Luận văn Tổng hợp và phân tích đặc tính lý hóa của dẫn xuất carboxymethyl kappa-carrageenan từ rong đỏ Kappaphycus striatum

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - Đặng Thị Hương TỔNG HỢP VÀ PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH LÝ HĨA CỦA DẪN XUẤT CARBOXYMETHYL KAPPA – CARRAGEENAN TỪ RONG ĐỎ KAPPAPHYCUS STRIATUM LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC Hà Nội – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - Đặng Thị Hương TỔNG HỢP VÀ PHÂN TÍCH ĐẶC TÍNH LÝ HÓA CỦA DẪN XUẤT CARBOXYMETHYL KAPPA – CARRAGEENAN TỪ RONG ĐỎ KAPPAPHYCUS STRIATUM Chun ngành: Hóa phân tích Mã số: 8440118 LUẬN VĂN THẠC SĨ HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Lê Đình Hùng Hà Nội – 2020 LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, xin chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Học viện Khoa học Cơng nghệ, ban lãnh đạo Phịng ban thuộc Viện Nghiên cứu Ứng dụng Công nghệ Nha Trang tạo điều kiện thuận lợi để hồn thành khóa học Thạc sĩ Hóa phân tích 2018-2020 Tiếp theo, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo TS Lê Đình Hùng – Trưởng phịng cơng nghệ sinh học biển, Viện Nghiên cứu Ứng dụng công nghệ Nha Trang dành trọn tâm huyết, tận tình hướng dẫn, dạy tơi suốt trình học tập, nghiên cứu Viện hồn thành luận văn Tơi xin cảm ơn thầy, cô giáo giảng dạy anh, chị lớp cao học CHE18 tận tình giảng dạy giúp đỡ bổ sung, nâng cao thêm kiến thức suốt khóa học Tơi xin cảm ơn anh chị Phịng Hóa Phân tích Triển khai cơng nghệ, Phịng Cơng nghệ sinh học biển thuộc Viện Nghiên cứu Ứng dụng Công nghệ Nha Trang tạo điều kiện giúp đỡ thiếu sót kiến thức chuyên ngành làm thực nghiệm Viện Tôi xin cảm ơn Sở Giáo dục Đào tạo Khánh Hịa, ban lãnh đạo trường THPT Ngơ Gia Tự, trường THPT Nguyễn Văn Trỗi anh chị đồng nghiệp tạo điều kiện công việc, động viên trợ giúp để dành thời gian chuyên tâm làm thực nghiệm đề tài Cuối tơi xin dành lời cảm ơn gia đình bạn bè tôi, bên cạnh ủng hộ động viên, hỗ trợ mặt để cố gắng vươn lên, tiếp tục đường học tập Nha Trang, tháng 10 năm 2020 Học viên Đặng Thị Hương LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tơi hướng dẫn TS Lê Đình Hùng tham khảo thêm tài liệu công bố trước có nguồn gốc rõ ràng Các số liệu nêu luận văn kết làm việc tơi suốt q trình thực nghiệm Viện Nghiên cứu Ứng dụng công nghệ Nha Trang, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Nha Trang, tháng 10 năm 2020 Tác giả Đặng Thị Hương MỤC LỤC Trang MỞ ĐẦU LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 3.1 ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU 3.2 PHẠM VI NGHIÊN CỨU NỘI DUNG NGHIÊN CỨU Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 10 5.1 Ý NGHĨA KHOA HỌC: 10 5.2 TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI: 10 CHƢƠNG TỔNG QUAN 11 1.1 TỔNG QUAN VỀ RONG BIỂN 11 1.2 TỔNG QUAN VỀ CARRAGEENAN 15 1.2.1 Lịch sử nghiên cứu carrageenan 15 1.2.2 Cấu trúc carrageenan 17 1.2.3 Tính chất lý hố carrageenan 19 1.2.3.1 Tính chất carrageenan 19 1.2.3.2 Tính tan 21 1.2.3.3 Nhiệt độ nóng chảy 22 1.2.3.4 Sự tạo gel (gelation) 22 1.2.3.5 Tính bền acid 22 1.2.3.7 Tính thuỷ phân methyl hố xác định cơng thức cấu tạo carrageenan 23 1.2.3.8 Độ nhớt 23 1.2.4 Ứng dụng carrageenan từ rong biển 24 1.2.5 Giới thiệu số kỹ thuật sản xuất carrageenan 27 1.3 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU CARBOXYMETHYL KCARRAGEENAN 30 1.3.1 Tình hình nghiên cứu carboxymethyl -carrageenan giới 30 1.3.2 Tình hình nghiên cứu carboxymethyl -carrageenan nƣớc 31 1.4 CÁC PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CARRAGEENAN VÀ TỔNG HỢP CARBOXYMETHYL K-CARRAGEENAN 33 1.4.1 Phƣơng pháp phân tích thành phần cấu trúc carrageenan [69] 33 1.4.1.1 Phương pháp hoá học 34 1.4.1.2 Phương pháp vật lý 34 1.4.2 Nghiên cứu cấu trúc carrageenan 36 1.4.3 Phƣơng pháp tổng hợp carboxymethyl -carrageenan 38 CHƢƠNG VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 40 2.1 VẬT LIỆU, ĐỊA ĐIỂM VÀ THỜI GIAN NGHIÊN CỨU 40 2.1.1 Vật liệu nghiên cứu: 40 2.1.2 Dụng cụ - thiết bị - hóa chất 41 2.1.2.1 Dụng cụ 41 2.1.2.2 Thiết bị sử dụng nghiên cứu 41 2.1.2.3 Hóa chất 41 2.2 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 41 2.2.1 Phƣơng pháp chiết carrageenan 41 2.2.2 Tổng hợp dẫn xuất carboxymethyl kappa-carrageenan 43 2.2.3 Xác định nhiệt độ đông vào nhiệt độ tan carageenan 44 2.2.4 Xác định độ bền gel (1,5 %) 44 2.2.5 Xác định tính chất, cấu trúc mẫu carrageenan 45 2.2.5.1 Xác định hàm lượng 3,6-anhydro-D-galactose 45 2.2.5.2 Xác định hàm lượng sulfate 47 