Способ получения хитозана из хитина ракообразных
Владельцы патента RU 2246880:
Изобретение относится к рыбной промышленности, а именно к производству пищевого хитозана из хитина ракообразных. Способ осуществляется путем деацетилирования сырья предварительно охлажденным раствором щелочи, промывки и сушки. Деацетилирование проводят в три этапа. Первый из которых ведут в течение 7 суток, а последующие — по 2 часа с термообработкой при температуре 55-59°С. Промывку осуществляют после каждого этапа. Изобретение позволит получить хитозан из хитина ракообразных с высокой степенью деацетилирования при сохранении нативных свойств природного полимера, без разрыва его цепей по гликозидным связям.
Изобретение относится к рыбной промышленности, а именно к производству пищевого хитозана из хитина ракообразных.
Известен способ получения хитозана из пресноводных ракообразных электрохимическим методом (см. Комплексная безреагентная технология производства хитина и хитозана из панцирьсодержащих гидробионтов электрохимическим способом. Маслова Г.В. и др. Тезисы Четвертой Всероссийской конференции. М., 1995, изд. ВНИРО, стр.74-77).
Недостатками этого способа являются значительный расход электроэнергии и большой расход поваренной соли для создания электрического поля.
Известен способ получения хитозана путем обработки хитина 50%-ным раствором едкого натра при температуре 105-110°С в течение 40-60 мин (Авт. св. СССР №1424157, кл. А 22 С 29/02, 1986).
Однако жесткие условия являются недостатком данного способа деацетилирования.
Известен способ получения пищевого хитозана из панциря ракообразных, включающий активацию сухого или влажного хитина путем измельчения в коллоидной мельнице, деацетилирование, промывку готового продукта и частичное обезвоживание с последующей сушкой, измельчение и таблетирование (см. патент РФ 2115344, A 23 L 1/33, 1998).
Данный способ требует дорогостоящего оборудования и сложен в обслуживании.
Наиболее близким аналогом является способ получения хитозана из ракообразных путем деацетилирования, включающий приготовление 50%-ного раствора едкого натра, охлаждение его до температуры 18-22°С, внесение сухого хитина в соотношении хитин: раствор щелочи 1:10-1:15 до образования однородной суспензии и выдерживание последней при комнатной температуре в течение 5-20 суток (см. патент РФ 2116733, A 23 L 1/33, 1996).
Однако данный способ предусматривает использование щелочи высокой концентрации, что приводит к значительному расходу щелочи и частичной деструкции целевого продукта.
Технической задачей заявленного изобретения является получение хитозана из хитина ракообразных с высокой степенью деацетилирования при сохранении нативных свойств природного полимера, без разрыва его цепей по гликозидным связям.
Поставленная задача решается осуществлением способа получения хитозана из хитина ракообразных путем деацетилирования сырья предварительно охлажденным раствором щелочи, промывки и сушки, при этом деацетилирование проводят в три этапа, первый из которых ведут в течение 7 суток, а последующие — по 2 часа с термообработкой при температуре 55-59°С, причем промывку осуществляют после каждого этапа.
Выбранные режимы процесса деацетилирования — процесса отщепления ацетильных групп способствуют сохранению нативных свойств полимера без разрушения его цепей по гликозидным связям благодаря этапности процесса. Предварительное выдерживание суспензии в течение 7 суток облегчает доступ реагента (раствора щелочи) к структурным звеньям полимера, а использование температур, равных 55-59°С, позволяет снизить степень кристалличности хитина, аморфизировать его структуру, интенсифицировать процесс отщепления ацетильных групп и получить хитозан с высокой степенью деацетилирования.
Способ осуществляют следующим образом.
