Nghiên cứu chế tạo hydrogel dựa trên tinh bột ngô định hướng ứng dụng làm vật liệu mang phân bón nhả chậm

Khóa luận chế tạo hydrogel từ tinh bột ngô làm vật liệu mang phân bón nhả chậm tại HCMUTE

• Tác giả: Lê Thị Minh Duyên
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Chí Thanh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ vật liệu
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo hydrogel dựa trên tinh bột ngô định hướng ứng dụng làm vật liệu mang phân bón nhả chậm
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về chế tạo hydrogel từ tinh bột ngô nhả chậm phân bón

Công nghệ nông nghiệp hiện đại hướng tới các giải pháp phát triển bền vững và thân thiện môi trường. Đề tài chế tạo hydrogel từ tinh bột ngô nhả chậm phân bón tại HCMUTE xuất phát từ nhu cầu thực tiễn đó. Nghiên cứu do sinh viên ngành Công nghệ Vật liệu thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh thực hiện. Tinh bột ngô là nguồn nguyên liệu tự nhiên dồi dào, giá thành thấp và an toàn sinh học. Nhóm nghiên cứu biến tính tinh bột ngô bằng cách ghép nối với axit itaconic. Quá trình này tạo thành một mạng lưới polyme liên kết ngang bền vững. Hydrogel sở hữu cấu trúc xốp đặc trưng. Cấu trúc này cho phép vật liệu trương nở và ngậm giữ lượng nước gấp nhiều lần khối lượng ban đầu. Đồng thời, các nhóm chức hóa học trên mạch polyme đóng vai trò giữ các hạt dinh dưỡng phân bón. Khi đưa vào đất, hydrogel nhả dưỡng chất theo cơ chế khuếch tán chậm. Nhờ vậy, rễ cây hấp thụ dinh dưỡng ổn định trong thời gian dài. Đề tài mở ra tiềm năng lớn trong việc phát triển vật liệu phục vụ nông nghiệp thông minh tại Việt Nam.

1.1. Khái niệm và đặc điểm cơ bản của hydrogel tinh bột

Hydrogel là hệ thống polyme ba chiều có cấu trúc xốp đặc biệt. Hệ thống này có khả năng hút nước mạnh mà không bị hòa tan. Tinh bột ngô tự nhiên chứa hai thành phần polysaccharide chính là amylose và amylopectin. Hai hợp chất mang hàm lượng nhóm hydroxyl phong phú. Nhờ đó, tinh bột ngô dễ dàng tham gia phản ứng ghép nhánh polyme. Khi kết hợp với monome phù hợp, vật liệu tạo mạng lưới không gian bền chắc. Hydrogel từ tinh bột sở hữu đặc tính tự phân hủy sinh học trong đất. Sản phẩm hoàn toàn không để lại tồn dư độc hại sau chu kỳ canh tác. Cấu trúc xốp giúp vật liệu trữ nước và nhả dinh dưỡng tối ưu.

1.2. Bối cảnh nghiên cứu vật liệu tại trường HCMUTE

Khoa Khoa học Ứng dụng tại HCMUTE luôn đẩy mạnh nghiên cứu vật liệu mới. Bộ môn Công nghệ Vật liệu tập trung khai thác nguồn phụ phẩm tự nhiên. Đề tài khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Lê Thị Minh Duyên là minh chứng rõ nét. Nghiên cứu được hướng dẫn trực tiếp bởi Tiến sĩ Nguyễn Chí Thanh. Mục tiêu trọng tâm là chế tạo hydrogel nhả chậm phân bón từ tinh bột ngô. Hướng tiếp cận này giải quyết bài toán lãng phí hóa chất trong nông nghiệp. Nhóm tập trung tối ưu hóa các thông số phản ứng trong phòng thí nghiệm. Quá trình khảo sát đánh giá độ trương nở và mật độ liên kết ngang kỹ lưỡng. Kết quả tạo tiền đề phát triển sản phẩm công nghệ xanh có tính ứng dụng thực tiễn rất cao.

II. Phân tích chế tạo hydrogel từ tinh bột ngô nhả chậm phân bón

Canh tác nông nghiệp truyền thống đang đối mặt với nhiều thách thức nghiêm trọng. Người nông dân thường bón lượng lớn phân hóa học như urê hay kali nitrat. Tuy nhiên, cây trồng chỉ hấp thụ được khoảng 30% đến 50% lượng dưỡng chất đó. Phần phân bón dư thừa bị nước mưa rửa trôi vào kênh rạch hoặc ngấm sâu xuống mạch nước ngầm. Hiện tượng này gây ra hiện tượng phú dưỡng và ô nhiễm môi trường đất nghiêm trọng. Phân bón bay hơi cũng làm tăng nồng độ khí nhà kính trong khí quyển. Việc thất thoát dinh dưỡng gây lãng phí kinh tế lớn cho nhà nông. Tinh bột ngô nguyên bản có khả năng giữ nước hạn chế do độ bền cơ lý thấp. Tinh bột tự nhiên dễ tan rã nhanh trong môi trường ẩm ướt và thiếu độ bền cơ học cần thiết. Do đó, việc biến tính tinh bột để tạo mạng hydrogel giữ phân bón là yêu cầu cấp thiết. Mạng lưới hydrogel cần cân bằng giữa khả năng trương nở và độ bền cơ lý. Nếu mật độ liên kết ngang quá thấp, vật liệu sẽ bị nhão nát. Ngược lại, mật độ quá dày đặc sẽ cản trở quá trình hấp phụ phân bón.

2.1. Vấn đề thất thoát dưỡng chất trong phân bón vô cơ

Phân bón vô cơ đóng vai trò cốt lõi trong gia tăng sản lượng nông nghiệp. Tuy vậy, các loại phân phổ biến như urê chứa hàm lượng nitơ cao nhưng rất dễ hòa tan. Khi gặp nước tưới hoặc mưa lớn, hạt phân tan nhanh chóng. Bộ rễ thực vật không kịp hấp thụ lượng dưỡng chất dư thừa này. Hệ quả là một phần lớn phân bón bị trôi dạt vào nguồn nước tự nhiên. Nguồn nitrat và phosphat dư thừa gây phú dưỡng hóa sông hồ. Điều này làm suy giảm chất lượng nước sinh hoạt và hủy hoại hệ sinh thái thủy sinh. Đất canh tác cũng dần bị chai cứng, bạc màu và suy giảm độ phì nhiêu.

2.2. Thách thức cơ tính khi sử dụng tinh bột ngô tự nhiên

Tinh bột ngô nguyên chất sở hữu độ bền cơ học rất kém khi tiếp xúc với nước. Chuỗi polyme tự nhiên dễ bị phá vỡ cấu trúc tinh thể trong môi trường nhiệt ẩm. Khi hút nước, tinh bột dễ trương nở quá mức dẫn đến hiện tượng nhão nát. Khả năng tái sử dụng của vật liệu gần như không có. Để ứng dụng làm chất mang phân bón, vật liệu cần có khung liên kết ngang bền vững. Liên kết ngang giúp kiểm soát độ giãn nở và duy trì hình thái gel ổn định. Nếu thiếu sự tham gia của các monome chức năng, hydrogel không thể chịu được áp lực từ môi trường đất. Nghiên cứu biến tính là bước đi bắt buộc để cải thiện độ bền cơ tính.

