Đang tải... (xem toàn văn)
Dung dịch alginat chứa hydro peroxit (H2O2) được chiếu xạ tia gamma Co60 ở liều từ 530 kGy suất liều 10kGyh. Kết quả cho thấy chiếu xạ gamma có hiệu ứng cắt mạch alginat ở nồng độ H2O2 phù hợp. Khối lượng phân tử của alginat cắt mạch được xác định bằng phương pháp sắc ký gel thấm qua (GPC) và cấu trúc của alginat cắt mạch được khảo sát bằng phổ hồng ngoại (FTIR). Khối lượng phân tử của alginat ban đầu là 845,8 kDa giảm đến 49,5 kDa và 9,2 kDa ở liều xạ tương ứng là 5 và 30 kGy với nồng độ H2O2 là 0,5 %. Cường độ đỉnh hấp thụ quang học đặc trưng của nhóm hydroxyl (3444 cm1) và carbonyl (1093 cm1) của alginat chiếu xạ trong điều kiện có và không có H2O2 là cao hơn so với alginat ban đầu. Mặc dù sự thay đổi khối lượng phân tử alginat chịu ảnh hưởng bởi H2O2 nhưng phổ FTIR của alginat chiếu xạ có và không có H2O2 hầu như không thay đổi so với mẫu ban đầu.
NGHIÊN CỨU HIỆU ỨNG ĐỒNG VẬN CẮT MẠCH ALGINAT ỨNG DỤNG LÀM CHẤT KÍCH THÍCH TĂNG TRƯỞNG CÂY TRỒNG BẰNG CHIẾU XẠ GAMMA Co-60 KẾT HỢP VỚI HYDRO PEROXIT NGUYỄN THỊ KIM LAN 1), NAOTSUGU NAGASAWA 2), ATSUSHI KIMURA 2), MITSUMASA TAGUCHI 2), NGUYỄN QUỐC HIẾN1) 1) Trung tâm Nghiên cứu và Triển khai Công nghệ Bức xạ, Viện Năng lượng Nguyên tử Việt nam, 202A, Đường 11, Phường Linh Xuân, Quận Thủ đức, Tp. HCM 2) Takasaki Advanced Radiation Research Institute, Japan Atomic Energy Agency, 1233 Watanuki, Takasaki, Gunma 370-1292, Japan Email: lktnguyen345@gmail.com Tóm tắt: Dung dịch alginat chứa hydro peroxit (H 2 O 2 ) được chiếu xạ tia gamma Co-60 ở liều từ 5-30 kGy suất liều 10kGy/h. Kết quả cho thấy chiếu xạ gamma có hiệu ứng cắt mạch alginat ở nồng độ H 2 O 2 phù hợp. Khối lượng phân tử của alginat cắt mạch được xác định bằng phương pháp sắc ký gel thấm qua (GPC) và cấu trúc của alginat cắt mạch được khảo sát bằng phổ hồng ngoại (FT-IR). Khối lượng phân tử của alginat ban đầu là 845,8 kDa giảm đến 49,5 kDa và 9,2 kDa ở liều xạ tương ứng là 5 và 30 kGy với nồng độ H 2 O 2 là 0,5 %. Cường độ đỉnh hấp thụ quang học đặc trưng của nhóm hydroxyl (3444 cm -1 ) và carbonyl (1093 cm -1 ) của alginat chiếu xạ trong điều kiện có và không có H 2 O 2 là cao hơn so với alginat ban đầu. Mặc dù sự thay đổi khối lượng phân tử alginat chịu ảnh hưởng bởi H 2 O 2 nhưng phổ FTIR của alginat chiếu xạ có và không có H 2 O 2 hầu như không thay đổi so với mẫu ban đầu. Từ khóa: Alginat, Chiếu xạ gamma, Hydro peroxit. I. MỞ ĐẦU Sodium alginat (AlgNa) là polysaccharide có hàm lượng lớn trong rong nâu [1], thành phần bao gồm các β-D-mannuronat (M) và α-L-guluronat (G) liên kết với nhau qua cầu nối β (1,4 ) và α (1,4) glucozit [2,3]. AlgNa được ứng dụng chủ yếu trong công nghiệp thực phẩm, dược phẩm, mỹ phẩm và chất kích thích tăng trưởng cây trồng [4]. Nhiều kết quả nghiên cứu khoa học cho thấy AlgNa khối lượng phân tử (Mw) thấp và oligoalginat (Mw < 10 kDa) có hiệu ứng kích thích tăng trưởng, phát triển và làm tăng khả năng kháng bệnh đối với một số cây trồng [2, 