NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ NANO TRONG CÔNG NGHIỆP

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ NANO TRONG CÔNG NGHIỆP

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

KHOA KHOA HỌC CƠ BẢN

BỘ MÔN: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC

Ý kiến của giáo viên hướng dẫn

Ý KIẾN CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2012

Chữ ký của giáo viên hướng dẫn

MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN

LỜI NÓI ĐẦU

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT 1

DANH SÁCH CÁC HÌNH 2

DANH SÁCH CÁC BẢNG 3

MỞ ĐẦU 4

1 Yêu cầu thực tế và lý do chọn đề tài 4

2 Mục đích nghiên cứu 4

3 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 5

4 Kết cấu của bài tiểu luận 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 6

1.1 Tổng quan về lý thuyết công nghệ nano 6

1.1.1 Khái niệm 6

1.1.2 Phân loại vật liệu nano 6

1.1.3 Cơ sở khoa học của công nghệ nano 7

1.1.3.1 Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử 7

1.1.3.2 Hiệu ứng bề mặt 7

1.1.3.3 Kích thước tới hạn 7

1.1.3.4 Hướng ứng dụng chung 8

CHƯƠNG 2 SƠ LƯỢC VỀ ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ NANO TRONG

THỰC PHẨM Ở CÁC QUỐC GIA TRÊN THẾ GIỚI 10

2.1 Công nghệ nano thực phẩm tại Mỹ 10

2.2 Công nghệ nano thực phẩm tại Nhật và Trung Quốc 11

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ NANO TRONG CÔNG NGHIỆPTHỰC PHẨM TẠI VIỆT NAM 14

3.1 Sơ lược về lịch sử công nghệ nano thực phẩm tại Việt Nam 14

3.2 Các ứng dụng và hướng phát triển của công nghệ nano trong công nghiệp thực phẩm ở nước ta 14

3.2.1 Ứng dụng công nghệ nano trong trồng trọt chăn nuôi 14

3.2.2 Ứng dụng công nghệ nano trong đóng gói, bao bì đựng thực phẩm 17 3.2.3 Thực phẩm hạt nano 18

3.2.4 Ứng dụng nano vào “pin cây xanh” 20

3.3 Ưu nhược điểm khi sử dụng CNNN trong thực phẩm 21

3.3.1 Ưu điểm 21

3.3.2 Nhược điểm 22

3.4 Hướng phát triển mới cho công nghiệp nano thực phẩm ở nước ta 23

TÀI LIỆU THAM KHẢO 28

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian dài thực hiện bài tiểu luận, đến nay, mọi công việc liên quan đến bài tiểu luận đề đã hoàn tất Trong suốt thời gian này, chúng tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ Ở phần đầu tiên của bài luận, cho phép chúng tôi có đôi điều gửi đến những người chúng tôi vô cùng biết ơn

Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Hoàng Văn Huệ, người đã tận tình hướng dẫn, động viên và giúp đỡ chúng tôi trong suốt thời gian qua Nếu không có những lời chỉ dẫn, những tài liệu, những lời động viên khích lệ của Thầy thì bài luận này khó lòng hoàn thiện được

Cũng xin gửi lời cảm ơn đến ba mẹ, những người đã luôn hỗ trợ, theo sát chúng tôi trong suốt thời gian quá

Xin tri ân tất cả các Thầy, Cô, những người dày công dạy dỗ, truyền cho chúng tôi rất nhiều tri thức quý báu

Cảm ơn tất cả bạn bè của chúng tôi, những người đã sát cánh cùng vui những niềm vui, cùng chia sẻ những khó khăn của chúng tôi và giúp đỡ chúng tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện tiểu luận