III. Giải pháp chế tạo hydrogel từ tinh bột ngô nhả chậm phân bón

Nhóm nghiên cứu tại HCMUTE đề xuất giải pháp tổng hợp hydrogel thông qua phản ứng đồng trùng hợp ghép nhánh. Tinh bột ngô được kết hợp với axit itaconic dưới sự xúc tác của kali permanganat (KMnO4). Axit itaconic là monome hữu cơ không bão hòa sở hữu hai nhóm axit carboxylic. Hợp chất này có nguồn gốc sinh học và dễ dàng phân hủy trong môi trường tự nhiên. Kali permanganat đóng vai trò chất oxy hóa mạnh kích hoạt các tâm hoạt tính trên mạch tinh bột. Quá trình bắt đầu bằng bước hồ hóa 5 gam bột ngô trong nước cất tại nhiệt độ 80 độ C. Sau khi hạ nhiệt độ xuống 60 độ C, chất oxy hóa và dung dịch axit itaconic lần lượt được bổ sung. Khảo sát tiến hành trên ba mức nồng độ axit itaconic gồm 5%, 7% và 9%. Thời gian phản ứng khuấy trộn biến thiên ở các mốc 2 giờ, 4 giờ và 6 giờ. Hỗn hợp polyme được tạo tủa hoàn toàn bằng cồn ethanol 96 độ. Sản phẩm hydrogel thu được có mạng lưới polymer dày đặc và độ trương nở thích hợp để mang phân bón.

3.1. Quy trình tổng hợp hydrogel với axit itaconic và KMnO4

Quy trình chế tạo hydrogel diễn ra qua các bước nghiêm ngặt trong hệ thống hoàn lưu. Đầu tiên, hỗn hợp 5 gam tinh bột ngô và 50 mililit nước cất được gia nhiệt ở 80 độ C trong 15 phút. Khi tinh bột đã hồ hóa, nhiệt độ được hạ xuống mức 60 độ C. Kế tiếp, 0,31925 gam kali permanganat được thêm vào khuấy đều trong 10 phút. Tác nhân này kích thích tạo gốc tự do trên mạch polyme. Sau đó, dung dịch axit itaconic được hòa tan sẵn và rót từ từ vào bình ba cổ. Thể tích hệ phản ứng nâng lên 250 mililit và khuấy liên tục trong 4 giờ. Cuối cùng, ethanol được thêm vào để làm kết tủa sản phẩm hydrogel hoàn chỉnh.

3.2. Ảnh hưởng của nồng độ axit và thời gian phản ứng

Nồng độ axit itaconic và thời gian phản ứng quyết định trực tiếp mật độ liên kết ngang. Khảo sát chỉ ra tỷ lệ axit itaconic tăng từ 5% lên 9% làm tăng số nhóm carboxyl. Nhờ đó, mạng lưới không gian trở nên dày đặc và có độ bền nén cao hơn. Tuy nhiên, mật độ liên kết quá cao lại làm giảm độ trương nở tự do của gel. Về mặt thời gian, mốc phản ứng 4 giờ cho kết quả cân bằng lý tưởng nhất. Mẫu SgAI-4h đạt độ bền cơ lý tốt và giữ được dung lượng hấp phụ nước cao. Nếu phản ứng chỉ kéo dài 2 giờ, mạng lưới polyme chưa hình thành hoàn chỉnh. Kéo dài phản ứng lên 6 giờ khiến gel quá đặc quánh và giòn.

IV. Kết luận về chế tạo hydrogel từ tinh bột ngô nhả chậm phân bón

Nghiên cứu chế tạo hydrogel từ tinh bột ngô tại HCMUTE mang lại đóng góp thiết thực cho công nghệ vật liệu sinh học. Sản phẩm hydrogel biến tính kết hợp khả năng trữ nước vượt trội và cơ chế nhả chậm hoạt chất thông minh. Các thử nghiệm hấp phụ urê và kali nitrat cho thấy hiệu suất lưu trữ dinh dưỡng rất khả quan. Khi tiếp xúc với nước tưới, màng hydrogel trương nở ổn định mà không bị tan rã cấu trúc. Phân bón được phóng thích từ từ vào đất qua mạng mao quản xốp. Cơ chế này đáp ứng đúng nhu cầu hấp thụ sinh trưởng của cây trồng theo từng giai đoạn. Hiện tượng rửa trôi phân bón do mưa lớn giảm thiểu rõ rệt. Nhờ đó, người nông dân tiết kiệm đáng kể chi phí mua phân bón hàng vụ. Nguồn nước ngầm và đất canh tác được bảo vệ an toàn khỏi nguy cơ ô nhiễm hóa chất. Vật liệu sau khi hoàn thành nhiệm vụ sẽ tự phân hủy sinh học thành mùn hữu cơ. Công trình này mở ra triển vọng to lớn trong việc sản xuất phân bón thông minh quy mô công nghiệp.

4.1. Khả năng giải phóng dinh dưỡng chậm trong đất trồng

Cơ chế nhả chậm của hydrogel tinh bột hoạt động dựa trên sự chênh lệch nồng độ và áp suất thẩm thấu. Khi đất khô hạn, màng polymer co lại để giữ chặt dưỡng chất. Khi đất được cấp nước tưới, cấu trúc xốp trương nở và đẩy khoáng chất ra ngoài chậm rãi. Tốc độ giải phóng phân urê và kali nitrat kéo dài suốt nhiều tuần liên tục. Thực nghiệm chứng minh lượng phân thất thoát giảm hơn 40% so với phương pháp bón hạt truyền thống. Cây trồng luôn được cung ứng dinh dưỡng đều đặn trong suốt các chu kỳ sinh trưởng. Nhờ đó, rễ cây tránh được hiện tượng sốc phân bón hoặc cháy lá do nồng độ muối khoáng quá cao.

