Các đặc tính màng chống thấm sinh học Chitosan kết hợp với Lignin thu hồi từ bã mía
Vietnam J. Agri. Sci. 2021, Vol. 19, No. 7: 932-941
Tạp chí Khoa học Nông nghiệp Việt Nam 2021, 19(7): 932-941
CÁC ĐẶC TÍNH MÀNG CHỐNG THẤM SINH HỌC CHITOSAN KẾT HỢP VỚI LIGNIN
THU HỒI TỪ BÃ MÍA
Chu Thị Thanh1*, Nguyễn Thị Tuyết2, Nguyễn Ngọc Kiên1,
Ngô Thị Thương1, Nguyễn Thị Bích Thủy3, Lê Thị Thu Hương1
1Khoa Môi trường, Học viện Nông nghiệp Việt Nam
2 Sinh viên K60, Khoa Công nghệ thực phẩm, Học viện Nông nghiệp Việt Nam
3Trường THPT Quang Hà, Vĩnh Phúc
*Tác giả liên hệ: chuthithanh.hus@gmail.com
Ngày nhận bài: 25.11.2019
Ngày chấp nhận đăng: 23.04.2021
TÓM TẮT
Hiện nay nhu cầu toàn xã hội trong sự phát triển các loại màng sinh học dễ phân hủy để thay thế vật liệu nhựa
tổng hợp ngày càng tăng lên nhanh chóng. Mục tiêu của nghiên cứu này là thu hồi lignin từ bã mía - phụ phẩm của
ngành sản xuất mía đường bằng phương pháp thủy phân kiềm để tổng hợp ra các loại màng sinh học từ chitosan và
lignin góp phần hạn chế ô nhiễm môi trường. Kết quả nghiên cứu cho thấy lignin được tách ra từ bã mía sau 2h thủy
phân với tỉ lệ NaOH/bã mía (1/10 w/w) và kết tủa bằng dung dịch axit tại pH = 2. Các màng tạo thành được đo các đặc
tính: độ ẩm, độ dày, lực phá vỡ và khả năng chống thấm nước. Trong đó, màng được tạo thành từ chitosan và lignin
theo tỉ lệ thể tích (1C:1L v/v), độ dày màng từ 27,19-30,13µm, lực phá vỡ màng 259.000-312.000 N/m2 có khả năng
chống thấm nước tốt nhất và kháng khuẩn với chủng vi sinh vật Escherichia coli và Staphylococcus aureus.
Từ khóa: Bã mía, chitosan, lignin, màng chống thấm, màng sinh học.
Properties of Biological Waterproof Films Combination Chitosan
and Lignin Extracted from Sugarcane Bagasse
ABSTRACT
Currently, the global demand for development of biodegradable films to replace synthetic plastic materials has
been rapidly increased. In this study, we aimed to extract lignin from sugarcane bagasse by-products of the
sugarcane industry in order to fabricate biological membranes from chitosan and lignin to reduce environmental
pollution. The results revealed that lignin was successfully extracted from sugarcane bagasse by alkaline hydrolysis
method in 2h with weight ratio NaOH/ sugarcane bagasse of 1:10 w/w and precipitation at pH = 2 by acidic solution.
Properties of films were measured: moisture, film thickness, tensile strength and waterproof. The biological
waterproof films were synthesized from chitosan and lignin with a volume ratio (1C:1L v/v), the film thickness of
27,19-30,13µm and the tensile strength of 259.000-312.000 N/m2 and antimicrobial activity with Escherichia coli and
Staphylococcus aureus.
Keywords: Biological films. chitosan, lignin, sugarcane bagasse, waterproof membranes.
phẩm. Các loại màng PE, PVC, PET và PE khi
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
sản xuất thường được thêm các chất hóa dẻo
Các loại màng bọc và túi được tạo ra từ quá
trình polyme hóa etilen và vinyl clorua tạo ra
các túi nilon PE, PVC sử dụng rất rộng rãi ở
hầu hết các nước trên thế giới với ưu điểm rất rẻ
tiền, nhẹ, thuận tiện sử dụng, có khả năng tạo
hình đa dạng để bao bọc và đóng gói các sản
DEHA, LDPE, DEHP… thuộc nhóm phthalates
(PAEs) từ 10% tới 60% khối lượng màng nhằm
cải tiến khả năng đàn hồi, khả năng kéo giãn và
dễ tạo hình (Giuliani & cs., 2020). Các chất
phtalates là những chất cấm sử dụng do tác
động đến hormone gây rối loạn nội tiết, ảnh
932
Chu Thị Thanh, Nguyễn Thị Tuyết, Nguyễn Ngọc Kiên, Ngô Thị Thương, Nguyễn Thị Bích Thủy, Lê Thị Thu Hương
Lignin hay còn gọi linhin là một hợp chất
cao phân tử có cấu trúc vô định hình chiếm
khoảng 1/3 sinh khối của cây trồng. Đây là một
loại polyme phức tạp, bao quanh tế bào thực
vật, tạo độ cứng cho cây trồng. Hàm lượng lignin
trong gỗ khoảng 20-40% (Novaes & cs., 2010),
bã mía khoảng 25-32% (Haghdan & cs., 2016),
rơm rạ khoảng 20% (Vũ Đình Ngọ & cs., 2017)...
