nghiên cứu chế tạo nhựa kháng khuẩn ứng dụng làm vật liệu đựng thực phẩm và thuốc chữa bệnh

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:95

Thêm vào BST

Báo xấu

45
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu ảnh hưởng của các tác nhân kháng khuẩn: anhydrit benzoic, nisin, zeolit bạc; thử nghiệm và bước đầu ứng dụng hộp đựng thực phẩm và lọ bảo quản dược phẩm. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: nghiên cứu chế tạo nhựa kháng khuẩn ứng dụng làm vật liệu đựng thực phẩm và thuốc chữa bệnh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ LIÊN PHƯƠNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NHỰA KHÁNG KHUẨN ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU ĐỰNG THỰC PHẨM VÀ THUỐC CHỮA BỆNH LUẬN ÁN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ LIÊN PHƯƠNG NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO NHỰA KHÁNG KHUẨN ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU ĐỰNG THỰC PHẨM VÀ THUỐC CHỮA BỆNH Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học LUẬN ÁN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. TS. Nguyễn Phạm Duy Linh 2. GS. TS. Nguyễn Văn Khôi HÀ NỘI - 2017
LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Học viên Nguyễn Thị Liên Phương
LỜI CẢM ƠN Trước hết tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình đối với thầy hướng dẫn TS. Nguyễn Phạm Duy Linh - Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tiếp nhận tôi vào thực tập, tận tình hướng dẫn, góp ý và động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp này. Tôi xin chân thành cảm ơn GS. TS. Nguyễn Văn Khôi, Viện Hóa học – Viện Hàn lâm KH&CN Việt Nam đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực tập, nghiên cứu và hoàn thiện luận văn này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô, các bạn đồng nghiệp đã chỉ bảo, góp ý, động viên ủng hộ tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận án này. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, người thân và bạn bè đã nhiệt tình giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài. Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, Ngày 10 tháng 9 năm 2017 Học viên Nguyễn Thị Liên Phương
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................3 LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................4 DANH MỤC HÌNH VẼ ..................................................................................................v DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................... vii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN ............................................................................................2 1.1. Vật liệu polyme và bao bì kháng khuẩn ...................................................................2 1.2. Phụ gia kháng khuẩn ................................................................................................ 4 1.3. Polyme sử dụng làm bao bì kháng khuẩn ............................................................... 14 1.3.1. Đặc tính kỹ thuật của màng bao gói kháng khuẩn ..........................................15 1.3.2. Phân loại bao bì kháng khuẩn .........................................................................21 1.3.2.1. Bổ sung túi chứa chất kháng khuẩn dễ bay hơi vào trong bao bì ............21 1.3.2.2. Kết hợp trực tiếp chất kháng khuẩn vào trong polyme ............................ 22 1.3.2.3. Phủ hoặc hấp phụ chất kháng khuẩn lên bề mặt polyme .........................24 1.3.2.4. Cố định chất kháng khuẩn lên các polyme bằng liên kết ion hoặc liên kết cộng hoá trị ...........................................................................................................25 1.3.2.5. Sử dụng những polyme có sẵn khả năng kháng khuẩn ............................ 