Nghiên cứu cắt mạch chitosan bằng hiệu ứng đồng vận H2O2/bức xạ gamma Coban–60 để chế tạo oligochitosan

ĐẠI HỌC HUẾ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

ĐẶNG XUÂN DỰ

NGHIÊN CỨU CẮT MẠCH CHITOSAN

BẰNG HIỆU ỨNG ĐỒNG VẬN H2O2/BỨC XẠ

GAMMA COBAN – 60 ĐỂ CHẾ TẠO

OLIGOCHITOSAN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

HUẾ - NĂM 2015

ĐẠI HỌC HUẾ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

HUẾ - NĂM 2015

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới những người Thầy của

mình PGS.TS Nguyễn Quốc Hiến, PGS.TS Võ Quang Mai đã dành nhiều thời

gian và công sức hướng dẫn tôi hoàn thành công trình nghiên cứu này.

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Phòng thí nghiệm Hóa lý – Khoa Hóa,

Trường Đại học Khoa học Huế, nơi đã tạo điều kiện thuận lợi về trang thiết bị

và hướng dẫn tận tình cho tôi trong suốt thời gian làm thực nghiệm.

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp trong

Nhóm nghiên cứu tại Trung tâm Nghiên cứu và Triển Khai Công nghệ Bức xạ

– Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam, Phòng Công nghệ Bức xạ –Viện

Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt, Phòng phân tích Hóa lý – Trường Đại học Khoa

học Tự nhiên – ĐHQG Tp. HCM đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi về máy móc,

thiết bị trong suốt quá trình thực hiện luận án.

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến GS.TS Trần Thái Hòa trưởng Bộ

môn Hóa lý, Ban chủ nhiệm, cán bộ giảng viên và anh chị em NCS của Khoa

Hóa – Trường Đại học Khoa học Huế, các Thầy cô trong Ngành Hóa – Khoa

Sư phạm Khoa học Tự nhiên – Trường Đại học Sài Gòn đã động viên giúp đỡ

tôi trong suốt thời gian nghiên cứu.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 3 năm 2015

Tác giả

ĐẶNG XUÂN DỰ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu

và kết quả nghiên cứu nêu trong luận án là trung thực, được các đồng tác giả

cho phép sử dụng và chưa từng được công bố trong bất kỳ một công trình nào

khác.

Tác giả

ĐẶNG XUÂN DỰ

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ANOVA Phân tích phương sai (Analysis of Variance)

ABTS 2,2’-azino-bis (3-ethylbenzothiazoline-6-sulphonic acid)

CFU/ml Số đơn vị khuẩn lạc trong 1 ml (Colony Forming Unit per

milliter)

CNBX Công nghệ bức xạ

COS Oligochitosan

COSM5 Oligochitosan, Mw ~ 5 kDa

COSM10 Oligochitosan, Mw ~ 10 kDa

CTS Chitosan

CTS-91 Chitosan có độ đề axetyl~91%, Mw ~49 kDa

CTS-80 Chitosan có độ đề axetyl~80%, Mw ~50 kDa

CTS-72 Chitosan có độ đề axetyl~72%, Mw ~48,2 kDa

CTSM15 Chitosan Mw ~15 kDa

CTSM23 Chitosan Mw ~23kDa

CTSM30 Chitosan Mw ~30 kDa

CTSM45 Chitosan Mw ~45 kDa

CTSM60 Chitosan Mw ~60 kDa

CTSM91 Chitosan Mw ~91 kDa

C90 Chitosan có độ đề axetyl 91%, Mw ~166 kDa

C80 Chitosan có độ đề axetyl 83%, Mw ~176 kDa

C70 Chitosan có độ đề axetyl 72%, Mw ~183 kDa

D Hiệu ứng đồng vận

E. coli Vi khuẩn Escherichia coli

ĐA Độ axetyl

ĐĐA Độ đề axetyl

ĐSGKLPT Độ suy giảm khối lượng phân tử

ĐTNBH Độ trương nước bão hòa

EB Chùm electron (Electron beam)

FAO Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên hiệp quốc

(Food and Agriculture Organization of the United Nations)

FT-IR Phương pháp Phổ hồng ngoại(Fourier transform infrared)

