Đang tải... (xem toàn văn)
Trong nghiên cứu này, dung dịch xanthan 2% được chiếu xạ với các liều chiếu khác nhau từ 25 đến 150 kGy để xác định liều chiếu xạ cần thiết tạo sản phẩm xanthan có khối lượng phân tử thấp ứng dụng làm chất bám dính nhằm tăng hiệu quả sử dụng của phân bón lá. Ảnh hưởng của bức xạ gamma ở các liều xạ khác nhau đến một số đặc trưng cấu trúc của xanthan cũng được phân tích. Kết quả cho thấy, xử lý chiếu xạ đã làm giảm đáng kể độ nhớt, khối lượng phân tử, tính bền nhiệt cũng như khả năng bám dính của dung dịch xanthan.
Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Nghiên cứu tạo xanthan khối lượng phân tử thấp phương pháp chiếu xạ Trần Minh Quỳnh*, Nguyễn Văn Bính, Trần Xuân An Trung tâm Chiếu xạ Hà Nội Ngày nhận 18/12/2017; ngày chuyển phản biện 25/12/2017; ngày nhận phản biện 31/1/2018; ngày chấp nhận đăng 8/2/2018 Tóm tắt: Trong nghiên cứu này, dung dịch xanthan 2% chiếu xạ với liều chiếu khác từ 25 đến 150 kGy để xác định liều chiếu xạ cần thiết tạo sản phẩm xanthan có khối lượng phân tử thấp ứng dụng làm chất bám dính nhằm tăng hiệu sử dụng phân bón Ảnh hưởng xạ gamma liều xạ khác đến số đặc trưng cấu trúc xanthan phân tích Kết cho thấy, xử lý chiếu xạ làm giảm đáng kể độ nhớt, khối lượng phân tử, tính bền nhiệt khả bám dính dung dịch xanthan Từ khóa: Chiếu xạ tia gamma, độ nhớt, khối lượng phân tử thấp, tính bám dính, xanthan Chỉ số phân loại: 2.4 Preparation of low molecular weight xanthan by gamma radiation degradation Minh Quynh Tran*, Van Binh Nguyen, Xuan An Tran Hanoi Irradiation Centre Received 18 December 2017; accepted February 2018 Abstract: In this study, 2% xanthan solutions were irradiated at doses ranging from 25 to 150 kGy for estimating the dose required to prepare low molecular weight xanthan that can be utilized as the bio-adhesive supplemented to foliar fertilizers to improve their effectiveness The results revealed that viscosity and average molecular weight of commercial xanthan were quickly reduced by irradiation at 25 kGy, then slower reduced with the doses up to 150 kGy Thermal stability and adhesion capacity of the irradiated xanthan also decreased by radiation degradation Keywords: Adhesion, gamma irradiation, low molecular weight, viscosity, xanthan Classification number: 2.4 Đặt vấn đề Xanthan polysaccharide sinh tổng hợp Xanthomonas campestris, loài vi khuẩn gây bệnh mục đen (Black rot) rau cải, súp lơ loại rau mỏng khác Xanthan thành phẩm thu nhận từ trình lên men carbohydrate với X campestris tinh chế ethanol isopropanol trước sấy khô nghiền thành dạng bột Nhờ khả tan tốt nước thành dung dịch có độ nhớt cao, xanthan sử dụng chất bám dính nhiều ứng dụng khác nhau, từ cơng nghiệp thực phẩm đến hóa chất nơng nghiệp công nghiệp khác công nghiệp dệt, gốm sứ, sơn, dầu khí [1] Tuy nhiên, độ nhớt dung dịch cao phần ảnh