Изучение металлсвязывающей способности некрахмальных полисахаридов (на примере пектина, хитозана и альгината натрия). Изучение металлсвязывающей способности некрахмальных полисахаридов (на примере пектина, хитозана и альгината натрия) Выпускная квалификационная работа по специальности

• Название: Изучение металлсвязывающей способности некрахмальных полисахаридов (на примере пектина, хитозана и альгината натрия) Выпускная квалификационная работа по специальности
• Анкор: Изучение металлсвязывающей способности некрахмальных полисахаридов (на примере пектина, хитозана и альгината натрия
• Дата: 16.01.2020
• Размер: 451.9 Kb.
• Имя файла: VKR_Putkova_A_P_gr_4651.docx
• Тип: Документы; #104327
• страница: 2 из 9

1.2 Характеристика хитозана

1.2.1 Строение и основные свойства хитина и хитозана


Хитозан является дезацетилизированным производным хитина, в отличие от которого в живых организмах он практически не встречается, за исключением некоторых низших грибов, содержащих в клеточной стенке до 33 % хитозана от веса сухой биомассы. Хитин превращается в хитозан – поли-(1-4)-2-амино-2-дезокси-D-глюкан при высокой температуре в 45–50%-м растворе гидроксида натрия.

Следует отметить, что в чистом виде хитин и хитозан практически не встречаются, так как любые методы выделения хитина из природных объектов индуцируют его дезацетилирование, т. е. превращение его в хитозан, а степень дезацетилирования хитозана определяется условиями процесса его получения и обычно составляет 75–95 % [23].

Хитин – является линейным аминополисахарид, который состоит из N-ацетил-2-амино-2-дезокиси- D-гликопиранозных звеньев [15].

Хитин - второй после целлюлозы по распространенности природный биополимер, являющийся основным структурным компонентом клеточных стенок грибов и наружных покровов ракообразных и насекомых. У этих организмов хитин выполняет, в основном, защитную функцию, предохраняя внутренние органы и живой протопласт клеток от проникновения всякого рода токсинов, в том числе и тяжелых металлов [30].



Рис. 2- Структурная формула хитина [23]

Хитозан является -(1-4)-2-амино-2дезокси-D-гликополисахаридом, т.е. аминополисахаридом, который получается при удалении ацетильной группы из положения С₂ в хитине в результате обработки его в жестких условиях раствором щелочи. В результате такой обработки ацетильные группы хитина замещаются аминогруппами.

Молекулярная масса хитозана находится в пределах 3·10⁵-6·10⁵в зависимости от метода получения и источника сырья.

Хитозан образуется путем N-деацетилирования хитиновой молекулы. Доля деацетилированных единиц, определяемая как степень деацетилирования (DD), составляет обычно от 70 до 90 %. Эти параметры могут изменяться в зависимости от источника хитина и методов технологической обработки [15].



Рис. 3 - Структурная формула хитозана [23]

Структура хитина представляет собой кристаллическую решетку, в связи с чем степень растворимости и набухания хитина в различных средах довольно низки [23].

Хитин близок по своей химической структуре к целлюлозе, но он не так распространен в природе. Он не растворяется в разбавленных щелочах, кислотах, воде и спирте. Хитин растворяется только в концентрированных растворах серной, соляной и муравьиной кислот. Также его можно растворить при нагревании в некоторых солевых растворах, но он начинает заметно деполимеризоваться. В смеси диметилацетамида, N-метил-2-пирролидона и хлористого лития хитин растворяется без разрушения полимерной структуры [26].

Для получения однородного продукта (хитозана) очень важны степень измельчения хитина перед деацетилированием. Чем меньше частички хитина, тем легче деацетилирующему агенту проникнуть внутрь структуры и тем равномернее будет протекать процесс деацетилирования и сопровождающей его деструкции. Процесс деацетилирования протекает не в полной мере при использовании слишком крупных частиц хитина, так как поверхностные слои таких частиц деацетилированы в большей степени, чем внутренние. Если же хитин тонко измельчен, то все слои его частиц будут деацетилироваться в одинаковой степени и в результате получится более однородный продукт.

Исследования многих авторов позволяют сделать вывод, что как хитин, так и хитозан, подобно целлюлозе являются аморфно-кристаллическими полимерами [23].

Хитин как неразветвленный полисахарид с |3-(1-4)-гликозидными связями, образует фибриллярные структуры, для которых характерна линейная конформация молекул, закрепленная водородными связями.

Подобные молекулы, располагаясь приблизительно параллельными пучками, образуют структуры, регулярные в трех измерениях, что характерно для кристаллов. Так, посредством рентгеноструктурного анализа показано, что молекулярные звенья хитина имеют конформацию ⁴С [26].

