CC BY
93
2001
Известия Тихоокеанского научно-исследовательского рыбохозяйственного центра
Том 129
С.В.Леваньков, Е.В.Якуш
УДЕЛЬНАЯ ПОВЕРХНОСТЬ ХИТОЗАНА И СПОСОБ ЕЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
В России, как и в других странах, разработано и запатентовано множество способов промышленного получения хитина и хитозана, но из-за несовпадения в требованиях и свойствах, предъявляемых в различных областях использования, единого стандарта на эти продукты нет. Существует лишь достаточно условное деление на технические, промышленные, пищевые и медицинские препараты. Параметры, регламентируемые нормативно-технической документацией (НД) и спецификациями на хитиновые продукты, характеризуют химическую чистоту и однородность полимеров, но не определяют их свойства и направления практического применения (за исключением вязкостных характеристик растворов хитозана). На Азиатско-Тихоокеанском симпозиуме в Таиланде (1996 г.) и Всероссийской конференции в Москве (1999 г.) проблема унификации свойств хитиновых полимеров широко и глубоко обсуждалась, но единого сертификата выработано не было и проблема соответствия регламентируемых свойств направлениям практического применения осталась открытой. Неполный спектр регламентируемых НД физико-химических свойств хитиновых полимеров является причиной неадекватных результатов в областях практического применения, когда образец с заведомо более высокими характеристиками дает менее удовлетворительный результат. Это особенно касается процессов промышленной и тонкой химической переработки и модификации хитиновых полимеров. Основываясь на требуемых НД характеристиках свойств хитинов, проблематично не только предсказать их поведение в практических ситуациях, но и объяснить некоторые парадоксальные моменты практического использования.
В литературе имеется достаточное количество работ, посвященных химическим превращениям хитиновых полимеров, протекающим как с участием функциональных групп, так и внутри полисахаридной цепи. В большинстве работ авторами отмечается, что для успешного результата ими использовались приемы, условно называемые активацией полимера. Так, Е.А.Юркиной и Л.М.Пауковой (1996) для осуществления реакций с глутаровым, малоновым альдегидами и сукцинальдегидом использовался метод активации хитозана переосаждением щелочью из разбавленного кислого раствора. В зависимости от типа реактора переосажденный хито-зан получали в порошкообразном виде или в виде небольших чешуек. Авторы подчеркивают необходимость этой процедуры для получения продуктов реакций с удовлетворительными выходами.
109
Несовпадение основных показателей хитозана и его способности связывать ионы металлов также отмечалась неоднократно (Onsoyen, Skaugrud, 1990).
В настоящей работе нами предпринята попытка расширить спектр физико-химических характеристик хитозана показателем величины удельной поверхности (площади поверхности 1 г вещества, выраженной в квадратных метрах), определяющей сорбционные свойства полимера в процессах гетерофазной сорбции.
Объектом исследования были хитины, выделенные экстракцией из панцирьсодержащих тканей камчатского краба (Paralithodes camtschatica), и хитозаны, полученные дезацетилированием хитинов 40-60 %-ными растворами щелочей при соотношении хитин: щелочь 1: 4-15 и температуре 25-130 °С.
Спектрофотометрические определения проводили на спектрофотометре СФ-46.
Характеристическую вязкость определяли на вискозиметре типа Ubbelohde при температуре 25,0+0,1 оС для растворов хитозана в 0,2 М уксусной кислоте, 0,1 М хлориде натрия и 4М мочевине.
Молекулярные массы рассчитывали по формуле Ли (Lee, 1974): [r¡l = 8,93 - 10-4 M0'7', где [n] - характеристическая вязкость, М - средневесовая молекулярная масса.
Степень дезацетилирования определяли по реакции аминополиса-харида с нитритом натрия в кислой среде. Для этого 0,1-0,5 г полисахарида, взвешенного с точностью до 0,1 мг, растворяли или суспендировали в избытке 10 %-ного раствора соляной кислоты, охлажденном до температуры 4-6 оС. К реакционной смеси добавляли навеску нитрита натрия в полуторакратном избытке. Выделяющийся в процессе реакции азот отводили из реакционной смеси по газоотводной трубке и собирали в ловушке с водным затвором. Объем собранного азота пересчитывали применительно к нормальным условиям состояния идеального газа. О количестве свободных аминогрупп судили по объему выделившегося азота (Allan, Peyron, 1995a, b). Степень дезацетилирования выражали в процентах.
