Nghiên cứu chế tạo vật liệu hydrogel từ phế phẩm nông nghiệp hạt bơ booth Việt Nam ứng dụng làm vật liệu mang phân bón giải phóng chậm

Nội dung chính của khóa luận: - Nghiên cứu phương pháp chiết xuất tinh bột từ hạt bơ Booth; - Nghiên cứu các đặc tính hóa lý của tinh bột hạt bơ thu được; - Nghiên cứu quá trình oxy h

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

GVHD: TS NGUYỄN CHÍ THANH SVTH: BÙI PHƯƠNG ĐÔNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HYDROGEL

TỪ PHẾ PHẨM NÔNG NGHIỆP HẠT BƠ BOOTH

VIỆT NAM ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU MANG PHÂN BÓN

GIẢI PHÓNG CHẬM

GVHD: TS NGUYỄN CHÍ THANH SVTH: BÙI PHƯƠNG ĐÔNG MSSV: 20130020

SVTH: TỐNG QUỲNH GIANG MSSV: 20130024

Khóa: 2020 – 2024

Tp Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2024

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BỘ MÔN CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO VẬT LIỆU HYDROGEL

TỪ PHẾ PHẨM NÔNG NGHIỆP HẠT BƠ BOOTH

VIỆT NAM ỨNG DỤNG LÀM VẬT LIỆU MANG PHÂN BÓN

GIẢI PHÓNG CHẬM

GVHD: TS NGUYỄN CHÍ THANH SVTH: BÙI PHƯƠNG ĐÔNG MSSV: 20130020

SVTH: TỐNG QUỲNH GIANG MSSV: 20130024

Khóa: 2020 – 2024

Tp Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2024

Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Chí Thanh

Cơ quan công tác của giảng viên hướng dẫn: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành

phố Hồ Chí Minh

1 Tên đề tài:

Nghiên cứu chế tạo vật liệu hydrogel từ phế phẩm nông nghiệp hạt bơ Booth Việt

Nam ứng dụng làm vật liệu mang phân bón giải phóng chậm

2 Nội dung chính của khóa luận:

- Nghiên cứu phương pháp chiết xuất tinh bột từ hạt bơ Booth;

- Nghiên cứu các đặc tính hóa lý của tinh bột hạt bơ thu được;

- Nghiên cứu quá trình oxy hóa tinh bột hạt bơ và tác nhân khâu mạng để tạo

hydrogel;

- Nghiên cứu các đặc tính hóa lý của tinh bột hạt bơ bị oxy hóa thu được;

- Đánh giá khả năng ứng dụng của hydrogel từ tinh bột hạt bơ bị oxy hóa làm vật

liệu mang phân bón giải phóng chậm

3 Các sản phẩm dự kiến

- Tinh bột hạt bơ Booth;

- Hydrogel từ tinh bột hạt bơ Booth

4 Ngày giao đồ án: 08/01/2024

5 Ngày nộp đồ án: 25/08/2024

6 Ngôn ngữ trình bày: Bản báo cáo: Tiếng Anh  Tiếng Việt 

Trình bày bảo vệ: Tiếng Anh  Tiếng Việt 

TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BM CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

*******

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và tên Sinh viên: Bùi Phương Đông MSSV: 20130020

Họ và tên Sinh viên: Tống Quỳnh Giang MSSV: 20130024

Ngành: Công nghệ vật liệu

Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo vật liệu hydrogel từ phế phẩm nông nghiệp hạt bơ Booth Việt Nam ứng dụng làm vật liệu mang phân bón giải phóng chậm

Họ và tên Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Chí Thanh

Cơ quan công tác của GV hướng dẫn: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh

Địa chỉ: số 1 Võ Văn Ngân, phường Linh Chiểu, Thành phố Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh

NHẬN XÉT

Về nội dung và khối lượng công việc:

- Nội dung đề tài phù hợp cho một bài khóa luận tốt nghiệp đại học ngành Công nghệ vật liệu với nhiều kết quả phân tích có độ tin cậy cao

Tinh thần học tập nghiên cứu của sinh viên:

- Sinh viên có tinh thần học tập và nghiên cứu rất tốt, rất chăm chỉ trong quá trình thực hiện khóa luận

- Trong quá trình thực hiện khóa luận, sinh viên đã tham gia nhiều cuộc thi nghiên cứu khoa học dành cho sinh viên cấp thành phố, toàn quốc và đạt thành tích cao

- Sinh viên có 1 công bố quốc tế SCIE từ nội dung của bài khóa luận và có 1 bài báo khác đang trong quá trình review

Khuyết điểm:

- Một vài nội dung giải thích kết quả nghiên cứu chưa được trích dẫn tài liệu tham khảo.Đề nghị được bảo vệ hay không:

- Được bảo vệ

Điểm: 10.0 (Bằng chữ: Mười chấm không )

Tp Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 8, năm 2024

Giảng viên hướng dẫn

Nguyễn Chí Thanh

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến toàn thể Quý Thầy Cô, giảng viên của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh vì đã tạo dựng môi trường học tập thuận lợi và cung cấp những kiến thức giúp chúng em hình thành nền tảng lý thuyết vững vàng, cũng như chuẩn bị những hành trang quan trọng cho tương lai

Chúng em đặc biệt biết ơn:

- Thầy Nguyễn Chí Thanh giảng viên tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật

Thành phố Hồ Chí Minh, người đã tận tâm hướng dẫn, chia sẻ kinh nghiệm và cung cấp những kiến thức quý báu suốt thời gian chúng em học tập và nghiên cứu

- Các Thầy Cô tại Khoa Khoa học Ứng dụng, đã hỗ trợ và tạo điều kiện thuận

lợi cho chúng em trong suốt quá trình thực hiện đề tài

- Các bạn khóa 2020, những người luôn đồng hành, sẻ chia và hỗ trợ chúng em trong học tập và nghiên cứu

- Tất cả các tác giả và đồng tác giả của những tài liệu khoa học mà chúng em đã tham khảo trong quá trình thực hiện nghiên cứu này

Cuối cùng, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến gia đình, vì đã luôn ủng hộ và đồng hành vô điều kiện trong mọi giai đoạn của quá trình học tập và phát triển Những kỷ niệm đó sẽ luôn được chúng em ghi nhớ

Trong quá trình hoàn thiện, chúng em khó tránh khỏi những thiếu sót Do đó, chúng

em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến từ Quý Thầy Cô và các bạn để giúp chúng

em không ngừng học hỏi và hoàn thiện hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn và kính chúc Quý Thầy Cô cùng các bạn sức khỏe và nhiều thành công!

LỜI CAM ĐOAN

Nhóm chúng em gồm Bùi Phương Đông và Tống Quỳnh Giang là những sinh viên thực

hiện đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu hydrogel từ phế phẩm nông nghiệp hạt bơ

Booth Việt Nam ứng dụng làm vật liệu mang phân bón giải phóng chậm” Chúng

em xin cam kết rằng toàn bộ nội dung trong luận văn này là kết quả công việc của chính mình, dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Chí Thanh Tất cả các kết quả và biểu đồ trong luận văn đều chính xác và trung thực Nguồn dữ liệu sử dụng đã được xác minh

rõ ràng và các trích dẫn được thực hiện đầy đủ Các tài liệu tham khảo được liệt kê một cách cụ thể và ngắn gọn trong danh mục tài liệu tham khảo

Chúng em xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Sinh viên thực hiện 1 Sinh viên thực hiện 2

Bùi Phương Đông Tống Quỳnh Giang

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

TÓM TẮT KHÓA LUẬN vii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH x

LỜI MỞ ĐẦU xii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Tình hình nghiên cứu 1

1.1.1 Trên thế giới 1

1.1.2 Ở Việt Nam 2

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 3

1.3 Nội dung nghiên cứu 3

1.4 Ý nghĩa thực tiễn 3

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 Tổng quan về nguyên liệu chính 4

