Nghiên cứu môi trường, điều kiện nuôi chủng dn2, d3 6 và đánh giá khả năng sinh trưởng, phát triển nhằm xử lý phụ phẩm sau thu hoạch nhãn (khóa luận tốt nghiệp)

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC
------   ------

KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU MƠI TRƢỜNG, ĐIỀU KIỆN NUÔI
CHỦNG DN2, D3.6 VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SINH
TRƢỞNG, PHÁT TRIỂN NHẰM XỬ LÝ PHỤ PHẨM
SAU THU HOẠCH NHÃN

HÀ NỘI - 2022


HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC
------   ------

KHỐ LUẬN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU MƠI TRƢỜNG, ĐIỀU KIỆN NUÔI
CHỦNG DN2, D3.6 VÀ ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG SINH
TRƢỞNG, PHÁT TRIỂN NHẰM XỬ LÝ PHỤ PHẨM
SAU THU HOẠCH NHÃN

Sinh viên

: PHẠM THÀNH ĐỨC

MSV

: 637215

Lớp

: K63CNSHC

Khoa

: Công nghệ sinh học

Giảng viên HD : Th.S Trịnh Thị Thu Thủy

HÀ NỘI - 2022


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả đƣợc trình bày trong bản khố luận này
là hồn toàn trung thực. Kết quả đƣợc thu thập dựa vào q trình nghiên cứu
khoa học trực tiếp của tơi dƣới sự hƣớng dẫn của ThS. Trịnh Thị Thu Thuỷ,
giảng viên bộ môn SHPT& CNSH Ứng dụng, Khoa Công nghệ Sinh học, Học
viện Nông nghiệp Việt Nam.
Tôi xin cam đoan mọi thơng tin đƣợc tham khảo trong bài khố luận này đã
đƣợc ghi rõ nguồn gốc tại mục tài liệu tham khảo.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2022

Sinh viên

Phạm Thành Đức

i


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn trân trọng tới ban Giám đốc Học viện,
thầy cô Khoa Công nghệ sinh học và các thầy, cô đã tạo điều kiện và giúp đỡ em
trong suốt quá trình học tập, rèn luyện, nghiên cứu tại Học viện Nông nghiệp
Việt Nam.
Em xin đƣợc bày tỏ lòng biết ơn tới ThS. Trịnh Thị Thu Thuỷ, giảng viên
bộ môn SHPT& CNSH Ứng dụng, khoa Cơng nghệ Sinh học đã tận tình hƣớng
dẫn trong suốt quá trình nghiên cứu, thực hiện và hồn thành khố luận.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, anh chị, bạn bè đã chỉ dạy,
góp ý, động viên trong suốt q trình thực tập khố luận.
Trong q trình thực tập khố luận, nhận thấy vốn hiểu biết và kinh nghiệm
còn nhiều hạn chế nên bài nghiên cứu này chƣa thể hoàn thiện một cách tốt nhất.
Em rất mong nhận đƣợc đóng góp ý kiến của thầy cơ để bài báo cáo đƣợc hồn
thiện hơn.
Em xin trân trọng cảm ơn!
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2022

Sinh viên

Pham Thành Đức

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................... ii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................... v
DANH MỤC BẢNG ............................................................................................ vi
DANH MỤC HÌNH ............................................................................................ vii
TĨM TẮT KHĨA LUẬN ................................................................................... ix
ĐẶT VẤN ĐỀ ....................................................................................................... 1
Chƣơng I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU .................................................................... 3
1.1.

Thực trạng sản lƣợng phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam ....................... 3

1.2.

Tổng quan về phế phụ phẩm sau thu hoạch nhãn ...................................... 5

1.3.

Tổng quan các phƣơng pháp xử lý phế phụ phẩm nhãn ............................ 6

1.3.1. Thành phần nguyên liệu trong phụ phẩm nhãn ......................................... 6
1.4.

Tổng quan về hệ enzyme phân giải cellulose và lignin ........................... 12

1.4.1. Enzyme cellulose và vi sinh vật phân giải cellulose ............................... 12
1.4.2. Enzyme ligninolytic và vi sinh vật phân giải lignin ................................ 14
CHƢƠNG II: VẬT LIỆU, NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .... 18
2.1.

Vật liệu, thời gian và địa điểm nghiên cứu .............................................. 18

2.1.1. Vật liệu nghiên cứu .................................................................................. 18
2.1.2. Môi trƣờng nghiên cứu ............................................................................ 18
2.1.3. Dụng cụ, thiết bị và hóa chất thí nghiệm ................................................. 18
2.1.4. Thời gian và địa điểm nghiên cứu ........................................................... 19
2.2.

Nội dung nghiên cứu................................................................................ 19

2.3.

Phƣơng pháp nghiên cứu ......................................................................... 19

2.3.1. Phƣơng pháp khảo sát môi trƣờng và điều kiện tối ƣu cho sự phát
triển của vi khuẩn DN2 và D3.6 ............................................................. 19
2.3.2. Xác định pH và nhiệt độ thích hợp .......................................................... 20
2.3.3. Khảo sát môi trƣờng nuôi cấy và đánh giá khả năng sinh trƣởng của
hai chủng vi khuẩn DN2 và D3.6............................................................ 20
iii


2.3.4. Phƣơng pháp xác định hàm lƣợng chất có trong mẫu phế phụ phẩm .... 22

2.3.4.1.Xác định hàm lƣợng chất khô trong mẫu phụ phẩm nhãn ...................... 22
2.3.5. Phƣơng pháp đánh giá khả năng phân hủy phế phụ phẩm nhãn ............. 24
CHƢƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .................................................... 24
3.1.

Hoạt hóa và xác định khả năng sinh enzyme ligninolytic của 2 chủng
DN2 và D3.6 ........................................................................................... 25

3.1.1. Đánh giá khả năng sinh enzyme cellulase của 2 chủng DN2 và D3.6 .... 25
3.2.

