nghiên cứu biến tính cắt mạch chitosan bằng hydroperoxit và kỹ thuật chiếu

1

MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Chitosan (CTS) là một polysaccarit trong thiên nhiên rất phong
phú và đa dạng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực vì an toàn cho con
người và thân thiện với môi trường. CTS thường được chế tạo từ phản
ứng deaxetyl chitin vỏ tôm, vỏ cua và mai mực mềm. Nhờ các tính
năng ưu việt như không độc, tương hợp và phân hủy sinh học, kích
kháng nên CTS được dùng nhiều trong công nông nghiệp, y học và
dược phẩm.
Do khối lượng phân tử (KLPT) CTS thường khá cao đã hạn chế
khả năng tan trong môi trường trung tính và kiềm nên các ứng dụng
của nó hầu như chỉ giới hạn ở môi trường axit. Để khắc phục nhược
điểm đó, một trong những biện pháp thường dùng là cắt mạch CTS
làm giảm KLPT và chế tạo oligochitosan để mở rộng và nâng cao hiệu
quả sử dụng. Có 3 phương pháp chính thường dùng để làm giảm
KLPT của CTS là cắt mạch bằng hóa học, enzym và chiếu xạ.
Đa phần các nghiên cứu cắt mạch CTS là chỉ dùng các phương
pháp một cách riêng rẽ. Việc kết hợp các phương pháp lại với nhau để
nghiên cứu cắt mạch CTS là cần thiết và cấp bách. Đặc biệt là kết hợp
kỹ thuật chiếu xạ gamma Co-60 với H
2
O
2
là vấn đề mới nhằm tạo ra
bước đột phá gia tăng hiệu quả cắt mạch CTS.
Mục tiêu, tính khoa học và thực tiễn của đề tài
Dựa vào những cơ sở trên, mục tiêu của luận án đặt ra là nghiên
cứu biến tính cắt mạch chitosan bằng hydroperoxit và kỹ thuật chiếu

xạ để ứng dụng trong nông nghiệp.
Để thực hiện mục tiêu trên, chúng tôi tiến hành nghiên cứu: cắt
mạch CTS bằng H
2
O
2
; cắt mạch bằng bức xạ gamma Co-60 đối với
CTS dạng vảy không có và có oxi hóa trước bằng H
2
O
2
; cắt mạch
bằng bức xạ gamma Co-60 đối với CTS dung dịch không có và có sự

2

hiện diện của H
2
O
2
chế tạo oligochitosan; khảo nghiệm hiệu ứng kích
kháng bệnh và tăng trưởng của oligochitosan đối với cây mía và cây
lúa.
Bố cục của luận án: Luận án gồm 189 trang có mở đầu, 4 phần, 9
chương, 37 bảng, 49 hình, 114 tài liệu tham khảo, 105 phụ lục. Trong
đó, tổng quan 35 trang; thực nghiệm 17 trang; kết quả và thảo luận 74
trang; kết luận và kiến nghị 3 trang; các công trình công bố của tác
giả, tài liệu tham khảo và phụ lục 60 trang.
PHẦN 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
Chương 1. Giới thiệu chung chitin/chitosan

1.1. Nguồn gốc chitin/chitosan
Lượng chitin trong thiên nhiên ước tính 100 tỉ tấn/ năm, nhiều
thứ hai sau celluloz, nó làm nhiệm vụ vỏ bảo vệ cơ thể cho các loài
giáp xác. Chitin có ở nhiều loài khác nhau, từ các loại nấm đến vỏ
tôm, vỏ cua, vỏ côn trùng, vỏ tế bào vi khuẩn, mai mực…
Chitin tồn tại dưới ba dạng: -, -, và -chitin. Phổ biến nhất là
-chitin vỏ tôm, cua và -chitin mai mực.
1.2. Cấu trúc của chitin/chitosan
Hình 1.1. Cấu trúc của celluloz, chitin và chitosan

3

1.3. Tình hình nghiên cứu cắt mạch chitin/chitosan trên thế giới
và trong nước
1.4. Tình hình sản xuất chitin/chitosan (CT/CTS)
Chương 2. Công nghệ bức xạ và hóa học bức xạ
2.1. Công nghệ bức xạ (CNBX) và ứng dụng
2.2. Hóa học bức xạ của nước và dung dịch nước
Chương 3. Một số phương pháp biến tính cắt mạch chitosan
3.1. Cắt mạch bằng enzym
Chitosan có thể bị cắt mạch bằng enzym tạo glucosamin hay
oligoglucosamin. Các loại enzym khác nhau được sử dụng để cắt
mạch như chitosanase, chitinase, cellulase, pectinase…
3.2. Cắt mạch bằng hóa học
Các tác nhân hóa học khác sử dụng để cắt mạch chitosan như các
axit HCl, HNO
2
, các tác nhân oxi hóa K
2
S

2
O
8
, NaNO
2
, và H
2
O
2
cũng
đã làm giảm dần M
v
của chitosan theo thời gian cắt mạch.
Cơ chế quá trình cắt mạch CTS bằng H
2
O
2
:
H
2
O
2



H
+
+ HOO
-
(3.1)

HOO
-
 OH
-
+ (O) (3.2)
HOO
-
+ H
2
O
2
 HO
.
+ O
2

+ H
2
O (3.3)
RH + HO
.
 R
.
+ H
2
O (3.4)
R
.
 R
.