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2012

Nhóm sinh viên thực hiện

LỜI NÓI ĐẦU

Ngành công nghiệp thực phẩm từ lâu đã có vai trò rất quan trọng đời sống của người tiêu dùng trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng Vì một trong những nhu cầu hằng ngày mà con người ta không thể thiếu đó chính là vấn đề ăn uống, sinh hoạt Bên cạnh sự phát triển nhanh chóng của nền công nghiệp hiện nay cũng để lại cho xã hội nhiều vấn đề cần được quan tâm hơn, trong đó có vấn đề về vệ sinh an toàn thực phẩm cũng như những loại thực phẩm có dinh dưỡng cao mà con người ngày nay đang hướng tới

Thực phẩm nano, một loại thực phẩm có hàm lượng dinh dưỡng rất cao và an toàn về vệ sinh thực phẩm đang là lựa chọn của người tiêu dùng trong tương lai không

xa Để có thể làm ra được những loại thực phẩm giàu dinh dưỡng như vậy cần rất nhiều yếu tố như: công nghệ hiện đại, trình độ khoa học kỹ thuật cao nhưng nhìn chung những yếu tố này đang là rào cản đối với việc nghiên cứu cũng như ứng dụng, khai thác công nghệ này để sản xuất ra các loại thực phẩm nano phục vụ cho nhu cầu hiện tại và tương lai của con người

Bài nghiên cứu: “ Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano trong công nghiệp thực phẩm” được thực hiện xoay quanh các vấn đề hiện nay về công nghệ nano được

ứng dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm ở nước ta, qua đó có những định hướng cũng như hướng phát triển tiếp theo dành cho ngành công nghiệp khá mới mẻ này

Dù đã cố gắng rất nhiều nhưng do giới hạn về kiến thức cũng như những sai sót trong quá trình thực hiện là không thể tránh khỏi Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của Thầy và các bạn để những bài nghiên cứu về sau sẽ đầy đủ và ít sai sót hơn

TẬP THỂ NHÓM

H5N1 Highly pathogenic avian influenza virus of type A of subtype

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1 Tường gạch nano bằng đất sét 10

Hình 2.2 β agonist dưới kính hiển vi điện tử 12

Hình 3.1 Ngô được đóng gói bằng công nghệ nano 17

Hình 3.2 Giấy bọc thực phẩm phát hiện vi khuẩn E.coli 18

Hình 3.3 Thực phẩm hạt nano 19

Hình 3.4 Pin cây xanh 21

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu 8 Bảng 3.1 Các ứng dụng công nghệ Nano phục vụ Tám mục tiêu Phát triển Thiên niên

kỷ 24

Phương pháp nghiên cứu khoa học Mở đầu

MỞ ĐẦU

1 Yêu cầu thực tế và lý do chọn đề tài

Khoa học, công nghệ nano là một lĩnh vực khoa học và công nghệ mới, phát triển rất nhanh chóng Vật liệu được chế tạo bằng công nghệ này thể hiện nhiều tính chất mới lạ do hiệu ứng kích thước Khoa học và công nghệ nano trên cơ sở kết hợp đa ngành đã tạo nên cuộc cách mạng về khoa học kỹ thuật Hiện nay, nhiều quốc gia trên thế giới xem công nghệ nano là mục tiêu mũi nhọn để đầu tư phát triển Ước tính tổng đầu tư cho lĩnh vực công nghệ nano trên toàn thế giới xấp xỉ 3 tỷ đôla và đã có hàng trăm sản phẩm của công nghệ nano được thương mại, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như điện tử, hóa học, y sinh, môi trường, thực phẩm

Trong công nghiệp thực phẩm cũng vậy, nước ta đang có những bước chuyển mình rõ rệt trong việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ nano trong công nghiệp thực phẩm Đây là một ngành công nghiệp khá mới mẻ ở nước ta, đòi hỏi rất lớn về tài chính kinh tế cũng như khả năng chuyển giao công nghệ của nước ta Do là một ngành công nghiệp mang tính chất công nghệ và mức độ phức tạp cao nên hiện nay rất ít những tổ chức, cá nhân nghiên cứu về vấn đề này Hiểu được tầm quan trọng khi nước

ta áp dụng công nghệ này một cách triệt để nên chúng tôi quyết định chọn đề tài:

“NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ NANO TRONG THỰC PHẨM” để

phần nào đưa công nghệ này vào áp dụng rộng rãi ở nước ta, đồng thời thúc đẩy cho ngành công nghiệp thực phẩm nước ta phát triển mạnh mẽ và xứng tầm với các nước trong khu vực cũng như trên thế giới

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu của đề tài đặt ra là xây dựng được hoàn chỉnh lý thuyết về công nghệ nano trong thực phẩm cũng như khả năng ứng dụng rộng rãi công nghệ này trong sản xuất công nghiệp nói chung và công nghiệp thực phẩm nói riêng Hướng đi cụ thể mà chúng tôi hướng đến đó là khả năng chấp nhận một công nghệ mới, một sản phẩm mới

mà trước đây người tiêu dùng chưa từng biết đến và hướng phát triển tiếp theo của công nghệ này trong tương lai không xa ở Việt Nam

Phương pháp nghiên cứu khoa học Mở đầu

3 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các lý thuyết về công nghệ nano nói riêng và công nghệ thực phẩm nói chung, các ứng dụng chính của công nghệ nano trong thực phẩm và hướng phát triển mới được áp dụng cụ thể ở Việt Nam chúng ta

Phương pháp nghiên cứu trong bài tiểu luận này được dùng chủ yếu là phương pháp diễn dịch, bên cạnh đó cũng phối hợp các phương pháp khác như quy nạp và thuyết minh nhằm làm rõ vấn đề được nghiên cứu và giúp người đọc có cái nhìn tổng quát hơn về công nghệ mới này

4 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của đề tài được thực hiện trong phạm vi công nghiệp thực phẩm tại Việt Nam

5 Kết quả và dự kiến thu được

Kết quả dự kiến thu được sau nghiên thực hiện nghiên cứu là khả năng áp dụng rộng rãi công nghệ này trong ngành công nghiệp thực phẩm tại nước ta, bên cạnh đó thúc đẩy sản xuất, nâng cao năng suất chất lượng thực phẩm, giải quyết vấn đề an ninh lương thực thực phẩm tại nước ta

6 Kết cấu của bài tiểu luận

Tiểu luận với đề tài: “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ NANO TRONG

CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM” được thực hiện với ba chương chính:

Chương 1: Tổng quan tài liệu

Chương 2: Sơ lược về ứng dụng của công nghệ nano trong thực phẩm ở các

quốc gia trên thế giới

Chương 3: Nghiên cứu ứng dụng và hướng phát triển công ngệ nano trong

công nghiệp thực phẩm tại Việt Nam

Phương pháp nghiên cứu khoa học Chương 1 Tổng quan tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tổng quan về lý thuyết công nghệ nano

1.1.1 Khái niệm

Công nghệ nano (tiếng Anh: nanotechnology) là ngành công nghệ liên 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 dáng, kích thước trên quy mô nanômét (nm, 1 nm = 10-9 m) Ranh giới giữa công nghệ nano và khoa học nano đôi khi không rõ ràng, tuy nhiên chúng đều có chung đối tượng là vật liệu nano Công nghệ nano bao gồm các vấn đề chính sau đây:

- Cơ sở khoa học nano

- Phương pháp quan sát và can thiệp ở qui mô

- Chế tạo vật liệu nano

- Ứng dụng vật liệu nano

1.1.2 Phân loại vật liệu nano

Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nano mét Về trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái, rắn, lỏng và khí Vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng và khí Về hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau:

- Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano)

Ví dụ: đám nano, hạt nano

- Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano

Ví dụ: dây nano, ống nano,

- Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano

Ví dụ: màng mỏng,

Phương pháp nghiên cứu khoa học Chương 1 Tổng quan tài liệu

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 nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau

1.1.3 Cơ sở khoa học của Công nghệ nano

Có ba cơ sở khoa học để nghiên cứu công nghệ nano:

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

Đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa với rất nhiều nguyên tử (1 micrômét có khoảng 1012 nguyên tử) và có thể bỏ qua các thăng giáng ngẫu nhiên Nhưng các cấu trúc nano có ít nguyên tử hơn thì các tính chất lượng tử thể hiện rõ ràng hơn Ví dụ một chấm lượng tử có thể được coi như một đại nguyên tử, nó có các mức năng lượng giống như một nguyên tử

1.1.3.2 Hiệu ứng bề mặt

Khi vật liệu có kích thước nm, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ phần đáng kể so với tổng số nguyên tử Chính vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thước nm khác biệt so với vật liệu ở dạng khối

1.1.3.3 Kích thước tới hạn

Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có một giới hạn về kích thước Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi Người ta gọi đó là kích thước tới hạn Vật liệu nano có tính chất đặc biệt là do kích thước của nó có thể so sánh được với kích thước tới hạn của các tính chất của vật liệu

Ví dụ điện trở của một kim loại tuân theo định luật Ohm ở kích thước vi mô mà ta thấy hàng ngày Nếu ta giảm kích thước của vật liệu xuống nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại, mà thường có giá trị từ vài đến vài trăm nm, thì định luật Ohm không còn đúng nữa Lúc đó điện trở của vật có kích thước nano sẽ tuân theo các quy tắc lượng tử Không phải bất cứ vật liệu nào có kích thước nano đều có

tính chất khác biệt mà nó phụ thuộc vào tính chất mà nó được nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu khoa học Chương 1 Tổng quan tài liệu

Bảng 1.1 Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu

1.1.3.4 Hướng ứng dụng chung

Các cấu trúc nano có tiềm năng ứng dụng làm thành phần chủ chốt trong những dụng cụ thông tin kỹ thuật có những chức năng mà truớc kia chưa có Chúng có thể đuợc lắp ráp trong những vật liệu trung tâm cho điện từ và quang Những vi cấu trúc

Phương pháp nghiên cứu khoa học Chương 1 Tổng quan tài liệu

này là một trạng thái độc nhất của vật chất có những hứa hẹn đặc biệt cho những sản phẩm mới và rất hữu dụng

Nhờ vào kích thuớc nhỏ, những cấu trúc nano có thể đóng gói chặt lại và do đó làm tăng tỉ trọng gói (packing density) Tỉ trọng gói cao có nhiều lợi điểm: tốc độ xử lý

dữ liệu và khả năng chứa thông tin gia tăng Tỉ trọng gói cao là nguyên nhân cho những tương tác điện và từ phức tạp giữa những vi cấu trúc kế cận nhau Đối với nhiều

vi cấu trúc, đặc biệt là những phân tử hữu cơ lớn, những khác biệt nhỏ về năng luợng giữa những cấu hình khác nhau có thể tạo được các thay đổi đáng kể từ những tương tác đó Vì vậy mà chúng có nhiều tiềm năng cho việc điều chế những vất liệu với tỉ trọng cao và tỉ số của diện tích bề mặt trên thể tích cao, chẳng hạn như bộ nhớ (memory) Những phức tạp này hoàn toàn chưa đuợc khám phá và việc xây dựng những kỹ thuật dựa vào những vi cấu trúc đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc khoa học căn bản tìm ẩn trong chúng Những phức tạp này cũng mở đuờng cho sự tiếp cận với những hệ thống không tuyến tính phức tạp mà chúng có thể phô bày ra những lớp biểu hiện (behavior) trên căn bản khác với những lớp biểu hiện của cả hai cấu trúc phân tử và cấu trúc ở quy mô micrômét

Khoa học nano là một trong những biên giới của khoa học chưa được thám hiểm tường tận Nó hứa hẹn nhiều phát minh kỹ thuật lý thú nhất

Phương pháp nghiên cứu khoa học Chương 2.CNNN ở các nước trên thế giới

CHƯƠNG 2 SƠ LƯỢC VỀ ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ NANO TRONG