Kết quả đánh giá khả năng sinh trƣởng và khả năng sinh enzyme
laccase của các chủng vi khuẩn .............................................................. 26

3.3.

Kết quả khảo sát mơi trƣờng ni cấy thích hợp ..................................... 29

3.3.1. Khảo sát các nguồn Cacbon thay thế ....................................................... 29
3.3.2. Kết quả khảo sát sự ảnh hƣởng của pH tới sinh trƣởng và phát triển
của vi khuẩn ............................................................................................ 30
3.3.3. Kết quả đánh giá ảnh hƣởng của nhiệt độ tới khả năng sinh trƣởng
của vi khuẩn ............................................................................................ 33
3.4.

Kết quả đánh giá khả năng phân giải lignin, cellulose và hemicellulose
trong phụ phẩm nhãn của hai chủng DN2 và D3.6. .................................. 35

3.4.1. Các tiêu chí đánh giá tƣơng quan đống ủ ................................................ 36
3.4.2. Kết quả đánh giá khả năng phân hủy lignin, cellulose và hemicellulose

trong phế phụ phẩm sau thu hoạch nhãn của 2 chủng DN2 và D3.6 ........... 37
3.4.3. Kết quả đánh giá trạng thái đống ủ sau 28 ngày ..................................... 42
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................. 45
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 46
PHỤ LỤC ............................................................................................................ 51

iv


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Chữ viết tắt

Giải nghĩa

cs

Cộng sự

ĐC

Đối chứng

LB

Luri and Bertani

LiP

Lignin peroxidase

MnP

Mangan peroxidase

v


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1. 1 Thành phần lignocellulosetrong rác thải và phế phụ phẩm nông
nghiệp phổ biến ..................................................................................... 8
Bảng 2. 2 Giá trị d theo Va .................................................................................. 23
Bảng 3. 1 Kết quả khảo sát pH của 2 chủng DN2 và D3.6 trên môi trƣờng đã
đƣợc tuyển chọn .................................................................................. 31
Bảng 3. 2 Kết quả khảo sát nhiệt độ của 2 chủng DN2 và D3.6 trên môi
trƣờng đã đƣợc tuyển chọn ................................................................. 33
Bảng 3. 3 Hàm lƣợng chất khô, cellulose, hemicellulose và lignin có trong cây
nhãn ..................................................................................................... 35
Bảng 3. 4 Hàm lƣợng lignin trong phụ phẩm nhãn trƣớc và sau khi ủ 28 ngày ....... 37
Bảng 3. 5 Hàm lƣợng cellulose trong phụ phẩm nhãn trƣớc và sau khi ủ 28 ngày .. 39

vi


DANH MỤC HÌNH
Hình 1. 1 Thời vụ và sản lƣợng nhãn 2021 ........................................................... 6
Hình 1. 2 Cấu trúc lignocellulose .......................................................................... 7
Hình 1. 3 Cấu trúc cellulose .................................................................................. 9
Hình 1. 4 Sự xuất hiện của lignin trong tự nhiên ................................................ 10

Hình 1. 5 Cấu trúc hydroxyphenyl (H), guaiacyl (G), syringyl (S) ................... 11
Hình 1. 6 Cấu trúc các loại đƣờng trong hemicellulose ...................................... 12
Hình 1. 7 Enzyme cellulase đƣợc sản xuất bởi Thermomonospora fusca .......... 13
Hình 1. 8 Cấu trúc Laccase ................................................................................. 15
Hình 1. 9 Cơ chế hoạt động của Lignin Peroxidase............................................ 16
Hình 1. 10 Cơ chế hoạt động của Mangan peroxidase ....................................... 16
Hình 3. 1 Kết quả định tính lignin của 2 chủng DN2 và D3.6 với acid tannic .. 25
Hình 3. 2 Kết quả định tính cellulase của 2 chủng vi khuẩn DN2 và D3.6 ........ 26
Hình 3. 3 Đƣờng cong sinh trƣởng và hoạt độ Laccase của chủng DN2 ........... 27
Hình 3. 4 Đƣờng cong sinh trƣởng và hoạt độ Laccase của chủng D3.6 ........... 28
Hình 3. 5 Biểu đồ mật độ sinh khối của chủng DN2 trong các mơi trƣờng
khác nhau ............................................................................................ 29
Hình 3. 6 Biểu đồ mật độ sinh khối của chủng D3.6 trong các .......................... 30
mơi trƣờng khác nhau.......................................................................................... 30
Hình 3. 7 Biểu đồ thể hiện sinh khối của chủng DN2 trong các điều kiện pH
khác nhau ............................................................................................ 32
Hình 3. 8 Biểu đồ thể hiện sinh khối của chủng D3.6 trong các điều kiện pH
khác nhau ............................................................................................ 32
Hình 3. 9 Biểu đồ thể hiện sinh khối của chủng DN2 trong các điều kiện
nhiệt độ khác nhau .............................................................................. 34
Hình 3. 10 Biểu đồ thể hiện sinh khối của chủng D3.6 trong các điều kiện
nhiệt độ khác nhau .............................................................................. 34
Hình 3. 11 Sự biến thiên nhiệt độ theo thời gian trong đống ủ........................... 36
Hình 3. 12 Biểu đồ tỷ lệ %lignin còn trong mẫu phụ phẩm Mix 1..................... 38
vii


Hình 3. 13 Biểu đồ tỷ lệ %lignin cịn trong mẫu phụ phẩm Mix 2..................... 39
Hình 3. 14 Biểu đồ tỷ lệ %cellulose&hemicellulose còn trong mẫu phụ phẩm
Mix 1 ................................................................................................... 40

