nghiên cứu khoa học giảng dạy và học tập

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (387.77 KB, 9 trang )

(1)<div class='page_container' data-page=1>

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA MÀNG BAO

GÓI THỰC PHẨM ĐƯỢC CHẾ TẠO TỪ TINH

BỘT SẮN CÓ BỔ SUNG POLYETHYLENE

GLYCOL (PEG)

RESEARCH ON FACTORS AFFECTING TENSILE STRENGTH 
OF 
POLYETHYLENE-GLYCOL-(PEG)-ADDED-CASSAVA-STARCH FILM

TRƢƠNG THỊ MINH HẠNH,

Trường Đại học Bách khoa, ĐH Đà Nẵng

VÕ VĂN QUỐC BẢO

Trường Đại học Nơng Lâm, Đại học Huế 
TĨM TẮT

Tinh bột sắn là polysaccharides (polyme tự nhiên), có khả năng tạo màng mỏng
do chính nó và cả khi phối trộn với các phụ liệu tạo màng khác, đồng thời có khả
năng tự phân hủy nhanh trong mơi trường tự nhiên. Để nâng cao khả năng chịu
lực và độ dẻo cho màng mỏng từ tinh bột sắn có bổ sung polyethylene glycol
(PEG), cần nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến quá trình tạo màng. Bằng
phương pháp quy hoạch thực nghiệm yếu tố toàn phần TĐY 2n, chúng tôi đã

nghiên cứu được ảnh hưởng của các yếu tố công nghệ (nồng độ tinh bột sắn,
nồng độ PEG và thời gian hồ hóa) đến độ bền đứt của màng. Độ bền đứt là tiêu
chuẩn quan trọng đáp ứng yêu cầu cho việc ứng dụng bao gói thực phẩm của
màng mỏng. Kết quả nghiên cứu cho thấy, khi nồng độ huyền phù tinh bột sắn:
10,9%, nồng độ PEG: 0,35% và thời gian hồ hóa là 16 phút 30 giây thì khả năng

chịu lực của màng là tốt nhất: 1,218 N/cm2

Từ kết quả đạt được có thể xem xét khả năng ứng dụng của màng trong kỹ thuật
bao gói thực phẩm để có thể thay thế vật liệu PE nhằm giải quyết những khó
khăn trong xử lý môi trường hiện nay.

ABSTRACT

</div>
(2)<div class='page_container' data-page=2>

cassava-starch film in food packaging as a substitution for PE material to alleviate
difficulties in improving the current living environment.

1. Giới thiệu

Hằng năm trên thế giới có khoảng 150 tấn màng ba o gói từ chất dẻo đƣợc
sản xuất và tiêu thụ. Hầu hết nguyên liệu của màng bao gói này cơ bản là dầu thô
nên là kết quả của việc tăng nhu cầu sƣ̉ dụng dầu và là nguyên nhân gây ô nhiễm
môi trƣờng, gây nên sƣ̣ lãng phí . Chính vì vậy, việc sử dụng vật liệu có nguồn gốc
sinh học làm bao bì thay thế các vật liệu cũ đang trở nên cấp thiết [7], [8].

Các polysaccharides tự nhiên rất dễ phân hủy , đặc biệt đối với tinh bộ t, có
thể cho sản phẩm có chi phí thấp và khả năng phân hủy lớn . Tuy nhiên , tƣ̣ bản
phân nó không có tính mềm dẻo khi tạo màng . Để ứng dụng tốt hơn thƣờng tinh
bột đƣợc trộn thêm các phụ gia thực phẩm khác nhƣ polyethylene glycol (PEG)
(tác nhân làm mềm dẻo).

