Nghiên cứu tạo chế phẩm vi sinh dạng lỏng xử lý phế phụ phẩm nhãn sau thu hoạch

HỌC VIỆN NƠNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA CƠNG NGHỆ SINH HỌC
-------🕮-------

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU TẠO CHẾ PHẨM VI SINH DẠNG LỎNG
XỬ LÝ PHẾ PHỤ PHẨM NHÃN SAU THU HOẠCH

Hà Nội - 02/2023


HỌC VIỆN NƠNG NGHIỆP VIỆT NAM

KHOA CƠNG NGHỆ SINH HỌC
-------🕮-------

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU TẠO CHẾ PHẨM VI SINH DẠNG LỎNG
XỬ LÝ PHẾ PHỤ PHẨM NHÃN SAU THU HOẠCH

Họ và tên :

Mạch Văn Hợp

Mã sinh viên :

637227

Lớp :

K63CNSHC

Giáo viên hướng dẫn :

Ths. Trịnh Thị Thu Thủy

Hà Nội - 02/2023


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài “Nghiên cứu chế tạo chế phẩm vi sinh dạng lỏng sử
lý phế phụ phẩm nhà ăn sau thu hoạch” là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi dưới
sự hướng dẫn của ThS. Trịnh Thị Thu Thủy. Các nội dung, kết quả nghiên cứu
trong đề tài hoàn toàn trung thực và khách quan. Các phần tham khảo, trích dẫn
đều đã được ghi rõ trong phần tài liệu tham khảo. Nếu có phát hiện bất kỳ sự gian
lận nào tơi xin chịu hồn tồn trách nghiệm.
Hà Nội, ngày tháng năm 2023
Sinh viên

i


LỜI CẢM ƠN
Trong suốt q trình nghiên cứu và hồn thành khóa luận tốt nghiệp, lời đầu
tiên em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến ThS. Trịnh Thị Thu Thủy, người cơ đã
chỉ dạy, hướng dẫn tận tình cho em trong suốt q trình nghiên cứu và hồn thiện

đề tài này.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tất cả Thầy Cô trong Bộ môn Công
nghê sinh học phân tử và CNSH ứng dụng– Khoa Công nghệ sinh học đã luôn tạo
điều kiện và giúp đỡ em trong suốt q trình thực hiện đề tài khóa luận tốt nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn Thầy Cô giáo trong Khoa Công nghệ sinh học và
giảng viên trong Học viên Nơng nghiệp Việt Nam đã tận tình chỉ dạy cũng như tạo mơi
trường học tập tốt để em có thể hoàn thành tốt quãng thời gian học tập tại Học viện.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè và những người thân
đã ln bên cạnh ủng hộ, động viên và tin tưởng em trong suốt q trình thực hiện
khóa luận tốt nghiệp.
Dẫu đã cố gắng hồn thành nhưng khơng thể tránh khỏi những thiếu sót, em
rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ Thầy Cô.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2023

Sinh viên

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN I
LỜI CẢM ƠN

II

MỤC LỤC III
DANH MỤC BẢNG

V

DANH MỤC HÌNH

VI

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT VII
TĨM TẮT VIII
Chương I: MỞ ĐẦU ................................................................................................ 1
1.1. Đặt vấn đề.......................................................................................................... 1
1.2. Yêu cầu của đề tài ............................................................................................. 2
1.3. Nội dung thực hiện ............................................................................................ 2
Chương II: TỔNG QUAN TÀI LIỆU...................................................................... 3
2.1. Tổng quan về phế phụ phẩm nông nghiệp ........................................................ 3
2.1.1. Tổng quan về phế phụ phẩm nông nghiệp .................................................... 3
2.1.2. Sản lượng và phụ phẩm sau thu hoạch nhãn. ................................................ 4
2.3. Thành phần có trong phế phụ phẩm nơng nghiệp ............................................. 5
2.5. Vai trò của các vi sinh vật sử dụng để xử lý phế phụ phẩm nông nghiệp ...... 14
2.5.1. Vai trị của nhóm vi sinh vật cố định đạm .................................................. 14
2.5.2. Vai trò của vi sinh vật phân giải lân khó tan............................................... 16
2.5.3. Nhóm vi sinh vật phân giải cellulose .......................................................... 19
2.5.4. Nhóm vi sinh vật đối kháng ........................................................................ 20
2.5.5. Nhóm vi sinh vật trong xử lý ao hồ............................................................. 22
2.6. Chất mang và xử lý chất mang ........................................................................ 24
CHƯƠNG III : VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ...................... 27
3.1. Vật liệu, thời gian và địa điểm nghiên cứu ..................................................... 27
3.1.1. Vật liệu nghiên cứu ..................................................................................... 27

3.1.3. Thời gian và địa điểm nghiên cứu ............................................................... 28
iii


3.2.

