Thử nghiệm khuếch tán trên đĩa thạch cho thấy màng PGM - chitosan thu được có khả năng kháng khuẩn Escherichia coli và Staphylococcus aureus

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÀNG POLYMER TỪ BỘT GLUCOMANNAN TỪ CỦ NƯA LOÀI AMORPHOPHALLUS PAEONNIIFOLIUS VÀ CHITOSAN

Nguyễn Thị Hồng Tâm^*, Trần Xuân Mậu, Trần Thị Văn Thi Khoa Hóa học, Trường Đại học Khoa học Huế

*Email: mylove.ph2003@gmail.com TÓM TẮT

Lần đầu tiên, màng polymer từ bột glucomannan được tách chiết từ củ nưa loài Amorphophallus paeonniifolius trồng tại Thừa Thiên Huế (gọi tắt là bột PGM) và chitosan đã được chế tạo. Ảnh hưởng của điều kiện tạo màng, thành phần mỗi polymer và lượng chất hóa dẻo đến tính chất của màng đã được khảo sát. Kết quả nghiên cứu bằng FTIR, SEM, XRD và DTA cho thấy có sự tương tác pha giữa hai polymer tạo màng và một pha mới đã hình thành. Thử nghiệm khuếch tán trên đĩa thạch cho thấy màng PGM - chitosan thu được có khả năng kháng khuẩn Escherichia coli và Staphylococcus aureus.

Từ khóa: Escherichia coli, glycerol, kháng khuẩn Staphylococcus aureus, màng polymer glucomannan - chitosan.

1. MỞ ĐẦU

Vật liệu bao bì nhựa được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp thực phẩm, nhưng chúng lại có nguy cơ tiềm ẩn đối với sức khỏe con người. Một mặt, các phân tử monomer hoặc các chất phụ gia có thể khuếch tán vào thực phẩm tại điều kiện (nhiệt độ, áp suất...) hay môi trường sử dụng (pH, dung môi...) đặc biệt nào đó. Mặt khác, polymer tổng hợp đang gây "ô nhiễm trắng" cho môi trường do độ bền hóa học của chúng. Nhiều nghiên cứu gần đây quan tâm đến chế tạo màng phân hủy sinh học từ polymer tự nhiên vì độ an toàn cao và thân thiện với môi trường [5]. Glucomannan (GM) và chitosan là những polysaccharide nhận được rất nhiều sự chú ý trong ngành công nghiệp thực phẩm và dược phẩm do GM có các chức năng như giảm mỡ trong cơ thể, giảm nồng độ lipid máu và đường huyết…; chitosan có hoạt tính kháng khuẩn tốt và khả năng tương thích sinh học tuyệt vời [8]. Chúng là những polymer tự nhiên có sẵn, dễ phân hủy và an toàn. Vì vậy, GM và chitosan được sử dụng rộng rãi để điều chế màng polymer phân hủy sinh học dưới dạng đơn chất hoặc hỗn hợp. Việc sử dụng hai hoặc nhiều polymer để tạo màng là một trong những phương pháp hiệu quả để cải thiện các tính chất của vật liệu [5]. Trong nghiên cứu này, màng được chế tạo từ GM tách từ bột củ nưa loài Amorphophallus paeonniifolius trồng tại Thừa Thiên Huế (gọi tắt là bột PGM) và chitosan. Mục đích của nghiên cứu này là tìm hướng ứng dụng cho PGM.

2. NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Nguyên liệu

Bột PGM được chiết tách từ củ nưa loài Amorphophallus paeonniifolius (Dennst) Nicolson (nưa chuông), họ Ráy (Araceae) trồng ở Phong Điền, Thừa Thiên Huế. Thành phần bao gồm GM chiếm 98,02% (trong đó phần GM tan chiếm khoảng 2,82 - 3,92%, còn lại là bột GM không tan), tinh bột chiếm 1,98% [3]. Chitosan có độ deacetyl hóa 75,03% và phân tử lượng 72829 kDa mua tại Công ty Hóa chất Hùng Tiến, Cần Thơ. Natri hydroxide 96%, acid acetic 99,5% và glycerol 99% là hóa chất tinh khiết phân tích của Trung Quốc.