Nƣớc ta có nguồn nguyên liệu tinh bột rất phong phú. Ở miền Trung, tuy
khí hậu khắc nghiệt, đất đai kém màu mỡ nhƣng mỗi năm cho một sản lƣợng tinh
bột rất cao, nhất là tinh bột sắn. Tuy nhiên việc sử dụng nguồn nguyên liệu này sao

cho có giá trị kinh tế cao, hiện nay cịn hạn chế. Vì vậy, việc nghiên cứu đƣa
nguồn nguyên liệu tinh bột này vào sản xuất công nghiệp nhƣ sản xuất màng bao
bì thực phẩm nhằm thay thế các chất dẻo khó phân hủy, có một ý nghĩa kinh tế - xã
hội cao và vô cùng cấp thiết.

Mục tiêu của nghiên cứu là tạo nên màng mỏng bao gói từ tinh bột sắn có
phối trộn polyethylene glycol (PEG) là tác nhân tạo sự liên kết, làm mềm dẻo,
không độc hại và xác định các yếu tố ảnh hƣởng đến độ bền đứt của màng nhằm
góp phần thuận lợi cho việc thay thế trên.

2. Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu 
2.1. Nguyên liệu nghiên cứu

- Tinh bột sắn: đƣợc cung cấp bởi nhà máy tinh bột sắn Thừa Thiên Huế, có
chất lƣợng: độ trắng: >96,0%, độ tinh khiết: 97,5%, tạp chất không quá: 0,05%,
hàm lƣợng đạm: 0.20%.

- Polyethylene glycol (PEG): tinh khiết, dạng bột mịn, của tập đoàn Merck
Schuchard, Đức.

2.2. Phương pháp nghiên cứu

2.2.1. Phương pháp tạo màng [9]:

Qui trình tạo màng:

Polyethylene glycol (PEG)

</div>
(3)<div class='page_container' data-page=3>

* Cách tiến hành:

- Tinh bột sắn đƣợc hòa tan trong nƣớc trong khoảng nồng độ từ 4-12%.
Phối trộn với PEG với nồng độ từ 0,1- 0,4%. Tỷ lệ theo khối lƣợng giữa tinh bột
sắn và các phụ gia là 10:1.Tiến hành hồ hóa ở nhiệt độ 7000C trong thời gian từ 5-

25 phút. Trong quá trình hồ hóa cần phải khuấy đảo thƣờng xuyên để cho tinh bột
đƣợc hồ hóa đều.

- Sau khi hồ hóa đƣợc đem đi đuổi khí và tiến hành tráng mỏng trên kính để
đạt bề dày của màng là 0,4-0,5mm. Làm khô ta đƣợc màng mỏng tinh bột sắn.

2.2.2. Phương pháp xác định khả năng chịu lực của màng [4], [5]

- Dụng cụ xác định đƣợc biểu diễn trên sơ đồ hình 2.1.

- Cách tiến hành: Tất cả các loại màng đƣợc cắt theo kích thƣớc: chiều dài: 8
cm, chiều rộng: 3mm.

Một đầu màng mỏng đƣợc kẹp chặt vào
móc cân, đầu kia đƣợc kẹp chặt vào móc khác và
chịu một lực kéo theo phƣơng thẳng đứng FG bởi

một vật nặng m. Tăng dần FG bằng cách tăng dần

trọng lực của vật nặng cho đến khi màng bị đứt,
ghi lại giá trị trọng lƣợng của vật nặng. Độ bền
đứt của màng đƣợc tính theo cơng thức:

;

S

F

P  (N/cm2)
Trong đó:

- S: diện tích của mẫu đem phân tích, (cm2)
FG = m.g N (Niuton)

- m là vật nặng ghi đƣợc (kg)
- g là lực trọng trƣờng (9,81 N/kg)

2.2.3. Phương pháp toán học

- Sử dụng phƣơng pháp luân phiên từng 
biến, để nghiên cứu động thái của các yếu tố ảnh

hƣởng đến khả năng chịu lực của màng tinh bột, đồng thời xác định tâm quy hoạch
cho phần làm tối ƣu thực nghiệm tiếp theo [2].

