Bộ môn Công nghệ Sinh học - Thực phẩm

Hiện nay người tiêu dùng yêu cầu thực phẩm an toàn với thời hạn sử dụng dài, khiến các nhà nghiên cứu và toàn ngành công nghiệp thực phẩm phải khám phá các công nghệ mới để đóng gói thực phẩm (Biji, Ravishankar, Mohan, & Gopal, 2015). Màng thông minh là loại bao bì có thể biểu hiện trực tiếp cho người tiêu dùng để cung cấp thông tin kịp thời về độ tươi và hư hỏng của thực phẩm. Những màng này giám sát chất lượng của các sản phẩm được đóng gói cùng với các điều kiện bên trong bao bì, chẳng hạn như nhiệt độ, độ pH, oxy và các chất chuyển hóa của vi sinh vật (Oliveira Filho và cộng sự, 2021).
Một số bao bì thông minh đã được phát triển trong những năm gần đây là màng chỉ thị pH cung cấp thông tin định tính thông qua thay đổi màu sắc trực quan. Mặc dù hầu hết các màng thông minh được sản xuất từ các nguồn không thể tái tạo từ sản phẩm hóa dầu tổng hợp, nhưng hiện nay các giải pháp thay thế dùng các chất phân hủy sinh học đang nhận được rất nhiều sự quan tâm (Apriliyanti và cộng sự, 2018, Hu và cộng sự, 2020 , Jamróz và cộng sự, 2019 , Kanatt, 2020, Naghdi và cộng sự, 2021, Qin và cộng sự, 2020 , Yao và cộng sự, 2020 , Yao và cộng sự, 2021). Polymer sinh học như polysaccharide và protein từ các nguồn khác nhau đã được khám phá để làm màng thông minh có thể phân hủy sinh học do tính phong phú, không độc hại và khả năng tương thích sinh học của chúng ( Alizadeh-Sani, Mohammadian, Rhim, & Jafari, 2020 ).
Theo truyền thống, các hợp chất như bromocresol tím , cresol đỏ, bromocresol xanh và bromophenol xanh được sử dụng làm chất chỉ thị màu trong bao bì thông minh (Poyatos-Racionero, Ros-Lis, Vivancos, & Martínez-Máñez, 2018). Tuy nhiên, việc sử dụng các hợp chất chỉ thị này để giám sát thực phẩm bị hạn chế do độc tính tiềm ẩn của chúng (có thể làm cho thực phẩm không an toàn, gây rủi ro cho sức khỏe), cũng như do tính chất không ăn được của chúng (có thể thay đổi đặc điểm cảm quan của thực phẩm) ( Alizadeh-Sani và cộng sự, 2020 , Liu và cộng sự, 2019). Do đó, việc tìm kiếm các chất chỉ thị sinh học nhạy với pH, ăn được, không độc hại và tốt nhất là được trích từ các nguồn tự nhiên là mục tiêu của các nghiên cứu gần đây để phát triển bao bì thực phẩm thông minh ( Moradi, Tajik, Almasi, Forough, & Ezati, 2019).
Các sắc tố thực vật tự nhiên, như curcumin, anthocyanin, chất diệp lục và betalain, có thể thay đổi màu sắc trong các phạm vi pH khác nhau do sự không ổn định về cấu trúc; do đó, chúng có thể được sử dụng làm chất chỉ thị pH tự nhiên, không độc hại, với tiềm năng ứng dụng cao trong bao bì thông minh (Priyadarshi et al., 2021). Betalain thường cho thấy cấu trúc bền ở pH 3–7; tuy nhiên, chúng thể hiện các biến đổi về cấu trúc và màu sắc từ hồng/đỏ/tím sang vàng/cam trong điều kiện kiềm (pH > 7) (Qin và cộng sự, 2020) như hình 1. Màu sắc của betanin phụ thuộc vào độ bền của chúng như một hàm của pH, thường ổn định trong khoảng pH từ 3–7, với pH tối ưu nằm trong khoảng từ 4 đến 5. Trong khoảng pH này, betanin có màu đỏ hơi xanh tươi và chuyển sang màu xanh tím khi pH tăng lên. Khi độ pH đạt đến mức kiềm, betanin sẽ phân hủy do quá trình thủy phân, dẫn đến màu nâu vàng ( Delgado-Vargas, Jiménez, & Paredes-López, 2000 ).

Hình 1. Sản xuất và ứng dụng màng thông minh chứa dịch trích gbetalain trong giám sát chất lượng thực phẩm.