2.2. Điều chế màng PGM - chitosan

Cho 1 gam chitosan vào 50 mL dung dịch acid acetic 2%, khuấy đều bằng máy khuấy từ ở nhiệt độ phòng trong khoảng 30 phút đến khi chitosan tan hoàn toàn. Bột PGM với những lượng khác nhau cho vào cốc thủy tinh cùng với 50 mL nước cất, khuấy từ 30 phút. Tiến hành hồ hóa bằng lò vi sóng trong khoảng 3 phút với công suất 70 P, hỗn hợp thu được là gel PGM trong nước. Cho từ từ gel PGM vào dung dịch chitosan/acid acetic, khuấy đều hỗn hợp trong vòng 1 giờ ở 50^oC. Tiếp tục thêm từ từ glycerol vào hỗn hợp và khuấy đều trong thời gian 5 giờ ở 50^oC. Lấy 30 mL hỗn hợp đem tráng lên khuôn nhựa phẳng và sấy khô ở 50^oC trong 24 giờ.

Sản phẩm được tách ra khỏi khuôn, bảo quản trong bình hút ẩm trước khi phân tích cấu trúc và xác định các tính chất cơ lý.

2.3. Phương pháp xác định các tính chất của màng

2.3.1. Độ bền cơ học

Độ bền kéo đứt (Tensile strength - TS) và độ giãn dài khi đứt (Elongation - E) được đo theo tiêu chuẩn ISO 527 (1993) trên thiết bị đo cơ lý đa năng Zwick Z2.5 (CHLB Đức).

2.3.2. Độ hút ẩm của màng

Ngâm một lượng màng vào dung dịch đệm muối phosphate ở pH = 4 trong 30 phút, sau đó dùng miếng giấy lọc thấm hết nước bám bên ngoài màng. Xác định khối lượng màng trước và sau khi ngâm. Phép đo được lặp lại 3 lần. Độ hút ẩm của màng được tính theo công thức (1)

𝑊(%) = 𝑚₃₀‒ 𝑚₀ (1) 𝑚₀ .100

trong đó, W là độ hút ẩm của màng (%), m₃₀ là khối lượng màng sau khi ngâm vào dung dịch đệm (g), m₀ là khối lượng màng ban đầu (g).

2.3.3. Độ tan của màng

Lấy một mẫu màng với khối lượng 1 gam khuấy trong 10 mL nước cất trong 30 phút. Lọc hỗn hợp bằng phễu lọc chân không. Phần không tan được sấy ở 80^oC qua đêm cho đến khi khối lượng không đổi và cân xác định khối lượng. Phép đo được lặp lại 3 lần. Độ tan của màng được

𝑆(%)= 𝑚₁‒ 𝑚₂ (2) 𝑚₂ .100

trong đó, S là độ tan của màng (%), m₁ là khối lượng phần khô ban đầu (g), m₂ là khối lượng phần không tan (g).

2.3.4. Thử khả năng kháng khuẩn

Sử dụng phương pháp khuếch tán trên thạch để đánh giá khả năng kháng khuẩn của màng vật liệu [8]. Các chủng vi sinh vật kiểm định do khoa Chống nhiễm khuẩn bệnh viện Trung ương Huế cung cấp bao gồm vi khuẩn Gram(+): Staphylococcus aureus (Sta) và vi khuẩn Gram(-): Escherichia coli (E. coli).

Tiến hành nuôi cấy vi sinh vật kiểm định trên môi trường thạch đĩa. Môi trường được phân vào bình tam giác vô trùng (100 mL), khử trùng ở 1 atm trong 10 phút. Sau đó để nguội đến 40 - 50^oC, cho riêng từng loại vi sinh vật kiểm định vào từng bình (một vòng que cấy trong 80 mL môi trường), lắc cho vi sinh vật kiểm định phân bố đều rồi rót vào đĩa Petri. Đợi thạch nguội, dùng khoan nút chai khoan bỏ thỏi thạch, sau đó nhỏ dịch PGM - chitosan vào lỗ trên đĩa thạch có vi sinh vật kiểm định. Cho đĩa Petri vào tủ lạnh (4^oC) khoảng 8 - 15 giờ để chất kháng sinh kịp khuếch tán ra xung quanh trước khi vi sinh vật kiểm định phát triển, sau đó lấy ra khỏi tủ lạnh và cho vào tủ ấm ở 30^oC trong thời gian 18 - 20 giờ. Quan sát và đo kích thước vòng vô khuẩn.

2.3.5. Xác định cấu trúc và sự tương tác pha giữa PGM và chitosan

Phổ hồng ngoại (Fourier transform infrared - FTIR) được đo trên máy FTIR IMPAC - 410 ở số sóng vùng 4000 - 400 cm^-1. Ảnh hiển vi điện tử quét (Scanning Electron Microscopy - SEM) được chụp trên thiết bị SEM S–4800 (HI-9022-0003). Nhiễu xạ tia X (X-ray diffraction - XRD) đo trên máy D8-Advance Bruker (Đức). Phân tích nhiệt khối lượng (Thermo-gravimetric Analysis - TGA) được tiến hành trên thiết bị DTG-60H với khoảng gia nhiệt từ 0 - 800^oC, tốc độ gia nhiệt 10^oC/phút trong môi trường khí quyển argon.

