nghiÊn cỨu cẮt mẠch chitosan bẰng hiỆu Ứng ĐỒng … · vì vậy, vấn đề...
TRANSCRIPT
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 tháng năm
Có thể tìm hiểu luận án tại:
1
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...).
2
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.
3
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,
4
- Tăng nồng độ CTS trong dung dịch chiếu xạ, nghiên cứu hiệu ứng đồng vận tia γCo60
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
5
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
6
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
7
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%
Mẫu CTS
ĐSGKLPT, % = (Mw0 - Mw)×100/ Mw0
2,2 kGy
(1,7 giờ)
7,6 kGy
(5,7 giờ)
15,1 kGy
(11,4 giờ)
19,8 kGy
(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 γCo60
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 - • • +
2 aq 2 2 2 3
γ ray •
2 2
H O e , H , OH, H O , H , H O (3.1)
H O 2 OH (3.2)
Trong quá trình chiếu xạ e-aq và H
• có thể phản ứng với H2O2.
- • -
aq 2 2
• •
2 2 2
e + H O OH + OH (3.3)
H + H O OH + H 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
8
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)
9
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.
10
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%
11
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.
12
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 19,8
o 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.
13
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
14
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].
1 2
R R (3.6)
R R +R (3.7)
hv
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.
15
Bảng 3.5. Hiệu ứng đồng vận cắt mạch CTS-91 bằng tia γCo60
và H2O2 5%
Mẫu CTS
ĐSGKLPT, % = (Mw0 - Mw)×100/ Mw0
3,7 kGy
(2,8 giờ)
8,2 kGy
(6,2 giờ)
12,0 kGy
(9,0 giờ)
15,9 kGy
(12,0 giờ)
22,7 kGy
(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
Hiệu ứng đồng vận D (%)
D = [C-(A+B)] 45,9 46,9 43,2 41,9 38,5
* 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)
16
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%.
17
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)
18
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.
19
Qua nghiên cứu hiệu ứng đồng vận tia γCo60
và H2O2 5% ở dạng trương chúng tôi thu
được một số kết luận quan trọng sau:
- Tác nhân H2O2 5% cắt mạch CTS ở dạng trương hiệu quả hơn so với tia γCo60
(1,33
kGy/h).
- Cắt mạch CTS bằng tia γCo60
ở dạng trương cho hiệu quả thấp hơn đáng kể so với khi cắt
mạch bằng chiếu xạ dung dịch.
- Hiệu ứng đồng vận cắt mạch CTS ở trạng thái trương đạt cực đại ở liều xạ khoảng 9, 20 và
14 kGy tương ứng với CTS có ĐĐA ban đầu là 91; 80,3 và 72%
- Hiệu suất cắt mạch bức xạ gia tăng đáng kể khi có mặt H2O2. Mức độ gia tăng hiệu suất
cắt mạch giảm khi tăng liều xạ.
- CTS KLPT thấp có thể chế tạo hiệu quả bằng kết hợp đồng vận tia γCo60
và H2O2 5%. Cấu
tạo và ĐĐA của sản phẩm thay đổi không đáng kể so với CTS ban đầu ở liều xạ < 12 kGy.
- Đây là lần đầu tiên quá trình nghiên cứu cắt mạch CTS ở dạng trương được tiến hành. Sản
phẩm CTS KLPT thấp và COS sau chiếu xạ được thu hồi dễ dàng hơn so với chiếu xạ dung
dịch vì vậy rất có triển vọng áp dụng ở quy mô công nghiệp. Ngoài ra, CTS KLPT thấp có
thể được ứng dụng trực tiếp hoặc làm nguyên liệu để chế tạo COS trong dung dịch với liều
xạ thấp.
3.5. KHẢ NĂNG CHẾ TẠO OLIGOCHITOSAN BẰNG H2O2 TRONG DUNG DỊCH
Hình 3.29. Sự phụ thuộc giữa KLPT và thời gian cắt mạch theo phương pháp 1
Hình 3.29 mô tả KLPT CTS giảm khi gia tăng thời gian cắt mạch theo phương pháp tăng
nồng độ H2O2 (1%/1giờ). Kết quả hồi quy thu được phương trình:
Mw = 34,665×e-0,349×t
20
Kết quả phân tích thống kê cho thấy ở mức kiểm định nghiêm ngặt mô hình hàm mũ này
mô tả tốt số liệu thực nghiệm. Từ kết quả trên có thể dự đoán phản ứng cắt mạch tuân theo
mô hình động học bậc nhất.
Hình 3.30. Sự phụ thuộc giữa KLPT và thời gian cắt mạch theo phương pháp 2
Hình 3.30 mô tả KLPT CTS giảm khi gia tăng thời gian cắt mạch theo phương pháp cắt
mạch bằng H2O2 5% (cho vào 1 lần). Kết quả hồi qui phi tuyến thu được phương trình:
Mw = 21,566×t-0,368
Qua quá trình nghiên cứu cắt mạch CTS bằng H2O2 trong dung dịch chúng tôi nhận thấy:
Với phương pháp 1 – H2O2 được đưa vào từng giai đoạn khác nhau, động học cắt mạch tuân
theo mô hình động học bậc nhất. Khi H2O2 được đưa vào cùng một lúc (theo phương pháp
2) phản ứng không tuân theo mô hình động học bậc nhất. Phương pháp 1 có ưu thế hơn so
với phương pháp 2 về phương diện hiệu quả cắt mạch, bảo vệ nhóm amin và ít làm thay đổi
cấu trúc của sản phẩm. Tuy nhiên, so với phương pháp chiếu xạ áp dụng hiệu ứng đồng vận
của H2O2 và tia γCo60
thì chế tạo COS bằng phương pháp hóa học có độ suy giảm ĐĐA lớn
hơn.
3.6. ỨNG DỤNG SẢN PHẨM CHITOSAN CẮT MẠCH
3.6.1. Hiệu ứng chống oxi hóa
Hình 3.31 cho thấy CTS và COS có KLPT càng nhỏ hiệu suất bắt gốc tự do càng cao.
Tại thời gian phản ứng 90 phút, hiệu suất bắt gốc tự do là 69,9; 84,5; 89,2 và 99,3% tương
ứng đối với KLPT CTS và COS là 45,0; 23,4; 9,9 và 4,7 kDa. Nguyên nhân là do các nhóm
–NH2 và –OH đóng vai trò quyết định hoạt tính chống oxy hóa [113] và trong CTS KLPT
thấp chúng linh động hơn so với trong CTS có KLPT cao.
21
Hình 3.31. Hiệu suất bắt gốc tự do của CTS và COS
3.6.2. Hiệu ứng kháng khuẩn
Hiệu ứng kháng khuẩn của CTS KLPT thấp chế tạo bằng chiếu xạ
Các mẫu CTS KLPT 30 - 60 kDa được chế tạo bằng phương pháp chiếu xạ γCo60
CTS
trương trong dung dịch H2O2 5% có hiệu ứng kháng khuẩn tốt với hiệu suất ~ 100%.
