CC BY
84
98
Химия
Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2007, № 3, с. 98-104
УДК 536.63:543.226:547.995.12
ВЛИЯНИЕ КИСЛОТНОГО ГИДРОЛИЗА НА ТЕПЛОЕМКОСТЬ И ФИЗИЧЕСКИЕ ПЕРЕХОДЫ ХИТИНА И ХИТОЗАНА
© 2007 г. В.Ф. Урьяш ^ Н.Ю. Кокурина В.Н. Ларина В.П. Варламов 2, А.В. Ильина 2,
Н.В. Гришатова 3, А.Е. Груздева 3
1 НИИ химии Нижегородского госуниверситета им. Н. И. Лобачевского 2 Центр «Биоинженерия» РАН 3 ЗАО «Биофит», Нижний Новгород
itch@ichem. unn. rn
Поступила в редакцию 11.04.2007
Методами калориметрии и дифференциального термического анализа изучена теплоемкость в области 80-330 К и определены температуры физических переходов «кристаллических» и подвергнутых кислотному гидролизу хитина и хитозана из панциря крабов. Определены стандартные энтальпии сгорания и образования указанных образцов хитина.
Введение
На протяжении многих десятилетий хитиновые панцири как отход переработки ракообразных засоряют побережье мирового океана, что создает серьезную экологическую проблему. Между тем панцири ракообразных являются сырьем для получения ценнейших полисахаридов - хитина (ХТ) и хитозана (ХТЗ). В настоящее время во многих странах мира развивается промышленное производство этих полисахаридов. Таким образом, человечество получает ценное органическое сырье и сглаживается проблема загрязнения побережья мирового океана. Поэтому изучение физико-химических, в том числе термодинамических, свойств ХТ и ХТЗ представляет научный интерес и имеет практическое значение. В литературе [1-4] имеются данные о термодинамических характеристиках хитина из грибов «вешенка» и крабового хитозана. Кроме того, показано [5], что ХТ является эффективным энтеросорбентом и способен выводить из организма человека тяжелые металлы. В связи с этим в данной работе мы изучили влияние молекулярной массы на термодинамические характеристики, физические переходы и структуру хитина и хитозана.
Экспериментальная часть
Исследовали «кристаллический» и регенерированный хитин и хитозан из панциря крабов. Образцы были предоставлены центром «Биоинженерия» РАН. Некоторые характеристики указанных веществ представлены в табл. 1.
Регенерированный ХТ получали, обрабатывая исходный «кристаллический» ХТ (10 г) 80% фосфорной кислотой (100 мл) и выдерживая на холоде 48 ч. Затем смесь разбавляли тремя литрами воды до нейтральной реакции среды. Полученную суспензию пропускали через сито с диаметром ячеек 100 мкм.
Регенерированный ХТЗ получали при гидролизе «кристаллического» ХТЗ. Для этого при комнатной температуре 1 г исходного ХТЗ растворяли в течение 6 ч в смеси, состоящей из 40 мл 1 м. раствора уксусной кислоты, 10 мл 1% раствора КАК3 и 106 мл воды. Затем смесь подщелачивали 1 м. раствором №ОН, добавляя 44 мл, и доводили рН до 5,2. Смесь нагревали до 328 К.
Так как в воздушно-сухих образцах ХТ и ХТЗ содержалась адсорбционная вода (табл. 1), которая, по нашим данным, испарялась из изученных полисахаридов при 400-407 К, их перед калориметрическими экспериментами сушили в вакууме 0,6 Па при указанной температуре несколько часов до постоянной массы.
Хитин, как и целлюлоза, обладает высокоупорядоченной стереорегулярной структурой [6, 7]. Как отмечается в работе [8], хитин и хи-тозан, выделенные из панциря криля, имеют степень кристалличности 85 и 73% соответственно, а максимальный размер кристаллитов 13,4 и 5,0 нм. Степень кристалличности целлюлозы, хитина и хитозана была оценена также по сорбции воды [9]. Она составила, соответственно, 60-70, 60 и 35-40%.
