Chitin/chitosan được chiết rút từ nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau như phế liệu thủy sản (phế liệu tôm, cua, mực), vi nấm và vi khuẩn [29]. Hàm lượng chitin biến đổi theo từng loại nguyên liệu; trong đó phế liệu mực (nang mực ống) có hàm lượng chitin cao nhất, kế đó là tôm sú và tôm thẻ. Chitin là polymer hữu cơ phổ biến trong tự nhiên sau cellulose. Chitosan là một dẫn xuất của chitin được hình thành khi tách nhóm acetyl khỏi chitin nên chitosan chứa rất nhiều nhóm amin,
thường ở dạng vảy hoặc dạng bột có màu trắng ngà. Công thức cấu tạo của chitosan gần giống chitin và cellulose, chỉ khác là chitosan chứa nhóm amin ở Carbon thứ 2 (Hình 1.3).
Hình 1.2. Các bước tách chiết chitosan
Vai trò của chitosan đã được các nhà khoa học chứng minh là rất lớn, nó được ứng dụng rộng rãi trong y học, thực phẩm, môi trường và trong chăn nuôi, trồng trọt [29]. Đặc biệt là dùng để làm chất mang hoặc kháng khuẩn, diệt nấm và chất kích thích sinh trưởng tự nhiên đối với sinh vật, v.v.. [30], [31], [32], [33], [34], [35], [36], [37]. Điều đáng quan tâm đó là chitosan được sử dụng làm thuốc phun lá để phòng bệnh, tăng chất lượng và sản xuất hoa Lan cũng như các loại cây cảnh khác.
Nó được áp dụng thành công trên các loại cây trồng như lúa, cọ, ngô, sắn và nhiều loại cây trồng nhiệt đới [38]. Hơn nữa chitosan được sử dụng trong việc tạo ra hệ thống bảo vệ cho cả trái cây và rau quả trước và sau thu hoạch chống lại nấm, vi khuẩn, virus và các stress phi sinh học khác (Hình 1.4) [39]. Thêm vào đó, chitosan góp phần cải thiện hiệu quả các đặc tính sinh lý của cây và giúp tăng thời gian sử dụng các sản phẩm sau thu hoạch. Đặc biệt, nó rất hữu ích trong việc giảm tổn thất phân bón do khả năng bao phủ, điều này rất quan trọng trong việc kiểm soát ô nhiễm môi trường [40].
Hình 1.3. Tác động của chitosan trong quá trình xâm nhập màng tế bào
AlLan và Hadwiger (1979), đã nghiên cứu các tác dụng diệt các vi nấm gây dịch hại cho thực phẩm cũng như cây trồng của chitosan [35], [41]. Chitosan, thu được từ sự khử acetyl của chitin, thúc đẩy sự phát triển chồi và rễ ở củ cải Daikon (Raphanus sativus L.) (Tsugitaet al., 1993) [42], và đẩy nhanh thời gian ra hoa và tăng số lượng hoa của cây chanh dây (Passiflora edulis Sims) (Utsunomiya và Kinai, 1994) [43]. Chitosan thúc đẩy sự phát triển của bắp cải (Brassica oleracea L. var. Capitata L.) trong nhân giống in vitro (Hirano, 1988) [44], và chitinoligosaccharide làm tăng hoạt động chitinase của gạo (Shibuya et al., 1996)
bệnh khô vằn lá lúa (Liu và cs., 2012) [46], giảm bệnh do nấm Colletotrichum gloeosporioides gây hại cho cây thanh long [47].
Chitosan kiểm soát bệnh thán thư gây ra bởi nấm Colletotrichum capsici trên cây ớt [48]. Chitosan cũng ngăn cản sự tăng trưởng của một số vi khuẩn gây bệnh bao gồm Xanthomonas sp. [49], Pseudomonas syringae [50], Escherichia coli [51],
Acidovorax citrulli [52], Agrobacterium tumefaciens và Erwinia carotovora [53] trên một số đối tượng cây trồng trong đó có cây chuối Dole Nam Mỹ.
