ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛИМОРФНЫХ ФОРМ ХИТИНА ВЫДЕЛЕННЫХ ИЗ НЕКОТОРЫХ НАСЕКОМЫХ

АННОТАЦИЯ

Хитин широко распространён и является основным компонентом экзоскелета членистоногих и других беспозвоночных и входит в состав клеточных стенок грибов, бактерий и водорослей. Сырьем для получения хитина в основном являются панциры ракообразных. Физические и химические свойства полученного хитина отличаются друг от друга в зависимости от вида используемого сырья. В данной статье методом ИК-спектроскопии и ренгенфазового анализа анализируются полиморфные формы хитина выделенных из альтернативных источников хитина, Melolontha melolontha, Leptinotarsa decemlinaeata и Eurygaster integriceps. На основе частот поглошения амидной(1) группы и фазовых дифрактограмм предложен способ определения полиморфных форм хитина.

ABSTRACT

Chitin is widespread and is a major component of the exoskeleton of arthropods and other invertebrates and is a constituent of the cell walls of fungi, bacteria and algae. The raw materials for the production of chitin are mainly crustacean shells. The physical and chemical properties of the resulting chitin differ from each other depending on the type of raw material used. In this article, polymorphic forms of chitin isolated from alternative sources of chitin, Melolontha melolontha, Leptinotarsa ​​decemlinaeata and Eurygaster integriceps, are analyzed using IR spectroscopy and X-ray phase analysis. Based on the absorption frequencies of the amide(1) group and phase diffraction patterns, a method for determining polymorphic forms of chitin is proposed.

Ключевые слова: насекомое, сырье, инфракрасный спектр, рентгенфазовая дифрактограмма, хитин, хитозан.

Keywords: insect, raw material, infrared spectrum, X-ray phase diffractogram, chitin, chitosan.

Введение

В природе существует три основных источника хитина: панцири ракообразных, кутикулы насекомых и клеточные стенки мицелиальных грибов[1,2,3]. Хитин является строительным материалом большинства животных[4]. В основном он выполняет вспомогательную функцию. Хитин представляет собой b-1,4-гомополимер N-ацетилглюкозамина[1,5].

Рисунок 1. Строение хитина

В природе встречаются три кристаллические формы хитина: a-, b-, g – хитины. α-хитин представляет собой стабильную и легкодоступную форму, в которой молекулы мономера антипараллельно связаны между собой[1,6,7]. Этот тип соединений позволяет образовывать прочные межмолекулярные водородные связи. β-хитин соединен параллельно, и такая структура приводит к слабым межмолекулярным взаимодействиям. По этой причине β-хитин менее стабилен, чем α-хитин. g- хитин сравнительно редко встречается в природе. g- хитин является  гибрид параллельно и антипараллельно связанных α- и β- хитинов [2,6,8].

Рисунок 2. Полиморфные конфигурации хитина

Стрение хитина наряду с другими физическими методами исследования изучен рентгенфазовым анализом. В рентгенофазовой дифрактограмме α-хитина, выделенного из различных природных источников  хитина (крабов, креветок, гаммарусов, криля, пчел и других насекомых), имеется резкие пики при 9° и 19°, 12°, менее интенсивные пики при 23° и 26°; на дифрактограмме β-хитина имеется уширенные и более низкие пики интенсивности при 9,1° и 20,3°; на дифрактограмме γ-хитина наблюдаются два интенсивных пика при 9,6° и 19,8° [9,10,11]. Целью исследования является  анализ полиморфных форм хитинов выделенных из насекомых (Melolontha melolontha, Leptinotarsa decemlinaeata, Eurygaster integriceps) Ферганской долины методом ИК-спектроскопии и рентгенфазовым анализом.

Материалы и методы

Хитин получили из широко распространенных в Ферганской долине насекомых. Объекты исследования майский жук (Melolontha melolontha), колорадский жук (Leptinotarsa ​​decemlinaeata) и вредная черепашка (Eurygaster integriceps) обладают высокой воспроизводимостью, имеют относительно крупные размеры и имеют толстый покров тела.

