Nghiên cứu tác dụng đồng vận của tia gamma Co-60 và hydropeoxit cắt mạch chitosan có độ đề axetyl khoảng 70% ở trạng thái trương

Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu tác dụng đồng vận của tia gamma Co-60 và hydropeoxit đến khả năng cắt mạch chitosan ở trạng thái trương.

TẠP CHÍ KHOA HỌC ĐẠI HỌC SÀI GÒN Số (26) - Thaùng 1/2015 NGHIÊN CỨU TÁC DỤNG ĐỒNG VẬN CỦA TIA GAMMA Co-60 VÀ HYDROPEOXIT CẮT MẠCH CHITOSAN CÓ ĐỘ ĐỀ AXETYL KHOẢNG 70% Ở TRẠNG THÁI TRƯƠNG ĐẶNG XUÂN DỰ(*) DIỆP KHANH(**) TRẦN THỊ ANH THƯ(***) VÕ QUANG MAI(****) T M TẮT b o ì b y k u d ậ ủ Co-60 yd o eo k ả ắ os Độ ề e y ượ bằ ổ oạ (IR) K ượ â ượ ượ bằ sắ ký e ấ qu (GPC) K o os k ượ â ấ k oả 13 kD ã ượ ạo u bằ d ậ γCo60 H2O2 5% ều k oả 22 kGy C os ắ ó ấu ú ầu k y ổ so os b ầu H u ậ ắ ạ ượ ấ k oả 12% ều 14 kGy óa: ậ os H2O2 ABSTRACT In the present paper, the synergistic action of hydrogen peroxide and gamma ray for degradation of chitosan was investigated The degree of deacetylation (DDA) of chitosan samples was determined by infrared spectra (IR) The molecular weight (Mw) of chitosan was measured by gel permeation chromatography (GPC) Results showed that low Mw chitosan with Mw ~ 13 kDa could be efficiently prepared by gamma ray irradiation of chitosan swollen in hydrogen peroxide solution (5%) at low dose ~ 22 kGy The main structure of degraded chitosan was almost unchanged in comparison with that of initial chitosan The maximum value of synergistic effect for degradation of chitosan by hydrogen peroxide and gamma ray obtained is relatively low, ~ 12% at 14 kGy Keywords: synergistic, chitosan, gamma ray, H2O2 MỞ ĐẦU(*)(**)(***)(****) Chitosan dẫn xuất polyme có nguồn gốc thiên nhiên ứng dụng nhiều lĩnh vực khác đời sống Chúng dùng làm chất kháng khuẩn [1], chất chống oxi hóa [2], chất kháng khối u [3], chất gây hiệu ứng tăng cường miễn dịch [4], chất kích kháng bệnh thúc đẩy tăng trưởng cho trồng [ ], chất mang dược phẩm [ ], Đặc biệt, oligochitosan có độ polyme hóa từ – 10 có hiệu ứng chống xâm nhiễm nhiều loại nấm gây bệnh thực vật thông qua chế tự tạo kháng sinh (phytoalexin) [7] Hàng năm, có khoảng 10 tỉ chitin sản xuất giới [ ], nguồn (*) ThS, Trường Đại học Sài Gòn ThS, Trường Đại học Bà Rịa – Vũng Tàu (***) ThS, Trường THPT chuyên Hùng Vương, Gia Lai (****) PGS.TS, Trường Đại học Sài Gòn (**) 21 sử dụng dạng tinh khiết phân tích Nước cất sử dụng cho tồn thí nghiệm 2.2 P ương p p t ực ng iệm 2.2.1 C uẩ b ẫu u Cân 5g CTS-72 vào bình chiếu xạ, thêm vào ml dung dịch H2O2 %, trộn 10 phút để CTS-72 trương Mẫu chiếu xạ nguồn SVST Co – 0/B đến liều tối đa kGy, suất liều 1,33 kGy/h, Trung tâm Nghiên cứu Triển khai Công nghệ Bức xạ VINAGAMA, Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam, Thủ Đức, Tp Hồ Chí Minh Sau chiếu xạ, mẫu rửa nước cất, sau sấy khô nhiệt độ 0°C 2.2.2 X k ượ â ộ ề ey Khối lượng phân tử khối (Mw) trung bình chitosan xác định phương pháp sắc kí gel thấm qua (GPC) máy LC – 20AB Shimadzu (Nhật), sử dụng detector RID –10A cột Ultrahydrogel hãng Waters, kích thước cột 7, 300mm Nhiệt độ cột 40°C, pha động dung môi CH3COOH 0,25M/CH3COONa 0,2 M với tốc độ chảy 1ml/phút [14] ĐĐA chitosan xác định phương pháp phổ hồng ngoại máy FT – IR 400S, Shimadzu (Nhật) tính theo phương trình [1 ]: ĐĐA % = 100  ([31,92  (A1320/A1420)]  12,20) (1) Với A1320 A1420 mật độ quang tương ứng đỉnh 1320 1420 cm-1 nguyên liệu dồi để chế tạo chitosan Chitosan thơng thường có khối lượng phân tử (KLPT) cao, tan môi trường axit Điều hạn chế khả ứng dụng nhiều trường hợp [ ] Vì vậy, vấn đề biến tính cắt mạch chitosan nhằm mở rộng khả ứng dụng loại polyme cần thiết Nhiều phương pháp cắt mạch chitosan khác nghiên cứu áp dụng Trong đó, phương pháp hóa học sử dụng H2O2 phương pháp chiếu xạ sử dụng xạ gamma Co- (γCo60) cắt mạch chitosan gần tập trung nghiên cứu áp dụng cho hiệu suất cao, thân thiện với môi trường [10], [ ] có khả áp dụng với quy mơ lớn [11] Tuy nhiên, nghiên cứu sử dụng kết hợp hai tác nhân chưa thật có hệ thống Tác dụng đồng vận hiểu tương tác đồng thời hai tác nhân phản ứng cho hiệu lớn tổng tương tác thành phần riêng rẽ [11] Nghiên cứu tác dụng đồng vận H2O2 xạ γCo60 cắt mạch chitosan có độ đề axetyl (ĐĐA) 0% 0% trạng thái trương công bố [12], [13] Trong báo này, thông báo tóm tắt kết nghiên cứu tác dụng đồng vận H2O2 xạ γCo60 chitosan có ĐĐA ~72% THỰC NGHIỆM 2.1 Nguyên liệu Hóa c ất Chitosan nguyên liệu chế tạo từ vỏ tơm có Mw0 = 48,7 kDa, PI0 = 4,21và ĐĐA~72% (CTS-72) Hydroperoxit sản phẩm tinh khiết Merck (Đức) Các hóa chất khác CH3COONa, CH3COOH, 22 phản ứng Nếu cắt mạch tia γCo60 KLPT sản phẩm cắt mạch CTS-72 đạt 22,4 kGy (tương ứng với , chiếu xạ) 47 kDa Giá trị cao đáng kể so với cắt mạch H2O2 5% thời gian phản ứng Điều chứng tỏ H2O2 % cắt mạch hiệu so với tia γCo60 (suất liều 1,33 kGy/h) Khối lượng phân tử khối trung bình sản phẩm cắt mạch CTS-72 cắt mạch đồng thời tia γCo60 H2O2 % liều xạ 22,4 kGy 13,3 kDa Giá trị thấp đáng kể so với cắt mạch H2O2 % (không chiếu xạ) Điều cho thấy cắt mạch đồng vận CTS-72 tia γCo60 H2O2 hiệu Sự thay đổi KLPT khối trung bình theo liều xạ tương ứng với thời gian phản ứng mô tả Hình Kết cho thấy H2O2 % cắt mạch CTS-72 hiệu Trong đó, độ suy giảm KLPT khối trung bình CTS-72 cắt mạch tia γCo60 không đáng kể, nghĩa CTS-72 không bị cắt mạch xạ γCo60 Cơ chế vấn đề chưa rõ Tuy nhiên, theo chúng tơi có q trình khâu mạch xạ xảy đồng thời với cắt mạch xạ chitosan trạng thái trương nước Vì