Tổng quan nghiên cứu

Phân bón đóng vai trò thiết yếu trong việc nâng cao năng suất cây trồng, tuy nhiên, việc nhập khẩu phân bón vô cơ chiếm một khoản ngoại tệ lớn, với 1,22 triệu tấn phân bón nhập khẩu trong quý 1 năm 2017 trị giá 338 triệu USD. Việc sử dụng phân vô cơ kéo dài gây ra các vấn đề môi trường như tăng hàm lượng NO3 trong nông sản và thoái hóa đất. Xu hướng sản xuất nông nghiệp hữu cơ đang được khuyến khích nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực này. Đồng thời, ngành nuôi trồng thủy sản, đặc biệt là cá tra, phát triển mạnh mẽ tại Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) với sản lượng 1,15 triệu tấn năm 2016, tạo ra lượng phụ phế phẩm lớn khoảng 700.000 tấn, chủ yếu là đầu, xương, ruột cá tra. Những phụ phế phẩm này chứa nhiều protein, acid béo, khoáng chất và enzyme có thể tận dụng để sản xuất phân bón hữu cơ.

Đề tài nghiên cứu “Sản xuất phân bón lá từ phụ phế phẩm nông nghiệp” tập trung xây dựng quy trình sản xuất phân bón lá từ phụ phế phẩm cá tra và vỏ dứa, đồng thời khảo nghiệm hiệu quả sản phẩm trên cây rau cải xanh. Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 02 đến tháng 08 năm 2017, tại các nhà máy chế biến cá tra tỉnh An Giang và nhà máy chế biến dứa tỉnh Tiền Giang. Mục tiêu cụ thể bao gồm xác định hàm lượng N tổng số và protein trong phụ phế phẩm cá tra, đánh giá hoạt tính enzyme bromelain trong các bộ phận quả dứa, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân như tỷ lệ nguyên liệu, lượng nước bổ sung, pH và thời gian thủy phân, cũng như đánh giá hiệu quả phân bón lá trên cây trồng. Kết quả nghiên cứu góp phần phát triển nguồn phân bón hữu cơ sạch, giảm ô nhiễm môi trường và giảm chi phí nhập khẩu phân bón vô cơ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết enzyme protease và quá trình thủy phân protein: Enzyme bromelain, một protease có trong quả dứa, có khả năng thủy phân protein thành peptide và acid amin, hoạt động hiệu quả ở pH từ 6 đến 8 và nhiệt độ phòng thí nghiệm. Quá trình thủy phân protein phụ phế phẩm cá tra bằng enzyme bromelain giúp chuyển đổi protein không hòa tan thành dạng hòa tan dễ hấp thu, tăng giá trị dinh dưỡng của sản phẩm phân bón.

  • Mô hình phối trộn nguyên liệu và điều kiện thủy phân: Tỷ lệ phối trộn giữa phụ phế phẩm cá tra và vỏ dứa, lượng nước bổ sung, pH và thời gian thủy phân là các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả thủy phân và chất lượng phân bón lá. Mô hình nghiên cứu tập trung tối ưu hóa các yếu tố này để đạt hiệu suất thủy phân cao nhất.

  • Khái niệm chính:

    • N tổng số: Tổng lượng nitơ trong mẫu, biểu thị hàm lượng protein.
    • N formol: Lượng nitơ phản ứng với dung dịch formol, biểu thị protein hòa tan.
    • Hoạt tính enzyme bromelain: Đơn vị enzyme đo bằng phương pháp Anson cải tiến, thể hiện khả năng thủy phân protein.
    • Phân bón lá hữu cơ: Chế phẩm phân bón được phun lên lá cây, cung cấp dinh dưỡng dễ hấp thu, thân thiện môi trường.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Phụ phế phẩm cá tra thu thập từ các nhà máy chế biến phi lê tại tỉnh An Giang và phế phẩm dứa từ các nhà máy chế biến đóng hộp tại tỉnh Tiền Giang. Dữ liệu thực nghiệm thu thập trong phòng thí nghiệm và khảo nghiệm thực địa trên cây rau cải xanh.

