Tải bản đầy đủ

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CHITOSAN TRỌNG LƯỢNG PHÂN TỬ THẤP BẰNG KỸ THUẬT BỨC XẠ ỨNG DỤNG TRONG NUÔI TRỒNG THỦY CANH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CHITOSAN TRỌNG LƯỢNG PHÂN
TỬ THẤP BẰNG KỸ THUẬT BỨC XẠ ỨNG DỤNG
TRONG NUÔI TRỒNG THỦY CANH

Ngành học

: CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Sinh viên thực hiện

: NGUYỄN CÔNG CHÍNH

Niên khóa

: 2005-2009


Tháng 2 năm 2010


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CHITOSAN TRỌNG LƯỢNG PHÂN
TỬ THẤP BẰNG KỸ THUẬT BỨC XẠ ỨNG DỤNG
TRONG NUÔI TRỒNG THỦY CANH

Hướng dẫn khoa học

Sinh viên thực hiện

TS. LÊ QUANG LUÂN

NGUYỄN CÔNG CHÍNH

Tháng 2 năm 2010


LỜI CẢM ƠN

Con xin bày tỏ lòng biết ơn đến ba mẹ, anh, em trong gia đình, những người luôn luôn
bên cạnh và giúp đỡ con trong những lúc khó khăn nhất. Cháu cũng xin gửi lời cảm ơn chân
thành đến gia đình chú Khải đã giúp đỡ cháu rất nhiều trong quá trình thực hiện khóa luận.
Em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Ban Giám Hiệu trường Đại học Nông Lâm Thành
phố Hồ Chí Minh, Ban chủ nhiệm Khoa Công Nghệ Sinh Học, cùng tất cả các quý thầy cô đã
tận tâm dạy dỗ, truyền đạt những tri thức khoa học và kinh nghiệm quý báu cho em trong suốt
quá trình rèn luyện học tập tại trường.
Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn đến thầy Lê Quang Luân đã tạo điều kiện tốt nhất,
tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt thời gian thực hiện khóa luận tốt nghiệp và bước
đầu nghiên cứu khoa học.
Em xin gửi đến, chị Uyên, cô Hà hiện đang làm việc tại Trung tâm Hạt nhân Tp. Hồ
Chí Minh lời cảm ơn chân thành nhất. Em xin cám ơn các anh chị làm việc tại Công ty Cổ
phần Sài gòn Thủy canh đã nhiệt tình giúp đỡ em trong thời gian thực hiện khóa luận này.
Cám ơn các bạn cùng làm tại Trung tâm hạt Nhân Tp. Hồ Chí Minh cũng như các bạn
lớp DH05SH đã giúp đỡ tôi trong thời gian thực hiện khóa luận này.


Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn tất cả.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 2 năm 2010
Sinh viên
Nguyễn Công Chính

iii


TÓM TẮT
Nguyễn Công Chính, Tháng 8/2009. “NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CHITOSAN
TRỌNG LƯỢNG PHÂN TỬ THẤP BẰNG KỸ THUẬT BỨC XẠ ỨNG DỤNG
TRONG NUÔI TRỒNG THỦY CANH”
Giáo viên hướng dẫn: TS. Lê Quang Luân.
Đề tài được thực hiện từ tháng 3 năm 2009 đến tháng 7 năm 2009 tại Phòng
Sinh học, Trung tâm Hạt nhân Thành phố Hồ Chí Minh, 405-407 Cách Mạng Tháng 8,
Quận 10, Thành phố Hồ Chí Minh và Công ty Cổ phần Sài gòn Thủy canh, 290/198
Nơ Trang Long, Quận Bình Thạnh, Thành phố Hồ Chí Minh.
Đề tài thu được các kết quả sau:
Qui trình chế tạo oligochitosan từ vỏ tôm:
Xử lí vỏ tôm trong dung dịch HCl 4% ở nhiệt độ thường trong 3 giờ sẽ đạt độ
đề khoáng tối đa là 51,13%. Sau khi loại khoáng, vỏ tôm sẽ được xử lí với dung dịch
NaOH 4% trong 2 giờ ở nhiệt độ từ 70 – 90 0C sẽ đạt độ đề protein tối đa là 36,41%.
Tiếp tục đề acetyl từ chitin tạo chitosan thích hợp ở nhiệt độ 110 0C trong dung dịch
NaOH 40% ở thời gian phản ứng là 3 giờ để đạt độ đề acetyl là 80%.
Chế tạo oligochitosan bằng kỹ thuật bức xạ: trọng lượng phân tử chitosan giảm
theo liều bức xạ. Cụ thể trọng lượng phân tử chitosan giảm nhanh ở khoảng liều chiếu
xạ từ 25 – 50 kGy sau đó chậm dần, gần như không thay đổi ở liều chiếu xạ 100 kGy
và đạt 11,5 kDa ở liều chiếu xạ 150 kGy.
Khảo sát trên môi trường thủy canh cho thấy oliochitosan được chế tạo với liều
xạ 50 kGy có Mv là 64,16 kDa sẽ có tác dụng tốt lên năng suất cây rau thủy canh.

