Технологическая линия получения природных полисахаридов – хитина и хитозана Bombyx mori

АННОТАЦИЯ

Налажена технологическая линия производства природных полимеров хитина и хитозана, выделенных из куколок тутового шелкопряда Bombyx mori, используя депротеинизацию раствором гидроксида натрия, дезацетилирование полученного хитина концентрированным раствором NaOH. Установлено оптимальное время синтеза хитозана - 3 ч, температура процесса Т=120-130⁰С, концентрация NaOH, которая составляет 50%. Факт образования полимеров доказан методами ИК-спектроскопии, элементного анализа, что соответствует стандарту организации.

ABSTRACT

A production line has been established for the production of natural polymers of chitin and chitosan isolated from Bombyx mori silkworm pupae using deprotenation with sodium hydroxide solution and deacetylation of the obtained chitin with concentrated NaOH solution. The optimal time of chitosan synthesis was established - 3 hours, process temperature T = 120-130⁰С, NaOH concentration, which is 50%. The fact of the formation of polymers is proved by the methods of IR spectroscopy, elemental analysis, which corresponds to the standard of the enterprise.

Ключевые слова: природные полисахариды- хитин, хитозан, технологический процесс, деацетилирование.

Keywords: natural polysaccharides - chitin, chitosan, technological process, deacetylation.

Введение

Особое место в технологии производства посвящается полимерным материалам, среди которых природные биополимеры хитин (ХТ) и хитозан (ХЗ). Физические и химические свойства этих веществ определяются особенностями их молекул, имеющих активные амино (NH₂)- и гидроксильные группы (-OH). Хитин и хитозан не токсичны, неаллергенны, биосовместимы с тканями человека, животных и растений и совершенно безопасны для окружающей среды, поскольку полностью разрушаются ферментами микроорганизмов. Хитозан как природный материал ценен тем, что его полезные свойства усиливаются в сочетании с другими биокомпонентами [1-5]. В основу получения природных полисахаридов, в частности хитина (ХТ), хитозана (ХЗ) и полимерных композиций, положены их уникальные физико-химические свойства, что имеет решающее значение при использовании как экологически безопасных, нетоксичных, биоразлагаемых, препаратов [6]. При этом важнейшим обстоятельством является возможность соблюдения экологической безопасности при создании технологической линии производства. Отмечая важность проблем в области изучения технологии получения полисахаридов, выделенных из различного сырья, и масштабной практики однозначно установлено, что биологически активные полимеры, обладающие особыми регуляторными и функциональными свойствами, влияют на усовершенствование технологического процесса, что имеет особое научно-практическое значение [7]. В связи с вышесказанным, в рамках данной работы разработана технологическая линия получения природных полисахаридов ХТ и ХЗ на основе местного сырья, куколок тутового шелкопряда Bombyx mori.

Методы исследования

Для проведения входного контроля куколок тутового шелкопряда проведен входной контроль, для этого каждую партию куколок тутового шелкопряда сушили на воздухе и взвешивали сухую массу, определяли влажность образцов. Затем проводили расчет кондиционной массы согласно соответствующим формулам [8].

М_к- кондиционная масса партии, кг

М_ф- фактическая масса партии, кг

W_н- нормированная влажность, %

W_ф- фактическая влажность, %

Деацетилирование хитина позволяет получить растворимый в слабокислом водном растворе полимер – хитозан, важнейшей характеристикой которого является степень деацетилирования (СДА), определяемая как отношение количества звеньев D-глюкозамина к N-ацетил-D-глюкозамина. СДА характеризует растворимость хитозана в растворе кислоты, а растворяться хитозан начинает при СДА 70%.

Степень деминерализации (депротеинирования) считали по формуле [9]:

Х= 100 ∙ (М₁ – М₂) /М₁, (г)

где Х – степень деминерализации (депротеинирования), %;

М₁ - масса исходного сырья до деминерализации (депротеинирования), г;

М₂ - масса куколок тутового шелкопряда после деминерализации (депротеинирования), г.