vậy, vai trò nước q trình cắt mạch chitosan dạng trương cần nghiên cứu chi tiết thời gian tới 2.2.3 X u suấ ắ b ằ s ộ ả ắ Hiệu suất cắt mạch xạ (Gs) tính theo phương trình (2) [11], [13]: (1/Mw – 1/Mw0) = Gs×D×d×1000/2×C (2) Trong đó, Mw0, Mw KLPT khối trung bình chitosan ban đầu chitosan cắt mạch, D liều xạ (kGy), d khối lượng riêng dung dịch chitosan (g/ml), C nồng độ dung dịch chitosan (g/l) Gs (mol/J) hiệu suất cắt mạch xạ Hằng số tốc độ phản ứng cắt mạch chitosan xác định dựa vào phương trình (3) [16]:  1  k  -     D  Mw Mw0   m0  (3) Trong Mw0 Mw KLPT khối trung bình chitosan tương ứng thời điểm ban đầu thời điểm t, k (kGy-1) số tốc độ phản ứng, D (kGy) liều xạ, m0 KLPT đơn vị monome KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Khối lượng phân tử khối trung bình Mw sản phẩm cắt mạch từ CTS-72 xác định phương pháp GPC cho số liệu bảng Kết cho thấy cắt mạch H2O2 %, chitosan thu có KLPT khoảng 20, kDa sau , 23 Bảng K ắ CTS-72 o ướ 60 o i B (tia γCo )** du d H2O2 5% Liều xạ T (kGy) ( giờ) Mw (kDa) PI Mw (kDa) PI Mw (kDa) PI 3,5 2,6 32,3 4,17 48,4 3,56 30,2 3,19 7,5 5,6 24,3 4,01 48,1 3,59 21,1 2,33 14 10,5 21,7 3,91 47,6 3,12 14,7 2,36 20,1 15,1 20,7 3,42 47,1 3,01 13,6 1,98 22,4 16,8 20,5 3,12 47,0 2,92 13,3 1,62 A (H2O2 5%)* Mw0 = 48,7 kDa ; PI0 =4 21; * Mẫu k ô u ạ; ** Mẫu i = kGy/1 33); 1g CTS/5ml H2O Hình cho thấy kết hợp đồng vận tia γCo60 H2O2 % cho kết không thật vượt trội so với cắt mạch H2O2 % Kết tính hiệu ứng đồng vận Bảng cho thấy hiệu ứng đồng vận tối đa đạt khoảng 12% liều xạ 14 kGy Giá trị thấp so với hiệu ứng đồng vận cực đại thu cắt Hình Qu ướ KLPT o du C** (A & B) u ạ( mạch chitosan có ĐĐA ~ 0% 1% [12] với giá trị hiệu ứng đồng vận thu tương ứng 17% 47% Sự khác biệt theo khác độ kết tinh chitosan Chitosan có ĐĐA thấp, độ kết tinh cao [17], lượng cần phá vỡ mạng tinh thể lớn nên khả cắt mạch thấp ều CTS-72 ắ d H2O2 5% ( ờ = kGy/1 33) 24 Bảng H u ậ o ắ ướ CTS-72 bằ o du d γCo60 H2O2 5% H2O2 5% ĐSGKLPT, % = (Mw0 - Mw)×100/ Mw0 Mẫu CTS 3,5 kGy 7,5 kGy 14,0 kGy 20,1 kGy 22,4 kGy (2, giờ) ( , giờ) (10, giờ) (1 ,1 giờ) (1 , giờ) A (5% H2O2)* 33,7 50,1 55,4 57,5 57,9 B (tia γCo60)**i 0,6 1,2 2,3 3,3 3,5 C (A & B)** 38,0 56,7 69,8 72,1 72,7 11,3 11,3 Hiệu ứng đồng vận D (%) D = [C-(A+B)] 3,7 5,4 12,1 * Mẫu k ô u ạ; ** Mẫu u i ( ờ = kGy/1 33); g chitosan/5 ml H2O Bảng cho thấy hiệu ứng đồng vận cắt mạch CTS-72 tương đối nhỏ liều xạ thấp, sau tăng dần đến 12% liều xạ 14 kGy giảm dần tăng liều xạ Hiệu ứng đồng vận ban đầu tương đối thấp khả di động gốc •OH mạch polyme bị hạn chế trạng thái trương chitosan ban đầu có KLPT lớn – độ nhớt cao Khi tăng liều xạ KLPT chitosan giảm dần theo độ nhớt giảm dẫn đến khả linh động •OH tăng lên, tương tác