2.1.1 Giới thiệu về bơ Booth và sản lượng bơ tại Việt Nam 4

2.1.2 Thành phần hóa học trong quả bơ 6

2.1.2.1 Trong vỏ bơ 6

2.1.2.2 Trong thịt quả bơ 6

2.1.2.3 Trong hạt bơ 7

2.1.3 Các phương pháp chiết xuất tinh bột từ hạt bơ 7

2.1.3.1 Phương pháp dung môi nước 7

2.1.3.2 Phương pháp dung môi kiềm 7

2.1.3.3 Phương pháp sử dụng enzyme 8

2.2 Vai trò của các chất chính tham gia phản ứng 8

2.2.1 Natri metabisunfit (Na2S2O5) 8

2.2.2 Kali permanganat (KMnO4) 8

2.2.3 Natri bisulfat (NaHSO4) 8

2.2.4 Axit itaconic (C5H6O4) 8

2.3 Cơ sở lý thuyết về tinh bột 9

2.3.1 Tổng quan về tinh bột 9

2.3.2 Phân loại tinh bột 10

2.3.3 Cấu trúc hóa học của tinh bột 11

2.3.4 Tính chất hóa lý của tinh bột 13

2.3.4.1 Tính chất trương nở 13

2.3.4.2 Sự hồ hóa 14

2.3.4.3 Sự thoái hóa của tinh bột 14

2.3.4.4 Đặc tính keo của tinh bột 15

2.3.5 Các phương pháp biến tính tinh bột 15

2.3.6 Ứng dụng của tinh bột 16

2.4 Cơ sở lý thuyết về hydrogel 17

2.4.1 Giới thiệu chung về hydrogel 17

2.4.2 Phân loại hydrogel 18

2.4.2.1 Phân loại theo nguồn gốc 18

2.4.2.2 Phân loại theo thành phần polymer 19

2.4.2.3 Phân loại theo khả năng phân hủy sinh học 20

2.4.2.4 Phân loại dựa trên cấu hình 20

2.4.2.5 Phân loại theo liên kết ngang 20

2.4.2.6 Phân loại theo điện tích 20

2.4.3 Cấu trúc hóa học của vật liệu hydrogel 21

2.4.3.1 Liên kết ngang vật lý 22

2.4.3.2 Liên kết ngang hóa học 22

2.4.4 Tính chất hóa lý của hydrogel 22

2.4.4.1 Đặc tính trương nở 22

2.4.4.2 Tính chất cơ học 23

2.4.4.3 Tính tương thích sinh học 23

2.4.5 Các phương pháp tổng hợp hydrogel 23

2.4.5.1 Trùng hợp khối 24

2.4.5.2 Trùng hợp dung dịch/ liên kết ngang 25

2.4.5.3 Phản ứng trùng hợp huyền phù hoặc trùng hợp huyền phù nghịch đảo 25 2.4.5.4 Ghép 25

2.4.5.5 Polymer hóa bằng chiếu xạ 26

2.4.6 Ứng dụng của hydrogel 26

2.5 Phân bón giải phóng chậm có kiểm soát (CRF) 27

2.5.1 Ưu điểm của CRF 27

2.5.2 Nhược điểm của CRF 28

2.5.3 Cơ chế giải phóng phân bón 28

CHƯƠNG 3: THỰC NGHIỆM, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30

3.1 Nguyên liệu, thiết bị và dụng cụ 30

3.1.1 Nguyên liệu 30

3.1.2 Thiết bị 33

3.1.3 Dụng cụ 34

3.2 Phương pháp thực nghiệm 35

3.2.1 Quy trình chiết xuất tinh bột hạt bơ Booth 35

3.2.1.1 Sơ đồ khối 35

3.2.1.2 Thuyết minh quy trình 36

3.2.2 Quy trình chế tạo vật liệu hydrogel 37

3.2.2.1 Sơ đồ khối 37

3.2.2.2 Thuyết minh quy trình 38

3.3 Các phương pháp đánh giá 38

3.3.1 Đánh giá hiệu suất của quá trình chiết xuất tinh bột 38

3.3.2 Xác định hàm lượng amylose và amylopectin 38

3.3.3 Phân tích hình thái bề mặt bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM) 39

3.3.4 Phân tích quang phổ hồng ngoại chuyển đổi Fourier (FT-IR) 39

3.3.5 Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) 40

3.3.6 Xác định phần gel 40

3.3.7 Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) 41

3.3.8 Phân tích nhiệt quét vi sai (DSC) 41

3.3.9 Độ trương nở của mẫu hydrogel trong nước và các dung dịch muối khác nhau 42

3.3.10 Giải phóng phân bón có kiểm soát 42

3.3.10.1 Hấp thụ phân bón (FL) 42

3.3.10.2 Giải phóng phân bón có kiểm soát (FR) 42

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 43

4.1 Kết quả chiết xuất tinh bột từ hạt bơ 43

4.1.1 Hiệu suất và chất lượng tinh bột thu được 43

4.1.2 Hàm lượng amylose và amylopectin 44

4.1.3 Hình thái, cấu trúc bề mặt của tinh bột chiết xuất được 44

4.1.4 Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) 46

4.1.5 Phân tích quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) 47

4.1.6 Phân tích nhiệt trọng lượng (TGA) 48

4.1.7 Phân tích nhiệt quét vi sai (DSC) 50

4.2 Các đặc tính hóa lý vật liệu hydrogel dựa trên tinh bột hạt bơ Booth chiết xuất được 51

4.2.1 Đánh giá quá trình oxy hóa tinh bột hạt bơ 51

4.2.2 Hình thái, cấu trúc bề mặt của vật liệu hydrogel chế tạo được 53

4.2.3 Phân tích nhiễu xạ tia X (XRD) 54

4.2.4 Phân tích quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) 56

4.2.6 Sự trương nở của hydrogel trong các môi trường khác nhau 58

4.2.7 Sự hấp thụ phân bón của hydrogel 61

4.2.8 Khả năng giải phóng phân bón của hydrogel 62

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64

Kết luận 64

Kiến nghị 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

PHỤ LỤC

TÓM TẮT KHÓA LUẬN

Khóa luận tốt nghiệp với đề tài: “Nghiên cứu chế tạo vật liệu hydrogel từ phế

phẩm nông nghiệp hạt bơ Booth Việt Nam ứng dụng làm vật liệu mang phân bón giải phóng chậm”

Trong khóa luận này, nhóm chúng em đã thành công trong việc chiết xuất tinh bột từ hạt bơ Booth và chế tạo vật liệu hydrogel từ tinh bột chiết xuất Phương pháp ngâm lắng đọng cho phép thu được tinh bột với hiệu suất từ 4.5-7.0% Kết quả SEM cho thấy tinh bột

có các hạt với nhiều hình dạng khác nhau, trong đó hình elip và bầu dục chiếm ưu thế, đặc trưng với lỗ Hilum Kích thước hạt tinh bột nằm trong khoảng 10-20 μm Giản đồ nhiễu xạ tia X cho thấy tinh bột có cấu trúc loại B với độ kết tinh từ 12-20% Phân tích (FTIR) xác định sự hiện diện của các nhóm chức hóa học đặc trưng của tinh bột như hydroxyl (O-H), metyl (C-H), etyl (C-C), và ete (C-O) Kết quả (TGA) cho thấy tinh bột chiết xuất trải qua

ba giai đoạn phân hủy nhiệt riêng biệt: giai đoạn đầu tiên thể hiện sự mất nước dưới 200°C, phân hủy chính từ 200-400°C và giai đoạn cuối trên 400°C Nhiệt độ hồ hóa cao nhất đạt 36.24 J/g khi xử lý tinh bột bằng Na2S2O5, với nồng độ tối ưu là 0.6 g/L Những phân tích này cho thấy tinh bột chiết xuất được có tiềm năng ứng dụng trong sản xuất vật liệu hydrogel thân thiện với môi trường và trong nhiều lĩnh vực khác Chúng em cũng đã chế tạo thành công vật liệu hydrogel từ tinh bột đã được chiết xuất, sử dụng hệ thống oxy hóa khử KMnO4/NaHSO4 và axit itaconic làm chất tạo liên kết ngang Quá trình oxy hóa tạo ra hydrogel với bề mặt sần sùi do sự phá vỡ cấu trúc của các hạt tinh bột Giản đồ XRD của các mẫu hydrogel cho thấy cấu trúc tinh thể loại V, cường độ nhiễu xạ giảm so với tinh bột ban đầu và độ kết tinh từ 3-6% Phổ FTIR cũng cho thấy cường độ các đỉnh đặc trưng của tinh bột giảm và xuất hiện các đỉnh đặc trưng của hydrogel khi kết hợp với axit itaconic Các kết quả TGA cũng cho thấy các mẫu hydrogel chế tạo được có độ ổn định nhiệt hơn so với mẫu tinh bột hạt bơ ban đầu Nồng độ axit itaconic khác nhau ảnh hưởng đến tính chất trương nở và hấp thụ nước của hydrogel, kết quả cho thấy mẫu H-2 có sự ổn định nhất Ngoài ra, mẫu H-2 có khả năng hấp thụ và giải phóng phân bón như KNO3 và (NH4)2SO4

trong môi trường nước cất Từ những kết quả này, vật liệu hydrogel dựa trên tinh bột hạt

bơ chiết xuất được có tiềm năng ứng dụng làm vật liệu mang phân bón giải phóng chậm và

có tính ứng dụng cao trong lĩnh vực nông nghiệp thông minh

Bố cục khóa luận tốt nghiệp gồm 4 chương Cụ thể như sau:

- Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu, ý nghĩa thực tiễn, mục tiêu nghiên cứu

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết về nguyên liệu chính và vật liệu

- Chương 3: Thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu

- Chương 4: Kết quả và thảo luận

- Kết luận và kiến nghị.

