [42, 48] Khi bổ sung chitosan vào môi trường, tế bào vi khuẩn sẽ chuyển từ điện tích âm sang điện tích dương [27, 28, 37] Quan sát trên kính hiển vi

huỳnh quang cho thấy chitosan không trực tiếp hoạt động ức chế vi khuẩn E coli

mà do sự kết lại của các tế bào và sự tích điện dương ở màng tế bào của vi khuẩn [26, 47], từ đó dẫn đến sự thay đổi tính thấm của màng tế bào vi khuẩn, và ảnh hưởng đến sự nguyên vẹn của tế bào, phá hủy thành tế bào và làm rò rỉ các chất trong tế bào [27, 40, 45]

1.1.5 Ứng dụng của chitosan trong bảo quản rau quả tươi

Với hoạt tính kháng khuẩn và chống oxi hóa, chitosan được coi là hoạt chất sinh học rẻ tiền, sẵn có và có nguồn gốc tự nhiên ứng dụng trong bảo quản thực phẩm như thịt cá [49], nước quả [50], đặc biệt điều trị các vi sinh vật gây bệnh trên quả sau thu hoạch

nhiên – đến các loại rau quả cũng được đưa ra trong một vài nghiên cứu Bằng cách tạo ra một màng bán thấm trên bề mặt rau quả, chitosan có tác dụng làm thay đổi khí quyển bên trong (thay đổi tính thấm nước, oxy, carbon dioxide) do đó làm giảm

sự thoát hơi nước, giảm tỷ lệ hô hấp, trì hoãn quá trình chín, kéo dài thời gian bảo quản và kiểm soát thối hỏng ở nhiều loại quả [51-53] Tác dụng duy trì chất lượng trái cây của chitosan phụ thuộc phần lớn vào tính chất của màng, loại trái cây, độ chín cũng như điều kiện bảo quản Nghiên cứu của Krishna & Rao (2014) bảo quản

ổi bằng chitosan 1% chỉ ra rằng chitosan có tác dụng giảm tỷ lệ hô hấp, giảm hao hụt khối lượng tự nhiên, màu sắc, độ cứng và chất lượng được duy trì cho đến khi kết thúc quá trình bảo quản ở nhiệt độ thường trong 7 ngày [54] Khi sử dụng chitosan nồng độ 2% để bảo quản ổi ở 11oC, ẩm độ 90 – 95%, tránh được các tổn thất khối lượng, biến màu, không bị giảm lượng axit và vitamin C, kéo dài được thời gian bảo quản lên 12 ngày [55] Hossain & Iqbal (2016) bảo quản chuối bằng chitosan tạo ra từ vỏ tôm kết luận xử lý chuối bằng chitosan 1% có tác dụng làm giảm hao hụt khối lượng tự nhiên, duy trì được màu sắc, dinh dưỡng và cảm quan, mức độ nhiễm bệnh, tỷ lệ bệnh giảm và kéo dài thời gian bảo quản chuối 16,6 ngày

ở nhiệt độ thường [56] Thêm vào đó, chitosan ở trọng lượng phân tử thấp đã được báo cáo để kiểm soát các bệnh sau thu hoạch trên các loại quả có múi (cam, chanh,

bưởi) Cụ thể, chitosan ức chế đáng kể sự phân hủy các quả có múi do Penicillium digitatum, Penicillium italicum, Botrydiplodia lecanidion và Botrytis cinerea sau 14

ngày khi bảo quản ở 25°C Đồng thời, chitosan ở nồng độ từ 0,05-2% làm tăng độ săn chắc, hàm lượng chất rắn hòa tan, độ axit, hàm lượng axit ascorbic và hàm lượng nước của quả có múi sau 56 ngày bảo quản ở 15°C [57]

Do khả năng tạo màng tốt của chitosan, nó đã được sử dụng rộng rãi để bảo

vệ, cải thiện chất lượng và kéo dài thời hạn sử dụng của các thực phẩm tươi [58] Lớp phủ chitosan có thể kéo dài thời gian bảo quản của trái cây và rau quả Chitosan tạo thành một lớp màng bán thấm trên bề mặt trái cây, thay đổi sự trao đổi khí giữa khí quyển bên ngoài và thành phần khí bên trong, làm giảm sự mất hơi nước, và làm chậm quá trình chín của trái cây Tốc độ truyền hơi nước của màng chitosan giảm dần khi nồng độ dung dịch phủ chitosan tăng dần Chitosan kết hợp với bao bì khí quyển điều chỉnh (MA) duy trì tốt chất lượng trái cây [59] Mất nước

là một trong những nguyên nhân chính gây suy giảm chất lượng trái cây, mất nước không chỉ gây tổn thất trực tiếp về khối lượng, mà còn gây ra tổn thất về ngoại hình (do héo, co rút bề mặt) và chất lượng dinh dưỡng Việc giảm khối lượng là kết quả của việc mất lượng từ các mô trái cây và một phần của quá trình hô hấp [59]

Khi sử dụng chitosan bảo quản các loại rau quả như cà chua, nhãn, táo, xoài, chuối, ớt chuông, đào, dâu tây, … có thể làm giảm các tổn thất do mất nước [59] Các loại trái cây khi được xử lý bằng chitosan có thể hạn chế lại quá trình suy giảm

độ cứng, các nghiên cứu cho thấy rằng, khi xử lý với quả đào, quả đào chín chậm hơn, do đó dẫn đến quả cứng hơn [59] Theo Hussein và cs (1998), tỷ lệ thủy phân protopectin không hóa tan thành pectin đơn giản được tăng lên theo tiến trình của thời gian lưu trữ [60] Ngoài ra, hoạt động của Pectinesterase sẽ tăng dần trong quá trình bảo quản, do đó làm giảm độ cứng của vỏ trái cây và thịt quả trong quá trình bảo quản quả lê Việc mất độ cứng của quả xảy ra có liên quan đến sự thoái hóa của thành tế bào do quá trình phân hủy bởi polygalacturonase, pectinametilesterase và

sự mất nước [59]

Việc giảm độ cứng của trái cây tăng theo thời gian bảo quản lạnh trên táo đã được chứng minh bởi Viskelis và cs (2011) [61] Một số ví dụ chỉ ra rằng trong dâu tây, quả mâm xôi, cà chua, đào, đu đủ và các loại quả khác khi được xử lý bởi chitosan thì quá trình suy giảm độ cứng đã chậm lại, trái cây cứng hơn so với không

xử lý sau thời gian bảo quản [59]

Độ axit giảm chậm dần vào cuối giai đoạn bảo quản đối với các loại trái cây được xử lý bằng chitosan điều này liên quan tới sự suy giảm chất lượng vị giác khi

ăn của các loại quả [59, 61] Giảm axit tổng số trong thời gian bảo quản có thể là do quá trình phá hủy axit hữu cơ do oxy hóa và axit hữu cơ sử dụng trong quá trình hô hấp tại các mô trái cây Nghiên cứu về chu kỳ bảo quản đã được xác định làm tăng quá trình hô hấp của trái cây tươi [60]

Chitosan khi sử dụng để bảo quản rau quả sẽ tạo ra một màng phủ, lớp phủ chitosan thường ức chế quá trình sản sinh CO2, do đó tạo ra ethylene nội sinh Tác dụng ức chế của chitosan đối với nấm bệnh bắt nguồn từ sự kết hợp của các đặc tính kháng nấm và ức chế các yếu tố thuận lợi cho nấm phát triển Thật vậy, chitosan ức chế sự tăng trưởng in vitro của nhiều loại nấm, bao gồm một số loài nấm bệnh trên trái cây và rau quả Ngoài ra, lớp phủ chitosan bảo vệ trái cây khỏi các tổn thương

cơ học và hàn kín lại các tổn thương nhỏ Chitosan có thể làm giảm độ nghiêm trọng của PAL và PPO, sự hóa lỏng do tăng sinh tổng hợp các hợp chất phenolic hoặc các chất chuyển hóa thứ cấp và SAR [59]

