CC BY
62
664 951 7' 8
КИНЕТИКА РЕАКЦИИ ДЕЗАЦЕТИЛИРОВАНИЯ ХИТИНА
И ХИТ03АНА
В К) НОВИКОВ Т А ОРЛОВА, И Э ВОРОНИНА
Научно-производственное объединение «Севрыбтехцентр»
Мурманское высшее инженерное морское училище им Ленинского комсомола
Хитозан - ценный биопецимер получаемый из панцирей ракообразных Он представляет практический интерес для медицины, химической промышленности, биотехнологии, сельского хозяйства Раз личие направлений использования этого полимера предполагает разные требования к качественным показателям, в основном к степсни дезацетилиро-вания и вязкости растворов В настоящее время накоплен значительный материал в области полу чения хитозана, многочисленные способы защи щены патентами [1 2, 3] Возможность получения хитозана с заранее заданными значениями качественных показателей является важнейшей проблемой, связанной с расширением сфер его применения.
В настоящей работе подробно изучена кинетика реакции дезацетилирования сухого хитина и сухого хитозана, полученных из панциря криля и барсн цевоморской креветки, и сделаны предварительные выводы о механизме процесса
В качестве объектов исследований использованы хитин ХТН и хитозан ХТЗ. Хитин получали из панциря криля и креветки но технологии НПО «Сев рыбтехцентр» [4], включающей, депротеинизацию 4%-ным раствором гидроокиси натрия, демннера лизацию 3,9%-ным раствором соляной кислоты и щелочную промывку 2%-ным раствором гидроокиси натрия. Хитозан со степенью дезацетилирования б получали. 61=66,0% (ХТЗ-\) обработкой ХТН 50%-ным раствором гидроокиси натрия при (95 + ±5)° С в течение 30 мин\ 62=92,1% (ХТЗ-2) из ХТЗА при тех же условиях обработки
Дезацетилирование хитина и хитозана в лабора тории проводили во вращающейся стеклянной колбе в 50%-ном растворе гидроокиси натрия при (95.0 + +0,5)° С Соотношение масс сухого хитина или хитозана и раствора щелочи составляло 1:50. Деза-цетилированный продукт промывали проточной водой '50—60э С) до pH промывной воды не более 8 и сушили в исевдоожиженном слое (не выше 60° С)
В готовом продукте определяли массовые доли воды и минеральных веществ (золы) по [5] Степень дезацетилирования определяли кондуктометри-ческим титрованием растворов хитозана в 0,1 моль/дя* растворе соляной кислоты по методике [6] Ти-трант — 0,1 моль/дмл раствор гидроокиси натрия Степень дезацетилирования рассчитывали с учетом содержания в навеске хитозана воды и золы
Экспериментально полученные кинетические кривые дезацетилирования ХТН криля (!) и хитозана с разной степенью дезацетилирования ХТЗА (2), ХТЗ-2 (3) показаны на рис. 1. Все три кривые имеют одинаковую форму и характеризуются наличием двух участков На первом участке (продолжитель ность 30—45 мин) наблюдается резкое увеличение 6 (для ХТН на 40—50%), на втором участке эффект «насыщения»: 6 увеличивается медленно для ХТН па 14% за 10 ч Результаты по кинетике дезацетилирования ХТН практически совпадают известными литературными данными [7 8]
Нами установлено, что кинетически* кривьк
дезацетилирования ХТН криля и ХТН креветки сов падают в пределах экспериментальной ошибки Как сообщается в [8], совпадают кинетические кри вые дезацетилирования хитина креветки и краба На основании сравнения этих результатов (табл П можно предположить, что кинетика реакции дез ацетилирования не зависит от вида хитинсодержа щего сырья
Таблица I
Вре
мя
дез
аце-
тил
мин
Степень дезацетилирования, % |_ данные настоящей работы данные Гл|
ХТН криля ЛТЛ’Йі..':
ХТН
креветки
ХТН
краба
30
60
90
120
180
66,7+1,6 71,8±1,1 73,0+2,0 74,8+0,4 77 2 + 2,0
6 о. 2 60,:. ■ 70.г.