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Điều chế màng polymer tổ hợp từ PGM và chitosan

3.1.1. Ảnh hưởng của điều kiện tạo màng

Các yếu tố được chọn để khảo sát gồm nhiệt độ và thời gian của quá trình khuấy trộn hỗn hợp và sấy dịch tạo màng. Cố định tỷ lệ nguyên liệu PGM : chitosan là 1 : 1 (g/g), lần lượt thay đổi các yếu tố khảo sát. Ảnh hưởng của điều kiện hình thành đến tính chất cảm quan của màng được tóm tắt ở bảng 1.

Bảng 1. Tính chất cảm quan của màng PGM - Chitosan khi thay đổi điều kiện chế tạo Yếu tố khảo sát

Thời gian khuấy Nhiệt độ khuấy Nhiệt độ và thời gian sấy

Độ hoàn thiện 2 - 4 giờ: bề mặt mịn, hơi

giòn, màu trắng ngà 40 - 50^oC: bề mặt mịn, có một số bọt khí, dẻo, hơi ố

vàng

40^oC, 30 giờ: bề mặt gồ ghề,

trong, dẻo Nhược điểm:

giòn, có bọt khí 6 giờ: bề mặt mịn, dễ tách,

dẻo dai, màu trắng ngà 60^oC: bề mặt mịn, dẻo,

dai, màu vàng nhạt 50^oC, 24 giờ: bề mặt mịn,

màu vàng nhạt, dẻo, dai Đạt yêu cầu 8 giờ: bề mặt mịn, dẻo, dễ

tách, ố vàng 70 - 80^oC: bề mặt mịn,

dẻo, dai, ố vàng 60 - 70^oC, 18 - 12 giờ: bề mặt mịn, màu vàng nhạt, hơi

giòn

Nhược điểm: ố vàng, giòn

Kết quả thu được ở bảng 1 cho thấy điều kiện thích hợp cho quá trình tổng hợp màng PGM - chitosan là khuấy trộn hỗn hợp trong 6 giờ ở 60^oC và sấy trong 24 giờ ở 50^oC .

3.1.2. Ảnh hưởng của hàm lượng PGM

Một loạt các màng PGM-chitosan được chế tạo bằng cách thay đổi khối lượng bột PGM từ 0 đến 2 g với khoảng biến thiên là 0,5 g; khối lượng chitosan cố định là 1 g; thể tích hỗn hợp là 100 mL; lượng chất dẻo hóa glycerol thêm vào là 0,5 mL. Các mẫu được ký hiệu là PCx, trong đó x là % PGM trong hỗn hợp. Thành phần hỗn hợp được đưa ra trong bảng 2.

Bảng 2. Thành phần của các hỗn hợp PGM/chitosan Thành phần Kí hiệu mẫu Tỷ lệ PGM/chitosan

(g/g) Dung dịch chitosan

(mL) (2% w/v) Dịch gel PGM (mL) (w/v)

PC0 0,0 : 1,0 100 0

PC33 0,5 : 1,0 50 50 / 1%

PC50 1,0 : 1,0 50 50 / 2%

PC60 1,5 : 1,0 50 50 / 3%

PC67 2,0 : 1,0 50 50 / 4%

Ảnh hưởng của hàm lượng PGM đến tính chất cơ học được chúng tôi khảo sát qua độ bền kéo, độ giãn dài khi đứt và độ hút ẩm của màng.

- Ảnh hưởng đến độ bền kéo (TS) và độ giãn dài khi đứt (E)

Các giá trị độ bền kéo và độ giãn dài khi đứt của màng tổ hợp PGM/chitosan với hàm lượng PGM khác nhau được thể hiện ở hình 1. Có thể thấy rằng, TS của các màng tổ hợp tăng khi tăng hàm lượng PGM; giá trị tối đa xuất hiện tại 50% PGM, đạt 4,05 MPa, sau đó TS giảm xuống còn 3,44 MPa với hàm lượng PGM 67%. Trong khi đó E của màng tăng lên nhanh chóng khi thêm PGM và đạt tối đa 158,6% ở hàm lượng PGM 67%.

