Tải bản đầy đủ

Nghiên cứu tạo chế phẩm chitosan – nano bạc ứng dụng trong bảo quản quả sau thu hoạch

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận án này là công trình của riêng tôi. Các số liệu công bố
trong luận án này là trung thực, một phần đã được công bố trên các tạp chí khoa học
với sự đồng ý của đồng tác giả, phần còn lại chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nghiên cứu nào. Tất cả các tham khảo và kế thừa đều được trích dẫn và
tham chiếu đầy đủ.
Tập thể hướng dẫn

Hà Nội, ngày tháng năm 2019
Tác giả luận án

PGS. TS. Hồ Phú Hà GS.TS. Ngô Xuân Bình

i

Lương Hùng Tiến


LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian thực hiện công trình nghiên cứu này, tôi đã nhận được nhiều

giúp đỡ và hỗ trợ của các thầy cô, đồng nghiệp, các cơ quan, bạn bè, các em sinh
viên và người thân trong gia đình.
Trước hết, tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. Hồ Phú Hà, người đã trực tiếp
hướng dẫn và định hướng cho tôi thực hiện công trình nghiên cứu này. Cô là người
đã luôn bên cạnh động viên, truyền đạt những kiến thức quý báu cũng như tạo mọi
điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình nghiên cứu.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến GS. TS. Ngô Xuân Bình, người
đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo tôi trong suốt quá trình làm luận án.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới PGS. TS. Mai Anh Tuấn, người đã tận tình
hướng dẫn chỉ bảo tôi về lĩnh vực công nghệ vật liệu nano thực hiện trong luận án.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô Viện Công nghệ Sinh học
và Công nghệ Thực phẩm, trường Đại học Bách khoa Hà Nội; đặc biệt là các thầy
cô bộ môn Công nghệ Thực phẩm đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ tôi trong quá trình
làm luận án.
Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các cán bộ, anh chị em đồng nghiệp bộ
môn Công nghệ Thực phầm, trường Đại học Nông lâm Thái Nguyên đã giúp tôi
thực hiện các nghiên cứu của mình.
Xin cảm ơn các em sinh viên ngành Công nghệ Thực phẩm, trường Đại học
Nông Lâm Thái Nguyên và các em sinh viên Viện Công nghệ Sinh học và Công
nghệ Thực phẩm đã giúp đỡ và hỗ trợ tôi trong quá trình làm luận án.
Lời cuối cùng tôi dành cho các thành viên trong gia đình, các anh em bạn bè
thân thiết đặc biệt là vợ và các con đã luôn tạo mọi điều kiện tốt nhất, động viên và
cổ vũ tôi rất nhiều trong suốt quá trình làm luận án. Gia đình là động lực, tiếp thêm
sức mạnh để tôi có thể vượt qua những khó khăn, vất vả để hoàn thành luận án tiến
sĩ này.

ii


MỤC LỤC
Trang

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT …………………………...viii
DANH MỤC CÁC BẢNG ………….……………………………………………....x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ………….………………………………xii
MỞ ĐẦU ………….…………………………………………………………………1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ..................................................................................
1.1
Đặc điểm của chitosan .......................
1.1.1
Chitosan ..............................................
1.1.2
Sản xuất chitosan ...............................
1.1.2.1
Các phương pháp sản xuất chitos
1.1.2.2
Tình hình nghiên cứu quy trình sả
1.1.3
Các tính chất của chitosan ..................
1.1.3.1
Tính chất vật lý của chitosan ......
1.1.3.2
Tính chất hóa học của chitosan ..
1.1.3.3
Tính chất sinh học của chitosan ..
1.1.4
Đặc tính kháng vi sinh vật của chitosa
1.1.4.1
Khả năng kháng vi sinh vật của c
1.1.4.2
Các yếu tố ảnh hưởng đến khả nă
1.1.4.3
Cơ chế kháng vi sinh vật của chit
1.1.5
Ứng dụng của chitosan trong bảo quản
1.2
Tổng quan về nano bạc ......................
1.2.1
Giới thiệu về công nghệ nano ............
1.2.1.1
Vật liệu nano .............................
1.2.1.2
Phân loại vật liệu nano ...............
1.2.1.3
Cơ sở khoa học của công nghệ n
1.2.2
Tính chất lý học của hạt nano bạc ....
1.2.2.1
Tính chất quang .........................
1.2.2.2
Tính chất điện và nhiệt ...............
1.2.2.3
Hiệu ứng bề mặt .........................
1.2.3
Tổng hợp hạt nano bạc ......................
1.2.4
Đặc tính kháng vi sinh vật của nano b
1.2.4.1
Khả năng kháng vi sinh vật của n
1.2.4.2
Các yếu tố ảnh hưởng đến khả n
1.2.4.3
Cơ chế kháng vi sinh vật của nan
1.2.5
Ứng dụng của nano bạc trong bảo quả
iii


1.3
Ứng dụng của nano bạc kết hợp với các loại màng và màng chitosan trong
bảo quản thực phẩm.......................................................................................................................... 20
1.3.1
Ứng dụng của nano bạc kết hợp với màng polyme không phân huỷ sinh
học ……................................................................................................................................................ 20
1.3.2
Ứng dụng của nano bạc kết hợp với màng polyme phân huỷ sinh học.......21
1.3.3
Ứng dụng của nano bạc kết hợp với màng chitosan trong bảo quản thực
phẩm….................................................................................................................................................. 22
1.3.4
Sự giải phóng nano bạc từ màng bao vào thực phẩm......................................... 23
1.4
Giới thiệu một số loại quả sử dụng trong nghiên cứu và phương pháp bảo
quản quả tại Việt Nam...................................................................................................................... 24
1.4.1
Tình hình sản xuất và xuất khẩu quả tại Việt Nam.............................................. 24
1.4.1.1
Giới thiệu chung về các loại quả sử dụng trong nghiên cứu..................24
1.4.1.2
Những biến đổi của quả sau thu hoạch........................................................... 25
1.4.1.3
Các bệnh của quả sau khi thu hoạch................................................................ 27
1.4.2
Một số phương pháp bảo quản quả sau thu hoạch............................................... 27
1.4.2.1
Công nghệ bảo quản bằng phương pháp xử lý nhiệt................................. 28
1.4.2.2
Công nghệ bảo quản trong môi trường thay đổi thành phần khí
quyển………........................................................................................................................................ 28
1.4.2.3
Công nghệ bảo quản bằng hóa chất................................................................. 29
CHƯƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU...........................32
2.1
Vật liệu nghiên cứu......................................................................................................... 32
2.1.1
Phế liệu tôm........................................................................................................................ 32
2.1.2
Vi sinh vật........................................................................................................................... 32
2.1.3
Các loại quả sử dụng trong nghiên cứu................................................................... 32
2.1.4
Nguyên vật liệu khác...................................................................................................... 33
2.1.4.1
Hóa chất...................................................................................................................... 33
2.1.4.2
Môi trường................................................................................................................. 33
2.1.5
Thiết bị nghiên cứu.......................................................................................................... 33
2.2
Phương pháp nghiên cứu............................................................................................... 33
2.2.1
Nội dung và phương pháp thực nghiệm.................................................................. 33
2.2.1.1
Phương pháp tạo chế phẩm Chitin và chitosan............................................ 33
2.2.1.2
Phương pháp tinh sạch chitosan........................................................................ 35
2.2.1.3
Phương pháp tạo nano bạc................................................................................... 36
2.2.1.4
Phương pháp xác định khả năng kháng vi sinh vật của chế phẩm
chitosan……........................................................................................................................................ 38
2.2.1.5
Phương pháp xác định hoạt tính kháng vi sinh vật của nano bạc.........40
2.2.1.6
Phương pháp xác định hoạt tính kháng vi sinh vật của chế phẩm
chitosan-nano bạc............................................................................................................................... 40
iv