2.2.5.3 Xác định khối lượng phân tử trung bình phương pháp đo độ nhớt 47 2.2.5.4 Xác định mức độ nhóm carboxymethyl kappa-carrageenan 48 2.2.5.5 Điều chế hạt vi nang carboxymethyl kappa-carrageenan 49 2.2.5.6 Xác định cấu trúc mẫu carrageenan phổ FT-IR, 13C NMR 1H NMR 49 CHƢƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 50 3.1 TÍNH CHẤT HĨA LÝ VÀ ĐẶC TÍNH CẤU TRÚC CỦA KAPPA – CARRAGEENAN 50 3.1.1 Phổ hồng ngoại (FT-IR) kappa carrageenan 51 3.1.2 Phổ 13C NMR kappa carrageenan 52 3.1.3 Phổ 1H NMR kappa carrageenan 55 3.2 TÍNH CHẤT HĨA LÝ VÀ ĐẶC TÍNH CẤU TRÚC CỦA CARBOXYMETHYL KAPPA-CARRAGEENAN 58 3.2.1 Phổ hồng ngoại carboxymethyl kappa-carrageenan 58 3.2.2 Phổ 13C NMR carboxymethyl kappa carrageenan 60 3.2.3 Phổ 1H NMR carboxymethyl kappa carrageenan 61 3.2.4 Ảnh hƣởng tỉ lệ mol monocloacid acetic (ClCH2COOH) đến mức độ kappa-carrageenan 63 3.2.5 Khối lƣợng phân tử trung bình carboxymethyl kappacarrageenan 64 3.2.6 Hình ảnh kích thƣớc hạt carboxymethyl kappa-carrageenan 65 4.1 KẾT LUẬN 66 4.2 KIẾN NGHỊ 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO 67 DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT AG: Car: Anhydrogalactose Carrageenan CMKC: Carboxymethyl -carrageenan DS: ESI-MS: FT-IR: G4S: DA: IR: κ: kDa: LC-MS: MCA: Mw: MS: NMR: w/v: ι: λ: Mức độ Khối phổ ion hóa điện cực Phổ hồng ngoại (Fourier-Transform Infrared) D-galactose-4-sulfate 3,6-anhydro-D-galactose Quang phổ hồng ngoại Kappa kiloDalta Phƣơng pháp sắc ký lỏng ghép cặp khối phổ Tỷ lệ mol natri hydroxit axit monoloroaxetic Trọng lƣợng phân tử trung bình Phổ khối lƣợng Cộng hƣởng từ hạt nhân Khối lƣợng/thể tích Iota Lambda DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Cấu trúc hóa học dạng carrageenan khác 17 Hình 1.1: Cấu trúc κ-carrageenan 18 Hình 1.2: Cấu trúc -carrageenan 19 Hình 1.3: Cấu trúc -carrageenan 19 Hình 1.4: Sự chuyển hóa -carrageenan thành κ-carrageenan môi trƣờng kiềm 20 Hình 1.5: Sự chuyển hóa -carrageenan thành - carrageenan mơi trƣờng kiềm 20 Hình 1.6: Sự chuyển hóa -carrageenan thành -carrageenan môi trƣờng kiềm 20 Hình 1.7: Sơ đồ tổng hợp carboxymethyl K-carrageenan 31 Hình 2.1: Hình ảnh rong Kappaphycus striatum 40 Hình 3.1: Phổ FT-IR kappa carrageenan từ rong đỏ K striatum 51 Hình 3.2: Phổ 13C NMR carrageenan từ rong đỏ K striatum 52 Hình 3.3: Phổ 1H NMR kappa-carrageenan từ rong đỏ K striatum 55 Hình 3.4: Phổ FT-IR carboxymethyl kappa carrageenan từ rong đỏ K striatum 58 Hình 3.5: Phổ FT-IR kappa carrageenan từ rong đỏ K striatum 59 Hình 3.6: Phổ FT-IR carboxymethyl kappa carrageenan từ 59 Hình 3.7: Phổ 13C NMR carrageenan từ rong đỏ K striatum 60 Hình 3.8: Phổ 13C NMR carboxymethyl kappa-carrageenan từ 60 Hình 3.9: Phổ 1H NMR kappa-carrageenan từ rong đỏ K striatum 61 Hình 3.10: Phổ 1H NMR carboxymethyl kappa-carrageenan 62 Hình 3.11: Ảnh hƣởng tỉ lệ mol monocloacid acetic (MCA)/kcarrageenan đến mức độ gốc carboxymethyl -carrageenan 63 Hình 3.12: Hình ảnh kích thƣớc hạt carboxymethyl kappacarrageenan dạng ngậm nƣớc dạng khô 65 Hình phụ lục 5: Phổ 1H NMR carboxymetyl kappa-carrageenan Hình phụ lục 6: Phổ 13C NMR carboxymetyl kappa-carrageenan Hình phụ lục 7: Phổ đối chứng 13C NMR kappa-carrageenan carboxymetyl kappa-carrageenan Journal of Biotechnology 18(2): 321-329, 2020 CHARACTERIZATION OF KAPPA-CARAGEENAN FROM THE RED ALGA KAPPAPHYCUS STRIATUM Le Dinh Hung1, *, Dang Thi Huong2 NhaTrang Institute of Technology Research and Application, Vietnam Academy of Science and Technology Nguyen Van Troi High School, Nha Trang, Khanh Hoa * To whom correspondence should be addressed E-mail: ledinhhungims@yahoo.co.uk Received: 16.9.2019 Accepted: 27.4.2020 SUMMARY The red alga Kappaphycus striatum is an economically important species and extensively cultivated in Vietnam as a material source for carrageenan production To evaluate carrageenan quality, the characterization of carrageenan extracted from this alga was investigated As a result, chemical composition of carrageenan consists of 32.4% of 3,6 anhydrogalactose and 24.3% of sulfate Gelling and metling temperatures are 34.4oC and 55.6oC, respectively Gel strength of 1.5% is 615 g/cm2 and average molecular weight is about 267 kDa Furthermore, FT-IR spectrum showed intense absorption bands at 930 cm-1 and 850 cm-1 that attributed to 1,4-linked 3,6 anhydro-α-Dgalactose and 1,3-linked β-D-galactose-4-sulfate of kappa-carrageenan, respectively 13C NMR spectrum indicated the signals for anomeric carbon of β-D-galactose-4-sulfate at 102.6 ppm and anomeric carbon of 