Màng sinh học từ chitosan và cellulose vi tinh thể chứa anthocyanins ứng dụng theo dõi độ tươi của thực phẩm

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

Thêm vào BST

Báo xấu

4
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết 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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Màng sinh học từ chitosan và cellulose vi tinh thể chứa anthocyanins ứng dụng theo dõi độ tươi của thực phẩm

TNU Journal of Science and Technology 230(01): 73 - 82 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 Revised: 16/10/2024 the freshness of food by tracking the color changes of anthocyanins Published: 17/10/2024 (ACNs) indicators. Results indicated the enhanced mechanical stability of the membrane, including increased tensile strength and KEYWORDS reduced water uptake are attributed to the chemical interaction between CTS and MCC. In the freshness evaluation experiment, the CTS/MCC Anthocyanins film showed an improvement in the total color difference index ∆E, Chitosan 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 Microcrystalline Cellulose be quite similar to the value at pH 9 after 24 hours and pH 11 after 36 pH indicator hours when the fish meat was stored at 25°C. Also, the correlation Bio-membrane 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. 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 THÔNG TIN BÀI BÁO 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 Ngày hoàn thiện: 16/10/2024 tươi của thực phẩm thông qua sự thay đổi màu sắc của chất chỉ thị Ngày đăng: 17/10/2024 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 TỪ KHÓA 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 Anthocyanins chỉ số tổng khác biệt màu sắc ∆E, giúp tăng khả năng nhận diện sự Chitosan thay đổi pH của môi trường. Thêm vào đó, giá trị ∆E của màng CTS/ Cellulose vi tinh thể 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, Chỉ thị pH sự tương quan giữa hàm lượng TVB-N phát sinh và giá trị ∆E cho thấy Màng sinh học hệ số tương quan R2 của màng CTS/MCC cao hơn so với màng CTS. DOI: https://doi.org/10.34238/tnu-jst.10692 * Corresponding author. Email: khoa.nd@vlu.edu.vn http://jst.tnu.edu.vn 73 Email: jst@tnu.edu.vn
TNU Journal of Science and Technology 230(01): 73 - 82 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. Khuyếch tán Vi sinh vật Tác nhân Tươi cảm biến Tín hiệu Thức ăn Hợp chất sinh học Chất bẩn Hỏng Màng cảm Khuyếch tán biến pH Thiu 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]. http://jst.tnu.edu.vn 74 Email: jst@tnu.edu.vn
TNU Journal of Science and Technology 230(01): 73 - 82 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 2 0,5 4,975 0,025 0,01 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 http://jst.tnu.edu.vn 75 Email: jst@tnu.edu.vn
TNU Journal of Science and Technology 230(01): 73 - 82 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: N Độ bền kéo ( ) = Tải trọng tối đa/tiết diện ngang (2) mm2 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: 1 ∆Ε = ((L∗ − L∗ )2 + ( a∗ − a∗ )2 + (b∗ − b∗ )2 )2 0 0 0 (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) http://jst.tnu.edu.vn 76 Email: jst@tnu.edu.vn