iv


SUMMARY
Name of subject: STUDY ON PREPARATION OF LOW MOLECULAR WEIGHT
CHITOSAN BY RADIATION TECHNIQUE AND ITS APPLICATION FOR
HYDROPONICS CULTURE.
Name of Supervisor: Dr. Le Quang Luan
Name of Student: Nguyen Cong Chinh
Submited time: August, 2009
The research was carried out from March to July, 2009 at Biology Department,
Center for Nuclear Technique, 405-407 Cach Mang Thang 8 Street, District 10, Ho
Chi Minh City and at Saigon Thuy Canh Corporation, 290/198 No Trang Long Street,
Binh Thanh District, Ho Chi Minh City.
The main result of research can be listed as follow:
The process for preparation of oligochitosan from shrimp shell:
The shrimp shell was demineralized in HCl 4% solution in 3 hours at room
tempurature to abtained the maximun deminerazation degree of 51,13%. The
demineralized was treated with NaOH 4% solution in 2 hours at 70 – 90 0C for
deprotein. For preparation of chitosan with 80% degree of deacetylation, the treated
shrimp shell (chitin) was then deacetylation in NaOH 40% solution in 3 hours at 110
0C.
Preparation of oligochitosan by irradiation technique:
Chitosan was irradiation by gamma ray from Co-60 source in 5% solution with
the dose range from 25 – 150 kGy. The result showed that the molecular weight (Mw)
of chitosan was decreased by the irradiation dose of 25 – 150 kGy and the gradually
decreased by the higher dose and the Mw of irradiation chitosan was 11,5 kDa at the
treated dose of 150 kGy.
The test on the growth of vegetables, indicated that the chitosan irradiation at
50 kGy (Mw 64 kDa) showed the highest effect for the field of vegetables mentioned.

v


MỤC LỤC
Trang
Lời cảm ơn.............................................................................................................iii
Tóm tắt...................................................................................................................iv
Summary................................................................................................................. v
Danh sách các chữ viết tắt ...................................................................................... x
Danh sách các bảng ...............................................................................................xi
Danh sách các hình ...............................................................................................xii
Chương 1 MỞ ĐẦU ..........................................................................................................1

I. Đặt vấn đề............................................................................................................ 1
II. Yêu cầu .............................................................................................................. 2
III. Nội dung thực hiện ........................................................................................... 2
Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU...................................................................... 3
I. Khái niệm thủy canh ........................................................................................... 3
A. Lịch sử phát triển .............................................................................................. 3
B. Các phương pháp thủy canh .............................................................................. 4
1. Thủy canh dịch lỏng ........................................................................................... 4
2. Phương pháp khí canh (aeroponics) ................................................................... 7
3. Thủy canh có sử dụng giá thể rắn....................................................................... 8
C. Những thuận lợi và hạn chế của kỹ thuật nuôi trồng thủy canh ........................ 9
1. Thuận lợi............................................................................................................. 9
2. Hạn chế ............................................................................................................. 10
D. Một số thành tựu của việc ứng dụng kỹ thuật thủy canh trên thế giới ............ 10
E. Tình hình và nhu cầu nuôi trồng thủy canh ở nước ta hiện nay....................... 11
II. Giới thiệu về chitin, chitosan và oligochitosan................................................ 11
A. Đặc điểm của chitin, chitosan và oligochitosan .............................................. 11
1. Chitin ................................................................................................................ 12
2. Chitosan ............................................................................................................ 12
3. Oligochitosan.................................................................................................... 13
B. Phương pháp chế tạo chitin, chitosan và oligochitosan................................... 14
1. Phương pháp chế tạo chitin .............................................................................. 14

vi


2. Phương pháp chế tạo chitosan .......................................................................... 15
3. Các phương pháp chế tạo oligochitosan........................................................... 16
C. Ứng dụng của chitin, chitosan và oligochitosan.............................................. 20
1. Ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp và công nghệ sinh học......................... 20
2. Ứng dụng trong các lĩnh vực khác ................................................................... 21
Chương 3 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU............................. 23
I. Thời gian và địa điểm thực hiện........................................................................ 23
II. Vật liệu............................................................................................................. 23
A. Vỏ tôm ............................................................................................................. 23
B. Giống ..........................................................................................................................23
C. Giá thể.........................................................................................................................23
D. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị ......................................................................................23
1. Dụng cụ và thiết bị ......................................................................................................23
2. Hóa chất.......................................................................................................................24
III. Phương pháp tiến hành thí nghiệm............................................................................24

A. Chế tạo chitosan............................................................................................... 24
1. Chuẩn bị vỏ tôm ............................................................................................... 24
2. Đề khoáng......................................................................................................... 25
3. Đề protein ......................................................................................................... 25
4. Đề acetyl ........................................................................................................... 25
5. Xác định độ đề acetyl ....................................................................................... 26
B. Cắt mạch chitosan tạo oligochitosan bằng phương pháp chiếu xạ ................. 26
C. Lựa chọn môi trường thủy canh phù hợp cho rau............................................ 27
D. Khảo sát hiệu ứng của chitosan chiếu xạ lên cây trồng thủy canh .................. 27
Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................................. 29
I. Chế tạo chitosan ................................................................................................ 29
A. Chế tạo chitin................................................................................................... 29
1 Đề khoáng.......................................................................................................... 29
2. Đề protein ......................................................................................................... 30
B. Đề acetyl để chế tạo chitosan........................................................................... 32

vii


1. Đề acetyl ở nhiệt độ thường ............................................................................. 32
2. Đề acetyl ở nhiệt độ sôi của dung dịch NaOH ................................................. 34
II. Cắt mạch chitosan bằng kỹ thuật bức xạ ......................................................... 38
III. Lựa chọn môi trường thủy canh phù hợp cho rau .......................................... 39
IV. Khảo sát hiệu ứng của chitosan chiếu xạ lên cây trồng thủy canh................. 41
Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ................................................................. 47
I. Kết luận ............................................................................................................. 47
II. Đề nghị............................................................................................................. 47
Tài liệu tham khảo ................................................................................................ 49
Phụ lục