3,6-anhydro-α-D-galactose at 95.3 ppm 13H NMR spectrum showed peak signals at 3.57 ppm and 5.1 ppm that corresponds with O-methyl proton of 1,3-linked 6-O-methylD-galactose and α-anomeric proton of 3,6 anhydro-α-D-galactose residues, respectively The results show that the carrageenan from the red alga Kappaphycus striatus is kappa-carrageenan with the repeating disaccharide unit consisting of 1,3-linked 6-O-methylated, β-D-galactose-4-sulfate and 1,4-linked 3,6 anhydro-α-D-galactose and did not contain iota-carrageenan Therefore, this alga may promise to be a good source for carrageenan production for application in food or medicine Keywords: Carrageenophytes, kappa-carrageenan, Kappaphycus striatum, properties, structure INTRODUCTION Carrageenan is extracted from red seaweed of the Rhodophycea family commonly from genera such as Eucheuma, Solieria, Cripus, Agardhiella, Chondrus, Hypnea, Sarconema and Iridaea (Zia et al., 2017) Eucheuma and Kappaphycus seaweeds are most commonly cultivated seaweed across Malaysia and Southeast Asia (Hurtado et al., 2014; Zuldin et al., 2016) of Carrageenan is the general name for a group high molecular weight sulphated polysaccharides obtained by alternate units of Dgalactose and 3,6-anhydro-galactose joined by 1,3 and -1,4-glycosidic linkage (Figure 1) (Craigie, 1990) There are three main types of carrageenan, which vary in their degree of sulfation (Prajapati et al., 2014; Li et al., 2014; Liu et al., 2015) Kappa-carrageenan is composed of alternating 3-linked β-D-galactose4-sulfate and 4-linked 3,6-anhydro-α-Dgalactopyranose having one sulfate group per disaccharide repeating unit Iota-carrageenan is composed of alternating 3-linked β-D-galactose4-sulfate and 4-linked 3,6-anhydro-α-D321 Le Dinh Hung & Dang Thi Huong galactose-2-sulfate having two sulfate groups per disaccharide repeating unit Lamda-carrageenan has three sulfate groups per disaccharide unit but not exhibit any 3,6-anhydride bridges contrary to kappa- and iota-carrageenan (Palvi et al., 2011) The main differences which effect on the properties of different carrageenans are the number and position of ester sulfate groups and the content of 3,6-anhydro-galactose Higher levels of ester sulfate resulted in lower gel strength and solubility temperature (Necas, Bartosikova, 2013) Figure Idealized repeating structure of carrageenan G: 1,3-linked, β-D-galactose and DA: 1,4-linked 3,6anhydo-α-D-galactose; R = R’ = H, kappa-carrageenan; R = SO3 , R’ = H, iota-carrageenan; R’ = CH3, 6-Omethylated carrageenan (Craigie, 1990) Carrageenans possess various pharmaceutical properties including immunomodulatory, antitumor, anticoagulant activities and anti-hyperlipidemic (Prajapati et al., 2014) Recently, they have been used in controlled drug release delivery systems (Liang et al., 2014; Zia et al., 2017; Yegappan et al., 2018), as well as enhancing dissolution rates of poorly soluble substances The red algae, carrageenophytes, Kappaphycys alvarezii, Kappaphycus striatum and Eucheuma denticulatum are economically important food species and extensively cultivated in Vietnam as a source of not only carrageenan, but also as a sourec of bioactive compounds for biochemical and medicinal application (Le Dinh Hung et al., 2009, 2011, 2015, 2019) However, little information is known about structures of carrageenans from these algae, except for the structure of carrageenan from E denticulatum (Thanh Thi Thu Thuy et al., 2007) Thus, the objective of the present research was to elucidate the properties and structure of kappa-carrageenan from the red alga K striatum cultivated at Vanphong Bay, Khanhhoa province, Vietnam, which will provide more valuable information of carrageenan group from these algae for 322 applications in food or medicine MATERIALS AND METHODS The red alga K striatum (F Schmitz) Doty ex Silva was collected at Vanphong Bay, Khanhhoa province (120°29’ N, 109°10’ E), Vietnam in March, 2019, brought to the laboratory, and kept at -20oC until use Rhodizonate natri, acetal, resorcinol, D-fructose was obtained from Merck (Germany) Extraction of carrageenan Carrageenan was extracted according to the method of Ohno et al (1994) Dry algal powder was treated in 6% KOH at 80°C for h Then, the algal powders were collected, washed by distilled water to remove excess alkali and extracted in distilled water at 90°C for h Thereafter, the solution was filtered and the extract was gellified with 0.2% KCl, frozen and thawed at least twice with distilled