1

+

R
2
(3.5)

(RH: kí hiệu của CTS)
3.3. Cắt mạch bằng bức xạ
Ershov và ccs (1987) đã đề nghị cơ chế cắt mạch của chitosan
được chiếu xạ ở trạng thái vảy khô như sau:
R-H  R
.
(C
4
-C
6
) + H
.
(3.6)

R-H + H
.



R
.
(C

1
-C
6
) + H
2
(3.7)
R
.
(C
1
,C
4
)  F
1
.
+ F
2
(cắt mạch) (3.8)

4

Chiếu xạ phân ly nước chủ yếu sinh ra gốc OH
.
, e
-
aq
và H
.
theo
Ulan’ski. Trong môi trường axit cơ chế cắt mạch bức xạ có thể:

H
2
O  H
2
O
2
, H
2
, OH
.
, H
.
, H
+
, OH
-
, e
-
aq
, H
3
O
+
(3.9)

e
-
aq
+ H
+

 H
.
(3.10)

R-H + H
.
 R
.
(C
1
-C
6
) + H
2
(3.11)


R-H + OH
.
 R
.
(C
1
-C
6
) + H
2
O (3.12)
R

.
(C
1
,C
4
)  F
.
1
+ F
2
(cắt mạch) (3.13)

Trường hợp dung dịch chitosan có 1%H
2
O
2
, sẽ có thêm các phản ứng:
H
2
O
2

h


2OH
.
(3.14)

e

-
aq
+ H
2
O
2
 OH
.
+ OH
-
(3.15)

H
.
+ H
2
O
2
 OH
.
+ H
2
O (3.16)

PHẦN 2. THỰC NGHIỆM
Chương 4. Thực nghiệm
4.1. Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị
4.1.1. Nguyên liệu, hóa chất
- Nguyên liệu: Vỏ tôm, mai mực mềm, mía giống: DLM24, VN85-
1427, lúa giống: OM1490.

- Hóa chất: Các hóa chất sử dụng đều ở dạng tinh khiết.
4.1.2. Thiết bị: SVST-Co-60/B, nhớt kế Otwald, sắc ký gel: HP-GPC
1100, phổ FT-IR được đo trên máy EQUINOX 55, phổ
1
HNMR đo
trên máy Brucker Avance 500mHz, giản đồ XRD đo trên máy XD-5A
SHIMADZU, tủ sấy, máy li tâm.
4.2. Phương pháp thực nghiệm
4.2.1. Chế tạo các mẫu chitosan làm nguyên liệu đầu
4.2.1.6. Xác định độ deaxetyl (DD%)
- Xác định DD% bằng phổ FT-IR
DD% = 100 - (A
1320
/A
1420
- 0,3822)/0,03133
(4.1)
Trong đó A
1320
và A
1420
lần lượt là mật độ quang tương ứng tại
các đỉnh hấp thụ 1320 và 1420 cm
-1
.

5

- Xác định DD% bằng phổ
1

H-NMR
DD% = [ I
H1D
/(I
H1D
+ I
HAc
/3)] 100 (4.2)
Trong đó I
H1D
và I
HAc
lần lượt là tích phân tương ứng tại các đỉnh
proton H1D và 3 proton HAc.
4.2.1.8. Xác định khối lượng phân tử trung bình độ nhớt M
v

M
v
được tính theo phương trình Mark-Houwink: [] = k  M
v

(4.3)
4.2.2. Cắt mạch chitosan bằng dung dịch (dd) H
2
O
2


4.2.2.5. Tính toán các giá trị đánh giá cắt mạch từ các kết quả M

v
,
M
w
, DD%
 Hằng số tốc độ cắt mạch k (giờ
-1
) được tính theo phương trình:

(4.4)

M
o
và M
t
: KLPT trung bình CTS đầu và sau t (giờ) oxi hoá, chiếu xạ
 m: khối lượng trung bình một mắc xích CTS, tính từ phương trình:
m = [(DD%161)+203(100-DD%)]/100 (4.5)
4.2.3. Chiếu xạ cắt mạch chitosan dạng vảy
4.2.3.1. Chiếu xạ cắt mạch các mẫu chitosan dạng vảy không được
oxi hóa trước bằng H
2
O
2

4.2.3.2. Chiếu xạ cắt mạch các mẫu chitosan dạng vảy đã được oxi
hóa trước bằng H
2
O
2

 Hiệu suất cắt mạch bức xạ (dạng vảy) G
d
(số liên kết bị
đứt/100eV) được tính theo phương trình Charlesby và cs (1960):
1/M
v
- 1/M
v0
= G
d
 1,04  10
-7
 D (4.6)
M
v0
và M
v
: KLPT trung bình CTS ban đầu và tại các liều xạ D (kGy)
4.2.4. Chế tạo oligochitosan
 Hiệu suất cắt mạch bức xạ (dung dịch) G
s
được tính với đơn vị
mol/J theo Wasikiewicz (2005) :
1/M
w
- 1/M
w0
= G
s

