CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tình hình nghiên cứu 1. Trên thế giới Trong những thập kỷ qua, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện nhằm phát triển các loại phân bón giải phóng chậm và có kiểm soát, nhằm đồng thời nâng cao hiệu quả và giảm tác động đến môi trường. So với cách sử dụng thông thường, hệ thống giải phóng chậm cho phép hấp thụ chất dinh dưỡng phù hợp với vòng đời của cây, giảm tần suất bón phân và tránh các tác động tiêu cực đến môi trường.
Trong nghiên cứu này, hydrogel dựa trên tinh bột từ ngô, sắn ngọt và sắn đắng được điều chế bằng phương pháp tiếp cận đơn giản. Việc nghiên cứu tổng hợp vật liệu hydrogel đã được thực hiện thành công vào năm 2019 bởi Orietta León và cộng sự [3]. Nhóm nghiên cứu này đã tạo hydrogel bằng quá trình oxy hóa sử dụng hệ thống oxy hóa khử. Sau đó các mẫu hydrogel thu được cũng như tinh bột nguyên chất được đặc trưng rộng rãi bằng kính hiển vi điện tử quét, phân tích nhiệt trọng lượng và tán xạ tia X góc rộng, cùng nhiều phương pháp khác.
Các mẫu thể hiện đặc tính kháng polyelectrolyte và khả năng hấp thụ nước tăng lên ở độ pH cơ bản khi các nhóm cacboxylic bị ion hóa. Hydrogel cũng được nạp ure, kali nitrat và amoni sunfat làm phân bón mẫu và khả năng giải phóng có kiểm soát của chúng đã được nghiên cứu. Giống với nhóm nghiên cứu Orietta León về nguyên liệu sử dụng, vào năm 2016 Dongling Qiao và cộng sự [4], đã nghiên cứu để tăng cường hiệu quả của phân bón, một loại phân bón giải phóng chậm hai lớp mới đã được phát triển bằng cách sử dụng ethyl cellulose (EC) làm lớp phủ bên trong và polymer siêu hấp thụ gốc tinh bột (starch-SAP) làm lớp phủ bên ngoài. Đối với tinh bột-SAP được tổng hợp bởi máy trộn 2 trục sử dụng tinh bột từ ba nguồn gốc thực vật, kích thước lưới giảm và kích thước gel fractal tăng ở quy mô nano (tức là tăng độ căng của mạng 3D) góp phần tăng khả năng hấp thụ nước với tốc độ hấp thụ giảm và do đó cải thiện tính chất giải phóng chậm của phân bón.
Các hạt phân bón được phủ tinh bột-SAP hiển thị tốt các hành vi giải phóng chậm. Trong đất, so với các hạt ure không có và có lớp phủ EC, các hạt được phủ thêm tinh bột-SAP cho thấy tốc độ giải phóng nitơ giảm. Đặc biệt, những hạt có lớp phủ SAP tinh bột khoai tây thể hiện hành vi giải phóng ổn định trong khoảng thời gian dài hơn 96 giờ. Do đó, công trình này đã chứng minh tiềm năng của hệ thống phân bón giải phóng chậm mới này trong việc nâng cao hiệu quả của phân bón.
Vào năm 2020, nhóm nghiên cứu của A. Sofyane và cộng sự [5] đã nghiên cứu để sử dụng biocomposite tinh bột axetat/glycerol/polyvinyl alcohol để làm vật liệu giải phóng chất dinh dưỡng. Nghiên cứu đã thành công trong việc phát triển các màng bọc phân bón sử dụng biocomposite SA/PVA/GLY. Các màng này giúp kiểm soát quá trình 1 giải phóng P và N từ phân bón DAP, với các lớp bọc dày hơn làm chậm quá trình giải phóng dinh dưỡng hơn.
