Nghiên cứu biến tính cắt mạch chitosan bằng hydroperoxit và kỹ thuật chiếu xạ để ứng dụng trong nông nghiệp NCS. Bùi Phước Phúc

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. -chitosan thường được chế tạo từ deaxetyl
-chitin vỏ tôm, cua và -chitosan được chế tạo từ deaxetyl -chitin mai
mực. Nhờ các tính năng ưu việt như không độc, tương hợp và phân hủy
sinh học, kháng vi khuẩn và nấm bệnh, nên CTS được dùng nhiều trong
công nông nghiệp, y học và dược phẩm.
Do khối lượng phân tử (KLPT) của CTS thường khá cao đã hạn chế
khả năng tan trong môi trường trung tính và kiềm nên các ứng dụng của
CTS hầu như chỉ giới hạn ở môi trường axit. Nhằm mở rộng và nâng cao
hiệu quả sử dụng, một trong những biện pháp thường dùng là cắt mạch
chitosan để chế tạo CTS có KLPT thấp và oligochitosan.
CTS có KLPT thấp và oligochitosan thể hiện hoạt tính sinh học cao
hơn CTS có khối lượng phân tử cao như tính chống oxi hóa, tăng khả năng
hệ miễn dịch đối với vật nuôi, cây trồng, do đó được sử dụng làm thực
phẩm chức năng, dược phẩm (điều trị suy giảm miễn dịch, điều trị vết
thương, hạn chế sự phát triển tế bào ung thư…) làm chất kháng bệnh trong
nông nghiệp.
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 chitosan là chỉ dùng các phương
pháp một cách riêng rẽ. Việc kết hợp các phương pháp với nhau để nghiên
cứu cắt mạch chitosan là rất cần thiết. 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 chitosan.



2
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:
1. Chế tạo các mẫu α-chitosan từ deaxetyl α-chitin vỏ tôm và β-chitosan từ
deaxetyl β-chitin mai mực.
2. Cắt mạch α-chitosan và β-chitosan bằng H
2
O
2
.
3. Cắt mạch α-chitosan và β-chitosan bằng chiếu xạ gamma Co-60.
4. Cắt mạch chitosan bằng H
2
O
2
kết hợp với chiếu xạ gamma Co-60.
● Cắt mạch α-chitosan và β-chitosan với độ deaxetyl 70 - 94% bằng H
2
O
2

trước sau đó đem chiếu xạ (hiệu ứng cộng hợp).

● Chiếu xạ cắt mạch α-chitosan và β-chitosan có sự hiện diện của H
2
O
2

(hiệu ứng đồng vận).
5. Khảo nghiệm hiệu ứng kích thích tăng trưởng và kháng bệnh của
oligochitosan đối với cây lúa và cây mía.
Bố cục của luận án:
Luận án gồm 184 trang có mở đầu, 4 phần, 9 chương, 33 bảng, 47
hình, 128 tài liệu tham khảo, 103 phụ lục. Trong đó, tổng quan 32 trang;
thực nghiệm 15 trang; kết quả và thảo luận 60 trang; kết luận và kiến nghị 3
trang; các công trình công bố của tác giả, tài liệu tham khảo và phụ lục 74
trang.
PHẦN 1. TỔNG QUAN TÀI LIỆU
Chương 1. Giới thiệu chung chitin/chitosan
1.1. Nguồn gốc chitin/chitosan
Chitin trong thiên nhiên rất phổ biến và đa dạng, nhiều thứ hai sau
celluloz, ước tính 100 tỉ tấn/năm. Chitin 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 và cả da người.

