Nghiên cứu cấu trúc và tính chất của Polysacarit tách chiết từ tảo sinh trưởng và phát triển tại ruộng lúa tỉnh Phú Thọ - Trần Thị Hằng

Nội dung text: Nghiên cứu cấu trúc và tính chất của Polysacarit tách chiết từ tảo sinh trưởng và phát triển tại ruộng lúa tỉnh Phú Thọ - Trần Thị Hằng

1. Tạp chí phân tích Hóa, Lý và Sinh học – Tập 20, số 4/2015 NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ TÍNH CHẤT CỦA POLYSACARIT TÁCH CHIẾT TỪ TẢO SINH TRƯỞNG VÀ PHÁT TRIỂN TẠI RUỘNG LÚA TỈNH PHÚ THỌ Đến tòa soạn 31 – 3 - 2015 Trần Thị Hằng, Vũ Đình Ngọ Khoa Công nghệ Hóa học, Trường Đại học Công nghiệp Việt Trì Maiko Okajima, Tatsuo Kaneko School of Materials Science, Japan Advanced Institute of Science and Technology SUMMARY STUDY ON STRUCTURE AND PROPERTIES OF POLYSACCHARIDE EXTRACTED FROM ALGAE WHICH INHABIT RICE PADDIES IN PHU THO PROVINCE Polysaccharide was extracted from algae which inhabit rice paddies in Phu Tho province (PS-PT) using NaOH extraction and isopropanol precipitation. The yield was calculated at 52 wt% of dry algae. The chemical structure of PS-PT was confirmed by FT-IR measurement that it had carboxyl and sulfate groups, as well as the typical functional groups of sugar. In addition, zeta-potential of PS-PT showed the anionic sugar. PS-PT was constituted from monosaccharide such as rhamnose, glucose, galatose, xylose, mannose, fucose, arabinose, ribose, which were confirmed by GC-MS measurement. GPC measurement in water indicated that PS-PT had an ultra-high molecular weight and narrow polydispersity. Furthermore, PS- PT showed high viscosity and thermal stability. Keywords: algae, polysaccharide, anionic sugar, ultra-high molecular weight, high viscosity, high thermal stability 1. MỞ ĐẦU trúc, thành phần hóa học của PS và ảnh Polysacarit (PS) được ứng dụng rộng rãi hưởng của các điều kiện sinh trưởng lên trong nhiều lĩnh vực như thực phẩm, dược quá trình tổng hợp PS [1-4]. Tùy thuộc loài phẩm, mỹ phẩm, . được tổng hợp từ nhiều tảo mà sản sinh lượng PS khác nhau, cấu nguồn nguyên liệu, trong đó từ các loài tảo trúc, thành phần cũng như phân tử lượng đang được các nhà khoa học quan tâm của PS cũng khác nhau. Một số công trình nghiên cứu. Có nhiều nghiên cứu về cấu đã công bố về quy trình tách, chiết PS từ 171
2. tảo, nhưng nhìn chung về cơ bản các quy 2.2. Thiết bị trình giống nhau, chỉ khác nhau về điều Nhóm chức của PS-PT được xác định bằng kiện thời gian, nhiệt độ, nồng độ, Nhóm phổ hồng ngoại (FT-IR: Perkin-Elmer nghiên cứu của M. Okajima đã công bố Spectrum 100 FT-IR spectrometer, Mỹ). phương pháp tách chiết các hợp chất có Phân tử lượng được xác định bằng sắc ký hoạt tính sinh học trong tảo Anphanothece lọc gel (GPC: Shodex GPC-101, Showa Sacrum sử dụng NaOH 0,1M ở 70oC và sử Denko K. K., Nhật Bản). Tính chất nhiệt dụng isopropanol để thu hồi [5]. Nhóm được xác định bằng phân tích nhiệt quét vi nghiên cứu của T. Hayashi tách chiết PS