Влияние возраста акклиматизированного камчатского краба (Paralithodes camtchaticus) на физико-химические свойства его хитин-белкового комплекса Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

ХИМИЯ

УДК 543.226:547.995.12

ВЛИЯНИЕ ВОЗРАСТА АККЛИМАТИЗИРОВАННОГО КАМЧАТСКОГО КРАБА (Paralithodes сат^кайсш) НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЕГО ХИТИН-БЕЛКОВОГО КОМПЛЕКСА

© 2008 г. Д.С. Загорская *, В.Ф. Урьяш 2, С.В. Немцев *, Н.Ю. Кокурина 2, Н.П. Ковачева1

1 ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии» (ВНИРО), Москва 2 НИИ химии Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского

ltch@ichem.unn.ru

Поступило в редакцию 23.05.2008

Проведен дифференциальный термический анализ в области 80-650 К и определены температуры физических переходов в образцах хитин-белкового комплекса, выделенного из панциря краба на разных стадиях линьки. Выявлено влияние стадий развития краба на физико-химические свойства хитин-белкового комплекса.

Ключевые слова: камчатский краб, хитин-белковый комплекс, физико-химические свойства.

Введение

Камчатский краб - один из наиболее ценных видов среди промысловых ракообразных. Своими исключительными вкусовыми качествами, высокой пищевой ценностью и громадными размерами он по праву заслуживает названия «королевского краба» [1]. Кроме того, панцирь ракообразных является сырьем для получения такого ценного природного полимера, как хитин. При комплексном использовании панциря добываемых ракообразных решается и острая экологическая проблема - уменьшение загрязнения районов промысла ракообразных отходами их переработки [2]. В связи с изложенным, чрезвычайно важно как с научной, так и с прикладной точек зрения изучить физикохимические свойства хитина, полученного из панциря камчатского краба на разных стадиях его линочного цикла.

Экспериментальная часть

В качестве метода исследования использовали дифференциальный термический анализ (ДТА) [3-5]. Эксперимент в области 80-650 К проводили в атмосфере гелия на приборе, конструкция которого разработана в лаборатории термохимии НИИ химии Нижегородского уни-

верситета [6]. Эталоном служил кварц. Масса образца и эталона составляла ~0.25-0.35 г. Температуру образца и разницу температур между образцом и эталоном измеряли хромель-копелевой термопарой с погрешностью 0.5 К. Скорость нагрева в опытах была 5 К/мин. Отклонение от линейности не превышало 1%. Для проверки работы установки для ДТА на ней были определены температура плавления (Тпл) эталонного н-гептана и температура стеклования (Тс) очищенного глицерина. Полученные нами результаты совпали с соответствующими надежными литературными данными для н-гептана [7] с погрешностью 0.2 К, для глицерина [8] - 1 К.

Изучено семь образцов хитин-белкового комплекса (таблица), изготовленных во ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии» (Москва). Образец № 1 получен из экзувия (сброшенного в результате линьки панциря). Подпанцирная пленка не отделялась. Образец № 4 - из панциря через ~1 сутки после линьки (экзоскелета). Стадия послелиньки. Панцирь мягкий, эластичный. Образец № 2 получен из панциря через ~4-5 недель после линьки. Стадия послелиньки. Образец № 3 - из панциря через ~8 недель после линьки. Панцирь твердый. Наполнение мышцами слабое. Стадия

межлиньки. Образец № 5 получен из панциря на ранней стадии межлиньки. Панцирь твердый наполненный. Образец № 6 - из панциря на поздней стадии межлиньки. Образец № 7 получен из панциря на ранней стадии предлиньки. Они были деминерализованы. Белковая компонента панциря не отделялась. В них остались также пигменты - каротиноиды (астоксантин, ксантоксантин). Проведенные нами эксперименты показали, что в воздушно-сухих образцах содержалась сорбированная вода в количестве от 6.6 до 10.5 мас.% (таблица). Ее испарение проявлялось на термограммах в виде эндотермического пика при Тисп(И20) = 394-401 К (рис. 1).

Термическую камеру с образцом и эталоном охлаждали жидким азотом до 80 К со скоростью ~20 К/мин. Затем нагревали со скоростью

5 К/мин до ~415 К (1-й прогрев), чтобы зарегистрировать эндотермический пик испарения сорбированной воды (рис. 1, кривая 1). Нагрев прекращали, образец охлаждали со скоростью

5 К/мин до комнатной температуры и одновременно непосредственно в термической камере откачивали испарившуюся сорбированную воду. После этого тигель с образцом извлекали из термической камеры, взвешивали на аналитических весах и определяли количество воды, содержавшейся в воздушно-сухом образце. Затем образец помещали в эксикатор над

Таблица

Физико-химические свойства и средние температуры физических переходов в хитин-белковом комплексе, выделенном из панциря камчатского краба на разных стадиях линочного цикла

