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

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

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
-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
.
(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

-
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.

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


 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

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

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

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


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 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



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

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



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

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

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

 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

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

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

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

.
 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
.

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)

19Hình 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.

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

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)

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

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.

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.