CC BY
82
УДК 544.777
А. А. Базунов, И. Р. Аллаяров, М. В. Базунова, Г. Е. Заиков
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СИСТЕМ ХИТОЗАН-ГЛИЦЕРИН В КАЧЕСТВЕ СВЯЗУЮЩЕЙ ОСНОВЫ В КОМПОЗИЦИЯХ ДЛЯ МИКРОКАПСУЛИРОВАНИЯ И ДРАЖИРОВАНИЯ СЕМЯН СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ РАСТЕНИЙ
Ключевые слова: хитозан, глицерин, динамическая вязкость, композиции для предпосевной обработки семян.
Изучены возможности управления вязко-упругих свойств систем на основе хитозана, заключающиеся в формировании дополнительной сетки физических связей за счёт введения низкомолекулярного модификатора -глицерина, способного образовывать межмолекулярные водородные связи с макромолекулами полимера. Предложенные системы хитозан-глицерин испытаны в качестве связующей или плёнкообразующей основы композиций для предпосевной обработки семян. Установлено, что система хитозан-глицерин-0,1 %-ная уксусная кислота с концентрацией хитозана 0,4 мас. % оказывают положительное влияние на энергию роста семян семян пшеницы.
Key words: chitosan, glycerin, dynamic viscosity, for seed treatmentformulation.
The possibility of controlling the viscoelastic properties of the chitosan-based systems are studied. They consist in the formation of an additional network ofphysical links by introducing low molecular weight modifier - glycerol which capable of forming intermolecular hydrogen bonds with the polymer macromolecules. The proposed system of chitosan-glycerol tested as a binder or film-forming compositions of the foundations for the pre-treatment of seeds. It is found that the system of chitosan-glycerol-0.1% acetic acid with the concentration of chitosan 0.4 wt. % Have a positive impact on the energy of growth of seeds of wheat seed.
Введение
Применение химических средств защиты растений является важным резервом увеличения продуктивности растениеводства, повышения качества продукции, сокращения потерь при уборке и хранении, расширения возможностей механизации возделывания ряда сельскохозяйственных культур.
Практика, научные разработки специализированных институтов показывают, что для получения ожидаемого, научно-планированного урожая, необходима предпосевная обработка семян, которая защищает семя, стимулирует ростовые процессы, способствует более эффективному начальному росту семян, сеянцев, стимулирует их укоренение. Одними из наиболее эффективных вариантов предпосевной обработки семян является их дражирование и микрокапсулирование составами, содержащими протравители, регуляторы роста, микроэлементы и другие добавки, а в качестве связующей или плёнкообразующей основы - некоторые полимеры. Особенно перспективны в этом плане биогенные стимуляторы, в том числе природные полисахариды (пектины, камеди, полиглюкозамины, в том числе хитозан (ХТЗ), и их производные) [1].
Наибольший интерес в качестве связующей или плёнкообразующей основы композиций для предпосевной обработки семян сельскохозяйственных культур в процессах микрокапсулирования и дражирова-ния вызывает использование ХТЗ и его производных. ХТЗ - один из наиболее распространенных биоразла-гаемых материалов в мире. Деградированные молекулы хитина/хитозана содержатся в почве и воде. В сельском хозяйстве ХТЗ используется, в основном, в качестве натурального средства для предотвращения болезней семян и усиления роста растений, а также в качестве экологически чистого биопестицида, который повышает врожденную способность растений
защищаться от грибковых инфекций. Такие виды биологической активности ХТЗ обусловлены его антибактериальными, фунгицидными, адсорбционными и антиоксидантными свойствами [2-17].
К связующей или плёнкообразующей полимерной основе композиций для предпосевной обработки семян предъявляются такие требования, как удерживаемость нанесенного слоя на поверхности семян, осыпаемость, водостойкость слоя покрытия семян, отсутствие препятствий постепенному диффундированию веществ из обволакивающего слоя дражированного семени в почву. Эти критерии, а также некоторые показатели технологического режима приготовления композиций для предпосевной обработки семян, во многом зависят от реологического поведения полимерной системы, используемой в качестве связующей или плёнкообразующей основы [18].