26 1.4. Tình hình nghiên cứu về bao bì kháng khuẩn trong nước ......................................27 CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM .....................................................................................29 2.1. Hóa chất và thiết bị .................................................................................................29 2.1.1. Nguyên liệu và hóa chất ..................................................................................29 2.1.2. Dụng cụ và thiết bị ..........................................................................................30 2.2. Các phương pháp phân tích đánh giá .....................................................................30 2.2.1. Xác định tính chất cơ lý ..................................................................................30 2.2.2. Kính hiển vi điện tử quét (SEM) .....................................................................31 2.2.3. Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) .................................................................31 2.2.4. Phân tích nhiệt lượng quét vi sai (DSC) .........................................................31 2.2.5. Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX)............................................................... 31 2.2.6. Phương pháp xác định hoạt tính kháng khuẩn ................................................32 i
2.2.7. Nghiên cứu thời hạn kháng khuẩn ..................................................................32 2.2.8. Phương pháp chế tạo mẫu màng .....................................................................33 2.3. Phương pháp chế tạo mẫu và sản phẩm .................................................................33 2.3.1. Nghiên cứu lựa chọn tác nhân kháng khuẩn ...................................................33 2.3.1.1. Nghiên cứu chế tạo và khả năng kháng khuẩn của màng PE chứa anhydrit benzoic ....................................................................................................33 2.3.1.2. Nghiên cứu chế tạo và khả năng kháng khuẩn của màng PE chứa nisin .33 2.3.1.3. Nghiên cứu chế tạo và khả năng kháng khuẩn của màng PE chứa zeolit bạc .........................................................................................................................34 2.3.2. Quy trình công nghệ chế tạo hạt nhựa kháng khuẩn .......................................35 2.3.2.1. Nghiên cứu lựa chọn tổ hợp nhựa nền .....................................................35 2.3.2.2. Thông số công nghệ của quá trình chế tạo hạt nhựa kháng khuẩn ..........35 2.3.2.1. Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo hạt nhựa kháng khuẩn ......................35 2.3.4. Ứng dụng trong bảo quản thực phẩm và dược phẩm ......................................40 2.3.4.1. Trong bảo quản thực phẩm ......................................................................40 2.3.4.2. Trong bảo quản dược phẩm .....................................................................41 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................ 42 3.1. Nghiên cứu chế tạo vật liệu kháng khuẩn .............................................................. 42 3.1.1. Khả năng kháng khuẩn của màng PE chứa anhydrit benzoic .........................42 3.1.1.1. Hình thái học bề mặt (SEM) ....................................................................42 3.1.1.2. Tính chất cơ lý .........................................................................................42 3.1.1.3. Tính chất nhiệt .........................................................................................43 3.1.1.4. Khả năng kháng khuẩn ............................................................................44 3.1.1.5. Thời hạn kháng khuẩn .............................................................................46 3.1.2. Khả năng kháng khuẩn của màng PE chứa nisin ............................................46 3.1.2.1. Hình thái học bề mặt (SEM) ....................................................................46 3.1.2.2. Tính chất cơ lý .........................................................................................47 3.1.2.3. Tính chất nhiệt .........................................................................................47 3.1.2.4. Khả năng kháng khuẩn ............................................................................48 3.1.3. Khả năng kháng khuẩn của màng PE chứa zeolit bạc ....................................50 3.1.3.1. Nghiên cứu chế tạo Ag-zeolit ..................................................................50 3.1.3.2. Tính chất của các màng PE chứa Ag-zeolit .............................................52 ii
