Nghiên cứu, đề xuất quy trình chế tạo nhựa phân hủy sinh học từ gelatin và chitosan

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

26
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết Nghiên cứu, đề xuất quy trình chế tạo nhựa phân hủy sinh học từ gelatin và chitosan được nghiên cứu với mục đích giảm thiểu tình trạng rác thải nhựa không phân hủy gây ô nhiễm môi trường và tận dụng nguồn tài nguyên tự nhiên và tái tạo thân thiện với môi trường thay cho nhựa làm từ nhiên liệu hóa thạch – nguồn tài nguyên đang dần cạn kiệt và khan hiếm.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu, đề xuất quy trình chế tạo nhựa phân hủy sinh học từ gelatin và chitosan

NGHIÊN CỨU, ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH CHẾ TẠO NHỰA PHÂN HỦY SINH HỌC TỪ GELATIN VÀ CHITOSAN Đậu Hoàng Thanh Ngân1*, Nguyễn Trúc Quân1, Nguyễn Văn Tứ2, Nguyễn Đình Lộc2 1 Khoa Marketing & Kinh doanh quốc tế, Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh 2 Viện Khoa học Ứng dụng, Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh GVHD: PGS.TS Thái Văn Nam, ThS. Trịnh Trọng Nguyễn TÓM TẮT Nghiên cứu này đề cập đến việc chế tạo nhựa phân hủy sinh học từ gelatin và chitosan có bổ sung glycerol tạo dẻo, natri benzoat chất kháng khuẩn và quá trình thay đổi của nhựa khi để ở môi trường tự nhiên và khi phân hủy trong môi trường đất. Tỷ lệ phối trộn gelatin – chitosan - glycerol tối ưu tương ứng là 40/50/10 có bổ sung 0,1% natri benzoat. Các mẫu nhựa được tạo ra theo quy trình có màu sắc ban đầu khá đẹp, mẫu nhựa trắng trong và dai chắc, sau thời gian 8 tuần ở môi trường tự nhiên thì không có thay đổi đáng kể về màu sắc, trạng thái, kích thước. Trong môi trường đất, các mẫu nhựa này thay đổi màu sắc (từ màu trắng chuyển sang màu ngà vàng) và tự phân hủy thành những mảnh nhỏ, kích thước giảm dần rõ rệt qua các tuần. Từ khóa: Nhựa sinh học, phân hủy sinh học, nhựa, gelatin, chitosan. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, “ô nhiễm trắng” đang trở thành vấn đề đáng lo ngại của mọi quốc gia trên thế giới. Là một trong 20 quốc gia có lượng rác thải lớn nhất, môi trường tự nhiên tại Việt Nam đang đứng trước thách thức lớn. Rác thải nhựa rất bền và khó bị phân hủy, nếu đem chôn lấp sẽ vừa tốn diện tích đất, vừa gây ô nhiễm cho đất và nguồn nước. Mặc dù đã có nhiều giải pháp khác nhau được đưa ra nhằm giảm thiểu tình trạng này, ví dụ như: bao bì sinh học làm từ bột sắn [4], màng phân hủy sinh học làm từ gelatin [3], nhựa PLA [5]…nhưng thực tế vẫn còn tồn đọng khá nhiều khuyết điểm như độ bền khi sử dụng không cao, không thực sự phân hủy sinh học, giá thành cao,... Để khắc phục những vấn đề còn tồn tại của những nghiên cứu trước, chúng tôi đã quyết định thực hiện đề tài “Nghiên cứu, đề xuất quy trình chế tạo nhựa phân hủy sinh học từ Gelatin và Chitosan”, với mục đích giảm thiểu tình trạng rác thải nhựa không phân hủy gây ô nhiễm môi trường và tận dụng nguồn tài nguyên tự nhiên và tái tạo thân thiện với môi trường thay cho nhựa làm từ nhiên liệu hóa thạch – nguồn tài nguyên đang dần cạn kiệt và khan hiếm. 549
