Luận án Nghiên cứu ứng dụng vật liệu nano để cải tiến chế phẩm tạo màng Hydroxy-Propyl-methyl-cellulose (HPMC) dùng trong bảo quản quả chuối

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN CƠ ĐIỆN NÔNG NGHIỆP VÀ CÔNG NGHỆ SAU THU HOẠCH -------------------------------------------------------------------------- NGUYỄN THỊ MINH NGUYỆT NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VẬT LIỆU NANO ĐỂ CẢI TIẾN CHẾ PHẨM TẠO MÀNG HYDROXYPROPYL METHYL CELLULOSE DÙNG TRONG BẢO QUẢN QUẢ CHUỐI LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÀ NỘI - THÁNG 6/2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN CƠ ĐIỆN NÔNG NGHIỆP VÀ CÔNG NGHỆ SAU THU HOẠCH ------------------------------------------------------------------------------------------ NGUYỄN THỊ MINH NGUYỆT NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG VẬT LIỆU NANO ĐỂ CẢI TIẾN CHẾ PHẨM TẠO MÀNG HYDROXYPROPYL METHYL CELLULOSE DÙNG TRONG BẢO QUẢN QUẢ CHUỐI Chuyên ngành: Công nghệ sau thu hoạch Mã số: 62.54.01.04 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. Nguyễn Duy Lâm TS. Trần Thị Mai HÀ NỘI – THÁNG 6/2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của bản thân tôi. Các kết quả đƣợc công bố trong luận án là trung thực, chính xác. Tôi xin chịu trách nhiệm hoàn toàn về các số liệu, nội dung đã trình bày trong luận án. Tác giả luận án Nguyễn Thị Minh Nguyệt ii LỜI CẢM ƠN Tôi trân trọng cảm ơn sâu sắc thầy hƣớng dẫn luận án của tôi là PGS.TS Nguyễn Duy Lâm và TS. Trần Thị Mai, những ngƣời đã tâm huyết tận tình hƣớng dẫn, động viên, khích lệ và dành nhiều thời gian giúp tôi trong suốt quá trình học tập và thực hiện nghiên cứu luận án này. Tôi chân thành cảm ơn Lãnh đạo Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch, Lãnh đạo và tất cả đồng nghiệp ở Bộ môn Nghiên cứu công nghệ và thiết bị bảo quản nông sản thực phẩm – nơi tôi công tác, đã tạo nhiều điều kiện về thời gian và cơ sở vật chất cũng nhƣ những chia sẻ kinh nghiệm chuyên môn. Xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo và cán bộ của các đơn vị: Trung tâm Nghiên cứu và Kiểm tra chất lƣợng nông sản thực phẩm - Viện Cơ điện nông nghiệp và Công nghệ sau thu hoạch, Viện Khoa học vật liệu, Viện Công nghiệp thực phẩm, Viện Công nghệ sinh học, Trƣờng Đại học Khoa học tự nhiên đã chỉ dẫn và giúp đỡ tôi rất nhiều trong thực nghiệm và đo lƣờng. Cuối cùng, xin chân thành cảm ơn gia đình tôi đã ủng hộ, giúp đỡ và sẻ chia trong suốt thời gian dài của quá trình thực hiện luận án. Hà Nội, ngày 6 tháng 6 năm 2017 Nguyễn Thị Minh Nguyệt iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................... vii DANH MỤC BẢNG ...................................................................................................... ix DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ................................................................................ x MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết ....................................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................ 3 3. Nội dung nghiên cứu ........................................................................................... 3 4. Ý nghĩa khoa học và giá trị thực tiễn của luận án ............................................ 4 4.1. Ý nghĩa khoa học ................................................................................................... 4 4.2. Giá trị thực tiễn của luận án .................................................................................. 4 5. Điểm mới của luận án ......................................................................................... 4 6. Cấu trúc luận án .................................................................................................. 4 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ......................................................................................... 5 1.1. Công nghệ tạo màng ứng dụng trong bảo quản rau quả tƣơi ......................... 