Hoạt tính kháng khuẩn của chitosan do các nhóm amino mang điện tích dương tương tác với màng tế bào vi khuẩn điện tích âm thúc đẩy tăng tính thấm của màng

và gây ra sự gián đoạn làm chết tế bào Các nghiên cứu đã chứng minh rằng chitosan ức chế sự phát triển của nhiều loại vi khuẩn gây hư hỏng và gây bệnh, cũng như nấm men và nấm mốc Hoạt tính kháng khuẩn phụ thuộc và loại chitosan, mức

độ diacetyl hóa, trọng lượng phân tử, vi sinh vật đích, pH của môi trường và sự hiện diện của chất phụ gia hoặc thành phần thực phẩm khác [28, 32, 33]

Tăng tỷ lệ phần trăm nấm gây bệnh trong 0,8% nano – chitosan xuất hiện các vết hưu hỏng và sẫm màu ở vỏ quả nhưng không gây thối Vì vậy, nồng độ cao của vật liệu hạt nano chitosan có thể gây ra tác động xấu đặc biệt là trái cây mềm như đào [59] Tác động ức chế của chitosan đối với nấm bệnh nghiên cứu trên đào của Mohamed Momtaz Gad và cs (2016) [59] cũng cho các kết quả phù hợp với nghiên cứu trên táo, trên quả anh đào ngọt, nho và cam hay trên quả đu đủ trên quả đào [62, 63]

Nói chung, nhiều nghiên cứu đã báo cáo rằng, vào cuối giai đoạn bảo quản hàm lượng axit tổng số tăng lên đối với một số loại rau quả sử dụng chitosan như dâu tây, cà chua và đào Trong khi đó, ở một số cây trồng khác như xoài và nhãn,

độ axit giảm dần, đồng thời với sự suy giảm này là sự suy giảm về chất lượng cảm quan vị giác của rau quả [59, 62] Sau khi bảo quản, tổng số chất rắn hòa tan (TSS) của các loại trái cây được xử lý bằng chitosan cũng khác nhau, TSS thấp hơn ở các mẫu kiểm soát được báo cáo trên quả xoài và chuối phủ chitosan, trong khi giá trị TSS cao hơn được báo cáo trên quả đào xử lý bằng chitosan Tuy nhiên, các nghiên cứu khác cũng báo cáo rằng TSS của đu đủ và quả bí ngòi giống với kết quả ở các mẫu chưa xử lý [63] Trong các nghiên cứu đó, hàm lượng vitamin trong quả xoài giảm dần và thấp hơn so với quả đối chứng Tuy nhiên, đối với đào, hàm lượng axit

ascorbic cao hơn trong trái cây được xử lý bằng chitosan khi so sánh với trái cây không xử lý [63]

Tại Việt Nam, nhóm tác giả Nguyễn Bích Thủy và cs (2008) đã kết luận: màng chitosan bao bọc quanh quả chanh tươi có tác dụng làm giảm hao hụt khối lượng tự nhiên, giữ hàm lượng chất khô tổng số, hàm lượng axit hữu cơ tổng số, và vitamin C vẫn còn cao trong suốt thời gian bảo quản Chitosan có tác dụng bảo quản chanh lên tới 30 ngày [64] Sau đó, nhóm tác giả Trần Thị Thu Huyền, Nguyễn Thị Bích Thủy (2011) nghiên cứu ảnh hưởng của chitosan đến những biến đổi hóa lý của quả nhãn sau thu hoạch cho biết bảo quản nhãn bằng phương pháp bao màng chitosan và để trong bao bì có đục lỗ, kết hợp với khống chế môi trường ở mức

10oC có tác dụng kéo dài thời gian bảo quản và duy trì chất lượng quả Nhãn được bảo quản bằng màng chitosan với nồng độ 2% có thể duy trì chất lượng của quả trong thời gian 20 ngày, đảm bảo tiêu chuẩn về dinh dưỡng và cảm quan được người tiêu dùng chấp nhận [65] Chitosan nồng độ 1% được hòa tan trong dung dịch axit acetic 1% sau đó được phun lên bề mặt chuối, có tác dụng làm giảm sự biến màu vỏ quả chuối Màng chitosan ức chế được hoạt tính oxy hóa của các polyphenol là thành phần của anthocyamin, flavonoid và tổng lượng các hợp chất phenol ít biến đổi, giữ cho màu sắc của rau quả tươi lâu hơn Phương pháp này kéo dài thời gian bảo quản, độ tươi của chuối gấp 3 lần so với các mẫu đối chứng (không sử dụng chitosan) [56]

Tuy vậy các nghiên cứu còn chưa nhiều và chưa đưa ra được từ quy trình sản xuất đến ứng dụng chitosan và dẫn xuất COS trong bảo quản

1.2 Tổng quan về nano bạc

1.2.1 Giới thiệu về công nghệ nano

1.2.1.1 Vật liệu nano

Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước cỡ nano

mét (1nm = 10 -9 m) Kích thước của vật liệu nano trải một khoảng từ vài nm đến vài

trăm nm phụ thuộc vào bản chất vật liệu và tính chất cần nghiên cứu [66]

1.2.1.2 Phân loại vật liệu nano

Có thể phân loại vật liệu nano dựa vào hình dáng vật liệu [67], bao gồm:

- Vật liệu không chiều là vật liệu mà ba chiều đều có kích thước nano (chấm

của phần tử tải điện)

Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có các phần không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau

1.2.1.3 Cơ sở khoa học của công nghệ nano

Công nghệ nano dựa trên ba cơ sở khoa học chính [68]:

a Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử

Khác với vật liệu khối, khi ở kích thước nano thì các tính chất lượng tử được thể hiện rõ ràng

b Hiệu ứng bề mặt

Cùng một khối lượng nhưng khi ở kích thước nano chúng có diện tích bề mặt lớn hơn rất nhiều so với khi chúng ở dạng khối, điều này có ý nghĩa rất quan trọng trong các ứng dụng của vật liệu nano có liên quan tới khả năng tiếp xúc bề mặt của vật liệu

c Kích thước tới hạn

Kích thước tới hạn là kích thước mà ở đó vật liệu giữ nguyên được các tính chất vật lý và hóa học khi ở dạng khối, nếu kích thước vật liệu nhỏ hơn kích thước tới hạn thì tính chất của nó thay đổi hoàn toàn Nếu ta giảm kích thước của vật liệu đến kích cỡ nhỏ hơn bước sóng của vùng ánh sáng thấy được (400-700 nm), theo Mie hiện tượng "cộng hưởng plasmon bề mặt" xảy ra và ánh sáng quan sát được sẽ thay đổi phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng xảy ra hiện tượng cộng hưởng Nhờ những tính chất ưu việt của vật liệu ở kích thước tới hạn nên công nghệ nano có ý nghĩa quan trọng và thu hút được sự chú ý đặc biệt của các nhà nghiên cứu

1.2.2 Tính chất lý học của hạt nano bạc

Cấu hình electron của bạc: 1s22s22p63s23p63d104s24p64d105s1

Bán kính nguyên tử bạc: 0,288nm

Bán kính ion bạc: 0,23nm

Bảng 1.1: Số nguyên tử bạc trong một đơn vị thể tích [69]