0 20 40 60 80

0 1 2 3 4 5

0 50 100 150 TS 200

E

Hàm lượng PGM (%)

TS (MPa) E (%)

Hình 1. Đồ thị biểu diễn TS và E của màng polymer khi thay đổi hàm lượng PGM

Giá trị TS tăng trong các màng tổ hợp, với hàm lượng PGM tăng từ 0 đến 50%, là do sự hình thành liên kết hydro liên phân tử giữa nhóm NH₃⁺ của mạch chitosan và nhóm OH của PGM. Những nhóm NH₂ của chitosan được proton hóa thành NH₃⁺ trong acid acetic, trong khi sự sắp xếp cấu trúc tinh thể các phân tử PGM đã bị phá hủy với sự hồ hóa, kết quả là nhóm OH tiếp xúc và dễ dàng tạo liên kết hydro với NH₃⁺ của chitosan. Số lượng các nhóm hydroxyl tăng lên khi tăng hàm lượng PGM trong dịch tạo màng [11]. Với hàm lượng PGM cao hơn, TS của màng tổng hợp giảm. Sự giảm của TS xảy ra có thể do PGM hình thành liên kết hydro nội phân tử mạnh hơn liên kết hydro ngoại phân tử, dẫn đến sự phân tách pha giữa hai thành phần chính.

Như vậy, với hàm lượng PGM 50% có sự tương hợp lớn nhất của hai thành phần chính tạo màng. Sự gia tăng độ bền của màng tổ hợp chỉ ra sự tương tác giữa các phân tử của PGM và chitosan trong vật liệu. So với nghiên cứu [5, 9] của các tác giả về màng tổ hợp từ GM và chitosan, vật liệu PGM - chitosan của chúng tôi có độ bền kéo thấp hơn nhưng độ giãn dài khi đứt lại cao hơn đáng kể. TS thấp hơn, tương ứng với khả năng chống tác động cơ học của màng kém hơn, trong khi E khá cao đồng nghĩa với màng dễ biến dạng.

- Ảnh hưởng đến độ hút ẩm của màng Sự phụ thuộc của độ hút ẩm của màng PGM - chitosan vào hàm lượng PGM được trình bày trên hình 2. Độ hút ẩm của màng đạt cực đại ở mẫu PC30, sau đó giảm dần với việc bổ sung PGM (các mẫu PC50 đến PC67 đều có độ hút ẩm thấp hơn mẫu PC0). Nguyên nhân có thể là do đặc tính kị nước của tinh bột nói chung và PGM nói riêng.

Màng bền, dai là kết quả từ sự tương tác giữa chitosan và các phân tử PGM, ngăn chặn các phân tử nước khuếch tán qua màng, do đó làm giảm giá trị độ hút ẩm của màng [11]. Độ hút ẩm thấp mở rộng thêm khả năng ứng dụng của vật liệu tổng hợp, đặc biệt trong môi trường độ ẩm cao.

0 20 40 60 80

0 50 100 150 200

Hàm lượng PGM (%)

Độ hútẩm W (%)

Hình 2. Ảnh hưởng của hàm lượng PGM đến độ hút ẩm của màng

3.1.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ chất hóa dẻo

Một trong những phương pháp vật lý quan trọng và dễ thực hiện để biến đổi cấu trúc polymer đó là hóa dẻo. Hóa dẻo polymer (dùng hợp chất có cấu trúc cồng kềnh để giảm độ kết tinh của polymer, hạn chế sự hình thành liên kết tĩnh điện, làm mạch phân tử linh động) làm cho màng trở nên mềm dẻo hơn, do đó có thể làm tăng độ bền cũng như tăng độ giãn dài khi kéo đứt. Các polyol như glycerol, glycol, sorbitol, đường… thường đóng vai trò chất hóa dẻo cho tinh bột nói chung [1, 4].

Trong nghiên cứu này, chúng tôi chọn glycerol làm chất hóa dẻo cho màng PGM - chitosan. Hàm lượng PGM được cố định là 50%.

- Ảnh hưởng đến độ bền kéo (TS) và độ giãn dài khi đứt (E)

Các giá trị TS và E của màng PGM- chitosan với lượng chất dẻo hóa khác nhau được trình bày trên hình 3.

0 0.5 1 1.5 2

0 1 2 3 4 5

0 50 100 150 TS 200

E

Thể tích glycerol (mL)

E (%)

TS (MPa)

Hình 3. Ảnh hưởng của lượng glycerol lên TS và E của màng PGM - chitosan

Kết quả cho thấy rằng, khi thêm glycerol, TS và E của tất cả các màng đều cao hơn khi không có chất dẻo hóa. Khi lượng chất dẻo hóa đưa vào là 0,5 mL thì TS tăng lên đáng kể từ 1,53 đến 4,05 MPa. Tuy nhiên, khi tăng lượng glycerol tăng lên đến 2,0 mL thì TS giảm. Trong khi đó, E lại tăng khi chất dẻo hóa tăng lên và đạt lớn nhất tại 1,5 mL, sau đó giảm nhẹ.

