NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HYDROGEL CỐ ĐỊNH DINH DƯỠNG BẰNG KỸ THUẬT BỨC XẠ ỨNG DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP

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 VẬT LIỆU HYDROGEL CỐ ĐỊNH
DINH DƯỠNG BẰNG KỸ THUẬT BỨC XẠ
ỨNG DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP

Ngành học

: CÔNG NGHỆ SINH HỌC

Sinh viên thực hiện

: NGUYỄN THỊ THU THANH

Niên khóa

: 2006-2010

Tháng 7 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 VẬT LIỆU HYDROGEL CỐ ĐỊNH
DINH DƯỠNG BẰNG KỸ THUẬT BỨC XẠ

ỨNG DỤNG TRONG NÔNG NGHIỆP

Hướng dẫn khoa học

Sinh viên thực hiện

TS. LÊ QUANG LUÂN

NGUYỄN THỊ THU THANH

Tháng 7 năm 2010


LỜI CẢM ƠN
Con xin bày tỏ lòng biết ơn đến ba mẹ và các em trong gia đình, những người
luôn luôn bên cạnh và giúp đỡ con trong những lúc khó khăn nhất.
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, cô Hà, chị Uyên 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 bạn Thảo, bạn Khôi, bạn Lộc và các bạn cùng làm tại Trung tâm hạt
Nhân Tp. Hồ Chí Minh cũng như các bạn lớp DH06SH đã giúp đỡ tôi trong thời gian
thực hiện khóa luận này.

Em cũng xin cảm ơn anh Nguyễn Tuấn Anh đã nhiệt tình giúp đỡ, động viên
em vượt qua khó khăn trong cuộc sống cũng như trong học tập suốt thời gian qua.
Một lần nữa em xin chân thành cảm ơn tất cả.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2010
Sinh viên
Nguyễn Thị Thu Thanh

i


TÓM TẮT
Chế tạo hydrogel cố định chất dinh dưỡng là nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn
cao. Nó không chỉ giải quyết vấn đề cung cấp nước và chất dinh dưỡng hiệu quả cho
cây trồng mà sản phẩm còn là vật liệu hữu cơ có tính ưu việt cao như khả năng điều
hòa độ ẩm đất, giảm hàm lượng nước tưới, đồng thời tăng khả năng hấp thụ dinh
dưỡng cho cây trồng. Do đó vật liệu này đã giúp cho việc sử dụng phân bón đạt hiệu
quả cao, hạn chế quá trình rửa trôi và giảm thiểu ô nhiễm nguồn nước. Do đó, đề tài:
“Nghiên cứu chế tạo vật liệu hydrogel cố định dinh dưỡng bằng kỹ thuật bức xạ ứng
dụng trong nông nghiệp” đã được thực hiện.
Đã chế tạo được vật liệu hydrogel cố định dinh dưỡng từ carboxylmethyl
cellulose (CMC) và polyacrylamide (PAM) có bổ sung chất dinh dưỡng và alginate
bằng kỹ thuật bức xạ. Vật liệu hydrogel chế tạo được từ hợp phần CMC 20 % kết hợp
với PAM 20 %, alginate 1 % và chất dinh dưỡng chiếu xạ ở liều 15 kGy có hàm lượng
gel là 61,9 % và độ trương nước là 187,3 lần. Việc ứng dụng bổ sung hydrogel cố định
dinh dưỡng chế tạo bằng kĩ thuật bức xạ đã có tác dụng tốt trong việc giảm thiểu sự
thoát hơi nước.
So với cây trồng trên đất sạch, việc bổ sung vật liệu hydrogel cố định dinh
dưỡng phối trộn với đất sạch đã có tác dụng gia tăng sự sinh trưởng và phát triển của
cây Cải bẹ dúng, cây hoa Dừa cạn và hoa Dạ yến thảo. Vật liệu hydrogel chế tạo được
rất có triển vọng cho việc ứng dụng trong nông nghiệp để tăng diện tích đất canh tác

nông nghiệp ở những vùng khô hạn và đất bạc màu, đồng thời giúp cải thiện môi
trường.
Từ khóa: Alginate, Chiếu xạ, Cố định dinh dưỡng, Hydrogel

ii


SUMMARY
The subject: STUDY ON PREPARATION OF NUTRIENT IMMOBILIZED
HYDROGEL APPLYING FOR AGRICULTURE.
Preparation of nutrient immobilized hydrogel is a valuable aplication research.
It not only solves the problem for water supply and nutrient effectiveness for plants,
but also the materials have several advantages such as control of soil moisture,
reduction of water content and increases of nutrient absorption for crops. Therefor this
material increases making use of the efficiencef of fertilizers and reduction of nutrient
loss leaching to reduce water pollution. Because of the abore reasons, the topic: "Study
on preparation of nutrient immobilized hydrogel applying for agriculture" had made.
The nutrient immobilized hydrogel was successfully prepared from
carboxylmethyl cellulose (CMC) and polyacrylamide (PAM) supplementation with
nutrient and alginate by irradiation. The materials prepared from 20 % CMC, 20 %
PAM, 1 % alginate and nutrient at 15 kGy irradiation has gel fraction of 61.9 % and
swelling degree of 187.3. The addition of hydrogels prepared by radiation technique
showed a better effect on minimizing water evapovation. The application of nutrient
immobilized hydrogels prepared by radiation technique showed good effects on
reducing water evaporation.
Compared to the control, the supplementation of nutrient immobilized
hydrogels showed a better effect on increasing the growth and development of
Brassica cruciferae Var. Sabauda, Catharanthus roseus and Petunia hibrida. The
prepered hydrogel is very promising material for application in agriculture to increase
the avalaihility for plantation of exhausted and drought areas as well as environment

improvement.
Keywords: Alginate, Irradiation technique, Nutrient immobilization, Hydrogel

iii


MỤC LỤC
Trang
Lời cảm ơn .......................................................................................................................i
Tóm tắt ........................................................................................................................... ii
Summary ....................................................................................................................... iii
Danh sách các chữ viết tắt .......................................................................................... viii
Danh sách các bảng .......................................................................................................ix
Danh sách các hình ......................................................................................................... x
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
2.1. Hydrogel và các phương pháp chế tạo .................................................................... 3
2.1.1. Định nghĩa hydrogel ............................................................................................. 3
2.1.2. Các phương pháp chế tạo hydrogel ...................................................................... 4
2.1.2.1. Chế tạo hydrogel bằng phương pháp hóa học ................................................... 4
2.1.2.2. Chế tạo hydrogel bằng phương pháp bức xạ ..................................................... 5
2.1.3. Các polymer tự nhiên dùng để chế tạo hydrogel ................................................10
2.1.3.1.Carboxymethylcellulose ...................................................................................11
2.1.3.2. Oligoalginate ...................................................................................................12
2.1.3.3. Polyacrylamide ................................................................................................14
2.1.3.4. Carboxymethylcellulose và Polyacrylamide ...................................................15