5 1.1.1. Đặc tính của rau quả sau thu hoạch và các phƣơng pháp bảo quản ...................... 5 1.1.2. Công nghệ bảo quản bằng chế phẩm tạo màng và ý nghĩa thực tiễn .................... 7 1.1.3. Các thành phần chính trong chế phẩm tạo màng................................................. 10 1.1.4. Tình hình, triển vọng và xu hƣớng ứng dụng công nghệ tạo màng bảo quản rau quả tƣơi trên thế giới và Việt Nam ....................................................... 13 1.2. Màng HPMC và ứng dụng trong sản xuất chế phẩm tạo màng bảo quản rau quả tƣơi .............................................................................................. 16 1.2.1. Cấu trúc, tính chất và ứng dụng của HPMC trong công nghiệp thực phẩm và dƣợc phẩm ...................................................................................................... 16 1.2.2. Nhƣợc điểm của HPMC và kỹ thuật khắc phục .................................................. 17 1.2.3. Ứng dụng HPMC trong tạo màng bảo quản rau quả tƣơi ................................... 21 1.3. Ứng dụng vật liệu nano để cải tiến tính chất chức năng của HPMC ........... 21 1.3.1. Một số vật liệu nano trong cải tiến màng bao bì thực phẩm ............................... 22 1.3.2. Phƣơng pháp tổng hợp, kỹ thuật đánh giá và ứng dụng hiện nay của nhũ tƣơng nano sáp carnauba, nano chitosan và nano cellulose tinh thể ................... 24 iv 1.4. Bảo quản chuối bằng công nghệ phủ màng ................................................... 31 1.4.1. Đặc điểm sinh trƣởng và phát triển của quả chuối .............................................. 31 1.4.2. Sự hƣ hỏng và tổn thất sau thu hoạch quả chuối ................................................. 32 1.4.3. Các phƣơng pháp bảo quản chuối hiện nay ......................................................... 33 1.4.4. Bảo quản chuối bằng phƣơng pháp phủ màng .................................................... 34 1.5. Luận giải những vấn đề cần nghiên cứu ......................................................... 35 CHƢƠNG 2. VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................ 37 2.1. Nguyên vật liệu .................................................................................................. 37 2.1.1. Hóa chất tổng hợp vật liệu nano và nano compozit ............................................ 37 2.1.2. Hóa chất kiểm tra vi sinh vật và phân tích chuối ................................................ 37 2.2. Địa điểm nghiên cứu .......................................................................................... 37 2.3. Thiết bị nghiên cứu ............................................................................................ 38 2.3.1. Thiết bị tổng hợp vật liệu nano và compozit ....................................................... 38 2.3.2. Thiết bị phân tích vật liệu nano và compozit ...................................................... 38 2.3.3. Thiết bị và dụng cụ phân tích chất lƣợng chuối .................................................. 38 2.4. Phƣơng pháp tổng hợp vật liệu nano và compozit ......................................... 39 2.4.1. Tổng hợp nano nhũ tƣơng sáp carnauba ............................................................. 39 2.4.2. Tổng hợp nano chitosan ...................................................................................... 39 2.4.3. Tổng hợp nano cellulose tinh thể ........................................................................ 39 2.4.4. Tổng hợp các chế phẩm compozit ....................................................................... 40 2.5. Phƣơng pháp xác định đặc tính của vật liệu nano và chế phẩm compozit ............... 40 2.5.1. Kích thƣớc, thế zeta, TEM, SEM, phổ FT-IR, pH của chế phẩm ....................... 40 2.5.2. Độ dày, độ tan trong nƣớc, thời gian khô của màng film compozit .................... 