Là một chất hóa dẻo kích thước phù hợp với ba nhóm hydroxyl, glycerol có thể dễ dàng xâm nhập vào giữa các mạch polymer tạo màng và làm suy yếu các lực liên phân tử giữa các đại phân tử polymer và làm suy yếu cấu trúc tinh thể của màng. Giữa nhóm OH của polyol và nhóm C=O, NH₂ của chitosan cũng như OH của tinh bột hình thành liên kết hydro liên phân tử bền và ổn định, phá vỡ các liên kết hydro nội phân tử trong tinh bột hoặc chitosan, làm tăng độ co giãn của màng polymer tổ hợp. Tuy nhiên, việc “kéo giãn” mạng không gian cũng làm cho độ kết tinh giảm nên độ bền cơ học của vật liệu giảm xuống. Vì vậy, khi hàm lượng glycerol nhỏ, màng bền nhưng có độ dãn dài khi đứt thấp, còn khi tăng lượng glycerol lên thì màng có độ giãn dài tốt hơn nhưng khả năng chịu lực lại kém đi.

- Ảnh hưởng đến độ tan của màng

Kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của chất dẻo hóa glycerol đến độ tan màng được trình bày ở bảng 3.

Các màng được dẻo hóa có độ tan nhìn chung cao hơn màng không dẻo hóa (trừ trường hợp sử dụng 0,5 mL glycerol độ tan màng giảm nhẹ), giá trị lớn nhất đạt được khi sử dụng 2,0 mL glycerol. Kết quả này có thể xuất phát từ đặc điểm glycerol có tính chất ưa nước nên tương tác mạnh với nước, dễ dàng kết hợp vào mạng lưới liên kết hydro; hơn nữa, với sự có mặt của chất dẻo hóa, cả hai chuỗi polysaccharide có thể được mở rộng hơn và tương tác với nước dễ dàng. Vì vậy, khi lượng glycerol tăng lên, độ tan của màng tăng.

Bảng 3. Ảnh hưởng của lượng chất dẻo hóa đến độ tan của màng PGM -

chitosan STT Glycerol

(mL) Độ tan (%)

1 0,0 28

2 0,5 23

3 1,0 32

4 1,5 45

5 2,0 58

Với lượng glycerol 0,5 mL, màng thu được có tính chất cảm quan tốt nhất, giá trị TS, E cũng như độ tan chấp nhận được.

3.2. Xác định cấu trúc của màng PGM - chitosan đã tổng hợp

3.2.1. Ảnh SEM

Chúng tôi đã tiến hành chụp ảnh SEM đối với chitosan, PGM và màng PGM - chitosan (mẫu PC50). Kết quả được trình bày trên hình 4.

Kết quả trên hình 4 cho thấy, bề mặt chitosan và PGM có cấu trúc lớp, tạo thành các phiến mỏng có tiết diện không đồng đều.Ảnh SEM của vật liệu PGM - chitosan lại thể hiện rằng, sau khi tương tác với nhau, cấu trúc dạng phiến của PGM và chitosan đều bị bóc tách, phá vỡ, không còn như ban đầu. Điều đó chứng tỏ đã có sự tương tác giữa hai thành phần chính là PGM và chitosan, tạo nên màng vật liệu mới có bề mặt tương đối bằng phẳng, không còn sự hiện diện của các pha riêng rẽ.

(1) (2) (3)

Hình 4. Ảnh SEM của các mẫu: (1) chitosan; (2) PGM; (3) màng PGM - chitosan

3.2.2. Giản đồ XRD

Giản đồ nhiễu xạ tia X của chitosan, PGM và màng PGM - chitosan được trình bày trên hình 5.

Faculty of Chemistry, HUS, VNU, D8 ADVANCE-Bruker - Sample PGM

File: Tam Hue mau PGM.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 1.000 ° - End: 40.000 ° - Step: 0.020 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 14 s - 2-Theta: 1.000 ° - Theta: 0.500 ° - Chi: 0.00 ° -

Lin (Cps)

0 100 200 300 400 500

2-Theta - Scale

1 10 20 30 40

d=5.800 d=5.138 d=4.914 d=3.844 d=3.738

(2)

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, Trường Đại học Khoa học Huế Tập 2, Số 1 (2014)

File: Tam Hue mau PC.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: 1.000 ° - End: 40.000 ° - Step: 0.020 ° - Step time: 1. s - Temp.: 25 °C (Room) - Time Started: 10 s - 2-Theta: 1.000 ° - Theta: 0.500 ° - Chi: 0.00 ° -

Lin (Cps)

0 100 200 300 400

2-Theta - Scale

1 10 20 30 40

d=3.035 d=2.494 d=2.282

(3)

Hình 5. Giản đồ XRD của: (1) chitosan; (2) PGM; (3) màng PGM – chitosan.

