Федеральное агентство по образованию
Технологический институт
Государственного технического университета
Кафедра химической технологии
Научно-практическая работа
Технология получения высокоочищенного хитозана
из панцирей ракообразных
Выполнил:
Проверил:
2008 г.
Содержание
Введение
1. Информационный анализ
1.1 Хитин и хитозан. Строение и свойства
1.2 Способы получения хитозана
2. Экспериментальная часть
2.1. Объекты исследования
2.2. Методы исследования
2.3. Выводы
Список используемой литературы
Введение
В настоящее время природный полисахарид хитозан благодаря широкому спектру своих полезных свойств находит всё более широкое применение в самых различных областях, таких как: текстильная промышленность – при шлихтовке и противоусадочной или водоотталкивающей обработке тканей; бумажная и фотографическая промышленность – для производства высококачественных и специальных сортов бумаги, а также для улучшения свойств фотоматериалов; атомная промышленность – для локализации радиоактивности и концентрации радиоактивных отходов; медицина – в качестве шовных материалов, рано- и ожогозаживляющих повязок, в составе мазей и различных лечебных препаратов, как энтеросорбент; сельское хозяйство – для производства удобрений, защиты семенного материала и сельскохозяйственных культур; в пищевой промышленности выполняет роль консерванта, осветлителя соков и вин, диетического волокна, эмульгатора; в качестве пищевой добавки показывает уникальные результаты как энтеросорбент; в парфюмерии и косметике входит в состав увлажняющих кремов, лосьонов, гелей, лаков для волос, шампуней; при очистке воды служит как сорбент и флокулянт.
К неоспоримым достоинствам хитозана относится его совершенная безопасность для человека и окружающей среды: экологически чист и полностью распадается в природных условиях.
Однако получаемый общими методами полисахарид хитозан характеризуется структурной и химической неоднородностью, поскольку даже после обработки в жестких химических условиях содержит небольшое количество минеральных и белковых примесей, а также характеризуется широким молекулярно-массовым распределением. Последнее обуславливает образование нерастворимых гель-частиц при растворении хитозана. Перечисленные факторы существенно ограничивают его область применения. [1]
Поэтому решение проблемы создания эффективной технологии получения высокоочищенного хитозана является актуальной задачей.
1. Информационный анализ
Хитин и хитозан. Строение и свойства
Биополимеры хитин и хитозан обратили на себя внимание учёных почти 200 лет назад. Хитин был открыт в 1811 г. (H. Braconnot, A.Odier), а хитозан в 1859 году (C.Rouget), хотя своё нынешнее название получил в 1894 г. (F.Hoppe-Seyler). В первой половине ХХ века к хитину и его производным был проявлен заслуженный интерес, в частности, к нему имели непосредственное отношение три Нобелевских лауреата: F. Fischer (1903) синтезировал глюкозамин, P. Karrer (1929) провёл деградацию хитина с помощью хитиназ, а W.H. Haworth (1939) установил абсолютную конфигурацию глюкозамина.
Хитин – линейный аминополисахарид, состоящий из N-ацетил-2-амино-2-дезокиси-D-гликопиранозных звеньев.
Хитин
Панцирь ракообразных построен из трёх основных элементов – хитина, играющего роль каркаса, минеральной части, придающей панцирю необходимую прочность и белков, делающих его живой тканью. В состав панциря входят также липиды, меланины и другие пигменты. Пигменты панциря ракообразных представлены, в частности, каротиноидами типа астаксантина, астацина и криптоксантина. В кутикуле взрослых насекомых хитин также ковалентно связан с белками типа артраподина и склеротина, а также большим количеством меланиновых соединений, которые могут составлять до 40% массы кутикулы. Кутикула насекомых отличается большой прочностью и в то же время гибкостью благодаря хитину, содержание которого от 30% до 50%. В клеточной стенке некоторых фикомицетов, например в итридиевых, хитин обнаруживается вместе с целлюлозой. Хитин у грибов, как правило, ассоциируется с другими полисахаридами, например b-1-3-глюканом, у членистоногих он связан с белками типа склеротина и меланинами.
