Tác giả: Ngô Thị Thanh Tuyền (Email: tuyennttbio@gmail.com)
Bao bì truyền thống là một trong những nguyên nhân gây ra ô nhiễm môi trường và gây cạn kiệt các nguồn tài nguyên không thể tái tạo. Do đó, việc nghiên cứu và tìm kiếm vật liệu thay thế là một trong những yêu cầu cấp thiết hiện nay đối với ngành công nghiệp sản xuất, đóng gói và bảo quản. Nghiên cứu của Khoa Thực phẩm và Dinh dưỡng, Đại học Cork (Ireland) về loại vật liệu có nguồn gốc từ thực phẩm cho thấy tiềm năng thương mại rất lớn vì loại bao bì này không những có khả năng phân huỷ sinh học mà còn có thể ăn được.
Nhu cầu sử dụng màng sinh học
Cho đến nay, phần lớn bao bì thực phẩm chủ yếu làm từ nhựa, kim loại, giấy hoặc thuỷ tinh. Trong một báo cáo ở Mỹ cho thấy nhựa chiếm 38% tổng vật liệu đóng gói (1) và hầu hết số bao bì nhựa này được chôn lấp trong các bãi rác hay đem đốt, chỉ có một số lượng rất nhỏ là được tái chế.
Ngoài ra, lượng nguyên liệu nhựa tiêu thụ hàng năm của thế giới đã tăng từ 5 triệu tấn (năm 1950) lên gần 230 triệu tấn (2) mà đa số là bao bì thực phẩm nên việc giảm bao bì nhựa không những giúp giảm thiểu chất thải rắn, bảo vệ môi trường mà còn tiết kiệm chi phí sản xuất đáng kể.
Vì vậy, việc sản xuất màng bọc sinh học đã thu hút sự chú ý của các nhà sản xuất thực phẩm, và do có nguồn gốc từ thực phẩm nên loại màng bao gói này có thể ăn được và an toàn hơn loại bao bì nhựa trước đây.
Bên cạnh tiềm năng thương mại và môi trường, một số yếu tố như tính chất cơ học, tính oxy hoá, độ pH, độ ẩm tương đối và nhiệt độ chịu đựng cũng được quan tâm (3,4- 8).
Đặc tính cơ bản của màng sinh học
Đặc điểm chung
Tiến hành nghiên cứu các loại màng bọc tạo thành từ 20 loại thực phẩm khác nhau cho thấy màng tổng hợp từ sodium alginate, màng gelatine và màng đạm whey cô đặc có các chỉ số vượt trội về khả năng chịu lực cơ học, tính kháng thủng, kháng ẩm (9, 10). Trong đó, màng gelatine (pH= 10,54, CO= 27,25%) có độ đàn hồi cao nhất (351,12%); màng 3 lớp (với tỉ lệ WPI: G: SA= 10.0: 16.0: 14.0) có độ thẩm thấu oxy thấp nhất 8.00 (cm3.mm/ m2.d.kPa); màng kép từ gelatine và sodium alginate có độ thấm hơi nước thấp nhất (22,63 g.mm/ kPa.d.m2) (11).
Nhìn chung, màng bọc ăn được có những đặc điểm sau:
- Độ dày từ 25μm đến 140μm
- Màng có thể trong hoặc mờ tuỳ thuộc vào thành phần và kỹ thuật sản xuất (Hình 1)
- Hạn sử dụng của màng bọc phụ thuộc vào điều kiện môi trường (Hình 2), các đặc tính cơ học và chống oxy hoá vẫn đang tiếp tục được hoàn thiện.
- Ở điều kiện thường (18-23°C, 40-65% RH) màng bọc dùng được trong 5 năm mà cấu trúc không có thay đổi đáng kể nào.
- Màng được tạo thành từ các thành phần có thể ép lại thành nhiều lớp (Hình 3).
- Màng bọc có thể được dán nhãn, in kí tự hoặc niêm phong miệng bao bì.
- Một số biến đổi vi mô ở cấu trúc màng ( như hiện tượng tách pha biopolymer) gây ảnh hưởng đến đặc tính màng (Hình 4).
Hình 1. Màng sinh học ăn được sản xuất từ thành phần thực phẩm
Hình 2. Màng bọc tạo thành từ sodium alginate (SA) ở 140oC trong 24 giờ. Màng bọc SA cho thấy khả năng chịu lực cơ học cao và ngăn cản sự xâm nhập khí
Hình 3. Màng bọc nhiều lớp tạo thành từ màng sodium alginate (trái) và màng gelatin (phải)
Hình 4. Màng vật liệu tổng hợp làm từ sodium alginate (SA) và đạm whey cô đặc (WPI)
a. Hình ảnh dưới kính hiển vi đồng tiêu quét laser (CLSM)
b. Hình ảnh mặt cắt sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM)
Hạn chế
Màng protein thường tan trong nước nhưng lại có đặc tính chống oxy hoá và tăng hương vị cho thực phẩm. Trong khi đó, màng lipit có đặc tính kháng ẩm tốt nhưng không có các ưu thế cơ học như màng protein (12). Bằng việc kết hợp các loại màng sẽ giúp tận dụng các ưu điểm và khắc phục nhược điểm của từng loại màng riêng rẻ.
So sánh giữa màng sinh học và màng bọc truyền thống như Polyethylene terephthalate (PET), Polystyrene (PS)
Khả năng chịu lực cơ học của màng sinh học mặc dù thấp hơn màng nhựa nhưng vẫn nằm trong khoảng chấp nhận được để sử dụng với mục đích làm bao bì. Một ưu điểm khác của màng sinh học là khả năng chống oxy hoá, nhưng lại có nhược điểm lớn cần khắc phục là tính thấm nước.