4.2. Tiềm năng ứng dụng trong nông nghiệp thông minh

Hydrogel từ tinh bột ngô đóng vai trò chiến lược đối với nông nghiệp công nghệ cao. Vật liệu vừa cấp ẩm ổn định vừa giải phóng phân bón hiệu quả cho cây trồng. Đặc tính này đặc biệt hữu ích tại các vùng đất khô hạn, đất cát hoặc cao nguyên cằn cỗi. Nông dân có thể giảm thiểu tần suất tưới tiêu và tiết kiệm nguồn nước tưới quý giá. Sản phẩm có khả năng tự phân hủy hoàn toàn thành mùn đất màu mỡ sau khi hết niên hạn sử dụng. Đây là giải pháp thay thế hoàn hảo cho các loại polyme gốc dầu mỏ khó phân hủy. Thành công của đề tài tại HCMUTE đặt nền móng quan trọng cho việc sản xuất vật liệu sinh học nông nghiệp bền vững.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự gia tăng nhanh chóng của dân số toàn cầu đặt ra áp lực lớn đối với an ninh lương thực, trong khi diện tích đất canh tác và nguồn tài nguyên nước ngày càng suy giảm. Để đảm bảo năng suất cây trồng, việc cung ứng nước tưới và phân bón khoáng là điều kiện bắt buộc. Trong số các chất dinh dưỡng, nitơ đóng vai trò thiết yếu cho sự sinh trưởng thực vật, với phân urê (chứa 46% nitơ) là loại phân đạm được sử dụng phổ biến nhất. Tuy nhiên, hiệu quả sử dụng phân bón hiện nay còn rất thấp; lượng phân bón thất thoát ra môi trường chiếm khoảng 30% đến 70%. Hiện tượng này bắt nguồn từ tính chất hòa tan cực nhanh của phân bón hóa học trong nước kết hợp với cấu trúc xốp của đất, khiến nước và chất dinh dưỡng nhanh chóng rửa trôi hoặc thấm sâu xuống tầng nước ngầm, nằm ngoài tầm hấp thụ của bộ rễ cây trồng. Hậu quả là cây trồng bị thiếu hụt dinh dưỡng, gia tăng chi phí sản xuất nông nghiệp và gây ô nhiễm môi trường đất, nước.

Nhằm giải quyết bất cập này, việc nghiên cứu các hệ vật liệu mang có khả năng giữ nước và kiểm soát quá trình nhả chậm phân bón là một định hướng cấp thiết. Hydrogel truyền thống thường được tổng hợp từ các monome hóa dầu như axit acrylic hoặc acrylamide. Mặc dù sở hữu khả năng giữ nước tốt, các hệ polyme này có giá thành cao và khả năng phân hủy sinh học kém, tiềm ẩn nguy cơ tích lũy độc chất trong đất. Do đó, xu hướng hiện nay tập trung phát triển hydrogel phân hủy sinh học từ nguồn polyme tự nhiên như tinh bột, cellulose, chitosan, gelatin hay rơm rạ. Tinh bột ngô là một polysacarit tự nhiên dồi dào, giá thành rẻ, nhưng lại có nhược điểm là độ bền cơ học kém, độ ổn định nhiệt thấp và dễ tan trong nước sau khi hồ hóa. Việc đồng trùng hợp ghép tinh bột ngô với axit itaconic – một axit dicarboxylic hữu cơ không bão hòa có nguồn gốc sinh học – cho phép chuyển hóa các nhóm hydroxyl của tinh bột thành các nhóm carbonyl và carboxyl, hình thành mạng lưới liên kết ngang ba chiều bền vững, cải thiện cơ tính, độ bền nhiệt và kiểm soát khả năng trương nở.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định gồm ba nội dung:

1. Chế tạo thành công vật liệu hydrogel dựa trên tinh bột ngô và axit itaconic.
2. Đánh giá sự ảnh hưởng của nồng độ axit itaconic và thời gian phản ứng lên các đặc tính hóa lý của vật liệu hydrogel thu được.
3. Đánh giá khả năng ứng dụng của hydrogel chế tạo được làm vật liệu mang phân bón nhả chậm ứng dụng trong nông nghiệp thông minh.

Nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể bao gồm:

1. Nghiên cứu quy trình chế tạo hydrogel dựa trên tinh bột ngô và axit itaconic với xúc tác oxy hóa kali permanganat (KMnO4).
2. Nghiên cứu đặc tính hóa lý của tinh bột ngô ban đầu và hydrogel sản phẩm thông qua các phép phân tích hiện đại.
3. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ axit itaconic ban đầu (5%, 7%, 9%) và thời gian phản ứng (2 giờ, 4 giờ, 6 giờ) đến đặc tính hóa lý của hydrogel.
4. Khảo sát khả năng trương nở trong các môi trường và khả năng hấp phụ các loại phân bón vô cơ (urê, kali nitrat, amoni sunfat).

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Tinh bột ngô thương mại, axit itaconic, các tác chất liên quan (KMnO4, ethanol, dung dịch Lugol) và các loại phân bón hóa học (Urê, Amoni sunfat, Kali nitrat).
• Phạm vi không gian: Nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành tại Phòng thí nghiệm Bộ môn Công nghệ Vật liệu, Khoa Khoa học Ứng dụng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
• Phạm vi thời gian: Khóa luận được hoàn thành và bảo vệ vào tháng 9 năm 2023.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng trên nền tảng lý thuyết về hóa học polyme tự nhiên, hóa học các hợp chất cao phân tử và vật liệu hydrogel:

• Cấu trúc và tính chất tinh bột ngô: Tinh bột ngô là polyme bán tinh thể gồm hai cấu phần chính: amylose (20–30%, chuỗi mạch thẳng liên kết α-1,4-glucosid, khối lượng phân tử 10⁵–10⁶ Da) và amylopectin (70–80%, chuỗi phân nhánh cao với liên kết α-1,4 và α-1,6-glucosid, khối lượng phân tử 10⁷–10⁹ Da). Tinh bột tự nhiên thuộc tinh thể loại A, có nhiệt độ hồ hóa dao động trong khoảng 60°C đến 80°C.
• Cơ chế phản ứng biến tính và khâu mạng: Quá trình tổng hợp dựa trên phản ứng ghép este hóa/dieste hóa giữa tinh bột ngô và axit itaconic (C5H6O4, phân tử khối 130,099 g/mol, nhiệt độ nóng chảy 162–164°C). Chất oxy hóa mạnh KMnO4 (158,0339 g/mol) đóng vai trò chất xúc tác/khơi mào, thúc đẩy quá trình oxy hóa các nhóm hydroxyl (-OH) của mạch tinh bột thành nhóm carbonyl (-C=O) và carboxyl (-COOH), từ đó phản ứng với các nhóm chức của axit itaconic tạo mạng liên kết ngang ba chiều.
• Lý thuyết hydrogel: Mạng lưới polyme ưa nước có khả năng hấp thụ và giữ lượng nước lớn mà không bị hòa tan nhờ các liên kết ngang hóa học (liên kết cộng hóa trị dieste) hoặc liên kết vật lý (liên kết hydro, tương tác ion). Động lực trương nở được chi phối bởi cân bằng giữa áp suất thẩm thấu và lực đàn hồi của mạng lưới polyme.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và phân tích đặc trưng vật liệu:

• Phương pháp tổng hợp: Đồng trùng hợp ghép trong pha dung dịch kết hợp hệ thống hồi lưu nhiệt.
• Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR): Nhận danh các nhóm chức hóa học đặc trưng, xác định sự hình thành liên kết este và sự biến đổi nhóm -OH của tinh bột sau phản ứng.
• Nhiễu xạ tia X (XRD): Đánh giá sự suy giảm hoặc chuyển dịch độ kết tinh tương đối (Fc) của hydrogel so với tinh bột ngô ban đầu.
• Kính hiển vi điện tử quét (SEM): Quan sát hình thái học bề mặt, cấu trúc lỗ xốp và mạng lưới không gian ba chiều của vật liệu.
• Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA/DTG): Xác định độ bền nhiệt, các giai đoạn phân hủy nhiệt và khối lượng tro còn lại của mẫu vật liệu.
• Phương pháp ngâm chiết xác định tỷ lệ phần gel (Fg): Loại bỏ các cấu phần chưa phản ứng hoặc polyme mạch thẳng hòa tan bằng dung môi nước/ethanol.
• Phương pháp đo độ trương nở trọng lượng: Đánh giá khả năng hấp thụ nước cất và các dung dịch muối ở trạng thái cân bằng (H∞).
• Phương pháp hấp phụ phân bón: Đo khả năng giữ các hợp chất dinh dưỡng khoáng (Urê, Amoni sunfat, Kali nitrat) trong cấu trúc gel.

Dữ liệu thực nghiệm được thu thập trực tiếp thông qua hệ thống thiết bị chuẩn hóa: máy khuấy từ gia nhiệt IKA C-MAG HS7, cân phân tích OHAUS Scout SPX 223 (độ chính xác 0,001 g), hệ thống hoàn lưu sinh hàn và tủ sấy.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: TỔNG QUAN

Chương này hệ thống hóa các tài liệu khoa học liên quan đến đề tài:

• Cơ sở lý thuyết về tinh bột ngô: Trình bày chi tiết thành phần hóa học, cấu tạo phân tử của amylose và amylopectin, các dạng kết tinh (loại A, B, C, V), cơ chế hồ hóa, hiện tượng thoái hóa tinh bột, đặc tính lưu biến, độ nhớt và tính chất tạo gel. Phân tích các hướng ứng dụng của tinh bột tự nhiên, tinh bột thủy phân và tinh bột biến tính trong công nghiệp thực phẩm và màng phủ nông nghiệp.
• Đặc tính các hóa chất tham gia: Nêu rõ cấu trúc, tính chất lý hóa của axit itaconic (C5H6O4) - monome dicarboxylic có nguồn gốc lên men sinh học; vai trò oxy hóa của KMnO4 trong việc tạo gốc tự do và hoạt hóa nhóm hydroxyl trên mạch polysaccharide.
• Phân bón hóa học: Khái quát đặc tính của urê (CO(NH2)2), amoni sunfat ((NH4)2SO4) và kali nitrat (KNO3), nhấn mạnh hiện tượng thất thoát dinh dưỡng do tính tan cao trong canh tác truyền thống.
• Tổng quan về hydrogel: Lịch sử phát triển vật liệu qua ba thế hệ; phân loại hydrogel theo nguồn gốc (tự nhiên, tổng hợp, lai), theo thành phần (đồng nhất, copolyme, IPN), theo điện tích (trung tính, ion, lưỡng phân), theo kích thước lỗ xốp và theo bản chất liên kết mạng; các phương pháp tổng hợp (trùng hợp khối, trùng hợp dung dịch, trùng hợp huyền phù nghịch đảo, trùng hợp bức xạ); đặc tính cơ học, tính tương thích sinh học và các ứng dụng trong y sinh, môi trường và nông nghiệp.
• Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước: Tổng kết các công trình chế tạo hydrogel nhả chậm phân bón từ polyme tự nhiên như nghiên cứu của Azam Rashidzadeh (2014) về nanocompozit alginate/clinoptilolite; Yongsheng Niu và Hongchun Li (2012) về tinh bột ghép poly(vinyl axetat); Xiao Zhang (2020) về hydrogel từ mùn cưa; Yanmin Shen về hydrogel alginate/halloysite chứa urê; Ihsane Kassem về composite all-cellulose cho phân MAP; Xueqian Liu (2021) về hydrogel từ dịch đen công nghiệp giấy. Tác giả chỉ ra rằng tại Việt Nam, các nghiên cứu sử dụng tinh bột ngô kết hợp axit itaconic làm giá mang phân bón nhả chậm còn rất hạn chế.

Chương 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Chương 2 mô tả chi tiết danh mục hóa chất, thông số thiết bị, quy trình chế tạo và các phương pháp kiểm tra:

Tên nguyên liệu / Hóa chất	Công thức / Thông số	Nguồn gốc	Vai trò trong nghiên cứu
Tinh bột ngô	Dạng bột trắng	Việt Nam	Polyme nền sinh học
Axit itaconic (AI)	C5H6O4; M = 130,099 g/mol; d = 1,63 g/cm³	Trung Quốc	Monome ghép tạo liên kết ngang
Kali permanganat	KMnO4; M = 158,0339 g/mol; d = 2,703 g/cm³	Trung Quốc	Chất xúc tác oxy hóa nhóm -OH
Nước cất	Tinh khiết	PTN ĐH SPKT TP.HCM	Dung môi phản ứng
Ethanol	C2H5OH	PTN ĐH SPKT TP.HCM	Dung môi kết tủa và rửa
Dung dịch Lugol	I3K	Việt Nam	Thuốc thử kiểm tra tinh bột dư
Urê	(NH2)2CO; 46% N	Trung Quốc	Phân bón khảo sát hấp phụ
Amoni sunfat	(NH4)2SO4; 21% N, 24% S	Trung Quốc	Phân bón khảo sát hấp phụ
Kali nitrat	KNO3	Trung Quốc	Phân bón khảo sát hấp phụ

Quy trình chế tạo hydrogel gồm 6 bước thực nghiệm:

• Bước 1: Lắp ráp hệ thống bình cầu ba cổ dung tích 500 ml kết nối ống sinh hàn hoàn lưu và máy khuấy từ gia nhiệt IKA C-MAG HS7.
• Bước 2: Cân chính xác 5 g tinh bột ngô phân tán vào 50 ml nước cất trong bình ba cổ; gia nhiệt hỗn hợp lên 80°C và khuấy liên tục trong 15 phút để hoàn tất quá trình hồ hóa làm giãn mạch polyme.
• Bước 3: Thêm 10 ml nước cất vào hệ phản ứng, hạ nhiệt độ hỗn hợp hồ hóa xuống 60°C.
• Bước 4: Cho 0,31925 g KMnO4 vào bình, duy trì khuấy đều ở 60°C trong 10 phút để oxy hóa có kiểm soát các nhóm hydroxyl thành carbonyl và carboxyl.
• Bước 5: Hòa tan lượng axit itaconic xác định vào 90 ml nước cất, châm vào bình phản ứng, bổ sung nước cất để nâng tổng thể tích lên 250 ml. Tiến hành phản ứng đồng trùng hợp ghép và dieste hóa ở 60°C với tốc độ khuấy mạnh.
• Bước 6: Rót hỗn hợp phản ứng vào 250 ml ethanol để làm kết tủa hoàn toàn hydrogel. Lọc thu sản phẩm, rửa nhiều lần bằng hỗn hợp dung môi nước/ethanol (tỷ lệ thể tích 50/50) nhằm loại bỏ axit itaconic tự do và homopolyme. Kiểm tra dịch rửa bằng thuốc thử Lugol; quá trình rửa kết thúc khi thuốc thử không còn đổi màu xanh đen. Sấy khô sản phẩm ở nhiệt độ thích hợp.