С помощью рентгеновской спектроскопии было установлено, что хитин существует в трех кристаллических формах (α-, β- и γ-хитин), отличающихся пространственной ориентацией молекулярных цепей и количеством связанной воды. Так, в α-хитине цепи расположены в противоположных направлениях по отношению друг к другу, в β-хитине – параллельно друг другу и направлены в одну сторону, а в γ-хитине две параллельные цепи расположены в одну сторону относительно друг друга, а следующая цепь – в противоположном направлении.

α-хитин, присутствующий в панцире ракообразных и моллюсков, кутикуле насекомых, клеточной стенке грибов, характеризуется высокой химической стабильностью, так как в его структуре обнаружено максимально возможное число водородных связей. Эта форма хитина является наиболее распространенной.

В β-хитине кристаллы могут подвергаться обратимой внутрикристаллической гидратации (т. е. присоединение воды). Эта форма хитина встречается у каракатицы, в гладиусе кальмара. Она менее стабильна за счет меньшего числа водородных связей, и, соответственно, легче подвергается различным модификациям.

γ-хитин присутствует в коконах насекомых.

Все формы хитина стабильны в кипящем 5%-м рас-творе КОН или NaOH, но при обработке их концентрированной соляной кислотой при комнатной температуре происходит превращение β- и γ-форм в α-форму.

Таким образом, для хитина характерно множество внутри- и межмолекулярных водородных связей, что обуславливает его жесткую кристаллическую структуру, малую активную поверхность и, как следствие, низкую реакционную способность.

Рентгенографические исследования хитозана показывают, что он имеет ту же кристаллическую решетку, что и хитин, но меньшую упорядоченность макромолекул, т. е. дезацетилирование хитина приводит к уменьшению «жесткости» структуры (степень кристалличности снижается до 40–50 %).

Хитозан, в отличие от хитина, растворяется в разбавленных растворах органических (например, в уксусной) и минеральных кислот, буферных системах, поэтому легко может быть охарактеризован по величине вязкости и степени полидисперсности с помощью различных физико-химических методов.

Свободные аминогруппы хитозана активны и участвуют в образовании хелатных комплексов с ионами металлов. Взаимодействие хитозана со сложными органическими молекулами, такими как белки, липиды, красители обусловлено не только наличием высокого положительного заряда, но и, в большей степени, вторичной и третичной структурой полимера.

Химические свойства хитина определяются наличием двух гидроксальных групп в его элементарном звене. Многочисленные реакционноспособные аминогруппы хитозана дают возможность осуществлять большее количество, по сравнению с хитином, химических реакций [23].

Хитозан, как и хитин, является аморфно-кристаллическим полимером, характеризующимся полиморфизмом: при перехожее от хитина к хитозану, количество структурных модификаций увеличивается до 6.

Значительная гидролитическая устойчивость ацетамидных групп обусловлена транс-расположением в элементарном звене заместителей у С₂ и С₃ (гидроксильной и ацетамидной групп) макромолекулы хитина.

В процессе дезацетилирования хитина происходит уменьшение общей упорядоченности структуры, то есть снижение степени кристалличности. Снижение происходит до 40-50% и обуславливается оно и нарушением регулярности строения полимерной цепи (неполное отщепление N-ацетильных групп), и аморфизацией структуры из-за внутрикристаллитного набухания при дезацетилировании.

Для хитозана характерны следующие специфические взаимодействия:

1. Водородные взаимодействия.

С помощью Ван-дер-Вальсовских сил и водородных связей, хитозан может связываться с белками. Если хитозан в недостатке добавить в раствор коллагена, то будет наблюдаться образование полиэлектролитного комплекса из-за инкапсулирования в микрогели коллагена хитозана. Однако, если хитозан добавляется в большом избытке, то происходит образование комплекса за счет водородных связей.

2. Ионные взаимодействия.

Хитозан обладает свойствами полиэлектролита благодаря появлению в каждом звене макромолекулы свободой аминогруппы.

3. Комплексооброзование.

В твердой фазе в способности хитозана поглощать металл играют важную роль следующие параметры:

- Доступность поверхности сорбента ионам металла, которая определяется пористостью полимера и размерами частиц.

- Молекулярная подвижность полимерных цепей. Кристалличность и гидратация аморфных областей полимера ограничивают поглощение металла хитозаном.

- Роль химической модификации во взаимодействии с металлами. Модификация способствует снижению кристалличности и повышает кинетику и емкость сорбции [29].
1.2.2 Получение и применение хитозана


Сырьем для получения хитозана служит хитин, который в природе присутствует в виде комплексов с другими веществами, поэтому для его получения необходимо удаление сопутствующих веществ [23].

Хитин в комплексе с белками, минеральными веществами и меланинами образует внутренние опорные структуры и внешний скелет в клетках грибов, организмах ракообразных и насекомых, диатомовых водорослей. Общая репродукция хитина в мировом океане составляет примерно 2,3 млрд т в год, что может обеспечить мировое производство 150-200 тыс. т хитина в год.

Панцири промысловых ракообразных являются наиболее масштабными доступным источником для промышленного освоения и получения хитина. Значительную биомассу, которая содержит хитин, могут обеспечить одомашненные и поддающиеся разведению насекомые, так как они быстро воспроизводимы. Например, комнатные мухи, медоносные пчелы и шелкопряд. Массовым источником хитина в России являются углохвостая креветка в Баренцевом море и камчатский краб, годовой вылов которых на Дальнем Востоке достигает 80 тыс. т. [26].

В зависимости от вида исходного сырья, требуемого количества и качества хитина и хитозана разрабатываются последовательность этапов, а также технологические параметры процесса получения хитина и хитозана из панцирьсодержащего сырья (рисунок 4).



Рис 4 – Схема процесса получения хитина и хитозана

Для того, чтобы получить хитин и его модификации с воспроизводимыми характеристиками нужно провести основательное удаление минеральной и белковой составляющих панциря. Наиболее известными способами получения хитина из панцирьсодержащего сырья являются:

1) химическая обработка щелочами, кислотами, комплексонами и т.п..;

2) методы биотехнологии, применение протеолитических бактерий и ферментных препаратов.

Химическая обработка ПСС. Большая часть способов, относящихся к этой группе основаны на одно- или двухстадийной очистке хитина от минеральных соединений (деминерализация) и белка (депротеинирование). Помимо этого некоторые способы включают отделение пигментов и липидов.

Все способы получения хитина относятся к разновидностям традиционного кислотно-щелочного способа получения хитина и отличаются только последовательностью проведения стадий ДМ и ДП, а также режимами обработки.

Деминерализация - важная стадия при производстве хитина. Степень ДМ определяет вязкостные и другие физико-химические характеристики как хитина, так и получаемого из него хитозана. Удаление минеральных веществ (в основном карбоната и фосфата кальция) из панциря при производстве хитина обычно осуществляется соляной, муравьиной, азотной или сернистой кислотами. Однако обработка хитинсодержащего сырья кислотой может приводить к частичной деструкции и ДА хитина, снижать вязкость раствора хитозана.

Биотехнологические процесс получения хитина. Применение ферментов для ДГТ панциря позволяет создать более мягкие условия обработки ПСС, также совместить несколько операций, а значит и упростить процесс. При этом снижаются агрессивность реакционной среды, затраты на оборудование и увеличивается срок его службы.

К наиболее простым способам получения хитина из панцирьсодержащего сырья в этой группе относится способ применения активного ферментного комплекса самого сырья (автопротеолиз).

Биотехнологические способы получения хитина обладают одним общим недостатком, заключающимся в неполном удалении белка панциря (до 95%), что может отрицательно сказаться в дальнейшем как на качестве хитина, так и на характеристиках его модификаций. Кроме того, при выборе ферментного препарата для ДП ПСС необходим строгий контроль на содержание в нем хитиназ поскольку в процессе обработки ПСС слишком большая активность ферментов этой группы может привести к чрезмерной деструкции полученного хитина [26].

Получение хитозана происходит путем отцепления N-ацетил-D-глюкозамина ацетильной группировки от структурной единицы хитина, то есть реакция деацетилирования.

(1)

Кроме самой реакции деацетилирования в тоже же время происходит разрыв гликозидных связей полимера. Следовательно, хитозан является полидисперсным по молекулярной массе полимером D-глюкозамина, который содержит 1 % групп, соединенных с аминокислотами и пептидами и 5-15 % ацетамидных групп [26].

Процесс деацетилирования хитина проводят обычно с помощью концентрированных щелочей в условиях повышенной температуры. Наиболее распространен способ дезацетилирования растворами щелочей 30–50%-й концентрации при температуре 100–140 °С в течение от 0,5 до 10 ч. В этих условиях идет разрыв цепей хитина по гликозидным связям (деструкция) и одновременное деацетилирование. Это приводит к снижению вязкости хитозана и его молекулярной массы.

Хитин обладает высокой устойчивостью к деацелированию, которую можно объяснить водородными связями между амингруппами смежных полимерных цепей в структуре хитина и карбонильными группами.

В течение первого часа в растворе 50%-й щелочи при температуре 100 °С хитин деацетилируется примерно на 70 %. Далее скорость реакции значительно замедляется и через 5 ч степень деацетилирования достигает 80 %. Таким образом, длительная обработка хитина не приводит к резкому повышению степени деацетилирования, в то время как его деструкция происходит на всем протяжении процесса.