7
75,0
77.2
80.3 83,8
74,5
7Ц6
77.9
81.9
Оі/|
ОЙ|?Л.!
і;:м ' г4-:т^“р і я Ч .
еі:к г |і а і ТВ і ! • I1:11| рЗ'.Г ” I ■НЕП-' л Е-. 1г
у-^їі
СХ'Таі: ик л Оп:| ичс-:г .■ .11.1-1 ч -ікрмн 1 :■! ;)■: >
1и і.1 н V Гл'гк;;
ЇЧ.Ч
Гйінрі)
ІІ.І II.!]
Т гі
Дн:,
ІЇСТОІ
и го.
. .і'Лі !■]
і ■
1
Пі і
иг11
міЧОС
.■:: І ні/
Фраки
' I |-Ть] иТ I
ПСА .
I лл *|
.1
ІП
Й
Щ
\ъ.
, !:л'
см С >7,1 м«| '! ГО|:>.1|
ГС клс:
Различие между кинетп,!" тилирования хитина крепе. >. ной работе и в [8], оси разным н а ч а л ь ным с ос1' >: всего его степенью дез ап.' ненно, что хитин в [8] ИМ /
лнми кривыми дезаце ;!, полученными в дан ? :няется, по-видимому, мнем хитина, прежде нлирования 6П. Несом б о выше
Ри2 Непрерывное І і «іекрстпое дезацетилирование хитина с шагом ; аСчяки 00 мин 2 30 мин Я и 15 мин 4
I
1 : -.1340
••V. 7 >*
$
1,мии
Г 1. *Е
СШИБКИ 1‘кмг? КрК
> *РЯ®1'
!■ I'
и ; I!"1
-.-ллср.-»:;
Г
■( -I
хтн
I 'уЬЪ-'-
/4,5
76,5
77.9
81.9
Г ■--Г. I.
и - г; ;<!■! КлПН м V ■ ■
М ! Ь;"МИ
ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ ПИЩЕВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ, № 5 1990
Форма кинетических кривых дезацетилирования образцов хитозана позволяет объяснить эффект резкого увеличения степени дезацетилирования (практически до 100%) при дискретном дезацетилирова нии. Этот эффект описан в [7] и подтвержден нами Vрис. 2) Дискретное дезацетилирование заключается в многократном повторении цикла: обработка раствором щелочи — промывка — сушка. Уже повторная обработка приводит к значительному возрастанию б, превышающей б после нескольких часов непрерывного дезацетилирования Сущность явления заключается в том, что при дискретном дезацетилировании используется только первый участок кинетической кривой, после чего реакция останавливается и вещество возвращается в исходное состояние.
Описанный способ дискретного дезацетилирования имеет важное практическое значение, гак как позволяет получать хитозан со степенью дезацетилирования, недостижимой при обычных условиях обработки, и не приводит к сильной деструкции полимера из-за сокращения общего времени обработки горячими растворами щелочи.
Так как процесс дезацетилирования является гетерогенным, нами рассмотрено влияние перемешивания и размера частиц твердой фазы на кинетику.
Дезацетилирование хитина криля проводили при постоянном перемешивании реакционной смеси и без него. Полученные результаты показали, что в пре делах ошибки опыта кинетически» кривые дезаце-тилировання ХТН в обоих случаях совпадают (рис. 3)
Рис 3 Кинетические кривые дезацетилирования ХТН криля при перемешивании реакционной смеси 1 и без перемешивания 2
Влияние размера частиц изучали при дезацетилировании трех фракций ХТН криля, полученных рессеиванием на ситах. Первая фракция содержала частицы с диаметром менее 0,1 мм. Во второй фракции средний диаметр частиц составлял 0,5 мм. Третья фракция состояла из частиц с диаметрами от 1 до 3 мм. Результаты по дезацетнлированию трех фракций ХТН приведены в табл. 2.