Kết quả trên hình 5 cho thấy chitosan có cấu trúc pha tinh thể với đỉnh nhiễu xạ đặc trưng ở góc quét 2θ = 20,25^o; tinh bột có cấu trúc tinh thể với cường độ nhiễu xạ thấp hơn, các đỉnh nhiễu xạ ở góc quét 2θ = 15^o; 17,5^o; 18,5^o; 23^o và 24^o. Khi màng PGM - chitosan được tạo thành, đã có sự khác biệt giữa nhiễu xạ tia X của polymer ban đầu và sản phẩm. Đỉnh nhiễu xạ đặc trưng của nguyên liệu hoàn toàn biến mất, pha tinh thể ban đầu không còn tồn tại. Quá trình tạo màng không chỉ là trộn lẫn mà đã có sự tương tác giữa hai pha, hình thành pha mới PGM - chitosan vô định hình từ hai pha tinh thể ban đầu.

3.2.3. Giản đồ TGA

Giản đồ phân tích nhiệt khối lượng của chitosan, PGM và màng PGM - chitosan được trình bày trên hình 6.

(1) (2)

(3)

Hình 6. Giản đồ TGA của: (1) chitosan; (2) PGM; (3) màng PGM - chitosan

Sự mất khối lượng của các thành phần tạo màng cũng như vật liệu polymer tại nhiệt độ khác nhau được trình bày trong bảng 4.

Bảng 4. Sự mất khối lượng theo nhiệt độ của chitosan, PGM, màng PGM - chitosan Khối lượng giảm (%)

Nhiệt độ (^oC)

Chitosan PGM Màng PGM - chitosan

295,65 59,725

298,43 48,164

314,00 82,546

510,96 53,218

Từ hình 6 và bảng 4 có thể nhận thấy rằng peak thu nhiệt của màng PGM - chitosan không còn giống với nguyên liệu PGM và chitosan ban đầu, chứng tỏ đã có sự tương tác giữa hai thành phần, tạo thành pha vật liệu mới. Tại nhiệt độ trên 295,65^oC, giản đồ TGA của màng PGM - chitosan có peak thu nhiệt với khối lượng mất đáng kể và bắt đầu phân hủy ở nhiệt độ trên 400^oC.

3.2.4. Phổ FTIR

Phổ đồ FTIR của chitosan, PGM và màng tổng hợp PGM - chitosan được trình bày trên hình 7.

Phổ FTIR của chitosan có đỉnh hấp thụ tại 3.450 cm^-1 đặc trưng cho nhóm OH, đỉnh hấp thụ tại 2.855, 2.923 cm^-1 đặc trưng cho nhóm CH, đỉnh hấp thụ tại 1.632 cm^-1 cho thấy sự hiện diện của nhóm NHCO trong màng còn đỉnh hấp thụ tại 1.560 cm^-1 đặc trưng cho nhóm NH₂.

νNHCO = 1632 cm^-1 νOH = 3450 cm^-1

νNH2 = 1560 cm^-1 νCH = 2923 cm^-1

νCH = 2855 cm^-1

(1)

νC-OH = 1014 cm^-1 νOH = 3371 cm^-1

νCH = 2931 cm^-1

νOH = 3402 cm^-1

νCH = 2927 cm^-1

νNHCO = 1643 cm^-1 νNH2 = 1562 cm^-1

νC-OH = 1029 cm^-1

(3)

Hình 7. Phổ FTIR của (1) chitosan, (2) PGM, (3) màng PGM – chitosan.

Phổ FTIR của PGM có đỉnh hấp thụ ở 3.371 cm^-1 đặc trưng cho nhóm OH tự do, đỉnh hấp thụ tại 2.931 cm^-1 đặc trưng cho nhóm CH, đỉnh hấp thụ tại 1.014 cm^-1 đặc trưng cho nhóm C-OH trong khi các dải đỉnh 1.419, 1.365 cm^-1 được gán tương ứng cho dao động δ_O-H.

Trong phổ FTIR của màng PGM - chitosan, đỉnh hấp thụ của nhóm NH₂ trong chitosan dịch chuyển đến 1.562 cm^-1, còn đỉnh hấp thụ của nhóm NHCO dịch chuyển đến 1.643 cm^-1. Kết quả này chỉ ra sự tương tác giữa các nhóm hydroxyl của PGM và các nhóm amin trong chitosan (Meenakshi và cộng sự, 2002) [11]. Sự thay đổi này cũng phù hợp với các thay đổi được phát hiện bằng XRD, SEM và TGA.