water to recover carrageenan, dried at 60°C and ground into power Prior to determine chemical and structural characterization, carrageenan sample was repurified by dialysis using a Spectrapor Membrane with Mw cut-off 12,000–14,000 Da, against milli-Q water for 24 h with frequent changes of water After dialysis, Journal of Biotechnology 18(2): 321-329, 2020 the sample was filtrated by filter (0.45 µm) and precipitated by absolute ethanol, dried at 40oC and milled into powder Determine the 3,6-anhydrogalactose content 3,6-anhydrogalactose content was determined according to the method of Yaphe, Arsenault (1965), using D-fructose as a standard Briefly, mL of a solution containing up to 0.25 µM of fructose or 3,6-anhydrogalactose (polysaccharide about 100 – 120 µg/mL) was transferred to a boiling tube and covered with a glass marble The tubes were placed in an ice bath and 10 mL of the resorcinol reagent (9 mL of resorcinol 1.36 mM, mL of acetal 2.78 mM and 100 mL of concentrated HCl) was added The contents were mixed in the ice bath and cooled for at laest The tubes were placed in a 20oC water bath for and then heated for 10 at 80oC It was then cooled for 1.5 in an ice bath and the absorbance was mearured within 15 at 555 nm 3,6anhydrogalactose content was determined by multiply to value of 1.087 The assay was carried out in triplicate for each test solution Determine the sulfate content Sulfate contents were determined according to the method of Terho, Hartiala (1972), using Na2SO4 as a standard Biefly, 0.5 mL each sample (polysaccharide about 100 – 120 µg/mL), standards and water are pipetted into test tubes and 2.0 mL ethanol is added to each tube 1.0 mL BaCl2 buffer (10 mL of acetic acid M, mL of BaCl2 0.005 M, mL of NaHCO3 0.02M and 80 mL ethanol) and 1.5 mL sodium rhodizonare solution (5 mg of rhodizonate natri dissolved in 20 mL water and 80 mL ethanol) were added to each tube and shaken well The tubes were allowed to stand 10 in the dark at room temperature and measured at 520 nm in 30 The assay was carried out in triplicate for each test solution Determine gelling and melting temperatures of k-carrageenan Gelling and melting temperatures were determined according to the method of Hellebust, Craige (1978) Gelling temperature was measured with 1.5% kappa-carrageenan solution in 0.2% KCl by a thermometer, corresponded to the introduced glass beads (diam: 4.30 mm; wt: 430 mg) which failed to sink to the bottom of the test tube at an interval of 0.5°C The melting temperature corresponded to the temperature at which glass beads (diam: 4.30 mm; wt: 430 mg) gradually sank to the bottom of the test tube; temperature gradually was raised at an interval of 0.5°C The assay was carried out in triplicate for each test solution Determine the viscosity-average molecular weight and gel strength The viscosity-average molecular weight (MW) was obtained from viscometry and extrapolation The sample was dissolved at initial concentration of 0.1% in 0.1 M NaCl Viscosity measurements at different dilluted concentrations of kappa-carrageenan in 0.1 M NaCl were done at 25 ± 0.1oC From efflux time of polymer solution (t) and that of solvent 0.1 M NaCl (to), relative viscosity rel = t/to was obtained Specific viscosity was calculated from the relationship sp = rel - Reduced viscosity for a set of polymer solutions was calculated at different concentrations (g/mL) Intrinsic viscosity was then obtained from common ordinate intercept on extrapolation of plots of reduced viscosity versus concentration (Pal et al., 2008) The Mw was calculated according to the Mark–Houwink equation for kappacarrageenan in 0.1 M NaCl at 25oC K = 8.84 × 10-3 and α = 0.86, according to the report of Vreeman et al (1980) Gel strength was measured on a Rheometer (CR-500DX; Sun Scientific, Tokyo, Japan), using 1.5% kappa-carrageenan solution in 0.2% KCl The assay was carried out in triplicate for test solution Determine structures Fourier-Transform Infrared (FT-IR) 323 Le Dinh Hung & Dang Thi Huong spectrum of carrageenan sample was recorded on on Bruker mode ALPHA at Nhatrang University 13 C NMR and 1H NMR spectra of carrageenan sample were measured at 80oC with D2O solvent on Bruker AVANCE 500MHz at Institute of Chemistry (VAST), using aceton as internal standard RESULTS AND DISCUSSION Carrageenan yield, 3,6 anhydrogalactose and sulfate contents, gelling and melting temperatures, gel strength and viscosity-average molecular weight of kappa-carrageenan were shown in