 D  d  1000/2C (4.7)
m
kt
MM
t

0
11

6

M
w0
và M
w
: KLPT trung bình khối của CTS ban đầu và tại các liều xạ
D (kGy), d- tỷ trọng dung dịch (g/cm
3
), C- nồng độ dung dịch (g/lít)
4.2.4.8. Khảo sát hiệu ứng đồng vận.
 Phần trăm suy giảm KLPT của CTS cắt mạch được xác định
bằng công thức: %M = [(M
w0
–M
w
)/M
0
] 100
(4.8)
4.2.4.9. Xác định hàm lượng oligochitosan tan

Oligochitosan tan (%) = (m
0
– m)  100/m
0
(4.9)
m
0
và m: khối lượng CTS trong dung dịch chiếu xạ và kết tủa tại pH7.

4.2.5. Khảo nghiệm oligochitosan làm chất kích kháng trong nông
nghiệp
PHẦN 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Chương 5. Chế tạo các mẫu chitosan (CTS) làm nguyên liệu đầu
5.1. Phương pháp xử lý ảnh hưởng đến DD%, M
v
của CTS nguồn
Hình 5.1. Phổ FT-IR của CTS70 (a), CTS84 (b) và CTS94 (c)
Kết quả xác định DD% từ FT-IR và M
v
của các CTS nguồn bằng
đo độ nhớt trình bày ở bảng 5.1.

7

Bảng 5.1. Ảnh hưởng phương pháp xử lý chitin (CT) đến DD%, M
v
của chitosan
STT

Ký hiệu

mẫu
Phương pháp xử lý DD% M
v

(Da)

1
2
3
4
5
CTS70
CTS84
CTS94
CTS70
CTS90
CT+NaOH 50%, t
o
phòng, 96giờ
CT + NaOH 50%,110
o
C, 2giờ
CTS84 + NaOH 50%,110
o
C, 2giờ
CT + NaOH 30%, t
o
phòng, 48giờ
CT + NaOH 50%, t
o

phòng, 6giờ
70,3
84,0
94,1
72,3
90,8
598.000
460.000
115.000
1.318.000
293.000
Bảng 5.1 cho thấy việc chế tạo chitosan nguồn phụ thuộc vào
điều kiện phản ứng deaxetyl hóa và dạng chitin ban đầu: DD%
chitosan tăng còn M
v
chitosan giảm dần theo chiều tăng nồng độ
NaOH, nhiệt độ và thời gian deaxetyl.
5.2. Hiệu quả các loại phổ đánh giá cấu trúc của chitosan

Hình 5.2. Phổ
1
H-NMR của CTS84

8

Cấu trúc của CTS90 được khảo sát bằng phổ
1
H-NMR ở hình 5.3.
Hình 5.3. Phổ
1
H-NMR của CTS90
DD% của CTS84, CTS90 tính từ phổ FT-IR,
1
H-NMR ở bảng 5.2.
Bảng 5.2. Kết quả tính giá trị DD% của CTS84 và CTS90
Bảng 5.2 cho thấy độ deaxetyl của các chitosan thu được bằng
phổ FT-IR và
1
H-NMR với các giá trị 84,02% và 85,06% của
CTS84; 90,81% và 91,16% của CTS90. Chứng tỏ độ lệch giữa 2
phép đo là không đáng kể. Nên dùng phổ FT-IR để đánh giá cấu trúc
của chitosan là rất hiệu quả về độ tin cậy cũng như hiệu quả về kinh tế.
Cấu trúc CTS70 được khảo sát bằng XRD thể hiện ở hình 5.4.
FT-IR
1
H-NMR Ký hiệu
mẫu
A

1320
/A
1420
DD% I
H1D
I
COCH3
DD%
CTS84

0,883 84,02 1,000 0,527 85,06
CTS90 0,670 90,81 1,000 0,291 91,16

9












2 Theta (độ)
Hình 5.4. Giản đồ XRD của CTS70
Hình 5.4 của giản đồ XRD cho thấy ở các đỉnh tại 2


~10
0
và 20
0

xuất hiện với cường độ mạnh chứng tỏ cấu trúc tinh thể chiếm ưu thế
đối với CTS có DD thấp.
Chương 6. Cắt mạch chitosan (CTS) bằng dung dịch H
2
O
2
6.1. Ảnh hưởng nồng độ H
2
O
2
đến cắt mạch chitosan
Bảng 6.1. Ảnh hưởng nồng độ H
2
O
2
đến M
v
chitosan cắt mạch
M
v
(10
5
Da) Nồng
độ H
2

O
2
%
CTS70
(6giờ)
CTS84
( 2giờ)
CTS70
(16giờ)
CTS90
( 2giờ)
0 5,98 4,60 13,18 2,93
1,0 5,74 3,28 4,87 1,92
1,5 4,50 2,92 3,27 1,72
2,0 4,38 2,87 2,98 1,63
Bảng 6.1 khi nghiên cứu cắt mạch chitosan với H
2
O
2
từ 0- 2%
trong môi trường dị thể đối với CTS70, CTS84, CTS70, CTS90