Hình 3. 15 Biểu đồ tỷ lệ %cellulose&hemicellulose cịn trong mẫu phụ phẩm
Mix 2 ................................................................................................... 40
Hình 3. 16 Hình ảnh đống ủ ở quy mơ thùng xốp trung bình 1kg đƣợc ủ bằng
các công thức phối trộn khác nhau ........................................................ 43

viii


TÓM TẮT KHÓA LUẬN
Với vị thế là một nƣớc đang phát triển với chủ đạo là nơng nghiệp, Việt
Nam có nền sản xuất nông nghiệp đa dạng, đi kèm với nó là lƣợng lớn các phế
phụ phẩm đƣợc tạo ra. Lƣợng phụ phẩm nông nghiệp này chứa nguồn sinh khối
khổng lồ nên nếu đƣợc tận dụng một cách hiệu quả, việc này vừa có tác dụng
bảo vệ mơi trƣờng lại vừa tận dụng đƣợc lƣợng sinh khối để tạo ra các sản phẩm
có giá trị. Đã có nhiều những nghiên cứu và ứng dụng hệ enzyme phân hủy
lignin thu nhận từ các chủng nấm mục trắng để phân hủy lignin trong phế phụ
phẩm nông nghiệp để tạo nguồn sinh khối cellulose cho các quá trình sản xuất
khác. Tuy nhiên việc này tiềm ẩn những rủi ro trong việc rất khó kiểm sốt bào
tử từ các nguồn nấm này. Chính vì vậy trong nghiên cứu này, chúng tôi tiến
hành khảo sát, đánh giá khả năng phân hủy lignin từ 2 chủng vi khuẩn DN2 và
D3.6 (đƣợc phân lập từ đất trồng nhãn ở Bắc Giang, lƣu trữ tại Bộ môn
SHPT&CNSH Ứng dụng) nhằm mục đích sử dụng 2 chủng này tiền xử lý nguồn
phế phụ phẩm sau thu hoạch nhãn.
Kết quả nghiên cứu cho thấy cả 2 chủng đều có khả năng sinh enzyme
phân hủy lignin. Hai chủng đƣợc khảo sát đƣờng cong sinh trƣởng và khả năng
giải sinh enzyme laccase theo thời gian, đồng thời đánh giá khả năng sinh trƣởng
phù hợp với nguồn nguyên liệu cũng nhƣ xác định ảnh hƣởng của pH, nhiệt độ
nuôi cấy. Cả 2 chủng đều sinh trƣởng và khả năng sinh enzyme laccase cao nhất
tại thời điểm nuôi đƣợc 24h. Khi đƣợc khảo sát ở các môi trƣờng khác nhau, cả
2 chủng đều cho kết quả thích nghi tốt nhất với mơi trƣờng sử dụng nguồn

đƣờng mía (saccarose) và cùng có điều kiện sinh trƣởng tốt nhất tại nhiệt độ
40℃ ở pH 4,0. Thông qua các thí nghiệm đánh giá khả năng sinh trƣởng, phát
triển, 2 chủng vi sinh vật đƣợc nuôi với sinh khối lớn nhằm mục đích ủ các mẫu
phế phụ phẩm riêng biệt với 10% sinh khối vi khuẩn DN2 và D3.6, lƣợng lignin
trong phế phụ phẩm giảm đi từ 19,27% - 22,16. Lƣợng cellulose và
hemicellulose giảm đi từ 14% - 23% ở các nguồn phụ phẩm trộn lẫn và xây dựng
ƣớc tính theo tỉ lệ thực tế xử lí trực tiếp tại vƣờn. Tuy nhiên lƣợng cellulose và
hemicellulose đƣợc phân hủy trong đống ủ có thể khơng bị phân hủy do vi khuẩn
mục đích vì nhiều yếu tố khác nhau trong môi trƣờng thực tế. Chúng tôi tiến
hành đánh giá và kết luận, giải thích về hiện tƣợng này trong báo cáo dƣới đây.
Những kết quả nƣớc đầu đạt đƣợc là cơ sở để có thể sử dụng các
chủng vi khuẩn này xử lý phế phụ phẩm sau thu hoạch nhãn, sản xuất phân
bón hữu cơ vi sinh.

ix


ĐẶT VẤN ĐỀ
Việt Nam là một nƣớc có nhiều lợi thế về phát triển nơng nghiệp. Song
hành với q trình sản xuất, hằng năm một lƣợng lớn phế thải sau q trình thu
hoạch, chế biến đƣợc thải ra ngồi mơi trƣờng nhƣng chƣa đƣợc xử lý một cách
hiệu quả. Các phụ phẩm này phần lớn đƣợc xử lý theo phƣơng pháp truyền
thống là đốt bỏ hoặc thải trực tiếp ra mơi trƣờng. Điều này khơng chỉ gây lãng
phí nguồn sinh khối dồi dào mà cịn gây ơ nhiễm mơi trƣờng nghiêm trọng.
Vấn đề nghiên cứu tập trung vào việc tái sử dụng nguồn cơ chất
lignocellulose nhằm phục vụ sản xuất phân bón hữu cơ, thức ăn chăn ni, than
đốt góp ý nghĩa to lớn tới nền kinh tế nông nghiệp, vừa khơng lãng phí nguồn tài
ngun tự nhiên dồi dào vừa giúp góp phần giảm thiểu các vấn đề về ô nhiễm
môi trƣờng. Nguồn cơ chất lignocellulose bao gồm 3 thành phần chính là
cellulose, hemicellulose và lignin. Trong đó Lingin là hợp chất vịng, có tính kết

