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

Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học và 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% được chiếu xạ trên nguồn gamma Co-60 với các liều xạ 0; 2,5; 5; 10; và 20 kGy
có và khơng bổ sung H2O2. Đối với hiệu ứng của suất liều mẫu alginate được chiếu xạ với liều 20 kGy tại các suất liều 7,8;
1,25; và 0,625 kGy/h. Ảnh hưởng của quá trình cắt mạch đến khối lượng phân tử (KLPT) được khảo sát theo suất liều, liều
hấp thụ và nồng độ H2O2 bổ sung. Kết quả cho thấy KLPT giảm khi tăng liều xạ. KLPT trung bình số lượng (Mn) và trung
bình khối lượng (Mw) giảm lần lượt từ 280.250 g/mol và 776.460 g/mol xuống còn 64.226 g/mol và 107.097 g/mol khi
chiếu xạ liều 5 kGy và giảm tiếp xuống còn 31.413 g/mol và 49.594 g/mol khi tăng liều xạ lên 20 kGy. Khi bổ sung H 2O2
2%, Mw giảm xuống 9.794 g/mol ở liều xạ 20 kGy. Mw và Mn giảm xuống 65.015 g/mol và 36.610 g/mol xuống 43.694
g/mol và 28.436 g/mol tương ứng với suất liều 7,8 kGy/h và 0,625 kGy/h tại liều xạ 20 kGy. Độ phân tán (Mw/Mn) cũng
giảm dần khi 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 5 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

1. MỞ ĐẦU

Alginate là một trong những polysaccharide phong phú nhất thế giới và là loại polymer sinh học
nhiều thứ hai sau cellulose. Alginate là một acid hữu cơ có trong tảo nâu được Stanford phát hiện lần đầu
tiên vào năm 1881. Alginate chủ yếu được tìm thấy trong thành tế bào và gian bào của tảo nâu thuộc họ
Rhaeophyceae ở biển, tảo bẹ Macrocystis pyrifera, Nodosum ascophyllum và các loại Lamminaria nhưng
nhiều nhất là ở tảo nâu [1, 2].
Cấu trúc của alginate gồm 2 phân tử β-D-mannuroic acid (M) và α- L-guluronic acid (G) liên kết với
nhau bằng liên kết 1-4 glucozit. Có 3 loại liên kết có thể gặp trong 1 phân tử alginate: (M-M-M), (G-G-G),
(M-M-G).

Hình 1. Cấu trúc hóa học của alginate

509


Tiểu ban D3-D4: Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong nông nghiệp, ứng dụng công nghệ bức xạ
Section D3-D4: Application of nuclear techniques in agriculture, radiation technology application

Alginate được ứng dụng rất rộng rãi, trong công nghiệp in hoa alginate natri là chất tạo cho thuốc
nhuộm có độ dính cao, in hoa khơng nhịe và rõ ràng và làm cho vải không thấm nước. Trong công nghiệp
thực phẩm và đồ uống làm chất ổn định bọt (bia), chống tách pha (kem), chất ổn định độ nhớt, tạo gel [2].
Alginate còn được ứng dụng làm giá thể cố định các hoạt chất sinh học như enzim, tế bào. Ở lĩnh vực nơng
nghiệp oligoalginate có hiệu ứng kích thích tăng trưởng tốt đối với một số loại cây như; cà rốt, cải bắp,
hành tây, hoa cúc… [ 3-8].
Xử lý chiếu xạ đã được biết đến như một trong những kỹ thuật thân thiện, hiệu quả không chỉ trong

việc thanh tiệt trùng sản phẩm, mà cịn trong việc biến đổi đặc tính vật liệu theo mục đích ứng dụng do có
thể thực hiện ở điều kiện thường và khơng sử dụng hóa chất phụ gia. Xử lý chiếu xạ có khả năng làm thay
đổi cấu trúc và các tính chất hóa lý của các polyme như tăng khả năng hòa tan, giảm KLPT, giảm độ nhớt
do hiệu ứng cắt mạch của bức xạ ion hóa. Chiếu xạ cũng có thể gây ra phản ứng trùng hợp, khâu mạch và
ghép mạch giữa các phân tử polyme. Mặc dù cả hai quá trình cắt mạch và khâu mạch có thể diễn ra đồng
thời khi chiếu xạ polyme, song hiệu ứng cắt mạch thường chiếm ưu thế đối với các polysaccharide. Do đó,
kỹ thuật chiếu xạ cắt mạch này đã được áp dụng để tạo các chế phẩm oligo-saccharide dùng trong nông
nghiệp [9, 10]. Nghiên cứu quá trình cắt mạch của alginate đã được thực hiện bởi nhiều nhóm nghiên cứu.
Tuy nhiên, nghiên cứu ảnh hưởng của suất liều và nồng độ H2O2 đến quá trình cắt mạch alginate vẫn là vấn
đề mới và chưa được quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học.
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 H 2O2 vào dung dịch
alginate cũng được khảo sát.
2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Nguyên vật liệu
Alginate dạng bột của hãng Kishida Chemical Co., Japan, hydrogen peroxide (H2O2) 30% và các
hóa chất khác được mua từ hãng Merck, Đức.
Dung dịch alginate nồng độ 4% (trọng lượng/thể tích) được pha bằng cách ngâm trương alginate
trong nước ở nhiệt độ phịng qua đêm, sau đó khuấy cho đến khi tan hoàn toàn. Các mẫu dung dịch alginate
được chiếu xạ trên nguồn Co-60 với các liều xạ 0; 2,5; 5; 10; và 20 kGy có và khơng bổ sung H2O2 (nồng
độ 0,5; 1 và 2%). Đối với thí nghiệm ảnh hưởng của suất liều, mẫu alginate chiếu xạ với liều 20 kGy tại các
suất liều 7,800; 1,250; và 0,625 kGy/h..
Khối lượng phân tử Mw và Mn được đo bằng 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 được đo bằng hệ đo liều dichromate [11].
Nguồn gamma Co-60 thí nghiệm:
- Gamma Chamber 5000, BRIT, Ấn Độ tại Trung tâm Công nghệ Sinh học Tp. HCM, suất liều: 7,80
kGy/h.
- Gamma Chamber 5000, BRIT, Ấn Độ tại Viện Nghiên cứu Hạt nhân (Đà Lạt), suất liều: 1,25