2.1.4. Đặc điểm tự phân hủy của hydrogel chế tạo ......................................................16
2.1.4.1. Sự phân hủy của Carboxymethylcellulose bởi enzyme ..................................16
2.1.4.2. Sự phân hủy của Carboxymethylcellulose bởi vi sinh vật ..............................16
2.1.5. Ứng dụng của hydrogel ......................................................................................17
2.2. Dung dịch dinh dưỡng ...........................................................................................20
2.2.1. Dinh dưỡng không khoáng .................................................................................20

iv


2. 2.1.1. Hàm lượng nước .............................................................................................20
2.2.1.2. Hàm lượng CO2 ...............................................................................................21
2.2.1.3. Hàm lượng O2 ..................................................................................................21
2.2.2. Nguyên tố đa lượng ............................................................................................21
2.2.2.1. Hàm lượng Nitơ ...............................................................................................21
2.2.2.2. Hàm lượng Photpho.........................................................................................22
2.2.2.3. Hàm lượng Kali ...............................................................................................22
2.2.3. Nguyên tố trung lượng .......................................................................................23
2.2.3.1. Hàm lượng Canxi ............................................................................................23
2.2.3.2. Hàm lượng Magie ............................................................................................23
2.2.3.3. Hàm lượng Lưu huỳnh ....................................................................................23
2.2.4. Nguyên tố vi lượng .............................................................................................24
2.2.4.1. Hàm lượng Sắt .................................................................................................24
2.2.4.2. Hàm lượng Mangan .........................................................................................24
2.2.4.3. Hàm lượng Boron ............................................................................................24
2.2.4.4. Hàm lượng Kẽm ..............................................................................................24
2.2.4.5. Hàm lượng Đồng .............................................................................................24
2.2.4.6. Hàm lượng Molybdenum ................................................................................25
Chương 3 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .....................................26
3.1. Thời gian và địa điểm thực hiện ............................................................................26

3.2. Vật liệu ..................................................................................................................26
3.2.1. Các polymer tự nhiên .........................................................................................26
3.2.2. Giống ..................................................................................................................26
3.2.3. Giá thể.................................................................................................................26
3.2.4. Hóa chất, dụng cụ và thiết bị ..............................................................................26
3.2.4.1. Dụng cụ và thiết bị .........................................................................................26
3.2.4.2. Hóa chất ...........................................................................................................27
3.3. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................................27
3.3.1. Thí nghiệm 1: Chế tạo vật liệu hydrogel ............................................................27
3.3.2. Thí nghiệm 2: Đánh giá các đặc trưng của hydrogel .........................................28
3.2.2.1. Chỉ tiêu hàm lượng gel ....................................................................................28
3.2.2.2. Chỉ tiêu độ trương nước...................................................................................29
v


3.3.3. Thí nghiệm 3: Khảo sát độ bay hơi nước tự nhiên của hydrogel chế tạo được..29
3.3.4. Thí nghiệm 4: Nghiên cứu động học của quá trình ly giải của hydrogel ...........29
3.3.5. Đánh giá hiệu ứng của sản phẩm đối với cây trồng ...........................................30
3.3.5.1. Thí nghiệm 5: Khảo sát hiệu ứng nảy mầm ....................................................30
3.3.5.2. Thí nghiệm 6: Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ gel .......................................30
3.3.5.3. Thí nghiệm 7: Khảo sát ảnh hưởng của các loại gel .......................................32
3.3.6. Thí nghiệm 8: Khảo sát khả năng giữ nước .......................................................33
3.3.7. Thí nghiệm 9: Khảo sát sự thoát hơi nước .........................................................33
3.3.8. Phương pháp xử lý thống kê số liệu ...................................................................34
Chương 4 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .......................................................................... 35

4.1. Kết quả ...................................................................................................................35
4.1.1. Chế tạo và xác định đặc trưng của vật liệu hydrogel .........................................35
4.1.2. Độ bay hơi nước tự nhiên ...................................................................................38
4.1.3. Khảo sát động học của quá trình ly giải .............................................................39

4.1.4. Đánh giá hiệu ứng của hydrogel cố định dinh dưỡng ........................................43
4.1.4.1. Ảnh hưởng của hydrogel cố định dinh dưỡng .................................................43
4.1.4.2. Ảnh hưởng của nồng độ hydrogel ..................................................................45
4.1.4.3. Ảnh hưởng của các loại hydrogel ....................................................................49
4.1.5. Khảo sát khả năng giữ nước của các loại giá thể ...............................................54
4.1.6. Khảo sát sự thoát hơi nước của hydrogel ...........................................................57
4.2. Thảo luận ...............................................................................................................58
4.2.1. Thí nghiệm 1 – 2: Chế tạo vật liệu hydrogel ......................................................58
4.2.2. Thí nghiệm 3: Khảo sát tốc bay hơi nước ..........................................................60
4.2.3. Thí nghiệm 4: Khảo sát động học của quá trình ly giải .....................................61
4.2.4. Đánh giá hiệu ứng của hydrogel cố định dinh dưỡng ........................................61
4.2.4.1. Thí nghiệm 5: Khảo sát hiệu ứng nảy mầm ....................................................61
4.2.4.2. Thí nghiệm 6: Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ gel .......................................62
4.2.4.3. Thí nghiệm 7: Khảo sát ảnh hưởng của các loại hydrogel ..............................63
4.2.5. Thí nghiệm 8: Khảo sát khả năng giữ nước .......................................................63
4.2.6. Thí nghiêm 9: Khảo sát sự thoát hơi nước .........................................................64
Chương 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .........................................................................65
5.1. Kết luận..................................................................................................................65
vi


5.2. Đề nghị ..................................................................................................................65
Tài liệu tham khảo ........................................................................................................66

vii


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CMC

: Carboxymethylcellulose

CNBX : Công nghệ bức xạ
DD

: Ding dưỡng

ĐC

: Đối chứng

ĐS

: Đất sạch

kGy

: Kilogray

NT

: Nghiệm thức

PAM

: Polyarylamide

TB

: Trung bình

VSV

: Vi sinh vật

viii


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1 Độ linh động của các ion trong dung dịch ................................................. 25
Bảng 3.1 Bố trí thí nghiệm chế tạo vật liệu hydrogel ............................................... 28
Bảng 3.2 Bố trí thí nghiệm khảo sát hiệu ứng nảy mầm........................................... 30
Bảng 3.3 Tỉ lệ gel trong các loại giá thể ................................................................... 31
Bảng 3.4 Tỉ lệ hydrogel trộn trong các loại giá thể .................................................. 32
Bảng 3.5 Bố trí thí nghiệm ảnh hưởng của các loại gel ............................................ 32
Bảng 3.6 Bố trí thí nghiệm khảo sát sự thoát hơi nước ............................................ 34
Bảng 4.1 Ảnh hưởng của các loại giá thể lên chiều dài ............................................ 54
Bảng 4.2 Ảnh hưởng của các loại giá thể lên số chồi cấp một ................................. 55
Bảng 4.3 Ảnh hưởng của các loại giá thể lên thời gian sống.................................... 55
Bảng 4.4 Độ thoát hơi nước của vật liệu hydrogel ................................................... 57

ix


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Trang
Hình 4.1 Hydrogel sau khi ngâm trương và chiết phần sol ...................................... 35
Hình 4.2 Ảnh hưởng của liều xạ đến khả năng tạo gel ............................................ 36
Hình 4.3 Độ trương nước của vật liệu hydrogel ....................................................... 37

