Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu sử dụng phân bón trong nông nghiệp ngày càng tăng cao nhằm nâng cao năng suất và chất lượng cây trồng. Theo báo cáo ngành, chỉ riêng quý 1 năm 2017, Việt Nam đã chi khoảng 338 triệu USD để nhập khẩu 1,22 triệu tấn phân bón, chủ yếu là phân vô cơ. Tuy nhiên, việc lạm dụng phân vô cơ gây ra nhiều hệ lụy như ô nhiễm môi trường đất, tăng hàm lượng NO3 trong nông sản, ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Xu hướng sản xuất nông nghiệp hữu cơ đang được khuyến khích nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực này. Trong khi đó, ngành nuôi trồng thủy sản, đặc biệt là cá tra, đóng góp lớn cho nền kinh tế Việt Nam với sản lượng ước đạt 1,15 triệu tấn năm 2016 tại khu vực Đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL). Phụ phế phẩm cá tra chiếm khoảng 65-70% trọng lượng thân cá, tương đương khoảng 700.000 tấn mỗi năm, phần lớn bị bỏ phí hoặc gây ô nhiễm môi trường.

Đề tài “Sản xuất phân bón lá từ phụ phế phẩm nông nghiệp” tập trung nghiên cứu quy trình tận dụng phụ phế phẩm cá tra và vỏ dứa để sản xuất phân bón lá hữu cơ, góp phần giảm thiểu ô nhiễm và cung cấp phân bón sạch cho nền nông nghiệp hữu cơ. Mục tiêu cụ thể bao gồm xác định hàm lượng đạm 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, đồng thời đánh giá hiệu quả phân bón trên cây rau cải trồng ngoài đồng. Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 8 năm 2017, tại các nhà máy chế biến cá tra ở An Giang và nhà máy chế biến dứa ở Tiền Giang.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ sản xuất phân bón hữu cơ từ nguồn nguyên liệu phụ phế phẩm nông nghiệp dồi dào, góp phần giảm chi phí nhập khẩu phân bón, bảo vệ môi trường và thúc đẩy sản xuất 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 sau:

  • Lý thuyết enzyme protease và quá trình thủy phân protein: Enzyme bromelain, một loại protease thực vật có trong quả dứa, có khả năng thủy phân protein thành các peptide và acid amin dễ hấp thu, giúp chuyển đổi phụ phế phẩm cá tra giàu protein thành dịch đạm hữu ích cho cây trồng. Hoạt tính enzyme phụ thuộc vào các yếu tố như pH, nhiệt độ, nồng độ enzyme và thời gian phản ứng.

  • Mô hình sản xuất phân bón hữu cơ từ phụ phế phẩm: Tận dụng nguồn nguyên liệu phụ phế phẩm cá tra và vỏ dứa, sử dụng enzyme bromelain để thủy phân, phối trộn và ổn định dịch thủy phân bằng rỉ đường, bổ sung các nguyên tố đa vi lượng cần thiết để tạo thành chế phẩm phân bón lá.

  • Khái niệm chính:

    • Đạm tổng số (Total Nitrogen): Tổng lượng nitơ có trong mẫu, xác định bằng phương pháp Kjeldahl.
    • Đạm formol (Formol Nitrogen): Lượng nitơ có trong các hợp chất amin tự do, xác định bằng phương pháp Sorensen.
    • Hoạt tính enzyme bromelain: Đo bằng phương pháp Anson cải tiến dựa trên khả năng thủy phân casein.
    • pH tối ưu: Mức pH tạo điều kiện thuận lợi nhất cho hoạt động enzyme bromelain trong quá trình thủy phân.
    • Tỷ lệ nguyên liệu: Tỷ lệ khối lượng giữa vỏ dứa và phụ phế phẩm cá tra ảnh hưởng đến hiệu quả thủy phân.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Phụ phế phẩm cá tra được thu thập từ các nhà máy chế biến phi lê tại tỉnh An Giang; phế phẩm dứa lấy từ các nhà máy chế biến đóng hộp tại tỉnh Tiền Giang và chợ TP. Hồ Chí Minh.

  • Phương pháp phân tích:

    • Xác định đạm tổng số bằng phương pháp Kjeldahl.
    • Xác định đạm formol bằng phương pháp Sorensen.
    • Đo hoạt tính enzyme bromelain bằng phương pháp Anson cải tiến.
    • Điều chỉnh các yếu tố pH, tỷ lệ nguyên liệu, lượng nước bổ sung và thời gian thủy phân để khảo sát ảnh hưởng đến quá trình thủy phân.
    • Ổn định dịch thủy phân bằng rỉ đường để hạn chế hao hụt đạm.
    • Phối chế dịch thủy phân thành chế phẩm phân bón lá bổ sung EDTA-sắt.
    • Khảo nghiệm hiệu quả phân bón trên cây rau cải xanh trồng ngoài đồng.

