Tiêu đề BÁO CÁO CHUẨN IN NGÀY 23.3.2021.pdf ✅

CUỘC THI KHKT CẤP QUỐC GIA HỌC SINH TRUNG HỌC NĂM HỌC 2020-2021 --------- BÁO CÁO TÓM TẮT KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÊN DỰ ÁN: TẬN DỤNG VẢY CÁ PHẾ THẢI ĐỂ CHẾ TẠO CHẾ PHẨM SINH HỌC CHITOSAN/GELATIN/NANO HAp-Ag VÀ ỨNG DỤNG TRONG BẢO QUẢN MỘT SỐ LOẠI QUẢ ĐỊA PHƯƠNG Lĩnh vực dự thi: Hóa học Năm 2021
1 PHẦN 1: LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI Hà Nam là một tỉnh có nền nông nghiệp phát triển với một số hoa quả đặc sản như chuối ngự Đại Hoàng, cam giấy Chợ Sông,... Các loại quả này sau khi thu hoạch cần được sơ chế và bảo quản trước khi đến tay người tiêu dùng. Do vậy, việc đảm bảo độ tươi ngon và hàm lượng chất dinh dưỡng ít bị hao hụt là vấn đề luôn được quan tâm và đặt lên hàng đầu. Hiện nay, cũng có nhiều nghiên cứu cách bảo quản khác nhau như: bảo quản lạnh, bảo quản kín, bảo quản bằng phương pháp hoá học,... Trong đó, phương pháp sử dụng các loại màng polyme như PE, PP,... để bao gói thực phẩm kết hợp bảo quản lạnh được dùng phổ biến. Tuy nhiên, dùng các vật liệu này có một số hạn chế là tổn hao chất dinh dưỡng của thực phẩm trong quá trình đông lạnh và bảo quản, hơn nữa các màng polyme này khó phân hủy nên thường gây ô nhiễm môi trường. Hiện nay, sử dụng các chế phẩm sinh học trong bảo quản nông sản là xu thế mới được các nhà khoa học và các doanh nghiệp tập trung nghiên cứu. Chúng tôi tìm hiểu được chế phẩm sinh học có nhiều ưu điểm đó là không gây ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người, không gây ô nhiễm môi trường sinh thái và duy trì được chất lượng nông sản trong thời gian bảo quản. Các chế phẩm sinh học được sử dụng trong bảo quản nông sản trên thị trường thường ở dạng dung dịch hoặc màng mỏng. Trong quá trình bảo quản nông sản thường có hiện tượng các vi khuẩn, nấm mốc sinh sôi và phát triển trên bề mặt sản phẩm. Vì vậy, nghiên cứu chế tạo một loại chế phẩm sinh học mới vừa có khả năng bảo quản nông sản hiệu quả lại có tích hợp tính năng kháng khuẩn, kháng nấm là rất cấp thiết [2]. Các chế phẩm sinh học được sử dụng trên thị trường hiện nay chủ yếu là các chế phẩm của chitosan (CS). CS được sản xuất từ vỏ của các loài giáp xác như tôm, cua,... CS là một dẫn xuất polysaccharide không độc, có tính tương hợp sinh học cao, có các tính chất đặc trưng như khả năng tạo gel, tạo màng, hấp phụ màu, kháng nấm, kháng khuẩn, chống oxi hóa, an toàn với cơ thể người. Trong những năm gần đây, CS và các sản phẩm biến tính của nó được quan tâm ứng dụng nhiều trong việc bảo quản các sản phẩm nông sản sau khi thu hoạch như cam giấy, chanh, chuối ngự, dâu tây, vải,...và một số nông sản khác [2,3]. Tuy nhiên, CS có nhược điểm là không tan trong nước. Điều này hạn chế ứng dụng của CS. Việc kết hợp CS với các polyme tan tốt trong nước và có khả năng tương hợp với CS như gelatin, carrageenan là một biện pháp hiệu quả để gia tăng ứng dụng của CS trong thực tế. Trong quá trình chế biến cá nước ngọt, các phế liệu như vảy cá, xương cá, vây cá,... thường được thải trực tiếp ra môi trường mà không qua xử lý gây ra sự ô nhiễm về mùi và có thể sinh sôi các vi khuẩn gây bệnh cho môi trường xung quanh. Trong các phế liệu từ cá, vảy cá có chứa nguồn hydroxyapatite (HAp) và collagen phong phú. Một số nghiên cứu đã chỉ ra gelatin có thể thu được nhờ sản phẩm thủy phân collagen từ da cá hoặc vảy cá [1]. HAp sản xuất từ vảy cá không độc, có khả năng tương thích sinh học và hấp phụ tốt [1]. Hạt nano Ag đã được chứng minh là có khả năng kháng khuẩn tốt và không gây độc cho con người nhưng bản chất nano Ag là vô cơ trong khi CS và gelatin là các polyme hữu cơ nên chúng khó tương hợp với nhau [2]. Vì vậy, sử dụng HAp làm chất mang để hấp phụ nano Ag có thể tăng khả năng phân tán của nano Ag trong màng polyme. Đồng thời, khi phân tán nano HAp vào nền polyme có thể cải thiện khả năng hô hấp của màng. Việc tận dụng nguồn phế liệu vảy cá để sản xuất gelatin và HAp trong chế phẩm sinh học bảo quản nông sản nhằm làm tăng giá trị kinh tế cũng như giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong quá trình chế biến cá.
