Nội dung bài viết trình bày với việc bảo quản thực phẩm và đã nhận được phản ứng chào đón từ thị trường và người dùng cuối. Ngược lại, những tiến bộ và phát triển trong lĩnh vực này đã gây ra nhiều lo ngại về đạo đức, môi trường và an toàn đối với việc áp dụng nano vào sản phẩm thực phẩm bởi các nghiên cứu về mức độ an toàn của nano khi vào cơ thể người còn rất hạn chế. Mời các bạn tham khảo!
Trang 1TÌM HIỂU VỀ VẬT LIỆU NANO VÀ ỨNG DỤNG
CÔNG NGHỆ NANO VÀO THỰC PHẨM
Nguyễn Công Danh, Lê Thị Giang, Nguyễn Thị Phương Thảo, Bùi Thị Thanh Trúc
Viện Khoa học Ứng dụng HUTECH, Trường Đại học Công nghệ TP Hồ Chí Minh
GVHD: ThS Tr ần Thị Ngọc Mai
TÓM TẮT
Hiện nay, người tiêu dùng đòi hỏi thực phẩm tự nhiên, đảm bảo an toàn và thời hạn sử dụng kéo dài Những tiến bộ công nghệ trong l nh vực bao bì thực phẩm trong Thế kỷ XXI chủ yếu là công nghệ nano, khoa học về vật liệu nano Công nghệ nano tạo ra các vật liệu quy mô nanomet, có liên quan đến thương mại và khoa học, trong l nh vực bao bì thực phẩm đã giải quyết đáng kể các mối quan tâm về chất lượng, an toàn và ổn định thực phẩm Các gói thực phẩm dựa trên hạt nano cung cấp các rào cản và tính chất cơ học được cải thiện, cùng với việc bảo quản thực phẩm và đã nhận được phản ứng chào đón từ thị trường và người dùng cuối Ngược lại, những tiến bộ và phát triển trong l nh vực này đã gây ra nhiều lo ngại về đạo đức, môi trường và an toàn đối với việc áp dụng nano vào sản phẩm thực phẩm bởi các nghiên cứu về mức độ an toàn của nano khi vào cơ thể người còn rất hạn chế
Từ khóa: Bao bì nano thực phẩm, màng bao nano, nanocomposite, nanosensors, vật liệu nano.
1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO
Nano là loại vật liệu quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dạng, kích thước trên quy mô nanomet (nm = 10-9m) Theo sự mô tả của Mike roco - một nhà khoa học thuộc trung tâm sáng kiến công nghệ nano Hoa Kỳ thì sự phát triển của công nghệ nano đã và đang phát triển theo bốn giai đoạn: giai đoạn cấu trúc nano thụ động từ những năm 80 đến 2000 chủ yếu tạo vật liệu cho những mục đ ch cụ thể, từ 2000 - 2005 bắt đầu tổng hợp vật liệu nano đa mục đ ch như thuốc, sản phẩm sinh học, các sản phẩm điện tử, 2005 -
2010 tổng hợp các hệ nano với hàng ngàn cấu trúc tương tác với nhau như mạng 3 chiều, robot, kiến trúc, 2010 đến nay phát triển trọng tâm về chế tạo hệ nano tổ hợp với mục đ ch hoạt động giống tế bào sống Ngày nay, việc ứng dụng vật liệu nano vào trong thực phẩm để cải thiện và giữ lại tối đa các chất có hoạt tính sinh học cao, khả năng kháng ôxy hóa tốt nhưng lại dễ mất đi trong quá trình chế biến thực phẩm Ngoài ra còn kiểm soát mùi vị, kết cấu, tính chịu nhiệt, hoạt tính sinh học, độ an toàn, độ tiêu hóa, thời hạn sử dụng, bảo quản và đóng gói thực phẩm [1][4]
2 ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ NANO VÀO CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
Các ứng dụng của công nghệ nano vào thực phẩm được phát triển ở hai mảng chính là công nghệ nano vào bao bì thực phẩm và công nghệ nano trong chế biến thực phẩm Trong chế biến thực phẩm vật liệu nano thường được sử dụng làm phụ gia thực phẩm, chất nhũ hóa, làm chất mang
Trang 2để cung cấp các chất dinh dưỡng cần thiết nhưng nhạy cảm bới các yếu tố nhiệt độ, pH… Trong bao bì thực phẩm làm chất chống vi khuẩn, chất độn để cải thiện tính chất vật lý, độ bền cơ học, độ bền của vật liệu bao gói sản phẩm thực phẩm hay bán thành phẩm và đánh giá được chất lượng thực phẩm và hỗ trợ an toàn thực phẩm vượt trội hơn [1][2]