  • Thiết kế thí nghiệm: Các thí nghiệm được bố trí theo kiểu hoàn toàn ngẫu nhiên (CRD) với 3-5 nghiệm thức, mỗi nghiệm thức lập lại 3 lần. Cỡ mẫu mỗi nghiệm thức khoảng 20g nguyên liệu, thời gian ủ từ 3 đến 15 ngày tùy thí nghiệm.

  • Timeline nghiên cứu: Thực hiện từ tháng 2 đến tháng 8 năm 2017, bao gồm các giai đoạn thu thập nguyên liệu, thí nghiệm phòng lab, ổn định dịch thủy phân, phối chế phân bón và khảo nghiệm thực địa.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hàm lượng đạm và protein trong phụ phế phẩm cá tra:

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

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

    • Vỏ dứa chiếm tỷ lệ lớn nhất trong phế phẩm (48,53%) và có hoạt tính enzyme bromelain đạt 30,30 U/ml.
    • Chồi ngọn có hoạt tính enzyme cao nhất (38,40 U/ml) nhưng tỷ lệ khối lượng thấp hơn (15,31%).
    • Thịt và lõi dứa có hoạt tính enzyme lần lượt là 35,70 U/ml và 24,60 U/ml.
    • Do tỷ lệ vỏ dứa cao và dễ thu hồi, vỏ dứa được chọn làm nguồn enzyme thủy phân.

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

    • Tỷ lệ vỏ dứa: cá tra 0,75:1 (w/w) cho hàm lượng đạm tổng số và đạm formol cao nhất sau 7 ngày ủ.
    • Tỷ lệ này tối ưu cho hiệu suất thủy phân protein, tăng lượng đạm hòa tan trong dịch thủy phân.

  4. Ảnh hưởng của lượng nước bổ sung:

    • Tỷ lệ nước bổ sung so với hỗn hợp vỏ dứa và cá tra là 1:1 (v/w) tối ưu cho quá trình thủy phân, giúp enzyme hoạt động hiệu quả và tăng hàm lượng đạm tổng số.

  5. Ảnh hưởng của pH đến hoạt động enzyme bromelain:

    • pH tối ưu cho quá trình thủy phân là 6, tại điều kiện này hàm lượng đạm tổng số và đạm formol đạt giá trị cao nhất.
    • pH thấp hoặc cao hơn làm giảm hoạt tính enzyme và hiệu quả thủy phân.

  6. Ảnh hưởng của thời gian thủy phân:

    • Thời gian thủy phân tối ưu là 12 ngày, sau thời gian này hàm lượng đạm không tăng đáng kể.
    • Quá trình thủy phân kéo dài giúp enzyme phân giải protein hiệu quả, tạo ra dịch đạm giàu acid amin.

  7. Ổn định 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.

  8. Hiệu quả phân bón lá trên cây rau cải:

    • 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 cải xanh đều tăng rõ rệt so với đối chứng phun nước lã.
    • Ví dụ, năng suất cải xanh tăng khoảng 15-20% so với đối chứng.

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. Việc sử dụng enzyme bromelain từ vỏ dứa tận dụng được nguồn enzyme tự nhiên, giảm chi phí và thân thiện môi trường. Tỷ lệ nguyên liệu, lượng nước, pH và thời gian thủy phân là các yếu tố quyết định hiệu quả thủy phân protein, tương tự như các nghiên cứu trong và ngoài nước về sử dụng protease thủy phân phụ phẩm cá.

Việc bổ sung rỉ đường giúp ổn định dịch thủy phân, hạn chế mất đạm do vi sinh vật hoặc phản ứng hóa học không mong muốn. Khảo nghiệm thực địa trên cây rau cải cho thấy phân bón lá sản xuất từ dịch thủy phân có khả năng kích thích sinh trưởng và tăng năng suất cây trồng, phù hợp với xu hướng phát triển nông nghiệp hữu cơ và bền vững.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ thể hiện sự biến đổi hàm lượng đạm tổng số và đạm 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 phân bón.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng quy trình sản xuất phân bón lá từ phụ phế phẩm cá tra và vỏ dứa với tỷ lệ 0,75:1, pH 6, thời gian thủy phân 12 ngày và lượng nước bổ sung 1:1.

    • Mục tiêu: Tối ưu hiệu quả thủy phân và chất lượng phân bón.
    • Thời gian thực hiện: Ngay trong các cơ sở chế biến cá tra và dứa.
    • Chủ thể thực hiện: Các nhà máy chế biến thủy sản và nông sản.

  2. Bổ sung rỉ đường 5-10% để ổn định dịch thủy phân trong quá trình bảo quản.

    • Mục tiêu: Giảm hao hụt đạm, duy trì chất lượng phân bón trong thời gian dài.
    • Thời gian thực hiện: Trong quá trình phối trộn và bảo quản dịch thủy phân.
    • Chủ thể thực hiện: Nhà sản xuất phân bón hữu cơ.