Теплоемкость (Ср) в области 80-330 К измеряли в вакуумном адиабатическом калори-
Таблица 1
Некоторые характеристики хитина и хитозана
Образец Вязкость*, сП Мол. масса, D Степень деацетилирования Содерж. адсорбц. воды, мас.%
Хитин «кристаллический» - 1,4* 106 2-4 5,5
Хитин регенерированный - 1,0* 106 2-4 4,0
Хитозан «кристаллический» 92 (0,5%) 10,5 (0,1%) 8,3* 105 85 10,2
Хитозан регенерированный 75 (0,5%) 8,9 (0,1%) 6,0* 105 84 8,0
: Динамическую вязкость определяли для 0,1 и 0,5% растворов в 1% растворе уксусной кислоты.
метре, особенности конструкции которого описаны в работе [10]. Обезвоженные образцы ХТ и ХТЗ прессовали в таблетки и помещали в платиновую ампулу объемом 7 см3. Температуру измеряли платиновым термометром сопротивления. Энергетический эквивалент калориметра определяли путем измерения теплоемкости калориметрической ампулы, заполненной гелием до давления 8,5 кПа. Он не превышал 40% от Ср калориметра с веществом в изученном интервале температур. Для проверки методики на отсутствие систематической ошибки была определена теплоемкость эталонной бензойной кислоты марки К-1. Полученные результаты совпадают с литературными данными [11] с погрешностью 0,3% в области 80-320 К. Подъем температуры в опытах по измерению теплоемкости составлял 1,0—3,0 К, поэтому поправка на кривизну функции Ср=ДГ) не вводилась.
Отклонения экспериментальных данных от усредняющих кривых в пределах 0,2%. Теплоемкость рассчитывали на молярную массу повторяющегося звена ХТ (203,19 г/моль) и ХТЗ (161,16 г/моль).
Энтальпию сгорания ХТ определяли в усовершенствованном калориметре в —08 мА со статической калориметрической бомбой [12]. Калибровку калориметрической системы проводили по эталонной бензойной кислоте марки к-2 (Дис= —26460,0 Дж/г при взвешивании в воздухе). Энергетический эквивалент системы W=14847±3 Дж/К с удвоенным квадратичным отклонением от среднего результата 0,02%. ХТ сжигали в виде таблеток вместе с таблетками бензойной кислоты при давлении кислорода 3-106 Па. По данным хроматографического анализа, используемый кислород содержал примеси, мол.%: N — 0,8; СО и С02 — 0,002; углеводородов — 0,001. Вещество в кварцевом тигле поджигали путем разряда конденсатора на платиновую проволоку, соединенную с веществом посредством хлопчатобумажной нити. Для из-
мерения подъема температуры использовали два платиновых термометра сопротивления и цифровой вольтметр 1516, включенные в мостовую схему. Массу образца исследуемого соединения определяли по количеству СО2, образующегося при его сгорании. Расчеты проведены для следующей реакции сгорания:
С^^К (т) + 8,75 О2 (г) ^ 8 СО2 (г) +
+ 6,5 Н2О (ж) + 0,5 N (г).
В условиях калориметрической бомбы определяли энергию сгорания исследуемого вещества Дси. Исходя из среднего значения Дси, молекулярной массы м, с учетом поправки Уошберна и поправки, обусловленной изменением числа молей газов, рассчитали стандартные величины Дсио и ДсНо для реакции сгорания хитина. По полученным ДсНо рассчитаны энтальпии образования ДґН° хитина разной степени кристалличности в твердом состоянии при 298,15 К с использованием ДгНо(Н2О,ж)= —285,830±0,042 Дж/моль и ДН° (СО2, г)= —393,51±0,13 Дж/моль [13].