Hiệu ứng kháng khuẩn của CTS KLPT thấp và COS chế tạo bằng phương pháp hóa học
CTS có KLPT Mw ~ 10-15 kDa chế tạo bằng phương pháp cắt mạch hóa học theo bậc có
khả năng kháng khuẩn tốt. Nồng độ CTS KLPT 15 kDa thích hợp để kháng vi khuẩn E. coli
(gram âm) là 300 ppm, vi khuẩn S. aureus (gram dương) là 200 ppm.
3.6.3. Hiệu ứng kích thích tăng trưởng và kháng bệnh trên gà
Khi có bổ sung CTS KLPT 15 ~ kDa (CTSM15) vào thức ăn, gà có sức đề kháng tốt hơn
khi thời tiết thay đổi hoặc khi tiêm vắc-xin phòng dịch. Do ít bị nhiễm bệnh nên gà có tốc
độ lớn ổn định. Kết quả phân tích cho thấy CTSM15 nồng độ 200 - 400 ppm bổ sung vào
thức ăn của gà cho hiệu quả kháng bệnh và tăng trưởng tốt nhất.
KẾT LUẬN CHÍNH CỦA LUẬN ÁN
Đây là công trình đầu tiên ở Việt Nam nghiên cứu một cách có hệ thống về hiệu ứng
đồng vận của tia γCo60
và H2O2 cắt mạch chitosan với các độ đề axetyl khác nhau: 70, 80
và 90%. Kết quả thu được khi nghiên cứu hiệu ứng đồng vận cắt mạch chitosan ở trạng thái
trương, cắt mạch trong dung dịch với nồng độ 5% chitosan và cắt mạch bằng H2O2 theo bậc
là những kết quả mới chưa được công bố. Luận án đóng góp cho việc phát triển ứng dụng
22
chế tạo dung dịch oligochitosan ở nồng độ cao 5% hướng tới sản xuất với quy mô lớn (trước
đây chỉ 1 - 3%). Từ nội dung nghiên cứu của luận án chúng tôi đạt được một số kết quả sau:
1. Chitosan có độ đề axetyl khá cao 83% đã được chế tạo trong điều kiện NaOH 50%, nhiệt
độ 90°C chỉ sau 3 giờ phản ứng. Độ đề axetyl có thể được gia tăng lên đến 95,5% bằng cách
để nguội hỗn hợp phản ứng sau 12 giờ.
2. Dung dịch oligochitosan 5% được chế tạo bằng kết hợp đồng vận của tia γCo60
và H2O2
0,5% ở liều xạ thấp dưới 20 kGy. Hiệu ứng đồng vận giảm khi tăng liều xạ. Liều xạ cần để
chế tạo oligochitosan từ chitosan ban đầu có độ đề axetyl là 91, 80 và 72% tương ứng là 7, 9
và 17 kGy. Hiệu suất cắt mạch bức xạ được gia tăng đáng kể khi có mặt H2O2 trong dung
dịch chiếu xạ. Chitosan có độ đề axetyl càng cao thì hiệu suất cắt mạch bức xạ và hằng số
tốc độ cắt mạch bức xạ càng cao. Độ đề axetyl của oligochitosan suy giảm so với chitosan
ban đầu dưới 12% tùy thuộc vào liều xạ.
3. Chitosan khối lượng phân tử 30 – 45 kDa được chế tạo hiệu quả bằng chiếu xạ chitosan
(Mw ~ 91,7 kDa, ĐĐA ~ 91,3%) ở dạng trương trong dung dịch H2O2 trong khoảng liều xạ
thấp 2,5 – 10 kGy. Nồng độ H2O2 5% là phù hợp cho quá trình cắt mạch chitosan ở trạng
thái trương trên phương diện hạn chế sự thay đổi cấu trúc và giảm độ đề axetyl của sản
phẩm. Suất liều càng thấp hiệu quả cắt mạch càng cao.
4. Lần đầu tiên chitosan khối lượng phân tử thấp và oligochitosan được chế tạo bằng hiệu
ứng đồng vận ở dạng trương. Tác nhân H2O2 5% cắt mạch chitosan hiệu quả hơn so với tia
γCo60
(1,33 kGy/h). Hiệu suất cắt mạch chitosan bằng tia γCo60
ở trạng thái trương thấp hơn
đáng kể so với trạng thái dung dịch. Chitosan cắt mạch ở dạng trương có hiệu ứng đồng vận
đạt cực đại ở liều xạ khoảng 9, 20 và 14 kGy tương ứng với chitosan ban đầu có độ đề
axetyl khoảng 91, 80 và 72%. Cấu trúc và độ đề axetyl của sản phẩm cắt mạch thay đổi
không đáng kể so với chitosan ban đầu ở liều xạ < 12 kGy.
5. Phương pháp cắt mạch gia tăng nồng độ H2O2 theo thời gian tuân theo mô hình động học
bậc nhất. Phương pháp này có ưu thế hơn so với việc sử dụng H2O2 ở nồng độ cao ngay từ
đầu về mặt hiệu quả cắt mạch cũng như bảo vệ nhóm amin. Tuy nhiên, xét về hiệu quả cắt
mạch thì phương pháp này vẫn kém hơn so với phương pháp sử dụng hiệu ứng đồng vận tia
γCo60
và H2O2.
23
6. Chitosan khối lượng phân tử càng nhỏ thể hiện hoạt tính chống oxi hóa càng cao. Hoạt
tính kháng khuẩn của chitosan khối lượng phân tử thấp cao hơn so với oligochitosan.
Chitosan khối lượng phân tử 30 - 60 kDa thể hiện hoạt tính kháng khuẩn tốt với hiệu
suất kháng khuẩn ~100%. Khối lượng phân tử khoảng 15 kDa là phù hợp để gia tăng sức
đề kháng và trọng lượng cho gà. Nồng độ thích hợp để bổ sung vào thức ăn cho gà là
200 - 400 ppm.
DANH MỤC CÁC BÀI BÁO LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN
I. Tạp chí khoa học
1. Đặng Xuân Dự, Đinh Quang Khiếu, Diệp Khanh, Nguyễn Quốc Hiến (2013),
Nghiên cứu hiệu ứng đồng vận dùng gamma Co – 60 và H2O2 cắt mạch chitosan
chế tạo oligochitosan, Tạp chí Hóa Học, Số 51(2C), tr. 627 – 631.
2. Đặng Xuân Dự, Nguyễn Thị Thu Hương, Võ Quang Mai, Trần Thái Hòa, Nguyễn
Quốc Hiến (2013), Nghiên cứu hiệu ứng đồng vận tia γ/H2O2 cắt mạch chitosan ở
dạng trương trong nước, Tạp chí Hóa Học, Số 51(3AB), tr. 169 – 172.
3. Trần Thái Hòa, Đặng Xuân Dự, Nguyễn Quốc Hiến, Nguyễn Thị Thanh Hải, Đinh
Quang Khiếu (2013), Nghiên cứu điều chế oligochitosan bằng phương pháp cắt
mạch hóa học H2O2 và hoạt tính kháng khuẩn, Tạp chí Hóa Học, Số 51(2C),
tr. 955 – 959.