- Xây dựng mơ hình thí nghiệm theo phƣơng pháp qui hoạch thực nghiệm
TĐY23

với các tâm quy hoạch vừa tìm đƣợc. Xây dựng phƣơng trình hồi quy và từ
đó tính tốn tìm ra độ bền đứt tối ƣu theo phần mềm Excel-Solver [1].

- Kết quả thí nghiệm đƣợc phân tích phƣơng sai mợt nhân tố ANOVA
(Anova single factor ) và so sánh sự sai khác của các giá trị trung bình bằng
phƣơng pháp DUNCAN (Duncan’s Multiple Range Test) trên phần mềm thống kê
SAS, phiên bản 6.12 chạy trên Windows.

</div>
(4)<div class='page_container' data-page=4>

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của màng tinh bột 
có phối trộn PEG bằng phương pháp luân phiên từng biến:

Có nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến khả năng chịu lực của màng tinh bột, trong
nghiên cứu này đề cập đến 3 yếu tố là: nồng độ tinh bột, nồng độ chất phụ gia PEG
và thời gian hồ hóa

3.1.1. Ảnh hưởng của nồng độ tinh bột sắn (TBS):

Tạo 5 mẫu màng tinh bột có nồng độ PEG: 0.2%, thời gian hồ hóa: 10 phút 
và nồng độ tinh bột sắn thay đổi ở các mẫu từ 4-12%. Kết quả thí nghiệm đƣợc xử
lý bằng phƣơng pháp ANOVA, so sánh sự sai khác của các giá trị trung bình bằng
phƣơng pháp DUNCAN trên phần mềm SAS, và đƣợc biểu diễn trên đồ thị hình
3.1.

0.307c

1.141b

-1.180a 1.182a

0
0.5
1
1.5

Đ

ộ

bề

n

đứ

t

(N

/c

m

2 )

4 6 8 10 12

Nồng độ TBS (%)

Hình 3.1. Ảnh hưởng của nồng độ TBS đến độ bền đứt màng tinh bột 
- trong đó a, b,c, d,....là các hệ sơ cần thiêt có trong chương trình xử lý thơng kế, 
nói lên giữa các kết quả trung bình của số liệu đo đuợc có sự sai khác có ý nghĩa 
hay khơng có sự sai khác có ý nghĩa.

Kết quả xử lý số liệu ở đồ thị 3.1 cho thấy, có sự khác biệt về độ bền đứt

khi nồng độ tinh bột sắn nằm trong khoảng 6 - 8%, còn ở nồng độ 10% và 12% thì
khơng có sự sai khác với mức ý nghĩa α = 0,05 và tại khoảng nồng độ này có độ
bền đứt cao nhất. Tuy nhiên, tại nồng độ 12%, quá trình tạo màng khó khăn, khả
năng bám dính của dung dịch vào khuôn bị hạn chế. Đồng thời, xét về mặt kinh tế
chúng tôi quyết định chọn nồng độ tinh bột sắn 10% là thích hợp để cho màng tinh
bột có độ bền đứt cao nhất trong khảo sát này.

3.1.2. Ảnh hưởng của nồng độ PEG:

</div>
(5)<div class='page_container' data-page=5>

0.789c

1.180b 1.194a

0.135d

1.185ab

0
0.5
1
1.5

Đ

ộ

bề

n

đứ

t

(N

/c

m

2 )

0 0.1 0.2 0.3 0.4

Nồng độ PEG (%)

Hình 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ PEG đến độ bền đứt của màng mỏng

Ở đây các số mũ a, b, ab, c, d là các hệ số của quá trình xử lý tƣơng tự phần
3.1.1.

Đồ thị 3.2 cho thấy, khi tăng nồng độ PEG bổ sung vào từ 0 đến 0,3 % thì
độ bền đứt của màng tinh bột tăng và đạt giá trị cao nhất khi ở 0,3%. Điều này xảy
ra là nhờ sau khi sấy khơ những tính chất hoá dẻo của PEG lại có tác dụng làm
tăng lực liên kết Van Der Waals [6], tăng khả năng liên kết giữa phân tử tinh bột
với phân tử PEG. Tuy nhiên, do PEG có khả năng hút ẩm nên khi bổ sung phụ gia
này lớn hơn 0,4 % thì bắt đầu có hiện tƣợng co dúm và đã làm giảm độ bền đứt
của màng. Chính vì vậy, chọn nồng độ PEG thích hợp nhất cho phần nghiên cứu
này là 0,3%.