Дифференциальный термический анализ (ДТА) проводили на установке, конструкция которой и методика работы описаны в работе [14]. Образец массой ~0,5 г прессовали и помещали в открытый алюминиевый тигель. Эталоном служил кварц. Температуру измеряли хро-мель-копелевой термопарой с погрешностью
0,5 К. Скорость нагрева в опытах составляла 5 К/мин. Эксперимент проводили в атмосфере гелия.
Результаты и их обсуждение
Экспериментальные данные о теплоемкости изученных обезвоженных образцов ХТ и ХТЗ представлены на рис. 1 и 2, а усредненные значения теплоемкости — в табл. 2.
Как видно из рис. 1 и 2, молярная теплоемкость хитинов выше теплоемкости хитозанов во всей изученной области температур, что соответствует более высокой молярной массе по-
вторяющегося звена ХТ по сравнению с ХТЗ. Сопоставление теплоемкостей «кристаллического» и регенерированного ХТ (табл. 2) показывает, что у первого она ниже, чем у второго. Это указывает на то, что «кристаллический» ХТ имеет более упорядоченную структуру по сравнению с регенерированным.
На кривых Ср=Д(Т) крабовых регенерированных хитина и хитозана (рис. 2) в интервале 230-250 К проявляются аномалии эндотермического характера. Они могут быть связаны с возбуждением колебаний небольших боковых привесков в макромолекулах ХТ и ХТЗ, а также с присутствием олигомерных молекул, появляющихся в результате обработок, которым подвергались образцы. Их можно классифицировать как у-переход [15-17]. В качестве таких групп выступают аминные или ацетамидные. Температуру этих переходов [Ту(ХТ) = 246 К, Ту(ХТЗ) = = 240 К] определили по кривым температурной зависимости приведенной теплоемкости (Ср/Т)
(рис. 3). У «кристаллических» ХТ и ХТЗ указанный переход отсутствует. Это может указывать на то, что при регенерировании структура ХТ и ХТЗ становится менее упорядоченной.
Кроме того, на кривой Ср=Д(Т) крабового регенерированного ХТЗ наблюдается еще один релаксационный переход в интервале 315-325 К (рис. 2, кривая 2). Указанный релаксационный процесс можно трактовать как Р-переход [1517], который обусловлен либрацией пиранозных колец вокруг глюкозидной связи. Начало этого перехода при 310 К регистрируется у регенерированного ХТ (рис. 2, кривая 1), а также у «кристаллических» ХТ и ХТЗ (рис. 1). Тр(ХТЗ)=322 К определена по графику Ср/Т = Д(Т) (рис. 3 б). Аналогичные переходы мы наблюдали у таких полисахаридов, как пектин, амилоза, амилопек-тин, крахмал, инулин, агар и агароза [18].
Более подробно переходы в ХТ и ХТЗ при температурах выше 300 К изучили методом ДТА. В качестве примера на рис. 4, 5 приведены термограммы регенерированных ХТ и ХТЗ. Как видно из рис. 4 (кривая 2), на термограмме безводного крабового регенерированного ХТ проявляется Р-переход (Тр = 338 К) и два температурных интервала расстеклования (Тс1= 403 К, Тс2 = 432 К). Разложение ХТ (в атмосфере гелия) сопровождается эндотермическим эффектом и протекает в две стадии (Тразл1 = 485 К, Тразл2 = 556.5 К). Когда в воздушно-сухом ХТ содержится 4.0 мас.% воды (рис. 4, кривая 1), температуры физических переходов понижаются (Тр = 310 К, Тс1 = 344 К). Это указывает на
Таблица 2
Усредненные значения теплоемкости крабовых «кристаллических» ХТ (1) и ХТЗ (2), а также регенерированных ХТ (3) и ХТЗ (4)
Т, К Ср, Дж/моль К
1 2 3 4
80 76,30 55,00 78,30 56,00
100 93,20 69,20 95,00 69,50
120 109,0 83,50 110,9 82,70
140 124,0 97,10 126,0 96,10
160 138,6 110,6 141,8 110,0
180 152,5 123,7 157,4 123,0
200 165,3 136,2 171,1 135,4
220 179,7 150,8 184,5 148,8
240 195,1 164,4 199,9 164,0
260 209,2 178,5 216,2 177,8
280 223,0 192,3 229,8 188,8
300 238,7 206,8 246,3 203,7
320 259,0 223,0 270,0 223,1
330 275,9 232,7 285,3 238,5
эопг
1
сой 5» но Т.к
Рис. 1. Теплоемкость крабовых «кристаллических» ХТ (1) и ХТЗ (2)
14 г□□ 5» т, и,
Рис.2. Теплоемкость крабовых регенерированных ХТ (1) и ХТЗ (2)
пластифицирующее действие, которое оказывает вода на ХТ. При 406,5 К (рис. 4, кривая 1) проявляется эндотермический пик испарения сорбционной воды.