dính giữa các lớp cellulose và hemicellulose giúp làm tăng độ cứng cáp của thực
vật. Chính đặc tính này của lignin khiến cho quá trình phân giải cellulose và
hemicellulose tạo nguyên liệu cho quá trình tái sử dụng cơ chất bị cản trở rất
nhiều. Đã có nhiều nghiên cứu đánh giá về khả năng phân giải lignin trên phụ
phẩm trong những năm gần đây, các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc cho thấy
các chủng vi sinh vật nhƣ nấm, vi khuẩn, xạ khuẩn có khả năng phân giải lignin
nằm sử dụng hiệu quả nguồn cơ chất lignocellulose trong phế thải nông nghiệp.
Một số đề tài trong nƣớc điển hình nhƣ đề tài của Định Hồng Duyên và cs
nghiên cứu về các chủng vi khuẩn có khả năng phân hủy phụ phẩm sau thu
hoạch vải, đã thu đƣợc 98 chủng vi khuẩn có khả năng phân giải cellulose và
lignin từ 300 mẫu hoai mục, mẫu đất, mẫu mùn và bƣớc đầu xử lý phụ phẩm quả
vải sau 35 ngày ủ đã cho thấy độ hoai mục đạt 57-59% (Đinh Hồng Duyên &
cs., 2017). Ngoài ra, đề tài của Nguyễn Vũ Mai Linh và cs trong nghiên cứu về
các chủng xạ khuẩn có khả năng phân giải lignin đã phân lập đƣợc 47 chủng xạ
khuẩn ƣu nhiệt có khả năng phân giải lignin tốt từ 20 mẫu mùn thu tại Công ty
giấy Bãi Bằng (Nguyễn Vũ Mai Linh & Nguyễn Thị Hồng Liên, 2020). Trên thế
1


giới cũng có nhiều nghiên cứu về hệ vi sinh vật có khả năng phân giải lignin nhƣ
nghiên cứu năng cao khả năng phân hủy lignin trong ủ cây thuốc lá với việc cấy
2 loại nấm thối trắng Trametes hirusta và Pleurotus ostreatus giúp tăng khả
năng phân hủy và tăng chất lƣợng đống ủ (Reddy & Yang, 2005). Năm 2012,
Zeng và cs đã đánh giá đƣợc sự phân hủy lignin rơm rạ lúa mì bản địa do
Streptomyces viridosporus T7A (Zeng & cs., 2013). Tuy nhiên sử dụng nấm hay
xạ khuẩn cũng đồng thời đem lại những rủi ro rất khó tránh khỏi bởi sự phát tán
khó kiểm sốt của chúng và trên phế phụ phẩm nhãn chƣa có nghiên cứu nào về
vi khuẩn phân giải lignin trên phụ phẩm nhãn sau thu hoạch để phục vụ cho mục
đích tạo chế phẩm vi sinh.
Chính vì vậy, chúng tơi thực hiện đề tài: ―Nghiên cứu môi trƣờng, điều

kiện nuôi DN2, D3.6 và đánh giá khả năng sinh trƣởng, phát triển nhằm sử
lý phụ phẩm nhãn‖ nhằm tạo mơi trƣờng tối ƣu hóa, có tính ứng dụng cao để
có thể giảm giá thành khi sinh khối lƣợng lớn đồng thời tạo tiền đề phục vụ cho
các nghiên cứu sau này.

2


Chƣơng I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU

1.1. Thực trạng sản lƣợng phụ phẩm nông nghiệp ở Việt Nam
Việt Nam là một trong những nƣớc đang trong giai đoạn cơng nghiệp hóahiện đại hóa với một số ngành chủ lực về kinh tế trong đó có ngành nơng
nghiệp. Mặc dù, nhiều diện tích đất nơng nghiệp đang dần đƣợc chuyển đổi mục
đích sử dụng cho ngành cơng nghiệp. Tuy diện tích đất nông nghiệp đang đƣợc
thu hẹp nhƣng sản lƣợng nông nghiệp khơng ngừng tăng. Điển hình nhƣ sản
xuất lúa đã đạt sản lƣợng đến 43,86 triệu tấn (Bùi Thủy, 2022).
Là một nƣớc nông nghiệp, hằng năm lƣợng phế thải dƣ thừa trong q
trình chế biến các sản phẩm nơng sản, thực phẩm rất lớn và đa dạng về chủng loại.
Đó cũng là nỗi lo về các bãi chứa, đe dọa ô nhiễm mơi trƣờng với những địa
phƣơng có thế mạnh về sản xuất nông nghiệp. Mặc dù, ngành nông nghiệp đã đƣợc
cơ giới hóa, đƣợc chú trọng nhƣng nó để lại khơng ít hệ quả tới mơi trƣờng.
Rác thải trồng trọt đƣợc thải ra bởi các hoạt động nông nghiệp khác nhau
trong quá trình trồng trọt, canh tác nhƣ thu hoạch hoa màu, thâm canh lúa nƣớc,
trồng trọt cây ăn quả điển hình nhƣ rơm rạ và trấu của lúa và lúa mì, chất thải
của rau, sản phẩm thực phẩm, thân cây trồng… Theo số liệu của Tổng cục
Thống kê, tổng khối lƣợng phụ phẩm năm 2020 của cả nƣớc là trên 156,8 triệu
tấn, bao gồm: 88,9 triệu tấn phụ phẩm sau thu hoạch từ cây trồng, từ quá trình
chế biến nông sản của ngành trồng trọt (chiếm 56,7%). Việc sản xuất chất thải
nông nghiệp tràn lan gây ô nhiễm môi trƣờng và phát sinh nhiều vấn đề ô nhiễm
môi trƣờng.