3.1.3. Ảnh hưởng của thời gian hồ hóa:

Chuẩn bị 5 mẫu màng tinh bột có nồng độ TBS là 10%, nồng độ PEG là
0,3%, thời gian hồ hóa thay đổi từ 5- 25 phút. Kết quả xác định độ bền đứt của các
màng tinh bột đƣợc cho trên đồ thị hình 3.3.

Nhìn vào đồ thị hình 3.3 cho thấy, độ bền đứt của màng mỏng đạt giá trị
cao nhất khi ở thời gian hồ hoá là 15 phút và sau đó lại giảm dần khi tiếp tục hồ
hoá. Điều này phù hợp với kết quả của các tác giả D.F. Parra, C.C. Tadini,
P.Ponce, A.B. Lugaox, Đại học Sao Paulo, Brazil và có thể giải thích nhƣ sau: khi
ở thời gian hồ hoá 15 phút, các mối liên kết cũ bị bẻ gãy và khi định hình chúng sẽ
hình thành những liên kết mới bền chặt hơn và độ bền đứt cao hơn khi bổ sung
PEG. Chính vì vậy, độ bề đứt đạt giá trị cao nhất là 1,206 N/cm2

ở tại thời gian
này. Tuy nhiên nếu chúng ta tiếp tục tăng thời gian hồ hoá và đồng thời tiếp tục
khuấy trộn thì khi định hình các mối liên kết mới sẽ sắp xếp lỏng lẻo hơn, các liên
kết không ổn định nên đã ảnh hƣởng không tốt đến độ bền của màng. Điều này thể
hiện rõ khi giá trị độ bền đứt ở 20 phút hồ hoá là 1,188N/cm2

</div>
(6)<div class='page_container' data-page=6>

1.194b 1.206a 1.188c

0.543e

1.143d

0
0.5
1
1.5

Đ

ộ

bề

n

đứ

t

(N

/c

m

2 )

5 10 15 20 25

Thời gian hồ hố (phút)
Hình 3.3. Ảnh hưởng của thời gian hồ hoá

đến độ bền đứt của màng mỏng

3.2. Xác định phương trình hồi quy và tối ưu hóa các thông số công nghệ 
Chọn tâm quy hoạch có 3 yếu tố:

 Nồng độ tinh bột sắn: 10% Ký hiệu: Z1

 Nồng độ PEG: 0,3% Ký hiệu: Z2

 Thời gian hồ hóa: 15phút. Ký hiệu: Z3

Từ tâm quy hoạch đã chọn, tiến hành thí nghiệm trong khoảng giới hạn của
các yếu tố sau:

9 ≤ Z1 ≤ 11

0,25 ≤ Z2 ≤ 0,35

13 ≤ Z3 ≤ 17

Kết quả chọn mơ hình thực nghiệm và thí nghiệm theo mơ hình đƣợc trình
bày ở bảng 3.1

Bảng 3.1. Mơ hình thực nghiệm TYT22 và kết quả thí nghiệm theo mơ hình

Số thứ tự thí

nghiệm Nồng độ TBS Z1

Nồng độ PEG 
Z2

Thời gian hồ hóa Z3

Độ bền đứt 
Y

1 11 0,35 17 1,217

2 9 0,35 17 1,184

3 11 0,25 17 1,201

4 9 0,25 17 1,195

5 11 0,35 13 1,211

6 9 0,35 13 1,169

7 11 0,25 13 1,160

</div>
(7)<div class='page_container' data-page=7>

TN ở tâm 
phương án

Nồng độ TBS

Z1

Nồng độ PEG

Z2

Thời gian hồ

hóa Z3

Độ bền đứt o

j

y

1 10 0,3 15 1,203

2 10 0,3 15 1,209

3 10 0,3 15 1,205

Để việc tính tốn đƣợc thực hiện thuận lợi, ta chuyển từ hệ trục tự nhiên
Z1, Z2, Z3 sang hệ trục không thứ nguyên (hệ mã hóa).