Сначала заготовленное сырье сушили и измельчали. Проводили делипидидацию этилацетатом, деминерализацию разбавленным раствором соляной кислоты, депротеинизацию слабым раствором гидроксидом натрия, депигментацию 3%-ным раствором пероксида водорода.

Для определения структуры полученных хитиновых веществ были использованы различные физико-химические методы исследованияю. ИК-спектр получали в виде порошка на приборе INVENIO S (BRUKER, 2021. ATR 4000-400 см^-1). Для оценки уровня рентгенофазовой кристалличности хитина, хитозана и синтезированных N-ацилпроизводные хитозана Рентгенофазовый анализ выполнен на рентгеновском дифрактометре XRD-Mini Flex-600 2021(Rigaku, Япония). Излучение CuKa1-a2 (коэффициент Ka1a2 50%) (γ= 0,15406 нм, 40 кВ, 30 мА, диапазон сканирования 0° – 70°, скорость сканирования 2°/мин и длина шага 0,05°.

Обсуждение результатов

ИК-спектры хитина выделенных  классическим методом из Melolontha melolontha, Leptinotarsa decemlinaeata, Eurygaster integricepsdan приведены на рис 3-5. Наличие в спектре неразделенных линий поглощения в области 1654 см^-1, характерных для амидной (I) группы (рис. 3), указывает на то, что хитин выделенное из Leptinotarsa ​​decemlinaeata, находится в кристаллической полиморфной форме, характерной для β-хитина. Кроме того, в ИК-спектре хитина Melolontha melolontha (рис. 4) пик, характерный для амидной (I) группы, частично расщеплен на два, указывает полиморфной формы γ-хитина. В ИК-спектре хитина Eurygaster integriceps (рис. 5) можно увидеть полностью расщепленные линии поглощения (области 1656 см^-1 и 1623 см^-1), принадлежащего к амидной(I) группе специфичных α-хитину.

Рисунок 3. ИК-спектр хитина из Leptinotarsa decemlinaeata

Рисунок 4. ИК-спектр хитина из Melolontha melolontha

Рисунок 5. ИК-спектр хитина из Eurygaster integriceps

Также на дифрактограмме хитина из Leptinotarsa decemlinaeata (рис. 6) наблюдаются два интенсивных пика при 9,8° и 19,9°, характерные для β-хитина, а на дифрактограмме хитина из Melolontha melolontha (рис. 7) два острых пика при 9,4 и 19,34° и гораздо более слабые пики при 12,2°, 23,43° и 27,2° типичные для γ-хитина, а на дифрактограмме хитина из Eurygaster integriceps (рис. 8) острые пики при 9,1° и 19°, характерные для α-хитина.

Рисунок 6. Дифрактограмма хитина из Leptinotarsa decemlinaeata

Рисунок 7. Дифрактограмма хитина из Melolontha melolontha

Рисунок 8. Дифрактограмма хитина из Eurygaster integriceps

Наблюдение острых пиков на дифрактограмме свидетельствует о том, что вещество имеет более высокий уровень кристаллической структуры, прочные межмолекулярные и внутримолекулярные водородные связи.

Выводы

Было исследовано ИК-спектры и  рентгенфазовые дифрактограммы хитина  выделенных классическим методом из некоторых распространенных насекомых Ферганской долины. Анализы показали, что полиморфные конфигурации зависят от расщепеления колебаний амидной (1) группы в ИК-спектрах и от высоты и ширины пиков в рентгенофазовых дифрактограмм. Обнаружено, что хитин  из Melolontha melolontha находится g- полиморфной форме, хитин из Leptinotarsa ​​decemlinaeata b- полиморфной форме и хитин из Eurygaster integriceps в a-полиморфной форме. В результате деацетилирования полученных хитиновых веществ увеличивается их аморфность и образуется хитозан. Хитозан полученный из хитина Melolontha melolontha, Leptinotarsa decemlinaeata и Eurygaster integriceps можно использовать в качестве сорбента в различных исследованиях.