Theo TS. Nguyễn Thị Ngọc Trúc, Viện Cây ăn quả miền Nam, trong quá
trình sản xuất, thu hái và chế biến trái cây ở ĐBSCL, miền Đơng Nam Bộ, lƣợng
hạt xồi, vỏ chuối, vỏ sầu riêng, hạt nhãn, hạt vải… rất nhiều, nhƣng nhiều nơi
đang để lãng phí, thậm chí cịn gây ơ nhiễm mơi trƣờng, trong khi có thể tái sử
dụng để làm ―phân bón hữu cơ‖ cho cây trồng. GS. TS. Võ Tòng Xuân (―cha
đẻ‖ của nhiều giống lúa ngon của ĐBSCL) cho rằng, việc thu gom, tái sử dụng
các loại phụ phẩm trong nông nghiệp (chăn nuôi, trồng trọt, thủy sản, lâm
3


nghiệp) khơng chỉ giúp giảm phát thải khí nhà kính mà cịn giúp nơng dân có cơ
hội làm giàu. GS. Võ Tòng Xuân cho hay: ―Hạt nhãn, hạt vải thiều… có rất
nhiều cơng dụng mà chúng ta chƣa khai thác hết, khơng chỉ làm phân bón mà có
thể chế biến làm thức ăn cho gia súc, thậm chí làm thực phẩm chức năng nhƣng
hiện nay chúng ta đang để lãng phí‖ (Đỗ Hƣơng, 2021). Trong những khoảng
thời gian nhất định, đặc tính của phế liệu thay đổi và gây tác hại, độc hại đối với
con ngƣời. Khoảng 2 tấn chất thải nông nghiệp mỗi ngày đƣợc sản xuất ở các
vùng nơng thơn. Bên cạnh đó, trang trại bị và ngành cơng nghiệp mía đƣờng đã
thải ra trung bình 20 triệu tấn chất thải, là một nguồn giàu chất dinh dƣỡng và
phân chuồng. Thông thƣờng, nông dân đốt hoặc để lại chất thải nông nghiệp trên
đồng ruộng, nhƣng điều này gây ra nhiều ơ nhiễm khơng khí và ơ nhiễm đất,
trong khi tỉ lệ phụ phẩm đƣợc thu gom, sử dụng trong nơng nghiệp chỉ chiếm
32,2%, trong đó tỉ lệ sử dụng cho mục đích cơ bản nhƣ làm thức ăn thô cho gia súc
ăn cỏ, làm chất độn cho chuồng vật ni, làm đệm lót sinh học cho vật ni, phủ
gốc cây trồng, làm nấm rơm… chiếm tới 56,3% lƣợng phụ phẩm đƣợc thu gom.
Trƣớc đây, khi nơng nghiệp cịn chƣa đƣợc cơ giới hóa, các phế phẩm
nơng nghiệp nhƣ rơm, rạ, bẹ ngô…đƣợc tái sử dụng làm chất đốt trong gia đình,
làm thức ăn chăn ni cũng nhƣ tận dụng để làm nguyên liệu ủ phân hữu cơ.
Ngƣời nông dân có thể tận dụng nguồn phế phẩm nơng nghiệp vào nhiều mục
đích khác nhau.

Theo Tổng cục Thống kê, tổng khối lƣợng phụ phẩm ở nƣớc ta năm 2020 là
trên 156,8 triệu tấn, bao gồm: 88,9 triệu tấn phụ phẩm sau thu hoạch từ cây trồng,
từ quá trình chế biến nông 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%) và khoảng gần 1 triệu tấn từ ngành thủy sản (10,6%).
Riêng tại Hậu Giang, trên cây lúa: ƣớc lƣợng rơm, rạ, vỏ trấu từ sản xuất
3 vụ lúa trên địa bàn lƣợng phụ phẩm phát thải ra môi trƣờng 1,48 ngàn tấn từ
rơm rạ, vỏ trấu (rơm rạ 1.152,8 ngàn tấn, vỏ chấu 327,2 ngàn tấn) và 176,2 ngàn
tấn cám; Trên cây ăn trái: lƣợng phụ phẩm chủ yếu là cành lá trong quá trình cắt
tỉa, trái rụng do yếu tố sâu bệnh với ƣớc lƣợng khoảng 172,7 ngàn tấn/năm. Trên
rau màu: phụ phẩm ƣớc 46,9 ngàn tấn/năm, chủ yếu là thân lá của rau màu sau
thu hoạch còn lại trên đồng ruộng. Trên cây bắp với diện tích trồng 2.050 với
4


lƣợng phụ phẩm sau thu hoạch lớn, có 5% phụ phẩm là thân lá tƣơi đƣợc nông
dân thu hoạch để làm thức ăn gia súc nhƣ trâu, bò, dê với với số lƣợng 123 tấn
tƣơi/năm, số lƣợng thân lá còn lại cho tự oai mục tại rẫy; Trên cây mía: ƣớc phụ
phẩm 126 ngàn tấn, chủ yếu từ ngọn mía bỏ lại tại rẫy và xác bã sau khi nhà
máy đã p đƣờng. Trong đó: ngọn mía là 7,56 tấn, bã mía là 118,5 ngàn tấn.
(Khuyến Nơng Hậu Giang, 2022).
Với nhịp sống nhanh, sự tiến bộ của nông nghiệp cũng nhƣ trình độ của
ngƣời nơng dân, tang gia sản xuất thâm canh xen canh lien tục quanh năm tạo ra
rất nhiều phế phụ phẩm nông nghiệp, tuy nhiên lƣợng phế phụ phẩm này không
đƣợc xử lý triệt để tận dụng làm phân ủ,…mà chỉ bị bỏ lại ngoài đồng, vƣờn, thậm
chí là đốt,.. gây ảnh hƣởng rất nhiều tới việc ô nhiễm môi trƣờng, ảnh hƣởng đến
cuộc sống và phí phạm nguồn nhiên liệu tự nhiên. Vì vậy, vấn đề đặt ra hiện nay là
làm sao giải quyết triệt để việc tái sử dụng phế phẩm nông nghiệp tạo sinh kế cho
ngƣời nông dân đồng thời hạn chế mức độ ảnh hƣởng tới môi trƣờng.
1.2. Tổng quan về phế phụ phẩm sau thu hoạch nhãn