viii


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
DD: Degree of deacetylation
DP: Degree of Polymerization
HPLC: High performance liquid chromatography
LSD: The Least Significant Difference
MT: Môi trường
TB: Trung bình
Mw: Molecular weight
NTF: nutrient film technique
SVĐC: So với đối chứng
UV: Ultraviolet
WHO: World Health Organization

ix


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Enzyme thủy phân các polysaccharide tương ứng ............................... 16
Bảng 2.2 Tóm tắt các ứng dụng của chitosan ...................................................... 22
Bảng 4.1 Hàm lượng khoáng mất theo thời gian ................................................ 30
Bảng 4.2 Hàm lượng protein mất theo thời gian................................................. 31
Bảng 4.3 Độ đề acetyl ở nhiệt độ thường, 4 ngày theo nồng độ NaOH .............. 32
Bảng 4.4 Độ đề acetyl theo thời gian ở nồng độ NaOH 60%.............................. 33
Bảng 4.5 Độ đề acetyl ở nhiệt độ sôi theo thời gian ở nồng độ NaOH 40% ....... 34
Bảng 4.6 Độ đề acetyl ở nhiệt độ sôi, 7 giờ theo nồng độ NaOH ....................... 35
Bảng 4.7 Ảnh hưởng của liều chiếu đến trọng lượng phân tử ............................ 38
Bảng 4.8 Hàm lượng các chất khoáng trong 6 loại môi trường (ppm) ................ 39
Bảng 4.9a Các chỉ tiêu của cây cải ngọt trồng trên các loại môi trường ............. 40
Bảng 4.9b Các chỉ tiêu của cây cải xanh trồng trên các loại môi trường ............ 40
Bảng 4.9c Các chỉ tiêu của cây cải bẹ trắng trồng trên các loại môi trường ....... 40
Bảng 4.9d Các chỉ tiêu của xà lách mỡ trồng trên các loại môi trường............... 41
Bảng 4.9e Các chỉ tiêu của xà lách xoăn trồng trên các loại môi trường ............ 41
Bảng 4.9f Các chỉ tiêu của xà lách lollo đỏ trồng trên các loại môi trường ........ 41
Bảng 4.10a Các chỉ tiêu của cây cải ngọt khi bổ sung oligochitosan.................. 42
Bảng 4.10b Các chỉ tiêu của cây cải bẹ xanh mỡ khi bổ sung oligochitosan...... 43
Bảng 4.10c Các chỉ tiêu của cây xà lách xoăn khi bổ sung oligochitosan........... 44
Bảng 4.10d Các chỉ tiêu của cây xà lách mỡ khi bổ sung oligochitosan............. 45

x


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Trang
Hình 2.1 Mô hình kỹ thuật màng mỏng dinh dưỡng ............................................. 5
Hình 2.2 Mô hình kỹ thuật dòng sâu ..................................................................... 5
Hình 2.3 Mô hình kỹ thuật ngâm rễ....................................................................... 6
Hình 2.4 Mô hình kỹ thuật nổi............................................................................... 6
Hình 2.5 Mô hình kỹ thuật mao dẫn ...................................................................... 7
Hình 2.6 Mô hình kỹ thuật khí canh ..................................................................... 7
Hình 2.7 Mô hình kỹ thuật túi treo ........................................................................ 8
Hình 2.8 Mô hình kỹ thuật túi tăng trưởng............................................................ 8
Hình 2.9 Mô hình kỹ thuật rãnh............................................................................. 9
Hình 2.10 Mô hình kỹ thuật chậu .......................................................................... 9
Hình 2.11 Cấu trúc hóa học của chitin, chitosan và cellulose ............................. 13
Hình 2.12 Ảnh hưởng của liều xạ trên khối lượng phân tử của chitosan ............ 19
Hình 3.1 Vỏ tôm đã được sơ chế ......................................................................... 24
Hình 3.2 Một góc của khu thí nghiệm thủy canh ................................................ 27
Hình 4.1 Vỏ tôm sau khi đề khoáng .................................................................... 29
Hình 4.2 Vỏ tôm sau khi đề protein..................................................................... 31
Hình 4.3 Qui trình chế tạo chitosan từ vỏ tôm..................................................... 37
Hình 4.4 Cây cải ngọt được trồng có bổ sung oligogitosan chiếu xạ .................. 43
Hình 4.5 Cây cải bẹ xanh mỡ được trồng có bổ sung oligogitosan chiếu xạ. ..... 44
Hình 4.6 Cây xà lách xoăn được trồng có bổ sung oligogitosan chiếu xạ........... 45
Hình 4.7 Cây xà lách mỡ được trồng có bổ sung oligogitosan chiếu xạ ............. 46
Biểu dồ 4.1 Hàm lượng khoáng mất theo thời gian ............................................. 30
Biểu dồ 4.2 Hàm lượng protein mất theo thời gian ............................................. 31
Biểu dồ 4.3 Ảnh hưởng của nồng độ dung dịch NaOH đến độ đề acetyl ........... 33
Biểu dồ 4.4 Ảnh hưởng của thời gian đến độ đề acetyl ở nhiệt độ thường ......... 34
Biểu dồ 4.5 Đề acetyl ở nhiệt độ sôi theo thời gian............................................. 35
Biểu dồ 4.6 Đề acetyl ở nhiệt độ sôi theo nồng độ NaOH................................... 36
Biểu dồ 4.7 Ảnh hưởng của liều chiếu đến trọng lượng phân tử......................... 38