В данной работе выбран подход к управлению вязко-упругих свойств систем на основе ХТЗ, заключающийся в формировании дополнительной сетки физических связей между за счёт введения низкомолекулярного модификатора - глицерина, способного образовывать межмолекулярные водородные связи с макромолекулами ХТЗ.
Следовательно, целесообразным является исследование способов регулирования реологического поведения систем ХТЗ-глицерин и исследование влияния данных систем на энергию роста семян сельскохозяйственных культур.
Экспериментальная часть
В работе использовали ХТЗ с М.м. = 340 кДа (ТУ 9284-027-11734126-08) производства ЗАО «Биопрогресс» (г. Щелково).
В качестве растворителя ХТЗ использовали смеси 0,1 %-ной уксусной кислоты с глицериной в объёмном соотношении 90:10, 80:20 и 70:30 об. %.
Реологические измерения систем на основе ХТЗ проводили на модульном динамическом реометре Haake Mars III при 250С. Кривые течения и кривые вязкости получены в режиме непрерывного сдвигового деформирования в диапазоне скоростей сдвига от 0,1 до 100 с-1. За наибольшую ньютоновскую вязкость принимали вязкость, определенную при скорости сдвига равной 0,1 с-1, за наименьшую - при скорости сдвига 100 с-1.
Исследование влияния систем ХТЗ-глицерин на энергию роста семян проводили на примере семян пшеницы сортов «Экада-70» и «Башкирская», предоставленных отделом биологических испытаний Научно-исследовательского технологического института гербицидов и регуляторов роста растений (г. Уфа). Эксперимент проводился следующим образом: в чашки Петри на дно помещали бумажный фильтр, затем заливали необходимым для опыта количеством жидкости и раскладывали сухие семена зерновых культур. В контрольных опытах использовалась вода, раствор уксусной кислоты концентрацией 0,1 мас. % и смеси 0,1 %-ной уксусной кислоты с глицериной в объёмном соотношении 90:10, 80:20 и 70:30 об. %. Количество жидкости зависит от размера семян - от 4 до 8 мл. Длительность опытов составляла 3 дня. По-вторность каждого варианта 3-х кратная.
Обсуждение результатов
Вязко-упругие свойства полимерных систем, применяемых в качестве связующей или плёнкообразующей основы композиций для предпосевной обработки семян, могут повлиять не только на технику нанесения композиции на поверхность обрабатываемого семени и толщину нанесённого слоя, но и на равномерность распределения компонентов композиции. Применение глицерина в качестве низкомолекулярного модификатора реологического поведения систем на основе ХТЗ позволит также улучшить совместимость компонентов композиции.
.При изучении реологического поведения растворов ХТЗ в смесях 0,1 %-ная уксусная кислота-глицерин различного объёмного соотношения установлено, что добавление глицерина в систему ХТЗ-вода-уксусная кислота сопровождается увеличением динамической вязкости во всём диапазоне концентраций полимера. Формирование сетки зацеплений в присутствии глицерина начинается при более низких концентрациях ХТЗ, чем в случае водных растворов полимера (рис. 1). Более того, (рис. 2), чем больше содержание глицерина в системе, тем больше вклад упругой составляющей в общий прирост вязкости.
Следовательно, при нанесении на семена композиции, содержащей в качестве связующей основы систему ХТЗ-глицерин-0,1 %-ная уксусная кислота с концентрацией ХТЗ 0,4 мас. % и выше, сравнительно небольшие напряжения сдвига приведут к обратимому разрушению дополнительной сетки физических связей, образованной за счёт введения глицерина, и система станет текучей. При снятии напряжения пер-
воначальная вязкость системы восстановится, и ком-композиция закрепится на поверхности семени.
Па*с 1,2 1
0% глицерина 10% глицерина 20% глицерина 30% глицерина
Рис. 1 - Зависимость вязкости растворов ХТЗ в смесях уксусная кислота-вода-глицерин по сравнению с растворами ХТЗ в уксусной кислоте от концентрации полимера, концентрация уксусной кислоты 0,1 %
г], Па*с
1,2 -I
• 0,2% ХТЗ ▼ 0,4% ХТЗ ■ 0,6% ХТЗ
♦ 0,8% ХТЗ
* 1,0% ХТЗ
35
,, %
Рис. 2 - Зависимость вязкости растворов различных концентраций ХТЗ в смесях уксусная кислота-вода-глицерин от содержания глицерина, концентрация уксусной кислоты 1 %
Проведены предварительные биологические испытания систем ХТЗ-глицерин-0,1 %-ная уксусная кислота для установления их влияния на энергию роста семян пшеницы сортов «Экада-70» и «Башкирская». Обработанные семена пшеницы высевались в чашки Петри диаметром 15 см по 20 семян в каждый [21-23]. В течение трех дней проводились визуальные наблюдения (табл. 1).