Trong ngành công nghiệp sản xuất giấy và bột
giấy, quá trình sản xuất khi bột gỗ được xử lí
kiềm để tách lấy xenlulo còn sinh ra một lượng
lớn chất thải hữu cơ chứa lignin trong dung dịch
bị thải bỏ gây ô nhiễm môi trường.
hưởng đến sức khỏe sinh sản, gây ung thư và
rất khó phân hủy phải mất từ 200-500 năm mới
có thể phân hủy một túi nilon trong môi trường
tự nhiên, do vậy gây ảnh hưởng rất lớn đến môi
trường và sức khỏe con người. Tại hội thảo khoa
học Kiểm soát ô nhiễm môi trường do sử dụng
túi nilon khó phân hủy năm 2018 tại Quy Nhơn,
các nhà khoa học dùng cụm từ “ô nhiễm trắng”
để nói về hiện tượng ô nhiễm do túi nilon gây ra
thảm họa đối với môi trường. Trên thế giới và cả
ở Việt Nam, việc hạn chế sử dụng và tiến tới
thay thế các bao bì, túi nilon bằng các loại vật
liệu mới an toàn, thân thiện với sức khỏe và môi
trường đang ngày càng được quan tâm (Rai &
cs., 2017).
Bã mía là một trong những loại sợi phong
phú và có sẵn trong tự nhiên, một phụ phẩm từ
các nhà máy mía đường sau khi ép mía để sản
xuất đường. Trong bã mía chủ yếu chứa
cellulose, hemicellulose và lignin được kết nối
với nhau tạo thành tế bào vững chắc Trên thế
giới, lượng bã mía những năm gần đây lên tới
1,7 × 103 triệu tấn/năm. Bzazil là nước sản xuất
mía lớn nhất thế giới, lượng bã mía ghi nhận tới
175 triệu tấn/năm vào năm 2011. Ở nhiều nước
như Mỹ, Cuba, Ai Cập đã sử dụng bã mía làm
bột giấy và sản xuất giấy công nghiệp, vật liệu
ván ép, sản xuất hộp đựng thực phẩm thay thế
hộp xốp (Motaung & cs., 2017). Việt Nam cũng
là quốc gia xuất khẩu mía đường lớn thứ 4 trong
khu vực Đông Nam Á. Lượng bã mía thải ra mỗi
năm rất lớn nếu không được xử lý sẽ gây ô
nhiễm môi trường. Do đó, nếu bã mía được tận
dụng để tạo các sản phẩm như giấy, hộp đựng
thực phẩm, màng bọc thực phẩm, nhiên liệu
sinh học… vừa mang lại giá trị kinh tế vừa góp
phần giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trường.
Trong quá trình sản xuất giấy từ bã mía, các
nhà máy chỉ quan tâm lấy bột giấy bã mía còn
phần nước thải chứa một lượng lớn lignin
thường không được tận dụng mà xả ra môi
trường gây ô nhiễm môi trường nước.
Chitosan là một polysaccharide mạch
thẳng, có nguồn gốc từ các thành phần cấu trúc
của vỏ các loài giáp xác như tôm, cua… đã được
nhiều nhóm nghiên cứu làm màng bảo quản
thực phẩm do có đặc tính kháng khuẩn, kháng
nấm tự nhiên (Châu Văn Minh & Bùi Văn
Miên, 1997). Màng bọc thực phẩm được tạo ra
bằng cách kết hợp chitosan và các chất khác
nhau như glycerol, gelatin, polysaccharide, tinh
bột để cải tiến tính chất vật lý và cơ học của
màng: Màng chitosan kết hợp glycerol (Lê Hồ
Khánh Hỷ & cs., 2016; Priyadarshi & cs., 2018),
màng chitosan-gelatin (Lê Thị Minh Thùy,
2008; Atmaka & cs., 2018). Màng chitosan kết
hợp tinh bột ngô (Bof & cs., 2016). Sự kết hợp
giữa lignin và chitosan để tạo màng bao gói thực
phẩm có khả năng kháng khuẩn Gram âm và
Gram dương đã được chứng minh trong nghiên
cứu của Sudheer Rai (Rai & cs., 2017). Các
màng bọc từ chitosan đã được chứng minh có
khả năng bảo quản các loại trái cây, bảo quản
các loại hải sản, cá ngừ, thực phẩm tươi sống,
trứng và thịt… màng bọc chitosan vừa giúp kéo
dài thời gian bảo quản mà không cần sử dụng
các hóa chất, đồng thời giảm tỉ lệ thất thoát
chất dinh dưỡng so với màng nilon do khi tạo
thành lớp phủ chặt chẽ (Lê Hồ Khánh Hỷ & cs.,
2016; Lê Thị Minh Thùy & cs., 2008; Muxika &
cs., 2017). Màng chitosan có khả năng ngăn cản
được các phân tử khí xuyên qua, đồng thời do có
khả năng kháng nấm và kháng khuẩn tự nhiên
(Muxika & cs., 2017; Trần Thị Luyến & Lê
Thanh Long, 2007).
Trên thế giới và Việt Nam, các loại màng
bọc thực phẩm được tạo ra từ chitosan kết hợp
với phụ gia như gelatin, glycerol, tinh bột… đã
được nhiều tác giả nghiên cứu. Tuy nhiên, ở Việt
Nam chưa có công trình nghiên cứu về khả năng
tạo màng giữa chitosan và lignin được công bố.
Do đó, nghiên cứu được thực hiện với mục tiêu
thu hồi lignin từ bã mía theo phương pháp thủy
933
Các đặc tính màng chống thấm sinh học chitosan kết hợp với lignin thu hồi từ bã mía
phân kiềm, đồng thời kết hợp giữa lignin với
chitosan để tạo màng sinh học có khả năng
chống thấm và kháng khuẩn tốt có thể ứng
dụng trong đời sống.
dịch và sấy khô. Cân khối lượng lignin rắn thu
được sau khi sấy.
