Tài liệu Nghiên cứu chế tạo giấy bao gói thực phẩm kháng khuẩn từ bột giấy sunfat tẩy trắng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu chế tạo giấy bao gói thực phẩm kháng khuẩn từ bột giấy sunfat tẩy trắng NGUYỄN THẾ SÁNG [email protected] Ngành Kỹ thuật hóa học Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Hoàng Chung Viện: Kỹ thuật Hóa học HÀ NỘI, 10/2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu chế tạo giấy bao gói thực phẩm kháng khuẩn từ bột giấy sunfat tẩy trắng NGUYỄN THẾ SÁNG [email protected] Ngành Kỹ thuật hóa học Giảng viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Hoàng Chung Chữ ký của GVHD Viện: Kỹ thuật Hóa học HÀ NỘI, 10/2022 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên tác giả luận văn: Nguyễn Thế Sáng Đề tài luận văn: Nghiên cứu chế tạo giấy bao gói thực phẩm kháng khuẩn từ bột giấy sunfat tẩy trắng Chuyên ngành: Kỹ thuật hóa học Mã số học viên: 20202222M Tác giả, Người hướng dẫn khoa học và Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả đã sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên bản họp Hội đồng ngày …/…/2022 với các nội dung sau: STT Nội dung góp ý 1 Thống nhất nội dung nghiên cứu giấy bao gói kháng khuẩn hay giấy bao gói thực phẩm kháng khuẩn 2 Tập trung tổng quan về các loại giấy bao gói kháng khuẩn, các vật liệu kháng khuẩn, công nghệ sản xuất giấy bao gói kháng khuẩn 3 Bổ sung quy trình tạo giấy cốt 4 5 6 8 Nội dung bổ sung và chỉnh sửa Đã chỉnh sửa, bổ sung thống nhất tên nội dung nghiên cứu: Nghiên cứu chế tạo giấy bao gói thực phẩm kháng khuẩn từ bột giấy sunfat tẩy trắng Đã bổ sung tổng quan về một số tính chất quan trọng của giấy bao gói thực phẩm kháng khuẩn trong mục 1.1.2. Đã bổ sung mục 2.3.2. Phương pháp chế tạo mẫu giấy cốt Đã bổ sung địa điểm chế tạo nanocellulose, nanochitosan và địa điểm làm mẫu giấy cốt trong mục 2.1.3, 2.2.2, 2.3.2 Đã bổ sung định lượng lớp keo và giải trình việc lựa chọn nồng độ chất khô 8% trong mục 2.3.3. Làm rõ các thí nghiệm làm ở đâu, các tính chất giấy được phân tích ở đâu, trên thiết bị nào Làm rõ định lượng lớp keo bảo lưu trên bề mặt sau khi tráng phủ/gia keo và giải thích vì sao lựa chọn nồng độ chất khô 8%. Làm rõ việc có bổ sung tinh bột Đã bổ sung làm rõ thành phần gia keo nội cation trong gia keo nội bộ bộ bao gồm mức dùng tinh bột cation 1%, keo AKD khảo sát tại các mức dùng khác nhau. Xem xét làm rõ dùng keo AKD Đã hiệu chỉnh, bổ sung và làm rõ các mức theo mức dùng hay nồng độ dùng keo AKD theo bột KTĐ tại mục 3.3.4 STT Nội dung góp ý 9 Luận giải vì sao lựa chọn tỷ lệ 30/20/50 10 Lựa chọn mẫu cụ thể để kết luận có tính kháng khuẩn và đáp ứng được tiêu chí về tính chất của giấy 11 Các hình ảnh nên để màu, kích cỡ và độ phân giải đảm bảo việc xem và đánh giá Nội dung bổ sung và chỉnh sửa Đã bổ sung luận giải tại mục 3.3.4.3 về lựa chọn tỷ lệ NC/NCS/OS Đã bổ sung kết luận về tính kháng khuẩn tại mục 3.4 Đã chỉnh sửa, in ấn lại các trang có ảnh cần in màu để có thể đánh giá được kết quả thử nghiệm. 