Структурный компонент хитина N-ацетил-D-глюкозамин у бактерий, наряду с N-ацетилмурамовой кислотой, является компонентом клеточной стенки. В животном мире N-ацетилглюкозамин входит в состав мукополисахаридов (гликозаминогликаны) соединительной ткани (гиалуроновой кислоты, хондроитинсульфатов, гепарина), групповых веществ крови и других гликопротеинов. Остаток N-ацетил-D-глюкозамина обычно находится на восстановленном конце углеводных цепей животных гликопротеинов, образуя связь углевод – белок. Этим объясняется совместимость хитина и хитозана с живыми тканями. Наиболее распространённым типом связи в животных гликопротеинах является N-гликозидная связь, образуемая остатком N-ацетилглюкозамина и b-амидной группой аспаргина.[1,2]
Хитозан является b-(1-4)-2-амино-2дезокси-D-гликополисахаридом, т.е. аминополисахаридом, полученным при удалении ацетильной группы из положения С2 в хитине в результате обработки его в жестких условиях раствором щелочи, что позволяет заместить ацетильные группы хитина аминогруппами:
В зависимости от источника сырья и метода получения молекулярная масса хитозана колеблется в пределах 3·105
-6·105
.
Как и хитин, хитозан представляет собой аморфно-кристаллический полимер, для которого также характерно явление полиморфизма, причем количество структурных модификаций при переходе от хитина к хитозану увеличивается до 6. Сохранение при этом размеров элементарной ячейки кристаллита вдоль оси макромолекулы на уровне соответствующей характеристики для хитина (103 нм) свидетельствует о том, что конформация макромолекул при переходе от хитина к хитозану существенно не изменяется. В то же время в процессе деацетилирования хитина заметно уменьшается общая упорядоченность структуры (степень кристалличности снижается до 40-50%). Снижение степени кристалличности может быть обусловлено как аморфизацией структуры вследствие внутрикристаллитного набухания при деацетилировании, так и нарушением регулярности строения полимерной цепи в случае неполного отщепления N-ацетильных групп.
В отличие от хитина, получаемый при его деацетилировании хитозан растворяется даже в разбавленных органических кислотах, например в водном растворе уксусной кислоты. При этом для растворов хитозана, как и других полимеров, характерна существенная зависимость вязкости от концентрации (при увеличении концентрации раствора хитозана в 1-2%-ном растворе уксусной кислоты с 2 до 4 % вязкость раствора увеличивается примерно в 30 раз). Появление в каждом элементарном звене макромолекулы свободной аминогруппы придает хитозану свойства полиэлектролита, одним из которых является характерный для растворов полиэлектролитов эффект полиэлектролитного набухания - аномального повышения вязкости разбавленных растворов (с концентрацией ниже 1 г/л) при уменьшении концентрации полимера. Этот эффект является следствием увеличения эффективного объема и асимметрии макромолекул в растворе в результате отталкивания одноименных зарядов, возникающих при протонировании аминогрупп [2,3].
Хитозан является биополимером относительно слабой основности (рКа~ 6,5). Он не растворяется в щелочных средах, однако его катионная полиэлектролитная природа в кислой среде обеспечивает взаимодействие с отрицательно заряженными синтетическими или природными полимерами. Этот катионный полиамин имеет высокий молекулярный вес линейного полиэлектролита, а также обладает вязкостью от высокой до низкой. Проявляет 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 организма, биодеградирует до обычных компонентов организма (глюкозамин, N-ацетилглюкозамин), нетоксичен, в медицине проявляет себя как гемостатик, бактериостатик, фунгистатик, иммуномодулятор, оказывает антиопухолевый эффект и снижает уровень холестерина [4].
Способы получения хитозана
Хитозан является аминополисахаридом, полученным при удалении ацетильной группы в хитине в результате обработки его в жестких условиях раствором щелочи, что позволяет заместить ацетильные группы хитина аминогруппами. Таким образом, стадии деацетилирования хитина всегда предшествует процесс его выделения из хитинсодержащего сырья. Хитин как нерастворимый полимер не поддается выделению из панциря напрямую. Для его получения необходимо последовательно отделить белковую и минеральную составляющие панциря, т.е. перевести их в растворимое состояние и удалить. Для получения хитина и его модификаций с воспроизводимыми характеристиками необходимо исчерпывающее удаление белковой и минеральной составляющих панциря. [4,5]
Деацетилирование хитина. Получение хитозана
В основе получения хитозана лежит реакция отщепления от структурной единицы хитина-N-ацетил-D-глюкозамина ацетильной группировки или реакция деацетилирования.