3
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
1.3. Tình hình nghiên cứu cắt mạch chitin/chitosan trên thế giới và
trong nước
1.4. Tình hình sản xuất chitin/chitosan
1.5. Ứng dụng của chitin/chitosan
1.6. Ứng dụng của CTS có khối lượng phân tử thấp và oligochitosan
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…

4
3.2. Cắt mạch bằng hóa học
Trong số các tác nhân hóa học thì H
2
O
2
có nhiều ưu điểm khi cắt
mạch CTS cho hiệu suất cắt mạch cao, không gây ô nhiễm môi trường do
không cần phải loại bỏ tác nhân cắt mạch và không làm thay đổi độ
deaxetyl.
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)
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)

5
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, lúa giống OM1490, mía giống
VN84-4137.
- 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
H-NMR đo trên máy
Bruker Avance 500mHz, giản đồ XRD đo trên máy XD-5A SHIMADZU,
phổ UV-Vis được đo trên máy CARRY 50 CNC của hãng VARIAN, tủ sấy
quạt gió, bình hút ẩm, 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. Đo phổ FT-IR,
1
H-NMR, XRD và độ nhớt

 M
v
được tính theo phương trình Mark-Houwink: [] = k  M
v

(4.2)
4.2.1.7. Xác định độ deaxetyl (DD%)
 Xác định DD% bằng phổ FT-IR

DD% = 100 - (A
1320
/A
1420
- 0,3822)/0,03133 (4.3)
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
.
 Xác định DD% bằng phổ
1
H-NMR
DD% = [ I
H1D
/(I
H1D
+ I
HAc
/3)] 100 (4.4)
Trong đó I
H1D
và I
HAc
lần lượt là tích phân tương ứng tại các đỉnh
proton H1D và 3 proton HAc.
4.2.2. Cắt mạch chitosan bằng dung dịch H

2
O
2

4.2.2.6. 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:

6

(4.5)

M
o
và M
t
: KLPT trung bình CTS đầu và sau t (giờ) oxi hoá hay chiếu xạ.
 m: khối lượng trung bình một mắc xích CTS, tính từ phương trình:
m = [(DD%161)+203(100-DD%)]/100 (4.6)
4.2.3. Chiếu xạ cắt mạch chitosan dạng vảy
 Hiệu suất cắt mạch bức xạ (dạng vảy) G
d
(số liên kết bị đứt/100eV) được
tính theo phương trình Charlesby và ccs (1960):

1/M
v
- 1/M
v0
= G
d
 1,04  10
-7
 D (4.7)
M
v0
và M
v
: KLPT trung bình nhớt 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 (4.8)
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 (4.9)
4.2.4.9. Xác định hàm lượng oligochitosan tan
Oligochitosan tan (%) = (m
0
– m)  100/m
0
(4.10)
m
0
và m: khối lượng CTS trong dung dịch chiếu xạ và CTS kết tủa tại pH 7.
4.2.5. Khảo nghiệm oligochitosan làm chất kích thích tăng trưởng và
kháng bệnh trong nông nghiệp
PHẦN 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Chương 5. Chế tạo các mẫu chitosan (CTS) làm nguyên liệu đầu
5.1. Khảo sát ảnh hưởng của quá trình deaxetyl đến giá trị DD% và M
v
của các chitosan nguồn
m

kt
MM
t

0
11
(4.4)

7
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 được trình
bày ở bảng 5.1.
Bảng 5.1. Ảnh hưởng quá trình deaxetyl đến DD% và M
v
của CTS nguồn
STT
Ký hiệu
mẫu
Quá trình deaxetyl
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 DD% của CTS tăng còn M
v
CTS giảm dần theo
chiều tăng nồng độ NaOH, nhiệt độ và thời gian deaxetyl.
5.2. Khảo sát cấu trúc của chitosan bằng phổ
1
H-NMR, FT-IR và XRD

8











Hình 5.2. Phổ
1
H-NMR của CTS84
Hình 5.3. Phổ
1
H-NMR của CTS90

9

DD% của CTS84, CTS90 tính từ phổ FT-IR,
1
H-NMR được trình bày ở
bảng 5.2.
Bảng 5.2. Kết quả tính giá trị DD% của CTS84 và CTS90





DD% của các CTS tính từ phổ FT-IR và
1
H-NMR với các giá trị thu
được ở bảng 5.2 là 84,02% và 85,06% của CTS84; 90,81% và 91,16% của
CTS90. Như vậy có thể sử dụng cả hai phương pháp để xác định DD%.
Cấu trúc CTS70 được khảo sát bằng XRD thể hiện ở hình 5.4.