hưởng đến khả hòa tan ứng dụng polymer thực tiễn Ngày nay, công nghệ xạ nghiên cứu sử dụng rộng rãi để biến đổi đặc tính vật liệu polyme theo mục đích ứng dụng Xanthan polysaccharide tự nhiên có tính tương hợp sinh học khả bám dính tốt nên dùng nhiều cơng nghiệp thực phẩm, dược phẩm, dầu mỏ… Gần đây, kỹ thuật chiếu xạ cắt mạch áp dụng với polysaccharide tự nhiên để tạo phân đoạn khối lượng phân tử (KLPT) thấp, có khả tan nước hoạt tính sinh học cải thiện, nhằm sản xuất chế phẩm kích thích sinh trưởng, kích kháng bệnh thực vật dùng nông nghiệp [2-4] Tương tự polysaccharide khác, chiếu xạ cắt mạch xanthan làm tăng tính tan nước khả ứng dụng thực tiễn [4] Kết nghiên cứu Li cs cho thấy, xử lý Tác giả liên hệ: Email: tmqthuquynh@yahoo.com * 60(3) 3.2018 41 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ chiếu xạ xanthan liều 40 kGy làm tăng khả tạo độ sánh cho ứng dụng làm chất ổn định thực phẩm [5] Một tác giả khác rằng, chiếu xạ liều 45 kGy làm giảm độ nhớt KLPT xanthan, làm cho xanthan chiếu xạ dễ hòa tan nước [6] Kết nghiên cứu Li cs xanthan chiếu xạ dạng bột khô dải liều 0-500 kGy nguồn gamma Co-60 cho thấy, có suy giảm KLPT từ 1,71-2,23×106 g.mol-1 liều 10 kGy xuống cịn 1,59×104 g.mol-1 liều 500 kGy [4] Tương tự, nghiên cứu trước xác nhận rằng, chiếu xạ dạng khô hay dạng “paste” làm giảm KLPT độ nhớt xanthan [7] Tuy nhiên, để có chế phẩm xanthan KLPT thấp 105 g.mol-1 cần phải chiếu xạ cao, làm tăng chi phí hạn chế khả ứng dụng thực tiễn Việc bổ sung chất phụ gia chất nhạy xạ chứng minh làm tăng hiệu cắt mạch xạ [8], chẳng hạn hydro peoxit (H2O2) bổ sung vào dung dịch chitosan, alginate để tăng hiệu cắt mạch xạ chúng [9] Dung dịch H2O2 5% sử dụng để làm tăng hiệu cắt mạch nghiên cứu gần chúng tôi, kết cho thấy cần liều chiếu khoảng 30 kGy giảm KLPT xanthan xuống cịn nửa, song dường cấu trúc phân tử polyme không bị ảnh hưởng liều chiếu tiếp tục tăng đến 50 kGy [10] Với mục đích tạo xanthan KLPT thấp 105 g.mol-1 mà không cần áp dụng liều chiếu cao, nghiên cứu này, dung dịch xanthan sử dụng ảnh hưởng liều chiếu đến độ nhớt, KLPT trung bình nhớt, tính bền nhiệt khảo sát Nội dung nghiên cứu Vật liệu Xanthan thương mại dạng bột cung cấp Cơng ty TNHH cơng nghệ Ba Đình Các hóa chất tinh khiết KCl, NaCl, H2O2, CaCl2 mua từ Hãng Merck (Đức) Chuẩn bị mẫu xanthan xử lý chiếu xạ Dung dịch xanthan 2% hòa tan nước khử ion cách khuấy qua đêm, chia vào chai đựng mẫu kín chiếu xạ liều 25, 50, 75, 100 150 kGy, với suất liều Sau chiếu xạ, dung dịch xanthan bảo quản tủ mát sử dụng dung dịch gốc cho thí nghiệm đo đầu đo LV2 tốc độ 100 vòng/phút nhiệt độ phịng (~24°C) KLPT trung bình nhớt (Mv) xanthan tính từ độ nhớt thực [η] theo phương trình Mark-Houwink: [η] = K×[Mv]a Trong đó: K = 2,79×10-5, a = 1,2754 dung dịch xanthan pha dung môi NaCl 0,1 M 25°C theo Millas cs [11] Giá trị độ nhớt thực [η] xác định thực nghiệm từ độ nhớt tương đối dung dịch polyme lỗng Phân tích đặc tính xanthan chiếu xạ Khả bám dính xanthan bề mặt phẳng nhẵn màng mỏng (mica) xác định theo phương pháp mô tả Stock cs [12] Trong đó, màng kích thước 10×10×0,1 cm sử dụng để đánh giá khả bám dính dung dịch xanthan Đầu tiên, màng mỏng khối lượng (M0) nhúng chìm dung dịch xanthan 0,5% phút Sau nhấc ra, để giá thổi khơng khí 20 phút để làm khô Cân xác định khối lượng mica thu sau nhúng vào dung dịch xanthan (Ms) Rửa vài lần nước cất, tiếp tục làm khô 20 phút, cân khối lượng mẫu sau rửa trôi (Mc) Độ bám dính tính lượng dung dịch xanthan bám mica theo công thức sau: Khối lượng bám dính (A) = Ms - M0 (2) Khối lượng bám dính sau rửa trơi (B) = Mc - M0 (3) Tính bền nhiệt xanthan chiếu xạ liều 25, 100 kGy xanthan ban đầu đánh giá thiết bị phân tích nhiệt trọng lực (TGA) từ 50 đến 500°C dịng khí nitơ, với tốc độ gia nhiệt 10°C phút Kết thảo luận Ảnh hưởng chiếu xạ đến độ nhớt xanthan Bảng Độ nhớt xanthan xử lý chiếu xạ dạng bột khơ Xác định độ nhớt KLPT trung bình nhớt xanthan Độ nhớt xanthan xác định máy đo độ nhớt (Brookfield, Anh) Các dung dịch xanthan 5% chuẩn bị từ dung dịch gốc, khuấy với tốc độ 100 vòng/ phút 30 phút để ổn định Độ nhớt dung dịch 60(3) 3.2018 (1) 42 STT Liều xạ (kGy) Độ nhớt (cP) 467,30±9,10 25 10,10±0,31 50 4,12±0,23 75 3,25±0,12 100 3,17±0,07 150 2,91±0,08 Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Kết bảng cho thấy, độ nhớt dung dịch giảm mạnh theo liều chiếu từ 476,3 cP xanthan ban đầu xuống 10,1 cP chiếu xạ liều khử trùng 25 kGy Sau độ nhớt giảm chậm lại liều chiếu tiếp tục tăng đến 150 kGy, cụ thể giảm xuống 2,91 cP chiếu với liều xạ 150 kGy Kết cho thấy hiệu suất cắt mạch dung dịch xanthan cao nhiều so với xanthan chiếu xạ trạng thái khô [7] Điều phân ly phóng xạ nước có dung dịch tạo lượng đáng kể gốc tự do, tiếp tục ion hóa gia tăng mức độ phân hủy xạ xanthan làm giảm kích thước phân tử, làm giảm độ nhớt KLPT chúng [13] Murat Sen cs suy giảm KLPT trung bình liều chiếu tăng, song giảm KLPT xanthan nghiên cứu họ chậm họ chiếu xạ xanthan dạng bột [6] Bằng cách làm khớp kết với phương trình đồ thị, tính liều chiếu xạ cần thiết để thu xanthan có KLPT khoảng xác định, chẳng hạn với liều chiếu 100 kGy thu sản phẩm xanthan cắt mạch có KLPT trung bình khoảng 40 g.mol-1 Ảnh hưởng xạ đến tính bền nhiệt xanthan Ảnh hưởng chiếu xạ đến KLPT xanthan Khối lượng phân tử (×103 g.mol-1) Khối lượng mẫu sau nhiệt phân (%) 100 Trong nghiên cứu này, độ nhớt thực xanthan chiếu xạ ngoại suy KLPT trung bình nhớt xác định theo liều chiếu trình bày hình Có thể thấy rằng, 80 KLPT trung bình nhớt xanthan chiếu xạ dạng dung dịch giảm nhanh chiếu xạ liều thấp 25 kGy, sau 60 KLPT trung bình nhớt giảm chậm lại, cụ thể KLPT trung Khơng chiếu xạ bình nhớt giảm từ khoảng 2.700.000 xuống 650.000 Liều