Транс-расположение в элементарном звене макромолекулы хитина заместителей (ацетамидной и гидроксильной групп) у С2
и С3
обусловливает значительную гидролитическую устойчивость ацетамидных групп, в том числе и в условиях щелочного гидролиза. Поэтому отщепление ацетамидных групп удается осуществить лишь в сравнительно жестких условиях - при обработке 40-49%-ным водным раствором NaOH при температуре 110-1400
С в течение 4-6 часов. Однако и в этих условиях степень деацетилирования (доля отщепившихся ацетамидных групп в расчете на одно элементарное звено) не достигает единицы, то есть не обеспечивается количественное удаление этих групп, составляя обычно 0,8-0,9 [3,4,6].
Реакция ДА сопровождается одновременным разрывом гликозидных связей полимера, т.е. уменьшением молекулярной массы, изменением надмолекулярной структуры, степени кристалличности и т.д. Таким образом, хитозан представляет собой полидисперсный по молекулярной массе полимер D-глюкозамина, содержащий 5-15% ацетамидных групп, а также до 1% групп, соединенных с аминокислотами и пептидами.
Процесс ДА проводят обычно с помощью концентрированных щелочей при повышенных температурах. Первым опытом получения хитозана, было сплавление хитина с твердой щелочью при 1800
С. Этим способом получали продукт со степенью деацетилирования (СД) 95%, но значительно деструктированный (до 20 единиц).
Наиболее распространено ДА растворами щелочей 30-50%-ной концентраций, поскольку оно является более мягким. ДА в водных растворах щелочей может обеспечить 100%-ную степень деацетилирования при использовании ступенчатого процесса и значительно менее деструктурирует хитозан. При получении хитозана в указанных условиях одновременно с реакцией ДА идет деструкция хитина, т.е. разрыв его цепей по гликозидным связям, что приводит к уменьшению молекулярной массы хитозана и снижению его вязкости [1,3,7]. Высокая устойчивость хитина к ДА объясняется наличием водородной связи между карбонильной группой и азотом амидной группы смежных цепочек хитина в мицелярной структуре. Для разрушения этой, весьма прочной связи, процесс ведут при высокой температуре (100-1600
С). С увеличением температуры даже при невысокой концентрации щелочи (30%) степень ДА достигает почти предельного значения (98%), однако при этом снижается молекулярная масса, а, следовательно, и вязкость растворов полученного хитозана. Для сохранения молекулярной массы полимера предпочтительно снижать температуру обработки хитина [6].
Как уже отмечалось, структура хитина представляет собой кристаллическую решетку, в связи, с чем степени растворимости и набухания хитина в различных средах довольно низки. Степень измельчения хитина перед ДА важна для получения однородного продукта. Измельчение хитина облегчает доступ деацетилирующего агента внутрь структуры, благодаря чему достигается равномерное протекание процесса ДА и сопровождающей его деструкции. При использовании слишком крупных частиц хитина процесс ДА проходит не в полной мере, поверхностные слои таких частиц деацетилированы в большей степени, чем внутренние. При растворении в уксусной кислоте эти поверхностные слои образуют раствор, а внутренние слои частиц не полностью деацетилированные, только набухают. Такой неоднородный по СД хитозан может иметь ограниченное применение. В случае достаточно тонкого измельчения хитина все слои частиц деацетилируются в одинаковой степени, что приводит к получению более однородного продукта.
Важную роль в снижении степени деструкции хитина играет среда, в которой проводят реакцию ДА, т.е. присутствие в ней кислорода. Разработан ряд способов удаления кислорода из сферы реакции. Самый простой из них - плотная укладка и подпрессовка смоченного щелочью хитина с последующим вытеснением из тары остатков воздуха азотом и ее герметизацией. Применяется также барботирование реакционной смеси азотом, пропускание азота над поверхностью суспензии и др. Во всех случаях при ДА хитина в инертной среде отмечается повышение молекулярной массы и вязкости хитозана без снижения СД в противовес данным, полученным при деацетилировании хитина на воздухе.
