Набор полезных свойств ХТЗ обширен благодаря присутствию в его структуре большого числа функциональных групп:

Известно, что основным масштабным сырьевым источником при промышленном получении ХТЗ служат панцири камчатских крабов. Учитывая ценность и уникальность этого продукта, а также огромную сферу практического использования, представляется актуальным изыскание иных доступных сырьевых ресурсов для производства ХТЗ, способных обеспечить его тоннажное производство и находить новые области его применения.

Поэтому решение проблемы создания эффективной технологии получения хитозана из панцирей камчатских крабов и исследование комплекса его физико-химических характеристик является актуальной задачей.

Основная часть.

1. Технологический раздел

1.1. 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

По химической структуре он близок к целлюлозе и только ей уступает по распространенности в природе. Хитин нерастворим в воде, разбавленных кислотах, щелочах, спиртах и других органических растворителях. Он растворим в концентрированных растворах соляной, серной и муравьиной кислот, а также в некоторых солевых растворах при нагревании, но при растворении он заметно деполимеризуется. В смеси диметилацетамида, N-метил-2-пирролидона и хлористого лития хитин растворяется без разрушения полимерной структуры.

Большая длина и ограниченная гибкость макромолекул являются предпосылками для образования биополимерами сложных надмолекулярных структур в тканях живых организмов. Для хитина основным элементом такой структуры являются фибриллы - высокоориентированные агрегаты макромолекул диаметром 25-50 нм, в свою очередь состоящие из микрофибрилл диаметром 2,5-2,8 нм. Такая структура обеспечивает выполнение важной биологической функции армирования (повышения механической прочности) содержащих хитин тканей.

Благодаря регулярности строения полимерной цепи хитина формируется высокоупорядоченная структура, обладающая признаками, характерными для кристаллического фазового состояния полимеров. При этом кристаллические области структуры хитина могут существовать в трех кристаллографических (структурных) модификациях, отличающихся расположением молекулярных цепей в элементарной ячейке кристаллита (явление, известное под названием полиморфизма). Так, посредством рентгеноструктурного анализа показано, что молекулярные звенья хитина имеют конформацию 4С1.

В зависимости от расположения полимерных молекул различают три формы структуры хитина - a, b и g. a-хитин представляет собой плотно упакованный, наиболее кристаллический полимер, в котором цепочки располагаются антипараллельно, он характеризуется самым стабильным состоянием. В b-хитине цепочки располагаются параллельно относительно друг друга, а в g-хитине две цепочки полимера направлены “вверх” относительно одной, направленной “вниз”. b и g-хитины могут превращаться в a-хитин [1].

Специфика полимерного состояния хитина, как и других высокомолекулярных соединений, обусловливает невозможность существования этого полимера как однофазной системы (полная кристалличность). Однако содержание кристаллических областей в хитине достаточно велико и составляет в зависимости от происхождения и способа выделения 60-85%. При этом фиксация взаимного расположения макромолекул хитина обеспечивается системой внутри - и межмолекулярных водородных связей: ОН-группа у С3 элементарного звена включена в водородную связь с атомом кислорода в цикле соседнего элементарного звена; ОН-группа у С6 может быть связана водородными связями как внутримолекулярно - с атомом кислорода гликозидной связи и (или) атомом азота ацетамидной группы, так и межмолекулярно - с ОН-группой у С6 соседней макромолекулы. При этом последняя может образовывать водородные связи с молекулами кристаллизационной воды.

Панцирь краба и кутикула насекомых играют роль внешнего скелета и выполняют защитные функции. Хитин, входящий в состав панциря ракообразных, образует волокнистую структуру, он связан с белками посредством пептидной связи деацетилированной аминогруппы с диаминомонокарбоновыми аминокислотами неароматического строения, имея вид хитин-белкового комплекса (ХБК).

Особым образом изменяется хитин под действием ферментов в организме морских крабов. В процессе линьки хитин панциря подвергается значительному разрушению и последующему восстановления. Участие в этом процессе специфических ферментов способствует протеканию синтеза и деградации хитина с исключительно большой скоростью. Хитинолитические ферменты имеют неодинаковый уровень активности в зависимости от физиологического состояния ракообразных. У крабов, например, хитиназа синтезируется постоянно, а синтез хитобиазы усиливается перед линькой и немедленно уменьшается после её окончания. У морских крабов сразу после линьки панцирь мягкий, эластичный, состоящий только из ХБК, но с течением времени происходит его упрочнение за счёт минерализации структуры ХБК в основном карбонатом кальция. Эта минерализация происходит в большей или меньшей степени в зависимости от вида животного.

Таким образом, панцирь краба 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.

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

Как говорилось ранее, 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. Все известные способы извлечения хитина из ПСС можно разделить на три основные группы:

- химическая обработка кислотами, щелочами, комплексонами и др.;

- методы биотехнологии, применение ферментных препаратов и протеолитических бактерий;

- электрохимический способ.

Деацетилирование хитина. Получение хитозана