TNU Journal of Science and Technology
230(01): 73 - 82
http://jst.tnu.edu.vn 73 Email: jst@tnu.edu.vn
BIO-MEMBRANE FROM CHITOSAN AND MICROCRYSTALLINE
CELLULOSE IN THE PRESENCE OF ANTHOCYANINS APPLIED FOR
FOOD-FRESHNESS INDICATOR
Nguyen Dang Khoa*, Truong Vuong Quoc Vinh, Huynh Dung Thiem, To Thanh Son
Faculty of Environment, School of Technology - Van Lang University
ARTICLE INFO
ABSTRACT
Received:
03/7/2024
A biopolymer membrane prepared from chitosan (CTS) and
microcrystalline cellulose (MCC) at low ratios is fabricated to monitor
the freshness of food by tracking the color changes of anthocyanins
(ACNs) indicators. Results indicated the enhanced mechanical
stability of the membrane, including increased tensile strength and
reduced water uptake are attributed to the chemical interaction between
CTS and MCC. In the freshness evaluation experiment, the CTS/MCC
film showed an improvement in the total color difference index ∆E,
enhancing the ability to detect changes in the pH of the environment.
Additionally, the ∆E value of the CTS/1% MCC film was observed to
be quite similar to the value at pH 9 after 24 hours and pH 11 after 36
hours when the fish meat was stored at 25°C. Also, the correlation
between the generated TVB-N content and the ∆E value showed that
the correlation coefficient R2 of the CTS/MCC film was higher than
that of the CTS film.
Revised:
16/10/2024
Published:
17/10/2024
KEYWORDS
Anthocyanins
Chitosan
Microcrystalline Cellulose
pH indicator
Bio-membrane
MÀNG SINH HỌC TỪ CHITOSAN VÀ CELLULOSE VI TINH THỂ CHỨA
ANTHOCYANINS ỨNG DỤNG THEO DÕI ĐỘ TƯƠI CỦA THỰC PHẨM
Nguyễn Đăng Khoa*, Trương Vương Quốc Vinh, Huỳnh Dũng Thiêm, Tô Thanh Sơn
Khoa Môi trường, Trường Công nghệ Văn Lang - Đại học Văn Lang
TÓM TẮT
Ngày nhận bài:
03/7/2024
Màng sinh học được tổng hợp từ chitosan (CTS) với chất phối trộn
cellulose vi tinh thể (MCC) ở tỷ lệ thấp được sử dụng để theo dõi độ
tươi của thực phẩm thông qua sự thay đổi màu sắc của chất chỉ thị
anthocyanins (ACNs). Kết quả cho thấy độ bền cơ học của màng được
cải thiện bao gồm độ bền kéo của màng được gia tăng và độ ngậm
nước giảm đi thông qua sự tương tác hoá học của CTS và MCC. Trong
thí nghiệm đánh giá độ tươi, màng CTS/MCC cho thấy sự cải thiện về
chỉ số tổng khác biệt màu sắc ∆E, giúp tăng khả năng nhận diện sự
thay đổi pH của môi trường. Thêm vào đó, giá trị ∆E của màng CTS/
1% MCC được quan sát khá tương đồng với giá trị của pH 9 sau 24
giờ và pH 11 sau 36 giờ khi thịt cá được bảo quản ở 25oC. Đồng thời,
sự tương quan giữa hàm lượng TVB-N phát sinh và giá trị ∆E cho thấy
hệ số tương quan R2 của màng CTS/MCC cao hơn so với màng CTS.
Ngày hoàn thiện:
16/10/2024
Ngày đăng:
17/10/2024
DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.10692
* Corresponding author. Email: khoa.nd@vlu.edu.vn
TNU Journal of Science and Technology
230(01): 73 - 82
http://jst.tnu.edu.vn 74 Email: jst@tnu.edu.vn
1. Giới thiệu
Thực phẩm là nguồn cung cấp dưỡng chất không thể thiếu trong cuộc sống. Tuy nhiên trong
quá trình bảo quản, sự hư hỏng của nhiều loại thực phẩm khác nhau, bao gồm thịt, cá và các sản
phẩm từ sữa được cho là tác nhân dẫn đến các ảnh hưởng tiêu cực đến sức khoẻ người tiêu dùng [1].