Hình 1: Ứng dụng của công nghệ nano vào chế biến và bao gói thực phẩm [1]
2.1 Ứng dụng công nghệ nano vào bao bì thực phẩm
Thực phẩm dễ dàng tiếp xúc với độ ẩm và trong môi trường thuận lợi sẽ dần hư hỏng, phân hủy sinh học dẫn đến các vấn đề liên quan sức khỏe khi sử dụng và vấn đề bảo quản thực phẩm Vì thế một loại bao bì mong muốn có khả năng hạn chế không khí, ẩm độ vào thực phẩm tốt nhất, độ bền bao bì tối ưu nhất để kéo dài thời gian bảo quản Vật liệu nano được ứng dụng trực tiếp vào bao bì thực phẩm mang lại một số đặc tính ưu việt hơn so với các phương pháp đóng gói thông thường khác, tiêu biểu là khả năng tạo ra một loại bao bì chủ động, bao bì thông minh và cải tiến các tính chất vật lý của bao bì góp phần đảm bảo thực phẩm luôn an toàn với người sử dụng Ứng dụng vào bao bì để làm bao bì chống mùi tanh từ nanoclay (hạt đất sét rất nhỏ) hình tấm mỏng, bề dày cỡ vài nguyên tử được phối hợp với polymer, giấy bọc thực phẩm từ SiO2 tích hợp kháng thể và phân tử chất huỳnh quang khi phát hiện E.coli có trong thực phẩm tiếp xúc với kháng thể trên màng bao chứa SiO2, phân tử chất huỳnh quang sẽ sáng lên cảnh báo người dùng không sử dụng thực phẩm đó do túi đã đổi màu
2.1.1 Bao bì chủ động
Nhiều công trình nghiên cứu đã đề cập và quan tâm đến đặc tính chống khuẩn của các hợp chất hữu cơ phổ biến như acid hữu cơ, tinh dầu… các chất hữu cơ này được sử dụng kết hợp lại để làm bao bì kháng khuẩn Tuy nhiên các loại hợp chất này thường rất nhạy cảm bởi nhiệt độ và áp suất cao Để khắc phục các yếu điểm đó, một vật liệu chủ động cho bao bì và lớp phủ vật liệu cũng có thể được sử dụng để cải thiện bao bì thực phẩm là nanocomposite Trong thập kỷ gần đây, các loại bao bì bằng vật liệu nano này được sử dụng để kháng khuẩn Đây là một loại bao bì tiếp xúc với sản phẩm thực phẩm hoặc những khoảng không giữa thực phẩm và bao bì để ức chế hoặc kìm hãm sự phát triển của vi sinh vật có trên bề mặt thực phẩm Nhiều hạt nano như bạc, đồng, chitosan và các hạt nano ôxit kim loại như titan ôxit hoặc kẽm ôxit đã được báo cáo là có đặc tính
Trang 32.1.2 Bao bì thông minh
Vật liệu nano để sử dụng trong việc xây dựng cảm biến sinh học tích hợp trong bao bì cung cấp mức
độ nhạy cảm cao và các thuộc tính mới lạ khác Nanosensors hoặc nanobiosensors được sử dụng để phát hiện mầm bệnh trong nhà máy chế biến hoặc trong nguyên liệu thực phẩm, định lượng các thành phần thực phẩm có sẵn, cảnh báo người tiêu dùng và nhà phân phối về tình trạng an toàn của thực phẩm Ngoài ra các chất sinh học dựa trên ống nano carbon cũng thu hút được nhiều sự chú ý nhờ phát hiện nhanh chóng, đơn giản và hiệu quả chi phí đã được áp dụng thành công để phát hiện
vi sinh vật, độc tố và các sản phẩm thoái hóa khác trong thực phẩm và đồ uống [3]
2.1.3 Cải tiến bao bì
Tích hợp nanocompozit và nanolaminate đã cải thiện bao bì thực phẩm có khả năng bảo quản thực phẩm trong thời gian dài và sự sốc nhiệt kéo dài đối với thực phẩm, làm cho thực phẩm vẫn đảm bảo chất lượng và thời gian sử dụng lâu hơn Nhiều chất độn vô cơ silica (SiO2), chitin hoặc chitosan được tích hợp vào hỗn hợp vật liệu nano làm cho cấu trúc của nó nhẹ hơn, chắc chắn hơn, chống cháy và tính dẫn nhiệt tốt hơn Điều này giúp cho quá trình vận chuyển tới tay người tiêu dùng vẫn đảm bảo tính nguyên ven của thực phẩm [8]
2.2 Ứng dụng công nghệ nano vào chế biến thực phẩm