sai (DSC: EXSTRAR6100, Seiko bằng phương pháp tách chiết hồi lưu nhiệt, Instruments, Nhật Bản) và phân tích nhiệt sau đó sử dụng etanol để thu hồi [6]. Nhóm trọng trường (TGA: SSC/5200 Seiko nghiên cứu của Z. Chi đã tách chiết PS Instruments, Nhật Bản) với tốc độ gia nhiệt bằng phương pháp đun nóng 100oC trong 10oC/phút. Thế zeta được xác định bằng nước, sau đó dùng etanol để tái kết tủa và Zetasizer Nano ZS (Malvern Instruments, thu hồi [7]. Anh). Thành phần nguyên tố được xác định Ở khu vực ruộng lúa tỉnh Phú Thọ (tảo Phú bằng thiết bị phân tích nguyên tố CHNS Thọ) xuất hiện loài tảo có khả năng sản (Yanako CHN coder MT-6, Nhật Bản) Độ sinh lượng lớn PS (thời gian xuất hiện từ nhớt được xác định bằng thiết bị đo độ nhớt tháng 6 đến tháng 12 hàng năm). Tỷ lệ dạng xoay (HAAKE MARS2, Đức). nước chứa trong loài tảo này chiếm trên Monosacarit cấu thành PS-PT được xác 98%. Nhóm nghiên cứu đã thành công định bằng sắc lý ghép khối phổ (GC-MS: trong việc phân ly, nuôi cấy và xác định Clarus500, Perkin - Elmer, Mỹ) sau khi loài của loài tảo này [8]. Tuy nhiên, đến trimetylsilylat hóa và phân hủy bằng nay chưa có công trình nào công bố về cấu phương pháp thủy phân metanol. trúc và tính chất của PS được tách chiết từ 2.3. Tách chiết PS-PT loài tảo sinh trưởng và phát triển ngoài Vớt tảo, rửa sạch, ngâm trong isopropanol thiên nhiên này. trong 24 giờ với tỷ lệ 1 kg tảo chứa nước/lít Báo cáo này trình bày về phương pháp tách để loại một số hợp chất màu. Sau đó vớt tảo chiết, cấu trúc hóa học và một số kết quả ra cho vào thùng khuấy có gắn bộ gia nhiệt nghiên cứu về tính chất của PS được tổng với nồng độ 1 kg tảo/l dung dịch NaOH 0,1 hợp từ loài tảo sinh trưởng và phát triển tại M, gia nhiệt đến 80oC và khuấy trong 8 giờ. ruộng lúa tỉnh Phú Thọ (PS-PT). Sau 8 giờ, giảm nhiệt độ đến nhiệt độ 2. THỰC NGHIỆM phòng, dùng HCl 0,1M trung hòa dung dịch 2.1. Nguyên liệu và hóa chất chiết đến khoảng pH 7, lọc lấy dung dịch Tảo được vớt từ ruộng lúa tỉnh Phú Thọ, trong. Dung dịch trong được tái kết tủa rửa sạch để loại đất bùn trước khi sử dụng. trong dung dịch isopropanol 99% (tỷ lệ NaOH, isopropanol, alginat natri, metanol, dung dịch trong : isopropanol = 1 : 3), sau phenol, axit sunfuric (Wako, Nhật Bản) đó được sấy khô ở nhiệt độ phòng trong 48 được sử dụng không qua tinh chế. giờ. 172
3. 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN được tìm thấy ở các loài tảo nước mặn. 3.1. Cấu trúc và thành phần PS-PT Hiện nay, đối với các loài tảo nước ngọt chỉ PS-PT thu được ở dạng sợi, chiếm 52 wt% được tìm thấy ở tảo Anphanothece Sacrum so với khối lượng tảo khô. Theo phương [5] và tảo trong nghiên cứu này. Theo một pháp định lượng bằng phương pháp phenol số công trình đã công bố, polysacarit sulfat – axit sunfuric thu được kết quả tương tự, có tính kháng một số loại virut [9,10]. điều này chứng tỏ PS-PT thu được có độ Ngoài ra, mẫu được đo thế zeta ở điều kiện tinh khiết và hiệu