Таблш^а 2
Время дезацетил , мин ! фракция
Степень дезацетилирования, %
II фракция | III фракция
15
30
45
90
120
Й7,5±ЗД 73,6 + 3,0
61,2+1,1 66,7+1,1 71ЦД±1,9 75,0 + 5,5 77,2±2,0
59,8±Д1 67,9 + 3,2 70,2+1,5 72,6±3,5 74,4±0,5
■ ш.г 1(3к < ■> '. нИ иН 1
Таким образом, можно предположить что в пределах диаметров 4астиц до 3 мм степень измельчения ХТН не влияет на кинетику дезацетилирования
Отсутствие влияния на кинетику реакции пере мешивания реакционной смеси и размера частиц оказывает, что реакция дезацетилирования протекает в порах хитина
целью выяснения механизма реакции дезаце
тилирования кинетические кривые были подвергнуты математической обработке. Установлено, что кривые не могут быть описаны элементарными функциями: это указывает на протекание сложного процесса, состоящего из нескольких элементарных реакций. Используя приемы обработки кинетических кривых [9], мы показали, что кривые дезацетилирования ХТН, ХТЗ-\ и ХТЗ-2 сводятся в одну путем трансформации по оси Об, т. е. возможно выполнение условия Инварианта-1.
Для вывода математических соотношений рассмотрим рис 4. При выполнении условий Инвари-
Рис. 4 Иллюстрация к вывезу основных математических соотношений кинетики дезацетилирования хитина и хитозана
анта-1 для кинетических кривых в любой момент времени I будет выполняться равенство:
\XTH\2
А.
— £0:1;
(1)
где
[ХТН]и
\XTHh
§ 1 > $9
[ХТН],
Ь, — коэффициент трансформации;
концентрация хитина в момент времени / при дезацетилировании ХТЗ-1 и ХТЗ-2 соответственно; степени дезацетилирования ХТЗ-\ и ХТЗ-2, %\
предельное значение степени дезацетилирования данногр хит<??ана, обусловленное его надмолеЩляр-ной структурой [10], %.
Из равенства (1) следует, что степень дезацетилирования одного хитозана линейно зависит от степени дезацетилирования другого в любой момент времени их обработки:
б2 =б,| , — Ь (бИ|,, — 5|> а+6б|, (5)
где а — бПт (1 —Ь). (3)
Методом наименьших квадратов рассчитаны коэффициенты линейной корреляции г и регрессии а и Ь для пар экспериментальных значений б полученных кинетических кривых. Для кривых дезацетилирования ХТЗ-1 и ХТЗ-2: г=0.995+0,119;
Ь— 0,169±0,022; а=80,9+1,8; 6Мт= 97,5%. Для
кривых дезацетилирования ХТН и ХТЗ-1: г—
= 0.993±0,150; Ь= 0,41 1 ±0,062; а= 58,1+4,5; бПгг = = 98,5%.
Высокие значения коэффициентов корреляции позволяют утверждать, что условие Инварианта-1 в нашем случае выполняется
9 Зака' °75
Кинетические кривые дезацетилирования были преобразованы в стандартную кривую дезацетилирования условного хитина с бо=0% (рис. 5). Одновременно определена начальная степень дезаце-тилщрования ХТН, котсЯря сосіавила 15,4%.
Рис, 5. Стандартная кинетическая кривая дезацетилиро-вання. Экспериментальные данные дезацетилирования ХТН криля /, ХТЗ-1 2 и ХТЗ-2 3, приведенные к начальной степени дезацетилирования 6»=0%
По стандартной кинетической кривой можно определить: степень дезацетилирования хитозана
в любой момент времени при обработке хитина или хитозана с известной начальной б(); время обработки / для получения хитозана с заданной б; бо исходного хитина или хитозана по степени дезацетилирования хитозана, полученного после известного времени .обработки.