Элементный анализ проведен с целью определения содержания азота (N_амин, %) по методу Дюма путем сожжения навески в кварцевой трубке за счет кислорода твердых окислителей в атмосфере двуокиси углерода. Окислы азота, проходят через слои восстановителя (нагретой металлической меди), восстанавливаются. В итоге из трубки для сожжения в азотометр поступает смесь двух газов -двуокиси углерода и азота. Двуокись углерода поглощается раствором щелочи, и азот собирается в азотометре. Измеряли объем выделившегося азота и рассчитывали его содержание в веществе по формуле [10].

X=[A×(V-N) ×100]/G

где: А-масса 1 мл азота при данной температуре и данном исправленном давлении (р);

V-объем азота, мл;

N-поправка для данного объема при калибровании азотометра, мл;

G-навеска, мг.

Результаты и обсуждение

Полученные экспериментальные результаты позволяют выделить наиболее общие и важные преимущества практического применения разработанной технологии для выделения хитина из куколок тутового шелкопряда Bombyx mori.

В связи с этим, разработана оптимальная технология, позволяющая сохранять структурное состояние хитина, выделяемого из куколок и разработать на его основе хитозан и его производные.

Разработка данной технологии проводилась поэтапно и включала следующие этапы:

- Механическая сортировка куколки Bombyx mori (ТП-1);

- Стадия производства ОМУ;

- Подготовка раствора NaOH (ВР-1);

- Взвешивание куколок (ВР-2);

- Депротеинизация (ТП-2);

- Фильтрование (ТП-3);

- Белковой гидролизат

- Центрифуга (ТП-4);

- Сушка (ТП-5);

- Маркировка хитина (ТП-6);

Наглядно разработанная схема технологии выделения хитина отображена на рисунке 1. Она представляет собой последовательность шагов в технологической цепочке, к которой затем добавляются дополнительные звенья в рамках полного технологического цикла.

Рисунок 1. Схема технологического процесса производства хитина

Согласно данной схеме, стадия механическая сортировка (ТП-1) куколки Bombyx mori включают в себя визуальной отбор примесей, затем необходимо провести механическую очистку с помощью очистителя марки ТОВ-ZD 400. Стадия (ВР₁) включает подготовку раствора NaOH – 7%. Расчетное количество едкого натра через дозатор смешивается с расчетным количеством воды. Полученный щелочной раствор отправляется на стадию технологического процесса (ТП₂). ВР-2 определяется масса куколки с помощью технических весов и масса отправляется на стадию технологического процесса (ТП₂). Стадия депротеинизация (ТП-2) включает в себя процесс депротеинизация куколки Bombyx mori.

Включают парогенератор, пар поступает в рубашку реактора и нагревает содержимое реактора до температуры 70-80 ⁰С. Перемешивается система 3 часов. Процесс фильтрации (ТП-3) проводится в сетчатом фильтре. После депротеинизации раствор пропускается через сетчатый фильтр с целью удержания хитина. Отфильтрованный раствор - белковый гидролизат разливают в ёмкость или бункеры. Стадия ТП-4 выделяет хитин посредством центрифуги (марки GF-150, 1000 – 1200 обр. мин.) центрифугируют и промываютд о рН =7. Готовый продукт «хитин» вручную выгружают и переносят в сушильную камеру (ТП-5), где сушат при температуре 45-60⁰С. После сушильной камеры продукт поступает на упаковочную стадию УМО (ТП-6). Далее упакованный продукт следует на склад готовой продукции. Со склада готовой продукций товар уходит на реализацию.

Выделенный в технологическом процессе хитин соответствуют требованиям, указанным в технических условиях ТSh 88.2-17: 2008 [11]. Также выделенный хитин был идентифицирован с помощью ИК-спектроскопии [12]. Для хитина обнаружены характерные полосы поглощения при волновых числах (n) - 3500 см^-1, 3350 см^-1, 3000 см^-1, 1660 см^-1, 1550 см^-1, 1410 см^-1, 1330 см^-1, 1100 см^-1, 1010 см^-1 (см. рис.2.).