Các nghiên cứu cụ thể về:
Tác dụng của chitosan đến quá trình sinh trưởng và phát triển của cây trồng: Theo K. Ohta và cs (1999) trong thí nghiệm xác định ảnh hưởng của chitosan đối với sự sinh trưởng cây và ra hoa Cát Tường. Tác giả đã chỉ ra rằng: Sự sinh trưởng của cây giống Cát Tường rất chậm, cần 50 đến 140 ngày từ khi nảy mầm đến khi trồng (Harbaugh, 1995; Matsuo và Shirasaki, 1990; Tsukada và cộng sự, 1991a, 1991b). Việc tăng tốc độ sinh trưởng của cây con sẽ cải thiện đáng kể việc sản xuất hoa cát tường. Tuy nhiên, nhiệt độ từ 10 – 20oC trong giai đoạn cây con không hiệu quả cho việc thúc đẩy tăng trưởng (Tsukada et al., 1982). Kết quả nghiên cứu ghi nhận rằng: Cây trồng trong đất được xử lý chitosan (1%, w/w) ra hoa sớm hơn 15 ngày so với cây đối chứng; số lượng và trọng lượng của hoa cắt lớn hơn so với cây đối chứng hoặc cây trồng từ hạt được xử lý bằng chitosan (ngâm trong chitosan 0,1%) [54].
Marco Bittell và cs. (2000) đã sử dụng chitosan để phun trên lá cho cây tiêu và theo dõi lượng nước cây sử dụng. Việc sử dụng nước của cây được xác định bằng cách giám sát sự suy giảm độ ẩm của đất. Trong thí nghiệm sử dụng hệ thống tưới tiêu tự động bổ sung nước mỗi ngày và năng suất, sinh khối thực vật được xác định để tính toán tỷ lệ sinh khối nước. Bên cạnh đó còn sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM) và các phân tích hóa học đã chứng minh rằng chitosan gây ra sự đóng khí khổng ở lá, dẫn đến giảm thoát hơi. Việc sử dụng chitosan trên lá đã làm giảm lượng nước sử dụng của cây hồ tiêu từ 26 - 43% trong khi vẫn duy trì sản lượng và sản lượng sinh khối. Vì vậy, có thể xem chitosan là một chất chống lây nhiễm hiệu quả để bảo tồn nước sử dụng trong nông nghiệp [55].
S. Boonlertnirun và cs (2008) đã thực hiện thí nghiệm để xác định các ứng dụng phù hợp của chitosan để tăng năng suất lúa. Thí nghiệm được thực hiện với thiết kế khối hoàn chỉnh ngẫu nhiên (RCBD) với bốn lần lặp lại. Bốn phương pháp xử lý đã được thực hiện như sau: (i) Không áp dụng chitosan, (ii) ngâm hạt bằng dung dịch chitosan, (iii) Ngâm hạt và bón đất bằng dung dịch chitosan và (iv) ngâm hạt và phun qua lá bằng dung dịch chitosan. Kết quả cho thấy, áp dụng chitosan bằng cách ngâm hạt và bón đất bốn lần trong suốt vụ mùa làm tăng năng suất lúa đáng kể so với các phương pháp điều trị khác; trong khi áp dụng bằng cách ngâm hạt và phun qua lá bốn lần có xu hướng kiểm soát bệnh. Tuy nhiên, nó không cho thấy sự khác biệt có ý nghĩa thống kê khi so sánh với đối chứng [36].
M.M.A. Modal và cs. (2012) đã nghiên cứu ảnh hưởng của việc sử dụng chitosan phun trên lá cây đậu bắp trồng trong chậu và trên đồng ruộng từ tháng 3 đến tháng 6 năm 2010 và 2011. Thí nghiệm bao gồm 5 mức nồng độ chitosan là 0, 50, 75, 100 và 125 ppm. Chitosan được phun ba lần ở 25, 40 và 55 ngày sau khi gieo. Kết quả cho thấy: Phần lớn hình thái (chiều cao cây, lá), sinh trưởng (tổng khối lượng thực vật khô, tốc độ tăng trưởng tuyệt đối, tốc độ tăng trưởng tương đối), các thông số sinh hóa (chuyển hóa nitrate và quang hợp) và các chỉ tiêu số lượng quả, kích thước của quả đã tăng lên cùng với sự gia tăng nồng độ chitosan cho đến 25 ppm, dẫn đến năng suất quả đậu bắp đạt cao nhất (năng suất tăng 27,9%). Tuy nhiên, sự gia tăng năng suất lại không đáng kể khi tăng nồng độ chitosan từ 100 ppm trở lên. Do đó, việc sử dụng chitosan trên lá ở mức 100 hoặc 125 ppm có thể được sử dụng ở giai đoạn sinh trưởng sớm để đạt được năng suất quả tối đa ở đậu bắp [56].