10

cho thấy khối lượng phân tử trung bình M
v
chitosan giảm dần theo
chiều tăng nồng độ H
2
O

2
. Nồng độ H
2
O
2
1% và 1,5% là cắt mạch có
hiệu quả tương ứng đối với CTS và CTS.
6.2. Cắt mạch CTS bằng H
2
O
2
trong môi trường dị thể
6.2.1. Khảo sát cấu trúc của các CTS cắt mạch bằng phổ FT-IR,
1
H-NMR và giản đồ XRD
Bảng 6.2. Ảnh hưởng thời gian oxi hóa đến DD% của các CTS (Tính
từ phổ FT-IR)
DD% theo thời gian t (giờ) Ký hiệu
mẫu
0 2 4 8 16
αCTS70 70,3 - 69,9 70,0 70,0
αCTS84 84,0 - - 84,9 85,0
βCTS90 90,8 89,9 91,5 91,3 -
Các sản phẩm cắt mạch theo thời gian oxi hóa thu được có DD%
đều không có thay đổi đáng kể so với chitosan ban đầu tương ứng.

2 Theta (độ)
Hình 6.5. Giản đồ XRD của a. CTS70 và b. CTS70-OX

11

Hình 6.5 cho thấy cường độ giản đồ XRD xuất hiện tại các đỉnh
2~10
0
và 20
0
của CTS70 và CTS70-OX thay đổi không đáng kể,
chứng tỏ quá trình oxi hóa không làm thay đổi cấu trúc của CTS.
6.2.2. Khảo sát động học cắt mạch CTS bằng H
2
O
2
trong môi
trường dị thể

Hình 6.6. Sự phụ thuộc M
v
của CTS giảm cấp với H
2
O
2
1,5%













Hình 6.7. Sự phụ thuộc M
v
của CTS giảm cấp với H
2
O
2
1%

Từ hình 6.6-6.7, M
v
của  và -CTS giảm dần theo thời gian oxi hóa.
0
1
2
3
4
5
6
0 5 10 15 20 25
Thêi gian, giê
M
v
x 10
5
CTS70
CTS84
CTS94
0
2
4
6
8
10
12
14
0 4 8 12 16 20 24 28
CTS70

CTS90
M
v

10
5

Th
ời gian (giờ)


12

Bảng 6.4. Sự thay đổi k
ox
của các CTS theo DD%
Bảng 6.4 cho thấy hằng số tốc độ cắt mạch k
ox
tăng dần theo
chiều tăng của DD% đối với cả αCTS và CTS.
Xác định được phương trình thực nghiệm:
lgk = 9,1229  lgDD – 21,361
(6.1)
k
oxi hóa
= 4,355  10
-22
 DD
9,1229
(6.2)

M
t(oxi hóa)
= M
v0
/{1 + [4,355  10
-22
 (M
v0
/m)  t  DD
9,1229
]} (6.3)
6.3. Khảo sát cắt mạch CTS bằng H
2
O
2
, môi trường đồng thể












Hình 6.11. Sự phụ thuộc M
w

của C70 theo thời gian oxi hóa với
H
2
O
2
1%
Ký hiệu mẫu DD% k
ox
(10
-4
giờ
-1
) LgDD%

Lgk
CTS70 70,3 0,33 1,847 -4,481
CTS84 84 1,30 1,924 -3,886
CTS94 94,1 4,94 1,974 -3,306
CTS70 72.3 0,18 - -
CTS90 90,8 2,14 - -
50
60
70
80
90
100
0 5 10 15 20 25
βC70
M
w


10
3

Thời gian (giờ)

13

Kết quả tốc độ cắt mạch bằng H
2
O
2
1% trong môi trường đồng
thể của C70 là k
ox
= 0,48  10
-4
giờ
-1
gấp 2,67 lần tốc độ cắt mạch của
CTS70 trong môi trường dị thể k
ox
= 0,18  10
-4
giờ
-1
.
Hình 6.13. Phổ FT-IR của C70 ban đầu (a) và C70 oxi hóa
Hình 6.13 cho thấy không có sự khác biệt rõ rệt giữa C70 oxi

hóa H
2
O
2
1% trong môi trường đồng thể với C70 ban đầu. Điều này
chỉ ra rằng không có sự thay đổi cấu trúc diễn ra trong suốt quá trình
cắt mạch. DD% thay đổi không đáng kể (DD% của C70 và C70 oxi
hóa tương ứng (70,41 và 70,38). Chứng tỏ cũng giống như cắt mạch dị
thể, cắt mạch đồng thể chủ yếu do đứt cầu nối -1,4 glucozit.
Chương 7. Chiếu xạ cắt mạch chitosan dạng vảy
7.1. Khảo sát động học chiếu xạ cắt mạch CTS dạng vảy

14











Hình 7.1. Sự phụ thuộc M
v
của CTS theo liều xạ
Hình 7.1 cho thấy khi không oxi hóa trước bằng H
2
O

2
, M
v
ban
đầu của CTS70, CTS84 và CTS94 là 598.000, 460.000 và
115.000 Da giảm dần xuống tương ứng là 428.000, 136.600 và 71.000
Da trong khoảng liều xạ từ 0 - 48 kGy.









