Bảo quản rau quả tƣơi có ý nghĩa thực tiễn vô cùng quan trọng về mặt kinh tế
và sức khỏe cộng đồng vì đây là nhóm nông sản có mức tổn thất sau thu hoạch cao
nhất và thƣờng bị nhiễm bẩn vi sinh vật và hóa chất ở mức độ cao, thƣờng xuyên và
khó kiểm soát. Mặt khác, xu hƣớng tiêu dùng rau quả tƣơi trên thế giới hiện nay
tăng và lan tỏa rất nhanh do ngƣời tiêu dùng nhận thức ngày càng đầy đủ về vai trò
sống còn của các chất dinh dƣỡng vi lƣợng và hoạt chất sinh học của các thực phẩm
tự nhiên nguồn gốc thực vật.
Tổn thất sau thu hoạch rau quả ở Việt Nam hiện vẫn còn rất cao do bản chất
của rau quả tƣơi rất nhanh chóng bị hƣ hỏng sau khi thu hái. Thêm vào đó, vi sinh
vật nhiễm bẩn trƣớc, trong và sau thu hoạch cũng góp phần rất lớn làm hỏng cấu
trúc và gây thối hỏng rau quả. Các hiện tƣợng này lại càng trở nên trầm trọng hơn
trong điều kiện khí hậu nhiệt đới nóng ẩm của nƣớc ta. Trong khi đó, Việt Nam vẫn
còn là một nƣớc nghèo, đang rất thiếu công nghệ thích ứng cho bảo quản nông sản,
trong đó có rau quả tƣơi. Ngay cả phƣơng pháp bảo quản lạnh đã rất phổ biến trên
thế giới thì hiện tại vẫn chƣa thể áp dụng đƣợc nhiều ở trong nƣớc vì vốn đầu tƣ vẫn
là trở ngại lớn ở các quy mô sản xuất nhỏ. Tồn dƣ hóa chất trong rau quả ở mức cao
do sử dụng tùy tiện về chủng loại và liều lƣợng hóa chất độc hại trong sản xuất và
trong bảo quản thực sự đang là mối lo ngại của toàn xã hội. Do vậy, việc đề xuất
giải pháp kỹ thuật bảo quản rau quả tƣơi mang tính khả thi xét theo nhiều mặt sẽ
thực sự có ý nghĩa lớn và rất cấp thiết
219 trang |
Chia sẻ: thientruc20 | Lượt xem: 455 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu 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, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
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