Tài liệu Nghiên cứu cắt mạch chitosan bằng hiệu ứng đồng vận h2o2 bức xạ gamma coban - 60 để chế tạo oligochitosan [tt]

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC HUẾ ĐẶNG XUÂN DỰ NGHIÊN CỨU CẮT MẠCH CHITOSAN BẰNG HIỆU ỨNG ĐỒNG VẬN H2O2/BỨC XẠ GAMMA COBAN - 60 ĐỂ CHẾ TẠO OLIGOCHITOSAN Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và hóa lý Mã số: 62.44.01.19 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỌC HUẾ, NĂM 2015 Công trình được hoàn thành tại: Khoa Hóa, Trường Đại học Khoa học, Đại Học Huế Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS Nguyễn Quốc Hiến 2. PGS.TS Võ Quang Mai Giới thiệu luận án 1: Giới thiệu luận án 2: Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng cấp Đại học Huế chấm luận án tiến sĩ họp tại …………………………………………….……………… Vào hồi giờ ngày Có thể tìm hiểu luận án tại: tháng năm MỞ ĐẦU Chitosan và oligochitosan là những polyme có nguồn gốc thiên nhiên được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống [29], [51], [117]. Chitosan thông thường có khối lượng phân tử cao chỉ tan trong môi trường axit. Điều này đã hạn chế khả năng ứng dụng của nó trong nhiều trường hợp [89]. Vì vậy, vấn đề biến tính cắt mạch chitosan nhằm mở rộng khả năng ứng dụng của loại polyme này là rất cần thiết. Nhiều phương pháp cắt mạch chitosan khác nhau đã được nghiên cứu và áp dụng. Trong đó, phương pháp hóa học sử dụng H2O2 và phương pháp chiếu xạ sử dụng tia γCo60 cắt mạch chitosan gần đây được tập trung nghiên cứu áp dụng vì cho hiệu suất cao, thân thiện với môi trường [38], [76] và có khả năng áp dụng với quy mô lớn [32]. Tuy nhiên, nghiên cứu sử dụng kết hợp hai tác nhân này cho đến nay vẫn còn rất ít và chưa thật sự có hệ thống. Từ những thông tin trên, chúng tôi chọn và thực hiện đề tài: “Nghiên cứu cắt mạch chitosan bằng hiệu ứng đồng vận H2O2/bức xạ gamma Coban–60 để chế tạo oligochitosan”. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1. TỔNG QUAN VỀ CHITIN, CHITOSAN, OLIGOCHITOSAN Chitin có tên khoa học là poly-(2,4)-2-acetamido-2-desoxy-β-D-glucose, thuộc về nhóm hợp chất polysaccarit. Chitosan (CTS) là dẫn xuất của chitin, được chế tạo phổ biến bằng cách đề axetyl hóa một phần từ chitin trong môi trường kiềm đặc. Oligochitosan còn gọi là chitosan oligosaccarit (COS) là sản phẩm giảm cấp của CTS, được chế tạo bằng biến tính cắt mạch CTS sử dụng các tác nhân cắt mạch như enzym, hóa học và bức xạ… Chitin/CTS và dẫn xuất của chúng có những tính chất quan trọng như: khả năng tương hợp và phân hủy sinh học, chống oxi hóa, khả năng kháng khuẩn, kháng khối u và khả năng hấp thụ kim loại nặng… Do vậy, các polyme này đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: nông nghiệp, dược phẩm, mỹ phẩm, thực phẩm chức năng, công nghệ sinh học và xử lý môi trường...[3], [79], [86]. Đặc biệt, nghiên cứu gần đây cho thấy CTS tan trong nước rất có triển vọng để ứng dụng trong nghiên cứu in vivo [39], làm chất ổn định, chất bắt gốc tự do để chế tạo hạt nano kim loại (Au, Ag...). 1 COS được xem là chất kích thích kháng bệnh thực vật hiệu quả vì có những hoạt tính sinh học đặc biệt khác với CTS thông thường – có khối lượng phân tử (KLPT) cao [110]. 