Hình 4.4 Tốc độ bay hơi nước theo thời gian ........................................................... 38
Hình 4.5 Độ ly giải ion K+ của các hydrogel ............................................................ 39
Hình 4.6 Độ ly giải ion Ca2+ của các hydrogel ......................................................... 40
Hình 4.7 Độ ly giải ion NH3+ của các hydrogel........................................................ 41
Hình 4.8 Độ ly giải ion Na+ của các hydrogel .......................................................... 42
Hình 4.9 Hạt Cải bẹ xanh mỡ nảy mầm trên khối gel .............................................. 43
Hình 4.10 Tỉ lệ nảy mầm của hạt Cải bẹ xanh mỡ ................................................... 43
Hình4.11 Sự phát triển của cây Cải bẹ xanh mỡ sau 10 ngày ................................. 44
Hình4.12 Sự phát triển của cây hoa Dạ yến thảo sau 15, 30 ngày .......................... 45
Hình 4.13 Sự sinh trưởng của cây hoa Dạ yến thảo ................................................. 46
Hình 4.14 Cây Cải bẹ dúng ở các nghiệm thức sau 15 ngày ................................... 47
Hình 4.15 Sự sinh trưởng của cây Cải bẹ dúng

......................................................................... 47

Hình 4.16 Sự khác biệt giữa cây Cải bẹ dúng ......................................................... 49
Hình 4.17 Cây hoa Dạ yến thảo trồng trong các loại hydrogel ................................ 49
Hình 4.18 Sự sinh trưởng của cây hoa Dạ yến thảo ................................................. 50
Hình 4.19 Sự khác biệt của các cây hoa Dừa cạn ..................................................... 52
Hình 4.20 Sự sinh trưởng của cây hoa Dừa cạn ....................................................... 53
Hình 4.21 Cây hoa Dạ yến thảo sau 25 ngày trồng .................................................. 56

x


Chương 1 MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Ngày nay, nguồn nước sạch sử dụng cho sinh hoạt và trồng trọt đang dần dần
cạn kiệt. Nguyên nhân là do vấn đề ô nhiễm môi trường. Ô nhiễm môi trường không
còn bó hẹp trong phạm vi từng quốc gia mà còn làm ảnh hưởng đến những quốc gia

lân cận, tới môi trường khu vực và toàn cầu. Chính vì vậy, vấn đề ô nhiễm môi trường
đã gây ra những hiện tượng thời tiết bất thường như: El Nino, La Nina, mưa acid,
thủng tầng ozone, hiệu ứng nhà kính... Điều này đã mang lại nhiều thảm hoạ và dẫn
đến những thiệt hại vô cùng to lớn cho con người. Nhiệt độ trái đất tăng đã làm cho
nhiều vùng bị hạn hán, đất đai trở nên khô cằn.
Vấn đề đặt ra là phải làm sao để có thể canh tác trên những vùng đất khô hạn
vốn rất cằn cỗi và thiếu nước. Những năm gần đây, phong trào trồng rừng phủ xanh
đồi núi trọc đã và đang phát triển khá mạnh, đem lại hiệu quả kinh tế cao cho người
dân và xã hội. Tuy nhiên, một thực trạng đáng nói ở đây là lượng nước tưới không đáp
ứng đủ nhu cầu mà lượng nước bốc hơi lại khá nhanh. Điều này dẫn đến hệ quả là
giảm khả năng sống sót của cây con. Bên cạnh đó, việc canh tác ở những vùng nước
ngập mặn ven biển, trồng cây trong chậu cảnh trong nhà, trang trí trong công viên và
trên đường phố cũng cần cung cấp một lượng nước khá lớn.
Việc khắc phục sự thiếu hụt nguồn nước sử dụng cho trồng trọt đã được nhiều
nhà khoa học quan tâm bởi nó có nhiều ý nghĩa thiết thực như tăng diện tích đất canh
tác nông nghiệp ở những vùng khô hạn và đồng thời giúp cải thiện môi trường.
Việc tìm kiếm vật liệu có khả năng giữ nước và dinh dưỡng sẽ là nguồn dự trữ,
cung cấp kịp thời nước và chất dinh dưỡng cho cây trồng. Kết hợp sử dụng vật liệu
này trong trồng trọt sẽ giúp cho việc sử dụng phân bón đạt hiệu quả cao và giảm thiểu
ô nhiễm nguồn nước.
Kỹ thuật bức xạ thực hiện các quá trình polymer hóa và biến tính ghép cũng
như khâu mạch đã tạo ra nhiều vật liệu mới có tính năng đặc biệt và có giá trị sử dụng
cao. Nhiều loại polymer biến tính đã cải tiến tính chất hấp thu – trương nước, bền nhiệt,
bền môi trường, bền cơ lý, có khả năng hấp thu và ly giải các hợp chất.

1


Nghiên cứu chế tạo hydrogel cố định chất dinh dưỡng là nghiên cứu có ý nghĩa
thực tiễn cao, nó không chỉ giải quyết vấn đề cung cấp nước và chất dinh dưỡng kịp

thời cho cây trồng mà sản phẩm sẽ là vật liệu hữu cơ có tính ưu việt cao như khả năng
điều hòa độ ẩm đất, giảm hàm lượng nước tưới, đồng thời tăng khả năng hấp thụ dinh
dưỡng cho cây trồng. Bên cạnh đó, hydrogel cố định chất dinh dưỡng còn giúp giảm
thiểu ô nhiễm môi trường nước.
Trên tinh thần tìm hiểu về chất hấp thu nước hydrogel được chế tạo từ kĩ thuật
khâu mạch và ghép mạch bức xạ, cũng như nhận thấy khả năng ứng dụng thực tiễn cao
của nghiên cứu này, và dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Quang Luân, tôi tiến hành thực
hiện đề tài: “Nghiên cứu chế tạo Hydrogel cố định dinh dưỡng bằng kỹ thuật bức xạ
ứng dụng trong nông nghiệp”.
1.2. Yêu cầu
Chế tạo được hydrogel cố định dinh dưỡng bằng phương pháp chiếu xạ có thể
ứng dụng để trồng cây.
Xác định loại gel có hàm lượng gel và độ trương nước tối ưu để trồng cây.
1.3. Nội dung thực hiện
Chế tạo hydrogel cố định dinh dưỡng bằng phương pháp chiếu tia xạ gamma từ
nguồn xạ gamma Co-60.
Khảo sát hiệu ứng của hydrogel đối với một số loại rau và hoa.