Рисунок 2. ИК-спектры хитина Bombyx mori

На основе полученного хитина, проведен процесс деацетилирования с помощью раствора гидроксида натрия. Деацетилирование - это реакция обратная ацетилированию, т.е. замещение атомом водорода ацетильной группы СН3СО. (рисунок 3).

Рисунок 3. Реакция получения хитозана

Поэтому, в отличие от хитина, хитозан может иметь структурную неоднородность, обусловленную неполной завершённостью реакции деацетилирования. Содержание остаточных ацетильных групп СН3СО может достигать 30% и характер распределения этих групп может заметно влиять на некоторые физико-химические свойства хитозана. Таким образом, при неполном ацетилировании молекула хитозана состоит из случайно-связанных N-ацетил-β-D-глюкозаминовых звеньев (звенья) и β-D-глюкозаминовых звеньев (остаточные звенья).

Хитозан имеет дополнительную реакционноспособную функциональную группу (аминогруппа NH2), поэтому кроме простых и сложных эфиров на хитозане возможно получение N-производных различного типа [13]. Наличие реакционноспособных функциональных групп в структуре молекул хитина и хитозана обеспечивает возможность получения разнообразных химических модификаций пригодных для использования в различных отраслях промышленности, сельском хозяйстве, медицине и т.п. Молекулярная масса хитозана зависит от природы сырья и способа получения.

На основе проведенных лабораторных исследований разработана оптимальная технологическая линия получения хитозана путем деацетилирования хитина из куколок тутового шелкопряда.

Технологический процесс получения хитозана состоит из следующих стадий:

- Подготовка раствора NaOH (ВР-1);

- Взвешивание хитина (ВР-2);

- Деацетилирование (ТП-1);

- Фильтрование (ТП-2);

- Приготовление раствора щелочи

- Центрифугирование (ТП-3);

- Сушка (ТП-4);

- Маркировка хитозана (ТП-5);

Разработанная технологическая схема выделения хитозана представлена на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема технологии выделения хитозана

На основе разработанной схемы Стадия (ВР₁) включает подготовку раствора NaOH – 50 %. Расчетное количество едкого натра смешивается с расчетным количеством воды. Полученный раствор щелочи отправляется на стадию процесса (ТП₁). Определяется масса хитина с помощью технических весов ВР-2.

Стадия деацетилирования хитина. Хитин вручную загружается (ТП₁) для щелочного гидролиза. В (ТП₁) поступает подготовленный раствор щелочи – 50%. Соотношение твердой фазы к раствору -  1:10, процесс осуществляется при температуре 120^оС в течение 180 мин. По истечении указанного времени реакционную смесь сливают в фильтр (ТП-2), где осуществляется фильтрация полученного продукта. Процесс фильтрации проводится в сетчатом фильтре. После деацетилирования хитина раствор пропускается через сетчатый фильтр с целью удержания хитозана. После фильтрации полученный продукт поступает в центрифугу ТП-3 и промывается до рН -7. Полученный хитозан вручную выгружают и переносят в сушильную камеру ТП-4, где сушат при температуре 45-60⁰С. После сушильной камеры готовый продукт поступает на упаковочную стадию УМО. Далее упакованный продукт следует на склад готовой продукции. Со склада готовой продукций товар уходит на реализацию [14].

Для подтверждения полученного образца хитозана проведены физико-химические исследования, в частности ИК-спектроскопические исследования (рис. 5.). Обнаружено, что в ИК-спектре хитозана присутствуют пики поглощения в области 3292 см^-1, соответствующие (ОН) и (N-H), 2161 см^-1 (С-Н), 1597 см^-1 (С=О), 1149 см^-1 (C-O) и (С-N), 1027 и 893 см^-1 (С-О) группам [15].

Рисунок 5. ИК-спектр хитозана

Согласно проведенному комплексу исследований показатели полученного хитозана полностью соответствует требуемым данным, указанным в технических условиях ТSh 88.2-13:2011 [16].