Biểu đồ Hình 5 cho thấy màng bọc ăn được (4G) có độ đàn hồi cao nhất (351.12%), tiếp theo là PET (136.94%). Màng PS có sức căng cao nhất (77.17 MPa), sau đó là màng sinh học SAOGOWPIO (55.77 MPa). Tuy nhiên, khả năng chịu lực đâm thủng của màng SAOGOWPIO cao hơn gần 7 lần so với màng nhựa tổng hợp (PET: 6.34 N và PS: 6.36 N).
Hình 5. Sự so sánh giữa màng sinh học ăn được và màng bọc tổng hợp
(trục hoành: tên các loại màng bọc, trục tung: giá trị các chỉ số so sánh)
SAOGO: Màng kép tạo thành từ màng sodium alginate và màng gelatine.
4G: Màng gelatine 4%
GWPISA- 4: Màng tạo thành từ hỗn hợp gelatine, đạm whey cô đặc và sodium alginate.
SAOGOWPIO: Màng 3 lớp gồm: màng sodium alginate, màng gelatine và màng đạm whey cô đặc.
TS: Sức căng
E: Độ đàn hồi
PT: Khả năng chịu lực đâm (chọc thủng)
OP: Tính thẩm thấu oxygen
WVP: Tính thấm
Ứng dụng màng sinh học trong bao gói thịt
Hình 6 cho thấy ứng dụng màng sinh học để đóng gói một số loại thịt khác nhau và đánh giá hiệu quả của loại màng này trong quá trình chuẩn bị và lưu trữ thực phẩm, cho thấy một số ưu điểm sau:
- Khối lượng sau chế biến tăng 12% so với bảo quản bằng bao bì thông thường.
- Giảm 7% độ ẩm bị mất đi trong quá trình bảo quản (-18°C, 60 ngày).
- Cải thiện hương vị và độ ngon của sản phẩm
Hình 6. a: ức gà tươi; b. ức gà tươi bảo quản bằng màng sinh học ăn được; c. đem ức gà bảo quản trong màng sinh học đi nướng ở 140oC trong 15 phút; d. thịt bò dùng trong bánh mì kẹp thịt; e. thịt bò bảo quản bằng màng sinh học ăn được; f. đem thịt bò bảo quản trong màng sinh học đi nướng ở 140oC trong 15 phút.
Tiềm năng ứng dụng vào thực tế
Mặc dù mới ở giai đoạn nghiên cứu thử nghiệm và còn khá nhiều thách thức như: hiệu quả kinh tế, chi phí và phương pháp sản xuất ở quy mô công nghiệp, nhưng nhìn chung, với tính năng thân thiện với môi trường và an toàn cho người tiêu dùng, màng sinh học ăn được hứa hẹn tiềm năng rất lớn không những trong ngành công nghệ thực phẩm mà còn trong các ngành sản xuất, tiêu dùng nói chung.
Tài liệu tham khảo:
1. Mary Hopkins (2009) Sustainable (“Green”) packaging market for food and beverage worldwide, 2nd edition. SBI Reports, US.
2. Azapagic A, Emsley A, Hamerton, I. (2003) Polymers: The Environment and Sustainable Development. John Wiley and Sons, Chichester, UK.
3. Krochta, J.M. & de Mulder-Johnston, C. (1997) Edible and biodegradable polymer films: challenges and opportunities. Food Technology 51(2): 61 – 74.
4. Kester, J. J. & Fennema, O. R. (1986) Edible Films and Coatings: A Review. Food Technology: 40, 47 – 59.
5. Debeaufort, F., Quezada, G. A. & Voilley, A. (1998) Edible films and coatings: Tomorrow’s packagings: A review. Critical Reviews in Food Science and Nutrition 38:299-313.
6. Krochta, J. M. (1997) Edible composite moisture-barrier films. Packaging Yearbook, National Food Processors Association. Washing, DC:38 – 51.
7. Cuq, B., Gontard, N. & Guilbert, S. (1994) Edible films and coatings as active layers. Active Food Packaging, London: Blackie Academic and Professional:111-142.
8. McHugh, T. H., Huxsoll, C. C. & Krochta, J. M. (1996) Permeability properties of fruit puree edible films. Journal of Food Science 61:88-91.
9. Wang, L.Z., Auty, Mark, A.E., & Kerry, J.P. (2009) Physical assessment of composite biodegradable films manufactured using whey protein isolate, gelatine and sodium alginate. Journal of Food Engineering.
10. Wang, L.Z., Auty, Mark, A.E., Rau, A., Kerry, J.F., & Kerry, J.P. (2009) Effect of pH and addition of corn oil on the properties of gelatine-based biopolymer films. Journal of Food Engineering 90:11-19.
11. Coughlan, K, Shaw N. B., Kerry J. F. & Kerry J. P. (2004) Combined effects of proteins and polysaccharides on physical properties of whey protein concentrate-based edible films. Journal of Food Science 69(6): E271-E275.
12. Debeaufort, F., Quezada-Gallo, J. A., Delporte, B. & Voilley, A. (2000) Lipid hydrophobicity and physical state effects on the properties of bilayer edible films. Journal of Membrane Science 180:47-55.
13. https://www.newfoodmagazine.com/article/215/edible-biodegradable-packaging-for-food/