2


Chương 2 TỔNG QUAN TÀI LIỆU
2.1. Hydrogel và các phương pháp chế tạo
2.1.1. Định nghĩa hydrogel
Polymer tan trong nước khi được khâu mạch sẽ tạo một vật liệu trương mà
không tan trong nước. Vật liệu này gọi là “hydrogel” (Nguyễn Quốc Hiến và ctv,
1996). Hydrogel được hình thành từ các polymer có chứa các nhóm phân cực như
COO-, HSO3-, -CONH2… trong phân tử có cấu trúc không gian ba chiều nhờ được
khâu mạch bởi các monomer lưỡng chức.
Hydrogel thông thường có hai loại là gel hóa học và gel giả. Những chuỗi này

được nối với nhau bằng lực hút tĩnh điện, liên kết hydro hoặc những chuỗi phức tạp
(nhiều gel là không bền và thường có thể được chuyển đổi thành dung dịch polymer
bằng sức nóng), đó là gel. Và gel hóa học (thật, bền) các phân tử polymer được nối lại
với nhau thành chuỗi bằng các liên kết cộng hóa trị.
Một khi xem hydrogel như vật liệu vừa có thuộc tính như chất lỏng và vừa có
thuộc tính như chất rắn thì thành phần chính tạo ra hiệu quả của dạng này đó là nước.
Vì vậy, chất hòa tan có trọng lượng phân tử thấp hoặc dung môi thấm vào sẽ xuyên
qua lớp màng của gel. Mặt khác dựa vào tính đàn hồi của một số chuỗi mạng lưới,
hình dạng của gel sẽ cho phép việc gia tăng sức chứa trong chính bản thân nó. Tuy đã
có khá nhiều ứng dụng của hydrogel nhưng thành công và hứa hẹn nhất hiện nay là
ứng dụng trong lĩnh vực y khoa và dược phẩm, với một số lượng lớn các sản phẩm đã
được thương mại hóa trên thị trường.
Vật liệu hydrogel được tạo từ polymer ưa nước có tầm quan trọng rất lớn đến
thuộc tính của sản phẩm. Hiệu quả của nó phụ thuộc vào sự có mặt của nhóm ưa nước
trên suốt chiều dài mạch, như là -OH, -COOH, -CONH2 và một số nhóm khác. Chức
năng của các nhóm chức này thường tạo nên các hydrogel nhạy cảm đối với các điều
kiện xung quanh và thường thì nó được đề cập đến như là vật liệu có đáp ứng thuận
nghịch đối với môi trường. Những hydrogel này chứng minh khả năng tạo ra sự thay
đổi về dung tích chẳng hạn như sự thay đổi dung tích của các pha chuyển tiếp trong
phản ứng khác nhau với môi trường ví dụ như nhiệt độ, pH, chiều dài mạng lưới ion,
nồng độ chất hòa tan… đã được thử nghiệm cho các mục đích sử dụng khác nhau. Các
hydrogel như vậy được gọi là "vật liệu sinh học thông minh" (Tanaka và ctv, 1978). Ví
3


dụ như các pha chuyển tiếp hydrogel đã được Tanaka thông báo vào năm 1978. Từ đó
đã có nhiều nghiên cứu trên các hydrogel có nhiều đặc tính nổi bật được thực hiện với
tầm quan tâm không chỉ có ý nghĩa về mặt khoa học như hiện tượng chuyển tiếp pha
mà còn ở các ứng dụng của nó trong công nghiệp như là hệ thống dẫn xuất được dùng
làm vỏ bọc thuốc, các đầu dò sinh học, surimi có khả năng chọn lọc.

Để kiểm soát lượng nước và chất hòa tan được chấp nhận bằng đoạn kỵ nước của
hydrogel có thể được áp dụng khi kèm theo các polymer ghép, ghép chuỗi hoặc giống
như là xâm nhập vào mạng lưới, mạng lưới polymer bán thẩm thấu, bằng các thành
phần của một polymer khác, không phải bằng các liên kết hóa học mà bằng cách nhốt
trong mạng lưới của nó. Độ trương của hydrogel là nội dung được nghiên cứu rất
nhiều. Nhiều học thuyết thuyết phục rằng áp lực của sự trương phồng xảy ra khi tổng
sự đóng góp của các thành phần phân chia dựa vào hỗn hợp dung môi polymer, độ
mềm dẻo của cấu trúc mạng lưới, sự thấm chọn lọc của các ion và sự đào thải. Trạng
thái trương bão hòa đạt được khi mà sự trương chọn lọc của mạng lưới gel là bằng
không. Từ quan điểm tổng hợp hydrogel như vậy đã được quyết định bởi dạng
polymer sử dụng (hoặc monome) và sức chứa của mạng lưới ion.
Bản chất của hydrogel chính là khả năng hấp thụ dung môi của các ion có độ dài
mạch khác nhau hoặc pH khác nhau được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp như là
vật liệu siêu hấp thụ nước.
Các hydrogel có thể tạo được từ chính các polymer tự nhiên hoặc copolymer với
các polymer tổng hợp. Dạng ete của cellulose, dựa vào nét đặc trưng mới lạ của khả
năng hình thành gel và dễ bị phân hủy sinh học, được xem như là vật liệu tuyệt vời.
Nhiều nghiên cứu gần đây chọn ete của cellulose được kiểm tra dưới bức xạ ion hóa.
Đó

là

Carboxymethylcellulose

(CMC),

hydroxypropylcellulose

(HPC)

và

hydroxyethylcellulose (HEC), dạng hydrogel tự phân hủy sinh học.
2.1.2. Các phương pháp chế tạo hydrogel
Hydrogel có thể được tổng hợp bằng hai phương pháp chủ yếu là phương pháp
hóa học và phương pháp bức xạ. Tùy thuộc vào bản chất của polymer mà người ta có
thể sử dụng một trong 2 phương pháp nói trên.
2.1.2.1. Chế tạo hydrogel bằng phương pháp hóa học
Hydrogel có thể được tổng hợp bằng phương pháp hóa học từ các monome ưa
nước như acrylamide/acrylic acid và dẫn xuất của nó. Một phương pháp phổ biến khác
4