gốc •OH với chuỗi chitosan trở nên thuận lợi dẫn đến hiệu ứng đồng vận tăng Ở liều xạ cao 14 kGy hiệu ứng đồng vận giảm nồng độ H2O2 giảm dần theo thời gian phản ứng Hình S uộ (1/Mw –1/Mw0) củ CTS-72 ắ eo ều o ướ 25 Hiệu suất cắt mạch xạ Gs tính theo theo phương trình (2) cho giá trị Bảng Kết cho thấy hiệu suất cắt mạch xạ có H2O2 giảm dần theo liều xạ Trong đó, hiệu suất cắt mạch xạ chitosan trương nước gần không đổi có giá trị trung bình tính Bảng H u suấ ắ b theo số liệu Bảng 0,012 ± 0,001 μmol/J Giá trị tính phương pháp đồ thị (Hình 2) cho kết 0,011 μmol/J Như vậy, Gs cắt mạch CTS-72 trương nước thấp Gs cắt mạch CTS-72 trương H2O2 5% 74 (0, 71/0,012) lần CTS-72 H2O2 5% o ướ o du Liều xạ (kGy) 3,5 Gs γCo60 i (μmol/J) 0,012 0,013 0,012 0,012 0,011 7,5 14,0 20,1 d 22,4 Gs γCo60 + H2O2 % (μmol/J) 1,203 1,199 1,136 0,883 0,817 i Hằng số tốc độ phản ứng cắt mạch tính dựa vào hệ số góc đường thẳng (3) hình k72t = 0,6×10-5 kGy-1 Giá trị nhỏ so với số tốc độ phản ứng cắt mạch chitosan có ĐĐA 0% (k80t = 0,88×10-5 kGy-1) [12] Taşkin Bảng S uộ g CTS/5 ml H2O cộng (2014) cho ĐĐA thấp tương ứng với độ kết tinh cao cấu trúc nhỏ gọn làm gia tăng tái kết hợp gốc R• chuỗi chitosan, tốc độ cắt mạch thấp hơn, giá trị Gs giảm (Bảng 4) [17] ủ u suấ ắ b ĐĐA k ắ ạ ằ s ắ [17] ộ ả CTS-ĐĐA 78 80 89 97 Gs (μmol/J) 1,36 1,37 1,62 2,07 k (kGy-1) 2,58×10-7 2,59×10-7 2,99×10-7 3,75×10-7 Bảng cho thấy số tốc độ phản ứng trạng thái rắn theo công bố Taşkin cộng tương đối thấp so với giá trị mà nhận cắt mạch trạng thái trương Nguyên nhân khác suất liều xạ, KLPT hàm lượng nước liên kết với chitosan ban đầu sử dụng Nhìn chung số tốc độ phản ứng cắt mạch xạ eo phụ thuộc phức tạp vào KLPT, ĐĐA điều kiện cắt mạch chitosan như: dạng dung dịch, dạng rắn, hay dạng trương… Nghĩa hàm lượng nước liên kết với chitosan ảnh hưởng đáng kể đến tốc độ hiệu suất cắt mạch Vì vậy, yếu tố nên quan tâm nghiên cứu thời gian tới Sự thay đổi độ phân tán PI (PI= 26 Mw/Mn) thể Hình Kết cho thấy PI có xu hướng giảm dần tăng liều xạ hay thời gian cắt mạch Sự kết hợp đồng vận tia γCo60 H2O2 cắt mạch cho phân bố KLPT chitosan đồng PI chitosan KLPT thấp đạt < liều xạ lớn 20 kGy Hình cho thấy cắt mạch tia γCo60 cho Hình G PI ủ sả ẩ ắ ( chitosan có độ phân tán thấp so với cắt mạch H2O2 % Nguyên nhân tác dụng tia γCo60 lên chitosan đồng vị trí mẫu so với H2O2 % trạng thái trương, cắt mạch tia γCo60 cho độ phân tán KLPT chitosan tương đối thấp CTS-72 = kGy/1 33) Sự thay đổi nhóm chức cấu tạo sản phẩm cắt mạch CTS-72 so với CTS-72 ban đầu phân tích phổ FT-IR thể hình Dễ dàng nhận thấy sản phẩm cắt mạch CTS-72 có cấu trúc phổ IR khơng thay đổi so với CTS-72 ban đầu Kết tính ĐĐA theo phương trình (2) dựa vào cường độ pic 1320 