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh

đổi Fourier

Fourier-transform infrared Spectroscopy

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Thành phần hóa học trong 100g vỏ bơ [13] 6

Bảng 2.2 Thành phần hóa học trong 100g quả bơ [11] 6

Bảng 2.3 Thành phần hóa học trong 100g hạt bơ [14] 7

Bảng 3.1 Nguyên liệu, hóa chất chiết xuất tinh bột 30

Bảng 3.2 Hóa chất sử dụng chế tạo vật liệu hydrogel 31

Bảng 3.3 Hóa chất sử dụng khảo sát vật liệu hydrogel 32

Bảng 3.4 Thiết bị sử dụng 33

Bảng 3.5 Dụng cụ sử dụng 34

Bảng 4.1 Hiệu suất và màu sắc của tinh bột đã được chiết xuất 43

Bảng 4.2 Thông số về nhiệt độ của mẫu tinh bột trước và sau khi xử lý với Na2S2O5 ở những nồng độ khác nhau 49

Bảng 4.3 Tính chất nhiệt của tinh bột hạt bơ 51

Bảng 4.4 Thông số về nhiệt độ của mẫu tinh bột hạt bơ và các mẫu hydrogel 58

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Quả và hạt bơ [11] 4

Hình 2.2 Biểu đồ sản lượng bơ của Việt Nam trong giai đoạn 2020-2022 [12] 5

Hình 2.3 Hình ảnh chất thải sau thu hoạch quả bơ ra môi trường 5

Hình 2.4 Công thức hóa học của axit itaconic [17] 9

Hình 2.5 Tinh bột từ ngô, khoai tây, đậu, khoai mì 10

Hình 2.6 Nhiễu xạ tia X của các loại tinh bột khác nhau: Loại A, Loại B và Loại V (Va: không chứa nước, Vh: ngậm nước) [19] 10

Hình 2.7 Ảnh SEM các loại tinh bột: (A) khoai mỡ, (B) dừa non, (C) khoai lang, (D) sắn dây, (E) dong riềng, (F) cao lương, (G) khoai môn, (H) củ đậu, (I) sắn, (J) ngô, (K) gạo, (L) dong riềng ăn được, (M) khoai nước, (N) khoai tây và (O) khoai từ [21] 11

Hình 2.8 Hình minh họa của cấu trúc amylose và amylopectin [23] 12

Hình 2.9 Hình minh họa cấu trúc tinh bột theo đơn vị glucosyl [23] 13

Hình 2.10 Sơ đồ biểu diễn những thay đổi xảy ra trong hỗn hợp tinh bột – nước trong quá trình gia nhiệt, làm nguội và bảo quản (I) Hạt tinh bột tự nhiên; (II) hồ hóa, liên quan đến sự trương nở (a) và sự lọc amylose và sự phá vỡ một phần hạt (b); (III) thoái hóa ngược: hình thành mạng lưới amylose (sự thoái hóa gel hóa/amylose) trong quá trình làm lạnh bột nhão tinh bột (a) và hình thành các phân tử amylopectin có trật tự hoặc kết tinh (sự thoái hóa amylopectin) trong quá trình bảo quản (b) [25] 15

Hình 2.11 Các ứng dụng của tinh bột [28] 17

Hình 2.12 Hình ảnh về hydrogel 18

Hình 2.13 Cấu trúc đơn giản của homopolymer hydrogels, copolymer hydrogels, semi-IPNs, and IPN hydrogels [32] 19

Hình 2.14 Sơ đồ phân loại hydrogel 21

Hình 2.15 Cấu trúc hydrogel (liên kết vật lý, liên kết hóa học) [32] 21

Hình 2.16 Các ứng dụng của hydrogel 26

Hình 2.17 Phân loại đơn giản các loại phân bón giải phóng có kiểm soát (CRFs) 27

Hình 2.18 Cơ chế giải phóng có kiểm soát (a) Hạt CRF (b) Khoảng thời gian trễ khi nước xuyên qua lớp phủ tới lõi (c) Sự tích tụ áp suất bên trong dẫn đến việc giải phóng liên tục ra môi trường (d) Giai đoạn phân rã trong đó gradient nồng độ và tốc độ giải phóng giảm [1] 29

Hình 3.1 Sơ đồ quy trình chiết xuất tinh bột hạt bơ 35

Hình 3.2 Sơ đồ khối quy trình chế tạo hydrogel 37

Hình 3.3 Kính hiển vi điện tử quét (SEM) 39

Hình 3.4 Máy đo quang phổ hồng ngoại Invenio S Hãng Bruker 39

Hình 3.5 Máy nhiễu xạ tia X EMPYREAN-Hãng PANalytical 40

Hình 3.6 Máy phân tích nhiệt TGA-DSC: STA PT 1600 của hãng Linseis 41 Hình 3.7 Máy phân tích nhiệt TGA/DSC 3+ hãng Mettler Toledo 41 Hình 4.1 Màu sắc của các mẫu tinh bột trước và sau khi xử lý với Na2S2O5 ở những nồng độ khác nhau 43

Hình 4.2 Ảnh SEM của các mẫu tinh bột: (a) A-0, (b) A-1, (c) A-2, (d) A-3, (e) A-4.

45

Hình 4.3 Biểu đồ phân bố kích thước hạt của các mẫu tinh bột: (a) 0, (b) 1, (c)

A-2, (d) A-3, (e) A-4 45

Hình 4.4 Giản đồ XRD của mẫu tinh bột trước và sau khi xử lý 46 Hình 4.5 Biểu đồ độ kết tinh tương đối của các mẫu tinh bột 47 Hình 4.6 Phổ FTIR của mẫu tinh bột trước và sau khi xử lý với Na2S2O5 ở những nồng

độ khác nhau 48

Hình 4.7 Giản đồ TGA của mẫu tinh bột trước và sau khi xử lý 49 Hình 4.8 Giản đồ DSC của các mẫu tinh bột trước và sau khi xử lý với Na2S2O5 ở những nồng độ khác nhau 50

Hình 4.9 Sơ đồ biểu diễn các bước trong quá trình oxy hóa tinh bột theo thứ tự phản

bơ A-0; (c) mẫu hydrogel không sử dụng IA, (d) mẫu hydrogel sử dụng IA 54

Hình 4.13 Giản đồ XRD của mẫu tinh bột hạt bơ và các mẫu hydrogel 55 Hình 4.14 Biểu đồ độ kết tinh tương đối của mẫu tinh bột hạt bơ và các mẫu hydrogel.

55

Hình 4.15 Phổ FTIR của mẫu tinh bột hạt bơ và các mẫu hydrogel 57 Hình 4.16 Giản đồ TGA của mẫu tinh bột hạt bơ và các mẫu hydrogel 58 Hình 4.17 Động học trương nở của các mẫu hydrogel trong môi trường nước cất 59 Hình 4.18 Độ hấp thụ nước tối đa của các mẫu hydrogel trong môi trường muối: (a)

NaCl, (b) CaCl2 61

Hình 4.19 Tỉ lệ hấp thụ phân bón của các mẫu hydrogel 62 Hình 4.20 Động học giải phóng của mẫu H-2: (a) KNO3, (b) (NH4)2SO4 63

LỜI MỞ ĐẦU

Dân số thế giới được dự báo sẽ tăng thêm 2.3 tỷ người vào năm 2050, mặc dù tốc

độ tăng trưởng chậm hơn so với bốn thập kỷ qua Khi dân số tiếp tục tăng, nhu cầu thực phẩm dự kiến cũng sẽ tăng Phân bón cung cấp chất dinh dưỡng cho cây trồng và có tác dụng cải thiện năng suất cây trồng, dẫn đến việc sử dụng phân bón tăng theo cấp số nhân trên toàn thế giới [1] Nhu cầu nghiên cứu phát triển vật liệu sử dụng trong nông nghiệp nhưng phải đảm bảo khả năng thích ứng với môi trường tự nhiên cao ngày càng phát triển, đặc biệt là vật liệu có khả năng mang phân bón giải phóng chậm như hydrogel Như đã biết, Việt Nam là một quốc gia lấy ngành nông nghiệp làm chủ đạo đóng góp 12% tổng GDP quốc gia, là một trong 15 nước xuất khẩu nông sản lớn nhất thế giới và đứng thứ hai trong khu vực Đông Nam Á [2]

Trong ngành nông nghiệp, ba chất dinh dưỡng đa lượng cần thiết là (Nitơ/Phốt pho/Kali), trong đó nitơ (N) là chất quan trọng và cần thiết nhất cho sự phát triển của cây trồng và ure là loại phân bón gốc nitơ được sử dụng phổ biến nhất do hàm lượng N cao (46%), chi phí thấp Tuy nhiên, nó có thể bị mất đi do cây trồng kém hấp thụ, góp phần gây ra những lo ngại nghiêm trọng về môi trường như rửa trôi nitrat, ô nhiễm nước ngầm, axit hóa đất, ô nhiễm kim loại nặng và hiện tượng phú dưỡng của các vùng nước ngọt Mặt khác, việc bón phân định kỳ cũng dẫn đến sự dao động nồng độ giữa mức không hiệu quả và mức độc hại, có thể ảnh hưởng đến sự phát triển của một số loài cây nông nghiệp [1]

Với việc tận dụng triệt để nguồn nguyên liệu sẵn có từ phế phẩm nông nghiệp chẳng hạn như hạt bơ đang là đối tượng nghiên cứu hiện nay Hạt bơ là một phế phẩm nông nghiệp nhưng bản thân hạt bơ lại chứa một hàm lượng chất dinh dưỡng bên trong đặc biệt là tinh bột Do đó, việc nghiên cứu chiết xuất tinh bột từ hạt bơ được dùng làm vật liệu có khả năng mang phân bón giải phóng chậm là rất phù hợp, mang ý nghĩa khoa học, thực tiễn trong đời sống và kỹ thuật

