Технология и свойства хитозана из панциря речного рака

НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ

УДК 66.011.002.61:547.458+595.384.1

В.Ф. Абдуллин, С.Е. Артёменко, Г.П. Овчинникова

ТЕХНОЛОГИЯ И СВОЙСТВА ХИТОЗАНА ИЗ ПАНЦИРЯ РЕЧНОГО РАКА

Статья посвящена разработке технологии хитозана из панциря речного рака. Современными методами изучены свойства исходного сырья, промежуточного продукта хитина и хитозана. Представлены сравнительные характеристики свойств хитозана из панциря речного рака и хитозана из панциря краба, которые свидетельствуют об их близкой химической природе и молекулярной структуре.

V.F. Abdullin, S.E. Artemenko, G.P. Ovchinnikova

TECHNOLOGY AND PROPERTIES OF CHITOSAN FROM THE RIVER CRAYFISH

This article is devoted to development of chitosan technology from the river crayfish. Some properties of raw material, chitin and chitosan are researched by modern methods. Comparative characteristics of properties of chitosan from the river crayfish and from crabs which testify about their close chemical nature and molecular structure are presented here.

Хитозан - самое известное и изученное производное хитина. Этот полимер является продуктом частичного либо полного деацетилирования хитина и представляет собой поли-(1-4)-2-амино-2-дезокси-Р-0-глюкозу.

CH3

CO

I

NH

ch2oh

+NaOH

-CH3COONa

ch2oh

Ch2oh

NH

CO

I

CH3

ch2oh

хитин

хитозан

Хитозан - катионный полиамин, обладает высокой плотностью заряда при рН ниже 6,5, прилипает к отрицательно заряженным поверхностям, имеет высокий молекулярный вес линейного полиэлектролита, вязкость от высокой до низкой, хелатные свойства, связывает переходные металлы, обладает высокой способностью к химической модификации благодаря наличию реактивных амино- и гидроксильных групп. Кроме того, хитозан является природным биополимером, который биологически совместим с тканями

NH

O

NH

организма, биодеградирует до обычных компонентов организма (глюкозамин N ацетилглюкозамин), нетоксичен, используется в медицине как гемостатик,

бактериостатик, фунгистатик, иммуномодулятор, оказывает антиопухолевый эффект и снижает уровень холестерина. Благодаря наличию такого комплекса полезных свойств, непрерывно происходит расширение области применения этого полисахарида, который может широко использоваться в пищевой, химической, косметической промышленности, сельском хозяйстве, ветеринарии и медицине.

В настоящее время основным источником сырья для получения хитозана является панцирь различных ракообразных: крабы, криль, креветки, кальмары, омары, лангусты и другое хитинсодержащее сырье (ХТС) [1]. Нами предлагается использовать в качестве сырья панцирь речного рака, что значительно расширяет сырьевые возможности регионов, удаленных от моря, для его масштабного производства и существенно снижает стоимость конечного продукта.

Технология хитозана включает 4 стадии (рис. 1): измельчение панцирей раков, деминерализация, депротеинирование и деацетилирование. При измельчении панциря оптимальный средний размер частиц составляет 3-4 мм, что позволяет увеличить активную поверхность материала при химических превращениях и облегчить его переработку на различных стадиях технологического процесса.

Хитозан

Рис. 1. Схема процесса технологии получения хитозана

Стадия деминерализации проводится для удаления минеральных веществ, которые закрывают доступ реагентов к хитину. Процесс осуществляется обработкой

измельченного панциря слабым раствором соляной кислоты, которая растворяет минеральные примеси - главным образом карбонат кальция.

Стадия депротеинирования проводится с целью удаления из панциря белков и липидов. Это достигается путем обработки измельченного панциря слабым раствором гидроксида натрия.

В результате кислотно-щелочной обработки хитинсодержащего сырья выделяется хитин, который превращается в хитозан путем реакции деацетилирования. Реакция деацетилирования заключается в обработке хитина концентрированной горячей щелочью, в результате чего происходит отщепление ацетильной группы при атоме азота у 2-го углеродного атома элементарного звена хитина.