TNU Journal of Science and Technology 230(01): 73 - 82 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 http://jst.tnu.edu.vn 77 Email: jst@tnu.edu.vn
TNU Journal of Science and Technology 230(01): 73 - 82 1,0 2,5 (a) (b) (c) Hình 4. Hình thái tiết diện ngang của màng tại độ phóng đại (a) 200×, (b) 500× và (c) 1000× 3.2.2. Phổ hấp phụ hồng ngoại FT-IR Phổ FT-IR của màng CTS cho thấy có các nhóm chức trong cấu trúc hoá học bao gồm dải –O– H tại 3446 cm-1, liên kết C–H tại 2888, 2932, 2960 cm-1, C–O và vòng C–O–C liên quan tương ứng đến đỉnh ở 1025 cm-1 và 1155 cm-1. Trong đó, nhóm amine tại bước sóng 1649 cm-1 đặc trưng cho nhóm amide I và 1592 cm-1 của nhóm amide II, xác nhận các nhóm chức hoá học của CTS vẫn được giữ lại trong màng (hình 5). Trong khi đó, rung động tại bước sóng 3400 cm-1 được tìm thấy của nhóm –O–H trong cấu trúc của MCC. Việc phối trộn CTS và MCC có khả năng dẫn đến sự tương tác về mặt hoá học của chúng trong màng 1% MCC. Có thể thấy, rung động tại bước sóng 3446 và 3291 cm-1 trong màng CTS bị dịch chuyển về bước sóng thấp hơn tương ứng là 3446 và 3251 cm-1 trong màng CTS/MCC. Thêm vào đó, nhóm amide I và amide II cũng có sự thay đổi tương tự. Từ đó có thể kết luận CTS và MCC có phản ứng với nhau thông qua liên hết hydro trong màng tạo thành [29]. 150 MCC 1643 120 Độ truyền quang T (%) 1% Độ ngậm nước (%) 90 0 1633 1552 0.5 3251 1 3444 60 2.5 CTS 1649 30 3446 3291 1592 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 Bước sóng (cm-1) 0 5 10 Thời gian (h) 15 20 25 Hình 5. Phổ FT-IR của CTS, 1% và MCC Hình 6. Độ ngậm nước của màng 3.2.3. Độ ngậm nước Trong quá trình bảo quản thực phẩm, các sản phẩm phụ như hơi nước là thành phần không thể thiếu. Dễ thấy rằng sự có mặt của MCC trong màng CTS làm giảm khả năng hấp thụ nước sau các khoảng thời gian và giá trị này có xu hướng bão hoà sau 24 giờ (Hình 6). Khi tăng hàm lượng MCC từ 0 đến 2,5%, màng CTS/MCC cho thấy khả năng hạn chế cho phép các phân tử nước tự do đi vào cấu trúc của màng. Cụ thể, độ hấp thụ nước của màng tăng nhanh lên 126,4% của màng CTS tại 0 giờ và có xu hướng tăng chậm lên 132% ở 6 giờ và đạt bão hoà 133,2% ở 24 giờ. Điều này được giải thích là do CTS là polymer sinh học với cấu trúc có chứa các nhóm chứa hydroxyl và amine có ái lực cao với các phân tử nước. Tuy nhiên, ở các màng CTS/MCC, sự có mặt của MCC đã làm cho cấu trúc màng được gia cố và các nhóm chức này có khả năng tương tác hoá học với nhau, dẫn đến khả năng hấp thụ nước giảm dần khi hàm lượng MCC tăng lên. Kết quả này được hỗ trợ giải thích bởi việc đo mặt cắt ngang màng và phổ FT-IR. http://jst.tnu.edu.vn 78 Email: jst@tnu.edu.vn