Kích thước của hạt nano bạc (nm) Số nguyên tử chứa trong đó

hạt tăng thì cường độ đỉnh tăng và dịch về phía bước sóng dài, do đó kích thước hạt nano bạc phụ thuộc vào các yếu tố trong quá trình chế tạo hạt nano bạc

b Hiệu ứng cộng hưởng Plasmon bề mặt

Tính chất quang học của hạt nano bạc trong thủy tinh làm cho các sản phẩm

từ thủy tinh có các màu sắc khác nhau [70] Kim loại có nhiều điện tử tự do, các điện tử tự do này sẽ dao động dưới tác dụng của điện từ trường bên ngoài như ánh sáng Tính chất quang của hạt nano bạc có được do sự dao động tập thể của các điện

tử dẫn đến từ quá trình tương tác với bức xạ sóng điện từ Khi dao động như vậy, các điện tử sẽ phân bố lại trong hạt nano bạc làm cho hạt nano bạc bị phân cực điện tạo thành một lưỡng cực điện [70] Sử dụng kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM - transmission electron microscope) để quan sát hình dạng và kích thước hạt nano bạc

và sử dụng thiết bị đo phổ hấp thụ tử ngoại – khả kiến (UV-Vis) để quan sát hiệu ứng cộng hưởng plasmon của hạt nano bạc

1.2.2.2 Tính chất điện và nhiệt

Bạc là một kim loại dẫn điện tốt nhất trong các kim loại Bạc có mật độ điện

tử tự do cao nên điện trở của bạc rất nhỏ Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu phụ thuộc vào mức độ liên kết giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể Như vậy, khi kích thước của hạt nano giảm, nhiệt độ nóng chảy sẽ giảm [71]

Bảng 1.2: Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano bạc

thước lên đến 200 nm) được tổng hợp bằng cách sử dụng vi khuẩn Pseudomonas stutzeri Vi khuẩn Klebsiella pneumonia có khả năng kháng bạc được sử dụng

trong quá trình sinh tổng hợp nano bạc (đường kính 5-32 nm, trung bình 22,5 nm) [74] Một số vi nấm cũng được sử dụng để sinh tổng hợp nano bạc, hạt nano bạc nội bào (đường kính 25±12 nm) được sản xuất trong các tế bào nấm

Verticullium [75] và các hạt nano bạc ngoại bào (đường kính 5-25 nm) bằng cách

sử dụng nấm mốc như Fusarium oxysporum [76], Aspergillus fumigatus [77] và Trichoderma asperellum [78]

Các tiến bộ về công nghệ vật liệu nano trong hai thập kỷ qua đã cho phép các nhà khoa học tạo vật liệu nano bạc bằng cách kiểm soát hình dạng, kích thước và bề mặt hạt bạc nano Các yếu tố trên ảnh hưởng đến hoạt tính hóa học của vật liệu như: đặc tính cơ học, quang học, điện tử và từ tính Nano bạc có đặc tính sinh học và hóa học tác động đến thực phẩm, dược phẩm, nano bạc thể hiện

sự đồng nhất về đặc tính vật lý và quang học, keo bạc thì không thể hiện điều này [79]

Tại Việt Nam trong những năm gần đây công nghệ nano bắt đầu được đầu

tư và thu hút sự chú ý của các nhà khoa học Đề tài nano bạc cũng đã bắt đầu được nghiên cứu trong một vài năm gần đây ở một số đơn vị như Phòng thí nghiệm Công nghệ Nano – Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh, Trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên…Nhóm tác giả Nguyễn Đức Nghĩa và cs công bố trên Tạp chí hóa học (2001) đã chế tạo được hạt nano bạc bằng phương pháp khử các ion bạc sử dụng tác nhân oleate trong polyme ổn định, thu được các hạt bạc có kích thước từ 4 – 7nm Nhóm nghiên cứu nano tại Phòng thí nghiệm công nghệ nano – Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh đã nghiên cứu ứng dụng dung dịch keo nano bạc ngâm tẩm trên vật liệu polyurethan để xử lý nguồn nước uống nhiễm khuẩn [80]

1.2.4 Đặc tính kháng vi sinh vật của nano bạc

1.2.4.1 Khả năng kháng vi sinh vật của nano bạc

Vật liệu nano bạc là các hạt bạc kim loại có kích thước dưới 100nm, tiền thân của nano bạc là keo bạc có kích thước từ 15 – 500nm [79] Trước khi phát minh ra penicillin, keo bạc được sử dụng để điều trị các bệnh lây nhiễm và cảm cúm [79] Khi chuyển từ keo bạc sang hạt bạc nano, hiệu quả kiểm soát vi rút và

vi khuẩn tăng lên nhiều lần, do diện tích bề mặt của vật liệu nano rất lớn, nên sự tiếp xúc giữa vi khuẩn, vi nấm với bạc tăng lên Khi nano bạc tiếp xúc với vi khuẩn và nấm, sẽ ảnh hưởng lên quá trình trao đổi chất của tế bào, hệ thống dẫn truyền điện tử và vận chuyển của các chất nền trong màng tế bào của vi sinh vật Nano bạc ức chế nhân và sự phát triển của vi khuẩn và nấm gây ra nhiễm trùng, ngứa và lở loét [79] Hoạt động kháng khuẩn của nano bạc liên quan đến cấu trúc đặc trưng của hạt nano Do có diện tích bề mặt lớn nên hạt nano bạc có khả năng kháng khuẩn tốt hơn so với các vật liệu khối do khả năng giải phóng nhiều ion

Ag+ hơn

Nano bạc có phổ kháng vi khuẩn rộng bao gồm Gram (–), Gram (+) và các

chủng kháng kháng sinh [81] Các chủng vi khuẩn bao gồm Acinetobacter,

Escherichia, Pseudomonas, Salmonella, Vibrio, Acinetobacter, Bacillus, Clostridium, Enterococcus, Listeria, Staphylococcus và Streptococcus, kể cả các

vi khuẩn kháng kháng sinh như kháng methicillin và vancomycin như Staphylococcus aureus và Enterococcus faecium đã được sử dụng để kiểm tra tác dụng kháng khuẩn của nano bạc Nano bạc (đường kính 5 – 32 nm) cải thiệu hoạt

tính kháng vi sinh vật của kháng sinh [74] Hoạt tính của penicillin G,

amoxicillin, erythromycin, clindamycin, và vancomycin tác động lên S aureus

và E coli tăng lên khi có mặt nano bạc [81] Tại Việt Nam, Lê Anh Tuấn và cs.,

2010 của trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã nghiên cứu ảnh hưởng việc kết hợp của oleic axit và nano bạc trong kháng khuẩn [82] Năm 2009, tác giả Nguyễn Thị Mỹ Lan và cs đã nghiên cứu về khả năng làm lành vết thương của nano bạc kết hợp với chitosan tan trong nước Cũng trong năm này, tác giả Trương Thu Hiền và Nguyễn Như Lâm đã nghiên cứu về nồng độ diệt khuẩn tối

thiểu đối với P aeruginosa, S aureus và E coli của nano bạc [83]