Nhãn là một trong những cây trồng phổ biến và có giá trị kinh tế cao,
phân bố rộng rãi ở các nƣớc Đông Nam Á nhƣ Trung Quốc, Việt Nam, Thái Lan
và Philipin (Ya-Yuan Tang & cs., 2019). Ở nƣớc ta, nhãn đƣợc trồng nhiều ở
nhiều vùng khắp cả nƣớc. Tuy nhiên, hai tỉnh Sơn La và Hƣng Yên là nơi trồng
nhiều nhãn nhất miền Bắc chiếm khoảng 30% diện tích trồng nhãn của tồn
quốc (Báo Hƣng Yên, 2020). Theo Cục chế biến và phát triển thị trƣờng nông
sản, dự kiến năm 2021 tổng sản lƣợng nhãn trên cả nƣớc đạt 637 nghìn tấn, tăng
khoảng 8% so với năm 2020. Tại khu vực phía Nam, sản lƣợng nhãn ƣớc đạt
337.000 tấn, tăng khoảng 4% so với năm 2020 (324.000 tấn). Trong đó sản
lƣợng đã thu hoạch 6 tháng đầu năm ƣớc đạt 60.000 tấn (47,5%), dự kiến sản
lƣợng thu hoạch 6 tháng cuối năm khoảng 177.000 tấn (52,5%). Tại khu vực
phía Bắc, sản lƣợng ƣớc đạt 300.000 tấn, tăng hơn 13% so năm 2020 (265.000
tấn). Trong đó, trà sớm thu hoạch từ 15/7 - 31/7 đạt 63.600 tấn (21,2%); trà
chính vụ thu hoạch từ 1/8 - 31/8 đạt 204.300 tấn (68,1%); trà muộn thu hoạch từ
sau 31/8 đạt 32.100 tấn (10,7%).

5


(Phí Hải Nam, 2021)

Hình 1. 1 Thời vụ và sản lƣợng nhãn 2021
(Nguồn: Cục Chế biến và Phát triển thị trường nông sản - Bộ NN-PTNT)
Năm 2021, một số tỉnh sản xuất nhãn chủ yếu phía Bắc năm nhƣ Hƣng n
có diện tích khoảng 4.800 ha, sản lƣợng ƣớc đạt 50.000-55.000 tấn, cao hơn
năm 2020 từ 15 - 20%. Trong đó trà sớm sản lƣợng chiếm khoảng 10%; trà
chính vụ khoảng 70%; trà muộn khoảng 20%. Sơn La có diện tích 19.224 ha,
sản lƣợng ƣớc đạt gần 98.500 tấn, tăng khoảng 1015% so năm 2020, trong đó:
trà sớm khoảng 28,3%; trà chính vụ 68%; trà muộn khoảng 3,7% (Bộ Nn &
Ptnt, 2021).

1.3. Tổng quan các phƣơng pháp xử lý phế phụ phẩm nhãn
1.3.1. Thành phần nguyên liệu trong phụ phẩm nhãn
Lignocellulose
Thành phần chủ yếu của thực vật cũng nhƣ tạo độ cứng và sự bền vững
cho cây đƣợc cấu tạo từ 3 loại polymer chính dựa trên nguồn cacbon- cellulose,
hemicellulose và lignin, chúng đƣợc gọi chung là sinh khối lignocellulose.

6


Hình 1. 2 Cấu trúc lignocellulose
Nguồn: (Sazzad Hossen Toushik & cs., 2017)

Lignicellulose là thành phần cấu trúc chính của thực vật thân gỗ và các
thực vật khác nhƣ cỏ, lúa, ngơ… Trong tự nhiên, chúng ta có thể tìm thấy
lignocellulose ở thực vật hay các chất thải nông nghiệp, lâm nghiệp và các chất
thải rắn.Thành phần chủ yếu của lignocellulose là cellulose, hemicellulose và
lignin (Hình 1.2) Cellulose và hemicellulose là các đại phân tử cấu tạo từ các
gốc đƣờng khác nhau, trong khi đó lignin lại là một polymer dạng vòng đƣợc
tổng hợp từ tiền phenylprpanoid. Thành phần cấu tạo và phần trăm của các
polymer này là khác nhau giữa các loài. Hơn nữa, thành phần cấu tạo trong cùng
một cây hay các cây khác nhau là dựa vào độ tuổi, giai đoạn sinh trƣởng, phát
triển của cây và các điều kienejkhacs. Thành phần của lignocellulose ở trong các
nguồn chứa là khác nhau (Bảng 1.1.)
Ba polyme cellulose, hemicellulose và lignin tạo thành cấu trúc hỗn hợp
có tính ăn mịn cao lignocellulose.

7

Bảng 1. 1 Thành phần lignocellulosetrong rác thải và phế phụ phẩm nông
nghiệp phổ biến
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 ngơ

45

35

15

Giây

85-99

0

0-15

Vỏ trấu

32.1

24

18

Vỏ trấu của lúa mì

30

50

15

Rác đã phân loại

60

20

20

Lá cây

15-20

80-85

0

Hạt bơng

80-95

5-20

0

Giấy báo

40-55

25-30

18-30

Các loại cỏ (trị số trung bình)

25-30

25-50

10—30

Chất thải của lợn

6

28

0

Cỏ mềm

45

31.4

12

Nguồn lignocellulose

(Nguồn: Suchy and Argyropoulos, 2002, Koch, 2008)
Cellulose
Cellulose (C6H10O5)n là phân tử hữu cơ phong phú nhất Trái đất, đƣợc tìm
thấy nhiều trong thực vật, chiếm hơn 50% tổng lƣợng cacbon đƣợc tìm thấy
trong giới thực vật, nó là thành phần cấu trúc quan trọng của thành tế bào sơ cấp

8


của thực vật. Cellulose là một polysaccharide bao gồm một chuỗi thằng từ vài
trăm đến vài nghìn đơn vị D-glucose thơng qua lien kết β-1,4 glycosidic