3.1.3.3. Khả năng kháng khuẩn ............................................................................55 3.1.3.4. Thời hạn kháng khuẩn .............................................................................58 3.2. Quy trình công nghệ chế tạo hạt nhựa kháng khuẩn ..............................................58 3.2.1. Xác lập công thức ............................................................................................ 59 3.2.2. Ảnh hưởng của thông số công nghệ ................................................................ 60 3.2.1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ trộn ..................................................................60 3.2.1.2. Ảnh hưởng của thời gian và tốc độ trộn ..................................................61 3.2.3. Tính chất sản phẩm hạt nhựa kháng khuẩn .....................................................61 3.2.4. Quy trình chế tạo hộp đựng thực phẩm và lọ đựng dược phẩm ......................63 3.3. Ứng dụng hộp (lọ) kháng khuẩn trong bảo quản thực phẩm và dược phẩm ..........65 3.3.1. Bảo quản thực phẩm ........................................................................................65 3.3.2. Bảo quản dược phẩm.......................................................................................67 KẾT LUẬN ...................................................................................................................69 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 70 PHỤ LỤC ......................................................................................................................80 iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DNA Deoxyribonucleic axit DSC Nhiệt lượng quét vi sai EDTA Etylendiamin tetraaxetic axit EPA Cơ quan bảo vệ môi trường của Mỹ ESEM Kính hiển vi điện tử quét môi trường EVA Etylen vinyl axetat HDPE Nhựa polyetylen tỷ trọng cao LDPE Nhựa polyetylen tỷ trọng thấp LLDPE Nhựa polyetylen tỷ trọng thấp mạch thẳng MFI Chỉ số chảy PA Polyamit PBAT Polybutyrate PE Polyetylen PEG Polyethylen glycol PP Polypropylen PS Polystyren PVDC Polyvinylidene chloride PVC Polyvinylclorua PVOH Poly(vinyl alcohol) SEM Hiển vi điện tử quét TGA Phân tích nhiệt trọng lượng iv
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. 1. Bảng pH hoạt động thích hợp của một số vi khuẩn ......................................6 Hình 1. 2. Cơ chế tiêu diệt vi khuẩn bệnh của axit hữu cơ ............................................7 Hình 1. 3. Cấu trúc của nisin ..........................................................................................8 Hình 1. 4. Cơ chế tạo lỗ trên màng tế bào vi khuẩn của nisin ......................................10 Hình 1. 5 Sự giải phóng ion bạc vào môi trường từ màng chứa zeolit bạc ..................13 Hình 1. 6. Cơ chế phá vỡ màng tế bào bằng phản ứng oxy hóa ...................................14 Hình 1. 7. Ảnh hiển vi điện tử của PBAT với hàm lượng nisin IU/cm2. Hố và lỗ xốp có thể được quan sát qua những điểm đen ........................................................................21 Hình 2.1. Mẫu vật liệu đo độ bền kéo………………………………………………. 31 Hình 2. 3 Sơ đồ thiết bị tạo hạt ......................................................................................36 Hình 2. 2 Sơ đồ quy trình công nghệ chế tạo hạt nhựa kháng khuẩn ............................ 36 Hình 2. 4 Sơ đồ chế tạo hộp đựng thực phẩm ............................................................... 38 Hình 2. 5 Quy trình chế tạo thân lọ vào nút trong .........................................................40 Hình 3. 1. Ảnh SEM của các màng PE không và có anhydrit benzoic…………… 42 Hình 3. 2 Khả năng kháng khuẩn của màng PE chứa anhydrit benzoic với các chủng vi sinh vật kiểm định..........................................................................................................45 Hình 3. 