1420 cm-1 cho kết bảng CTS-72 cắt mạch – KLPT thấp liều xạ 20 kGy có ĐĐA giảm so với CTS-72 ban đầu eo ều khoảng 12% Độ suy giảm ĐĐA tương đối thấp so với cắt mạch chitosan có ĐĐA 0% [12] Nguyên nhân theo chitosan có ĐĐA thấp bền so với chitosan có ĐĐA cao Khi cắt mạch chitosan có ĐĐA thấp, mức độ suy giảm KLPT nên đề amin hóa kèm theo hơn, độ suy giảm ĐĐA CTS-72 bé so với cắt mạch chitosan có ĐĐA 0% 27 Bảng ĐĐA ủ sả Liều xạ, kGy ĐĐA, % ẩ ắ CTS-70 eo ều 7,5 14,0 o 20,1 du d H2O2 5% 22,4 72 ± 0,3 70,5 ± 0,3 66,1 ± 0,2 63,2 ± 0,5 63,3 ± 0,3 Hình P ổ FT-IR ủ CTS-72 b ầu ( ) sả ẩ ắ CTS H2O2 5% ều kGy (b); 14 kGy ( ); 20 kGy (d) 22 kGy (e) Hình mơ tả CTS-72 ban đầu sản phẩm cắt mạch hiệu ứng đồng vận xạ γCo60 H2O2 % Hình ảnh cho thấy chitosan cắt mạch có màu vàng đậm so với CTS-72 ban đầu Nguyên nhân thay đổi màu chitosan cắt mạch hình thành cấu trúc vòng glucopyranose chưa bão hòa chứa nhóm cacbonyl xảy sau q trình cắt mạch [13] 28 Hình CTS-72 b ầu - 47,8 kDa (a); CTS-72 KLPT ấ - 13,3 kDa (b) đáng kể cắt mạch tia γCo60 Cắt mạch đồng vận γCo60 H2O2 % CTS-72 trạng thái trương cho hiệu không thật vượt trội so với cắt mạch H2O2 % mức độ suy giảm khối lượng phân tử Tuy nhiên, phương pháp cắt mạch đồng vận có ưu điểm cho sản phẩm polyme cắt mạch có khối lượng phân tử đồng so với cắt mạch H2O2 KẾT LUẬN Chitosan KLPT thấp khoảng 13 kDa chế tạo hiệu tác dụng đồng vận tia γCo60 H2O2 % từ CTS-72 liều xạ khoảng 22 kGy Chitosan cắt mạch có cấu trúc phổ IR không thay đổi so với CTS-72 ban đầu Hiệu ứng đồng vận cắt mạch CTS-72 cực đại đạt tương đối thấp, khoảng 12% Tác nhân H2O2 % cắt mạch hiệu CTS72, độ suy giảm KLPT CTS-72 không TÀI LIỆU THAM KHẢO Qin C., Li H., Xiao Q., Liu Y., Zhu J., Du Y (200 ), “Water-solubility of chitosan and its antimicrobial activity”, Carbohydrate Polymers 63, pp 367-374 Feng T., Du Y., Li J., Hu Y., Kennedy F.J (200 ), “Enhancement of antioxidant activity of chitosan by irradiation”, Carbohydrate Polymers 73, pp 126-132 Qin C.D., Du Y.M., Xiao L (2002), “Enzymatic preparation of water soluble chitosan and their antitumor activity”, International Journal of Biological Marcomolecules 31, pp 111-117 Cabrera J.C., Cutsem P.V (200 ), “Preparation of chitooligosaccharides with degree of polymerization than by acid or enzymatic degradation of chitosan”, Biochemical Engineering Journal 25, pp 165-172 29 El – Sawy N.M., El – Rehim H.A.A., Elbarbary A.M., Hegazy E.A (2010), “Radiation – induced degradation of chitosan for possible use as a growth promoter in agricultural purposes”, Carbohydrate Polymers 79, pp 555-562 Li K., Xing R., Liu S., Qin Y., Meng X., Li P (2012), “Microwave-assisted degradation of chitosan for a possible use in inhibiting crop