41 2.5.3. Khả năng trao đổi khí CO2 và hơi nƣớc của màng .............................................. 42 2.5.4. Xác định hoạt tính kháng nấm Colletotrichum musae ........................................ 43 2.5.5. Xác định hoạt tính kháng nấm Colletotrichum musae trên quả .......................... 43 2.5.6. Phƣơng pháp chuẩn bị mẫu kiểm tra vi sinh vật ................................................. 44 2.5.7. Phƣơng pháp xác định vi khuẩn hiếu khí tổng số ............................................... 44 2.5.8. Phƣơng pháp xác định nấm men, nấm mốc tổng số ............................................ 44 v 2.6. Phƣơng pháp bố trí thí nghiệm trên quả chuối .............................................. 45 2.6.1. Phƣơng pháp lấy mẫu quả tƣơi theo TCVN 5120-90 ......................................... 45 2.6.2. Chuẩn bị mẫu và phƣơng pháp phủ màng lên quả chuối .................................... 45 2.6.3. Thí nghiệm đánh giá ảnh hƣởng của nano nhũ tƣơng sáp carnauba (CNe) đến tính chất và hiệu lực bảo quản quả chuối của compozit HPMC .................. 45 2.6.4. Thí nghiệm đánh giá ảnh hƣởng của nano chitosan đến tính chất và hiệu lực bảo quản quả chuối của compozit chứa HPMC-CNe ............................ 45 2.6.5. Thí nghiệm đánh giá ảnh hƣởng của nano cellulose tinh thể đến tính chất và hiệu lực bảo quản quả chuối của compozit chứa HPMC-CNe-ChNp ............ 46 2.6.6. Xây dựng mô hình thực nghiệm đánh giá hiệu quả bảo quản của màng phủ tối ƣu đến chất lƣợng bảo quản chuối .......................................................... 46 2.7. Phƣơng pháp phân tích chất lƣợng chuối ....................................................... 47 2.7.1. Các chỉ tiêu cơ lý và sinh lý quả .......................................................................... 47 2.7.2. Các chỉ tiêu sinh hóa............................................................................................ 48 2.7.3. Chỉ tiêu cảm quan ................................................................................................ 48 2.7.4. Xác định tỷ lệ thối hỏng rau quả ......................................................................... 49 2.8. Phƣơng pháp nghiên cứu ảnh hƣởng của từng yếu tố và mối liên kết bậc một bằng ma trận trực giao đối xứng ....................................................... 49 2.8.1. Kế hoạch hóa thực nghiệm bằng ma trận trực giao đối xứng ............................. 49 2.8.2. Phƣơng pháp tối ƣu hóa các yếu tố ảnh hƣởng trong compozit HPMC nhằm nâng cao hiệu quả bảo quản chuối ............................................................. 50 2.9. Phƣơng pháp thống kê và xử lý số liệu ............................................................ 50 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.............................................................. 51 3.1. Tổng hợp và xác định đặc tính của vật liệu nano ........................................... 51 3.1.1. Nano nhũ tƣơng carnauba và đặc tính (kích thƣớc hạt, thế zeta) ........................ 51 3.1.2. Nano chitosan và đặc tính.................................................................................... 51 3.1.3. Nano cellulose tinh thể và đặc tính ..................................................................... 60 3.2. Ảnh hƣởng của nano nhũ tƣơng sáp carnauba (CNe) tới tính chất và hiệu quả bảo quản quả chuối của màng phủ HPMC ..................................... 65 3.2.1. Độ dày của màng compozit HPMC-CNe đổ rời ................................................. 65 3.2.2. Tính thấm hơi nƣớc của màng compozit HPMC-CNe đổ rời ............................. 66 vi 3.2.3. Tính cản thấm khí và thấm nƣớc của màng compozit HPMC-CNe trên quả............ 67 3.2.4. Hiệu quả bảo quản quả chuối của màng HPMC-CNe ......................................... 70 3.3. Ảnh hƣởng của nano chitosan (ChNp) đến tính chất và hiệu quả bảo quản chuối bằng màng compozit HPMC-CNe ............................................... 