Предварительно приготавливают 40%-ный раствор щелочи, присыпая сухую гидроокись натрия в требуемое количество холодной воды при непрерывном перемешивании до полного растворения. На первом этапе после охлаждения раствора щелочи в него загружают сухой хитин в соотношении раствор щелочи: хитин 7:1 и выдерживают 7 суток при температуре 18-20°С. Затем суспензию разделяют на твердую и жидкую части (щелочь); щелочь подкрепляют и направляют на повторное использование, а твердую часть промывают холодной водой до нейтральной реакции промывных вод и отжимают. На втором этапе влажный полуфабрикат заливают раствором щелочи той же концентрации, нагревают до температуры 55-59°С и выдерживают при периодическом перемешивании 2 часа. По истечении 2 часов суспензию разделяют и обрабатывают, как указано выше. Третий этап проводят аналогично второму, после чего хитозан промывают и сушат до содержания влаги 8-10%.
Полученный таким образом хитозан имеет высокую степень деацетилирования и сохраняет нативные свойства природного полимера (полисахарида).
Примеры осуществления способа.
Пример 1. Для получения хитозана из хитина ракообразных в предварительно приготовленный и охлажденный до комнатной температуры 40%-ный раствор щелочи добавляют сухой хитин в соотношении раствор щелочи: хитин 7:1. На первом этапе полученную суспензию выдерживают при температуре 18°С 7 суток. Твердую часть отделяют, промывают водой до нейтральной реакции промывных вод, отжимают и снова приливают 40%-ный раствор щелочи. На втором этапе суспензию нагревают до температуры 57°С и выдерживают в течение 2 часов, после чего твердую часть отделяют, промывают водой и отжимают (центрифугируют). Третий этап аналогичен второму: влажный полуфабрикат заливают 40%-ным раствором щелочи, нагревают до температуры 55°С и выдерживают 2 часа. Затем хитозан отделяют от раствора щелочи, промывают водой до нейтральной реакции промывных вод, отжимают (центрифугируют) и сушат до содержания влаги — 8%. Полученный хитозан имеет высокую степень деацетилирования — 87%, высокую молекулярную массу — 500 кДа.
Пример 2. Аналогичен примеру 1, за исключением того, что хитин обрабатывают 50%-ным раствором щелочи. На первом этапе полученную суспензию выдерживают при температуре 18°С 7 суток. Твердую часть отделяют, промывают водой до нейтральной реакции промывных вод, отжимают и приливают 50%-ный раствор щелочи. На втором этапе суспензию нагревают до температуры 59°С и выдерживают в течение 2 часов, после чего твердую часть отделяют, промывают водой и отжимают. Третий этап аналогичен второму: влажный полуфабрикат заливают 50%-ным раствором щелочи, нагревают до температуры 58°С и выдерживают 2 часа.
Полученный хитозан имеет высокую степень деацетилирования — 92%, но низкую 300 кДа молекулярную массу за счет разрыва гликозидных связей и частичной деструкции полимера.
Пример 3. Аналогичен примеру 1, за исключением того, что продолжительность второго и третьего этапа сокращают до 1 часа. Полученный хитозан имеет низкую степень деацетилирования, равную 72%.
Способ получения хитозана из хитина ракообразных путем деацетилирования сырья предварительно охлажденным раствором щелочи, промывки и сушки, отличающийся тем, что деацетилирование проводят в три этапа, первый из которых ведут в течение 7 суток, а последующие — по 2 ч с термообработкой при температуре 55-59°С, причем промывку осуществляют после каждого этапа.
Источник
Электрохимический способ получения хитозана
Изучение способа получения хитозана в школьной лаборатории
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
В настоящее время природный полисахарид хитозан благодаря широкому спектру своих полезных свойств находит всё более широкое применение в самых различных областях, таких как: текстильная, атомная, пищевая, медицина, сельское хозяйство, парфюмерия и косметика. К неоспоримым достоинствам хитозана относится его совершенная безопасность для человека и окружающей среды: экологически чист и полностью распадается в природных условиях. В настоящее время синтетические полимеры постепенно теряют свою привлекательность, а в это время природные полимеры получают все большое внимание. 3
Актуальность исследования: хитозан является производным хитина, очень распространенного в природе полисахарида, добываемого преимущественно из ракообразных. Хитозан является нетоксичным и биосовместимым с тканями живых организмов, обладает антимикробной активностью. Кроме того, хитозан широко доступен и является недорогим веществом. 6
Гипотеза: в лабораторных условиях можно получить вещество хитозан, полностью заменяющее синтетические полимеры, которые породили массу проблем, связанных с охраной здоровья человека и защитой окружающей среды.