THỰC PHẨM Ở CÁC QUỐC GIA TRÊN THẾ GIỚI 2.1 Công nghệ nano thực phẩm tại Mỹ

Dùng đất sét bảo quản thực phẩm

Một nhóm các nhà nhà khoa học Mỹ đến từ trường Đại học Texas A&M mới đây tuyên bố đã có thể xây một bức "tường gạch nano" với 2/3 thành phần là đất sét để bảo vệ thực phẩm tránh bị ôi thiu hay hư hỏng trong thời gian dài hơn so với các loại bao bì hiện tại

Hình 2.1 Tường gạch nano bằng đất sét

Bằng cách sử dụng một màng "gạch nano" bao gồm 70% là đất sét (phần còn lại làm từ các vật liệu polymer khác nhau), các nhà khoa học Mỹ phát hiện họ có thể bọc ngoài lớp bao bì hiện có và giữ cho thực phẩm tươi sống và nguyên hương vị lâu hơn Tấm màng dày không quá 100 nanomét dày (mỏng hơn nhiều so với một sợi tóc người)

và được quảng cáo là có khả năng không thẩm thấu oxy gấp 100 lần những loại bao bì bọc thực phẩm thông dụng

Tiến sĩ Jaime Grunlan, người báo cáo kết quả nghiên cứu trước một hội nghị của

Hiệp hội hóa học Mỹ, cho hay: "Đây là một công nghệ mới, mang tới cho chất dẻo những đặc tính bảo quản thực phẩm ưu việt của thủy tinh Nó sẽ tạo cho người tiêu

Phương pháp nghiên cứu khoa học Chương 2.CNNN ở các nước trên thế giới

dùng các loại thực phẩm tươi ngon hơn và lâu bị ôi thiu hơn, cũng như giúp thúc đẩy

sự phát triển của ngành công nghiệp đóng gói thực phẩm"

Các "viên gạch nano" sử dụng đất sét montmorillonite, một thành phần thường được dùng để chế tạo gạch xây dựng Khi quan sát dưới kính hiển vi, cấu trúc của

"gạch nano" thậm chí trông giống như các viên gạch và vữa - đặc điểm làm cho "tường

gạch nano" có sức mạnh bảo vệ hơn hẳn các vật liệu đóng gói hiện có "Một số nhà nghiên cứu khác đã thêm đất sét vào polymer để giảm việc thẩm thấu (khí), nhưng các sản phẩm này vẫn có độ thấm cao gấp hàng ngàn lần màng bọc của chúng tôi Chúng tôi đang có trong tay cấu trúc được sắp xếp tốt nhất: một bức tường gạch nano Đây thực sự là một tấm màng ít bị thẩm thấu oxy nhất hiện có", ông Grunlan nhấn mạnh

Tiến sĩ Grunlan quả quyết thêm rằng, lớp màng bọc mới hứa hẹn sẽ hữu dụng đối với các thiết bị điện tử linh hoạt, bề mặt chống xước, lốp xe và sản phẩm thể thao cũng như có khả năng giúp các quả bóng đá và bóng rổ căng không khí lâu hơn

2.2 Công nghệ nano thực phẩm tại Nhật và Trung Quốc

Các hạt nano vàng giúp phát hiện ra thuốc kích thích tăng trưởng

Hầu hết các nước đã cấm sử dụng thuốc kích thích tăng trưởng như loại thuốc β agonist cho vào thức ăn gia súc Khi gia súc tiêu thụ thuốc này, người ăn thịt gia súc có thể rơi vào tình trạng tim đập nhanh, bị đau đầu, nôn ói và các triệu chứng khác Đến nay, các nhà nghiên cứu tại Đại học Nông nghiệp Trung Quốc đã tiến hành thí nghiệm đổi màu nhanh và dễ dàng để phát hiện ra thuốc β agonist trong các mẫu chất lỏng Các nhà lập pháp có thể sử dụng thử nghiệm để kiểm tra máu và nước tiểu của động vật phát hiện ra thuốc β agonist được sử dụng bất hợp pháp trước khi giết thịt động vật