Для получения хитозана используется многостадийный процесс с более высокой степенью деацетилирования, например, близкой к 100 %. Он предусматривает промывку промежуточного продукта, а также повторяющиеся этапы растворения и переосаждения между деацетилирующими обработками. Причиной тому, что степень деацетилирования хитина не превышает 80–85 %, является его структура, которая делает оставшиеся N-ацетилированные группы недоступными для действия NaOH. Растворение и последующее переосаждение хитозана делает такие N-ацетилированные группы более доступными.

Температура реакции ускоряет деацетилирование хитина, но для сохранения макромолекулярной структуры полимера предпочтительнее снижать температуру обработки. При этом между температурой и скоростью реакции существует линейная зависимость. По мере снижения температуры молекулярный вес продукта возрастает, но при этом получение образца с заданной степенью дезацетилирования требует более длительного времени воздействия щелочи.

Хитозан в результате деацетилирования хитина приобретает дополнительную реакционно-способную функциональную группу – первичную аминогруппу у второго атома углерода. Поэтому кроме простых и сложных эфиров по гидроксильным группам у третьего и шестого атома углерода возможно получение N-производных хитозана.

Кроме того, возможно проведение реакции полимеризации как с получением гибридных сополимеров, так и разветвленных полисахаридов [23].
В настоящее время хитозан и его производные получили распространение во многих областях человеческой деятельности. Среди них можно выделить следующие:

1. Животноводство и ветеринария. Для профилактики и лечения различных желудочно-кишечных заболеваний молодняка сельскохозяйственных животных активно применяется хитозан.

Применяется как водорастворимая, так и кислоторастворимая форма хитозана. Более эффективным средством для поддержания жизнеспособности новорожденных животных является водорастворимая форма. При проведении исследования, в 100% случаев был достигнут профилактический и лечебный эффект от использования хитозана.

2. Растениеводство. Применение хитозана в области защиты растений очень обширно. Работы иностранных и отечественных исследователей продемонстрировали высокую эффективность использования хитозана на многих сельхоз. культурах. Более 30 % хитозана, производимого в мире, применяется для этих целей.

В сельском хозяйстве хитин и хитозан используют в качестве матриц для контроля над вредителями и для контролируемого введения агрохимикатов для доставки питательных веществ избирательным и непрерывным способом.

3. Пчеловодство. Препараты на основе хитозана обладают целым рядом свойств, позволяющих применять их в пчеловодстве: способность стабилизировать окислительно-восстановительные процессы в клетке; выраженные иммуномодулирующие свойства [22]; природное происхождение и нетоксичность; способность повышатьустойчивость к тяжелым металлам и токсинам; антимикробная [1] и антигрибная активность; активность в отношении увеличения продолжительности жизни и репродуктивной функции.

4. Пищевая промышленность. Благодаря своим функциональным свойствам, таким как: высокая антимикробная, сорбционная, антиокислительная, структурообразующая, способность; биологическая активность и нетоксичность, хитозан активно применяется в технологии приготовления пищи.

В настоящее время хитозан нашел широкое применение в пищевой промышленности в качестве загустителя и структурообразователя при производстве соусов, соков, желе, муссов, и других пищевых продуктов. Хитозан используется для осветления и снижения кислотности фруктовых соков. При добавлении хитозана в молочные продукты срок их сохранности повышается, предотвращается скисание. Использование хитозана в качестве стабилизаторов хлебопекарной промышленности приводит к увеличению объема и пористости буханки хлеба к улучшению качества мякиша. Благодаря своей пленкообразующей способности хитозан используется также для увеличения сроков хранения различных пищевых продуктов.

5. Медицина. Определяющим фактором для применения хитозана в медицине также как и в ветеринарии, является его биосовместимость, способность к биодеградации и низкая токсичность. Кроме того, хитозан не оказывает пирогенного и аллергизирующего действия.

Высокомолекулярный хитозан, как правило, находит применение в качестве наружных лекарственных средств (ранозаживляющие, косметические препараты), в виде различных фармацевтических форм порошков, пленок, гелей, растворов.

Составы на основе низкомолекулярного хитозана рекомендованы для лечения гастритов и язвенной болезни желудка. Хитозан способствует заживлению язв, которое происходит благодаря способности полисахарида связывать свободную кислоту в желудке, образовывать защитный слой на его стенках и подавлять активность пепсина в желудочном соке.

В настоящее время используют хитозан и его производные в повязках для ран, в составе антихолестерольных диетических продуктов питания, в качестве транспорта для контролируемого введения лекарственных препаратов и др. Раствор хитозана также используют в пластической хирургии.

6. Парфюмерно-косметическая промышленность. Хитозан является одним из немногих катионных гидроколлоидов, что придает ему уникальные свойства и большое преимущество при использовании в средствах по уходу за кожей и волосами. Будучи положительно заряженным, хитозан способен взаимодействовать с отрицательно заряженными биологическими тканями – волосами и кожей.