kGy/h. Dùng che chắn 1 buồng chì (suất liều giảm đi một nửa): 0,625 kGy/h.
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Ảnh hưởng của liều xạ đến KLPT của alginate

Ảnh hưởng của xử lý chiếu xạ đến Mn và Mw của dung dịch alginate 4%, kết quả trình bày trong
bảng 1 cho thấy KLPT giảm nhanh khi chiếu xạ ở liều 5 kGy, sau đó KLPT alginate giảm chậm lại trong
khoảng liều từ 10-20 kGy. Cụ thể Mn và Mw giảm từ 280.250 g/mol và 776.460 g/mol xuống còn 64.226
g/mol và 107.097 g/mol khi chiếu xạ tại liều 5 kGy và giảm tiếp xuống còn 31.413 g/mol và 49.594 g/mol
khi tăng liều xạ lên 20kGy.
510


Tuyển tập báo cáo Hội nghị Khoa học và Công nghệ hạt nhân toàn quốc lần thứ 14
Proceedings of Vietnam conference on nuclear science and technology VINANST-14

Kết quả trên bảng 1 cũng cho thấy độ phân tán (Mw/Mn) giảm dần khi liều xạ tăng, chứng tỏ alginate
cắt mạch bức xạ có KLPT phân bố đồng nhất hơn so với alginate ban đầu. Cụ thể độ phân tán 2,77 ban đầu
của alginate giảm xuống 2,33 và 1,58 tương ứng với liều xạ 2,5 và 20 kGy. Nghiên cứu của một số các tác
giả khác cũng chỉ ra sự suy giảm KLPT và một số tính chất của alginate khi xử lý chiếu xạ ở trạng thái khô
cũng như dạng dung dịch [12,13]. Nghiên cứu của N .Q. Hiến và cộng sự cũng cho thấy Mn và Mw giảm
nhanh trong khoảng liều dưới 100 kGy đối với alginate dạng bột khô và dưới 20 kGy đối với dạng dung
dịch alginate 4%. Độ phân tán (Mw/Mn) cũng giảm dần khi tăng liều xạ [10].
Bảng 1. KLPT Mn, Mw và độ phân tán (Mw/Mn) của alginate chiếu xạ dạng dung dịch 4%
Liều xạ
(kGy)
KLPT
(g/mol)
Mw/Mn

0

2,5

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 quả bảng 1 chứng tỏ rằng tia gamma đã gây ra sự cắt mạch alginate, hình thành các phân đoạn có

KLPT thấp hơn. Sự giảm KLPT theo liều xạ chứng tỏ tác dụng của bức xạ đối với alginate chỉ là cắt mạch.
Như vậy, bức xạ ion hóa đã gây ra sự cắt mạch phân tử alginate, KLPT Mn và Mw, độ phân tán (Mw/Mn)
giảm khi liều xạ tăng.
3.2. Ảnh hưởng của suất liều đến KLPT của alginate