TNU Journal of Science and Technology 230(01): 73 - 82 5 80 Độ bền kéo Độ giãn khi đứt 4 60 Độ giãn khi đứt (%) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Độ bền kéo (N/mm2) 3 40 2 20 1 0 0 0 0.5 1 2.5 Màng CTS/MCC Hình 8. Sự thay đổi màu sắc của ACNs tại các Hình 7. Độ bền kéo và độ giãn khi đứt dung dịch có pH từ 1 đến 12 3.2.4. Độ bền cơ học Độ bền cơ học là một chỉ số quan trọng trong việc đánh giá đặc tính của màng, thể hiện qua độ bền kéo và độ giãn khi đứt. Hình 7 mô tả sự ảnh hưởng của hàm lượng MCC vào tính cơ học của màng CTS. Dễ thấy rằng, khi tăng tỷ lệ phối trộn MCC từ 0 lên 0,5% thì độ bền kéo tăng tương ứng từ 3,4 đến 3,8 N/mm2. Sự cải thiện về độ bền kéo trong sự hiện diện của MCC được mong đợi vì sự tương thích hoá học giữa MCC với CTS, và do đó độ cứng cho vật liệu được tạo thành. Ngoài ra, độ kéo giãn khi đứt giảm tương ứng là 60,4 và 39,5% cho thấy khối lượng MCC tăng lên khiến cho màng CTS/MCC trở nên giòn và dễ gãy. Hơn nữa, sự cải thiện này trong việc liên tương tác hoá học cũng tạo điều kiện cho việc truyền tải sức căng từ khung CTS sang MCC. Kết quả này nhất quán với các nghiên cứu trước đây [30]. Tuy nhiên, khi bổ sung MCC 2,5%, màng CTS/MCC cho giá trị độ bền kéo và độ giãn khi đứt giảm còn 3,5 N/mm2 và 29,1%. Điều này cho thấy có sự mất cân bằng trong việc phối trộn hàm lượng MCC nhiều sẽ dẫn đến việc kết tụ của chúng trong dung dịch CTS và dẫn đến việc thiếu hụt trong các mối liên kết và cuối cùng là độ bền kéo của màng tương ứng bị giảm. Kết quả quan sát từ mặt cắt tiết diện ngang của màng 2,5% và khả năng hấp thụ nước cũng góp phần củng cố thêm giả thuyết này. 3.2.5. Độ thay đổi màu sắc Hình 8 cho thấy sự thay đổi màu sắc của ACNs tại các dung dịch có độ pH khác nhau. 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 cũng như tuỳ thuộc vào nguồn chiết xuất và thành phần [19]. 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. Giá trị tổng khác biệt màu sắc ∆𝛦 của màng tại các tỷ lệ MCC khác nhau được trình bày ở bảng 2. Có thể thấy rằng khi dung dịch có pH cao làm tăng giá trị ∆𝛦 tương ứng. Bảng 2. Giá trị tổng khác biệt màu sắc ∆𝛦 của màng chứa ACNs tại pH 7, 9 và 11 pH STT Mẫu 7 9 11 1 0 2,2 4,8 13,0 2 0,5 3,5 8,0 9,2 3 1 4,0 1,9 5,0 4 2,5 7,3 10,5 12,5 http://jst.tnu.edu.vn 79 Email: jst@tnu.edu.vn
TNU Journal of Science and Technology 230(01): 73 - 82 3.3. Theo dõi độ tươi của thực phẩm Thịt cá basa phi lê được bảo quản với màng CTS/MCC ở 25oC và 4oC tại các khoảng thời gian khác nhau được quan sát về giá trị tổng khác biệt màu sắc ∆Ε. Kết quả từ bảng 3 cho thấy hàm lượng MCC trong màng CTS có thể cải thiện sự thay đổi màu sắc do ảnh hưởng của pH tạo ra trong quá trình biến đổi của thực phẩm. Từ bảng 2 và 3 có thể thấy được một số giá trị tương quan về sự thay đổi pH của môi trường xung quanh và giá trị ∆Ε. Cụ thể khi bảo quản thịt cá ở 25oC thì sau 24 giờ, giá trị ∆Ε của các màng CTS/MCC khá tương đồng với giá trị này ở màng sau khi ngâm trong dung dịch có pH 9 và sau 36 giờ thì gần với pH 11. Tương tự tại quá trình bảo quản ở 4oC thì giá trị ∆Ε của màng khá giống với pH 11 sau 36 giờ. Điều này có thể là do thịt cá sử dụng trong thí nghiệm đánh giá bảo quản thực phẩm ở 4oC thì thịt cá chưa được tươi, dẫn đến thời gian khá ngắn thì pH đã tăng cao đến 11. Bảng 3. Giá trị tổng khác biệt màu sắc ∆𝛦 của màng chứa ACNs khi bảo quản tại các khoảng thời gian ở 25oC và 4oC Thời gian (giờ) STT Nhiệt độ (oC) Mẫu 3 6 9 24 36 1 0 1,4 1,6 3,2 4,5 13,4 2 0,5 4,1 6,4 8,3 9,0 9,7 25 3 1 1,0 1,5 1,6 2,0 5,3 4 2,5 7,1 10,3 11,1 13,5 14,1 3 6 9 24 36 48 96 5 0 1,2 5,7 5,6 10,8 13,8 14,3 15,1 6 4 0,5 3,0 3,4 4,2 7,9 9,3 