3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1.2. Nghiên cứu cắt mạch chitosan thành OCTS sử dụng tác nhân H2O2
Với xúc tác là FeSO4.7H2O, H2O2 sẽ ôxi hóa Fe2+ thành Fe3+ theo phản ứng sau (Nguyen Ngoc Duy và ctv, 2011): Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH- + OH (24)
Fe2+ + H2O2 → Fe2+O + H2O (25) Dưới sự có mặt của ánh sáng xảy ra quá trình hoàn nguyên từ Fe3+ thành Fe2+ Fe3+ + H2O → Fe2+ + OH + H+ (26)
Khi nồng độ của ion H+ điện li ra tăng (ion H+ là tác nhân cation làm xúc tác cho quá trình cắt mạch chitosan), ion H+ sẽ tạo liên kết cho nhận với cặp electron của nguyên tử oxi trong liên kết β– (1 – 4) – glucoside của chitosan. Phân tử H2O tấn công làm liên kết β– (1 – 4) – glucoside bị kéo giãn và đứt tạo thành các OCTS có MW thấp (Zehui Zhang và ctv, 2009). Kết quả được trình bày ở Bảng 3.2.
Bảng 3.2. MW và DDA của chitosan theo nồng độ H2O2 và tPƯ
STT C H2O2 (%) t (giờ) MW (kDa) DDA (%)
1 2 6 178 77 2 4 6 157 75 3 6 6 132 76 4 8 6 125 74 5 2 8 171 75 6 4 8 95 73 7 6 8 68 74 8 8 8 60 74 9 2 10 133 76 10 4 10 94 74 11 6 10 66 73 12 8 10 60 75 13 2 12 126 77 14 4 12 99 76 15 6 12 70 75 16 8 12 57 76
Kết quả Bảng 3.2 cho thấy, nồng độ H2O2 và tPƯ có ảnh hưởng đến MW của OCTS tạo thành có sự khác biệt về mặt thống kê ở mức ý nghĩa = 0,05 nhưng ảnh hưởng đến DDA của OCTS không có sự khác biệt về mặt thống kê ở mức ý nghĩa
= 0,05 (p < 0,05; phụ lục 7). Khi nồng độ H2O2 tăng từ 2 – 6% và tPƯ tăng từ 6 – 10 giờ thì MW của OCTS giảm mạnh còn khoảng 50 – 70 kDa (Hình 3.8), nhưng khi nồng độ H2O2 tăng lên đến 8% và tPƯ tăng lên 12 giờ thì MW của OTCS giảm không đáng kể và nằm trong khoảng 50 – 60 kDa (Hình 3.9). Sau phản ứng, DDA của OCTS thay đổi không đáng kể so với nguyên liệu chitosan ban đầu (từ 75 – 77%).
Thí nghiệm này được chúng tôi bố trí theo phương pháp bề mặt đáp ứng (response surface) để xác định nồng độ H2O2 và tPƯ tối ưu cho phản ứng, mục đích lựa chọn MW của OCTS 70 kDa và DDA 75%. Trên đồ thị và biểu đồ bề mặt đáp ứng của MW với phương trình hồi quy là: MW = 2,3594 [H2O2]2 + 3,4219 (tPƯ)2 – 12,5625 [H2O2] – 8,9625 (tPƯ) + 220,2562 và DDA với phương trình hồi quy là: DDA = 0,125 [H2O2]2 + 0,1875 (tPƯ)2 – 0,225 [H2O2] + 73,6625 (Hình 3.10), xác định điều kiện phản ứng thích hợp là nồng độ H2O2 6% và tPƯ là 10 giờ. Kết quả này phù hợp với nghiên cứu của Bùi Duy Du và ctv (2007, 2010).
Hình 3.8. Phổ GPC của OCTS có Mw = 66 kDa (Nồng độ H2O2 = 6%; tPƯ = 10 giờ).
Hình 3.9. Phổ GPC của OCTS có Mw = 57 kDa (Nồng độ H2O2 = 8%; tPƯ = 12 giờ).
Hình 3.10. Đồ thị bề mặt đáp ứng thể hiện sự ảnh hưởng của nồng độ H2O2 và tPƯ
Hình 3.11. Phổ IR của chitosan ban đầu.
Hình 3.12. Phổ IR của OCTS sau phản ứng cắt mạch bằng H2O2.
Phổ IR của chitosan (Hình 3.11) và OCTS (Hình 3.12) thể hiện các nhóm chức đặc trưng có trong chitosan. Cả 2 phổ đều xuất hiện mũi đặc trưng của nhóm hydroxyl (OH) ở các vùng bước sóng từ 3430 – 3457 cm-1. Vùng bước sóng từ 1664 – 1667 cm-1 có mũi đặc trưng của nhóm amide bậc 1 và nhóm amino tự do. Điều đó chứng tỏ quá trình cắt mạch chitosan tạo thành OCTS không làm ảnh hưởng đến các nhóm chức có trong chitosan mà chỉ tạo ra các OCTS có MW nhỏ hơn.
Hình 3.13. Phổ XRD của chitosan ban đầu.
Hình 3.14. Phổ XRD của OCTS sau phản ứng cắt mạch bằng H2O2.
Trong quá trình cắt mạch, góc nhiễu xạ đặc trưng của chitosan vẫn giữ ở 20 (2θ = 200), chứng tỏ rằng sau phản ứng cắt mạch cấu tạo đơn phân tử của OCTS không thay đổi (Hình 3.13 và Hình 3.14).
Thảo luận: cả hai tác nhân HCl và H2O2 đều làm cho mạch chitosan bị đứt (Hình 3.15), dẫn tới MW của chitosan thấp hơn nhiều so với nguyên liệu ban đầu (Bảng 3.1 và Bảng 3.2). Tuy nhiên đối với tác nhân HCl phải nồng độ tương đối cao, dễ xảy ra sự cố trong quá trình thao tác sản xuất, quá trình kiểm soát MW của OCTS
khó vì sự thay đổi về nồng độ hay thời gian phản ứng dẫn đến sự thay đổi lớn về MW. Mặc khác, dùng tác nhân HCl ảnh hưởng không tốt đến môi trường và chi phí sản xuất cao. Đối với tác nhân H2O2 nồng độ sử dụng tương đối thấp, khả năng kiểm soát phản ứng tốt hơn, MW thay đổi tuyến tính theo nồng độ và thời gian phản ứng, thân thiện với môi trường, giá thành thấp và an toàn trong quá trình sản xuất.
Chúng tôi chọn H2O2 là tác nhân phản ứng cắt mạch chitosan thành OCTS có MW từ 50 – 70 kDa.
Hình 3.15. Phản ứng cắt mạch chitosan tạo thành OCTS.