Table The data in this study are in range of those reported for the red algae containing carrageenan with 3,6 anhydrogalactose content from 15 to 40%, ester sulfate from 23.1 to 34.5% (Hayashi et al., 2007; Nanaki et al., 2010; Zia et al., 2017), gelling temperature from 32.7 to 34.5oC, melting temperature from 52 to 56oC (Mendoza et al., 2002), gel strength from 503 - 1004 g/cm2 (Le Dinh Hung et al., 2009), carrageenan content from 32.5 to 54.3% (Mendoza et al., 2002; Zuldin et al., 2016) and molecular weight from 100 to 700 kDa (Necas, Bartosikova, 2013) The differences in chemical composition and physical properties between carrageenan samples can be attributed to the extraction methodology used in each study, and the time of algal harvest Table1 Characterization of kappa-carrageenan from K striatum a b Carrageenan yield (% dry alga) 3,6-AG a content (% carrageenan) Sulfate content (% carrageenan) Gelling o temp ( C) Melting o temp ( C) Gel strength (g/cm ) MW (kDa) 39.2 ± 3.5 32.4 ± 0.5 24.3 ± 0.8 34.4 ± 0.9 55.6 ± 1.6 615 ± 45 267 b AG: anhydrogalactose; MW: viscosity-average molecular weight Mean ± SEM (n = 3) Figure FT-IR spectrum of carrageenan extracted from K striatum The infrared spectrum of kappa-carrageenan was shown in Figure As reported previously, the bands at 1260 cm-1, 850 cm-1 were assigned respectively to O=S=O symmetric vibration and 324 C4–O–S stretching vibration, respectively They stood for total –SO4 and C4–O–S of β-Dgalactose, respectively The band at 930 cm-1 proved the existence of C–O–C of 3,6-anhydro- Journal of Biotechnology 18(2): 321-329, 2020 D-galactose (Silva et al., 2010) It also displayed an absorbance band at 1159 cm-1 due to bridge –O stretch and band at 1070 cm-1 was reported to be related to C–O stretch (Mendoza et al., 2002; Tranquilan-Aranilla et al., 2012) The native carrageenan extracts were composed predominantly of kappa carrageenan with trace Figure 13 amounts of iota-carrageenan that showed at absorption band of 805 cm-1 for 3,6 anhydro-αD-galactose-2-sulfate (Mendoza et al., 2002) However, the infrared spectrum in this study showed no appearance of absorption band at 805 cm-1, indicating that kappa-carrageenan sample did not contain iota-carrageenan C NMR spectrum of carrageenan extracted from K striatum Table Chemical shifts (ppm) in the 13 C NMR spectrum of kappa-carrageenan extracted from K striatum a Ref c Carbon atom Kappa-carrageenan Ref D-Galactose-4-sulfate C-1 102.6 102.6 102.7 102.9 C-2 69.7 69.6 69.9 70.1 C-3 78.7 78.9 79.1 79.5 C-4 74.1 74.1 74.3 74.5 C-5 74.7 74.7 75.0 75.2 C-6 61.4 61.2 61.5 61.7 C-1 95.3 95.2 95.4 95.7 C-2 69.9 69.9 70.1 70.4 C-3 78.9 79.1 79.4 79.6 C-4 78.4 78.2 78.5 78.7 C-5 76.7 76.7 77.0 77.2 3,6-anhydro-D-galactose Ref b Unit C-6 69.4 69.4 69.7 69.9 C1–6 shows the carbon numberings a, b, c Referenced to Mendoza et al (2002), Kolender, Matulewicz (2004) and Tranquilan-Aranilla et al (2012), respectively 325 Le Dinh Hung & Dang Thi Huong Figure H NMR spectrum of carrageenan extracted from K striatum Table Chemical shifts (ppm) in the H NMR spectrum of carrageenan extracted from K striatum Unit Proton D-Galactose-4-sulfate (G4S) H-1 H-2 H-3 H-4 H-5 H-6 H-1 H-2 H-3 H-4 H-5 H-6 3,6-anhydro-D-galactose (DA) Kappacarrageenan 4.64 3.60 3.98 4.83 3.80 3.97 5.10 4.14 4.51 4.52 4.61 4.31 Ref a 4.75 3.74 4.10 4.95 3.93 3.93 5.24 4.12 4.30 4.75 4.65 4.25 Ref b 4.75 3.50 3.90 4.83 3.71 3.71 5.01 4.05 4.44 4.51 4.56 4.23 Ref c 5.19 3.67 3.96 4.84 3.72 3.71 5.01 4.01 4.45 4.52 4.58 4.13 H1–6 shows the proton numberings a, b, c Referenced to Campo et al (2009), Abad et al (2011) and Mahmood et al (2014), respectively Figure showed the chemical shifts in the C NMR spectrum of kappa-carrageenan that corresponded strong intensity signals of the twelve carbon atoms in the disaccharide repeating unit indicated in Table 2, and agreed closely with reported values (Mendoza et al., 2002; Tranquilan-Aranilla et al., 2012) On the other hand, the signals at 102.6 ppm and 95.3 ppm of kappa-carrageenan spectra have been reported for anomeric carbon of D-galactose-4sulfate and 3,6-anhydro-D-galactose, 13 326 respectively (Mendoza et al., 2002) A weak signal at 59.2 ppm is clearly seen in the spectra, which corresponds to the methoxyl group on C6 of the β-D-galactose-4-sulfate units reported (Mendoza et al., 2002) Figure showed the chemical shifts in the 13H NMR spectrum of kappa-carrageenan that corresponded strong intensity signals of the protonss in the disaccharide