Nghiên cứu ảnh hưởng của suất liều, liều hấp thụ và nồng độ H2O2 đến khối lượng phân tử alginate cắt mạch bằng xử lý chiếu xạ tia gamma Co-60

Bài viết trình bày việc nghiên cứu ảnh hưởng của suất liều, liều hấp thụ và nồng độ H2O2 đến khối lượng phân tử alginate cắt mạch bằng xử lý chiếu xạ tia gamma Co-60. Trong nghiên cứu này KLPT của alginate được khảo sát khi chiếu xạ cắt mạch alginate trong dung dịch 4% ở các suất liều và liều xạ khác nhau. Hiệu ứng cắt mạch alginate khi bổ sung H2O2 vào dung dịch alginate cũng được khảo sát.

Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học Công nghệ hạt nhân toàn quốc lần thứ 14 Proceedings of Vietnam conference on nuclear science and technology VINANST-14 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SUẤT LIỀU, LIỀU HẤP THỤ VÀ NỒNG ĐỘ H2O2 ĐẾN KHỐI LƯỢNG PHÂN TỬ ALGINATE CẮT MẠCH BẰNG XỬ LÝ CHIẾU XẠ TIA GAMMA Co-60 EFFECTS OF DOSE RATE, ABSORBED DOSE AND H2O2 CONCENTRATION ON MOLECULAR WEIGHT OF ALGINATE DEGRADED BY GAMMA RAY CO-60 IRRADIATION NGUYỄN VĂN BÍNH, NGUYỄN THỊ THƠM, HỒNG ĐĂNG SÁNG, TRẦN BĂNG DIỆP, TRẦN XUÂN AN, HOÀNG PHƯƠNG THẢO, TRẦN MINH QUỲNH Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam Tóm tắt: Các mẫu dung dịch alginate 4% chiếu xạ nguồn gamma Co-60 với liều xạ 0; 2,5; 5; 10; 20 kGy có không bổ sung H2O2 Đối với hiệu ứng suất liều mẫu alginate chiếu xạ với liều 20 kGy suất liều 7,8; 1,25; 0,625 kGy/h Ảnh hưởng trình cắt mạch đến khối lượng phân tử (KLPT) khảo sát theo suất liều, liều hấp thụ nồng độ H2O2 bổ sung Kết cho thấy KLPT giảm tăng liều xạ KLPT trung bình số lượng (Mn) trung bình khối lượng (Mw) giảm từ 280.250 g/mol 776.460 g/mol xuống 64.226 g/mol 107.097 g/mol chiếu xạ liều kGy giảm tiếp xuống 31.413 g/mol 49.594 g/mol tăng liều xạ lên 20 kGy Khi bổ sung H 2O2 2%, Mw giảm xuống 9.794 g/mol liều xạ 20 kGy Mw Mn giảm xuống 65.015 g/mol 36.610 g/mol xuống 43.694 g/mol 28.436 g/mol tương ứng với suất liều 7,8 kGy/h 0,625 kGy/h liều xạ 20 kGy Độ phân tán (Mw/Mn) giảm dần tăng liều xạ Từ khóa: Alginate, chiếu xạ gamma, khối lượng phân tử, hydro peoxit Abstract: Aqueous solutions of alginate (4%, w/v) with or without hydrogen peroxide (H 2O2) were irradiated at dose ranges of 0-20 kGy by gamma Co-60 rays Influences of the radiation scission on the molecular weight (Mw, Mn) of alginate samples were determined by gel permeation chromatography (GPC) The results showed that Mw and Mn values of alginate were significantly decreased with increasing dose Particularly, Mw and Mn of alginate reduced from 776.460 g/mol (Mw0) and 280.250 g/mol (Mn0) to 107.097 g/mol and 64.226 g/mol after irradiation at kGy, and continuously decreased to 31.413 g/mol and 49.594 g/mol at dose of 20 kGy The Mw of 9.794 g/mol (oligoalginate) was obtained with the solution irradiated at 20 kGy in the presence of H 2O2 (2%) The influence of the dose rate on the molecular weight (Mw, Mn) of alginate irradiated at 20 kGy was also investigated The results showed that Mw and Mn values were decreased with the decrease