5, 6]. AlgNa chiếu xạ có Mw khoảng 14,2 kDa cho thấy hiệu ứng kích thích tăng trưởng và kháng bệnh hiệu quả đối với cây lúa mạch và đậu tương. Trong khi đó, oligoalginat có Mw trong khoảng 1-3 kDa thể hiện hiệu ứng kích kháng mạnh nhất [6]. Nhiều phương pháp được ứng dụng để cắt mạch AlgNa như thủy phân acid, phương pháp enzym, chiếu xạ gamma và một vài kỹ thuật oxi hóa khác [4, 7]. Trong đó, phương pháp chiếu xạ được xem là công cụ hiệu quả để cắt mạch AlgNa tạo ra sản phẩm có khối lượng phân tử thấp vì điều khiển được độ cắt mạch và là phương pháp thân thiện môi trường [8]. Tuy nhiên, để chế tạo được oligoalginat có Mw nhỏ hơn 10 kDa, liều xạ yêu cầu là khá cao trong khoảng từ 20 đến 200 kGy khi chiếu xạ AlgNa ở dạng dung dịch hoặc dạng bột [5, 9]. Ngoài ra, Mw của AlgNa vẫn còn cao khi chỉ cắt mạch bằng H 2 O 2 [10]. Vì vậy, để chế tạo AlgNa có khối lượng phân tử thấp và oligoalginat sử dụng liều xạ thấp nhằm giảm giá thành sản phẩm chúng tôi thực hiện nghiên cứu cắt mạch AlgNa bằng chiếu xạ gamma kết hợp với H 2 O 2 . II. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP a. Vật liệu AlgNa mua từ công ty Chameleon. Các hóa chất khác dạng tinh khiết, Wako (Nhật bản). b. Phương pháp - AlgNa được ngâm trong nước cất đến trương, khuấy 2 h để tan hoàn toàn và tiếp tục cho H 2 O 2 để đạt dung dịch có nồng độ AlgNa 4% (w/v) và nồng độ H 2 O 2 từ 0,1%-5%. - Dung dịch AlgNa được chiếu xạ trên nguồn gamma Co-60 trong khoảng liều 5-30 kGy suất liều 10 kGy/h, Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Nhật bản, Takasaki. - Khối lượng phân tử (Mw) của AlgNa chiếu xạ được đo bằng phương pháp sắc ký gel thấm qua (GPC) CO-8020 (Tosoh, Nhật bản). Cột được rửa giải ở 40 o C với dung dịch sodium nitrat (NaNO 3 ) 0,1 mol/l, tốc độ dòng 0,5 ml/phút và nồng độ của mẫu là 0,2% (w/v). Mw được khảo sát từ đường chuẩn sử dụng 1 mẫu chuẩn cellubiose có giá trị Mw là 342,3 Da và các mẫu chuẩn pullulan có Mw trong khoảng từ 11,8 đến 788 kDa (Wako, Nhật bản). - Phổ hồng ngoại (FT-IR) của mẫu được đo trong đĩa KBr, phổ kế 8900 (Shimadzu) ở nhiệt độ thường trong khoảng 4000-500 cm -1 qua 30 lần quét. III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN a. Sự thay đổi Mw của AlgNa do chiếu xạ kết hợp H 2 O 2 Hình 1. Mw của AlgNa trong dung dịch 4% theo liều xạ ở nồng độ H 2 O 2 khác nhau 0 150 300 450 600 750 900 0 10 20 30 Dose ( kGy ) Mw 10 3 0% H 2 O 2 0,5% H 2 O 2 1% H 2 O 2 3%H 2 O 2 5%H 2 O 2 Kết quả hình 1 cho thấy Mw của AlgNa giảm theo liều xạ trong cả 2 trường hợp có và không có H 2 O 2 . Hiệu quả cắt mạch AlgNa khi kết hợp chiếu xạ gamma và H 2 O 2 là cao hơn nhiều so với chỉ sử dụng chiếu xạ gamma. Sự cắt mạch AlgNa đạt hiệu quả cao nhất ở liều hấp thu 5 kGy, sau đó Mw AlgNa giảm chậm lại khi liều xạ tăng. Mw của AlgNa ban đầu là 845,8 kDa giảm lần lượt đến 213,5 kDa, 49,5 kDa và 81,3 kDa ở liều xạ 5 kGy trong sự hiện diện 0%, 0,5% và 1% H 2 O 2 . Khảo sát tương tự ở liều xạ 5 kGy, Mw của AlgNa trong