11,7 12,4 7 1 0,4 0,6 1,2 1,4 1,6 1,6 2,4 8 2,5 4,7 6,8 7,0 10,3 10,4 10,5 10,7 3.4. Tương quan giữa hàm lượng TVB-N và tổng khác biệt màu sắc ∆𝜠 Việc thay đổi màu sắc của màng thông qua giá trị ∆Ε có sự tương quan đến hàm lượng TVB-N phát sinh trong quá trình bảo quản. Bảng 4 trình bày về sự tương quan giữa hàm lượng MCC phối trộn vào màng CTS và hàm lượng TVB-N phát sinh tại các nhiệt độ và thời gian khác nhau. Có thể thấy rằng hàm lượng phối trộn là 1% MCC cho hệ số tương quan R2 quan sát được ở 25oC là 0,98 gần bằng với màng CTS là 0,99. Trong khi bảo quản ở 4oC thì lượng TVB-N phát sinh ra ít hơn nhưng màng CTS/MCC cho thấy sự tương quan cao hơn (0,8) so với màng CTS (0,53). Điều này có thể là do MCC trong màng CTS ở tỷ lệ 1% có thể làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc hơn so với các tỷ lệ 0,5 và 2,5%. Dẫn đến mức độ hấp thụ các chất khí phát sinh trong quá trình bảo quản thực phẩm được cải thiện. Bảng 4. Hệ số tương quan giữa hàm lượng TVB-N và tổng khác biệt màu sắc ∆𝛦 tại các khoảng thời gian ở 25oC và 4oC Mẫu STT Nhiệt độ (oC) 0 0,5 1 2,5 1 25 0,99 0,48 0,98 0,55 2 4 0,53 0,66 0,8 0,41 4. Kết luận Nghiên này đã tổng hợp thành công màng CTS có sự phối trộn với MCC ở tỷ lệ thấp và cho thấy mức độ cải thiện về độ bền cơ học cũng như ứng dụng theo dõi độ tươi của thực phẩm thông qua sự thay đổi màu sắc của chất chỉ thị ACNs tại giá trị pH từ 7 đến 11. 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 http://jst.tnu.edu.vn 80 Email: jst@tnu.edu.vn
TNU Journal of Science and Technology 230(01): 73 - 82 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. Qua đó một lần nữa cho thấy MCC có khả năng cải thiện giữa mức độ thay đổi màu sắc của ACN có trong màng, giúp cho quá trình theo dõi diễn ra thuận lợi hơn cũng như gia tăng khả năng phân huỷ màng CTS trong đất. TÀI LIỆU THAM KHẢO/ REFERENCES [1] H.-Z. Chen, M. Zhang, B. Bhandari, and Z. Guo, “Applicability of a colorimetric indicator label for monitoring freshness of fresh-cut green bell pepper,” Postharvest Biology and Technology, vol. 140, pp. 85-92, 2018. [2] K. Chayavanich, P. Thiraphibundet, and A. Imyim, “Biocompatible film sensors containing red radish extract for meat spoilage observation,” Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, vol. 226, 2020, Art. no. 177601. [3] H. Dong, Z. Ling, X. Zhang, X. Zhang, S. Ramaswamy, and F. Xu, “Smart colorimetric sensing films with high mechanical strength and hydrophobic properties for visual monitoring of shrimp and pork freshness,” Sensors and Actuators, B: Chemical, vol. 309, 2020, Art. no. 127752. [4] W. Wang, M. Li, H. Li, X. Liu, T. Guo, G. Zhang, and Y. Xiong, “A renewable intelligent colorimetric indicator based on polyaniline for detecting freshness of tilapia,” Packaging Technology and Science, vol. 31, no. 3, pp. 133-140, 2018. [5] X. Zhai, D. Lin, W. Li, and X. Yang, “Improved characterization of nanofibers from bacterial cellulose and its potential application in fresh-cut apples,” International Journal of Biological Macromolecules, vol. 149, pp. 178-186, 2020. [6] S. Mohammadalinejhad, H. Almasi, and M. Moradi, “Immobilization of Echium