12 Soát xét lại các lỗi chính tả, dàn Đã rà soát, chỉnh sửa, bổ sung các lỗi trang, chú thích các bảng biểu chính tả, dàn trang, chú thích bảng biểu và hình vẽ và hình vẽ trong toàn bộ luận văn 13 Mức dùng 2% H2SO4 trên cơ sở nào Kết luận viết ngắn gọn và nêu bật được ý chính 14 Đã bổ sung cơ sở lựa chọn mức dùng H2SO4 trong mục 2.1.3 Đã viết kết luận ngắn ngọn và tập trung hơn Ngày tháng năm 2022 Giảng viên hướng dẫn Tác giả luận văn TS. Nguyễn Hoàng Chung Nguyễn Thế Sáng CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG Phan Huy Hoàng ĐỀ TÀI LUẬN VĂN Nghiên cứu chế tạo giấy bao gói thực phẩm kháng khuẩn từ bột giấy sunfat tẩy trắng. Giảng viên hướng dẫn TS. Nguyễn Hoàng Chung LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian tiến hành triển khai nghiên cứu, luận văn: “Nghiên cứu chế tạo giấy bao gói thực phẩm kháng khuẩn từ bột giấy sunfat tẩy trắng” đã được hoàn thành. Luận văn được hoàn thành không chỉ là công sức của bản thân tôi mà còn có sự giúp đỡ, hỗ trợ tích cực của nhiều cá nhân và tập thể. Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc đến TS. Nguyễn Hoàng Chung, người trực tiếp hướng dẫn tôi thực hiện luận văn này, người đã dành rất nhiều nhiều thời gian, tâm sức, cho tôi những ý kiến, nhận xét quý báu, chỉnh sửa từng chi tiết, lỗi sai nhỏ trong luận văn, giúp luận văn của tôi được hoàn thiện hơn về cả mặt nội dung và hình thức. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến PGS.TS. Lê Quang Diễn, bởi những ý kiến đóng góp quý báu cùng sự quan tâm, động viên, khích lệ và tin tưởng. Xin gửi lời cảm ơn đến Ban Lãnh đạo Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện Kỹ thuật hóa học, Phòng Đào tạo và các thầy cô thuộc Trung tâm Công nghệ Polyme compozit và Giấy đã tạo điều kiện thuận lợi, nhiệt tình giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và học tập. Qua luận văn này, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp đã luôn động viên, khuyến khích, ủng hộ, cho tôi những lời khuyên trong những lúc khó khăn nhất. Mặc dù đã có nhiều cố gắng để thực hiện Luận văn một cách hoàn chỉnh nhất. Song do hạn chế về kiến thức, kinh nghiệm, thời gian tìm hiểu và thực hiện nên luận văn chắc chắn không thể tránh khỏi còn những nhiều thiếu sót. Rất mong nhận được nhiều ý kiến đóng góp của thầy cô, các anh chị em, bạn bè đồng nghiệp. Nghiên cứu được thực hiện bằng hỗ trợ kinh phí từ đề tài KHCN “Nghiên cứu ứng dụng nanocellulose và nanochitosan cho sản xuất giấy bao gói thực phẩm”, mã số ĐTKHCN.141/20. Xin chân thành cảm ơn! Học viên Nguyễn Thế Sáng TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN 1. Sự cần thiết của nghiên cứu: Theo Báo cáo của Trung tâm thông tin KHCN Quốc Gia, hàng năm, nước ta sử dụng khoảng nửa triệu tấn chất dẻo để làm bao bì nhựa (túi, chai lọ, bao gói) sử dụng trong nhiều lĩnh vực, chủ yếu là thực phẩm, dược phẩm, và các hàng tiêu dùng khác. Cùng với sự nhận thức về mối nguy hại của nilong, túi và bao bì nilong hiện đang được hạn chế sử dụng. Thay vào đó, sử dụng giấy bao gói thực phẩm với ưu thế tiện lợi, sạch sẽ, an toàn với sức khỏe và có khả năng tự phân hủy sau một thời gian ngắn. Chính vì vậy, việc nghiên cứu công nghệ mới - công nghệ sử dụng chất phụ gia nanocellulose (tăng cường tính chất cơ lý của giấy) và nanochitosan (đem lại cho giấy bao gói khả năng kháng khuẩn) đáp ứng yêu cầu làm giấy bao gói thực phẩm kháng khuẩn, bao gói phân hủy sinh học là vấn đề bức thiết, góp phần giảm thiểu sử dụng túi đựng nilong, bao bì nilong và các vật liệu không thể phân hủy sinh học khác. 2. Mục tiêu luận văn: Xác định được điều kiện công nghệ thích hợp chế tạo giấy kháng khuẩn từ bột giấy sunfat tẩy trắng làm bao gói thực phẩm có sử dụng nanocellulose và nanochitosan. 