Công nghệ nano đang được áp dụng vào việc hình thành các màng bao, các loại nhũ tương nano kết hợp với các chất dinh dưỡng thiết yếu như protein, và glucide và các loại phụ gia thực phẩm không chỉ làm tăng khả năng cải thiện cấu trúc của sản phẩm thực phẩm mà còn bảo vệ các chất
có hoạt tính sinh học như flavonoid và vitamin trong điều kiện chế biến mà những loại hợp chất sinh học này sẽ bị thất thoát một lượng lớn bởi tác nhân nhiệt độ, áp suất và pH của môi trường, góp phần cung cấp chất dinh dưỡng từ thực phẩm tối ưu hơn cho người sử dụng [2] Hơn nữa công nghệ nano trong chế biến thực phẩm có thể được đánh giá bằng cách xem xét vai trò của nó trong việc cải tiến các sản phẩm thực phẩm về kết cấu thực phẩm, hình thức thực phẩm, hương vị thực phẩm, giá trị dinh dưỡng của thực phẩm và hạn sử dụng thực phẩm được tóm tắt theo bảng sau:
Bảng 1: Tổng hợp các kỹ thuật nano khác nhau trong việc ứng dụng vào chế biến thực phẩm [7][9]
Màng ao nano ăn
được
Để bảo quản chất lượng thực phẩm tươi trong
quá trình bảo quản kéo dài
Lớp phủ có thể ăn được dựa trên gelatin có chứa xenlulo nano Màng chitosan với nano-SiO 2
Hydrogel Có thể dễ dàng đặt vào viên nang, bảo vệ
thuốc khỏi môi trường khắc nghiệt như pH,
nhiệt độ
Protein hydrogel
Nhũ tương nano Độ ổn định cao hơn Nano-nhũ tương dựa trên
carotene
Độ rõ quang học cao hơn; tăng sự tương tác với enzyme trong đường tiêu hóa GIT Nano-nhũ tương dựa trên carotene
Trang 42.2.1 Nanoencapsulation (Màng bao nano)
Về khía cạnh chế biến thực phẩm, vi bao được ứng dụng rộng rãi để bảo vệ các thành phần giàu dinh dưỡng như: hương vị, tinh dầu, chất béo, vitamin, các thành phần dược phẩm và chất màu Mục đ ch bao gói các chất này bằng công nghệ nano nhằm chống suy giảm và tổn thất trong điều điệu chế biến bị ảnh hưởng bởi ánh sáng, nhiệt độ, áp suất và pH của môi trường Vi bao được ứng dụng rộng rãi vì công nghệ này giúp các chất chống ôxy hóa tự nhiên không tiếp xúc với không khí hoặc nước do đó duy trì hoạt động chống ôxy hóa, mặc khác vi bao còn bảo vệ các hợp chất khỏi ánh sáng và ôxy làm giảm khả năng biến đổi của các hợp chất Ưu điểm của công nghệ vi bao vượt rội hơn các công nghệ khác vì nó có khả năng chịu được môi trường khắc nghiệt ở dạ dày và
tá tràng giúp cho các chất trong màng bao đi chuyển đến nơi cần hấp thụ an toàn [1]
Cơ chế bảo vệ của vi bao là tạo thành một màng còn gọi là màng bảo vệ xung quanh nhân hay còn gọi là core của vật liệu cần đóng gói Nanoencapsulation có thể được thực hiện bằng các kỹ thuật khác nhau: sấy phun, phun làm lạnh và phun làm mát, sấy bằng không kh … trong đó, sấy phun vẫn là phương pháp chủ đạo cho công nghệ vi bao này do chi phí thấp, thuận lợi về mặt thiết bị [8]
2.2.2 Nanocompozit hydrogel
Các hạt nano bạc được đưa vào mạng lưới polyme 3D của hydrogel nanocompozit cho các ứng dụng trong hoạt động kháng khuẩn và cải thiện độ dẫn điện Sự hiện diện của các ion bạc hoặc ngăn enzyme hô hấp chuyển electron sang các phân tử ôxy trong quá trình hô hấp hoặc ngăn protein phản ứng với các nhóm thiol (-SH) trên màng vi khuẩn [1]
2.2.3 Nanoemulsions (Nhũ tương nano)
Nhũ tương nano được sử dụng trong sản xuất thực phẩm cho chất làm ngọt, dầu có hương vị cũng như các thực phẩm chế biến khác Tuy nhiên nhũ tương nano có một số lợi thế hơn những loại nhũ tương thông thường mà chúng ta thường gặp hàng ngày vì chúng có kích thước nhỏ và ổn định với nhiệt độ hơn [3] Do diện tích bề mặt của các hạt nano lớn chúng có thể tương tác với một số thành phần sinh học như enzyme trong đường tiêu hóa GIT Ngoài ra nhủ tương nano dạng carbohydrate hoặc protein tăng khả năng cải thiện kết cấu và độ đồng nhất của kem Nhũ tương nano chứa rất nhiều chất kháng khuẩn và có hiệu quả hơn đối với vi khuẩn gram dương vì lý do này nhủ tương
