Đề tài Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano trong công nghiệp thực phẩm

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM KHOA KHOA HỌC CƠ BẢN BỘ MÔN: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU KHOA HỌC  ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ NANO TRONG CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM GVHD: TS HOÀNG VĂN HUỆ SVTH: NGUYỄN THỊ TRÚC ANH 2005100001 LÊ DOÃN HÀO KIỆT 2005100159 NGUYỄN HOÀNG PHÚC 2005100031 HUỲNH TẤN ĐẠT 2005100054 VÕ MINH TRÍ 2008100088 NGUYỄN TẤN PHÚC 2005100040 PHẠM QUỐC HUY 2005100171 TP.HỒ CHÍ MINH - 2012 Ý kiến của giáo viên hướng dẫn Ý KIẾN CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- ---------------------------------------------------------------------------------------------------------- Thành phố Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2012 Chữ ký của giáo viên hướng dẫn MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI NÓI ĐẦU DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ........................................................................... 1 DANH SÁCH CÁC HÌNH .................................................................................. 2 DANH SÁCH CÁC BẢNG ................................................................................. 3 MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 4 1. Yêu cầu thực tế và lý do chọn đề tài ........................................................ 4 2. Mục đích nghiên cứu ............................................................................... 4 3. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu .................................................... 5 4. Kết cấu của bài tiểu luận .......................................................................... 5 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU ............................................................. 6 1.1. Tổng quan về lý thuyết công nghệ nano ................................................. 6 1.1.1. Khái niệm ..................................................................................... 6 1.1.2. Phân loại vật liệu nano .................................................................. 6 1.1.3. Cơ sở khoa học của công nghệ nano.............................................. 7 1.1.3.1. Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử........ 7 1.1.3.2. Hiệu ứng bề mặt .................................................................. 7 1.1.3.3. Kích thước tới hạn ............................................................... 7 1.1.3.4. Hướng ứng dụng chung ....................................................... 8 CHƯƠNG 2. SƠ LƯỢC VỀ ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ NANO TRONG THỰC PHẨMỞ CÁC QUỐC GIA TRÊN THẾ GIỚI ...................................... 10 2.1. Công nghệ nano thực phẩm tại Mỹ ......................................................... 10 2.2. Công nghệ nano thực phẩm tại Nhật và Trung Quốc .............................. 11 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ NANO TRONG CÔNG NGHIỆPTHỰC PHẨM TẠI VIỆT NAM...... 14 3.1. Sơ lược về lịch sử công nghệ nano thực phẩm tại Việt Nam ................... 14 3.2. Các ứng dụng và hướng phát triển của công nghệ nano trong công nghiệp thực phẩm ở nước ta .............................................................................................. 14 3.2.1. Ứng dụng công nghệ nano trong trồng trọt chăn nuôi ...................... 14 3.2.2. Ứng dụng công nghệ nano trong đóng gói, bao bì đựng thực phẩm . 17 3.2.3. Thực phẩm hạt nano ........................................................................ 