Список литературы:

1. Mезенова, О.Л. Получение и применение хитина и его производных в технологи и пищевых продуктов / О.Я. Мезенова, А.С. Лысова, Е.В. Григорьева // Научные основы, и практическая реализация; технологий получения и применения натуральных структуробразователей: межд.науч.–практ. конф. (24–25 мая): тез. докл. / Краснодар.КубГТУ, 2002. – С. 203–206.
2. 2. Klaudia Piekarska, Monika Sikora, Monika Owczarek, Jagoda Jóźwik-Pruska, Maria Wiśniewska-Wrona. Chitin and Chitosan as Polymers of the Future-Obtaining, Modification, Life Cycle Assessment and Main Directions of Application. Polymers. 2     023,15(4), 793; https://doi.org/10.3390/polym15040793
3. Jiaxin Hou, Berk Emre Aydemir and Ahu Gümrah Dumanli. Understanding the structural diversity of chitins as a versatile biomaterial. Philos Trans A Math Phys Eng Sci. 2021. 20; 379(2206):20200331. doi: 10.1098/rsta. 2020.0331
4. Yingchen Li, Lin Liu, Jun Yang, Qing Yang. An overall look at insect chitin deacetylases: Promising molecular targets for developing green pesticides. Journal of Pesticide Science. 2021, Vol.46, No.1, pp. 43-52.
5. K.Martínez-Robinson, A.Martínez-Inzunza, S.Rochín-Wong, RJ.Rodríguez-Córdova, SR.Vásquez-García, D.Fernández-Quiroz. Physicochemical study of chitin and chitosan obtained from California brown shrimp (Farfantepenaeus californiensis) exoskeleton. BIOtecnia. 2022. 24(2). pp. 28-35. https://doi.org/10.18633/-biotecnia.v24i2.1616
6. Liyanage D. Fernando, Malitha C. Dickwella Widanage, Jackson Penfield, Andrew S. Lipton,Nancy Washton, Jean-Paul Latgé, Ping Wang, Liqun Zhang,and Tuo Wang. Structural Polymorphism of Chitin and Chitosan in Fungal Cell Walls From Solid-State NMR and Principal Component Analysis. Front Mol Biosci. 2021; 8:727053. doi:10.3389/fmolb.2021.727053
7. Hans Merzendorfer, Lars Zimoch. Chitin metabolism in insects: structure, function and regulation of chitin synthases and chitinases. J Exp Biol. 2003.206 (24): 4393–4412. https://doi.org/10.1242/jeb.00709
8. Новиков, В.Ю. Химический гидролиз хитина и хитозана/ В.Ю. Новиков //Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана: материалы седьмой международной конференции /ВНИРО.– Спб.–2003.– С.38-43.
9. M. Kaya, T. Baran, I. Saman, M. Asan Ozusaglam, Y. Selim Cakmak, A. Ment. Physicochemical characterization of chitin and chitosan obtained from resting eggs of Ceriodaphnia Quadrangular (Branchiopoda: Cladocera: Daphniidae) // Journal of Crustacean Biology. 2014. Volume 34, Issue 2, pp. 283-288.
10. Linda Al-Hmoud, Deeb Abu Fara, Iyad Rashid, Babur Z. Chowdhry,  Adnan A. Badwan. Influence of Chitin Source and Polymorphism on Powder Compression and Compaction: Application in Drug Delivery. Molecules. 2020. 25(22): 5269. doi: 10.3390/molecules25225269
11. Xiaocui Han. Chitin analysis of insects (mealworm and cricket). University of Helsinki. Department of Food and Nutrition. Helsinki. 2018. 60 p. M. Sc. Thesis. ISSN 0355-1180.