3 Ảnh SEM của mẫu màng PE không và có chứa nisin ...................................47 Hình 3. 4 Khả năng kháng khuẩn của màng PE chứa nisin với các chủng vi sinh vật kiểm định .......................................................................................................................49 Hình 3. 5 Ảnh hưởng của ở các nồng độ dung dịch AgNO3 khác nhau đến hàm lượng bạc zeolit ............................................................................................................................... 51 Hình 3. 6 Ảnh SEM của zeolit ban đầu và zeolit đã trao đổi bạc.................................52 Hình 3. 7 Giản đồ nhiệt lượng quét vi sai (DSC) ..........................................................53 v
Hình 3. 8 Ảnh SEM của các màng PE (a), PE-Z1 (b), PE-Z2 (c), PE-Z3 (d) ...............54 Hình 3. 9 Phổ EDX của mẫu PE-Z2 ..............................................................................55 Hình 3. 10 Khả năng kháng khuẩn của màng PE chứa zeolit bạc với các chủng vi sinh vật kiểm định .................................................................................................................57 Hình 3. 11 Ảnh SEM mặt cắt của các mẫu hạt nhựa kháng khuẩn ............................... 59 Hình 3. 12. Giản đồ TGA của mẫu hạt nhựa kháng khuẩn ...........................................62 vi
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1 Độ thấm oxy và thấm hơi nước của một số loại nhựa thường được dùng trong công nghiệp bao bì thực phẩm [55] .....................................................................15 Bảng 1. 2 Tính chất cơ lý của màng có và không có chất kháng khuẩn [55]................16 Bảng 1. 3 Độ thấm hơi nước (WVP) và tốc độ truyền hơi nước (WVTR) của màng polyme có và không có chất kháng khuẩn [55] ............................................................. 18 Bảng 1. 4 Độ thấm oxy (OP) và tốc độ truyền oxy (OTR) của màng polyme không và có chất kháng khuẩn [54] .............................................................................................. 19 Bảng 1. 5. Tính chất nhiệt của màng trước và sau khi kết hợp với phụ gia kháng khuẩn [54].................................................................................................................................20 Bảng 1. 6 Kháng khuẩn kết hợp trực tiếp với polyme được sử dụng trong bao bì [60] 22 Bảng 1. 7 Cố định chất kháng khuẩn lên polyme bằng liên kết ion và liên kết cộng hóa trị [60] ............................................................................................................................ 25 Bảng 1. 8 Nhóm chức trong polyme thường được sử dụng làm vật liệu bao gói thực phẩm [60] .......................................................................................................................26 Bảng 2. 1 Thành phần các chất trong mẫu màng chứa anhydrit benzoic…………33 Bảng 2. 2 Thành phần và kí hiệu mẫu màng chứa nisin ...............................................34 Bảng 2. 3 Thành phần các chất trong mẫu màng chứa zeolit bạc .................................35 Bảng 3.1 Tính chất cơ lý của màng polyetylen có và không có anhydrit benzoic ............ 43 Bảng 3.2 Tính chất nhiệt của màng polyetylen có và không có bổ sung anhydrit benzoic ...........................................................................................................................43 Bảng 3.3 Khả năng kháng khuẩn của các mẫu màng chứa anhydrit benzoic ...............44 Bảng 3.4 Đường kính vòng kháng khuẩn của mẫu màng chứa anhydrit benzoic sau quá trình oxy hóa nhiệt (mm) ............................................................................................... 46 vii