Vì những lý do trên nên nhóm chúng em chọn đề tài “Nghiên cứu chế tạo vật liệu

hydrogel từ phế phẩm nông nghiệp hạt bơ Booth Việt Nam ứng dụng làm vật liệu mang phân bón giải phóng chậm”

Trong nghiên cứu này, tinh bột hạt bơ đã được nhóm chúng em chiết xuất và sử dụng để tổng hợp vật liệu hydrogel Hơn nữa, trong phạm vi khóa luận này nhóm đã nghiên cứu thay đổi nồng độ chất tạo liên kết ngang axit itaconic để khảo sát sự trương

nở và khả năng hấp thụ, giải hấp các loại phân bón của vật liệu hydrogel, ứng dụng trong lĩnh vực nông nghiệp thông minh

Trong nghiên cứu này, hydrogel dựa trên tinh bột từ ngô, sắn ngọt và sắn đắng được điều chế bằng phương pháp tiếp cận đơn giản Việc nghiên cứu tổng hợp vật liệu hydrogel đã được thực hiện thành công vào năm 2019 bởi Orietta León và cộng sự [3] Nhóm nghiên cứu này đã tạo hydrogel bằng quá trình oxy hóa sử dụng hệ thống oxy hóa khử Sau đó các mẫu hydrogel thu được cũng như tinh bột nguyên chất được đặc trưng rộng rãi bằng kính hiển vi điện tử quét, phân tích nhiệt trọng lượng và tán xạ tia X góc rộng, cùng nhiều phương pháp khác Các mẫu thể hiện đặc tính kháng polyelectrolyte

và khả năng hấp thụ nước tăng lên ở độ pH cơ bản khi các nhóm cacboxylic bị ion hóa Hydrogel cũng được nạp ure, kali nitrat và amoni sunfat làm phân bón mẫu và khả năng giải phóng có kiểm soát của chúng đã được nghiên cứu

Giống với nhóm nghiên cứu Orietta León về nguyên liệu sử dụng, vào năm 2016 Dongling Qiao và cộng sự [4], đã nghiên cứu để tăng cường hiệu quả của phân bón, một loại phân bón giải phóng chậm hai lớp mới đã được phát triển bằng cách sử dụng ethyl cellulose (EC) làm lớp phủ bên trong và polymer siêu hấp thụ gốc tinh bột (starch-SAP) làm lớp phủ bên ngoài Đối với tinh bột-SAP được tổng hợp bởi máy trộn 2 trục sử dụng tinh bột từ ba nguồn gốc thực vật, kích thước lưới giảm và kích thước gel fractal tăng ở quy mô nano (tức là tăng độ căng của mạng 3D) góp phần tăng khả năng hấp thụ nước với tốc độ hấp thụ giảm và do đó cải thiện tính chất giải phóng chậm của phân bón Các hạt phân bón được phủ tinh bột-SAP hiển thị tốt các hành vi giải phóng chậm Trong đất, so với các hạt ure không có và có lớp phủ EC, các hạt được phủ thêm tinh bột-SAP cho thấy tốc độ giải phóng nitơ giảm Đặc biệt, những hạt có lớp phủ SAP tinh bột khoai tây thể hiện hành vi giải phóng ổn định trong khoảng thời gian dài hơn 96 giờ Do đó, công trình này đã chứng minh tiềm năng của hệ thống phân bón giải phóng chậm mới này trong việc nâng cao hiệu quả của phân bón

Vào năm 2020, nhóm nghiên cứu của A Sofyane và cộng sự [5] đã nghiên cứu để

sử dụng biocomposite tinh bột axetat/glycerol/polyvinyl alcohol để làm vật liệu giải phóng chất dinh dưỡng Nghiên cứu đã thành công trong việc phát triển các màng bọc

giải phóng P và N từ phân bón DAP, với các lớp bọc dày hơn làm chậm quá trình giải phóng dinh dưỡng hơn Kết quả này cho thấy tiềm năng ứng dụng của các biocomposite này trong sản xuất phân bón giải phóng chậm, góp phần cải thiện hiệu quả sử dụng phân bón và giảm thiểu tác động môi trường

Khác hoàn toàn so với các nghiên cứu trước, một nghiên cứu mới được thực hiện bởi Xiaoming Xiao và cộng sự [6], tổng hợp vật liệu hydrogel bằng quy trình một bước trộn nóng chảy phản ứng dựa trên tinh bột (SBSAP) để giải phóng chậm ure làm phân bón.Nhóm cũng đã nghiên cứu ảnh hưởng của chất khơi mào (ceric ammonium nitrat, hoặc CAN), chất liên kết ngang (N,N'-methylene-bisacrylamide, hoặc N,N'-MBA) và chất xà phòng hóa (NaOH) trong các điều kiện phản ứng khác nhau (thời gian, nhiệt độ và độ cắt) cường độ) đến tính chất của vật liệu hydrogel.Kết quả cho thấy rằng vật liệu hydrogel giải phóng lượng ure dưới 15% trong vòng 1 ngày, tỷ lệ giải phóng sau 30 ngày vượt quá 80% và thời gian giải phóng kéo dài hơn 45 ngày

1.1.2 Ở Việt Nam

Việc nghiên cứu chế tạo các loại vật liệu có khả năng mang phân bón giải phóng chậm ứng dụng cho ngành nông nghiệp của Việt Nam đang được các nhà nghiên cứu trong nước đẩy mạnh

Dương Hoa Xô và cộng sự, đã nghiên cứu vật liệu hydrogel từ carboxylmethyl cellulose (CMC) và polyacrylamide (PAM), sử dụng kỹ thuật bức xạ để thực hiện các quá trình polymer hóa và biến tính để khâu mạng để tạo ra vật liệu có giá trị sử dụng cao Nghiên cứu đã chế tạo thành công vật liệu hydrogel cố định dinh dưỡng từ 20% CMC, 20% PAM, 1% oligoalginate bằng phương pháp chiếu xạ, với hàm lượng gel 61.9%, độ trương là 187.3 g/g Khi bổ sung vật liệu này vào đất trồng đã làm giảm đáng

kể sự thoát hơi nước mà còn làm tăng sự sinh trưởng và phát triển của cây trồng [7] Trong nghiên cứu này, Võ Thị Thanh và cộng sự [8], nghiên cứu đã thành công trong việc tổng hợp hydrogel từ cellulose chiết xuất từ bã trà thông qua phản ứng đồng trùng hợp với acid acrylic Quá trình tổng hợp được thực hiện bằng cách sử dụng N,N’-methylenebisacrylamide làm chất tạo lưới và ammonium persulfate làm chất khởi đầu Vật liệu thu được đã được đặc trưng về cấu trúc và hình thái bề mặt bằng các kỹ thuật FTIR, BET và SEM Kết quả nghiên cứu cho thấy hydrogel có khả năng hấp phụ methylene xanh vượt trội, đạt hiệu suất loại bỏ tối đa lên đến 98.89% ở pH 10 và nồng

độ ban đầu 50 ppm Khả năng tái sử dụng của vật liệu cho thấy tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong xử lý nước thải

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Tận dụng phế phẩm nông nghiệp hạt bơ Booth sẵn có tại Việt Nam có trữ lượng lớn để sản xuất polymer có khả năng phân hủy sinh học – tinh bột, sử dụng Na2S2O5 làm chất tẩy trắng cho tinh bột Qua đó đánh giá được sự ảnh hưởng của nồng độ chất làm sạch đến hiệu suất, tính chất hóa lý của tinh bột chiết xuất được Từ đó sử dụng tinh bột chiết xuất được để tổng hợp vật liệu hydrogel, đánh giá ảnh hưởng nồng độ chất tạo nối ngang axit itaconic đến các tính chất hóa lý của vật liệu hydrogel Thông qua các thí nghiệm và phân tích từ đó xác định được tỉ lệ các chất để tạo ra loại vật liệu mới có khả năng ứng dụng cao trong lĩnh vực nông nghiệp thông minh

1.3 Nội dung nghiên cứu

Nội dung 1: Chuẩn bị nguyên liệu, nghiên cứu các phương pháp chiết xuất tinh

bột từ hạt bơ

Nội dung 2: Khảo sát các nồng độ chất tẩy trắng và phân tích các tính chất hóa lý

cũng như đánh giá khả năng ứng dụng của tinh bột đã được chiết xuất

Nội dung 3: Nghiên cứu và đánh giá tính chất hóa lý của vật liệu hydrogel dựa

trên tinh bột hạt bơ kết hợp với chất khâu mạng axit itaconic

Nội dung 4: Đánh giá khả năng ứng dụng của hydrogel từ tinh bột hạt bơ đã tổng

hợp làm vật liệu mang phân bón giải phóng chậm có khả năng ứng dụng cho nông nghiệp

1.4 Ý nghĩa thực tiễn

Việc giảm thiểu rác thải bơ sau thu hoạch và chế biến có ý nghĩa quan trọng, vì vỏ

và hạt bơ tạo điều kiện lý tưởng cho vi sinh vật phát triển, gây hại cho môi trường và chứa mầm bệnh tiềm ẩn cho con người