Целью исследования: изучение способа получения природного полимера хитозан из панцирей речного рака, колорадского жука и оценка его свойств для применения в быту.
Для выполнения данной цели, поставлены задачи:
• сбор природного материала колорадского жука;
• переработка панцирей речного рака и колорадского жука в хитин;
• изучение способа получения хитозана из хитина;
• проведение сравнительного и качественного анализа хитозана из различного сырья;
• исследование эффективности применения полученного хитозана в качестве пищевого загустителя.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
• изучен способ получения хитозана из панциря речного рака и колорадского жука в школьных условиях;
• проведена информационная работа о пользе биополимера-хитозана.
Объект: природные материалы панцирей речного рака и колорадского жука.
Предмет: биополимер хитозан.
Практическая значимость: исследован доступный и дешевый способ получения хитозана; также хитозан может быть использован в быту, например, в качестве пищевого загустителя; для улучшения обменных процессов в организме и в косметологии. 3 Изученный материал может быть использован на уроках химии, физики, биологии и экологии.
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1 История хитина и хитозана
Примерно 200 лет назад природный полимер хитин и его производное хитозан сконцентрировали на себе интерес учёных. Исследования развивались весьма медленно, и эти полимеры привлекали внимание все большего количества биологов, химиков-органиков и были сконцентрированы в Германии и Франции. С открытием хитозана становится понятно, что он имеет практическую значимость, и его начали активно изучать в различных странах, в том числе и в России. 8 В течение следующих ста лет ученые проводили большое количество фундаментальных исследований природных полимеров, в частности хитина и его производных. Высокий интерес к этим соединениям родился еще в 30-е годы двадцатого века, о чем свидетельствуют около 50 патентов, тем не менее, имеется недостаток определенных промышленных мощностей, а также соперничество с синтетическими полимерами, что мешает коммерческому формированию употребления хитина и хитозана. 6 В двадцатом веке к азотсодержащим природным полимерам проявлялся должный интерес, а именно с ними имели прямую связь три Нобелевских лауреата: Фишер (1903) синтезировал глюкозамин, Картер (1929) — проводил разложение хитина при помощи хитиназа, а также Хаворт (1939), который определил полную форму глюкозамина. Весной 2000 года было основано Российское Хитиновое Общество, которое объединило в себе около 50 региональных филиалов. Все это говорит о растущем интересе к хитину и его производным не только у ученых-химиков, но и у специалистов различных специальностей – медики, биологи, микробиологи и биотехнологи. 5 Впервые индустриальное изготовление хитозана освоено Японией в 1970-х годах. Потребность в хитозане растет и, по мнению американских специалистов вскоре превзойдет десять тысяч тонн в год. Сейчас в мире изготавливается всего 2 – 3 тысячи тонн в год. Главные иностранные поставщики готового хитозана на наш рынок -Китай и Индия. Другие страны-изготовители, реализовывают переработку хитозана и его производных для своих нужд. 6
1.2 Строение хитина и хитозана
Хитин (C8H13O5N) (фр. chitine, от др.-греч. χιτών: хитон — одежда, кожа, оболочка) — природное вещество из категории полисахаридов, содержащих в своем составе азот. Данный полимер составлен из N ацетилглюкозамина, остатки которого соединены друг с другом b-(1,4)- гликозидными связями. Хитин — основной элемент кутикулы членистоногих и других беспозвоночных, он также входит в структуру клеточного покрова грибов и микроорганизмов (например, бактерий). 3 Хитин — один из особо популярных в природе высокомолекулярных углеводов — ежегодно на Земле в живых организмах образовывается и распадается, по меньшей мере, 10 гига тонн хитина. 