4. Đặng Xuân Dự (2013), Xác định độ trương nước bão hòa của một số loại
Chitosan có độ đề axetyl khác nhau được chế tạo từ vỏ tôm, Tạp chí Đại học Sài
Gòn, số 13, tr. 92 – 99.
5. Dang Xuan Du, Bui Phuoc Phuc, Tran Thi Thuy, Le Anh Quoc, Dang Van Phu,
Nguyen Quoc Hien (2013), Study on gamma-irradiation degradation of chitosan
swollen in H2O2 solution and its antimicrobial activity for E. coli, Nuclear
Science and Technology, Vol. 3, pp. 33-39.
6. Dang Xuan Du, Vo Quang Mai, Nguyen Ngoc Duy, Dang Van Phu, Nguyen
Quoc Hien (2014), Degradation of chitosan by γ-irradiation of chitosan swollen
in hydrogen peroxide solution, Journal of Science and Technology, 52(4),
pp. 441 – 450.
7. Đặng Xuân Dự, Diệp Khanh, Trần Thị Anh Thư, Võ Quang Mai (2015), Nghiên
cứu tác dụng đồng vận của tia Gamma Co-60 và hydroperoxit cắt mạch chitosan
có độ đề axetyl khoảng 70% ở trạng thái trương, Tạp chí Đại học Sài Gòn, 1(26),
tr. 21-31.
II. Hội nghị quốc gia
1. Đặng Xuân Dự, Trần Thái Hòa, Võ Quang Mai, Lê Công Nhân, Nguyễn Ngọc Duy,
Đặng Văn Phú, Nguyễn Quốc Hiến (2013), Nghiên cứu gia tăng hiệu suất cắt mạch
bằng phương pháp chiếu xạ (γCo-60) chitosan trương trong dung dịch H2O2, Chương
trình và Tóm tắt báo cáo Hội Nghị Khoa học và công nghệ hạt nhân toàn quốc lần thứ
10, tr. 224.
2. Đặng Xuân Dự, Trần Thái Hòa, Nguyễn Thị Thu Hương, Võ Quang Mai, Nguyễn
Quốc Hiến (2013), Nghiên cứu hiệu ứng đồng vận tia γ/H2O2 cắt mạch chitosan ở
dạng trương trong nước, Danh mục Hội thảo Khoa học cán bộ trẻ các trường Đại học
Sư Phạm toàn quốc lần thứ 3, NXB Đà Nẵng, tr. 10.
MINISTRY OF EDUCATION AND TRANNING
HUE UNIVERSITY
DANG XUAN DU
STUDY ON THE DEGRADATION OF CHITOSAN BY
SYNERGISTIC EFFECT OF H2O2/GAMMA RAY Co-60
TO PREPARE OLIGOCHITOSAN
Major: Theoretical Chemistry and Physical Chemistry
Code: 62.44.01.19
PHD DISSERTATION ABSTRACT
HUE, 2015
The work was completed at the Faculty of Chemistry, College of Sciences,
Hue university
The primary academic supervisor: 1. Assoc.Prof. PhD. Nguyen Quoc Hien
The secondary academic supervisor: 2. Assoc. Prof. PhD. Vo Quang Mai
The 1st peer reviewer:
The 2nd peer reviewer:
The oral defense will be taken place at…
The dissertation can be found at:
- Nation Library of Vietnam
- Center of Information-Library, Nation University of Hanoi
1
INTRODUCTION
Chitosan and oligochitosan are natural polymers that are applied in many fields.
Chitosan generally has high molecular weight (Mw), and it is only soluble in acid medium,
which in many cases limits its applications. Therefore, the degradation of chitosan to expand
its application is of great necessity.
Various methods for scission of chitosan were studied and applied. Accordingly,
chemical method using H2O2 and irradiation method using gamma Co-60 have been
considered as a useful approach for the degradation of polymer from the viewpoint of
environmentally friendly processing method and large scale production. Therefore, these
methods have received increasing attention in investigation for scission of chitosan in the
recent years. However, Study on simultaneous combination of H2O2 and gamma Co-60 ray
for scission of chitosan is not many and systematic at the moment.
From above information, we chosen and carried out dissertation with title: “Study on the
degradation of chitosan by synergistic effect of H2O2/gamma ray Co-60 to prepare
oligochitosan”.
Chapter 1
LITTERATURE REVIEW
1.1. Chitin, Chitosan and Oligochitosan
Chitin has scientific name is poly (β-(1→4)-N-acetyl-D-glucosamine). It is belong to
category of nature polysaccharide compounds.
Chitosan (CTS) is derivatives of chitin, commonly prepared by partly deacetylation
from chitin in concentrated alkaline medium.
Oligochitosan, chitosan oligosaccharide (COS), is degraded product of chitosan and
prepared by degradation of CTS using scissor agent such as: enzyme, chemical and
irradiation…
Chitin/CTS and its derivatives has important properties such as: biocompatible and
biodegradable ability, antioxidant and antimicrobial activity, antitumor activity and heavy
metal absorbed ability… Therefore, these polymers have been extensively studied and
applied in vary field such as: agriculture, medicine, cosmetic, function food, biotechnology
and environmental treatment [3], [79], [86]. Specifically, recent studies showed that soluble
water chitosan has promising to apply in in vivo investigations [39]. It could also play role
as stable agent as well as scavenging free radical to prepare metal nanoparticles (Au, Ag...)
2
COS is considered efficient elicitor for plant because of its special bioactivity that
differs from normal chitosan - possessing high molecular weight [110].
1.2. ABSTRACT OF METHODS TO DETERMINE THE DEGREE OF
DEACETYLATION AND MOLECULAR WEIGHT OF CHITOSAN
There are many method to determine the degree of deacetylation (DD) of chitosan such
as: elemental analysis, using UV, IR and NMR spectra... 1H-NMR is considered method that
possess high accuracy to determine DD [56]. However, IR spectra is used quite commonly.
Advantages of this method is fast, simple and quite accurate. Furthermore, its cost is lower
than that of 1H-NMR method [18]. In this dissertation, we utilized IR spectra to calculate
DD for chitosan samples.
The average molecular weight of chitosan is commonly measured by viscosity method and
gel permeation chromatography (GPC). At present, determination chitosan molecular
weight by GPC are carried out in many research centers on natural polysaccharide materials
in Asia and around the world. In this dissertation, the average molecular weight of chitosan
and its derivatives was measured by GPC method.
1.3. THE METHODS FOR SCISSION MODIFICATION OF CHITOSAN
At present, many methods were utilized for scission modification of chitosan that consits of
chemical, biological, enzymatic, ultrasonic, and irradiated method. The irradiated method is
recognized as a useful tool for degradation of polymer from the viewpoint of environment
friendly processing technology [38] and nearly unchanged main structure of polymer
molecular [27].
1.4. IRRADIATION TECHNOLOGY FOR SCISSION MODIFICATION OF
CHITOSAN
Irradiation technology is a scientific subject that studies physical, chemical and biological
effects due to transfer of radiation energy to the matter.