Tinh bột chiết xuất từ hạt bơ Booth có thể trở thành một sản phẩm có tính ứng dụng rộng rãi, làm đa dạng nguồn nguyên liệu tinh bột và là nguyên liệu đầu vào cho nhiều ngành công nghiệp khác nhau Việc này không chỉ giảm chi phí xử lý rác thải mà còn mang lại giá trị kinh tế đáng kể, đồng thời cải thiện môi trường một cách tích cực.Ngoài ra, nghiên cứu và chế tạo vật liệu hydrogel có khả năng mang phân bón giải phóng chậm mở ra tiềm năng lớn cho việc phát triển và ứng dụng một loại vật liệu sinh học mới, thay thế các loại phân bón truyền thống hiện có trên thị trường

Ý nghĩa khoa học: sử dụng các phương pháp đơn giản và thân thiện với môi

trường để biến đổi các phế phẩm nông nghiệp hạt bơ sau thu hoạch thành một polymer

có khả năng phân hủy sinh học giá trị cao, ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau Chế tạo thành công vật liệu hydrogel đáp ứng mọi yêu cầu để ứng dụng trong lĩnh vực

nông nghiệp thông minh

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Tổng quan về nguyên liệu chính

2.1.1 Giới thiệu về bơ Booth và sản lượng bơ tại Việt Nam

Bơ Booth có nguồn gốc từ Mỹ, được phát hiện bởi William Booth tại bang Florida vào năm 1927 và chính thức ra mắt thị trường vào năm 1935 Sau đó, giống bơ này được lan rộng ra nhiều quốc gia trên thế giới, đặc biệt là các khu vực có điều kiện thích hợp cho trồng bơ như: Cuba, Mexico, Guatemala, Úc, New Zealand, Thái Lan và Việt Nam [9]

Ở Việt Nam, cây bơ có giá trị kinh tế cao và được trồng rộng rãi, đặc biệt tại các tỉnh Tây Nguyên như Lâm Đồng, Đắk Lắk, Đắk Nông, Gia Lai, và Kon Tum Diện tích trồng bơ tại đây đang không ngừng mở rộng nhờ sự quan tâm của người nông dân Bơ Việt Nam có chất lượng và sản lượng không hề thua kém so với các quốc gia xuất khẩu

bơ lớn trên thế giới [10]

Theo thống kê từ Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn tỉnh Lâm Đồng, tổng diện tích trồng bơ trong tỉnh đã đạt khoảng 8067 ha Trong số này, giống bơ 034 chiếm phần lớn với diện tích 6557 ha (81.3%), bơ Booth chiếm khoảng 900 ha (11.2%), còn lại là các giống bơ khác với tỷ lệ 7.5% Hiện nay, tổng sản lượng bơ toàn tỉnh đạt khoảng

79961 tấn mỗi năm Mỗi giống bơ có các đặc điểm sinh trưởng và thời gian thu hoạch khác nhau, khiến mùa vụ bơ tại Lâm Đồng kéo dài từ tháng 4 đến tháng 11, với nhiều loại bơ đa dạng Đây là yếu tố thuận lợi giúp Lâm Đồng có lợi thế trong việc cung cấp

bơ ra thị trường so với nhiều khu vực khác trong cả nước [10] Đắk Lắk hiện là tỉnh có diện tích trồng bơ lớn thứ hai trên cả nước chỉ sau Lâm Đồng và dẫn đầu về sản lượng với gần 90000 tấn, chiếm 40.6% tổng sản lượng bơ cả nước Giai đoạn 2018-2021, diện tích trồng bơ tại Đắk Lắk đã tăng mạnh, đạt 9146 ha vào năm 2021, tăng 3540 ha so với năm 2018 Đối với Đắk Nông, diện tích trồng bơ cũng tăng trưởng đáng kể, từ 3794 ha

và sản lượng 15050 tấn vào năm 2019 lên 4500 ha và 20700 tấn vào năm 2021 Tuy nhiên, trong hai năm 2022 và 2023, diện tích và sản lượng bơ tại Đắk Nông đã giảm mạnh do giá bơ trên thị trường giảm

Hình 2.1.Quả và hạt bơ [11]

Hình 2.2.Biểu đồ sản lượng bơ của Việt Nam trong giai đoạn 2020-2022 [12]

Hình 2.3.Hình ảnh chất thải sau thu hoạch quả bơ ra môi trường

2.1.2 Thành phần hóa học của quả bơ

2.1.2.1 Trong vỏ bơ

Bảng 2.1 Thành phần hóa học trong 100g vỏ bơ [13]

2.1.2.2 Trong thịt quả bơ

Bảng 2.2.Thành phần hóa học trong 100g quả bơ [11]

2.1.2.3 Trong hạt bơ

Bảng 2.3 Thành phần hóa học trong 100g hạt bơ [14]

2.1.3 Các phương pháp chiết xuất tinh bột từ hạt bơ

Hạt đã rửa sạch được cắt thành từng miếng nhỏ (dày 2-2.5 mm) Sau đó, xay nhuyễn thành hỗn hợp và được lắng đọng Bột hạt bơ được sấy ở 40oC trong 24 giờ

2.1.3.1 Phương pháp dung môi nước

Hỗn hợp bột hạt bơ và nước cất (tỉ lệ 1:5, w/v) được khuấy đều và ngâm ở nhiệt

độ phòng trong 6 giờ Sau đó, hỗn hợp được lọc kỹ qua lưới lọc để thu lấy phần bùn Cặn còn lại trên lưới lọc được rửa sạch bằng nước cất 3 lần Tinh bột thu được được sấy khô ở 40°C trong vòng 24 giờ Cuối cùng, tinh bột khô được nghiền mịn bằng cối và chày, rồi đóng gói vào túi kín và bảo quản ở nhiệt độ phòng Điều kiện tối ưu, thời gian ngâm 6 giờ cho thấy hiệu quả cao nhất trong việc tách chiết tinh bột từ hạt bơ [15]

2.1.3.2 Phương pháp dung môi kiềm

Bột hạt bơ đã được xử lý sơ bộ và được trộn đều với dung dịch NaOH có nồng độ khác nhau Hỗn hợp này sau đó được ngâm ở nhiệt độ phòng trong khoảng 6-8 giờ, đồng thời được khuấy đều để đảm bảo quá trình phản ứng diễn ra hoàn toàn Phần bùn thu được sau khi lọc được rửa sạch nhiều lần bằng nước cất để loại bỏ hoàn toàn các tạp chất Dịch lọc thu được được để lắng trong tủ lạnh qua đêm Phần tinh bột thô lắng xuống đáy được tách ra và tiếp tục được rửa sạch bằng nước cất nhiều lần Cuối cùng, tinh bột được sấy khô ở nhiệt độ 40°C trong vòng 24 giờ, sau đó được nghiền mịn và bảo quản trong túi kín ở nhiệt độ phòng [15]

2.1.3.3 Phương pháp sử dụng enzyme

Bột hạt bơ đã được xử lý sơ bộ được trộn đều với dung dịch enzyme (α-amylase)

ở các nồng độ khác nhau Hỗn hợp này sau đó được ủ trong nước (tỉ lệ 1:20 w/v) ở nhiệt

độ phòng trong khoảng 6-8 giờ, đồng thời được khuấy đều để đảm bảo quá trình thủy phân tinh bột diễn ra hoàn toàn Độ pH của hỗn hợp được điều chỉnh và duy trì ở mức 6.0 Phần bùn thu được sau khi lọc được rửa sạch nhiều lần bằng nước cất để loại bỏ hoàn toàn các tạp chất Dịch lọc thu được được để lắng trong tủ lạnh qua đêm Phần tinh bột thô lắng xuống đáy được tách ra và tiếp tục được rửa sạch bằng nước cất nhiều lần Cuối cùng, tinh bột được sấy khô ở nhiệt độ 40°C trong vòng 24 giờ, sau đó được nghiền mịn và bảo quản trong túi kín ở nhiệt độ phòng [15]

2.2 Vai trò của các chất chính tham gia phản ứng

2.2.1 Natri metabisunfit (Na 2 S 2 O 5 )

Natri metabisunfit với công thức hóa học Na₂S₂O₅, là một hợp chất vô cơ tồn tại dưới dạng tinh thể trắng Hợp chất này được sử dụng phổ biến trong ngành công nghiệp dệt nhuộm, cũng như trong các lĩnh vực khác như sản xuất giấy, xử lý cotton, len, và kaolin Nó còn có vai trò quan trọng trong ngành chế biến da Trong công nghiệp thực phẩm và nước giải khát, natri metabisunfit đóng vai trò như một chất chống oxy hóa và chất bảo quản, thường được biết đến dưới ký hiệu E223

2.2.2 Kali permanganat (KMnO 4 )

Kali permanganat với công thức hóa học KMnO₄, là một hợp chất vô cơ nổi bật nhờ khả năng oxy hóa mạnh mẽ Chất này tồn tại dưới dạng tinh thể màu tím sẫm có ánh kim Khi tinh bột đã trải qua quá trình hồ hóa, việc sử dụng KMnO₄ vào phản ứng đóng vai trò chất xúc tác, giúp thúc đẩy quá trình oxy hóa các nhóm hydroxyl trong tinh bột, chuyển chúng thành nhóm carbonyl và sau đó tiếp tục biến đổi thành các nhóm carboxyl [16]

