Tìm hiểu về vật liệu Nano và ứng dụng công nghệ Nano vào thực phẩm

TÌM HIỂU VỀ VẬT LIỆU NANO VÀ ỨNG DỤNG
CƠNG NGHỆ NANO VÀO THỰC PHẨM
Nguyễn Công Danh, Lê Thị Giang,
Nguyễn Thị Phương Thảo, Bùi Thị Thanh Trúc
Viện Khoa học Ứng dụng HUTECH, Trường Đại học Cơng nghệ TP. Hồ Chí Minh
GVHD: ThS. Trần Thị Ngọc Mai

TÓM TẮT
Hiện nay, người tiêu dùng địi hỏi thực phẩm tự nhiên, đảm bảo an tồn và thời hạn sử dụng kéo
dài. Những tiến bộ công nghệ trong l nh vực bao bì thực phẩm trong Thế kỷ XXI chủ yếu là công
nghệ nano, khoa học về vật liệu nano. Công nghệ nano tạo ra các vật liệu quy mơ nanomet, có liên
quan đến thương mại và khoa học, trong l nh vực bao bì thực phẩm đã giải quyết đáng kể các mối
quan tâm về chất lượng, an toàn và ổn định thực phẩm. Các gói thực phẩm dựa trên hạt nano cung
cấp các rào cản và tính chất cơ học được cải thiện, cùng với việc bảo quản thực phẩm và đã nhận
được phản ứng chào đón từ thị trường và người dùng cuối. Ngược lại, những tiến bộ và phát triển
trong l nh vực này đã gây ra nhiều lo ngại về đạo đức, mơi trường và an tồn đối với việc áp dụng
nano vào sản phẩm thực phẩm bởi các nghiên cứu về mức độ an toàn của nano khi vào cơ thể
người cịn rất hạn chế.
Từ khóa: Bao bì nano thực phẩm, màng bao nano, nanocomposite, nanosensors, vật liệu nano.

1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU NANO
Nano là loại vật liệu quan đến việc thiết kế, phân tích, chế tạo và ứng dụng các cấu trúc, thiết bị và hệ
thống bằng việc điều khiển hình dạng, kích thước trên quy mơ nanomet (nm = 10-9m). Theo sự mô tả
của Mike roco - một nhà khoa học thuộc trung tâm sáng kiến công nghệ nano Hoa Kỳ thì sự phát
triển của cơng nghệ nano đã và đang phát triển theo bốn giai đoạn: giai đoạn cấu trúc nano thụ
động từ những năm 80 đến 2000 chủ yếu tạo vật liệu cho những mục đ ch cụ thể, từ 2000 - 2005 bắt
đầu tổng hợp vật liệu nano đa mục đ ch như thuốc, sản phẩm sinh học, các sản phẩm điện tử, 2005 2010 tổng hợp các hệ nano với hàng ngàn cấu trúc tương tác với nhau như mạng 3 chiều, robot, kiến
trúc, 2010 đến nay phát triển trọng tâm về chế tạo hệ nano tổ hợp với mục đ ch hoạt động giống tế
bào sống. Ngày nay, việc ứng dụng vật liệu nano vào trong thực phẩm để cải thiện và giữ lại tối đa
các chất có hoạt tính sinh học cao, khả năng kháng ơxy hóa tốt nhưng lại dễ mất đi trong q trình
chế biến thực phẩm. Ngồi ra cịn kiểm sốt mùi vị, kết cấu, tính chịu nhiệt, hoạt tính sinh học, độ an

tồn, độ tiêu hóa, thời hạn sử dụng, bảo quản và đóng gói thực phẩm [1][4].
2 ỨNG DỤNG CỦA CÔNG NGHỆ NANO VÀO CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM
Các ứng dụng của công nghệ nano vào thực phẩm được phát triển ở hai mảng chính là cơng nghệ
nano vào bao bì thực phẩm và cơng nghệ nano trong chế biến thực phẩm. Trong chế biến thực
phẩm vật liệu nano thường được sử dụng làm phụ gia thực phẩm, chất nhũ hóa, làm chất mang
388


để cung cấp các chất dinh dưỡng cần thiết nhưng nhạy cảm bới các yếu tố nhiệt độ, pH… Trong
bao bì thực phẩm làm chất chống vi khuẩn, chất độn để cải thiện tính chất vật lý, độ bền cơ học, độ
bền của vật liệu bao gói sản phẩm thực phẩm hay bán thành phẩm và đánh giá được chất lượng
thực phẩm và hỗ trợ an toàn thực phẩm vượt trội hơn [1][2].