suất tách chiết cao. PS- nhiệt độ phòng với nồng độ 1mg PS-PT/1 PT có độ hút ẩm cao, do đó cần lưu ý trong ml nước cất. Kết quả cho thấy mẫu có thế quá trình bảo quản và sử dụng. zeta -85 mV, chứng tỏ rằng PS-PT mang tính anion. Từ các kết quả này cho thấy PS- PT có khả năng ứng dụng trong hấp phụ ion kim loại nặng, xử lý môi trường, dược C-H C-H phẩm, C=O S=O Phân tích GC – MS của các mẫu PS-PT đã O-H, N-H trimetylsilylat hóa bằng phương pháp thủy C-O phân metanol chỉ ra rằng monosacarit cấu 4000 3400 2800 2200 1600 1000 400 thành polysacarit là rhamnose, glucose, Số sóng (cm-1) galactose, xylose, mannose, fucose, Hình 1. Phổ FT-IR của PS-PT arabinose, ribose, và một số monosacarit Để xác định nhóm chức trong phân tử PS- khác với tỷ lệ tương ứng 38,6 : 13,8 : 4,8 : PT, mẫu được khảo sát bằng chụp phổ FT- 4,8 : 2,4 : 3,5 : 2,0 : 0,6 : 6,5, (Hình 2). IR (Hình 1). Trên phổ xuất hiện các pic hấp Rhamnose và glucose chiếm hơn 50% -1 thụ ở vùng 3352 cm đặc trưng cho liên kết lượng monosacarit cấu thành PS-PT, do đó -1 -1 O-H và N-H, 2919 cm và 1380 cm đặc PS-PT được phân loại như một -1 trưng cho liên kết C-H, 1600 cm đặc trưng rhamnoglucan sunfat. cho liên kết C=O của nhóm cacboxyl, Tính chất của PS-PT bị ảnh hưởng bởi phân -1 1215cm đặc trưng cho liên kết S=O trong tử lượng. Kết quả đo GPC cho thấy PS-PT -1 nhóm sunfat và 1011 cm đặc trưng cho trong nghiên cứu này có phân tử lượng rất 6 liên kết C-O. Kết quả cho thấy trong phân lớn (Mw = 7,2 x 10 Da) độ phân tán phân tử PS-PT chứa nhóm đặc trưng như tử lượng nhỏ (d = 1.27). Theo nhóm tác giả cacboxyl và sunfat. Tỷ lệ thành phần các được biết thì phân tử lượng của PS-PT thu nguyên tố C : H : S : N chứa trong PS-PT được cao hơn nhiều so với PS tách chiết từ lần lượt là 34,72 : 5,56 : 1,21 : 0,79. Như các loài tảo, thực vật khác [11]. Tuy phân nhóm tác giả được biết, đến thời điểm hiện tử lượng lớn, nhưng PS-PT vẫn có thể tan nay nhóm sunfat có trong cấu trúc PS chỉ trong nước, thể hiện tính tan cao. 173
4. Hình 2. Phổ GC-MS của PS-PT. Ara: arabinoza, Gal: galactose, Glu: glucose, Fuc: fuctose, Man: mannose, Rha: rhamnose, Xyl: xylose, Rib: ribose. Từ kết quả khảo sát phổ FT-IR, GC-MS, hủy (giai đoạn 2) đến khoảng 380oC, trong thế zeta, công thức PS-PT được sự đoán giai đoạn này khối lượng PS-PT giảm nhanh, như Công thức 1. tổng khối lượng đã bị phân hủy đạt tới 74%. Khi gia nhiệt trên 380oC, tốc độ giảm chậm NH lại và ở 500oC vẫn còn khoảng 19% khối lượng. Có thể là do các hợp chất vô cơ như OH Công thức 1. Công thức cấu tạo của PS-PT các ion kim loại tạo phức với PS-PT. 3.2. Tính chất nhiệt của PS-PT 100 Tính chất nhiệt của PS-PT được khảo sát 80 bằng phương pháp DSC và TGA. Kết quả 60 (wt%) DSC trong khoảng từ nhiệt độ phòng đến tồn 40 300oC với tốc độ gia nhiệt 10oC/phút cho thấy không xuất hiện pic thể hiện sự kết tinh hay Lượng 20 nóng chảy, cho biết PS-PT thu được trong 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 