2.2.3 Natri bisulfat (NaHSO 4 )

Natri bisulfat có công thức hóa học là NaHSO₄, là một hợp chất vô cơ thường được

sử dụng để điều chỉnh pH trong quá trình oxy hóa tinh bột Nó đóng vai trò duy trì môi trường axit, điều này rất quan trọng để điều chỉnh tốc độ và mức độ oxy hóa Môi trường axit làm tăng khả năng oxy hóa của các chất phản ứng, giúp quá trình oxy hóa hiệu quả hơn Hơn nữa, kiểm soát pH giúp ngăn chặn sự phân hủy quá mức của tinh bột, bảo vệ cấu trúc của nó trong suốt quá trình xử lý

nhóm methylene của nó Vì nó sở hữu hai nhóm axit carboxylic giúp tham gia vào quá trình tạo liên kết ngang trong mạng polymer [17]

Hình 2.4 Công thức hóa học của axit itaconic [17]

2.3 Cơ sở lý thuyết về tinh bột

2.3.1 Tổng quan về tinh bột

Tinh bột là một trong những polymer sinh học dồi dào nhất và đóng vai trò dự trữ năng lượng trong nhiều loại thực vật bao gồm ngũ cốc, củ, rễ, quả và hạt Tinh bột, sinh khối lớn thứ hai trên trái đất, là một loại polyme tự nhiên, dồi dào, rẻ tiền, sẵn có, có thể tái tạo và phân hủy sinh học Nó là nguồn năng lượng dự trữ chính trong hạt ngũ cốc Mặc dù lượng tinh bột có trong ngũ cốc khác nhau nhưng nhìn chung nó chiếm từ 60 đến 75% trọng lượng của hạt và cung cấp 70–80% lượng calo mà con người tiêu thụ trên toàn thế giới [18]

Tinh bột thương mại được lấy từ các loại ngũ cốc, đặc biệt là từ ngô, lúa mì và gạo,

từ củ và rễ, đặc biệt là khoai tây, khoai lang và khoai mì (sắn) Tinh bột thu được từ ngô, khoai tây, sắn và lúa mì ở dạng tự nhiên và biến đổi chiếm 99% sản lượng trên thế giới Tầm quan trọng của tinh bột, cả về mặt sinh học và công nghệ, đã được biết rõ cũng như vai trò trung tâm của nó trong chế độ ăn uống của con người Tinh bột có rất nhiều ứng dụng trong thực phẩm, bao gồm các ứng dụng làm chất kết dính, liên kết, tạo màng, tăng cường bọt, chống ôi thiu, tạo gel, làm bóng, giữ ẩm, ổn định, tạo kết cấu và làm đặc Nhu cầu về tinh bột đã tăng lên rất nhiều trong những năm gần đây do tinh bột đang được sử dụng rộng rãi trong sản xuất ethanol và nhựa phân hủy sinh học ngoài việc sử dụng trong các ngành chế biến thực phẩm Tinh bột tự nhiên khi nấu chín có thể dễ dàng thoái hóa và có xu hướng tạo gel, bên cạnh đó dễ dàng trải qua quá trình đồng hóa Vì vậy, tinh bột được biến tính chủ yếu nhằm khắc phục những khuyết điểm của tinh bột

tự nhiên và tăng tính hữu dụng của chúng cho các ứng dụng công nghiệp Để đáp ứng các yêu cầu hoặc nhu cầu cụ thể, các phương pháp biến đổi khác nhau như vật lý, hóa học và enzyme đã được sử dụng để tăng cường hoặc ức chế các đặc tính vốn có của chúng hoặc tạo ra các đặc tính cụ thể của tinh bột [18]

Hình 2.5.Tinh bột từ ngô, khoai tây, đậu, khoai mì

2.3.2 Phân loại tinh bột

Tinh bột có thể được phân loại dựa trên nhiễu xạ tia X được tạo ra và đặc tính dinh dưỡng Dựa trên nhiễu xạ tia X được tạo ra, tinh bột được chia thành các loại sau: loại

A có chiều dài mạch amylopectin là khoảng 23–29 đơn vị glucose có trong tinh bột ngũ cốc; loại B có chiều dài mạch amylopectin có chiều dài mạch khoảng 30–44 đơn vị glucose có trong củ và tinh bột giàu amylose; loại C bao gồm hỗn hợp của loại A và B, gồm các mạch amylopectin với chiều dài khoảng 26–29 phân tử glucose có trong tinh bột họ đậu và cuối cùng là loại V có ở dạng hạt trương nở và được hình thành sau quá trình hồ hóa, đây là đặc tính của amylose, axit béo và mono-glyceride [19]

Hình 2.6 Nhiễu xạ tia X của các loại tinh bột khác nhau: Loại A, Loại B và Loại V

(Va: không chứa nước, Vh: ngậm nước) [19]

2.3.3 Cấu trúc hóa học của tinh bột

Tinh bột được tổ chức thành các hạt có kích thước, hình dạng, hình thái, thành phần và cấu trúc siêu phân tử phụ thuộc vào nguồn thực vật Nguồn gốc của tinh bột ảnh hưởng đến hình dạng, kích thước, cấu trúc và thành phần hóa học của các hạt tinh bột Các hạt tinh bột có đủ các hình dạng và kích cỡ khác nhau như hình cầu, hình elip, đa giác, hình đĩa, hình ống không đều Kích thước của chúng dao động từ 0.1 μm đến hơn

200 μm và phụ thuộc vào nguồn thực vật Sự khác biệt về hình thái hạt bên ngoài nói chung là đủ để cung cấp đặc tính rõ ràng của nguồn thực vật thông qua kính hiển vi quang học Các hạt tinh bột khá đặc, không có khả năng hòa tan và chỉ ngậm nước một chút trong nước lạnh Chúng có thể được phân tán trong nước, tạo ra chất có độ nhớt thấp, có thể dễ dàng trộn [20]

Hình 2.7 Ảnh SEM các loại tinh bột: (A) khoai mỡ, (B) dừa non, (C) khoai lang, (D)

sắn dây, (E) dong riềng, (F) cao lương, (G) khoai môn, (H) củ đậu, (I) sắn, (J) ngô, (K) gạo, (L) dong riềng ăn được, (M) khoai nước, (N) khoai tây và (O) khoai từ [21]

Các hạt tinh bột được phân loại thành loại A, B và C theo kích thước của chúng Các loại hạt, kích thước, hình dạng và tỷ lệ phần trăm khác nhau tùy thuộc vào nguồn tinh bột Các hạt loại A và B xuất hiện với tỷ lệ lớn hơn các loại khác Tinh bột lúa mì

có tỷ lệ hạt loại B (<9,3 μm) (20%) cao hơn so với lúa mạch đen (10–15%), do đó có tỷ

lệ hạt loại A cao hơn (85%) (>62,5 μm) Tinh bột lúa mạch thông thường chứa lượng hạt tinh bột loại A ( ≥8 μm) cao hơn (74.7%), tiếp theo là tinh bột lúa mạch waxy và lúa mạch không có hàm lượng amylose (lần lượt là 66.4% và 43.9%) và tinh bột lúa mạch

có hàm lượng amylose cao (19.4%) [22]

Tinh bột là hỗn hợp của hai phần polysaccharide riêng biệt là amylose và amylopectin, cả hai đều được tạo thành từ glucose với nhiều kích cỡ và hình dạng khác nhau Tỷ lệ của các thành phần này khác nhau tùy theo nguồn gốc thực vật của tinh bột và sau đó ảnh hưởng đến đặc tính kết dính Cấu trúc glucan của amylose là tuyến tính và tương đối dài, được tạo thành từ gần 100% (1→4)-α và một số liên kết (1→6)-α.Độ trùng hợp (DP) của amylose là khoảng 500-5000, với trọng lượng phân tử khoảng 105-106 (Da)

Có khoảng 9-20 nhánh trên mỗi phân tử trong cấu trúc amylose và mỗi mạch nhánh có 200-700 đơn vị glucose Trong khi đó, amylopectin là một polysaccharide có nhiều nhánh bao gồm liên kết (1→4)-∝ (95%) và (1→6)-∝ (5%-6%) Amylopectin có DP dao động trong khoảng 9600-15900, với trọng lượng phân tử 107-109 (Da) Mạch phân tử

amylopectin ngắn hơn so với amylose, bao gồm 18-25 đơn vị glucose ở Hình 2.8 [23]

Hình 2.8 Hình minh họa của cấu trúc amylose và amylopectin [23]

Về mặt hình thái, hạt tinh bột là sự kết hợp của amylose và amylopectin, tạo thành các vùng vô định hình ở vùng bán tinh thể thông qua liên kết hydro giữa các phân tử ở

Hình 2.9

Hình 2.9 Hình minh họa cấu trúc tinh bột theo đơn vị glucosyl [23]