Hệ thống mẫu thí nghiệm được thiết kế theo hai chuỗi biến số:

• Chuỗi khảo sát nồng độ axit itaconic (thời gian phản ứng cố định 4 giờ): SgAI-5% (5%), SgAI-7% (7%), SgAI-9% (9%).
• Chuỗi khảo sát thời gian phản ứng (nồng độ axit itaconic cố định 7%): SgAI-2h (2 giờ), SgAI-4h (4 giờ), SgAI-6h (6 giờ).

Chương 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Chương này trình bày và biện luận toàn bộ các dữ liệu thực nghiệm thu được:

• Tỷ lệ phần gel (Fg) và độ kết tinh tương đối (Fc): Việc gia tăng nồng độ axit itaconic từ 5% lên 7% làm tăng mật độ khâu mạng, dẫn đến tỷ lệ phần gel Fg tăng; tuy nhiên khi nồng độ đạt 9%, Fg có xu hướng chững lại hoặc biến đổi do sự cản trở không gian và phản ứng phụ tự trùng hợp của axit itaconic. Đồng thời, độ kết tinh tương đối Fc của các mẫu hydrogel giảm đáng kể so với tinh bột ngô tự nhiên, minh chứng cấu trúc mạng tinh thể ban đầu của tinh bột đã bị phá vỡ trong quá trình hồ hóa và thay thế bằng mạng lưới liên kết ngang vô định hình.
• Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD): Giản đồ XRD của tinh bột ngô tự nhiên xuất hiện các đỉnh nhiễu xạ sắc nhọn đặc trưng cho tinh thể loại A. Ở các mẫu hydrogel tổng hợp theo thời gian (SgAI-2h, SgAI-4h, SgAI-6h) và nồng độ axit (SgAI-5%, SgAI-7%, SgAI-9%), các đỉnh kết tinh này suy giảm mạnh về cường độ hoặc chuyển thành dạng pic tù (halo) rộng, khẳng định phản ứng ghép đã làm vô định hình hóa cấu trúc tinh bột.
• Phân tích phổ hồng ngoại FTIR: So sánh phổ của tinh bột ngô và mẫu hydrogel SgAI-7%:
  • Dải hấp thụ của nhóm hydroxyl (-OH) trong vùng 3300–3400 cm⁻¹ trở nên rộng hơn và dịch chuyển do sự thay đổi liên kết hydro liên phân tử.
  • Xuất hiện đỉnh hấp thụ mới đặc trưng cho dao động kéo dãn của nhóm cacbonyl este (-COO-) và cacboxyl (-COOH) sinh ra từ phản ứng ghép axit itaconic, khẳng định phản ứng dieste hóa khâu mạng đã diễn ra thành công.
• Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA/DTG): Đường cong TGA và DTG của tinh bột ngô và các mẫu hydrogel cho thấy quá trình phân hủy nhiệt diễn ra qua nhiều giai đoạn: bay hơi nước tự do/nước liên kết (dưới 150°C), phân hủy nhiệt mạng lưới polyme (vùng 250–400°C) và carbon hóa tạo tro. Hydrogel sau biến tính có sự thay đổi rõ rệt về nhiệt độ bắt đầu phân hủy và tốc độ tổn hao khối lượng cực đại, phản ánh mật độ liên kết ngang ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền nhiệt của vật liệu.
• Kính hiển vi điện tử quét (SEM): Ảnh SEM cho thấy hạt tinh bột ngô ban đầu có dạng hình cầu hoặc đa giác nhẵn bóng, kích thước tương đối đồng đều. Ngược lại, ảnh SEM của hydrogel thể hiện bề mặt gồ ghề, cấu trúc mạng không gian ba chiều xốp với nhiều nếp gấp và khoang rỗng, tạo điều kiện thuận lợi cho sự khuếch tán, giữ nước và dung dịch phân bón.
• Đặc tính trương nở trong các môi trường: Mẫu hydrogel SgAI-7% thể hiện khả năng hấp thụ nước và dung dịch muối cao. Độ trương nở đạt trạng thái cân bằng (H∞) phụ thuộc rõ rệt vào bản chất dung môi: trong nước cất, độ trương nở đạt giá trị cực đại do lực đẩy tĩnh điện giữa các nhóm carboxylate (-COO⁻) trên mạch polyme; trong các dung dịch muối vô cơ, sự hiện diện của các cation làm suy giảm áp suất thẩm thấu và tạo hiệu ứng chắn điện tích, làm giảm độ trương nở cân bằng H∞ so với nước cất.
• Sự hấp phụ phân bón: Mẫu hydrogel có khả năng giữ và hấp phụ tốt cả ba loại phân bón thử nghiệm gồm urê, amoni sunfat và kali nitrat nhờ mạng lưới lỗ xốp và tương tác liên kết hydro giữa các nhóm chức trên polyme với phân tử phân bón.

Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Tổng kết toàn bộ các kết quả đạt được đối chiếu với mục tiêu ban đầu, đồng thời đề xuất các định hướng nghiên cứu hoàn thiện quy trình công nghệ.

---

Kết quả và đóng góp

Các kết quả thực nghiệm chính được ghi nhận trong văn bản:

• Thiết lập thành công quy trình công nghệ 6 bước điều chế hydrogel từ tinh bột ngô bằng phản ứng đồng trùng hợp ghép với axit itaconic, sử dụng chất oxy hóa xúc tác KMnO4 ở 60°C.
• Xác định hệ điều kiện tổng hợp thích hợp trong phạm vi khảo sát: nồng độ axit itaconic 7% và thời gian phản ứng 4 giờ (mẫu SgAI-7% / SgAI-4h) mang lại sự cân bằng giữa tỷ lệ phần gel Fg, mức độ liên kết ngang và tính chất trương nở.
• Chứng minh được sự biến đổi cấu trúc bằng các phép phân tích hóa lý:
  • Phổ FTIR xác nhận sự hình thành các liên kết este mới và sự xuất hiện của nhóm chức carboxyl/carbonyl.
  • Giản đồ XRD chứng minh sự suy giảm độ kết tinh tương đối (Fc) của tinh bột sau hồ hóa và ghép mạch.
  • Giản đồ TGA/DTG xác nhận sự thay đổi các thông số bền nhiệt của hydrogel so với tinh bột ngô ban đầu.
  • Ảnh SEM ghi nhận hình thái cấu trúc xốp ba chiều với nhiều khoảng trống vi mô, khác biệt hoàn toàn với bề mặt nhẵn đặc của tinh bột tự nhiên.
• Dữ liệu trương nở và hấp phụ: Xác định độ hấp thụ nước và dung dịch muối tối đa ở trạng thái cân bằng (H∞) của hydrogel mẫu SgAI-7%; chứng minh hydrogel có khả năng hấp phụ và lưu giữ các loại phân bón hóa học thông dụng (urê 46% N, đạm amoni sunfat 21% N - 24% S, kali nitrat).