18 3.2.4. . Ứng dụng nano vào “pin cây xanh” ............................................... 20 3.3. Ưu nhược điểm khi sử dụng CNNN trong thực phẩm ............................. 21 3.3.1. Ưu điểm .......................................................................................... 21 3.3.2. Nhược điểm .................................................................................... 22 3.4. Hướng phát triển mới cho công nghiệp nano thực phẩm ở nước ta ......... 23 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 28 LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian dài thực hiện bài tiểu luận, đến nay, mọi công việc liên quan đến bài tiểu luận đề đã hoàn tất. Trong suốt thời gian này, chúng tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ. Ở phần đầu tiên của bài luận, cho phép chúng tôi có đôi điều gửi đến những người chúng tôi vô cùng biết ơn. Xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy Hoàng Văn Huệ, người đã tận tình hướng dẫn, động viên và giúp đỡ chúng tôi trong suốt thời gian qua. Nếu không có những lời chỉ dẫn, những tài liệu, những lời động viên khích lệ của Thầy thì bài luận này khó lòng hoàn thiện được. Cũng xin gửi lời cảm ơn đến ba mẹ, những người đã luôn hỗ trợ, theo sát chúng tôi trong suốt thời gian quá. Xin tri ân tất cả các Thầy, Cô, những người dày công dạy dỗ, truyền cho chúng tôi rất nhiều tri thức quý báu. Cảm ơn tất cả bạn bè của chúng tôi, những người đã sát cánh cùng vui những niềm vui, cùng chia sẻ những khó khăn của chúng tôi và giúp đỡ chúng tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện tiểu luận. Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2012 Nhóm sinh viên thực hiện LỜI NÓI ĐẦU Ngành công nghiệp thực phẩm từ lâu đã có vai trò rất quan trọng đời sống của người tiêu dùng trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng. Vì một trong những nhu cầu hằng ngày mà con người ta không thể thiếu đó chính là vấn đề ăn uống, sinh hoạt...Bên cạnh sự phát triển nhanh chóng của nền công nghiệp hiện nay cũng để lại cho xã hội nhiều vấn đề cần được quan tâm hơn, trong đó có vấn đề về vệ sinh an toàn thực phẩm cũng như những loại thực phẩm có dinh dưỡng cao mà con người ngày nay đang hướng tới. Thực phẩm nano, một loại thực phẩm có hàm lượng dinh dưỡng rất cao và an toàn về vệ sinh thực phẩm đang là lựa chọn của người tiêu dùng trong tương lai không xa. Để có thể làm ra được những loại thực phẩm giàu dinh dưỡng như vậy cần rất nhiều yếu tố như: công nghệ hiện đại, trình độ khoa học kỹ thuật cao...nhưng nhìn chung những yếu tố này đang là rào cản đối với việc nghiên cứu cũng như ứng dụng, khai thác công nghệ này để sản xuất ra các loại thực phẩm nano phục vụ cho nhu cầu hiện tại và tương lai của con người. Bài nghiên cứu: “ Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano trong công nghiệp thực phẩm” được thực hiện xoay quanh các vấn đề hiện nay về công nghệ nano được ứng dụng trong ngành công nghiệp thực phẩm ở nước ta, qua đó có những định hướng cũng như hướng phát triển tiếp theo dành cho ngành công nghiệp khá mới mẻ này. Dù đã cố gắng rất nhiều nhưng do giới hạn về kiến thức cũng như những sai sót trong quá trình thực hiện là không thể tránh khỏi. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của Thầy và các bạn để những bài nghiên cứu về sau sẽ đầy đủ và ít sai sót hơn. TẬP THỂ NHÓM 1 DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT BASF Badische Anilin- und Soda-Fabrik CNNN Công nghệ nano CHIP Dự án bảo vệ gà mái và gà thịt chống lại bệnh truyền nhiễm. DKK Danskinut koruuni HAuCl4 Chloroauric acid H5N1 Highly pathogenic avian influenza virus of type A of subtype H5N1 HIV Human Immunodeficiency Virus Nm Nanomet E.Coli Escherichia coli OMG OMEGA USD United States Dollar SiO2 Silic Diocide 2 DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 2.1 Tường gạch nano bằng đất sét................................................................ 10 Hình 2.2. β agonist dưới kính hiển vi điện tử ......................................................... 12 Hình 3.1. Ngô được đóng gói bằng công nghệ nano .............................................. 17 Hình 3.2. Giấy bọc thực phẩm phát hiện vi khuẩn E.coli ....................................... 18 Hình 3.3. Thực phẩm hạt nano .............................................................................. 19 Hình 3.4. Pin cây xanh .......................................................................................... 21 3 DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1.1. Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu .................................... 8 Bảng 3.1. Các ứng dụng công nghệ Nano phục vụ Tám mục tiêu Phát triển Thiên niên kỷ........................................................................................................................... 24 Phương pháp nghiên cứu khoa học Mở đầu 4 MỞ ĐẦU 1. Yêu cầu thực tế và lý do chọn đề tài Khoa học, công nghệ nano là một lĩnh vực khoa học và công nghệ mới, phát triển rất nhanh chóng. Vật liệu được chế tạo bằng công nghệ này thể hiện nhiều tính chất mới lạ do hiệu ứng kích thước. Khoa học và công nghệ nano trên cơ sở kết hợp đa ngành đã tạo nên cuộc cách mạng về khoa học kỹ thuật. Hiện nay, nhiều quốc gia trên thế giới xem công nghệ nano là mục tiêu mũi nhọn để đầu tư phát triển. Ước tính tổng đầu tư cho lĩnh vực công nghệ nano trên toàn thế giới xấp xỉ 3 tỷ đôla và đã có hàng trăm sản phẩm của công nghệ nano được thương mại, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như điện tử, hóa học, y sinh, môi trường, thực phẩm... Trong công nghiệp thực phẩm cũng vậy, nước ta đang có những bước chuyển mình rõ rệt trong việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ nano trong công nghiệp thực phẩm. Đây là một ngành công nghiệp khá mới mẻ ở nước ta, đòi hỏi rất lớn về tài chính kinh tế cũng như khả năng chuyển giao công nghệ của nước ta. Do là một ngành công nghiệp mang tính chất công nghệ và mức độ phức tạp cao nên hiện nay rất ít những tổ chức, cá nhân nghiên cứu về vấn đề này. Hiểu được tầm quan trọng khi nước ta áp dụng công nghệ này một cách triệt để nên chúng tôi quyết định chọn đề tài: “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ NANO TRONG THỰC PHẨM” để phần nào đưa công nghệ này vào áp dụng rộng rãi ở nước ta, đồng thời thúc đẩy cho ngành công nghiệp thực phẩm nước ta phát triển mạnh mẽ và xứng tầm với các nước trong khu vực cũng như trên thế giới. 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của đề tài đặt ra là xây dựng được hoàn chỉnh lý thuyết về công nghệ nano trong thực phẩm cũng như khả năng ứng dụng rộng rãi công nghệ này trong sản xuất công nghiệp nói chung và công nghiệp thực phẩm nói riêng. Hướng đi cụ thể mà chúng tôi hướng đến đó là khả năng chấp nhận một công nghệ mới, một sản phẩm mới mà trước đây người tiêu dùng chưa từng biết đến và hướng phát triển tiếp theo của công nghệ này trong tương lai không xa ở Việt Nam. Phương pháp nghiên cứu khoa học Mở đầu 5 3. Đối tượng và phương pháp nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là các lý thuyết về công nghệ nano nói riêng và công nghệ thực phẩm nói chung, các ứng dụng chính của công nghệ nano trong thực phẩm và hướng phát triển mới được áp dụng cụ thể ở Việt Nam chúng ta. Phương pháp nghiên cứu trong bài tiểu luận này được dùng chủ yếu là phương pháp diễn dịch, bên cạnh đó cũng phối hợp các phương pháp khác như quy nạp và thuyết minh nhằm làm rõ vấn đề được nghiên cứu và giúp người đọc có cái nhìn tổng quát hơn về công nghệ mới này. 4. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của đề tài được thực hiện trong phạm vi công nghiệp thực phẩm tại Việt Nam. 5. Kết quả và dự kiến thu được Kết quả dự kiến thu được sau nghiên thực hiện nghiên cứu là khả năng áp dụng rộng rãi công nghệ này trong ngành công nghiệp thực phẩm tại nước ta, bên cạnh đó thúc đẩy sản xuất, nâng cao năng suất chất lượng thực phẩm, giải quyết vấn đề an ninh lương thực thực phẩm tại nước ta. 6. Kết cấu của bài tiểu luận Tiểu luận với đề tài: “NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ NANO TRONGCÔNG NGHIỆPTHỰC PHẨM” được thực hiện với ba chương chính: Chương 1: Tổng quan tài liệu Chương 2: Sơ lược về ứng dụng của công nghệ nano trong thực phẩm ở các quốc gia trên thế giới. Chương 3: Nghiên cứu ứng dụng và hướng phát triển công ngệ nano trong công nghiệp thực phẩm tại Việt Nam. Phương pháp nghiên cứu khoa học Chương 1. Tổng quan tài liệu 6 CHƯƠNG 1.TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 Tổng quan về lý thuyết công nghệ nano 1.1.1 Khái niệm Công nghệ nano (tiếng Anh: nanotechnology) là ngành công nghệ liên quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ thống bằng việc điều khiển hình dáng, kích thước trên quy mô nanômét (nm, 1 nm = 10-9 m). Ranh giới giữa công nghệ nano và khoa học nano đôi khi không rõ ràng, tuy nhiên chúng đều có chung đối tượng là vật liệu nano. Công nghệ nano bao gồm các vấn đề chính sau đây: - Cơ sở khoa học nano - Phương pháp quan sát và can thiệp ở qui mô - Chế tạo vật liệu nano - Ứng dụng vật liệu nano 1.1.2 Phân loại vật liệu nano Vật liệu nano là vật liệu trong đó ít nhất một chiều có kích thước nano mét. Về trạng thái của vật liệu, người ta phân chia thành ba trạng thái, rắn, lỏng và khí. Vật liệu nano được tập trung nghiên cứu hiện nay, chủ yếu là vật liệu rắn, sau đó mới đến chất lỏng và khí. Về hình dáng vật liệu, người ta phân ra thành các loại sau: - Vật liệu nano không chiều (cả ba chiều đều có kích thước nano) Ví dụ: đám nano, hạt nano... - Vật liệu nano một chiều là vật liệu trong đó một chiều có kích thước nano Ví dụ: dây nano, ống nano,... - Vật liệu nano hai chiều là vật liệu trong đó hai chiều có kích thước nano Ví dụ: màng mỏng,... Phương pháp nghiên cứu khoa học Chương 1. Tổng quan tài liệu 7 Ngoài ra còn có vật liệu có cấu trúc nano hay nanocomposite trong đó chỉ có một phần của vật liệu có kích thước nm, hoặc cấu trúc của nó có nano không chiều, một chiều, hai chiều đan xen lẫn nhau. 1.1.3 Cơ sở khoa học của Công nghệ nano Có ba cơ sở khoa học để nghiên cứu công nghệ nano: 1.1.3.1. Chuyển tiếp từ tính chất cổ điển đến tính chất lượng tử Đối với vật liệu vĩ mô gồm rất nhiều nguyên tử, các hiệu ứng lượng tử được trung bình hóa với rất nhiều nguyên tử (1 micrômét có khoảng 1012 nguyên tử) và có thể bỏ qua các thăng giáng ngẫu nhiên. Nhưng các cấu trúc nano có ít nguyên tử hơn thì các tính chất lượng tử thể hiện rõ ràng hơn. Ví dụ một chấm lượng tử có thể được coi như một đại nguyên tử, nó có các mức năng lượng giống như một nguyên tử. 1.1.3.2. Hiệu ứng bề mặt Khi vật liệu có kích thước nm, các số nguyên tử nằm trên bề mặt sẽ chiếm tỉ phần đáng kể so với tổng số nguyên tử. Chính vì vậy các hiệu ứng có liên quan đến bề mặt, gọi tắt là hiệu ứng bề mặt sẽ trở nên quan trọng làm cho tính chất của vật liệu có kích thước