СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОЛИГОМЕРОВ ХИТОЗАНА
METHOD FOR PRODUCING CHITOSAN OLIGOMERS

Изобретение относится к получению олигомеров хитозана, обладающих биологической активностью и предназначенных для использования в пищевой промышленности и медицине.
Хитозан - природный аминополисахарид (2-амино-2-дезокси-β-D-глюкан), является биологически активным полимером и входит в состав многих современных лекарственных форм. Имеются определенные перспективы его использования для получения новых биологически активных форм либо в качестве единого компонента, либо в комплексе с другими биополимерами или низкомолекулярными веществами. Замечено, что практически все функциональные свойства хитозана зависят от его молекулярных параметров, в большей степени от молекулярной массы. В литературе отмечается интерес к изучению влияния этой характеристики хитозана на его биологическую активность. В частности, установлено значительное влияние молекулярной массы на иммуномодулирующую и противовирусную активность. Хитозан низкомолекулярный обладает противовирусным и противоопухолевым действием. Олигомеры хитозана могут быть использованы в качестве пищевых добавок или основ для фармацевтических препаратов.
Известно изобретение (RU №2057760, кл. C08B 37/08, 1996.04.10) «Олигомер хитина и хитозана и способ его получения». Способ получения олигомера включает взаимодействие хитина или хитозана с азотистой кислотой или нитритом натрия в водном растворе при pH 3÷4, температуре не выше 10°C с последующей нейтрализацией реакционной смеси, гидрированием полученных олигомеров в присутствии восстановителя и/или охлаждением. Взаимодействие может быть осуществлено в присутствии стабилизирующего агента - органической кислоты, а нейтрализация осуществлена аммиаком, алкиламином или анионообменной смолой после завершения реакции. Восстановителем может быть боргидрид натрия или калия.
Недостатком этого способа является большое количество используемых химических реагентов и необходимость очистки целевого продукта.
Известен способ получения низкомолекулярного водорастворимого хитозана (RU №92015867, кл. С08 В37/08, 1996.09.10), включающий ферментативное расщепление 1%-ного раствора хитозана иммобилизованным на силикагеле хитиназным комплексом стрептомицетов. Процесс ферментативное расщепление ведут при рН=4,5÷5,0 при температуре 45÷50°C в течение 16 ч, а затем при рН=6,0÷6,5 и температуре 37°C в течение 8÷12 ч.
Недостатком данного способа является длительный период времени проведения процесса, инактивация ферментных препаратов и их относительно высокая стоимость.
Известен также способ получения олигомеров хитозана (RU №2316592, кл. C12P 19/04, C08B 37/08, A61K 31/722, 2008.02.10). Для получения олигомеров хитозана осуществляют ферментативный гидролиз хитозана в водном растворе при pH 3,0÷4,4. Гидролиз проводят в присутствии смеси хитозаназы и папаина в соотношении 1:(1÷1,2) по массе. Гидролизат обрабатывают анионообменной смолой, фильтруют, концентрируют до содержания воды 62÷80% и сушат. Способ позволяет снизить на 50÷70% потери и повысить качество целевого продукта.
Недостатком данного способа является относительно долгий период времени проведения процесса, дороговизна ферментных препаратов, их инактивация.
Известен способ получения олигосахаридов хитозана (RU №2289589, кл. C08B 37/08, 2006.12.20). Данный способ включает ферментативную деполимеризацию хитозана хитозаназой в водном растворе в присутствии уксусной, аскорбиновой, янтарной кислоты или их смесей с последующей фильтрацией и сушкой, причем после сушки полученные олигосахариды хитозана подвергают низкотемпературной обработке жидким азотом. Способ позволяет получать олигосахариды хитозана, не имеющие неприятного послевкусия.
Недостатком данного способа является относительно длительный период времени проведения процесса, дороговизна ферментных препаратов, их инактивация.
Известен способ получения олигомеров хитозана (US 5312908, кл. C07H 17/00, 1994.05.17) посредством взаимодействия хитина или хитозана с азотистой кислотой при температуре реакции 10°C или ниже в водном растворе при pH 1÷6 для осуществления реакции дезаминирования, с последующим добавлением восстановительного агента.