2.2.1.7
Phương pháp ứng dụng chế phẩm chitosan – nano bạc trong bảo quản
vải thiều, cam và bưởi...................................................................................................................... 41
2.2.2
Phương pháp phân tích................................................................................................... 43
2.2.2.1
Xác định độ deacetyl của chitosan bằng phương pháp UV.................... 43
2.2.2.2
Xác định độ nhớt của chitosan........................................................................... 43
2.2.2.3
Xác định độ hòa tan của chế phẩm chitosan thô......................................... 44
2.2.2.4
Tỷ lệ hao hụt............................................................................................................. 44
2.2.2.5
Phân tích hàm lượng axit tổng số bằng phương pháp trung hòa...........44
2.2.2.6
Xác định màu của quả........................................................................................... 45
2.2.2.7
Xác định hàm lượng đường và chất khô hòa tan tổng số.........................45
2.2.2.8
Xác định lượng tồn dư nano bạc trong quả vải bằng phổ hấp thụ
nguyên tử AAS.................................................................................................................................... 46
2.2.2.9
Phương pháp xác định tro, protein................................................................... 46
2.2.2.10
Phương pháp xử lý thống kê............................................................................... 47
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN..................................................................... 48
3.1
Một số cải tiến trong quá trình sản xuất chitosan tinh khiết để làm nguyên
liệu cho chế tạo chế phẩm chitosan – nano bạc...................................................................... 48
3.1.1
Tạo chitin từ phế liệu tôm bằng phương pháp sinh học.................................... 48
3.1.2
Tạo chitosan có độ deacetyl hóa cao........................................................................ 49
3.1.2.1
Ảnh hưởng của thời gian và nhiệt độ đến độ deacetyl.............................. 49
3.1.2.2
Quá trình deacetyl 2 giai đoạn........................................................................... 50
3.1.3
Tinh sạch chitosan và ảnh hưởng của chế độ sấy đến tính chất của
chitosan…............................................................................................................................................. 52
3.1.4
Khả năng kháng vi sinh vật của chitosan................................................................ 54
3.1.4.1
Ảnh hưởng của pH đệm pha chitosan đến khả năng phát triển của vi
sinh vật……......................................................................................................................................... 55
3.1.4.2
Khả năng kháng vi khuẩn của chitosan.......................................................... 56
3.1.4.3
Khả năng kháng nấm men của chitosan......................................................... 58
3.1.4.4
Khả năng kháng nấm mốc của chitosan......................................................... 58
3.2
Một số cải tiến trong quá trình tổng hợp keo nano bạc làm nguyên liệu cho
chế tạo chế phẩm chitosan – nano bạc....................................................................................... 62
3.2.1
Ảnh hưởng của nhiệt độ đến đặc tính của dung dịch keo nano bạc..............62
3.2.2
Ảnh hưởng của tốc độ nhỏ dịch đến tính chất hạt nano bạc............................63
3.2.3
Một số đặc tính của hạt nano bạc............................................................................... 64
3.2.3.1
Hình ảnh dung dịch nano bạc............................................................................. 64
3.2.3.2
Phân tích hạt nano bạc bằng UV – vis............................................................ 64
3.2.3.3
Đặc điểm hạt nano bạc qua kính hiển vi điện tử quét (SEM) và kính
hiển vi điện tử truyền qua (TEM)................................................................................................ 65
3.2.4
Khả năng kháng vi sinh vật của dung dịch nano bạc.......................................... 66
v


3.2.4.1
Khả năng kháng vi khuẩn của nano bạc......................................................... 67
3.2.4.2
Khả năng kháng nấm men của nano bạc........................................................ 67
3.2.4.3
Khả năng kháng nấm mốc của nano bạc........................................................ 68
3.3
Tạo chế phẩm chitosan – nano bạc và xác định đặc tính của chế phẩm....70
3.3.1
Quy trình phối trộn.......................................................................................................... 70
3.3.2
Một số tính chất hóa lý của chế phẩm chitosan – nano bạc.............................70
3.3.3
Tính ổn định của chế phẩm chitosan – nano bạc................................................. 72
3.3.4
Khả năng kháng vi sinh vật in vitro của chế phẩm chitosan-nano bạc........72
3.3.4.1
Khả năng kháng vi khuẩn của chế phẩm chitosan-nano bạc..................73
3.3.4.2
Khả năng kháng nấm men của chế phẩm chitosan-nano bạc.................77
3.3.4.3
Khả năng kháng nấm mốc của chế phẩm chitosan-nano bạc.................79
3.4
Ứng dụng chế phẩm chitosan – nano bạc trong bảo quản quả vải thiều.....81
3.4.1
Ảnh hưởng của chế độ tiền xử lý đến quá trình bảo quản vải thiều..............82
3.4.2
Ảnh hưởng của nồng độ thành phần chế phẩm đến quá trình bảo quản vải
thiều……............................................................................................................................................... 85
3.4.2.1
Sự biến đổi các chỉ tiêu lý hóa của quả vải................................................... 86
3.4.2.2
Sự biến đổi tỷ lệ thối hỏng quả vải................................................................... 88
3.4.2.3
Sự biến đổi chỉ tiêu vi sinh vật trong quá trình bảo quản quả................89
3.4.3
Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường bảo quản..................................................... 90
3.4.3.1
Sự biến đổi các chỉ tiêu chất lượng của quả................................................. 90
3.4.3.2
Sự biến đổi tỷ lệ thối hỏng của quả.................................................................. 92
3.4.4
Tồn dư nano bạc trên vỏ quả vải................................................................................ 93
3.4.5
Quy trình bảo quản vải bằng chế phẩm chitosan – nano bạc..........................95
3.5
Ứng dụng chế phẩm chitosan – nano bạc trong bảo quản cam sành............95
3.5.1
Ảnh hưởng của chế độ tiền xử lý đến quá trình bảo quản cam sành............95
3.5.2
Ảnh hưởng của nồng độ thành phần chế phẩm..................................................... 98
3.5.2.1
Sự biến đổi các chỉ tiêu lý hóa của quả.......................................................... 98
3.5.2.2
Sự biến đổi tỷ lệ thối hỏng của quả............................................................... 100
3.5.2.3
Sự biến đổi chỉ tiêu vi sinh vật trong quá trình xử lý bằng chế
phẩm………...................................................................................................................................... 100
3.5.3
Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường bảo quản................................................... 101
3.5.3.1
Sự biến đổi các chỉ tiêu lý hóa của quả........................................................ 101
3.5.3.2
Sự biến đổi tỷ lệ thối hỏng quả....................................................................... 103
3.5.4
Quy trình bảo quản cam sành bằng chế phẩm chitosan – nano bạc...........104
3.6
Ứng dụng chế phẩm chitosan – nano bạc trong bảo quản quả bưởi Diễn104
3.6.1
Ảnh hưởng của chế độ tiền xử lý tới quá trình bảo quản quả bưởi............104
3.6.1.1
Sự biến đổi các chỉ tiêu lý hóa của quả bưởi Diễn.................................. 104
3.6.1.2
Sự biến đổi tỷ lệ thối hỏng quả....................................................................... 106
vi


3.6.2
Ảnh hưởng của nồng độ thành phần chế phẩm.................................................. 107
3.6.2.1
Sự biến đổi các chỉ tiêu lý hóa của quả........................................................ 107
3.6.2.2
Sự biến đổi chỉ tiêu vi sinh vật trong quá trình xử lý bằng chế
phẩm………...................................................................................................................................... 110
3.6.3
Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường bảo quản................................................... 110
3.6.4
Quy trình bảo quản quả bưởi Diễn bằng chế phẩm chitosan – nano bạc 112
3.7
Thảo luận về ứng dụng chế phẩm bảo quản quả............................................... 112
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ……………………………………………………118
TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………..……………………………………..120
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN…….……135

PHỤ LỤC

vii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

viii


PS: Polystyrene
PVC Poly vinyl cloride
S: Subtance

Cơ chất

SEM: Scanning Electron Microscopy

Kính hiển vi điện tử quét

TEM: Transmission Electron Microscopy

Kính hiển vi điện tử
truyền qua

TD:

Tinh dầu

TSC: Trisodium citrate Na3C6H5O7
UV-vis: Ultraviolet-visible

Khả biến và tử ngoại

ix


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Số nguyên tử bạc trong một đơn vị thể tích [69]............................................... 13
Bảng 1.2: Số nguyên tử và năng lượng bề mặt của hạt nano bạc.................................... 14
Bảng 1.3: Màng bao nano composite dựa trên phức hợp nano bạc và polyme không
phân hủy................................................................................................................................................ 20
Bảng 1.4: Bao bì nano composite từ phức hợp nano bạc và polyme phân hủy sinh
học............................................................................................................................................................ 21
Bảng 1.5: Thành phần hoá học của một vài loại qủa [132]................................................ 25
Bảng 2.1: Các thông số sử dụng trong quá trình sản xuất chitosan thô.........................35
Bảng 2.2: Nồng độ phối hợp chitosan-nano bạc.................................................................... 40
Bảng 2.3: Nồng độ chế phẩm chitosan-nano bạc sử dụng trong bảo quản vải...........42
Bảng 2.4: Nồng độ chế phẩm chitosan-nano bạc sử dụng trong bảo quản cam.........42
Bảng 2.5: Nồng độ chế phẩm chitosan-nano bạc sử dụng trong bảo quản bưởi........42
Bảng 3.1: Tính chất của chitin thu nhận.................................................................................... 49
Bảng 3.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ deacetyl đến màu sắc chitosan................................ 50
Bảng 3.3: Ảnh hưởng của quy trình deaxetyl đến độ nhớt chitosan............................... 51
Bảng 3.4: Tính chất của chitosan sau tinh sạch...................................................................... 53
Bảng 3.5: Ảnh hưởng của pH đệm pha chitosan đến khả năng phát triển của vi sinh
vật............................................................................................................................................................. 55
Bảng 3.6: Nồng độ ức chế tối thiểu (MIC, %) của chitosan đối với vi khuẩn ............57
Bảng 3.7: Nồng độ ức chế tối thiểu (MIC, %) của chitosan đối với nấm men...........58
Bảng 3.8: Nồng độ diệt nấm tối thiểu (MFC, %) của chitosan đối với nấm mốc....59
Bảng 3.9: Mật độ nấm mốc theo thời gian khi xử lý với 2 chế phẩm CA1 và CA2 ở
nồng độ MFC....................................................................................................................................... 61
Bảng 3.10: Nồng độ ức chế tối thiểu (MIC, ppm) của nano bạc đối với vi khuẩn . 67
Bảng 3.11: Nồng độ ức chế tối thiểu (MIC, ppm) của nano bạc đối với nấm men 67
Bảng 3.12: Khả năng kháng nấm mốc (MFC, ppm) của nano bạc................................. 68
Bảng 3.13: Nồng độ cuối của chitosan và nano bạc trong phức hợp chitosan – nano
bạc............................................................................................................................................................ 70
Bảng 3.14: Đặc tính hoá lý của chế phẩm chitosan-nano bạc........................................... 70
Bảng 3.15: Tính ổn định của chế phẩm chitosan-nano bạc CT3 theo thời gian.........72
Bảng 3.16: Khả năng kháng vi khuẩn của chế phẩm chitosan-nano bạc...................... 73
Bảng 3.17: Khả năng kháng nấm men của phức hợp chitosan-nano bạc......................77
Bảng 3.18: Khả năng kháng nấm mốc (%) của phức hợp chitosan - nano bạc..........79
Bảng 3.19: Sự thay đổi chỉ số L*, a*, b* của vải ở các nồng độ chế phẩm chitosan nano bạc sau 7 ngày bảo quản....................................................................................................... 88
Bảng 3.20: Diễn biến tổng số bào tử nấm men-nấm mốc trên quả vải khi sử dụng
chế phẩm ở các nồng độ khác nhau theo thời gian................................................................ 89
x