là khâu mạch hoặc tổng hợp polymer bằng hợp chất đa hóa trị. Trong các phương pháp
tổng hợp này, sử dụng tác nhân khâu mạch, mật độ khâu mạch được kiểm soát bởi
nồng độ của các chất phản ứng đa hóa trị hoặc chất phản ứng sinh học, thời gian phản
ứng, nhiệt độ. Trong khi phương pháp chiếu xạ, tác nhân khâu mạch và mật độ khâu
mạch được quyết định bằng các liều xạ. Ngoài ra khâu mạch bằng phương pháp hóa
học chỉ có thể thực hiện được trong trạng thái lỏng, mà đó là sự khác biệt tương phản
với thành phẩm sau này.
2.1.2.2. Chế tạo hydrogel bằng phương pháp bức xạ
Sử dụng bức xạ ion hóa như tia gamma, dòng điện tử gia tốc,… Do đó nó có thể
bắt đầu phản ứng hóa học ở trạng thái lỏng hay ở trạng thái rắn.
a. Công nghệ bức xạ
œ Khái niệm
Công nghệ bức xạ (CNBX) là một ngành khoa học mới, nghiên cứu ứng dụng các
hiệu ứng vật lý, hóa học, sinh học và một số hiệu ứng khác xuất hiện khi bức xạ truyền
năng lượng cho vật chất nhằm biến các hiệu ứng này thông qua các quy trình công
nghệ để tạo ra các sản phẩm với những phẩm chất, tính năng và công dụng mới phục
vụ con người. Sự ra đời của ngành công nghệ bức xạ là kết quả của sự giao nhau và

kết hợp chủ yếu giữa các ngành vật lý hạt nhân, khoa học vật liệu, hóa học và sinh
học.
CNBX sử dụng nguồn bức xạ làm nguồn năng lượng trong quá trình nghiên cứu
và ứng dụng. Công nghệ bức xạ hiện tại chủ yếu sử dụng các nguồn bức xạ gamma
phát ra từ đồng vị Co-60, Cr-157, chùm điện tử gia tốc từ máy gia tốc điện tử (Electron
Beam) và chùm tia ion phát ra từ máy gia tốc ion (Ion Beam). Theo số liệu năm 1996,
toàn thế giới có hơn 180 nguồn chiếu xạ gamma Co-60 và khoảng 700 – 800 máy gia
tốc điện từ hoạt động phục vụ cho mục đích ứng dụng công nghiệp, trong đó bao gồm
ứng dụng trong lĩnh vực sinh học (Nguyễn Quốc Hiến, 1997).
CNBX là một trong những nghiên cứu và ứng dụng rất hiệu quả của ngành hạt
nhân Việt Nam và thế giới. Ngành CNBX Việt Nam chính thức phát triển từ năm
1983, sau khi nguồn Co-60 lắp đặt và đưa vào hoạt động tại Viện Nghiên cứu Hạt
nhân Đà Lạt. Đến nay thì các nhà nghiên cứu thuộc lĩnh vực CNBX ở Việt Nam đã
thực hiện trên 80 đề tài, dự án nghiên cứu và triển khai ứng dụng của CNBX trong các

5


lĩnh vực khác nhau và hơn một nửa trong số đó là các nghiên cứu và ứng dụng trong
lĩnh vực nông nghiệp.
œ Thành tựu
Nhiều năm gần đây, công nghệ bức xạ trở thành công cụ đổi mới trong công
nghiệp, làm tăng hiệu quả công nghiệp, tăng năng suất lao động, tiết kiệm năng lượng
và bảo vệ môi trường sinh thái (Trần Đại Nghiệp, 2007). Có thể nêu ra một số thành
tựu điển hình của công nghệ bức xạ trong thời gian gần đây như: các máy gia tốc ion
nặng (máy cấy ion) có thể tạo ra vi mạch với kích thước dưới 0,1 μm. Ở Nhật Bản hiện
có tới 400 máy cấy ion ứng dụng trong lĩnh vực bán dẫn và vi điện tử; vật liệu sợi
composite SiC là loại vật liệu sử dụng trong kỹ thuật hàng không và vũ trụ được xử lý
bằng bức xạ, có thể chịu tới nhiệt độ 1800 oC, trong khi xử lý bằng nhiệt độ chỉ chịu
được nhiệt độ 1200 oC; 100 % vật liệu vách ngăn trong các loại pin siêu nhỏ ở Nhật là

vật liệu polymer xử lý bằng bức xạ; 80 % bao bì thực phẩm ở Châu Âu và Bắc Mỹ
được xử lý bề mặt bằng bức xạ; 90 % lượng SO2 và 85 % lượng NOx là những chất
độc từ khói công nghiệp có thể biến thành phân bón dùng trong nông nghiệp nếu xử lý
bức xạ (electron). Quá trình này cho phép giảm đáng kể hiệu ứng nhà kính của trái đất
và các trận mưa acid; hàng năm, kỹ thuật xử lý bề mặt trên toàn thế giới sử dụng 20
triệu tấn hóa chất, trong đó 40 % lượng hóa chất này bay vào khí quyển gây ô nhiễm
môi trường và tạo ra hiệu ứng nhà kính. Kỹ thuật xử lý bức xạ chỉ cho 1 % lượng hóa
chất bay vào môi trường; Trong công nghiệp sản xuất dụng cụ y tế, 40 % đến 50 % sản
phẩm được khử trùng bằng công nghệ bức xạ. Dự báo trong những năm tới tỷ lệ này
có thể đạt tới 80 %; Có trên 40 nước với 120 chủng loại thực phẩm đã được chiếu xạ
và thương mại hóa. Xử lý bức xạ từ nhiều năm nay trở thành một trong những lĩnh vực
nghiên cứu phát triển quan trọng được cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế
(IAEA) khuyến cáo và tài trợ.
œ Ưu điểm
Phương pháp chiếu xạ có nhiều ưu điểm nổi bật như:
- Phản ứng ở nhiệt độ bình thường, tiết kiệm nguyên liệu, năng lượng và không gian.
- Có độ tin cậy cao (quá trình được kiểm tra hữu hiệu).
- Chế tạo sản phẩm mới, sản phẩm chất lượng cao, sản phẩm sau khi xử lý không cần
phải tinh chế.
- Đáp ứng nhu cầu bảo vệ môi trường.
6