xi


Chương 1 MỞ ĐẦU
I. Đặt vấn đề
Hiện nay, các sản phẩm được chế tạo bởi công nghệ bức xạ sử dụng khá phổ
biến trong nhiều lĩnh vực như: dược học và y học, công nghệ sinh học, xử lí nước thải,
nông nghiệp, công nghiệp, thực phẩm, v.v. Một trong các sản phẩm đó là chitosan
trọng lượng phân tử thấp (oligochitosan). Nhiều nghiên cứu đã chứng minh rằng
oligochitosan đóng vai trò như là một chất vừa có khả năng kích thích sự hấp thu các
chất dinh dưỡng của mô thực vật đồng thời còn có tác dụng kháng lại một số bệnh do
vi sinh vật gây nên và giúp cho cây chống chịu tốt với các stress của môi trường (L. Q.
Luan, 2005; L.X. Tham, 2000). Năm 1997, Matshuhashi tìm thấy rằng chitosan có độ
đề acetyl (DD) 99% với khối lượng phân tử từ 105 – 3*105 Da có hoạt tính kháng
khuẩn rất cao. Tiếp theo sau đó hàng loạt các báo cáo trên các Tạp chí nổi tiếng đề cập
đến vấn đề kháng khuẩn của chitosan gắn liền với phân tử lượng và độ DD được công
bố (L.Y. Zheng, 2003; X.F. Liu, 2004). Hiện nay, oligochitosan với độ polymer hóa từ
>6 dp được ghi nhận là có hiệu ứng chống lại sự xâm nhiễm của nhiều loại nấm gây
bệnh thực vật thông qua cơ chế kích thích việc tạo kháng sinh thực vật (phytoalexin)
(A.B.V. Kumar, 2004; M.E. Etzler 1998). Như vậy oligochitosan có nhiều triển vọng
ứng dụng trong nông nghiệp và y học nhằm tăng khả năng chống sự xâm nhiễm của
các vi sinh vật gây bệnh.
Trong khi đó, nhu cầu về rau và đặc biệt là rau sạch của người dân ngày càng
cao, do phần lớn người tiêu dùng đã nhận thức được tầm quan trọng của rau xanh
trong bữa ăn hàng ngày, vì vậy nhu cầu tiêu thụ rau sạch không ngừng gia tăng một
cách nhanh chóng. Tuy nhiên, hầu hết những Cơ sở sản xuất rau sạch chưa gây dựng
được lòng tin nơi người tiêu dùng, bởi vì nhiều mẫu rau sạch khi được chi cục bảo vệ
thực vật Tp. Hồ Chí Minh kiểm tra thì vẫn tồn dư thuốc bảo vệ thực vật, kim loại nặng
và bị nhiễm các loại vi sinh gây bệnh cho người.

1


Chính vì vậy, để khắc phục tình trạng này, trong những năm gần đây, người tiêu
dùng đang chuyển dần sự quan tâm sang các loại rau an toàn. Phương pháp thủy canh:
“trồng cây không cần đất – soiless culture”, hoàn toàn có thể khắc phục được những
hạn chế của phương pháp nuôi trồng truyền thống – trồng cây trên đất, cho ra đời
những nông phẩm sạch và đảm bảo chất lượng cho người tiêu dùng, vừa phục vụ cho
nhu cầu trong nước vừa đáp ứng được nhu cầu xuất khẩu.
Và để ứng dụng sản phẩm từ các polymer tự nhiên chế tạo bằng công nghệ bức
xạ vào qui trình sản xuất cây trồng thủy canh để có thể tạo ra sản phẩm có năng suất
cao, chất lượng tốt và đặc biệt là an toàn cho người tiêu dùng, chúng tôi tiến hành thực
hiện đề tài: “Nghiên cứu chế tạo chitosan trọng lượng phân tử thấp bằng kỹ thuật bức
xạ ứng dụng trong nuôi trồng thủy canh”.
II. Yêu cầu
Chế tạo được oligochitosan bằng phương pháp chiếu xạ có thể ứng dụng để sãn
xuất rau an toàn bằng phương pháp nuôi trồng thủy canh.
Xác định môi trường dinh dưỡng thủy canh tối ưu cho các giống cải và xà lách.
III. Nội dung thực hiện
Khảo sát 6 loại môi trường dinh dưỡng thủy canh cho các giống cải và xà lách.
Chế tạo oligochitosan bằng phương pháp chiếu tia xạ sử gamma từ nguồn xạ
gamma Co-60.
Khảo sát hiệu ứng của oligochitosan đối với các giống cải và xà lách trong nuôi
trồng thủy canh.