Bảng 3.21: Dư lượng bạc (mg/kg) trên quả vải sau thời gian bảo quản với phức
chitosan-nano bạc............................................................................................................................... 94
Bảng 3.22: Diễn biến tổng số bào tử nấm men – nấm mốc trên bề mặt quả cam khi
sử dụng chế phẩm chitosan-nano bạc ở các nồng độ khác nhau theo thời gian......101
Bảng 3.23: Sự thay đổi chỉ số L* của bưởi trong quá trình bảo quản ở các nồng độ
chế phẩm chitosan và nano bạc.................................................................................................. 108
Bảng 3.24: Sự thay đổi chỉ số a* của bưởi trong quá trình bảo quản ở các nồng độ
chế phẩm chitosan và nano bạc.................................................................................................. 109
Bảng 3.25: Sự thay đổi chỉ số b* của bưởi trong quá trình bảo quản ở các nồng độ
chế phẩm chitosan và nano bạc.................................................................................................. 109
Bảng 3.26: Diễn biến tổng số bào tử nấm men – nấm mốc trên quả bưởi khi sử
dụng chế phẩm chitosan-nano bạc ở các nồng độ khác nhau theo thời gian............110

xi


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Công thức cấu tạo của chitosan................................................................................... 4
Hình 1.2: Tác động của ion bạc lên tế bào [79]...................................................................... 17
Hình 1.3: Ion bạc vô hiệu hóa enzym chuyển hóa oxy của vi khuẩn.............................18
Hình 2.1: Quy trình thu chitin từ phế liệu tôm theo phương pháp ứng dụng chế
phẩm enzym......................................................................................................................................... 34
Hình 2.2: Sơ đồ tinh sạch chitosan bằng phương pháp sấy đối lưu và sấy đông khô
36
Hình 2.3: Quá trình tổng hợp dung dịch hạt nano bạc......................................................... 37
Hình 2.4: Sơ đồ phương pháp đối kháng trực tiếp trong dịch nuôi cấy lỏng..............39
Hình 3.1: Quy trình sản xuất chitin từ phế liệu tôm bằng phương pháp sinh học....48
Hình 3.2: Ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian đến độ deacetyl DDA.........................50
Hình 3.3: Quy trình sản xuất chitosan hoàn chỉnh................................................................. 52
Hình 3.4: Chitosan sấy đông khô................................................................................................. 54
Hình 3.5: Chitosan sấy đối lưu...................................................................................................... 54
Hình 3.6: Khả năng ức chế của chitosan CA2 lên khả năng sinh trưởng và phát
triển của A. niger D15 sau 24h nuôi cấy................................................................................... 59
Hình 3.7: Khả năng kháng nấm mốc A. niger của chitosan theo thời gian..................60
o

Hình 3.8: Dung dịch keo nano bạc ở nhiệt độ khử 80 C.................................................... 62
o

Hình 3.9: Dung dịch keo nano bạc ở nhiệt độ khử 90 C.................................................... 62
o
Hình 3.10: Dung dịch keo nano bạc ở nhiệt độ khử 85 C................................................. 63
Hình 3.11: Nano bạc nhỏ TSC 10 phút...................................................................................... 64
Hình 3.12: Nano bạc nhỏ TSC 45 phút...................................................................................... 64
Hình 3.13: Nồng độ khác nhau của dung dịch nano bạc..................................................... 64
Hình 3.14: Phổ UV-vis của dung dịch hạt nano bạc............................................................. 65
Hình 3.15: Ảnh chụp SEM của nano bạc.................................................................................. 65
Hình 3.16: Ảnh chụp TEM của nano bạc.................................................................................. 66
Hình 3.17: Khả năng kháng nấm mốc A. niger D15 của nano bạc................................. 68
Hình 3.18: Dung dịch chế phẩm chitosan-nano bạc theo CT3......................................... 71
Hình 3.19: Hình ảnh TEM của phức hợp chitosan – nano bạc......................................... 72
Hình 3.20: Khả năng kháng vi khuẩn E. coli của chế phẩm chitosan-nano bạc (Các
ô khác nhau được cấy chủng vi khuẩn đã xử lý đối kháng trong dịch lỏng ở nồng độ
khác nhau)............................................................................................................................................. 73
Hình 3.21: Hình ảnh TEM về ảnh hưởng của chế phẩm chitosan-nano bạc đến các
chủng vi khuẩn kiểm định............................................................................................................... 76
Hình 3.22: Hình ảnh TEM về ảnh hưởng của phức hợp chitosan-nano bạc đến
Saccharomyces sp. BM.................................................................................................................... 78
Hình 3.23: Khả năng kháng nấm mốc A. niger D15 của phức hợp chitosan-nano
bạc ở các tỉ lệ phối trộn khác nhau.............................................................................................. 79
xii


Hình 3.24: Ảnh hưởng của chế độ tiền xử lý tới quá trình bảo quản vải thiều...........82
Hình 3.25: Ảnh hưởng của các chế độ tiền xử lý đến hàm lượng chất khô hòa tan
tổng số của vải trong quá trình bảo quản.................................................................................. 83
Hình 3.26: Ảnh hưởng của các chế độ tiền xử lý đến hàm lượng axit hữu cơ tổng số
của vải trong quá trình bảo quản.................................................................................................. 84
Hình 3.27: Ảnh hưởng của chế độ tiền xử lý tới tỷ lệ hư hỏng của vải trong quá
trình bảo quản...................................................................................................................................... 85
Hình 3.28: Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm chitosan – nano bạc đến thời gian
bảo quản vải......................................................................................................................................... 86
Hình 3.29: Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm chitosan - nano bạc tới hàm lượng
chất khô hòa tan tổng số của vải trong quá trình bảo quản................................................ 86
Hình 3.30: Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm chitosan - nano bạc tới hàm lượng
axit hữu cơ tổng số của vải trong quá trình bảo quản........................................................... 87
Hình 3.31: Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm chitosan-nano bạc đến tỷ lệ hư hỏng
của quả vải theo thời gian............................................................................................................... 89
o

Hình 3.32: Ảnh hưởng của nhiệt độ (3-5 C) tới thời gian bảo quản quả vải..............90
Hình 3.33: Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hàm lượng chất khô hòa tan tổng số của vải
trong quá trình bảo quản.................................................................................................................. 91
Hình 3.34: Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hàm lượng axit hữu cơ tổng số của vải trong
quá trình bảo quản.............................................................................................................................. 91
Hình 3.35: Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hàm lượng đường tổng số của vải trong quá
trình bảo quản...................................................................................................................................... 92
Hình 3.36: Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tỷ lệ hư hỏng của vải trong quá trình bảo
quản......................................................................................................................................................... 93
Hình 3.37: Hình ảnh SEM mặt trong và mặt ngoài vỏ vải sau khi xử lý với phức
hợp chitosan-nano bạc...................................................................................................................... 94
Hình 3.38: Sơ đồ quy trình bảo quản quả vải thiều bằng chế phẩm chitosan-nano
bạc............................................................................................................................................................ 95
Hình 3.39: Ảnh hưởng của các chế độ tiền xử lý tới hàm lượng chất khô hòa tan
tổng số của cam trong quá trình bảo quản................................................................................ 96
Hình 3.40: Ảnh hưởng của các chế độ tiền xử lý tới hàm lượng axit hữu cơ tổng số
của cam trong quá trình bảo quản................................................................................................ 96
Hình 3.41: Ảnh hưởng của các chế độ tiền xử lý tới lượng đường tổng số của cam
trong quá trình bảo quản.................................................................................................................. 97
Hình 3.42: Ảnh hưởng của các chế độ tiền xử lý tới tỷ lệ hư hỏng của cam trong
quá trình bảo quản.............................................................................................................................. 97
Hình 3.43: Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm chitosan - nano bạc tới hàm lượng
chất khô hòa tan tổng số của cam trong quá trình bảo quản.............................................. 99
Hình 3.44: Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm chitosan - nano bạc tới hàm lượng
đường tổng số của cam trong quá trình bảo quản.................................................................. 99
Hình 3.45: Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm chitosan - nano bạc tới hàm lượng
axit hữu cơ tổng số của cam trong quá trình bảo quản........................................................ 99
xiii


