Luận văn về hiệu suất oligo carrageenan từ rong sụn kappaphycus alvarezii qua quá trình thủy phân bằng axit

• Tác giả: Nguyễn Thị Hồng
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Văn A
• Trường học: Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội
• Chuyên ngành: Công nghệ sinh học
• Đề tài: Nghiên cứu hiệu suất oligo carrageenan từ rong sụn Kappaphycus alvarezii thủy phân bằng axit
• Loại tài liệu: Luận văn tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

• MỞ ĐẦU
• 1. TỔNG QUAN VỀ CARRAGEENAN VÀ OLIGO CARRAGEENAN
• 1.1. Giới thiệu chung về carrageenan
• 1.2. Phân loại
• 1.3. Đặc trưng hóa học của carrageenan từ rong sụn Kappaphycus alvarezii
• 1.4. Oligo Carrageenan và ứng dụng
• 1.4.1. Oligo carrageenan
• 1.4.2. Ứng dụng của oligo carrageenan
• 1.4.2.1. Ứng dụng trong thực phẩm và y học
• 1.4.2.2. Phân bón từ oligo carrageenan có trọng lượng phân tử thấp
• 1.5. Các phương pháp thủy phân carrageenan thành oligo carrageenan
• 1.5.1. Phương pháp hóa học

I. Giới thiệu về rong sụn Kappaphycus alvarezii

Rong sụn Kappaphycus alvarezii là một trong những loại rong biển được nghiên cứu nhiều nhất do thành phần dinh dưỡng phong phú và khả năng phát triển tốt trong môi trường thủy sản. Nghiên cứu cho thấy rong sụn này có khả năng kích thích sự phát triển của cây trồng, tăng cường sức đề kháng và năng suất. Carrageenan, chiếm khoảng 40% trọng lượng khô của rong, là thành phần chính trong cấu trúc tế bào của rong. Carrageenan có nhiều ứng dụng trong ngành thực phẩm, mỹ phẩm và dược phẩm. Oligo carrageenan, được tạo ra từ quá trình thủy phân carrageenan, có vai trò quan trọng trong nông nghiệp như một chất kích thích sinh trưởng tự nhiên. Việc thủy phân carrageenan bằng axit có nhiều ưu điểm như tốc độ phản ứng nhanh và chi phí thấp, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất.

1.1. Thành phần hóa học của rong sụn

Thành phần hóa học của rong sụn Kappaphycus alvarezii bao gồm protein, cellulose, tro tổng và carrageenan. Trong đó, carrageenan chiếm tỷ lệ lớn nhất, khoảng 40%. Các sắc tố như phycobline và chlorophyll cũng có mặt, tạo nên màu sắc đặc trưng cho rong. Cấu trúc của rong sụn bao gồm phần lõi và phần da, với phần lõi chứa tế bào dinh dưỡng và phần da bảo vệ. Sự phong phú về thành phần hóa học giúp rong sụn trở thành nguồn nguyên liệu quý giá cho nhiều ứng dụng trong nông nghiệp và công nghiệp thực phẩm.

II. Tổng quan về carrageenan và oligo carrageenan

Carrageenan là một polysaccharide tự nhiên được chiết xuất từ rong biển đỏ, có nhiều loại như kappa, iota và lambda. Mỗi loại có cấu trúc và tính chất riêng, ảnh hưởng đến khả năng ứng dụng trong thực phẩm và nông nghiệp. Oligo carrageenan là sản phẩm của quá trình thủy phân carrageenan, có trọng lượng phân tử thấp hơn và dễ dàng hấp thụ hơn bởi cây trồng. Nghiên cứu cho thấy oligo carrageenan có khả năng kích thích sự phát triển của cây trồng, tăng cường sức đề kháng và cải thiện năng suất. Việc sử dụng oligo carrageenan trong nông nghiệp không chỉ giúp tăng trưởng cây trồng mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