nghiên cứu này là polyme vô định hình. Để Nhiệt độ (oC) xác định độ ổn định nhiệt, mẫu được phân Hình 3. Giản đồ TGA của PS-PT dưới tốc tích bằng phương pháp TGA với tốc độ gia độ gia nhiệt 10 oC/phút, trong môi trường nhiệt 10oC/phút, trong môi trường khí nitơ khí nitơ. (Hình 3). Kết quả thu được giống như PS 3.3. Độ nhớt của PS-PT được tổng hợp từ một số loài tảo khác như Thông thường, polyme có phân tử lượng Cyanothece sp. ATCC51142 và Nostoc spp. lớn khó tan trong nước, nhưng với PS-PT cũng như một số polyme khác như xanthan vẫn tan tốt trong nước, do đó có thể cho gum, và guar gum [12]. Sự phân hủy nhiệt một số tính chất đặc trưng. Kết quả đo độ xảy ra 3 giai đoạn. Giai đoạn I, từ 50oC đến nhớt ở nhiệt độ phòng cho thấy, khi nồng khoảng 260oC, PS-PT giảm khoảng 14 wt%, độ PS-PT càng cao thì độ nhớt càng cao có thể là do mất nước hấp thụ trên bề mặt. (Hình 4). Khi nồng độ nhỏ hơn 0,1 wt%, Khi nhiệt độ đạt 260oC, PS-PT bắt đầu phân độ nhớt của PS-PT và alginat natri không 174
5. khác nhau, nhưng khi tăng nồng độ, độ 4. KẾT LUẬN nhớt của PS-PT cao hơn nhiều so với Đã tách chiết thành công PS từ tảo Phú alginat natri (Hình 4a). Đây là do phân tử Thọ. Hàm lượng PS-PT chiếm 52 wt% so lượng của axit alginanic thiên nhiên chỉ có với khối lượng tảo khô. Cấu trúc phân tử trong khoảng 10.000 – 600.000 Da. Được PS-PT đã được xác định, trong phân tử biết rằng, trong dung dịch muối, độ nhớt chứa nhóm chức đặc trưng như cacboxyl và tăng, do đó độ nhớt của PS-PT trong dung sunfat, thể hiện tính anion. Có trên 8 loại dịch NaCl 0,9 wt% đã được khảo sát. Đúng monosacharit cấu thành PS-PT. PS-PT có như dự đoán, trong dung dịch NaCl 0,9 tính bền nhiệt cao, phân hủy nhiệt bắt đầu wt%, đô nhớt của PS-PT tăng đáng kể so xảy ra ở trên 260oC. Đặc biệt, tuy PS-PT có 6 với trong nước. PS-PT ở nồng độ 0,5 wt% , phân tử lượng rất lớn (Mw = 7,2 x 10 Da) , trong dung dịch NaCl 0,9 wt% độ nhớt đạt nhưng vẫn tan trong nước, có độ nhớt cao, khoảng 160 Pa.s, trong khi đó trong nước cao hơn cả alginat natri và trong dung dịch cất độ nhớt chỉ đạt khoảng 8 Pa.s, giảm 20 NaCl 0,9 wt% độ nhớt tăng. PS-PT có thể lần (Hình 4b). Đây có thể là do trong dung kỳ vọng là nguyên liệu tiềm năng, ứng dịch muối, ion kim loại tương tác với các dụng trong một số lĩnh vực như hóa mỹ ion âm của nhóm cacboxyl hay sunfat làm phẩm, dược phẩm, xử lý môi trường, cho sự linh động của mạch PS-PT giảm. (a) TÀI LIỆU THAM KHẢO ) 10 PS-PT 1. T.J. Painter, (1983) “Algal polysaccharides”, Pa.s ( In Aspinall GO (ed.), The polysaccharides, 1 trượt vol2. Academic Press, New York, 195-285. 0.1 Alginat natri 2. J.M. Panoff, B. Priem, H. Morvan, F. Joset, nhớt 0.01 Độ (1988) “Sulphated exopolysaccharides 0.001 produced by two unicellular strains of 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Nồng độ (wt%) cyanobacteria”, Synechocystis PCC 6803 and (b) 6714. Arch. Microbiol., 150, 558-563. ) 3. E.J. Phlips, C. Zeatn, P. Hansen, (1989) 8 Pa.s ( “Growth, photosynthesis, nitrogen fixation 0.4 and carbohydrate production by a trượt unicellular cyanobacterium Synechococcus nhớt 0.02 PS-PT/NaCl 0,9 wt% Độ sp”, J. Appl. Phycol., 1, 137-145. PS-PT/H2O 0.001 4. M. Vincenzini, R. De Philippis, C. Sili, R. 