2 Theta (độ)
Hình 5.4. Giản đồ XRD của CTS70
Kết quả khảo sát các giản đồ XRD của CTS70 (hình 5.4), CTS84
(phụ lục 66) và CTS94 (phụ lục 67) cho thấy ở các đỉnh tại 2 ~ 10
0
và 20
0

đều có cường độ mạnh chứng tỏ α-chitosan với DD 70 - 94% có cấu trúc
tinh thể chiếm ưu thế.
Chương 6. Cắt mạch chitosan (CTS) bằng dung dịch H
2
O
2
Ký hiệu
mẫu
FT-IR
1
H-NMR
A
1320
/A
1420

DD%
I
H1D

I
HAc

DD%
CTS84
0,883
84,02
1,000
0,527

85,06
CTS90
0,670
90,81
1,000
0,291
91,16

10
6.1. Khảo sát 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
Nồng
độ H
2
O
2
%
M
v
(10

5
Da)
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 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)
Ký hiệu

mẫu
DD% theo thời gian t (giờ)
0
2
4
8
16
αCTS70
70,3
-
69,9
70,0
70,0
αCTS84
84,0
-
-
-
85,0
βCTS90
90,8
89,9
91,5
91,3
-
Đối với cắt mạch CTS nguồn dạng  (DD 70 - 84%) cũng như dạng 
(DD 90,8%) bằng H
2
O
2

, các sản phẩm cắt mạch theo thời gian oxi hóa thu
được có DD% đều thay đổi rất ít so với CTS tương ứng ban đầu.

11








2 Theta (độ)
Hình 6.5. Giản đồ XRD của a. CTS70 và b. CTS70-OX
Kết quả khảo sát các giản đồ XRD của CTS70 và CTS70-OX cho
thấy ở các đỉnh tại 2 ~ 10
0
và 20
0
đều xuất hiện với cường độ mạnh. Như
vậy quá trình oxi hóa không làm thay đổi cấu trúc tinh thể 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%
0
1
2
3
4
5
6
0 5 10 15 20 25
Thêi gian, giê
M
v
x 10
5
CTS70
CTS84
CTS94

12

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

Từ hình 6.6 - 6.7 cho thấy, M
v
của CTS và CTS giảm dần theo thời gian
oxi hóa.
Bảng 6.4. Sự thay đổi k
ox
của các CTS theo DD%
Bảng 6.4 cho thấy hằng số tốc độ cắt mạch oxi hóa k
ox
tăng dần theo
chiều tăng của DD% và theo chiều giảm của KLPT trung bình 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
Ký hiệu mẫu
DD%
k
ox
(10
-4
giờ
-1
)
lgDD%

lgk
CTS70
70,3
0,33
1,847
-4,481
CTS84
84,0
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
-
-
M
v
 10
5

0
2
4
6
8
10
12
14
0 4 8 12 16 20 24 28
CTS70
CTS90
Thời gian (giờ)

13







Hình 6.11. Sự phụ thuộc M
w
của C70 theo thời gian oxi hóa với H
2
O
2
1%
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 phổ FT-IR của C70 oxi hóa bằng H
2
O
2
1% trong
M
w
 10
3

50

60
70
80
90
100
0 5 10 15 20 25
βC70
Thời gian (giờ)

14
môi trường đồng thể không có sự khác biệt rõ rệt 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 là 70,41 và 70,38%).
Chương 7. Chiếu xạ cắt mạch chitosan dạng vảy
7.1. Khảo sát động học chiếu xạ cắt mạch CTS dạng vảy









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
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0 5 10 15 20 25 30 35
LiÒu x¹, kGy
M
v
x 10
5

CTS70
CTS84
CTS94
0.5
1.5
2.5
3.5
4.5
5.5
6.5
0 10 20 30 40 50
LiÒu x¹, kGy
M
v
x 10
5
CTS70
CTS84
CTS94

15
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.