- Thuận lợi cho quá trình ứng dụng ở quy mô lớn, đem lại hiệu quả kinh tế cao.
œ Ứng dụng Công nghệ bức xạ trong nông nghiệp
Các ứng dụng nổi bật của công nghệ bức xạ ở nước ta tập trung chủ yếu trong
lĩnh vực nông nghiệp bao gồm: Chiếu xạ gây bất dục côn trùng; Chiếu xạ kích thích và
gây đột biến tạo các giống cây trồng mới như lúa, đậu tương, hoa cúc…; Chiếu xạ để
bảo quản thực phẩm (gia vị, trái cây, thực phẩm đông lạnh…), khử trùng mĩ phẩm và
bao bì cho thực phẩm; Chiếu xạ xử lý phế thải nông nghiệp, chăn nuôi gia súc (nước

thải, chất thải gia súc) (Trần Đại Nghiệp, 2007); Chiếu xạ biến tính ghép, khâu mạch
và cắt mạch vật liệu tạo vật liệu tổng hợp sinh học và vật liệu có hoạt tính sinh học,
chế phẩm dược phẩm, hormone thải chậm, gel giữ nước, gel cố định dinh dưỡng ứng
dụng trong thủy canh, chế phẩm phòng và trị bệnh thực vật từ chitosan chiếu xạ…
b. Ứng dụng của kĩ thuật bức xạ trong chế tạo hydrogel
Bức xạ ion hóa rất phù hợp cho việc chế tạo hydrogel. Qui trình dễ kiểm soát, khả
năng tham gia tạo hydrogel và tiệt trùng trong một bước công nghệ, không cần thiết
phải thêm chất xúc tác khâu mạch dẫn đến hạ giá thành sản phẩm. Đó chính là lý do
lựa chọn phương pháp chiếu xạ trong việc tổng hợp hydrogel. Đặc biệt có ý nghĩa
trong lĩnh vực y khoa (kỹ thuật này có một số giới hạn và không phải loại hydrogel
nào cũng có thể tổng hợp theo con đường này). Tất nhiên từ những quan điểm của bức
xạ hóa học, khâu mạch của polymer, bao gồm việc hình thành của hydrogel, là những
ứng dụng thành công nhất trong lĩnh vực khoa học này.
œ Hiệu ứng khâu mạch
Thông thường, kỹ thuật bức xạ tạo ra 3 hiệu ứng: ghép mạch, cắt mạch và khâu
mạch (Nguyễn Quốc Hiến, 1997). Ghép mạch là ghép polymer này với một polymer
khác. Cắt mạch là làm ngắn mạch đi, tạo ra nhiều đoạn mạch nhỏ hơn. Khâu mạch là
gắn kết các radical tự do lại với nhau. Đối với các polymer tự nhiên khi chiếu xạ, thì
hầu hết quá trình cắt mạch sẽ xảy ra, dù là ở dạng dung dịch hay dạng bột. Đó là quá
trình biến tính cắt mạch các polymer có nguồn gốc tự nhiên để tạo ra các oligomer
tương ứng. Đến nay, các chế phẩm oligomer tương ứng từ chiếu xạ cắt mạch các
polysaccharide (chitosan, alginate…) được ứng dụng hiệu quả trong nông nghiệp.
Phương pháp ghép mạch (polymer hóa) và khâu mạch được sử dụng để tổng hợp
nhiều loại polymer khác nhau, trong đó có hydrogel. Quá trình polymer hóa bức xạ cơ

7


bản xảy ra theo cơ chế gốc tự do bao gồm ba giai đoạn chính là khơi mào, phát triển và
ngắt mạch. Mô tả quá trình như sau:

Ro

M hay S
Ro +
RMo

(tạo gốc tự do)
RMo

M

(khơi mào)

RM 2o

+ M

RM 2o + M

RM 3o

RM mn-1o + M

(phát triển mạch)

Rmno

Rmno + Rmno

P

Trong đó: M là monomer, S là dung môi.
Tốc độ của quá trình phụ thuộc vào suất liều bức xạ Vp~K.Ix, và hằng số tốc
độ của quá trình phụ thuộc nồng độ các gốc tự do tạo ra trong monomer (tác động trực
tiếp) và trong dung môi (tác động gián tiếp) (Nguyễn Quốc Hiến, 1997).
œ Khâu mạch bức xạ dung dịch polymer tan trong nước
Nhờ quá trình hình thành gốc tự do trong quá trình chiếu xạ mà biến tính khâu
mạch được thực hiện. Khi chiếu xạ dạng paste các dẫn xuất của cellulose như
carboxylmethylcellulose,

hydroxylpropylcellulose,

carboxylmethylchitin,

carboxylmethylchitosan... thì quá trình khâu mạch lại hình thành. Mật độ khâu mạch
của các phân tử trong hydrogel và hàm lượng gel hình thành thường tỉ lệ thuận với liều
chiếu xạ. Sản phẩm hydrogel có độ trương nước khác nhau, độ trương này thường tỉ lệ
nghịch với độ khâu mạch của các phân tử trong hydrogel.
Có hai cách hình thành gốc polymer và tạo khâu mạch như sau:
¾ Tác động trực tiếp:
Po

P
Po + Po

(tạo thành gốc tự do đại phân tử)
P-P

(tái kết hợp, khâu mạch)

¾ Tác động gián tiếp:
OHo

H2O
o

OH

+

Po + Po

P

(tạo gốc tự do)
o

P + H2O (tách H, tạo gốc tự do polymer)
P-P

Như vậy sự hình thành hydrogel bằng phương pháp bức xạ ion hóa là kết quả của
quá trình tái kết hợp giữa các gốc đại phân tử. Khi các tia bức xạ tương tác với hệ phản
ứng sẽ hình thành gốc tự do. Những gốc tự do này sau đó sẽ tương tác với hàng loạt
các phân tử khác có mặt trong môi trường hoặc là tái kết hợp với nhau. Kết quả là hình
8


thành các liên kết cộng hóa trị giữa các chuỗi polymer. Khi trong hệ xuất hiện liên kết
ngang đầu tiên, tức là hệ đã bắt đầu tạo gel. Nếu hệ được tiếp tục chiếu xạ thì phần gel
trong hệ sẽ tăng lên, đồng thời mật độ khâu mạch trong phần gel cũng dần dần tăng lên