2


Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU
I. Khái niệm thủy canh
Theo tiếng Hy lạp thì hydroponics (thủy canh), được ghép từ hai chữ hydro
(nước) và ponos (lao động), là hình thức canh tác trên các giá thể không phải là đất
(Sri Lanka Department of Agriculture, 2000). Thủy canh có thể sử dụng hoặc không
sử dụng giá thể, cây trồng được cung cấp đầy đủ dinh dưỡng và nước cho cây sinh
trưởng và phát triển (Jensen, 1999; Hanger, 1993).
A. Lịch sử phát triển
Thủy canh đã được ứng dụng trong nghề làm vườn từ xa xưa. Khoảng từ thế kỷ
thứ XVI, các nhà sinh lý thực vật bắt đầu trồng các loại cây trên những môi trường
dinh dưỡng đặc biệt vì mục đích thí nghiệm, họ gọi đó là “nuôi cấy dinh dưỡng”
(nutriculture). Van Hemont là nhà khoa học đầu tiên tiến hành thí nghiệm về dinh
dưỡng thực vật và ông đã kết luận là cây sinh trưởng nhờ nước (Sri Lanka Department
of Agriculture, 2000). Từ đó, các nhà khoa học đã có khái niệm về thủy canh và nó
được công bố lần đầu tiên vào những năm 1600 (Weir, 1991). Năm 1699, John
Woodward đã thí nghiệm trồng cây trong nước có chứa các loại chất khác nhau. Năm
1857, Sachs đã trồng cây trong một dung dịch có thành phần các chất dinh dưỡng xác
định và đã tính được các nguyên tố khoáng mà cây cần cho sự sống của nó. Dung dịch
này có thành phần hóa học xác định và từ đó được gọi là dung dịch dinh dưỡng. Cũng
từ đó phương pháp trồng cây trong dung dịch dinh dưỡng được sử dụng rộng rãi, cải
tiến dần và trở thành phương pháp cơ bản trong nghiên cứu về dinh dưỡng khoáng
thực vật.
Cho đến năm 1865, Nobbe đã trồng cây bằng phương pháp dòng chảy, với đặc
điểm nổi bật là dung dịch dinh dưỡng luôn chảy qua các chậu trồng cây với số lượng
nhất định giúp cho pH và nồng độ các chất dinh dưỡng luôn ổn định. Mãi đến năm
1925, các nhà nghiên cứu mới thật sự chú ý đến kỹ thuật này do công nghệ nhà kính
gặp nhiều vấn đề khó khăn, đặc biệt là đối với môi trường đất. Một số hạn chế đáng kể
của đất đối với sự tăng trưởng của cây là sự hiện diện của một số sinh vật gây bệnh và
các loại giun tròn ký sinh, độ thoáng của đất không thích hợp, thoát nước kém, là nơi
trú ẩn của nhiều mầm bệnh nguy hiểm đối với cây. Hơn nữa việc canh tác liên tục làm
thoái hóa đất, không đủ thời gian để các vi sinh vật tái làm giàu đất, hay bổ sung quá

3


nhiều phân bón hoá học cho đất trong thời gian dài dễ làm trơ và thoái hóa đất. Tình
trạng này dẫn đến chất lượng và sản lượng cây đều giảm.
Thủy canh cung cấp những điều kiện tối thích đối với sự tăng trưởng của thực
vật, do đó đạt sản lượng cao hơn so với khi trồng trọt sử dụng đất (Sri Lanka
Department of Ariculture, 2000). Từ 1980 đến 1990 có sự gia tăng nhanh chóng diện
tích canh tác bằng hình thức thủy canh cũng như những hỗ trợ cho nghiên cứu và phát
triển thủy canh. Vào đầu những năm 1970, người Úc đã trồng xà lách và cà chua với
qui mô nhỏ bằng biện pháp thủy canh với kỹ thuật màng dinh dưỡng (NFT), đến đầu
1980 các nhà khoa học châu Âu đã thiết kế thêm hệ thống điều khiển cho hệ thống
thủy canh (Hanger, 1993).
B. Các phương pháp thủy canh
1. Thủy canh dịch lỏng
Trong kỹ thuật này hoàn toàn không dùng giá thể, phần lớn rễ tiếp xúc với không khí
và dịch dinh dưỡng. Tuy nhiên trong một số trường hợp cần giá thể với một lượng rất ít chứa
trong các chậu có đục lỗ.

a. Thủy canh dịch lỏng có tuần hoàn
Còn gọi là hệ thống đóng, nghĩa là dịch dinh dưỡng được bơm qua hệ thống rễ
và dịch thừa được thu lại và tái sử dụng.
Kỹ thuật màng mỏng dinh dưỡng (NFT – nutrient film technique): Đây là kỹ
thuật được sử dụng rộng rãi. Dòng dung dịch dinh dưỡng được bơm từ một bể chứa
chảy qua các kênh có độ dốc tạo ra một lớp mỏng dinh dưỡng, dòng dung dịch này ổn
định, chảy qua rễ của cây và hồi lưu trở lại bể chứa. Hệ thống này sử dụng phổ biến để
trồng cà chua, và các loại cây cỏ, thảo mộc.

4


.
Hình 2. 11 Mô hình kỹ thuật màng mỏng dinh dưỡng.
Kỹ thuật dòng sâu (deep flow technique): Trong hệ thống này, dung dịch dinh
dưỡng chảy qua các ống nhựa PVC (polyvinylclorua) và tiếp xúc với rễ cây bằng cách
thấm qua các chậu nhỏ có đục lỗ chứa giá thể là mút xốp, hoặc các loại giá thể khác
tùy điều kiện từng nơi.

Hình 2. 12 Mô hình kỹ thuật dòng sâu.
b. Thủy canh dịch lỏng không tuần hoàn
Dịch dinh dưỡng được cung cấp cho cây sử dụng một lần và được thay thế hoặc
bổ sung định kỳ. Phương pháp này dung dịch dinh dưỡng không tuần hoàn mà chỉ
được sử dụng một lần.

5


Kỹ thuật ngâm rễ (root deeping technique): Cây được trồng trong chậu chứa
các giá thể trơ có đục lỗ để rễ phát triển ra bên ngoài chậu và để trong một chậu lớn
hơn chứa dung dịch dinh dưỡng. Chậu giá thể chứa cây ngập trong dung dịch khoảng 2
– 3 cm, một số rễ của cây được ngâm trong dung dịch còn một số khác lại nằm trong
giá thể tiếp xúc không khí nhiều hơn.

Hình 2. 13 Mô hình kỹ thuật ngâm rễ.
Kỹ thuật nổi (floating technique): Cây được nuôi trong chậu cố định trên vật
liệu nhẹ nổi trên mặt dung dịch dinh dưỡng và dung dịch được thông khí nhân tạo.

Hình 2.14 Mô hình kỹ thuật nổi.
Kỹ thuật mao dẫn (capillary action technique): Trong kỹ thuật này, người ta
dùng hai loại chậu. Một chậu dùng để trồng cây bằng các giá thể trơ, chậu còn lại chứa
dịch dinh dưỡng, dịch này được mao dẫn lên chậu chứa giá thể bằng những vật liệu có
tính mao dẫn như: tim đèn, bông gòn, v.v.

