Ứng dụng vật liệu nano cho sản xuất bao bì đã được phát triển trên thế giới và là xu hướng tất yếu. Việc sử dụng nanocellulose, đặc biệt làm lớp phủ giúp gia tăng một số tính chất như: độ bền kéo, bền uốn, độ mịn, khả năng chống thấu khí và thấm dầu cho giấy. Tương tự, việc sử dụng chitosan xử lý bề mặt giấy giúp tăng một số tính chất cơ lý, khả năng chống thấu khí và chống thấm nước cho giấy. Tuy nhiên chưa có nghiên cứu nào sử dụng nanochitosan cho sản xuất giấy, mà chỉ sử dụng chitosan dạng thương phẩm, kích thước lớn chứ không phải kích thước nano. Hơn nữa cũng chưa có nghiên cứu nào kết hợp ưu điểm của cả hai loại vật liệu nanocellulose và nanochitosan cho sản xuất giấy.

Với mục tiêu góp phần đa dạng hóa, nâng cao chất lượng sản phẩm giấy, chủ động và giảm thiểu việc nhập khẩu sản phẩm giấy tráng phủ chất lượng cao, việc nghiên cứu công nghệ chế tạo 02 dạng vật liệu nanopolyme sinh học là nanocellulose và nanochitosan và ứng dụng cho xử lý bề mặt giấy để cải thiện một số tính chất cho giấy dùng cho bao gói thực phẩm có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao. Hơn nữa, hiện nay sản xuất nanocellulose và nanochitosan trên thế giới vẫn còn rất hạn chế, vì vậy phát triển công nghệ sẽ tạo ra sản phẩm vật liệu mới có tiềm năng thị trường và ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực khác nhau. 

Xuất phát từ thực tế đó, Kỹ sư Đỗ Thị Thu Nguyệt cùng các cộng sự tại Viện Công nghiệp Giấy và Xenluylô đã đề xuất và được Bộ Công Thương phê duyệt thực hiện đề tài KHCN “Nghiên cứu ứng dụng nanocellulose và nanochitosan cho sản xuất giấy bao gói thực phẩm’’ nhằm mở ra triển vọng về sản xuất nanocellulose và nanochitosan thương phẩm từ nguồn nguyên liệu trong nước, để ứng dụng cho sản xuất giấy bao gói thực phẩm sử dụng một lần thay thế giấy tráng phủ PE/PP truyền thống và các lĩnh vực khác. 

Trong quá trình nghiên cứu, nhóm tác giả sử dụng bột giấy hóa học tẩy trắng từ gỗ cứng – Công ty cổ phần giấy An Hòa, Việt Nam làm nguyên liệu dùng cho nghiên cứu chế tạo nanocellulose. Đồng thời, sử dụng chitosan thương phẩm - Công ty TNHH MTV Chitosan Việt Nam để nghiên cứu chế tạo nanochitosan.

Để chế tạo nanocellulose, bột cellulose tẩy trắng được xử lý với dung dịch H2SO4 và H2O2 trong các nồi nấu bằng inox dung tích 1 lít, gia nhiệt trong bể glyxerin. Mỗi thực nghiệm được tiến hành với 35g bột cellulose khô tuyệt đối. Mức sử dụng hóa chất, nhiệt độ và thời gian xử lý được điều chỉnh tùy theo mục tiêu của từng thực nghiệm. Kết thúc quá trình xử lý, bột được lọc rửa, rồi xử lý (tẩy trắng) bằng hydropeoxit với mức sử dụng 0,5 % H2O2 và 0,5% NaOH so với khối lượng bột, với nồng độ bột 10% ở 80^oC trong 30 phút. Sau đó bột được rửa, vắt nước, rồi bổ sung nước cất tới thể tích 500ml và nghiền bằng máy nghiền phòng thí nghiệm trong 5 phút để thu gel nanocellulose. Gel nanocellulose được lắc đều, rồi lấy 10 mẫu, mỗi mẫu 2 ml và ly tâm trên máy ly tâm với tốc độ 10.000 vòng/phút, gạn nước, sấy và xác định khối lượng.