Hình 3.46: Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm chitosan - nano bạc tới tỷ lệ hư hỏng
của cam trong quá trình bảo quản............................................................................................. 100
Hình 3.47: Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hàm lượng chất khô hòa tan tổng số của
cam trong quá trình bảo quản...................................................................................................... 101
Hình 3.48: Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hàm lượng axit hữa cơ tổng số của cam
trong quá trình bảo quản............................................................................................................... 102
Hình 3.49: Ảnh hưởng của nhiệt độ tới hàm lượng đường tổng số của cam trong quá
trình bảo quản................................................................................................................................... 103
Hình 3.50: Ảnh hưởng của nhiệt độ tới tỷ lệ hao hụt trong của cam quá trình bảo
quản....................................................................................................................................................... 103
Hình 3.51: Cam Sành bảo quản bằng chế phẩm chitosan-nano bạc............................103
Hình 3.52: Sơ đồ quy trình bảo quản quả cam sành bằng chế phẩm chitosan-nano
bạc......................................................................................................................................................... 104
Hình 3.53: Ảnh hưởng của các chế độ tiền xử lý đến hàm lượng chất khô hòa tan
tổng số của bưởi trong quá trình bảo quản............................................................................. 105
Hình 3.54: Ảnh hưởng của các chế độ tiền xử lý đến hàm lượng axit hữu cơ tổng số
của bưởi trong quá trình bảo quản............................................................................................ 105
Hình 3.55: Ảnh hưởng của các chế độ tiền xử lý đến tỷ lệ hư hỏng của bưởi trong
quá trình bảo quản........................................................................................................................... 106
Hình 3.56: Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm chitosan - nano bạc tới hàm lượng
chất khô hòa tan tổng số của bưởi trong quá trình bảo quản.......................................... 107
Hình 3.57: Ảnh hưởng của nồng độ chế phẩm chitosan - nano bạc đến hàm lượng
axit hữu cơ tổng số của bưởi trong quá trình bảo quản..................................................... 108
Hình 3.58: Tỷ lệ hư hỏng của bưởi Diễn ở nhiệt độ thường........................................... 111
Hình 3.59: Bưởi Diễn bảo quản bằng chế phẩm chitosan – nano bạc.........................111
Hình 3.60: Sơ đồ quy trình bảo quản quả bưởi Diễn bằng chế phẩm chitosan-nano
bạc......................................................................................................................................................... 112

xiv


MỞ ĐẦU
Sản xuất trái cây đóng vai trò quan trọng trong sản xuất nông nghiệp ở Việt
Nam. Năm 2018, diện tích cây ăn quả của Việt Nam đạt 969,4 nghìn ha với năng
suất ước tính hơn 9 triệu tấn quả, giá trị xuất khẩu đạt 3,8 tỷ USD, lần đầu tiên vượt
qua giá trị xuất khẩu lúa gạo (đạt 3,03 tỷ USD trong năm 2018). Theo Cục trồng
trọt, trong năm 2019, diện tích cây ăn quả sẽ phấn đấu đạt 1 triệu ha, giá trị xuất
khẩu đạt 4,2 tỷ USD. Theo các số liệu thống kê cho thấy, cây ăn quả phát triển đều
hàng năm về cả diện tích, sản lượng và giá trị xuất khẩu, năm sau cao hơn năm
trước trung bình 10%. Các loại cây ăn quả chính ở Việt bao gồm chuối, cam, quýt,
nhãn, vải, xoài, thanh long, bưởi, sầu riêng và chôm chôm.
Tuy nhiên, ở Việt Nam, tổn thất sau thu hoạch rau quả tươi là cao, theo các
báo cáo thống kê, tổn thất về giá trị sản lượng trung bình hàng năm từ 25 – 30%.
Tổn thất như vậy là do các rau quả có hàm lượng nước lớn, là môi trường thuận lợi
cho vi sinh vật phát triển, việc áp dụng kỹ thuật công nghệ trong bảo quản sau thu
hoạch còn yếu kém. Chính vì vậy, cần ứng dụng công nghệ bảo quản duy trì về chất
lượng và số lượng rau củ quả sau thu hoạch.
Các phương pháp bảo quản rau quả hiện nay trên thế giới dựa vào hai nguyên
lý chính: hạn chế biến đổi do vi sinh vật và hạn chế biến đổi sinh lý bất lợi. Đến
nay, trên thế giới có nhiều phương pháp bảo quản rau quả tươi phổ biến gồm hạn
chế các biến đổi sinh lý của rau củ quả gồm: khí quyển kiểm soát (CA), khí quyển
điều chỉnh (MA), phủ màng; hạn chế hoạt động của vi sinh vật gồm: xử lý hóa chất,
nhiệt độ. Nghiên cứu của nhóm tác giả là một biến thể của MA, lớp màng tạo ra trên
bề mặt quả là một loại bao bì có tác dụng điều chỉnh sự trao đổi khí qua màng dẫn
tới làm chậm quá trình hô hấp tạo ra những biến đổi sinh lý cho bảo quản rau quả.
Trong các phương pháp hóa học, do yêu cầu ngày càng cao của người tiêu
dùng, xu hướng sử dụng hợp chất tự nhiên tăng lên do các yêu cầu về an toàn thực
phẩm. Trong các hợp chất tự nhiên thì Chitosan đặc biệt được quan tâm do là
polyme tự nhiên, có khả năng tạo màng, hạn chế trao đổi khí O 2 tốt, có khả năng
kháng khuẩn tự nhiên, đồng thời màng tạo ra bởi chitosan có đặc tính bền nước, dễ
áp dụng trên đối tượng rau củ quả.
Tại Việt Nam, chitin, chitosan (sản phẩm deacetyl hóa chitin) được tách từ
phế liệu công nghiệp chế biến thủy sản. Vì vậy, nếu khai thác và sử dụng hiệu quả
chitosan không những có lợi cho tận dụng tài nguyên mà còn xử lý ô nhiễm môi
trường. Các nghiên cứu về sử dụng chitosan trên thế giới hiện nay có nhiều, kể cả
sử dụng chitosan lẫn các dẫn xuất của chitosan và cả nano chitosan. Tuy nhiên, trên
thực tế thì những ứng dụng chitosan và các sản phẩm còn chưa như mong đợi. Hiện
nay, chitosan đang được sử dụng với tính chất tạo màng là chính. Mặc dù chitosan
có khả năng kháng vi sinh vật nhưng hiệu ứng như vậy còn chưa đủ để ứng dụng
trong thực tiễn. Các nghiên cứu trên thế giới có xu hướng ứng dụng là tạo ra các chế
phẩm từ chitosan có bổ sung các chất hóa học diệt vi sinh vật để tăng hiệu quả ứng
dụng.
1


Trong số các chất hóa học, chất diệt nấm tự nhiên, gần đây được sử dụng
nhiều là các hợp chất nano như: nano Ag, TiO 2,... Nano Bạc (Nano Ag) có đặc tính
kháng vi sinh vật cao, sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, môi trường,
y tế, thực phẩm. Đã có nhiều nghiên cứu chứng minh nano Ag tiêu diệt nhiều loại vi
sinh vật gây thối hỏng rau củ quả. Tại Việt Nam đã có những nghiên cứu riêng rẽ về
tác dụng của chitosan và nano Ag, nhưng chưa có các công bố về tác dụng phối hợp
của hai hoạt chất.
Quả vải, cam, bưởi là những loại quả được ưa chuộng và có giá trị xuất khẩu
cao hiện nay ở Việt Nam. Quả vải trồng chủ yếu ở một số tỉnh miền bắc, có thời
gian thu hoạch ngắn, khó bảo quản nên tổn thất cao. Quả cam sành Hà Giang và
bưởi Diễn có nhu cầu về bảo quản lớn là do thu hoạch chính vào tháng 10 và tháng
11 âm hàng năm, tuy nhiên để bán được số lượng lớn và giá thành cao thì cần tiêu
thụ vào dịp tết Nguyên đán và rằm tháng riêng. Vì vậy, hai loại quả này cần bảo
quản và giữ được về hình thái và chất lượng trong thời gian dài khoảng hai tháng.
Xuất phát từ những lí do trên, chúng tôi lựa chọn đề tài “Nghiên cứu tạo chế
phẩm chitosan – Nano Bạc ứng dụng trong bảo quản quả sau thu hoạch”.
Trong luận án này, chúng tôi đặt ra mục tiêu tạo ra một chế phẩm bảo quản rau quả
tươi gồm hai thành phần Chitosan và Nano Ag, chế phẩm bảo quả có tính đa dụng,
để sử dụng được trên nhiều đối tượng khác nhau. Đánh giá được hiệu lực của chế
phẩm đối với một số vi sinh vật gây hư hỏng thực phẩm điển hình và thử nghiệm
hiệu quả trong bảo quản đối với quả vải, quả cam và quả bưởi.
Mục tiêu nghiên cứu:
-

-

Nghiên cứu tạo ra chế phẩm chitosan – nano bạc, có khả năng ứng dụng
trong công nghệ thực phẩm, đồng thời đánh giá được khả năng kháng vi sinh
vật gây bệnh, gây hư hỏng điển hình.
Nghiên cứu ứng dụng chế phẩm chitosan – nano bạc trong bảo quản quả sau
thu hoạch, hướng tới sử dụng rộng rãi chế phẩm trong các lĩnh vực thực
phẩm, đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm, nâng cao sức khỏe cộng đồng.