Сушка хитозана. Измельчение и хранение
После ДА и отмывки до нейтрального значения рН хитозан представляет собой сильно гидратированный, набухший продукт с содержанием воды более 70%. Для предотвращения ороговения хитозан сушат при 50-550
С. При сушке в условиях более высоких температур хитозан уплотняется, темнеет и теряет растворимость, что снижает возможность его использования. Наилучшим образом показывает себя сушка хитозана в псевдокипящем слое при 500
С. Низкомолекулярный водорастворимый хитозан и олигосахариды сушат на распылительных и лиофильных сушилках. Воздушно-сухой хитозан содержит 8-10% воды.
Для использования хитозана, например, в фармации и парафармации в качестве субстрата для таблетирования и капсулирования необходимо измельчить его до размера частиц 100 - 200 мкм. Хитозан, сохраняя кристаллическую структуру хитина, плохо поддается измельчению, и поэтому для получения порошкообразного продукта его измельчают последовательно резанием, истиранием и ударно-сдвиговой деформацией, применяя для этого соответственно дезинтеграторы, мельницы и шаровые мельницы. Наибольшую трудность при измельчении представляет плохо высушенный или ороговевший хитозан, так как в этом случае он обладает пластичностью и плохо поддается измельчению [5].
В ряде случаев преимущества перед порошкообразной формой имеет гранулированная форма полимера. Переработка хитозана в гранулы может быть осуществлена различным способами: распылительным высушиванием низковязких растворов полимера; гранулированием под давлением порошкообразного полимера, содержащего пластификатор; осаждением полимера в виде капель из высоковязкого раствора; формированием сферических микрокапель из раствора полимера путем его эмульгирования в подходящей дисперсионной среде [30]. Два последних способа наиболее актуальны, поскольку они обеспечивают наибольшую аморфизацию полимера и получение композитных гранул при условии введения в формовочный раствор модифицирующих добавок.
В процессе хранения хитозана на свету наблюдается его потемнение до коричневого цвета, снижение растворимости. Особенно это относится к тонко измельченному, а также распылительно высушенному хитозану. Хитозан представляет собой гигроскопичный материал, порошковый хитозан может слеживаться при хранении в помещениях с повышенной влажностью или при перепадах температур. Поэтому хитозан хранят герметично укупоренным в светонепроницаемой упаковке (банки, пакеты, мешки) в сухих закрытых помещениях при комнатной температуре [5,6].
Применение хитина и хитозана
Как уже указывалось, хитин и хитозан по своему строению близки к целлюлозе - одному из основных волокнообразующих природных полимеров. Естественно поэтому, что, как и целлюлоза, эти полимеры и их производные обладают волокно- и пленкообразующими свойствами. [6] Благодаря биосовместимости с тканями человека, низкой токсичности, способности усиливать регенеративные процессы при заживлении ран, биодеградируемости такие материалы представляют особый интерес для медицины.
При лечении гнойных и ожоговых ран широкое применение приобрели ферменты, эффективность использования которых может быть повышена за счет их включения в структуру волокон и губок. Такие полимеры, как хитин, хитозан, карбоксиметилхитин, благодаря широкому набору функциональных групп обеспечивают возможность образования между полимером-носителем и ферментом связей различной прочности, что создает предпосылки для регулирования активности и стабильности фермента, скорости его диффузии в рану [7,8].
В медицине для лечения и профилактики тромбозов используется природный антикоагулянт крови - гепарин, по химическому строению являющийся смешанным полисахаридом. Наиболее близкий его структурный аналог - сульфат хитозана также обладает антикоагулянтной активностью, возрастающей при увеличении степени сульфатирования . Возможность реализации синергического эффекта (усиления активности гепарина при введении добавок сульфата хитозана) делает это соединение перспективным для создания лекарственных препаратов антикоагулянтного и антисклеротического действия.
N- и О-сульфатированные производные частично деацетилированного карбоксиметилхитина не только препятствуют свертыванию крови благодаря селективной адсорбции антитромбина, но и резко уменьшают интенсивность деления раковых клеток.
