Получение хитина и хитозана из медоносного местного пчелиного подмора Apis Mellifera

В условиях острой нехватки природных ресурсов и обострения проблем окружающей среды особую ценность приобретают исследования, позволяющие осваивать и внедрять новые технологии получения биополимеров из возобновляемых природных источников сырья. Особое место среди биополимеров занимает хитин и его весьма распространенная модификация –хитозан.

Хитин является линейным аминополисахаридом, состоящим из К-ацетил-2-амино-2-дезокси-О-гликопиранозных звеньев.

По химической структуре он близок к целлюлозе и только ей уступает по распространенности в природе [5, с. 11]. Структура хитина представляет собой кристаллическую решетку, в связи с чем степени растворимости и набухания хитина в различных средах довольно низки.

Хитозан представляет собой продукт дезацетилирования хитина и является наиболее изученным его водорастворимым производным. По распространенности он уступает только целлюлозе и воспроизводится в природе из полностью возобновляемого природного сырья.

Всевозрастающий интерес к хитозану обусловлен расширением области его практического применения в качестве специфического сорбента, биологически активного соединения и др. Хитозан способен вступать в реакциях как межмолекулярного взаимодействия с полиэлектролитами, образуя интерполимерные комплексы, так и комплексообразования с ионами металлов.

Особый вид хитозана – пчелозан более мощное биологически активное вещество, чем хитозан ракообразных. Значительный резерв сырья для получения хитозана представляют местные подморы пчел Узбекистана Apis mellifera.

Рисунок 1. Медоносные пчелы Apis mellifera (приносящая мед)

В этой связи, вполне целесообразным является получение воспроизводимых биополимеров хитина и хитозана из пчелиного подмора Apis mellifera. Подмор – пчелы, погибшие, главным образом в период зимовки и осыпавшиеся на дно улья. Летом гибель пчел гораздо значительнее, чем зимой, но менее заметна, поскольку они обычно погибают вне улья [3, с. 41; 4, с. 48]. Из пчелиного подмора получают апизан или, как его называют по-научному низкомолекулярный хитозан-меланиновый комплекс [6, с.28].

Летом в период активного медосбора и весной после зимовки пчелиная семья обновляется почти на 60-80%. Сила пчелиной семьи (масса находящихся в пчелиной семье рабочих пчел, измеряемая в кг) равна, в среднем, 7,5- 8 кг. Это дает возможность рассматривать подмор пчел как новый перспективный источник хитина и хитозана наряду с традиционными видами сырья [2, с. 78].

Нами использован сухой подмор пчел, собранный во время весеннего обновления пчелиной семьи и содержащий значительное количество хитина. Сырье представляет собой черно-коричневую массу со специфическим запахом. При детальном рассмотрении видны целые неразрушенные пчелы и различные части пчел (голова, грудь, ножки, брюшко, крылья и др.). Пчелиный подмор содержит минимальное количество минеральных веществ, так как кутикула насекомых практически не минерализована. Массу подмора подсушивали при температуре около 35°С, выложив тонким слоем. Высушенное сырье масса 50 г измельчили и провели деминерализацию (ДМ), далее депротеинирование (ДП) по следующей схеме.

Рисунок 2. Общая схема получения хитин и хитозана

Деминерализацию (ДМ) проводили по способу Hackmanа путем обработки подмора пчел 2 М соляной кислотой в течение 5 часов при комнатной температуре. Депротеинирование осуществили путем обработки измельченного сырья 1 Н раствором гидроксида натрия в течение 1 часа при 80⁰С. Массу отфильтровали и высушили при комнатной температуре. Каждый процесс сопровождали промыванием сырья до нейтральной реакции промывных вод (рН=7).

Хитозан получили деацелированием хитина 35%-ным водным раствором NaOH в течение 4 часов при температуре 85⁰С и сушили при 50-55^оС.

В основе получения хитозана лежит реакция отщепления от структурной единицы N-ацетил-D-глюкозамина ацетильной группировки или реакция деацетилирования (ДА) (рис.2).

Рисунок 2. Реакция деацетилирования хитина

Реакция ДА сопровождается одновременным разрывом гликозидных связей полимера. Таким образом, хитозан представляет собой полидисперсный по молекулярной массе D-глюкозамина, содержащий 5-15 % ацетамидных групп, а также до 1 % групп, соединенных с аминокислотами и пептидами.

При сушке в условиях более высоких температур хитозан уплотняется, темнеет и теряет растворимость, что снижает возможность его использования.

Далее полученную массу обесцвечивали 3%-ным раствором перекисью водорода и промывали этанолом. Продукт реакции представляет собой светло-бежевую массу со специфическим запахом [1, с. 34].

Интерпретация полученных биополимеров осуществили снятием ИК-спектров на ИК-Фурье спектрометре Nicoleti S 50 (Thermo Fisher Scientific,США), которые представлены на рис. 3.

Как видно в ИК-спектре хитина наблюдаются характерные полосы поглощения в областях 3290 см^-1 относящиеся колебанием связи -N–Н-, а также полосы поглощения 1371 см^-1, которые свидетельствуют о присутствии -СH₃ группы, поглощения в области 1579 см^-1 характерны С=О группе. ИК-спектр хитозана показывает пики в области 3272 см^-1 и 1377–1028 см^-1, которые свидетельствуют о присутствии NH₂-группы.

Рисунок 3. ИК-спектры хитина и хитозана, полученных из подмора пчёл

При этом поглощении в области 1360–1000 см^-1 у всех типов аминов появляются полосы поглощения, вызванные участием С–N связи в скелетных колебаниях молекулы. В образце хитина и хитозана зарегистрированы также полосы с максимумами при 1446 см^-1 деформационного колебания СН₂- и СН₃-групп и 1373 см^-1 (перегиб) деформационного колебания ОН-связи. В образце хитозана наблюдается широкая полоса средней интенсивности в области 1320–1387 см^-1, соответствующая колебанию ОН-связи.

Таким образом, получены и характеризованы биополимеры хитин и хитозан на основе нового перспективного источника – сухого подмора пчел Apis mellifera. Учитывая природное происхождение пчелиного подмора и ее степени возобновляемости, можно заключить, что данное сырье имеет большое значение как исходный материал для получения полиэлектролитов с набором уникальных свойств. Работа выполняется по теме прикладного гранта ОТ-А 12-11 по теме: Разработка лабораторной технологии получения полимерных нанокомпозитных текстильных материалов на основе полиакрилатов, хитозана и его производных.