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 13,31 
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.
 Hằng số tốc độ cắt mạch chiếu xạ k
cx
và hiệu suất cắt mạch G
d
tăng

khi DD% tăng, k
cx
và G
d
của CTS-OX lớn hơn CTS ban đầu, chứng tỏ CTS
0
3
6
9
12
15
0 8 16 24 32 40
CTS70
CTS70-OX
CTS90
CTS90-OX
Liều xạ, kGy
M
v
 10
5


16
có DD% cao và CTS-OX dễ bị cắt mạch bằng bức xạ; k
cx
và G
d
của CTS
lớn hơn CTS. Như vậy trong trường hợp cắt mạch bức xạ thì -chitosan

dễ bị cắt mạch bằng bức xạ hơn so với -chitosan.
 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(chiếu 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 7.15. Phổ FT-IR của CTS84-OX theo liều xạ: a. CTS84-OX-0kGy,
b. CTS84-OX-8kGy và c. CTS84-OX- 32kGy

17
Bảng 7.3. DD% của CTS84 và CTS84-OX cắt mạch tương ứng với liều
xạ

Liều xạ, kGy
CTS84
CTS84-OX
0
8
32
0
8
32

DD%
84,0
84,3
83,8
84,9
84,3
84,2
Bảng 7.4. Giá trị DD% của CTS70 giảm cấp bằng các cách xử lý khác
nhau
Ký hiệu
mẫu
CTS70
CTS70-OX
CTS70-OX-
24kGy
DD%
72,3
73,3
72,4
Khi nghiên cứu cắt mạch -chitosan cũng cho kết quả tương tự như
trường hợp -chitosan, DD% thay đổi rất nhỏ so với CTS ban đầu. Như vậy
cắt mạch bằng chiếu xạ và chiếu xạ kết hợp oxi hóa trước về cơ bản không
làm thay đổi cấu trúc sườn của CTS.
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

M
w
 10
3

0
20
40
60
80
100
120
140
0 8 16 24 32 40 48 56
αC70-0%H2O2
αC70-1%H2O2

Liều xạ, kGy

18







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 -chitosan.
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 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
mol/J 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
Kiểu cắt mạch
C70
C70
4kGy
12kGy
16kGy
16kGy
G
s

(10
-7
mol/J)
Chiếu xạ
0,760
1,477
1,889
0,519
Chiếu xạ +
1%H
2
O
2

26,003
22,899
22,465
4,963
Bảng 8.2 cho thấy khi xử lý cắt mạch dung dịch CTS bằng chiếu xạ có

sự hiện diện của H
2
O
2
nhận được giá trị G
s
cao hơn so với giá trị G
s
chỉ xử
lý bằng chiếu xạ.
8.2. Khảo sát một số đặc tính của oligochitosan
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 8 16 24 32 40 48
βC70-0%H2O2
βC70-1%H2O2
Liều xạ, kGy
M
w
 10
3

19
Kết quả cho thấy:
- DD% thay đổi không đáng kể trong quá trình chiếu xạ chế tạo
oligochitosan.
- Phổ FT-IR cho thấy đã xuất hiện vân mới ở 1728 cm
-1
so với CTS ban
đầu, chứng tỏ quá trình chiếu xạ dung dịch chitosan đã làm xuất hiện nhóm
cacbonyl trong sản phẩm chiếu xạ.
- Phổ UV-Vis của dung dịch oligochitosan 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 oligochitosan.
8.2.3. Khảo sát giản đồ XRD







2 Theta (độ)
Hình 8.10. Giản đồ XRD của C70 (a) và oligochitosan C70-40kGy (b)
Kết quả khảo sát các giản đồ XRD từ hình 8.10 cho thấy ở các đỉnh tại
2 ~ 10
0
và 20
0
của oligochitosan chiếu xạ có cường độ giảm đáng kể so với

CTS ban đầu. Điều này chứng tỏ cắt mạch bằng oxi hóa cũng như chiếu xạ
riêng rẽ không làm thay đổi đáng kể cấu trúc tinh thể của CTS, 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 dung dịch CTS có 1% H
2
O
2
bằng
chiếu xạ
2 Theta (độ)