  • Phương pháp phân tích:

    • Xác định N tổng số bằng phương pháp Kjeldahl.
    • Xác định N formol bằng phương pháp Sorensen.
    • Đo hoạt tính enzyme bromelain bằng phương pháp Anson cải tiến.
    • Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thủy phân: tỷ lệ vỏ dứa/phụ phế phẩm cá tra, lượng nước bổ sung, pH, thời gian thủy phân.
    • Ổn định dung dịch thủy phân bằng bổ sung rỉ đường.
    • Khảo nghiệm hiệu quả phân bón lá trên cây rau cải xanh theo thiết kế thí nghiệm hoàn toàn ngẫu nhiên (CRD) với 4 nghiệm thức, mỗi nghiệm thức lặp lại 3 lần.

  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện từ tháng 02/2017 đến tháng 08/2017, bao gồm giai đoạn thu thập nguyên liệu, thí nghiệm phòng thí nghiệm, ổn định sản phẩm và khảo nghiệm thực địa.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mẫu phụ phế phẩm cá tra và dứa được lấy đại diện từ các nhà máy chế biến lớn tại vùng ĐBSCL và Tiền Giang, đảm bảo tính đại diện và độ đồng nhất. Các thí nghiệm được lặp lại tối thiểu 3 lần để đảm bảo độ tin cậy số liệu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hàm lượng N tổng số và protein trong phụ phế phẩm cá tra:

    • Phụ phế phẩm cá tra có hàm lượng N tổng số đạt 2,34% và protein thô 14,64%, cho thấy đây là nguồn nguyên liệu giàu đạm, thích hợp để sản xuất phân bón hữu cơ.

  2. Hoạt tính enzyme bromelain trong các bộ phận quả dứa:

    • Thành phần khối lượng quả dứa Cayenne gồm: vỏ (48,53%), thịt (30,02%), chồi ngọn (15,31%), lõi (6,14%).
    • Hoạt tính enzyme bromelain cao nhất ở chồi ngọn (38,40 U/ml), tiếp theo là thịt (35,70 U/ml), vỏ (30,30 U/ml) và lõi (24,60 U/ml).
    • Mặc dù hoạt tính enzyme trong vỏ thấp hơn chồi ngọn, nhưng do tỷ lệ khối lượng vỏ lớn và dễ thu hồi, vỏ dứa được chọn làm nguyên liệu enzyme thủy phân.

  3. Ảnh hưởng của tỷ lệ vỏ dứa/phụ phế phẩm cá tra đến quá trình thủy phân:

    • Tỷ lệ tối ưu là 0,75:1 (vỏ dứa : cá tra), cho hàm lượng N tổng số và N formol cao nhất sau 7 ngày ủ.
    • Tỷ lệ này giúp tối đa hóa hiệu suất thủy phân protein, chuyển đổi protein không hòa tan thành dạng hòa tan.

  4. Ảnh hưởng của lượng nước bổ sung:

    • Tỷ lệ nước bổ sung tối ưu là 1:1 so với tổng khối lượng vỏ dứa và phụ phế phẩm cá tra.
    • Lượng nước này giúp duy trì môi trường thủy phân thích hợp, tăng hiệu quả thủy phân và ổn định pH.

  5. Ảnh hưởng của pH và thời gian thủy phân:

    • pH tối ưu cho hoạt động enzyme bromelain là 6.
    • Thời gian thủy phân tối ưu là 12 ngày, sau đó hiệu suất thủy phân không tăng đáng kể.
    • Điều kiện này đảm bảo enzyme hoạt động hiệu quả, tạo ra dịch thủy phân giàu đạm.

  6. Ổn định dung dịch thủy phân bằng rỉ đường:

    • Bổ sung 5-10% rỉ đường giúp hạn chế hao hụt đạm trong dịch thủy phân sau 1 tháng bảo quản.