TN2. Khảo sát thời gian thủy phân bã mía
Chuẩn bị 4 cốc chịu nhiệt có dung tích
2.000ml, cho vào mỗi cốc 5g NaOH rắn sau đó
thêm vào các cốc 700ml nước cất và 50g bã mía
khuấy đều. Đun sôi hỗn hợp bã mía trong cốc
theo khoảng thời gian khảo sát là 30 phút; 1h;
2h; 3h. Hút 80ml dung dịch sau thủy phân cho
vào cốc thủy tinh, thêm từ từ dung dịch H2SO4
10% đến pH = 2 để tách lignin ra khỏi dung
dịch. Ly tâm tách phần kết tủa ra khỏi dung
dịch và sấy khô thu khối lượng ligin rắn.
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Vật liệu
Toàn bộ thân mía sau khi được cạo lớp vỏ
mỏng bên ngoài, cho qua máy ép để lấy nước
bán tại các cửa hàng nước mía ở khu vực Gia
Lâm, phần bã mía còn lại được thu gom đem về
phòng thí nghiệm rửa sạch dưới vòi nước, cắt
thành các đoạn ngắn cỡ 2-3cm, sấy khô ở nhiệt
độ 70C trong 24h đến độ ẩm 15%. Bã mía khô
cho vào máy nghiền nhỏ và rây qua rây có kích
thước lỗ sàng 5mm. Bột bã mía được bảo quản
trong túi nilon kín.
TN3. Khảo sát tỉ lệ NaOH/bã mía
Lấy 3 cốc thủy tinh chịu nhiệt dung tích
2000ml đánh số thứ tự từ 1 đến 3. Cân lần lượt
2,5g , 5g và 10g NaOH rắn cho vào từng cốc
tương ứng, sau đó thêm 700ml nước cất và 50g
bã mía (tương đương với các tỉ lệ khối lượng
NaOH/ bã mía 1/20, 1/10 và 1/5 w/w). Tiến hành
đun sôi hỗn hợp bã mía trong thời gian 2h sau
đó hút 80ml dung dịch sau thủy phân và thêm
từ từ dung dịch axit H2SO4 10% đến pH = 2 để
kết tủa lignin. Ly tâm tách kết tủa và sấy khô
để thu lignin rắn.
Hóa chất sử dụng: Bột chitosan được mua từ
công ty TNHH MTV chitosan VN, NaOH, H2SO4,
axit axetic (độ tinh khiết phân tích 99,9%).
Dung dịch chitosan 2% (w/v) được chuẩn bị
bằng cách hòa tan 2g chitosan trong 100 ml
dung dịch axit axetic 2%, khuấy đều và để qua
đêm cho chitosan tan hoàn toàn (Lê Hồ Khánh
Hỷ & cs., 2016; Rai & cs., 2017).
2.2.2. Nghiên cứu quá trình tạo màng từ
chitosan và lignin
Dung dịch lignin 0,5% (w/v) được chuẩn bị
bằng cách hòa tan 1g lignin khô trong 200ml
dung dịch NaOH 0,1M (Ajao & cs., 2018).
Dung dịch chitosan và lignin được phối trộn
theo các tỉ lệ khác nhau và được đổ vào khuôn
nhựa mica có cùng kích thước 26 × 20 × 3cm.
Sau đó được sấy tại nhiệt độ 40C đến khi màng
khô và bóc ra khỏi khuôn (Lê Hồ Khánh Hỷ &
cs., 2016, Rai & cs., 2017).
2.2. Phương pháp nghiên cứu
2.2.1. Ảnh hưởng của các điều kiện công
nghệ đến khối lượng lignin thu được từ bã
mía (Rai & cs., 2017; Vũ Đình Ngọ & cs.,
2017; Wunna & cs., 2017)
TN1. Ảnh hưởng của pH đến khả năng kết
tủa lignin
2.3. Phương pháp phân tích
2.3.1. Xác định độ ẩm màng (Rai & cs., 2017)
Cho 50g bã mía cho vào cốc thủy tinh chịu
nhiệt dung tích 2.000ml có chứa 700ml dung
dịch NaOH (tỉ lệ NaOH/bã mía 1/10 w/w), đun
sôi hỗn hợp trong thời gian 1h. Dịch lọc thu được
sau khi đun được chia vào 4 cốc thủy tinh, mỗi
cốc chứa 80ml dung dịch. Cho từ từ từng giọt
H2SO4 10% vào dung dịch để điều chỉnh pH từ 1
đến 4. Ly tâm tách phần kết tủa ra khỏi dung
Màng được xác định khối lượng trước và sau
khi sấy trong tủ sấy ở nhiệt độ 80C trong 48h.
Độ ẩm màng được tính theo công thức:
m0 – m1
100
Độ ẩm màng (%) =
m0
Trong đó m0: là khối lượng màng trước khi
sấy; m1: là khối lượng màng sau khi sấy khô.
934
Chu Thị Thanh, Nguyễn Thị Tuyết, Nguyễn Ngọc Kiên, Ngô Thị Thương, Nguyễn Thị Bích Thủy, Lê Thị Thu Hương
Bảng 1. Các công thức phối trộn màng chitosan và lignin
Thể tích dung dịch 150ml
CT1.1 Chitosan
Thể tích dung dịch 200ml
CT2.1 Chitosan
CT1.2. Tỉ lệ chitosan : lignin (2C:1L v/v)
CT1.3. Tỉ lệ chitosan : lignin (1C:1L v/v)
CT1.4. Tỉ lệ chitosan : lignin (1C:2L v/v)
CT1.5. Lignin
CT2.2. Tỉ lệ chitosan : lignin (2C:1L v/v)
CT2.3. Tỉ lệ chitosan : lignin (1C:1L v/v)
CT2.4. Tỉ lệ chitosan : lignin (1C:2L v/v)
CT2.5. Lignin
Gram (-) Escherichia coli. Các chủng vi sinh vật
được cất ở tủ-80C và hoạt hóa để đạt nồng độ
106 cfu/ml trước khi tiến hành thí nghiệm.