Bảng 3.5 Tính chất cơ lý của mẫu thử nghiệm .............................................................. 47 Bảng 3.6 Độ bền nhiệt của các mẫu màng ....................................................................48 Bảng 3.7 Khả năng kháng khuẩn của các mẫu màng chứa nisin ..................................48 Bảng 3.8 Hàm lượng bạc trên zeolit sau những khoảng thời gian tiếp xúc khác nhau .50 Bảng 3.9 Hàm lượng bạc của các mẫu zeolit có kích thước khác nhau ........................50 Bảng 3.10 Tính chất cơ lý của màng polyetylen có và không có bổ sung zeolit bạc....52 Bảng 3.11 Tính chất nhiệt của màng polyetylen có và không có bổ sung zeolit bạc....53 Bảng 3. 12 Khả năng kháng khuẩn của các mẫu màng chứa zeolit bạc ........................55 Bảng 3. 13 Đường kính vòng kháng khuẩn của mẫu màng chứa zeolit bạc sau quá trình lão hóa nhiệt (mm) .........................................................................................................58 Bảng 3.14 Đơn phối liệu (phần khối lượng) cho quá trình trộn hợp tạo hạt nhựa kháng khuẩn ............................................................................................................................. 59 Bảng 3.15 Ảnh hưởng của nhiệt độ gia công đến cơ lý của vật liệu ............................. 60 Bảng 3.16 Ảnh hưởng của thời gian và tốc độ trộn đến tính chất cơ lý ........................61 Bảng 3.17 Thông số công nghệ quá trình trộn cắt hạt nhựa ..........................................61 Bảng 3.18 Thông số kỹ thuật của hạt nhựa kháng khuẩn ..............................................62 Bảng 3. 19 Khả năng kháng khuẩn của mẫu hạt nhựa kháng khuẩn ............................. 63 Bảng 3. 20 Các thông số cơ bản của hộp đựng thực phẩm từ nhựa kháng khuẩn ........63 Bảng 3. 21 Đơn phối liệu chế tạo hộp đựng thực phẩm ................................................64 Bảng 3. 22 Các thông số cơ bản của lọ đựng dược phẩm từ nhựa kháng khuẩn ..........64 Bảng 3. 23 Đơn phối liệu chế tạo lọ bảo quản dược phẩm ...........................................65 viii
MỞ ĐẦU Bao bì kháng khuẩn là một loại bao gói chủ động, được thiết kế để phóng thích tác nhân kháng khuẩn ức chế sự phát triển của vi sinh. Việc lựa chọn vật liệu và phương pháp đưa chất kháng khuẩn vào vật liệu cần được xem xét tùy theo đặc tính của hệ thống bao gói, vật liệu được bao gói và điều kiện gia công chế tạo. Hiện nay, nhu cầu trong nước về bao bì cho các sản phẩm thực phẩm, dược phẩm có nhiều tiềm năng. Tuy nhiên vẫn còn thiếu những nghiên cứu hệ thống. Đó là cơ sở thực tiễn và khoa học của đề tài “Nghiên cứu chế tạo nhựa kháng khuẩn ứng dụng làm vật liệu đựng thực phẩm và thuốc chữa bệnh”. * Mục tiêu của luận văn: Chế tạo được nhựa kháng khuẩn dùng làm bao bì bảo quản thực phẩm và dược phẩm. * Nội dung nghiên cứu: - Nghiên cứu ảnh hưởng của các tác nhân kháng khuẩn: anhydrit benzoic, nisin, zeolit bạc. - Thử nghiệm và bước đầu ứng dụng hộp đựng thực phẩm và lọ bảo quản dược phẩm. 1
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN 1.1. Vật liệu polyme và bao bì kháng khuẩn Polyme kháng khuẩn, hay còn gọi là chất diệt khuẩn polyme, là một loại polyme có hoạt tính kháng khuẩn hay khả năng ức chế sự phát triển của vi sinh vật như vi khuẩn, nấm, sinh vật đơn bào. Các polyme này được thiết kế để bắt chước các peptit kháng khuẩn được sử dụng bởi các hệ miễn dịch của cơ thể sống nhằm giết chết vi khuẩn. Thông thường, polyme kháng khuẩn được tạo ra bằng cách gắn hoặc chèn tác nhân kháng khuẩn hoạt tính lên mạch chính polyme qua liên kết ankyl hoặc axetyl. Polyme kháng khuẩn có thể tăng cường hiệu quả và độ chọn lọc của các tác nhân kháng khuẩn thường được sử dụng trong khi vẫn làm giảm những nguy cơ môi trường đi kèm do polyme kháng khuẩn thường không bay hơi và bền hóa học. Điều này khiến cho vật liệu trở thành sự lựa chọn hàng đầu để sử dụng trong các lĩnh vực y tế như một phương tiện để chống nhiễm trùng, trong công nghiệp thực phẩm để chống nhiễm khuẩn và trong vệ sinh môi trường nước để ức chế sự phát triển của vi sinh vật trong nước uống. Tác nhân kháng khuẩn giết chết tế bào theo những cách khác nhau tùy thuộc vào loại vi khuẩn. Hầu hết các chất sát trùng và thuốc khử trùng giết chết vi khuẩn ngay khi tiếp xúc bằng cách phá vỡ tế bào vi khuẩn hoặc làm thiếu hụt nguồn thực ăn của vi khuẩn, ngăn quá trình tái sinh vi khuẩn. Polyme kháng khuẩn thường giết vi khuẩn theo cách thứ nhất, qua một loạt các bước, trước tiên là quá trình hấp phụ của polyme lên thành tế bào vi khuẩn. Hầu hết bề mặt vi khuẩn đều tích điện âm, bởi vậy quá trình hấp phụ các cation polyme tỏ ra hiệu quả hơn so với các anion polyme. Tác nhân kháng khuẩn