Еще одна возможность использования хитина, хитозана и их производных (карбоксиметилхитина, карбоксиметилхитозана, сукцинилхитозана) - создание биодеградируемых носителей фармацевтических препаратов (антибиотиков, антивирусных, противоопухолевых и антиаллергенных препаратов) в виде пленок (мембран). Применение таких пленок создает условия для выделения лекарственных средств, обеспечивая эффект пролонгирования их действия.
Одной из уникальных биологических активностей хитозана является его способность индуцировать устойчивость к вирусным заболеваниям у растений, ингибировать вирусные инфекции у животных и предотвращать развитие фаговых инфекций в зараженной культуре микроорганизмов [8,9].
Образование комплексов полимерными лигандами с различными металлами находит все более широкое применение в аналитической химии, хроматографии, биотехнологических процессах. Полимерные комплексообразователи, в том числе хитин, хитозан и их производные, например карбоксиметиловые эфиры, могут рассматриваться как реальная альтернатива традиционным методам очистки сточных вод промышленных предприятий от соединений металлов, используемых для нанесения защитных покрытий (никель, хром, цинк), а также от таких металлов, как ртуть и кадмий, способных аккумулироваться живыми организмами. Наличие электронодонорных амино- и гидроксильных групп, широкие возможности введения различных ионогенных групп кислотного и основного характера делают производные хитина и хитозана весьма перспективными для использования в хроматографии при разделении и очистке биологически активных соединений (нуклеиновых кислот и продуктов их гидролиза, стероидов, аминокислот).
В фотографических процессах, связанных с быстрым проявлением изображения, используют такие важные характеристики хитозана, как его пленкообразующие свойства, поведение в системах, содержащих желатин и комплексы серебра, обеспечивающее отсутствие поперечной (в слоях пленки) диффузии красителя, оптические характеристики полимера.
Весьма перспективно использование хитозана в бумажной промышленности: благодаря большей прочности при водных обработках ионных связей, образующихся при нанесении хитозана на целлюлозное волокно при формировании бумаги, по сравнению с существующими в обычной бу
Благодаря своим уникальным свойствам хитозан нашел применение в пищевой промышленности. Способность хитозана осветлять технологические жидкости используется в производстве соков, пива, вин, молочной сыворотке, промывных вод фаршевого производства, подпрессовых бульонов и других низкоконцентрированных жидкостей, содержащих мелкодисперсные частицы органических соединений различной природы. Проявление свойств сорбента и частично эмульгатора обусловливает липофильный эффект хитозана.
В технологии формованных изделий хитозан используется как структурообразующий агент, повышающий значения реологических характеристик пищевых масс. Хитозан обладает редким свойством соединять в упорядоченную структуру фрагменты материалов различного влагосодержания: сухих, с промежуточной влажностью и высоковлажных.
Бактерицидное действие хитозана позволяет использовать его при хранении различных видов пищевой продукции. Наиболее широко показано защитное действие пленок из хитозана, нанесенных на поверхность плодов и овощей - яблок, апельсинов, земляники, томатов, перца. Поскольку плоды и овощи остаются живым организмом, будучи отделенными от материнского растения, они обладают определенным иммунитетом и в них проходят обменные процессы.
Применение хитозана в средствах для волос основано на их способности образовывать пленки при взаимодействии с кератинами волос. Пленки хитозана более стабильны при повышенной влажности, чем пленки, образованные синтетическими полимерами, поэтому в составе средств для укладки волос имеют значительные преимущества перед традиционными фиксаторами. Хитозан улучшает и другие потребительские качества средств для ухода за волосами, улучшает расчесываемость, уменьшают статический заряд, увеличивают блеск волос. Они уже давно используются в качестве кондиционирующих добавок в шампунях и кондиционерах.
При разработке средств ухода за кожей используются такие свойства хитозана, как способность образовывать прозрачную защитную пленку, предохраняющую кожу от потери влаги.
Потенциал использования хитозана в средствах ухода за кожей определяется его уникальной химической структурой, сходной с целлюлозой.
Фракция молекул, содержащих оставшиеся N-ацетил группы (5-24%) определяет способность хитозана к гидрофобным взаимодействиям. Гидрофильность и гидрофобность хитозана позволяет использовать его в качестве стабилизаторов эмульсий. Благодаря высокомолекулярной массе и линейной структуре молекулы, хитозан является отличным средством повышения вязкости эмульсий при низких значениях рН.