Гранулометрический состав хитозана определяли с помощью набора сит с размерами ячеек от 0,25 до 5,0 мм.
Удельную поверхность полисахаридов устанавливали по следующей методике: к навеске 0,2 г полисахарида добавляли 9,5 мл воды и 0,5 мл рабочего раствора метиленового синего концентрацией 0,4 мг/мл. После чего, не отфильтровывая осадок, измеряли оптическую плотность при длине волны 650 нм. По калибровочному графику, построенному в диапазоне концентраций красителя от 0 до 0,02 мг/мл, определяли величину адсорбции. Величина адсорбции 45 мг метиленового синего соответствует примерно 700 м2 поверхности.
Определение удельной поверхности основано на принципе расчета величины максимальной сорбции красителя на поверхности твердой фазы в режиме статической сорбции в равновесных условиях. При этом максимальная величина сорбции независимо от характеристик и свойств твердой фазы достигалась через 60-70 ч контакта, изменяясь линейно со временем эксперимента (рис. 1). Эксперимент проводился при периодическом перемешивании, не приводящем к изменению грануломет-
110
рического состава твердой фазы. Это позволило рассматривать процесс сорбции красителя на поверхности твердого материала как реакцию псевдопервого порядка.
1100
: 1000
900
800
со 700
600
10 20 30 40
50 60 70 80 Время, час
90 100
Рис. 1. Зависимость величины сорбции метиленового синего на поверхности хитозана (степень дезацетилирования 98 %, кинематическая вязкость 538 сПз, молекулярный вес 160 ^а) Fig. 1. Dependence of Methylen Blue absorbtion at chito-san surface on time period. Chi-tosan properties: degree of deacetylation - 98 %, cinematic viscosity - 538 cPs, molecular weight - 160 kDa
Начало участка (10-й час экспозиции смеси) соответствует в среднем 60-65 % максимального значения величины сорбции. Интересно, что этот же интервал значений соответствует области псевдоэкстремума кривой зависимости степени дезацетилирования хитина в условиях температурной обработки последнего в избытке щелочи (Новиков и др., 1990). Таким образом, можно предположить, что процесс сорбции начинается с наиболее доступных участков биополимера, приводит к достаточно быстрой блокировке тех звеньев его цепи, которые являются вместе с тем стерически более доступными при дезацетилировании хитина. Далее процесс из области кинетического контроля переходит в область термодинамического контроля, что отвечает более высокой плотности одинаково заряженных аминогрупп в цепи полимера. Это подтверждается установленной зависимостью удельной поверхности образцов хи-тозана с различной степенью дезацетилирования, полученных в одной химической серии методом отбора проб (рис. 2).
1050 1000 950 : 900 м 850 i 800 i 750 700 650 600
Рис. 2. 3 ависимость величины сорбции метиленового синего от степени дезацетилирования хитозана (время сорбции 12 ч)
Fig. 2. Dependence of Methylen Blue absorbtion on degree of deacetylation of chitosan (absorb-tion period - 12 h)
50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Степень дезацетилирования,%
На рис. 2 видно, что по истечении 12 ч эксперимента сорбция красителя на поверхности твердой фазы достигает предельного значения только для тех образцов хитозана, которые имеют степень дезацетилирования менее 60 %. Следовательно, при анализе сорбции в пролонгированном режиме не совсем верно говорить об определяемой поверхности образца, так как фиксируемой величиной является равновесная концентрация
111
метиленового синего в растворе. По-видимому, сравнительно быстрое достижение состояния равновесной системы сорбент - сорбируемое вещество отвечает величине поверхности материала, участвующей в процессах обратимой сорбции. В то же время увеличение времени сорбции до 72 ч не приводит к существенным изменениям величин удельной поверхности хитозанов (рис. 3). Рис. 3 иллюстрирует состояние системы, соответствующее равновесному процессу сорбции с максимальной адсорбцией тестируемого вещества и постоянной минимальной концентрацией его в растворе.