1.2. SƠ LƯỢC VỀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐỘ ĐỀ AXETYL VÀ KHỐI LƯỢNG PHÂN TỬ CHITOSAN Có nhiều phương pháp xác định độ đề axetyl (ĐĐA) của CTS như: phân tích nguyên tố, dùng phổ UV, IR và NMR… Phương pháp phổ 1H-NMR được cho là rất chính xác trong việc tính ĐĐA [56]. Tuy nhiên, phương pháp dùng phổ IR tính ĐĐA lại được sử dụng khá phổ biến. Ưu điểm của phương pháp này là đơn giản, nhanh, cho kết quả khá chính xác và chi phí thấp hơn so với phương pháp phổ 1H-NMR [18]. Trong luận án này, chúng tôi sử dụng phương pháp phổ IR để tính ĐĐA cho các mẫu CTS. KLPT trung bình của CTS thường được xác định bằng phương pháp đo độ nhớt và phương pháp sắc kí gel thấm qua (GPC). Hiện nay, xác định KLPT của CTS bằng GPC được sử dụng tại nhiều trung tâm nghiên cứu về vật liệu polysaccarit tự nhiên trong khu vực châu Á và trên thế giới. Trong luận án này KLPT của CTS và dẫn xuất được đo bằng phương pháp GPC. 1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP BIẾN TÍNH CẮT MẠCH CHITOSAN Hiện nay nhiều phương pháp biến tính cắt mạch CTS đã được áp dụng bao gồm: phương pháp hóa học, phương pháp sinh học sử dụng các enzym, phương pháp siêu âm, phương pháp chiếu xạ ... Phương pháp chiếu xạ được xem là kỹ thuật hữu hiệu để cắt mạch chitosan trên quan điểm thân thiện với môi trường [38] và ít gây ra sự thay đổi trong cấu trúc chính của phân tử CTS [27]. 1.4. CÔNG NGHỆ BỨC XẠ BIẾN TÍNH CẮT MẠCH CHITOSAN Công nghệ bức xạ nghiên cứu các hiệu ứng vật lý, hóa học và sinh học khi bức xạ truyền năng lượng cho vật chất. Nguồn bức xạ phổ biến hiện nay là nguồn gamma phát ra từ đồng vị phóng xạ Cobalt 60 và Cesium-137. Trong luận án này, chúng tôi sử dụng nguồn bức xạ γCo60 để cắt mạch bức xạ CTS. Cơ chế cắt mạch bức xạ đã được Ulanski nghiên cứu khá chi tiết [100]. Theo đó, gốc hydroxyl tạo ra trong quá trình phân ly bức xạ là tác nhân chính gây ra sự cắt mạch CTS. 2 1.5. HIỆU ỨNG ĐỒNG VẬN Hiệu ứng đồng vận (synergistic effect) được định nghĩa là sự tương tác đồng thời của hai tác nhân phản ứng lớn hơn tổng tương tác của các thành phần riêng rẽ [32]. Hiệu ứng đồng vận được ứng dụng khá rộng rãi trong hóa học khi nghiên cứu khả năng kết hợp của các tác nhân lên cùng đối tượng phản ứng nhằm thu được hiệu suất tổng cộng cao hơn khi thực hiện sự tác động riêng rẽ từng tác nhân lên đối tượng phản ứng. 1.6. TỔNG QUAN CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CẮT MẠCH CHITOSAN COS và CTS KLPT thấp có nhiều ứng dụng nên việc nghiên cứu chế tạo các loại vật liệu này vẫn là hướng nghiên cứu hấp dẫn trong những năm gần đây. Trong nước có 5 công trình, thế giới có 7 công trình là những nghiên cứu tiêu biểu gần với luận án. Qua phân tích các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước, chúng tôi nhận thấy những vấn đề sau đây cần được tiếp tục nghiên cứu: 1. Nghiên cứu giảm thời gian đề axetyl hóa chitin, 2. Nghiên cứu độ trương nước bão hòa của CTS, 3. Nghiên cứu hiệu ứng đồng vận của bức xạ γCo60 và H2O2 cắt mạch CTS ở dạng trương và dạng dung dịch, 4. Nghiên cứu bảo vệ nhóm amin và hạn chế sự oxi hóa mở vòng trong quá trình cắt mạch, 5. Nghiên cứu tăng nồng độ CTS phản ứng trong dung dịch, 6. Nghiên cứu ảnh hưởng của suất liều đến tốc độ cắt mạch CTS, 7. Nghiên cứu độ ổn định của sản phẩm cắt mạch sau quá trình chiếu xạ. CHƯƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM 2.1. MỤC TIÊU Chế tạo COS và CTS KLPT thấp áp dụng hiệu ứng đồng vận của bức xạ γCo60 và H2O2 ở dạng trương và dạng dung dịch. 2.2. NỘI DUNG - Nghiên cứu chế tạo CTS nguồn cho quá trình chiếu xạ với mục tiêu giảm thời gian đề axetyl hóa, tiết kiệm hóa chất, 3 - Tăng nồng độ CTS trong dung dịch chiếu xạ, nghiên cứu hiệu ứng đồng vận tia γCo 60 và H2O2 cắt mạch CTS có ĐĐA ~70% và 90% chưa được công bố. Tính hiệu suất cắt mạch bức xạ (Gs) nhằm đánh giá hiệu quả sử dụng năng lượng bức xạ, - Nghiên cứu độ trương nước bão hòa (ĐTNBH) của CTS để áp dụng cho quá trình chiếu xạ CTS ở dạng trương, - Nghiên cứu chế tạo CTS KLPT thấp bằng tác dụng đồng vận của bức xạ γCo60/H2O2 và khảo sát một số yếu tố có ảnh hưởng đến quá trình cắt mạch như nồng độ H2O2, suất liều bức xạ, nhằm lựa chọn các thông số ban đầu cho quá trình cắt mạch CTS ở dạng trương dễ thu hồi sản phẩm, - Nghiên cứu hiệu ứng đồng vận tia γCo60 và H2O2 cắt mạch CTS ở dạng trương đối với CTS có ĐĐA ~70 - 90% chưa được công bố, - Nghiên cứu chế tạo COS và CTS KLPT thấp bằng H2O2 sử dụng phương pháp trực tiếp và gián đoạn nhằm bảo vệ nhóm amin và hạn chế khả năng oxi hóa mở vòng glucopyranose, - Nghiên cứu hoạt tính kháng khuẩn, chống oxi hóa và gia tăng khả năng kích kháng bệnh trên động vật của sản phẩm CTS cắt mạch. 2.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU - Phương pháp IR - Phương pháp sắc kí gel thấm qua (GPC) - Phương pháp phổ UV-vis - Phương pháp nhiễu xạ tia X - Phương pháp phân tích khối lượng 2.4. THỰC NGHIỆM 2.4.1. Chế tạo chitosan nguồn từ chitin 2.4.2. Cắt mạch chitosan nguồn bằng hydro peroxit 2.4.3. Hiệu ứng đồng vận chế tạo oligochitosan bằng chiếu xạ dung dịch 2.4.4. Hiệu ứng đồng vận cắt mạch chitosan ở dạng trương 2.4.5. Khả năng chế tạo oligochitosan bằng H2O2 trong dung dịch 2.4.6. Ứng dụng sản phẩm cắt mạch chitosan 4 CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. CHẾ TẠO CHITOSAN NGUỒN TỪ CHITIN Hình 3.1 cho thấy sự thay đổi ĐĐA của CTS theo thời gian đề axetyl hóa. Kết quả là CTS có ĐĐA ~ 83%, dễ dàng thu được sau khoảng 3 giờ phản ứng trong điều kiện 90°C, tỉ lệ CTS: NaOH 50% = 1:10 (w/v). Sau 3 giờ, ĐĐA của CTS thay đổi không đáng kể. Hình 3.1. Ảnh hưởng của thời gian đề axetyl đến ĐĐA của CTS Hình 3.2. CTS có ĐĐA 79% (a); 84% (b); 95,5% (c) chế tạo từ chitin Để thu được CTS có ĐĐA ≥ 90% cho nghiên cứu, chúng tôi tiến hành bằng hai cách sau: Cách 1: Sau 180 phút phản ứng ở 90°C, ngừng đun và để hỗn hợp nguội dần đến 12 giờ, CTS thu được có ĐĐA ≈ 95%. Cách 2: Thực hiện phản ứng đề axetyl hóa lần 2 với CTS có ĐĐA ≈ 83% ở điều kiện phản ứng như lần 1, thời gian phản ứng là 30 phút. CTS thu được có ĐĐA ≈ 96%. Trong luận án này CTS có ĐĐA ≈ 79%, 84%, và 95,5% được chúng tôi chế tạo theo cách 1 nhằm tiết kiệm thời gian và hóa chất. 3.2. CẮT MẠCH CHITOSAN NGUỒN BẰNG HYDRO PEROXIT Do CTS nguồn có KLPT lớn, độ nhớt cao nên để chế tạo được dung dịch COS có nồng độ khoảng 5%, cao hơn các công bố trước đây (1-3%) [32], chúng tôi đã cắt mạch CTS 5 bằng H2O2 để giảm KLPT và độ nhớt. Điều kiện phản ứng là: pH = 9, CTS/H2O2 2% = 1/10 (w/v), thời gian phản ứng là 22, 35 và 40 giờ tương ứng với các loại CTS có ĐĐA 95,5%; 84% và 79% [7]. Kết quả thu được ghi ở bảng 3.1. Bảng 3.1. Sự thay đổi KLPT, ĐĐA