220 МО Т,К 260 ЛО Ъ20 ТК 330
Рис. 3. Приведенная молярная теплоемкость крабового регенерированного ХТЗ в интервалах 230-250 К (а) и 315-325 К (б)
Рис. 4. Термограммы крабового регенерированного хитина, содержащего Н2О, мас.%: 1 - 4,0; 2 - 0
¿Г
і
■гіг
а
б
Рис. 5. Термограммы в интервалах 250-540 К (а) и 540-600 К (б) крабового регенерированного хитозана, содержащего Н2О, мас.%: 1 - 8,0; 2 - 0
Таблица 3
Температуры физических переходов в изученных образцах хитина и хитозана из панциря крабов, определенные калориметрически и методом ДТА
Образец Калориметрия ДТА
Т, к Тв, К Тв, К Тс1, К Тс2, К
ХТ «кристаллический» - Начало при 310 К 365 428 В области разложения
ХТ регенерированный 246 Начало при 310 К 338 403 432
ХТЗ «кристаллический» - Начало при 310 К 326 361 417.5
ХТЗ регенерированный 240 322 320 347 413
Таблица 4
Результаты опытов по определению энергии сгорания «кристаллического» и регенерированного хитина при 298,15 К
Величина ХТ «кристаллический» ХТ регенерированный
т(х), г 0,2829 0,2610
0,23135 0,2754
0,19739 0,25162
0,3101 0,22466
0,21002 0,2308
0,21677 -
АТ, К 2,43867 2,355854
2,263039 2,126029
2,273655 2,277099
2,370959 2,261604
1,964299 2,236496
2,241179 -
q(б.к.), Дж 30896,9 30015,0
- 26333,4
- 29028,8
- 29312,9
25171,0 28817,6
q(н.), Дж 34,3 36,8
45,3 34,3
46,2 31,3
35,1 45,2
34,8 36,8
37,0 -
q(HNOз), Дж 15,2 28,1
22,8 26,9
24,6 28,1
24,6 25,2
24,6 26,6
23,4 -
-Аси, Дж/г 18906,7 19077,4
18844,7 19094,9
18922,1 19089,1
18900,4 19108,3
18861,1 19090,8
18835,1 -
Среднее значение 18878,2±27,0 19092,1+10,0
-Аси, кДж/моль (ср.) 3835,9±5,4 3879,4+2,0
-Аси0, кДж/моль 3833,8+5,4 3877,3+2,0
-АсН0 (т), кДж/моль 3334,4+5,4 3377,9+2,0
В безводном регенерированном крабовом ХТЗ (рис. 5а, кривая 2) наблюдаются те же переходы, что и в хитине, только при более низких температурах (Тр = 320 К, Тс1 = 347 К, Тс2 = = 413 К). Это может свидетельствовать о меньшей упорядоченности структуры регенерированного ХТЗ по сравнению с регенерированным
ХТ. У ХТЗ проявляется еще одно отличие - его разложение (в атмосфере гелия) экзотермично. Первый пик наблюдается при Тразл1 = 510 К (рис. 5а, кривая 2). В температурном интервале второго пика (рис. 5б) выделяется настолько большая энергия в форме теплоты, что происходит разогрев образца от 540 до 590 К, а затем
он охлаждается до 557 К. Вода (8,0 мас.%), содержащаяся в воздушно-сухом ХТЗ, также оказывает на него пластифицирующее действие, понижая температуры физических переходов (Тр = 311 К, Тс1 = 288 К). Температура второго стеклования попадает, по-видимому, в температурный интервал испарения сорбционной воды, которое происходит при 400 К.
