Luận án nghiên cứu chế tạo và tính chất của màng polyme ứng dụng để bảo quản quả

Chất lượng hoa quả tươi thường suy giảm nhanh chóng từ khi thu hoạch đến khi tiêu thụ. Quá trình này bắt nguồn từ việc quả vẫn duy trì các hoạt động sinh lý như hô hấp và trao đổi chất. Các biến đổi sinh hóa, vật lý và hóa học diễn ra liên tục, làm thay đổi cấu trúc, hương vị và độ tươi của quả. Đặc biệt, sự hô hấp mạnh mẽ đẩy nhanh quá trình chín, làm quả nhanh già đi. Các tế bào sống trong quả tiếp tục phân giải carbohydrate, lipid và protein, giải phóng năng lượng và sản phẩm phụ, dẫn đến sự mềm nhũn và giảm độ săn chắc. Nếu không có biện pháp can thiệp kịp thời, quả sẽ nhanh chóng hư hỏng hoàn toàn. Việc hiểu rõ các đặc tính hô hấp và cơ chế của những biến đổi này là chìa khóa để phát triển các phương pháp bảo quản hiệu quả, giúp kéo dài thời hạn sử dụng sản phẩm.

Để đối phó với thách thức bảo quản sau thu hoạch, các công nghệ tiên tiến đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi. Trong đó, bảo quản bằng lớp phủ ăn được và màng bao gói khí quyển biến đổi (MAP) là hai hướng tiếp cận chính. Lớp phủ ăn được tạo một lớp màng mỏng trực tiếp trên bề mặt quả thông qua các phương pháp nhúng, phun hoặc quét. Lớp màng bán thấm này giúp kiểm soát tốc độ trao đổi khí (ôxy và carbon đioxit) và giảm thiểu sự mất độ ẩm, từ đó làm chậm quá trình hô hấp của quả và duy trì chất lượng tươi ngon. Công nghệ MAP liên quan đến việc đóng gói quả trong các loại màng polyme có tính thấm chọn lọc. Màng này điều chỉnh thành phần khí bên trong bao gói, tạo ra một môi trường khí quyển lý tưởng để ức chế hoạt động trao đổi chất của quả. Việc nghiên cứu chế tạo các vật liệu màng polyme này trong nước, thay vì nhập khẩu, sẽ giúp tối ưu hóa chi phí và phù hợp hơn với điều kiện khí hậu, nông sản Việt Nam.

Một nhiệm vụ trọng tâm của nghiên cứu là chế tạo và đánh giá vật liệu bảo quản dạng dung dịch từ shellac. Quá trình này bao gồm việc tạo màng từ dung dịch shellac kết hợp với các chất hóa dẻo. Sau khi tạo màng, các tính chất quan trọng của màng shellac được xác định, bao gồm hình thái học bề mặt, tính chất cơ lý (độ bền kéo, độ giãn dài) và tính chất nhiệt (độ ổn định nhiệt). Song song đó, nghiên cứu cũng tập trung vào chế tạo vật liệu bảo quản quả dạng nhũ tương polyvinyl axetat (PVAc). Quá trình tổng hợp PVAc bằng phương pháp trùng hợp nhũ tương được nghiên cứu chi tiết. Sản phẩm PVAc sau tổng hợp sẽ được phân tích đánh giá các chỉ số như độ chuyển hóa monome, độ bền nhũ, trọng lượng phân tử trung bình (TLPTTB), hình thái học bề mặt, cấu trúc hóa học và tính chất nhiệt. Mục tiêu là tạo ra lớp phủ hoặc màng PVAc có đặc tính tối ưu cho việc bảo quản trái cây.

Nhiệm vụ khác của nghiên cứu là phát triển công nghệ chế tạo màng bao gói khí quyển biến đổi (MAP) trên cơ sở polyethylen (PE) với sự kết hợp của các phụ gia vô cơ. Quá trình này bắt đầu bằng việc nghiên cứu quá trình trộn và cắt hạt nhựa PE cùng với phụ gia. Khả năng trộn đều và phân tán đồng nhất của phụ gia trong nền PE là yếu tố then chốt, được đánh giá bằng các phương pháp phân tích chuyên biệt. Tiếp theo, quá trình thổi màng từ hỗn hợp PE/phụ gia được nghiên cứu để tối ưu hóa điều kiện sản xuất. Sau khi chế tạo, màng MAP được đánh giá toàn diện về các tính chất quan trọng. Các thông số bao gồm chiều dày màng, hình thái học bề mặt, tính chất cơ lý (độ bền kéo, độ bền xé), và đặc biệt là độ bền mối hàn, đảm bảo khả năng đóng gói kín và duy trì môi trường khí quyển biến đổi bên trong bao gói. Mục tiêu là tạo ra màng MAP có hiệu suất cao, phù hợp với nhu cầu bảo quản nông sản.