dung dịch 3% và 5% H 2 O 2 lần lượt là 127,1 kDa và 128,5 kDa. Vậy, Mw của AlgNa tạo thành trong dung dịch có H 2 O 2 giảm so với Mw của AlgNa trong dung dịch chiếu xạ không có H 2 O 2 , đặc biệt với 0,5 % H 2 O 2 Mw AlgNa giảm hơn 4 lần. Hiệu suất cắt mạch bức xạ Gs (mol/J) của AlgNa trong dung dịch 4% được tính theo công sau [4]: G = 2c Dd ( 1 M − 1 M ) Trong đó c là nồng độ polyme trong dung dịch (g/dm 3 ), D là liều xạ hấp thu (Gy), d là tỉ trọng dung dịch (kg/dm 3 ), Mwo và Mw là khối lượng phân tử polyme trước và sau chiếu xạ. Bảng 1: Gs của AlgNa chiếu xạ trong dung dịch 4% với nồng độ H 2 O 2 khác nhau Nồng độ (H 2 O 2 ) % 0 0,5 1 3 5 Gs × 10 -7 (mol/J) 0,95 2,95 2,38 1,05 1,03 Bảng 1 cho thấy Gs của AlgNa đạt giá trị cao nhất ở nồng độ 0,5% H 2 O 2 và giảm dần khi nồng độ H 2 O 2 tăng. Giá trị Gs của AlgNa cắt mạch bức xạ có 0,5% và không có H 2 O 2 lần lượt là 2,95 10 -7 mol/J và 0,95 10 -7 mol/J. Vậy, với sự hiện diện của 0,5% H 2 O 2 , hiệu suất cắt mạch bức xạ AlgNa cao gấp 3 lần hiệu suất cắt mạch bức xạ AlgNa trong dung dịch không có H 2 O 2 . Tác giả El-Reim cùng cộng sự [5] đã nghiên cứu hiệu ứng đồng vận kết hợp chiếu xạ gamma và tác nhân oxi hóa H 2 O 2 để điều khiển sự cắt mạch AlgNa dạng paste. Kết quả cho thấy, sự kết hợp chiếu xạ gamma và 10% H 2 O 2 (w/w) làm giảm Mw của AlgNa ban đầu từ 1,910 6 đến 1,110 5 khi chiếu xạ đến 200 kGy. Liều xạ và nồng độ H 2 O 2 là khá cao so với kết quả nghiên cứu của chúng tôi, điều này có thể là do độ linh động của gốc hydroxyl trong dung dịch cao hơn so với dạng paste. Như vậy, sự kết hợp chiếu xạ gamma và tác nhân oxi hóa H 2 O 2 đã làm thúc đẩy tốc độ cắt mạch và làm giảm đáng kể Mw của AlgNa. Kết quả Mw của AlgNa cắt mạch theo nồng độ H 2 O 2 (hình 2) cho thấy Mw của AlgNa giảm mạnh nhất đối với nồng độ H 2 O 2 0,5% ở các liều khảo sát từ 5 đến 30 kGy. Tuy nhiên, Mw của AlgNa có khuynh hướng tăng nhẹ trở lại ở nồng độ H 2 O 2 lớn hơn 0,5%. Nồng độ H 2 O 2 càng cao tốc độ cắt mạch AlgNa giảm dần và đạt giá trị không đổi ở nồng độ 3% H 2 O 2 . Vì vậy, sự cắt mạch bức xạ AlgNa trong dung dịch 4% là hiệu quả nhất với sự hiện diện của 0,5% H 2 O 2 . Ở nồng độ H 2 O 2 cao hơn 0,5%, có sự cạnh tranh giữa sự cắt mạch và khâu mạch chuỗi polyme trong dung dịch chiếu xạ. Hình 2. Mw AlgNa cắt mạch theo nồng độ H 2 O 2 Hiệu ứng đặc trưng của chiếu xạ gamma đối với polysaccharide chủ yếu là cắt mạch [8, 9]. Mw của AlgNa sau chiếu xạ gamma giảm do tương tác cắt mạch liên kết glycozit (5, 6) của AlgNa mà chủ yếu là gốc tự do ( OH). Nếu đưa thêm H 2 O 2 vào dung dịch làm tăng nồng độ gốc OH theo phản ứng (1-4) [11]: H 2 O e - aq , H , OH, H 2 O 2 , H 2 , H 3 O + (1) H 2 O 2 2 OH (2) e - aq + H 2 O 2 OH + OH - (3) H + H 2 O 2 H 2 O + OH (4) OH (H ) + P H 2 O (H 2 )+ P (5) P P 1 + P 2 (6) Hình 3. M w của AlgNa cắt mạch theo nồng độ H 2 O 2 0,1%-0,9% ở liều xạ 10kGy Hình 3 cho thấy Mw của AlgNa chiếu xạ giảm khi nồng độ H 2 O 2 từ 0,1% đến 0,3 %. Mw của AlgNa hầu