amoenum anthocyanins into bacterial cellulose film: A novel colorimetric pH indicator for freshness/spoilage monitoring of shrimp,” Food Control, vol. 113, 2020, Art. no. 107169. [7] W. Sun, Y. Liu, L. Jia, M. D. A. Saldaña, T. Dong, Y. Jin, and W. Sun, “A smart nanofibre sensor based on anthocyanin/poly-l-lactic acid for mutton freshness monitoring,” International Journal of Food Science & Technology, vol. 56, no. 1, pp. 342-351, 2021. [8] H. E. Khoo, A. Azlan, S. T. Tang, and S. M. Lim, “Anthocyanidins and anthocyanins: colored pigments as food, pharmaceutical ingredients, and the potential health benefits,” Food and Nutritrion Research, vol. 61, no. 1, 2017, doi: 10.1080/16546628.2017.1361779. [9] H. -Z. Chen, M. Zhang, B. Bhandari, and C.-H. Yang, “Novel pH-sensitive films containing curcumin and anthocyanins to monitor fish freshness,” Food Hydrocolloid, vol. 100, 2020, Art. no. 105438. [10] B. Kuswandi, Jayus, T. S. Larasati, A. Abdullah, and L. Y. Heng, “Real-Time Monitoring of Shrimp Spoilage Using On-Package Sticker Sensor Based on Natural Dye of Curcumin,” Food Analytical Methods, vol. 5, no. 4, pp. 881-889, 2012. [11] A. T. S. Semeano, D. F. Maffei, S. Palma, R. W. C. Li, B. D. G. M. Franco, A. C. A. Roque, and J. Gruber, “Tilapia fish microbial spoilage monitored by a single optical gas sensor,” Food Control, vol. 89, pp. 72-76, 2018. [12] X. Zhai, Z. Li, J. Shi, X. Huang, Z. Sun, D. Zhang, X. Zou, Y. Sun, J. Zhang, M. Holmes, Y. Gong, M. Povey, and S. Wang, “A colorimetric hydrogen sulfide sensor based on gellan gum-silver nanoparticles bionanocomposite for monitoring of meat spoilage in intelligent packaging,” Food Chemistry, vol. 290, pp. 135-143, 2019. [13] J. G. d. Oliveira Filho, M. R. V. Bertolo, M. Á. V. Rodrigues, C. A. Marangon, G. d. C. Silva, F. C. A. Odoni, and M. B. Egea, “Curcumin: A multifunctional molecule for the development of smart and active biodegradable polymer-based films,” Trends in Food Science & Technology, vol. 118, pp. 840-849, 2021. [14] D. Neves, P. B. Andrade, R. A. Videira, V. de Freitas, and L. Cruz, “Berry anthocyanin-based films in smart food packaging: A mini-review,” Food Hydrocolloid, vol. 133, 2022, Art. no. 107885. [15] A. Nopwinyuwong, S. Trevanich, and P. Suppakul, “Development of a novel colorimetric indicator label for monitoring freshness of intermediate-moisture dessert spoilage,” Talanta, vol. 81, no. 3, pp. 1126-1132, 2010. [16] S. Roy, R. Priyadarshi, P. Ezati, and J.-W. Rhim, “Curcumin and its uses in active and smart food packaging applications - a comprehensive review,” Food Chemistry, vol. 375, 2022, Art. no. 131885. http://jst.tnu.edu.vn 81 Email: jst@tnu.edu.vn
TNU Journal of Science and Technology 230(01): 73 - 82 [17] M. A. T. Phan, M. P. Bucknall, and J. Arcot, “Effects on intestinal cellular bioaccessibility of carotenoids and cellular biological activity as a consequence of co-ingestion of anthocyanin - and carotenoid-rich vegetables,” Food Chemistry, vol. 286, pp. 678-685, 2019. [18] A. Demirbas, B. A. Welt, and I. Ocsoy, “Biosynthesis of red cabbage extract directed Ag NPs and their effect on the loss of antioxidant