На основании полученных экспериментальных данных нами обсуждены возможные механизмы реакции дезацетилирования. Форма кинетических кривых позволила ограничить число возможных схем реакций.
Выполнение условия Инварпанта-1 для кинетических кривых свидетельствует о протекании суммы элементарных реакций первого или псевдопервого порядка [9]. .
Форма кривой может объясняться обратимой реакцией типа.
хтн+он-% хтз +СН3СОО-. (4)
При избытке ОН прямая реакция имеет пеевдо-первый порядок с константой к, =&([ОН-]. Обратная реакция второго порядка, потвидимому, не может обеспечить Инвариант-1. Отсутствие обратной реакции ацетилирования подтверждается следующими данными: 1) избыток ацетата натрия в растворе не приводит к изменению кинетической кривой дезацетилирования; 2) хитозан можно дез-ацетилировать практически до 100% [7].
Предположили, что процесс дезацетилирования описывается двумя параллельными реакциями псевдопервого порядка, одна из которых приводит к дезацетилированию, а другая—к образованию неактивного сольватного комплекса хитина (М):
'\%тнк^-_ххз - '' * • я '
ХТН.
■ м.
Iі
После остановки реакции, промывки иМАяшки продукта:, комплекс • разрушается с образованием ХТН. ‘Повторная обработка щелочью приводит к более глубокому дезацетилированию. Механизм (5) формально описывается системой дифференциальных уравнений, имеющей решение;
б, =(б, ,
(6)
При /->оо реакция останавлшіается, максимальная Йоо ррна: , . ....
б,. - г,, - V
(7)
Обработка опытных кривых показала, что при существующей крутизне первого участка кривой ■значение 5^, достигается практически за 60—120 мин после начала реакции. В реальном процессе происходит постоянное возрастание б в течение нескольких часов. По-видимому, это объясняется дополнительной реакцией дезацетилирования комплекса, например, при диффузии ОН“ через сольватную оболочи:
П|
-I ХТЗ, к 2
Г
\'ШН -V м,
М ^ ХТЗ. (8)
Механизм (8) имеет оРйение -ледующего вида:
, б, = Г 1 , — —
/г,+Ь-
-к'з
(9)
Численный поиск оптимальных’Значений к\, к-г, к не позволил определить набор значений констант, при котором механизм (8) адекватно описывает экспериментальную кривую, однако форма расчетной кривой близка к опытной. Таким образом, можно предполагать, что механизм (8) является основной схемой процесса дезацетилирования.
Учитывая гетерогенность процесса, следует подробно изучить процессы диффузии, которые могут скорректировать математическую модель.
ВЫВОДЫ
1. Получены кинетические кривые дезацетилирования хитина и хитозана с разной начальной степенью дезацетилирования. Кривые характеризуются двумя участками: первый — участок резкого возрастания б, второй — участок «насыщения», на котором б увеличивается медленно. Форма кинетических кривых позволила объяснить эффект дискретного дезацетилирования.
2. В практическом аспекте для получения хитозана с высокой степенью дезацетилирования (до 98%) с одновременной возможностью регулирования этого показателя наиболее перспективен метод дискретного дезацетилирования в сравнении с непрерывны м.
3. Показано отсутствие влияния вида хитинсодержащего сырья, интенсивности перемешивания реакционной смеси и степени измельчения хитина на кинетику дезацетилирования.
4. Установлено, что для кинетических кривых дезацетилирования хитина и хитозана выполняется условие Инварианта-1. Получена стандартная кривая дезацетилирования хитина с бо=0%.