2 Từ những nghiên cứu và kiến thức thực tế có được, chúng tôi quyết định thực hiện đề tài: Tận dụng vảy cá phế thải để chế tạo chế phẩm sinh học chitosan/gelatin/ nano HAp-Ag và ứng dụng trong bảo quản một số loại quả địa phương. CÂU HỎI NGHIÊN CỨU - Câu hỏi nghiên cứu: Có thể kết hợp gelatin, chitosan, vật liệu nano HAp, nano Ag để chế tạo chế phẩm sinh học có khả năng bảo quản một số loại quả địa phương được không? MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI - Chế tạo và nghiên cứu các đặc trưng, tính chất của chế phẩm sinh học. - Đánh giá khả năng bảo quản một số loại quả của chế phẩm sinh học được chế tạo. PHẦN 2: THIẾT KẾ VÀ PHƯƠNG PHÁP 2.1. Thiết kế Bước 1: Thu HAp và thu collagen để chế tạo gelatin từ vảy cá phế thải Bước 2: Chế tạo hạt nano HAp-Ag Bước 3: Chế tạo chế phẩm sinh học chitosan/gelatin/nano HAp-Ag Bước 4: Đánh giá khả năng bảo quản nông sản trên một số loại quả địa phương 2.2. Phương pháp 2.2.1. Dụng cụ, hóa chất và thiết bị nghiên cứu: - Dụng cụ, thiết bị: Máy khuấy từ gia nhiệt, máy siêu âm, máy đồng hóa mẫu, máy khuấy cơ, máy làm lạnh, máy sấy, cốc thuỷ tinh, bình thuỷ tinh, đĩa petri,... - Hoá chất: vảy cá nước ngọt, NaOH, HCl, H2SO4, CH3COOH, AgNO3, NaCl, ... 2.2.2. Tiến hành nghiên cứu: a. Quy trình thu HAp và thu collagen để chế tạo gelatin từ vảy cá phế thải Chuẩn bị mẫu - Vảy cá nước ngọt (cá trắm, cá chép, cá rô phi, cá trôi) được thu mua từ các khu chợ trong địa bàn thành phố Phủ Lý. Vảy cá được bảo quản ở nhiệt độ ≤ 20oC trước khi vận chuyển về phòng thí nghiệm. - Chuẩn bị nguyên liệu cho thí nghiệm: vảy cá nước ngọt được rửa sơ bộ bằng nước sạch để loại bỏ bớt mỡ, thịt vụn còn sót lại. - Sau đó để khô tự nhiên đến độ ẩm < 10%. - Cân mẫu vảy cá khi đã khô thu được khối lượng vảy cá ban đầu (m0). Xử lý vảy cá bằng dung dịch kiềm Mục đích: Loại bỏ phần protein và các tạp chất hữu cơ khác trong vảy cá. - Cân 10g NaOH hòa tan và định mức bằng nước cất đến thể tích V=500 ml để thu được dung dịch NaOH 0,5M. - Cho 30g vảy cá (m0) vào hỗn hợp trên và khuấy đều trong 8 giờ trên máy khuấy từ. - Sau 8 giờ khuấy từ, hỗn hợp dung dịch được cho vào khuấy siêu âm trong 4 phút (tốc độ khuấy 15.000 vòng/phút). - Lấy mẫu vảy cá ra khỏi dung dịch, rửa sạch nhiều lần bằng nước sạch thu được vảy cá đã xử lý kiềm, giữ lại dung dịch kiềm để sử dụng cho bước xử lý tiếp theo. Xử lý vảy cá bằng dung dịch axit Mục đích: tách HAp trong vảy cá.