20
Bảng 8.5. Phần trăm suy giảm M
w
của CTS cắt mạch (%M
w
)

Ký hiệu
C70
C70
4kGy
(3giờ)
16kGy
(12giờ)
16kGy
(12giờ)

%M
w

a
Oxi hóa
10,38
23,50
33,83
b
Chiếu xạ
21,75
73,44
50,12
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
Kết quả bảng 8.5 cho thấy đã có hiệu ứng đồng vận khi cắt mạch kết
hợp oxi hóa - chiếu xạ ở cả 2 dạng  và -chitosan. Đối với C70 hiệu ứng
đồng vận là 6,62% ở 16 kGy (tương ứng với 12 giờ chiếu xạ), còn C70 là
58,36% ở 4 kGy (tương ứng với 3 giờ chiếu xạ). 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 16 kGy (tương ứng với 12 giờ chiếu xạ) 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
 Đối với C70, trong khoảng liều 16 - 48 kGy hàm lượng -
oligochitosan tan trong nước pH 7 tăng theo liều xạ và đạt 75% tại 48 kGy.
 Đối với C70-1%H
2
O
2
,

trong khoảng liều 4 - 16 kGy hàm lượng
-oligochitosan tan trong nước pH 7 tăng theo liều xạ và đạt 100% tại
16 kGy. Điều này chứng tỏ oxi hóa dung dịch kết hợp chiếu xạ là có hiệu
quả cao đã tạo ra oligochitosan tan hoàn toàn trong nước chỉ ở liều xạ thấp
16 kGy.
8.5. Đo GPC xác dịnh M
w
, M
n
và M
w
/M
n
các phần oligochitosan

21

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 làm chất kích thích tăng trưởng và
kháng bệnh trong nông nghiệp
9.1. Hiệu ứng kích thích tăng trưởng và kháng bệnh của oligochitosan
trên cây lúa (phụ lục 102)
Bảng 9.3. Ảnh hưởng của oligochitosan lên thành phần và năng suất thực tế
lúa thu hoạch
T
T
Công thức
Tỷ lệ hạt
chắc (%)
Hạt/bông
Năng suất
(tấn/ha)

Tăng năng
so với đối
chứng (%)
1
BOC-1-4K
65,43 a
82,91 a
3,27 a
32,39
2
BOC-1-8K
60,78 ab
64,67 ab
3,13 a
26,72
3
BOC-1-12K
64,97 a
70,72 ab
2,40 b
-
4
AOC-1-8K
63,76 a
65,87ab
2,53 b
-
5
Đối chứng
(Phun nước)

53,38 b
46,60 b
2,47 b
-
CV%
7,3
23,7
28,7
-
(Ghi chú: Các chữ số trong cùng một cột giống nhau không khác biệt ở mức
ý nghĩa 5 %)
Bảng 9.3 cho thấy năng suất lúa đạt cao nhất khi phun BOC-1-4K
(tương ứng đạt mức 3,27 tấn/ha và tăng 32,39%), kế đến là BOC-1-8K
(tương ứng đạt mức 3,13% tấn/ha và tăng 26,72%) khác biệt thống kê ở
mức ý nghĩa 5% so với đối chứng.
9.2. Hiệu ứng kích thích tăng trưởng và kháng bệnh của oligochitosan
trên cây mía (phụ lục 103)

22
Bảng 9.8. Năng suất mía
TT
Công thức
Năng suất thực
thu (tấn/ha)
Năng suất tăng so
với đối chứng (%)
1
(BOC-1-4K) nồng độ 0,2%
69,52 a
9,93