Đối với nanochitosan, nhóm tiến hành cân lượng chitosan (CS) xác định cho vào 200 ml CH3COOH (axit nồng độ 1 hoặc 2%) đựng sẵn trong cốc 500ml. Sau đó hỗn hợp được khuấy bằng máy khuấy từ trong 30 phút cho đến khi CS tan hết thì cho từ từ một thể tích xác định dung dịch Na₅P₃O₁₀ (tripolyphotphate) 7,5 g/l vào và tiếp tục khuấy từ cho đủ thời gian phản ứng (60 - 180 phút) rồi để lắng ở nhiệt độ phòng. Dung dịch sau khi phản ứng được ly tâm thu hạt nanochitosan. Rửa vật liệu nanochitosan thu được nhiều lần bằng nước cất. Mẫu được bảo quản trong lọ để ở nhiệt độ 50°C. Kích cỡ hạt nano được đánh giá thông qua ảnh SEM.

Việc ứng dụng nanocellulose và nanochitosan cho xử lý bề mặt giấy (quy mô phòng thí nghiệm) sẽ được thực hiện thông qua các bước: Bột giấy hóa học tẩy trắng từ gỗ mềm và gỗ cứng (hoặc giấy kraft) được đánh tơi trên thiết bị đánh tơi 5 lít trong 15 phút, sau đó nghiền trên máy nghiền tiêu chuẩn PFI đến độ nghiền phù hợp. Bột sau nghiền được phối trộn với nhau trong xô nhựa dung tích 5 lít theo các tỷ lệ nghiên cứu. Sau đó tinh bột cation, AKD được phối trộn vào huyền phù bột với các tỷ lệ xác định theo thứ tự: Bột giấy – tinh bột cation – AKD. Huyền phù bột sau đó được khuấy trộn đều và mang đi xeo mẫu giấy với định lượng 75g/m², ép, sấy ở nhiệt độ 93⁰C trên máy xeo Rapid – Kothen. Mẫu giấy sau khi sấy được bảo quản ở điều kiện tiêu chuẩn trước khi đem xác định tính chất cơ lý. Mẫu giấy sau khi xác lập được điều kiện công nghệ tối ưu (đạt yêu cầu về chất lượng sản phẩm: tính chất cơ lý) được chế tạo trên máy xeo Rapid – Kothen phục vụ làm giấy đế cho công đoạn nghiên cứu gia keo bề mặt.

Sau cùng, để tạo ra quy trình công nghệ chế tạo giấy có xử lý bề mặt bằng nanocellulose và nanochitosan, nguyên liệu bột giấy được đánh tơi và nghiền đến độ nghiền phù hợp. Bột giấy sau nghiền được phối trộn hóa chất phụ gia và xeo giấy để tạo thành tờ giấy đế. Giấy đế được xử lý bề mặt bằng dung dịch gia keo gồm: tinh bột, nanocellulose và nanochitosan được phối trộn với tỷ lệ thích hợp, sau đó giấy được sấy khô để thu được giấy thành phẩm. Quy trình được xây dựng dựa trên lý thuyết và công nghệ sản xuất giấy bao gói thực phẩm trên thế giới và trong nước, các nghiên cứu lựa chọn nguyên liệu và chế độ công nghệ sản xuất, gia keo bề mặt để chống thấm, phù hợp đối với dòng sản phẩm giấy bao gói thực phẩm.

Sau hơn 3 năm thực hiện (từ tháng 01/2020 đến tháng 3/2023), đề tài đã xây dựng được quy trình công nghệ chế tạo nanocellulose từ nguồn nguyên liệu trong nước (là bột giấy sunfat tẩy trắng sản xuất tại Việt Nam), và chế tạo được 157,8 kg nanocellulose, hiệu suất trung bình từ 61 – 65% (> 40%), có đặc tính vượt trội về kích thước xơ sợi (<200 nm, chủ yếu là xơ sợi đường kính 20-50 nm), chất lượng sản phẩm đồng đều qua các mẻ sản xuất cho thấy tính ổn định cao của quy trình công nghệ đã xác lập, phù hợp để ứng dụng cho xử lý bề mặt giấy.