3. Nội dung thực hiện - Chế tạo nanocellulose và nanochitosan phục vụ cho nghiên cứu trên cơ sở kế thừa một số kết quả nghiên cứu trước đó; - Nghiên cứu xác định tỷ lệ phối trộn nanocellulose/nanochitosan và tinh bột thích hợp để sử dụng làm dung dịch gia keo/ tráng phủ giấy; - Nghiên cứu ảnh hưởng của nanocellulose và nanochitosan đến tính kháng khuẩn của giấy. 4. Phương pháp thực hiện: - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: tìm hiểu tổng quan các vấn đề nghiên cứu từ các tài liệu, công bố trong nước và trên thế giới. - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: + Sử dụng các phương pháp hiện đại trong lĩnh vực chuyển hóa sinh khối, công nghệ giấy và cellulose để chế tạo nanocellulose và nanochitosan; chế tạo giấy bao gói kháng khuẩn sử dụng dịch gia keo/ tráng phủ bao gồm nanocellulose, nanochitosan và tinh bột. + Sử dụng các phương pháp phân tích hóa lý, sinh-hóa học hiện đại, bao gồm SEM, FTIR… và các phương pháp phân tích tiêu chuẩn để xác định đặc trưng sản phẩm tạo thành, tính chất kháng khuẩn của giấy. 5. Kết quả thu được: - Sử dụng nanocellulose và nanochitosan kết hợp với tinh bột oxy hóa cho xử lý bề mặt giấy bao bì đã cải thiện được một loạt các tính chất độ bền cơ học nhờ tăng cường được độ nhẵn và độ bền chặt bề mặt của tờ giấy; - Tỷ lệ phối trộn thích hợp giữa vật liệu nano so với tinh bột trong khoảng 30-40% đối với nanocellulose và 20-30% đối với nanochitosan. Ở tỷ lệ này, độ bền kéo của giấy tăng 10%, độ chịu bục tăng 6-8%. - Điều kiện công nghệ thích hợp gia keo bề mặt giấy chế tạo từ bột giấy sunfat tẩy trắng bằng tinh bột oxy hóa và vật liệu nano: Nồng độ chất khô của dịch gia keo: 8,0 %; Tỉ lệ nanocellulose/tinh bột oxy hóa: 30/70; Tỉ lệ nanochitosan/tinh bột oxy hóa: 30/70; Tỉ lệ nanocellulose/nanochitosan/tinh bột oxy hóa: 30/20/50 (kết hợp gia keo nội bộ AKD 1%). - Về mặt tính kháng khuẩn: Qua nghiên cứu và thử nghiệm, các mẫu giấy đều có khả năng ức chế vi khuẩn nhất định với vi khuẩn Escherichia coli và Bacillus subtilis. Trong đó, mẫu giấy có gia keo bề mặt bằng dịch gia keo chứa nanochitosan/OS với tỉ lệ 30/70 kết hợp gia keo nội bộ với 1% AKD, có tính kháng khuẩn cao nhất, với vi khuẩn Gram dương Bacillus subtilis bán kính vòng ức chế vi khuẩn từ 1-3 mm. MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .................................................................... iv DANH MỤC HÌNH VẼ ...................................................................................... vi DANH MỤC BẢNG ............................................................................................ ix ĐẶT VẤN ĐỀ ....................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .............................. 2 1.1. Tổng quan về giấy bao gói .............................................................................. 2 1.1.1. Các loại giấy bao bì, bao gói ................................................................. 2 1.1.2. Giấy bao gói kháng khuẩn..................................................................... 7 1.2. Tổng quan một số vật liệu bio-polyme kích thước nano cho sản xuất giấy . 15 1.2.1. Tổng quan về vật liệu nanocellulose ................................................... 17 1.2.2. Tổng quan về vật liệu nanochitosan .................................................... 30 1.3. Tình hình nghiên cứu ứng dụng nanocelluse và nanochitosan trong xử lý bề mặt giấy tại Việt Nam và trên thế giới ................................................................. 