Trong một quá trình biến đổi điển hình, các thực phẩm giàu protein dễ bị ôi thiu, dẫn đến bị sẫm màu
và sinh ra mùi khó chịu, thậm chí là các chất độc hại do protein bị phân hủy bởi các vi sinh vật [2],
tạo thành các peptide và acid amin, sau đó chuyển đổi thành khí CO2 và khí amoniac, các hợp chất
amin, hydro sunfua và acid hữu cơ thông qua các phản ứng sinh hóa và vi sinh, dẫn đến độ pH thay
đổi đáng kể [3]. Trong số đó, các hợp chất dễ bay hơi như amoniac, dimethylamine và trimethylamine
thường được gọi là tổng nitơ kiềm bay hơi (total volatile basic nitrogen, TVB-N) [4], [5], đây là chỉ
số hóa lý quan trọng để theo dõi và đánh giá độ tươi của thực phẩm [6]. Do mối quan hệ giữa TVB-
N và giai đoạn phát triển của vi khuẩn, bất kỳ sản phẩm thịt nào có mức TVB-N cao hơn đều được
coi là không phù hợp để sử dụng cho các quá trình sản xuất và tiêu dùng [7].
Các chỉ số độ tươi nhằm cung cấp thông tin tức thì cho người tiêu dùng về chất lượng sản phẩm
bị ảnh hưởng bởi vi sinh vật hoặc thay đổi hóa học và nó đã được chứng minh là công cụ đầy hứa
hẹn để cung cấp thông tin chất lượng thông qua thay đổi màu sắc trực quan tùy thuộc vào giai đoạn
hư hỏng thực phẩm [8]. Cơ chế này là sự hư hỏng protein của vi sinh vật tạo ra hàm lượng nitơ
kiềm bay hơi và các amin sinh học cao, từ đó làm tăng dần độ pH và ảnh hưởng dễ dàng đến sự
thay đổi màu sắc của chất chỉ thị [9]-[11]. Trong quá trình bảo quản thực phẩm, màu sắc của chất
chỉ thị trong màng sẽ thay đổi theo mức độ hư hỏng tương ứng với chất chuyển hóa của vi sinh vật
tăng lên [12], từ đó thông tin của thực phẩm được giám sát để đánh giá chất lượng [13]-[16]. Vì
vậy, màng cảm biến màu sắc thông minh dùng đánh giá độ tươi của thực phẩm có thể giải quyết
vấn đề này (hình 1). Từ những vấn đề trên, nghiên cứu này tập trung tìm kiếm một vật liệu sinh
học mang tính chỉ thị nhanh, giúp xác định đặc tính của thực phẩm.
Hình 1. Cơ chế thay đổi màu sắc của màng cảm biến pH
Anthocyanin (ACNs) (Hình 2c) là một loại thuốc nhuộm chỉ thị phenolic tự nhiên có thể được
chiết xuất từ các nguồn khác nhau, chẳng hạn như bắp cải đỏ, quả việt quất, đậu nành đen, quả
mâm xôi và súp lơ tím. Ngoài ra, ACNs còn được biết đến là chất hoạt tính sinh học như chống
oxy hóa và chống ung thư [17], [18]. ACN rất nhạy cảm với sự thay đổi pH và sự biến đổi màu sắc
của anthocyanin có liên quan chặt chẽ đến sự thay đổi trong cấu trúc phân tử của anthocyanin cũng
như tuỳ thuộc vào nguồn chiết xuất và thành phần [19]. Vì vậy, ACN có nguồn gốc từ nhiều nguồn
khác nhau không chỉ có thể thể hiện màu sắc đa dạng mà còn có thể dễ dàng thay đổi màu sắc khi
tiếp xúc với môi trường có độ pH khác nhau [20], [21]. Một số nghiên cứu cho thấy ACN có màu
đỏ ổn định (cation flavylium) trong điều kiện acid mạnh (pH < 4). Khi ở pH từ 5 đến 6, chúng
chuyển sang trạng thái không màu do sự tạo thành chalcone và carbinol. Các hợp chất ACN tạo
thành base anhydro quinoidal màu tím/xanh khi pH thay đổi từ 6 đến 8, và chalcone màu vàng nhạt
hoặc không màu khi pH vượt quá 8 [22]. Từ đó, sự thay đổi màu sắc do độ pH gây ra là yếu tố thiết
yếu để phát triển các chỉ số đo màu có thể cảm nhận được độ tươi/hư hỏng của thực phẩm tươi
sống và cung cấp thông tin trực quan cho người tiêu dùng. Hàm lượng của chất chiết xuất giàu
ACNs dao động từ 0,03% trọng lượng đến 200% dựa trên trọng lượng của polymer sinh học [23].