At present, common radiation sources is source of gamma emitting from radioisotope
Cobalt - 60 and Cesium-137.
In this dissertation, we utilized source of gamma Cobalt - 60 for radiation degradation of
chitosan. The mechanism of radiation degradation of chitosan was studied in detail by
Ulanski [100]. Accordingly, hydroxyl radicals formatted due to radiolysis of water and
hydrogen peroxide were responsible for the degradation of chitosan.
3
1.5. THE SYNERGISTIC EFFECT
The synergistic effect defined as the simultaneous effect of two factors (or reactants) is
greater than the sum of the individual effects [32].
The synergistic effect was extensively applied in chemistry to study combined ability of
vary factors onto a studied object in order to obtain yield is greater than the sum of yield of
individual factor onto the studied one.
1.6. ABSTRACT OF RESULTS OF STUDY ON SCISSION OF CHTITOSAN
COS and low molecular CTS have many application; hence, the studies to prepare these
materials is still attractive tendency of study in recent year. There are 5 studies in our
country and 7 ones in the world that is typical studies that have relation with this
dissertation.
According to our comprehension of result in and out country, we realize that further studies
should be carried out as follows:
1. Study on reduction of time of deacetylation reaction of chitin,
2. Study on the degree of saturated capacity of water binding with chitosan
3. Study on synergistic effect of Co-60 gamma radiation and hydrogen peroxide for
degradation of CTS in swollen state and solution,
4. Study on protection of amine group and limitation of breakage of glucoside ring due
to oxidative degradation.
5. Study on enhancement of concentration of CTS in reactive solution
6. Study on effect of dose rate to degradated rate of CTS
7. Study on the degree of stability of degraded products after irradiated process
Chapter 2
AIMS, CONTENTS METHODS AND EXPERIMETALS 2.1. AIMS
Preparation of low molecular weight chitosan and oligochitosan by simultaneous reaction
of H2O2 and gamma Co-60 ray in swollen state and solution.
2.2. CONTENTS
- Study on the preparation of original chitosan for irradiation process with the aim to be
decrease of deacetylated time and save of chemical reagent.
4
- Study on enhancement of concentration of CTS in irradiated solution, synergistic effect of
γCo60
and H2O2 for degradation of CTS with DD of ~70-90%, calculation of irradiation
degradation yield (Gs) to investigate efficiency of using radiation energy
- Study on the degree of saturated capacity of water binding with CTS in order to apply for
irradiation process of CTS in swollen state,
- Study on preparation of low molecular weight CTS by simultaneously action of γCo60
/
H2O2 and investigation of some factor that effect on degraded process such as: concentration
of H2O2, dose rate in order to choose some initial parameters for degradation of CTS in
swollen state – easy collection of product
- Study on synergistic effect of γCo60
and H2O2 for degradation of CTS with DD of ~ 70 -
90% in swollen state due to the fact that issue has not yet been published.
- Study on preparation of COS and low molecular weight CTS using H2O2 by direct and
indirect method to protect amine group and limit oxidative breakage of glucoside ring
- Study on antimicrobial, antioxidant activity and enhancement of immunity of animal for
degraded product
2.3. METHODS
- IR spectra
- Gel Permeation Chromatography
- UV-Vis Absorption Spectroscopy
- X-ray diffraction
- Gravity analysis
2.4. EXPERIMENTALS
2.4.1. Preparation of original chitosan from chitin
2.4.2. Degradation of original chitosan by hydrogen peroxide
2.4.3. Synergistic effect for preparation of COS by irradiation of CTS solution
2.4.4. Synergistic effect for degradation of CTS in swollen state
2.4.5. Ability of prearation of COS by H2O2 in solution
2.4.6. Application of degraded chitosan product
5
Chapter 3
RESULTS AND DISSCUSSION
3.1. PREPARATION OF ORIGINAL CHITOSAN FROM CHITIN
Figure 3.1 indicated that DD of chitosan change with deacetylation time. Result show
that CTS with DD ~ 83% easily obtained after 3 hour reaction in condition of 90ºC, the ratio
of CTS and NaOH 50% to be 1:10 (w/v). After 3 hour reaction, DD of CTS almost
insignificantly changed.
Figure 3.1 Effect of deacetylation time on the DD of CTS
Figure 3.2 CTS with DD of 79% (a); 84% (b); 95% (c) prepared from chitin
To obtain CTS with DDA ≥ 90% for research, we conducted in two options:
Option 1: After 180 minutes of reaction at 90°C, stop the boiling so that mixture gradually
cooled in 12 hours. The obtained CTS could have DD ≈ 95%.
Option 2: Perform 2nd deacetylated reaction for CTS with DD ≈ 83% at reaction conditions
as the first time, the reaction time is 30 minutes. Obtained CTS could have DD ≈ 96%.
In this dissertation, CTS with DD of 79%, 84%, and 95,5% had prepared following option 1
in order to save reaction time and chemicals.
3.2. DEGRADATION OF ORIGINAL CHITOSAN BY HYDROGEN PEROXIDE
The original CTS has high molecular weight and high viscosity. Therefore, For
preparation of COS solution with high concentration of about 5%, higher than that of the
previously published (1-3%) [32], we have degraded CTS by H2O2 to reduce Mw and
6
viscosity. Reaction conditions were: pH = 9, CTS / 2% H2O2 = 1/10 (w/v), reaction time of
22, 35 and 40 for CTS with DD of 95,5%, 84% and 79% [7], respectively. Results showed
in table 3.1.
Table 3.1. The change of Mw, DD and PI of original CTS degraded by hydrogen peroxide
Original CTS Time Degraded
DD,% Mw, kDa PI (hour) DD, % 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
The table 3.1 indicated that CTS were degraded versus time accompanied reduced DD
process. The degree of DDA reduction was 4.2%, 4.4% and 8.8% for degradation time of 22,
35 and 40 hours, respectively. The type of obtained CTS (Figure 3.3) has Mw of ~ 50 kDa.
Figure 3.3. The original CTS with DD of 72% (a) ; 80.3% (b) and 91% (c)
3.3. SYNERGISTIC EFFECT FOR PREPARATION OF COS BY IRRADIATION
OF CTS SOLUTION
3.3.1 The synergistic effect of preparation COS for CTS with DD of ~91%
Figure 3.4. The relation between Mw of CTS-91 in 5% CTS solution and dose as well as
reaction time (time, h =kGy/1.33)
The table 3.4 indicated that at the dose rate of 1.33kGy/h, the degree of degradation of
CTS with DD of 91% (CTS-91) using γCo60
ray was faster than that of using H2O2 5%. The
7
Mw of CTS-91 degraded by synergistic effect of γCo60
/ H2O2 0.5% decreased insignificantly
at the dose more than 7 kGy. The synergistic effect (D,%) was elucidated by the degree of
reduction of Mw (DRM) caused by reaction factors. This results was showed on table 3.2. It
is observed that the synergistic effect reduced with enhancement of dose.