2.3.2. Xác định độ dày của màng (TCVN
10101:2013)
Sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM,
Model NANOSEM 450, Hà Lan) để đo độ dày
màng với độ chính xác đến ± 0,001mm. Đo tại
các vị trí của 4 góc màng và giữa màng tại 10
điểm cách đều nhau dọc theo chiều rộng màng.
Giá trị trung bình cộng nằm trong dung sai cho
phép ± 10%.
Tiến hành thí nghiệm bằng cách sử dụng
pipet hút dung dịch vi sinh vật đã được hoạt hóa
và trang đều trên bề mặt thạch, đục lỗ trên bề
mặt thạch. Hút lần lượt 50µl dung dịch mẫu
nhỏ vào giếng thạch. Đậy nắp đĩa petri lại và
cho vào tủ ấm 37C để vi khuẩn phát triển trong
18-24h. quan sát và đo đường kính vòng vô
khuẩn trên đĩa thạch.
2.3.3. Xác định lực phá vỡ màng
Mẫu được cắt ra thành những mảnh nhỏ,
rồi được gắn chặt vào một vòng tròn có đường
kính 50mm. Sau đó, dùng một thanh hình trụ
bằng thép đặt chính giữa ngay phía trên màng
để lực tác dụng vào bề mặt màng (phần tiếp xúc
với màng là hình tròn đường kính 7mm). Lực
tương tác với màng được ghi lại bằng đồng hồ có
độ chính xác đến 0,1N, giới hạn đo là 100N. Từ
từ tăng giá trị của lực tác dụng vào màng từ 0
đến 100N, bước nhảy là 0,1N để xác định lực
phá vỡ màng.
2.3.6. Xử lý số liệu
Kết quả thí nghiệm được xử lý trên phần
mềm Minitab 17 theo phương pháp phân tích
phương sai ANOVA một yếu tố. Các giá trị
trung bình được so sánh theo chuẩn Turkey. Kết
quả thí nghiệm được biểu diễn bằng đồ thị
Microsoft Excel.
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Ảnh hưởng các yếu tố đến khối lượng
lignin thu hồi từ bã mía
2.3.4. Xác định tính chống thấm của màng
(TCVN 9067-4-2012)
Khả năng chống thấm của màng được xác
định bằng cách đặt các màng lên trên phễu và
rót vào màng 30 ml nước, quan sát khả năng
nước chảy qua lớp màng của các công thức mỗi
giờ trong 7 ngày.
3.1.1. Ảnh hưởng của pH đến khả năng kết
tủa lignin
Bã mía sau khi thủy phân kiềm sẽ phá vỡ
các liên kết của hợp chất cao phân tử lignin
chuyển thành dạng muối R-ONa trong dung
dịch. Do đó, để kết tủa lignin từ dung dịch cần
điều chỉnh về môi trường axit. Khối lượng lignin
thu được khi thay đổi pH thể hiện tại bảng 2.
2.3.5. Thử khả năng kháng khuẩn bằng
phương pháp đục lỗ thạch
Kết quả ở bảng 2 cho thấy pH ảnh hưởng
trực tiếp tới khối lượng lignin thu hồi được. Khối
lượng lignin thu được ở 4 giá trị pH đều khác
nhau có ý nghĩa thống kê. Tại giá trị pH = 2,
Công thức tạo màng có khả năng chống
thấm tốt nhất được đem thử khả năng kháng
khuẩn trên hai chủng vi sinh vật. Vi khuẩn
Gram (+) Staphylococcus aureus và vi khuẩn
935
Các đặc tính màng chống thấm sinh học chitosan kết hợp với lignin thu hồi từ bã mía
khối lượng lignin thu được là nhiều nhất. Kết
3.1.2. Khảo sát thời gian thủy phân bã mía
quả này tương đồng với nghiên cứu của nhóm
tác giả Vũ Đình Ngọ (Vũ Đình Ngọ & cs., 2017)
khi tiến hành thu hồi lignin từ rơm sử dụng axit
HCl để điều chỉnh dịch lọc về môi trường pH =
2, sản phẩm lignin thu được có màu nâu đen.
Phương trình phản ứng để thu hồi lignin được
biểu diễn như sau:
Khi thời gian đun càng kéo dài thì lượng
lignin được tách ra khỏi bã mía càng nhiều
(Hình 1). Khi tăng thời gian đun từ 0,5h đến 2h
khối lượng lignin thu được tăng gấp 2 lần (từ
0,767g lên 1,422g). Tuy nhiên khi tiếp tục kéo
dài thời gian thủy phân lên 3h thì khối lượng
lignin thay đổi không có ý nghĩa thống kê với
mức tin cậy 95% so với thời gian đun 2h.