Образец № 4 № 2 № 3 № 5 № 6 № 7 № 1

Стадии линьки Послелинька Межлинька Пред- линька Линька

ТИСП(Н2О), К 394 398 394 398 401 399 396

Содержание Н2О, мас.% 8.5 9.8 10.5 7.3 6.7 6.6 9.5

Тв, К 334 358 339 337 335 323 354

Тс1, К 386 391.5 384 390 390 396 386.5

Тс2, К 417.5 416 417 410 409.5 418 410.5

Т К 1 дестрЬ 500 487 488 488.5 487.5 497.5 497.5

ТдестD2, К 564.5 518 547 573 572 568 539

Потеря массы безводного образца, мас.% 16.1 22.2 25.4 30.6 38.3 23.9 13.6

Вид образца после раз- Не осмо- Осмо- Осмо- Не осмо- Не осмо- Не осмо- Осмо-

ложения лился лился лился лился лился лился лился

Рис. 1. Термограммы образца № 7 хитин-белкового комплекса, выделенного из панциря краба на ранней стадии предлиньки: 1 - прогрев 1; 2 - прогрев 2; 3 - прогрев 3

420 470 520 570 620 Т, К для 4'

220 270 320 370 420 Т, К для 4

Рис. 2. Термограмма образца № 7 хитин-белкового комплекса, выделенного из панциря краба на ранней стадии предлиньки, при четвертом прогреве

360 г

Рис. 3. Температура Р-перехода в образцах хитин-белкового комплекса, выделенного из панциря краба на разных стадиях линьки

420 г

400 ------------1------------1-----------1-----------1-----------1-----------1-----------1

№ 4 № 2 № 3 № 5 № 6 № 7 № 1

Номер образца

Рис. 4. Температура (Тс2) в образцах хитин-белкового комплекса, выделенного из панциря краба на разных стадиях линьки

500

« 490

й

Л

&

л

и

н

480

№ 4 № 2 № 3 № 5 № 6

Номер образца

№ 7

№ 1

Рис. 5. Температура пика деструкции (Тдестр1) в образцах хитин-белкового комплекса, выделенного из панциря краба на разных стадиях линьки

580

к

к

560

& 540

Св

із

& 520

и

Н

500

№ 4 № 2 № 3 № 5 № 6

Номер образца

№ 7

№ 1

Рис. 6. Температура пика деструкции (Тдестр2) хитин-белкового комплекса, выделенного из панциря краба на разных стадиях линьки

40

30

§ 20

л § 10 С

№ 4 № 2 № 3 № 5 № 6

Номер образца

№ 7

№ 1

0

Рис. 7. Потеря массы после деструкции безводного образца хитин-белкового комплекса, выделенного из панциря краба на разных стадиях линьки

СаС12. На следующий день сухой образец загружали в термическую камеру и повторяли эксперимент, нагревая его до ~435 К (2-ой прогрев). Аналогичным образом осуществляли 3-й прогрев. В последнем 4-ом прогреве образцы нагревали до 625 К (рис. 2) и определяли потерю массы по отношению к обезвоженному образцу.

Результаты и их обсуждение

На рис. 1, 2 в качестве примера представлены термограммы образца № 7. Полученные усредненные результаты и некоторые физикохимические характеристики изученных образцов представлены в таблице.

Как видно из полученных экспериментальных результатов, у обезвоженных образцов хи-тин-белкового комплекса проявлялись релаксационные переходы (Р, стеклование 1 и 2) аналогичные изученным ранее образцам хитина, выделенного из различных источников [9-12]. Температура Р-перехода (Гр), связанного с либрацией пиранозных кольца вокруг глюкозидных связей, изменяется не монотонно (таблица, рис. 3). Она достигает максимального значения 354-358 К у образцов № 1 и 2, а минимального - 323 К у № 7. Для других образцов она примерно одинакова: 334-339 К.

У некоторых воздушно-сухих образцов при первом прогреве перед эндотермическим пиком испарения сорбированной воды проявляется релаксационный переход эндотермического характера при 319-321 К. Это, по-видимому, также Р-переход. Проведенные ранее [9-12] исследования влияния воды на физические переходы хитина показали, что она не оказывает существенного влияния на Гр.

У изученных образцов проявились два температурных интервала расстеклования (таблица). Такое поведение хитина связано с наличием в нем микрообластей различной степени упорядоченности (высоко- и слабоупорядоченных) [912]. Аналогичным образом ведут себя другие изученные нами полисахариды [13-17]. Температура первого стеклования (ГО, относящегося к процессу в аморфных микрообластях, изменяется не сильно (таблица). Температура Гс1 наибольшая у образца № 7. Изменение температуры второго стеклования (Гг), за которое ответственны упорядоченные микрообласти полимера, показано на рис. 4. Как видно из рис. 4, у образцов после линьки (№ 4 и 2) и первого образца межлиночного периода (№ 3) температура второго стеклования Гс2 = 417 К одинаковая, затем она понижается у образцов № 5 и № 6 до 410 К,

повышается у образца № 7 до 427 К и вновь понижается до 410 К в момент линьки (обр. № 1).

В последнем четвертом прогреве образцы были нагреты до 625 К. При этом они разлагались. Как и ранее изученные образцы хитина [10-12, 18], хитин-белковый комплекс разлагался в две стадии с поглощением энергии (рис. 2, кривая 4'; таблица). Гистограммы температур деструкции изученных образцов представлены на рис. 5 и 6.