18
16
Г14
о 12
£ 10
Рис. 3. Удельная поверхность хитозана в зависимости от времени сорбции
Fig. 3. Dependence of chitosan specific surface on absorb-tion time
53 57 64 73 81 86 92 95 98
Степень дезацетилирования хитозана,%
Я 12 часов □ 72 часа
Таким образом, время насыщения поверхности хитозана красителем до установления максимальной величины удельной поверхности составляет не менее 70 ч. При этом для образцов хитозана одной химической серии величина относительной ошибки определения удельной поверхности независимо от степени дезацетилирования не превышает 2 %. Это проиллюстрировано рис. 3, данные которого показывают, что в условиях термодинамического контроля величина сорбции метиленового синего (т.е. величина удельной поверхности) не является функционально зависимой от степени дезацетилирования хитозана.
Описанные в литературе приемы активации поверхности хитозана для дальнейшего введения его в процессы гетерофазной модификации основаны главным образом на медленном осаждении хитозана из растворов. Наиболее очевидным результатом этого является изменение гранулометрического состава полимера. Однако, как было показано (Нудьга и др., 1973a, б; Юркина, Паукова, 1996), получение мелкодисперсной фракции не является необходимым фактором увеличения реакционноспособ-ности полимера в гетерофазных реакциях.
В описанных выше экспериментах использовали полисахариды, гранулометрический состав которых отвечал размерам частиц по наибольшему измерению от 2,5 до 3,0 мм и был однороден не менее чем на 95 %. Между тем для процессов гетерофазной сорбции важное значение имеет степень измельчения твердой фазы, с увеличением которой увеличивается площадь контакта между фазами. Нами показано, что с возрастанием степени измельчения хитозана величина предельной сорбции достигается за меньший промежуток времени, однако зависимость удельной поверхности от гранулометрического состава твердой фазы при этом является более сложной (рис. 4). Обращает на себя внимание тот факт, что эта зависимость является прямой, а не обратной, как того можно
112
было ожидать, и с увеличением размера частиц твердой фазы величина сорбции метиленового синего возрастает. Эта тенденция является постоянной и не зависит от степени дезацетилирования образца при достаточной продолжительности сорбции (рис. 5).
1200 1100
f 1000
4
; 900
, 800
I
О 700
>
600 500
Рис. 4. Зависимость величины сорбциии метиленового синего от гранулометрического состава хитозана
Fig. 4. Dependence of Methylen Blue absorbtion value on chitosan granulating composition
1,5 2 2,5 3 Размер частиц , мм
50-60 60-70 70-80 80-90
Степень дезацетилирования хитозана,%
<1 mm □ 1-1,5 mm Н 1,5-2,5 mm И > 2,5 mm
granulating contents and degree of deacetylation
>90
Рис. 5.
3 а в и с и -мость величины удельной поверхности хитозана от гра-нулометри-ческого состава и степени деза-цетилирова-ния
Fig. 5. Dependence of chitosan specific surface on its
Возможно, причиной наблюдаемой в эксперименте зависимости является изменение потенциальной поверхностной энергии при измельчении вследствие механохимических процессов конфигурационного изменения, в результате чего происходит потеря спиральной конформации или изменение степени эпимеризации гликозидных связей (Пениче-Ко-вас и др., 1984). Вероятной причиной может являться и частичное окисление концевых фрагментов молекулы полимера. О возможности протекания такого рода окислительных процессов свидетельствует изменение цветности раствора хитозана в разбавленной уксусной кислоте в видимой области спектра при 465 нм. Величина оптической плотности 1 %-ного раствора хитозана возрастает с увеличением времени механической нагрузки и наиболее сильно выражена для более мелкой фракции (рис. 6). Приведенные на рис. 6 логарифмические зависимости оптической плотности уксуснокислых растворов хитозана от времени механического измельчения подтверждают возможность механохимической модификации поверхности сорбента.
Рис. 6. Зависимость цветности растворов хитозанов от времени механического измельчения
Fig. 6. Dependence of chito-san solution color base on the time of mechanical destruction
Как показали наши эксперименты, температурный режим дезацети-лирования хитина влияет на величину удельной поверхности хитозана: при использовании одного и того же образца хитина она в 1,6-2,0 раза больше для хитозана, полученного дезацетилированием при 65 °С, чем при 130 оС (продолжительность температурного воздействия была одинакова).