2R- ONa + H2SO4 → 2R-OH↓ + Na2SO4
Do đó, để tiết kiệm thời gian và năng lượng,
chỉ cần tiến hành thủy phân bã mía trong kiềm
với thời gian 2h. Quá trình xử lý kiềm làm phá
vỡ tế bào do hòa tan các lignin, hemicellulose và
cắt đứt các liên kết ete, este giữa lignin với
hemicellulose để phân tách các liglocellulose
thành lignin, hemicellulose, cellulose. Quá trình
xử lý kiểm để tách lignin từ bã mía, khi tăng
nhiệt độ đun lên 121C, nhóm tác giả Sudheer
Rai (Rai & cs., 2017) chỉ cần thủy phân trong 30
phút với nồng độ NaOH 1%. Tại nhiệt độ thủy
phân kiềm NaOH 1M thấp tại 30C thì thời
gian cần kéo dài lên tới 18 h để tách được lignin
ra khỏi rơm rạ (Xiao & cs., 2001).
Do khi thủy phân trong môi trường kiềm,
các liên kết ete bị phá vỡ, các hợp chất cao
phân tử lignin bị cắt đứt nhanh chóng thành
dạng muối natri R-ONa, sau đó lignin được
tách ra khỏi dung dịch bằng axit H2SO4 chuyển
thành dạng kết tủa ROH (quá trình Kraft
lignin tách lignin từ dịch đen sản xuất giấy tại
pH = 2,5). Tại pH = 4 nồng độ axit chưa đủ lớn
để kết tủa hoàn toàn lignin nên khối lượng
lignin thu được là thấp nhất. Do đó, chúng tôi
chọn môi trường pH = 2 để thu hồi lignin từ
dung dịch thủy phân bã mía để khảo sát các
điều kiện tiếp theo.
Bảng 2. Ảnh hưởng của pH đến khối lượng lignin
Giá trị pH
1
2
3
4
0,784
Khối lượng lignin (g)
0,965
1,097
1,018
0,962
0,960
1,090
1,086
1,020
1,002
0,777
0,781
Khối lượng trung bình (g)
0,962a ± 0,002
1,091b ± 0,005
1,013c ± 0,006
0,781d ± 0,004
Ghi chú: Các giá trị trung bình mang các chữ khác nhau (a, b,c, d) là khác nhau có ý nghĩa thống kê ( P <0,05).
Ghi chú: Các giá trị trung bình mang các chữ khác nhau (a, b,c) là khác nhau có ý nghĩa thống kê ( P <0,05).
Hình 1. Ảnh hưởng của thời thủy phân đến khối lượng lignin
936
Chu Thị Thanh, Nguyễn Thị Tuyết, Nguyễn Ngọc Kiên, Ngô Thị Thương, Nguyễn Thị Bích Thủy, Lê Thị Thu Hương
Bảng 3. Ảnh hưởng của tỉ lệ khối lượng NaOH/bã mía
Tỉ lệ NaOH/bã mía (w/w)
Khối lượng Lignin(g)
1/20
1/10
1/5
0,908b ± 0,002
1,422a ± 0,002
1,423a ± 0,003
Ghi chú: Các giá trị trung bình mang các chữ khác nhau (a, b) là khác nhau có ý nghĩa thống kê ( P <0,05).
Màng chỉ chứa chitosan có màu trắng ngà,
sáng, bề mặt nhẵn, bóng. Các màng được tạo bởi
3.1.3. Khảo sát tỉ lệ NaOH/ bã mía
Mục đích của quá trình thủy phân kiềm sẽ
dung dịch hỗn hợp chitosan và lignin có màu hơi
làm phá vỡ thành tế bào do kiềm hòa tan các
vàng nâu, do thành phần lignin được phối trộn
hemicellulose, lignin, phân hủy các liên kết este
vì bột lignin khi được tách ra từ bã mía và hòa
do đó khi tăng nồng độ NaOH thì quá trình
tan trong dung dịch NaOH 0,1M có màu nâu.
thủy phân hemicellulose, độ hòa tan lignin
Khi hàm lượng lignin trong hỗn hợp càng nhiều
trong NaOH và sự trương nở cấu trúc cellulose
thì màu sắc màng càng đậm. Bề mặt các màng
sẽ tăng lên tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình
này cũng đều nhẵn và bóng. Phương pháp tạo
hòa tan lignin ra khỏi bã mía. Khối lượng lignin
chế tạo màng đơn giản, chitosan được hòa tan
thu được trong TN3 được thể hiện tại bảng 3.
trong dung dịch axit axetic loãng 2% và lignin
Bảng 3 cho thấy khi tăng khối lượng NaOH
từ 2,5g lên 5g khối lượng lignin thu được tăng từ
0,908g lên 1,422g khoảng 1,56 lần, nhưng tiếp
tục tăng gấp đôi khối lượng NaOH thì sự thay đổi
tan trong NaOH 0,1M sau khi bay hơi để lại lớp
màng trên khuôn nhựa, dễ dàng bóc tách ra
khỏi khuôn.
không đáng kể do khi nồng độ NaOH quá cao sẽ
làm tăng độ nhớt dung dịch làm giảm tốc độ
3.3. Các đặc tính của màng
khuếch tán ion OH- vào bên trong nguyên liệu,
nên khả năng cắt các liên kết sẽ trở lên chậm lại,
hiệu quả xử lý không tăng thêm. Do đó, tỉ lệ
NaOH/bã mía là 1/10 w/w được lựa chọn để thủy
phân bã mía. Nhóm nghiên cứu Wunna đã khảo
sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý
kiềm để tách lignin từ bã mía đã nhận thấy khi
thay đổi đồng thời các yếu tố nhiệt độ, nồng độ
kiềm với thời gian sẽ ảnh hưởng đến khối lượng
lignin thu được. Điều kiện tối ưu tìm được khi
thủy phân để thu hồi lignin ở nhiệt độ 120C
trong 1h với tỉ lệ khối lượng NaOH 2% và tỉ lệ
chất rắn: lỏng là 1:20 w/v (Wunna & cs., 2017).