như không thay đổi trong khoảng nồng độ H 2 O 2 từ 0,3% đến 0,5% và tăng dần đối với nồng độ H 2 O 2 cao hơn 0,5%. Kết quả này chỉ ra rằng, nồng độ H 2 O 2 trong khoảng 0,3%-0,5% là nồng độ tối ưu để chế tạo AlgNa khối lượng phân tử thấp và oligoalginat hiệu quả bởi hiệu ứng cắt mạch đồng vận ở liều xạ từ 5-30 kGy. b. Đo phổ FT-IR Phổ FT-IR của AlgNa ban đầu và AlgNa chiếu xạ có và không có H 2 O 2 chỉ ra trong hình 4 (a), (b), (c). Phổ của AlgNa chiếu xạ 10 kGy có và không có H 2 O 2 thể hiện đỉnh hấp thụ 0 50 100 150 200 250 0 2 4 6 5 kGy 10 kGy 20 kGy 30 kGy Nồng độ H 2 O 2 (%) Mw 10 3 10 15 20 25 0 0.5 1 Nồng độ H 2 O 2 (%) Mw 10 3 quang học đặc trưng giống với phổ của AlgNa ban đầu như đỉnh ở 1614 cm -1 đối với nhóm carboxylate, 3444 cm -1 đối với nhóm hydroxyl và 1093 cm -1 đối với dao động carbonyl. Điều này chứng tỏ rằng cấu trúc chính của AlgNa chiếu xạ vẫn không đổi. Cường độ đỉnh hấp thụ quang học đặc trưng của nhóm hydroxyl và carbonyl của alginat chiếu xạ trong điều kiện có và không có H 2 O 2 là cao hơn so với alginat ban đầu. Mặc dù sự thay đổi khối lượng phân tử AlgNa chịu ảnh hưởng bởi H 2 O 2 nhưng phổ FTIR của AlgNa chiếu xạ có và không có H 2 O 2 hầu như không thay đổi so với mẫu ban đầu. Hình 4. Phổ FT-IR của AlgNa ban đầu (a), AlgNa được chiếu xạ từ dung dịch 4% không có H 2 O 2 (b) và có 0,5% H 2 O 2 (c) ở liều xạ 10 kGy. IV. KẾT LUẬN Phương pháp kết hợp chiếu xạ gamma và H 2 O 2 đã cho thấy những thuận lợi trong sử dụng liều chiếu xạ thấp từ 5-30 kGy để chế tạo oligoalginat qui mô sản xuất lớn. Nồng độ H 2 O 2 tối ưu để chế tạo AlgNa có Mw thấp và oligoalginat là 0,3%-0,5%. Mặc dù sự thay đổi khối lượng phân tử bị ảnh hưởng bởi H 2 O 2 nhưng phổ FTIR của AlgNa chiếu xạ có và không có H 2 O 2 hầu như không thay đổi so với mẫu ban đầu. Vì vậy có thể chế tạo AlgNa khối lượng phân tử thấp và oligoalginat hiệu quả bằng phương pháp kết hợp chiếu xạ gamma liều thấp với một lượng nhỏ H 2 O 2 . Wavenumber [cm -1 ] T (%) 4000 3000 2000 1500 1000 500 (c) (a) (b) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] D.W. Lee, W.S. Choi, M.W. Byun, H.J. Park, Y.M. Yu, C.M. Lee, “Effect of -irradiation on degradation of alginate”, J. Agric. Food Chem., 51, 4819-23, 2003. [2] N.Q. Hien, N. Nagasawa, L.X. Tham, F. Yoshii, V.H. Dang, H. Mitomo, K. Makuuchi, T. Kume, “Growth-promotion of plants with depolymerized alginates by irradiation”. Radiat. Phys. Chem., 59, 97-101, 2000. [3] Yang J. S., Xie Y. J., He W., Research progress on chemical modification of alginate: A review. Carbohydr. Polym. 