2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Vật liệu 2.1.1 Chitosan Chitosan là dẫn xuất của chitin sau khi tách nhóm acetyl nên chitosan có các nhóm amino. Độ deacetyl của chitosan là một thông số quan trọng, đặc trưng cho tỉ lệ giữa 2- acetamido-2-deoxy-D-glucopyranose với 2- amino-2-deoxy-D-glucopyranose trong phân tử chitosan [2]. Tính chất của chitosan như khả năng hút nước, khả năng hấp phụ chất màu, kim loại, kết dính với chất béo, kháng khuẩn, kháng nấm, mang DNA… phụ thuộc rất lớn vào độ deacetyl hóa. Tương tự, khả năng kháng khuẩn, kháng nấm của chitosan cao hơn ở các mẫu chitosan có độ deacetyl cao. Cụ thể, khả 8 năng kháng khuẩn tốt đối với chitosan có độ deacetyl trên 90%. Tuy nhiên, khả năng hút nước của chitosan thì giảm đi khi tăng độ deacetyl [2]. Chitosan dùng trong nghiên cứu được cung cấp bởi trung tâm chế biến thuộc Đại Học Thủy Sản, được chiết tách từ vỏ tôm sú sau khi đã qua công đoạn khử khoáng bằng HCl, khử protein và deacetyl hóa bằng NaOH đậm đặc. Các chỉ tiêu chất lượng của Chitosan nguyên liệu: - Màu sắc, trạng thái : trắng, dạng mảnh - Độ ẩm : 11% - Hàm lượng tro : 0,9% - Độ nhớt : 300 cps - Độ deacetyl (DD) : 95% - Độ tan : 99,8% (trong axit acetic 1%) 2.1.2 Gelatin Gelatin là sản phẩm thuỷ phân một phần collagen, hòa tan được trong nước. Khi thuỷ phân sâu hơn, ta thu được collagen thủy phân [2]. Gelatin là phụ gia thực phẩm lý tưởng đối với nhiều loại thực phẩm vì không có vị lạ với các tính chất duy nhất như tạo nhũ tương, liên kết, ổn định và tạo gel. Gelatin dùng làm chất ổn định bọt trong các sản phẩm kem, đồ tráng miệng [2]. Gelatin dùng trong nghiên cứu là sản phẩm do Pháp sản xuất – được phân phối tại Việt Nam, công ty hóa chất Thái Hòa – 138 Tô Hiến Thành, Q.3, Tp. Hồ Chí Minh. Các chỉ tiêu chất lượng của gelatin: - Màu sắc, trạng thái : màu vàng nhạt, dạng bột mịn - Độ ẩm : 12% - Độ tinh khiết : 99% - Độ hòa tan : 100% trong nước nóng (trên 300C) 550
2.1.3 Natri Benzoat (Sodium Benzoate) Natri benzoat: Natri benzoat có cấu trúc liên quan đến axit benzoic, công thức hóa học là C6H5COONa; tồn tại dưới dạng bột, dạng hạt và có độ hòa tan trong nước nhiều hơn axit benzoic nên thường được sử dụng khá phổ biến để làm chất bảo quản thực phẩm. 2.1.4 Glycerol Glycerol: (hay còn gọi là Glycerin) là một loại rượu đa chức Trihydroxy Alcohol được tạo bởi các gốc của Hidrocacbon C3H5 cùng 3 nhóm -OH với công thức hóa học là C3H5(OH)3. Glycerol là chất lỏng không màu, không mùi và có vị ngọt nhẹ. Glycerol được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thực phẩm như một chất tạo ngọt và chất giữ ẩm và trong các công thức dược phẩm. Với khả năng tạo màng và đặc tính kháng khuẩn tốt mà Chitosan cũng thường được sử dụng trong các nghiên cứu về khả năng tạo màng khi được phối trộn cùng Gelatin. Một số ứng dụng của Gelatin phối trộn Chitosan có thể kể đến như chế tạo màng bảo quán thực phẩm đông lạnh [1,6,]. Việc két hợp Gelatin và Chitosan để chế tạo nhựa phân hủy sinh học không những mang ý nghĩa về mặt môi trường mà còn mang ý nghĩa về mặt kinh tế. Việc chế tạo thành công nhựa phân hủy sinh học với thành phần hoàn toàn từ tự nhiên đã đặt nền móng cho việc giảm thiểu tình trạng rác thải, ô nhiễm môi trường do rác thải nhựa gây nên; đồng thời còn giải quyết được vấn đề cạn kiệt nguồn tài nguyên không tái tạo khi những sản phẩm nhựa thông thường đều có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch. Ngoài ra, việc tận dụng các thành phần bỏ đi từ động vật như da, vỏ, xương… không những giúp giải quyết trình trạng quá tải phế thải động vật mà còn nâng cao giá trị kinh kế của chúng so với việc vứt đi hoặc chỉ sử dụng để làm thức ăn cho gia súc hoặc làm phân bón. 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Nghiên cứu lý thuyết - Thu thập, tổng hợp và phân tích đánh giá các tài liệu tin cậy có liên quan đến nghiên cứu - Nghiên cứu, tham vấn chuyên môn để đưa ra tỉ lệ phối trộn tối ưu cho các mẫu nhựa sinh học. Có tổng cộng 4 mẫu nhựa với các thành phần và tỉ lệ phối trộn (theo khối lượng) trình bày tại Bảng 1. Mỗi mẫu phối trộn được thực hiện lặp lại 3 lần để kiểm tra độ ổn định của sản phẩm. Bảng 1. Tỉ lệ phối trộn của 4 mẫu nhựa sinh học Mẫu Nguyên liệu chính Tỉ lệ phối trộn Chất bổ sung 1 Gelatin – Glycerol 70/30 2 Gelatin – Chitosan 60/40 551
3 Gelatin – Chitosan – Glycerol 40/50/10 4 Gelatin – Chitosan – Glycerol 40/50/10 Natri benzoat 0,1% 2.2.2 Nghiên cứu thực nghiệm Hình 1. Quy trình chế tạo nhựa sinh học từ Gelatin – Chitosan mẫu 4 Mô tả quy trình chế tạo các mẫu nhựa Mẫu 1: Giai đoạn 1: Hòa tan 35mg bột Gelatin cùng với nước lạnh trong một bình thủy tinh ở nhiệt độ thường. Giai đoạn 2: Khuấy từ từ, đồng thười gia nhiệt để cho hỗn hợp không bị vón cục. Giai đoạn 3: Khi hỗn hợp hóa lỏng hoàn toàn thì thêm 15ml Glycerol 95% vào trong hỗn hợp, tiếp tục khuấy và gia nhiệt. Giai đoạn 4: Nếu muốn chất liệu trong suốt, phải lược bỏ hoàn toàn lớp bọt trắng. Nếu không, có thể giữ nó trong hỗn hợp, sẽ tạo nên một lớp mềm mịn trên bề mặt hỗn hợp. Giai đoạn 5: Đỗ hỗn hợp vào khuôn (nhôm, thủy tinh) đã đặt cố định (không dùng chất liệu gỗ hoặc cac-tông sẽ làm cho hỗn hợp trở nên dính và làm hỏng hình dạng của chất dẻo sinh học). Mẫu 2: Giai đoạn 1: Hòa tan 30mg bột Gelatin cùng với nước lạnh trong một bình thủy tinh ở nhiệt độ thường. Các giai đoạn 2, 4, 5 tương tự như quy trình chế tạo nhựa sinh học theo mẫu 1. 552
Giai đoạn 3: Khi hỗn hợp hóa lỏng hoàn toàn thì thêm 20mg Chitosan vào trong hỗn hợp, tiếp tục khuấy và gia nhiệt. Mẫu 3: Giai đoạn 1: Hòa tan 20mg bột Gelatin cùng với nước lạnh trong một bình thủy tinh ở nhiệt độ thường. Các giai đoạn 2, 4, 5 tương tự như quy trình chế tạo nhựa sinh học theo mẫu 1. Giai đoạn 3: Khi hỗn hợp hóa lỏng hoàn toàn thì thêm 5ml Glyxerol 95%; 25mg Chitosan với tỉ lệ thích hợp vào trong hỗn hợp, tiếp tục trộn và làm nóng. Mẫu 4: Giai đoạn 1: Hòa tan 20mg bột Gelatin cùng với nước lạnh trong một bình thủy tinh ở nhiệt độ thường. Các giai đoạn 2, 4, 5 tương tự như quy trình chế tạo nhựa sinh học theo mẫu 1. Giai đoạn 3: Khi hỗn hợp hóa lỏng hoàn toàn thì thêm 5ml Glyxerol 95%; 25mg Chitosan và Natri benzoat 0,1 % (m/v) vào trong hỗn hợp, tiếp tục trộn và làm nóng. 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Nghiên cứu xây dựng được quy trình chế tạo nhựa sinh học tự hủy từ Gelatin phối trộn Chitosan và Glycerol với tỉ lệ phối trộn tối ưu là 40/50/10. Nghiên cứu bổ sung chất kháng khuẩn Natri benzoat 0,1% nhằm tăng cường tính kháng khuẩn của nhựa sinh học từ thành phần chính là Gelatin và Chitosan. Các mẫu nhựa được để ở môi trường tự nhiên trong 8 tuần được quan sát, so sánh bằng mắt thường về sự thay đổi kích cỡ, màu sắc và trạng thái của vật liệu. Hình 2. Nhựa sinh học từ Gelatin – Chitosan (mẫu 4) sau 1 tháng ở điều kiện môi trường tự nhiên 553
Các mẫu nhựa được tạo ra theo các quy trình (Hình 1) có màu sắc ban đầu khá đẹp, mẫu nhựa trắng trong và dai chắc. Nhìn chung, sau thời gian 8 tuần ở điều kiện độ ẩm tự nhiên, nhiệt độ phòng thì các mẫu nhựa thay đổi màu sắc không nhiều. Kích thước và độ bền của các mẫu nhựa sau thời gian 8 tuần chưa quan sát thấy có thay đổi nào đáng kể. Khi để trong đất, mẫu nhựa sinh học này thay đổi màu sắc và tự phân hủy thành những mảnh nhỏ, kích thước giảm dần rõ rệt qua các tuần. Mẫu đất được sử dụng trong thí nghiệm là đất thịt thường dùng để trồng cây chứa tỉ lệ 