Quá trình sản xuất màng polyme từ shellac bắt đầu bằng việc chuẩn bị dung dịch shellac. Shellac là một polyme tự nhiên, có khả năng tạo màng tốt. Để cải thiện tính chất cơ lý và độ linh hoạt của màng, các chất hóa dẻo được thêm vào dung dịch shellac. Chất hóa dẻo giúp giảm độ giòn và tăng cường độ đàn hồi của màng, làm cho màng trở nên dẻo dai hơn và ít bị nứt vỡ trong quá trình sử dụng. Sau khi dung dịch được pha chế và đồng nhất, màng được tạo ra thông qua phương pháp đúc màng hoặc cán màng. Các điều kiện sấy và đóng rắn màng được kiểm soát cẩn thận để đảm bảo màng có độ dày đều và không bị khuyết tật. Màng shellac sau khi hình thành được đánh giá về các đặc tính như độ trong suốt, khả năng bám dính, và quan trọng nhất là tính chất cơ lý và khả năng kiểm soát độ ẩm, để đảm bảo hiệu quả trong vai trò lớp phủ bảo quản quả tươi.

Việc tổng hợp nhũ tương polyvinyl axetat (PVAc) được thực hiện thông qua phương pháp trùng hợp nhũ tương. Quá trình này bao gồm việc polymer hóa monome vinyl axetat trong môi trường nước với sự hiện diện của chất nhũ hóa và chất khởi đầu. Các yếu tố như nhiệt độ phản ứng, nồng độ monome và chất nhũ hóa được kiểm soát chặt chẽ để đạt được nhũ tương PVAc với kích thước hạt mong muốn và độ bền nhũ cao. Sau khi tổng hợp, nhũ tương PVAc được đánh giá về độ chuyển hóa monome, độ bền nhũ tương, và trọng lượng phân tử trung bình của polyme. Từ nhũ tương PVAc này, màng bảo quản được chế tạo. Quy trình chế tạo màng bao có thể bao gồm phương pháp đúc màng hoặc phủ. Màng PVAc hình thành được kiểm tra về hình thái học bề mặt, cấu trúc bên trong và tính chất nhiệt. Mục tiêu là tạo ra một loại màng có khả năng tạo lớp phủ đồng nhất trên bề mặt quả, giúp kiểm soát quá trình thoát hơi nước và hô hấp, từ đó kéo dài thời gian bảo quản và duy trì chất lượng của quả tươi.

Phân tích hình thái học bề mặt của màng polyme là một bước quan trọng để đánh giá độ đồng nhất, sự hiện diện của các lỗ hổng hoặc khuyết tật, và cấu trúc vi mô của màng. Các kỹ thuật như kính hiển vi điện tử quét (SEM) thường được sử dụng để quan sát chi tiết bề mặt và mặt cắt của màng. Bên cạnh đó, các tính chất cơ lý của màng cũng được kiểm tra nghiêm ngặt. Điều này bao gồm việc xác định độ bền kéo, độ giãn dài khi đứt và mô đun đàn hồi. Những thông số này phản ánh khả năng chịu lực, độ dẻo dai và tính linh hoạt của màng. Một màng bảo quản quả hiệu quả cần có đủ độ bền để không bị rách trong quá trình xử lý và vận chuyển, đồng thời đủ dẻo để ôm sát bề mặt quả hoặc tạo thành bao gói bền vững. Tính chất cơ lý tốt cũng góp phần vào khả năng bảo vệ quả khỏi các tác động vật lý từ môi trường bên ngoài.

Tính chất nhiệt của màng polyme là yếu tố quan trọng, ảnh hưởng đến độ ổn định và hiệu suất của màng dưới các điều kiện nhiệt độ khác nhau trong quá trình bảo quản. Các phương pháp phân tích nhiệt như phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) và quét nhiệt vi sai (DSC) được sử dụng để xác định nhiệt độ chuyển thủy tinh (Tg), nhiệt độ nóng chảy và độ ổn định nhiệt của vật liệu. Đối với màng MAP trên nền PE có chứa phụ gia vô cơ, việc đánh giá khả năng phân tán phụ gia là cực kỳ quan trọng. Phụ gia cần được phân tán đồng nhất trong nền polyme để đảm bảo màng có tính chất tối ưu, đặc biệt là khả năng kiểm soát độ thấm khí. Các phương pháp như hiển vi hoặc nhiễu xạ tia X có thể được sử dụng để kiểm tra mức độ phân tán và tương tác giữa phụ gia và ma trận polyme. Sự phân tán tốt sẽ đảm bảo màng có cấu trúc đồng đều và hiệu suất ổn định trong việc điều chỉnh khí quyển bao quanh quả.