Хитозан, как и другие гидроколлоиды, способен удерживать воду и служить увлажняющим компонентом косметических средств. [7,8,9]
2. Экспериментальная часть
2.1. Объекты исследования
Для проведения испытаний по получению высокоочищенного хитозана был использован хитозан, полученный из панциря королевского камчатского краба. Химический состав панциря приведен в таблице 1.
Таблица 1. Характеристика химического состава панциря в %.
| Содержание влаги, |
Белок |
Липиды |
Минеральные Вещества |
Хитин |
| 7-8 |
21-27 |
0,2-0,4 |
34-39 |
26-32 |
Для определения свойств полученного хитозана были проведены физико-химические, радиологические и микробиологические испытания. Для оценки уровня свойств полученного хитозана были использованы показатели, заложенные в технические условия на пищевой хитозан (ТУ 9289-067-00472124-03). В приложении представлены соответствующие акты испытаний, а общие результаты представлены ниже в таблице 2.
Органолептические показатели.
Внешний вид: чешуйки размером 1-3 мм.
Цвет: кремовый с желтоватым оттенком.
Вкус: свойственный данному продукту, без постороннего привкуса.
Запах: свойственный данному продукту, без постороннего запаха.
Таблица 2. Физико-химические свойства хитозана
| Наименование показателя |
Ед. изм. |
Норма по ТУ |
Результаты испытаний |
| Молекулярная масса |
кДа |
- |
120 |
| Степень деацетилирования |
% |
- |
87 |
| Массовая доля влаги |
% |
Не более 10,0 |
9.4 |
| Массовая доля минеральных веществ |
% |
Не более0,7 |
0,33 |
| рН 1% раствора хитозана в 2% уксусной кислоте |
Ед. рН |
Не более 7,5 |
3,85 |
| Массовая доля нерастворимых веществ в 3% р-ре уксусной кислоты |
% |
Не более 0,2 |
0,18 |
| Массовая доля влаги |
% |
Не более 10,0 |
9.4 |
| Токсичные элементы |
|||
| Ртуть |
мг/кг |
Не более 0,03 |
0,005 |
| Мышьяк |
мг/кг |
Не более 0,2 |
0,007 |
| Свинец |
мг/кг |
Не более 1,0 |
0,31 |
| Кадмий |
мг/кг |
Не более 0,1 |
0,012 |
| Пестициды |
|||
| ГХЦГ (α,β,γ,-изомеры) |
мг/кг |
Не более 0,5 |
Не обнаружено
|
| ДДТ и его метаболиты |
мг/кг |
Не более 0,02 |
Не обнаружено |
| Гептахлор |
мг/кг |
Не допускается |
Не обнаружено |
| Алдрин |
мг/кг |
Не допускается |
Не обнаружено |
| Радиологические испытания |
|||
| Цезий 137 |
Бк/кг |
200 |
28,0 |
| Стронций 90 |
Бк/кг |
100 |
8,0 |
| Микробиологические показатели |
|||
| Количество мезофильных аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов, КОЕ/г |
Не более 5*104
|
0 |
|
| БГКП (колиформы) |
не допускаются в 0,1 г |
Не выделены |
|
| E.coli |
не допускаются в 1,0 г |
Не выделены |
|
| Патогенные, в том числе сальмонеллы |
не допускаются в 25 г |
Не выделены |
|
| Дрожжи, плесени |
Не более 100 КОЕ/г |
Не выделены |
|
Реактивы:
- уксусная кислота, хч/лед - ГОСТ 61-75
- гидроксид натрия х.ч. – ГОСТ 2263-79
2.2. Методы исследования
Определение молекулярной массы хитозана
Молекулярную массу хитозана определяли вискозиметрически по стандартной методике. Растворы концентрации 0,05 и 0,5 г/дл готовили растворением навески порошка полимера в ацетатном буфере (0,33 М СН3
СООН + 0,2 М СН3
СOONa) в течение одних суток. Использовали ледяную уксусную кислоту и уксуснокислый натрий квалификации ХЧ. Измерения проводили при 250
С в капиллярном вискозиметре Уббелоде, диаметр которого равен 0,54 мм. Расчёт ММ проводили по уравнению Марка-Куна-Хаувинка с константами К и α из работы ([h]=К ∙ Мα
):
,
где [h]-характеристическая вязкость раствора, дл/г,
М – молекулярная масса.