of dose rate In addition, the polydispersion index (Mw/Mn) was decreased with increasing dose as well Keywords: Alginate, gamma irradiation, molecular weight, hydro peroxide MỞ ĐẦU Alginate polysaccharide phong phú giới loại polymer sinh học nhiều thứ hai sau cellulose Alginate acid hữu có tảo nâu Stanford phát lần vào năm 1881 Alginate chủ yếu tìm thấy thành tế bào gian bào tảo nâu thuộc họ Rhaeophyceae biển, tảo bẹ Macrocystis pyrifera, Nodosum ascophyllum loại Lamminaria nhiều tảo nâu [1, 2] Cấu trúc alginate gồm phân tử β-D-mannuroic acid (M) α- L-guluronic acid (G) liên kết với liên kết 1-4 glucozit Có loại liên kết gặp phân tử alginate: (M-M-M), (G-G-G), (M-M-G) Hình Cấu trúc hóa học alginate 509 Tiểu ban D3-D4: Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân nông nghiệp, ứng dụng công nghệ xạ Section D3-D4: Application of nuclear techniques in agriculture, radiation technology application Alginate ứng dụng rộng rãi, công nghiệp in hoa alginate natri chất tạo cho thuốc nhuộm có độ dính cao, in hoa khơng nhịe rõ ràng làm cho vải không thấm nước Trong công nghiệp thực phẩm đồ uống làm chất ổn định bọt (bia), chống tách pha (kem), chất ổn định độ nhớt, tạo gel [2] Alginate ứng dụng làm giá thể cố định hoạt chất sinh học enzim, tế bào Ở lĩnh vực nơng nghiệp oligoalginate có hiệu ứng kích thích tăng trưởng tốt số loại như; cà rốt, cải bắp, hành tây, hoa cúc… [ 3-8] Xử lý chiếu xạ biết đến kỹ thuật thân thiện, hiệu không việc tiệt trùng sản phẩm, mà việc biến đổi đặc tính vật liệu theo mục đích ứng dụng thực điều kiện thường khơng sử dụng hóa chất phụ gia Xử lý chiếu xạ có khả làm thay đổi cấu trúc tính chất hóa lý polyme tăng khả hòa tan, giảm KLPT, giảm độ nhớt hiệu ứng cắt mạch xạ ion hóa Chiếu xạ gây phản ứng trùng hợp, khâu mạch ghép mạch phân tử polyme Mặc dù hai trình cắt mạch khâu mạch diễn đồng thời chiếu xạ polyme, song hiệu ứng cắt mạch thường chiếm ưu polysaccharide Do đó, kỹ thuật chiếu xạ cắt mạch áp dụng để tạo chế phẩm oligo-saccharide dùng nông nghiệp [9, 10] Nghiên cứu trình cắt mạch alginate thực nhiều nhóm nghiên cứu Tuy nhiên, nghiên cứu ảnh hưởng suất liều nồng độ H2O2 đến trình cắt mạch alginate vấn đề chưa quan tâm nghiên cứu nhà khoa học Trong nghiên cứu KLPT alginate khảo sát chiếu xạ cắt mạch alginate dung dịch 4% suất liều liều xạ khác Hiệu ứng cắt mạch alginate bổ sung H 2O2 vào dung dịch alginate khảo sát ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nguyên vật liệu Alginate dạng bột hãng Kishida Chemical Co., Japan, hydrogen peroxide (H2O2) 30% hóa chất khác mua từ hãng Merck, Đức Dung dịch alginate nồng độ 4% (trọng lượng/thể tích) pha cách ngâm trương alginate nước nhiệt độ phòng qua đêm, sau khuấy tan hồn tồn Các mẫu dung dịch alginate chiếu xạ nguồn Co-60 với liều xạ 0; 2,5; 5; 10; 20 kGy có khơng bổ sung H2O2 (nồng độ 0,5; 2%) Đối với thí nghiệm ảnh hưởng suất liều, mẫu alginate chiếu xạ với liều 20 kGy suất liều 7,800; 1,250; 0,625 kGy/h Khối lượng phân tử Mw Mn đo sắc ký gel thấm qua (Gel permeation