6


Hình 2.15 Mô hình kỹ thuật mao dẫn.
2. Phương pháp khí canh (aeroponics)
Cây trồng được cố định trong các lỗ trên các tấm xốp và rễ được treo trong
không khí dưới các tấm xốp này. Các tấm này được xếp thành các hộp kín để ngăn sự
xâm nhập của ánh sáng và kích thích sự tăng trưởng của rễ, đồng thời ngăn sự tăng
trưởng của tảo, nấm. Dung dịch dinh dưỡng được phun vào rễ dưới dạng sương mù,
mỗi lần phun kéo dài khoảng vài giây, cứ mỗi 2 – 3 phút lại phun một lần. Cây hấp thu
chất dinh dưỡng và nước từ lớp dung dịch bám vào rễ.

Hình 2.16 Mô hình kỹ thuật khí canh.

7


3. Thủy canh có sử dụng giá thể rắn
Các hệ thống kết hợp giữa dung dịch lỏng và giá thể rắn để cây phát triển bên
trên, rễ cây nằm hoàn toàn trong giá thể, hệ thống này có thể đóng hay mở. Kỹ thuật
này thích hợp cho các loại rau quả có kích thước lớn như cà chua, bầu bí….
Kỹ thuật túi treo (hanging bag technique): Cây được cho vào các lỗ bên của
các túi treo chứa giá thể trơ (thường là xơ dừa) đã xử lý UV, túi dài khoảng 1 m, có
dạng hình trụ, ngoài trắng, trong đen, dày, làm bằng polyethylene.

Hình 2.17 Mô hình kỹ thuật túi treo.
Kỹ thuật túi tăng trưởng (growing bag technique): Cây giống được đưa vào
trồng trong các túi nhựa tổng hợp chứa giá thể (thường là bột xơ dừa đã khử trùng) đặt
nằm ngang, chống tia UV, ngoài trắng trong đen, dài khoảng 1 – 1,5 m, cao khoảng 6
cm rộng khoảng 18 cm, dưới mỗi túi có khe nhỏ để thoát nước hoặc rửa trôi.

Hình 2.18 Mô hình kỹ thuật túi tăng trưởng.

8


Kỹ thuật rãnh (trenh or trough technique): Trồng cây vào các rãnh chứa giá
thể là bột xơ dừa cũ, cát, sỏi, rêu, vermiculite, perlite, mạt cưa … được phân cách với
đất bằng vật liệu không thấm nước thường là tấm polyethylene. Dung dịch dinh dưỡng
và nước được cung cấp qua hệ thống tưới nhỏ giọt hay thủ công truyền thống. Ở đáy
rảnh, có một ống với đường kính 2,5 cm có đục lổ để thoát nước.

Hình 2.19 Mô hình kỹ thuật rãnh.
Kỹ thuật chậu (pot technique): Cây trồng vào các chậu bằng đất sét hay plastic
chứa giá thể và được cung cấp dinh dưỡng bằng hệ thống vòi tưới.

Hình 2.20 Mô hình kỹ thuật chậu.
B. Những thuận lợi và hạn chế của kỹ thuật nuôi trồng thủy canh
1. Thuận lợi
- Không cần đất và do đó giảm thiểu được các mầm bệnh từ đất.
- Dễ dàng kiểm soát các điều kiện nuôi trồng như dinh dưỡng, pH, EC,v.v.
- Dễ kiểm soát dịch bệnh.

9


- Tiết kiệm diện tích, có thể trồng ở mọi nơi, mọi lúc và ngay cả trong những điều kiện
thời tiết khắc nghiệt.
- Môi trường làm việc sạch sẽ.
- Ít tốn công chăm sóc do đó làm giảm gía thành lao động.
- Có thể sản xuất trái vụ.
- Rút ngắn thời gian sản xuất.
- Cho năng suất cao.
- Giảm tối thiểu lượng nước sử dụng và thuốc bảo vệ thực vật, góp phần bảo vệ môi
trường.
- Tạo sản phẩm sạch và chất lượng cao, góp phần nâng cao sức khỏe của người tiêu
dùng.
2. Hạn chế
- Chi phí đầu tư ban đầu cao.
- Yêu cầu kỹ thuật cao và lao động chuyên sâu.
- Yêu cầu sự tính toán là lập trình về thời gian sản xuất phải chính xác.
- Cần kỹ năng kiểm soát cao đối với việc chuẩn bị dịch dinh dưỡng, duy trì pH và EC,
điều chỉnh dinh dưỡng, sự thông khí, v.v.
- Nhận thức của người sử dụng sản phẩm từ kỹ thuật này còn hạn chế.
- Hệ thống thủy canh không thể áp dụng cho tất cả các loại cây trồng, đặc biệt là đối
với các loại cây trồng cần nhiều diện tích.
- Sử dụng nhiều năng lượng để hệ thống hoạt động.
C. Một số thành tựu của việc ứng dụng kỹ thuật thủy canh trên thế giới
Hiện nay, kỹ thuật thủy canh đã được áp dụng trong sản xuất nông nghiệp ở
nhiều nước trên thế giới. Kỹ thuật này được áp dụng trên nhiều loại cây trồng. Các
phức hợp nhà kính thủy canh đã được thiết lập tại Tucson, Arizona (11 ha), Phoenix,
Arizona (khoảng 15 ha) và Abu Dhabi (5 ha, hiện nay mở rộng lên đến 20 ha). Ở quần
đảo Canary, hàng trăm ha đất được dùng để trồng khoai tây bằng kỹ thuật thủy canh.
Hầu hết các tiểu bang của Mỹ đều có hệ thống nhà kính thủy canh công nghiệp.
Canada cũng sử dụng kỹ thuật này để tăng năng suất rau quả. Khoảng 90% các nhà
kính công nghiệp ở British Columbia (Canada) sử dụng kỹ thuật thủy canh để giải
quyết vấn đề thái hóa đất phòng trừ sâu bệnh. Ở những vùng có khí hậu khô như
Mêxico và Trung Đông, nơi mà nguồn cung ứng nước sạch bị giới hạn, thì kỹ thuật
10