(Nguyễn Quốc Hiến, 1997).
œ Copolymer hóa ghép bức xạ
Một copolymer ghép là một polymer mà phân tử của nó chứa hai hay nhiều thành
phần polymer có cấu trúc hóa học khác nhau. Có thể xem copolymer ghép là sự kết
hợp hóa học giữa hai phân tử polymer có cấu trúc hóa học khác nhau (A. K. Bajpai và
A. Giri, 2003).
A–A–A–A–A–A–A–A
B–B–B–B–B–B
Copolymer ghép
Có thể xem polymer ghép đóng vai trò trong khoa học polymer tương tự như hợp
kim trong luyện kim.
Phương pháp copolymer hóa ghép bức xạ được nghiên cứu phát triển chủ yếu dựa
trên polymer hóa vinyl monomer B từ các tâm phản ứng trên Ap và kết hợp giữa hai
gốc đại phân tử Ap và Bq. Người ta cho rằng copolymer hóa ghép bức xạ thường tiến
hành dễ dàng hơn kỹ thuật hóa học thông thường và được phân loại gồm bốn kiểu như
sau:
- Ghép chiếu xạ trực tiếp.
- Ghép sau chiếu xạ khơi mào bằng các nhóm peroxide.
- Ghép sau chiếu xạ khơi mào bằng các gốc tự do bị bẫy.
- Liên kết không gian giữa hai polymer khác nhau.
Vật liệu hydrogel chế tạo từ các monome ưa nước hoặc là khâu mạch dung dịch
polymer thường không bền vững, tính chất cơ lí kém cho nên phải tiến hành ghép
monome ưa nước lên vật liệu polymer bền (A. K. Bajpai và A. Giri, 2003).
Nhiều chế phẩm có hoạt tính sinh học như enzyme, kháng nguyên, kháng thể…
được chế tạo trên cơ sở gắn lên các giá thể polymer hóa ghép bức xạ monome ưa
nước.
Mức độ ghép thường được tính theo phần trăm trọng lượng (%) nhưng đôi khi
cũng được tính theo diện tích bề mặt (g/cm2).

9

Giá thể polymer được chế tạo bằng kỹ thuật bức xạ đã được nghiên cứu và ứng
dụng nhiều để làm giá thể cố định các chất có hoạt tính sinh học như tế bào vsv,
enzyme, các loại dược phẩm điều trị ung thư…
Những lợi ích của chế phẩm cố định là:
- Ồn định hoạt tính để sử dụng thời gian dài và tái sử dụng nhiều lần (reuse).
- Tạo dạng vật liệu theo yêu cầu.
- Gia tăng độ bền sinh học của chế phẩm đối với nhiệt và các tác nhân hóa học.
- Kiểm soát được tốc độ ly giải.
2.1.3. Các polymer tự nhiên dùng để chế tạo hydrogel
Polysaccharide là các dẫn xuất của cellulose. Khả năng của polysaccharide là
hình thành dạng cấu trúc mạng lưới gel, mặc dù tại đó nồng độ của nó rất thấp, tạo
thành một trong những thuộc tính chức năng quan trọng nhất. Sự hình thành cấu trúc
mạng lưới không gian ba chiều cho hiệu quả trung gian làm gia tăng hệ thống cấu trúc
hóa học và sự ổn định hóa học. Sự hòa trộn của các polysaccharide xảy ra thường
xuyên, và các gel bậc 2 có thể được sử dụng như mô hình cho phức hệ cấu trúc tế bào.
Nhiều thành phần tự nhiên và polysaccharide vi khuẩn hình thành mạng lưới không
gian ba chiều dưới các điều kiện đặc biệt. Những gel này, ổn định bởi các tương tác
trao đổi qua lại, có thể có sự so sánh các thuộc tính cấu trúc tổ chức của chúng với
khâu mạch gel bằng hóa học. Mặc dù, những gel này là dạng vật lý, chúng có thể
chuyển thành dung dịch khi bị phân hủy mạch (A. Pourjavadi và ctv, 2006).
Các polymer tự nhiên như là alginate, carrageenan, và dẫn xuất của cellulose và
chitin/chitosan có thể cũng chuyển thành dạng hydrogel vật lý trong sự có mặt của các
ion kim loại. Hydrogel bao gồm các polymer tổng hợp với các đại phân tử tự nhiên
như gel, amylose, chitosan và dextran đã được tổng hợp. Những polymer tự nhiên này
hoặc hydrogel, với việc trộn lẫn các polysaccharide và dẫn xuất của nó, được chế tạo
bằng kỹ thuật chiếu xạ dựa trên khả năng phân hủy sinh học đã làm giảm rất nhiều về
giá thành và góp phần bảo vệ môi trường.
Hydrogel từ 4 loại ete của cellulose đã được tổng hợp bằng bức xạ ion hóa mà

không cần thêm bất kì một tác nhân nào khác. Nó được tìm thấy ở nồng độ cao trong
dung dịch có chứa nước hơn và nhiều dạng thay thế bởi các mạch nhánh của chuỗi
trong vòng glucozamine của polymer rất thuận lợi cho quá trình khâu mạch. Những
đoạn gel này dựa vào chiếu xạ dung dịch bằng máy gia tốc điện tử.
10


Carboxymethylcellulose (CMC) tạo gel bởi bức xạ gamma phụ thuộc vào liều xạ.
Sự có mặt của oxi trong suốt quá trình chiếu xạ là nguyên nhân làm giảm bớt hàm
lượng chứa tối đa của gel. Hydrogel được tạo thành có độ trương đáng kể bằng sự hấp
thụ nước, và sự trương khác nhau dựa vào nồng độ mà polymer được chiếu xạ và liều
xạ áp dụng. Hydrogel có khả năng tự phân hủy sinh học.
Tóm lại, polysaccharide là thành phần chính của hydrogel tự nhiên với các đặc
tính: tự phân hủy sinh học, tự đổi mới, không độc và dung tích chứa cao.
Polysaccharide hòa tan trong nước do sự có mặt của các nhóm ưa nước, chủ yếu là
OH-, COO- và NH2-. Khâu mạch polysaccharide là hiệu quả đạt được nhất định từ vật
liệu hydrogel. Có nhiều phương pháp khác nhau để khâu mạch cho việc chuẩn bị vật
liệu hydrogel. Có nhiều nhân tố như nồng độ, pH, nhóm chức ảnh hưởng đến độ
trương polymer (A. K. Bajpai và A. Giri, 2003).
2.1.3.1.Carboxymethylcellulose
Cellulose là một polymer tự nhiên phong phú nhất và là nguyên liệu thô quan
trọng cho nhiều ngành công nghiệp. Dẫn xuất cellulose có nhiều ứng dụng đặc biệt do
thuộc tính và khả năng hòa tan tốt trong nước. Gần đây, một số polymer tự nhiên, dưới
tác dụng của bức xạ gamma tạo ra vật liệu hydrogel: vật liệu sinh học với các ưu điểm
không ảnh hưởng đến sức khỏe con người và sinh vật, khả năng tự phân hủy và là vật
liệu sinh học có tính tương thích tốt. CMC là dẫn xuất polymer có khả năng tan trong
nước, được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như thuốc làm sạch vết thương, đầu
dò, trong thực phẩm, giấy và công nghiệp dệt do có độ nhớt cao.
CMC cũng giống như những polymer tự nhiên khác là có khả năng phân hủy
polymer dưới bức xạ nhưng cũng có thể bị khâu mạch tạo thành vật liệu hydrogel dưới

những điều kiện thuận lợi (Phạm Thị Lệ Hà, 2006; Trần Thị Thủy và ctv, 2006). Cách
đây không lâu, khả năng khâu mạch của CMC được nghiên cứu, và đã tìm thấy nhiều
điều thú vị trong khoa học và ứng dụng trên nhiều lĩnh vực công nghiệp khác dựa vào
khả năng trương tốt và khả năng tự phân hủy sinh học.
CMC là một loại ete cellulose phổ biến nhất, là dẫn xuất của cellulose có chứa
nhóm carboxyl. Gel CMC có độ trương tốt và dưới góc độ môi trường gel này vẫn còn
mang đặc tính của cellulose là khả năng tự phân hủy sinh học (Pengfei Liu và ctv,
2000).

