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

● 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


2
O
2
:
H
2
O
2



H
+
+ HOO
-
(3.1)
HOO
-
 OH
-
+ (O) (3.2)
HOO
-
+ H
2
O
2
 HO
.
+ O

.
(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

-
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

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)

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

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

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

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


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

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

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

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
-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%


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

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

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

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

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
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

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

: 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

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
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

%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

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)

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

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

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