sau đó phải khuếch tán qua thành tế bào và hấp phụ lên màng tế bào chất. Các tác nhân kháng khuẩn phân tử nhỏ tốt hơn ở giai đoạn khuếch tán do chúng có khối lượng phân tử thấp trong khi quá trình hấp phụ của các polyme kháng khuẩn thường tốt hơn. Sự phá vỡ màng tế bào chất và sau cùng là giải phóng các thành phần tế bào chất làm chết tế bào. Đóng hộp (packing) là đóng sản phẩm trong một vật chứa (có thể là túi, hộp, bao, khay, chai…được gọi là bao bì), quá trình này thường được gọi chung là bao gói, mô tả 4 chức năng cơ bản của bao gói thực phẩm là chứa đựng, bảo vệ, tiện lợi và thông tin [1]. Bao bì kháng khuẩn là một loại bao gói chủ động trong đó bao gói được thiết kế để phóng thích tác nhân kháng khuẩn nhằm ức chế sự phát triển của vi sinh vật 2
bên trong bao gói. Loại bao gói này trái ngược với việc đưa hóa chất bảo quản trực tiếp vào thực phẩm, khi đó dư lượng các phụ gia tổng hợp này lại là mối quan ngại. Đối với người tiêu dùng, tác nhân kháng khuẩn được kết hợp gián tiếp vào trong bao gói và sau đó phóng thích vào sản phẩm thực phẩm dường như an toàn hơn. Hơn nữa, người tiêu dùng có xu hướng chấp nhận các sản phẩm chứa các hợp chất nguồn gốc tự nhiên hơn là các sản phẩm chứa tác nhân tổng hợp [2]. Nhiều nghiên cứu về bao bì kháng khuẩn đã được tiến hành, đặc biệt trong 10 năm trở lại đây [3]. Tác nhân kháng khuẩn thường được kết hợp vào nền polyme hoặc phủ lên màng polyme trong đó lớp kháng khuẩn tiếp xúc trực tiếp với thực phẩm được bao gói. Màng kháng khuẩn cũng được sản xuất dưới dạng cấu trúc đa lớp trong đó một lớp màng polyme bổ sung được cán mỏng trên lớp hoạt động. Sự phóng thích chất kháng khuẩn được kiểm soát bởi lớp màng bổ sung này. Nhà sản xuất có thể lựa chọn một vật liệu có khả năng thu nhận cao để tạo lớp kháng khuẩn và một vật liệu khác có tính chất che chắn tối ưu làm lớp kiểm soát. Trong công nghiệp dược, các copolyme polyacrylat gần đây cũng được đưa vào để sản xuất thuốc dạng viên nang. Các polyme này có khả năng thu nhận tốt để kiểm soát quá trình nhả thuốc và thậm chí có khả năng nhả thuốc hướng đích trong hệ tiêu hóa cơ thể người [4,5]. Trong công nghiệp bao bì, polyacrylate cũng được sử dụng làm chất kết dính để cán mỏng polyamit đùn cùng với polyetylen (PE), là một loại màng cán thường được sử dụng trong bao gói chân không cho thực phẩm [6]. Bởi vậy, việc nghiên cứu khả năng sử dụng polyme này làm chất mang tác nhân kháng khuẩn tự nhiên trong cấu trúc của màng bao gói kháng khuẩn nhả chậm là một chủ đề thú vị. Khả năng kéo dài hạn sử dụng của thực phẩm bằng các chất bảo quản tự nhiên và tổng hợp là một bước phát triển lớn trong quá trình bảo quản nhiều sản phẩm thực phẩm. Tuy nhiên, tính an toàn của các tác nhân bảo quản tổng hợp đặt ra những thách thức liên quan đến những phản ứng phụ có thể của các chất này đối với cơ thể người [7]. Gần đây, việc sử dụng các tác nhân kháng khuẩn nguồn gốc tự nhiên đã trở thành trào lưu. Nó có thể là các hợp chất có nguồn gốc động vật, thực vật hay vi khuẩn [8]. Dịch chiết kháng khuẩn từ các loại gia vị và tinh dầu của chúng cũng có tiềm năng ứng dụng lớn nhất trong thực phẩm. Ví dụ, allium trong hành và tỏi là phù hợp nhất để đưa vào một số loại thực phẩm Ấn Độ [9]. Linalool thu được từ cây húng quế cũng được 3
chấp nhận để đưa đưa vào một số thực phẩm Thái Lan [10]. Thymol và carvacrol từ oregano phù hợp để sử dụng trong pizza [11,12]. 1.2. Phụ gia kháng khuẩn Nhiều loại phụ gia kháng khuẩn có thể được sử dụng để kéo dài hạn sử dụng của sản phẩm. Trong số đó, một số được áp dụng chủ yếu để kiểm soát vi khuẩn đường ruột, số còn lại thực hiện chức năng kép hoặc đa chức năng [13]. Một số nhóm phụ gia kháng khuẩn thường được sử dụng để bảo quản thực phẩm là các axit hữu cơ (benzoic, sorbic, propionic), chất diệt khuẩn (nisin, paraben), chất kháng khuẩn tự nhiên (lactoferrin) và các ion kim loại (ion Ag, Zn). Mỗi loại được nghiên cứu riêng về khả năng sử dụng làm phụ gia kháng khuẩn trong các bao bì kháng khuẩn. a. Axit hữu cơ Hầu hết các axit hữu cơ được phép có trong thực phẩm thường được áp dụng dưới dạng chất tạo vị chua (như axit axetic và axit lactic) trong khi dạng muối của chúng