Полученные значения температур релаксационных переходов в изученных образцах ХТ и ХТЗ представлены в табл. 3.
Как видно из табл. 3, температура Р-пере-хода повышается при переходе от регенерированного ХТЗ к «кристаллическому» ХТ. В том же направлении изменяются их Тс1 и Тс2. Причем температура второго стеклования у «кристаллического» ХТ попадает в температурную область его разложения. Из полученных результатов можно сделать вывод, что «кристаллический» ХТ имеет более упорядоченную структуру, чем регенерированный ХТ. То же самое можно сказать и о ХТЗ. Т.о., упорядоченность хитина уменьшается при его деацетилировании и регенерировании.
В табл. 4 приведены результаты опытов по определению энергии сгорания изученных нами «кристаллического» и регенерированного ХТ. В ней использованы следующие обозначения: т(х) - масса сгоревшего вещества; ДТ - подъем температуры с поправкой на теплообмен; q(б.к.) и q(н.) - поправка, соответственно, на сгорание бензойной кислоты и нити; q(HNO3) - поправка на образование водного раствора азотной кислоты; Дси и Дсио - энергия сгорания исследуемого вещества в условиях калориметрической бомбы и при стандартном давлении; ДсНо (т) - молярная энтальпия сгорания исследуемого полисахарида при стандартном давлении и Т = 298,15 К.
Рассчитанные энтальпии образования «кристаллического» и регенерированного ХТ в твердом состоянии при 298,15 К равны: ДНо(ХТ «крист.», т)= -1171,5±5,4 КДж/моль; Ді-Но(ХТ регенер., т) = -1128,0±2,0 КДж/моль.
Как видно из табл. 4, стандартная энтальпия образования хитина возрастает по абсолютной величине при увеличении степени упорядоченности указанного полисахарида. Нами получены более экзотермические значения Д^ крабовых хитинов, по сравнению с хитином из грибов «вешенка» [2] (Д{Н° = 999,6 ± 16,7 КДж/моль).
Таким образом, изучение термодинамических характеристик и температур физических переходов ХТ и ХТЗ позволяет судить об изменении структуры данных полисахаридов при деацетилировании и кислотном гидролизе.
Список литературы
1. Цветкова, Л.Я. // Журн. химической термодинамики и термохимии / Л.Я. Цветкова, Н.В. Новоселова, В.П. Голицин, А.В. Иванов, Т.Б. Хлюстова, В.Ф. Урьяш. - 1993. - Т. 2, № 1. - С. 88-93.
2. Урьяш, В.Ф. // Вестн. ННГУ. Серия Химия / В.Ф. Урьяш, Н.Ю. Кокурина, В.А., Маслова В.Н. Ларина, И.Н. Иосилевич. - Н. Новгород: ННГУ, 1998. Вып. 1. - С. 165-170.
3. Урьяш, В.Ф. // Тез. докл. V Всерос. конф. «Новые перспективы в исследовании хитина и хитозана» / В.Ф. Урьяш, Н.Ю. Кокурина, И.Н. Иосилевич. - М., 1999. - С. 257-260.
4. Груздева, А.Е. Автореф. дис. ... канд. хим. наук / А.Е. Груздева. - Н. Новгород, 2000. - 24 с.