2.1. Ứng dụng của oligo carrageenan

Oligo carrageenan có nhiều ứng dụng trong thực phẩm, y học và nông nghiệp. Trong thực phẩm, nó được sử dụng như một chất tạo gel và làm dày. Trong y học, oligo carrageenan có khả năng kháng ung thư và thúc đẩy khả năng chống oxy hóa. Trong nông nghiệp, oligo carrageenan được sử dụng như một chất kích thích sinh trưởng tự nhiên, giúp cây trồng phát triển tốt hơn và tăng cường sức đề kháng. Nghiên cứu cho thấy oligo carrageenan có thể thay thế các chất phụ gia hóa học, góp phần bảo vệ sức khỏe người tiêu dùng và môi trường.

III. Quy trình thủy phân carrageenan bằng axit

Quy trình thủy phân carrageenan bằng axit được thực hiện để tạo ra oligo carrageenan với hiệu suất cao. Các yếu tố như nồng độ axit, nhiệt độ và thời gian thủy phân ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm. Nghiên cứu cho thấy, việc tối ưu hóa các điều kiện này có thể tạo ra oligo carrageenan với trọng lượng phân tử phù hợp cho ứng dụng trong nông nghiệp. Thủy phân bằng axit sulfuric và axit ascorbic là hai phương pháp phổ biến, mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng. Thủy phân bằng axit có tốc độ phản ứng nhanh và chi phí thấp, trong khi thủy phân bằng enzyme có tính chọn lọc cao hơn.

3.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất thủy phân

Hiệu suất thủy phân carrageenan phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nồng độ axit, nhiệt độ và thời gian. Nghiên cứu cho thấy, nồng độ axit cao có thể làm tăng tốc độ phản ứng, nhưng cũng có thể tạo ra các sản phẩm phụ không mong muốn. Nhiệt độ thủy phân cũng cần được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo quá trình diễn ra hiệu quả. Thời gian thủy phân quá dài có thể dẫn đến sự phân hủy của oligo carrageenan, làm giảm chất lượng sản phẩm. Do đó, việc tối ưu hóa các điều kiện này là rất quan trọng để đạt được hiệu suất cao nhất.

IV. Thử nghiệm hiệu quả kích thích sinh trưởng của oligo carrageenan

Thử nghiệm hiệu quả kích thích sinh trưởng của oligo carrageenan trên cây trồng đã được thực hiện để đánh giá tác động của sản phẩm này. Kết quả cho thấy, oligo carrageenan có khả năng kích thích sự phát triển của cây ngô, làm tăng chiều cao và trọng lượng của cây. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, oligo carrageenan có thể cải thiện khả năng hấp thụ dinh dưỡng của cây, từ đó nâng cao năng suất. Việc sử dụng oligo carrageenan trong nông nghiệp không chỉ giúp tăng trưởng cây trồng mà còn góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.

4.1. Kết quả thử nghiệm trên cây ngô

Kết quả thử nghiệm cho thấy, khi sử dụng oligo carrageenan, cây ngô có sự phát triển vượt trội so với nhóm đối chứng. Cụ thể, chiều cao cây tăng lên đáng kể, và trọng lượng của cây cũng cao hơn. Điều này cho thấy oligo carrageenan có tác dụng tích cực trong việc kích thích sinh trưởng và phát triển của cây trồng. Các nghiên cứu tiếp theo cần được thực hiện để xác định cơ chế hoạt động của oligo carrageenan và mở rộng ứng dụng của nó trong nông nghiệp.

Tổng quan nghiên cứu

Rong sụn Kappaphycus alvarezii là nguồn nguyên liệu quý giá trong ngành nông nghiệp sinh học, đặc biệt được quan tâm để phát triển phân bón sinh học nhờ thành phần dinh dưỡng vượt trội và khả năng kích thích sinh trưởng cây trồng. Theo ước tính, carrageenan chiếm khoảng 40% trọng lượng khô của rong sụn này, đóng vai trò quan trọng trong việc tạo gel, làm dày và ổn định trong công nghiệp thực phẩm. Oligo carrageenan, sản phẩm thủy phân từ carrageenan, không chỉ kích thích sinh trưởng mà còn tăng sức đề kháng cho cây trồng, giúp chống chịu sâu bệnh và biến đổi thời tiết.