Процесс осуществляется на установке для получения хитозана, которая включает измельчитель 1, батарею из трех реакторов диффузоров 2, 3, 4, автоклав 5, сушильную установку 6 и регулирующие клапаны 7. Диффузоры 2-4 и автоклав 5 снабжены обогревающими рубашками и якорными мешалками, они имеют решетку для отделения сырья от маточного раствора, и откидное днище, через которое осуществляется выгрузка обработанного сырья. Батарея диффузоров 2-4 предназначена для проведения процессов деминерализации и депротеинирования, которые проходят непрерывно. За счет этого постоянно поддерживается высокая движущая сила процесса (разность концентраций). Скорость потока должна быть такой, чтобы поддерживалась определенная концентрация кислоты на выходе из каждого диффузора. Изменение концентрации кислоты на выходе из каждого диффузора оценивается рН-метрами. Процесс деминерализации проводят слабой соляной кислотой, которая непрерывно подается во 2-й диффузор с последующим перетоком в 3-й и в 4-й, из которого поступает на регенерацию. Процесс депротеинирования проводят по такой же схеме, только раствором гидроксида натрия.

Полученный хитин из трех диффузоров загружается в автоклав 5, в котором происходит деацетилирование под действием раствора гидроксида натрия, в атмосфере инертного газа азота, что обеспечивает получение хитозана с высокой степенью деацетилирования и молекулярной массой благодаря предотвращению термоокислительной деструкции цепи полимера. В автоклав также подается пероксид водорода для обесцвечивания получаемого хитозана. Полученный хитозан промывают водой до рН=6,5 и сушат при температуре 60-70°С в сушильной установке 6 [2].

Параметры стадии деацетилирования, а именно концентрация щелочи, температура и продолжительность, оказывают решающее влияние на свойства получаемого хитозана. Для оценки влияния этих параметров на молекулярную массу и степень деацетилирования был проведен полный факторный эксперимент [3]. Реакцию деацетилирования осуществляли при разной концентрации щелочи - Х1 и продолжительности - Х2 при температуре кипения смеси, после чего проводили измерения молекулярной массы хитозана - У1 (вискозиметрическим способом) и степени деацетилирования - У2 (путем

потенциометрического титрования):

Таблица 1

Полный факторный эксперимент

№ опыта Х1, % Х2, мин У1 У2, %

1 -1 -1 410 000 66,8

2 +1 -1 260 000 89,6

3 -1 +1 350 000 86,1

4 +1 +1 220 000 91,4

После оценки воспроизводимости опытов и статистической обработки полученных результатов были получены следующие уравнения регрессии:

У1 = 310 - 70Х1 - 25Х2 и У2 = 83,4 + 7,025 Х1 + 5,275 Х2 .

На основании полученных уравнений регрессии можно сделать вывод, что при увеличении концентрации щелочи и продолжительности процесса деацетилирования снижается молекулярная масса полимера, но повышается степень деацетилирования, причем концентрация щелочи более существенно влияет на эти изменения в сравнении с продолжительностью процесса.

Несомненный интерес представляет сравнительная характеристика свойств хитозана из панциря речного рака и крабового хитозана. Это позволяет оценить характер влияния вида сырья и условий его «обитания» на свойства хитозана. Кроме того, полученные результаты будут стимулировать оптимизацию процессов на пути от хитозана к готовой к употреблению продукции.

Объектами исследования служили следующие образцы: панцирь речного рака, хитин, хитозан, полученный по разработанной технологии (ХТЗ 1) и крабовый хитозан, получаемый на ЗАО «Биопрогресс» (ХТЗ 2). Для исследования поведения этих объектов в политермическом режиме использовали термогравиметрический метод (рис. 2).

Рис. 2. Поведение объектов исследования в политермическом режиме

Термоаналитическое исследование панциря раков показывает, что в интервале температур 80-180°С наблюдается потеря массы в 5-6%, определяемая по кривой ТГ. Убыли массы соответствует небольшой экзотермический эффект на кривой ДТА. Вероятно, этот процесс связан с удалением влаги из образца. Отсутствие горизонтальной площадки в указанном интервале температур указывает на то, что безводный образец нестабилен в политермическом режиме. Дальнейшее нагревание (выше 180°С) приводит к деструкции продукта и окислению выделяющихся органических продуктов разложения. Данным процессам соответствуют экзотермические эффекты с максимумами по кривой ДТА при 280 и 480°С. Процесс окисления органической составляющей панциря заканчивается к 600°. Убыль массы составляет около 25%. Выше этой температуры

происходит процесс разложения карбонатов кальция и магния. Общая убыль массы составляет 35%.