5. Урьяш, В.Ф. // Тез. докл. V Всерос. конф. «Новые перспективы в исследовании хитина и хитозана» / В.Ф. Урьяш, В.А. Маслова, А.Н. Туманова,
B.Т. Демарин, Н.Н. Кралина, П.Т. Гриб. - М., 1999. -
C. 260-262.
6. Генин, Я.В. // Высокомолек. соедин. / Я.В. Генин, А.М. Скляр, Д.Я. Цванкин, А.К. Гамзазаде, С.В. Рогожин, С.А. Павлова. - 1984. - Т. А26, № 11.
- С. 2411-2416.
7. Новоселов, Н.П. // Биологически активные вещества в растворах: структура, термодинамика, реакционная способность / Н.П. Новоселов, Е.С. Сашина / Под. ред. А.М. Кутепова. - М.: Наука, 2001. -С. 336-397.
8. Вихорева, Г.А. // Химич. волокна / Г.А. Вихорева, И.Н. Горбачева, Л.С. Гальбрайх. - 1994. - № 5.
- С. 37-45.
9. Марьин, А.П. // Высокомолекулярные соединения / А.П. Марьин, Е.П. Феофилова, Я.В. Генин, Ю.А. Шляпников, И.В. Писаревская. - 1982. -Т. Б24, № 9. - С. 658-662.
10. Рабинович, И.Б. // ЖФХ / И.Б. Рабинович, М.С. Шейман, В.П. Нистратов, Г.П. Камелова, А.Д. Зорин. - 1985. - Т. 59, № 10. - С. 2414-2417.
11. Рыбкин, Н.Г. // Изм. техн. / Н.Г. Рыбкин, М.П. Орлова, А.К. Баранюк, Н.Г. Нуруллаев, Л.Н. Рожновская. - 1974. - № 7. - С. 29-32.
12. Кирьянов, К.В. // Тр. по химии и хим. технологии: Межвуз. сб. / К.В. Кирьянов, В.И. Тельной. -Горький: ГГУ, 1975. Вып. 4. - С.109-110.
13. Термические константы веществ: справочник / Под ред. В.П. Глушко. - М.: ВИНИТИ, 1965. Вып. 1; 1966. Вып. 2; 1970. Вып. 4. Ч. 1.
14. Урьяш, В.Ф. // Термодинамика органич. соедин.: Межвуз. сб. / В.Ф. Урьяш, А.Н. Мочалов, В.А. Покровский. - Горький: ГГУ, 1978. Вып.7. - С.88-92.
15. Бартенев, Г.М. Релаксационные процессы в стеклообразных системах / Г.М. Бартенев, Д.С. Сан-дитов. - Новосибирск: Наука, 1986. - 238 с.
16. Гофман, Дж.Д. // Переходы и релаксационные явления в полимерах / Дж.Д. Гоффман, Г. Вилльямс, Е. Пассаглиа / Под ред. Р. Бойера. - М.: Мир, 1968. -384 с.
17. Perez, J. // Высокомолек. соедин. / J. Perez. -1998. - Т. Б40, № 1. - С. 102-135.
18. Урьяш, В.Ф. Автореф. дис. ... доктора хим. наук / В.Ф. Урьяш. - Н. Новгород, 2005. - 49 с.
EFFECT OF ACIDOLYSIS ON THE HEAT CAPACITY AND PHYSICAL TRANSFORMATIONS
OF CHITIN AND CHITOSAN
V.F. Ur’yash, N.Yu. Kokurina, V.N. Larina, V.P. Varlamov, N.V. Grishatova, A.E. Gruzdeva
Using the calorimetry and differential thermal analysis, we study the heat capacities at temperatures 80-330 K and determine the physical-transformation temperatures of the «crystalline» and acidolysed hard-shell chitin and chitosan. The standard enthalpies of combustion and formation of these chitin samples are determined.