Sau khi màng được hình thành, tiến hành
xác định các chỉ tiêu độ ẩm màng bằng phương
pháp sấy ở nhiệt độ 80C, xác định độ dày màng
bằng phương pháp kính hiển vi điện tử quét và
lực phá vỡ màng theo các công thức phối trộn tỉ
lệ giữa chitosan và lignin được thể hiện trong
bảng 4.
Bảng 4 cho thấy độ ẩm màng dao động trong
khoảng 15-25%, màng có tỉ lệ chitosan : lignin
(2C:1L v/v) tương ứng công thức CT1.2.và CT2.2
có độ ẩm cao hơn các công thức màng còn lại và
màng dày hơn có độ ẩm cao hơn. Với công thức
màng CT1.4 là màng mỏng nhất độ dày 22,12µm
có lực phá vỡ màng nhỏ nhất từ 130.000 N/m2,
khi giảm tỉ lệ lignin trong màng xuống với tỉ lệ
chitosan: lignin (1C:1L v/v) tại CT1.3 thì lực phá
vỡ tăng lên gấp khoảng 2 lần. Màng chỉ có chứa
chitosan CT1.1 có độ ẩm thấp nhất nhưng có độ
dày lớn 50,97µm và lực phá vỡ màng lớn 624.000
N/m2. Khi thể tích đổ màng 200ml, độ dày và lực
phá vỡ tăng lên, tương ứng với CT2.1 màng chỉ
chứa chitosan có lực phá vỡ tới 728.000 N/m2 khi
màng có độ dày 55,10µm. So sánh với kết quả
nghiên cứu của tác giả Bùi Văn Miên & cs.
3.2. Hình ảnh màng sinh học từ chitosan
và lignin
Với 10 công thức phối trộn tỉ lệ giữa
chitosan và lignin thì công thức CT1.5 và CT2.5
khi chỉ có dung dịch lignin không tạo được
màng. Các tỉ lệ phối trộn chitosan với lignin và
công thức chỉ chứa chitosan đều thành các màng
mỏng và bóng, các màng được làm khô ở nhiệt
độ 40C, màng có thể bóc ra dễ dàng khỏi khuôn
nhựa. Hình 2 là ảnh một màng thu được.
937
Các đặc tính màng chống thấm sinh học chitosan kết hợp với lignin thu hồi từ bã mía
(2003), màng hình thành từ chitosan/ PEG-EG
(với nồng độ phụ gia tối ưu là 10% so với
chitosan, tỉ lệ PEG : EG là (1:1) thì lực phá vỡ
màng là 6,86 kg/cm2, với độ dày màng 52,6µm,
nếu màng không được bổ sung chất phụ gia, lực
phá vỡ màng chỉ 1,66 kg/cm2 thấp hơn từ 6-7 lần
so với kết quả của nghiên cứu không cần bổ sung
chất phụ gia với độ dày màng chitosan 50,97 µm
ở CT1.1 có lực phá vỡ 624.000 N/m2 (tương đương
6,24 kg/cm2) và màng chitosan dày 55,10µm ở
CT2.1 có lực phá vỡ màng 728.000 N/m2 (tương
đương 7,28 kg/cm2).
CT1.1
CT1.2
CT1.3
CT1.4
CT1.5
CT2.2
Hình 2. Màng sinh học từ chitosan và màng phối trộn chitosan/lignin
Bảng 4. Một số chỉ tiêu màng tạo bởi chitosan và lignin
Tổng thể tích đổ màng 150ml
Tổng thể tích đổ màng 200ml
Công thức màng
CT1.1
14,99
CT1.2
24,46
CT1.3
20,68
CT1.4
18,35
CT2.1
16,31
CT2.2
25,34
CT2.3
22,08
CT2.4
19,81
Độ ẩm (%)
Lực phá vỡ màng (N/m2)
Độ dày (µm)
624.000
50,97
286.000
47,88
259.000
27,19
130.000 728.000
22,12 55,10
702.000
49,41
312.000
30,13
156.000
27,25
Ghi chú: C: chitosan, L: lignin.
938
Chu Thị Thanh, Nguyễn Thị Tuyết, Nguyễn Ngọc Kiên, Ngô Thị Thương, Nguyễn Thị Bích Thủy, Lê Thị Thu Hương
Bảng 5. Khảo sát khả năng chống thấm của màng
Tổng thể tích đổ màng : 150ml
CT1.2 CT1.3
Không
Tổng thể tích đổ màng : 200ml
CT2.2 CT2.3
Thấm nước Dễ thấm Thấm nước Không
Công thức màng
CT1.1
CT1.4
CT2.1
CT2.4
Tính chống thấm Dễ thấm nước Thấm nước
sau 3 ngày
Thấm nước
thấm nước sau 1h
nước
sau 3 ngày
thấm nước sau 3h
Staphylococcus aureus
Escherichia coli
Hình 3. Hình ảnh đo đường kính vòng vô khuẩn S. aureus và E. coli
CT2.3 khi tỉ lệ chitosan : lignin là (1C :1L v/v)
độ dày màng trong khoảng 27,19-30,13 µm thì
đều có khả năng chống thấm nước tốt, sau thời
gian quan sát 7 ngày, nước vẫn được giữ trên
màng. Do chitosan khi hòa tan trong dung dịch
axit có điện tích dương, còn lignin khi hòa tan
trong dung dịch kiềm phân tử lignin mang điện
tích âm do bị hydroxyl và carboxyl hóa. Khi
phối trộn chitosan với lignin với nhau chúng
tạo liên kết ngang tạo nên một lớp phủ polymer
chặt chẽ (Santam & cs., 2018 ; Ajao & cs.,
2018). Khi tỉ lệ của chitosan với lignin thích
hợp vừa để trung hòa phần axit và kiềm thì tạo
thành màng có khả năng chống thấm tốt nhất.