Ma trận quy hoạch yếu tố toàn phần 23

:

STT xo x1 x2 x3 x1x2 x1x3 x2x3 x1x2x3 y yˆ



y1 ˆy1



1 + + + + + + + + 1.217 1.21925 0.000005062
2 + - + + - - + - 1.184 1.18175 0.000005063
3 + + - + - + - - 1.201 1.19675 0.000018063
4 + - - + + - - + 1.195 1.19925 0.000018062
5 + + + - + - - - 1.211 1.20875 0.000005063
6 + - + - - + - + 1.169 1.17125 0.000005062
7 + + - - - - + + 1.160 1.16425 0.000018062

8 + - - - + + + - 1.171 1.16675 0.000018063

Phƣơng trình hồi quy tuyến tính của độ bền đứt có dạng nhƣ sau:

yˆ = bo + b1x1 + b2x2 + b3x3 + b12 x1x2 + b13x1x3 + b23x2x3 + b123x1x2x3

Giải bằng phƣơng pháp ma trận trực giao cho ta các hệ số của phƣơng trình
hồi quy sau:

bo = 1,1885; b1 = 0,00875; b2 = 0,00675; b3 = 0,01075; b12 = 0,01, b23 = -0,0055,

b123 = -0,00325

 Tính phƣơng sai tái hiện, kiểm định tiêu chuẩn Student và kiểm định tiêu
chuẩn Fisher, ta đƣợc phƣơng trình hồi quy cần tìm có dạng:

yˆ = 1,1885 + 0,00875x1 + 0,00675x2 +0,01075x3 + 0,01x1x2 - 0,00325x2x3 (1)

Qua phƣơng trình (1) cho thấy độ bền đứt của màng tinh bột sắn có bổ
sung PEG phụ thuộc vào cả 3 yếu tố: nồng độ TBS, nồng độ PEG và thời gian hồ
hóa và tỷ lệ thuận với chúng. Nhƣ vậy, khi tăng cả 3 yếu tố trên thì độ bền đứt sẽ
tăng và ngƣợc lại. Ngoài ra, việc tăng hay giảm độ bền đứt của màng mỏng còn
phụ thuộc vào sự tƣơng tác của từng cặp yếu tố ảnh hƣởng lẫn nhau nhƣ theo
phƣơng trình (1), nếu tăng tƣơng tác cặp giữa PEG với nồng độ tinh bột sắn thì độ
bền đứt sẽ tăng còn nếu tăng tƣơng tác cặp giữa nồng độ PEG với thời gian hồ hoá
thì độ bền đứt sẽ giảm. Điều này chứng tỏ, việc bổ sung phụ gia sẽ tạo màng mỏng
có độ bền cao, xz có ý nghĩa khoa học lớn. Tuy nhiên, sự tăng hay giảm độ bền đứt
của màng tinh bột sắn có bổ sung PEG đạt giá trị tối ƣu chỉ nằm trong giới hạn
khảo sát.

Tiến hành tối ưu:

</div>
(8)<div class='page_container' data-page=8>

ymax = Max y (x1, x2, x3)

Sử dụng chƣơng trình Excel – Solver để tìm nghiệm tối ƣu, tức là tìm giá
trị của x1, x2, x3 để y đạt cực đại.