chiếu xạ 25 kGy g.mol-1 chiếu liều 25 kGy giảm tiếp xuống 40 Liều chiếu xạ 150 kGy -1 khoảng 12.000 g.mol liều chiếu xạ tăng đến 150 kGy Điều chứng tỏ rằng, tia gamma gây cắt mạch 20 xanthan, làm hình thành phân đoạn polyme ngắn hơn, có KLPT thấp có tính linh động cao Sự giảm KLPT theo liều chiếu chứng tỏ tác dụng xạ 100 200 300 400 500 xanthan cắt mạch mà không tồn khâu mạch o Nhiệt độ ( C) xảy số polyme hướng khâu mạch Trong mơi trường có nước, gốc tự tạo xạ phân nước Giản nhiệt trọng lượng (TGA) củachiếu xanthan Hình Hình Giản đồ2.nhiệt trọngđồlượng (TGA) xanthan xanthan xạ gây ion hóa nguyên tử cacbon xanthan chiếu xạ phân tử polyme Theo Ulanski Rosiak, lượng Dung dịch xanthan chiếu xạ làm khô tủ sấy chân không 40C Lớp xạ làm đứt gãy cầu liên kết mạch phân tử polyme, màng hình thành nghiền mịn tính bền nhiệt xác định cách phân tích Dung cứu dịch xanthan chiếu xạ làm khô tủ 3000 giản Trong đồ nhiệtnghiên trọng lượng.này, Kết độ quảnhớt phân tích TGA xanthan xanthan chiếu xạ sấy chân không 40°C Lớp màng hình thành nghiền thực củatrình xanthan chiếu 2.xạCó thấy ngoạirằng, tất mẫu xanthan bắt đầu bị nhiệt mịnbàyvàở hình tính bền thể nhiệt xác định cách phân tích suyphân KLPT trung bình nhớt 2500 giản nhiệt độ thấp, tốc độ nhiệt phân nhanh chóng lên làm đồtương nhiệtđốitrọng lượng Kết phân tíchtăng TGA đốicho vớikhối xáclượng địnhmẫu theo liều chiếu trình giảm Quá giảm chậmxạ lạiđược nhiệt độ tiếp tụcởtăng lên.2.Sau chiếu xanthan trình xanthan chiếu trình bày hình Cókhithể 2000 bàyxạ, tính hìnhthấy Có thể thấy rằng, KLPT rằng, tất đầu bị nhiệt bền nhiệt xanthan giảmmẫu mạnh.xanthan Tốc độ phân hủybắt nhiệt xanthanphân chiếu xạ trung bình nhớt xanthan chiếu xạ nhiệt độnhất, tương đốilượng thấp,xanthan tốc độ nhiệt phân nhanh chóng liều 150ởkGy lớn khối chiếu xạ lại sau nhiệt phân nhanh 1500 làm cho khối lượng mẫu giảm Quá trình giảm dạng dungtăng dịchlên giảm nhanh chóng giảm xuống nhiệt độ khoảng 120C (đường đỏ gạch), xanthan chậm lạidưới 25 nhiệt tiếp tục tăng lên Sau chiếu xạ, chiếu xạ liều thấp kGy,độsau không chiếu xạ bị phân hủy cịn khoảng 20% nhiệt độ 200C tính bền nhiệt xanthan giảm mạnh Tốc độ phân hủy 1000 KLPT trung bình nhớt giảm chậm (đường xanh) Điều chứng tỏ xanthan bị phân ngắn nhiệt xanthan chiếu xạ liều hủy 150thành kGycáclàphân lớnđoạn nhất, vàhơn lại, cụ thể KLPT trung bình nhớt với tính khối bền nhiệt nhiều chiếu xạ lại sau nhiệt phân nhanh lượng xanthan 500 giảm từ khoảng 2.700.000 xuống y = 1500e-0.033x Một số nghiên gần đâyngay cho thấy tính nhiệt xanthan(đường giảm mạnh chóng giảmcứuxuống nhiệt độbền khoảng 120°C 650.000 g.mol-1 chiếu liều 25 kGy đỏ gạch), xanthan không chiếu xạ bị phân chiếu xạ dù có khác biệt đáng kể tính bền nhiệt xanthan ban đầu [11] Điều giảm hủy tiếprấtxuống khoảng 25 50 75 100 125 150 vẫncủacòn khoảng 20% 200°C (đường mẫtxanthan họ khơng giống ởsảnnhiệt phẩmđộ thương mại nghiên -1 12.000 g.mol khiĐiều liều chiếuchứng xạ tăngtỏ xanthan bị phân hủy thành xanh) Liều chiếu xạ (kGy) cứu Đánh giá thay đổi đặc tính cấu trúc xanthan xử lý chiếu xạ dung dịch đến 150 kGy phân đoạn ngắn với tính bền nhiệt nhiều Hình Ảnh hưởng chiếu xạ đến KLPT trung Hình Ảnh hưởng chiếu xạ đến KLPT trung bình nhớt bình nhớt xanthan Điều chứng tỏ rằng, tia xanthan Một số nghiên cứu gần cho thấy tính bền nhiệt gamma gây cắt mạch xanthan, làm hình thành phân đoạn polyme ngắn hơn, có KLPT thấp có tính linh động cao Sự giảm KLPT theo liều chiếu chứng tỏ tác dụng xạ xanthan cắt mạch mà không 43tồn khâu mạch 60(3) 3.2018 xảy số polyme hướng khâu mạch Trong mơi trường có nước, gốc tự tạo xạ phân nước gây ion hóa nguyên tử cacbon Khoa học Kỹ thuật Công nghệ xanthan giảm mạnh chiếu xạ dù có khác biệt hưởng đáng kể đến tính bền nhiệt khả bám dính đáng kể tính bền nhiệt xanthan ban đầu [11] Điều xanthan Các phân đoạn xanthan chiếu xạ với tính tan cải mẫu xanthan họ khơng giống sản thiện tính bám dính tốt sử dụng làm chất kết dính phẩm thương mại nghiên cứu Đánh giá thay để giảm rửa trơi hóa chất bảo vệ thực vật sau phun đổi đặc tính cấu trúc xanthan xử lý chiếu xạ dung LỜI CẢM ƠN dịch xanthan nguồn Co-60, Li cs rõ Nhóm nghiên cứu chân thành cảm ơn Bộ Khoa học xanthan nguồn Co-60, cscủa rõ suy KLPT suy giảmLiKLPT xanthan giảm cấu trúc củacủa xanthan Cơng nghệ hỗ trợ kinh phí thơng qua đề tài nghiên cứu không bị ảnhbịhưởng bởirakết cấu trúc củadường dường khơng ảnh hưởng nhưrachỉ kếtphân phân phổ mãtích số ĐTĐL.19/16 tích phổ hồng ngoại FTIR XRD [4] hồng ngoại FTIR XRD [4] TÀI LIỆU THAM KHẢO hưởng chiếu xạdính đếncủa tínhxanthan bám dính Ảnh hưởngẢnh chiếu xạ đến tính bám [1] Anil Lackke (2004), “Xanthan - A Versatile Gum”, Resonane, 9, pp.25xanthan 33 [2] Le Quang Luan, Naotsugu Nagasawa, Masao Tamada (2006), “Enhancement of plant growth activity of irradiated chitosan by molecular weight fractionation”, Radioisotopes, 55, pp.21-27 [3] D Katiyar, A Hemantaranjan, S Bharti, A Nishant Bhanu (2014), “A Future perspective in crop protection: chitosan and its oligosaccharides”, Adv Plants Agric Res.,1(1), p.00006 [4] Li Yanjie, Ha Yiming, Wang Feng, Li Yongfu (2010), “Effect of irradiation on molecular weight and antioxidant activity of xanthan gum”, Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 24(6), pp.1208-1213 [5] Yan Jie Li, et al (2011), “Effect of Irradiation on the Molecular Weight, Structure and Apparent Viscosity of Xanthan Gum in Aqueous Solution”, Advanced Materials Research, 2632, pp.239-242 Hình Khả bám dính mica dung dịch xanthan 0,5% Kết hình cho thấy, khả bám dính bề mặt mica diện tích 100 cm2 dung dịch xanthan chiếu xạ phụ thuộc vào liều chiếu xạ Khi liều chiếu xạ tăng, khả bám dính mica dung dịch xanthan giảm, cụ thể từ 2,14 