chromatography– GPC); LC-20 AD Cột: Shodex 803 HQ, Shodex Group, Japan Pha động: 0,1 mol/L dung dịch NaNO 3, tốc độ dòng: 0,5 ml/phút, nồng độ dung dịch alginate: 0,1% Suất liều hấp thụ đo hệ đo liều dichromate [11] Nguồn gamma Co-60 thí nghiệm: - Gamma Chamber 5000, BRIT, Ấn Độ Trung tâm Công nghệ Sinh học Tp HCM, suất liều: 7,80 kGy/h - Gamma Chamber 5000, BRIT, Ấn Độ Viện Nghiên cứu Hạt nhân (Đà Lạt), suất liều: 1,25 kGy/h Dùng che chắn buồng chì (suất liều giảm nửa): 0,625 kGy/h KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Ảnh hưởng liều xạ đến KLPT alginate Ảnh hưởng xử lý chiếu xạ đến Mn Mw dung dịch alginate 4%, kết trình bày bảng cho thấy KLPT giảm nhanh chiếu xạ liều kGy, sau KLPT alginate giảm chậm lại khoảng liều từ 10-20 kGy Cụ thể Mn Mw giảm từ 280.250 g/mol 776.460 g/mol xuống 64.226 g/mol 107.097 g/mol chiếu xạ liều kGy giảm tiếp xuống 31.413 g/mol 49.594 g/mol tăng liều xạ lên 20kGy 510 Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học Cơng nghệ hạt nhân tồn quốc lần thứ 14 Proceedings of Vietnam conference on nuclear science and technology VINANST-14 Kết bảng cho thấy độ phân tán (Mw/Mn) giảm dần liều xạ tăng, chứng tỏ alginate cắt mạch xạ có KLPT phân bố đồng so với alginate ban đầu Cụ thể độ phân tán 2,77 ban đầu alginate giảm xuống 2,33 1,58 tương ứng với liều xạ 2,5 20 kGy Nghiên cứu số tác giả khác suy giảm KLPT số tính chất alginate xử lý chiếu xạ trạng thái khô dạng dung dịch [12,13] Nghiên cứu N Q Hiến cộng cho thấy Mn Mw giảm nhanh khoảng liều 100 kGy alginate dạng bột khô 20 kGy dạng dung dịch alginate 4% Độ phân tán (Mw/Mn) giảm dần tăng liều xạ [10] Bảng KLPT Mn, Mw độ phân tán (Mw/Mn) alginate chiếu xạ dạng dung dịch 4% Liều xạ (kGy) KLPT (g/mol) Mw/Mn 2,5 10 20 Mn Mw Mn Mw Mn Mw Mn Mw Mn Mw 280.250 776.460 103.861 242.348 642.26 107.097 379.52 649.25 31.413 49.594 2,77 2,33 1,67 1,71 1,58 Kết bảng chứng tỏ tia gamma gây cắt mạch alginate, hình thành phân đoạn có KLPT thấp Sự giảm KLPT theo liều xạ chứng tỏ tác dụng xạ alginate cắt mạch Như vậy, xạ ion hóa gây cắt mạch phân tử alginate, KLPT Mn Mw, độ phân tán (Mw/Mn) giảm liều xạ tăng 3.2 Ảnh hưởng suất liều đến KLPT alginate Alginate pha nồng độ 4% (trọng lượng/thể tích) sau xử lý chiếu xạ liều 20 kGy với suất liều 7,8; 1,25; 0,625 kGy/h Kết bảng cho thấy KLPT giảm dần theo giảm suất liều KLPT Mw giảm đến 65.015, 49.594 43.694 g/mol tương ứng suất liều 7,800; 1,250 0,625 kGy/h Kết bảng cho thấy độ phân tán (Mw/Mn) giảm suất liều giảm Bảng Ảnh hưởng suất liều đến KLPT alginate chiếu xạ liều 20 kGy Suất liều, kGy/h KLPT (g/mol) Mw/Mn 7,800 Mw 65.015 1,250 Mn 36.610 Mw 49.594 1,776 0,625 Mn 31.413 1,579 Mw 43.694 Mn 28.436 1,537 KLPT (Mw, Mn) alginate cắt mạch chiếu xạ tia gamma Co-60 dung dịch alginate 4% (w/v), liều xạ (20 kGy), giảm dần theo giảm suất liều Như vậy, rút kết luận suất liều thấp cắt mạch alginate hiệu suất liều cao Có thể giải thích sau, chiếu xạ liều cao tác nhân gốc •OH tạo nhiều khoảng thời gian so với suất liều thấp, nên gốc tự chưa kịp phản ứng với alginate