45% cát, 40% mùn, 15% sét, có hạt nhỏ, tơi xốp và thoáng khí. Các mẫu nhựa được vùi trong đất và để ngoài trời với nhiệt độ từ 300C - 350C và độ ẩm trong khoảng 50 – 60%. Hình 3. Nhựa sinh học từ Gelatin – Chitosan (mẫu 4) sau 1 tuần và 3 tuần để trong đất Qua kết quả phân tích có thể rút ra một số kết luận sau: Việc thêm Chitosan vào hỗn hợp dung dịch Gelatin sẽ tăng độ bền cơ học và khả năng liên kết cho nhựa sinh học. Mặc dù Chitosan có đặc tính kháng khuẩn, tuy nhiên, chúng lại dễ dàng bị phá hủy bởi chất bảo quản trong hoa quả, dư lượng thuốc trừ sâu. Vì thế việc thêm một lượng nhỏ Natri benzoat là nhằm khắc phục khả năng kháng khuẩn nhằm tạo nên mẫu nhựa sinh học hoàn thiện nhất. 554
4. THẢO LUẬN Qua kết quả nghiên cứu và các đánh giá sơ bộ, nhìn chung Đề tài “Nghiên cứu, đề xuất quy trình chế tạo nhựa phân hủy sinh học từ Gelatin và Chitosan” đã bước đầu thành công trong việc tìm ra nguồn nguyên liệu thay thế cho các loại nhựa từ nhiên liệu hóa thạch đang gây ô nhiễm môi trường hiện nay. Tuy nhiên, nghiên cứu này mới chỉ dừng lại ở các phương pháp nghiên cứu định tính (quan sát bằng mắt sự thay đổi bên ngoài về kích cỡ, màu sắc, trạng thái…) của các mẫu nhựa mà chưa đi sâu vào các phương pháp nghiên cứu định lượng. Vậy nên, để tăng tính thuyết phục và hoàn thiện cho nghiên cứu nói trên, cần phải chú trọng sử dụng phương pháp định lượng để đánh giá các chỉ tiêu của nhựa, cụ thể như sau: - Tìm kiếm chất liên kết/chất độn… để tăng độ bền khi sử dụng cho nhựa. - Kiểm tra, đánh giá các chỉ tiêu cơ học của nhựa: độ bền kéo [4], phần trăm giãn dài khi đứt [4], modul Young… - Kiểm tra, đánh giá các chỉ tiêu hóa lý: xác định khối lượng riêng và cấu trúc phân tử bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) [1], thử thay đổi kích thước bằng nhiệt độ cao [7], kiểm tra tính kháng khuẩn [7] - Kiểm tra, đánh giá khả năng phân hủy sinh học của nhựa trong môi trường đất, nước [7]… TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Lê Hồ Khánh Hỷ và cộng sự - Chế tạo màng chitosan/glycerol và chitosan/glycerol bổ sung nanochitosan trong bảo quản thực phẩm cá thu - Tuyển Tập Nghiên Cứu Biển, 2016, tập 22: 48 – 58. [2]. Ngô Đăng Nghĩa, Lê Minh Hùng, Hoàng Xuân Tùng (2018) - Xu hướng nghiên cứu và ứng dụng polymer sinh học trong công nghiệp thực phẩm – Báo cáo phân tích xu hướng công nghệ |Trung tâm thông tin và thống kê KH&CN [3]. N. Sudermana, M.I.N. Isab, N.M. Sarbon - The effect of plasticizers on the functional properties of biodegradable gelatin-based film: A review - Food Bioscience 24 (2018) 111–119. [4]. Susilawati, Iis Rostini, Rusky Intan Pratama, Emma Rochima - Characterization of Bioplastic Packaging from Tapioca Flour Modified with the Addition of Chitosan and Fish Bone Gelatin - World Scientific News 135 (2019) 85-98. [5]. Jiménez L1 , Mena MJ1 , Prendiz J1 , Salas L1 and Vega-Baudrit J1,2 - Polylactic Acid (PLA) as a Bioplastic and its Possible Applications in the Food Industry - J Food Sci Nutr 2019, 5: 048 DOI: 10.24966/FSN-1076/100048 [6]. Lê Thị Minh Thủy và Trương Thị Mộng Thu - Nghiên cứu kết hợp màng bao chitosan và dịch chiết lá chanh (Citrus aurantiifolia) để bảo quản lạnh chả cá thác lác (Chitala Chitala) - Tập 55, Số 4 (2019) Trang: 105-112 555
[7]. Allison M. Brookhart et. al. (2020) - A comparison of gelatin and traditional plastics – University of Massachusetts Amherst | Biomedicine/Biosystems. https://icons.cns.umass.edu/innovation-portal/1417- gelatin-traditional-plastics 556