40 1.3.1. Tình hình nghiên cứu ứng dụng nanocellulose trong xử lý bề mặt giấy ....................................................................................................................... 40 1.3.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng nanochitosan và kết hợp sử dụng nanochitosan/nanocellulose trong xử lý bề mặt giấy .................................... 44 CHƯƠNG 2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 47 2.1. Phương pháp chế tạo nanocellulose .............................................................. 47 2.1.1. Nguyên vật liệu, hóa chất chế tạo nanocellulose ................................ 47 2.1.2. Dụng cụ, thiết bị chế tạo nanocellulose .............................................. 47 2.1.3. Quy trình chế tạo nanocellulose .......................................................... 47 2.1.4. Phương pháp xác định hiệu suất chế tạo nanocellulose ...................... 48 2.1.5. Phương pháp xác định đặc trưng nanocellulose.................................. 49 2.2. Phương pháp chế tạo nanochitosan ............................................................... 49 2.2.1. Nguyên vật liệu, hóa chất chế tạo nanochitosan ................................. 49 2.2.2. Quy trình chế tạo nanochitosan ........................................................... 49 i 2.2.3. Phương pháp xác định đặc trưng của nanochitosan............................ 50 2.3. Phương pháp nghiên cứu giấy bao gói kháng khuẩn .................................... 51 2.3.1. Nguyên vật liệu, hóa chất chế tạo giấy bao gói kháng khuẩn............. 51 2.3.2. Phương pháp chuẩn bị dung dịch gia keo bề mặt giấy ....................... 51 2.3.3. Phương pháp xác định độ nhớt của dịch gia keo ................................ 53 2.3.4. Phương pháp chế tạo giấy bao gói kháng khuẩn ................................ 53 2.3.5. Các phương pháp phân tích tính chất của giấy ................................... 54 2.3.6. Phương pháp đánh giá tính kháng khuẩn của giấy bao gói kháng khuẩn ....................................................................................................................... 55 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................... 57 3.1. Chế tạo nanocellulose từ bột giấy sunfat gỗ cứng ........................................ 57 3.1.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân ..................................................... 57 3.1.2. Ảnh hưởng của thời gian thủy phân.................................................... 59 3.1.3. Ảnh hưởng của H2O2 đến quá trình chế tạo nanocellulose ................. 60 3.2. Chế tạo nanochitosan .................................................................................... 61 3.2.1. Ảnh hưởng của tác nhân tripolyphotphate .......................................... 61 3.2.2. Ảnh hưởng của axit axetic .................................................................. 64 3.2.3. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng..................................................... 65 3.3. Nghiên cứu chế tạo giấy bao gói kháng khuẩn từ bột giấy sunfat tẩy trắng. 66 3.3.1. Tính chất dung dịch tinh bột oxy hóa và nanocellulose/nanochitosan sử dụng cho xử lý bề mặt giấy ........................................................................... 