8 Поли-N-ацетил-Dглюкозо-2-амин представляет собой основу скелетной системы, которая поддерживает клеточное строение тканей в покровах ракообразных (панцирь), клеточной стенке грибов и бактерий, экзоскелете насекомых. Хитозан содержит первичные аминогруппы, первичные и вторичные гидроксильные группы, с участием которых возможно проведение различных превращений. Хитозан является деацетилированным производным хитина. Первостепенные характеристики хитозана, которые играют основополагающие роли для его эффективного использования в разнообразных областях — это нерастворимость в воде, высокая вязкость растворов хитозана в различных неконцентрированных кислотах, пленкообразующие свойства, а также возможность образования гранулированных продуктов, биологическая сочетаемость с тканями человека и других организмов, невысокая токсичность и биоразлагаемость в почве. Эти свойства обусловлены химической структурой молекул данного аминосахарида, то есть распределением его молекулярных масс, степенью дезацетилирования, а также равномерностью распределения дезацетилированных групп по всем полимерным молекулам. 4
1.3 Свойства хитина и хитозана
Хитин — природный, нетоксичный, жёсткий, волокнистый полупрозрачный полимер. Большая длина и ограниченная гибкость макромолекул считаются положениями для создания биополимеров со сложной надмолекулярной структурой в живых организмах. Для хитина главным элементом такой структуры являются макро фибриллы -высоко ориентированные комплексы молекул, размер которых равен 20-55 нм, они состоят из микро фибрилл, диаметр которых 2 — 3 нм. Такое строение гарантирует исполнение значимой биофункции увеличения механической прочности тканей, содержащих хитин. Высокая прочность хитиновых текстур в ракообразных и насекомых обоснована образованием хитин карбонатного комплекса вследствие отложения хитина на карбонат кальция. При всем этом жесткий роговой материал этих организмов выступает в качестве не чистого хитин карбоната кальция, а намного более сложной структуры, в которой только верхний слой — хитин карбонат кальция, в это время внутренние покровы включают протеин. Именно поэтому для получения хитина последовательно деминерализуют и депротеинизируют, что включает обработку мелкозернистого панциря растворами хлористоводородной кислотой и гидроксидом натрия с дальнейшей промывкой водой, избавлением от красящих пигментов, отбеливая веществами и липофильными реагентами, а также отмывкой этиловым спиртом. 1
Хитозан обладает ограниченной растворимостью и растворяется лишь в разбавленных растворах органических и минеральных кислот. Тем временем, одно из важнейших свойств высокомолекулярных соединений, которое определяет вероятность их переработки и использования, это растворимость. На использовании растворов целлюлозы, ближайшего аналога хитина, базируется методика получения пленочных материалов, композиций, которые обладают загущающими и клеющими свойствами. В большинстве случаев целью модификации хитозана является повышение его растворимости в нейтральных средах. Способ повышения растворимости полимера связан с его химической модификацией, в большей степени аминогрупп. 5
1.4 Применение и перспективы развития химии хитина и хитозана
Большая часть исследователей всего мира называют хитозан веществом двадцать первого века. Хитозан является повсеместно известным продуктом. Хитин и его производное — хитозан, обладают большим количеством полезных характеристик и это делает их используемыми, незаменяемыми в медицинской промышленности, а также сельском хозяйстве. Глубоким изучением хитозана занимаются в пятнадцати странах и в наше время известно около семидесяти направлений практического использования хитина и хитозана, а также их модифицированных продуктов, наиболее важными из которых являются биотехнология и экология, пищевая, медицинская, косметическая промышленность и ветеринария, сельское хозяйство. 6