Nội dung nghiên cứu:
-

-

-

Nội dung 1: Nghiên cứu chế tạo và tinh sạch chế phẩm chitosan, chế tạo chế
phẩm nano bạc và đánh giá khả năng kháng vi sinh vật của từng chế phẩm
thu được.
Nội dung 2: Nghiên cứu phương pháp phối hợp chitosan – nano bạc nhằm
nâng cao hiệu quả kháng vi sinh vật và xác định khả năng kháng vi sinh vật
của chế phẩm.
Nội dung 3: Ứng dụng chế phẩm chitosan – nano bạc trong bảo quản thực
phẩm (Vải thiều Lục Ngạn, cam sành Hà Giang và bưởi Diễn).

Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của luận án:
Ý nghĩa khoa học:
-

Tạo ra chế phẩm chitosan – nano bạc có khả năng kháng vi sinh vật và tạo
màng bảo quản

-

Chế phẩm chitosan - nano bạc có hiệu quả kéo dài thời gian bảo quản quả
vải, cam, bưởi Diễn
2


Giá trị thực tiễn của luận án:
- Tạo ra chế phẩm màng chitosan – nano bạc hiệu quả kéo dài thời gian bảo
quản một số loại quả như quả vải, cam, bưởi Diễn, có tiềm năng ứng dụng
đối với các nông sản, thực phẩm khác.
Điểm mới của luận án:
- Đây là công trình đầu tiên tại Việt Nam tạo ra chế phẩm chitosan– nano bạc
có khả năng kháng vi sinh vật và ứng dụng trong bảo quản quả sau thu
hoạch.
- Đây là công trình đầu tiên tại Việt Nam ứng dụng chế phẩm chitosan-nano
bạc trong bảo quản quả vải thiều, cam sành Hà Giang, bưởi Diễn đạt được
thời gian bảo quản từ 25 – 90 ngày, bảo đảm an toàn cho sức khỏe người sử
dụng.
Cấu trúc luận án:
Luận án được trình bày trong 118 trang với 26 bảng và 60 hình. Mở đầu (3
tr.); Chương 1. Tổng quan (27 tr.); Chương 2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu
(15 tr.); Chương 3. Kết quả và thảo luận (69 tr.); Kết luận và kiến nghị (2 tr.); 183
tài liệu tham khảo và phần phụ lục.

3


CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1 Đặc điểm của chitosan
1.1.1

Chitosan

Chitosan là sản phẩm deacetyl hóa chitin, trong đó nhóm (-NH2) thay thế
nhóm (- COCH3) ở vị trí C(2). Do quá trình khử acetyl xảy ra không hoàn toàn nên
người ta quy ước độ deacetyl hóa (degree of deacetylation) DDA > 50% thì gọi là
chitosan [1]. Chitosan có cấu trúc tuyến tính từ các đơn vị 2-amino-2-deoxy-β-Dglucosamine liên kết với nhau bằng liên kết β-(1,4)-glucoside (Hình 1.1) [1].

Hình 1.1: Công thức cấu tạo của chitosan

Trong các loài thủy sản đặc biệt là trong vỏ tôm, cua, ghẹ, hàm lượng chitin chitosan chiếm khá cao dao động từ 14 - 35% so với trọng lượng khô. Vì vậy vỏ
tôm, cua, ghẹ là nguồn nguyên liệu chính để sản xuất chitin – chitosan [1].
Chitosan được xem là polyme tự nhiên quan trọng nhất, không độc, có khả
năng phân huỷ sinh học, có khả năng tạo màng và có tính tương thích về mặt sinh
học. Chitosan có khả năng tích điện dương do đó nó có khả năng kết hợp với những
chất tích điện âm như chất béo, lipid và axit mật. Với đặc tính có thể hoà tan tốt
trong môi trường axit, chitosan được chú ý đặc biệt như là một loại vật liệu mới và
được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như dược phẩm, mỹ phẩm, xử lý nước thải và
trong thực phẩm như là tác nhân kết hợp, gel hóa, hay tác nhân ổn định...[2].
1.1.2

Sản xuất chitosan

Chitosan thường được sản xuất từ chất thải giáp xác vỏ như tôm, cua, ghẹ
[3]. Chitosan phân tách từ vỏ tôm được thực hiện qua 4 bước cơ bản: khử khoáng
(DM), khử protein (DP), khử màu (DC), và deacetyl hóa (DDA).
1.1.2.1

Các phương pháp sản xuất chitosan

Hiện nay, chitosan được thu từ chitin theo hai phương pháp chính là phương
pháp hóa học và phương pháp sinh học.
+ Phương pháp hóa học: được chia làm 3 giai đoạn chính: loại bỏ khoáng
bằng axit, loại bỏ protein bằng kiềm và tẩy màu loại sắc tố và chất béo [1].
Ưu điểm: Thời gian xử lý vỏ tôm thu được chitin nhanh.
4


Nhược điểm: Chitin thu được phụ thuộc nhiều vào qui trình xử lý với axit và kiềm.
Quá trình này tiêu tốn năng lượng, đưa ra môi trường một lượng lớn nước thải chứa kiềm
và axit gây ăn mòn và ô nhiễm mạnh, đồng thời rất khó tách các sản phẩm còn giá trị như:
chất màu, protein… Chitin thu được có tính ổn định thấp. Giá thành của sản phẩm chitin và
chitosan sản xuất theo phương pháp này cao, nên bất lợi trong vấn đề thương mại.
+ Phương pháp sinh học: sử dụng vi khuẩn sinh protease hay chế phẩm

protease để loại protein, vi khuẩn lactic hay Bacillus để loại khoáng.
Phương pháp dùng chế phẩm protease, các chế phẩm enzyme sử dụng như:
trypsin, papain, pepsin [4], chymotrysin, pancreatin, alcalase [5]. Phương pháp
enzyme có ưu điểm là thời gian ngắn (vài giờ) tuy nhiên có giá thành cao hơn so với
phương pháp vi sinh, lượng protein còn lại trong chitin cao (4,4-7,9%) [6].
Phương pháp loại khoáng ra khỏi phế liệu tôm sử dụng vi khuẩn lactic là hướng
nghiên cứu hiện nay [7]. So với loại protein, phương pháp sinh học loại khoáng dùng vi
khuẩn lactic đạt hiệu quả khá cao, thường loại >90% khoáng thậm chí có thể loại được đến
99,7% khoáng chỉ trong thời gian 2-3 ngày [7]. Rao và Stevens (2006) cho thấy dùng
Lactobacillus có thể khử 81,6% protein và 59,8% khoáng [8].

Phương pháp sinh học ngoài việc cho chitin có chất lượng cao, thân thiện
môi trường còn cho phép tận thu dịch lên men dùng làm thức ăn cho gia súc có giá
trị. Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp là thời gian lên men kéo dài.
1.1.2.2

Tình hình nghiên cứu quy trình sản xuất tại Việt Nam

Tại Việt Nam đã có một vài nghiên cứu về tách chiết chitin, chitosan. Năm
1978, trường Đại học Thủy sản Nha Trang bắt đầu nghiên cứu vấn đề này. Sau đó,
Nguyễn Văn Ngoạn và cs. thuộc viện nghiên cứu Hải sản (1993 - 1995) đã nghiên
cứu và sản xuất chitin, chitosan. Vật liệu chitosan của Viện Hóa học được Bộ Y tế
công nhận là nguyên liệu dược dụng, đạt tiêu chuẩn dùng trong y tế. Chitosan đã
được thành công ứng dụng trong chế biến thực phẩm hoặc làm chế phẩm công
nghiệp vải, màng chitosan và glucosamin [9].
Trần Thị Luyến và cs. nghiên cứu thu hồi chitin bằng phương pháp lên men
lactic dùng vi khuẩn L. plantarum. Tuy nhiên, hàm lượng protein và khoáng bị khử
chưa cao chỉ tương ứng 61% và 43% [10]. Hạn chế của các nghiên cứu trên là chưa
đưa ra được qui trình hoàn thiện để thu hồi được chitin đạt tiêu chuẩn. Gần đây
nhất, việc nghiên cứu thu nhận chitin từ phế liệu tôm bằng phương pháp sinh học đã
được nghiên cứu bởi Lê Thanh Hà và cs. thuộc Trường Đại học Bách Khoa Hà nội
và đã thu được kết quả khả quan [11]. Gần đây nhất, tác giả Nguyễn Thị Minh
Nguyệt và cs. (2015) đã hoàn thiện được quy trình tổng hợp nano chitosan bằng sử
dụng axit methacrylic và đánh giá được hoạt tính kháng nấm của chế phẩm, đây là
hướng mới trong việc sản xuất chitosan và các chế phẩm [12].
1.1.3