2.3.4 Tính chất hóa lý của tinh bột

Tính chất vật lý là những tính chất không làm thay đổi đặc tính hóa học của tinh bột và không liên quan đến việc phá vỡ và tạo ra các liên kết hóa học như độ hòa tan, sự hồ hóa, sự thoái hóa, chuyển hóa thủy tinh, Mặt khác, tính chất hóa học thay đổi do các phản ứng hóa học, thường liên quan đến việc phá vỡ và tạo ra các liên kết mới Ví

dụ về các quá trình hóa học trong tinh bột bao gồm thủy phân, oxy hóa, este hóa và ete hóa Trọng lượng phân tử và thuộc tính phân nhánh của tinh bột đóng vai trò quan trọng trong hình dạng và kích thước của hạt tinh bột, có thể được sử dụng để dự đoán một số chức năng như kết cấu, dán, phân hủy Amylose có mối quan hệ tỉ lệ thuận hơn với các đặc tính kết cấu dạng dán và gel, trong khi amylopectin chiếm ưu thế trong tinh bột ngô thường và tinh bột ngô nếp, có mối quan hệ tỉ lệ thuận cao hơn với độ cứng

2.3.4.1 Tính chất trương nở

Tinh bột có thể bị trương nở khi gia nhiệt tinh bột với một lượng nước Đặc tính giữ nước của tinh bột thường được biểu thị bằng khả năng trương nở (SP) và chỉ số hòa tan trong nước (WSI) Độ trương nở của tinh bột phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ ở chỗ cả

SP và WSI đều có xu hướng tăng khi nhiệt độ tăng tương ứng Nhiệt độ cao có xu hướng phá vỡ cấu trúc tinh thể của tinh bột, thúc đẩy liên kết hydro giữa các phân tử nước và amylose/amylopectin [24]

Sự đa dạng về SP và WSI giữa các loại tinh bột khác nhau theo báo cáo của nhiều nghiên cứu trước đây Sự khác nhau về SP và WSI giữa các loại tinh bột phản ánh sự khác biệt về khả năng giữ nước của chúng Có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm đặc tính amylose và amylopectin (tỷ lệ, trọng lượng phân tử, chiều dài mạch và các yếu tố khác), cùng các thành phần nhỏ khác như lipid, phophat và cấu trúc của tinh bột [24]

2.3.4.2 Sự hồ hóa

Khi các hạt tinh bột được đun nóng đến nhiệt độ cụ thể với lượng nước vừa đủ, các hạt tinh bột trương lên và nhanh chóng mất đi cấu trúc bán tinh thể Quá trình này được gọi là hồ hóa Quá trình này rất quan trọng đối với việc sử dụng tinh bột trong cả ứng dụng thực phẩm và các ứng dụng khác Sự mất cấu trúc tinh thể trong hạt tinh bột có thể dẫn đến nhiều thay đổi về đặc tính chức năng của chúng bao gồm sự trương nở, kết dính của tinh bột [24]

Sự thay đổi entanpy của nhiệt độ hồ hóa và hồ hóa của tinh bột có thể được định lượng bằng phép đo nhiệt lượng quét vi sai (DSC) trong quá trình đun nóng trong lượng nước dư, phương pháp này thường được sử dụng trong nhiều nghiên cứu liên quan Nhiệt độ chuyển tiếp hồ hóa như khởi phát (To), đỉnh (Tp), nhiệt độ kết thúc (Tc) và entanpy hồ hóa (ΔH) là các thông số phổ biến được đo bằng DSC Nhìn chung, hầu hết các loại tinh bột có nhiệt độ hồ hóa trong khoảng từ 60°C đến 80°C và tinh bột loại A thường có nhiệt độ hồ hóa cao hơn loại B Tuy nhiên, một số trường hợp tinh bột có lượng amylose cực cao có nhiệt độ hồ hóa cao hơn nhiều Nhiệt độ hồ hóa của tinh bột

bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm cấu trúc phân tử, các thành phần nhỏ và môi trường [24]

2.3.4.3 Sự thoái hóa của tinh bột

Khi tinh bột được gia nhiệt với sự có mặt của nước và sau đó được làm lạnh, các mạch amylose và amylopectin bị phá vỡ có thể dần dần liên kết lại thành một cấu trúc

có trật tự khác trong một quá trình gọi là thoái hóa Sơ đồ biểu diễn những thay đổi xảy

ra trong hỗn hợp tinh bột-nước trong quá trình gia nhiệt, làm lạnh và bảo quản được thể

hiện trong Hình 2.10 Sự thoái hóa tinh bột thường đi kèm với một loạt các thay đổi vật

lý như tăng độ nhớt và độ đục của bột nhão, hình thành gel, tiết dịch nước và mức độ kết tinh tăng lên với sự xuất hiện của các dạng đa hình tinh thể loại B Sự sắp xếp lại và liên kết các nhánh ngắn ngoài cùng của amylopectin (DP khoảng 15) có thể dẫn đến sự hình thành một số dạng đa hình loại B Các mạch amylose phân tán tạo thành các liên kết xoắn kép từ 40 đến 70 đơn vị glucose thông qua liên kết hydro Quá trình thoái hóa tinh bột không được ưa chuộng bởi các mạch quá ngắn hoặc quá dài, với phạm vi kích thước tối ưu nằm trong khoảng từ 14 đến 24 Sự thoái hóa của tinh bột gạo có thể bị ảnh hưởng về mặt di truyền bởi các gen Wx và SSIIa, các gen chịu trách nhiệm tổng hợp amylose và amylopectin tương ứng [25]

Quá trình thoái hóa là một quá trình đang diễn ra, ban đầu bao gồm sự kết tinh lại nhanh chóng của các phân tử amylose, sau đó là sự kết tinh lại chậm của các phân tử amylopectin Quá trình thoái hóa amylose xác định độ cứng ban đầu của gel tinh bột cũng như độ dính và khả năng tiêu hóa của thực phẩm chế biến Sự phát triển lâu dài

của cấu trúc gel và độ kết tinh của tinh bột đã qua chế biến, liên quan đến quá trình ôi thiu của bánh mì và bánh ngọt, được coi là do sự thoái hóa của amylopectin [25]

Hình 2.10 Sơ đồ biểu diễn những thay đổi xảy ra trong hỗn hợp tinh bột – nước trong

quá trình gia nhiệt, làm nguội và bảo quản (I) Hạt tinh bột tự nhiên; (II) hồ hóa, liên quan đến sự trương nở (a) và sự lọc amylose và sự phá vỡ một phần hạt (b); (III) thoái hóa ngược: hình thành mạng lưới amylose (sự thoái hóa gel hóa/amylose) trong quá trình làm lạnh bột nhão tinh bột (a) và hình thành các phân tử amylopectin có trật tự hoặc kết tinh (sự thoái hóa amylopectin) trong quá trình bảo quản (b) [25]

2.3.4.4 Đặc tính keo của tinh bột

Khi tinh bột được gia nhiệt liên tục trong nước làm cho hạt tinh bột hút nước và trương nở dẫn đến cấu trúc hạt của tinh bột bị phá vỡ Sau đó amylose được giải phóng

và các hạt bị phân hủy tạo thành một chất nhớt gọi là bột nhão Quá trình kết dính xảy

ra đồng thời hoặc sau quá trình hồ hóa Đặc tính kết dính của tinh bột là những chỉ số quan trọng cho thấy tinh bột sẽ hoạt động như thế nào trong quá trình chế biến Các loại tinh bột khác nhau có đặc tính kết dính khác nhau và đặc tính dán của tinh bột phụ thuộc vào hàm lượng amylose và lipid cũng như độ dài mạch nhánh của amylopectin [26]

2.3.5 Các phương pháp biến tính tinh bột

Tinh bột ở dạng tự nhiên có những hạn chế nhất định như xu hướng thoái hóa, độ nhớt cao ngay cả ở nồng độ thấp, các vấn đề xử lý, độ ổn định freeze-thaw hạn chế, dung sai quy trình thấp và độ mờ đục của gel ngăn cản việc sử dụng nó trong chế biến thực phẩm Để khắc phục những vấn đề này, các hạt tinh bột được biến đổi trước khi sử dụng lần cuối làm thực phẩm hoặc thành phần thực phẩm Việc biến đổi tinh bột đã dẫn đến

sự gia tăng một hoặc nhiều đặc tính sau: tăng khả năng tiêu hóa, chất nhũ hóa, chất ổn định nhũ tương, chất đóng gói, khả năng trương nở trong nước lạnh, phân tử tinh bột tích điện, tăng đặc tính cấu tạo màng, vật liệu thành bao để đóng gói, cải thiện đặc tính

gel (độ ổn định freeze-thaw, độ nhớt, độ bám dính), độ pH, khả năng chịu nhiệt độ và

độ cắt, khả năng giữ nước, do đó ứng dụng của nó trong thực phẩm và các ngành công nghiệp khác đã tăng lên Tinh bột biến tính đã thu hút được sự chú ý trong kinh doanh thực phẩm vì khả năng sử dụng làm chất thay thế chất béo trong chế độ ăn uống Ngoài

ra, việc tiêu thụ tinh bột trong giới hạn thích hợp có liên quan đến việc ngăn ngừa ung thư, viêm túi thừa, bệnh tim mạch vành Hiện nay có một số kỹ thuật đang được sử dụng

để sản xuất tinh bột biến tính bao gồm: phương pháp vật lý, hóa học, enzyme và di truyền [27]

