ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАЗЛИЧНЫХ ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ ХИТОЗАНА

АННОТАЦИЯ

Исследованы физико-химические свойства пленок, полученных из хитозана, на основе хитина полевого кузнечика Calliptamus italicus L. Выход депротеинизации выделенного хитозана составил 96 %, а молекулярная масса 355 кДа. На основе хитозана были получены различные пленки с биологически активными веществами. Исследование структурно-сорбционных характеристик указанных пленочных материалов выявило, что их модификация существенно влияет на увеличение удельной поверхности и объема насыщения по азоту. Полученный хитозан и пленочные материалы на его основе были исследованы различными физико-химическими методами (дзета-потенциал, ИК-спектроскопия, СЭМ, ДТА, структурно-сорбционные индикаторы на газообразный азот).

ABSTRACT

The physicochemical properties of membranes derived from chitosan extracted from the field grasshopper Calliptamus italicus L. were investigated. The deproteinization yield of the isolated chitosan was 96 %, with a molecular weight of 355 kDa. Various membranes with biologically active substances were prepared based on chitosan. The investigation of the structural-sorption characteristics of these membrane materials revealed that their modification significantly influences the increase in specific surface area and nitrogen saturation volume. The obtained chitosan and chitosan-based films were examined using various physicochemical methods, including zeta potential, infrared spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM), differential thermal analysis (DTA), and structural-sorption indicators for gaseous nitrogen.

Ключевые слово: Calliptamus italicus.L, хитин, хитозан, пленка, уксусная кислота, спектр, композит.

Keywords: Calliptamus italicus.L, chitin, chitosan, film, acetic acid, spectrum, composite.

Введение

На сегодняшний день с увеличением населения мира увеличивается и спрос на экологически чистую биоразлагаемую продукцию. Удовлетворение существующего спроса требует развития биоразлагаемых пленочных материалов, основанных на липидах, полисахаридах и белках. Эти материалы представляют собой актуальное направление исследований, требующее дальнейшего развития. Использование хитина, полученного из различных насекомых, представляет собой потенциальное решение для множества проблем.

Вопреки обширным исследованиям хитозана из различных источников, хитин, извлеченный из Calliptamus italicus L., рассматриваемого как представитель кузнечиков, до сих пор не привлекал достаточного внимания научного сообщества для подробного изучения. Из литературных данных известно, что обычный хитин и его основное производное, хитозан, обладают разнообразными свойствами и характеристиками, варьирующими в зависимости от типа источника [9].

Хитин, считающийся единственным аминополисахаридом, является вторым по распространенности полимером после целлюлозы. Хитин естественным образом присутствует в экзоскелетах членистоногих, которые являются самой многочисленной группой членистоногих, составляющей 80 % видов животных. Хитозан является производным хитина и представляет собой природный полимер, состоящий из соединений D-глюкозамина и N-ацетил-D-глюкозамина. Хитин обнаружен в ракообразных, в чешуях рыб, экзоскелетах многих насекомых, в том числе тутового шелкопряда, медоносных пчел и в рогах животных, грибах [2; 9; 12]. Основными источниками получения хитозана в промышленности являются побочные продукты переработки морепродуктов, например ракообразные и панцири креветок [5; 8; 11]. Помимо нетоксичности, биоразлагаемости и биосовместимости хитозан также обладает противомикробными, противовоспалительными, антиоксидантными и заживляющими свойствами [1; 3]. Пленочные материалы, полученные на основе хитозана, позволяют сохранять овощи и ягоды в течение длительного времени [4; 6; 7]. Поэтому многие исследования сосредоточены на активной упаковке пищевых продуктов из хитозана и изучении пленочных материалов [13]. Именно эти свойства позволяют хитозану еще больше расширить области применения. Эти свойства хитозана, являющегося производным хитина, напрямую зависят от типа его источника и среды обитания.

В данном исследовании в качестве источника для извлечения хитозана из хитина было выбрано насекомое Calliptamus italicus L, широко распространенное в долинных регионах Республики Узбекистан. При использовании традиционного химического метода был использован хитин, а затем хитозан, получаемый из Calliptamus italicus L.

Материалы и методология исследования

Морфологические исследования поверхности образцов проводились с помощью сканирующего электронного микроскопа EVO MA 10 (Цейс, Германия). В ходе измерения подавалось ускоряющее напряжение (EHT сверхвысокое напряжение) 15.00 кВ, рабочее расстояние (WD рабочее расстояние) равнялось 8,5 мм. Изображения были получены в различных масштабах, варьирующих от 2 до 200 мкм с помощью программного обеспечения Smart SEM.

Дзета-потенциал раствора хитозанового пленочного материала определяли с использованием анализатора 90 Plus PALS Size Analyzer (Brookhaven Instruments Corporation, с использованием программного обеспечения Zeta plus). Измерение дзета-потенциала основано на определении ориентации и скорости частиц хитозана под действием определенного электрического поля. Характеристики раствора хитозана изучали с использованием электрода BI-ZEL2 (600 μL).