Hình 7.2. Sự phụ thuộc M
v
của CTS oxi hóa (CTS-OX) - liều xạ
Hình 7.2 cho thấy sự khác biệt khi được oxi hóa trước bằng H
2
O
2

thì M
v
ban đầu của CTS70-OX, CTS84-OX và CTS94-OX là
278.000, 105.000 và 51.000 Da giảm hiệu quả hơn tương ứng là
150.000, 35.000 và 25.000 Da trong khoảng liều xạ từ 0 - 32 kGy.
0

0.5
1
1.5
2
2.5
3
0 5 10 15 20 25 30 35
LiÒu x¹, kG y
M
v
x 10
5
CTS7 0
CTS8 4
CTS9 4
0.5
1.5
2.5
3.5
4.5
5.5
6.5
0 10 20 30 40 5 0
L iÒu x¹, kG y
M
v
x 10
5
C TS7 0
C TS8 4

C TS9 4

15








Hình 7.3. Sự phụ thuộc M
v
của CTS và CTS oxi hóa (CTS-OX)
theo liều xạ
Kết quả thu được:
 k
cx
đối với CTS: 0,48  10
-5
và 2,3110
-5
; 2,39  10
-5
và
13,30  10
-5
; 3,84  10
-5
và 14,54  10

-5
giờ
-1
lần lượt của CTS70 và
CTS70-OX; CTS84 và CTS84-OX; CTS94 và CTS94-OX.
 Các giá trị hiệu suất cắt mạch bức xạ dạng vảy G
d
: 0,20 và
0,96; 1,03 và 5,73; 1,69 và 6,37 liên kết/100eV lần lượt của CTS70
và CTS70-OX; CTS84 và CTS84-OX; CTS94 và CTS94-OX.
 k
cx
đối với CTS: 0,92  10
-5
và 3,25  10
-5
; 4,02  10
-5
và
16,69  10
-5
giờ
-1
lần lượt của CTS70 và CTS70-OX; CTS90 và
CTS90-OX.
 Các giá trị hiệu suất cắt mạch bức xạ dạng vảy G
d
: 0,38 và
1,36; 1,76 và 7,31 liên kết/100eV lần lượt của CTS70 và CTS70-
OX; CTS90 và CTS90-OX.

 k
cx
và G
d
tăng khi DD% tăng, k
cx
và G
d
của CTS-OX lớn hơn
CTS ban đầu, chứng tỏ CTS có DD% cao và CTS-OX dễ bị cắt mạch
bằng bức xạ; k
cx
và G
d
của CTS lớn hơn CTS (cùng DD%), chứng
tỏ cũng giống như cắt mạch oxi hóa CTS dễ bị cắt mạch bằng bức xạ
hơn so với CTS.
0
3
6
9
12
15
0 8 16 24 32 40
CTS70
CTS70-OX
CTS90
CTS90-OX
M
v


10
5

Liều xạ, kGy

16

Kết quả thiết lập được 8 phương trình thực nghiệm:
k
cx
= 0,1411  10
-5
DD - 9,4443  10
-5

(7.1)
M
t(cx)
= M
v0
/{1 + [ (M
v0
/m)  t  10
-5
 (0,1411  DD - 9,4443)]}(7.2)
k
(oxi hóa-cx)
= 0,6114  10
-5

DD - 40,068  10
-5
(7.3)
M
t(oxi hóa-cx)
=M
v0
/{1 + [(M
v0
/m)  t  10
-5
(0,6114 DD - 40,068)]}(7.4)
G
d
= 0,0625  DD – 4,2007


(7.5)
M
t(liều xạ)
= M
v0
/{1+ [1,0410
-7
 M
v0
 D(0,0625DD – 4,2007)]} (7.6)
G
d(oxi hóa-cx)
= 0,2693  DD – 17,722

(7.7)
M
t(oxi hóa-liều xạ)
=M
v0
/{1+[1,0410
-7
M
v0
D(0,2693DD–17,722)]}(7.8)
Hình 7.16. Phổ FT-IR của: a. CTS70, b. CTS70-OX và c. CTS70-
OX 24kGy
Từ hình 7.16 các giá trị DD% tính được trình bày ở bảng 7.4.
Bảng 7.4. Giá trị DD% của CTS70 giảm cấp bằng các cách xử lý
khác nhau
Ký hiệu
mẫu
CTS70 CTS70-OX
CTS70-
24kGy
CTS70-OX-
24kGy
DD% 72,3 73,3 72,9 72,4

17

Hình 7.16 và bảng 7.4 cho thấy khi cắt mạch CTS70 cũng cho
kết quả tương tự như CTS tức phổ FT-IR của CTS được cắt mạch và
DD% thay đổi hầu như không đáng kể so với CTS ban đầu.