Phương pháp nghiên cứu ............................................................................. 28

3.2.1. Phương pháp sàng lọc vi sinh vật................................................................ 28
3.2.2. Phương pháp xác định hàm lượng Cellulose .............................................. 31
3.2.3. Phương pháp xác định hàm lượng Lignin ................................................... 31
3.2.4. Phương pháp chọn lọc chất mang dạng lỏng .............................................. 33
3.2.5. Phương pháp đánh giá khả năng phân hủy của chế phẩm vi sinh xử lý phế
phụ phẩm nhãn. ........................................................................................ 34
CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN....................................................... 35
4.1. Hoạt hóa các chủng vi sinh vật ....................................................................... 35
4.1.1. Đánh giá khả năng phân giải lignin ............................................................ 35
4.1.2. Đánh giá khả năng phân giải cellulose........................................................ 36
4.1.3. Mối tương quan giữa OD600 và mật độ vi sinh vật (CFU/mL) ................... 37
4.2. Kết quả khảo sát mật độ vi sinh vật trong chất mang ..................................... 38
4.2.1. Kết quả phối trộn với chất mang Sucrose ................................................... 38
4.2.2. Kết quả phối trộn chất mang Skimmilk ...................................................... 39
4.3. Kết quả xử lý phế phụ phẩm nhãn .................................................................. 41
4.3.1. pH, nhiệt độ ................................................................................................. 41
4.3.2. Hàm lượng lignin ........................................................................................ 42
4.3.3. HÀM LƯỢNG CELLULOSE 43
CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................ 45
5.1. Kết luận ............................................................................................................ 45
5.2. Kiến nghị .......................................................................................................... 45
TÀI LIỆU THAM KHẢO

46

PHỤ LỤC 49

iv


DANH MỤC BẢNG
Bảng1: Thành phần lignocellulose trong rác thải và phế phụ liệu nông nghiệp phổ
biến (Tchobanoglous et al., 1993) ................................................................ 6
Bảng 2. 1. Thành phần dinh dưỡng trong cám gạo ................................................. 25
Bảng 3. 1. Dụng cụ và thiết bị thí nghiệm ............................................................. 27
Bảng 3. 2. Giá trị d theo Va ................................................................................... 33

v


DANH MỤC HÌNH
Hình 2. 1.Cấu trúc lignocellulose .............................................................................. 5
Hình 2. 2. Cơng thức cấu tạo Cellulose .................................................................... 7
Hình 2. 3. Cấu trúc của Lignin ................................................................................. 9
Hình 2. 4. Quy trình sản xuất chế phẩm VSV chức năng có bổ sung biochar ....... 13
Hình 2. 5. Quy trình tạo chế phẩm PT (Pgs. Ts Lê Đình Đơn, 2020) .................... 13
Hình 2. 6. Sơ đồ công nghệ tạo chế phẩm vi sinh lactic ......................................... 14
Hình 4. 1. Kết quả định tính lignin.......................................................................... 35
Hình 3. 2. Kết quả định tính cellulase ..................................................................... 36
Hình 4.3. Đường biểu diễn mối tương quan OD600 – CFU/ml đối với 2 chủng HN8
và D504 ....................................................................................................... 37
Hình 4.5. Đường biểu diễn mật độ của chủng D504 .............................................. 39

Hình 4.6. Đường biểu diễn mật độ của chủng HN8................................................ 40
Hình 4.7. Đường biểu diễn mật độ của chủng D504 .............................................. 41
Hình 4.8. Đường biểu diễn pH đống ủ .................................................................... 41
Hình 4.9. Đường biểu diễn nhiệt độ đống ủ ............................................................ 42
Hình 4.10. Đường biểu diễn thay đổi hàm lượng lignin ......................................... 43
Hình 4.11. Đường biểu diễn thay đổi hàm lượng Cellulose ................................... 44

vi


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
LB

Môi trường LB (Luria broth)

CT

Công thức

NL

Nguyên liệu

vii


TÓM TẮT
Với vị thế là một nước đang phát triển với chủ đạo là nơng nghiệp, Việt
Nam có nền sản xuất nơng nghiệp đa dạng, đi kèm với nó là lượng lớn các phế
phụ phẩm được tạo ra. Lượng phụ phẩm nông nghiệp này chứa nguồn sinh khối

khổng lồ nên nếu được tận dụng một cách hiệu quả, việc này vừa có tác dụng bảo
vệ mơi trường lại vừa tận dụng được lượng sinh khối để tạo ra các sản phẩm có
giá trị. Trên thị trường hiện nay đang lưu hành rất nhiều loại chế phẩm vi sinh
phân giải phế phụ phẩm nông nghiệp. Tuy nhiên các chế phẩm này có nhiều loại
khơng rỏ nguồn gốc, xuất xứ tiềm ẩn những rủi ro, nguy hiểm, khó kiểm sốt bào
tử từ các nguồn nấm gây độc. Chính vì vậy trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến
hành nghiên cứu tạo chế phẩm vi sinh dạng lỏng để giải quyết lượng phế phụ
phẩm nhãn nói riêng và phế phụ phẩm nơng nghiệp nói chung.
Kết quả nghiên cứu cho thấy các chế phẩm đề có khả năng phân giải các
nguồn phụ phẩm trộn lẫn và tiềm năng đưa vào thực tế xử lí trực tiếp tại vườn.
Tuy nhiên lượng cellulose và hemicellulose được phân hủy trong đống ủ có tỉ lệ
phân giải thấp do vi khuẩn tạp nhiễm hoặc vì nhiều yếu tố khác nhau trong môi
trường thực tế. Chúng tôi tiến hành đánh giá và kết luận, giải thích về hiện tượng
này trong báo cáo dưới đây.
Những kết quả nước đầu đạt được là cơ sở để có thể sử dụng các chế phẩm
này xử lý phế phụ phẩm sau thu hoạch nhãn, sản xuất phân bón hữu cơ vi sinh.