Dịch trích giàu betalain thu được từ các nguồn khác nhau, chủ yếu là vỏ quả thanh long ruột đỏ (Hylocereus polyrhizus), hoa giấy (Bougainvillea glabra), quả thanh long ruột đỏ tươi (H. polyrhizus), củ dền (Beta vulgaris), lá và bột rau dền (Amaranthus tricolor L.) , và dịch trích quả xương rồng (Opuntia ficus-indica), đã được sử dụng làm chất chỉ thị tự nhiên cho sự phát triển của màng thông minh. Những màng thông minh này có thể tổng hợp từ các polymer sinh học khác nhau (chẳng hạn như alcohol glucomannan–polyvinyl, quaternary ammonium chitosan/gelatin cá, tinh bột khoai tây, Furcellaran, tinh bột/polyvinyl alcohol, polyvinyl alcohol, gelatin và tara gum/ polyvinyl alcohol) để giám sát chất lượng các sản phẩm tươi sống (chủ yếu là tôm, thịt gà và cá) (Aprilidiyanti và cộng sự, 2018, Hu và cộng sự, 2020, Jamróz và cộng sự, 2019, Kanatt, 2020, Naghdi và cộng sự, 2021, Qin và cộng sự, 2020, Yao và cộng sự, 2020, Yao và cộng sự, 2021). Màng thông minh có chức năng kiểm soát độ pH là sự kết hợp các polymer sinh học giàu betalain và được sản xuất bằng kỹ thuật đúc. Sau khi sấy khô, màng thông minh có thể được tiếp xúc trực tiếp với thực phẩm hoặc kết hợp với vật liệu đóng gói để tương tác với các hợp chất được giải phóng trong quá trình hư hỏng, chủ yếu là nitơ bazơ tổng dễ bay hơi (TVBN), trong khoảng trống của bao bì. Sự tương tác của màng thông minh với thực phẩm hoặc với khoảng trống trong màng ở một pH cụ thể sẽ làm thay đổi màu sắc của màng, cho biết trực quan sản phẩm còn tươi hay đã hỏng (hình 1). Đặc biệt là thực phẩm giàu đạm như thịt, hải sản, dễ bị hư hỏng do vi sinh vật và hóa chất, quá trình hư hỏng đi kèm với việc giải phóng các hợp chất nitơ dễ bay hơi khác nhau như amoniac và amines sinh học, có thể dẫn đến giảm cảm giác và hình thành mùi vị khó chịu cho các sản phẩm này (Comi, 2017). Các hợp chất được giải phóng có quan hệ chặt chẽ với sự thay đổi pH của thực phẩm và môi trường xung quanh, người tiêu dùng có thể theo dõi và phát hiện được bằng cách sử dụng màng chỉ thị có chứa các hợp chất nhạy pH (Rodrigues, Souza, Coelhoso, & Fernando, 2021).
Điển hình như sự hư hỏng của tôm làm tăng sự tạo thành các hợp chất bazơ như amoniac, dimethylamine và trimethylamine. Màng thông minh dựa trên polymer sinh học được bổ sung dịch trích giàu betalain sẽ phát hiện sự hiện diện của các hợp chất này và cho biết chất lượng của tôm trong quá trình bảo quản. Tan và cộng sự. (2020) đã phát triển màng tinh bột/polyvinyl alcohol kết hợp với dịch trích vỏ thanh long giàu betalain để theo dõi độ tươi của tôm. Màng cho thấy thay đổi rõ màu sắc từ hồng sang vàng khi phản ứng với các hợp chất nitơ dễ bay hơi (TVBN 19,38 mg/100 g) được tích lũy trong quá trình phân hủy tôm. Hu et al. (2020) cũng đã theo dõi độ tươi của tôm được bảo quản ở 20°C trong 48 giờ bằng cách sử dụng màng dựa trên sự kết hợp của amoni chitosan bậc bốn/gelatin cá được bổ sung với dịch trích betalain từ rau dền; một sự thay đổi rõ rệt về màu sắc từ hồng sang vàng đã được quan sát thấy khi sự tích lũy TVBN đạt đến giới hạn tối đa được thiết lập theo tiêu chuẩn của Trung Quốc đối với hải sản (20 mg/100 g). Lớp màng này đã được sản xuất bằng cách sử dụng dịch trích rau dền 5 và 10% cho thấy độ nhạy cao khi phát hiện sự hỏng của thực phẩm, với sự thay đổi màu sắc trong 24 giờ - đây là thời gian để sản phẩm đạt đến giới hạn TVBN tối đa có thể chấp nhận được.