tái kết hợp nguyên nhân làm giảm mức độ cắt mạch liều xạ so với suất liều thấp 3.3 Ảnh hưởng nồng độ H2O2 đến KLPT alginate chiếu xạ Ảnh hưởng nồng độ H2O2 bổ sung vào dung dịch alginate 4% chiếu xạ đến KLPT Kết hình cho thấy KLPT giảm nhanh liều xạ 2,5 kGy, sau giảm chậm lại khoảng liều từ 5-20 kGy Khi bổ sung thêm H2O2 KLPT giảm mạnh so với khơng bổ sung H2O2 Mw giảm từ 776.460 g/mol xuống 242.348 g/mol không bổ sung H2O2 liều xạ 2,5 kGy, liều xạ 2,5 kGy có bổ sung H2O2 2% KLPT giảm xuống 64.249 g/mol Mw giảm đến 9.794 g/mol (oligoalginate) bổ sung H2O2 2% xử lý chiếu xạ liều 20 kGy Nhiều kết nghiên cứu cho thấy việc bổ sung hydrogen peoxide giúp làm tăng mức độ cắt mạch xạ dung dịch chitosan, alginate giải thích có phân li xạ nước tác dụng tia γ Co60 hình thành gốc tự hydroxyl (•OH) có tính oxy hóa mạnh tác nhân bắt hydro, làm đứt liên kết glycosit tạo thành phân tử có KLPT thấp [9, 13, 14, 15] Nguyên nhân xảy hiệu ứng đồng vận cắt mạch xạ polysaccharide dung dịch có mặt H 2O2 Cơ chế 511 Tiểu ban D3-D4: Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân nông nghiệp, ứng dụng công nghệ xạ Section D3-D4: Application of nuclear techniques in agriculture, radiation technology application mô tả sau: Trong q trình chiếu xạ e-aq H phản ứng với H2O2 Hiệu ứng đồng vận (synergistic effect) định nghĩa là: tác dụng đồng thời hai tác nhân (chất phản ứng) lớn tổng tác dụng hai tác nhân tác dụng riêng rẽ [9, 15] Do vậy, hiệu ứng cắt mạch đồng vận giúp giảm liều xạ khoảng lần mà đạt oligoalginate có KLPT gần tương đương với sản phẩm oligoalginate chiếu xạ không bổ sung H2O2 [13] Phương pháp thực quy mơ lớn để tạo oligo-saccharide với chi phí chiếu xạ thấp Khối lượng phân tử (Mwx103) 250 200 0% H2O2 0,5% H2O2 150 1% H2O2 2% H2O2 100 50 2.5 10 Liều xạ (kGy) 20 Hình Ảnh hưởng nồng độ H2O2 liều xạ đến KLPT alginate KẾT LUẬN Khi xử lý chiếu xạ dung dịch alginate 4%, KLPT Mn Mw giảm nhanh liều kGy, sau KLPT alginate giảm chậm lại khoảng liều từ 10-20 kGy Độ phân tán (Mw/Mn) giảm dần tăng liều xạ KLPT alginate giảm theo giảm suất liều chiếu xạ dung dịch alginate 4% liều 20 kGy Độ phân tán (Mw/Mn) giảm suất liều giảm khoảng từ 7,8 đến 0,635 kGy/h Khi bổ sung thêm H2O2 (0,5-2%) vào dung dịch alginate KLPT giảm mạnh so với không bổ sung H2O2 Khi nồng độ H2O2 bổ sung tăng KLPT giảm TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Ngọc Tú tác giả, Hóa thực phẩm, NXB KH&KT, Hà Nội-1994 [2] Gacesa P , Alginates, Carbohydrate Polymers, 8, pp 161–182, 1982 [3] Darvill A.G., Albersheim P, “Phytoalexins and their elicitors a denfense against microbial ìnfection in plants”, Annual Review of Plant Physiology, 35, pp 243–275, 1984 [4] Lê Quang Luân, Lê Hải, Nguyễn Quốc Hiến, Nguyễn Thị Tân “Khảo sát hiệu ứng sinh học chế phẩm oligoalginate chế tạo kỹ thuật xạ chè Camellia siennsis van shan TB -14”, Hội nghị vật lý toàn quốc lần thứ ba (Vật lý Kỹ thuật hạt nhân, Tr 225–227, 1999 [5] Lê Quang Luân, Nguyễn Quốc Hiến, Lê Hải, Nguyễn Văn Kết, Phạm Thị Thanh Xuân, Nguyễn Duy Hải “Khảo sát 512 Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học Cơng nghệ hạt nhân tồn quốc lần thứ 14 Proceedings of Vietnam conference on nuclear science and technology VINANST-14 [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] hiệu ứng tăng trưởng chế phẩm oligoalginate chế tạo kỹ thuật xạ cà rốt”, Tạp chí Nơng nghiệp Cơng nghiệp Thực phẩm, Tr 135–136, 1999 Lê Quang Luân, Lê Hải, Nguyễn Quốc Hiến, Nguyễn Văn Kết, Phạm Thị Thanh Xuân “Khảo sát hiệu ứng tăng trưởng thực vật chế phẩm oligoalginate chế tạo kỹ thuật xạ hoa cúc”, Tạp chí Nơng nghiệp Cơng nghiệp Thực phẩm, Tr 322–323, 1999 Mohd Idrees, Tariq A Dar, M Naeem, Tariq Aftab, M Masroor A Khan, Akbar Ali, Moin Uddin, Lalit Varshney “Effects of gamma-irradiated sodium alginate on lemongrass: field trials monitoring production of essential oil”, Industrial Crops and Product, 63, pp 269-275,2015 Tariq Aftab, M Masroor A Khan, M Idrees, M Naeem, Moinuddin, Nadeem Hashmi, Lalit Varshney “Enhancing the growth, photosynth9999etic capacity and artemisinin content in Artemisia annua L by irradiated sodium alginate”, Radiation Physics and Chemistry, 80, pp 833–836, 2011 Nguyen Quoc Hien, Dang Van Phu, Nguyen Ngoc Duy, Nguyen Thi Kim Lan “Degradation of chitosan in solution by gamma irradiation in the presence of hydrogen peroxide”, Carbohydrate Polymers, 87, pp 935–938, 2012 Nguyễn Quốc Hiến, Lê Hải, Võ Tấn Thiện, Trương Thị Hạnh, Lê Quang Luân “Nghiên cứu cắt mạch alginate kỹ thuật chiếu xạ để tạo oligoalginate”, Tạp chí Hóa học, T.36 (4), Tr 19 –23, 1998 ASTM-International, 51401:2003(E), “Standards on dosimetry for radiation processing”, pp 69–74, 2004 Trương Thị Hạnh, Nguyễn Quốc Hiến “Khảo sát biến đổi cấu trúc alginate chiếu xạ phương pháp phổ hồng ngoại phổ tử ngoại”, Tạp chí Hóa học, T 41(1), Tr 72 –76, 2003 Le Quang Luan, Vo Thi Thu Ha, Nguyen Huynh Phuong Uyen, Le Thi Thuy Trang, and Nguyen Quoc Hien “Preparation of Oligoalginate Plant Growth Promoter by γ Irradiation of Alginate Solution Containing Hydrogen Peroxide”, Agricultural and Food Chemistry, 60, pp 1737−1741, 2012 Woods, R.T., Pikaev, A.K “Applied Radiation Chemistry”, Radiation Processing Wiley, New York, pp 341–342, 1994 Nguyen Ngoc Duy, Dang Van Phu, Nguyen Tue Anh, Nguyen Quoc Hien “Synergistic degradation to prepare oligochitosan by -irradiation of chitosan solution in the presence of hydrogen peroxide”, Radiation Physics and Chemistry, 80, pp 848–853, 2011 513 ... với suất liều thấp 3.3 Ảnh hưởng nồng độ H2O2 đến KLPT alginate chiếu xạ Ảnh hưởng nồng độ H2O2 bổ sung vào dung dịch alginate 4% chiếu xạ đến KLPT Kết hình cho thấy KLPT giảm nhanh liều xạ 2,5... phí chiếu xạ thấp Khối lượng phân tử (Mwx103) 250 200 0% H2O2 0,5% H2O2 150 1% H2O2 2% H2O2 100 50 2.5 10 Liều xạ (kGy) 20 Hình Ảnh hưởng nồng độ H2O2 liều xạ đến KLPT alginate KẾT LUẬN Khi xử lý. .. [9, 10] Nghiên cứu q trình cắt mạch alginate thực nhiều nhóm nghiên cứu Tuy nhiên, nghiên cứu ảnh hưởng suất liều nồng độ H2O2 đến trình cắt mạch alginate vấn đề chưa quan tâm nghiên cứu nhà