viii


CHƯƠNG I:
MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Nước ta là một trong những nước gắn liền với ngành nông nghiệp, tuy
nhiên, những năm gần đây việc lạm dụng các loại phân bón hóa học, thuốc bảo
vệ thực vật.. để đảm bảo sản lượng cũng như tăng năng suất cho cây trồng.
Nhưng cây hiệu quả sử dụng phân bón thấp. Việc này đã khiến cho chúng ta tốn
nhiều chi phí để mua các loại hóa chất, nguy hại hơn nữa là hệ vi sinh vật đất và
chất lượng đất bị tàn phá nghiêm trọng chính là ngun nhân gây thối hóa đất.
Vì thế việc nghiên cứu ứng dụng các loại vi sinh vật có lợi để sản xuất chế

phẩm vi sinh giúp bổ sung vào trong đất các chủng vi sinh vật giúp tham gia tích
cực vào q trình phân giải các chất hữu cơ và các chất vô cơ thành chất dinh
dưỡng cho cây trồng. Giúp cân bằng hệ sinh thái trong đất nói riêng và mơi
trường nói chung. Nghiên cứu tạo ra các chế phẩm vi sinh đang là xu hướng tích
cực trong chiến lược phát triển một nền nơng nghiệp theo hướng hữu cơ hiệu
quả và bền vững.
Việc ứng dụng chế phẩm vi sinh trong xử lý phế phụ phẩm nơng nghiệp
ngày càng phổ biến, vừa có thể giải quyết được vấn đề chất thải vừa tận dụng
được tối đa nguồn phế phụ phẩm sẵn có. Ngồi các phế phụ phẩm nơng nghiệp
thì phế phụ phẩm trong trồng trọt cũng chứa một lượng phụ phẩm khơng hề nhỏ.
Trong đó, nhãn là một trong những cây trồng có lượng phụ phẩm hàng năm lớn.
Tuy nhiên, việc sử dụng, chế biến phế phụ phẩm nơng nghiệp hiện nay cịn chưa
đồng bộ, hiệu quả, lãng phí, chưa tạo ra những sản phẩm giá trị tăng cao.
Hiện nay, hầu hết chế phẩm vi sinh đều được sản xuất từ một loại vi sinh
vật, hay phối trộn nhiều chủng với nhau có tác dụng hỗ trợ nhau cùng phát huy
tác dụng chuyên biệt của chúng như cố định đạm, phân giải photpho khó tan,
kích thích sinh trưởng…và hiệu quả sử dụng các chế phẩm này ở các địa
phương khác nhau do sự phong phú và đa dạng của hệ vi sinh vật đất và tác
động qua lại nhiều chiều của các vi sinh vật với nhau.
1


Chính vì vậy việc ứng dụng các chủng vi sinh vật phù hợp để “Nghiên
cứu tạo chế phẩm vi sinh dạng lỏng xử lý phế phụ nhãn sau thu hoạch” giúp
xử lý và tận dụng được phế phụ phẩm nhãn sau mỗi mùa vụ.
1.2.

Yêu cầu của đề tài

- Nghiên cứu được chế phẩm vi sinh dạng lỏng sử dụng các chủng vi khuẩn

có khả năng phân hủy lignin, cellulose để xử lý phế phụ phẩm sau thu
hoạch nhãn.
1.3.

Nội dung thực hiện

- Đánh giá khả năng phân giải cellulose, lignin của hai chủng vi sinh vật
D504 và HN8.
- Chọn lọc và đánh giá chất mang phù hợp với vi sinh vật, nghiên cứu công
thức phối trộn, công thức chế phẩm vi sinh.
- Bước đầu ủ và đánh giá khả năng phân giải của chế phẩm với phụ phẩm
sau thu hoạch nhãn.

2


Chương II:
TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. Tổng quan về phế phụ phẩm nông nghiệp
2.1.1. Tổng quan về phế phụ phẩm nông nghiệp
Việt Nam là nước sản xuất nông nghiệp với sản lượng lớn nên trong quá
trình sản xuất, bảo quản, sơ chế, chế biến nông sản, tỷ lệ phụ phẩm của lâm
nghiệp, trồng trọt, chăn nuôi, thủy sản là rất lớn.
Theo tổng cục Thống kê, tổng lượng phế phụ phẩm nông nghiệp cả nước
năm 2020 là hơn 156,8 triệu tấn, trong đó: 88,9 triệu tấn phụ phẩm sau thu
hoạch từ cây trồng, từ q trình chế biến nơng sản của ngành trồng trọt (chiếm
56,7%); 61,4 triệu tấn phân gia súc, gia cầm từ ngành chăn nuôi (chiếm 39,1%);
5,5 triệu tấn từ ngành lâm nghiệp (chiếm 3,5%); khoảng 1 triệu tấn từ ngành
thủy sản (10,6%).
Trong đó, riêng khu vực Đơng Nam Bộ và Đồng bằng sông Cửu Long,