Mục tiêu nghiên cứu là xác định hiệu suất chiết, trọng lượng phân tử và đặc trưng cấu trúc của oligo carrageenan thu được bằng phương pháp thủy phân axit vô cơ (axit sulfuric) và axit hữu cơ (axit ascorbic) dưới các điều kiện khác nhau về nồng độ axit, nhiệt độ và thời gian. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào rong sụn Kappaphycus alvarezii thu hoạch tại huyện Ninh Hải, tỉnh Ninh Thuận vào năm 2018. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc xây dựng quy trình thủy phân tối ưu, phục vụ sản xuất phân bón lá sinh học, góp phần nâng cao năng suất và chất lượng cây trồng trong nông nghiệp bền vững.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu về cấu trúc hóa học và tính chất sinh học của carrageenan và oligo carrageenan. Carrageenan là polysaccharide dị thể của galactose sulfat, gồm các loại chính như kappa-, iota- và lambda-carrageenan, khác nhau về mức độ và vị trí sulfat hóa. Oligo carrageenan là sản phẩm thủy phân mạch ngắn của carrageenan, có khả năng kích thích sinh trưởng và tăng sức đề kháng cho cây trồng.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Carrageenan: Polysaccharide sulfat chiết xuất từ rong biển đỏ, có cấu trúc polymer mạch thẳng với liên kết glycoside xen kẽ.
• Oligo carrageenan: Các đoạn polysaccharide ngắn hơn, được tạo ra bằng thủy phân hóa học hoặc enzym, có trọng lượng phân tử thấp hơn 10 kDa.
• Thủy phân axit: Phương pháp cắt mạch carrageenan bằng axit vô cơ hoặc hữu cơ, ảnh hưởng đến hiệu suất và đặc trưng sản phẩm.
• Phân bón sinh học: Sản phẩm từ oligo carrageenan có tác dụng kích thích sinh trưởng và tăng cường sức đề kháng cho cây trồng.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là rong sụn Kappaphycus alvarezii thu hoạch tại Ninh Thuận năm 2018. Quy trình nghiên cứu gồm các bước:

• Phân tích thành phần hóa học: Xác định protein, lipid, tro, độ ẩm và carbohydrate tổng số bằng các phương pháp Kjeldahl, Folch, nung tro, sấy khô và phenol-sulfuric acid.
• Chiết carrageenan: Chiết carrageenan từ bột rong sụn bằng nước nóng, tủa bằng cồn và sấy khô.
• Thủy phân carrageenan: Sử dụng axit sulfuric và axit ascorbic với các điều kiện biến đổi về nồng độ (0,05-0,4 M), nhiệt độ (60-90°C) và thời gian (30-150 phút).
• Phân tích hiệu suất thủy phân: Đo hàm lượng carbohydrate tổng số trong dịch thủy phân để tính hiệu suất.
• Xác định trọng lượng phân tử trung bình: Sử dụng sắc ký thẩm thấu gel (GPC).
• Phân tích cấu trúc: Phổ hồng ngoại (FT-IR) để xác định đặc trưng cấu trúc carrageenan và oligo carrageenan.
• Thử nghiệm kích thích sinh trưởng: Phun dịch oligo carrageenan lên cây ngô, đánh giá chiều cao cây và năng suất hạt.

Cỡ mẫu và số lần phân tích đảm bảo độ tin cậy với ít nhất 3 lần lặp, xử lý số liệu bằng phần mềm Excel và Design Expert 10.8 với mô hình hồi quy đa biến và phương pháp tối ưu bề mặt đáp ứng (RSM).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Thành phần hóa học rong sụn: Rong sụn thu hoạch tại Ninh Thuận có hàm lượng carbohydrate 53,15%, tro 30,75%, độ ẩm 9,73%, protein 5,72% và lipid 0,65%. So với các nghiên cứu quốc tế, protein thấp hơn (10-47%), tro và lipid tương đương.