  7. Hiệu quả phân bón lá trên cây rau cải xanh:

    • Sản phẩm phân bón lá từ dịch thủy phân phụ phế phẩm cá tra và vỏ dứa có hiệu quả tương đương phân bón thương mại Sen Trắng.
    • Các chỉ tiêu như chiều cao cây, số lá, trọng lượng trung bình và năng suất cây cải đều tăng rõ rệt so với đối chứng phun nước lã.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy phụ phế phẩm cá tra là nguồn nguyên liệu giàu đạm, phù hợp để sản xuất phân bón hữu cơ, đồng thời tận dụng được lượng lớn phế phẩm dứa giàu enzyme bromelain. Việc sử dụng enzyme bromelain từ vỏ dứa để thủy phân phụ phế phẩm cá tra là giải pháp hiệu quả, thân thiện môi trường, giúp chuyển đổi protein khó tiêu thành dạng dễ hấp thu cho cây trồng.

Điều kiện thủy phân tối ưu (pH=6, thời gian 12 ngày, tỷ lệ vỏ dứa/cá tra 0,75:1, lượng nước 1:1) phù hợp với đặc tính hoạt động của enzyme bromelain và điều kiện phòng thí nghiệm. So với các nghiên cứu sử dụng enzyme Alcalase hoặc papain, bromelain từ dứa có ưu điểm là nguồn nguyên liệu sẵn có, chi phí thấp và hoạt động hiệu quả trong môi trường pH trung tính.

Việc bổ sung rỉ đường giúp ổn định dịch thủy phân, giảm hao hụt đạm, tăng thời gian bảo quản sản phẩm. Khảo nghiệm thực địa trên cây rau cải xanh chứng minh sản phẩm phân bón lá có khả năng kích thích sinh trưởng và tăng năng suất tương đương phân bón thương mại, góp phần phát triển nông nghiệp hữu cơ và giảm ô nhiễm môi trường.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ thể hiện sự biến đổi hàm lượng N tổng số và N formol theo tỷ lệ nguyên liệu, pH, thời gian thủy phân, cũng như bảng so sánh các chỉ tiêu sinh trưởng cây cải giữa các nghiệm thức.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình sản xuất phân bón lá từ phụ phế phẩm cá tra và vỏ dứa:

    • Thực hiện thủy phân theo tỷ lệ 0,75:1 (vỏ dứa : cá tra), pH 6, thời gian 12 ngày, lượng nước bổ sung 1:1.
    • Chủ thể thực hiện: các nhà máy chế biến cá tra và dứa, doanh nghiệp sản xuất phân bón hữu cơ.
    • Thời gian triển khai: trong vòng 6 tháng để xây dựng quy trình và thử nghiệm quy mô công nghiệp.

  2. Bổ sung rỉ đường để ổn định dịch thủy phân:

    • Tỷ lệ bổ sung 5-10% rỉ đường giúp kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm.
    • Chủ thể thực hiện: nhà sản xuất phân bón hữu cơ.
    • Thời gian áp dụng: ngay trong giai đoạn sản xuất.

  3. Khuyến khích sử dụng phân bón lá hữu cơ trên cây rau xanh và các loại cây trồng khác:

    • Tăng cường tuyên truyền, đào tạo kỹ thuật sử dụng phân bón lá hữu cơ cho nông dân.
    • Chủ thể thực hiện: cơ quan quản lý nông nghiệp, các tổ chức hợp tác xã nông nghiệp.
    • Thời gian: liên tục, ưu tiên các vụ mùa chính.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng phân bón lá từ phụ phế phẩm cho các loại cây trồng khác:

    • Thực hiện các thí nghiệm khảo nghiệm trên cây ăn quả, cây công nghiệp.
    • Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu, trường đại học chuyên ngành công nghệ sinh học và nông nghiệp.
    • Thời gian: 1-2 năm tiếp theo.

  5. Xây dựng mô hình xử lý phụ phế phẩm nông nghiệp và thủy sản quy mô công nghiệp:

    • Tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có, giảm thiểu ô nhiễm môi trường.
    • Chủ thể thực hiện: doanh nghiệp chế biến thủy sản, nông nghiệp, chính quyền địa phương.
    • Thời gian: 1 năm để khảo sát và lập kế hoạch đầu tư.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ sinh học, nông nghiệp:

    • Học hỏi quy trình thủy phân enzyme và ứng dụng trong sản xuất phân bón hữu cơ.
    • Áp dụng kiến thức vào nghiên cứu phát triển sản phẩm sinh học mới.