В результате переработки отходов становится возможным налаживание технологической линии получения природных полисахаридов -хитина и хитозана используя депротеинизацию раствором гидроксида натрия, деминерализацию соляной кислотой и дезацетилирование полученного хитина раствором, концентрированным NaOH и доказан факт образования полимеров на основе ИК-спектроскопии, элементного анализа, что соответствует стандарту предприятия.

Выводы

Таким образом, на основе полученных данных приведен технологически приемлемый вариант получения хитина, хитозана, который требует специальной оптимизации в случае использования каждого вида сырья. Следует отметить, что даже в этих непростых условиях производство данных природных полимеров и препаратов на их основе, безусловно, может конкурировать на современном рынке по приведенным показателям, которые существенно отличаются от допустимых значений в лучшую сторону.

Список литературы:
1. Manni L., Ghorbel-Bellaaj O., Jellouli K., Younes I., Nasri M. Extraction and characterization of chitin, chitosan, and protein hydrolysates prepared from shrimp waste by treatment with crude protease from Bacillus cereus SV1. Appl. Biochem. Biotechnol. 2010; 162:345–357.
2. Younes I., Ghorbel-Bellaaj O., Nasri R., Chaabouni M., Rinaudo M., Nasri M. Chitin and chitosan preparation from shrimp shells using optimized enzymatic deproteinization. Process Biochem. 2012; 47:2032–2039.
3. Brugnerotto J., Lizardi J., Goycoolea F.M., Arguelles-Monal W., Desbrieres J., Rinaudo M. An infrared investigation in relation with chitin and chitosan characterization. Polymer. 2001; 42:3569–3580.
4. Шиповская А. Б., Фомина В. И., Киреев М. Н., Казакова Е. С., Касьян И. А. Биологическая активность олигомеров хитозана // Изв. Сарат. ун-та. Нов. Сер. Химия. Биология. Экология. 2008. Т. 8, вып. 2. С. 46-49.
5. Скрябин К.Г, Михайлов С.Н., Варламов В.П. Хитозан. –Москва: Центр «Биоинженерия» 2013. С. 18
6. Sandford P.A. Commercial sources of chitin and chitosan and their utilization. In: Advances in Chitin Science. 2002. VI, 35-42
7. Куприна Е.Э., ВодолажскаяС.В. Способ получения и активации хитина и хитозана. В кн.: Хитин и хитозан: Получение, свойства и применение. Под. Ред. Скрябина К.Г., Вихоревой Г.А, Варламова В.П. М., Наука. 2002. С.44-64
8. O’zDst 2299:2011 Отходы кокономотального производства
9. Rinaudo M. Chitin and chitosan Properties and applications. Prog.Polym.Sci. 2006. 31, -pp.603-632
10. Калинина Л.С., Моторина М.А., Никитина Н.И., Хачапуридзе Н.А. // Анализ конденсационных полимеров. -М.: Химия, 1984. - 296 с.
11. ТSh 88.2-17: 2008 «Хитин куколок тутового шелкопряда»
12. Быкова С. В. Сырьевые источники и способы получения хитина и хитозана: Хитин, его строение и свойства. - М: Наука, 2002. -7-23 с.
13. Kurita, K. Controlled functionalization of the polysaccharide chitin / K. Kurita // Progress in Polymer Science. 2001. - Vol. 26, No. 9. - P. 1921-1971
14. Рашидова С.Ш., Рузиев Ф.И., Вохидова Н.Р., Кличева О.Б., Бекчанов И.К.
1. Патент РУз IAP 20130270. Способ комплексной безотходной переработки хитинсодержащего сырья.
15. Гамзазаде А.И. Структурная неоднородность как фактор изменчивости свойств хитина и хитозана. Хитин и хитозан. Получение, свойства и применение. –Москва: Наука, 2002. - 112-118 с.
16. TSh 88.2-13:2011 «Хитозан куколок тутового шелкопряда»