Hình 1: Ứng dụng của cơng nghệ nano vào chế biến và bao gói thực phẩm [1]

2.1 Ứng dụng cơng nghệ nano vào bao bì thực phẩm
Thực phẩm dễ dàng tiếp xúc với độ ẩm và trong môi trường thuận lợi sẽ dần hư hỏng, phân hủy
sinh học dẫn đến các vấn đề liên quan sức khỏe khi sử dụng và vấn đề bảo quản thực phẩm. Vì thế
một loại bao bì mong muốn có khả năng hạn chế khơng khí, ẩm độ vào thực phẩm tốt nhất, độ
bền bao bì tối ưu nhất để kéo dài thời gian bảo quản. Vật liệu nano được ứng dụng trực tiếp vào
bao bì thực phẩm mang lại một số đặc tính ưu việt hơn so với các phương pháp đóng gói thơng
thường khác, tiêu biểu là khả năng tạo ra một loại bao bì chủ động, bao bì thơng minh và cải tiến
các tính chất vật lý của bao bì góp phần đảm bảo thực phẩm ln an tồn với người sử dụng. Ứng
dụng vào bao bì để làm bao bì chống mùi tanh từ nanoclay (hạt đất sét rất nhỏ) hình tấm mỏng, bề
dày cỡ vài nguyên tử được phối hợp với polymer, giấy bọc thực phẩm từ SiO2 tích hợp kháng thể và
phân tử chất huỳnh quang khi phát hiện E.coli có trong thực phẩm tiếp xúc với kháng thể trên màng
bao chứa SiO2, phân tử chất huỳnh quang sẽ sáng lên cảnh báo người dùng không sử dụng thực
phẩm đó do túi đã đổi màu.

2.1.1 Bao bì chủ động

Nhiều cơng trình nghiên cứu đã đề cập và quan tâm đến đặc tính chống khuẩn của các hợp chất
hữu cơ phổ biến như acid hữu cơ, tinh dầu… các chất hữu cơ này được sử dụng kết hợp lại để làm
bao bì kháng khuẩn. Tuy nhiên các loại hợp chất này thường rất nhạy cảm bởi nhiệt độ và áp suất
cao. Để khắc phục các yếu điểm đó, một vật liệu chủ động cho bao bì và lớp phủ vật liệu cũng có
thể được sử dụng để cải thiện bao bì thực phẩm là nanocomposite. Trong thập kỷ gần đây, các loại
bao bì bằng vật liệu nano này được sử dụng để kháng khuẩn. Đây là một loại bao bì tiếp xúc với
sản phẩm thực phẩm hoặc những khoảng khơng giữa thực phẩm và bao bì để ức chế hoặc kìm
hãm sự phát triển của vi sinh vật có trên bề mặt thực phẩm. Nhiều hạt nano như bạc, đồng,
chitosan và các hạt nano ôxit kim loại như titan ôxit hoặc kẽm ôxit đã được báo cáo là có đặc tính
kháng khuẩn [2].
389


2.1.2 Bao bì thơng minh
Vật liệu nano để sử dụng trong việc xây dựng cảm biến sinh học tích hợp trong bao bì cung cấp mức
độ nhạy cảm cao và các thuộc tính mới lạ khác. Nanosensors hoặc nanobiosensors được sử dụng để
phát hiện mầm bệnh trong nhà máy chế biến hoặc trong nguyên liệu thực phẩm, định lượng các
thành phần thực phẩm có sẵn, cảnh báo người tiêu dùng và nhà phân phối về tình trạng an tồn của
thực phẩm. Ngoài ra các chất sinh học dựa trên ống nano carbon cũng thu hút được nhiều sự chú ý
nhờ phát hiện nhanh chóng, đơn giản và hiệu quả chi phí đã được áp dụng thành cơng để phát hiện
vi sinh vật, độc tố và các sản phẩm thối hóa khác trong thực phẩm và đồ uống [3].

2.1.3 Cải tiến bao bì
Tích hợp nanocompozit và nanolaminate đã cải thiện bao bì thực phẩm có khả năng bảo quản
thực phẩm trong thời gian dài và sự sốc nhiệt kéo dài đối với thực phẩm, làm cho thực phẩm vẫn
đảm bảo chất lượng và thời gian sử dụng lâu hơn. Nhiều chất độn vơ cơ silica (SiO2), chitin hoặc
chitosan được tích hợp vào hỗn hợp vật liệu nano làm cho cấu trúc của nó nhẹ hơn, chắc chắn hơn,
chống cháy và tính dẫn nhiệt tốt hơn. Điều này giúp cho quá trình vận chuyển tới tay người tiêu
dùng vẫn đảm bảo tính nguyên ven của thực phẩm [8].
2.2 Ứng dụng công nghệ nano vào chế biến thực phẩm