Nano bạc có tác dụng nhanh đến các loại nấm phổ biến như Aspergillus, Candida, Saccharomyces, cơ chế tác động của nano bạc lên vi nấm chưa rõ ràng,

nhưng tương tự với tác dụng của kháng sinh [84-86] Jolanta và cs (2013) nghiên cứu về ảnh hưởng của nano bạc tới nấm mốc đã chỉ ra rằng nano bạc với

nồng độ 50 ppm có thể gây ức chế lên sự tăng trưởng của A niger [87] Papaiah

và cs (2013) đã chứng minh rằng nano bạc có khả năng kháng các chủng nấm

Rolfsii Sclerotium; Rhizoctonia betaticola; A niger gây ra các bệnh ảnh hưởng

tới cây trồng [88]

Ngoài ra, nano bạc còn có một vài hoạt tính sinh học khác như diệt virus, kháng viêm … Hạt nano bạc có đường kính trung bình 10nm có khả năng ức chế

sự sao chép của virus HIV – 1 [89] Nano bạc có khả năng kháng viêm, ức chế

sự hoại tử của khối u (TNF), interleukin (IL)-12, và IL-1, hạt nano bạc đường kính 14,0 ± 9,8 nm có khả năng điều chỉnh các cytokine trong việc chữa lành vết thương [90] Nano bạc có khả năng ức chế sự hình thành của các màng sinh học,

có thể loại bỏ hàng rào chống lại các tác nhân kháng khuẩn của các vi sinh vật,

hỗ trợ hệ miễn dịch, làm tăng hiệu quả sử dụng của các loại kháng sinh

Nano bạc là kháng sinh tự nhiên, không gây tác dụng phụ, không gây phản ứng phụ, không gây độc cho người và vật nuôi khi nhiễm lượng nano bạc bằng nồng độ diệt khuẩn (khoảng nồng độ <100ppm) [91] Nano bạc là một trong vật liệu nano được nghiên cứu kỹ lưỡng và được ứng dụng phổ biến để tiêu diệt vi sinh vật [92] Chính vì những tác dụng này mà nano bạc được sử dụng trong rất nhiều lĩnh vực như: kỹ thuật y sinh, thẩm mỹ, thực phẩm, ngành công nghiệp đóng gói, ngành công nghiệp dệt may, cây trồng, chăn nuôi,… [93] Nano bạc được kỳ vọng là chế phẩm ức chế vi khuẩn kháng thuốc kháng sinh hoặc các loại nấm gây bệnh thực vật thiếu thuốc đặc trị Thông thường nồng độ nano bạc sử dụng cho việc kháng khuẩn và sát trùng rất thấp, ví dụ như khoảng 5ppm cho

việc diệt vi khuẩn E coli hiệu quả đến 99% và khuẩn S aureus là hơn 99%

1.2.4.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng kháng khuẩn của nano

Kích thước, hình dạng hạt, nồng độ và sự phân bố là các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến tính kháng khuẩn của nano bạc

a Kích thước hạt nano bạc

Kích thước hạt nano bạc là yếu tố quan trọng quyết định khả năng diệt khuẩn, kích thước càng nhỏ thì khả năng diệt khuẩn của nano bạc càng mạnh Tuy nhiên các hạt có kích thước nhỏ lại có khuynh hướng liên kết với nhau trong quá trình lưu trữ tạo thành các hạt lớn hơn gây ảnh hưởng tới khả năng diệt khuẩn và bảo quản của nano bạc Do đó trong quá trình chế tạo chúng ta phải tìm ra các phương pháp vừa tạo ra hạt nano bạc có kích thước nhỏ vừa bền vững

b Hình dạng

Các hạt nano có thể ở dạng nano hai chiều, một chiều, không chiều Các hạt nano bạc có cùng nồng độ và sự phân bố nhưng hình dạng khác nhau là thì khả năng kháng vi sinh vật không giống nhau

c Nồng độ

Dịch nano bạc có nồng độ càng cao và sự phân bố đều thì khả năng diệt khuẩn càng tốt Tuy nhiên khi nồng độ quá cao, năng lượng bề mặt hạt nano lớn, nên các hạt nano bạc sẽ va chạm vào nhau và phá vỡ cấu trúc nano Vì vậy cần tìm nồng độ thích hợp để các hạt phân bố đồng đều, và tránh kết tủa bạc [13, 70, 86, 94]

1.2.4.3 Cơ chế kháng vi sinh vật của nano bạc

Hiện nay, cơ chế kháng vi sinh vật của nano bạc vẫn chưa được giải thích rõ ràng Nhiều nhà khoa học cho rằng sự tương tác mạnh của ion Ag+ với peptidoglican, thành phần cấu tạo nên thành tế bào của vi khuẩn và ức chế khả năng vận chuyển oxy vào bên trong tế bào dẫn đến làm tê liệt vi khuẩn (Hình 1.2 và Hình 1.3) [95, 96]

Hình 1.2: Tác động của ion bạc lên tế bào [79]

Bằng các kỹ thuật chụp ảnh kính hiển vi điện tử có độ phóng đại cao SEM, …) Kết quả nghiên cứu cho thấy, hạt nano bạc bám dính với các thành phần điện tích âm trên bề mặt tế bào làm thay đổi tính thấm và sự hô hấp của màng tế bào [70, 94] Đồng thời các hạt bạc có kích thước nhỏ chui vào trong tế bào, kết hợp với

(FE-các enzyme hay ADN có chứa nhóm sunfuahydrin – SH hặc phốt phát gây bất hoạt enzyme hay ADN dẫn đến gây chết tế bào [94] (Hình 1.2) Ngoài ra các ion bạc còn

có khả năng liên kết với các base của ADN và trung hòa điện tích của gốc phosphate do đó ngăn chặn quá trình sao chép ADN [79]

Hình 1.3: Ion bạc vô hiệu hóa enzym chuyển hóa oxy của vi khuẩn

1.2.5 Ứng dụng của nano bạc trong bảo quản rau quả tươi

Nano bạc thể hiện tính kháng khuẩn tốt nên thường được ứng dụng trong nhiều sản phẩm để làm chất khử trùng, kháng khuẩn, khử mùi… Nano bạc có thể kết hợp trong nhựa, vải, giấy, sơn và chất phủ bề mặt, ngày nay, nano bạc có mặt trên hơn 200 loại mặt hàng tiêu dùng trên thế giới Có thể kể một vài sản phẩm chứa hạt nano bạc ví dụ như đồ dùng bằng nhựa có pha thêm hạt nano bạc có tác dụng khử trùng, chúng có khả năng diệt tối đa 99,9% vi khuẩn hoặc Đồ may mặc có chứa hạt nano bạc được tẩm vào các loại sợi để diệt khuẩn, virus, nấm và khử mùi [97] Các nhà khoa học Việt Nam cũng bắt đầu triển khai ứng dụng công nghệ nano trong chế tạo thuốc hướng đích và kết hoạch nghiên cứu ứng dụng của các hạt nano trong

y - sinh học để chẩn đoán và chữa bệnh Bài báo “chế tạo và ứng dụng hạt nano từ tính trong y sinh học” của nhóm tác giả Nguyễn Hữu Đức và cs báo cáo tại hội nghị Vật lý toàn quốc lần thứ VI (2005) Tuy nhiên, công nghệ nano tại Việt Nam hiện chỉ mới trong giai đoạn đặt những viên gạch móng đầu tiên

Trong bảo quản thực phẩm, nano bạc được công ty A-Do Global, công ty FinePolymer, Hàn Quốc sử dụng để chế tạo các vật liệu bảo quản thực phẩm dạng tiếp xúc, chống lại sự xâm nhiễm của vi sinh vật Hay nano bạc được công ty Blue Moon, công ty Sharper Image, Mỹ sử dụng để làm hộp bảo quản thực phẩm tươi sống Các nhà nghiên cứu đã sử dụng các hạt nano bạc làm chất kháng khuẩn và kháng nấm trong bảo quản thực phẩm [97] hoặc kéo dài thời gian cà chua hay táo [98]