2011, 84, 33-39. [4] Wasikiewiecz J. M., Yoshii F., Nagasawa N., wach R. A., Mitomo H., Degradation of chitosan and sodium alginate by gamma radiation, sono chemical and ultraviolet methods, Radiat. Phys. Chem. 2005, 73, 287-295. [5] Abd El-Reim H. A., El-sawy N. M., Farag I. A., Elbarbary A. M., Synergistic effect of combining ioning radiation and oxidizing agents on controlling degradation of Na-alginate for enhancing growth performance and increasing productivity of zea maize plants. Carbohydrate Polymers 2011, 86, 1439-1444. [6] Luan L. Q., Nagasawa N., Ha V. T. T., Hien N. Q., Nakanishi T. M., Enhancement of plant growth stimulation activity of irradiated alginate by fractionation. Radiat. Phys. Chem. 2009, 78, 796-799. [7] Aida T. M., Yamagata T., Watanabe M., Smith Jr. R. L., Depolymerization of sodium alginate under hydrothermal conditions. Carbohydr. Polym. 2010, 80, 296-302. [8] King K., Changes in the functional properties and molecular weight of sodium alginate following irradiation. Food Hydrocolloids, 1994, 8, 83-96. [9] Nagasawa N., Mitomo H., Yoshii F., Kume T., Radiation induced degradation of sodium alginate. Polym. Degrad. Stab. 2000, 69, 279-285. [10] Hien N. Q., Phu D. V., Duy N.N., Lan N.T.K. Degradation of chitosan in solution by gamma irradiation in the presence of hydrogen peroxide. Carbohydr. Polym. 2012, 87, 935-938. [11] Duy N. N., Phu D. V., Anh N. T., Hien N. Q., Synergistic degradation to prepare oligochitosan by -irradiation of chitosan solution in the presence of hydrogen peroxide, Radiat. Phys. Chem. 2011, 80, 848-853. STUDY ON SYNERGIC EFFECT FOR DEGRADATION OF AGINATE IN SOLUTION FOR PLANT GROWTH PROMOTER BY GAMMA CO-60 IRRADIATION AND HYDROGEN PEROXIDE Abstract: The aqueous solution of AlgNa was irradiated with Co-60 gamma rays at doses of 5-30 kGy (10 kGy/h) in the presence of H 2 O 2 . The result indicated that gamma irradiation has strong effect on degradation of AlgNa at the suitable concentration of H 2 O 2 . The molecule weight of degraded AlgNa was determined by gel permeation chromatography (GPC) analysis and the structures of resultant AlgNa were characterized by Fourier-Transform infrared spectra (FT-IR). The molecular weight of original AlgNa of 845.8 kDa was reduced to 49.5 kDa and 9.2 kDa by irradiation at doses of 5 and 30 kGy, respectively, in the present of 0.5% H 2 O 2 . Intensity of hydroxyl at 3444 cm -1 and carboxyl group peaks at 1093 cm -1 of irradiated AlgNa in both conditions with and without H 2 O 2 was higher than that of original AlgNa. Although the change of molecular weight was affected with H 2 O 2 , the FT-IR spectra of irradiated in the presence and absence H 2 O 2 did not change in comparison with original AlgNa. Keywords: Chitosan, Synergistic effect, Degradation, Gamma irrdiation. . xạ 10 kGy có và không có H 2 O 2 thể hiện đỉnh hấp thụ 0 50 100 150 200 250 0 2 4 6 5 kGy 10 kGy 20 kGy 30 kGy Nồng độ H 2 O 2 (%) Mw 10 3 10 15 20 25 0 0.5 1 Nồng độ H 2 O 2 (%) Mw 10 3 quang. dạng paste. Kết quả cho thấy, sự kết hợp chiếu xạ gamma và 10% H 2 O 2 (w/w) làm giảm Mw của AlgNa ban đầu từ 1,9 10 6 đến 1,1 10 5 khi chiếu xạ đến 200 kGy. Liều xạ và nồng độ H 2 O 2 . dung dịch 4% theo liều xạ ở nồng độ H 2 O 2 khác nhau 0 150 300 450 600 750 900 0 10 20 30 Dose ( kGy ) Mw 10 3 0% H 2 O 2 0,5% H 2 O 2 1% H 2 O 2 3%H 2 O 2 5%H 2 O 2 Kết quả hình