СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КАРБОКСИМЕТИЛ ЭФИРОВ ХИТОЗАНА ИЗ ПОДМОРА ПЧЕЛ

АННОТАЦИЯ

В данной статье представлены результаты получения биополимеров карбоксиметил эфиров хитозана из нового перспективного источника – сухого подмора пчел. Использован высушенный и измельченный подмор, собранный во время весеннего обновления пчелиной семьи. Процесс проводили в общих условиях по общему методу алкилирования. Сравнивали растворимость полученных продуктов, проводили УФ-спектроскопию и изучали кондуктометрический анализ. Полученные биополимеры идентифицировали снятием инфракрасных спектров на ИК Фурье- спектрометра “IRTracer-100” (SHIMADZU CORP., Япония 2017).

ABSTRACT

This article presents the results of obtaining biopolymers of carboxymethyl esters of chitosan from a new promising source - dry dead bees. Dried and crushed deadwood, collected during the spring renewal of the bee colony, was used. The process was carried out under general conditions according to the general method of alkylation. The solubility of the products obtained was compared, UV spectroscopy was performed, and conductometric analysis was studied. The resulting biopolymers were identified by taking infrared spectra with an IR Fourier spectrometer “IRTracer-100” (SHIMADZU CORP., Japan 2017)

Ключевые слова: Хитин, хитозан, подмор пчел, карбоксиметилхитозан (КМХЗ), гидрофил, алкилирования, модификация.

Keywords: Chitin, chitosan, bees, carboxymethyl chitosan, hidrofill, alkylation, modification.

Хитозан и его производный - карбоксиметилхитозан являются наиболее распространёнными биологически активными полимерами. Благодаря своей высокой биологической активности эти биополимеры активно внедряются в различные сферы жизнедеятельности человека.

Карбоксиметилхитозан КMХЗ подготовлен добавление карбоксиметильной группы в структуру хитозана. Эта модификация увеличивает его растворимость в нейтральных и основных решения, не влияя на другие важные характеристики [1]. КМХЗ получают карбоксиметилированием гидроксильных и аминных групп хитозана [2]. Различные замены шаблоны могут быть получены в зависимости от используемой температуры реакции (рисунок-1).

При комнатной температуре предпочтительным является O-замещение, тогда как при более высокой температуре N-замещение является эффективный путем. Принимая во внимание условия реакции и реагенты, различные производные могут производиться, то есть N-, O-, N, O- или N, N-дикарбоксиметил хитозан [3].

В последнее время наблюдается рост интереса к хитозану и его производным. Помимо этого они обладают, хорошей биологической активностью, радиационно устойчивостью, способностью пленкообразования.

Вышесказанным требованиям в полной мере, отвечают эти полимеры, поскольку они подвергаются биологическому расщеплению без образования вредных веществ, недефицитны и сравнительно недороги применительно к продукции для медицины.

Рисунок 1. Химическая структура различных типов карбоксиметил хитозана (КМХЗ): (1) N- КМХЗ, (2) N,N- КМХЗ, (3) O- КМХЗ, and (3) N,O- КМХЗ (показывает модификацию в звене D-глюкозамина)

В связи с этим, это дает нам исследователям возможность рассматривать  медоносные пчёлы, то есть подмор пчел как новый перспективный метод получения хитина и хитозана[4]. Сила пчелиной семьи (масса находящихся в пчелиной семье рабочих пчел, измеряемая в кг) равна, в среднем, 7,5 -8 кг. Летом в период активного медосбора и весной после зимовки пчелиная семья обновляется почти на 60-80 % [5]. Синтез КМХЗ проводился на основе методологии, представленной в [6] литературе.

Следует особо обратить внимание на то, что образцы после проведения реакции карбоксиметилирования хитозана растворяются в воде, тогда как исходный хитозан в воде нерастворим. Это является следствием введения гидрофильных карбоксиметильных групп, что еще раз подтверждает факт образования КМХЗ [7-8].

0,05 г КМХЗ растворяли в 25 мл 0,02 н. NaOH. Затем определяли значения электропроводности титрованием 0,1 н NaOH. По графику можно определить степень его обмена по объему щелочи, израсходованной на титрование карбоксильной группы в молекуле КМХЗ. Кривая кондуктометрического титрования карбоксиметилхитозана, полученная при температуре 65⁰ С, времени реакции 4 часа и соотношении ХЗ/МХУК 1:1, описывается в виде ломаной линии, соответствующей определенному диапазону расхода титранта(рисунок-2). На начальной стадии титрования раствором NaOH пробы KMXЗ соответствуют объему основания, добавленного для нейтрализации сильной кислоты (Н₃O⁺), присутствующей в промежуточном растворе от 0 до V₁. Наблюдаются следующие (V₁-V₂) сечения, характерные для титрования карбоксиметильных групп (СН₂СOOН). По мере продолжения титрования отражается базовый объем (V2-V3), использованный для нейтрализации ионов (NH₃⁺; NH₂R; NHR₂; где R – СН₂СООН). Последующее титрование показывает увеличение значения электропроводности G, что указывает на избыточный объем сильного электролита (NaOH) [9].