Các tính chất của chitosan

1.1.3.1

Tính chất vật lý của chitosan

Chitosan là chất rắn, xốp, nhẹ, hình vảy, màu trắng hay vàng nhạt, không
mùi vị, có độ nhớt tương đối cao phụ thuộc vào quá trình chế tạo [9, 13]. Chitosan
5


tan tốt trong axit có pH <6,0; tuy nhiên tại pH>7,0 chitosan khó hoà tan hơn do
khuynh hướng xảy ra kết lắng hoặc tạo gel [14].
Chitosan có khối lượng phân tử khác nhau ứng với các nguồn chitin khác
nhau. Sản phẩm chitosan có khối lượng phân tử từ 100,000 - 1,200,000 Daltons phụ
thuộc vào quá trình xử lý. Người ta thường phân loại chitosan dựa vào trọng lượng
phân tử [15, 16].
Bản chất của chitosan là polyme sinh học có phân tử lượng lớn nên khi hòa
tan vào dung môi, chitosan tạo dung dịch có độ nhớt lớn, dung dịch dạng gel, tạo
thành màng mỏng khi được phun hay phủ một lớp mỏng lên bề mặt vật liệu và để
khô tự nhiên. Màng chitosan dai, khó xé rách, có khả năng tự phân hủy sinh học
[14]. Ứng dụng tính chất này nên chitosan được dùng để tạo màng không thấm bảo
quản trứng, trái cây, hay dùng hỗ trợ trong điều trị viêm loét dạ dày, tá tràng (trong
môi trường axit của dạ dày, chitosan tạo gel che phủ, bảo vệ niêm mạc) [9].
Quá trình deacetyl hóa (DDA) bao gồm quá trình loại nhóm acetyl khỏi
chuỗi phân tử chitin và hình thành phân tử chitosan với nhóm amin hoạt động hóa
học cao. Mức độ DDA của chitosan khoảng 56%-99% (nhìn chung là 80%) phụ
thuộc vào loài giáp xác và phương pháp sử dụng [17]. Phương pháp để xác định
mức độ deacetyl hóa của chitosan bao gồm thử ninhydrin, chuẩn độ theo điện thế,
quang phổ hồng ngoại, chuẩn độ bằng HI.
1.1.3.2

Tính chất hóa học của chitosan

Trong phân tử chitosan có chứa các nhóm chức -OH, -NHCOCH 3 và nhóm –
OH, nhóm -NH2, phản ứng hóa học có thể xảy ra ở vị trí nhóm chức tạo ra dẫn xuất
thế O-, dẫn xuất thế N- [15]. Mặt khác chitosan là những polyme mà các monome
được nối với nhau bởi các liên kết α-(1-4)-glicoside, các liên kết này rất dễ bị cắt
đứt bởi các chất hoá học như: axit, bazơ, tác nhân oxy-hóa và các enzyme thuỷ
phân.
Trong phân tử chitosan và một số dẫn xuất của chitosan có chứa các nhóm
chức mà trong đó các nguyên tử Oxi và Nitơ của nhóm chức còn cặp electron chưa
sử dụng, do đó chúng có khả năng tạo phức, phối trí với hầu hết các kim loại nặng
2+
2+
2+
2+
2+
2+
và các kim loại chuyển tiếp như: Hg , Cd , Zn , Cu , Ni , Co ..., tùy nhóm
chức trên mạch polyme mà thành phần và cấu trúc của phức khác nhau. Hơn nữa
+
2+
2+
chitosan và các kim loại như Ag , Cu , Ni , …có tính chất khử trùng và diệt
khuẩn, sau khi chitosan liên kết với các ion kim loại nhờ oxi hay nito, các liên kết
ràng buộc làm tăng cường hoạt tính kháng khuẩn [18].
1.1.3.3

Tính chất sinh học của chitosan

Chitosan được chứng minh là có nhiều hoạt tính sinh học. Chitosan có khả
năng kích thích làm tăng cường hệ thống miễn dịch cơ thể, hạn chế sự phát triển của
các tế bào u bướu, ung thư, HIV/AIDS, chống tia tử ngoại, chống ngứa,… [19, 20].
Ngoài ra, chitosan có thể hấp thụ chất bẩn trong đường ruột, phòng chống bệnh tiểu
đường, hạ huyết áp, phòng bệnh xơ cứng động mạch, đào thải độc tố và hấp thụ kim
loại nặng, cải thiện cơ năng tiêu hóa [20-22]. Chitosan có khả năng thúc đẩy làm
lành da, phục hồi vết thương, cầm máu, thấm máu ở vị trí bị xuất huyết [23].
6


Chitosan hầu như không độc, LD50 = 16 g/kg cân nặng cơ thể, không gây độc trên
súc vật thực nghiệm và người, không gây độc tính trường diễn (LD 50 lượng chất độc
gây chế 50% số cá thể thí nghiệm) [24].
1.1.4

Đặc tính kháng vi sinh vật của chitosan

1.1.4.1

Khả năng kháng vi sinh vật của chitosan

Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng chitosan có khả năng ức chế sự phát
triển của vi sinh vật. Khả năng kháng khuẩn của chitosan phụ thuộc các yếu tố: loại
chitosan, pH, nhiệt độ, thành phần thực phẩm [38]. Chitosan có khả năng kháng
virus [25] và nhiều loài vi sinh vật như vi khuẩn Gram (-), vi khuẩn Gram (+), nấm
mốc và nấm men.
a. Khả năng kháng vi khuẩn
Chitosan ức chế sự phát triển của rất nhiều vi khuẩn như Escherichia coli,
Salmonella, Vibrio parahaemolyticus, Listeria monocytogenes, Bacillus cereus,
Staphylococcus aureus,…Nồng độ ức chế sự phát triển của vi khuẩn thay đổi trong
khoảng 10 – 16000 ppm [26]. Ngoài ra, các thí nghiệm cũng cho thấy có rất nhiều
+
+
ion kim loại có thể ảnh hưởng đến đặc tính kháng khuẩn của chitosan như K , Na ,
2+
Mg ,… Các nghiên cứu cho thấy chitosan có thể làm yếu đi chức năng bảo vệ của
thành tế bào nhiều vi khuẩn [26-28].
b. Khả năng kháng nấm men và nấm mốc
Hoạt tính kháng nấm của chitosan được chứng minh qua các nghiên cứu với
nhiều loại nấm khác nhau như Saccharomyces ludwigii, Pichia, Pseudomonas fragi,
Candida, Zygosaccharomyces bailii, Pyricularia grisea, …. Nồng độ nhỏ nhất ức
chế sự phát triển thay đổi từ 10 – 5000 ppm. Nhìn chung, chitosan ở nồng độ 1000
ppm làm giảm sự phát triển của các loại nấm trừ Zygomycetes vì chitosan là một
thành phần cấu tạo trong thành tế bào của chúng [2, 29].
Nghiên cứu hiệu quả kháng nấm mốc gây hư hỏng quả của chitosan nồng độ
0,5; 1; 1,5 và 2% cho thấy chitosan có tác dụng kháng nấm ở các giai đoạn phát
triển khác nhau (sự tăng trưởng của sợi nấm, sự nảy mầm của bào tử) của cả
Colettochitrum musae phân lập từ chuối, Colettochitrum gloeosporioides phân lập
từ đu đủ và thanh long [30]. Kết quả này cũng tương tự như kết quả của BautistaBaños và cs. (2004) [31] cho rằng sự tăng trưởng của sợi nấm và sự này mầm của
bảo tử nấm Fusarium, Penicillium, và Rhizopus bị ức chế bởi chitosan, tuy nhiên so
với Penicillium và Rhizopus thì Fusarium là nấm nhạy cảm nhất. Việc giảm tối đa
trọng lượng khô của sợi nấm và ức chế hình thành bào tử được quan sát thấy ở
chitosan nồng độ 2% đối với Colettochitrum musae phân lập từ chuối,
Colettochitrum gloeosporioides phân lập từ đu đủ và thanh long [30]. Hiệu ứng
tương tự cũng được chứng minh trong các nghiên cứu trước đây về F. oxysporum
phân lập từ đu đủ [31]. Các nghiên cứu khác cũng đã chỉ ra rằng chitosan kích thích
hình thành bào tử của Penicillium digitatum và C. gloeosporioides [31].
1.1.4.2

Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng kháng vi sinh vật của
7


chitosan
Tính kháng vi sinh vật của chitosan không chỉ phụ thuộc vào các điều kiện
bên ngoài (vi sinh vật đích, tính chất của môi trường, pH, nhiệt độ, độ hòa tan,…),
mà còn phụ thuộc vào các yếu tố bên trong (như trọng lượng phân tử, và mức độ
polyme hóa và mức độ diacetyl hóa) [28, 32, 33].
a. Trọng lượng phân tử
Nhiều nhà nghiên cứu khác cho rằng hoạt tính kháng khuẩn của chitosan phụ
thuộc vào trọng lượng phân tử. Chitosan có khối lượng phân tử thấp có khả năng
kháng khuẩn cao hơn so với chitosan có khối lượng phân tử cao [34] vì chitosan có
khối lượng phân tử thấp có khả năng tan trong nước cao hơn dẫn đến phản ứng tốt
hơn với các vị trí hoạt động của vi sinh vật. Hwang và cs. kết luận rằng với chitosan
trọng lượng phân tử lớn hơn 30 000 Dalton cho hiệu quả cao nhất kháng E. coli, với
phạm vi khảo sát trọng lượng phân tử chitosan từ 10 000 – 170 000 Dalton [35].
Tuy nhiên, rất khó để tìm được mối tương quan rõ ràng giữa khả năng kháng
khuẩn và trọng lượng phân tử của chitosan. Các nghiên cứu về hoạt động diệt khuẩn
của chitosan có thể so sánh được tùy thuộc vào vi sinh vật thử nghiệm, điều kiện thử
nghiệm và trọng lượng phân tử của chitosan, độ DDA của chitosan, nhưng các kết
quả thu được không hoàn toàn tương thích, có sự khác biệt. Tăng trọng lượng phân
tử dẫn đến giảm hoạt tính kháng E. coli của chitosan trong một số nghiên cứu [28,
36, 37]. Ngược lại với kết quả đề cập ở trên không có sự khác biệt trong hoạt động
kháng khuẩn của chitosan có trọng lượng phân tử khác nhau đối với E. coli và
B. subtilis [36, 38]. Thêm vào đó, do chitosan là một polyme tự nhiên, phạm vi
trọng lượng phân tử chitosan rộng với độ deacetyl hóa là khác nhau phụ thuộc từng
nghiên cứu. Chính vì vậy, khó có thể xác định trọng lượng phân tử tối ưu nhất của
chitosan để cho hoạt tính kháng khuẩn tốt nhất.
b. Mức độ deacetyl hóa
Hoạt tính kháng khuẩn của chitosan tỷ lệ thuận với DDA của chitosan [39,
40]. Sự gia tăng DDA có nghĩa là số lượng các nhóm amin trên chitosan tăng lên,
kết quả là trong môi trường có tính axit gia tăng sự tương tác giữa chitosan và các
điện tích âm trên màng tế bào vi sinh vật [41]. Simpson và cs. báo cáo rằng chitosan
với DDA là 92,5% có hiệu quả cao hơn so với chitosan có DDA 85% [42]. Mức độ
diacetyl hóa cao làm tăng khả năng hòa tan chitosan và tăng mật độ điện tích do đó
cải thiện độ bám dính của chitosan lên các tế bào vi sinh vật [43].
c. Độ pH
Hoạt động kháng khuẩn của chitosan bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi pH [44-47].
pH thấp hơn làm tăng hoạt tính kháng khuẩn được giải thích bởi nhiều lí do, ngoài
hiệu ứng ức chế vi sinh vật mục tiêu của các axit. Ở môi trường có giá trị pH thấp,
khả năng hòa tan của chitosan cao và proton trong dung dịch chitosan cao làm tăng
hiệu quả kháng khuẩn [43]. Nghiên cứu của Tsai & Su (1999) [47] kiểm tra khả
năng kháng khuẩn của chitosan (DDA 98%) đối với E. coli ở các giá trị pH khác
nhau là 5,0; 6,0; 7,0; 8,0; 9,0 cho rằng chitosan có khả năng kháng khuẩn tốt nhất ở
pH 5,0 và chitosan có hoạt tính kháng khuẩn kém ở pH 9,0. Các nhà nghiên cứu
khác cũng kết luận rằng chitosan không có hoạt tính kháng khuẩn ở pH 7,0 do nhóm
amin và độ hòa tan của chitosan ở pH này rất kém [28, 44].
8


d. Nhiệt độ
Nhiệt độ cũng có ảnh hưởng đến hoạt tính kháng vi sinh vật của chitosan.
o
Nhiệt độ cao hơn 37 C làm tăng hoạt tính kháng khuẩn của chitosan so với nhiệt độ
lạnh. Tsai và Su đã kiểm tra tác động của nhiệt độ đến hoạt động kháng E. coli của
chitosan [47]. Huyền phù tế bào trong đệm photphat (pH 6) có chứa chitosan với
o
nồng độ 150ppm được nuôi ở 4, 15, 25, 37 C trong các khoảng thời gian khác nhau
và định lượng số tế bào còn sống sót. Các hoạt tính kháng khuẩn được tìm thấy tỷ lệ
o
thuận với nhiệt độ ở nhiệt độ 25 và 37 C, các tế bào E. coli đã hoàn toàn bị giết chết
o
trong vòng 1 giờ. Tuy nhiên ở nhiệt độ thấp hơn 4 và 15 C số lượng E. coli giảm
trong vòng 5 giờ đầu và sau đó ổn định. Tác giả kết luận rằng hoạt động chống vi
khuẩn giảm do giảm tỷ lệ tương tác giữa chitosan và các tế bào ở nhiệt độ thấp hơn.
e. Cation và polyanion
Các nhà nghiên cứu đề xuất rằng các cation tạo phức hợp với chitosan và làm
giảm số nhóm amin dẫn đến giảm hiệu quả diệt khuẩn của chitosan [28].
1.1.4.3

Cơ chế kháng vi sinh vật của chitosan

Mặc dù cơ chế kháng khuẩn chính xác của chitosan chưa được hiểu một cách
đầy đủ, tuy nhiên có 3 cơ chế giải thích khả năng kháng khuẩn của chitosan là: Khả
năng kháng khuẩn của chitosan là do sự tương tác giữa điện tích dương của nhóm
amin (NH3+) ở giá trị pH thấp hơn 6,3 (các pKa của chitosan) và bề mặt tích điện
âm của vi khuẩn. Kết quả là làm thay đổi các đặc tính của màng bán thấm, do đó
gây mất cân bằng thẩm thấu bên trong và bên ngoài dẫn đến ức chế sự tăng trưởng
của vi sinh vật [2]. Chitosan thủy phân peptidoglycan trong thành tế bào vi sinh vật
dẫn đến làm rò rỉ các chất điện giải trong tế bào như các ion kali, và các thành phần
protein có trọng lượng phân tử thấp khác (như protein, axit nucleic, glucoza, và
lactat dehydrogenaza) [34, 48].
Trong nghiên cứu về tính kháng E. coli của chitosan từ vỏ tôm người ta cho
rằng khả năng ức chế vi khuẩn của chitosan là do liên kết giữa chuỗi polyme của
chitosan với các ion kim loại trên bề mặt của vi khuẩn làm thay đổi tính thấm của
màng tế bào [42, 48]. Khi bổ sung chitosan vào môi trường, tế bào vi khuẩn sẽ
chuyển từ điện tích âm sang điện tích dương [27, 28, 37]. Quan sát trên kính hiển vi
huỳnh quang cho thấy chitosan không trực tiếp hoạt động ức chế vi khuẩn E. coli
mà do sự kết lại của các tế bào và sự tích điện dương ở màng tế bào của vi khuẩn
[26, 47], từ đó dẫn đến sự thay đổi tính thấm của màng tế bào vi khuẩn, và ảnh
hưởng đến sự nguyên vẹn của tế bào, phá hủy thành tế bào và làm rò rỉ các chất
trong tế bào [27, 40, 45].
1.1.5