nano còn được sử dụng trong các loại bao bì thực phẩm [1]
3 NHỮNG VẤN ĐỀ AN TOÀN KHI SỬ DỤNG NANO VÀO CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
Bên cạnh những lợi ích mà vật liệu nano mang lại trong ngành thực phẩm song song đó những vấn đề an toàn khi sử dụng vật liệu này không thể bỏ qua Mối quan tâm an toàn liên quan đến vật liệu nano, nhấn mạnh vào khả năng hạt nano di chuyển từ vật liệu đóng gói vào thực phẩm và tác động của chúng đối với sức khỏe của người tiêu dùng [6] Một số hạt được sử dụng trong thực phẩm chế biến hoặc bao bì mà cơ thể không thể phá vỡ hay loại bỏ có thể sẽ tích tụ trong cơ thể, gây ra những tác động tiêu cực đến sức khỏe Nghiên cứu cho thấy nano-bạc và titan dioxide có
Trang 5ruột và triệu chứng bệnh tự miễn Một liều lượng nhỏ hạt nano polystyrene cũng gây biến đổi các sợi lông phủ niêm mạc ruột làm tăng khả năng hấp thụ lượng sắt dư thừa và gây bệnh thiếu hồng cầu, các bệnh về gan [8][9]
4 KẾT LUẬN
Ứng dụng công nghệ nano vào trong thực phẩm mang lại rất nhiều lợi ích và thành tựu to lớn Hai mảng bao bì thực phẩm chế biến thực phẩm đã chứng minh cho điều đó với những đặc tính nổi trội, ưu việt mà công nghệ nano mạng lại như: bao bì thông minh, bao bì chủ động song song đó còn có khả năng kháng khuẩn, tạo màng bảo vệ các hợp chất hữu cơ dễ bị biến đổi khi gặp điều kiện môi trường Tuy nhiên các vấn đề an toàn và tác động môi trường nên được ưu tiên trong khi
xử lý sự phát triển của công nghệ nano trong các hệ thống thực phẩm và do đó bắt buộc phải thử
nghiệm thực phẩm nano trước khi chúng được phát hành ra thị trường [8]
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Bouwmeester H., Dekkers S., Noordam MY, Hagens WI, Bulder AS, Heer C., et
al (2009) Review of health safety aspects of nanotechnologies in food production Reg Toxicol Pharmacol 53 52–62 10.1016 / j.yrtph.2008.10.008
[2] Bradley EL, Castle L., Chaudhry Q (2011) Applications of nanomaterials in food packaging with a consideration of opportunities for developing countries Trends Food Sci Technol 22 603–610 10.1016 / j.tifs.2011.01.002
[3] Bratovčić A., Odobašić A., Ćatić S., Šestan I (2015) Application of polymer nanocomposite materials in food packaging Croat J Food Sci Technol 7 86–94 10.17508 / CJFST.2015.7.2.06
[4] Cao Minh Thì, Phạm Văn Việt (2015) Khoa học và ứng dụng công nghệ nano Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật
[5] Couch LM, Wien M., Brown JL, Davidson P (2016) Food nanotechnology: proposed uses, safety concerns and regulations Agro Food Ind HITECH 27 36-39
[6] Jain A., Shivendu R., Nandita D., Chidambaram R (2016) Nanomaterials in food and agriculture: an overview on their safety concerns and regulatory issues Crit Rev Food Sci
[7] Pinto RJB, Daina S., Sadocco P., Neto CP, Trindade T (2013) Antibacterial activity of nanocomposites of copper and cellulose BioMed Res Int 6 : 280512 10.1155 / 2013/280512
[8] Qureshi AM, Swaminathan K., Karthikeyan P., Ahmed KP, Sudhir, Mishra UK (2012) Application of nanotechnology in food and dairy processing: an overview Pak J Food Sci 22 23–31
[9] Tan H., Ma R., Lin C., Liu Z., Tang T (2013) Quaternized chitosan as an antimicrobial agent: antimicrobial activity, mechanism of action and biomedical applications in orthopedics Int J Mol Sci 14 1854–1869