Waszkiewics-Robak Bozena và cs (2015) đã tiến hành nghiên cứu sử dụng nano bạc để kéo dài thời gian bảo quản của các loại rau quả Nghiên cứu tiến hành phun bề mặt rau quả bằng vật liệu ion bạc trên các đối tượng cà chua, táo và nho [99] Dịch nước bạc kháng khuẩn được sử dụng ở nồng độ 50 ppm Ag+ được cho là quá đậm đặc để sử dụng vì làm sẫm màu của sản phẩm (sẫm màu cục bộ hoặc trên

bề mặt quả), đặc biệt là ở những nơi tiếp xúc với bao bì Sự biến màu này có thể xảy

ra do các hợp chất polyphenolic với sự hiện diện của các ion oxy và bạc tạo ra vị chua và vị đắng đặc trưng và làm thay đổi màu sắc quả Ở nồng độ này, chúng tác động cả vào quá trình chuyển hóa năng lượng, quang hợp, hô hấp, kiểm soát biểu hiện gen và kiểm soát cả quá trình tổng hợp hormone tăng trưởng Những vết biến màu này cũng có thể là kết quả quá trình hóa nâu enzyme có thể nhìn thấy rõ hơn ở

nồng độ bạc cao hơn trong dung dịch [99]

Khi phun thử nghiệm trên cà chua và các loại quả thử nghiệm với dung dịch nước bạc nano đã trì hoãn hai lần sự xuất hiện của các triệu chứng phân hủy vi sinh, Gopal và cs [100] đã nghiên cứu ảnh hưởng của bạc theo nồng độ và thời hạn sử dụng của rau diếp được bảo quản ở nhiệt độ 12oC Bạc tạo ra tử nitrat và bạc tạo ra bằng điện hóa được sử dụng để thử nghiệm Các tác giả chỉ ra rằng, chỉ rửa salad bằng nước pha với bạc cũng như bạc và hydro peroxide có hiệu quả hơn là rửa bằng nước khử trùng bằng clo Bạc ở mức 50 ppm gây ra sự giảm đáng kể các vi sinh vật

đã có ngay trong ngày rửa Ở nồng độ 125 ppm dẫn đến giảm 49% vi sinh vật so với mẫu được rửa chỉ bằng nước Theo các tác giả, chỉ 0,5 ppm bạc là đủ để giảm số

lượng Pseudomonas xuống 0,7 log cfu, trong khi việc sử dụng ở nồng độ 125 ppm không mang lại hiệu quả đáng kể nào Ngoài ra, Enterobacteriaceae tỏ ra nhạy cảm

với một lượng nhỏ bạc Chỉ 0,1 ppm đã làm giảm 50% số vi khuẩn này ngay trong ngày rửa mẫu, trong khi đó xử lý ở nồng độ 125 ppm sau 4 ngày bảo quản làm giảm 3,72 log cfu so với mẫu được rửa bằng nước Nồng độ tương tự cũng gây ra giảm hơn 5,9 log cfu trong các tế bào nấm men sau 7 ngày bảo quản ở 12oC so vơi mẫu chỉ rửa bằng nước [100]

Các tài liệu nghiên cứu cho thấy cơ chế tác dụng diệt khuẩn của keo bạc nằm

ở tác động trực tiếp của nó lên vi sinh vật Các enzyme hô hấp, ngoài ra còn oxy hóa cytochrom và NADH-succinate dehydrogenase Bạc tạo ra một liên kết mạnh với các axit amin thông qua các nhóm -SH (thiol), -NH2 (amino), - COOH (carboxylic), - C3H4N2 (imidazole) và – PO4 (phosphate) Axit amin quan trọng nhất liên kết với bạc là cystein, do đó, đây là hợp chất khi liên kết với bạc ion gây ra sự xáo trộn trong quá trình trao đổi chất do protein bị biến tính và mất hoạt động sinh học và vi sinh vật ngừng hoạt động và chết đi Nếu bạc xâm nhập vào tế bào vi sinh vật, nó sẽ phản ứng với axit nucleic và trải qua quá trình xen kẽ với DNA gây ức chế quá trình sao chép Điều này cũng đúng với virus, các hạt keo nano tấn công và ngăn chặn hoạt động của RNA không cho chúng nhân lên [99]

Theo nghiên cứu của Waszkiewics-Robak Bozena và cs (2015) [99] biểu hiện phân hủy vi sinh của các vật liệu nghiên cứu, đặc biệt là các vật liệu thái lát, được quan sát bằng phương pháp cảm quan cho thấy, khi phun nano bạc với nồng

độ 2,5 ppm trong 100 cm3, cà chua được xử lý không có dấu hiệu phân hủy sinh học trong 12 ngày bảo quản, trong khi các mẫu đối chứng hỏng trong 4-5 ngày bảo quản Mẫu cà chua được phun với nồng độ 50ppm nano bạc bị đổi màu rất nhanh sau xử lý, điều này có thể do sự biến đổi của enzyme (tương tác giữa thành phần polyphenol với enzyme oxy hóa và ion bạc) Nhìn chung, nghiên cứu đưa ra kết luận rau quả bảo quản được thử nghiệm với các ion nano có thể kéo dài gấp đôi độ bền vững chống lại vi sinh vật xâm nhập, tuy nhiên, ở các phần tiếp xúc giữa rau quả và bao bì đã quan sát được những biến đổi bất lợi của sản phẩm không do vi sinh vật Khi nghiên cứu so sánh rau quả được xử lý ở hai nồng độ 2,5 ppm và 50 ppm Ag+, sự khác biệt về cảm quan đáng kể được xác định, đặc biệt với các loại quả mềm như táo về màu sắc, tính đồng nhất Nghiên cứu khuyến cáo nên tiếp tục nghiên cứu sử dụng nano bạc trong bảo quản rau củ quả ở nồng độ thấp hơn 2,5 ppm trong dung dịch sẽ có lợi hơn về chất lượng cảm quan sản phẩm mà khả năng ngăn chặn vi sinh vật không đổi [99]

1.3 Ứng dụng của nano bạc kết hợp với các loại màng và màng chitosan trong bảo quản thực phẩm

Vật liệu nano bạc cho thấy tiềm năng lớn trong việc bảo quản thực phẩm tươi sống và nắm vai trò quan trọng trong việc kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm, giảm thiểu các mối nguy về ngộ độc thực phẩm Nano bạc có thể sử dụng phối hợp

cả với các màng bao không phân hủy và các loại màng bao ăn được/phân hủy sinh học

1.3.1 Ứng dụng của nano bạc kết hợp với màng polyme không phân huỷ sinh học

Các vật liệu polyme không phân hủy như Polyethylene (PE), Poly vinyl cloride (PVC) và ethylene vinyl alcohol (EVOH) được sử dụng rộng rãi như là vật liệu chính kết hợp với nano bạc trong bảo gói thực phẩm [101]

Bảng 1.3: Màng bao nano composite dựa trên phức hợp nano bạc và polyme không phân hủy

Typhimurium, Candida albicans, A niger

Penicillium, Lactobacillus, S

aureus, Coliforms, E coli,

Listeria

[105]