Ngoài ra, so với chitosan và PGM, vùng hấp thụ đặc trưng của dao động hóa trị của nhóm OH tự do và CH trên phổ FTIR của màng PGM - chitosan đều có cường độ thay đổi. Các đỉnh hấp thụ đặc trưng cho PGM như dao động biến dạng CH của các nhóm methylen, methyl và C-OH cũng xuất hiện ở phổ của sản phẩm với cường độ giảm. Trong trường hợp này, sử dụng đỉnh hấp thụ của các nhóm hydroxyl để đánh giá tương tác có thể không chính xác do ảnh hưởng của hàm lượng glycerol và nước.

Sự tương tác khi pha trộn PGM và chitosan để hình thành sản phẩm chủ yếu là do sự hình thành liên kết hydro và tương tác Van der Waals; các lực này cũng quyết định đến tính chất cơ lý của vật liệu. Khi so sánh phổ hồng ngoại của chitosan và PGM với sản phẩm, chưa thể rút ra kết luận rõ ràng về tương tác hoá học giữa các nhóm chức của mạch chitosan và nhóm OH trong phân tử PGM. Tuy nhiên, việc bổ sung PGM vào dung dịch chitosan tạo điều kiện thuận lợi cho sự hình thành liên kết hydro liên phân tử giữa hai loại polymer nguyên liệu.

3.3. Đánh giá khả năng kháng khuẩn của màng PGM - chitosan

Kết quả khảo sát khả năng kháng khuẩn của màng PGM - chitosan được trình bày ở bảng 5.

Bảng 5. Đường kính vòng kháng khuẩn của dịch tạo màng với các chủng vi khuẩn khác nhau Đường kính vòng kháng khuẩn (mm) TT Tỷ lệ nguyên liệu

PGM:chitosan (g/g) Sta (Gram(+)) E. coli (Gram(-))

1 0 : 0 0 0

2 1,0 : 0,0 0 0

3 0,5 : 1,0 26 24

4 1,0 : 1,0 25 23

5 2,0 : 1,0 22 19

Kết quả ở bảng 5 cho thấy vật liệu PGM - chitosan có khả năng kháng khuẩn, thành phần quyết định tính kháng khuẩn là chitosan.

Cơ chế ức chế vi khuẩn của chitosan có thể được giải thích theo hai hướng. Thứ nhất, chitosan là đại phân tử chứa các trung tâm mang điện tích dương, trong khi đó đa số vi khuẩn tích điện âm, giữa chúng xảy ra tương tác tĩnh điện làm cho màng tế bào vi khuẩn bị hư hỏng, ngăn cản quá trình trao đổi chất qua màng tế bào, đồng thời xuất hiện những lỗ hổng trên thành tế bào, tạo điều kiện cho protein và các thành phần cấu tạo nên tế bào thoát ra ngoài. Vì vậy, chitosan có thể tiêu diệt được vi sinh vật. Chitosan cũng là tác nhân làm thoát các chất trong tế bào và phá hủy thành tế bào. Tính kháng khuẩn này phụ thuộc vào khối lượng phân tử của chitosan và loại vi khuẩn [7]. Cơ chế thứ hai cho rằng, các phân tử chitosan khi phân tán xung quanh tế bào vi sinh vật sẽ tạo ra các tương tác biến đổi ADN, ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp ARN thông tin và tổng hợp protein, ngăn cản sự hình thành bào tử, ngăn cản sự trao đổi chất, hấp thu các thành phần dinh dưỡng của vi sinh vật… (Sudarshan và cộng sự, 1992) [10].

Hoạt tính kháng khuẩn của màng tăng khi hàm lượng chitosan tăng; vi khuẩn Gram(+) bị ức chế mạnh hơn vi khuẩn Gram(-).

Theo Ming Kong và Xi Guang Chen [7], khả năng kháng khuẩn của chitosan đối với vi khuẩn Gram(-) mạnh hơn so với vi khuẩn Gram(+). Kết quả ngược lại khi nghiên cứu trên màng PGM - chitosan được giải thích là do vi khuẩn Gram(+) nhạy cảm hơn, có thể vi khuẩn Gram(-) có lớp màng bảo vệ bên ngoài.