Hình 1. 3 Cấu trúc cellulose
(Nguồn: django-wiki, 2021)

Cellulose là một loại protein cấu trúc trong thực vật và tảo. Các sợi
cellulose đƣợc bao bọc trong một ma trận polysaccharide để hỗ trợ thành tế bào
thực vật. Thân cây và gỗ đƣợc nâng đỡ bởi các sợi cellulose phân bố trong một
ma trận lignin, nơi cellulose hoạt động giống nhƣ các thanh gia cố và lignin hoạt
động giống nhƣ bê tông. Hợp chất này cũng là hợp chất hữu cơ nhiều nhất trong
sinh quyển, hang năm thực vật tổng hợp đƣợc khoảng 10 11 tấn cellulose. Dạng
cellulose tự nhiên tinh khiết nhất là bông, bao gồm hơn 90% cellulose. Ngƣợc

lại, gỗ chỉ bao gồm 40-50% cellulose.
Cellulose có cấu trúc rất bền và khó bị thủy phân. Một số loại vi khuẩn
tiết ra cellulose để tạo lớp màng sinh học cung cấp bề mặt gắn kết cho vi sinh và
cho ph p chúng tổ chức thành các khuẩn lạc. Một số lồi cơn trùng sử dụng
cellulose làm nguồn thức ăn chủ yếu, động vật nhai lại sử dụng vi sinh vật cộng
sinh để tiêu hóa cellulose trong thức ăn. Con ngƣời khơng thể tiêu hóa cellulose
vì khơng tiết ra enzyme cellulase nhƣng nó là nguồn chính của chất xơ không
9


hòa tan, ảnh hƣởng đến sự hấp thụ chất dinh dƣỡng và hỗ trợ hình thành khn
phân. Cellulose cũng đƣợc sử dụng để sản xuất giấy, vải bông và etanol.
Lignin
Lignin là một loại polymer thơm alkyl tự nhiên đƣợc tìm thấy trong hệ
mạch thực vật,chủ yếu là giữa các tế bào. Lignin có cấu trúc khơng gian 3 chiều,
phức tạp, vơ định hình, chiếm 17-33% thành phần của gỗ. Lignin khơng phải là
carbonhydrate những lại có liên kết chặt chẽ với nhóm này để tạo nên màng tế
bảo giúp thực vật cứng chắc, có độ giịn và có chức năng vận chuyển nƣớc trong
cơ thể thực vật (một phần để làm bền thành tế bào và giữ cho cây không bị đổ,
một phần là điều chỉnh dòng chảy của nƣớc), giúp cây phát triển và chống lại sự
tấn công của côn trùng và mầm bệnh. Thực vật càng già, lƣợng lignin tích tụ
càng lớn.
Lignin đƣợc tìm thấy trong thực vật, phụ phẩm nông nghiệp và nhiều nơi
khác. Phân tử lignin khơng 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,
cấu trúc cho thực vật và làm hang rào tự nhiên trƣớc sự tấn công của vi sinh vật.

Hình 1. 4 Sự xuất hiện của lignin trong tự nhiên
(Nguồn: django-wiki, 2021)

Cấu trúc đa dạng của lignin tùy thuộc vào loại gỗ, tuổi của cây hoặc cấu
trúc của nó trong gỗ. Lignin bao gồm các hợp chất phenol, trong đó chủ yếu có
ba nhóm: guaiacyl (G), syringyl (S) và hydroxyphenyl (H), đƣợc polymer hóa
10


thông qua liên kết ngang trung gian của phản ứng gốc enzyme, tạo ra β- liên kết
O-4 chiếm ƣu thế và các liên kết C-C và C-O khác (Ralph & cs., 2004).

Hình 1. 5 Cấu trúc hydroxyphenyl (H), guaiacyl (G), syringyl (S)
(Nguồn: Lupoi et al, 2015)

Gỗ mềm chứa chủ yếu là guaiacyl, gỗ cứng chứa chủ yếu syringyl. Hàm
lƣợng lignin trong thực vật đƣợc xác định bằng phƣơng pháp Klason, thành
phần này sẽ là 18%-25% trong gỗ cứng và 27%-33% trong gỗ mềm, trong các
loài cây thân thảo (Dence, 1992) hàm lƣợng này chiếm khoảng 17%-24%.
Hemicellulose
Hemicellulose là polysaccharide đơn giản vơ định hình, có độ bền thấp và
phổ biến chỉ đứng sau cellulose. Hemicellulose chứa cả 6 đƣờng cacbon gồm
glucose, mannose, galactose và đƣờng 5 gồm xylose và arabinose cùng thành
phần cơ bản là β – D xylopyranose cùng các liên kết chính β-(1-4).
Cấu tạo của hemicellulose khá phức tạp và đa dạng tùy vào nguyên liệu.
Trong màng tế bào, hemicellulose lien kết chặt chẽ với cellulose, là một trong ba
sinh khối tự nhiên chính, cùng với cellulose và lignin, hemicellulose tạo nên thành
tế bào vững chắc ở thực vật. Hemicellulose còn chứa cả axit 4-O-methylglucuronic,
axit D-galacturonic và axit glucuronic. Trong đó, đƣờng D-xylose, L-arabinose, Dgluocose và D-galactose là phổ biến ở thực vật thân cỏ và hạt ngũ cốc. Tuy nhiên,
khác với hemicellulose thân gỗ, hemicellulose ở thực vật thân cỏ lại có lƣợng lớn
các dạng lien kết và phân nhánh phụ thuộc vào các loài và từng loại mơ trong cùng
một lồi cũng nhƣ phụ thuộc vào độ tuổi của mơ đó.
11