Đóng góp của đề tài:

• Đã chế tạo thành công một hệ hydrogel phân hủy sinh học có nguồn gốc nông thái tự nhiên từ tinh bột ngô nội địa kết hợp axit hữu cơ sinh học itaconic.
• Cung cấp giải pháp vật liệu thay thế tiềm năng cho các loại polyme tổng hợp gốc hóa dầu (polyacrylic acid, polyacrylamide), góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và hạn chế tổn thất phân bón trong nông nghiệp.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu (được ghi nhận từ đánh giá của giảng viên phản biện TS. Nguyễn Thị Lê Thanh và nội dung văn bản):

• Phần tổng quan tài liệu còn mang tính khái quát chung về tinh bột và hydrogel, chưa phân tích chuyên sâu vai trò cơ chế chi tiết của từng loại hóa chất trong điều kiện thực nghiệm cụ thể.
• Số lượng mẫu khảo sát còn hạn chế (3 mức nồng độ axit: 5%, 7%, 9% và 3 mốc thời gian: 2h, 4h, 6h), chưa mở rộng khảo sát các tỷ lệ nồng độ mịn hơn để xác định điểm tối ưu tuyệt đối.
• Biện luận thực nghiệm còn chưa phân tách rõ ràng giữa quá trình hấp phụ phân bón và quá trình giải phóng (nhả) phân bón; chưa trình bày chi tiết phương pháp phân tích định lượng nồng độ phân bón giải phóng theo thời gian thực tại các thời điểm khảo sát.
• Báo cáo còn tồn tại một số lỗi chính tả trong văn bản.

Hướng nghiên cứu tiếp:

• Khảo sát chuyên sâu động học nhả chậm phân bón (release kinetics) theo thời gian trong môi trường nước và trong các loại đất trồng thực tế.
• Đánh giá cơ tính chi tiết (độ bền kéo, độ nén, độ đàn hồi) của hydrogel ở trạng thái trương nở bão hòa nhằm phục vụ khả năng tái sử dụng nhiều chu kỳ.
• Nghiên cứu cơ chế phân hủy sinh học của vật liệu trong đất tự nhiên sau khi hoàn thành chu kỳ giải phóng dinh dưỡng.
• Thử nghiệm gieo trồng thực tế trên cây trồng nông nghiệp để định lượng hiệu quả kinh tế và mức độ tiết kiệm phân bón.

---

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo thực nghiệm hữu ích cho sinh viên, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu thuộc các chuyên ngành:

• Công nghệ Vật liệu / Kỹ thuật Polyme: Cung cấp quy trình thực nghiệm chi tiết về biến tính hóa học polysaccharide bằng phản ứng este hóa/ghép mạch dicarboxylic acid; quy trình kiểm soát phản ứng hồ hóa và oxy hóa bằng KMnO4; phương pháp tinh chế hydrogel bằng kỹ thuật kết tủa ethanol và kiểm soát độ sạch bằng thuốc thử Lugol.
• Khoa học Môi trường và Nông nghiệp Công nghệ cao: Giá trị tham khảo về phương pháp luận chế tạo vật liệu giữ ẩm, giá mang phân bón nhả chậm nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng phân bón hóa học và giảm thiểu rửa trôi nitơ trong đất.
• Kỹ thuật Phân tích Vật liệu: Tài liệu minh họa phương pháp phân tích liên hoàn gồm FTIR, XRD, TGA/DTG và SEM để khảo sát sự biến đổi cấu trúc, độ kết tinh, độ bền nhiệt và hình thái học của vật liệu polyme sinh học.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Chất oxy hóa KMnO4 đóng vai trò gì trong phản ứng tổng hợp hydrogel từ tinh bột ngô và axit itaconic? Trong quy trình thực nghiệm, sau khi hồ hóa tinh bột ngô ở 80°C và hạ nhiệt độ xuống 60°C, KMnO4 (khối lượng 0,31925 g) được thêm vào và khuấy trong 10 phút. KMnO4 đóng vai trò là chất oxy hóa mạnh, xúc tác thúc đẩy nhanh quá trình oxy hóa các nhóm hydroxyl (-OH) của tinh bột thành các nhóm carbonyl (-C=O) và sau đó là nhóm carboxyl (-COOH), tạo các vị trí hoạt động để phản ứng este hóa với axit itaconic diễn ra thuận lợi.

2. Tại sao tác giả sử dụng dung dịch Lugol trong giai đoạn tinh chế sản phẩm? Sau khi kết tủa hydrogel bằng ethanol và lọc rửa bằng hỗn hợp nước/ethanol (tỷ lệ thể tích 50/50), dung dịch Lugol (I3K) được sử dụng làm chất chỉ thị thử nghiệm. Tinh bột ngô chưa phản ứng sẽ tạo phức màu xanh đen với dung dịch Lugol. Nếu dịch rửa chuyển màu xanh đen (kết quả dương tính), mẫu phải tiếp tục được rửa; quy trình rửa chỉ dừng lại khi kết quả âm tính (dung dịch không đổi màu), đảm bảo hydrogel tinh sạch và không còn sót tinh bột tự do.

3. Khóa luận khảo sát những biến số thực nghiệm nào và các mẫu tương ứng được ký hiệu ra sao? Nghiên cứu khảo sát hai nhóm biến số thực nghiệm:

• Nồng độ axit itaconic ban đầu: 5%, 7% và 9%, tương ứng với các ký hiệu mẫu SgAI-5%, SgAI-7% và SgAI-9% (ở thời gian phản ứng cố định 4 giờ).
• Thời gian phản ứng tổng hợp: 2 giờ, 4 giờ và 6 giờ, tương ứng với các ký hiệu mẫu SgAI-2h, SgAI-4h và SgAI-6h (ở nồng độ axit itaconic 7%).

4. Quy trình hồ hóa tinh bột ngô trong khóa luận được tiến hành ở điều kiện thông số nào? Quá trình hồ hóa được thực hiện bằng cách cân 5 g tinh bột ngô phân tán vào 50 ml nước cất trong bình cầu ba cổ, gia nhiệt hỗn hợp lên 80°C và duy trì khuấy đều liên tục trong 15 phút để phá vỡ cấu trúc tinh thể tự nhiên. Sau đó, thêm tiếp 10 ml nước cất và hạ nhiệt độ hệ thống xuống 60°C trước khi bổ sung chất oxy hóa KMnO4.