Công nghệ nano đang được áp dụng vào việc hình thành các màng bao, các loại nhũ tương nano
kết hợp với các chất dinh dưỡng thiết yếu như protein, và glucide và các loại phụ gia thực phẩm
không chỉ làm tăng khả năng cải thiện cấu trúc của sản phẩm thực phẩm mà còn bảo vệ các chất
có hoạt tính sinh học như flavonoid và vitamin trong điều kiện chế biến mà những loại hợp chất
sinh học này sẽ bị thất thoát một lượng lớn bởi tác nhân nhiệt độ, áp suất và pH của mơi trường,
góp phần cung cấp chất dinh dưỡng từ thực phẩm tối ưu hơn cho người sử dụng [2]. Hơn nữa cơng
nghệ nano trong chế biến thực phẩm có thể được đánh giá bằng cách xem xét vai trò của nó trong
việc cải tiến các sản phẩm thực phẩm về kết cấu thực phẩm, hình thức thực phẩm, hương vị thực
phẩm, giá trị dinh dưỡng của thực phẩm và hạn sử dụng thực phẩm được tóm tắt theo bảng sau:
Bảng 1: Tổng hợp các kỹ thuật nano khác nhau trong việc ứng dụng vào chế biến thực phẩm [7][9]
Công nghệ nano

Đặc điểm

Sản phẩm nano

Màng ao nano ăn
được

Để bảo quản chất lượng thực phẩm tươi trong
quá trình bảo quản kéo dài

Lớp phủ có thể ăn được dựa trên
gelatin có chứa xenlulo nano
Màng chitosan với nano-SiO2

Hydrogel

Có thể dễ dàng đặt vào viên nang, bảo vệ
thuốc khỏi môi trường khắc nghiệt như pH,

nhiệt độ

Protein hydrogel

Nhũ tương nano

Độ ổn định cao hơn

Nano-nhũ tương dựa trên
carotene

Độ rõ quang học cao hơn; tăng sự tương tác với
enzyme trong đường tiêu hóa GIT

Nano-nhũ tương dựa trên
carotene

390


2.2.1 Nanoencapsulation (Màng bao nano)
Về khía cạnh chế biến thực phẩm, vi bao được ứng dụng rộng rãi để bảo vệ các thành phần giàu
dinh dưỡng như: hương vị, tinh dầu, chất béo, vitamin, các thành phần dược phẩm và chất màu.
Mục đ ch bao gói các chất này bằng công nghệ nano nhằm chống suy giảm và tổn thất trong điều
điệu chế biến bị ảnh hưởng bởi ánh sáng, nhiệt độ, áp suất và pH của môi trường. Vi bao được ứng
dụng rộng rãi vì cơng nghệ này giúp các chất chống ơxy hóa tự nhiên khơng tiếp xúc với khơng khí
hoặc nước do đó duy trì hoạt động chống ơxy hóa, mặc khác vi bao cịn bảo vệ các hợp chất khỏi
ánh sáng và ôxy làm giảm khả năng biến đổi của các hợp chất. Ưu điểm của công nghệ vi bao
vượt rội hơn các công nghệ khác vì nó có khả năng chịu được mơi trường khắc nghiệt ở dạ dày và
tá tràng giúp cho các chất trong màng bao đi chuyển đến nơi cần hấp thụ an toàn [1].

Cơ chế bảo vệ của vi bao là tạo thành một màng còn gọi là màng bảo vệ xung quanh nhân hay còn
gọi là core của vật liệu cần đóng gói. Nanoencapsulation có thể được thực hiện bằng các kỹ thuật khác
nhau: sấy phun, phun làm lạnh và phun làm mát, sấy bằng khơng kh … trong đó, sấy phun vẫn là
phương pháp chủ đạo cho công nghệ vi bao này do chi phí thấp, thuận lợi về mặt thiết bị [8].

2.2.2 Nanocompozit hydrogel
Các hạt nano bạc được đưa vào mạng lưới polyme 3D của hydrogel nanocompozit cho các ứng
dụng trong hoạt động kháng khuẩn và cải thiện độ dẫn điện. Sự hiện diện của các ion bạc hoặc
ngăn enzyme hô hấp chuyển electron sang các phân tử ôxy trong quá trình hô hấp hoặc ngăn
protein phản ứng với các nhóm thiol (-SH) trên màng vi khuẩn [1].

2.2.3 Nanoemulsions (Nhũ tương nano)
Nhũ tương nano được sử dụng trong sản xuất thực phẩm cho chất làm ngọt, dầu có hương vị cũng
như các thực phẩm chế biến khác. Tuy nhiên nhũ tương nano có một số lợi thế hơn những loại nhũ
tương thông thường mà chúng ta thường gặp hàng ngày vì chúng có kích thước nhỏ và ổn định với
nhiệt độ hơn [3]. Do diện tích bề mặt của các hạt nano lớn chúng có thể tương tác với một số thành
phần sinh học như enzyme trong đường tiêu hóa GIT. Ngồi ra nhủ tương nano dạng carbohydrate
hoặc protein tăng khả năng cải thiện kết cấu và độ đồng nhất của kem. Nhũ tương nano chứa rất
nhiều chất kháng khuẩn và có hiệu quả hơn đối với vi khuẩn gram dương vì lý do này nhủ tương
nano cịn được sử dụng trong các loại bao bì thực phẩm [1].