Sang Nguyen Van và cs (2013) nghiên cứu ảnh hưởng của kích thước và nồng độ của hạt Nanochitosan đến các đặc tính sinh lý như tốc độ quang hợp, sự thoát hơi nước của lá, hàm lượng chất diệp lục, caroten, sự hấp thu dinh dưỡng và các thông số tăng trưởng của cà phê Robusta (Coffea canephora Piere var Robusta). Kết quả cho thấy: Các hạt Nanochitosan với nồng độ 10 ppm tác động mạnh đến sinh lý và sự phát triển của cà phê trồng trong nhà kính. Các hạt Nanochitosan đã tăng cường 30 - 50% hàm lượng diệp lục, 30 - 60% cường độ quang hợp trên lá cà phê so với
đối chứng. Các hạt Nanochitosan cũng tăng sự hấp thu các chất dinh dưỡng, chẳng hạn như 9,8 - 27,4% N; 17,3 - 30,4% P; 30 - 45% K; có tác động đáng kể đến sự phát triển của cây cà phê hơn đối chứng [57].
Heba M. M. Abdel-Aziz và cs (2016) đã nghiên cứu việc cung cấp qua lá cho cây lúa mì các hạt nanochitosan cùng với các dưỡng chất N, P và K (NPK). Sự hấp thu và di chuyển của các hạt nano bên trong cây lúa mì được nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử. Kết quả cho thấy các hạt nano đã được đưa lên và vận chuyển qua các mô phloem. Xử lý cây lúa mì trồng trên đất cát bằng phân bón Nanochitosan- NPK tạo ra sự gia tăng đáng kể về chỉ số thu hoạch, chỉ số cây trồng và chỉ số năng suất lúa mì so với cây đối. Hơn nữa, vòng đời của cây lúa mì được bón bằng các hạt nano ngắn hơn cây lúa mì bón phân thông thường với tỷ lệ 23,5% (130 ngày so với 170 ngày cho năng suất sản xuất kể từ ngày gieo hạt) [58].
Tác dụng của chitosan trong việc phòng chống một số bệnh ở cây trồng: Zhao Lei và cs (2000) đã nghiên cứu tác dụng của chitosan ở các mức 0,5 g/L và 1 g/L đối với bệnh hắc lào ở cây thuốc lá. Kết quả ghi nhận rằng: Chitosan có thể tạo ra tính kháng để chống lại ký sinh trùng Phytophora (Phytophthora nicotianae
var.) và hiệu quả đạt được tương ứng là 78,56% và 100% sau 4 ngày xử lý. Bên cạnh đó, hoạt động của các cơ chế bảo vệ bởi enzyme phenylalanine ammonia lyase, peroxidase và polyphenoloxidase trong lá cây thuốc lá được xử lý bằng chitosan với nồng độ 1 g/L tăng hơn so với đối chứng [59].
Fernando Fornes và cs (2005) đã nghiên cứu hiệu quả của chitosan ở nồng độ thấp (12,5 – 125 mg/L) đối với quá trình chín và đối với tỷ lệ nhiễm bệnh đốm nước ở quả quýt Clemenules trước thu hoạch (86 ngày) và sau thu hoạch. Kết quả cho thấy chitosan giúp kéo dài thời gian hình thành sắc tố vỏ tự nhiên và ethylene mà không ảnh hưởng đến sự trưởng thành bên trong, hạn chế làm giảm độ mềm và khả năng hấp thụ nước của trái cây khi trưởng thành bất kể nồng độ được áp dụng. Kết quả tốt nhất đạt được với chitosan ở nồng độ 125 mg/L giúp giảm tỷ lệ nhiễm bệnh tại chỗ tới 65%. Ở khoảng nồng độ trên, chitosan được hấp thụ bởi các tế bào của vỏ và hoạt động bên trong quả, có tác dụng kép là chống lại ánh sáng và kháng nấm [60].