Table 3.2. The synergistic effect obtained from degradation of CTS-91 in 5% CTS solution
by γCo60
and H2O2 0.5%
CTS Samples
DRM, % = (Mw0 - Mw)×100/ Mw0
2.2 kGy
(1.7 h)
7.6 kGy
(5.7 h)
15.1 kGy
(11.4 h)
19.8 kGy
(14.9 h)
A (H2O2 0.5%)* 7.8 25.1 34.1 49.2
B (γCo60
ray) ** 14.5 33.3 48.0 59.4
C (A & B) ** 54.1 79.8 88.2 90.4
The synergistic effect D (%)
D = [C-(A+B)] 31.8 21.4 6.1 -
* None irradiated samples; ** Irradiated samples (time, h = kGy/1.33)
The mechanism of efficient degradation by synergistic combination (γCo60
and H2O2)
can be explained due to the fact that radiolysis of H2O and H2O2 under gamma irradiation
formed hydroxyl radicals (•OH) as a powerful oxidative agent caused efficient degradation
of CTS. This mechanism was proposed by Ulanski et al. [100]:
γ ray - • • +
2 aq 2 2 2 3
γ ray •
2 2
H O e , H , OH, H O , H , H O (3.1)
H O 2 OH (3.2)
Furthermore, during the irradiation, e-aq and H
• can reat with H2O2 as follows:
- • -
aq 2 2
• •
2 2 2
e + H O OH + OH (3.3)
H + H O OH + H O (3.4)
According to Ulanski et al., •OH radical as an agent that can scavenge H
• caused
breakage of the glucosidic linkage for formation of lower molecular weight CTS.
FT-IR of degraded CTS-91 (Figure 3.5) exhibited most of the characteristic bands as
the initial chitosan. It recognized that obtained product possessed main structure group
which almost unchanged compared to initial CTS. The result of determination of DD by FT-
IR showed that DD of obtained COS at 7.6 kGy were decreased about 2%.
Study on scission of CTS-91 indicated that COS with Mw < 10 kDa could be efficient
prepared by synergistic (γCo60
and H2O2 0.5%) at low dose 7 kGy. The obtained COS
8
possessed PI=1.3, and its main structure group almost unchanged compared to initial CTS.
The DD of COS at 7 kGy decreased insignificantly.
Figure 3.5. FT-IR spectra of CTS-91 (a) and product of degradation by irradiation of
solution CTS-91 5%, H2O2 0.5% at dose 2.2 kGy (b); 7.6 kGy (c), 15.1 kGy (d) and 19.8
kGy (e)
3.3.2 The synergistic effect of preparation COS for CTS with DD of ~ 80,3%
Figure 3.6. The relation between Mw of CTS-80 in 5% CTS solution and dose as well as
reaction time (time, h =kGy/1.33)
Figure 3.6 shows that the combination of γCo60
and H2O2 to degrade CTS with DD ~
80.3% (CTS-80) is very effective at doses <10 kGy. The main functional groups that make
up degraded product of CTS-80 analyzed by FT-IR (Figure 3.7) were almost unchanged
compared with the original CTS-80.
Figure 3.7. FT-IR spectra of CTS-80 (a) and product of degradation by irradiation of solution
CTS-80 5%, H2O2 0.5% at dose 2.6 kGy (b); 5.8 kGy (c), 10.7 kGy (d) and 21.2 kGy (e)
9
Through the research on degradation of CTS-80 in solution, we found that combination
of γCo60
and H2O2 could reduce the dose about 5 times compared to that of using only
γCo60
. COS could be effectively prepare by simultaneous combination of γCo60
and H2O2
for degradation of CTS-80 in the range of dose <10 kGy, and the DD of obtained product
was reduced about 10%.
3.3.3 The synergistic effect of preparation COS for CTS with DD of ~ 72%
Figure 3.8 shows that preparation of COS from CTS with DD ~ 72% (CTS-72) require
a higer dose of 17 kGy. This dose is higher than the dose required to produce COS from
CTS-91 (7 kGy) and CTS-80 (9 kGy). It proved that the lower DD of CTS was the more
difficult degradation of CTS obtained.
Figure 3.8. The relation between Mw of CTS-80 in 5% CTS solution and dose as well as
reaction time (time, h =kGy/1.33)
Figure 3.9. FT-IR spectra of CTS-72 (a) and product of degradation by irradiation of solution
CTS-72 5%, H2O2 0.5% at dose 8.2 kGy (b); 12.3 kGy (c), 16.5 kGy (d) and 21.4 kGy (e)
FT-IR of degraded product exhibited most of the characteristic bands as the initial CTS-
72. It recognized that mainly basic structure of CTS almost unchanged in the range of
applied dose.
10
Through the study on degradation of CTS-72 in solution we found that DD of COS
made of CTS-72 in 0.5% H2O2 solution at the dose ~ 17 kGy decreased about 12% . The
mainly basic Structure of COS almost unchanged compared with the original CTS-72.
Figure 3.10. The solution of 5% CTS-91 before (a) and after (b) irradiation
Figure 3.11. CTS-91(a), degraded product of CTS-91 (b), obtainted COS from CTS-91 (c),
CTS-80 (d) and CTS-72 (e)
Figure 3.10 and Figure 3.11 shows the color of degraded switched to dark yellow or
brown. The color change may be due to the formation of unsaturated glucopyranose ring
structure containing carbonyl or carboxyl groups as the result of recombination of radicals
[105]. Carbonyl group formed at the end of the chain as a result of the degraded process
[95]. The further degradation of was; the stronger absorbed intensity at 290 nm pic obtained.
Figure 3.12. The UV-vis spectra CTS-91(a), degraded product of CTS-91 (b), obtainted
COS from CTS-72 (c), CTS-80 (d) and CTS-91 (e) with concentration of 0.1% (w/v) in
0.05% acetic acid solution
11
Based on results of degradation of CTS in the solution we obtained some important
conclusion as follows:
- By mean of degradation original CTS using H2O2 to reduce its Mw to about 50 kDa, the
viscosity of the irradiated CTS solution reduced . As a result, for the first time we had
prepared COS solution with concentration of 5% which was higher than that of the previous
studies (only 1-3%),
- COS could be effectively prepared by the synergic effects of γCo60
and H2O2 0.5% at
relatively low doses less more than 20 kGy,
- The synergistic effect of γCo60
and H2O2 0.5% decreases with increasing dose,
- The efficiency of degradation by γCo60
(1.33 kGy/h) in solution was higher than that of
degradation by H2O2 0.5% in the same reaction time,
- The irradiation degradation yield was significantly increased in the presence of H2O2
0.5% in irradiated solution,
- CTS-91 was easily degraded by radiation compared to the CTS-80 and CTS-72,
- Degradation of CTS using γCo60
obtained polydispersity index of polymer Mw that was
relatively lower compared to that of degradation of CTS using H2O2 0.5%.
3.4. SYNERGISTIC EFFECT FOR DEGRADATION OF CTS IN SWOLLEN STATE
3.4.1. Determination of initial parameters of degraded CTS in swollen state
Table 3.3 shows that the degree of moisture content (DMC) of the CTS samples
decreases with increasing DD of CTS. The C70 and C80 samples possessed degree of
saturated capacity of water binding with CTS (DSCWBC) was significantly higher than that
of C90 samples. When the DD increased 90%, the DSCWBC decreased remarkably.