repeating unit indicated in Table and agreed closely with reported values (Campo et al., 2009; Abad et al., 2011; Mahmood et al., Journal of Biotechnology 18(2): 321-329, 2020 2014) On the other hand, the signal at 3.57 ppm corresponds to O-methyl proton of 3-linked 6O-methyl-D-galactose in kappa-carrageenan, indicated methylation in the C-6 position of DGalactose-4-sulfate Similar chemical shift (3.56 ppm, 3.58 ppm and 3.58 ppm) for such Omethyl proton was also reported for 6-Omethyl-D-galactose residue (Abad et al., 2011; Mahmood et al., 2014), respectively Small variations of the chemical shift values in NMR spectra may be due to the samples collected from different sources or experiments were performed in different conditions (Velde et al., 2004) The result showed that structure of carrageenan from K striatum consists of repeating disaccharide unit of β-D-galactose-4sulfate and 3,6 anhydro-α-D-galactose (Figure 4) Similar structures have been reported for carrageenans from the red algae Eucheuma denticulatum (Thanh Thi Thu Thuy et al., 2007) and E gelatinae (Tran Dinh Toai et al., 2004), except for difference in structure of iotacarrageenan from Eucheuma had sulfate group at position C2 of 3,6-anhydro-α-D-galactose residue CONCLUSION Carrageenan from the red seaweed of K striatum is kappa-carrageenan with the repeating disaccharide unit consisting of 1,3linked 6-O-methylated, β-D-galactose-4-sulfate and 1,4-linked 3,6 anhydro-α-D-galactose The chemical and structural characteristics of kappacarrageenan used in this study were similar well to those of the red algae reported, indicating that the red alga K striatum may promise to be a good source for carrageenan production to apply in food or medicine Acknowledgements: This research is supported by Vietnam National Foundation for Science and Technology Development (NAFOSTED) under grant number 106-YS.062015.16 REFERENCES Abad L, Saiki S, Nagasawa N, Kudo H, Katsumura Y, Dela Rosa A (2011) NMR analysis of fractionated irradiated -carrageenan oligomers as plant growth promoter Rad Physics Chem 80: 977–982 Campo VL, Kawano DF, da Silva DB, Carvalho I (2009) Carrageenans: Biological properties, chemical modifications and structural analysis - A Review Carbohydr Polym 77: 167-180 Craigie JS (1990) Cell walls In: Cole K.M and Sheath R.G (eds), Biology of the red algae Cambridge University Press, Cambridge, pp: 221– 257 Hayashi L, Paula EJD, Chow F (2007) Growth rate and carrageenan analyses in four strains of Kappaphycus alvarezii (Rhodophyta, Gigartinales) farmed in the subtropical waters of São Paulo State, Brazil J Appl Phycol 19: 393–399 Hellebust JA, Craige JS (1978) Handbook of phycological methods Physiological and biochemical methods Cambridge University Press, London pp: 110–131 Hurtado AQ, Gerung GS, Yasir S, Critchley AT (2014) Cultivation of tropical red seaweeds in the BIMP-EAGA region J Appl Phycol 26: 707–718 Kolender A, Matulewicz M (2004) Desulfation of sulfated galactans with chlorotrimethylsilane Charaterization of B-carrageenan by 1H NMR spectroscopy Carbohydr Res 339: 1619–1629 Le Dinh Hung, Hori K, Huynh Quang Nang, Tran Kha, Le Thi Hoa (2009) Seasonal changes in growth rate, carrageenan yield and lectin content in the red alga Kappaphycus alvarezii cultivated in Camranh Bay, Vietnam J Appl Phycol 21: 265-272 Le Dinh Hung, Sato Y, Hori K (2011) Highmannose N-glycan-specific lectins from the red alga Kappaphycus striatum (Carrageenophyte) Phytochem 72: 855-861 Le Dinh Hung, Hirayama M, Bui Minh Ly, Hori K (2015) Biological activity, cDNA cloning and primary structure of lectin KSA-2 from the cultivated red alga Kappaphycus striatum (Schmitz) Doty ex Silva Phytochem Let 14: 99-105 Le Dinh Hung, Le Thi Hoa, Le Nhu Hau, Dinh Thanh (2019) The lectin accumulation, growth rate, carrageenan yield, and quality from the red alga 327 Le Dinh Hung & Dang Thi Huong Kappaphycus striatus cultivated at Camranh Bay, Vietnam J Appl Phycol 31: 1991-1998 relation to controlled drug release Int J Pharm 421: 110–119 Li L, Ni R, Shao Y, Mao S (2014) Carrageenan and its applications in drug delivery Carbohydr Polym 103: 1–11 Silva FRF, Dore CMPG, Marques CT, Nascimento MS, Benevides NMB, Rocha HAO (2010) Anticoagulant activity, paw edema and pleurisy induced carrageenan: Action of major types of commercial carrageenans Carbohydr Polym 79: 26–33 Liang W, Mao X, Peng X, Tang S (2014) Effects of sulfate group in red seaweed polysaccharides on anticoagulant activity and cytotoxicity