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

Bài viết trình bày việc 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. 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 H2O2 vào dung dịch alginate cũng được khảo sát.

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SUẤT LIỀU, LIỀU HẤP THỤ

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, HOÀNG 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 không bổ sung H 2 O 2 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 H 2 O 2 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 2 O 2

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 (H2 O 2 ) 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 (Mw 0 ) and 280.250 g/mol (Mn 0 ) 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 2 O 2 (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

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 không nhòe 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 nông 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 còn trong việc biến đổi đặc tính vật liệu theo mục đích ứng dụng do có thể thực hiện ở điều kiện thường và không 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 H2O2 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 phòng 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 không 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 NaNO3, 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

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

KLPT

(g/mol)

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

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,

KLPT

(g/mol)

65.015 36.610 49.594 31.413 43.694 28.436

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

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 không 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 H2O2 Cơ chế này được

mô tả như sau:

Trong quá 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

Hình 2 Ảnh hưởng của nồng độ H 2 O 2 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

0 50 100 150 200 250

Mw

3)

Liều xạ (kGy)

0% H2O2 0,5% H2O2 1% H2O2 2% H2O2

hiệu ứng tăng trưởng của chế phẩm oligoalginate chế tạo bằng kỹ thuật bức xạ trên cây cà rốt”, Tạp chí Nông nghiệp

và Công nghiệp Thực phẩm, Tr 135–136, 1999

[6] 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 Nông nghiệp và Công nghiệp Thực phẩm, Tr 322–323, 1999

[7] 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

[8] 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

[9] 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

[10] 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

[11] ASTM-International, 51401:2003(E), “Standards on dosimetry for radiation processing”, pp 69–74, 2004

[12] 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

[13] 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

[14] Woods, R.T., Pikaev, A.K “Applied Radiation Chemistry”, Radiation Processing

Wiley, New York, pp 341–342, 1994

[15] 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