66 3.3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn vật liệu nano và tinh bột oxy hóa đến tính chất cơ lý của giấy.................................................................... 67 3.3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ phối trộn vật liệu nano đến tính chất bề mặt của giấy .................................................................................................. 70 3.3.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ dung dịch gia keo nội bộ đến tính chất của giấy ......................................................................................................... 72 3.3.5. Đặc trưng của giấy gia keo bằng dung dịch kéo chứa nanocellulose và nanochitosan ................................................................................................. 76 ii 3.4. Nghiên cứu ảnh hưởng của nanocellulose và nanochitosan đến tính kháng khuẩn của giấy...................................................................................................... 79 KẾT LUẬN ......................................................................................................... 81 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................... 82 iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt Phần trăm khối lượng %wt BC Bacterial cellulose Cellulose vi khuẩn BHKP Bleached Hardwood Kraft Pulp Bột kraft gỗ cứng tẩy trắng BNC Bacterial nanocellulose Nanocellulose vi khuẩn CMC Carboxymethyl cellulose CNC Cellulose nanocrystals NCC Nanocrystalline cellulose CNF Cellulose nanofibrils Nanocellulose tinh thể Nanocellulose xơ sợi Cellulose nanofibers NFC Nanofibrillated cellulose Nanofibrillar cellulose CS Chitosan Chitosan EDX Energy Dispersive X-Ray Phổ tán sắc năng lượng tia X FESEM Field Emission Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường FTIR Fourier-Transform Infrared Spectroscopy Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier ISO International Standards Organization Tổ chức các Tiêu chuẩn thế giới NC Nanocellulose Nanocellulose NCS Nanochitosan Nanochitosan OS Oxidized starch Tinh bột oxy hóa SEM Scanning Electron Microscope Kính hiển vi điện tử quét TAPPI Technical Association of the Pulp and Paper Industry Hiệp hội kỹ thuật ngành công nghiệp bột giấy và giấy Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN iv Từ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt TPP Tripolyphosphate XPS X-ray photoelectron spectroscopy Quang phổ quang điện tử tia X XRD X-Ray diffraction Nhiễu xạ tia X v DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sản xuất giấy các loại của Việt Nam trong năm 2021 ............................ 2 Hình 1.2. Mô phỏng cấu trúc của carton sóng hòm hộp (1-lớp mặt bên ngoài, 2lớp sóng, 3-lớp mặt bên trong) ................................................................................6 Hình 1.3. Minh họa cấu trúc của cellulose ........................................................... 17 Hình 1.4. Biến đổi bề mặt của cellulose khi thủy phân bằng các tác nhân khác nhau ............................................................................................................................... 22 Hình 1.5. Các quá trình để sản xuất CNF bằng phương pháp cơ học .................. 24 Hình 1.6. Sản phẩm đóng gói nhẹ (lightweight packaging) có chứa nanocellulose để đựng sữa và đồ uống từ công ty Stora Enso (Phần Lan) [13] .......................... 27 Hình 1.7. Các sản phẩm sử dụng vật liệu nanocellulose composite ..................... 