Ứng dụng của chitosan trong bảo quản rau quả tươi

Với hoạt tính kháng khuẩn và chống oxi hóa, chitosan được coi là hoạt chất
sinh học rẻ tiền, sẵn có và có nguồn gốc tự nhiên ứng dụng trong bảo quản thực
phẩm như thịt cá [49], nước quả [50], đặc biệt điều trị các vi sinh vật gây bệnh trên
quả sau thu hoạch..
Cụ thể trong lĩnh vực sau thu hoạch, tác dụng của chitosan – chất bảo quản tự
9


nhiên – đến các loại rau quả cũng được đưa ra trong một vài nghiên cứu. Bằng cách
tạo ra một màng bán thấm trên bề mặt rau quả, chitosan có tác dụng làm thay đổi
khí quyển bên trong (thay đổi tính thấm nước, oxy, carbon dioxide) do đó làm giảm
sự thoát hơi nước, giảm tỷ lệ hô hấp, trì hoãn quá trình chín, kéo dài thời gian bảo
quản và kiểm soát thối hỏng ở nhiều loại quả [51-53]. Tác dụng duy trì chất lượng
trái cây của chitosan phụ thuộc phần lớn vào tính chất của màng, loại trái cây, độ
chín cũng như điều kiện bảo quản. Nghiên cứu của Krishna & Rao (2014) bảo quản
ổi bằng chitosan 1% chỉ ra rằng chitosan có tác dụng giảm tỷ lệ hô hấp, giảm hao
hụt khối lượng tự nhiên, màu sắc, độ cứng và chất lượng được duy trì cho đến khi
kết thúc quá trình bảo quản ở nhiệt độ thường trong 7 ngày [54]. Khi sử dụng
o
chitosan nồng độ 2% để bảo quản ổi ở 11 C, ẩm độ 90 – 95%, tránh được các tổn
thất khối lượng, biến màu, không bị giảm lượng axit và vitamin C, kéo dài được
thời gian bảo quản lên 12 ngày [55]. Hossain & Iqbal (2016) bảo quản chuối bằng
chitosan tạo ra từ vỏ tôm kết luận xử lý chuối bằng chitosan 1% có tác dụng làm
giảm hao hụt khối lượng tự nhiên, duy trì được màu sắc, dinh dưỡng và cảm quan,
mức độ nhiễm bệnh, tỷ lệ bệnh giảm và kéo dài thời gian bảo quản chuối 16,6 ngày
ở nhiệt độ thường [56]. Thêm vào đó, chitosan ở trọng lượng phân tử thấp đã được
báo cáo để kiểm soát các bệnh sau thu hoạch trên các loại quả có múi (cam, chanh,
bưởi). Cụ thể, chitosan ức chế đáng kể sự phân hủy các quả có múi do Penicillium
digitatum, Penicillium italicum, Botrydiplodia lecanidion và Botrytis cinerea sau 14
ngày khi bảo quản ở 25°C. Đồng thời, chitosan ở nồng độ từ 0,05-2% làm tăng độ
săn chắc, hàm lượng chất rắn hòa tan, độ axit, hàm lượng axit ascorbic và hàm
lượng nước của quả có múi sau 56 ngày bảo quản ở 15°C [57].
Do khả năng tạo màng tốt của chitosan, nó đã được sử dụng rộng rãi để bảo
vệ, cải thiện chất lượng và kéo dài thời hạn sử dụng của các thực phẩm tươi [58].
Lớp phủ chitosan có thể kéo dài thời gian bảo quản của trái cây và rau quả. Chitosan
tạo thành một lớp màng bán thấm trên bề mặt trái cây, thay đổi sự trao đổi khí giữa
khí quyển bên ngoài và thành phần khí bên trong, làm giảm sự mất hơi nước, và làm
chậm quá trình chín của trái cây. Tốc độ truyền hơi nước của màng chitosan giảm
dần khi nồng độ dung dịch phủ chitosan tăng dần. Chitosan kết hợp với bao bì khí
quyển điều chỉnh (MA) duy trì tốt chất lượng trái cây [59]. Mất nước là một trong
những nguyên nhân chính gây suy giảm chất lượng trái cây, mất nước không chỉ gây
tổn thất trực tiếp về khối lượng, mà còn gây ra tổn thất về ngoại hình (do héo, co rút
bề mặt) và chất lượng dinh dưỡng. Việc giảm khối lượng là kết quả của việc mất
lượng từ các mô trái cây và một phần của quá trình hô hấp [59].
Khi sử dụng chitosan bảo quản các loại rau quả như cà chua, nhãn, táo, xoài,
chuối, ớt chuông, đào, dâu tây, … có thể làm giảm các tổn thất do mất nước [59].
Các loại trái cây khi được xử lý bằng chitosan có thể hạn chế lại quá trình suy giảm
độ cứng, các nghiên cứu cho thấy rằng, khi xử lý với quả đào, quả đào chín chậm
hơn, do đó dẫn đến quả cứng hơn [59]. Theo Hussein và cs. (1998), tỷ lệ thủy phân
protopectin không hóa tan thành pectin đơn giản được tăng lên theo tiến trình của
thời gian lưu trữ [60]. Ngoài ra, hoạt động của Pectinesterase sẽ tăng dần trong quá
trình bảo quản, do đó làm giảm độ cứng của vỏ trái cây và thịt quả trong quá trình
bảo quản quả lê. Việc mất độ cứng của quả xảy ra có liên quan đến sự thoái hóa của
thành tế bào do quá trình phân hủy bởi polygalacturonase, pectinametilesterase và
sự mất nước [59].
10


Việc giảm độ cứng của trái cây tăng theo thời gian bảo quản lạnh trên táo đã
được chứng minh bởi Viskelis và cs. (2011) [61]. Một số ví dụ chỉ ra rằng trong dâu
tây, quả mâm xôi, cà chua, đào, đu đủ và các loại quả khác khi được xử lý bởi
chitosan thì quá trình suy giảm độ cứng đã chậm lại, trái cây cứng hơn so với không
xử lý sau thời gian bảo quản [59].
Độ axit giảm chậm dần vào cuối giai đoạn bảo quản đối với các loại trái cây
được xử lý bằng chitosan điều này liên quan tới sự suy giảm chất lượng vị giác khi
ăn của các loại quả [59, 61]. Giảm axit tổng số trong thời gian bảo quản có thể là do
quá trình phá hủy axit hữu cơ do oxy hóa và axit hữu cơ sử dụng trong quá trình hô
hấp tại các mô trái cây. Nghiên cứu về chu kỳ bảo quản đã được xác định làm tăng
quá trình hô hấp của trái cây tươi [60].
Chitosan khi sử dụng để bảo quản rau quả sẽ tạo ra một màng phủ, lớp phủ
chitosan thường ức chế quá trình sản sinh CO 2, do đó tạo ra ethylene nội sinh. Tác
dụng ức chế của chitosan đối với nấm bệnh bắt nguồn từ sự kết hợp của các đặc tính
kháng nấm và ức chế các yếu tố thuận lợi cho nấm phát triển. Thật vậy, chitosan ức
chế sự tăng trưởng in vitro của nhiều loại nấm, bao gồm một số loài nấm bệnh trên
trái cây và rau quả. Ngoài ra, lớp phủ chitosan bảo vệ trái cây khỏi các tổn thương
cơ học và hàn kín lại các tổn thương nhỏ. Chitosan có thể làm giảm độ nghiêm
trọng của PAL và PPO, sự hóa lỏng do tăng sinh tổng hợp các hợp chất phenolic
hoặc các chất chuyển hóa thứ cấp và SAR [59].
Hoạt tính kháng khuẩn của chitosan do các nhóm amino mang điện tích dương
tương tác với màng tế bào vi khuẩn điện tích âm thúc đẩy tăng tính thấm của màng
và gây ra sự gián đoạn làm chết tế bào. Các nghiên cứu đã chứng minh rằng
chitosan ức chế sự phát triển của nhiều loại vi khuẩn gây hư hỏng và gây bệnh, cũng
như nấm men và nấm mốc. Hoạt tính kháng khuẩn phụ thuộc và loại chitosan, mức
độ diacetyl hóa, trọng lượng phân tử, vi sinh vật đích, pH của môi trường và sự hiện
diện của chất phụ gia hoặc thành phần thực phẩm khác [28, 32, 33].
Tăng tỷ lệ phần trăm nấm gây bệnh trong 0,8% nano – chitosan xuất hiện các
vết hưu hỏng và sẫm màu ở vỏ quả nhưng không gây thối. Vì vậy, nồng độ cao của
vật liệu hạt nano chitosan có thể gây ra tác động xấu đặc biệt là trái cây mềm như
đào [59]. Tác động ức chế của chitosan đối với nấm bệnh nghiên cứu trên đào của
Mohamed Momtaz Gad và cs. (2016) [59] cũng cho các kết quả phù hợp với nghiên
cứu trên táo, trên quả anh đào ngọt, nho và cam hay trên quả đu đủ trên quả đào [62,
63].
Nói chung, nhiều nghiên cứu đã báo cáo rằng, vào cuối giai đoạn bảo quản
hàm lượng axit tổng số tăng lên đối với một số loại rau quả sử dụng chitosan như
dâu tây, cà chua và đào. Trong khi đó, ở một số cây trồng khác như xoài và nhãn, độ
axit giảm dần, đồng thời với sự suy giảm này là sự suy giảm về chất lượng cảm
quan vị giác của rau quả [59, 62]. Sau khi bảo quản, tổng số chất rắn hòa tan (TSS)
của các loại trái cây được xử lý bằng chitosan cũng khác nhau, TSS thấp hơn ở các
mẫu kiểm soát được báo cáo trên quả xoài và chuối phủ chitosan, trong khi giá trị
TSS cao hơn được báo cáo trên quả đào xử lý bằng chitosan. Tuy nhiên, các nghiên
cứu khác cũng báo cáo rằng TSS của đu đủ và quả bí ngòi giống với kết quả ở các
mẫu chưa xử lý [63]. Trong các nghiên cứu đó, hàm lượng vitamin trong quả xoài
giảm dần và thấp hơn so với quả đối chứng. Tuy nhiên, đối với đào, hàm lượng axit
11


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×