phụ phẩm nông nghiệp chủ yếu từ ngành trồng trọt và chăn nuôi với hơn 13,9
triệu tấn trong năm 2020 tại Đông Nam Bộ và 39,4 triệu tấn tại Đồng bằng sông
Cửu Long. Số lượng phụ phẩm nơng nghiệp của Việt Nam nói chung là rất lớn
nhưng việc sử dụng vẫn chưa hiệu quả và có sự khác nhau giữa các loại sản
phẩm. Đối với phụ phẩm trồng trọt, tỷ lệ thu gom chỉ đạt 52,2% trên tổng lượng
88,9 triệu tấn; chăn ni có tỷ lệ thu gom là 75,1% trên tổng lượng 61,4 triệu
tấn; thủy sản có tỷ lệ thu gom cao nhất với 90% trên tổng lượng phụ phẩm 1
triệu tấn và lâm nghiệp có tỷ lệ thu gom 50,2% trên tổng lượng 5,5 triệu tấn.
Không chỉ tỷ lệ thu gom thấp, việc sử dụng phụ phẩm nói chung vẫn cịn đơn
giản, chưa tạo được giá trị gia tăng cao.
Trên thực tế, Việt Nam vẫn chưa được tận dụng tốt các phế phụ phẩm
nông nghiệp. Minh chứng cho thấy là trong số 43 triệu tẩn rơm thì mới thu gom,
sử dụng được khoảng 52,2%. Với việc chế biến, việc tái sử dụng phụ phẩm nông
3


nghiệp ở Việt Nam có thể mang lại 4-5 tỷ USD/ năm, nhưng hiện nay mới đạt
được khoangr 275 triệu USD (Nhung, 2022).
2.1.2. Sản lượng và phụ phẩm sau thu hoạch nhãn.
Nhãn là một trong những cây trồng phổ biến và có giá trị hiệu quả kinh tế
cao. Số liệu thống kê của Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn cho thấy năm
2021, Trung Quốc là thị trường xuất khẩu hoa quả lớn nhất của Việt Nam. Số
liệu thống kê của Bộ Công Thương Việt Nam cho thấy, năm 2022 Việt Nam dự
tính sẽ bán hơn 4500 tấn quả nhãn sang thị trường Trung Quốc. Cùng với sự tiếp
tục tăng lên của kim ngạch xuất khẩu, nông dân trồng trái cây địa phương đã đi
lên con đường làm giàu trong hợp tác quốc tế.
Năm 2021, Tổng sản lương nhãn của một số tỉnh phía Bắc ước tính tăng
nhanh ví dụ như: Hưng n có diện tích khoảng 4.800 ha, sản lượng ước đạt
50.000-55.000 tấn, cao hơn năm 2020 từ 15 – 20; Sơn La có diện tích 19.224 ha,
sản lượng ước đạt gần 98.500 tấn, tăng khoảng 1015% so năm 2020; Tại tỉnh

Hải Dương hiện có 2.136 ha, sản lượng quả 9.000 - 10.000 tấn, tương đương
năm 2020; Bắc Giang hiện có khoảng 3.300 ha, sản lượng ước đạt 20.000 tấn,
tăng 2.000 tấn so năm 2020; TP. Hà Nội hiện có khoảng 1.740 ha, sản lượng
ước đạt hơn 13.000 tấn. Trong đó trà sớm đạt hơn 5%, chính vụ khoảng 65%, trà
muộn gần 30%. Tại phía Nam, huyện Châu Thành, tỉnh Đồng Tháp hiện có 793
ha nhãn, là một trong những địa phương có diện tích trồng nhãn lớn nhất tỉnh.
Sản lượng nhãn năm nay dự kiến đạt hơn 13.400 tấn và thu hoạch từ tháng 7 đến
tháng 12/2021 (Phí Hải Nam & Nhật Tiến, 2021)
Trong khi đó, theo công bố của Sruamsiri và Silman (2015) về thành phần
nguyên liệu phụ phẩm sau thu hoạch nhãn đã chỉ ra: trọng lượng hạt và vỏ nhãn
lần lượt chiếm 12,5 - 21,1 và 12,4 - 19,6% trọng lượng toàn quả. Như vậy, cùng
với việc tổng sản lượng nhãn tăng dẫn tới lượng phụ phẩm sau thu hoạch nhãn
tăng theo.
4


2.3. Thành phần có trong phế phụ phẩm nơng nghiệp
Lignocellulose là một vật liệu polymer sinh học và là một nguồn sinh khối
lớn nhất trái đất bao gồm ba thành phần, bao gồm hemicellulose, lignin và
cellulose.Liên kết hydro giữa các lớp khác nhau của polysacarit góp phần vào
khả năng chống phân hủy của cellulose tinh thể. Hemicellulose, thành phần phổ
biến thứ hai của lignocellulose, bao gồm nhiều loại đường 5 và 6 carbon như
arabinose, galactose, glucose, mannose và xylose. Lignin bao gồm ba thành
phần chính phenolic, cụ thể là rượu p-coumaryl (H), rượu coniferyl (G) và rượu
sinapyl (S). Lignin được tổng hợp bằng cách trùng hợp các thành phần này và tỷ
lệ của chúng trong polyme khác nhau giữa các loại thực vật, mô gỗ và lớp thành
tế bào khác nhau. Cellulose, hemicellulose và lignin tạo thành các cấu trúc được
gọi là vi sợi.