Chú thích: AgNPs: hạt nano bạc, Low density Polyethylene - LDPE

Bảng 1.3 cho thấy một vài ví dụ về nghiên cứu ứng dụng của một số loại polyme sau khi bổ sung nano bạc để đóng gói các loại thực phẩm khác nhau Mahdi

và cs (2012) đánh giá ảnh hưởng kháng khuẩn của bao gói nano từ nano bạc-PVC đối với thịt bò băm, bảo quản trong điều kiện 4oC Sau 7 ngày bảo quản, bao gói nano có tác dụng ức chế sự tăng trưởng của các vi sinh vật [101] Youssef và cs (2013) đã nhúng nano bạc vào polystyrene (PS) tạo nên nano composite Ag/PS Vật liệu nano composite này được đánh giá bằng SEM, TEM và FTIR, cho thấy khả

năng ngăn cản sự sinh trưởng của một số vi khuẩn gây bệnh quan trọng như là B subtilis, E faecalis, E coli và S typhimurium hay nấm men C albicans [104]

1.3.2 Ứng dụng của nano bạc kết hợp với màng polyme phân huỷ sinh học

Các loại màng polyme phân hủy sinh học là lựa chọn thay thế trong bao bì thực phẩm vì chúng có thể được tạo ra với chi phí thấp từ các nguồn phụ phẩm mà không gây ô nhiễm môi trường [106] Các polysaccharide được sử dụng phổ biến là cellulose, pullulan, agarose, tinh bột và chitosan [41, 107] Polyme dạng này dồi dào trong tự nhiên, có tính tương thích sinh học, cũng có thể tổng hợp tạo ra dạng

màng bao ăn được

Bảng 1.4: Bao bì nano composite từ phức hợp nano bạc và polyme phân hủy sinh học

kiểm định

Vi sinh vật kiểm định Nguồn tham

khảo

Cellulose + AgNPs Thịt bò Tổng số vi sinh vật hiếu khí,

vi khuẩn lactic, Pseudomonas spp., Enterobacteriaceae

[108]

Cellulose + AgNPs Dưa tươi Tổng số vi sinh vật hiếu khí,

vi sinh vật chịu lạnh, nấm men

Pseudomonas spp., Enterobacteriaceae,

lactic ít nhạy cảm hơn Kết quả đếm số lượng Pseudomonas spp và Enterobacteriaceae giảm đi so với mẫu đối chứng (< 1 log CFU/g) [108] Kết quả

tương tự như vậy cũng thu được với các mẫu dưa tươi bảo quản Các tấm lót hấp thụ bằng bạc cũng làm giảm đi lượng vi sinh vật trong dưa cắt [117]

Cũng như nano bạc, tinh dầu (TD) đã được biết đến với vai trò là chất kháng khuẩn, có thể cải thiện tính an toàn và chất lượng của thực phẩm Khalaf và cs (2013) nghiên cứu hoạt tính kháng khuẩn của màng pullulan bổ sung các loại nanno

(AgNPs, ZnONPs) và TD như hương thảo và kinh giới trong bảo quản thịt ức gà tây Kết quả cho thấy rằng màng bao ăn được có AgNPs và TD kinh giới hoạt động hơn ZnO NPs và TD hương thảo [111] Hoạt tính kháng khuẩn được nghiên cứu

trên đối tượng vi khuẩn Gram (+) L monocytogen và S aureus trong 7 tuần bảo

quản ở các nhiệt độ khác nhau (4o, 25o, 37o, 55oC) Nhiệt độ thích hợp cho bảo quản bằng màng bao pullulan ăn được có chứa AgNPs và TD là 4ovà 25oC Các mẫu thực phẩm bảo quản bằng màng bao pullulan ăn được có chứa AgNPs và tinh dầu kinh giới cho thấy sự suy giảm rõ rệt về số lượng của cả hai loại vi khuẩn [111]

1.3.3 Ứng dụng của nano bạc kết hợp với màng chitosan trong bảo quản thực phẩm

Sự phát triển các chế phẩm phức hợp nano với các vật liệu polyme hướng đến ứng dụng trong thực phẩm cần dựa trên một vài tính năng sau: vật liệu có thể sản xuất sinh học và không độc hại (chitosan), vật liệu hoạt hoá đó có khả năng tương tác với tế bào vi khuẩn (khả năng kháng khuẩn), và vật liệu không giải phóng các chất độc ra ngoài môi trường (hạt nano kim loại) Chính vì vậy, phức hợp chitosan-nano bạc được coi là một trong những vật liệu hoàn hảo để sử dụng làm vật liệu kháng khuẩn [118] Thêm vào đó, việc sản xuất nano bạc với sự có mặt của chitosan được chứng minh có khả năng làm ổn định các hạt nano kim loại, tránh sự tích tụ của các hạt ngay sau khi tổng hợp nhờ sự có mặt của nhóm amin và hydroxyl

tự do Phức hợp chitosan-nano bạc được chứng minh có khả năng kháng lại nhiều vi

sinh vật như E coli, K pneumoniae, P aeruginosa, E faecium, C albicans, Lactobacillus fermentum … [118, 119] Giá trị MIC và MBC của chitosan dao động trong khoảng từ 800 – 1200 g/mL đối với E coli, B subtilis, S aureus và P aeruginosa cao hơn so với khả năng kháng khuẩn của hạt nano bạc (200 – 500

g/mL) Phức hợp chitosan-nano bạc biểu hiện khả năng kháng khuẩn tốt hơn (150 – 400 g/mL) so với từng vật liệu riêng lẻ trên cùng đối tượng vi sinh vật kiểm nghiệm [120] Nghiên cứu của Brian Alfaro-Gonzales và cs (2018) [121] cho thấy khi chế tạo vật liệu chitosan – nano bạc bằng phương pháp hóa siêu âm tạo ra chế phẩm ổn định và có thể kết hợp với kháng sinh – lactam, có khả năng kháng tốt các vi khuẩn kháng kháng sinh, bào tử vi khuẩn và chống nhiễm trùng tốt Nghiên cứu của Chintan Pansara và cs (2018) [122] cho thấy khả năng kháng khuẩn của phức hợp chitosan – nano bạc tạo bởi phương pháp khử hóa học cho hiệu quả kháng khuẩn tối ưu ở tỷ lệ AgNP/ dung dịch chitosan là ¼ Các kết quả cho thấy hiệu quả kháng tốt hơn từ 4 đến 14 lần so với AgNP trên các chủng vi khuẩn kiểm định, các hạt bạc ổn định dưới tác dụng của chitosan cho thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi chế phẩm chitosan – nano bạc trong y dược Phức hợp chitosan – nano bạc đã được sử dụng như là một loại màng bao ăn được trong bảo quản quả đào được nghiên cứu bởi Mohamed Gad và cs (2016) [59] Kalaivani và cs (2018) [123] đã nghiên cứu chế tạo chitosan từ vỏ cua và sử dụng làm chất tổng hợp nano bạc cho thấy, hạt nano bạc được tổng hợp trên chitosan có khả năng tham gia diệt khuẩn, diệt nấm và có tiềm năng lớn để sử dụng như là chất diệt khuẩn sử dụng trong y tế, thực phẩm Nghiên cứu của Nisha và cs (2016) [124] sử dụng màng chitosan – nano bạc như là loại màng

bao ăn được để bảo quản táo cho thấy thời gian bảo quản cao hơn nhiều so với đối chứng, nghiên cứu cho rằng sử dụng màng chitosan – nano bạc là một giải pháp bảo quản thân thiện với môi trường, đây là một giải pháp có khả năng phát triển bảo quản rau quả ở nhiệt độ phòng, giảm các chi phí sử dụng hệ thống lạnh bảo quản Một nghiên cứu tổng quan các phương pháp phối hợp chitosan với các vật liệu nano được thực hiện bởi Eman Bakhy và cs (2018) [125] cũng cho thấy màng chitosan kết hợp với các vật liệu nano trong đó có nano bạc cho khả năng giữ được cấu trúc, màu sắc, hàm lượng acid, tốt hơn so với các mẫu đối chứng Đối với táo, nho đỏ, cà chua và ớt xanh nhúng trong các dung dịch chitosan – nano giảm được tổn thất khối lượng, chất lượng quả được duy trì lên đến 63 ngày và 56 ngày bảo quản đối với táo và nho đỏ; 42 ngày và 35 ngày bảo quản đối với cà chua và ớt xanh