Хитин перерабатывается во многие производные, наиболее доступным из которых является хитозан, он образуется при обработке хитина раствором щелочи при нагревании. Основное преимущество хитозана перед хитином это его растворимость в водных растворах кислот. Ученые концентрирует свое внимание на получении пищевых плёночных материалов, сохраняющих качество и структуру еды. Большинство стран применяют хитин и хитозан. Сегодня хитин и хитозан применяют повсеместно: в получении антибиотиков и хирургических швов, а также в диабетических добавках, пищевых продуктах и косметике. В США эти полимеры применяются при обработке семян, обогащении кормов для животных, а также для очистки воды, его добавляют в средства по уходу за волосами и диабетические добавки. Синтетические полимеры постепенно теряют свою привлекательность, а в это время природные полимеры получают все большее внимание. 7
Хитозан, получил большое внимание в последние годы в Европе и Америке, он охарактеризовал себя как неповторимое соединение, которое связывает и выводит из организмов жиры, он не имеет аналогов в природной среде, также он снижает уровень холестерина. Хитозан используют при курсовом лечении ожирения, атеросклироза, очищении организма. Его также принимают перед употреблением жирной пищи на фоне длительной диеты. 7
2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2 .1 Объекты исследования
Объектами исследования являлись биологические объекты животного происхождения, а именно: речной рак, колорадский жук.
2 .2 Методика получения хитозана
При получении хитозана из речного рака и колорадского жука пользовались методикой Абдуллина В.Ф. — им была разработана технология получения хитозана из панциря речного рака. Технология получения хитозана включает четыре стадии: измельчение панцирей раков, деминерализация, депротоинирование, деацетилирование. При измельчении панциря оптимальный средний размер частиц составляет 3-4 мм, что позволяет увеличить активную поверхность материала при химических превращениях. 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. Выделяется хитин, который превращается в хитозан путем реакции деацитилирования. Реакция деацитилирования заключается в обработке хитина концентрированной горячей щелочью. 1
2 .3 Методы получения хитозана
Для получения хитозана приготовили специальное оборудование: ступка с пестиком (лабораторная посуда для измельчения панцирей речного рака и колорадского жука вручную); растворы HCl и NaOH (для деминерализации,депротеинизации и деацетилирования хитина); мерные стаканы (для измерения растворов); водный термометр, плита, ареометр (для определения плотности молока).
Методы: деминерализация, депротеинизация, деацетилирование и сгущение молока.
Способы получения хитозана из панцирей речного рака и колорадского жука заключались в том, что сухой измельченный панцирь речных раков заливали 4% раствором HCl в соотношении 1: 6, перемешивали в течение 1,5 часов при температуре окружающей среды, полученную массу фильтровали и промывали; отфильтрованный осадок заливали 4% раствором NaOH в соотношении 1:6 и перемешивали в течение 1 часа при температуре 70-80oC; полученный хитозан фильтровали, промывали и сушили. 1 Способ сгущения молока заключается в том, что в раствор добавляем загуститель природного происхождения – хитозан. При котором, плотность является одним из важнейших показателей качества молока. Плотность измеряется с помощью специального прибора — ареометра. 2
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЯ
3 .1. Место проведения исследования
Исследования проводили в конце мая 2018 года. Колорадских жуков собирали на огородах по улице Степная г.Белорецк с начала их появления до полного их исчезновения. Было собрано более 300 экземпляров. В школьной лаборатории мы нашли некоторые части тела речного рака(панцири, клешни), которые не использовались для демонстрации. Получение хитозана из панцирей речного рака и колорадского жука осуществляли в школьной лаборатории, заранее приготовили необходимые оборудования (Приложение 1).Изучили литературу и выяснили, что 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. Измельчали панцири речных раков и колорадского жука с помощью ступы с пестиком, получили необходимые порошки. Масса которых составляла: 12 г хитина речного рака и 7 г хитина колорадского жука. Провели необходимые расчеты для экспериментов. Для приготовления 10% раствора щелочи (NaOH) возьмем 100 мл воды и произведем необходимые расчеты
Источник