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Materassi, (1990) “Studies on exopolysaccharide Nồng độ (wt%) Hình 4. Đồ thị quan hệ giữa nồng độ và độ release by diazotrophic batch cultures of nhớt trượt của (a) PS-PT và alginat natri Cyanospiracapsulata”, Appl. Microbiol. trong nước, (b) PS-PT trong nước và dung Biotechnol., 34, 392-396. dịch NaCl 0,9 wt% 175
6. 5. M. Okajima, M. Ono, K. Kabata, T. 9. M. Hasui, M. Matsuda, K. Okutani, S. Kaneko, (2007) “Extraction of novel Shigeta (1995) “In vitro antiviral activities sulfated polysaccharides of sulfated polysaccharides from marine from Aphanothece sacrum (Sur.) Okada, microalga against human and its spectroscopic characterization”, immunodeficiency virus and other Pure Appl. Chem., 79, 2039–2046. enveloped viruses”, J. Biol. Macromol., 6. K. Kanekiyo, K. Hayashi, J-B. Lee, H. 17, 293–297. Takenaka, T. Hayashi, (2008) “Structure 10. M. Witvrouw, E. De Clercp, (1997) and antiviral activity of an acidic “Sulfated polysaccharide extracted from polysaccharide from edible blue-green alga, sea algae as potential antiviral drugs”, Gen. Nostoc flagelliforme”, J. Pharm. Soc. of Pharmacol, 29, 497–511. Japan, 128, 725-731. 11. S. Pereira, A. Zille, E. Micheletti, P. 7. Z. Chi, C.D. Su, W.D. Lu, (2007) “A Moradas-Ferreira, R. De Philippis, P.Tamagnini, new expolysaccharide produced by marine (2009) “Complexity of cyanobacterial Cyanothece sp. 113”, Biores. Tech., 98, exopolysaccharaides: composition, structures, 1329-1332. inducing factors and putative genes involved in 8. K. Ohki, Q.T. Nguyen, S. Yoshikawa, Y. their biosynthesis and assembly”, FEMS. Kanesaki, M. Okajima, T. Kaneko, H.T. Tran, Microbiol. Rev., 33, 917–941. (2014) “Exopolysaccharide production by a 12. A. Parikh, D. Madamwar, (2006) unicellular freshwater cyanobacterium “Partial characterization of extracellular Cyanothece sp. isolated in a rice field of Viet polysaccharides from cyanobacteria”, Nam”, J. Appl. Phycol., 26, 265-272. Biores. Tech., 97, 1822–1827. PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ Ô NHIỄM (tiếp theo tr. 170) 7. Quy chuẩn quốc gia QCVN 10. Hoàng Vượng, Đoàn Quy hoạch và 01:2009/BYT, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia Điều tra tài nguyên nước 707, Báo cáo “Đề về chất lượng nước ăn uống. tài nghiên cứu thành lập bản đồ nước ngầm 9. Nguyễn Thị Hạ Sự hình thành thành vùng trọng điểm kinh tế huyện Đạ Tẻh tỉnh phần hóa học nước dưới đất trong trầm Lâm Đồng ”, (2007). tích Đệ Tứ vùng đồng bằng Bắc Bộ và ý nghĩa của nó đối với cung cấp nước, Luận án tiến sĩ địa chất, Trường Đại học Mỏ Địa chất, Hà Nội (2006). 176