và PI của CTS nguồn cắt mạch bằng hydro peroxit CTS ban đầu Thời gian CTS giảm cấp ĐĐA,% Mw, kDa PI (giờ) ĐĐA, % Mw, kDa PI 79,0 183 4,35 40 72,0 48,7 4,21 84,0 163 3,77 35 80,3 50,0 3,72 95,5 138 3,62 22 91,0 49,0 3,64 Bảng 3.1 cho thấy CTS bị cắt mạch theo thời gian kèm theo quá trình giảm ĐĐA. Độ giảm ĐĐA lần lượt là 4,2%; 4,4% và 8,8% tương ứng với thời gian cắt mạch là 22, 35 và 40 giờ. Các loại CTS thu được (hình 3.3) có KLPT ~ 50 kDa. Hình 3.3. CTS nguồn ĐĐA 72% (a); 80,3% (b) và 91,0 % (c) 3.3. HIỆU ỨNG ĐỒNG VẬN CHẾ TẠO OLIGOCHITOSAN BẰNG CHIẾU XẠ DUNG DỊCH 3.3.1. Hiệu ứng đồng vận chế tạo oligochitosan đối với chitosan có độ đề axetyl ~ 91% Hình 3.4. Sự phụ thuộc KLPT của CTS-91 trong dung dịch 5% theo liều xạ và thời gian phản ứng (thời gian, giờ = kGy/1,33) Hình 3.4 cho thấy với suất liều 1,33 kGy/h tốc độ cắt mạch CTS có ĐĐA ~ 91% (CTS-91) của tia γCo60 là nhanh hơn so với H2O2 0,5%. Khi liều xạ lớn hơn 7 kGy, KLPT 6 của CTS-91 cắt mạch bằng tác dụng đồng vận của tia γCo60/H2O2 0,5% suy giảm hầu như không đáng kể. COS thu được ở liều xạ ~ 7 kGy. Hiệu ứng đồng vận (D, %) được đánh giá dựa trên độ suy giảm khối lượng phân tử (ĐSGKLPT) do các tác nhân phản ứng gây ra và được trình bày ở bảng 3.2. Kết quả cho thấy hiệu ứng đồng vận giảm dần khi tăng liều xạ. Bảng 3.2. Hiệu ứng đồng vận cắt mạch CTS-91 trong dung dịch 5% bằng tia γCo60 và H2O2 0,5% ĐSGKLPT, % = (Mw0 - Mw)×100/ Mw0 Mẫu CTS 2,2 kGy 7,6 kGy 15,1 kGy 19,8 kGy (1,7 giờ) (5,7 giờ) (11,4 giờ) (14,9 giờ) A (H2O2 0,5%)* 7,8 25,1 34,1 49,2 B (tia γCo60) ** 14,5 33,3 48,0 59,4 C (A & B) ** 54,1 79,8 88,2 90,4 Hiệu ứng đồng vận D (%) D = [C-(A+B)] 31,8 21,4 6,1 - * Mẫu không chiếu xạ; ** Mẫu chiếu xạ (thời gian, giờ = kGy/1,33) Cơ chế cắt mạch CTS hiệu quả bằng kết hợp đồng vận (tia γCo 60 và H2O2) có thể được giải thích là do có sự phân li bức xạ của nước và H2O2 dưới tác dụng của tia γCo60 hình thành gốc tự do hydroxyl (•OH) có tính oxy hóa mạnh làm tăng hiệu quả cắt mạch CTS. Cơ chế này đã được Ulanski và cộng sự đề xuất [100]: γ ray H 2 O   eaq , H• , • OH, H 2O2 , H 2 , H3O+ (3.1) γ ray H 2 O2   2 • OH (3.2) Trong quá trình chiếu xạ e-aq và H• có thể phản ứng với H2O2. e-aq + H 2O2  • OH + OH- (3.3) H• + H 2 O2  • OH + H 2 O (3.4) • Cũng theo Ulanski và cộng sự gốc OH là tác nhân bắt hydro, làm đứt liên kết glycosit tạo thành phân tử CTS có KLPT thấp hơn. FT-IR của sản phẩm cắt mạch CTS-91 (hình 3.5) xuất hiện hầu hết các pic đặc trưng của CTS-91 ban đầu. Điều này chứng tỏ sản phẩm cắt mạch thu được có các nhóm cấu tạo chính hầu như không thay đổi so với CTS ban đầu. Kết quả xác định ĐĐA bằng phổ FT-IR cho thấy COS tạo thành ở 7,6 kGy có ĐĐA giảm khoảng 2%. Qua nghiên cứu cắt mạch CTS-91 cho thấy COS với Mw < 10 kDa có thể chế tạo hiệu quả bằng hiệu ứng đồng vận tia (γCo60 và H2O2 0,5%) ở liều thấp ~7 kGy. COS thu được có 7 độ phân tán PI ≈ 1,3; có các nhóm cấu tạo chính hầu như không khác biệt so với CTS ban đầu. ĐĐA của COS thu được ở 7 kGy giảm không đáng kể. Hình 3.5. Phổ FT-IR của CTS-91 (a) và sản phẩm cắt mạch bằng chiếu xạ dung dịch CTS-91 5%, H2O2 0,5% ở liều xạ 2,2 kGy (b); 7,6 kGy (c); 15,1 (d) và 19,8 kGy (e) 3.3.2. Hiệu ứng đồng vận chế tạo oligochitosan đối với chitosan có độ đề axetyl ~ 80,3% Hình 3.6. Sự