После разложения образцы взвесили и определили убыль их массы по сравнению с безводными образцами (таблица). Наблюдалось закономерное изменение массы образцов (рис. 7). Кроме того, после извлечения образцов они выглядели по-разному. Некоторые из них (№ 2, 3 и 1) осмоля-лись, а другие (№ 4, 5, 6 и 7) - нет (таблица).

Следует отметить, что у некоторых образцов проявился релаксационный переход при температурах < 273 К (Гпер) (таблица, рис. 1). Его можно классифицировать как у-переход (Гу). Аналогичный процесс мы наблюдали у регенерированных крабовых хитина и хитозана с пониженной молекулярной массой [18]. В данном случае он может быть связан с влиянием белковой компоненты, которая присутствует в образцах хитин-белкового комплекса.

Заключение

Проведенные исследования показали существенные различия физико-химических характеристик хитин-белкового комплекса, выделенного из панциря краба на различных стадиях линочного цикла. Возможно в дальнейшем их можно будет использовать для объективной оценки соответствующего этапа в развитии краба.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ по гранту № 07-04-13561офи_ц и в рамках госбюджетной темы ФИ326 НИИ химии ННГУ (20062010 гг.) «Изучение термодинамических основ и направленный синтез современных полимерных и композиционных материалов, а также наноразмерных систем с заданным комплексом свойств»

Список литературы

1. Павлов В.Я. Жизнеописание краба камчатского (РатаШИв/Звз сат(8скайсш). М.: Изд-во Москва, 2003. 110 с.

2. Немцев С.В. Автореферат дис. ... д-ра технич. наук. М.: ФГУП ВНИРО, 2006. 54 с.

3. Берг Л.Г. Введение в термографию. М.: Наука, 1969. 395 с.

4. Уэндланд У. Термические методы анализа. М.: Мир, 1978. 526 с.

5. Новейшие методы исследования полимеров / Под ред. Б. Ки. М.: Мир, 1966. 571 с.

6. Урьяш В.Ф., Мочалов А.Н., Покровский В.А. // Термодинамика органич. соедин.: Межвуз. сб. / Горький: Изд-во ГГУ, 1978. № 7. С. 88-92.

7. Douglas T.B., Furukava G.T., McCoskey R.E., Ball A.L. // J. Res. Natl. Bur. Standards. 1954. V. 53. P. 39-143.

8. Ahlberg J.E., Blanchard E.R., Lundberg W.O. // J. Chem. Phys. 1937. V. 5. P. 539-551.

9. Цветкова Л.Я., Новоселова Н.В., Голицин В.П. и др. // Журн. химической термодинамики и термохимии. 1993. Т. 2. С. 88-93.

10. Урьяш В.Ф., Кокурина Н.Ю., Маслова В.А. и др. // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Серия химия. Н. Новгород: ННГУ, 1998. № 1. С. 165-170.

11. Урьяш В.Ф. Термодинамика хитина. В кн.: Хитин и хитозан. Получение, свойства и применение

/ Под ред. К.Г. Скрябина, Г.А. Вихоревой, В.П. Варламова. М.: Наука, 2002. С. 119-129.

12. Урьяш В.Ф. Дис. ... д-ра хим. наук. Н. Новгород: НИИ химии ННГУ, 2005. 390 с.

13. Uryash V.F., Maslova V.A., Chizhikova V.A. // Biomater.-Liv. Syst. Inter. 1994. Т. 2. Р. 71-77.

14. Груздева А.Е., Урьяш В.Ф., Карякин Н.В. и др. // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. Серия химия. Н. Новгород: ННГУ, 2000. № 1. С. 139-145.

15. Урьяш В.Ф., Карякин Н.В., Груздева А.Е. // Перспективные материалы. 2001. № 6. С. 61-69.

16. Урьяш В.Ф., Груздева А.Е., Кокурина Н.Ю. и др. // Журн. физ. химии. 2004. Т. 78. С. 796-804.

17. Урьяш В.Ф., Груздева А.Е., Кокурина Н.Ю. и др. // Журн. физ. химии. 2005. Т. 79. С. 1383-1389.

18. Урьяш В.Ф., Кокурина Н.Ю., Ларина В.Н. и др. // Вестник Нижегородского университета им.

INFLUENCE OF THE AGE OF ACCLIMATIZED KAMCHATKA CRAB (Paralithodes camtschaticus) ON PHYSICOCHEMICAL PROPERTIES OF ITS CHITIN PROTEIN COMPLEX

D.S. Zagorskaya, V.F. Uryash, S. V. Nemtsev, N.Yu. Kokurina, N.P. Kovacheva

Differential thermal analysis has been carried out in the range of 80-650 K and the temperatures of physical transitions have been determined for the samples of a chitin-protein complex separated from a crab shell at different molting stages. The influence of the crab development stages on physicochemical properties of the chitin-protein complex has been revealed.

Н.И. Лобачевского. Н. Новгород: ННГУ, 2007. № 3. С. 98-104.