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
 Скачать 451.9 Kb.
|
1.3 Характеристика альгинатов 1.3.1 Химическая структура и основные свойства альгинатов Впервые альгинат натрия был выделен из морских водорослей шотландским химиком Е.С. Стенфордом в 1883 г. Он указал на два вида альгината – нерастворимый (альгиновая кислота), получающийся при окислении раствора, содержащего водоросли, и растворимый (натриевая соль), получаемый путем экстракции [21]. Альгиновая кислота состоит из остатков α-L-гулуроновой кислот и β-D-маннуроновой, которые соединены (1→4)-связями. Полигулуроновые, гомополимерные и полиманнуроновые области (блоки) составляют полимерную нить альгинатов. Между ними могут находиться остатки обеих кислот в чередующемся порядке. Альгиновая кислота обладает способностью образовывать несколько типов альгинатов с полилентными металлами. Полные альгинаты нерастворимы в воде и характеризуются связыванием всех карбоксильных групп с катионами. В свою очередь неполные альгинаты могут быть как растворимыми, так и нерастворимыми в воде. Альгинаты калия, магния, натрия и аммония растворимы в воде и образуют вязкие растворы. По количеству катионов, участвующих в образовании альгината, они делятся на два вида: поликатионные альгинаты, которые содержат в себе катионы нескольких металлов и монокатионные, содержащие катион только одного металла [34]. Альгиновые кислоты (от лат. «аlga» – водоросль) – полисахариды, в состав которых входят остатки и α-L-гулуроновой и β-D-маннуроновой кислот, которые находятся в пиранозной форме и связаны в линейные цепи с помощью 1→4-гликозидных связей. Для маннуроновой кислоты предпочтительна конформация цикла 4С1; при этом карбоксильная группа занимает экваториальное положение, а одна из гидроксильных групп кольца – аксиальное. В случае остатков гулуроновой кислоты, в соответствии с данными дифракции рентгеновских лучей [33], наблюдается конформация цикла 1С4 . Соотношение между мономерами М/G (М – полиманнуроновая кислота, G – полигулуроновая кислота) меняется в широких пределах (от 0,4 до 20), что определяется не столько таксономическим положением водоросли, сколько условиями обитания, возрастом растения, локализацией полимера в различных частях растения, выполняющего разные функции. Распределение мономеров вдоль цепи носит характер блоков, причем имеются блоки трех типов: монотонные последовательности остатков β-D-маннуроновой (ММ) или α-L-гулуроновой кислоты (GG) и участки с более или менее регулярным чередованием остатков обеих кислот (МG). Маннуроновая и гулуроновая кислоты отличаются друг от друга только конфигурацией асимметрического центра С5 и могут превращаться друг в друга путем эпимеризации у этого центра [36]. Альгиновые кислоты имеют молекулярную массу 35000 – 1500000, мало растворимы в холодной воде (при набухании могут поглощать 200 – 300-кратное количество воды), растворимы в горячей воде и растворах щелочей; при подкислении растворы образуют студни. Соли альгиновой кислоты с ионами аммония или одновалентных металлов растворяются в воде с образованием высоковязких растворов. С катионами двухвалентных металлов альгиновые кислоты образуют студни или нерастворимые соединения. В студнях альгинатов узлы образованы кристаллитами. Регулярные участки, подобно целлюлозе, имеют стержнеобразную конформацию и потому способны ассоциироваться в кристаллиты; для нерегулярных участков правильная упаковка невозможна, они образуют в сетке промежутки между узлами [11]. Студнеобразование объясняется ассоциацией блоков, построенных из гулуроновой кислоты, с участием катиона; для альгината кальция установлено, что зоны ассоциации имеют надмолекулярную структуру типа «яичной коробки», где каждый катион координируется с десятью кислородными атомами четырех остатков α-L-гулуроната (по два из каждой молекулы полимера). Поэтому свойства гелей в первую очередь определяются числом и протяженностью блоков полигулуроновой кислоты . Именно способностью образовывать структуры типа «яичной коробки» объясняется бóльшая комплексообразующая способность поли-L-гулуронатных блоков в сравнении с поли-D-маннуронатными блоками. Альгиновые кислоты с трудом гидролизуются минеральными кислотами до мономеров. Выделение альгиновых кислот основано на их различной растворимости. Ферменты бактериального происхождения (альгинат-лиазы) расщепляют молекулы альгиновых кислот до олигосахаридов с остатком ∆4,5-уроновой кислоты на невосстанавливающем конце. Соотношение остатков двух уроновых кислот в альгинатах и их блок-структура влияют на свойства альгинатов и на реологические свойства образуемых студней. Получаемая информация позволяет определить возможность деструкции альгинатов при хранении [12]. При температуре 20 °С альгинат натрия относится к медленно растворимым, а альгиновая кислота к малорастворимым веществам. Альгинат натрия при контакте с водой вначале набухает и полярные группы его молекул гидратируются. При растворении полиуронидов в воде кислотные и солевые группы частично подвергаются электролитической диссоциации (ионизация протекает не в полной степени вследствие равновесия Доннана) и сообщают макромолекулам отрицательный заряд. Поэтому наличие в полимерной цепи карбоксильных и солевых функциональных групп придает полиуронидам характер анионных полиэлектролитов. Одной из причин нерастворимости полиуроновых кислот, возможно, является наличие в них небольшого количества ионов поливалентных металлов. Альгинаты также растворяются в 84% растворе фосфорной кислоты, гидрате аммиака; в глицерине и формамиде набухают. В остальных органических и неорганических растворителях они являются практически нерастворимыми. Вязкость является одной из самых характерных особенностей растворов кислых полисахаридов; она объясняется явлением сольватации. Молекулы альгината легко ассоциируются друг с другом и с крупными молекулами сопутствующих веществ [12]. Таблица 2 – Физико – химические характеристики альгиновой кислоты