phụ thuộc KLPT của CTS-80 cắt mạch trong dung dịch 5% theo liều xạ và thời gian phản ứng (thời gian, giờ = kGy/1,33) Hình 3.6 cho thấy sự kết hợp giữa tia γCo60 và H2O2 để cắt mạch CTS có ĐĐA ~ 80,3% (CTS-80) là rất hiệu quả ở liều xạ < 10 kGy. Các nhóm chức chính cấu tạo nên sản phẩm cắt mạch CTS-80 phân tích bằng FT-IR (hình 3.7) cho kết quả hầu như không thay đổi so với CTS-80 ban đầu. Hình 3.7. Phổ FT-IR của CTS-80 (a) và sản phẩm cắt mạch bằng chiếu xạ trong dung dịch CTS-80 5%, H2O2 0,5% ở liều xạ 2,6 kGy (b); 5,8 kGy (c); 10,7 (d) và 21,2 kGy (e) 8 Qua nghiên cứu cắt mạch CTS-80 trong dung dịch chúng tôi nhận thấy: Sự kết hợp H2O2 0,5% với chiếu xạ tia γCo60 đã làm giảm liều xạ khoảng 5 lần so với phương pháp cắt mạch chỉ bằng chiếu xạ tia γCo60. COS có thể chế tạo hiệu quả bằng kết hợp tia γCo60 và H2O2 cắt mạch CTS-80 trong khoảng liều xạ < 10 kGy. COS thu được có ĐĐA giảm khoảng 10%. 3.3.3. Hiệu ứng đồng vận chế tạo oligochitosan đối với chitosan có độ đề axetyl ~ 72% Hình 3.8 cho thấy để chế tạo được COS từ CTS có ĐĐA~72% (CTS-72) cần liều xạ lớn hơn 17 kGy, cao hơn so với liều xạ cần thiết để chế tạo COS từ CTS-91 (7 kGy) và CTS-80 (9 kGy). Điều này chứng tỏ CTS có ĐĐA thấp khó bị cắt mạch hơn CTS có ĐĐA cao. Hình 3.8. Sự phụ thuộc KLPT của CTS-72 trong dung dịch 5% theo liều xạ và thời gian phản ứng (thời gian, giờ = kGy/1,33) Hình 3.9. Phổ FT-IR của CTS-72 (a) và sản phẩm cắt mạch bằng chiếu xạ trong dung dịch CTS-72 5%, H2O2 0,5% ở liều xạ 8,2 kGy (b); 12,3 kGy (c); 16,5 (d) và 21,4 kGy (e) FT-IR của sản phẩm cắt mạch xuất hiện hầu hết các pic đặc trưng của CTS-72 ban đầu (hình 3.9). Điều này cho thấy cấu tạo cơ bản của CTS không thay đổi trong khoảng liều xạ áp dụng. 9 Qua quá trình nghiên cứu cắt mạch CTS-72 ở dạng dung dịch chúng tôi nhận thấy: COS chế tạo từ CTS-72 trong dung dịch H2O2 0,5% ở liều xạ ~ 17 kGy có ĐĐA giảm khoảng 12%. Cấu tạo cơ bản của COS không thay đổi so với CTS-72 ban đầu. Hình 3.10. Dung dịch 5% CTS-91 trước khi chiếu xạ (a) và sau chiếu xạ (b) Hình 3.11. CTS -91 (a), sản phẩm cắt mạch CTS-91 (b), COS thu được từ CTS-91 (c), CTS-80 (d) và CTS-72 (e) Hình 3.10 và hình 3.11 cho thấy CTS sau khi cắt mạch chuyển sang màu vàng đậm hoặc màu nâu. Sự thay đổi màu có thể là do sự tạo thành cấu trúc vòng glucopyranose chưa bão hòa chứa nhóm cacbonyl hay cacboxyl khi các gốc tự do tái kết hợp [105]. Nhóm cacbonyl hình thành ở cuối mạch là kết quả của quá trình cắt mạch [95]. CTS cắt mạch càng sâu cường độ hấp thu ở pic 290 nm càng mạnh. Hình 3.12. Phổ UV –vis của CTS-91 (a), sản phẩm cắt mạch CTS-91(b), COS thu được từ CTS-72 (c), CTS-80 (d) và CTS-91 (e) nồng độ 0,1 % (w/v) trong dung dịch axit axetic 0,05% 10 Từ kết quả cắt mạch CTS trong dung dịch chúng tôi thu được một số nhận xét quan trọng sau: - Bằng giải pháp cắt mạch CTS nguồn sử dụng H2O2 để giảm KLPT của CTS ban đầu xuống khoảng 50 kDa, độ nhớt của dung dịch CTS chiếu xạ giảm. Kết quả là lần đầu tiên, chúng tôi đã chế tạo được dung dịch COS ở nồng độ 5% cao hơn hẳn so với các nghiên cứu trước đây chỉ từ 1-3%, - COS có thể chế tạo hiệu quả bằng hiệu ứng đồng vận của tia γCo60 và H2O2 0,5% ở liều xạ tương đối thấp dưới 20 kGy, - Hiệu ứng đồng vận của tia γCo60 và H2O2 0,5% giảm khi tăng liều xạ, - Trong dung dịch, tác nhân tia γCo60 (1,33 kGy/h) cắt mạch hiệu quả hơn so với H2O2 0,5% trong cùng thời gian phản ứng, - Hiệu suất cắt mạch bức xạ được gia tăng đáng kể khi có mặt H2O2 0,5% trong dung dịch chiếu xạ, - CTS-91 dễ bị cắt mạch bức xạ hơn so với CTS-80 và CTS-72, - Cắt mạch bằng tia γCo60 cho độ phân tán KLPT của polyme tương đối thấp hơn so với khi cắt mạch bằng H2O2 0,5%. 