thủy canh được áp dụng nhằm sử dụng nước biển như là một nguồn nước sạch. Những
hệ thống thủy canh này được đặt gần biển và cây trồng có thể phát triển trên nền đất
cát hiện hữu.
D. Tình hình và nhu cầu nuôi trồng thủy canh ở nước ta hiện nay
Tại Đại học Nông nghiệp I Hà Nội, Tiến sĩ Hồ Hữu An đã đưa công nghệ thủy
canh NTF vào nước ta với một số cải biến nhỏ trong đó đáng kể nhất là đã chế tạo dịch
phân dùng trong thủy canh và có một số cải biến cho phù hợp với hoàn cảnh nước ta
như: dùng các tấm nhựa tôn, fibro xi măng tạo các rảnh nghiên cho dòng dinh dưỡng
chảy qua cung cấp cho cây, bên trên các tấm nhựa này là các vỉ xốp chứa vật liệu có
khả năng giữ nước cao làm giá thể cho các loại rau. Dòng dinh dưỡng chảy liên tục
trên các rảnh và được hồi lưu bằng máy bơm hoặc thủ công.
Trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên thành phố Hồ Chí Minh đã nghiên cứu
thành công bằng kỹ thuật khí canh cây cà chua ( theo Vn-Expess).
Tại Phân viện Sinh học Đà Lạt và Đại học Yersin Đà Lạt cũng đã nghiên cứu
thành công qui trình thủy canh xà lách, dâu tây với môi trường dinh dưỡng thích hợp
là 1/5 MS.
Tại Viện khoa Học kỹ Thuật nông Nghiệp miền Nam, Tiến sĩ Ngô Quang Vinh
cùng nhóm nghiên cứu đã bước đầu thành công trong kỹ thuật trồng rau trên cát, bằng
cách tạo một lớp giữ ẩm bằng rơm rạ ở dưới lớp cát của tầng canh tác nhằm hạn chế sự
thoát hơi nước, nghiên cứu này hiện đang thí điểm tại xã Hòa Thắng, Hồng Phong,
Bình Thuận và Hóc Môn thành phố Hồ Chí Minh (theo Vn-Express).
II. Giới thiệu về chitin, chitosan và oligochitosan
A. Đặc điểm của chitin, chitosan và oligochitosan
Chitin được tìm thấy nhiều trong vỏ các loài giáp xác, động vật biển không
xương sống, côn trùng, thành tế bào nấm v.v. (L.Y. Zheng, 2003; P.J. Chien, 2006).
Song, chitin được sản xuất chủ yếu từ vỏ các loài giáp xác qua quá trình khử protein
và loại khoáng. Lượng tổng hợp hàng năm của polysaccharide này từ hệ sinh thái nước
ngọt và nước mặn ước tính lần lượt là 600 và 1600 triệu tấn. Hàm lượng chitin trong
các loài giáp xác vào khoảng từ 2% - 12% trọng lượng cơ thể. Hàm lượng chitin trong
vỏ các loài giáp xác thay đổi phụ thuộc vào quy trình điều chế, mùa thu hoạch, độ tuổi,
chế độ môi trường dinh dưỡng của loài giáp xác. Thông thường vỏ các loài giáp xác
như tôm, cua, chứa khoảng 13% - 42% chitin (J.C. Cabrera, 2005). Mai mực cũng là
11


một nguồn cung cấp chitin được chú ý (A.B. Vishu Kumar, 2004; J.Z. Knaul, 1998).
Nguồn chitin thu được từ mai mực hàng năm vào khoảng 0,7 triệu tấn (J.C. Cabrera,
2005). Vì thông thường, chitin được điều chế từ vỏ giáp xác thì phải xử lý bằng acid
để loại khoáng, calcium nhưng đối với mai mực thì hàm lượng khoáng và calcium ít
hơn và trong một số trường hợp có thể bỏ qua bước loại khoáng. Sự thay đổi này trong
quy trình điều chế chitin làm hạ chi phí sản xuất cũng như giảm sự thủy phân acid của
chitin trong suốt quá trình điều chế. Do đó, chitin được chiết xuất từ mai mực sẽ có
chất lượng tốt hơn chitin được sản xuất từ vỏ các loài giáp xác (P. Methacanon, 2003).
Chitin được đề acetyl hoàn toàn được tìm thấy trong nhiều loại nấm, tuy nhiên,
chitosan thường chủ yếu sản xuất từ quá trình đề acetyl chitin (P.J. Chien, 2006).
1. Chitin
Giống như cellulose, chitin là một glycan chứa liên kết (1-4), nhưng được cấu
tạo bởi các đơn vị 2-acetamido-2-deoxy-D-glucose, hay còn gọi là các đơn vị Nacetylglucosamine. Chitin là một polymer tự nhiên nhiều thứ hai sau cellulose. Các
phân tử chitin sau khi tổng hợp liên kết với nhau bằng liên kết hydrogen giữa các
nhóm -NH- trong phân tử này với các nhóm C=O của mạch lân cận. Chitin có 3 dạng
là, α , β , và γ :
Dạng có sự sắp xếp đối song của các mạch lân cận nhau (↑↓↑).
Dạng beta là kiểu hình dạng có cấu tạo mạch song song (↑↑↑).
Dạng gamma là dạng mà trong đó hai trong ba mạch là song song, mạch còn lại
thì đối song (↑↑↓). Dạng gamma là dạng bền nhất, và có thể được chuyển thành dạng
anpha sau khi xử lí với liti thiocynate.
Chitin có mật độ liên kết hydrogen cao khi ở trạng thái rắn vì vậy hoàn toàn
không tan trong nước, trong hầu hết các dung môi hữu cơ, các acid loãng và dung dịch
kiềm đặc. Nhưng lại tan trong acid formic và trong dung dịch đặc của một số muối
(J.C. Cabrera, 2005).
2. Chitosan
Chitosan là một polymer tự nhiên được hình thành từ N-deacetyl chitin, mang
điện tích dương, không có độc tính, có khả năng phân hủy sinh học, và tương hợp sinh
học. Chitosan có cấu tạo từ các đơn vị glucosamine, hay các 2-mino-2-deoxy-Dglucose liên kết với nhau bởi nối (1-4)-glucoside (P. Methacanon, 2003).