Процесс термического разложения хитина можно разделить на 4 ступени:

1. В интервале температур 80-150° с убылью массы в 5-6% и эндотермическим эффектом при 130°С.

2. В интервале температур 270-390°С наклонная площадка отвечает стабильному существованию безводного соединения.

3. В интервале температур 270-390°С степень наклона кривой ТГ к горизонтали говорит о значительной скорости данного процесса, который сопровождается экзотермическим эффектом при 360°С. В указанном интервале температур, очевидно, происходит разрыв связей и окисление продуктов термолиза.

4. Выше 400°С происходит изменение угла наклона кривой ТГ к горизонтали, что говорит об уменьшении скорости процесса. Данному процессу соответствует экзотермический эффект с максимумом при 520°С, который связан с окислением свободного углерода, который образуется при нагревании хитина. Общая убыль массы к 600°С составляет 47%. Выше этой температуры на термоаналитических кривых не отмечены никакие эффекты.

Термоаналитические кривые хитозанов аналогичны кривым хитина:

1. При 80-140°С - процесс дегидратации с убылью массы 5-6%. Этому процессу соответствует эндотермический эффект при 110°С.

2. Наклонная площадка безводного соединения 140-230°С. Эффектов нет.

3. В интервале температур 230-300°С экзотермический эффект с максимумом при 280°С. Очевидно, происходит разрыв связей и окисление продуктов разложения. Убыль массы составляет 12-13%.

4. В интервале 300-600°С происходит окисление углерода и твердых продуктов разложения. Экзотермический эффект при 560°С, которому соответствует убыль массы 45-46%.

Проведенные исследования термогравиметрическим методом свидетельствуют о термической неустойчивости объектов исследования. На термоаналитических кривых отсутствуют эффекты, соответствующие фазовым переходам материалов. Убыль массы всех образцов составляет не более 30-50%, что говорит о присутствии большого количества минеральных примесей.

Для изучения элементного состава минеральной части, содержащейся в полупродуктах и в конечном хитозане был применен метод атомного эмиссионного спектрального анализа (ЭСА). Для проведения ЭСА были взяты усредненные пробы от каждого из объектов. Пробы озолялись в печи при температуре 300°С в течение 4 часов. Озоленные пробы растирались до консистенции пудры в агатовой ступке, перемешивались с угольным порошком в соотношении 2:1 и помещались в углубления угольных электродов. От каждого из исследуемых объектов регистрировались параллельные спектры. Результаты расшифровки качественного и полуколичественного ЭСА приведены в табл. 2, где

«+» - элемент по данной линии обнаружен, линия нормального почернения;

«сл» - элемент присутствует в следовых количествах;

«-» - элемент по данной линии не обнаружен;

«осн» - элемент составляет основу минеральной части исследуемого объекта.

Количество знаков «+» соответствует относительному содержанию элементов.

Согласно исследованиям по сорбционным свойствам хитина и хитозана, описанным в [1], Ка, Са, М^, В, А1, Б1, Мп и Т сорбируются очень слабо либо вообще не сорбируются. Очевидно, эти элементы накапливались в панцире ракообразных в течение их жизнедеятельности за счет обмена веществ, осуществляемого белковыми тканями, связанных в комплексе с хитином. При этом Ка, Са, М§, В, А1, и Т очень прочно

связаны с хитином панциря, поскольку не удаляются полностью (в отличие от Мп) в ходе всего технологического процесса. Сорбционная активность хитина и хитозана по отношению к Си и Бе значительно выше, но присутствие этих элементов непостоянное -возможно, это обусловлено попаданием их в материалы на стадиях технологического процесса вместе с химическими реагентами.