Yao et al. (2021) đã phát triển màng thông minh có công thức từ tinh bột, polyvinyl alcohol và ruột trái thanh long ruột đỏ giàu betalain, quả lê gai, củ cải đường đỏ, hoa rau dền globo và dịch trích lá dền đỏ để giám sát chất lượng tôm. Màu màng chuyển dần từ tím/đỏ sang vàng với sự gia tăng TVBN tích lũy, đạt 21,88 mg/100 g trong 24 giờ. Nghiên cứu cho thấy dịch trích thanh long ruột đỏ là phù hợp nhất để theo dõi độ tươi của tôm, với sự biến đổi màu sắc cao nhất (ΔE > 5).
Màng thông minh được phát triển với dịch trích betalain cũng theo dõi sự hỏng của các sản phẩm giàu protein khác như cá và thịt gà. Kanatt (2020) đã phát triển màng thông minh dựa trên polyvinyl alcohol/gelatin kết hợp dịch trích rau dền giàu betalain để theo dõi độ tươi của cá và gà. Màu của màng thay đổi từ đỏ sang vàng ở cả hai sản phẩm, tương quan với sự tăng pH, sự tích tụ TVBN và sự phát triển của vi khuẩn trong sản phẩm. Tuy nhiên, sự thay đổi màu sắc thấy rõ ở cá hơn so với gà.
Màng dựa trên glucomannan/polyvinyl alcohol và dịch trích vỏ thanh long ruột đỏ có hiệu quả trong việc theo dõi sự hư hỏng của phi lê cá. Màu của màng thay đổi rõ rệt từ hồng sang vàng sau khi bảo quản 8 ngày ở 4°C. Sự thay đổi này xảy ra đồng thời với sự tăng TVBN tích lũy từ 2,4 mg/100 g lên 39,74 mg/100 g, được phát hiện khi mức tích lũy >20 mg/100 g (Aprilidiyanti và cộng sự, 2018).
Màng tinh bột thông minh kết hợp với dịch trích betacyanin từ hoa giấy được phát triển bởi Naghdi et al. (2021) để phát hiện nhiễm bẩn của toàn bộ nước biển Caspian; quan sát thấy sự thay đổi màu trực quan từ hồng sang vàng song song với sự tăng TVBN tích lũy từ 7,01 mg/100 g lên khoảng 30 mg/100 g và với sự gia tăng số lượng vi sinh vật từ 2,41 log CFU/g lên 7,59 log CFU/g. Sự thay đổi màu sắc bắt đầu vào ngày thứ tám của quá trình bảo quản, lớp màng gần như vàng hoàn toàn vào ngày thứ mười hai khi cá dần biến đổi về vi sinh và hóa học.
Hiệu quả của các chất chỉ thị cũng phụ thuộc nhiều vào thành phần hóa học của chúng và tương tác hóa học với polymer tạo màng. Jamróz và cộng sự. (2019) đã báo cáo rằng màng furcellaran phối trộn với dịch trích từ củ dền, elderberry, việt quất, trà xanh hoặc yerba mate không phù hợp làm chỉ thị pH để theo dõi sự hư hỏng của phi lê cá thu Đại Tây Dương được bảo quản ở 2 °C, vì sự thay đổi màu sắc trong màng thông minh là không đủ.
Như vậy, các màng thông minh hiệu quả được phát triển bằng cách sử dụng các chỉ thị nhạy pH và chất nền có độ nhạy cao để phát hiện TVBN; chúng cũng phải được áp dụng trong các điều kiện nhiệt độ bảo quản cụ thể. Tuy nhiên độ nhạy của màng cũng cần được nghiên cứu thêm về ảnh hưởng của màng đến các chất chuyển hóa hư hỏng khác như amin sinh học (histamin, caverine và putrescine), chứ không chỉ tập trung đến amoniac. Nhiệt độ được sử dụng trong các nghiên cứu cũng phải mô phỏng các điều kiện thực tế mà sản phẩm tiếp xúc trong quá trình bảo quản. Dù vậy màng dựa trên polymer sinh học và betalain đã cho thấy kết quả đầy hứa hẹn đối với các ứng dụng làm vật liệu đóng gói thông minh cho các sản phẩm thực phẩm.
Tài liệu tham khảo: Josemar Gonçalves de Oliveira Filho, Mirella Romanelli Vicente Bertolo, Murilo Álison Vigilato Rodrigues, Guilherme da Cruz Silva, Giovana Maria Navarro de Mendonça, Stanislau Bogusz Junior, Marcos David Ferreira, Mariana Buranelo Egea, Recent advances in the development of smart, active, and bioactive biodegradable biopolymer-based films containing betalains, Food Chemistry, Volume 390, 2022, 133149.
https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2022.133149 
TS. Trần Phước Nhật Uyên (Khoa Kỹ thuật - Công nghệ, Trường Đại học Văn Hiến)