Table 3.3. DMC and DSCWBC of CTS samples
Symbol of CTS samples DD (%) Mw (kDa) DMC (%) DSCWBC (%)
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
The lowest DSCWBC of CTS with DD of 70-90% was 600%, corresponding to the
ratio of CTS / H2O = 1/6. For advantageous operation of equipment and non water separated
from CTS before irradiation, the rate of CTS / H2O = 1/5 were choosed for all experiments.
12
3.4.2. Degradation of CTS by synergistic effect of γCo60
and H2O2 in swollen state and
examination of effects of concentration and dose rate
Figure 3.13. The reduction of Mw of CTS swollen in water and in solution versus dose
Figure 3.13 shows that the Mw of CTS swollen in H2O2 decreased rapidly in the the
range of doses from 0 to 7 kGy. Then, Mw decreased gradually with the increasing of dose.
Meanwhile, the Mw of CTS swollen in water insignificantly decreased.
The FT–IR spectra of degraded product exhibited most of the characteristic bands as
the initial CTS (Figure 3.14). It indicated that there is no change in main structure of
degraded chitosan compared to that of initial one. Furthermore, the carboxyl groups
assigned as a oxidative product of glucopyranose rings cleavage-peak at 1730 cm-1
[76]
were absent . It confirmed that the oxidation of glucopyranose rings to acidic functional
groups did not occur.
Figure 3.14. FT-IR spectra of initial CTS (a) and degrade product of CTS in swollen state
with H2O2 at the concentrations of 1 % (b), 3% (c), 5% (d) at the dose of 10 kGy
The XRD patterns of initial CTS and degraded CTS were illustrated in Figure 3.14. It
revealed that XRD patterns of degraded CTS also have two peaks, 2θ = 10.3º and 19.8º, that
are similar to characteristic peaks of initial CTS [45]. Accordingly, the crystalline structure
of degraded CTS was also unchanged compared to that of initial one at the dose of 10 kGy.
13
Figure 3.15. XRD patterns of the initial (a) and degraded CTS in swollen state with 1
% (b), 3% (c) and 5% (d) concentration of H2O2 irradiated at 10 kGy
The UV-vis spectra of chitosan with the different Mw were showed in Figure 3.15. It
indicated that initial CTS had almost no absorbance in the wavelength range of 240-320 nm.
Whereas irradiated chitosan had peak at 299 nm ascribed to the n → π* transition for
carbon-oxygen double bonds [34] that was evidence of the presence of carbonyl groups
(C=O) of the irradiated CTS. It was likely that these carbonyl groups were transformed
products at position C1 and C4 of degraded CTS.
Figure 3.16. UV-vis spectra of 0.1% w/v CTS solution with the different Mw in 0.05 %
acetic acid solution
Table 3.4 shows that the lower dose rate used the higher efficiency of degradation
obtained, and PI values tend to decrease with the decreasing of the dose rate. However, in
our opinion the dose rate > 1 kGy / h should be chosen to apply to large scale in order to
save time and increase efficiency of irradiated equipment.
Table 3.4. Mw và PI of degraded CTS swollen in trong H2O2 5% irradiated at 10 kGy with
different dose rate
Dose rate, 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
14
Figure 3.17. The initial CTS-powder form (a), CTS swollen in 5% H2O2 solution (b) and
CTS degraded by synergistic effect (c)
Based on the analysis of experimental results and comparisons with the reference, we
found that H2O2 concentration of 5% is suitable for the degraded process of CTS in swollen
state, and the dose rate of 1.33 kGy/h was chosen because this dose rate was commonly
used for disinfectant of food at the Vinagamma center.
3.4.3. The synergistic effect for degradation of CTS with DD of ~ 91% in swollen state
Figure 3.18. The relation between Mw and dose for degradation of CTS-91 swollen in
water and 5% H2O2 solution (time, h =kGy/1.33)
Figure 3:18 shows that 5% H2O2 degraded CTS more efficiently than γCo60
. It is worth
noting that CTS swollen in water has a very low DRM compared to that of CTS in solution.
The reason may be due to the degraded mechanism of CTS in swollen state changed owing
to lack of water. Besides radiolysis of water formed HO played degraded role, degraded
reaction was also caused by direct exposure of radiation on CTS molecular chain [62], [45].
1 2
R R (3.6)
R R +R (3.7)
hv
In the swollen state, the distance of radicals was nearer than their distance in the
solution, so the recombination between free radicals may be increase. As a result, the DRM
is negligible.
15
Table 3.5. The synergistic effect for degradation of CTS-91 by γCo60
and H2O2 5%
CTS samples
DRM, % = (Mw0 - Mw)×100/ Mw0
3.7 kGy
(2.8 h)
8.2 kGy
(6.2 h)
12.0 kGy
(9.0 h)
15.9 kGy
(12.0 h)
22.7 kGy
(17.1 h)
A (H2O2 5%)* 5.1 15.7 23.7 27.4 30.2
B (γCo60
ray)** i 1.2 3.1 4.3 5.5 8.4
C (A & B) ** 52.2 65.7 71.2 74.5 77.1
The synergistic effect, D (%)
D = [C-(A+B)] 45.9 46.9 43.2 41.9 38.5
* None irradiated samples; ** Irradiated samples (time, h=kGy/1.33); i 1gCTS/5ml H2O
Figure 3.19. FT-IR spectra of CTS-91 (a) and degrade product of CTS-91 swollen in H2O2
5% at the doses of 8.2 kGy (b), 12.0 kGy (c), 15.9 kGy (d) and 22.7 kGy
Table 3.5 shows that the degradation of CTS-91 in swollen state have synergistic effect
peaked at the dose ~ 9 kGy. Figure 3.19 shows that the most characteristic group of CTS
also exhibited in FT-IR of degraded product. However, when the applied doses > 12 kGy
we found signs of carboxyl group - pic at 1730 cm-1
[76]. This suggests that the CTS-91
irradiated in swollen state in H2O2 5% with the doses > 12 kGy likely occured ring opening
reaction.
Figure 3.20. Initial CTS-91 (a) and low Mw CTS-91
16
Based on the results of degradation of CTS-91 in the swollen state, we found that 5%
H2O2 degraded CTS more efficiently than γCo60
. The efficiency of degradation of CTS- 91
by γCo60
in swollen state was significantly lower than that of degradation in solution. CTS-
91 degraded in swollen state has synergistic effect peaked at the dose about 9 kGy. When
the dose was more than 12 kGy, obtained CTS was likely broken glucopyranose ring.
3.4.4. The synergistic effect for degradation of CTS with DD of ~ 80,3% in swollen state
Figure 3.21. The relation between Mw and dose for degradation of CTS-80 swollen in
water and 5% H2O2 solution (time, h =kGy/1.33)
Figure 3.21 shows that the CTS-80 swollen in water with the ratio of 1g CTS/ 5ml water
have been almost no degradation of Mw with increasing of doses similar to CTS-91. The
FT-IR spectra in Figure 3.22 shows that the degraded product of CTS- 80 essentially
unchanged in structure compared to the original CTS-80.