28 Hình 1.8. Ứng dụng nanocellulose trong các sản phẩm chăm sóc sức khỏe [8] ..29 Hình 1.9. a) Khẩu trang sản xuất từ nanocellulose thu nhận từ bã mía; b) Nước rửa tay MicroCelol của EMPRABA ...........................................................................29 Hình 1.10. Công thức cấu tạo của chitosan trên thực tế .......................................30 Hình 1.11. Công thức so sánh cấu tạo của chitin (1), chitosan (2), cellulose (3) .31 Hình 1.12. Quy trình từ nguyên liệu thô, chitin đến chitosan, nanochitosan [26] 32 Hình 1.13. Minh hoạ phương pháp tạo hạt ........................................................... 34 Hình 1.14. Công thức phức của chitin và chitosan với kim loại .......................... 38 Hình 2.1. Dụng cụ, thiết bị chính sử dụng chế tạo nanocellulose ........................ 48 Hình 2.2. Thiết bị FE-SEM, JEOL JSM-7600F microscope ................................ 50 Hình 2.3. Hệ thống thiết bị chế tạo giấy cốt sử dụng trong nghiên cứu ............... 54 Hình 2.4. Thiết bị gia keo bề mặt giấy sử dụng trong nghiên cứu ....................... 54 Hình 2.5. Thiết bị Nova NanoSEM FEI 450 ........................................................ 55 Hình 3.1. Ảnh SEM của nanocellulose thu được ở nhiệt độ xử lý 130ºC (A), 140ºC (B), 145ºC (C), 150ºC (D) và 160ºC (E) ............................................................... 58 Hình 3.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến hiệu suất của nanocellulose khi tiến hành thuỷ phân trong 120 phút, mức dùng H2SO4 và H2O2 lần lượt là 2% và 1,5% so với khối lượng bột .......................................................................................................59 vi Hình 3.3. Ảnh SEM độ phân giải 50.000× của nanocellulose với thời gian xử lý 90 phút (A) và 105 phút (B) ...................................................................................... 60 Hình 3.4. Ảnh SEM ở độ phân giải 50.000× của nanocellulose khi thủy phân bột giấy không bổ sung H2O2 (A) và bổ sung 1,5% H2O2 (B).................................... 61 Hình 3.5. Phổ FTIR của chitosan (1) và nanochitosan (2) thu được khi tiến hành phản ứng ở tỉ lệ chitosan/TPP 1/2, thời gian phản ứng: 2 giờ, axit axetic 2% .... 62 Hình 3.6. Ảnh SEM của nanochitosan với tỷ lệ CS/TPP 2/1(A), 1/2 (B), 1/3(C), 3/1(D) trong dung dịch axit axetic 1% ................................................................. 63 Hình 3.7. Ảnh SEM của nanochitosan tổng hợp được ở các tỷ lệ CS/TPP 2/1(A), 1/2 (B), 1/3(C), 3/1(D) trong dung dịch axit axetic 2% ....................................... 64 Hình 3.8. Ảnh SEM của nanochitosan tổng hợp được khi thuỷ phân với tỷ lệ CS/TPP 1/2 trong môi trường axit axetic 2%, thời gian khuấy lần lượt 1h (A), 2h (B), và 3h (C) ....................................................................................................... 65 Hình 3.9. Ảnh hưởng của hàm lượng nanocellulose hoặc nanochitosan trong dung dịch gia keo đến độ nhớt của dung dịch gia keo .................................................. 66 Hình 3.10. Ảnh hưởng của hàm lượng nanocellulose hoặc nanochitosan trong dung dịch gia keo đến độ chịu bục của giấy ................................................................. 67 Hình 3.11. Ảnh hưởng của hàm lượng nanocellulose hoặc nanochitosan trong dung dịch gia keo đến độ thấm hút nước Cobb của giấy .............................................. 