Dựa trên tổng quan các nghiên cứu về chitosan, nano bạc và phổi hợp giữa hai sản phẩm có thể cho thấy tiềm năng tốt của việc sử dụng chế phẩm chitosan – nano bạc trong bảo quản các loại quả sau thu hoạch Đặc biệt đối với Việt Nam, nước có đặc điểm khí hậu nhiệt đới gió mùa, nền kinh tế chưa thực sự phát triển thì việc sử dụng chế phẩm chitosan – nano bạc để bảo quản các loại quả là cần thiết Hơn nữa, việc sử dụng chế phẩm chitosan – nano bạc còn có thể sử dụng

để bảo quản rau quả ở nhiệt độ thường và dễ dàng thực hiện trên quy mô nhỏ, điều này chứng tỏ hướng nghiên cứu là cần thiết và có ý nghĩa

1.3.4 Sự giải phóng nano bạc từ màng bao vào thực phẩm

Đánh giá mối nguy và sự phát tán của các thành phần bao bì vào thực phẩm là cần thiết vì sự an toàn của người tiêu dùng Echegoyen và Neri’n (2013) đã nghiên cứu

về sự di chuyển của bạc từ các loại vật liệu nano khác nhau (LDPE và polypropylene) vào các dạng thức ăn mô phỏng [126] Kết quả cho thấy không chỉ có bạc di chuyển vào thức ăn mà việc di chuyển của bạc còn phụ thuộc vào loại thực phẩm và phương pháp gia nhiệt, thực phẩm có tính axit và các lò nướng kiểu cổ điển làm bạc di chuyển vào nhiều nhất Tác giả giải thích hai cơ chế chuyển đổi khác nhau, liên quan đến việc tách các hạt bạc ra khỏi các hợp chất và giải phóng ion bạc khi oxy hóa Tuy nhiên, các tác giả đã phát hiện rằng các hạt nano bạc phát tán từ bao bì vào thực phẩm tươi sống thấp hơn nhiều so với giới hạn cho phép của Liên minh Châu Âu đề ra Cushen và cs (2014)

đã nghiên cứu ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ đối với sự chuyển đổi bạc và đồng từ vật liệu nano polyethylen (PE) sang thịt ức gà không có xương [127] Sự di chuyển của bạc xảy ra trong khoảng từ 0,003 – 0,005 mg/dm2 Các tác giả cho thấy tham số quan trọng thúc đẩy sự di chuyển là tỉ lệ % hạt phân bố trong nano composite hơn là kích thước hạt, nhiệt độ và thời gian bảo quản [127]

Metak và cs cũng đánh giá sự dịch chuyển của hạt nano bạc và hạt nano TiO2 từ bao gói vào thực phẩm [105] Kết quả cho thấy có sự dịch chuyển của AgNP và TiO2

NPs từ bao bì vào các nguyên liệu thực phẩm, trong khoảng sau 7 – 10 ngày Hơn nữa mức phát tán cao nhất phát hiện được trên các mẫu nước cam, tiếp theo là các mẫu táo Mẫu bánh mì có mức độ phát tán thấp nhất Bất kể loại thực phẩm nào, cả hai loại hạt nano Ag và TiO2 đều thấp hơn giới hạn nồng độ cho phép của liên minh châu Âu là 10 mg/mL (2002/72/EC)

Như vâỵ, xuất phát từ khả năng kháng khuẩn cũng như an toàn của chitosan và nano bạc, việc nghiên cứu kết hợp hai chế phẩm này và ứng dụng chúng trong thực phẩm là có cơ sở Việt Nam có nhiều loại quả đặc sản nhiệt đới có giá trị xuất khẩu cao,

ví dụ như vải, nhãn … Tuy nhiên quá trình xử lý sau thu hoạch vẫn còn nhiều hạn chế Chính vì vậy, ứng dụng màng bao sinh học trong xử lý sau thu hoạch trái cây mang tính thời sự và có tiềm năng kinh tế

1.4 Giới thiệu một số loại quả sử dụng trong nghiên cứu và phương pháp bảo quản quả tại Việt Nam

1.4.1 Tình hình sản xuất và xuất khẩu quả tại Việt Nam

Việt Nam là nước có nhiều lợi thế và tiềm năng về địa lý, đất đai, khí hậu, lao động để phát triển đa dạng các sản phẩm cây ăn quả Trong vòng thập niên gần đây, mặt hàng trái cây đã đóng góp to lớn vào giá trị kim ngạch xuất khẩu Cụ thể, kim ngạch xuất khẩu rau quả tăng bình quân trên 20%/năm, phấn đấu giá trị xuất khẩu năm 2020 đạt trên 4,5 tỷ USD (tăng hơn 80% so với năm 2016), trong đó sản phẩm quả chiếm hơn 3,6 tỷ USD (> 80%) Dự kiến năm 2030, xuất khẩu rau quả đạt trên 7 tỷ USD, trong đó giá trị xuất khẩu quả các loại trên 6 tỷ USD, giữ vững cán cân thương mại giữa xuất và nhập hơn 1,5 tỷ USD Tuy nhiên, theo thống kê của tổng cục thống kê báo cáo, năm 2018 tổng giá trị xuất khẩu rau quả đạt 3,7 tỷ USD, lần đầu tiên vượt qua xuất khẩu lúa gạo Các báo cáo dự đoán đều cho rằng, giá trị xuất khẩu rau quả của Việt Nam năm 2019 sẽ ước đạt 4,2 tỷ USD, điều này cho thấy tiềm năng của ngành sản xuất rau quả Việt Nam là rất lớn, điều này cho thấy, nhu cầu về mặt công nghệ bảo quản rau quả tươi an toàn, đảm bảo các tiêu chuẩn xuất khẩu ngày càng bức thiết Các loại cây ăn quả chủ lực bao gồm thanh long, sầu riêng, chuối, dứa, xoài, cam, bưởi, vải, nhãn, chôm chôm Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu thực hiện trên 03 đối tượng quả vải, quả cam sành Hà Giang và quả bưởi Diễn

1.4.1.1 Giới thiệu chung về các loại quả sử dụng trong nghiên cứu Cây vải có tên khoa học là Litchi sinensis Sonn., được trồng chủ yếu ở các

nước Châu Á [128] Việt Nam đứng thứ 3 (6%) về sản lượng vải sau Trung Quốc (57%) và Ấn Độ (24%) [129] Ở Việt Nam, vùng trồng vải chủ yếu là đồng bằng sông Hồng, trung du và miền núi Bắc Bộ, trong đó có các vùng vải nổi tiếng như Thanh Hà, Chí Linh (Hải Dương), Lục Ngạn, Lục Nam, Yên Thế, Tân Yên (Bắc Giang), Thanh Hòa (Vĩnh Phúc), Đông Triều (Quảng Ninh) … [128] Quả vải là loại quả hạch, cấu tạo gồm các phần chủ yếu là cuống quả, vỏ quả, thịt quả và hột Phần cuống quả, thường có cấu tạo xốp, mềm, nên là nơi trú nghị và xâm nhập của

vi sinh vật và sâu hại Vỏ quả có bề mặt xù xì, cấu tạo chủ yếu từ xenlulozo có tác dụng bảo vệ quả Thịt quả mềm, chứa thành phần chủ yếu là nước, tuy nhiên, chứa một lượng khá cao đường và các chất dinh dưỡng, nên là môi trường thuận lợi cho các vi sinh vật gây thối, chua và làm hỏng toàn bộ quả