5. На основании полученных результатов предло-
жена схема процесса дезацетилирования хитина и хитозана, состоящая из трех элементарных реакций: дезацетилирования хитина, образования
малоактивного комплекса хитина, дезацетилирова-ния комплекса. При промывках и сушке продуктов реакции комплекс хитина разрушается с ображВ ванием исходного хитина.
I ■'
Ио I i'-i п и»: -1
±i'i I- юп:
Н. кол .
I ■ 1.Ж О-I,- . : ■
-rt3TIL'-'.
i%\
Sri '■■'i:
■г !■. V-
te **--
|.i -7-
I . ■ .. ^ i! V i> i . Г
Г ■ I'll p I j; ■ к -J-i"--1
I I! “_11J [.11 '■
, .1(1 i" ■"
■'f■ "-F iv v .: y.'jSi ■: LcHU1'"- ii t.^j ii'i.t-II. i:|i' ■>!<
i i..!! ^ I I 0-l[:: II- ■ 1.ЭО
't: •; ■ ii 'P -'- E a -
■ ctu: mu . iii-rt-;: “
n VX I- I'
!■;. I I -:Г. H К '■
i::? г1 и
. ;■ I ll'hl::.-.
: Ll I:! '! .'I
ivni ■! kp:;
■ ■■■ ШЙ-11,
I ■ л I 1 If.
! Я ■ :i
fjyj'!-: Nr
T ■ I I iviSVi? E II С: П1/ hL=:! ■ . ^ "U IKlf-
ЛНТЕРАТУРЛ ; ' "
1. Muzzarelli R. A. A. Chit in.— Oxford; New York; Toronto; Svdnev; Paris, Frankfurt: Pergamon Press, 1977.— 307 "p.
2. П л и с к о E. А., Нудьга Л, А., Данилов С. Н. Хитин и его химические превращения//Успехи химии.— 1977,— 46,— № 8.— С. 1470—1487.
3. М u z z а г е 1 1 i R. A. A. Chitin and its derivatives: new trends of applied research//Carbohvdr. Polym.— 1983.— 3,—№ 1,—P. 53—75.
4. Временная технологическая инструкция N° 26t>-88 по получению хитина и хитозана из панциря криля и креветки (Взамен ВТИ № 265-85 и № 227-83); Утв. 14.04.88: Препринт/ВРПО Севрыба.—"Мурманск.— 16 с.
5. ГОСТ 7636-85. Рыба, морские млекопитающие, морские беспозвоночные и продукты их переработки: Методы анализа.— М.: Изд-во стандартов, 1985.— 141 с.
*0. Нуд (Л- а Л. А., П л и с к о EBLJwfci п и л о в С. Н. О-алкилирование хитоаана//Ж. обшей химии.— 1973.-— 43.— № 12.— С. 2752—
7. Highly deaeetylated chitosan and its properties/S. Mima, M. Miya, R. Iwamoto, S. Yoshikawa//.). Appl. Polym. Sci.— 1983,— 28,— № 4,— P. 1909—1917.
8. Chitosan and modified chitosan membranes. !. Preparation and characterisation //H. Blair, J. Guthrie, T.-K.Law. P. Turkin-gton // J. Appl. Polum. Sci.— 1987.— 33 — .Ns 2,— P. 641—656.
9. Ш м ii д P., С а и у н о в В. H. Неформальная кинетика. В поисках путей химических реакцнй/Г; .р. с англ.— М.: Мир, 1985,— 264 с.
10. Нудьга Л. А. Получение хитозана, его производных и исследование их свойств: Автореф. дис канд. хим. наук.— Л., 1979.— 21 с.
Поступила .27.02.90
577.115.
ВЛИЯНИЕ МЕТОДОВ ВЫДЕЛЕНИЯ ЛИПИДОВ ИЗ ОБЪЕКТОВ ГИДРОБИОНТОВ НА ИХ КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ / И КАЧЕСТВЕННЫЙ СОСТАВ
Н. Н. ЖАМСКАЯ, В. В. СУЛТАНОВА, М. В. ТРОФИМОВА, Л. В. ЩЕТИНКИНА
. Дальневосточный технический институт рыбной промышленности и хозяйства
Вопрос, связанный с выделением липидов из различных объектов, остается спорным. В настоящее время для экстрагирования липидов из пищевых и кормовых рационов предлагается использовать хлороформенный метод [2, 3].