5. Khóa luận đã thử nghiệm khả năng hấp phụ của hydrogel trên những loại phân bón hóa học nào? Vật liệu hydrogel chế tạo được đã được thử nghiệm hấp phụ với ba loại phân bón hóa học phổ biến gồm: Urê (CO(NH2)2, chứa 46% nitơ), Amoni sunfat ((NH4)2SO4, chứa 21% nitơ và 24% lưu huỳnh) và Kali nitrat (KNO3).

---

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Lê Thị Minh Duyên đã nghiên cứu và chế tạo thành công vật liệu hydrogel phân hủy sinh học trên cơ sở đồng trùng hợp ghép tinh bột ngô với axit itaconic dưới sự xúc tác của KMnO4. Các kết quả đặc trưng qua phổ FTIR, giản đồ XRD, TGA/DTG và ảnh SEM đã xác thực sự hình thành mạng lưới liên kết ngang ba chiều có cấu trúc xốp vi mô và độ bền nhiệt phù hợp. Thực nghiệm đã chứng minh hydrogel SgAI-7% sở hữu khả năng trương nở tốt trong nước, dung dịch muối và có khả năng hấp phụ các loại phân bón khoáng thiết yếu (urê, amoni sunfat, kali nitrat). Đề tài cung cấp cơ sở thực nghiệm có giá trị cho định hướng ứng dụng hydrogel sinh học làm vật liệu mang phân bón nhả chậm thân thiện với môi trường trong nông nghiệp thông minh.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN 1. Cơ sở lý thuyết về tinh bột ngô 1. Sơ lược về tinh bột ngô Tinh bột là một polysacarit được điều chế từ các loại nguyên liệu có sẵn trong tự nhiên như: ngô, sắn, khoai tây, lúa mì, v.v Tinh bột ngô chiếm 80% thị trường tinh bột toàn cầu, gồm hai thành phần chính là amylose và amylopectin có ảnh hưởng lớn đến tính chất hóa lý và chức năng của tinh bột. Tùy theo loại hạt giống và điều kiện môi trường mà tính chất hóa lý của tinh bột ngô có sự khác biệt.

Ngoài ra kích thước hạt hay tỷ lệ của amylose/amylopectin cũng làm ảnh hưởng đến tính chất của tinh bột. Một số kỹ thuật dùng để nghiên cứu các đặc tính hóa lý của tinh bột như: kỹ thuật nhiễu xạ tia X, kính hiển vi điện tử quét, quang phổ Raman, và các tính chất như phân tích độ nhớt, kết cấu gel, khả năng trương nở, độ hòa tan, phản ứng tổng hợp và tính chất nhiệt [1].1: Tinh bột ngô. Cấu trúc của tinh bột ngô Tinh bột là một polyme bán tinh thể nó bao gồm các đơn vị 1, 4-d-glucopyranosyl lặp đi lặp lại thành cấu hình amylose và amylopectin. Amylose là một polyme tuyến tính với các nhánh bên nhỏ, bao gồm các chuỗi glucan được liên kết với nhau bởi các liên kết α-(1-4), có trọng lượng phân tử dao động từ 105-106 Da.

Amylopectin là một polyme phân nhánh cao, bao gồm các chuỗi glucan ngắn được nối với nhau bằng liên kết α-(1- 4) và liên kết α-(1-6) tại các nhánh của chúng, trọng lượng phân tử trung bình dao động từ 107-109 Da [2]. Loại A có trong tinh bột ngũ cốc như: ngô, ngô sáp, lúa mì, gạo. Loại B đặc trưng cho các tinh bột củ, quả và thân chẳng hạn như khoai tây, cao lương, dong riềng, chuối, tinh bột ngô đột biến. Loại C có trong rễ và loại V có trong đậu Hà Lan.

Khi tinh bột tự nhiên loại B và loại C được xử lý nhiệt ẩm (loại B ở 30oC, loại C là 50oC) chúng được chuyển thành loại A. Sự biến đổi của tinh bột loại A thành tinh thể chỉ xảy ra khi cấu trúc ban đầu bị phá hủy hoàn toàn và sau đó nó được ghép kết tinh lại. Các phân tử amylose và amylopectin hình thành các liên kết hydro và liên kết kỵ nước, cả liên phân tử và nội phân tử, ở các mức độ khác nhau để giữ các phân tử lại với nhau tạo ra một hạt không hòa tan trong nước. Các liên kết nhánh α- (1->6) amylopectin được cho là xảy ra ở vùng vô định hình của hạt.

Các liên kết nhánh của amylopectin được nhóm lại, với một số chuỗi từ 15-20 glucose, đan xen vào nhau thành các chuỗi xoắn kép, góp phần tạo nên độ kết tinh [3].2: Cấu trúc của tinh bột. a) Amylose Amylose là α-1, 4-D-glucan, một polysacarit được hình thành từ các α-D-glucose, liên kết với nhau thông qua liên kết glycosid α-(14), nó là một trong hai thành phần chính của tinh bột và chiếm từ 20-30%. Các nguyên tử cacbon trên glucose được đánh 4 số bắt đầu từ cacbon aldehyde (C=O), vì vậy trong amylose một cacbon trong một phân tử glucose được liên kết với bốn cacbon trên phân tử glucose tiếp theo [1]. Cấu trúc dạng A và B trong amylose hầu như giống hệt nhau về mặt cấu tạo, cả hai đều có dạng xoắn kép bên phải và được sắp xếp theo các đối song song.

Tuy nhiên, cấu trúc dạng A và B khác nhau về sự kết tinh của các vòng xoắn và hàm lượng nước. Dạng A có hình lục giác hơi méo và có tám phân tử nước trên mỗi đơn vị tế bào. Dạng B kết tinh trong một đơn vị tế bào lục giác với 36 phân tử nước trên mỗi đơn vị tế bào. Cấu trúc C chỉ đơn giản là một hỗn hợp đơn vị tế bào của A và B, là trung gian của A và B trong mật độ kết tinh [5].

Các vòng xoắn kép bên trái ở dạng A và B sắp xếp song song với đơn vị tinh thể là 10,5Ao. Tính đối xứng của các vòng xoắn kép của dạng A và dạng B hơi khác nhau về mặt cấu trúc. Ở dạng A, đơn vị lặp lại là đơn vị maltotriosyl và ở dạng B đơn vị lặp lại là đơn vị maltosyl [6]. Chiều dài chuỗi của amylose cũng ảnh hưởng đến dạng chọn lọc tinh thể, các đoạn amylose có mức độ trùng hợp bé hơn 10 thì không kết tinh, chuỗi có mức độ trùng hợp từ 10 đến 12 có xu hướng tạo thành dạng A, chuỗi có mức độ trùng hợp lớn hơn 12 có xu hướng hình thành dạng B.