Màng cảm
biến pH
Tác nhân
cảm biến
Khuyếch tán
Khuyếch tán
Thứcăn
Vi sinh vật
Hợp chất sinh học
Chất bẩn
Tín hiệuTươi
Hỏng
Thiu
TNU Journal of Science and Technology
230(01): 73 - 82
http://jst.tnu.edu.vn 75 Email: jst@tnu.edu.vn
Chitosan (CTS) (hình 2a) là sản phẩm deactylat hóa từ chitin. Đây là loại polymer sinh học dồi
dào thứ hai trong tự nhiên và được làm từ vỏ các loài giáp xác. CTS là một cationic polysacaride
mạch thẳng có nhiều nhóm chức amino và hydroxyl, phân bố ngẫu nhiên các monomer N-acetyl-
D-glucosamine và β-(1–4)-linked D-glucosamine [24]. Nhờ các đặc tính quý như khả năng tương
thích sinh học, khả năng phân hủy sinh học, không độc hại và khả năng hấp phụ, CTS đã thu hút
được sự chú ý đáng kể cho các ứng dụng khác nhau, bao gồm đóng gói thực phẩm, lĩnh vực y tế
và dược phẩm, xử lý môi trường [25]. Tuy nhiên, màng CTS tương đối giòn và dễ vỡ do khung
polymer cứng với lượng lớn liên kết hydro giữa các phân tử và nội phân tử. Do đó, cellulose vi tinh
thể (microcrystalline cellulose - MCC) (hình 2b) được bổ sung thông qua quá trình tạo thành màng
CTS nhằm tăng tính ổn định của màng thành phẩm. Dung dịch CTS thường được sử dụng ở nồng
độ dao động từ 0,5 đến 3% trong dung dịch acid acetic 1% và độ bền cơ học sẽ tương thích với
nồng độ này khi tạo thành màng CTS [26]. Việc bổ sung MCC từ nhiều nghiên cứu cho thấy tỷ lệ
phối trộn có sự dao động đáng kể trong việc cải thiện độ bền cơ học và ở nồng độ từ 30 đến 80%
trong màng CTS [27], [28]. Hiện nay chưa có công trình nghiên cứu ở Việt Nam về ứng dụng
ACNs để làm chất chỉ thị độ tươi của thực phẩm. Và công trình về việc bổ sung ACN vào màng
CTS/MCC chưa có những nghiên cứu cụ thể để đánh giá độ tươi của thực phẩm. Do đó, bài báo sẽ
tập trung nghiên cứu về việc bổ sung MCC ở nồng độ thấp sẽ ảnh hưởng như thế nào lên đặc tính
của màng CTS và khảo sát sự thay đổi chất lượng thực phẩm thông qua sự thay đổi chất chỉ thị
ACNs có trong màng CTS/MCC.
(a)
(b)
(c)
Hình 2. Cấu trúc hoá học của: (a) chitosan, (b) cellulose và (c) anthocyanins
2. Phương pháp nghiên cứu
2.1. Tổng hợp màng sinh học CTS/ MCC/ACNs
Dung dịch chitosan 1% được pha trong dung dịch acid acetic 1%. Sau đó, MCC được bổ sung
vào theo từng tỷ lệ khác nhau từ 0 đến 2,5% với sự có mặt của ACNs thêm vào cố định là 0,01 g
(Bảng 1). Sau khi khuấy trộn trong vòng 24 giờ để đạt độ đồng nhất, hỗn hợp được đổ lên khuôn
silicon (25 mm × 25 mm) và để khô ở nhiệt độ phòng trong vòng 36 giờ.