Quả bưởi (Citrus grandis(L) Osbeck) thuộc nhóm cây có múi thuộc họ

Rutaceae Quả bưởi hình cầu, vỏ màu xanh đến vàng, cùi dày, bên trong là các múi chứa các tép mọng nước [130] Cây bưởi được trồng phổ biến ở khắp Việt Nam với vùng tập trung chuyên canh nổi tiếng góp phần tạo nên thương hiệu cho một số loại bưởi Việt Nam như bưởi da xanh (Bến Tre), bưởi Năm roi (Vĩnh Long), bưởi Phúc Trạch (Hà Tĩnh), bưởi Diễn (Hà Nội), bưởi Đoan Hùng (Phú Thọ), …

Cam có tên khoa học là Citrus sinensis Osbeck và là loài cây ăn quả cùng họ

với bưởi Quả cam nhỏ hơn quả bưởi, vỏ mỏng, khi chín thường có màu da cam, có

vị ngọt hoặc hơi chua Tại Việt Nam có trên 80 giống cam, có thể để kến một vài giống cam nổi tiếng như cam Ving (Xã Đoài-Nghệ An), cam sành ở Hàm Yên (Tuyên Quang), Bắc Quang (Hà Giang), Bố Hạ (Bắc Giang), Yên Bái, cam Canh ở vùng Canh, cam mật ở Tây Nam bộ, cam dây ở vùng đồng bằng sông Cửu Long và Đông Nam Bộ [131] Năng suất cam quýt của Việt Nam tương đương với các nước trong khu vực khoảng 7 – 10 tấn/ha đới với cam nhưng vẫn thấp hơn nhiều so với các nước trên thế giới như Mỹ, Brazil có năng suất 30 – 40 tấn/năm Thành phần dinh dưỡng của một số loại quả như vải, bưởi và cam được giới thiệu ở bảng 1.5

Bảng 1.5: Thành phần hoá học của một vài loại qủa [132]

Giá trị dinh dưỡng trên 100g

1.4.1.2 Những biến đổi của quả sau thu hoạch

Trong quá trình bảo quản quả sau thu hoạch thường xảy ra các biến đổi sinh

lý, sinh hóa Các biến đổi này có liên quan chặt chẽ với nhau và phụ thuộc vào tính chất tự nhiên của quả như giống, điều kiện gieo trồng, chăm sóc, độ chín khi thu hái, vận chuyển và những yếu tố kỹ thuật trong quá trình bảo quản

Trong môi trường bảo quản, bưởi sẽ xảy ra một số biến đổi vật lý như: sự bay hơi nước, sự giảm khối lượng tự nhiên Các hiện tượng này làm giảm trọng lượng của cam, dẫn tới khô héo, gây rối loạn sinh lý và giảm khả năng kháng khuẩn, kết quả làm cam bị thối rữa và hư hỏng [133]

• Sự thoát hơi nước

Là hiện tượng bất lợi cho sản phẩm là hoa quả tươi, vì khi quả héo vi sinh vật dễ dàng tấn công hơn Sự thoát hơi nước là nguyên nhân chủ yếu làm giảm khối lượng quả, đồng thời làm ảnh hưởng đến quả trình trao đổi chất, làm giảm sức đề kháng của quả Đối với quả vải, hiện tượng thoát hơi nước gắn liền với sự nâu hóa bề mặt vỏ quả

là do sự hoạt hóa các enzyme polyphenoloxydase (PPO) trên vỏ, làm cho quả nhanh khô, cứng hơn và quả lúc này mất đi độ đàn hồi vốn có, độ cứng của quả tăng Tốc độ thoát hơi nước phụ thuộc vào nhiều yếu tố môi trường như nhiệt độ, ẩm độ, ánh sáng, các yếu tố nội tại của quả như độ bền chắc của vỏ quả, hàm lượng nước có trong quả cũng như chế độ thu hái [134] Đặc biệt, thời gian thu hái vải diễn ra vào tháng 5, 6, 7

là thời điểm có nhiệt độ cao nên tốc độ thoát hơi nước diễn ra mạnh mẽ [134] Các loại qủa có múi như cam và bưởi có cấu trúc vỏ dày, hạn chế mất nước hơn các loại trái mềm, vỏ mỏng Những quả non hay bị thương tật do va chạm về cơ học và nấm bệnh

có khả năng mất nước nhiều hơn Những vết thương nhỏ vài cm2 trên quả bưởi có thể làm tăng sự mất nước lên tới 3 – 4 lần Thêm vào đó, cam, bưởi quá chín làm tăng lượng ẩm thoát ra vì khi bưởi chín quá trình già hóa của hệ keo làm giảm tính háo nước

• Sự giảm khối lượng tự nhiên

Sự giảm khối lượng tự nhiên của quả sau thu hoạch bao gồm: sự bay hơi nước

và sự tổn hao các chất hữu cơ trong quá trình hô hấp Trong bất cứ điều kiện tồn trữ nào, không thể tránh khỏi sự giảm khối lượng tự nhiên

• Sự sinh nhiệt

Lượng nhiệt sinh ra trong quả khi tồn trữ là do hô hấp, 2/3 lượng nhiệt này tỏa

ra môi trường xung quanh, còn lại tham gia vào quá trình trao đổi chất bên trong, quá tình bay hơi nước và một phần dự trữ ở dạng năng lượng hóa học Sự sinh nhiệt làm cho nhiệt độ ngày càng tăng, dẫn đến cường độ hô hấp mạnh Khi nhiệt độ và ẩm độ tăng tơi mức thích hợp cho sự phát triển của vi sinh vật thì lượng nhiệt sinh ra lại tăng them, một phần di hô hấp của rau quả, một phần do vi sinh vật Đó là nguyên nhân làm quả nhanh chóng bị hư hỏng

b, Biến đổi sinh lý, sinh hoá

• Sự hô hấp

Sau khi thu hoạch quả tiếp tục hô hấp để duy trì sự sống, nhưng các chất hữu

cơ đã tiêu hao không được bù đắp lại như khi còn ở trên cây nên chúng sẽ tồn tại cho đến khi nguồn dự trữ cạn kiệt Trong quá trình này, các enzyme oxi hóa hoạt động mạnh phân hủy và biến đổi thành phần dinh dưỡng có trong quả làm hao hụt chất khô, làm giảm chất lượng dinh dưỡng và cảm quan cũng như rút ngắn tuổi thọ của quả Akamine và Goo (1973) đã nhận thấy rằng trong giai đoạn phát triển của quả, cường độ hô hấp giảm, nhưng khi quả chín, được thu hoạch và tồn trữ ở nhiệt

độ thường thì cường độ hô hấp của quả tăng lên rất mạnh Vải là loại quả hô hấp đột biến, không có thời gian chín sau thu hoạch trong khi đó, cam bưởi thuộc nhóm quả