Данные, приведённые в таблице 1 показывают, что система ХТЗ-глицерин стимулирует начальные процессы роста растений пшеницы, значительно увеличивая всхожесть семян в сравнении с контрольными вариантами, где семена обрабатывались водой, раствором уксусной кислоты концентрацией 0,1 мас. % и смесями 0,1 %-ной уксусной кислоты с глицериной в объёмном соотношении 90:10, 80:20 и 70:30 об. %.
Установлено, что система ХТЗ-глицерин-0,1 %-ная уксусная кислота с концентрацией ХТЗ 0,4 мас. % оказывают положительное влияние на энергию роста семян.
1,0 -
0,8
0,6
0,2 -
0,0 -
0,0
0,2
0,6
0,8
1,0
1,2
с, %
0
5
10
15
20
25
30
Вестник технологического университета. 2016. Т.19, №5 Таблица 1 - Влияние системы ХТЗ-глицерин-0,1 %-ная уксусная кислота на энергию роста семян пшеницы
Система для обработки Конц. ХТЗ Длина стебля, Длина корня, Всхожесть Зараженность
семян в рабочем растворе, г/л см см семян, % семян, %
вода - 3,3±0,2 6,3±0,7 82,0±6,3 23,0±5,2
0,1 %-ная уксусная - 2,1±0,2 4,3±0,6 62,0±4,3 6,2±1,1
кислота
смесь 0,1 %-ной уксус- - 3,1±0,2 5,9±0,6 72,0±5,3 13,0±2,2
ной кислоты с глице-
рином в объёмном со-
отношении 80:20 об.
%.
ХТЗ-0,1 %-ная уксус- 0,3 1,8±0,1 1,1±0,2 65±5,1 18,0±4,8
ная кислота 0,4 6,6±0,3 11,9±1,6 66±5,1 6,0±1,1
0,5 5,5±0,7 9,7±0,9 66±5,1 13,0±3,4
0,6 4,2±0,4 6,2±0,8 73±6,2 10,0±3,6
ХТЗ в растворе смеси 0,1 %-ная уксусная кислота-глицерин в объёмном соотноше- 0,3 2,5±0,2 1,9±0,4 70±2,8 0±0
0,4 6,6±0,8 9,0±1,2 78±9,5 3,0±0,9
0,5 9,0±1,3 12,0±1,5 87±5,1 5,0±1,3
нии 80:20 об. %. 0,6 6,7±1,1 9,2±1,6 78±7,0 5,0±1,3
Таким образом, на основании проведённых реологических и биологических исследований подобрано полимерное связующее на основе системы ХТЗ-глицерин-0,1 %-ная уксусная кислота для композиций для предпосевной обработки семян.
Литература
1. С. Г. Галактионов, Биологически активные вещества. Молодая гвардия. Москва. 1988. 270 с.
2. М.Д. Мукатова, Т.В. Боева, Биостимулятор повышения урожайности для сельскохозяйственных культур. Рыбпром. № 3 С.106-107. 2010.
3. K.H. Caffall, D. Mohnen. The structure, function, and biosynthesis of plant cell wall pectic polysaccharides. Carbohydr. Res. Vol. 344. P. 1879-1900. 2009.
4. M. Khotimchenko, V. Kovalev, E. Kolenchenko, Y. Khotimchenko. Acidic method for the low molecular pectin preparation. Int. J. Pharm. Pharmaceutical Sci. 2012. Vol. 4, Suppl. 1. P. 279-283.
5. A.N. Round, N.M. Rigby, A.J. MacDougal, V.J. Morris. A new view of pectin structure revealed by acid hydrolysis and atomic force microscopy. Carbohydr. Res. 2010. Vol. 345. P. 487-497.