được sử dụng làm chất bảo quản (như kali sortbat và natri banzoat). Hiệu quả kháng khuẩn của các axit hữu cơ này tỷ lệ với lượng chất ở dạng không phân ly của axit hữu cơ, tức là tỷ lệ với pH của môi trường và pKa của axit [14]. Các axit hữu cơ không phân ly có thể đi qua màng tế bào, phân ly bên trong tế bào chất và tác động tới các quá trình trao đổi chất trong tế bào vi khuẩn. Hoạt tính kháng khuẩn của các axit này có thể là do axit hóa tế bào chất và hiệu ứng kháng khuẩn của các phần tử anionic đặc biệt [14]. Axit sorbic là một α, β – axit monocacboxylic không no mạch thẳng và được xem là chất bảo quản an toàn. Hàm lượng thường được sử dụng trong thực phẩm từ 0.02 đến 0.3% [15]. Kali sorbat là muối của của axit sorbic hay được sử dụng và có độ tan lớn trong nước. Axit sorbic làm thay đổi hình thái và ngoại quan của tế bào vi khuẩn. Hoạt tính kháng khuẩn của nó thường được tăng cường ở nhiệt độ thấp. Axit benzoic có tác dụng chủ yếu như một chất ức chế nấm mốc và nấm men hơn nữa nó cũng có thể ức chế Listeria monocytogenes. Natri benzoat là chất bảo quản hóa học đầu tiên được phép có trong thực phẩm theo quy định của FDA. Cả axit benzoic và natri benzoat đều là những chất bảo quản thường được coi là an toàn. Hoạt tính 4
kháng khuẩn của benzoat tỷ lệ với pH. Nó hiệu quả nhất ở dạng không phân ly với 60% hợp chất không phân ly ở pH 4. Axit benzoic làm giảm pH nội bào và làm thay đổi hình thái và ngoại quan tế bào vi khuẩn. Axit benzoic cũng có thể làm thay đổi chức năng của màng tế bào nhờ tạo ra các lỗ gây trở ngại tới sự hấp thu chất nền và vận chuyển điện tử. Natri benzoat kết hợp với axit hữu cơ tỏ ra hiệu quả trong việc làm giảm mật độ vi khuẩn của thịt gà sống. Hwang và Bechaut [16] thấy rằng thịt gà sống được chủng ngừa với Listeria monocytogenes, salmonella, Campylobacter jejuni, Staphylococcus aureus và Escherichia coli O157: H7 giảm mật độ 1,0 log khi được nhúng vào dung dịch natri benzoat 0,05% / axit lactic 0,5% (pH 2,64) trong 30 phút. Han và Floros đã kết hợp 1% w/w kali sorbat vào LDPE (dày 0,4 mm), kết quả cho thấy kali sorbat giảm tốc độ tăng trưởng và phát triển tối đa của nấm men, và kéo dài thời gian tiềm phát của nấm mốc một cách rõ ràng. Kali sorbat có hoạt tính chống nấm men, nấm mốc và nhiều vi khuẩn [17]. Weng và các cộng sự [18] đã chế tạo màng kháng khuẩn (dày 0,008-0,010 mm) từ copolyme của PE và axit metacrylic bổ sung axit benzoic (75 mg/g màng) hoặc axit sorbic (55 mg/g màng). Kết quả cho thấy hai màng kháng khuẩn này tỏ ra hiệu quả trong việc ức chế quá trình phát triển của nấm. Màng chitosan chứa các chất kháng khuẩn với trọng lượng phân tử lớn hơn axit axetic đủ mềm để sử dụng làm màng đa lớp hoặc làm lớp phủ. Khi màng chitosan tiếp xúc trực tiếp với các loại thịt chế biến, axit axetic sẽ khuếch tán ra môi trường nhưng không nhanh như axit propionic [19], mặc dù trong môi trường nước, axit axetic khuếch tán ra khỏi chitosan nhanh hơn axit propionic [20]. Những kết quả này cho thấy rằng việc khuếch tán các axit hữu cơ từ chitosan là một hiện tượng phức tạp có liên quan đến nhiều yếu tố như tương tác tĩnh điện, thẩm thấu ion, và thay đổi cấu trúc trong polyme gây ra bởi sự hiện diện của các axit. Theo Weng và Hotchkiss [21] anhydrit tương thích với polyethylene hơn là axit tự do tương ứng hay muối của nó do sự phân cực thấp hơn và trọng lượng phân tử cao hơn. Do đó, các anhydrit có thể sử dụng như một chất phụ gia cho bao bì thực phẩm (LDPE). Màng được ngâm tẩm với anhydrit benzoic làm ức chế hoàn toàn sự tăng trưởng của Rhizopus stolonifer, các nhóm Penicillium và Aspergillus toxicarius trong môi trường dịch đường khoai tây (PDA). Tương tự như vậy, màng LDPE có chứa anhydrit benzoic kìm hãm sự phát 5