GPC Phương pháp Sắc kí gel thấm qua(Gel Permeation

Chromatography)

Gs Kí hiệu hiệu suất cắt mạch bức xạ

1H-NMR Phương pháp phổ cộng hưởng từ proton (Proton Nuclear

Magnetic Resonance)

HSCMBX Hiệu suất cắt mạch bức xạ

HSTĐPƯ Hằng số tốc độ phản ứng

IAEA Cơ quan Năng lượng Nguyên tử quốc tế (International

Atomic Energy Agency)

k Kí hiệu của HSTĐPƯ

KLPT Khối lượng phân tử trung bình khối lượng

k91d HSTĐPƯ cắt mạch CTS-91 trong dung dịch

k80d HSTĐPƯ cắt mạch CTS-80 trong dung dịch

k72d HSTĐPƯ cắt mạch CTS-72 trong dung dịch

k91t HSTĐPƯ cắt mạch CTS-91 ở dạng trương

k80t HSTĐPƯ cắt mạch CTS-80 ở dạng trương

k72t HSTĐPƯ cắt mạch CTS-72 ở dạng trương

LSD Sai khác nhỏ nhất có ý nghĩa (Least Significant

Difference)

m0 Kí hiệu khối lượng phân tử đơn vị monome

mesh Số lỗ trên một inch chiều dài

Mn Kí hiệu khối lượng phân tử trung bình số lượng

Mv Kí hiệu khối lượng phân tử trung bình độ nhớt

Mw Kí hiệu khối lượng phân tử trung bình khối lượng

N Cỡ mẫu

OD Mật độ quang (Optical Density)

PI Độ đa phân tán của polyme (Polydispersity Index)

S. aureus Vi khuẩn Staphylococcos aureus

SD Độ lệch chuẩn (Standard Deviation)

t Kí hiệu thời gian

UV Phương pháp phổ tử ngoại (Ultraviolet spectroscopy)

v/v Thể tích /thể tích

XRD Phương pháp nhiễu xạ tia X (X–ray diffraction)

WHO Tổ chức Y tế thế giới (World Health Organization)