Jia Liu và cs (2007) đã đánh giá tác dụng của chitosan đối với nấm mốc xám và mốc xanh do Botrytis cinerea và Penicillium expansum gây ra trong quả cà chua được bảo quản ở nhiệt độ 2 và 25°C. Kết quả là: Chitosan ức chế mạnh sự nảy mầm của bào tử, kéo dài ống mầm và sự phát triển sợi nấm của B. cinerea và P. expansum trong ống nghiệm và làm hỏng màng plasma bào tử của cả hai mầm bệnh. Điều trị bằng chitosan gây ra sự gia tăng đáng kể các hoạt động của polyphenoloxidase (PPO), peroxidase (POD) và tăng cường hàm lượng các hợp chất phenolic trong quả cà chua. Những phát hiện này của tác giả đã cho thấy tác dụng của chitosan đối với nấm mốc xám và mốc xanh trong quả cà chua liên quan đến đặc tính trực tiếp chống lại mầm bệnh và các phản ứng bảo vệ sinh hóa trong quả [61].
Nguyen Anh Dzung và cs (2011) trong các thí nghiệm liên quan đến việc phun chitosan và chitosan oligome lên lá cà phê được tiến hành trong nhà kính và ngoài đồng ruộng để đánh giá đặc điểm sinh lý, sinh trưởng, phát triển và khả năng chịu hạn. Nồng độ của dung dịch oligome chitosan và chitosan được sử dụng là 0, 20, 40, 60 và 80 ppm. Kết quả thu được cho thấy oligome chitosan đã tăng cường mạnh mẽ hàm lượng diệp lục và caroten trong lá cây cà phê lên tới 46,38 - 73,51% so với đối chứng trong nhà kính. Ứng dụng của oligomers chitosan cũng làm tăng sự hấp thu khoáng chất của cà phê và kích thích sự phát triển của cây cà phê. Phun oligomers chitosan với nồng độ 60 ppm làm tăng 33,51% chiều cao, 30,77% đường kính thân và 60,53% số lá. Ngoài ra, ứng dụng của oligomers chitosan giảm 9,5% và 25,1% thoát hơi nước của lá trong thời gian là 60 và 120 phút. Do đó, việc áp dụng chitosan oligome có thể là một cách tốt để tăng khả năng chống hạn của cây cà phê. Áp dụng oligome chitosan trong điều kiện đồng ruộng tăng hàm lượng tổng diệp lục lên tới 15,36% so với đối chứng. Ứng dụng của oligomers chitosan cũng tăng cường sự hấp thu khoáng chất của cà phê thêm 9,49% N; 11,76% P; 0,98% K; 18,75% Mg; 3,77% Ca và giảm 15,25% tỷ lệ trái cây giảm so với đối chứng, góp phần tăng năng suất và phát triển sản xuất cà phê bền vững tại Việt Nam [62].
Zhu và cs (2011) tập trung vào tác dụng của việc phun chitosan và axit salicylic cho quả vải trong điều kiện nhiệt độ thấp. Kết quả cho thấy: Nồng độ thích hợp của chitosan và axit salicylic có thể làm giảm tổn thương do nhiệt độ thấp đối với quả vải so với đối chứng (nước); diệp lục, proline, hàm lượng protein hòa tan của quả vải sau khi xử lý và hoạt động của enzyme bảo vệ tăng đáng kể. Hơn nữa, khi phun chitosan 1000 mg/L kết hợp với axit salicylic 50 mg/L thì vải có được khả năng chống lạnh tốt nhất [63].