Kết quả này cho thấy tiềm năng ứng dụng của các biocomposite này trong sản xuất phân bón giải phóng chậm, góp phần cải thiện hiệu quả sử dụng phân bón và giảm thiểu tác động môi trường. Khác hoàn toàn so với các nghiên cứu trước, một nghiên cứu mới được thực hiện bởi Xiaoming Xiao và cộng sự [6], tổng hợp vật liệu hydrogel bằng quy trình một bước trộn nóng chảy phản ứng dựa trên tinh bột (SBSAP) để giải phóng chậm ure làm phân bón. Nhóm cũng đã nghiên cứu ảnh hưởng của chất khơi mào (ceric ammonium nitrat, hoặc CAN), chất liên kết ngang (N,N'-methylene-bisacrylamide, hoặc N,N'-MBA) và chất xà phòng hóa (NaOH) trong các điều kiện phản ứng khác nhau (thời gian, nhiệt độ và độ cắt) cường độ) đến tính chất của vật liệu hydrogel. Kết quả cho thấy rằng vật liệu hydrogel giải phóng lượng ure dưới 15% trong vòng 1 ngày, tỷ lệ giải phóng sau 30 ngày vượt quá 80% và thời gian giải phóng kéo dài hơn 45 ngày.
Ở Việt Nam Việc nghiên cứu chế tạo các loại vật liệu có khả năng mang phân bón giải phóng chậm ứng dụng cho ngành nông nghiệp của Việt Nam đang được các nhà nghiên cứu trong nước đẩy mạnh. Dương Hoa Xô và cộng sự, đã nghiên cứu vật liệu hydrogel từ carboxylmethyl cellulose (CMC) và polyacrylamide (PAM), sử dụng kỹ thuật bức xạ để thực hiện các quá trình polymer hóa và biến tính để khâu mạng để tạo ra vật liệu có giá trị sử dụng cao. Nghiên cứu đã chế tạo thành công vật liệu hydrogel cố định dinh dưỡng từ 20% CMC, 20% PAM, 1% oligoalginate bằng phương pháp chiếu xạ, với hàm lượng gel 61.9%, độ trương là 187. Khi bổ sung vật liệu này vào đất trồng đã làm giảm đáng kể sự thoát hơi nước mà còn làm tăng sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng [7].
Trong nghiên cứu này, Võ Thị Thanh và cộng sự [8], nghiên cứu đã thành công trong việc tổng hợp hydrogel từ cellulose chiết xuất từ bã trà thông qua phản ứng đồng trùng hợp với acid acrylic. Quá trình tổng hợp được thực hiện bằng cách sử dụng N,N’- methylenebisacrylamide làm chất tạo lưới và ammonium persulfate làm chất khởi đầu. Vật liệu thu được đã được đặc trưng về cấu trúc và hình thái bề mặt bằng các kỹ thuật FTIR, BET và SEM. Kết quả nghiên cứu cho thấy hydrogel có khả năng hấp phụ methylene xanh vượt trội, đạt hiệu suất loại bỏ tối đa lên đến 98.89% ở pH 10 và nồng độ ban đầu 50 ppm.
Khả năng tái sử dụng của vật liệu cho thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải. Mục tiêu nghiên cứu Tận dụng phế phẩm nông nghiệp hạt bơ Booth sẵn có tại Việt Nam có trữ lượng lớn để sản xuất polymer có khả năng phân hủy sinh học – tinh bột, sử dụng Na2S2O5 làm chất tẩy trắng cho tinh bột. Qua đó đánh giá được sự ảnh hưởng của nồng độ chất làm sạch đến hiệu suất, tính chất hóa lý của tinh bột chiết xuất được. Từ đó sử dụng tinh bột chiết xuất được để tổng hợp vật liệu hydrogel, đánh giá ảnh hưởng nồng độ chất tạo nối ngang axit itaconic đến các tính chất hóa lý của vật liệu hydrogel.
Thông qua các thí nghiệm và phân tích từ đó xác định được tỉ lệ các chất để tạo ra loại vật liệu mới có khả năng ứng dụng cao trong lĩnh vực nông nghiệp thông minh. Nội dung nghiên cứu Nội dung 1: Chuẩn bị nguyên liệu, nghiên cứu các phương pháp chiết xuất tinh bột từ hạt bơ. Nội dung 2: Khảo sát các nồng độ chất tẩy trắng và phân tích các tính chất hóa lý cũng như đánh giá khả năng ứng dụng của tinh bột đã được chiết xuất. Nội dung 3: Nghiên cứu và đánh giá tính chất hóa lý của vật liệu hydrogel dựa trên tinh bột hạt bơ kết hợp với chất khâu mạng axit itaconic.