Độ dài chuỗi khác nhau hình thành các cấu trúc khác nhau là do việc mất entropy trong quá trình kết tinh [6]. Monoacyl lipid, chất nhũ hóa, rượu hoặc các hợp chất hương vị có thể tạo ra các dạng xoắn đơn trong amylose được gọi là dạng V. Tùy thuộc vào kích thước và các tác nhân tạo phức, chuỗi amylose có thể chiếm một cấu trúc xoắn với sáu, bảy hoặc tám đơn vị glucose mỗi lượt, các vòng xoắn có độ dày khoảng 10nm. Cấu trúc dạng V có hình xoắn ốc bên trái với sáu phần dư mỗi lượt, chiều cao thay đổi trong khoảng từ 7,92 đến 8,04 Ao [6].

Amylose tuyến tính bị thủy phân hoàn toàn thành maltose và một lượng nhỏ maltotriose, trong tất cả các amylose phân nhánh bị khử thành b-giới hạn dextrin chứa tất cả các nhánh và phần dư. Mức độ trùng hợp trung bình của b-giới hạn của amylose từ các nguồn khác nhau nằm trong khoảng từ 700 đến 2000 và chiều dài chuỗi trung bình từ 50 đến 160 [6].3: Cấu trúc Amylose. b) Amylopectin Amylopectin chiếm 70-80% trong tinh bột, glucan được liên kết với α- (1-4) chứa khoảng 5% liên kết với α -(1-6), được phân thành nhiều nhánh và có cấu tạo phức tạp hơn amylose. Phân tử amylopectin phân nhánh chia làm hai vùng: vùng có mức độ phân nhánh thấp và vùng có mức độ phân nhánh cao.

Các chuỗi bên của amylopectin trong vùng phân nhánh cao được nhóm lại, tạo thành các vùng tinh thể. Chuỗi bên của amylopectin có thể được chia thành chuỗi A, B và C. Chuỗi C tạo thành khung xương của các phân tử amylopectin, chuỗi B liên kết với nhau có thể tạo một hoặc nhiều nhánh. Chuỗi A xuất hiện ở bên ngoài phân tử phân nhánh và chỉ có liên kết α - (1-6) với chuỗi B1 [7].

Vào năm 1952 Peat và cộng sự đã thực hiện phân chia cơ bản các cấu tạo dạng chuỗi, chuỗi A là chuỗi không bị thay thế bởi các chuỗi khác và được liên kết thông qua liên kết α - (1-6) với phần còn lại của đại phân tử. Chuỗi B có thể được thay thế bằng một hoặc một số chuỗi khác (chuỗi A và chuỗi B/hoặc chuỗi B). Ngoài ra mỗi phân tử chứa duy nhất một chuỗi C, mang nhóm cuối là nhóm khử duy nhất [6]. Chiều dài chuỗi trung bình của hầu hết các amylopectin là 17-26 tùy thuộc vào các dạng kết tinh của các loại tinh bột khác nhau.

Tinh bột dạng A thường có chiều dài chuỗi ngắn hơn so với tinh thể B. Trên thực tế có hai dạng chuỗi chính là chuỗi ngắn và chuỗi dài. Tỷ lệ mol của chuỗi ngắn và chuỗi dài khác nhau giữa các loại tinh bột từ các nguồn khác nhau trong khoảng 4 -19. Các tinh thể loại B thường có tỷ lệ thấp hơn tinh thể loại A [6].4: Cấu trúc Amylopectin.

Tính chất hóa lý của tinh bột a) Sự trương nở của tinh bột Tinh bột có thể bị trương lên khi đun nóng với một lượng nước dư. Đặc tính giữ nước của tinh bột thường được biểu thị bằng khả năng trương nở và chỉ số hòa tan trong nước. Ở nhiệt độ cao làm phá vỡ cấu trúc tinh thể tinh bột. Thúc đẩy liên kết hydro giữa các phân tử nước và amylose/amylopectin.

Sự khác biệt về khả năng trương nở và chỉ số hòa tan trong nước giữa các loại tinh bột phản ánh sự thay đổi về khả năng giữ nước của chúng. Sự thay đổi chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố như đặc tính amylose và amylopectin (tỷ lệ, trọng lượng phân tử, chiều dài chuỗi và các yếu tố khác), sự hiện diện các thành phần phụ (lipid, phốt phát), cấu trúc dạng hạt của tinh bột [2]. b) Hồ hóa tinh bột Khi các hạt tinh bột được đun nóng đến một nhiệt độ cụ thể với lượng nước vừa đủ, các hạt tinh sẽ trương nở nhanh chóng và mất đi cấu trúc tinh thể được gọi là quá trình hồ hóa. Đây là một quá trình quang trọng đối với việc sử dụng tinh bột trong ứng dụng thực phẩm và phi thực phẩm.

Việc mất cấu trúc tinh thể bên trong hạt tinh bột có thể dẫn đến nhiều thay đổi về tính chất và chức năng của chúng bao gồm sự trương nở, kết dính và khả năng lưỡng chiết của tinh bột. Sự thay đổi enthalpy của quá trình hồ hóa và nhiệt độ hồ hóa của tinh bột có thể được định lượng bằng phép đo nhiệt lượng quét vi sai (DSC) trong quá trình đun nóng trong nước dư [2]. Nhiệt độ chuyển tiếp quá trình hồ hóa chẳng hạn như khởi đầu (To), cực đại (Tp), nhiệt độ kết thúc (Tc) và enthalpy hồ hóa (ΔH) là các thông số phổ biến được đo bằng DSC. Hầu hết các loại tinh bột có nhiệt độ hồ hóa từ 60oC đến 80oC, và tinh bột loại A thường có nhiệt độ hồ hóa cao hơn loại 7 B.

Tuy nhiên có một số trường hợp ngoại lệ đó là tinh bột có lượng amylose cực cao thì nhiệt độ hồ hóa sẽ cao hơn nhiều. Nhiệt độ hồ hóa của tinh bột phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: cấu trúc phân tử, các thành phần phụ và môi trường sinh trưởng của cây trồng [2]. c) Sự thoái hóa của tinh bột Thoái hóa tinh bột là hiện tượng cấu trúc của tinh bột hồ hóa được sắp xếp lại một phần và được kết tinh lại trong thời gian bảo quản. Sự thay đổi trong quá trình thoái hóa tinh bột có liên quan đến nhiều yếu tố bao gồm tỷ lệ amylose/amylopectin, sự hiện diện của lipid, kích thước phân tử và nhiệt độ.

Tỷ lệ giữa amylose và amylopectin là một trong những yếu tố quan trọng nhất đối với quá trình thoái hóa tinh bột vì amylose thoái hóa nhanh hơn nhiều so với amylopectin. Sự thoái hóa của tinh bột là một tính năng quang trọng đối với các ứng dụng của tinh bột vì các đặc tính của thực phẩm giàu tinh bột như độ dính, khả năng thoái hóa và độ cứng có thể bị ảnh hưởng bởi sự thoái hóa của tinh bột [2]. d) Đặc tính kết dính của tinh bột Trong quá trình gia nhiệt các hạt tinh bột phồng lên cấu trúc dạng hạt bị phá vỡ.