68 Hình 3.12. Ảnh hưởng của hàm lượng nanocellulose hoặc nanochitosan trong dung dịch gia keo đến độ bền kéo của giấy .................................................................. 69 Hình 3.13. Ảnh SEM của giấy ở độ phóng đại 500×. A: Mẫu đối chứng; B: Mẫu chỉ gia keo tinh bột; C: 10%NC; D: 30%NC ....................................................... 70 Hình 3.14. SEM của giấy độ phóng đại 500×. A: Mẫu đối chứng; B: Mẫu chỉ gia keo tinh bột; C: 10%NCS; D: 30%NCS .............................................................. 71 Hình 3.15. Ảnh hưởng của tỉ lệ phối trộn AKD đến độ thấm hút nước Cobb của giấy gia keo bề mặt có tỉ lệ NC/OS = 30/70 ........................................................ 73 Hình 3.16. Ảnh hưởng của tỉ lệ phối trộn AKD đến độ bền kéo và độ chịu bục của giấy gia keo bề mặt có tỉ lệ NC/OS = 30/70 ........................................................ 73 Hình 3.17. Ảnh hưởng của tỉ lệ phối trộn AKD đến độ thấm hút nước Cobb của giấy gia keo bề mặt có tỉ lệ NCS/OS = 30/70 ...................................................... 74 Hình 3.18. Ảnh hưởng của tỉ lệ phối trộn AKD đến độ bền kéo và độ chịu bục của giấy gia keo bề mặt có tỉ lệ NCS/OS = 30/70 ...................................................... 75 vii Hình 3.19. Ảnh hưởng của tỉ lệ phối trộn AKD đến độ bền kéo và độ chịu bục của giấy gia keo bề mặt có tỉ lệ NC/NCS/OS = 30/20/50 ...........................................75 Hình 3.20. Ảnh hưởng của tỉ lệ phối trộn AKD đến độ thấm hút nước Cobb của giấy gia keo bề mặt có tỉ lệ NC/NCS/OS = 30/20/50 ...........................................76 Hình 3.21. Phổ FTIR của nanocellulose (trên) và giấy gia keo với dung dịch có chứa 30% nanocellulose (dưới) ............................................................................77 Hình 3.22. Phổ FTIR của nanochitosan (trên) và giấy gia keo bằng dung dịch chứa 30% nanochitosan (dưới) ...................................................................................... 78 Hình 3.23. Hình ảnh mẫu đo khả năng ức chế vi khuẩn Bacillus subtilis (A) và Escherichia coli (B) của mẫu giấy ........................................................................80 viii DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 7063:2002 về Giấy bao gói .................... 3 Bảng 1.2. Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 12723:2019 Giấy và các tông tiếp xúc với thực phẩm - Yêu cầu an toàn vệ sinh ................................................................... 11 Bảng 2.1. Các phương pháp tiêu chuẩn sử dụng trong chế tạo giấy, xác định tính chất của bột giấy nguyên liệu và giấy .................................................................. 55 ix ĐẶT VẤN ĐỀ Lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng vật liệu tái tạo, vật liệu xanh để sản xuất các sản phẩm giá trị cao, ngày càng thu hút sự quan tâm của nhiều học giả và giới công nghiệp bởi sự nhận thức ngày càng tăng của cộng đồng và các chính phủ về việc tìm kiếm những giải pháp thay thế cho các nguồn tài nguyên hóa thạch đang ngày càng cạn. Đây cũng là yêu cầu bắt buộc của việc phát triển bền vững, giảm thiểu ô nhiễm và các tác động tiêu cực đến môi trường. Trong bối cảnh đó, các polyme sinh học như cellulose, tinh bột, alginate, chitin, chitosan và gelatin đã được xác định là những ứng cử viên đầy hứa hẹn, với trữ lượng dồi dào từ nhiều nguồn khác nhau và phân bố