Hình 2. 1.Cấu trúc lignocellulose

5


Q trình chuyển hố các hợp chất này có tác động đáng kể đến phát triển
nông nghiệp, nhiên liệu sinh học và môi trường. Trong sản xuất nông nghiệp,
tàn dư thực vật trên đồng ruộng không chỉ là một nguồn dinh dưỡng cho đất mà
cịn có tác dụng cải thiện tính chất hố học, vật lý trồng trọt. Hợp chất
lignocellulose gồm cellulose, hemicellulose và lignin. Trong đó, phế phẩm nhãn
là một dạng vật liệu lignocellulose.
Bảng1. Thành phần lignocellulose trong rác thải và phế phụ liệu
nông nghiệp phổ biến (Tchobanoglous et al., 1993)
Cellulose

Hemicellulose

Lignin

(%)

(%)

(%)

Thân gỗ cứng

40-55

24-40

18-25

Thân gỗ mềm

45-50

25-35

25-35

Vỏ lạc

25-30

25-30

30-40

Lõi ngô

45

35

15

Giấy

85-99

0

0-15

Vỏ trấu

32.1

24

18

30

50

15

Lá cây

15-20

80-85

0

Hạt bơng

80-95

5-20

0

Cỏ mềm

45

31.4

12.0

25-40

25-50

10-30

Nguồn ngun liệu

Vỏ trấu của lúa mì

Các loại cỏ (trị số trung
bình cho các loại)

Trong 3 thành phần chính của lignocelluloses, lignin là khó phân hủy nhất.
Đây cũng chính là rào cản sự tấn công của các enzyme khác vào thủy phân hiệu
quả hemicelluloses và cellulose.

6

Hợp chất Cellulose
Cellulose là hợp chất hữu cơ có cơng thức cấu tạo (C6 H10O5)n

Hình 2. 2. Cơng thức cấu tạo Cellulose
Cấu trúc hóa học của cellulose bao gồm các chuioix đơn vị glucose tuyến
tính được liên kết bởi các liên kết

β-1,4-glycosid. Các chuỗi glucan của

cellulose tổng hợp thông qua các liên kết hydro và lực van der waals để tạo
thành một cấu trúc tinh thể giống như sợi chỉ dài được gọi là sợi cellulose.
(Sintu Rongpipi & cs., 2018). Bằng cách hình thành các giới hạn của hydro,
chuỗi có xu hướng sắp xếp song song và tạo thành một cấu trúc tinh thể. Do đó,
các sợi nhỏ cellulose có cả hai vùng là vùng kết tinh (khoảng 2/3 tổng lượng
cenlulose) và vùng vơ định hình. Cellulose có cấu trúc dạng tinh thể nên khó bị
phân hủy và hịa tan. Vùng kết tinh có trật tự cao và bền vững với các tác động
bên ngồi và vùng vơ định hình có cấu trúc khơng chặt chẽ, do đó kém bền vững
hơn. Vùng vơ định hình có thể hấp thụ nước và trương lên. Trong khi đó vùng
kết tinh, mạng lưới liên kết hydro ngăn cản sự trương này, các dung mơi hữu cơ,
các dung dịch axit hay kiềm lỗng cũng khơng có tác dụng, các enzyme chỉ có
thể tác dụng lên bề mặt của các sợi (Linder & Teeri, 1997).
Cellulose là hợp chất phức tạp, bền vững không tan trong nước và trong
nhiều dung môi hữu cơ, không chịu tác dụng của các dung dịch axit và kiềm
loãng, chỉ bị thuỷ phân khi đun nóng tới axit hoặc kiềm. Do liên kết glycozit
không bền với axit, cellulose dễ bị thuỷ phân bởi axit thành các sản phẩm thuỷ
phân khơng hồ tan, có độ bền cơ học kém hơn.
7