g xanthan ban đầu xuống 1,32 g với xanthan chiếu xạ liều 25 kGy Khối lượng bám dính xanthan chiếu xạ liều chiếu cao giảm mạnh khoảng 0,03 g dung dịch xanthan chiếu xạ liều 100 kGy, quan sát lượng mẫu nhỏ bám bề mặt mica Kết phân tích cho thấy lượng chất bám dính tiếp tục giảm xuống nhúng nước, nghĩa bị rửa trôi nước mưa áp dụng thực tế Kết luận Xử lý chiếu xạ làm KLPT độ nhớt xanthan giảm mạnh Từ kết thu được, tạo sản phẩm xanthan cắt mạch có khả hịa tan tốt nước, có KLPT khoảng định cho ứng dụng thực tiễn từ sản phẩm thương mại cách chiếu xạ với liều chiếu tương ứng Kết phân tích cho thấy, chiếu xạ ảnh 60(3) 3.2018 [6] Murat Sen, Hande Hayrabolulu, Pinar Taskin, Murat Torun, Maria Demeter, Mihalis Cutrubinis, Olgun Guven (2015), “Radiation induced degradation of xanthan gum in the solid state”, Radiation Physics and Chemistry, 124, pp.225-229 [7] N.V Binh, T.B Diep, H.D Sang, H.P Thao, N.T Thom, T.M Quynh (2016), “Low molecular weight xanthan prepared by gamma irradiation and its effects on developing of seedlings”, RAD Conference Proceedings, 1, pp.9598 [8] Nguyễn Quốc Hiến, Đặng Xuân Dự, Đặng Văn Phú, Lê Anh Quốc, Phạm Đình Dũng, Nguyễn Ngọc Duy (2016), “Nghiên cứu chế tạo oligochitosan phương pháp chiếu xạ gamma Co-60 dung dịch chitosanH2O2 khảo sát hiệu ứng chống oxy hóa”, Tạp chí Khoa học Công nghệ, 54(1), tr.46-53 [9] C.Q Qin, Y.M Du, L Xiao (2002), “Effect of hydrogen peroxide treatment on the molecular weight and structure of chitosan”, Polymer Degradation and Stability, 76, pp.211-218 [10] Nguyễn Văn Bính, Trần Minh Quỳnh, Trần Băng Diệp, Hoàng Đăng Sáng, Trần Xuân An, Nguyễn Thị Thơm (2017), “Ảnh hưởng xử lý chiếu xạ gamma đến số đặc tính xanthan”, Hội nghị khoa học cơng nghệ hạt nhân tồn quốc lần thứ XII, tr.217 [11] M Milas, M Rinaudo and B Tinland (1985), “The viscosity dependence on concentration, molecular weight and shear rate of xanthan solutions”, Polymer Bull., 14, pp.157-164 [12] D Stock, P.J Holloway (1993), “Possible mechanisms for surfactantinduced foliar uptake of agrochemicals”, Pest Management Science, 38, pp.165-177 [13] P Ulanski and J Rosiak (1992), “Preliminary studies on radiationinduced changes in chitosan”, Radiation Physics Chemistry, 39, pp.53-57 44 ... hưởng xạ đến tính bền nhiệt xanthan Ảnh hưởng chiếu xạ đến KLPT xanthan Khối lượng phân tử (×103 g.mol-1) Khối lượng mẫu sau nhiệt phân (%) 100 Trong nghiên cứu này, độ nhớt thực xanthan chiếu xạ. .. gốc tự tạo xạ phân nước Giản nhiệt trọng lượng (TGA) củachiếu xanthan Hình Hình Giản đồ2.nhiệt trọngđ? ?lượng (TGA) xanthan xanthan xạ gây ion hóa nguyên tử cacbon xanthan chiếu xạ phân tử polyme... hủybắt nhiệt xanthanphân chiếu xạ trung bình nhớt xanthan chiếu xạ nhiệt độnhất, tương đốilượng thấp ,xanthan tốc độ nhiệt phân nhanh chóng liều 150ởkGy lớn khối chiếu xạ cịn lại sau nhiệt phân nhanh