Figure 3.22. FT-IR spectra of CTS-80 (a) and degrade product of CTS-80 swollen in H2O2
5% at the doses of 7.1 kGy (b), 15.5 kGy (c), 20.1 kGy (d) and 22.6 kGy
Based on the research on degradation of CTS-80 in swollen state, we found that the
synergistic effect (γCo60
and H2O2) has increased the efficiency of degradation and the
maximum value of D reached to be ~ 17% at the dose of 20 kGy. The simultaneous
combination of γCo60
and H2O2 allows efficient manufacture of low Mw CTS (Figure 3.23
b) and COS from the original CTS (Figure 3.23 a) in the swollen state. The DDA of
degraded CTS at the dose 15.5 kGy reduced about 16%.
17
Figure 3.23. Initial CTS-91 (a) and low Mw CTS-91
3.4.5. The synergistic effect for degradation of CTS with DD of ~ 72% in swollen state
Figure 3.24. The relation between Mw and dose for degradation of CTS-72 swollen in
water and 5% H2O2 solution (time, h =kGy/1.33)
Figure 3.24 shows that degradation of CTS-72 by 5% H2O2 is quite effective.
Meanwhile, DRM of CTS-72 degraded by γCo60
was quite low. The synergistic
combination of γCo60
and 5% H2O2 obtained result that has not been really outstanding
compared to that of degradation by 5% H2O2. The Maximum value of D achieved
approximately 12% at the dose of 14 kGy. This value is lower than the ones of degradation
of CTS-91 and CTS-80.
Figure 3.25. FT-IR spectra of CTS-72 (a) and degrade product of CTS-72 swollen in H2O2
5% at the doses of 7. 5kGy (b), 14.0 kGy (c), 20.1 kGy (d) and 22.4 kGy
18
The FT-IR in Figure 3.25 shows that the the main structure of degraded product from
CTS-72 were almost unchanged compared to the original CTS-72. The DDA of degraded
CTS-72 at the dose of 20 kGy reduced 12% compared to that of the original CTS. The
degree of reduction of DD for CTS-72 was relatively lower than the CTS-80 and CTS-91.
Figure 3.26. Initial CTS-72, 47.8 kDa (a) and low Mw CTS-72, 13.3 kDa
Based on experimentals of synergistic effect for degradation of CTS-72 we found that
application of synergistic effect (γCo60
and 5% H2O2) can prepare the low Mw CTS 13 kDa
(Figure 3.26 b) at the doses about 22 kGy. The H2O2 5% agent degraded CTS-72 quite
effectively, and the DRM of CTS-72 was negligible as the agent was γCo60
. The maximum
value of D for degradation of CTS-72 obtained about 12% that is relatively low.
Application for degradation of CTS-72 in swollen state obtained efficiency that was not
really outstanding compared to that of degradation by 5% H2O2 for DRM. However, the
synergistic method has advantages in reducing PI of degraded polymer.
Figure 3.27. CTS-72 after degradation in swollen state
Figure 3.28. CTS-80 (a); low Mw CTS degraded from CTS-72 (b); CTS-80 (c); CTS-91(d)
and COS prepared from CTS-80 (e)
Figure 3.27 and 3.28 describes the mixture CTS after irradiation in swollen state. the
color of degraded CTS-91 was relatively darker than that of degraded CTS-72 and CTS-80.
The color change may be due to the formation of unsaturated glucopyranose ring structure
as we discussed above - degradation in solution.
19
Based on research of synergistic effects (γCo60
and 5% H2O2) in swolen state, we
obtained some important conclusion as follows:
- H2O2 5% agent degraded CTS in swollen state was more effective than γCo60
(1.33 kG/h).
- Degradation of CTS by γCo60
in swollen state obtained efficiency that was significantly
lower compare to efficiency in solution.
- The synergistic effect of degradation of CTS in swollen state peaked at the doses of 9, 20
and 14 kGy for the original CTS with DD of 91, 80.3 and 72%, respectively.
- The radiation degradation yield significantly increased in the presence of H2O2. The
degree of increase of in radiation degradation yield decreases with increasing of dose.
- The low Mw can be effectively prepared by synergies combination of γCo60
and 5% H2O2.
The structure and DD of product insignificantly changed compared to the original CTS at
the doses <12 kGy.
-This is the first time the research process of degradation of CTS in swollen state has carried
out. The low Mw CTS and COS in swollen state after irradiation was collected easily -
differs from degradation in solution. So degradation of CTS in swollen state was very
potential for application in industrial scale. In addition, low Mw CTS can be applied directly
or as raw material for manufacture of COS in solution at the low dose.
3.5. ABILITY OF PREARATION OF COS BY H2O2 IN SOLUTION
Figure 3.29. The relation between Mw and reaction time for method 1
Figure 3.29 describes Mw of CTS decreases versus reaction for method 1 - creasing the
concentration of H2O2 (1% / 1 hour). Regression result obtained equation:
Mw = 34,665×e-0,349×t
20
Results of statistical analysis showed that in the strict inspection exponential model
describes well the experimental data. From the above results can predict degraded reaction
model to follow first-order kinetics.
Figure 3.29. The relation between Mw and reaction time for method 2
Figure 3.30 describes Mw of CTS decreases versus reaction for method 2-degradation
by H2O2 5% (for at one time). Nonlinear regression result obtained equation:
Mw = 21,566×t-0,368
Based on the research degradation of CTS by H2O2 in solution, we found: The method
1 - H2O2 was added to each different stage, degraded kinetic model follow first-order
kinetics. When H2O2 was added at the same time (method 2) the degraded reaction does not
follow first-order kinetics model. Method 1 were more advantage than the method 2 in
terms of efficiency of degradation, protection of amino group and at hardly altering
structure of the product. However, comparison with irradiation applied synergistic effect of
H2O2 and γCo60
in terms of preparation of COS, chemical methods obtained the larger
reduction of DD.
3.6. APPLICATION OF DEGRADED CHITOSAN PRODUCT
3.6.1. Antioxidant activity
Figure 3.31 shows that the smaller Mw of CTS and COS have the higher efficiency for
scavenging of free radicals . At the reaction time of 90 min. The yield for scavenging of free
radicals were 69.9; 84.5; 89.2 and 99.3% for CTS and COS with Mw of 45.0; 23.4; 9.9 and
4.7 kDa, respectively. The reason may be due to the fact that the -NH2 and -OH groups play
crucial role in antioxidant activity [113], and they were more mobile in low Mw CTS
compared to in high Mw CTS .
21
Figure 3.30. The yield of CTS and COS for scavenging of free radicals
3.6.2. Antimicrobial activity
Antibacterial activity of low Mw CTS prepared by irradiation
The CTS with Mw of 30 - 60 kDa prepared by γCo60
irradiation of CTS swollen in 5% H2O2
solution has good antibacterial activity with yield ~ 100%.