75 3.3.1. Ảnh hƣởng của ChNp đến tính chất của màng compozit HPMC-CNe-ChNp .......... 75 3.3.2. Tính cản thấm khí, thấm nƣớc của màng HPMC-CNe-ChNp trên chuối ........... 79 3.3.3. Hiệu quả bảo quản quả chuối của màng HPMC-CNe-ChNp .............................. 82 3.4. Ảnh hƣởng của nano cellulose tinh thể (cellulose nanocrystal) tới tính chất và hiệu quả bảo quản quả chuối của màng compozit HPMC-CNe-ChNp ............ 91 3.4.1. Phân tích hình ảnh SEM của màng HPMC-CNe-ChNp-CNC đổ rời ................. 92 3.4.2. Tính chất của màng compozit HPMC-CNe-ChNp-CNC đổ rời ......................... 93 3.4.3. Hiệu quả bảo quản quả chuối của màng compozit HPMC-CNe-ChNp-CNC ............ 98 3.5. Sự phụ thuộc của các thông số chất lƣợng của chuối vào thành phần và nồng độ vật liệu nano trong compozit HPMC ......................................... 107 3.5.1. Ảnh hƣởng của thành phần nano (CNe, ChNp và CNC) đến hàm lƣợng đƣờng tổng số (Y1) ............................................................................................ 111 3.5.2. Ảnh hƣởng của thành phần nano (CNe, ChNp và CNC) đến độ cứng (Y2) ..... 112 3.5.3. Ảnh hƣởng của thành phần nano (CNe, ChNp và CNC) đến hao hụt khối lƣợng tự nhiên (Y3) ............................................................................................ 114 3.5.4. Ảnh hƣởng của thành phần nano (CNe, ChNp và CNC) đến điểm chất lƣợng cảm quan chuối (Y4) ........................................................................ 115 3.5.5. Tối ƣu hóa nồng độ thành phần nano (CNe, ChNp và CNC) phối chế trong màng phủ HPMC ..................................................................................... 116 3.5.6. Hiệu quả ức chế sự phát triển nấm C.musae trên chuối gây nhiễm nhân tạo của màng phủ tối ƣu .................................................................................... 119 3.5.7. Hiệu quả bảo quản của màng phủ tối ƣu đến chất lƣợng bảo quản chuối ......... 121 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................... 123 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ................................................... 125 PHỤ LỤC .................................................................................................................... 137 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Tên viết tắt Tên đầy đủ Tiếng Anh Tên đầy đủ Tiếng Việt 1-MCP 1-Methyl cyclopropene 1-Methyl cyclopropene AI Antimicrobial activity Chỉ số kháng nấm AG Arabic Gum Gôm arabic RNA Ribonucleic acid Axit ribonucleic CA Controled atmosphere Khí kiểm soát CFU/g Colony forming unit per gram Số đơn vị hình thành khuẩn lạc/gram CMC Carboxymethyl cellulose Carboxymethyl cellulose CNB Nhũ tƣơng sáp carnauba CNC Cellulose nanocrystal Nano cellulose tinh thể CNe Carnauba nanoemulsion Nano nhũ tƣơng sáp carnauba CS Chitosan Chitosan ChNp Chitosan nanoparticle Các hạt nano chitosan CS- PMAA Chitosan-Polymethylacrylic acid Hạt nano chitosan-Axit polymethylacrylic DNA Deoxyribonucleic Acid Axit deoxyribonucleic EMAP Equilibrium modified atmosphere packaging Bao gói khí điều biến cân bằng EFSA European Food Standards Agency Cơ quan Tiêu chuẩn Thực phẩm Cộng đồng Châu Âu FDA U.S. Food and Drug Administration Cục quản lý Thực phẩm và Thuốc Hoa Kỳ FT-IR Fourier transform infrared spectroscopy Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier HPMC Hydroxypropyl methyl cellulose Hydroxypropyl methyl cellulose viii ISO International Organization for Standardization Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Quốc tế LbL Layer-by-layer Màng xen lớp MA Modified atmosphere Khí điều biến MAA Methylacrylic acid Axit methylacrylic MAP Modified atmosphere packaging Bao gói khí điều biến MMT Nanosized montmorillonite Montmorillonite kích thƣớc nano Np Nanoparticles Các hạt nano PDA Potato Dextro Agar Môi trƣờng thạch đƣờng khoai tây PCI Peel color index Chỉ số màu sắc vỏ quả PMAA Polymethylacrylic acid Axit polymethylacrylic SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam TEM Transmission electron microscopy Kính hiển vi điện tử truyền qua USEPA US Environmental Protection Agency Cơ quan Bảo vệ Môi trƣờng Hoa Kỳ WHO World Health Organization Tổ chức Y tế Thế giới ix DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Danh mục các chế phẩm tạo màng dùng trong bảo quản rau quả do Đề tài KC.07.04/06-10 sản xuất đã được Bộ Y tế cấp Giấy chứng nhận tiêu chuẩn chất lượng .............................................................................................................. 