Nội dung 4: Đánh giá khả năng ứng dụng của hydrogel từ tinh bột hạt bơ đã tổng hợp làm vật liệu mang phân bón giải phóng chậm có khả năng ứng dụng cho nông nghiệp. Ý nghĩa thực tiễn Việc giảm thiểu rác thải bơ sau thu hoạch và chế biến có ý nghĩa quan trọng, vì vỏ và hạt bơ tạo điều kiện lý tưởng cho vi sinh vật phát triển, gây hại cho môi trường và chứa mầm bệnh tiềm ẩn cho con người. Tinh bột chiết xuất từ hạt bơ Booth có thể trở thành một sản phẩm có tính ứng dụng rộng rãi, làm đa dạng nguồn nguyên liệu tinh bột và là nguyên liệu đầu vào cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Việc này không chỉ giảm chi phí xử lý rác thải mà còn mang lại giá trị kinh tế đáng kể, đồng thời cải thiện môi trường một cách tích cực.
Ngoài ra, nghiên cứu và chế tạo vật liệu hydrogel có khả năng mang phân bón giải phóng chậm mở ra tiềm năng lớn cho việc phát triển và ứng dụng một loại vật liệu sinh học mới, thay thế các loại phân bón truyền thống hiện có trên thị trường. Ý nghĩa khoa học: sử dụng các phương pháp đơn giản và thân thiện với môi trường để biến đổi các phế phẩm nông nghiệp hạt bơ sau thu hoạch thành một polymer có khả năng phân hủy sinh học giá trị cao, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Chế tạo thành công vật liệu hydrogel đáp ứng mọi yêu cầu để ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp thông minh. 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.
Tổng quan về nguyên liệu chính 2. Giới thiệu về bơ Booth và sản lượng bơ tại Việt Nam Bơ Booth có nguồn gốc từ Mỹ, được phát hiện bởi William Booth tại bang Florida vào năm 1927 và chính thức ra mắt thị trường vào năm 1935. Sau đó, giống bơ này được lan rộng ra nhiều quốc gia trên thế giới, đặc biệt là các khu vực có điều kiện thích hợp cho trồng bơ như: Cuba, Mexico, Guatemala, Úc, New Zealand, Thái Lan và Việt Nam [9]. Ở Việt Nam, cây bơ có giá trị kinh tế cao và được trồng rộng rãi, đặc biệt tại các tỉnh Tây Nguyên như Lâm Đồng, Đắk Lắk, Đắk Nông, Gia Lai, và Kon Tum.
Diện tích trồng bơ tại đây đang không ngừng mở rộng nhờ sự quan tâm của người nông dân. Bơ Việt Nam có chất lượng và sản lượng không hề thua kém so với các quốc gia xuất khẩu bơ lớn trên thế giới [10]. Theo thống kê từ Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn tỉnh Lâm Đồng, tổng diện tích trồng bơ trong tỉnh đã đạt khoảng 8067 ha. Trong số này, giống bơ 034 chiếm phần lớn với diện tích 6557 ha (81.3%), bơ Booth chiếm khoảng 900 ha (11.2%), còn lại là các giống bơ khác với tỷ lệ 7.
Hiện nay, tổng sản lượng bơ toàn tỉnh đạt khoảng 79961 tấn mỗi năm. Mỗi giống bơ có các đặc điểm sinh trưởng và thời gian thu hoạch khác nhau, khiến mùa vụ bơ tại Lâm Đồng kéo dài từ tháng 4 đến tháng 11, với nhiều loại bơ đa dạng. Đây là yếu tố thuận lợi giúp Lâm Đồng có lợi thế trong việc cung cấp bơ ra thị trường so với nhiều khu vực khác trong cả nước [10]. Đắk Lắk hiện là tỉnh có diện tích trồng bơ lớn thứ hai trên cả nước chỉ sau Lâm Đồng và dẫn đầu về sản lượng với gần 90000 tấn, chiếm 40.6% tổng sản lượng bơ cả nước.
Giai đoạn 2018-2021, diện tích trồng bơ tại Đắk Lắk đã tăng mạnh, đạt 9146 ha vào năm 2021, tăng 3540 ha so với năm 2018.