nm khác biệt so với vật liệu ở dạng khối. 1.1.3.3. Kích thước tới hạn Các tính chất vật lý, hóa học của các vật liệu đều có một giới hạn về kích thước. Nếu vật liệu mà nhỏ hơn kích thước này thì tính chất của nó hoàn toàn bị thay đổi. Người ta gọi đó là kích thước tới hạn. Vật liệu nano có tính chất đặc biệt là do kích thước của nó có thể so sánh được với kích thước tới hạn của các tính chất của vật liệu. Ví dụ điện trở của một kim loại tuân theo định luật Ohm ở kích thước vi mô mà ta thấy hàng ngày. Nếu ta giảm kích thước của vật liệu xuống nhỏ hơn quãng đường tự do trung bình của điện tử trong kim loại, mà thường có giá trị từ vài đến vài trăm nm, thì định luật Ohm không còn đúng nữa. Lúc đó điện trở của vật có kích thước nano sẽ tuân theo các quy tắc lượng tử. Không phải bất cứ vật liệu nào có kích thước nano đều có tính chất khác biệt mà nó phụ thuộc vào tính chất mà nó được nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu khoa học Chương 1. Tổng quan tài liệu 8 Bảng 1.1 Độ dài tới hạn của một số tính chất của vật liệu. 1.1.3.4. Hướng ứng dụng chung Các cấu trúc nano có tiềm năng ứng dụng làm thành phần chủ chốt trong những dụng cụ thông tin kỹ thuật có những chức năng mà truớc kia chưa có. Chúng có thể đuợc lắp ráp trong những vật liệu trung tâm cho điện từ và quang. Những vi cấu trúc Phương pháp nghiên cứu khoa học Chương 1. Tổng quan tài liệu 9 này là một trạng thái độc nhất của vật chất có những hứa hẹn đặc biệt cho những sản phẩm mới và rất hữu dụng. Nhờ vào kích thuớc nhỏ, những cấu trúc nano có thể đóng gói chặt lại và do đó làm tăng tỉ trọng gói (packing density). Tỉ trọng gói cao có nhiều lợi điểm: tốc độ xử lý dữ liệu và khả năng chứa thông tin gia tăng. Tỉ trọng gói cao là nguyên nhân cho những tương tác điện và từ phức tạp giữa những vi cấu trúc kế cận nhau. Đối với nhiều vi cấu trúc, đặc biệt là những phân tử hữu cơ lớn, những khác biệt nhỏ về năng luợng giữa những cấu hình khác nhau có thể tạo được các thay đổi đáng kể từ những tương tác đó. Vì vậy mà chúng có nhiều tiềm năng cho việc điều chế những vất liệu với tỉ trọng cao và tỉ số của diện tích bề mặt trên thể tích cao, chẳng hạn như bộ nhớ (memory). Những phức tạp này hoàn toàn chưa đuợc khám phá và việc xây dựng những kỹ thuật dựa vào những vi cấu trúc đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc khoa học căn bản tìm ẩn trong chúng. Những phức tạp này cũng mở đuờng cho sự tiếp cận với những hệ thống không tuyến tính phức tạp mà chúng có thể phô bày ra những lớp biểu hiện (behavior) trên căn bản khác với những lớp biểu hiện của cả hai cấu trúc phân tử và cấu trúc ở quy mô micrômét. Khoa học nano là một trong những biên giới của khoa học chưa được thám hiểm tường tận. Nó hứa hẹn nhiều phát minh kỹ thuật lý thú nhất. Phương pháp nghiên cứu khoa học Chương 2.CNNN ở các nước trên thế giới 10 CHƯƠNG 2. SƠ LƯỢC VỀ ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ NANO TRONG THỰC PHẨM Ở CÁC QUỐC GIA TRÊN THẾ GIỚI 2.1. Công nghệ nano thực phẩm tại Mỹ Dùng đất sét bảo quản thực phẩm Một nhóm các nhà nhà khoa học Mỹ đến từ trường Đại học Texas A&M mới đây tuyên bố đã có thể xây một bức "tường gạch nano" với 2/3 thành phần là đất sét để bảo vệ thực phẩm tránh bị ôi thiu hay hư hỏng trong thời gian dài hơn so với các loại bao bì hiện tại. Hình 2.1. Tường gạch nano bằng đất sét Bằng cách sử dụng một màng "gạch nano" bao gồm 70% là đất sét (phần còn lại làm từ các vật liệu polymer khác nhau), các nhà khoa học Mỹ phát hiện họ có thể bọc ngoài lớp bao bì hiện có và giữ cho thực phẩm tươi sống và nguyên hương vị lâu hơn. Tấm màng dày không quá 100 nanomét dày (mỏn