activity,” Material Letter, vol. 179, pp. 20-23, 2016. [19] J. Yan, R. Cui, Y. Qin, L. Li, and M. Yuan, “A pH indicator film based on chitosan and butterfly pudding extract for monitoring fish freshness,” International Journal of Biological Macromolecules, vol. 177, pp. 328-336, 2021. [20] D. Liu, Z. Cui, M. Shang, and Y. Zhong, “A colorimetric film based on polyvinyl alcohol/sodium carboxymethyl cellulose incorporated with red cabbage anthocyanin for monitoring pork freshness,” Food Packaging and Shelf Life, vol. 28, 2021, Art. no. 100641. [21] J. Liu, J. Huang, Y. Ying, L. Hu, and Y. Hu, “pH-sensitive and antibacterial films developed by incorporating anthocyanins extracted from purple potato or roselle into chitosan/polyvinyl alcohol/nano- ZnO matrix: Comparative study,” International Journal of Biological Macromolecules, vol. 178, pp. 104-112, 2021. [22] S. Rawdkuen, A. Faseha, S. Benjakul, and P. Kaewprachu, “Application of anthocyanin as a color indicator in gelatin films,” Food Bioscience, vol. 36, 2020, Art. no. 100603. [23] H. Yong and J. Liu, “Recent advances in the preparation, physical and functional properties, and applications of anthocyanins-based active and intelligent packaging films,” Food Packaging and Shelf Life, vol. 26, 2020, Art. no. 100550. [24] A. C. Sadiq, A. Olasupo, N. Y. Rahim, W. S. W. Ngah, M. A. K. M. Hanafiah, and F. B. M. Suah, “Fabrication and characterisation of novel chitosan-based polymer inclusion membranes and their application in environmental remediation,” International Journal of Biological Macromolecules, vol. 244, 2023, Art. no. 125400. [25] R. S. De Queiroz Antonino, B. R. Lia Fook, V. A. De Oliveira Lima, R. Í. De Farias Rached, E. P. Lima, R. J. Da Silva Lima, C. A. Peniche Covas, and M. V. Lia Fook, Preparation and Characterization of Chitosan Obtained from Shells of Shrimp (Litopenaeus vannamei Boone). Marine Drugs, vol. 15, no. 1, 2017. [26] T. Akter, J. Nayeem, A. Quadery, M. Razzaq, M. Uddin, M. Bashar, and M. Jahan, “Microcrystalline cellulose reinforced chitosan coating on kraft paper,” Cellulose Chemistry and Technology, vol. 54, pp. 95-102, 2020. [27] S. C. Chie and M. K. A. Wahab, “Preparation and characterization of micro- crystalline cellulose/ chitosan films,” IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, vol. 701, no. 1, 2019, Art. no. 012054. [28] E. Ozen, N. Yildirim, B. Dalkılıç, and M. Ergün, “Effects of microcrystalline cellulose on some performance properties of chitosan aerogels,” Maderas: Ciencia y Tecnologia, vol. 23, pp. 1-10, 2021. [29] S. C. Chie and M. K. A. Wahab, “Preparation and characterization of micro- crystalline cellulose/ chitosan films,” IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, vol. 701, no. 1, 2019, Art. no. 012054. [30] Z. Xiuju, S. Juncai, Y. Huajun, L. Zhidan, and T. Shaozao, “Mechanical Properties, Morphology, Thermal Performance, Crystallization Behavior, and Kinetics of PP/Microcrystal Cellulose Composites Compatibilized by Two Different Compatibilizers,” Journal of Thermoplastic Composite Materials, vol. 24, no. 6, pp. 735-754, 2011. http://jst.tnu.edu.vn 82 Email: jst@tnu.edu.vn