w/v Khối lượng/thể tích

α Mức ý nghĩa

Co60 Bức xạ/tia gamma Co - 60

[] Độ nhớt đặc trưng

DANH MỤC BẢNG

Trang

Bảng 1.1. Một số dao động đặc trưng trên phổ IR của CTS 12

Bảng 1.2. Hằng số k và α đối với CTS và một số hệ dung môi 15

Bảng 1.3. Khối lượng phân tử trung bình Mv, Mn và Mw của các

mẫu CTS có ĐĐA khác nhau

17

Bảng 1.4. Các loại cột Ultrahydrogel của hãng Waters và khoảng

đo KLPT hiệu dụng

19

Bảng 1.5. Suy giảm KLPT khi cắt mạch β - CTS bằng hydro

peroxit, tia Co60 và hiệu ứng đồng vận hydro peroxit và

tia Co60

29

Bảng 2.1. Thông tin về các mẫu chuẩn Pullulan 41

Bảng 2.2. KLPT và thời gian lưu của các mẫu chuẩn Pullulan đối

với cột Ultrahydrogel 250

41

Bảng 2.3. KLPT và thời gian lưu của các mẫu chuẩn Pullulan đối

với cột Ultrahydrogel Linear

43

Bảng 2.4. Kết quả Mw, Mn và PI của CTS đo bằng GPC 45

Bảng 3.1. Sự thay đổi ĐĐA của CTS theo thời gian phản ứng 55

Bảng 3.2. Sự thay đổi KLPT, ĐĐA và PI của CTS nguồn cắt mạch

bằng hydro peroxit

58

Bảng 3.3. Kết quả cắt mạch dung dịch 5% CTS-91 chế tạo COS 60

Bảng 3.4. Hiệu ứng đồng vận cắt mạch CTS-91 trong dung dịch

5% bằng tia γCo60 và H2O2 0,5%

62

Bảng 3.5. Hiệu suất cắt mạch bức xạ dung dịch CTS-91 5% trong

trường hợp có và không có H2O2 0,5%

63

Bảng 3.6. ĐĐA của sản phẩm cắt mạch bằng chiếu xạ dung dịch

CTS-91 5%, H2O2 0,5% theo liều xạ

68

Bảng 3.7. Kết quả cắt mạch dung dịch CTS-80 nồng độ 5% chế tạo

COS

69

Bảng 3.8. Hiệu ứng đồng vận cắt mạch CTS-80 trong dung dịch

5% bằng tia γCo60 và H2O2 0,5%

71

Bảng 3.9. Hiệu suất cắt mạch bức xạ dung dịch CTS-80 5% trong

trường hợp có và không có H2O2 0,5%

72

Bảng 3.10. ĐĐA của sản phẩm cắt mạch bằng chiếu xạ dung dịch

CTS-80 5%, H2O2 0,5% theo liều xạ

75

Bảng 3.11. Kết quả cắt mạch CTS-72 trong dung dịch 5% chế tạo

COS

76

Bảng 3.12. Hiệu ứng đồng vận cắt mạch CTS-72 trong dung dịch

5% bằng tia γCo60 và H2O2 0,5%

78

Bảng 3.13. Hiệu suất cắt mạch bức xạ dung dịch CTS-72 5% trong

trường hợp có và không có H2O2 0,5%

80

Bảng 3.14. ĐĐA của sản phẩm cắt mạch bằng chiếu xạ dung dịch

CTS-72 5%, H2O2 0,5% theo liều xạ

84

Bảng 3.15. Độ ẩm và ĐTNBH các mẫu CTS 88

Bảng 3.16. KLPT của CTS cắt mạch theo liều xạ với nồng độ H2O2

khác nhau

91

Bảng 3.17. HSCMBX Gs theo liều xạ ở những nồng độ H2O2 khác

nhau

93

Bảng 3.18. ĐĐA của CTS chiếu xạ ở 10 kGy với nồng độ H2O2 khác

nhau

95

Bảng 3.19. KLPT và PI của CTS cắt mạch dạng trương trong H2O2

5% ở liều xạ 10 kGy với suất liều khác nhau

98

Bảng 3.20. Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 đến KLPT và ĐĐA

của CTS ở liều xạ 10,5 kGy

99

Bảng 3.21. Kết quả cắt mạch CTS-91 ở dạng trương trong dung dịch

H2O2 5%

101

Bảng 3.22. Hiệu ứng đồng vận cắt mạch CTS-91 bằng tia γCo60

và

H2O2 5%

105

Bảng 3.23. Hiệu suất cắt mạch bức xạ CTS-91 ở dạng trương trong

nước và trong dung dịch H2O2 5%

106

Bảng 3.24. ĐĐA của sản phẩm cắt mạch CTS-91 ở dạng trương

trong dung dịch H2O2 5% theo liều xạ

108

Bảng 3.25. Kết quả cắt mạch CTS-80 ở dạng trương trong nước và

trong dung dịch H2O2 5%

111

Bảng 3.26. Hiệu ứng đồng vận cắt mạch CTS-80 bằng tia γCo60 và

H2O2 5% ở dạng trương

113

Bảng 3.27. Hiệu suất cắt mạch bức xạ CTS-80 ở dạng trương trong

nước và trong dung dịch H2O2 5%