Chương 8. Chế tạo oligochitosan
8.1. Khảo sát động học chiếu xạ cắt mạch CTS dạng dung dịch








Hình 8.1. Sự phụ thuộc M
W
của C70-0%H
2
O
2
và C70-1%H
2
O
2









Hình 8.2. Sự phụ thuộc M

W
của C70-0%H
2
O
2
và C70-1%H
2
O
2

Từ hình 8.1 và 8.2 cho thấy cắt mạch bức xạ dung dịch chitosan
có sự hiện diện của H
2
O
2
là rất hiệu quả đối với cả dạng  lẫn .
Kết quả đã xác định được:
 Các giá trị hằng số tốc độ cắt mạch bức xạ dung dịch k
cx
:
0,14  10
-3
và 0,54  10
-3
giờ
-1
lần lượt của C70-0%H
2
O
2

và
0
20
40
60
80
100
120
140
0 8 16 24 32 40 48 56
αC70-0%H2O2
αC70-1%H2O2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 8 16 24 32 40 48
βC70-0%H2O2
βC70-1%H2O2
M
w

10

3

Liều xạ, kGy
Liều xạ, kGy
M
w

10
3


18

C70-0%H
2
O
2
. k
cx
khi chiếu xạ dung dịch C70-0%H
2
O
2
lớn gấp 3,86
lần so k
cx
của C70-0%H
2
O
2

.
 Các giá trị hiệu suất cắt mạch bức xạ dung dịch G
s
: 0,584 
10
-7
và 2,32  10
-7
lần lượt của C70-0%H
2
O
2
và C70-0%H
2
O
2
. G
s
khi chiếu xạ dung dịch C70-0%H
2
O
2
lớn gấp 3,97 lần so G
s
của
C70-0%H
2
O
2
.

Bảng 8.2 Các giá trị G
s
thu được từ chiếu xạ dung dịch CTS
tương ứng
C70 C70
Kiểu cắt mạch
4kGy 12kGy 16kGy 16kGy

Chiếu xạ 0,760 1,477 1,889 0,519
G
s

(10
-7
mol/J)

Chiếu xạ +
1%H
2
O
2

26,003 22,899 22,465 4,963
Bảng 8.2 nhận thấy xử lý cắt mạch bằng chiếu xạ có sự hiện diện
của H
2
O
2
giá trị G
s

nhận được cao hơn so với chỉ xử lý bằng chiếu xạ.
8.2. Khảo sát một số đặc tính của oligochitosan (DD%, phổ UV,
XRD)
Kết quả cho thấy:
 DD% thay đổi không đáng kể trong quá trình chiếu xạ chế tạo
oligochitosan.
 Phổ FT-IR cũng cho thấy đã xuất hiện vân mới ở 1728 cm
-1
so
với CTS ban đầu, chứng tỏ quá trình chiếu xạ dung dịch CTS đã làm
xuất hiện nhóm cacbonyl trong sản phẩm chiếu xạ.
 Phổ UV của dung dịch oligoCTS xuất hiện các đỉnh tại  
235nm, 270nm với cường độ tăng theo liều xạ chứng tỏ xuất hiện các
liên kết tương ứng lần lượt là C=C và C=O trong cấu trúc oligoCTS.
8.2.3. Khảo sát phổ nhiễu xạ rơngen (XRD)

19


Hình 8.10. Giản đồ XRD của C70 (a), oligoCTS C70-40kGy (b)
Hình 8.10 cho thấy cường độ XRD xuất hiện các đỉnh tại 2 ~
10
O
và 20
O
của oligochitosan chiếu xạ so với chitosan ban đầu là giảm
đáng kể. Chứng tỏ cắt mạch bằng oxi hóa cũng như chiếu xạ riêng rẽ
không làm thay đổi đáng kể cấu trúc tinh thể của chitosan, còn cắt
mạch kết hợp oxi hóa-chiếu xạ dung dịch đã tạo ra oligochitosan có
cấu trúc vô định hình.

8.3. Hiệu ứng đồng vận cắt mạch dd CTS- 1% H
2
O
2
bằng chiếu xạ
Bảng 8.5. Phần trăm suy giảm M
w
của CTS cắt mạch (%M
w
)
C70 C70
Ký hiệu
4kGy

(3giờ)
16kGy
(12giờ)
16kGy
(12giờ)
a Oxi hóa 10,38 23,50 33,83
b Chiếu xạ 21,75 73,44 50,12

%M
w

c Oxi hóa+
Chiếu xạ
90,49 97,05 90,57
%Hiệu ứng
đồng vận

d d = c- (a+b) 58,36 0,11 6,62
2 Theta (đ
ộ)