triển của nấm mốc trên pho mát. Màng (PE) (dày 0,010-0,015 mm) chứa anhydrit benzoic (20 mg anhydrit benzoic/g PE) có hiệu quả trong việc kiểm soát sự tăng trưởng của vi sinh vật trong phi lê cá rô phi bảo quản ở 4°C trong 14 ngày [22]. Nghiên cứu thời hạn sử dụng của pho mát đóng gói và bánh mì nướng đã chứng minh hiệu quả của màng LDPE chứa anhydrit benzoic trong việc ức chế sự phát triển của nấm mốc trên bề mặt thực phẩm khi bảo quản ở 6°C [23]. Trong số các anhydrit sử dụng trong bao bì thực phẩm, để ức chế nấm mốc phát triển, màng PE (dày 0,10-0,12- mm) chứa anhydrit sorbic (10 mg anhydrit sorbic/g PE) cho hiệu quả tốt nhất. Điều này là do thời gian cần thiết để PE giải phóng axit sorbic đến một nồng độ đủ để ức chế sự phát triển của vi sinh vật là khác nhau. Cơ chế kháng khuẩn của axit hữu cơ bổ sung vào vật liệu được giải thích như sau: Trong môi trường tồn tại các nhóm vi khuẩn có ích và vi khuẩn bệnh, số lượng các nhóm này được duy trì ở trạng thái cân bằng (eubiosis); do những nguyên nhân nào đó, số lượng vi khuẩn bệnh tăng lên, trạng thái cân bằng bị phá vỡ (dysbiosis). Nhóm vi khuẩn có ích thường là những vi khuẩn lên men sinh axit lactic như Lactobacillus, Bifidobacterium, Streptococcus…. Nhóm vi khuẩn bệnh thường là E.coli, Samonella, Clostridium perfringens, Staphilococcus aurius… Vi khuẩn có ích sống trong môi trường pH thấp hơn vi khuẩn bệnh. Ví dụ: pH thích hợp cho nhóm vi khuẩn lên men sinh axit lactic là 2 - 3, còn pH cho vi khuẩn bệnh như E.coli là ≥ 4; Sanmonella là ≥ 3,5; C.perfringens là ≥ 6 (hình 1.1). Hình 1. 1. Bảng pH hoạt động thích hợp của một số vi khuẩn Như vậy bổ sung axit hữu cơ để đưa pH dịch tiêu hóa xuống < 3,5 thì sẽ ức chế những vi khuẩn bệnh và tạo điều kiện cho vi khuẩn có ích hoạt động. Axit đi vào tế bào vi khuẩn, ở đây (pH = 7) axit phân ly cho ra H+, pH bên trong tế bào giảm, vi khuẩn phải sử dụng cơ chế bơm ATPase để đẩy H+ ra khỏi tế bào, vi khuẩn bị mất 6
năng lượng. Mặt khác pH giảm thì cũng ức chế quá trình đường phân (glycolysis), tế bào vi khuẩn bị mất nguồn cung cấp năng lượng. Khi phân ly trong tế bào, anion của axit không ra khỏi được tế bào, gây rối loạn thẩm thấu. Những nguyên nhân này làm cho vi khuẩn bị chết. Hình 1. 2. Cơ chế tiêu diệt vi khuẩn bệnh của axit hữu cơ b. Chất diệt khuẩn Chất diệt khuẩn là các hợp chất kháng khuẩn bao gồm một thành phần peptit hoặc protein thiết yếu cho hoạt tính của chúng. Trừ nisin thì hầu hết các chất diệt khuẩn đều có phổ ức chế rất hẹp và chỉ ức chế các phần tử có mối liên hệ gần gũi. Nisin có phổ ức chế rộng đối với vi khuẩn Gram dương. Chất diệt khuẩn sinh học có hoạt tính kháng các vi sinh vật cạnh tranh trong cùng ổ sinh thái và thường kháng cùng loài (phổ hẹp) hoặc qua chi (phổ rộng). Chất diệt khuẩn sinh học được tổng hợp khi vi khuẩn gặp các điều kiện ức chế - tác động của môi trường sống, cạnh tranh về nguồn dinh dưỡng, không gian sống… Chất diệt khuẩn sinh học có bản chất là peptit kháng khuẩn sinh ra bởi vi khuẩn để chống lại vi khuẩn khác. Như vậy, loại vi khuẩn tạo ra loại chất diệt khuẩn sinh học nào thì có khả năng kháng lại chính chất diệt khuẩn sinh học đó (các tế bào sản xuất thì miễn dịch với hoạt tính chất diệt khuẩn sinh học). Các chất diệt khuẩn sinh học có hoạt tính kháng khuẩn cao thậm chí ở nồng độ rất thấp. Hiệu quả kháng khuẩn của chất diệt khuẩn sinh học với tế bào vi khuẩn mẫn cảm không phụ thuộc vào số lượng axit amin có trong phân tử. Đặc tính diệt khuẩn cao hơn ở pH thấp, tương đối bền ở nhiệt độ cao và không bị ảnh hưởng bởi các dung môi hữu cơ. Các anion ở nồng độ 7
cao có thể làm giảm hiệu quả diệt khuẩn của một số chất diệt khuẩn sinh học tích điện dương nhờ sự loại bỏ cạnh tranh. Các enzym thủy phân protein tích điện âm có thể thủy phân các peptit này, từ đó dẫn đến sự mất hoạt tính. Do có bản chất protein nên chất diệt khuẩn sinh học không gây tác dụng phụ, không gây phản ứng dị thể trong cơ thể người và các vấn đề sức khỏe do bị phân cắt nhanh chóng bởi protease, lipase,…trong đường tiêu hóa. Chất diệt khuẩn sinh học có thể được phân loại theo đặc điểm cấu trúc hoặc khối lượng phân tử, phổ kháng khuẩn, sinh vật sản xuất... [24, 25]. Chất diệt khuẩn sinh học được chia thành hai nhóm: nhóm sinh ra từ vi khuẩn Gram âm và nhóm sinh ra từ vi khuẩn Gram dương. Chất diệt khuẩn sinh học của vi khuẩn Gram dương phong phú và đa dạng hơn ở vi khuẩn Gram âm. Các chất diệt khuẩn sinh học tạo ra từ vi khuẩn Gram âm là những protein kích thước lớn được phân thành 3 nhóm: nhóm 1 - cholicin kích thước lớn (25-80 kDa), nhóm 2 – các microcin kích thước nhỏ hơn (