Недостатком данного способа является необходимость очистки целевого продукта.
Известен способ получения олигомеров хитозана (CN 101684164, кл. C08B 37/08, C08B 37/00, 2010.03.31), включающий следующие этапы: использование макромолекул хитозана в качестве сырья, добавление разрушающего агента и равномерное перемешивание, облучение, распыление и сушка, получение водного раствора, сушка и получение порошкообразного продукта.
Недостатком известного способа является большое количество используемых химических реагентов и необходимость очистки целевого продукта.
Известен также способ получения порошкообразных олигомеров хитозана (DE 102007039490, кл. C08B 37/08, C08L 5/08, C12P 19/26, C12P 39/00, C08B 37/00, C08L 5/00, C12P 19/00, C12P 39/00, 2008.03.27), включающий растворение хитозана в водном растворе органической кислоты при pH 3,5÷4,4, ферментативный гидролиз хитозана до вязкости реакционной смеси 1,50÷1,58 мПа, удаление кислоты путем ионного обмена до pH 7, удаление ионита путем фильтрования, концентрирование фильтрата до 62÷80 мас.% и сушку гидролизованного продукта.
Недостатком данного способа является дороговизна ферментных препаратов, их инактивация и необходимость очистки целевого продукта.
Таким образом, проведенный анализ патентных документов выявил наличие лишь косвенных аналогов предлагаемого способа получения олигомеров хитозана.
Задачей изобретения является разработка нового эффективного способа получения олигомеров хитозана.
Техническим результатом является удешевление получения олигомеров хитозана с одновременным повышением средневязкостной молекулярной массой продукта в диапазоне 25÷120 кДа.
2
Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что в способе получения олигомеров хитозана согласно изобретению раствор хитозана берут концентрацией 0,025÷0,075% (вес/объем) и обрабатывают низкочастотным ультразвуком интенсивностью 92÷460 Вт/см в течение 5÷30 минут.
Увеличение концентрации раствора хитозана выше 0,075% приводит к увеличению средневязкостной молекулярной массы макромолекул полимера после ультразвуковой обработки, поскольку возрастает вязкость и плотность раствора, что приводит к ослаблению ультразвуковых волн, а следовательно, к меньшей степени деструкции макромолекул хитозана. Уменьшение концентрации раствора хитозана меньше 0,025% делает раствор сильно разбавленным, что является нежелательным с точки зрения его дальнейшего использования.
2
2
Обработка раствора хитозана ультразвуком интенсивностью менее 92 Вт/см не обеспечивает той степени деструкции макромолекул, которая необходима для получения образцов хитозана со средневязкостной молекулярной массой менее 120 кДа. При интенсивности ультразвука более 460 Вт/см получаемые образцы хитозана имеют средневязкостную молекулярную массу менее 25 кДа. Кроме того, при таких значениях интенсивности происходит сильный нагрев обрабатываемого раствора, что является нежелательным.
Оптимальным значением времени ультразвуковой обработки было признано в пределах 5÷30 минут. При этом при уменьшении времени ультразвуковой обработки меньше 5 минут не достигается необходимая степень деструкции макромолекул хитозана, а обработка более 30 минут нецелесообразна по причине достижения максимальной степени деструкции при данном значении интенсивности ультразвука.
Способ получения олигомеров хитозана поясняется следующими примерами.
Пример 1.
3
3
2
Готовили растворы хитозана с концентрациями 0,025% (вес/объем) в ацетатном буфере (0,33 М CHCOOH+0,2 М CHCOONa). Далее серию растворов (6 образцов по 25 мл) подвергали обработке низкочастотным ультразвуком интенсивностью 460 Вт/см различными периодами времени (от 5 до 30 минут). После этого через уравнение Марка-Куна-Хаувинка определяли средневязкостную молекулярную массу макромолекул хитозана, подвергшихся деструкции (таблица 1).
