Đặt vấn đề Trong nhiều năm, các nhà nghiên cứu đã định nghĩa hydrogel theo nhiều cách khác nhau. Phổ biến nhất trong số này, hydrogel là một mạng lưới polymer trương nở trong nước và liên kết ngang được tạo ra bởi phản ứng đơn giản của một hoặc nhiều monomer. Hydrogel đã nhận được sự quan tâm đáng kể trong 50 năm qua cùng với sự triển vọng của chúng trong nhiều ứng dụng [3]. Nguyên liệu để điều chế hydrogel thường có cấu trúc được xác định rõ có thể được biến tính để mang lại khả năng phân hủy và chức năng phù hợp.
Hydrogel có nguồn gốc từ tinh bột ngoài việc thân thiện với môi trường, chúng có khả năng phân hủy sinh học. Hydrogel cũng có vai trò như là tác nhân điều hòa đất, làm giảm tần suất tưới, giảm xói mòn và bốc hơi nước ở vùng khí hậu nóng và khô, cải thiện chất lượng đất bằng cách giảm suy thoái đất [19]. Sự phát triển của công nghệ mới trong nông nghiệp đã tạo ra lượng phân bón và nước đầu vào nhiều hơn. Sản lượng trên một đơn vị đất đã tăng lên rất nhiều, điều đã cho phép phát triển kinh tế ngày càng tăng [19].
Bất chấp những lợi ích của việc sử dụng phân bón trong nông nghiệp, chúng cũng có những tác động tiêu cực đến môi trường, đặc biệt là phân đạm. Nhìn chung, hiệu quả của hầu hết các loại phân đạm đều giảm do sự bay hơi, rửa trôi, khử nitơ và một lượng lớn sản phẩm phải bón trực tiếp. Điều này dẫn đến ô nhiễm môi trường và các hậu quả tiêu cực, chăng hạn như khí thải độc hại, ô nhiễm nước, phú dưỡng và xói mòn. Hydrogel với mạng lưới ba chiều có thể hấp thụ và giữ lại hàm lượng nước lớn, đã được nghiên cứu rộng rãi như là hệ thống phân giải, phóng thích chậm cho phép giải phóng các chất dinh dưỡng phù hợp với vòng đời của cây, giảm tần suất sử dụng và tránh tác động tiêu cực của việc sử dụng quá liều lượng.
Tuy nhiên, hầu hết các hydrogel này đều có gốc hoặc chứa các monomer tổng hợp hoặc các dẫn xuất từ hóa dau, chăng hạn như axit acrylic hoặc acrylamide liên quan đên các vân dé về kha nang phân hủy sinh học kém và chi phí sản xuất cao [20]. Vì vậy mà hydrogel có nguồn gốc từ tự nhiên, thân thiện với môi trường và có khả năng phân hủy sinh học trở thành lựa chọn tối ưu. Được sự phân công của Bộ môn Công nghệ Hóa học thuộc Khoa Công nghệ Hóa học và Thực phẩm cùng với sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Chí Thanh, tôi thực hiện đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu hydrogel mang phân bón dựa trên tỉnh bột — Định hướng ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp thông minh”. Trong nghiên cứu này, vật liệu hydrogel mang phân bón được chế tạo dựa trên tinh bột sắn.
Các đặc tính hóa lý, khả năng hấp thụ và giải phóng phân bón của vật liệu hydrogel được đánh giá bằng các phương pháp phân tích hiện đại.2 Mục đích đề tài Chế tạo thành công vật liệu hydrogel có kha năng mang phân bón dựa trên tinh bột sắn. Đánh giá khả năng hấp thụ và giải phóng phân bón của vật liệu hydrogel chế tạo được.1 Nội dung đề tài Chế tạo vật liệu hydrogel từ tính bột sắn bằng hệ oxy hóa khử KMn0O,/NaHSOy,. Nghiên cứu các đặc tính hóa lý của vat liệu hydrogel chế tạo được. Khảo sát khả năng hấp thụ và giải phóng phân bón của vật liệu hydrogel chế tạo được.2 Đối tượng nghiên cứu Hydrogel được chế tạo từ tinh bột san (Cassava starch) ở Việt Nam.3 Phạm vi nghiên cứu Điều chế hydrogel từ tinh bột sắn ở quy mô phòng thí nghiệm.3 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Việc sử dụng quá nhiều phân bón, dẫn đến hiện tượng phú dưỡng, ô nhiễm môi trường, suy thoái chất lượng đất, thay đổi hệ sinh thái, do đó đặt ra câu hỏi về tính bền vững của nền nông nghiệp.