20

Bảng 8.5 cho thấy với C70 hiệu ứng đồng vận 6,62% ở 16kGy,
còn C70 là 58,36% ở 4kGy. Như vậy hiệu ứng đồng vận chính là
một trong những nguyên nhân làm gia tăng khả năng cắt mạch kết hợp
dung dịch oxi hóa-chiếu xạ để chế tạo oligochitosan. Tuy nhiên khi
tăng liều xạ lên 16kGy đối với C70 thì hiệu ứng đồng vận giảm còn
0,11%, chứng tỏ hiệu ứng đồng vận giảm khi liều xạ tăng.
8.4. Xác định hàm lượng oligochitosan tan
Kết quả cho thấy:
 Trong khoảng liều 0- 48kGy hàm lượng -oligoCTS tan trong
nước pH 7 tăng theo liều xạ và đạt 75% tại 48kGy. Điều này chứng tỏ
việc kết hợp oxi hóa-chiếu xạ là rất hiệu quả để chế tạo oligoCTS.
 Trong khoảng liều 8- 16kGy hàm lượng -oligoCTS tan trong
nước pH 7 tăng theo liều xạ và đạt 100% tại 16kGy. Điều này chứng
tỏ oxi hóa dung dịch kết hợp chiếu xạ là có hiệu quả cao đã tạo ra
oligoCTS tan hoàn toàn trong nước chỉ ở liều xạ thấp 16kGy.
8.5. Đo GPC xác dịnh M
w
, M
n
và M
w
/M

n
các phần oligochitosan
Kết quả cho thấy: -oligochitosan-48kGy (M
w
= 25.800 Da) có
phần không tan (M
w
= 39.100 Da) và phần tan (M
w
= 3.100 Da), còn
-oligochitosan- 40kGy (M
w
= 8.900 Da) có phần không tan (M
w
=
15.800Da) và phần tan (M
w
= 2.800 Da).
Chương 9. Ứng dụng oligochitosan (oligoCTS) làm chất kích thích
tăng trưởng và kháng khuẩn (kích kháng) trong nông nghiệp
9.1. Hiệu ứng kích kháng oligoCTS (R3DD) trên cây mía ở nhà
lưới
Kết quả xử lý oligoCTS (R3DD) giúp gia tăng chiều cao cây,
chiều dài lá, rễ cũng như tăng sinh khối tươi so với công thức đối
chứng. Vì thế chúng tôi tiếp tục thử nghiệm R3DD trên đồng ruộng.
9.2. Ảnh hưởng kích kháng oligochitosan (R3DD) trên cây mía ở
đồng ruộng

21

Bảng 9.6. Năng suất thực tế của mía (NSTT)
C
T
Ký hiệu
mẫu
NSTT
(tấn/ha)
Tăng
NSTT
(%)*
Chữ
đường
(CCS%)
NS
đường
(tấn/ha)
Tăng NS
đường
(%)*
1
R3DD
(1/500)
75,26a 9,12 11,24 8,46 10,44
2
R3DD
(1/1.000)
78,19a 13,37 11,18 8,74 14,10
3
R3DD
(1/2.000)

72,53ab 5,16 11,13 8,07 5,35
4
Phun
nước lã
68,97b 11,11 7,66
5
Không
phun
69,12b 11,10 7,67
Kết quả cho thấy ở các công thức phun chất kích kháng
oligochitosan (R3DD), tỷ lệ các bệnh hại đều giảm rõ rệt dẫn đến làm
gia tăng mật độ, đường kính thân, chiều cao và trọng lượng cây mía
khiến năng suất mía và đường tăng:
- Năng suất mía tăng cao nhất ở CT2 (13,37%) kế đến CT1 (9,12%)
tiếp theo CT3 (5,16%)
- Năng suất đường tăng cao nhất ở CT2 (14,10%) kế đến CT1
(10,44%) tiếp theo CT3 (5,35%)
9.3. Hiệu ứng kích kháng oligochitosan lên bệnh cháy lá lúa ở nhà
lưới
Kết quả nhận thấy việc xử lý phun trên cây lúa đều mang lại
hiệu quả đáng kể, giúp cây lúa kháng bệnh tốt làm giảm rõ rệt tỷ lệ
diện tích trên lá bị bệnh ở tất cả các công thức phun chất kích kháng
oligochitosan so với đối chứng (Phun nước). Vì thế chúng tôi tiếp tục
thử nghiệm các oligochitosan này trên đồng ruộng.

22

9.4. Ảnh hưởng kích kháng oligochitosan trên cây lúa ở đồng
ruộng
Bảng 9.10. Ảnh hưởng chất kích kháng oligochitosan lên thành phần

và năng suất thực tế lúa thu hoạch
Kết quả cho thấy ở các công thức phun chất kích kháng
oligochitosan, tỷ lệ các bệnh hại đều giảm rõ rệt dẫn đến làm gia tăng
tỷ lệ hạt chắc, số lượng hạt/bông khiến năng suất lúa tăng: Hiệu quả
nhất là mẫu BOC-1-8K và BOC-1-4K với độ pha loãng 1/1000 đã
giúp tăng năng suất lúa so với đối chứng lên 26,72 và 32,39%.
PHẦN 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Với nội dung nghiên cứu luận án, chúng tôi đã đạt được các kết
quả mới sau:
1. Khảo sát hiệu ứng cắt mạch CTS dạng vảy có DD 70-94% với M
v0

tương ứng 1.318.000 - 293.000 Da bằng H
2
O
2
đã chế tạo được các
CTS có KLPT thấp. Đã xác định được hằng số tốc độ cắt mạch oxi
hóa tăng theo chiều tăng của độ deaxetyl; Hằng số tốc độ cắt mạch

của
CTS cao hơn CTS.
C
T

Ký hiệu
mẫu
Tỷ lệ hạt
chắc (%)
Hạt/bông

Năng suất
(tấn/ha)
Tăng NS so
với ĐC (%)
1 BOC-1-4K 65,43a 82,91a 3,27a 32,39
2 BOC-1-8K 60,78a 64,67ab 3,13a 26,72
3 BOC-1-12K 64,97a 70,72ab 2,40b -
4 AOC-1-8K 63,76a 65,87ab 2,53b 2,43
5 Phun nước
(Đối chứng)
53,38b 46,60b 2,47b -