Các vật liệu bảo quản được chế tạo sẽ được thử nghiệm trực tiếp trên hai loại quả cụ thể là vải và mận. Việc lựa chọn các loại quả này dựa trên đặc tính dễ hỏng và nhu cầu bảo quản cao sau thu hoạch. Trong suốt quá trình bảo quản, một số chỉ số quan trọng được theo dõi và đánh giá định kỳ. Bao gồm hao hụt khối lượng của quả, tỷ lệ quả bị hư hỏng do nấm mốc hoặc quá trình lão hóa tự nhiên, và các thay đổi về màu sắc, mùi vị, độ cứng. Mức độ hao hụt khối lượng cho biết khả năng kiểm soát mất nước của màng. Tỷ lệ hư hỏng phản ánh hiệu quả của màng trong việc ức chế sự phát triển của vi sinh vật và làm chậm quá trình chín. So sánh kết quả giữa quả được xử lý bằng màng polyme và quả đối chứng (không xử lý) sẽ cung cấp cái nhìn rõ ràng về khả năng kéo dài thời hạn sử dụng và duy trì chất lượng cảm quan của sản phẩm. Nghiên cứu tập trung vào việc định lượng các thay đổi này để xác định hiệu quả thực sự của vật liệu bảo quản.

Bên cạnh việc theo dõi các chỉ số trực quan, nghiên cứu còn tiến hành phân tích các chỉ số hóa học và vật lý của quả được bảo quản bằng màng polyme. Các chỉ số này cung cấp thông tin sâu hơn về sự thay đổi chất lượng bên trong của quả. Cụ thể, hàm lượng đường (bao gồm đường tổng số, đường khử và đường không khử) được đo để đánh giá mức độ chuyển hóa carbohydrate và hương vị ngọt của quả. Độ cứng của quả được kiểm tra bằng thiết bị chuyên dụng, phản ánh độ săn chắc của thịt quả và khả năng chịu va đập. Ngoài ra, độ axit tổng số và pH cũng có thể được xác định để đánh giá sự thay đổi về hương vị và quá trình hô hấp. Việc phân tích toàn diện các chỉ số này giúp xác định liệu màng bảo quản có giữ được giá trị dinh dưỡng và đặc tính tươi ngon của quả trong thời gian dài hay không, đồng thời cung cấp dữ liệu khoa học để tối ưu hóa hiệu suất của vật liệu bảo quản.

Hầu hết quá trình suy giảm chất lượng của rau quả tươi đều diễn ra sau khi thu hoạch. Quả vẫn là những tế bào sống, tiếp tục quá trình hô hấp mạnh mẽ và các phản ứng trao đổi chất. Những quá trình này dẫn đến các biến đổi sinh hóa (như phân hủy pectin, thay đổi đường, axit), biến đổi vật lý (như mất nước, mềm nhũn) và biến đổi hóa học (như ôxy hóa). Chính các biến đổi này làm cho quả nhanh chóng mất độ tươi, giảm độ cứng và dễ bị hư hỏng do vi sinh vật. Tỷ lệ tổn thất có thể rất cao nếu không có biện pháp can thiệp. Để khắc phục, các phương pháp bảo quản hiện đại tập trung vào việc làm chậm các quá trình sinh lý này. Việc sử dụng màng polyme tạo lớp phủ hoặc bao gói giúp kiểm soát môi trường khí quyển quanh quả, giảm nồng độ oxy và tăng nồng độ carbon dioxide, từ đó ức chế hô hấp. Màng cũng hạn chế sự bay hơi nước, duy trì độ ẩm cần thiết, giữ cho quả tươi lâu hơn.

Màng polyme mang lại tiềm năng to lớn cho ngành công nghiệp bảo quản quả. Khả năng tạo ra lớp phủ ăn được hoặc màng bao gói khí quyển biến đổi (MAP) từ vật liệu polyme cho phép các nhà sản xuất kéo dài đáng kể thời gian bảo quản của nhiều loại trái cây, giảm thiểu lãng phí và mở rộng thị trường tiêu thụ. Công nghệ này giúp duy trì chất lượng cảm quan (màu sắc, độ tươi, độ săn chắc) và giá trị dinh dưỡng của sản phẩm trong suốt chuỗi cung ứng. Việc nghiên cứu và chế tạo màng polyme từ các nguồn nguyên liệu sẵn có trong nước hoặc quy trình tổng hợp trong nước giúp giảm chi phí sản xuất, tăng tính cạnh tranh cho nông sản Việt Nam. Hơn nữa, sự phát triển của các loại màng thân thiện với môi trường, có khả năng phân hủy sinh học, còn góp phần vào việc xây dựng một ngành công nghiệp bảo quản bền vững, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng về thực phẩm an toàn và chất lượng.