Cellulose tự nhiên khi bị thuỷ phân hoàn toàn sẽ cho sản phẩm cuối cùng
là D-glucoza. Dung dịch kiềm làm trương phồng mạch cellulose và hoà tan một
phần các cellulose phân tử nhỏ. Ở điều kiện bình thường một số vi sinh vật có
thể thuỷ phân cellulose thành cellobioza và glucoza. Trong tế bào thực vật
cellulose liên kết chặt chẽ với hemicellulose (chiếm 30-50% trọng lượng khô).
Đây là loại heteropolymer chứa nhiều momosaccharide như galactose, mannose,
glucose, xylose, arabinose và các nhóm acetyl; do bản chất khơng kết tinh nên
hemicellulose trương đói dễ bị thủy phân. Cellulose cịn liên kết chặt chẽ với
lignin (10-25% trọng lượng khô). Đây là thành phần ảnh hưởng rất nhiều đến sự
thủy phân cellulose của enzyme. Chỉ trong một số trường hợp (ví dụ trong sợ
bơng) cellulose tồn tại trong trạng thái một polymer gần tinh khiết.
Việc sử dụng cơ chất lignocellulose để sản xuất các enzyme thủy phân
cơ chất này có tiềm năng ứng dụng trong nhiều ngành cơng nghiệp như hóa
chất, nhiên liệu, thực phẩm, rượu và bia, thức ăn gia súc, vải sợ, bột giặt,
giấy và bột giấy.
Hợp chất Lignin
Lignin là một loại polymer thơm tự nhiên, có thành phần phổ biến thứ hai
sau cellulose. Lignin được tìm thấy trong thực vật, phụ phẩm nông nghiệp và
nhiều nơi khác. Phân tử lignin không có tính đồng nhất, tạo liên kết với
hemicellulose và bao quanh cellulose thông qua liên kết este trong thực vật để
cung cấp độ cứng và bảo vệ thành tế bào. Lignin bao gồm các hợp chất phenol,
trong đó chủ yếu có ba nhóm: guaiacyl (G), syringyl (S) và hydroxyphenyl (H),
được polymer hóa thơng qua liên kết ngang trung gian của phản ứng gốc
enzyme, tạo ra β- liên kết O-4 chiếm ưu thế và các liên kết C-C và C-O khác
(Ralph & cs., 2004). Do lignin là một phân tử lớn có cấu trúc rất phức tạp, việc
ứng dụng, chuyển hóa lignin cịn rất nhiều hạn chế. Vì vậy, sự phân hủy lignin
của vi sinh vật đã nhận được sự quan tâm của các nhà khoa học để khắc phục
các vấn đề khó khăn này.
8

Hình 2. 3. Cấu trúc của Lignin
Hơn nữa lignin đóng vai trị quan trọng trong chu trình carbon. Đây là
một trong các thành phần bị phân huỷ lâu nhất của thực vật, liên kết chặt chẽ với
mạng cellulose và hemicellulose. Vì vậy, rất khó để có thể tách lignin ra hoàn
toàn.
Cấu trúc của lignin đa dạng, tuỳ thuộc vào loại gỗ, tuổi của cây hoặc cấu
trúc của nó trong gỗ. Ngoài việc được phân loại theo lignin của gỗ cứng, gỗ
mềm và cỏ; lignin có thể được phân loại thành 2 nhóm chính: guaiacyl lignin và
guaiacyl-syringyl lignin. Gỗ mềm chứa chủ yếu là guaiacyl, gỗ cứng chứa chủ
yếu là syringyl. Theo Palonen, 2004, guaiacyl lignin hạn chế sự trương nở của
xơ sợi và vì vậy loại ngun liệu đó sẽ khó bị tấn cơng bởi enzyme hơn syringyl
lignin. Cấu trúc hóa học của lignin rất dễ bị thay đổi trong điều kiện nhiệt độ cao
và pH thấp. Ở nhiệt độ phản ứng cao hơn 200℃, lignin bị kết khối thành những
phần riêng biệt và tách ra khỏi cellulose. Những nghiên cứu trước đây cho thấy
9


đối với gỗ cứng, nhóm ether β-O-4 aryl bị phá hủy trong quá trình nổ hơi. Đối
với gỗ mềm, quá trình nổ hơi làm bất hoạt các nhóm hoạt động của lignin vị trí α
như nhóm hydroxyl hay ether. Các nhóm này bị oxy hóa thành cacbonyl hoặc
tạo cation benzylic và tiếp tục tạo liên kết C-C (Palonen, 2004).
Lignin là một hợp chất tự nhiên, có cấu trúc phức tạp, đa dạng và rất khó
bị phân hủy. Xử lý bằng biện pháp hóa học và sử dụng các chất đã được tiến
hành, xong hiệu quả còn hạn chế do chi phí cao và thường gây ra những tác hại
xấu về mặt môi trường.
Hợp chất Hemicellulose
Thành phần thứ ba của lignocellulose là hemicellulose. Hemicellulose
cũng là các đại phân tử nhưng mạch được cấu tạo từ các đường năm cacbon
pentose và các đường sáu cacbon hexose. Tuy nhiên, các đường năm cacbon là

chủ yếu. Đối với các loại gỗ mềm và các loại cỏ, bèo,…, phần lớn đường
pentose trong hemicellulose là mannose, trong khi đó đối với gỗ cứng là đường
năm xylose. Do mạch hemicellulose ngắn hơn và có cả mạch nhánh nên so với
cellulose thì hemicellulose dễ bị thủy phân hơn (Patinvoh & Taherzadeh, 2019).
2.4. Tổng quan về chế phẩm vi sinh để sử lý phế phụ phẩm nông nghiệp
2.4.1. Quy trình sản xuất chế phẩm vi sinh
Chế phẩm vi sinh hay còn gọi là chế phẩm sinh học, men vi sinh có tên khoa
học là probiotics. Là tập hợp các dịng vi sinh vật có lợi có khả năng phân hủy
chất thải hữu cơ gây ô nhiễm môi trường hay bổ sinh dinh dưỡng từ những vi
khuẩn hay vi nấm có sợi. Mà những vi sinh vật này vẫn cịn sống và hoạt động
khi chúng ta cần.
Hiện nay, chúng ta đang tiếp cận nhiều hơn đến với các chế phẩm vi sinh
vì chúng ta thấy được tầm quan trọng to lớn của các chủng vi sinh vật trong
thiên nhiên cũng như trong các hoạt động cải thiện chất lượng cuộc sống của
chúng ta nhờ năng lực chuyển hóa mạnh mẽ với khả năng sinh sản nhanh chóng
của các chủng vi sinh vật và nhờ hoạt động sống của các vi sinh vật.
10