3.4. HIỆU ỨNG ĐỒNG VẬN CẮT MẠCH CHITOSAN Ở DẠNG TRƯƠNG 3.4.1. Xác định một số thông số ban đầu của CTS cắt mạch ở dạng trương Bảng 3.3 cho thấy độ ẩm của các mẫu CTS giảm dần khi tăng ĐĐA. Độ trương nước bão hòa (ĐTNBH) của mẫu C70 và C80 lớn hơn đáng kể so với mẫu C90. Khi ĐĐA tăng lên 90% thì ĐTNBH giảm đi rõ rệt. Bảng 3.3. Độ ẩm và ĐTNBH các mẫu CTS Kí hiệu mẫu CTS ĐĐA (%) Mw (kDa) Độ ẩm (%) ĐTNBH (%) C90 91 166 13,9 ± 0,3 600 ± 40 C80 83 176 14,0 ± 0,3 1170 ± 50 C70 72 183 19,2 ± 0,4 1060 ± 60 ĐTNBH thấp nhất của CTS có ĐĐA từ 70 - 90% là 600%, tương ứng với tỉ lệ CTS/H2O =1/6. Để quá trình vận hành thiết bị được thuận lợi, CTS không bị tách nước trước khi chiếu xạ, chúng tôi chọn tỉ lệ CTS/H2O =1/5 cho tất cả các thí nghiệm. 11 3.4.2. Cắt mạch chitosan bằng hiệu ứng đồng vận của H2O2/tia γCo60 ở dạng trương và khảo sát ảnh hưởng của nồng độ, suất liều Hình 3.13. Sự suy giảm KLPT của CTS trương trong nước và trong dung dịch H2O2 theo liều xạ Hình 3.13 cho thấy KLPT của CTS trương trong H2O2 giảm nhanh trong khoảng liều xạ từ 0 đến 7 kGy. Sau đó sự suy giảm KLPT chậm dần khi tăng liều xạ. Trong khi đó, KLPT của mẫu CTS trương trong nước giảm không đáng kể. Phổ FT-IR của sản phẩm cắt mạch xuất hiện hầu hết các nhóm đặc trưng như của CTS ban đầu (hình 3.14). Điều này cho thấy hầu như không có sự thay đổi về cấu tạo cơ bản của sản phẩm cắt mạch so với CTS ban đầu. Nhóm cacboxyl hình thành đặc trưng cho phản ứng mở vòng glucopyranose ở pic 1730 cm-1 [76] không xuất hiện. Điều này cho thấy phản ứng mở vòng glucopyranose không xảy ra. Hình 3.14. Phổ FT-IR của CTS ban đầu (a) và sản phẩm cắt mạch CTS ở dạng trương với H2O2 nồng độ 1% (b), 3% (c), 5% (d) tại liều xạ 10 kGy Giản đồ XRD của CTS ban đầu và sản phẩm cắt mạch CTS (hình 3.15) cho thấy các sản phẩm cắt mạch CTS cũng có 2 pic ở 2θ = 10,3o và 19,8o tương tự như các pic đặc trưng của CTS ban đầu [45]. Điều này cho thấy cấu trúc tinh thể của CTS cắt mạch hầu như không thay đổi so với CTS ban đầu ở liều xạ 10 kGy. 12 Hình 3.15. Giản đồ XRD của CTS ban đầu (a) và sản phẩm cắt mạch CTS ở dạng trương với H2O2 nồng độ 1% (b), 3% (c), 5% (d) tại liều xạ 10 kGy Phổ UV-vis trên hình 3.16 cho thấy CTS ban đầu hầu như không hấp thụ trong khoảng bước sóng từ 240-320 nm. Trong khi đó, CTS chiếu xạ có pic ở 299 nm mô tả sự dịch chuyển n → π* của liên kết đôi cacbon-oxi [34], đó là bằng chứng cho thấy sự có mặt của nhóm cacbonyl (C=O) trong cấu tạo của sản phẩm. Nhóm cacbonyl có thể là sản phẩm chuyển hóa cuối mạch tại các vị trí C1 và C4 khi CTS bị cắt mạch [89]. Hình 3.16. Phổ UV-vis của dung dịch CTS 0,1% có KLPT khác nhau trong dung dịch axit axetic 0,05% Bảng 3.4 cho thấy suất liều càng thấp hiệu quả cắt mạch bức xạ càng cao và giá trị PI có xu hướng giảm khi giảm suất liều. Tuy nhiên, theo chúng tôi suất liều > 1 kGy/h nên được lựa chọn để áp dụng cho quy mô lớn nhằm