Таблица 2

Относительное количественное содержание элементов в минеральной части объектов

Элементы Длина волны Объекты

панцирь хитин ХТЗ 1 ХТЗ 2

В 2496.8 + + + +

Б1 2516.1 + Сл Сл +

Р 2554.9 - - - -

Мп 2576.1 От+3 до+4 - - -

Ре 2598.4 От сл до + - Сл Сл

Мд 2802.7 Осн Осн Осн Осн

Мо 3170.0 - - - -

Си 3247.5 + - - -

Ад 3280.7 - - - -

Ыа 3302.4 +3 Сл Сл Сл

И 3349.0 +3 +3 От+3до+4 +3

А1 3082.8 Сл+ Сл+ Сл+ Сл+

гп 3345.0 - - - -

Са 3933.7 Осн Осн осн осн

Для изучения химического состава и строения изучаемых материалов применяли ИК-спектроскопию, которую осуществляли на Фурье-спектрометре 1п!та1ит БТ-801.

15 I ---------------------------------- |

2000 1900 1600 1400 1200 1000 800 600 400

волновое число.сы-1

Рис. 3. ИК-спектры исследуемых образцов

На ИК-спектрах всех образцов (рис. 3) присутствуют следующие характеристические полосы поглощения: 1635-1645 см-1 - деформационные колебания группы N-H; 1257-1261 см-1 - валентные колебания С-О; 1577-1580 см-1 - валентные колебания связи C-N; 1076-1090 см-1 - валентные колебания связи С-О-С; 880-890 см-1 -деформационные колебания С-Н Р-пиранозного цикла.

Кроме того, в интервале 4000-2000 см-1 наблюдались интенсивные полосы поглощения при 3430 см-1 - соответствующие валентным колебаниям ОН и полосы при 2923 и 2852 см-1, соответствующие валентным колебаниям группы -СН2.

При этом на ИК-спектрах панциря и хитина присутствуют полосы при 1740 см-1 отвечающие валентным колебаниям группы -С=О в О=С-С-, которые становятся менее интенсивными у образцов хитозана ХТЗ1 и ХТЗ2, видимо после процесса деацетилирования. Следует отметить наличие на всех образцах полосы слабой интенсивности при 1542-1545 см-1, соответствующей валентным колебаниям групп О-Н, связанных сильными водородными связями с атомами металлов. Последнее хорошо согласуется с результатами, полученными методом ЭСА.

Анализ ИК-спектров всех образцов показал наличие сложной морфологической и молекулярной структуры материалов. Относительно широкий разброс

характеристических полос по волновым числам может быть обусловлен структурной неоднородностью исследуемых материалов вследствие неполной деминерализации и депротеинирования для хитина и неполного деацетилирования для хитозана. В результате этого также имеет место химическая неоднородность получаемого хитозана. Эта неоднородность связана с полидисперсностью хитозана по молекулярной массе (220-410 тыс.), степени деацетилирования (66,8-91,4%), а также наличием ряда металлов в его структуре, как показывает ЭСА.

Таким образом, представленные результаты исследования по свойствам хитозана из речного рака и свойствам промышленного хитозана из панцирей крабов свидетельствуют об их близкой химической природе и молекулярной структуре. Это позволяет утверждать, что хитозан из панциря рака может быть использован в тех же областях применения (медицина, пищевая, косметическая промышленность и др.), что и хитозан из панциря краба.

ЛИТЕРАТУРА

1. Хитин и хитозан. Получение, свойства и применение / под ред. К.Г. Скрябина. М.: Наука, 2002. 365 с.

2. Заявка № 2005119540 РФ, МПК С 08 В 37/08 Способ получения хитозана / В.Ф. Абдуллин, С.Е. Артеменко, Г.П. Овчинникова, 2005.

3. Саутин С.Н. Планирование эксперимента в химии и химической технологии: монография / С.Н. Саутин. Л.: Химия, 1975. 48 с.

Абдуллин Валерий Филарисович -

аспирант кафедры «Химическая технология»

Энгельсского технологического института

Саратовского государственного технического университета

Артёменко Серафима Ефимовна -

доктор технических наук, профессор кафедры «Химическая технология»

Энгельсского технологического института

Саратовского государственного технического университета

Овчинникова Галина Петровна -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Химическая технология»

Энгельсского технологического института (филиала) Саратовского государственного технического университета