1.3.2 Получение и применение альгинатов Альгиновая кислота и её соли содержатся в красных водорослях семейства Corallinaceae и в морских бурых водорослях Phaeophyta. Альгинаты являются первичными компонентами внеклеточного матрикса и клеточных стенок; они образуют гибкий и прочный каркас для ткани. На содержание альгиновой кислоты в водорослях влияют место и глубина их произрастания, время года, стадия развития. Обычно она составляет 11 – 45% от сухой массы растения [21]. Ламинария сахаристая и ламинария японская, содержащие до 30–40% альгинатов от сухой биомассы, и образующие обширные заросли в Белом, Баренцевом, Японском и других морях [24], чаще всего используются для промышленного получения альгиновых кислот или их солей. Расширение производства альгиновой кислоты сдерживается, главным образом, из-за ручного сбора ламинариевых водорослей и отсутствием технологии комплексного использования сырья. Множество существующих способов выделения альгинатов [3], в основном, можно разделить на две группы. Первая группа заключается в экстракции альгината натрия раствором карбоната натрия с последующим осаждением альгиновой кислоты из фильтрата кислотой хлористоводородной. Вторая – основана на извлечении альгинатов кипящей водой с последующим осаждением альгиновой кислоты минеральными и органическими кислотами, солями металлов. Для получения солей альгиновую кислоту обрабатывают щелочами, растворимыми солями кальция, алюминия, магния. Альгинаты с высоким содержанием полигулуроновых фрагментов, наиболее эффективно ингибируют всасывание катионов металлов. Из различных способов обогащения альгинатов остатками полигулуроновой кислоты наиболее перспективны следующие: – частичный кислотный гидролиз альгинатов, основанный на меньшей растворимости полигулуронидов в кислотах; – фракционирование, основанное на различном сродстве компонентов альгинатов к ионам металлов: полигулурониды обладают наибольшим сродством к ионам калия, а полиманнурониды – к ионам марганца (II); – использование частичного гидролиза и фракционирования; – образование эпимеров остатков полиманнуроновой кислоты по С5. Из перечисленных способов наиболее эффективным является способ эпимеризации, при котором можно получить около 80% полигулуроновой кислоты от исходной полиманнуроновой кислоты. По-видимому, сочетание перечисленных способов обогащения альгинатов полигулуронидами позволит получить препарат выраженного детоксического действия, предназначенный для применения в медицине [12]. Ежегодно в мире используется около 20 тыс. тонн альгинатов, из них только 5% – в фармации. Как и в случаях других фикоколлоидов, одним из основных потребителей альгинатов является пищевая промышленность (30%), но еще в больших количествах (50%) альгиновая кислота применяется при отделке и крашении хлопчатобумажных тканей; ее используют и в производстве бумаги (6%) [12]. Альгинат натрия и его растворы используются в производстве различных лекарственных форм – таблеток, суспензий, эмульсий (как загуститель), как склеивающее средство. Клеящие свойства альгината натрия более чем в 10 раз превосходят клеящие свойства крахмального клейстера и в 10 раз свойства гуммиарабика [2]. Альгинат натрия широко применяется в производстве зубных паст в качестве гидроколлоида благодаря своим гелеобразущим свойствам. Введение альгината в состав зубных паст позволяет улучшить их структуру и консистенцию. Кроме того повышается очищающее действие паст благодаря образованию мелкодисперсной устойчивой пены. Он также применяется в качестве стабилизатора в шампунях, эмульсионных и защитных кремах [13]. В медицине альгинат применяется для лечения и профилактики сердечно-сосудистых заболеваний. Проводимые в разных странах эпидемиологические исследования показали наличие обратной связи между риском сердечно-сосудистых заболеваний (и инфаркта миокарда) и потреблением пищевых волокон (альгината). Развитию ожирения может способствовать отсутствие волокон в рационе питания, именно поэтому людям, больным ожирением, стали рекомендовать диету, богатую волокнами. Пищевые волокна, как альгинаты, могут уменьшить абсорбцию экзогенной глюкозы за счет замедленной диффузии углеводов через гелевый слой полисахарида, и могут обеспечить, за счет растяжения стенок желудка, появление чувства раннего насыщения. Проводимые клинические наблюдения на людях доказывают, что благодаря употреблению некрахмальных полисахаридов снижается уровень холестерина в сыворотке крови. Альгинаты применятся для лечения и профилактики заболеваний желудочно-кишечного тракта. Некрахмальные полисахариды, такие как альгинат, рассматриваются как пребиотики, т.е. пищевые ингредиенты, благодаря которым ограничивается размножение патогенных бактерий и стимулируется рост полезной микрофлоры кишечника. При проведении исследования выяснилось, что прием 10 г альгината натрия в сутки в течение 2 недель уменьшает уровень клостридий и патогенных энтеробактерий и повышает уровень бифидобактерий. Еще одна область применения альгината натрия – в качестве добавок для связывания тяжелых металлов и радионуклидов. Согласно различным исследованиям, альгинаты кальция и натрия намного эффективнее ингибируют всасывание радиоактивного стронция в желудочно-кишечном тракте по сравнению с хелатообразователями и ионообменными смолами. Уменьшить задержку стронция в организме в 4 раза можно даже разовым назначением альгината натрия, обогащенного гулуроной кислотой. Следующий эффект альгината объясняется связыванием радионуклида в кишечнике при его выделении из крови. Помимо этого, альгинат натрия эффективно ускоряет элиминацию радиоактивного изотопа радия. |