Hình 1. 6 Cấu trúc các loại đƣờng trong hemicellulose
(Zhao & cs., 2020)
Hemicellulose khơng độc hại và có thể phân hủy sinh học nên nó đƣợc sử
dụng trong các màng ăn đƣợc để phủ thực phẩm nhằm duy trì kết cấu, mùi vị và
cảm giác miệng. Và nó cũng đƣợc sử dụng nhƣ một chất xơ ăn kiêng.
1.4. Tổng quan về hệ enzyme phân giải cellulose và lignin
1.4.1. Enzyme cellulose và vi sinh vật phân giải cellulose
Enzyme cellulase là một phức hệ enzyme có tác dụng thủy phân cellulose
thơng qua phản ứng phân cắt liên cết 1,4-β glucoside trong cellulose tạo ra sản
phẩm glucose. Hệ thống enzyme cellulase bao gồm ba lớp enzyme ngoại bào
hòa tan: 1, 4- β -endoglucanase, 1, 4- β -exoglucanase, và β –glucosidase (β -Dglucoside glucohydrolase hoặc cellobiase). Endoglucanase chịu trách nhiệm
phân cắt ngẫu nhiên các liên kết β -1,4-glycosidic dọc theo chuỗi cellulose.
Exoglucanase cần thiết để phân cắt đầu không nhân của chuỗi cellulose và tách
các sợi cơ bản ra khỏi cellulose tinh thể, và β -1, 4-glucosidase thủy phân
cellobiose và cellodextrin hòa tan trong nƣớc thành glucoza (Ryu & Mandels,
1980; Jonathan Woodward & Alan Wiseman, 1982). Chỉ có sự phối hợp của ba
loại enzyme trên mới có thể thủy phân hồn tồn cellulose thành glucose
(Shewale, 1982) hoặc khống hóa triệt để thành H2O và CO2.
12


Hình 1. 7 Enzyme cellulase đƣợc sản xuất bởi Thermomonospora fusca
(Nguồn truy cập:
/>
Theo Wilson (2008),trên thực tế, mặc dù enzyme này đều sử dụng cơ chất
cellulose nhƣng cơ chế phân giải cellulose của các loài vi sinh vật rất khác nha
(Trƣơng Trọng Ngôn, 2015).
Nguồn để chiết xuất hệ thống cellulose là thích hợp nhất từ hệ thống vi

sinh vật đƣợc tìm thấy trong ruột của các sinh vật phát triển mạnh trên sinh khối
cellulose làm thức ăn chính của chúng. Các lồi cơn trùng nhƣ mối ( Isopteran ),
giun sách ( Lepidoptera ), v.v., đƣợc phát hiện có hệ vi sinh vật cộng sinh tổng
hợp trong ruột chịu trách nhiệm tiêu hóa thức ăn cellulose (Rod J Dillon & Vm
Dillon, 2004). Nhiều vi sinh vật đã đƣợc báo cáo có hoạt động cellulose bao
gồm nhiều chủng vi khuẩn và nấm cả hiếu khí và kỵ khí. Chaetomium,
Fusarium Myrothecium, Trichoderma. Penicillium, Aspergillus, v.v., là một số
loài nấm đƣợc báo cáo chịu trách nhiệm thủy phân sinh khối cellulose. Các loài
vi khuẩn phân giải cellulose bao gồm Trichonympha, Clostridium,
Actinomycetes,

Bacteroides

succinogenes,

Butyrivibrio

fibrisolvens,

Ruminococcus albus, và Methanobrevibacter ruminantium (Schwarz, 2001;
Milala & cs., 2005).

13


Theo Ryu và cs (1980) Các chủng Trichoderma, đặc biệt là T. reesei và
các chất đột biến của nó, là nguồn tốt của cellulase ngoại bào thích hợp cho q
trình đƣờng hóa thực tế. Chúng tiết ra một phức hợp cellulase hồn chỉnh có
chứa endo- và exo-glucanase cộng với β-glucosidase (cellobiase) hoạt động tổng
hợp để phân hủy hoàn toàn cellulose tinh thể đề kháng cao thành đƣờng hòa tan.

Tất cả các chủng đƣợc nghiên cứu cho đến nay đều có thể cảm ứng đƣợc bằng
cellulose, lactose hoặc sophorose, và tất cả đều có thể kìm hãm đƣợc bởi
glucose. Cảm ứng, tổng hợp và bài tiết enzym β-glucanase dƣờng nhƣ có mối
liên hệ chặt chẽ với nhau.
1.4.2. Enzyme ligninolytic và vi sinh vật phân giải lignin
Trong tự nhiên, các sinh vật khác nhau phân hủy lignin; tuy nhiên, hiệu
quả nhất là nấm thuộc nhóm nấm thối trắng (Caixia Wan & Yebo Li, 2011). Sự
phân hủy lignin của vi sinh vậ đƣợc tiến hành bởi một lƣợng lớn các enzyme
oxy hóa. Các enzyme chính để phân hủy lignin đƣợc gọi là hệ enzyme
lignolytic, bao gồm: phenol oxidase (laccase) và các peroxidasechuwas heme
(lignin peroxidase, mangan peroxidase và peroxidase đa năng).
Laccase
Laccase là một chất oxy hóa đa nhân đƣợc tìm thấy trong thực vật, nấm và
vi khuẩn. Theo nhiều kết quả nghiên cứu, laccase của nấm thƣờng có khả năng
khử cao hơn so với vi khuẩn và thực vật.
Laccase chứa 4 ngu yên tử đồng (Cu) và 2 cầu liên kết disulfide phân bố
trong 3 vùng khác nhau gọi là T1, T2 và T3. T1 là vùng trung tâm đơn nhân Cu,
trong khi moojtnhaan Cu khác ở T2 và hai nhân Cu ở T3. Q trình oxy hóa cơ
chất xảy ra ở vùng T1 thơng qua trình tự tripeptide His-Cys-His, sau đó các điện
tử đƣợc chuyển đến trung tâm ba hạt nhân T2/T3 và diễn ra sự khử O2 thành
nƣớc (Mayolo-Deloisa & cs., 2020).

14