Carbohydr Polym 101: 776–785 Liu J, Zhan X, Wan J, Wang Y, Wang C (2015) Review for carrageenan-based pharmaceutical biomaterials: favourable physical features versus adverse biological effects Carbohydr Polym 121: 27–36 Mahmood WAK, Khan MMR, Yee TC (2014) Effects of reaction temperature on the synthesis and thermal properties of carrageenan ester J Phys Sci 25: 123–138 Mendoza WC, Montano NE, Ganzon-Fortes ET, Villanueva RD (2002) Chemical and gelling profile of ice-ice infected carrageenan from Kappaphycus striatum (Schmitz) Doty “sacol” strain (Solieriaceae, Gigartinales, Rhodophyta) J Appl Phycol 14: 409–418 Nanaki S, Karavas E, Kalantzi L, Bikiaris D (2010) Miscibility study of carrageenan blends and evaluation of their effectiveness as sustained release carriers Carbohydr Polym 79: 1157–1167 Necas J, Bartosikova L (2013) review Vet Med 58: 187–205 Carrageenan: a Ohno M, Largo DB, Ikumoto T (1994) Growth rate, carrageenan yield and gel properties of cultured kappa-carrageenan producing red alga Kappaphycus alvarezii (Doty) Doty in the subtropical waters of Shikoku, Japan J Appl Phycol 6: 1–5 Pal S, Sen G, Mishra S, Dey RK, Jha U (2008) Carboxymethyl tamarind: Synthesis, characterization and its application as novel drug-delivery agent J Appl Polym Sci 110: 392–400 Prajapati DV, Maheriya PM, Jani GK, Solanki HK (2014) Carrageenan: a natural seaweed polysaccharide and its applications Carbohydr Polym 105: 97–112 Pavli M, Baumgartner S, Kos P, Kogej K (2011) Doxazosin-carrageenan interactions: A novel approach for studying drug-polymer interactions and 328 Terho TT, Hartiala K (1972) Method for determination of sujphate content of glycosaminoglycans Anal Biochem 41: 471-476 Thanh Thi Thu Thuy, Tran Thị Thanh Van, Bui Minh Ly, Pham Duc Thinh (2007) Structure of carrageenan from Eucheuma denticulatum Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Quốc gia "Biển Đông-2007": 207-212 Trần Đình Toại, Nguyễn Xuân Nguyên, Phạm Hồng Hải, Nguyễn Bích Thủy, Trần Thị Hồng (2003) Nghiên cứu carrageenan từ Rong Hồng vân Eucheuma gelatinae vùng biển Việt Nam Báo cáo Khoa học, Hải Phòng: 185-204 Tranquilan-Aranilla C, Nagasawa N, Bayquen A, Rosa AD (2012) Synthesis and characterization of carboxymethyl derivatives of kappa-carrageenan Carbohydr Polym 87: 1810–1816 Velde F, Pereirac L, Rollema HS (2004) The revised NMR chemical shift data of carrageenans Carbohydr Res 339: 2309–2313 Vreeman HJ, Snoeren THM, Payens TAJ (1980) Physicochemical investigation of k-carrageenan in the random state Biopolym 19: 1357–1374 Yaphe W, Arsenault GP (1965) Improved resorcinol reagent for the determination of fructose, and of 3,6anhydrogalactose in polysaccharides Anal Biochem 13: 143–148 Yegappan R, Selvaprithiviraj V, Amirthalingam S, Jayakumar R (2018) Carrageenan based hydrogels for drug delivery, tissue engineering and wound healing Carbohydr Polym 198: 385-400 Zia KM, Tabasum S, Nasif M, Sultan N, Aslam N, Noreen A, Zuber M (2017) A review on synthesis, properties and applications of natural polymer based carrageenan blends and composites Int J Biol Macromol 96: 282–301 Zuldin WH, Yassir S, Shapawi R (2016) Growth and biochemical composition of Kappaphycus (Rhodophyta) in customized tank culture system J Appl Phycol 28: 2453–2458 Journal of Biotechnology 18(2): 321-329, 2020 MÔ TẢ ĐẶC TÍNH CỦA KAPPAPHYCUS STRIATUM KAPPA-CARRAGEENAN TỪ RONG ĐỎ Lê Đình Hùng1, Đặng Thị Hương2 Viện Nghiên cứu Ứng dụng Công nghệ Nha Trang, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Trường Trung học Phổ thơng Nguyễn Văn Trỗi, Nha Trang, Khánh Hịa TĨM TẮT Rong đỏ Kappaphycus striatum loài rong kinh tế nuôi trồng rộng rãi Việt Nam làm nguồn nguyên liệu để sản xuất carrageenan Để đánh giá chất lượng carrageenan, đặc tính carageenan chiết từ mẫu rong khảo sát Kết cho thấy thành phần hóa học carrageenan bao gồm 32,4% 3,6-anhydrogalactose 24,3% sulfate Nhiệt độ tạo gel nhiệt độ tan 34,4oC 55,6oC, tương ứng Độ bền gel 1,5% 615 g/cm2 khối lượng phân tử trung bình 267 kDa Phổ FT-IR cho thấy dải hấp thụ mạnh 930 cm-1 850 cm-1 tương ứng với 3,6 anhydro-α-D-galactose liên kết vị trí 1,4 β-D-galactose-4-sulfate liên kết vị trí 1,3 kappa-carrageenan Phổ 13C NMR tín hiệu cho carbon anomer β-D-galactose4-sulfate 102,6 ppm 3,6-anhydro-α-D-galactose 95,3 ppm Phổ 13H NMR cho thấy đỉnh tín hiệu 3,57 ppm 5,1 ppm tương ứng với proton O-methyl 6-O-methyl-D-galactose liên kết vị trí 1,3 proton α-anomer 3,6 anhydro-α-D-galactose Các kết cho thấy carrageenan từ rong đỏ K