Цель работы — установить влияние метода выделения липидов из объектов гндробпоптов на суммарный состав и качественное состояние липидов.
Нами исследованы па трех образцах биомассы следующие способы выделения лнппдов: экстра-
гирование бинарным растворителем с использованием этанола по методу Блойя и Дайера [2], настаивание с хлороформом 1 ч, 6 ч [I]. Предварительно мы провели выделение липидов бинарны*! растворителем с использованием полярного метанола и полярного этанола из трех видов кормов. В результате сделали вывод, что использование Вместо метанола менее полярного и .менее токсичного этанола приводит к потере меньше 1% липидов. Некоторые авторы вместо токсичного метанола также предлагают использовать менее токсичный этанол [3]. Результаты наших анализов по содержанию липидов в различных образцах биомассы представлены в табл. 1.
Отклонение параллельных опытных результатов от среднего результата составляет 0,02 обе. %.
Наиболее полное выделение липидой достигается методом Блойя и Дайера. При экстрагирований" хлороформом с настаиванием 1 ч извлекается приблизительно 55—60% липидов, с настаиванием 6 ч — 60—70% липидов по отношению к методу Блойя и Дайера. Таким образом, согласно нашим М литературным данным [4], метод экстрагирования неполярным растворителем (хлороформом) для продуктов, богатых фосфолипидами, прочно связанными в клетках, не дает полного количественного извлечения. Значительная часть кислых липидов (фосфолипидов и др.) при этом не извлекается. Это подтверждается результатами анализа на содержание фосфора (табл. 2)
Содержание фосфора определяли колорнметриче
ским методом (прибор КФК-2), основанном па использовании молибден-ванадиевого реактива [5].
Содержание фосфолипидов рассчитывали умножением содержания фосфора на коэффициент 25.
По методу Блойя и Дайера выделили липиды, содержащие в 2 раза больше фосфолипидов по сравнению с хлороформенным (6 ч) и в 6 раз больше по сравнению с .хлороформенным (1 ч) настаиванием. Эти результаты подтверждают наши выводы, что при элюировании липидов бинарным растворителем (хлороформ — этанол) по методике Блойя и Дайера полярный этанол разрушает протсолшшдные комплексы, в состав которых в основном входят фосфолипиды.
По нашим данным тонкослойной хроматографии для липидов, выделенных разными методами из всех образцов биомассы с использованием системы растворителей гексан — диэтиловый эфир — ледяная уксусная кислота 73 : 25 : 2, на пластинках ЗПиЫ различий в классах липидов нет. Если говорить о количественном содержании отдельных классов по размерам и интенсивности окрашенных пятен, можно полагать, что ,в липидах, выделенных хлороформенным методом, содержатся в меньшем количестве фосфолипиды (в качестве проявителя применяли йод).
Метод выделения оказывает существенное влияние на качественное состояние липидов, характеризуемое показателями степени окисления. Пере-кисное, кислотное (табл. 1), йодные Числа (табл. 3) определяли по стандартным методикам.
В липидах, выделенных• настаиванием с хлороформом 1 ч п 6 ч, четко зафиксировано в 1,5—4 раза больше перекненых соединений по сравнегИбю с методом Блойя и Дайера.
Содержание свободных кислот в липидах, выд:ё* ленных хлороформом (1 ч и 6 ч), различается незначительно — 2%. В то же время в лнгпДх, выделенных способом экстрагирования бинарным растворителем, наблюдается повышенное содержание свободных жирных кислот (кислотные числа отличаются па 5—25%).