tiết kiệm thời gian và tăng hiệu quả sử dụng thiết bị chiếu xạ. Bảng 3.4. KLPT và PI của CTS cắt mạch dạng trương trong H2O2 5% ở liều xạ 10 kGy với suất liều khác nhau Suất liều, kGy/h 3,6 1,8 0,9 0,45 Mw, kDa 35,2 28,3 26,9 26,3 PI 2,51 2,41 2,40 2,41 13 Hình 3.17. CTS ban đầu – dạng bột (a), CTS trương trong dung dịch H2O2 5% (b) và CTS cắt mạch bằng hiệu ứng đồng vận (c) Từ phân tích kết quả thí nghiệm và so sánh với các tài liệu tham khảo chúng tôi nhận thấy nồng độ H2O2 5% là phù hợp cho quá trình cắt mạch CTS ở dạng trương. Suất liều 1,33 kGy/h cũng được lựa chọn vì suất liều này được sử dụng phổ biến để chiếu xạ khử trùng thực phẩm tại Trung tâm VINAGAMMA. 3.4.3. Hiệu ứng đồng vận cắt mạch chitosan có độ đề axetyl ~ 91% ở dạng trương Hình 3.18. Quan hệ giữa KLPT và liều xạ đối với CTS-91 cắt mạch ở dạng trương trong nước và dung dịch H2O2 5% (thời gian, giờ = kGy/1,33) Hình 3.18 cho thấy H2O2 5% cắt mạch hiệu quả hơn so với tia γCo60. Điều đáng chú ý là CTS ở dạng trương nước có độ suy giảm KLPT theo liều xạ là rất thấp so với khi chiếu xạ trong dung dịch. Nguyên nhân có thể là do cơ chế cắt mạch của CTS ở trạng thái trương bị thay đổi do thiếu nước. Ngoài sự phân li bức xạ của nước tạo ra gốc •OH đóng vai trò là tác nhân cắt mạch, phản ứng cắt mạch còn xảy ra do sự tiếp xúc trực tiếp của bức xạ lên chuỗi phân tử CTS [62], [45]. hv R   R (3.6) R  R1 +R2 (3.7) Ở trạng thái trương khoảng cách giữa các gốc tự do gần nhau hơn so với khoảng cách của chúng trong dung dịch, vì vậy sự tái kết hợp giữa các gốc tự do tăng lên và do đó mức độ suy giảm KLPT không đáng kể. 14 Bảng 3.5. Hiệu ứng đồng vận cắt mạch CTS-91 bằng tia γCo60 và H2O2 5% ĐSGKLPT, % = (Mw0 - Mw)×100/ Mw0 Mẫu CTS 3,7 kGy 8,2 kGy 12,0 kGy 15,9 kGy 22,7 kGy (2,8 giờ) (6,2 giờ) (9,0 giờ) (12,0 giờ) (17,1 giờ) A (H2O2 5%)* 5,1 15,7 23,7 27,4 30,2 B (tia γCo60)** i 1,2 3,1 4,3 5,5 8,4 C (A & B) ** 52,2 65,7 71,2 74,5 77,1 41,9 38,5 Hiệu ứng đồng vận D (%) D = [C-(A+B)] 45,9 46,9 43,2 * Mẫu không chiếu xạ; ** Mẫu chiếu xạ (thời gian, giờ = kGy/1,33); i 1g CTS/5ml H2O Hình 3.19. Phổ FT-IR của CTS-91(a) và sản phẩm cắt mạch CTS-91 ở dạng trương trong H2O2 5% tại các liều xạ 8,2 kGy (b); 12,0 kGy (c);15,9 kGy (d) và 22,7 kGy (e) Bảng 3.5 cho thấy CTS-91 cắt mạch ở dạng trương có hiệu ứng đồng vận đạt cực đại tại liều xạ ~ 9 kGy. Hình 3.19 cho thấy hầu hết các nhóm đặc trưng của CTS đều xuất hiện trong FT-IR của sản phẩm cắt mạch. Tuy nhiên, khi liều xạ > 12 kGy chúng tôi nhận thấy có dấu hiệu xuất hiện nhóm cacboxyl – pic ở 1730 cm-1 [76]. Điều này cho thấy CTS-91 chiếu xạ ở trạng thái trương trong H2O2 5% với liều xạ > 12 kGy có khả năng xảy ra phản ứng phá vỡ vòng glucopyranose. Hình 3.20. CTS-91 ban đầu (a); CTS-91 KLPT thấp (b) 15 Từ kết quả cắt mạch CTS-91 ở dạng trương chúng tôi nhận thấy: H2O2 5% cắt mạch CTS-91 hiệu quả hơn so với tia γCo60. Hiệu quả cắt mạch CTS-91 bằng tia γCo60 ở dạng trương nước thấp hơn đáng kể so với khi cắt mạch trong dung dịch. CTS-91 cắt mạch ở dạng trương có hiệu ứng đồng vận đạt cực đại ở liều xạ khoảng 9 kGy. Khi tăng liều xạ > 12 kGy, CTS thu được có khả năng bị phá vỡ vòng glucopyranose. 