striatum kappa-carrageenan với nhóm disaccharide lập lại bao gồm 6-O-methyl-β-D-galactose-4-sulfate liên kết 1,3 3,6 anhydro-α-D-galactose liên kết 1,4 khơng chứa iota-carrageenan Vì vậy, rong hứa hẹn nguồn giá trị để sản xuất carrageenan cho sử dụng thực phẩm y học Từ khóa: Carrageenophytes, cấu trúc, kappa-carrageenan, Kappaphycus striatum, tính chất 329 VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ VN CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ Độc lập - Tự - Hạnh phúc BẢN GIẢI TRÌNH CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THEO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG ĐÁNH GIÁ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: ĐẶNG THỊ HƢƠNG Lớp: CHE18 Tên đề tài luận văn: “Tổng hợp phân tích đặc tính hóa lý dẫn xuất carboxymethyl kappa-carrageenan từ rong đỏ Kappaphycus striatum” Chuyên ngành: Hóa phân tích Mã số: 44 01 18 Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS Lê Đình Hùng - Viện Nghiên Cứu Ứng Dụng Công Nghệ Nha Trang Ngày bảo vệ luận văn: 25/11/2020 Căn biên họp hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ, học viên chỉnh sửa luận văn nhƣ sau: STT Nội dung đề nghị bổ sung, chỉnh sửa * Phần: Lý chọn đề tài Phần: Tổng quan Nội dung bổ sung, chỉnh sửa - Đã bổ sung cụ thể rõ ràng để làm bật đƣợc ý nghĩa khoa học thực tiễn lí chọn đề tài: lựa chọn đối tƣợng nghiên cứu “dẫn xuất carboxylmethyl kappa-carrageenan”, trang - Đã bổ sung thêm tình hình nghiên cứu carboxylmethyl kappa-carrageenan giới nƣớc từ trang 30 đến trang 33 - Đã bổ sung tổng quan phƣơng pháp tổng hợp dẫn xuất carboxylmethyl kappa-carrageenan từ trang 38 đến trang 39 *Chƣơng 2: Vật liệu phƣơng pháp nghiên cứu - Đã chỉnh sửa phƣơng pháp nghiên cứu đƣợc trích dẫn nguồn tài liệu tham khảo rõ rang, có bơi đậm luận văn - Trong phần thực nghiệm có nội dung đo độ nhớt để xác định khối lƣợng phân tử trung bình carrageenan liệt kê thiết bị nhớt kế Ubbelohde trang 47 - Các phƣơng pháp nghiên cứu trình bày rõ ràng hơn, cụ thể: + Phƣơng pháp chiết carrageenan dùng nguyên liệu rong khô trang 40, trang 41 + Quy trình tổng hợp dẫn xuất carboxymethyl kappa-carrageenan mơ tả rõ hình ảnh dụng cụ, thiết bị: bình phản ứng, thiết bị khuấy trộn máy khuấy từ có nhiệt độ để ổn nhiệt… trang 42 43 + Phƣơng pháp xác định độ bền gel mô tả theo phƣơng pháp Hellebust, Craige (1978) trang 43 + Phƣơng pháp xác định hàm lƣợng 3,6anhydro-D-galactose trình bày bổ sung giải thích rõ ràng trang 45 46 + Phƣơng pháp xác định hàm lƣợng sulfate phƣơng pháp so màu sử dụng đƣờng chuẩn trình bày bổ sung thêm để dễ hiểu trang 47 + Đã bổ sung phƣơng pháp đo kích thƣớc hạt vi nang carboxymethyl kappacarrageenan thƣớc kẻ đo kích thứớc hạt ngậm nƣớc hạt khô trang 65 + Đã bổ sung chỉnh lý thêm mục - Ví dụ: mục 2.2.5 Xác định cấu trúc, trình bày rõ phƣơng pháp xác định cấu trúc mẫu carrageenan, phƣơng pháp ghi phổ hồng ngoại IR dùng để xác định nhóm chức 3,6-anhydro-D-galactose gốc sulfate carrageenan trang 49 - Phƣơng pháp phổ cộng hƣởng từ hạt nhân NMR (H1, C13) dùng để xác định vị trí độ chuyển dịch hóa học nguyên tử carbon phổ 13C NMR độ chuyển dịch hóa học proton phổ 1H NMR kappa-carrageenan từ rong đỏ Kappaphycus striatum trang 49 - Xác định chi tiết liên kết cấu trúc cách dùng phổ (H1, C13) NMR so sánh với nguồn tài liệu giới công bố xác Từ có sở khoa học để kết luận đƣợc phổ (1H, 13C) NMR carrageenan từ rong đỏ K striatum phổ kappacarrageenan trang 53, 54 trang 56, 57 * Phần kết luận - Đã sửa lại phần kết luận, nêu đƣợc kết mới, trọng tâm, quan trọng đề tài trang 67 * Về bố cục luận văn: bố cục cân đối lại nội dung, phần * Về bố cục luận văn * Chỉnh sửa lỗi tả số chỗ sử dụng tên gọi, danh pháp hóa học thống theo kiểu chung toàn luận văn Nha Trang, ngày tháng 12 năm 2020 CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TM TẬP THỂ HƢỚNG DẪN PGS.TS Trần Thị Thanh Vân TS Lê Đình Hùng XÁC NHẬN CỦA CƠ SỞ ĐÀO TẠO HỌC VIÊN Đặng Thị Hƣơng ... Việt Nam phƣơng pháp tổng hợp phân tích đặc tính hóa lý dẫn xuất carboxymethyl kappa-carrageenan từ rong đỏ Kappaphycus striatum 5.2 Tính thực tiễn đề tài: Các kết đạt đƣợc từ đề tài không hứa... nguồn nguyên liệu rong phong phú đƣợc nuôi trồng, tiến hành thực đề tài ? ?Tổng hợp phân tích đặc tính hóa lý dẫn xuất carboxymethyl kappa-carrageenan từ rong đỏ Kappaphycus striatum? ?? Các kết nghiên... độ carboxymethyl hóa dẫn xuất carboxymethyl kappa-carrageenan - Xác đinh cấu trúc dẫn xuất carboxymethyl kappa-carrageenan phổ IR 13C NMR  Phân tích tính chất hóa lý, kích thƣớc cấu trúc dẫn xuất