Таблица 1
Зависимость средневязкостной молекулярной массы хитозана <img file="00000001.tif" he="5" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" /> от времени ультразвуковой обработки
Время УЗ обработки, мин
<img file="00000002.tif" he="5" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />, кДа
Без обработки
200,5
5,0
45,5
10,0
37,6
15,0
31,4
20,0
26,8
25,0
25,8
30,0
22,9
Пример 2.
2
Опыт проводили аналогично примеру 1 за исключением того, что вместо различных периодов времени обработки растворов хитозана использовали ультразвук различной интенсивности (от 92 до 460 Вт/см). Обработка проводилась в течение 5 минут (таблица 2).
Таблица 2
Зависимость средневязкостной <img file="00000003.tif" he="5" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" /> молекулярной массы хитозана от интенсивности ультразвука
Интенсивность УЗ, Вт/см<sup>2</sup>
<img file="00000004.tif" he="5" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />, кДа
0
200,5
92,0
128,9
138,0
118,2
184,0
100,5
230,0
84,2
276,0
74,8
322,0
66,8
368,0
56,6
414,0
49,3
460,0
46,7
Пример 3.
Опыт проводили аналогично примеру 1 за исключением того, что ультразвуковой обработке различной интенсивности и продолжительности подвергались растворы хитозана с разными концентрациями 0,025; 0,050 и 0,075% (вес/объем) (таблица 3).
Таблица 3
Зависимость средневязкостной <img file="00000003.tif" he="5" wi="9" img-content="undefined" img-format="tif" /> молекулярной массы хитозана от концентрации его раствора при различной интенсивности и продолжительности ультразвуковой обработки
Концентрация раствора хитозана: 0,025%
Интенсивность УЗ, Вт/см<sup>2</sup>
92,0
138,0
184,0
230,0
276,0
322,0
368,0
414,0
460,0
<img file="00000004.tif" he="5" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />, кДа
128,9
118,2
100,5
84,2
74,8
66,8
56,6
49,3
46,7
Время УЗ обработки, мин
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
<img file="00000004.tif" he="5" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />, кДа
45,5
37,7
31,4
26,8
25,8
22,9
Концентрация раствора хитозана: 0,050%
Интенсивность УЗ, Вт/см<sup>2</sup>
92,0
138,0
184,0
230,0
276,0
322,0
368,0
414,0
460,0
<img file="00000004.tif" he="5" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />, кДа
171,2
168,4
157,0
152,4
123,1
110,2
92,8
80,6
74,4
Время УЗ обработки, мин
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
<img file="00000004.tif" he="5" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />, кДа
75,4
59,4
45,2
37,6
33,1
30,7
Концентрация раствора хитозана: 0,075%
Интенсивность УЗ, Вт/см<sup>2</sup>
92,0
138,0
184,0
230,0
276,0
322,0
368,0
414,0
460,0
<img file="00000004.tif" he="5" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />, кДа
156,5
151,2
142,1
133,8
116,4
95,7
93,5
91,1
89,7
Время УЗ обработки, мин
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
<img file="00000004.tif" he="5" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />, кДа
88,9
67,6
61,1
51,4
47,6
38,1
2
Представленные примеры выполнения способа подтверждают, что использование низкочастотного ультразвука интенсивностью 92÷460 Вт/см получать олигомеры хитозана с заданным молекулярным весом в пределах от 23 до 130 кДа (при начальном значении 200 кДа) за очень непродолжительное время обработки (5-30 минут), что выгодно отличает данный способ от ферментного и химического гидролиза. При этом конечное значение молекулярного веса хитозана при использовании данного способа можно задавать с достаточно большой точностью, варьируя значения времени обработки, интенсивности ультразвука и концентрации полисахарида (см. табл.1, 2, 3). Кроме того, полученный после обработки продукт не нуждается в дополнительных операциях по очистке и может сразу быть использован, например, в процессах биоинкапсулирования для создания хитозановых покрытий на микрокапсулах.
В настоящее время способ находится на стадии лабораторных экспериментов.