Bảng 1. Tỷ lệ phối trộn của các cấu thành màng sinh học cho 5 g dung dịch
STT
Mẫu
CTS 1% (g)
MCC (g)
ACNs (g)
1
0
5
0
0,01
2
0,5
4,975
0,025
3
1
4,95
0,05
4
2,5
4,875
0,125
2.2. Đánh giá đặc tính của màng sinh học CTS/MCC/ACNs
TNU Journal of Science and Technology
230(01): 73 - 82
http://jst.tnu.edu.vn 76 Email: jst@tnu.edu.vn
2.2.1. Quan sát hình thái
Hình thái của vật liệu được xác định bằng phương pháp quét kính hiển vi điện tử (Scanning
Electron Microscopy – SEM). Màng được sấy khô ở 105oC và quan sát tiết diện ngang bằng máy
SEM (JSM-IT200 IntouchScope) với độ phân giải được sử dụng ở 200×, 500× và 1000×.
2.2.2. Phân tích thành phần gốc chức và tương tác hoá học
Để xác định việc tương tác hoá học giữa các gốc chức có trong vật liệu, phương pháp quang phổ
hồng ngoại được sử dụng (Fourier-transform infrared spectroscopy – FT-IR) (JASCO FT-IR/4100).
Những rung động trong cấu trúc phân tử của vật liệu sẽ được ghi nhận và biểu diễn ở dải quang phổ
từ 4000 – 500 cm-1, qua đó xác định được những liên kết có mặt trong cấu trúc của vật liệu.
2.2.3. Độ hấp thụ nước
Các giá trị hàm lượng nước cân bằng (Equilibrium water content – EWC) của màng sinh học
được đo ở nhiệt độ phòng bằng cách ngâm các mẫu khô 10 mm × 10 mm trong nước cất. Sau thời
gian ngâm 24 giờ để đảm bảo độ hấp phụ cân bằng, màng được lấy ra, lau nhanh bằng khăn giấy
và cân. EWC được tính bằng công thức:
EWC (%) = (m - m0) × 100/ m0
(1)
Trong đó m0 là khối lượng khô và m là khối lượng mẫu sau 24 giờ ngâm trong nước cất.
2.2.4. Độ bền cơ học
Đặc tính cơ học của màng tại các tỷ lệ phối trộn MCC được đánh giá thông qua độ bền kéo và
độ giãn khi gãy. Trong độ bền kéo, thử nghiệm được tiến hành bằng cách sử dụng máy LTS-500N-
S20 (Minebea, Nhật Bản) với một tải trọng đầu hoạt động là 500 N ở 23oC và 50% độ ẩm tương
đối. Màng có kích thước 20 mm × 10 mm được đặt giữa các kẹp của máy đo. Độ dài ban đầu là 10
mm, và tốc độ thử nghiệm là 2 mm/phút cho đến khi mẫu bị gãy. Các giá trị của độ bền kéo và độ
giãn được tính bằng các phương trình sau:
Độ bền kéo ( N
mm2) = Tải trọng tối đa/tiết diện ngang
(2)
Độ giãn (%) = (Độ giãn khi gãy / Độ dài ban đầu) × 100
(3)
2.2.5. Đánh giá sự thay đổi màu sắc của màng CTS/MCC/ACNs
Sự thay đổi màu sắc của màng dựa vào pH của môi trường. Các thông số màu bao gồm L*, a*
và b* của màng so màu được đo bằng máy đo màu (CR4, Industrial Basic, Trung Quốc). Các màng
đo màu được cắt thành các hình vuông (10 mm × 10 mm) và đặt trong 20 mL dung dịch có độ pH
từ 7 đến 11 trong vòng 2 giờ ở 25oC để quan sát sự thay đổi màu sắc. Sự thay đổi màu sắc sẽ dùng
hệ màu L a b, tương ứng lần lượt là độ chiếu sáng, đỏ đến xanh và vàng đến xanh dương. Tổng
khác biệt màu sắc (ΔE) được tính bằng công thức sau:
∆Ε = ((L∗−L0
∗)2+ ( a∗−a0
∗)2+ (b∗−b0
∗)2)1
2
(4)
Trong đó, L*0 (89,78), a*0 (1,53) và b*0 (-8,09) là hệ số chuẩn của bảng trắng tiêu chuẩn, và L*,
a*, b* là chỉ số màu sắc của màng hiện tại.