  2. Doanh nghiệp chế biến thủy sản và nông sản:

    • Tận dụng phụ phế phẩm để sản xuất phân bón hữu cơ, giảm chi phí xử lý chất thải.
    • Nâng cao giá trị gia tăng sản phẩm và phát triển bền vững.

  3. Cơ quan quản lý nông nghiệp và môi trường:

    • Xây dựng chính sách khuyến khích sử dụng phân bón hữu cơ, giảm ô nhiễm môi trường.
    • Định hướng phát triển nông nghiệp sạch, bền vững.

  4. Nông dân và hợp tác xã nông nghiệp:

    • Áp dụng phân bón lá hữu cơ từ phụ phế phẩm để tăng năng suất, cải thiện chất lượng sản phẩm.
    • Giảm chi phí đầu vào và bảo vệ môi trường canh tác.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phân bón lá từ phụ phế phẩm cá tra và vỏ dứa có hiệu quả như phân bón thương mại không?
    Kết quả khảo nghiệm trên cây rau cải xanh cho thấy phân bón lá này có hiệu quả tương đương phân bón Sen Trắng thương mại về các chỉ tiêu chiều cao, số lá và năng suất, chứng minh tính khả thi trong sản xuất nông nghiệp hữu cơ.

  2. Tại sao chọn enzyme bromelain từ vỏ dứa để thủy phân phụ phế phẩm cá tra?
    Vỏ dứa chiếm tỷ lệ lớn nhất trong phế phẩm (48,53%) và có hoạt tính enzyme bromelain cao (30,30 U/ml), dễ thu hồi và sử dụng, giúp tối ưu hóa hiệu quả thủy phân protein trong phụ phế phẩm cá tra.

  3. Điều kiện thủy phân tối ưu là gì?
    pH 6, thời gian 12 ngày, tỷ lệ vỏ dứa : cá tra là 0,75:1, lượng nước bổ sung 1:1. Điều kiện này đảm bảo enzyme hoạt động hiệu quả, tạo ra dịch thủy phân giàu đạm.

  4. Làm thế nào để bảo quản dịch thủy phân phân bón lá?
    Bổ sung 5-10% rỉ đường giúp ổn định dịch thủy phân, hạn chế hao hụt đạm trong quá trình bảo quản, kéo dài thời gian sử dụng sản phẩm.

  5. Phân bón lá này có thể áp dụng cho cây trồng khác ngoài rau cải không?
    Nghiên cứu hiện tại tập trung trên rau cải xanh, tuy nhiên, với thành phần dinh dưỡng và cơ chế cung cấp đạm, sản phẩm có tiềm năng áp dụng cho nhiều loại cây trồng khác, cần khảo nghiệm thêm để xác định hiệu quả cụ thể.

Kết luận

  • Phụ phế phẩm cá tra chứa hàm lượng N tổng số 2,34% và protein thô 14,64%, là nguồn nguyên liệu giàu đạm để sản xuất phân bón hữu cơ.
  • Enzyme bromelain có hoạt tính cao trong vỏ dứa (30,30 U/ml), phần phế phẩm chiếm tỷ lệ lớn trong quả dứa, phù hợp làm nguyên liệu thủy phân protein cá tra.
  • Quy trình thủy phân tối ưu gồm tỷ lệ vỏ dứa : cá tra 0,75:1, pH 6, thời gian 12 ngày, lượng nước bổ sung 1:1, tạo ra dịch thủy phân giàu đạm và ổn định khi bổ sung rỉ đường.
  • Sản phẩm phân bón lá từ dịch thủy phân phụ phế phẩm cá tra và vỏ dứa có hiệu quả tương đương phân bón thương mại trên cây rau cải xanh.
  • Đề xuất triển khai quy trình sản xuất phân bón hữu cơ từ phụ phế phẩm, mở rộng ứng dụng và phát triển mô hình xử lý phụ phế phẩm quy mô công nghiệp.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà sản xuất và cơ quan quản lý phối hợp triển khai quy trình sản xuất phân bón hữu cơ từ phụ phế phẩm, đồng thời mở rộng nghiên cứu ứng dụng trên các loại cây trồng khác nhằm phát triển nông nghiệp bền vững và thân thiện môi trường.