pathogenic fungi”, International Journal of Biological Marcomolecules 51, pp 767-773 Nguyễn Quốc Hiến, Lê Hải, Lê Quang Luân, Trương Thị Hạnh, Phạm Thị Lệ Hà (2000), “Nghiên cứu chế tạo oligochitosan kỹ thuật xạ”, Tạ í Hó , 38(2), tr 22-24 Qin C.Q., Du Y.M., Xiao L (2002), “Effect of hydrogen peroxide treatment on the molecular weight and structure of chitosan”, Polymer Degradation and Stability 76, pp 211-218 Tahtat D., Mahlous M., Benamer S., Khodja A.N., Youcef S.L (2012), “Effect of molecular weight on radiation chemical degradation yield of chain scission of γirradiated chitosan in solid state and in aqueous solution”, Radiation Physics and Chemistry 81, pp 659-665 10 Haji-Saeid M., Safrany A., Sampa M.H.O., Ramamoothy N (2010), “Radiation processing of natural polymers: the IAEA contribution”, Radiation Physics and Chemistry 79, pp 255-260 11 Nguyen Ngoc Duy, Dang Van Phu, Nguyen Tue Anh, Nguyen Quoc Hien (2011), “Synergistic degradation to prepare oligochitosan by γ – irradiation of chitosan solution in the presence of hydrogen peroxide”, Radiation Physics and Chemistry 80, pp 848853 12 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 dạng trương nước”, Tạp chí Hóa học, 1(3AB), tr – 172 13 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 14 Knaul J.Z., Kasaai M.R., Bui V.T., Creber K.A.M (1 ), “Characterization of deacetylated chitosan and chitosan moleculer weight review”, Canadian Journal of Chemistry 76, pp 1699-1706 15 Brugnerotto J., Lizardi J., Goycoolea F.M., Argüelles – Monal W., Desbrières J., Rinaudo M (2001), “An infrared investigation in relation with chitin and chitosan characterization”, Polymer 42, pp 3569-3580 30 16 Morris G.A., Castile J., Smith A., Adams G.G., Harding S.E (200 ), “The kinetics of chitosan depolymerisation at different temperatures”, Polymer Degradation and Stability 94, pp 1344-1348 17 Tașkin P, Canisaǧ H, Șen M (2014), “The effect of degree of deactylation on the radiation induced degradation of chitosan”, Radiation Physics and Chemistry 94, pp 236-239 * Ngày nhận bài: 12/7/2014 Biên tập xong: /1/201 Duyệt đăng: 10/1/201 31 ... vận H2O2 xạ γCo60 cắt mạch chitosan có độ đề axetyl (ĐĐA) 0% 0% trạng thái trương công bố [12], [13] Trong báo này, thông báo tóm tắt kết nghiên cứu tác dụng đồng vận H2O2 xạ γCo60 chitosan có. .. chitosan có độ phân tán thấp so với cắt mạch H2O2 % Nguyên nhân tác dụng tia γCo60 lên chitosan đồng vị trí mẫu so với H2O2 % trạng thái trương, cắt mạch tia γCo60 cho độ phân tán KLPT chitosan. .. sử dụng kết hợp hai tác nhân chưa thật có hệ thống Tác dụng đồng vận hiểu tương tác đồng thời hai tác nhân phản ứng cho hiệu lớn tổng tương tác thành phần riêng rẽ [11] Nghiên cứu tác dụng đồng