3.4.4. Hiệu ứng đồng vận cắt mạch chitosan có độ đề axetyl ~ 80% ở dạng trương Hình 3.21. Quan hệ giữa KLPT và liều xạ đối với CTS-80 cắt mạch ở dạng trương trong nước và trong dung dịch H2O2 5% (thời gian, giờ = kGy/1,33) Hình 3.21 cho thấy CTS-80 trương trong nước theo tỉ lệ 1g CTS/5ml nước gần như không bị suy giảm KLPT khi tăng liều xạ tương tự như CTS-91. Phổ FT-IR trên hình 3.22 cho thấy sản phẩm cắt mạch CTS-80 có cấu tạo về cơ bản không thay đổi so với CTS-80 ban đầu. Hình 3.22. Phổ FT-IR của CTS-80 (a) và sản phẩm cắt mạch CTS-80 ở dạng trương trong H2O2 5% tại các liều xạ 7,1 kGy (b); 15,5 kGy (c); 20,1 kGy (d) và 22,6 kGy (e) Qua nghiên cứu cắt mạch CTS-80 ở trạng thái trương chúng tôi nhận thấy hiệu ứng đồng vận (tia γCo60 và H2O2) đã làm gia tăng hiệu quả cắt mạch và đạt giá trị cực đại là ~ 17% ở liều xạ 20 kGy. Sự kết hợp H2O2 và chiếu xạ tia γCo60 cho phép chế tạo hiệu quả CTS KLPT thấp (hình 3.23 b) và COS từ CTS ban đầu (hình 3.23 a) ở dạng trương. ĐĐA của CTS cắt mạch ở liều xạ 15,5 kGy giảm khoảng 16%. 16 Hình 3.23. CTS-80 ban đầu - 50 kDa (a); CTS-80 KLPT thấp – 11,7 kDa (b) 3.4.5. Hiệu ứng đồng vận cắt mạch chitosan có độ đề axetyl ~72% ở dạng trương Hình 3.24. Quan hệ giữa KLPT và liều xạ đối với CTS-72 cắt mạch ở dạng trương trong nước và trong dung dịch H2O2 5% (thời gian, giờ = kGy/1,33) Hình 3.24 cho thấy H2O2 5% cắt mạch CTS-72 khá hiệu quả. Trong khi đó độ suy giảm KLPT của CTS-72 khi cắt mạch bằng tia γCo60 là khá thấp. Sự kết hợp đồng vận tia γCo60 và H2O2 5% cho kết quả không thật sự vượt trội so với cắt mạch bằng H2O2 5%. Hiệu ứng đồng vận tối đa đạt được khoảng 12% ở 14 kGy. Giá trị này thấp hơn so với hiệu ứng đồng vận cắt mạch CTS-91 và CTS-80. Hình 3.25. Phổ FT-IR của CTS-72 ban đầu (a) và sản phẩm cắt mạch CTS-72 ở dạng trương trong H2O2 5% tại các liều xạ 7,5 kGy (b); 14,0 kGy (c); 20,1 kGy (d) và 22,4 kGy (e) 17 FT-IR trên hình 3.25 cho thấy sản phẩm cắt mạch CTS-72 có cấu trúc chính không thay đổi so với CTS ban đầu. ĐĐA của CTS-72 cắt mạch ở liều xạ 20 kGy giảm so với CTS ban đầu khoảng 12%. Độ suy giảm ĐĐA tương đối thấp hơn so với CTS-91 và CTS-80. Hình 3.26. CTS-72 ban đầu - 47,8 kDa (a); CTS-72 KLPT thấp - 13,3 kDa (b) Qua thí nghiệm nghiên cứu hiệu ứng đồng vận cắt mạch CTS-72 chúng tôi nhận thấy: Áp dụng hiệu ứng đồng vận tia γCo60 và H2O2 5% có thể chế tạo được CTS KLPT thấp khoảng 13 kDa (hình 3.26 b) ở liều xạ khoảng 22 kGy. Tác nhân H2O2 5% cắt mạch khá hiệu quả CTS-72, độ suy giảm KLPT của CTS-72 không đáng kể khi cắt mạch bằng tia γCo60. Hiệu ứng đồng vận cắt mạch CTS-72 cực đại đạt được tương đối thấp khoảng 12%. Áp dụng hiệu ứng đồng vận cắt mạch CTS-72 ở trạng thái trương cho hiệu quả cắt mạch không thật sự vượt trội so với cắt mạch bằng H2O2 5% về mức độ suy giảm KLPT. Tuy nhiên, phương pháp cắt mạch đồng vận có ưu điểm trong việc giảm độ đa phân tán của polyme cắt mạch. Hình 3.27. CTS sau khi cắt mạch bức xạ ở dạng trương Hình 3.28. CTS-80 (a); CTS KLPT thấp cắt mạch từ CTS-72 (b); CTS-80 (c); CTS-91(d) và COS chế tạo từ CTS-80 (e) Hình 3.27 và hình 3.28 mô tả hỗn hợp CTS sau khi chiếu xạ cắt mạch ở dạng trương. CTS-91 cắt mạch có màu sắc tương đối đậm hơn so với CTS-80 và CTS-72 cắt mạch. Nguyên nhân sự thay đổi màu có thể là do sự hình thành cấu trúc vòng glucopyranose chưa bão hòa như chúng tôi thảo luận ở phần cắt mạch dung dịch. 18