2. Hiệu suất thủy phân theo nồng độ axit:

   • Axit ascorbic tạo hiệu suất thủy phân cao hơn axit sulfuric ở cùng nồng độ.
   • Ở nồng độ 0,4 M, hiệu suất thủy phân đạt 55,6% với axit ascorbic và 46,65% với axit sulfuric.
   • Mối quan hệ giữa nồng độ axit và hiệu suất thủy phân là tuyến tính thuận với hệ số tương quan R ≥ 0,87.

3. Ảnh hưởng của thời gian thủy phân:

   • Thời gian tăng từ 30 đến 90 phút làm tăng hiệu suất thủy phân từ 40,9% lên 48,6% với axit ascorbic, và từ 38% lên 45,6% với axit sulfuric.
   • Thời gian 90 phút được chọn làm điều kiện tối ưu, với hiệu suất thủy phân dự đoán khoảng 49,75%.

4. Ảnh hưởng của nhiệt độ thủy phân:

   • Nhiệt độ tăng từ 60°C đến 90°C làm tăng hàm lượng carbohydrate tổng từ 7,18 g/L lên 9,72 g/L với axit ascorbic, tương ứng hiệu suất tăng 35,37%.
   • Với axit sulfuric, hiệu suất tăng từ 38,25% lên 45,65%.
   • Mối quan hệ tuyến tính thuận giữa nhiệt độ và hiệu suất thủy phân với hệ số tương quan R ≥ 0,97.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy axit ascorbic, một axit hữu cơ, có hiệu quả thủy phân carrageenan cao hơn axit sulfuric, axit vô cơ, trong cùng điều kiện thử nghiệm. Điều này có thể do tính chất axit nhẹ nhàng hơn, hạn chế tạo sản phẩm phụ không mong muốn và giảm ăn mòn thiết bị. Thời gian và nhiệt độ thủy phân có ảnh hưởng thuận chiều rõ rệt đến hiệu suất, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về thủy phân polysaccharide.

Phân tích thống kê cho thấy sự khác biệt về hiệu suất thủy phân giữa hai loại axit không có ý nghĩa thống kê lớn, tuy nhiên xu hướng ưu thế của axit ascorbic là rõ ràng. Các điều kiện tối ưu được xác định là nồng độ axit 0,2 M, thời gian 90 phút và nhiệt độ 90°C, cho hiệu suất thủy phân gần 50%, phù hợp để sản xuất oligo carrageenan làm phân bón sinh học.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường thể hiện mối quan hệ giữa nồng độ axit, thời gian, nhiệt độ với hiệu suất thủy phân, cũng như bảng so sánh thành phần hóa học rong sụn và hiệu suất thủy phân giữa các điều kiện.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng quy trình thủy phân bằng axit ascorbic 0,2 M, 90°C trong 90 phút để sản xuất oligo carrageenan làm phân bón lá, nhằm tối ưu hiệu suất chiết và chất lượng sản phẩm.

2. Phát triển sản phẩm phân bón sinh học dạng dung dịch phun lá chứa oligo carrageenan trọng lượng phân tử thấp (<10 kDa) để tăng cường sinh trưởng và sức đề kháng cây trồng, đặc biệt cho cây ngô và các cây trồng chính.

3. Khuyến khích nghiên cứu mở rộng thử nghiệm trên các loại cây trồng khác và trong điều kiện thực tế tại các vùng nông nghiệp khác nhau nhằm đánh giá hiệu quả và tính ứng dụng rộng rãi của sản phẩm.

4. Xây dựng hệ thống kiểm soát chất lượng sản phẩm oligo carrageenan bằng các phương pháp phân tích trọng lượng phân tử (GPC) và phổ hồng ngoại (FT-IR) để đảm bảo tính đồng nhất và hiệu quả sản phẩm.