Потенциометрическое титрование
и расчёт степени деацетилирования.
Потенциометрическое титрование выполняли на универсальном ионометре ЭВ-74 с использованием стеклянного электрода. Точность измерения pH ±0,1. Перед работой прибор настраивали по стандартным буферным растворам. Навеску хитозана 0,2 г растворяют при перемешивании в 20 мл 0,1н растворе соляной кислоты при перемешивании на магнитной мешалке в течение 1ч. Полученный раствор титруют потенциометрически 0,03н раствором едкого натра до рН около 11. Первый перегиб кривой титрования соответствует избыточному количеству соляной кислоты, а второй – концентрации аминогрупп в навеске хитозана.
Степень деацетилирования определяют по формуле:
,
где: G – навеска хитозана в г;
m – количество молей аминосодержащих звеньев в навеске хитозана;
m = V∙T;
V – объем раствора NaOH в мл, соответствующий нейтрализации кватернизированной формы аминогрупп хитозана, определяемый разностью объемов второго и первого перегибов на кривой потенциометрического титрования;
Т – титр раствора NaOH в моль/мл, определяемый в холостом титровании 0,1н раствора HCl.
Точность и воспроизводимость определений может быть обусловлена степенью дисперсности и их влажностью.
Вывод формул:
G = m∙161 + X∙203;
161 – молекулярный вес элементарного звена хитозана;
203 - молекулярный вес ацетилированного звена хитозана;
X – количество молей ацетилированных звеньев в навеске.
;
После преобразований получаем формулу для определения СД.
Метод спектра мутности
Для определения параметров надмолекулярных образований в растворах хитозана (С = 0,5 г/дл), таких как средний размер частиц (), числовая () и весовая () концентрации использовали метод спектра мутности.
Под МСМ обычно понимают ряд построений, использующих данные по зависимости мутности системы от длины волны падающего света, которые позволяют получить информацию о рассеивающих частицах. В МСМ структурно-сложный раствор полимера моделируется коллоидной системой, в которой за дисперсную фазу принимаются агрегаты макромолекул (надмолекулярные частицы), а за дисперсионную среду - истинный раствор макромолекул. Такая модель оправдана в тем большей степени, чем больше световой энергии рассеивается на надмолекулярные частицы, по сравнению с рассеянием на флуктуациях концентрации единичных макромолекул в растворе.
Экспериментальным критерием преобладающей роли рассеяния от надмолекулярных частиц может служить визуально наблюдаемая опалесценция раствора или сама возможность измерения оптической плотности полимерных растворов на спектрофотометрах или колориметрах. Измерения оптической плотности проводили на фотоколориметре КФК - 2 в диапазоне длин волн l = 400-590 нм при t=20°С. Для характеристики мутности () исследуемых систем использовали ее значение при длине волны λ = 490 нм.
Таблица 3. Мутность и параметры надмолекулярных частиц растворов ХТЗ в ацетатном буфере в зависимости от времени хранения
| Образец |
, см-1 |
, нм |
×10-10
|
×105
|
||||||||
| Время хранения, сут |
||||||||||||
| 0 |
14 |
21 |
0 |
14 |
21 |
0 |
14 |
21 |
0 |
14 |
21 |
|
| ХТЗ |
0,21 |
0,21 |
0,19 |
150 |
150 |
135 |
8,42 |
9,12 |
15,4 |
4,2 |
4,1 |
4,3 |
| ВХТЗ |
0,04 |
0,04 |
0,04 |
30 |
25 |
15 |
0,12 |
0,14 |
0,11 |
1,2 |
1,2 |
1,1 |
В таблице 4 приведены свойства высокоочищенного хитозана, исходя из которых следует, что полученный полимер характеризуется высокой степенью чистоты.