Для идентификации образца пленки проведен анализ с использованием инфракрасной спектроскопии на приборе INVENIO S (Брукер, Германия). В ходе исследования были проанализированы колебания связи в диапазоне частот от 400 см^-1 до 4000 см^-1.

Сорбцию полученных образцов пленок анализировали с помощью оборудования autosorb iQ (с использованием программного обеспечения ASiQwin).

Пробы пленки были анализированы на оборудовании STA PT1600 TG-DSC/DTA (STA Синхронный термический анализ).

В качестве источника (местного сырья) для извлечения хитина из насекомых был выбран Calliptamus italicus L (степной кузнечик). С использованием химических методов, таких как процессы деминерализации, депротеинизации, депигментации и деацетилирования, был получен хитозан.

Подобран оптимальный растворитель и среда для получения пленочного материала на основе хитозана. Для этого готовился 1 % раствор хитозана в уксусной кислоте. К полученным пленочным материалам в качестве пластификатора добавлялось глицерин в различных грамм/массовых долях. С целью повышения механической и биологической активности полученных пленочных материалов было получено композиционное соединение совместно с ZnO и метилурацилом. В раствор пленки добавляли метилурацил (2-метил тетрагидропиримидин) в количестве 0,2, 0,5 и 0,7 г массовых частей (рис. 1).

Результаты и их обсуждение

При определении средней молекулярной массы хитозана, выделенного из Calliptamus italicus L с использованием метода капиллярной вискозиметрии, было получено значение массы в размере 355 кДа. Для определения стабильности частиц раствора хитозана, полученного из этого насекомого, исследовали величину зетa потенциала.

Рисунок 2. Дзета-потенциал 1 %-ого раствора хитозана

Значение дзета-потенциала на рисунке 2 составляет 27,83 (mV), значение подвижности – 2,17 (μ/с)/(V/см). Эти результаты показывают, учитывая, что значение дзета-потенциала растворов, приготовленных для получения пленки из хитозана, составляет 27,83 mV, для получения пленки хитозана целесообразно использовать свежеприготовленные растворы, исходя из расчета ее начальной нестабильности в диапазоне 10–30 mV.

Были получены ИК-спектры с целью идентификации хитозана, полученного из Calliptamus italicus L и образуемых им пленочных материалов.

Рисунок 3. ИК-спектр хитозана (а) и образца пленки на его основе (б)

Было проведено сравнение и исследование ИК-спектров хитозана, полученного из Calliptamus italicus L и образуемых им пленочных материалов. Полученные результаты показали, что валентные и деформационные колебания связей, характерные для функциональных групп -OH и -NH₂,-CH₂, содержащихся в хитозане были получены в виде следующих колебаний: ʋO-H = 3358 см^-1, ʋC-H =2917 см^-1 и 2874 см^-1, ʋC=O = 1647 см^-1, ʋN-H=3295 см^-1, δC-O = 1059 см^-1, δNH=1583 см^-1 δCH₂ = 1420 см^-1, δNH (C=O)= 1027 см^-1. В результатах пленочного материала можно увидеть потерю некоторых сигналов одновременно с расширением имеющихся сигналов [12].

Сканирующая электронная микроскопия (SEM) использовалась для определения структуры композиционного материала, полученного на основе хитозана.

Рисунок 4. Электронное изображение пленки хитозана

Изучены СЭМ-изображения пленочного материала, полученного на основе хитозана, на которых можно увидеть несплошности, связанные с поверхностными границами в двух его фазах. Этот процесс можно объяснить таким образом, что с добавленными в пленку компонентами хитозан образует композиционное соединение.

С целью определения термостойкости полученной пленки был проведен термогравиметрический анализ. Его термограммы при скорости нагрева 10 ^oС/мин представлены на рисунке 5 и свидетельствуют о сложности процесса термодеструкции исходных пленок хитозана. Как показано на кривой ДТА, эндотермический эффект свидетельствует об испарении только растворителя и композита (уксусной кислоты и воды), используемых для получения пленок хитозана, до температуры 400 ^oС.

Рисунок 5. Кривые ДТА для пленок хитозана

Первая стадия разложения пленки на основе хитозана начиналась выше 90 ^oС и продолжалась примерно до 500 ^oС, при этом максимальная температура разложения наблюдалась около 460 ^oС и на этой стадии наблюдалась наиболее значительная потеря массы (μ=95,03 % ). Это сложный процесс, в котором наблюдается деполимеризация и распад ацетилированных и деацетилированных звеньев полимеров. Последняя стадия разложения массы начинается при температуре выше 500 ^oС, при этом также может происходить процесс термического окисления.

В процессе изучения структурно-сорбционных параметров хитозана и композиционных материалов на основе газообразного азота видно, что его насыщенность газообразным азотом увеличилась (чис. хтз: 0,0696 м²/г < хтз/ZnO: 0,073 м²/г < хтз/ZnO/M-у: 2,9833 м²/г), что и объясняет его насыщение газообразными веществами.