2
(BOC-1-4K) nồng độ 0,1%
71,38 a
12,87
3
(BOC-1-4K) nồng độ 0,05%
67,67 ab
-
4
Đối chứng (Phun nước)
63,24 b
-
CV%
9,38
-
LSD
0,05
6,15
-
(Ghi chú: Các chữ số trong cùng một cột giống nhau không khác biệt ở mức
ý nghĩa 5 %)
Bảng 9.8 cho thấy năng suất mía thực thu khi phun (BOC-1-4K) nồng
độ 0,2% và 0,1% cao hơn so với đối chứng. Trong đó năng suất mía đạt cao
nhất khi phun (BOC-1-4K) nồng độ 0,1% (tương ứng đạt mức 71,38 tấn/ha
và tăng 12,87%), kế đến là (BOC-1-4K) nồng độ 0,2% (tương ứng đạt mức
69,52 tấn/ha và tăng 9,93%) khác biệt thống kê ở mức ý nghĩa 5% so với
đối chứng.
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 chitosan 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 chitosan
có KLPT thấp. Đã xác định được hằng số tốc độ cắt mạch oxi hóa tăng theo
chiều tăng của độ deaxetyl và theo chiều giảm của KLPT.
2. Khảo sát hiệu ứng cắt mạch chitosan dạng vảy bằng bức xạ gamma-Co
60 cho thấy chitosan 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.

23
3. Khảo sát hiệu ứng đồng vận bức xạ gamma-Co 60/1% H
2
O
2
cắt mạch
dung dịch chitosan 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 khi không có H
2
O
2
. Đã giảm liều
xạ xuống khoảng 5 lần (từ 48kGy xuống 16kGy) để giảm chi phí chế tạo
oligochitosan. Chỉ ở liều thấp 16kGy đã nhận được oligochitosan có
M
w
= 2.700 Da tan hoàn toàn ở pH 7.
4. Kết quả nghiên cứu từ quá trình cắt mạch chitosan: 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 biễu diễn sự phụ thuộc M
t
của
chitosan được cắt mạch theo M
v0
, m và DD%.
5. Hiệu ứng kích thích tăng trưởng và kháng bệnh của oligochitosan
5.1. 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 (phun nước).
 Đã lựa chọn được 2 mẫu có hiệu quả tối ưu 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% so với đối chứng (phun nước), có thể ứng
dụng rộng rãi phòng, kháng bệnh, kích thích tăng trưởng và nâng
cao năng suất chất lượng cây trồng, góp phần phát triển nông
nghiệp an toàn và bền vững.

5.2. Đối với cây mía
 Oligochitosan BOC-1-4K đã nâng cao khả năng kháng bệnh, giảm
bệnh hại, tăng khả năng sinh trưởng phát triển dẫn đến tăng năng
suất mía so với đối chứng (phun nước).
 Đã lựa chọn được BOC-1-4K nồng độ 0,1% giúp gia tăng năng suất
mía lên đến 12,87% so với đối chứng (phun nước), có thể ứng dụng
nâng cao năng suất chất lượng cây trồng.

24
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 (2006), “Nghiên cứu giảm cấp chitosan bằng
hydroperoxit kết hợp với bức xạ gamma Co-60”, Tạp chí Hóa học
và Ứng dụng, 52(4), tr. 29-32.
2. Bùi Phước Phúc, Nguyễn Triệu, Hà Thúc Huy, Nguyễn Ngọc Duy,
Đặng Văn Phú, Nguyễn Quốc Hiến (2006), “Nghiên cứu chế tạo
oligochitosan bằng phương pháp chiếu xạ dung dịch chitosan”, Tạp
chí Hóa học và Ứng dụng, 57(9), tr. 38-41.
3. Bùi Phước Phúc, Hà Thúc Huy, Nguyễn Ngọc Duy, Đặng Văn Phú,
Nguyễn Quốc Hiến (2007), “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.
4. Dang Xuan Du, Bui Phuoc Phuc, Tran Thi Thuy, Le Anh Quoc,
Dang Van Phu, Nguyen Quoc Hien (2013), “Study on gamma-
irradiation degradation of chitosan swollen in H
2
O
2
solution and its
antimicrobial activity for E. coli” Nuclear Science and Technology
(ISSN 1810-5408), 3(4), pp. 33-39.
5. Bùi Phước Phúc, Hà Thúc Huy, Nguyễn Quốc Hiến (2014), “Nghiên
cứu cắt mạch chitosan với các độ deaxetyl khác nhau bằng
hydroperoxit trong môi trường dị thể”, Tạp chí khoa học Trường
Đại học An Giang (ISSN 0866-8086), 2(1), tr. 1-7.