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

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008

49
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 Nông Lâm, Đại học Huế

TÓM 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 môi 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 2
n
, 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/cm
2
.
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
Pure cassava starch, which is natural polymer polysaccharides, and its mixture
with other additives is able to form edible films as well as to self-decompose
quickly in natural environment. In order to improve the tensile strength and
pliability of PEG-added cassava-starch membrane, we carry out a detailed
investigation of factors affecting the film-forming process. Using the experiment
planning method of 2
n
total factor, we have studied the effects of the technological
factors, namely cassava starch concentration, PEG concentration and starched
time, on film’s tensile strength. In particular, tensile strength is the mainly
important criteria in food packaging application. The investigation results show
that with concentration of 10,9% starch slurry, 0,35% PEG, and the starched time
of 16 minutes 30 seconds, the optimal obtained tensile strength is 1,218 N/cm
2
.
From the obtained results, we can consider an application of PEG-added
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008

50
cassava-starch film in food packaging as a substitution for PE material to alleviate
difficulties in improving the current living environment.
1. Giới thiệu
Hng năm trên thế giới c khoảng 150 tấ n màng bao gi từ chấ t dẻ o đƣợ c

sản xuất và tiêu th. Hầ u hế t nguyên liệu của màng bao gi nà y cơ bả n là dầ u thô
nên là kế t quả củ a việ c tăng nhu cầ u sƣ̉ dụ ng dầ u và là nguyên nhân gây ô nhiễm
môi trƣờ ng, gây nên sƣ̣ lã ng phí . Chính vì vậy, việc sử dng vật liệu c 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 , đặ c biệ t đố i vớ i tinh bộ t, c
thể cho sả n phẩ m có chi phí thấ p và khả năng phân hủ y lớ n . Tuy nhiên, tƣ̣ bả n
phân n không có tính mề m dẻ o khi tạo màng . Để ứng dng tốt hơn thƣờng tinh
bột đƣợc trộn thêm các ph gia thực phẩm khác nhƣ polyethylene glycol (PEG)
(tác nhân làm mềm dẻo).
Nƣớc ta c 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 dng nguồn nguyên liệu này sao
cho có giá trị kinh tế cao, hiện nay còn 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 nhm thay thế các chất dẻo kh phân hủy, c một ý nghĩa kinh tế - xã
hội cao và vô cùng cấp thiết.
Mc tiêu của nghiên cứu là tạo nên màng mỏng bao gi từ tinh bột sắn c
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 nhm
gp 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)

Tinh bột sắn Hòa tan

Phối trộn

Hồ ha

Tráng mỏng

Làm khô

NƣớcMàng mỏng
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008

51
* 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 ph gia là 10:1.Tiến hành hồ ha ở nhiệt độ 700
0
C trong thời gian từ 5-
25 phút. Trong quá trình hồ ha cần phải khuấy đảo thƣờng xuyên để cho tinh bột
đƣợc hồ ha đều.
- Sau khi hồ ha 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]
- Dng c 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
mc cân, đầu kia đƣợc kẹp chặt vào mc khác và
chịu một lực kéo theo phƣơng thẳng đứng F
G
bởi
một vật nặng m. Tăng dần F
G
bng 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 công thức:

;
S
F
P 
(N/cm
2
)
Trong đ:
- S: diện tích của mẫu đem phân tích, (cm
2
)
F
G
= 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 dng 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 mô hình thí nghiệm theo phƣơng pháp qui hoạch thực nghiệm
TĐY2
3
với các tâm quy hoạch vừa tìm đƣợc. Xây dựng phƣơng trình hồi quy và từ
đ tính toán tìm ra độ bền đứt tối ƣu theo phần mềm Excel-Solver [1].
- Kết quả thí nghiệm đƣợc phân tí ch phƣơng sai mộ t nhân tố ANOVA
(Anova single factor ) và so sánh sự sai khác của các giá trị trung bình bng
phƣơng pháp DUNCAN (Duncan’s Multiple Range Test) trên phần mềm thống kê
SAS, phiên bản 6.12 chạy trên Windows.


Hình 2.1. Dụng cụ đo khả năng
chịu lực của màng [4]
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008

52
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:
C 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 ph gia PEG
và thời gian hồ ha
3.1.1. Ảnh hưởng của nồng độ tinh bột sắn (TBS):
Tạo 5 mẫu màng tinh bột c nồng độ PEG: 0.2%, thời gian hồ ha: 10 phút
và nồng độ tinh bột sắn thay đổi ở các mẫu từ 4-12%. Kết quả thí nghiệm đƣợc xử
lý bng phƣơng pháp ANOVA, so sánh sự sai khác của các giá trị trung bình bng

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
Độ bền đứt (N/cm
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 sô cần thiêt có trong chương trình xử lý thông kế,
nói lên giữa các kết quả trung bình của số liệu đo đuợc có sự sai khác có ý nghĩa
hay không có sự sai khác có ý nghĩa.
Kết quả xử lý số liệu ở đồ thị 3.1 cho thấy, c sự khác biệt về độ bền đứt
khi nồng độ tinh bột sắn nm trong khoảng 6 - 8%, còn ở nồng độ 10% và 12% thì
không c sự sai khác với mức ý nghĩa α = 0,05 và tại khoảng nồng độ này c độ
bền đứt cao nhất. Tuy nhiên, tại nồng độ 12%, quá trình tạo màng kh 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 c độ bền đứt cao nhất trong khảo sát này.
3.1.2. Ảnh hưởng của nồng độ PEG:
Tiến hành tƣơng tự nhƣ nghiên cứu 3.1.1 với 5 mẫu màng tinh bột c nồng

độ TBS 10%, thời gian hồ ha là 10 phút, nồng độ chất ph gia thay đổi từ 0-0,4%.
Kết quả trình bày trên đồ thị hình 3.2.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008

53
0.789c
1.180b
1.194a
0.135d
1.185ab
0
0.5
1
1.5
Độ bền đứt (N/cm
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 khô những tính chất hoá dẻo của PEG lại c tác dng 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 c khả năng hút ẩm nên khi bổ sung ph gia
này lớn hơn 0,4 % thì bắt đầu c 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 c nồng độ TBS là 10%, nồng độ PEG là
0,3%, thời gian hồ ha 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 đ lại giảm dần khi tiếp tc 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 c 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/cm
2
ở tại thời gian
này. Tuy nhiên nếu chúng ta tiếp tc tăng thời gian hồ hoá và đồng thời tiếp tc
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/cm
2
và 25 phút là
1,143N/cm
2
. Chính những lý do đ, chúng tôi chọn thời gian hồ ha là 15 phút để
thực hiện các nghiên cứu tiếp theo.