Việc chế tạo thành công hydrogel góp phan tao ra vật liệu có khả năng phân hủy sinh học, thân thiện với môi trường, ngoài ra còn giúp giảm chỉ phí, giảm tác động tiêu cực đến môi trường trong nông nghiệp hiện đại. Ý nghĩa thực tiễn: Vật liệu hydrogel có nguồn gốc từ tinh bột được ứng dụng làm vật liệu mang phân bón giải phóng chậm, thân thiên với môi trường. Có tiềm năng to lớn cho các ứng dụng trong nông nghiệp thông minh. Chương 2 TÔNG QUAN TÀI LIỆU 2.1 Tổng quan về tỉnh bột 2.1 Khái niệm và cấu trúc của tỉnh bột Tỉnh bột hay amylum là một loại carbohydrate cao phân tử bao gồm nhiều đơn vi glucose nối với nhau bằng các liên kết glycosidic.
Trong tự nhiên, tinh bột được thực vật tạo ra trong các quả, củ như ngũ cốc, khoai, sẵn.Nó bao gồm hai loại phân tử: amylose (mạch thắng và xoắn) và amylopectin phân nhánh. Tùy thuộc vào từng loại thực vật, tinh bột thường chứa 20 đến 25% amylose và 80 đến 75% amylopectin CHạOH Amylose Amylopectin CH;OH | œ—1,6-linkage H H Cc'Hạ H fe) o _ H œ—1,4-linkage H H HO OH H OWN Hình 2. 1 Cấu trúc của amylose va amylopectin theo trọng lượng [1].2 Tính chất của tỉnh bột Tính chất vật ly: Tinh bột nguyên chất là một loại bột màu trắng, không mùi và không vi, không tan trong nước lạnh hoặc rượu. Tính chất hóa học: - Hồ hóa: Khi đun nóng trong môi trường nước du, các hat tinh bột phông lên và vỡ ra, cấu trúc bán tinh thé bị mat di và các phân tử amylose nhỏ hơn bắt đầu thoát ra khỏi hạt, tạo thành một mạng lưới giữ nước và làm tăng độ nhớt của hỗn hợp.
Quá trình này được gọi là hồ hóa tinh bột. Nhiệt độ hồ hóa của tinh bột thay đổi tùy thuộc vào giống tinh bột, hàm lượng amylose/amylopectin và hàm lượng nước. Trong quá trình nấu, tinh bột trở thành dạng sệt và tăng thêm độ nhớt. Trong quá trình làm mát hoặc bao quản trong thời gian dai của hồ, cấu trúc bán tinh thé phục hồi một phan và hồ tinh bột đặc lại, đuôi nước ra ngoài.
Điều này chủ yếu là do sự thoái hóa ngược của amylose. Dung dịch triiodide (I¿_) được tạo thành bang cách trộn iod và iodide (thường từ potassium iodide) được sử dụng dé thử tinh bột; màu xanh đậm cho thấy sự có mặt của tinh bột. - Thủy phân: Quá trình thủy phân tỉnh bột là một phản ứng rất chậm nhưng có thê tăng tốc độ bằng cách sử dụng một enzyme hoặc một axit làm chất xúc tác. Nhờ xúc tác enzyme, tinh bột có thé bi thủy phân thành: dextrin => maltose => glucose.