trải rộng ở khắp nơi trên thế giới. Trong số các polyme tự nhiên, cellulose và chitosan là hai vật liệu phong phú nhất, với tiềm năng trữ lượng lớn, có thể biến đổi và chức năng hóa nhằm ứng dụng cho nhiều mục đích khác nhau trong công nghiệp. Rất nhiều các nghiên cứu về ứng dụng khác nhau của cellulose và chitosan ở cấp độ nano đã được thực hiện trong hai thập kỉ vừa qua. Nanocellulose và nanochitosan được đánh giá cao với nhiều lợi thế là loại vật liệu tự nhiên, phong phú, phân hủy sinh học, sản xuất không can thiệp vào chuỗi thức ăn và có nhiều đặc tính chức năng tốt như: tương thích sinh học, là vật liệu nhẹ với độ bền và mô đun cao, tỷ lệ hình dạng, diện tích bề mặt cao, có khả năng phản ứng hóa học, có thể biến tính, có tính ổn định kích thước, có tính chất rào cản và khả năng tạo màng. Với những ưu điểm đó, nanocellulose và nanochitosan trở thành những vật liệu rất phù hợp cho việc phát triển các công nghệ mới trong ngành công nghiệp bột giấy, giấy và bao bì. Đặc biệt là ứng dụng trong các loại lớp phủ bề mặt của giấy bao gói, bởi khả năng tạo màng, tính chất rào cản và độ bền cơ lý đặc biệt xuất sắc, thay thế các loại màng phủ làm từ vật liệu nilong không thể phân hủy sinh học. Hơn nữa, vật liệu nanochitosan còn có khả năng kháng khuẩn độc đáo, cung cấp một đặc tính chức năng quan trọng cho nhiều loại giấy bao bì đặc biệt như giấy bao gói thực phẩm, giấy bao gói dùng trong y tế. Sự kết hợp của hai loại vật liệu nano, biopolyme: nanocellulose và nanochitosan mở ra cơ hội để giải quyết hai vấn đề quan trọng về tính chống thấm và tính kháng khuẩn cho các loại giấy bao gói như giấy bao gói thực phẩm. Do đó tôi đã lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu chế tạo giấy bao gói kháng khuẩn từ bột giấy sunfat tẩy trắng” để sử dụng nanocellulose, nanochitosan chế tạo được trong thành phần gia keo bề mặt của giấy bao bì nhằm cải thiện tính chống thấm và khả năng kháng khuẩn của giấy. 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan về giấy bao gói 1.1.1. Các loại giấy bao bì, bao gói Theo phân loại của Statistisches Bundesamt (Cơ quan Thống kê Liên bang Đức) đưa ra, dựa trên cơ sở của Hệ thống hài hòa mô tả và mã hóa hàng hóa (HS CODE) của Tổ chức Hải quan thế giới, các loại giấy và giấy bìa có thể được chia thành bốn nhóm chính: giấy đồ họa (graphic papers), giấy bao bì và các loại bìa (packaging paper and board grades), giấy vệ sinh (hygienic papers), các loại giấy và bìa đặc biệt (specialty paper and board grades) [1]. Trong các loại giấy và bìa, giấy bao bì là nhóm chiếm tỉ lệ lớn nhất trong cơ cấu sản xuất và tiêu thụ. Theo số liệu thống kê của Hiệp hội Giấy và Bột giấy Việt Nam, năm 2021 tổng sản lượng giấy các loại của Việt Nam đạt 5,45 triệu tấn, tăng trưởng 8,0% so với năm 2020. Trong đó, giấy bao bì (testliner và medium) được sản xuất chủ yếu từ nguyên liệu giấy thu hồi, đạt sản lượng 4,728 triệu tấn, tăng 11% so với năm 2020 (Hình 1.1). Về thị trường, tổng tiêu dùng giấy toàn ngành năm 2021 ước đạt 5,71 triệu tấn (tăng trưởng 4,2%), trong đó giấy bao bì chiếm 79,6% đạt 4,545 triệu tấn, tăng trưởng 6,0% so với cùng kỳ năm 2020. Cả về sản xuất và tiêu thụ, giấy bao bì đều đang có mức tăng trường cao hơn so với mức tăng trưởng chung của toàn ngành [2]. Hình 1.1. Sản xuất giấy các loại của Việt Nam trong năm 2021 (Đơn vị: nghìn tấn) Nhiều cách phân loại khác nhau có thể được sử dụng cho giấy bao bì nói 2