Рисунок 6. Структурно-сорбционные показатели адсорбции газообразного азота в хитозане и композитах на его основе: а) Хитозан ; б) Хитозан/ZnO; в) Хитозан/ZnO/M-урацил

Заключение

Из приведенных выше результатов можно сделать вывод, что хитозан был извлечен из Calliptamus italicus L, который считается местным сырьем, путем последовательного применения различных химических процессов. Выход депротеинизации выделенного хитозана составляет 96 %, его молекулярная масса 355 кДа. Результаты измерения дзета-потенциала раствора хитозана позволяют сделать вывод о возможности использования хитозана в качестве материала для пленок. Результаты ИК-спектров хитозана и образованных им пленочных материалов показали появление сигналов, близких к полям колебаний валентных и деформационных связей, характерных для функциональных групп -OH и -NH₂,-CH₂, присутствующих в хитозане, кроме того, тот факт, что он создает небольшие сдвиги и расширения в этих сигналах, позволяет сделать вывод, что это сложное соединение.

Обнаружение разделения пленочного материала двумя фазовыми поверхностями при проведении сканирующего электронного микроскопического анализа (СЭМ) свидетельствует о композиционной природе данного соединения. Кривые термогравиметрии-анализа (ДТА) для пленок хитозана также свидетельствуют о разложении компонентов в композите при различных температурах. Исследование структурно-сорбционных свойств этих пленочных материалов по отношению к азоту показывает, что объем их насыщения по данному газу увеличивается по отнощению к исходным. Наличие сорбционных свойств хитозановой пленки и увеличенная удельная площадь предоставляют перспективные возможности для использования в различных областях.

Список литературы:

1. Агеев Е.П., Вихорева Г.А., Голуб М.А., Матушкина Н.Н. Транспортные свойства хитозановых пленок // Новые достижения в исследовании хитина и хитозана: материалы 5 Междунар конф. – М.: ВНИРО, 2000. – С. 205–206.
2. Быкова В. М., Немцев С. В. Сырьевые источники и способы получения хитина и хитозана // Химия и технология полимеров. – Москва: Наука, 2002. – Т. 1. – С. 6–22.
3. Кильдеева Н.Р., Гальбрайх Л.С., Вихорева Г.А. Получение материалов медицинского назначения из растворов биосовместимых полимеров // Химические волокна. – 2005. – №6. – С. 21–24.
4. Aider M., Chitosan application for active bio-based films production and potential in the food industry: review // LWT. – 2010. – Vol. 43. – Pp. 837–842.
5. Hemalatha T., UmaMaheswari T., Senthil R. Efficacy of chitosan films with basil essential oil: perspectives in food packag- ing // Journal of Food Measurement and Characterization. – 2017. – Vol. 11. – Pp. 2160–2170.
6. Huang Z., Li J., Zhang J. Physicochemical properties enhancement of Chinese kiwi fruit (Actinidia chinensis Planch) via chitosan coating enriched with salicylic acid treatment // Journal of Food Measurement and Characterization. – 2017. – Vol. 11. – Pp. 184–191.
7. Kenari R.E., Amiri Z.R., Motamedzadegan A. Optimization of Iranian golpar (Heracleum persicum) extract encapsulation using sage (Salvia macrosiphon) seed gum: chitosan as a wall materials and its effect on the shelf life of soybean oil during storage // Journal of Food Measurement and Characterization. – 2020. – Vol. 14. – Pp. 2828–2839.
8. Kumarihami H.M.P.C., Kim Y.H., Kwack Y.B., Kim J., Kim J.G. Application of chitosan as edible coating to enhance storability and fruit quality of Kiwifruit: a review // Scientia Horticulturae. – 2022. – Vol. 292. 110647.
9. Malm M., Liceaga A.M. Physicochemical Properties of Chitosan from Two Commonly Reared Edible Cricket Species, and Its Application as a Hypolipidemic and Antimicrobial Agent // Polysaccharides. 2021. – Vol. 2. – Pp. 339–353. https://doi.org/ 10.3390/polysaccharides2020022.
10. Maxkamova O.N., Xaitbaev A.X., Maxkamov B.Gʻ. Мaxalliy xomashyo (Calliptamus italicus.L asosida biopolimer kompozitsion materiallar olish va ularning ayrim xossalari // Композиционные материалы. – 2023. – №3. – Тошкент. – C. 103–105.
11. Nair M.S., Tomar M., Punia S. Enhancing the functionality of chitosan- and alginate-based active edible coatings/films for the preservation of fruits and vegetables: a review // International Journal of Biological Macromolecules. – 2020 – Vol. 164. Pp. 304–320.
12. Roller S., Covill N. The antifungal properties of chitosan in laboratory media and apple juice // International Journal of Food Microbiology. – 2000. – Vol. 47. – № 12. – P. 67–77.
13. Tügen A., Ocak B., Özdestan-Ocak Ö. Development of gelatin/chitosan film incorporated with lemon essential oil with antioxidant properties // Journal of Food Measurement and Characterization. – 2020. – Vol. 14. – Pp. 3010–3019.