2.3. Thí nghiệm theo dõi độ tươi của thịt cá phi lê
Thịt cá ba sa phi lê tương đồng về mặt kích thước và khối lượng (30 g) sẽ được khử trùng trước
khi đặt vào đĩa petri có chứa màng CTS/MCC/ACNs và quan sát sự thay đổi màu sắc thông qua sự
thay đổi pH. Giá trị ΔE của các màng được đánh giá từ 0 đến 36 giờ khi được bảo quản ở 25°C và
từ 0 đến 96 giờ ở 4°C của quá trình bảo quản.
2.4. Khảo sát hàm lượng tổng nito kiềm bay hơi (TVB-N)
TNU Journal of Science and Technology
230(01): 73 - 82
http://jst.tnu.edu.vn 77 Email: jst@tnu.edu.vn
Việc đánh giá TVB-N được thực hiện dựa trên phương pháp chưng cất hơi nước. Ban đầu, 30 g
cá bảo quản tại các khoảng thời gian khác nhau được đồng nhất hoàn toàn với 300 mL nước cất và 2
g MgO. Sau đó, hỗn hợp này được chuyển vào thiết bị Kjeldahl và đun nóng ở 110oC. Quá trình
chưng cất được tiếp tục trong 25 phút kể từ khi bắt đầu sôi và bổ sung thêm 25 mL dung dịch acid
boric (2%) chứa hai giọt đỏ methyl và xanh methylen (0,1%). Dung dịch được chuẩn độ bằng acid
sulfuric 0,1 N. Hàm lượng TVB-N được mô tả là mg/ 100 g và được ước tính như sau:
Hàm lượng TVB-N (mg/ 100 g) = V1 (mL) × 14
(5)
Trong đó V1 là thể tích acid sulfuric dùng để chuẩn độ.
3. Kết quả và bàn luận
3.1. Đánh giá cảm quan của màng
Hình 3 mô tả màng với các tỷ lệ phối trộn MCC từ 0 đến 2,5% có chứa ACN. Dễ thấy rằng kích
thước của các màng khá đồng đều sau khi lấy ra khỏi khuôn. Hàm lượng MCC tăng trong màng có
thể dẫn đến sự giảm khả năng lên màu. Tuy nhiên tại mẫu 1% (Hình 3c) thì màu có vẻ đậm hơn so
với mẫu không chứa MCC.
(a)
(b)
(c)
(d)
Hình 3. Hình ảnh của màng CTS/MCC: (a) 0, (b) 0,5, (c) 1 và (d) 2,5
3.2. Đặc tính của màng
3.2.1. Hình thái
Hình thái tiết diện ngang của màng tại các tỷ lệ phối trộn MCC được trình bày ở Hình 4. Có thể
thấy sự phân bố của MCC trong dung dịch CTS có thể ảnh hưởng đến mức độ tương tác giữa các
cấu thành cũng như dẫn đến sự tăng hoặc giảm độ bền cơ học tương ứng. Độ dày trung bình của
màng cũng tăng tương ứng từ 58,9 lên 1277,3 𝜇m khi hàm lượng MCC được thêm vào từ 0 đến
2,5%. Màng 0% cho thấy cấu trúc đặc của CTS ở hầu hết các độ phóng đại. Ở độ phóng đại là ×200
(Hình 4a), có thể thấy được sự phân bố của các hạt MCC tương đối đồng đều ở nồng độ 1,0%,
trong khi có nhiều lỗ rỗng được hình thành ở 2,5%. Đáng chú ý ở phóng đại là ×1000 (Hình 4c),
mặt cắt ngang của màng 2,5% cho thấy có sự kết tụ nhiều MCC hơn so với 1% và 0,5%. Điều này
có thể giải thích là do sự tương tác về mặt hoá học giữa các hạt MCC thông qua liên kết hydro
ngoại phân tử làm chúng chồng chất lên nhau. Do đó, đặc tính cơ học và độ ngậm nước của màng
2,5% có thể có bị ảnh hưởng bởi cấu trúc này.
0
0,5