11


Sự khâu mạch CMC và độ trương
Sự thành công của khâu mạch ở chỗ cạnh tranh với sự phân chia liên kết
glycoside khi nồng độ của polymer trong dung dịch vượt qua giá trị tới hạn, sau đó
xuất hiện gel không hòa tan. CMC với độ thế cao tạo gel một cách dễ dàng hơn và hiệu
quả hơn liều xạ thấp khi chiếu xạ khoảng 20 % dung dịch. CMC tạo gel cao nhất ở ba
liều tương ứng, khoảng 80 %, hơn thế nữa, CMC ở liều xạ này sản xuất được 35 – 60
% gel. Do đó, nó bao gồm việc gắn kết giữa các phân tử hình thành các ete có chức
năng hiệu quả hơn. Liều xạ của polymer ở nồng độ 50 – 60 % bằng bức xạ gamma và
bằng máy gia tốc điện tử, hiệu quả tạo gel cao 90 – 95 %.
Nồng độ của dung dịch môi trường hình thành không như phân đoạn gel cao
nhưng ở sự tăng cường chấp nhận một lượng nước tối đa. CMC được chế tạo bằng
máy gia tốc điện tử biểu hiện thuộc tính khác nhau về độ trương liên quan đến nồng độ
bắt đầu của polymer và liều xạ chiếu. Độ trương tối đa của hydrogel đạt được ở liều
xạ thấp và bị giảm nhanh cùng với việc gia tăng liều xạ. Sau khi vượt quá liều xạ được
gọi là "liều tạo gel" thì gel được hình thành, sự thống kê về độ khâu mạch trên một
chuỗi là cần thiết. Với việc gia tăng mật độ khâu mạch tiếp theo dựa vào việc chiếu xạ
kế tiếp làm giảm khả năng hấp thụ nước của gel. Cấu trúc của hydrogel trở thành các
dải nối tiếp chặt chẽ hơn và cứng cáp hơn.

2.1.3.2. Oligoalginate
a. Giới thiệu về oligoalginate
Nếu như alginate được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghệ thực phẩm,
công nghệ dược phẩm và mĩ phẩm thì oligoalginate lại được ứng dụng rộng rãi hơn
nhiều, đặc biệt là trong lĩnh vực nông nghiệp, y học và công nghệ sinh học.
Năm 1992, Akiyamo và ctv đã thông báo rằng oligoalginate có tính chất rất quý
là thúc đẩy tăng trưởng vi khuẩn Bifidobacteria, loại vi khuẩn hiện diện trong đường
ruột cần cho quá trình tiêu hóa ở người và động vật. Oligo của quá trình này tác giả
cũng cho thấy rằng alginate có khối lượng phân tử khoảng 49 – 400 Da khi bổ sung
vào môi trường nuôi cấy hàng loạt các vi khuẩn Bifidobacteria (B. aldolescentis, B.
bifidum, B. beeve và B. longcion) thì hiệu ứng thúc đẩy tăng trưởng của chúng so với
trước là không đáng kể, trong khi đó các oligoalginate có khối lượng phân tử trung
bình khoảng 2000 Da chế tạo từ alginate nói trên bằng phương pháp thủy phân bởi
enzyme alginate lyase với nồng độ từ 0,04 – 0,4 % lại có hiệu ứng cao hơn nhiều. Mặt
12


khác nhiều công trình nghiên cứu tác dụng của oligoalginate cũng đã cho thấy
oligoalginate còn có tác dụng như là một tín hiệu hóa học để kích thích các quá trình
sinh tổng hợp phytoalexin. Ngoài ra trong nuôi cấy mô oligoalginate có hiệu ứng thúc
đẩy sinh trưởng và làm tăng sinh khối, gia tăng tốc độ phân bào ở một số loại tảo, thúc
đẩy quá trình nảy mầm hạt giống và phát triển rễ, thân, lá của một số loài cây.
Như vậy oligoalginate là một loại oligosaccharide không chỉ thể hiện hiệu ứng
tăng trưởng rất tốt đối với nhiều loại thực vật mà còn có khả năng tạo cho cây có khả
năng kháng lại sự xâm nhiễm của một số vi sinh vật gây bệnh. Điều đáng chú ý là
oligoalginate có tính an toàn cao đối với người, gia súc, gia cầm và môi trường. Do đó,
việc chế tạo ra chế phẩm nông dược có nguồn gốc từ oligosaccharide nói chung và
olgioalginate nói riêng là rất thiết thực cho nhu cầu sản xuất rau quả và nông phẩm
sạch và phát triển môi trường bền vững ở nước ta và trên thế giới.
b. Các phương pháp chế tạo oligoalginate

™ Phương pháp hoá học
Trong phương pháp này oligoalginate được chế tạo thông qua các tác nhân hoá
học oxi hóa mạnh như H2O2, HCl, v.v. Hiệu suất cắt mạch của alginate trong hệ phản
ứng chủ yếu phụ thuộc nồng độ của các chất phản ứng, thời gian phản ứng và nhiệt độ.
Mặc dù phương pháp này có những thuận lợi nhất định nhưng lại gặp phải một số
hạn chế như sau: phải sử dụng các chất oxi hóa mạnh; khó kiểm soát được quy trình
cắt mạch; phải tách chiết và tinh chế; chi phí cao do các quá trình tách chiết; gây ô
nhiễm môi trường.
™ Phương pháp sinh học
Ta có thể cắt mạch alginate bằng cách thuỷ phân bởi enzyme alginate lyase. Hiệu
suất phản ứng phụ thuộc vào nồng độ của các chất phản ứng, thời gian và nhiệt độ của
phản ứng.
Cũng giống như phương pháp hóa học, phương pháp sinh học cũng có một số
những hạn chế nhất định sau đây: cần phải có một hệ đệm, xúc tác thích hợp cho việc
cắt mạch; khó kiểm soát quá trình cắt; phải tinh chế được sản phẩm sau khi cắt mạch;
phải sử dụng enzyme đặc hiệu; sử dụng năng lượng nhiều; chi phí cao.
™ Phương pháp bức xạ
Đây là phương pháp hữu hiệu và có nhiều ưu điểm, khắc phục được những hạn
chế của hai phương pháp chế tạo oligoalginate đã nêu ở trên. Bằng cách sử dụng bức
13