Tinh bột bi thủy phân trong môi trường axit sinh ra glucose: HY (CzHioOs)„ + n HO —> n CoH 120s - Dextrin hóa (Dextrinization): Khi chịu nhiệt khô, tinh bột bi phân hủy để tạo thành dextrin, còn được gọi là pyrodextrin. Các pyrodextrin chủ yếu có màu từ vàng đến nâu, là một phần nguyên nhân tạo nên màu nâu của bánh mì nướng [2].3 Các phương pháp biến tính tỉnh bột Phương pháp biến tính vật lý: là phương pháp biến tính tinh bột thuần túy dùng các lực vật lý như ép, nén và hồ hóa tác dụng lên tinh bột dé làm thay đổi một số tính chat của nó nhằm phù hop với những ứng dụng, sản phẩm tinh bột biến tính của phương pháp này là những tinh bột hồ hóa, tinh bột xử lý nhiệt 4m. Phương pháp biến tính hóa học: là phương pháp sử dụng những hóa chất cần thiết nhằm thay đổi tính chất của tinh bột, sản phẩm chủ yếu của phương pháp biến tính hóa học là những tinh bột xử lý axit, tinh bột ete hóa, este hóa, phosphat hóa. Phương pháp thủy phân bằng enzyme: là phương pháp biến tính tinh bột tiên tiến hiện nay, cho sản phẩm tinh bột biến tính chọn lọc không bị lẫn những hóa chất khác.
Sản phâm của phương pháp này là các loại đường gluco, fructo; các poliol như sorbitol, mannitol; các axit amin như lysin, MSG, các rượu, các axit.2 Tổng quan về hydrogel 2.1 Khái niệm về hydrogel Hydrogel là một mạng lưới polymer trương nở trong nước và liên kết ngang được tạo ra bởi phản ứng đơn giản của một hoặc nhiều monomer. Một định nghĩa khác là nó là một vật liệu cao phân tử thé hiện khả năng trương nở và gitr lại một phần đáng kể nước trong cấu trúc của nó, nhưng sẽ không hòa tan trong nước [3]. Khả năng hấp thụ nước của hydrogel phát sinh từ các nhóm chức ưa nước gắn với mạch chính cao phân tử, trong khi khả năng chống hòa tan của chúng phát sinh từ các liên kết ngang giữa các chuỗi mạng. Nhiều vật liệu, cả tự nhiên và tổng hợp, phù hợp với định nghĩa của hydrogel [3].
Trong hai thập kỷ qua, hydrogel tự nhiên dần được thay thé bang hydrogel tổng hợp có tuổi thọ dai, khả năng hap thụ nước cao và độ bền gel cao. Các polymer tổng hợp thường có cau trúc được xác định rõ có thé được biến tính dé mang lại khả năng phân hủy và chức năng phù hợp [3].2 Tính chất của hydrogel Tính chất cơ học: chất mang nền gel phải duy trì được tính bền vững cơ học và vật lý. Độ bền của vật liệu có thể tăng cường nhờ bổ sung các tác nhân tạo lưới, comonomer cũng như tăng mức độ khâu mạch. Tuy nhiên, cần xác định một mức độ khâu mạch tối ưu, do mức độ khâu mạch quá cao thì sẽ dẫn đến tính giòn hoặc ít dan hồi.
Tinh đàn hồi của gel cũng rất quan trọng dé tạo ra độ mềm dẻo của các mach tạo lưới, thuận lợi cho quá trình di chuyền của các tác nhân có hoạt tính sinh học. Bởi vậy, việc cân bằng giữa độ vững chắc hệ gel và độ mềm dẻo là cần thiết để sử dụng các vật liệu này một cách phù hợp [4]. Tính chất tương thích sinh học: Việc sử dụng các polymer (tự nhiên hoặc tong hợp) có chứa các nhóm bên ưa nước dé tổng hop hydrogel cho các ứng dung y sinh là rất thuận lợi vì các nhóm ưa nước này không chỉ tạo điều kiện hấp thụ nhiều nước mà còn hỗ trợ trong việc tương tác với các mô sinh học. Thông thường, hydrogel ở trạng thái trương nở hoàn toàn gần như nhớt, mềm, dai và có góc giao diện thấp với chat lỏng sinh học, điều này làm giảm nguy cơ phản ứng miễn dịch tiêu cực.
Tất cả những yếu tô này góp phan vào tính tương thích sinh học của hydrogel [5]. Tính trương và phân hủy sinh học: Tính trương là đặc tính quan trọng nhất của hydrogel. Theo thuyết Flory-Reihner, độ trương là một chức năng đàn hồi của các chuỗi polymer và khả năng tương thích của chúng với các phân tử nước.