6. A.M. Jones. Pectin agent and method of making. Food process ind. 2001. Vol. 56, № 10. P.12-15.
7. Badawy Mohamed. Фунгицидные и инсектицидные свойства О-ацилпроизводных хитозана. Polym. Bull. 2005. V. 54, № 4-5. Р. 279-289.
8. Fenghong, Chu Hui-shu. Растворимость и твердость структуры О, О-дилауроилхитозана олигосахаридов. Polym. Mater. Sci. Technol. Eng. 2009. V. 25. №5. Р. 139-142.
9. О. И. Гольцова, С. В. Колесов. Получение лекарственных пленок хитозан-йод. Успехи интеграции академической и вузовской науки по химическим специальностям: Материалы Республ. науч.-практ. конф. - Уфа: Изд-во БашГУ, 2006. 161.
10. Li Pvui-guo. Получение производных хитозана и их использование в косметике. Riyong huaxue gongye. 2004. V. 34, № 5. Р. 319 -322.
11. Xia Jin-Lan. Получение и антимикробная активность кар-боксиметил-хитозан-Ag-тиобендазола. Xia Jin-Lan [et al.]. Ziran kexue ban. 2005. V. 36, № 1. Р. 34-37.
12. Chen Lingyun. Влияние степени деацетилирования замещения карбоксиметилхитозана на его агрегирование. Chen Lingyun [et al.]. J. Polym. Sci. B. 2005. V. 43, № 3. Р. 296-305.
13. Chen Lingyun. Соотношение между молекулярной структурой и удерживанием влаги карбоксиметилхитином и хи-тозаном. Chen Lingyun [et al.]. J. Appl. Polym. Sci. 2002. V. 83, № 6. Р. 1233-1241.
14. R. Abreu Feenanda, P. Campana-Filho Sergio. Получение и характеристика карбоксиметилхитозана. Polim. cienc. e tecnol. 2005. V. 15, № 2. Р. 79-83.
15. М.В.Базунова, Э.А.Шарипова, Д.Р.Валиев, Г.Е.Заиков. Продукты деструкции хитозана и его производных и. их биологическая активность в качестве плёнкообразующих компонентов композиций для предпосевной обработки семян. //Вестник технол. ун-та. 2015. Т. 18 № 1, с 364-366
16. Л. А. Нудьга, В. А. Петрова, В. Н. Шелегедин. Четвертичные производные хитозана. Синтез и антимикробные свойства. Эфиры целлюлозы и крахмала: синтез, свойства, применение: Матер. 10 Юбилейной Всерос. науч.-технич. конф. с международным участием, посвященной 45-летию создания научного направления «Эфиры целлюлозы». Суздаль. 2003. C. 130—133.
17. В. А. Кузнецов, В. Л. Лапенко. Хитозан и дезоксикрахмал в качестве полимерных частиц для иммобилизации биологически активных компонентов.// Вестник МИ ТХТ. 2009. Т. 4. №3. С. 97-102.
18. М.В. Базунова, Д.Р. Валиев, Р.Ф. Тухватуллин, Е.И. Кулиш. Полимерные гели биомедицинского назначения на основе водно-этанольных растворов сукцинамида хитозана.// Научно-технический вестник Поволжья. 2015. №2. С. 30-32.
А. А. Базунов, ст. препод. каф. физического воспитания и спорта, специалист в области общей химической технологии и технологии биологически-активных веществ, Башкирский госуд. ун-тет, mbazunova@mail.ru; И. Р. Аллаяров, студ. каф. высокомолекулярных соединений и общей химической технологии, Башкирский госуд. ун-тет; М. В. Базунова, канд. хим. наук, доц. той же кафедры; Г. Е. Заиков, д-р хим. наук, проф. каф. технологии пластических масс КНИТУ, chembio@sky.chph.ras.ru.
A. A. Bazunov - the docent of the department of high-molecular connections and general chemical technology of the chemistry faculty of the Bashkir State University, mbazunova@mail.ru; I. R. Allayarov - the student of the department of high-molecular connections and general chemical technology of the chemistry faculty of the Bashkir State University; M. V. Bazunova - the candidate of the chemical sciences, docent of the department of high-molecular connections and general chemical technology of the chemistry faculty of the Bashkir State University; G. E. Zaikov - the doctor of the chemical sciences, KNRTU, chembio@sky.chph.ras.ru.