Bin Li và cs (2013) đã theo dõi bệnh bạc lá và sọc lá do vi khuẩn gây ra ở cây lúa bằng các đặc tính kháng khuẩn của hai loại chitosan với trọng lượng phân tử và mức độ khử N khác nhau. Kết quả ghi nhận được rằng hai loại dung dịch chitosan có hoạt tính kháng khuẩn mạnh đối với cả hai bệnh ở lúa, giảm đáng kể tỷ lệ mắc và mức độ nghiêm trọng của bệnh khi so sánh với đối chứng trong điều kiện nhà kính. Tuy nhiên, sự tương tác giữa chitosan và mầm bệnh bị ảnh hưởng bởi loại và nồng độ của chitosan, các loài vi khuẩn và thời gian tiếp xúc giữa chitosan và vi khuẩn. Ngoài ra, cả hai dung dịch chitosan đều làm tăng đáng kể các hoạt động của các enzim phenylalanine ammonia lyase, peroxidase và polyphenol oxyase trong cây lúa sau khi cấy hơn so sánh với đối chứng [64].
N. Chookhongkha và cs (2013) đã nghiên cứu ảnh hưởng của polymer chitosan (M.W. 200 kDa) và Nanochitosan đối với sự phát triển sợi nấm của bốn loài nấm và chất lượng hạt ớt. Agar Potato dextrose (PDA) kết hợp polymer chitosan và Nanochitosan ở nồng độ 0,6% w/v làm chậm đáng kể sự phát triển sợi nấm của Rhizopus sp. Colletotrichum capsici, C. gloeosporioides và Aspergillus niger khi so sánh với thuốc diệt nấm Captan 0,15% w/v, Nanochitosan 0,2% w/v và đối chứng (PDA). Dung dịch polymer chitosan hòa tan với axit axetic 0,5% v/v đã được sử dụng làm chất phủ trên hạt ớt. Quy trình phủ được thực hiện bằng cách phun chitosan ở nồng độ 20 và 100 ppm trên hạt ớt. Hai mẫu khác được phun bằng nước cất và axit axetic 0,5% v/v. Các mẫu được xử lý sau đó được theo dõi nhiễm trùng và so sánh với các mẫu đối chứng không được xử lý. Phủ hạt giống ớt bằng chitosan ở nồng độ 20 và 100 ppm bằng kỹ thuật này dẫn đến tỷ lệ nhiễm trùng hạt thấp hơn so với các phương pháp xử lý khác. Tuy nhiên, lớp phủ hạt giống với
chitosan ở 20 và 100 ppm không ảnh hưởng đáng kể đến độ ẩm, sự nảy mầm, chỉ số nảy mầm và thời gian nảy mầm trung bình khi so sánh với các mẫu đối chứng. Do đó, chitosan dường như bảo tồn được chất lượng hạt giống [41].
Công nghệ chiết suất chitosan và chuyển hóa chitosan mạch thẳng với nhiều vòng cCarbon có kích thước phân tử lớn thành dạng nanochitosan với kích thước phân tử nhỏ hơn ở mức độ nanomet nhằm tăng diện tích tiếp xúc của bề mặt, từ đó làm cho hoạt tính sinh học của chitosan được tăng lên gấp nhiều lần. Do có kích thước siêu nhỏ, nanochitosan dễ dàng đi qua màng tế bào của các loài vi sinh vật, làm cho chúng ngưng hoạt động. Nguyễn Thị Kim Cúc và cs. (2014) sử dụng phức hệ nanochitosan - tinh dầu nghệ (>100 nm) đã thành công trong việc diệt các loại nấm gây bệnh như C. albicans, T. mentagrophyte, F. oxysporum và P. Italicum
[65].
Lê Quang Luân và cs. (2014) đã sử dụng Nanochitosan bạc để trị nấm
Phytophthora capsici gây bệnh chết nhanh ở cây tiêu. Hiệu lực ức chế sự phát triển của nấm gia tăng từ 62,5% lên 100% khi kích thước hạt nano bạc trong chế phẩm chế tạo được giảm từ 15 nm xuống còn 5 nm. Hiệu lực ức chế nấm của chế phẩm có kích thước hạt nano là 5 nm đạt 100% ở tại nồng độ 40 ppm, trong khi đó, chế phẩm