Đồng thời, xây dựng được quy trình công nghệ chế nanochitosan từ chitosan thương phẩm sản xuất tại Việt Nam, và chế thử được 72,5 kg nanochitosan, hiệu suất trung bình đạt 1,15 lần so với nguyên liệu chitosan ban đầu (> 50%), đường kính hạt <200 nm, chất lượng sản phẩm đồng đều qua các mẻ sản xuất cho thấy tính ổn định cao của quy trình công nghệ đã xác lập, có đặc tính tương đương với các sản phẩm tương tự trong và ngoài nước, phù hợp để ứng dụng cho xử lý bề mặt giấy.

Đề tài cũng đã thiết kế được mô hình thiết bị chế tạo nanocellullose và nanochitosan quy mô 10 kg sản phẩm/mẻ, làm cơ sở chuyển đổi quy mô sản xuất sản phẩm và phát triển công nghệ thuộc lĩnh vực liên quan; Cũng như đã ứng dụng thành công nanocellulose và nanochitosan trong xử lý bề mặt giấy, để sản xuất 10.215 kg giấy bao gói từ bột giấy sunfat gỗ cứng tẩy trắng, có sử dụng dịch gia keo bề mặt từ hỗn hợp tinh bột oxi hóa, nanocellulose và nanochitosan, có các chỉ tiêu chất lượng như sau: Định lượng giấy: 84,02 g/m2; Chỉ số bền kéo: 60,5 Nm/g (theo chiều dọc); Chỉ số độ chịu bục: 3,81 kPa.m²/g; Chỉ số độ bền xé: 13,04 mN.m²/g (theo chiều dọc); Chỉ số độ bền nén vòng: 3,4 N.m/g (theo chiều ngang); Độ chống thấm dầu mỡ: KIT 8; Độ hút nước Cobb₆₀: 18.65 g/m² và đáp ứng yêu cầu an toàn vệ sinh thực phẩm cho sử dụng làm giấy bao gói thực phẩm. Giấy bao gói là chủng loại mới, sử dụng dịch gia keo đặc biệt từ vật liệu nano, có tính chống thấm tốt, kháng khuẩn, có thể thay thế giấy có tính năng sử dụng tương đương được tráng phủ bề mặt bằng màng PE/PP;

Đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật và môi trường của quy trình sản xuất giấy gia keo bề mặt có sử dụng dịch gia keo là hỗn hợp tinh bột oxi hóa và vật liệu nano (nanocellulose và nanochitosan) cho thấy, quy trình công nghệ ổn định, khả thi chuyển đổi quy mô, sản phẩm toàn bộ chấp nhận được, sử dụng nguyên vật liệu mới, vận hành quá trình không phức tạp, không phát sinh khí thải và chất thải rắn so với quy trình sản xuất giấy bao gói thông thường.

Về hiệu quả kinh tế, xã hội của các kết quả nghiên cứu đến lĩnh vực công nghiệp giấy và bao bì thực phẩm nhận thấy, đề tài đã tận dụng nguồn nguyên liệu trong nước và nguồn phế phụ phẩm tiềm năng của ngành công nghiệp chế biến thủy sản, nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn tài nguyên thiên nhiên, chủ động được nguồn nguyên liệu, tạo ra sản phẩm giá trị gia tăng thiết yếu, tăng cường tái chế, góp phần phát triển lĩnh vực công nghiệp chế biến, hiện đại hóa và nâng cao tính cạnh của ngành công nghiệp giấy Việt Nam. Các kết quả nghiên cứu là cơ sở phát triển công nghệ sản xuất vật liệu nano từ sinh khối, hướng tới nền kinh tế tuần hoàn, giảm thiểu ô nhiễm môi trường của lĩnh vực tiêu dùng bao bì.

Các kết quả của đề tài có thể tiếp tục được ứng dụng cho phát triển lĩnh vực công nghệ vật liệu, công nghiệp bao bì dùng cho thực phẩm/dược phẩm, tạo ra các sản phẩm có giá trị đáp ứng nhu cầu xã hội.