Alginate được pha nồng độ 4% (trọng lượng/thể tích) sau đó xử lý chiếu xạ ở liều 20 kGy với các
suất liều 7,8; 1,25; và 0,625 kGy/h. Kết quả trong bảng 2 cho thấy KLPT giảm dần theo sự giảm của suất
liều. KLPT Mw giảm đến 65.015, 49.594 và 43.694 g/mol tương ứng đối với suất liều 7,800; 1,250 và
0,625 kGy/h. Kết quả ở bảng 2 cũng cho thấy độ phân tán (Mw/Mn) cũng giảm khi suất liều giảm.
Bảng 2. Ảnh hưởng của suất liều đến KLPT của 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) của alginate cắt mạch bằng chiếu xạ tia gamma Co-60 dung dịch alginate 4%
(w/v), tại cùng một liều xạ (20 kGy), giảm dần theo sự giảm của suất liều. Như vậy, có thể rút ra kết luận ở
suất liều thấp cắt mạch alginate hiệu quả hơn suất liều cao. Có thể giải thích như sau, khi chiếu xạ liều cao
do tác nhân gốc •OH tạo ra nhiều hơn trong một khoảng thời gian so với suất liều thấp, nên các gốc tự do
chưa kịp phản ứng với alginate đã tái kết hợp là nguyên nhân làm giảm mức độ cắt mạch tại cùng liều xạ so
với suất liều thấp.
3.3. Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 đến KLPT của alginate chiếu xạ.

Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 khi bổ sung vào dung dịch alginate 4% chiếu xạ đến KLPT. Kết quả
trên hình 2 cho thấy KLPT giảm nhanh ở liều xạ 2,5 kGy, sau đó giảm chậm lại trong khoảng liều từ 5-20
kGy. Khi bổ sung thêm H2O2 thì KLPT giảm mạnh hơn so với khơng bổ sung H2O2. Mw giảm từ 776.460
g/mol xuống 242.348 g/mol khi không bổ sung H2O2 ở liều xạ 2,5 kGy, trong khi đó cũng ở 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) khi bổ
sung H2O2 2% xử lý chiếu xạ ở liều 20 kGy.
Nhiều kết quả nghiên cứu cũng cho thấy việc bổ sung hydrogen peoxide giúp làm tăng mức độ cắt
mạch bức xạ của dung dịch chitosan, alginate có thể được giải thích là do có sự phân li bức xạ của nước
dưới tác dụng của tia γ Co60 hình thành gốc tự do hydroxyl (•OH) có tính oxy hóa mạnh là tác nhân bắt
hydro, làm đứt liên kết glycosit tạo thành phân tử có KLPT thấp hơn [9, 13, 14, 15]. Nguyên nhân là do xảy

ra hiệu ứng đồng vận cắt mạch bức xạ polysaccharide trong dung dịch khi có mặt H 2O2. Cơ chế này được
511


Tiểu ban D3-D4: Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong nông nghiệp, ứng dụng công nghệ bức xạ
Section D3-D4: Application of nuclear techniques in agriculture, radiation technology application

mô tả như sau:

Trong q trình chiếu xạ e-aq và H có thể phản ứng với H2O2

Hiệu ứng đồng vận (synergistic effect) được định nghĩa là: tác dụng đồng thời của hai tác nhân (chất
phản ứng) lớn hơn tổng tác dụng của hai tác nhân tác dụng riêng rẽ [9, 15]. Do vậy, hiệu ứng cắt mạch
đồng vận đã giúp giảm liều xạ khoảng 9 lần mà vẫn đạt được oligoalginate có KLPT gần tương đương với
sản phẩm oligoalginate khi chiếu xạ không bổ sung H2O2 [13]. Phương pháp này có thể được thực hiện trên
quy mô lớn để tạo ra các 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

0
2.5

5

10

Liều xạ (kGy)

20

Hình 2. Ảnh hưởng của nồng độ H2O2 và liều xạ đến KLPT của alginate

KẾT LUẬN

Khi xử lý chiếu xạ dung dịch alginate 4%, KLPT Mn và Mw giảm nhanh ở liều 5 kGy, sau đó KLPT
alginate giảm chậm lại trong khoảng liều từ 10-20 kGy. Độ phân tán (Mw/Mn) cũng giảm dần khi tăng liều
xạ.
KLPT của alginate giảm theo sự giảm của suất liều khi chiếu xạ dung dịch alginate 4% ở liều 20
kGy. Độ phân tán (Mw/Mn) cũng giảm khi suất liều giảm trong khoảng từ 7,8 đến 0,635 kGy/h.
Khi bổ sung thêm H2O2 (0,5-2%) vào dung dịch alginate thì KLPT giảm mạnh hơn so với không bổ
sung H2O2. Khi nồng độ H2O2 bổ sung tăng thì KLPT càng giảm.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Lê Ngọc Tú và các 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 của chế phẩm
oligoalginate chế tạo bằng kỹ thuật bức xạ trên cây chè Camellia siennsis van shan TB -14”, Hội nghị vật lý toàn quốc
lần thứ ba (Vật lý và 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 và Công nghệ hạt nhân toàn 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 của chế phẩm oligoalginate chế tạo bằng kỹ thuật bức xạ trên cây cà rốt”, Tạp chí Nơng nghiệp
và 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 của chế phẩm oligoalginate chế tạo bằng kỹ thuật bức xạ trên cây hoa cúc”, Tạp chí Nơng nghiệp và
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 bằng
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 sự biến đổi cấu trúc của alginate chiếu xạ bằng phương pháp phổ
hồng ngoại và 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