4. KẾT LUẬN

Màng polymer tổ hợp PGM - chitosan đã được chế tạo từ PGM và chitosan. Ở tỷ lệ nguyên liệu PGM : chitosan là 1 : 1 (g/g), thể tích glycerol 0,5 mL, khuấy trộn 6 giờ ở 60^oC, sấy 24 giờ ở 50^oC thì màng PGM - chitosan có tính chất cơ lý đạt yêu cầu.

Sự kết hợp của PGM với chitosan đã cải thiện tính chất cơ học và giảm độ hút ẩm so với màng chitosan. Khi thêm chất dẻo hóa, màng có độ giãn dài tốt hơn nhưng khả năng chịu lực lại kém đi, đồng thời độ hòa tan màng cao hơn. Kết quả phân tích phổ đồ IR, ảnh SEM, giản đồ XRD và TGA cho thấy có sự tương tác giữa hai pha chitosan và PGM tạo thành pha mới đồng nhất, vô định hình. Màng PGM - chitosan với các tỷ lệ nguyên liệu khác nhau đều có

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. A. A. Xtreepikhep, V. A. Đêrêvitskaia, G. L. Slonhimxki (1997). Cơ sở của hóa học các hợp chất cao phân tử, Nxb. Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội.

[2]. Phạm Thị Thảo Ly (2013). Nghiên cứu chế tạo màng tinh bột sắn - chitosan và khảo sát khả năng kháng vi khuẩn xâm nhập, Luận văn Thạc sĩ, Chuyên ngành Hóa hữu cơ, Trường Đại học Khoa học Huế.

[3]. Trần Thị Văn Thi, Nguyễn Thị Hoài, Lê Trung Hiếu, Đặng Thị Quỳnh Anh (2012). Nghiên cứu thành phần và cấu trúc bột glucomannan tách chiết từ củ nưa - Amorphophallus paeoniifolius trồng tại Thừa Thiên Huế, Tạp chí Hóa học (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam), 50(5A), tr. 141-145.

[4]. Thái Doãn Tĩnh (2005). Cơ sở hóa học các hợp chất cao phân tử, Nxb. Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội.

[5]. D. Jia, Y. Fang, K. Yao (2009). Water vapor barrier and mechanical properties of konjac glucomannan-chitosan-soy protein isolate edible films, Food and Bioproducts Processing, 87(1), pp.

7-10.

[6]. B. Li, J. F. Kennedy, J. L. Peng, X. Yie, B. J. Xie. (2006). Preparation and performance evaluation of glucomannan-chitosan-nisin ternary antimicrobial blend film, Carbohydrate Polymers 65, pp.

488-494.

[7]. M. Kong, X. G. Chen (2010). Antimicrobial properties of chitosan and mode of action: A state of the art review, International Journal of Food Microbiology 144, pp. 51-63.

[8]. P. K. Dutta, S. Tripathi, G. K. Mehrotra, J. Dutta (2009). Perspectives for chitosan based antimicrobial films in food applications, Food Chemistry 114, pp. 1173-1182.

[9]. X. Ye, J. F. Kennedy, B. Li, B. J. Xie (2006). Condensed state structure and biocompatibility of the konjac glucomannan/chitosan blend films, Carbohydrate Polymers 64, pp. 532-538.

[10]. Y. C. Chung, C. Y. Chen (2008). Antibacterial characteristics and activity of acid - soluble chitosan, Bioresource Technology, 99(8), pp. 2806-2814.

[11]. Y. X. Xu, K. M. Kim, M. A. Hanna, D. Nag (2005). Chitosan - starch composite film: preparation and characterization, Industrial Crops and Products 21, pp. 185-192.

STUDY ON THE FABRICATION OF A POLYMER FILM COMPOSED OF CHITOSAN AND AMORPHOPHALLUS PAEONNIIFOLIUS

GLUCOMANNAN COLLECTED IN THUA THIEN HUE

Nguyen Thi Hong Tam^*, Tran Xuan Mau, Tran Thi Van Thi Department of Chemistry, Hue University of Sciences

*Email: mylove.ph2003@gmail.com ABSTRACT

For the first time, the polymer blend films composed of glucomannan flour extracted and purified from the tuber of Amorphophallus paeonniifolius cultivated in Thua Thien Hue (PGM) and chitosan were fabricated. The effects of film-forming conditions, polymer composition and the amount of plasticizer on the film properties were investigated. The films were studied by FTIR, SEM, XRD và TGA, and the results pointed out that there was an interaction between the two phase components and a new phase was formed. The PGM - chitosan films showed the antimicrobial activity against Escherichia coli and Staphylococcus aureus.

Keywords: Antimicrobial activity, Escherichia coli, glucomannan - chitosan polymer film, glycerol, Staphylococcus aureus.