3 Ngâm vảy cá sau xử lý kiềm với 500 ml dung dịch axit HCl 0,2M và H2SO4 0,5M trong thời gian 30 phút để hoà tan phần HAp trong vảy cá vào dung dịch axit. Thu HAp - Sau khi ngâm vảy cá bằng axit, tách riêng phần vảy cá ra khỏi dung dịch axit. Vảy được rửa sạch nhiều lần bằng nước sạch, để khô tự nhiên. - Nhỏ từ từ dung dịch kiềm (sau bước xử lý vảy cá với dung dịch kiềm ở trên) vào phần dung dịch axit đã hòa tan HAp, thêm dung dịch NaOH 0,5M để điều chỉnh pH =10- 11. HAp xuất hiện dưới dạng kết tủa màu trắng. Lọc kết tủa qua giấy lọc bằng bình lọc hút chân không (trước khi lọc, sấy khô giấy lọc, cân và ghi lại khối lượng giấy lọc sau sấy). - Sấy kết tủa trên giấy lọc trong tủ sấy ở nhiệt độ 150oC trong 24 giờ. Kết tủa được hòa tan vào 100 ml nước cất, khuấy ở nhiệt độ từ 140 - 150oC trong 30 phút để loại bỏ một phần hữu cơ còn dư trên bề mặt hạt HAp. Lọc kết tủa qua giấy lọc và sấy khô kết tủa trong tủ sấy ở nhiệt độ 150 oC. - Sau khi sấy, cân khối lượng kết tủa và giấy lọc. Khi đó, tính được khối lượng HAp thu được: mnano HAp = mtổng – mgiấy lọc Trong đó: mnano HAp: khối lượng HAp (g). mtổng: khối lượng cân kết tủa + giấy lọc (g). mgiấy lọc: khối lượng giấy lọc ban đầu (g). Mẫu HAp được nung ở 650oC nhằm loại bỏ phần hữu cơ bên trong hạt HAp giúp hạt có cấu trúc xốp hơn. Thu collagen chế tạo gelatin - Vảy cá sau xử lý axit tiếp tục được ngâm trong dung dịch axit axetic nồng độ 0,5 M trong 24 giờ đồng thời khuấy từ. Tỉ lệ vảy cá : axit axetic = 1:20 (m/V = g/ml). - Lọc vảy cá ra khỏi dung dịch, collagen được hòa tan trong dung dịch axit axetic và kết tủa lại bằng NaCl 10%. - Thẩm tích collagen trong 48 giờ bằng túi thẩm tích thu được collagen tinh, sau đó sấy collagen ở nhiệt độ 60oC trong tủ sấy đối lưu không khí tự nhiên thu được gelatin. b. Quy trình chế tạo vật liệu nano HAp-Ag Cho 2,5 gam nano HAp khuấy trong 200ml nước lạnh thu được dung dịch A. Khuấy 0,01 gam NaBH4 vào nước lạnh thu được dung dịch B. Nhỏ từ từ B vào A có khuấy từ thu được dung dịch C, tiếp tục cho thêm 100 ml dung dịch AgNO3 0,1M, khuấy siêu âm trong vòng 10 phút thu được được chất D màu vàng nhạt. Sau khi nhỏ hết dung dịch AgNO3 thì dừng khuấy, ngừng làm lạnh sau đó để lắng. Lọc hút chân không thu được sản phẩm rắn, sấy ở nhiệt độ dưới 100oC thu được hạt nano HAp-Ag. Làm tương tự với mẫu nano HAp nung ở 650oC thu được mẫu nano HAp (nung)-Ag. c. Quy trình chế tạo mẫu màng chitosan/gelatin/nano HAp-Ag Hòa tan 3,6 gam chitosan trong 300 ml dung dịch axit axetic 1% (dung dịch A1). Hòa tan 2,4 gam gelatin trong 100 ml nước cất ở 50oC (dung dịch A2). Thay đổi khối lượng nano HAp (nung)-Ag và phân tán vào 600 ml nước cất thu được (hỗn hợp A3). Nhỏ từ từ dung dịch A2 vào A1, khuấy đều trong 30 phút để đồng nhất hai dung dịch. Sau đó nhỏ từ từ hỗn hợp A3 vào dung dịch trên, đồng thời khuấy trong 30 phút thu được mẫu chế phẩm B1 – B4. Bảng 1. Khối lượng nano HAp (nung)-Ag và nồng độ Ag trong mẫu chế phẩm sinh học Mẫu B1 B2 B3 B4 Nano HAp (nung)-Ag (gam) 0,166 0,332 0,663 1,326 Nồng độ Ag (ppm) 50 100 200 400