Полученные для ряда хитозанов данные по удельной поверхности хорошо коррелируют с данными по ионной емкости, сорбции и флокуля-ции белка (см. таблицу).
Зависимость сорбционных и ионообменных характеристик хитозана от величины удельной поверхности полимерного сорбента Dependence of absorbing and ion-exchanging properties of chitosan on its specific surface value
Характеристики хитозана Ионный эквивалент, Сорбция Флокуляция
а, п, MW, УП, мэкв/г альбумина, гемоглобина,
% мм2/с2 kDa м2/г Cu2+ Ni2+ Fe3+ мг/ г мг/мг
53 270 220 11 4,08 1,92 1,17 2,06 54,8-63,1
16 4,94 2,96 1,68 2,71 74,5-83,2
67 430 390 12 4,16 2,08 1,34 2,21 67,6-69,8
14 4,61 2,74 1,56 2,54 68,4-75,2
92 460 240 9 3,68 1,54 0,98 1,63 48,4-57,3
17 5,02 3,02 1,73 3,05 79,6-92,1
Примечание. - молекулярный вес; а - степень дезацетилирования хитозана; УП - величина удельной поверхности хитозана; п - кинематическая вязкость 1 %-ного раствора хитозана в 2 %-ной уксусной кислоте.
Данные таблицы иллюстрируют более значимую роль показателя величины удельной поверхности хитозана в сравнении с другими его характеристиками для оценки сорбционных свойств полимера.
В заключение необходимо отметить, что для определения величины удельной поверхности хитозана необходимо использовать образцы, не содержащие белковых примесей. Методом дозированного введения в хитозан белка (использовался яичный альбумин с последующей денатурацией сорбированного белка сушкой в вакууме при температуре 95 °С) было показано, что его количество по-разному отражается на величине удельной поверхности. В зависимости от доли белковых примесей, определение удельной поверхности дает незначительно заниженные или весьма завышенные результаты (рис. 7).
Рис. 7. Влияние примесей белков в хитозане на сорбцию метиленового сине-
Fig. 7. Influence of protein impurities in chitosan on Methylen Blue absorbtion value
Авторы выражают благодарность доктору химических наук В.ААвраменко (Институт химии ДВО РАН) за помощь в планировании экспериментов, отработке методики и интерпретации результатов по определению удельной поверхности сорбентов.
ЛИТЕРАТУРА
Новиков В.Ю., Орлова Т.А., Воронина И.Э. Кинетика реакции деза-цетилирования хитина и хитозана // Изв. вузов. Сер. Пищ. технология. -1990. - № 5. - С. 64-67.
Нудьга Л.А., Плиско Е.А., Данилов С.Н. О-алкилирование хитозана // ЖОХ. - 1973a. - Т. 43, вып. 12. - С. 2752-2756.
Нудьга Л.А., Плиско Е.А., Данилов С.Н. N-алкилирование хитозана // ЖОХ. - 19736. - Т. 43, вып. 12. - С. 2756-2760.
Пениче-Ковас К., Нието Х.М., Гарсиа-Алонсо И., Фернандес-Белт-ран Х.Р. Влияние некоторых параметров приготовления хитозана на его характеристики // Биоорган. химия. - 1984. - Т. 10, № 9. - С. 1248-1252.
Юркина Е.А., Паукова Л.М. Изучение возможности использования производных хитозана в качестве носителей для иммобилизации ферментов // Тр. АтлантНИРО. - 1996. - Т. 2. - С. 81-84.
Allan G.G., Peyron M. Molecular weight manipulation of chitosan. I: kinetics of depolymerization by nitrous acid // Carbohydrate research. - 1995a. -Vol. 277. - P. 257-272.
Allan G.G., Peyron M. Molecular weight manipulation of chitosan. II: prediction and control of extent of depolymerization by nitrous acid // Carbohydrate research. - 1995b. - Vol. 277. - P. 273-282.
Lee V.F. Molecular weight of biopolymers determination // University microfilms (Ann Arbor), 1974. - 74/29446.
Onsoyen E., Skaugrud O. Metal recovery using chitosan // J. Chem. Tech. Biotechnol. - 1990. - Vol. 49. - P. 395-404.
Поступила в редакцию 18.05.2001 г.