3.4. Xác định khả năng chống thấm nước
của màng
Khảo sát khả năng chống thấm nước của
màng được đánh giá theo theo TCVN 9067-4-
2012. Kết quả nghiên cứu tính chống thấm của
các tỉ lệ phối trộn giữa chitosan và lignin được
thể hiện tại bảng 5.
Bảng 5 cho thấy, nếu màng chỉ tạo bởi
chitosan CT1.1 và CT2.1 có lực phá vỡ màng lớn
nhất nhưng rất dễ thấm nước, khi rót nước vào
màng thì màng đã thấm nước và trương lên, sau
đó nước chảy qua màng dễ dàng. Các công thức
được phối trộn thêm lignin thì đã kéo dài được
thời gian giữ nước trên màng. Màng CT1.4 và
CT2.4 có tỉ lệ chitosan : lignin (1C:2L v/v) thì lực
phá vỡ màng là nhỏ nhất và thấm nước sau
khoảng thời gian từ 1-3h. Với công thức tạo
màng CT1.2 và CT2.2 chỉ thấm nước sau thời
gian 3 ngày, màng được tạo theo CT1.3 và
3.5. Khả năng kháng khuẩn bằng phương
pháp đục lỗ thạch
Kết quả thử khả năng kháng khuẩn trên
hai chủng vi khuẩn Gram (+) Staphylococcus
939
Các đặc tính màng chống thấm sinh học chitosan kết hợp với lignin thu hồi từ bã mía
aureus và vi khuẩn Gram (-) Escherichia coli
của công thức tạo màng CT1.1 công thức có khả
năng chống thấm tốt nhất cho đường kính vòng
vô khuẩn lần lượt là 18mm và 16mm. Kết quả
phân tích cho thấy khi phối trộn giữa chitosan
và lignin để tạo màng có khả năng kháng khuẩn
tốt, có thể sử dụng để làm màng ứng dụng trong
bao gói sản phẩm. Kết quả thử vi khuẩn được
thể hiện trên hình 3.
LỜI CẢM ƠN
Kết quả nghiên cứu của bài báo nhận được
một phần kinh phí hỗ trợ từ đề tài cấp Học viện
với mã số T2019-04-18. Nhóm tác giả xin gửi lời
cảm ơn cán bộ, sinh viên khoa Môi Trường, khoa
Công nghệ thực phẩm, Học viện Nông nghiệp
Việt Nam và Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa
học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội. Viện
Hóa học, Viện Hàn lâm và Khoa học Việt Nam
đã hỗ trợ để thực hiện nghiên cứu.
Kiểm tra hai chủng vi khuẩn Gram (+)
Staphylococcus aureus và vi khuẩn Gram (-)
Escherichia coli được a cho thấy khi phối trộn
chitosan và lignin để tạo màng sinh học có hoạt
tính ức chế vi sinh vật. Trong kết quả nghiên cứu
của Rai & cs. (2017), khi chỉ có dung dịch lignin
nồng độ 200µg có khả năng kháng khuẩn Gram
(+) Bacillus subtilis và vi khuẩn Gram (-)
Pseudomonas aeruginosa với đường kính vòng
kháng khuẩn lần lượt là 19mm và 14mm, khi kết
hợp giữa chitosan và lignin (200µg) để tạo màng
đã tăng khả năng kháng khuẩn Gram (-) lên
28mm và Gram (+) là 30mm. Do vi khuẩn Gram
dương thường nhạy với các hợp chất vòng thơm
và các chất kháng sinh hơn vi khuẩn Gram âm vì
trong thành tế bào vi khuẩn gram dương giàu
lipoprotein và phospholipid nên có đường kính vô
khuẩn lớn hơn. Màng chitosan và lignin được ứng
dụng làm bao bì thực phẩm giúp bảo quản và kéo
dài thời hạn của thực phẩm.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Ajao O., Jeaidi J., Benali M., Restrepo M.A., Mehdi El
M., Boumghar Y. (2018). Quantification and
variability analysis of lignin optical properties for
colour-dependent
industrial
applications.
Molecules. 23(2) : 377.
Atmaka W., Yudhistira B. & Putro M.I.S. (2018).
Characteristic study of chitosan addition in Tilapia
(Oreochromis niloticus) bone base gelatin film.
Conference series Earth and Environmental
Science.
142.
DOI:10.1088/1755-
1315/142/1/012028.
Bof M.J., Jimenez A., Locaso D.E., Garcia M.A &
Chiralt A. (2016). Grapefruit seed extract and
lemon essential oil as active agents in corn starch-
chitosan blend films. Food and Bioprocess
Techonogy. 9(12): 2033-2045.
Bộ Khoa học và Công nghệ (2012). TCVN 9067-4-
2012: quy định phương pháp xác định độ thấm
nước dưới áp lực thủy tĩnh của tấm trải chống thấm
trên cơ sở bitum biến tính được gia cường bằng sợi
hữu cơ và/hoặc sợi vô cơ.
4. KẾT LUẬN
Bộ Khoa học và Công nghệ (2013). TCVN 10101:2013
- Quy định phương pháp xác định độ dày của mẫu
thử màng hoặc tấm chất dẻo bằng phương pháp
quét cơ học.
Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã chế tạo
thành công màng sinh học khi kết hợp chitosan
với lignin, mở ra một hướng nghiên cứu mới về
vật liệu thân thiện môi trường từ phụ phẩm
nông nghiệp. Trong các tỉ lệ phối trộn chitosan
và lignin thì công thức tạo màng CT1.3 và
CT2.3 có tỉ lệ chitosan : lignin 1C:1L (v/v) có
khả năng chống thấm nước tốt nhất, màng có
khả năng kháng khuẩn với hai chủng vi khuẩn
E. coli và S. aureus với đường kính vòng vô
khuẩn lần lượt 16mm và 18mm. Các màng sinh
học được tạo thành rất mỏng độ dày dao động
trong khoảng 22-55µm nhưng có lực phá vỡ
màng lớn từ 130.000-728.000 N/m2 mà không
cần bổ sung thêm chất phụ gia và chất hóa dẻo.
Bùi Văn Miên & Nguyễn Anh Trinh (2004). Nghiên
cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến độ dày và áp suất
phá vỡ của màng chitosan. Tạp chí Khoa học Kỹ
thuật Nông Lâm nghiệp. 3: 1-6.
Châu Văn Minh, Phạm Hữu Điển, Đặng Lan Hương,
Trịnh Đức Hưng & Hoàng Thanh Hương (1997).
Sử dụng chitosan làm chất bảo quản thực phẩm
tươi sống. Tạp chí Hóa học. 4: 75-78.
Giuliani A., Zuccarini M., Cichelli A., Khan H & Reale
M (2020). Critical review on the presence of
Phthalates in food and evidence of their biological
impact. International Journal of Enviromental
research and public health. 17(16): 5655.
940
Chu Thị Thanh, Nguyễn Thị Tuyết, Nguyễn Ngọc Kiên, Ngô Thị Thương, Nguyễn Thị Bích Thủy, Lê Thị Thu Hương
Haghdan S., Rennecker S. & Smith G.D. (2016). Ligin
in polymer Composites. Journal and Books.
pp. 1-11.
extension of green chilli shelf life. Carbohydrate
Polymers. 1(195): 329: 338.
Rai S., Dutta P. K & Mehrotra G.K. (2017). Lignin
Incorporated Antimicrobial Chitosan Film for
Food Packaging Application. Journal Polymer
Material. 34(1): 171-183.
Lê Hồ Khánh Hỷ, Nguyễn Thu Hồng, Đào Việt Hà,
Phạm Xuân Kỳ, Phạm Bảo Vi & Đoàn Thị Thiết
(2016). Chế tạo màng chitosan/ glycerol và
chitosan/glycerol bổ sung nanochitosan trong bảo
quản thực phẩm cá thu. Tuyển Tập Nghiên Cứu
Biển. 22: 48-58.
Satam C.C., Irvin W.C., Lang W.A., Jallorina R.C.J.,
Shofner L.M., Reynolds R.J. & Meredith C.J.
(2018).
Spray-Coated
multilayer
cellulose
nanocrystal-Chitin nanofiber films for barrier
applications. ACS Sustainable chemistry and
engineering. 6 : 10637-10644.
Lê Thị Minh Thùy (2008). Nghiên cứu phối trộn
chitosan-gelatin làm màng bọc thực phẩm bao gói
bảo quản phi lê cá ngừ đại dương. Tạp chí Khoa
học, Trường Đại học Cần Thơ. 1:147- 153.
Trần Thị Luyến & Lê Thanh Long (2007). Nghiên cứu
bảo quản trứng gà tươi bằng màng bọc chitosan kết
hợp phụ gia. Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy
sản, Đại học Nha Trang. 01: 3-11
Motaung E.T., Mochane J.M. (2017). Systematic
review on recent studies on sugar cane bagasse and
bagasse cellulose polymer composites. Journal of
thermoplastic composite materials. 1-17. DOI:
10.1177/0892705717738292.
Vũ Đình Ngọ, Trần Thị Hằng & Vũ Đức Cường
(2017). Sự ảnh hưởng của các yếu tố tới quá trình
tách cellulose và lignin từ rơm rạ bằng phương
pháp kiềm. Tạp chí Phân tích Hóa, Lý và Sinh học.
22(1): 38-44.
Muxika A., Zugasti I., Guerrero P & Caba K. D. L.
(2017). Application of chitosan in Food packaging.
Reference Module in Food Science. 1-12. DOI:
10.1016/B978-0-08-100596-5.22400-1.
Wunna K., Nakasaki K & Joseph L. (2017). Effect of
alkali pretreament on removal of lignin from
Novaes E., Kirst M & Chiang V. (2010), Lignin and
sugarcane
bagasse.
Chemical
Engineering
Biomass:
A
negative correlation for woof
Transactions. 56: 1831-1836
formation and lignin conntent in trees. Plant
Physsiol. 154(2): 555- 561.
Xiao B., Sun X.F & Sun R. C. (2001). Chemical,
structural, and thermal characterization of alkali-
soluble lignins and hemicelluloses and cellulose
from maize, stems, rye straw, and rice straw.
Polymer Degradation and Stability. 74(2): 307-319.
Priyadarshi R., Sauraj., Kumar B & Negi (2018).
Chitosan film incorporated with citric acid and
glycerol as an active packaging material for
941
10 trang
21/04/2022
160520
Bạn đang xem tài liệu "Các đặc tính màng chống thấm sinh học Chitosan kết hợp với Lignin thu hồi từ bã mía", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- cac_dac_tinh_mang_chong_tham_sinh_hoc_chitosan_ket_hop_voi_l.pdf