  3. Khuyến khích sử dụng phân bón lá sản xuất từ phụ phế phẩm trong sản xuất rau an toàn và nông nghiệp hữu cơ.

    • Mục tiêu: Giảm sử dụng phân vô cơ, bảo vệ môi trường và sức khỏe người tiêu dùng.
    • Thời gian thực hiện: Áp dụng trong các vụ mùa tiếp theo.
    • Chủ thể thực hiện: Nông dân, hợp tác xã nông nghiệp, doanh nghiệp phân bón.

  4. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng phân bón lá từ phụ phế phẩm cho các loại cây trồng khác và quy mô sản xuất công nghiệp.

    • Mục tiêu: Đa dạng hóa sản phẩm, nâng cao giá trị kinh tế và bảo vệ môi trường.
    • Thời gian thực hiện: 1-2 năm tiếp theo.
    • Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu, trường đại học, doanh nghiệp công nghệ sinh học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Công nghệ sinh học, Nông học, Công nghệ thực phẩm:

    • Lợi ích: Hiểu rõ quy trình thủy phân protein bằng enzyme thực vật, ứng dụng trong sản xuất phân bón hữu cơ.
    • Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu liên quan đến enzyme và phân bón sinh học.

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

    • Lợi ích: Tận dụng phụ phế phẩm để tạo ra sản phẩm giá trị gia tăng, giảm chi phí xử lý chất thải.
    • Use case: Áp dụng quy trình sản xuất phân bón lá từ phụ phế phẩm trong quy trình sản xuất.

  3. Nhà sản xuất và phân phối phân bón hữu cơ:

    • Lợi ích: Nắm bắt công nghệ mới, nâng cao chất lượng sản phẩm phân bón hữu cơ, đáp ứng nhu cầu thị trường.
    • Use case: Phát triển sản phẩm phân bón lá thân thiện môi trường, hiệu quả cao.

  4. Nông dân và hợp tác xã nông nghiệp:

    • Lợi ích: Tiếp cận phân bón hữu cơ chất lượng, giảm chi phí đầu vào, nâng cao năng suất và chất lượng cây trồng.
    • Use case: Sử dụng phân bón lá từ phụ phế phẩm trong sản xuất rau an toàn và nông nghiệp hữu cơ.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phân bón lá từ phụ phế phẩm cá tra và vỏ dứa có hiệu quả như thế nào so với phân bón thương mại?

    • Kết quả khảo nghiệm cho thấy phân bón lá này có hiệu quả tương đương phân bón Sen Trắng trên thị trường, giúp tăng chiều cao cây, số lá và năng suất rau cải khoảng 15-20%.

  2. Tại sao chọn vỏ dứa làm nguồn enzyme bromelain thay vì các bộ phận khác của quả dứa?

    • 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 tận dụng hiệu quả hơn so với các bộ phận khác.

  3. Quá trình thủy phân phụ phế phẩm cá tra bằng enzyme bromelain cần điều kiện nào tối ưu?

    • Điều kiện tối ưu gồm pH = 6, tỷ lệ vỏ dứa: cá tra = 0,75:1, lượng nước bổ sung 1:1, thời gian thủy phân 12 ngày ở nhiệt độ phòng thí nghiệm.

  4. Làm thế nào để ổn định dịch thủy phân trong quá trình bảo quản?

    • Bổ sung rỉ đường với tỷ lệ 5-10% giúp hạn chế hao hụt đạm và duy trì chất lượng dịch thủy phân trong thời gian bảo quản ít nhất 1 tháng.

  5. Phân bón lá sản xuất từ phụ phế phẩm có thể áp dụng cho những loại cây trồng nào?

    • Nghiên cứu đã khảo nghiệm trên cây rau cải xanh, tuy nhiên quy trình có thể mở rộng áp dụng cho nhiều loại rau ăn lá và cây trồng khác trong nông nghiệp hữu cơ.

Kết luận

  • Phụ phế phẩm cá tra chứa hàm lượng đạm tổng số 2,34% và protein thô 14,64%, là nguồn nguyên liệu quý giá 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, thuận lợi cho thu hồi enzyme.
  • Quy trình thủy phân tối ưu gồm tỷ lệ vỏ dứa: cá tra 0,75:1, pH 6, lượng nước bổ sung 1:1 và thời gian 12 ngày.
  • Phân bón lá sản xuất từ dịch thủy phân phụ phế phẩm cá tra và vỏ dứa có hiệu quả tương đương phân bón thương mại, thúc đẩy sự phát triển của cây rau cải.
  • Đề xuất áp dụng quy trình sản xuất và sử dụng phân bón lá từ phụ phế phẩm nhằm giảm ô nhiễm môi trường, tiết kiệm chi phí và phát triển nông nghiệp bền vững.

Next steps: Mở rộng nghiên cứu ứng dụng cho các loại cây trồng khác, phát triển quy mô sản xuất công nghiệp và khảo nghiệm lâu dài trên thực địa.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và nông dân nên hợp tác triển khai ứng dụng công nghệ này để tận dụng nguồn phụ phế phẩm dồi dào, góp phần phát triển nền nông nghiệp hữu cơ tại Việt Nam.