3 NHỮNG VẤN ĐỀ AN TOÀN KHI SỬ DỤNG NANO VÀO CƠNG NGHỆ THỰC PHẨM
Bên cạnh những lợi ích mà vật liệu nano mang lại trong ngành thực phẩm song song đó những
vấn đề an tồn khi sử dụng vật liệu này không thể bỏ qua. Mối quan tâm an toàn liên quan đến vật
liệu nano, nhấn mạnh vào khả năng hạt nano di chuyển từ vật liệu đóng gói vào thực phẩm và tác
động của chúng đối với sức khỏe của người tiêu dùng [6]. Một số hạt được sử dụng trong thực
phẩm chế biến hoặc bao bì mà cơ thể khơng thể phá vỡ hay loại bỏ có thể sẽ tích tụ trong cơ thể,
gây ra những tác động tiêu cực đến sức khỏe. Nghiên cứu cho thấy nano-bạc và titan dioxide có
thể bị mắc kẹt trong hệ thống tiêu hóa (đặc biệt là ruột non), có thể dẫn đến hội chứng rò rỉ
391

ruột và triệu chứng bệnh tự miễn. Một liều lượng nhỏ hạt nano polystyrene cũng gây biến đổi các
sợi lông phủ niêm mạc ruột làm tăng khả năng hấp thụ lượng sắt dư thừa và gây bệnh thiếu hồng
cầu, các bệnh về gan [8][9].

4 KẾT LUẬN
Ứng dụng công nghệ nano vào trong thực phẩm mang lại rất nhiều lợi ích và thành tựu to lớn. Hai
mảng bao bì thực phẩm chế biến thực phẩm đã chứng minh cho điều đó với những đặc tính nổi
trội, ưu việt mà cơng nghệ nano mạng lại như: bao bì thơng minh, bao bì chủ động song song đó
cịn có khả năng kháng khuẩn, tạo màng bảo vệ các hợp chất hữu cơ dễ bị biến đổi khi gặp điều
kiện môi trường. Tuy nhiên các vấn đề an tồn và tác động mơi trường nên được ưu tiên trong khi
xử lý sự phát triển của công nghệ nano trong các hệ thống thực phẩm và do đó bắt buộc phải thử
nghiệm thực phẩm nano trước khi chúng được phát hành ra thị trường [8].

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]

Bouwmeester H., Dekkers S., Noordam MY, Hagens WI, Bulder AS, Heer C., et
al. (2009). Review

of

health

safety

aspects

of

nanotechnologies

in

food

production. Reg. Toxicol. Pharmacol. 53 52–62. 10.1016 / j.yrtph.2008.10.008.
[2]

Bradley EL, Castle L., Chaudhry Q. (2011). Applications of nanomaterials in food packaging
with

a

consideration

of

opportunities

for

developing

countries. Trends

Food

Sci. Technol. 22 603–610. 10.1016 / j.tifs.2011.01.002.

[3]

Bratovčić A., Odobašić A., Ćatić S., Šestan I. (2015). Application of polymer nanocomposite
materials

in

food

packaging. Croat. J.

Food

Sci. Technol. 7 86–94. 10.17508

/

CJFST.2015.7.2.06.
[4]

Cao Minh Thì, Phạm Văn Việt. (2015). Khoa học và ứng dụng công nghệ nano. Nhà xuất bản
khoa học và kỹ thuật.

[5]

Couch LM, Wien M., Brown JL, Davidson P. (2016). Food nanotechnology: proposed uses,
safety concerns and regulations. Agro. Food Ind. HITECH. 27 36-39.

[6]

Jain A., Shivendu R., Nandita D., Chidambaram R. (2016). Nanomaterials in food and
agriculture: an overview on their safety concerns and regulatory issues. Crit. Rev. Food Sci.

[7]

Pinto RJB, Daina S., Sadocco P., Neto CP, Trindade T. (2013). Antibacterial activity of
nanocomposites

of copper

and

cellulose. BioMed

Res. Int. 6 : 280512 10.1155 /

2013/280512.
[8]

Qureshi AM, Swaminathan K., Karthikeyan P., Ahmed KP, Sudhir, Mishra UK
(2012). Application of nanotechnology in food and dairy processing: an overview. Pak. J.

Food Sci. 22 23–31.
[9]

Tan H., Ma R., Lin C., Liu Z., Tang T. (2013). Quaternized chitosan as an antimicrobial agent:
antimicrobial activity, mechanism of action and biomedical applications in orthopedics. Int. J.

Mol. Sci. 14 1854–1869.
392