114

Bảng 3.28. ĐĐA của sản phẩm cắt mạch CTS-80 ở dạng trương

trong dung dịch H2O2 5% theo liều xạ

117

Bảng 3.29. Kết quả cắt mạch CTS-72 ở dạng trương trong nước và

trong dung dịch H2O2 5%

118

Bảng 3.30. Hiệu ứng đồng vận cắt mạch CTS-72 bằng tia γCo60 và

H2O2 5% ở dạng trương trong nước và trong dung dịch

H2O2 5%

119

Bảng 3.31. Hiệu suất cắt mạch bức xạ CTS-72 ở dạng trương trong

nước và trong dung dịch H2O2 5%

120

Bảng 3.32. Sự phụ thuộc của HSCMBX và HSTĐPƯ theo ĐĐA khi

cắt mạch ở trạng thái rắn

121

Bảng 3.33. ĐĐA của sản phẩm cắt mạch CTS-72 ở dạng trương

trong dung dịch H2O2 5% theo liều xạ

124

Bảng 3.34. KLPT, PI và ĐĐA của CTS được cắt mạch với các thời

gian khác nhau theo phương pháp 1

129

Bảng 3.35. Kết quả hồi qui phi tuyến theo mô hình hàm mũ cơ số tự

nhiên (exponential) và hàm luỹ thừa với biến số thời gian

(power) theo phương pháp 1

130

Bảng 3.36. KLPT và ĐĐA phụ thuộc thời gian cắt mạch theo

phương pháp 2

131

Bảng 3.37. Kết quả hồi qui phi tuyến theo mô hình hàm mũ cơ số tự

nhiên (exponential) và hàm luỹ thừa với biến số thời gian

(power) theo phương pháp 2

132

Bảng 3.38. Kí hiệu các mẫu CTS cho nghiên cứu hiệu ứng chống oxi

hóa

134

Bảng 3.39. Hoạt tính kháng khuẩn của CTS có KLPT Mw (kDa)

khác nhau đối với E.coli

136

Bảng 3.40. Hiệu suất diệt khuẩn E. coli của CTS KLPT thấp và COS 137

Bảng 3.41. Hiệu quả diệt khuẩn E. coli của CTSM15 có nồng độ

khác nhau

137

Bảng 3.42. Hiệu quả diệt khuẩn S. aureus của CTS có KLPT khác

nhau

138

Bảng 3.43. Hiệu quả diệt khuẩn S. aureus của CTS có nồng độ khác

nhau

138

Bảng 3.44. Ảnh hưởng của CTS có MwKLPT khác nhau 140

Bảng 3.45. Trọng lượng (kg) của gà 72 ngày tuổi ở các lô khác nhau 141

Bảng 3.46. Ảnh hưởng của CTSM15 có nồng độ khác nhau 142

Bảng 3.47. Trọng lượng (kg) của gà 63 ngày tuổi ở các lô khác nhau 143

DANH MỤC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1. Cấu tạo phân tử chitin 4

Hình 1.2. Công thức cấu tạo của CTS 5

Hình 1.3. Công thức cấu tạo chính xác của CTS 5

Hình 1.4. Công thức cấu tạo của COS 5

Hình 1.5. Phổ UV dẫn xuất thứ nhất của dung dịch axit axetic 0,01;

0,02; 0,03M và dung dịch N-axetyl glucosamin với các

nồng độ khác nhau (mg/l) trong axit axetic 0,01M

9

Hình 1.6. Phổ IR của mẫu chitin/CTS có ĐĐA khác nhau 5% (a);

50% (b) và 90% (c)

12

Hình 1.7. Tương quan giữa độ nhớt rút gọn và nồng độ CTS 14

Hình 1.8. Sự tạo thành liên kết hydro (I) và (II) 16

Hình 1.9. Sự phụ thuộc giá trị k và α vào ĐĐA của CTS 16

Hình 1.10. Sơ đồ cơ chế bắt hydro của gốc tự do hydroxyl cắt mạch

CTS

27

Hình 1.11. Sự suy giảm KLPT của β - CTS xử lý với H2O2, tia Co60

và H2O2/tia Co60 theo thời gian và liều xạ (suất liều:

1,33 kGy/h)

29

Hình 2.1. Sắc kí đồ GPC của mẫu chuẩn Pullulan ghi trên cột

Ultrahydrogel 250 với KLPT 100000 (a), 40000 (b),

23700 ( c), 12200 (d) và 738 Da (e)

42

Hình 2.2. Đường chuẩn tương quan giữa KLPT và thời gian lưu

của Pullulan đối với cột Ultrahydrogel 250

43

Hình 2.3. Đường chuẩn tương quan giữa KLPT và thời gian lưu

của Pullulan đối với cột Ultrahydrogel Linear

44

Hình 2.4. Sắc kí đồ của mẫu COS (a), CTS KLPT thấp (b) và CTS

KLPT cao (c)

45

Hình 2.5. (I) – Sơ đồ nguồn SVST Co – 60/B; (II) – Liều kế:

(a) - chưa sử dụng, (b) - đã sử dụng

48

Hình 3.1. Ảnh hưởng của thời gian đề axetyl đến ĐĐA của CTS 55

Hình 3.2. CTS có ĐĐA ~ 78% (a); 84% (b); 95,5% (c) chế tạo từ

chitin

57

Hình 3.3. CTS nguồn ĐĐA ~ 72% (a); 80,3% (b) và 91,0 % (c) 58

Hình 3.4. Sơ đồ chế tạo COS bằng chiếu xạ dung dịch 59

Hình 3.5. 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)

61

Hình 3.6. Sự phụ thuộc (1/Mw –1/Mw0) của CTS-91 trong dung

dịch 5% theo liều xạ

64

Hình 3.7. Giá trị PI của sản phẩm cắt mạch bằng chiếu xạ dung

dịch CTS-91 5% theo liều xạ và thời gian (thời gian,

giờ = kGy/1,33)

66

Hình 3.8. 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 kGy (d) và 19,8 kGy (e)

67

Hình 3.9. 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)

70

Hình 3.10. Sự phụ thuộc (1/Mw –1/Mw0) của CTS-80 cắt mạch trong

dung dịch 5% theo liều xạ

72

Hình 3.11. Giá trị PI của sản phẩm cắt mạch bằng chiếu xạ dung

dịch CTS-80 5% theo liều xạ và thời gian (thời gian,

giờ = kGy/1,33)

73

Hình 3.12. Phổ FT-IR của CTS-80 (a) và sản phẩm cắt mạch bằng

chiếu xạ dung dịch CTS-80 5%, H2O2 0,5% ở liều xạ

2,6 kGy (b); 5,8 kGy (c); 10,7 kGy (d) và 21,2 kGy (e)

74

Hình 3.13. 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)

77

Hình 3.14. Hiệu ứng đồng vận của các loại CTS trong dung dịch

5%/0,5% H2O2 theo liều xạ

79

Hình 3.15. Sự phụ thuộc (1/Mw –1/Mw0) của CTS-72 trong dung

dịch 5% theo liều xạ

79

Hình 3.16. Giá trị PI của sản phẩm cắt mạch bằng chiếu xạ dung

dịch CTS-72 5% theo liều xạ và thời gian (thời gian,

giờ = kGy/1,33)

81

Hình 3.17. Phổ FT-IR của CTS-72 (a) và sản phẩm cắt mạch bằng

chiếu xạ dung dịch CTS-72 5%, H2O2 0,5% ở liều xạ

8,2 kGy (b); 12,3 kGy (c); 16,5 kGy (d) và 21,4 kGy (e)

82

Hình 3.18. Dung dịch 5% CTS-91 trước khi chiếu xạ (a) và sau

chiếu xạ (b)

84

Hình 3.19. CTS -91 (a), CTS-91 cắt mạch (b), COS thu được từ

CTS-91 (c), CTS-80 (d) và CTS-72 (e)

85

Hình 3.20. 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%

86

Hình 3.21. Liên kết hydro trong phân tử của CTS 89

Hình 3.22. Sự suy giảm KLPT của CTS trương trong nước và trong

dung dịch H2O2 theo liều xạ

92

Hình 3.23. Sự phụ thuộc (1/Mw –1/Mw0) của CTS ( ĐĐA ~ 91,3%)

cắt mạch dạng trương nước theo liều xạ

94

Hình 3.24. 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

95

Hình 3.25. 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

96

Hình 3.26. Phổ UV-vis của dung dịch CTS 0,1% có KLPT khác

nhau trong dung dịch axit axetic 0,05%

97

Hình 3.27. CTS ban đầu – dạng bột (a), CTS trương trong dung dịch

H2O2 5% (b) và CTS cắt mạch bằng hiệu ứng đồng vận (c)

98

Hình 3.28. Phổ FT-IR của sản phẩm cắt mạch CTS ở dạng trương

với H2O2 nồng độ 0% (5ml H2O/1g CTS, a); 5% (b);

7,5% (c); 10% (d) tại liều xạ 10,5 kGy

99

Hình 3.29. Sơ đồ cắt mạch CTS ở dạng trương 101

Hình 3.30. 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)

102

Hình 3.31. Mô hình đề nghị cho cơ chế cắt mạch đồng vận ở trạng

thái trương

104

Hình 3.32. Sự phụ thuộc (1/Mw –1/Mw0) của CTS-91 cắt mạch theo

liều xạ ở trạng thái trương trong nước

106