Chế phẩm sinh học được tạo ra ở dạng bột, dạng lỏng chứa các vi khuẩn
sống có hoạt tính kháng khuẩn mạnh và hoạt tính enzyme cao, mật độ tế bào vi
khuẩn/ 1 gam chế phẩm ≥ 108 tế bào.
a. Phân lập và tuyển chọn các chủng vi sinh vật
Tùy thuộc vào mục đích mà tiến hành phân lập và tuyển chọn các nguồn vi
sinh vật.
b. Nhân giống và nuôi cấy để thu sinh khối các chủng vi sinh vật được
chọn
Từ các chủng VSV tuyển chọn, sinh khối VSV được nhân giống cấp 1,
nhân giống cấp 2 và lên men chính để thu sinh khối, trong đó các yếu tố ảnh
hướng đến khả năng sinh trưởng và phát triển của q trình thu nhận sinh khối

như mơi trường nhân sinh khối, nồng độ oxy, nhiệt độ, pH cần được đặc biệt
quan tâm.
Môi trường nhân sinh khối VSV cần đáp ứng được đầy đủ nhu cầu dinh
dưỡng cho VSV sinh trưởng phát triển, đồng thời phải rẻ tiền và có sẵn. Hầu hết
các VSV sử dụng trong quá trình sản xuất chế phẩm được nhân sinh khối bằng
phương pháp lên men chìm trong các nồi lên men.
Sinh khối VSV sau khi lên men được ly tâm hay lọc, rửa tế bào để thu
sinh khối. Chuyển sinh khối vào chất mang vô trùng theo mật độ nhất định tạo
ra chế phẩm vi sinh trên nền chất mang vơ trùng, trong đó sinh khối VSV được
bổ sung trong điều kiện vô trùng bằng bơm tiêm hoặc hệ thống tiêm tự động,
bán tự động.
c. Phối trộn và tạo thành sản phẩm
Lựa chọn chất mang và tỷ lệ thành phần tham gia: chất mang được xử lý
đảm bảo độ mịn, pH trung tính, khử trùng vơ khuẩn. Sau đó phối trộn vi sinh vật
với chất mang với mật độ tiếp giống ban đầu ≥ 1010 CFU/g, bảo quản ở điều
kiện nhiệt độ phòng, sau các thời gian nhất định kiểm tra mật độ vi sinh vật có
trong chế phẩm bằng phương pháp đếm khuẩn lạc.
11


Mật độ VSV và thời gian sống của VSV là 2 chỉ tiêu chất lượng quan
trọng của chế phẩm, là một trong những yếu tố quyết định nên chất lượng và giá
thành sản phẩm. Do đó, nghiên cứu lựa chọn chất mang nhằm bảo vệ được VSV
trong q trình hồn thiện sản phẩm và bảo quản duy trì ổn định hoạt lực của sản
phẩm. Nguyên liệu lựa chọn làm chất mang cho sản xuất chế phẩm VSV phải
đảm bảo các đặc điểm như: Không độc hại với VSV, thực vật; khả năng hấp thụ
độ ẩm tốt; có khả năng bám dính tốt; có sẵn với số lượng đầy đủ; rẻ tiền.
Lựa chọn nhiệt độ và thời gian sấy cũng là một tiêu chí quan trọng trong
q trình tạo thành sản phẩm. Do đó cần lựa chọn được mốc thời gian và nhiệt
độ sấy phù hợp để các chủng vi khuẩn có thể được bảo quản cũng như được lưu

giữ trong thời gian dài nhất. Theo nghiên cứu của Trần Tiến Dũng và cs đã chỉ
ra rằng ở điều kiện nhiệt độ 40oC trong thời gian 12 giờ là điều kiện sấy phù hơp
nhất độ ẩm đạt 27% và mật độ tế bào đạt 3.109 – 3,4. 109 CFU/g (Trần Tiến
Dũng & cs., 2017). Nghiên cứu của Nguyễn Thị Lâm Đoàn và Hồ Thị Thơm chỉ
ra rằng, sau quá trình sấy ở điều kiện 40oC trong 6 giờ cho mật độ tế bào là 4,01.
109 CFU/g độ ẩm là 8,21% và tỉ lệ sống sót là 75,56% (Nguyễn Thị Lâm Đồn
& Hồ Thị Thơm, 2021).
Ngồi ra, việc lựa chọn bao bì đóng gói sản phẩm cũng ảnh hưởng đến
chất lượng sản phẩm và sự sai khác về mật độ tế bào của các chủng vi sinh vật
trong chế phẩm. Để đảm bảo yêu cầu về chất lượng chế phẩm, mật độ vi sinh vật
hữu ích ≥ 109 CFU/g sau 6 tháng bảo quản chế phẩm được đóng gói kín, dãn
nhãn được bảo quản ở điều kiện thường, nơi thoáng mát, tránh ánh nắng trực
tiếp, khơng gần nơi có hóa chất. Theo nghiên cứu của Trần Tiến Dũng và cs,
2017 cho thấy sự khác biệt về mật độ vi sinh vật khi sử dụng các loại bao bì
đóng gói khác nhau sau 6 tháng bảo quản. Nghiên cứu chỉ ra rằng, khi sử dụng
bao bì bằng túi thiếc và túi nilon đều đạt yêu cầu về 6 tháng bảo quản, tuy
nheien, bảo quản trong túi thiếc đảm bảo độ bề chắc, thuận lợi cho q trình vận
chuyển, phân phối và tính thẩm mỹ của sản phẩm.
12