Với miền ràng buộc : -1 ≤ x1, x2, x3 ≤ 1

Chuyển sang biến thực Zj = xj * ∆Zj + Z0j

Kết quả giải bài toán đƣợc trình bày trong bảng dƣới đây:

x1 x2 x3 Z1 (%) Z2 (%) Z3 (phút) ymax (N/cm2)

0.92 1 0.73 10.92 0.35 16.46 1.218

Từ kết quả thu đƣợc cho thấy điểm tối ƣu cho độ bền đứt của màng tinh bột
sắn có bổ sung PEG là 1.218 N/cm2, khi các thơng số ảnh hƣởng đến q trình tạo

màng nhƣ sau: nồng độ tinh bột sắn 10.9%, nồng độ PEG 0.35%, thời gian hồ 
hóa 16 phút 30 giây. Tuy nhiên, giá trị lớn nhất của độ bền đứt không phải chỉ 
nằm tại điểm này mà là một vùng lân cận xung quanh điểm tối ƣu.

4. Kết luận:

- Nồng độ tinh bột sắn, nồng độ polyetylen glycol và thời gian hồ hóa ảnh
hƣởng rất lớn đến quá trình tạo màng tinh bột và tỷ lệ thuận với chúng. Nhƣ vậy,
khi tăng cả 3 yếu tố trên thì độ bền đứt sẽ tăng và ngƣợc lại. Trong khoảng giới
hạn của nghiên cứu, các yếu tố này tác động tƣơng hỗ nhau theo phƣơng trình hồi

qui nhƣ sau:

yˆ = 1,1885 + 0,00875x1 + 0,00675x2 +0,01075x3 + 0,01x1x2 -0,00325x2x3
- Các thông số tốt nhất cho quá trình tạo màng tinh bột sắn có bổ sung
etylenglycol (màng TBS-PEG) là nồng độ tinh bột sắn 10,9%, nồng độ PEG
0,35%, thời gian hồ hóa 16 phút 30 giây, màng tinh bột đạt đƣợc độ bền đứt là
1,218 N/cm2

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Trần Trí Dũng (2005), Excel-Solver cho kỹ sư, NXb Khoa học và Kỹ thuật, 
Hà Nội.

[2] Hồng Đình Hồ (1999), Tối ưu hố trong cơng nghiệp thực phẩm, NXB 
Khoa học và Kỹ Thuật, Hà Nội.

[3] Cao Văn Hùng (2001) “Bảo quản và chế biến sắn (khoai mì)”- NXB Nơng 
Nghiệp TP. Hồ Chí Minh.

[4] Trần Thị Luyến (2005), “Nghiên cứu khả năng chịu lực và độ giãn của màng
mỏng chitosan và phụ liệu đồng tạo màng”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ thuỷ

sản năm 2005, Đại học Nha Trang.

[5] Trần Thị Luyến (2005), “Nghiên cứu chế tạo và thăm dò một số đặc tính chịu
lực, độ giãn, tự phân huỷ, khả năng diệt khuẩn của màng chitosan pha trộn
dùng cho bao gói thực phẩm”, Tạp chí Khoa học Công nghệ thuỷ sản năm

</div>
(9)<div class='page_container' data-page=9>

[6] Lê Ngọc Tú (chủ biên) (2004), Bùi Đức Lợi, Lƣu Duẩn, Ngô Hữu Hợp, Đặng
Thị Thu, Nguyễn Trọng Cần, Hoá học thực phẩm, NXB Khoa học và Kỹ

thuật, Hà Nội.

[7] Cereda M.T and Oliverra M..A (2003) “Postharvest quality of peaches

covered with a film from Cassava starch as an alternative to commercial 
Wax”- Brazil.

[8] Maria A. Garcia, Maria Victoria E Grossmann, Mirian N. Martino, Noemi E.
Zaritzky and Suzama Mali (2004) “Mechanical and thermal properties of yam

starch films - Estadual de Londrina University, Brazil.

[9] D.F. Parra, C.C. Tadini, P. Ponce, A.B. Luga˜o (2004) “Mechanical

properties and water vapor transmission in some blends of cassava starch 
edible films” -Food Engineering Laboratory, Chemical Engineering

</div>