23

2. Khảo sát hiệu ứng cắt mạch CTS dạng vảy bằng bức xạ γ-Co 60
cho thấy CTS được cắt mạch bằng H
2
O
2
trước có hằng số tốc độ và
hiệu suất cắt mạch cao hơn so với chitosan ban đầu khoảng 4,0 – 5,6
lần. Độ deaxetyl càng cao thì hằng số tốc độ và hiệu suất cắt mạch bức
xạ càng lớn.
3. Khảo sát hiệu ứng đồng vận bức xạ γ-Co 60/ 1% H
2
O
2
cắt mạch
CTS dung dịch đã xác định được hiệu suất cắt mạch bức xạ dung dịch
có sự hiện diện của H

2
O
2
cao hơn so với không có H
2
O
2
. Đã giảm liều
xạ xuống khoảng 5 lần để chế tạo được oligoCTS. Chỉ ở liều thấp
16kGy đã nhận được oligoCTS có M
w
= 2.700 Da tan hoàn toàn ở
pH7.
4. Kết quả nghiên cứu từ quá trình cắt mạch CTS: Đã thiết lập được 5
phương trình thực nghiệm biễu diễn phụ thuộc hằng số tốc độ và hiệu
suất cắt mạch theo DD% và 5 phương trình tính thời gian oxi hóa,
thời gian hoặc liều chiếu xạ cần thiết để nhận được CTS có M
t
mong
muốn từ CTS có giá trị M
v0
, m, và DD% ban đầu.
5. Hiệu ứng kích kháng bệnh và tăng trưởng của oligochitosan
5.1. Đối với cây mía
 Oligochitosan R3DD đã nâng cao khả năng kháng bệnh, giảm
bệnh hại, tăng khả năng sinh trưởng phát triển dẫn đến tăng năng suất
và chất lượng mía.
 Đã lựa chọn được 2 mẫu R3DD có độ pha loãng 1/500 và
1/1.000 và giúp gia tăng năng suất mía lên đến 9,12 và 13,37%, có thể
ứng dụng nâng cao năng suất chất lượng cây trồng.

5.2. Đối với cây lúa
 Các công thức oligochitosan đã nâng cao khả năng kháng
bệnh, làm giảm bệnh hại như bệnh cháy lá lúa, bệnh thối cổ bông dẫn
đến làm gia tăng tỷ lệ hạt chắc, số lượng hạt/bông khiến năng suất lúa
tăng so với đối chứng.

24

 Đã lựa chọn được 2 mẫu có hiệu quả nhất là BOC-1-8K và
BOC-1-4K với độ pha loãng 1/1000 đã giúp tăng năng suất lúa lên đến
26,72 và 32,39%, có thể ứng dụng rộng rãi phòng, kích kháng bệnh,
tăng trưởng và nâng cao năng suất chất lượng cây trồng, góp phần
phát triển nông nghiệp an toàn và bền vững.
Những đề nghị nghiên cứu tiếp theo
1. Tiếp tục nghiên cứu hiệu ứng đồng vận bức xạ γ-Co 60/ H
2
O
2
chế
tạo oligochitosan.
2. Khảo sát hiệu ứng kích kháng bệnh và tăng trưởng của
oligochitosan đối với các loại cây trồng khác.
CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
1. Bùi Phước Phúc, Hà Thúc Huy, Nguyễn Ngọc Duy, Đặng Văn
Phú, Nguyễn Quốc Hiến, Nghiên cứu giảm cấp chitosan bằng
hydroperoxit kết hợp với bức xạ gamma Co-60, Tạp chí Hóa
học và Ứng dụng, T.52, Số 4, Tr. 29-32, 2006.
2. Bùi Phước Phúc, Nguyễn Triệu, Hà Thúc Huy, Nguyễn Ngọc
Duy, Đặng Văn Phú, Nguyễn Quốc Hiến, Nghiên cứu chế tạo
oligochitosan bằng phương pháp chiếu xạ dung dịch chitosan,

Tạp chí Hóa học và Ứng dụng, T.57, Số 9, Tr.38-41, 2006.
3. Bùi Phước Phúc, Hà Thúc Huy, Nguyễn Ngọc Duy, Đặng Văn
Phú, Nguyễn Quốc Hiến, Nghiên cứu cắt mạch beta-chitosan
bằng H
2
O
2
kết hợp với bức xạ Gamma
60
Co, Tuyển tập báo cáo
Hội nghị Khoa học và Công nghệ Hạt nhân lần thứ VI, Nhà
xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Tr.367-371, 2007.