Hình 2. 4. Quy trình sản xuất chế phẩm VSV chức năng có bổ sung
biochar

Hình 2. 5. Quy trình tạo chế phẩm PT (Pgs. Ts Lê Đình Đơn, 2020)
13


Hình 2. 6. Sơ đồ cơng nghệ tạo chế phẩm vi sinh lactic
2.5. Vai trò của các vi sinh vật sử dụng để xử lý phế phụ phẩm nông nghiệp

2.5.1. Vai trị của nhóm vi sinh vật cố định đạm
Các nhóm vi sinh vật cố định đạm, hay cịn gọi là cố định nito, là nhóm
những vi sinh vật quan trọng trong việc cô định N2 trong đất và trong cây trồng.
Trong đó, nito là yếu tố dinh dưỡng và quan trọng khơng chỉ đối với cây trồng
mà cịn đối với các chủng vi sinh vật. Nguồn dự trữ nito trong tự nhiên rất lớn,
chỉ tính tiêng trong khơng khí có đến 78,16% là nito, tuy nhiên nguồn nito này
cây trồng khơng thể sử dụng được. Để cây trồng có thể sử dụng được nguồn nito
khổng lồ này làm chất dinh dưỡng, nito khơng khí phải được chuyển hóa thơng
qua quá trình cố định nito (cố định đạm) dưới sự tác động của các chủng vi sinh
vật cố định đạm.
Từ đó, việc ứng dụng vi sinh vật để chuyển hóa cũng như xử lý nguồn
nito trong tự nhiên và tồn dư trong đất được ứng dụng ngày càng rộng rãi và phổ
biến. Việc sử dụng vi sinh vật như một tác nhan sinh học có lợi trong sản xuất là
mơt trong những xu hướng có tiềm năng phát triển trên khắp thế giới. Các vi
khuẩn cố định nito có thể sống cộng sinh trong rễ, tạo nên các nốt sần hoặc có
14


thể sống tự do dưới đất. Hiện nay, có khoảng hơn 600 lồi cây có sống cộng sinh
với các chủng vi sinh vật có khả năng đồng hóa N2 thuộc nhiều họ khác nhau.
điển hình là các cây họ đậu, lạc.. Hơn 90% tổng số quá trình cố định nito được
thực hiện bởi nhữn vi sinh vật này, do đó chúng đóng vai trị quan trọng trong
q trình cố định nito.
Có hai loại vi khuẩn cố định nito được cơng nhận. Loại đầu tiên, vi khuẩn
sống tự do (không cộng sinh), bao gồm vi khuẩn lam (hoặc tảo lam) Anabaena
và Nostoc và các chi khác như Azotobacter, Beijerinckia và Clostridum. Loại
thứ hai bao gồm các vi khuẩn sống cộng sinh, có thể kể đến các Rhizobium liên
quan đến cây họ đậu; Frankia có liên quan đến một số lồi thực vật thuộc họ
hành và một số chủng Azospirillum sống cộng sinh với các loại cỏ ngũ cốc.
Nhiều cơng trình nghiên cứu trên thế giới đã phát hiện các nhóm vi khuẩn

Azospirillum có khả năng cố định đạm sinh học cho cây lúa gia tăng năng suất
tư 15% đến 54% (Favilli & cs., 1987; Omar & cs., 1989). Theo thống kê có
khoảng 60% đến 70% các cây trồng có chủng vi khuẩn Azospirillum sp. sẽ giúp
cây tăng năng suất từ 5% đến 30% (Okon, 1985).
Các chủng vi khuẩn cố định nito cộng sinh xâm nhập vào lông rễ của cây
ký chủ, tại đây chúng sinh sơi và kích thích hình thành các nốt sần ở rễ, các tế
bào thực vật phình to và vi khuẩn liên kết chặt chẽ với nhau. Trong nốt sần, vi
khuẩn chuyển đổi nito tự do thành ammoniac, mà cây có thể sử dụng được.
(Britannica, T. Editors of Encyclopaedia (2020, January 13))
Theo tài liệu của Brantxevits (1934) cho biết, xử lý vi khuẩn Azotobacter
cho hạt giống trước khi gieo đã làm tăng hoạt lực các enzym ascocbinoxydaza,
peroxydaza, catalaza và thể hiện mạnh nhất trong thời kỳ sinh trưởng đầu tiên
của cây. Bón Azotobacter cho đất đã làm tăng hoạt lực polyphenoloxydaza trong
cây. Những loại emzym này là chỉ tiêu quan trọng đánh giá cường độ oxy hóa
khử của cây, liên quan trực tiếp đến tính chống chịu của cây đối với nhiều loại
nấm bệnh (Fusarium, Alternaria).
15