5. Khuyến nghị các cơ quan quản lý và doanh nghiệp nông nghiệp hỗ trợ phát triển công nghệ chiết xuất và thủy phân rong sụn nhằm thúc đẩy sản xuất phân bón sinh học thân thiện môi trường, góp phần phát triển nông nghiệp bền vững trong vòng 2-3 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành công nghệ sinh học, hóa học và nông nghiệp: Nghiên cứu về polysaccharide, thủy phân sinh học và ứng dụng phân bón sinh học.

2. Doanh nghiệp sản xuất phân bón sinh học và công nghệ sinh học: Áp dụng quy trình thủy phân và phát triển sản phẩm phân bón mới từ rong biển.

3. Cơ quan quản lý nông nghiệp và môi trường: Xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển phân bón hữu cơ, giảm thiểu sử dụng phân hóa học.

4. Nông dân và nhà sản xuất nông nghiệp: Áp dụng phân bón lá từ oligo carrageenan để nâng cao năng suất, chất lượng cây trồng và tăng sức đề kháng.

Câu hỏi thường gặp

1. Oligo carrageenan là gì và có tác dụng gì trong nông nghiệp?
   Oligo carrageenan là sản phẩm thủy phân mạch ngắn của carrageenan, có khả năng kích thích sinh trưởng cây trồng, tăng cường sức đề kháng chống sâu bệnh và cải thiện năng suất.

2. Tại sao chọn axit ascorbic và axit sulfuric để thủy phân?
   Axit ascorbic là axit hữu cơ thân thiện môi trường, hiệu quả thủy phân cao; axit sulfuric là axit vô cơ phổ biến, chi phí thấp, giúp so sánh hiệu quả giữa hai loại axit.

3. Điều kiện thủy phân tối ưu là gì?
   Nồng độ axit 0,2 M, nhiệt độ 90°C, thời gian 90 phút cho hiệu suất thủy phân gần 50%, phù hợp để sản xuất oligo carrageenan chất lượng cao.

4. Làm thế nào xác định trọng lượng phân tử của oligo carrageenan?
   Sử dụng sắc ký thẩm thấu gel (GPC) để đo trọng lượng phân tử trung bình, giúp đánh giá mức độ cắt mạch và chất lượng sản phẩm.

5. Ứng dụng thực tế của oligo carrageenan trong nông nghiệp?
   Phun phân bón lá chứa oligo carrageenan giúp tăng chiều cao cây, năng suất hạt, cải thiện khả năng chống chịu sâu bệnh và điều kiện thời tiết khắc nghiệt.

Kết luận

• Rong sụn Kappaphycus alvarezii chứa hàm lượng carbohydrate cao (53,15%) và carrageenan chiếm khoảng 40% trọng lượng khô, là nguyên liệu tiềm năng cho phân bón sinh học.
• Thủy phân carrageenan bằng axit ascorbic và axit sulfuric cho hiệu suất thủy phân tối ưu khoảng 50% ở điều kiện 0,2 M axit, 90°C, 90 phút.
• Oligo carrageenan thu được có trọng lượng phân tử thấp, phù hợp làm chất kích thích sinh trưởng và tăng sức đề kháng cho cây trồng.
• Quy trình thủy phân và phân tích cấu trúc sản phẩm được xây dựng bài bản, có thể áp dụng trong sản xuất phân bón sinh học tại Việt Nam.
• Khuyến nghị tiếp tục nghiên cứu mở rộng ứng dụng trên các loại cây trồng và phát triển sản phẩm phân bón thân thiện môi trường.

Next steps: Triển khai thử nghiệm quy mô lớn trên đồng ruộng, hoàn thiện quy trình sản xuất công nghiệp và đánh giá tác động kinh tế - môi trường.

Call to action: Các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp trong lĩnh vực nông nghiệp sinh học nên hợp tác phát triển công nghệ và sản phẩm phân bón từ oligo carrageenan để thúc đẩy nông nghiệp bền vững.