Antibacterial activity of low Mw CTS and COS prepared by chemical method
CTS with Mw of ~ 10-15 kDa prepared by chemical method have good antibacterial
activity. The suitable concentrations of CTS with Mw of 15 kDa to against E. coli bacteria
(negative gram) and S. aureus bacteria (positive gram) were 300 ppm and 200 ppm,
respectively.
3.6.2. The enhancement-immunity effect on chicken
When CTS KLPT ~ 15 kDa (CTSM15) had been supplemented into food, the chicken has
better immunity in terms of weather changes or injection of the vaccine for epidemic
prevention. the speed growing up of chicken was quite stable Because of hardly infected
chicken. Results of the analysis showed that the concentration of CTSM15 about 200-400
ppm added to chicken feed obtained efficiency of immunity and growth best.
CONCLUTIONS
This is the first times in Vietnam, the synergistic effects of γCo60
and H2O2 for
degradation of chitosan with the different degree of deacetylation of 72, 80 and 91% was
carried out systematically. The results obtained from this study on the synergistic effects of
chitosan in swollen state, degradation in solution with chitosan concentration of 5% and
degradation by means of adding H2O2 step by step are new results that have not yet been
22
published. The dissertation contributes to the development of applications for preparation of
oligochitosan solution with a high concentration of 5% towards large-scale production
(previously only 1-3%). Based on research contents of the dissertation, we achieved some
typical results as follows:
1. Chitosan with relatively high degree of deacetylation ~ 80% has been prepared in
conditions: NaOH 50%, temperature 90oC after 3 hours of reaction. The degree of
deacetylation can be increased up to about 95% by means of reaction mixture gradually
cooled for 12 hours.
2. Oligochitosan solution (5%) has been prepared by synergistic effect of γCo60
and 0.5%
H2O2 at low doses less than 20 kGy. The required dose to prepare oligochitosan from
original chitosan with degree of deacetylation 91, 80 and 72%, were 7, 9 and 17 kGy,
respectively. The radiation degradation yield has been significantly increased in the
presence of H2O2 in the irradiated chitosan solution. The higher the degree of deacetylation
of chitosan, the higher radiation degradation yield and degraded rate constant obtained.
3. Chitosan with molecular weight of 30-45 kDa was effectively prepare by irradiation of
chitosan (Mw ~ 91.7 kDa, DD ~ 91.3%) swollen in H2O2 solution in the low dose range
from 2.5 to 10 kGy. H2O2 concentration of 5% is suitable for the degradation of chitosan in
swollen state in terms of limiting the structural changes and reduction the degree of
deacetylation of products.
4. The low molecular weight chitosan and oligochitosan have been prepared by the
synergistic effect in swollen for the first time. H2O2 5% agent degraded CTS in swollen
state was more effective than γCo60
(1.33 kG/h). Degradation of CTS by γCo60
in swollen
state has efficiency that was significantly lower compare to efficiency in solution. The
synergistic effect of degradation of CTS in swollen state was maximum at dose of 9, 20 and
14 kGy for the original CTS with DD of 91, 80 and 72%, respectively. The structure and
DD of product insignificantly changed compared to the original CTS at the doses <12 kGy.
5. The degradation method using only H2O2 increased by each different stage fixs first-
order kinetics model. This method has more advantage than the one that H2O2 was added at
the same time in terms of efficiency of degradation and protection of amino group.
However, the degraded effectiveness of chemical method using only H2O2 was still less than
the method using synergistic effect of γCo60
and H2O2.
23
6. The lower chitosan molecular weight showed the higher antioxidant activity . The
antibacterial activity of low molecular weight chitosan was higher than that of
oligochitosan. Chitosan with molecular weight of 30-60 kDa exhibited good antibacterial
activity with antibacterial efficiency of ~ 100%. Chitosan with molecular weight of 15 kDa
has effects to increase the immunity and weight gain of chicken. The optimal concentration
to mix into chicken feed was 200-400 ppm.
LIST OF ACADEMIC WORKS PUBLISHED THE DISSERTATION
I. On the magazine
1. Dang Xuan Du, Dinh Quang Khieu, Diep Khanh, Nguyen Quoc Hien (2013), Study
on synergistic effect of γ-ray Co-60 and H2O2 on the degradation of chitosan to
prepare oligochitosan, Journal of Chemistry, Vol. 51(2C), pp. 627–631.
2. Dang Xuan Du, Nguyen Thị Thu Huong, Vo Quang Mai, Tran Thai Hoa, Nguyen
Quoc Hien (2013), Study on synergistic effect of γ-ray/ H2O2 for degradation of
chitosan in swollen state with water, Journal of Chemistry, Vol. 51(3AB),
pp. 169–172.
3. Tran Thai Hoa, Dang Xuan Du, Nguyen Quoc Hien, Nguyen Thi Thanh Hai, Dinh
Quang Khieu (2013), A study on the preparation of oligochitosans by hydroperoxide
hydrolysis of chitosan and its antibacterial activity, Journal of Chemistry, Vol. 51(2C),
pp. 955–959.
4. Dang Xuan Du (2013), Determination of the saturated capacity of water binding with
chitosans prepared from shrimp shell, Scientific Journal of Saigon University, Vol.
13, pp. 92 – 99.
5. Dang Xuan Du, Bui Phuoc Phuc, Tran Thi Thuy, Le Anh Quoc, Dang Van Phu,
Nguyen Quoc Hien (2013), Study on gamma-irradiation degradation of chitosan
swollen in H2O2 solution and its antimicrobial activity for E. coli, Nuclear Science
and Technology, Vol. 3, pp. 33–39.
6. Dang Xuan Du, Vo Quang Mai, Nguyen Ngoc Duy, Dang Van Phu, Nguyen Quoc
Hien (2014), Degradation of chitosan by γ-irradiation of chitosan swollen in
hydrogen peroxide solution, Journal of Science and Technology, Vol. 52(4),
pp. 441–450.
7. Dang Xuan Du, Diep Khanh, Tran Thi Anh Thu, Vo Quang Mai (2015), Study on
synergistic action of gamma Co-60 ray and hydrogen peroxide for degradation of
chitosan with degree of deacetylation of 70% in swollen state, Scientific Journal of
Saigon University, Vol. 1(26), pp. 21–31.
II. Join Workshop
1. Dang Xuan Du, Tran Thai Hoa, Vo Quang Mai, Le Cong Nhan, Nguyen Ngoc Duy,
Dang Van Phu, Nguyen Quoc Hien (2013), Study on enhancement of radiation
degradation yield by gamma Co-60 irradiation method on chitosan swollen in H202
solution, Program and Abstract of Reports of The 10th
National Workshop on
Science and Nuclear Technology, p. 224.
2. Dang Xuan Du , Tran Thai Hoa , Nguyen Thi Thu Huong, Vo Quang Mai, Nguyen
Quoc Hien (2013), Study on synergistic effect of γ-ray/H2O2 for scission of chitosan
chain in swollen state with water, Category of The 3rd
National Workshop on Science
for Young Lecturer of University of Pedagogy, Da Nang Publishing, p. 10.