15 Bảng 1.2. Một số nghiên cứu và độc tính của các hạt nano .................................................. 23 Bảng 1.3. Sự phụ thuộc của độ ổn định của hệ keo vào giá trị thế zeta ................................ 28 Bảng 3.1. Kích thước và thế zeta của hạt ChNp tại các nồng độ K2S2O8 khác nhau ........... 55 Bảng 3.2. Ảnh hưởng của K2S2O8 tới tỉ lệ thu hồi sản phẩm ChNp ....................................... 57 Bảng 3.3. Chỉ số kháng nấm C.musae gây bệnh thán thư trên chuối của ChNp trên môi trường thạch. ......................................................................................................... 58 Bảng 3.4. Kích thước và thế zeta của hạt CNC tại các nồng độ H2SO4 khác nhau ............... 63 Bảng 3.5. Ảnh hưởng của kích thước và nồng độ nhũ tương carnauba tới độ dày màng HPMC ................................................................................................... 66 Bảng 3.6. Chất lượng cảm quan sau bảo quản của chuối được phủ màng HPMC có bổ sung CNe với các kích thước và nồng độ khác nhau ............................................. 74 Bảng 3.7. Ảnh hưởng của ChNp đến độ nhớt của HPMC-CNe-ChNp .................................. 77 Bảng 3.8. Ảnh hưởng của nồng độ ChNp tới độ dày màng compozit HPMC-CNe ..................... 77 Bảng 3.9. Ảnh hưởng của ChNp đến chất lượng cảm quan của chuối phủ màng HPMC-CNe-ChNp sau bảo quản .......................................................................... 89 Bảng 3.10. Ảnh hưởng của nồng độ bổ sung CNC tới tính chất của màng compozit HPMC-CNe-ChNp-CNC ....................................................................................... 94 Bảng 3.11. Chất lượng cảm quan của chuối sau bảo quản ................................................... 106 Bảng 3.12. Giá trị mã hóa và thực nghiệm của các yếu tố thực nghiệm ............................... 108 Bảng 3.13. Kết quả thực nghiệm theo ma trận trực giao đối xứng ........................................... 109 Bảng 3.14. Kết quả phân tích hồi quy .................................................................................... 110 Bảng 3.15. Hiệu quả ức chế sự phát triển nấm C.musae trên chuối gây nhiễm nhân tạo của màng phủ compozit tối ưu .......................................................................... 120 Bảng 3.16. Hiệu quả bảo quản chuối của màng phủ HPMC-CNe-ChNp-CNC (sau 30 ngày bảo quản) .................................................................................................. 121 x DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 3.1. Phân bố kích thước hạt và thế zeta của nano nhũ tương carnauba ........................ 51 Hình 3.2. Phổ FT-IR của dung dịch nano CS-KBr .................................................................. 52 Hình 3.3. Phổ FT-IR của ChNp tại nồng độ 0,2 mmol K2S2O8 ............................................... 52 Hình 3.4. Phổ FT-IR của ChNp tại nồng độ 0,4 mmol K2S2O8 ............................................... 53 Hình 3.5. Phổ FT-IR của ChNp tại nồng độ 0,6 mmol K2S2O8 ............................................... 53 Hình 3.6. Phổ FT-IR của ChNp được tạo ở nồng độ 0,8 mmol K2S2O8 .................................. 53 Hình 3.7. Hình ảnh TEM của nano CS-PMAA ở các nồng độ K2S2O8 khác nhau .................... 54 Hình 3.8. Ảnh hưởng của nồng độ K2S2O8 đến kích thước và thế zeta của hạt ChNp ............ 56 Hình 3.9