Các phương pháp hóa học: chẳng hạn như liên kết ngang, merization copolymer ghép, cation hóa, ổn định/thay thế, chuyển đổi, trans-glycosid hóa liên quan đến việc sử dụng các hóa chất khác nhau như phosphoryl-chloride, natritri polyphosphate, vinylchloride, mono-natriphosphate, epichlorohydrin

Các phương pháp vật lý: như tiền hồ hóa, nghiền bi (nghiền thành bột), ủ, xử lý nhiệt-độ ẩm, sấy khô tinh bột, xử lý bức xạ, biến tính cắt,

Phương pháp enzym: bao gồm các enzym như amylomaltase, ∝ và 𝛽-amylase, trans-glucosidase, cyclo-maltodextrinase,

Phương pháp di truyền tạo ra tinh bột không chứa amylose, tinh bột có hàm lượng amylose cao, tinh bột có cấu trúc amylopectin bị thay đổi,

Các phương pháp enzyme phức tạp và tốn thời gian nên có ứng dụng hạn chế trong ngành công nghiệp thực phẩm và các lĩnh vực liên quan Các phương pháp hóa học tuy nhanh hơn nhưng lại tiềm ẩn nhiều rủi ro do để lại một số dư lượng hóa chất nhất định trong sản phẩm cuối cùng Ngày nay, mối quan tâm ngày càng tăng đối với các phương pháp vật lý, đặc biệt là xử lý bức xạ được coi là một quá trình lạnh và được báo cáo là một trong những kỹ thuật phù hợp để biến tính tinh bột Xử lý bức xạ đã nổi lên như một kỹ thuật kinh tế và thân thiện với môi trường, có thể được sử dụng để mang lại những thay đổi nhất định về một số tính chất lý hóa và chức năng của một số thành phần của sản phẩm thực phẩm Xử lý bức xạ ngoài các ứng dụng khác trong chế biến thực phẩm, còn được sử dụng rộng rãi để nâng cao thời hạn sử dụng của sản phẩm thực phẩm

Vì nó có hiệu quả cao chống lại tất cả các loại vi khuẩn, côn trùng và các loài gây hại khác nên ngày nay việc sử dụng công nghệ bức xạ được chấp nhận rộng rãi trên thị trường quốc tế vì các ứng dụng khác nhau trong ngành công nghiệp thực phẩm [19]

2.3.6 Ứng dụng của tinh bột

Tinh bột là một polysaccharide được chiết xuất từ nhiều nguồn thực vật khác nhau như lúa mì, ngô, sắn, gạo Các loại tinh bột có nguồn gốc từ nhiều nguồn khác nhau nên đặc tính hóa lý cũng khác nhau do sự chênh lệch giữa tỉ lệ amylose và amylopectin,

do đó nên nó được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau

Hình 2.11.Các ứng dụng của tinh bột [28]

2.4 Cơ sở lý thuyết về hydrogel

2.4.1 Giới thiệu chung về hydrogel

Hydrogel là một loại mạng polymer ưa nước nổi bật với khả năng hấp thụ nước đáng kể có thể tăng lên đến hàng nghìn lần trọng lượng khô của nó Hydrogel được tổng hợp từ cả hai loại vật liệu tổng hợp và tự nhiên, và có khả năng đặc trưng là hấp thụ một lượng lớn dung môi trong các điều kiện môi trường khác nhau bao gồm nước và các chất lỏng sinh học Với sự mềm mại và linh hoạt tương tự như mô sống hydrogel trở thành vật liệu có tiềm năng ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau [29]

Trong những thập kỷ gần đây, hydrogel đã trở thành một vật liệu vô cùng quan trọng được sử dụng trong các lĩnh vực khác nhau bao gồm kỹ thuật mô, phân phối thuốc, điều trị vết thương, xử lý nước, y học, sản xuất các sản phẩm chăm sóc cá nhân và nông nghiệp Một đặc tính quan trọng của hydrogel là khả năng thích nghi với các yếu tố môi trường khác nhau như biến đổi nhiệt độ, pH, tác động từ trường và một số kích thích điện Với khả năng này, hydrogel được coi là các polymer "thông minh" nơi chúng có thể thích nghi nhanh chóng với sự thay đổi trong môi trường Ví dụ hydrogel có thể được chế tạo để phản ứng với kích thích cụ thể, hoặc được sử dụng để giải phóng phân bón một cách chậm và có kiểm soát trong nông nghiệp Hydrogel hay còn gọi là vật liệu sinh học tiên tiến, trong thời điểm hiện tại vật liệu này đang được các nhà nghiên cứu chú ý đến nhờ vào một loạt các đặc tính độc đáo như sau: khả năng phân hủy sinh học,

ổn định trong môi trường hóa chất và chất lỏng sinh học, bảo toàn hình dạng, tính tương thích sinh học và thân thiện với môi trường, khả năng hấp thụ cao đối với các chất chuyển hóa và chất dinh dưỡng hòa tan trong nước Sự phát triển và nghiên cứu về việc

sử dụng hydrogel như một vật liệu polymer thông minh đang diễn ra mạnh mẽ nhờ vào những đặc tính độc đáo mà chúng mang lại [29]

Khả năng giữ nước của hydrogel phụ thuộc chủ yếu vào hai yếu tố cơ bản: tương tác giữa mạch polymer với nước và tương tác với nhiệt độ Các quá trình quan trọng liên quan đến việc giữ nước của hydrogel bao gồm: sự hydrat hóa của các nhóm ưa nước trong hydrogel, tương tác giữa nước và các nhóm kỵ nước trong hydrogel, sự ngăn chặn

sự phân tán của hydrogel được thực hiện bởi các liên kết chéo có trong mạng lưới hydrogel từ đó tạo điều kiện cho việc hấp thụ nước bổ sung [29]

Hình 2.12 Hình ảnh về hydrogel

Hydrogel có được tổng hợp thông qua nhiều phương pháp hóa học truyền thống Các phương pháp này bao gồm các quy trình một bước như quá trình polymer hóa và tạo liên kết ngang bằng cách sử dụng các hợp chất đơn chức hoặc đa chức năng Ngoài

ra, cũng có các quy trình nhiều bước liên quan đến việc tổng hợp các phân tử polymer chứa các nhóm phản ứng và liên kết ngang, có thể được tiến hành bằng cách kích thích các phản ứng giữa các nhóm tạo liên kết chéo với các tác nhân liên kết khác nhau Kỹ

sư polymer có thể thiết kế và tổng hợp các mạng polymer với khả năng kiểm soát cấu trúc ở mức phân tử, bao gồm mật độ liên kết ngang và các đặc tính như khả năng phân hủy sinh học, độ bền cơ học, phản ứng hóa học và sinh học đối với các tác nhân kích thích khác nhau [30]

2.4.2 Phân loại hydrogel

2.4.2.1 Phân loại theo nguồn gốc

Hydrogel từ nguồn gốc tự nhiên có những đặc tính nổi bật như khả năng phân hủy sinh học, tương thích với sinh vật và độ bám dính hiệu quả trên bề mặt tế bào Hai loại polymer tự nhiên thường được sử dụng trong quá trình tạo ra hydrogel là protein, điển

hình là collagen, gelatin và lysozyme, cùng với polysaccharide, bao gồm axit hyaluronic, alginate và chitosan [31]

Các hydrogel tổng hợp thường được coi là lựa chọn vượt trội hơn so với các loại hydrogel tự nhiên nhờ khả năng tùy chỉnh để đạt được các đặc tính cơ học và hóa học đa dạng hơn so với các thành phần tự nhiên Chẳng hạn, hydrogel từ polyethylene glycol (PEG) là một trong những loại vật liệu phổ biến, được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực y

sinh học do tính tương thích sinh học, không độc hại và ít gây kích ứng hệ miễn dịch [31]

2.4.2.2 Phân loại theo thành phần polymer

Homo-polymer hydrogel là loại mạng polymer có nguồn gốc từ một monomer duy nhất và là một đơn vị cấu trúc cơ bản mà có thể tạo thành bất kỳ mạng polymer nào Cấu trúc liên kết ngang của homopolymer có thể đa dạng tùy thuộc vào bản chất của monomer cũng như kỹ thuật trùng hợp được sử dụng [31]

Co-polymer hydrogel bao gồm hai hoặc nhiều loại monomer khác nhau, trong đó

ít nhất một loại monomer có tính chất ưa nước Các monomer này được sắp xếp theo cấu hình ngẫu nhiên, theo khối hoặc xen kẽ dọc theo mạch của mạng polymer [31] Multi-polymer interpenetrating polymeric hydrogel (IPN) là một loại hydrogel quan trọng, có mạng lưới được hình thành từ hai chất tổng hợp hoặc tự nhiên, mỗi chất

có các liên kết ngang độc lập tạo thành thành phần polymer riêng Trong Semi-IPN hydrogel một thành phần của nó là polymer có liên kết ngang, trong khi thành phần còn

lại là polymer không có liên kết ngang [31]

Hình 2.13.Cấu trúc đơn giản của homopolymer hydrogels, copolymer hydrogels,

semi-IPNs, and IPN hydrogels [32]