12


Thuật ngữ chitosan được dùng khi hàm lượng nitơ cao hơn 7% khối lượng phân
tử hay khi độ đề acetyl cao hơn 60%. Sự khác biệt cơ bản của chitin và chitosan là khả
năng hòa tan của chúng trong dung dịch acid loãng, chitosan hòa tan nhiều trong các
dung dịch như nước, trong hầu hết các dung môi hữu cơ, các acid loãng và dung dịch
kiềm đặc, còn chitin hầu như không tan trong các dung dịch này (L.Y. Zheng, 2003).
Sự tương tự về cấu trúc của chitin, chitosan và cellulose được minh họa ở Hình
2.1.

Hình 2.11 Cấu trúc hóa học của chitin, chitosan và cellulose.
3. Oligochitosan
Oligochitosan là một phân đoạn có phân tử lượng trung bình < 20 kDa và độ
polymer hóa dp < 100. Trong đó phần oligomer tan trong môi trường trung tính có
phân tử lượng < 5 kDa (M.L. Tsaih, 2003).
Oligochitosan là đoạn mạch polymer của D-glucosamine liên kết với nhau bằng
liên kết (1-4)-glucoside.

13


B. Phương pháp chế tạo chitin, chitosan và oligochitosan
1. Phương pháp chế tạo chitin
Hiện nay có rất nhiều quy trình trình khác nhau được áp dụng để sản xuất
chitin. Các phương pháp này phải đạt yêu cầu là loại bỏ hiệu quả các các thành phần
khác, và nếu có thể thì sử dụng luôn các thành phần đó cho những mục đích khác.
Thông thường việc cô lập chitin bao gồm khử khoáng, loại protein và tẩy trắng (J.C.
Cabrera, 2005).
Việc khử khoáng có thể đạt được sau từ 1 giờ đến 3 giờ khi chiết xuất bằng
dung dịch acid HCl loãng nồng độ từ 1 - 8% ở nhiệt độ phòng (J.C. Cabrera, 2005). Sự
khử khoáng có thể thực hiện hoàn toàn khi lượng acid sử dụng lớn hơn hàm lượng
khoáng. Để tránh xảy ra sự cắt mạch của chitin người ta có thể bổ sung ethylene
diamin-tetra-acetic acid (EDTA) trong quá trình loại khoáng (J.C. Cabrera, 2005; K.
Tommeraas, 2001). Để hàm lượng khoáng còn lại ít có thể kéo dài thời gian phản ứng
lên đến 24 giờ song điều đó cũng gây nên sự cắt mạch chitin.
Việc loại protein được thực hiện với dung dịch NaOH hoặc KOH. Hiệu quả của
việc khử protein bằng kiềm phụ thuộc vào nhiệt độ phản ứng, nồng độ kiềm, và tỉ lệ
dung dịch kiềm với lượng vỏ giáp xác. Thông thường, khoảng nồng độ của dung dịch
kiềm là từ 1 - 10%, nhiệt độ từ 65 - 100 oC. Hầu như tất cả protein chứa trong vỏ tôm
và cua được loại bỏ hết khi sử dụng nhiệt độ 90 oC và tỉ lệ khối lượng vỏ đối với dung
dịch là 1/20 (khối lượng/thể tích). Khoảng thời gian phản ứng từ 0,5 - 6 giờ. Kéo dài
thời gian sẽ dẫn đến sự cắt mạch và đề acetyl chitin. Người ta cũng có thể dùng
enzyme để loại protein từ vỏ các loài giáp xác. Hiện nay, enzyme thương mại Alcalase
có thể thu được chitin chỉ chứa khoảng 4,5% tạp chất protein (J.C. Cabrera, 2005). Tuy
nhiên, khi chitin được dùng để sản xuất chitosan, thì lượng protein còn lại có thể bị
loại bỏ dễ dàng khi xử lý kiềm ở quá trình điều chế tiếp theo.
Việc loại các chất còn lại trong chitin có thể được làm bằng cách chiết xuất ở
nhiệt độ phòng với aceton, chloroform, ethyl acetate hay cồn và hỗn hợp eter.
Việc tẩy trắng thường được thực hiện bằng việc xử lý với dung dịch NaOCl hay
H2O2.
Ngày nay, có rất nhiều công ty đang sản xuất chitin và chitosan ở mức độ công
nghiệp. Đa số những công ty này tập trung chủ yếu ở Hoa Kỳ, Nhật Bản và Trung

14


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×