Таблица 4. Физико-химические свойства хитозана
| Наименование показателя |
Ед. изм. |
Норма по ТУ |
Хитозан 1 (первичный) |
Хитозан 2 (высоко-очищенный) |
| Молекулярная масса |
кДа |
- |
120 |
120 |
| Степень деацетилирования |
% |
- |
87 |
88 |
| Массовая доля влаги |
% |
Не более 10,0 |
9,4 |
9,6 |
| Массовая доля минеральных веществ |
% |
Не более0,7 |
0,33 |
0,03 |
| рН 1% раствора хитозана в 2% уксусной кислоте |
Ед. рН |
Не более 7,5 |
7 |
7 |
| Массовая доля нерастворимых веществ в 3% р-ре уксусной кислоты |
% |
Не более 0,2 |
0,18 |
0,005 |
| Токсичные элементы |
||||
| Ртуть |
мг/кг |
Не более 0,03 |
0,005 |
0,001 |
| Мышьяк |
мг/кг |
Не более 0,2 |
0,007 |
0,001 |
| Свинец |
мг/кг |
Не более 1,0 |
0,31 |
0,04 |
| Кадмий |
мг/кг |
Не более 0,1 |
0,012 |
0,002 |
2.3. Выводы
На основании полученных результатов можно сделать вывод, что высокоочищеннный хитозан существенно превосходит по своим свойствам первичный хитозан. Высокоочищенный хитозана характеризуется значительно более низким содержанием таких токсичных элементов как ртуть, мышьяк, свинец, кадмий, также уменьшилась массовая доля нерастворимых веществ. Уровень мутности растворов высокоочищенного хитозана меньше мутности первичного хитозана. Эти факты свидетельствует об эффективности предложенного метода очистки хитозана.
На основании вышесказанного можно сделать вывод, что разработанная технология обеспечивает получение высокоочищенного хитозана высокого качества и из доступного сырья, который способен конкурировать на современном рынке, а также удовлетворять потребности потребителей.
Список используемой литературы
1. Хитин и хитозан. Получение, свойства и применение / под ред. К.Г. Скрябина, Г.А. Вихоревой, В.П. Варламова. – М.: Наука, 2002. – 368 с. – ISBN 5-02-006435-1.
2. Гальбрайх Л.С. Хитин и хитозан: строение, свойства, применение / Л.С. Гальбрайх // Соровский образовательный журнал. – 2001. – Т. 7, № 1. С. 51–56.
3. Быкова В.М. Сырьевые источники и способы получения хитина и хитозана: Хитин, его строение и свойства / В.М. Быкова, С.В. Немцев // Хитин и хитозан. Получение, свойства и применение. – М.: Наука, 2002. – C. 7-23.
4. Маслова Г.В. Влияние вида хитинсодержащего сырья на физико-химические свойства хитиновых биополимеров, полученных с помощью электрохимически активированных / Г.В. Маслова и [др] // Материалы Шестой Междунар. Конф «Новые достижения в исследовании хитина и хитозана», Москва – Щелково, 22-24 октября 2001 г. – М.: ВНИРО, 2001. – С. 35-38.
5. Куприна Е.Э. опытно-промышленная установка для получения хитин-минерального комплекса «Хизитэл» электрохимическим способом / Е.Э. Куприна и [др] // Материалы Восьмой Междунар. конф. «Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана», Казань 12-15 июня 2006 г. – М.: ВНИРО, 2006. – С. 34-37.
6. Общая химическая технология / под ред. И.П. Мухленова. - М.: Высшая школа, том 1, 1984. – 255 с.
7. Гамзазаде А.И. Некоторые особенности получения хитозана / А.И. Гамзазаде, А.И. Скляр, С.В. Рогожин // Высокомолекулярные соединения. – 1985. – Т. 27А, №6. – С. 1179-1184.
8. Пат. 2087483 РФ, МПК 6 С 08 В37/08. Способ получения хитозана / В.В. Сова, Д.Б. Фрайманд, В.В. Банников, Ф.И. Львович. №93055356/25; Заявлено 21.12.93; Опубл. 20.08.97 // Изобретения. - 1997.-№23. - с. 92.
9. Пат. 2116314 РФ, МПК 6 С08 В37/08. Способ получения хитозана / Г.И. Касьянов, О.И. Квасенков, А.И. Николаев, Е.Е. Касьянова. -№97104789/04; Заявлено 26.03.97. Опубл. 27.07.98.//Изобретения. - 1998.-№ 21. - с.220.