Рисунок 2. Линия кондуктометрического титрования раствором КМХЗ

Различие в структуре полимерных цепей хитозана и карбоксиметилхитозана также отражается в их значениях УФ-спектроскопии (рисунок-3).

Рисунок 3. УФ-спектроскопия хитозана и карбоксиметилцитозана а- хитозан b-КМХЗ;

В процессе карбоксиметилирования хитозана концентрацию щелочного раствора, температуру, продолжительность реакции карбоксиметилирования и количество монохлоруксусной кислоты (МХУК) регулировали подбором соотношения ХЗ:МХУК. При увеличении концентрации NaOH с 20% до 30% растворимость образца хитозана, полученного щелочной обработкой, увеличилась с 70-75% до 85%[9-10].

Различие в молекулярном строении ХЗ и КМХЗ изучено с помощью ИК-спектроскопии. Обнаружено, что в ИК-спектре хитина наблюдаются характерные полосы поглощения в областях 3270 относящиеся колебанием связи -N–Н-, а также полосы поглощения 1375 см^-1 которые свидетельствуют о присутствии -СH₃ группы и поглощения в области 1625 см^-1 характерны  С=О группе. ИК спеткр хитозана показывают пики в области 3300 см^-1 и 1390–1000 см^-1, которые свидетельствуют о присутствии NH₂-группы.

При этом поглощение 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 1433 см^-1 деформационного колебания СН₂- группы 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 (рисунок-4). На ИК-спектрах КМХЗ наблюдается пик поглощения в области 3399,30-3167,25 см-1, характерный для гидроксильных групп. Полоса поглощения в области 1552 см-1 характерна для С=О групп (рисунок -5).

Рисунок 4. ИК спектры хитозана полученного из подмора пчёл

Рисунок 5. ИК спектры О-карбоксиметилхитозана полученного из подмора пчёл

Таким образом, в O-KMХЗ замещение происходит только в –ОН группе не затрагивая –NH₂ группы. В дополнение –СООН группы могут взаимодействовать с –NH₂ группами межмолекулярными и внутримолекулярными связями и заряжать –NH₃⁺ группы в O-KMХЗ. В связи с этим в одинаковых условиях количество –NH₃⁺ группы O-KMХЗ больше чем в хитозане. Что объясняет превосходство антибактериальных свойст О-КМХЗ. При увеличении молекулярной массы (ММ) полимера повышается содержание –NH₂ групп в ХЗ и О-КМХЗ, гибкость цепи повышается, что приводит к повышению антибактериальной активности. Присутствие карбоксильных групп в структуре КМХЗ придаёт вязкость, хорошее влагоудерживающее, мембранообразующее, флокулирующее, хелатирующее и сорбционное свойство.

Список литературы:

1. Anitha A., Maya S., Deepa N.et al. “Efficient water soluble O-carboxymethyl chitosan nanocarrier for the delivery of curcumin to cancer cells,” Carbohydrate Polymers, vol. 83, no. 2, 2011. Р.452–461.
2. Laudenslager M. J., Schiffman J. D., Schauer C. L. Carboxymethyl chitosan as a matrix material for platinum, gold, and silver nanoparticles // Biomacromolecules, vol. 9. no. 10, 2008. Р.2682–2685.
3. An N.T., Thien D.T., Dong N.T., Dung P.L. Watersoluble N-carboxymethylchitosan derivatives: preparation, characteristics and its application //Carbohydrate Polymers, vol. 75, no. 3, 2009. Р.489–497.
4. Ихтиярова Г.А., Курбанова Ф.Н. Получение экологически чистого биополимера карбоксиметилхитозана из пчеленного подмора APIS MELLIFERA // Международной научно-технической on-line конференции на теме  “Проблемы и перспективы инновационной техники и технологий в сфере охраны окружающей среды” 18 сентябрь 2020 г.С.294-296.
5. Курбанова Ф.Н., Нуритдинова Ф., Хайдарова Х. Способ получения и физико-химические свойства хитина и хитозана  из подмора пчел // Развитие науки и технологий. – Бухара. № 4. 2018. С.66-70.
6. Ихтиярова Г.А., Курбанова Ф.Н., Хазратова Д.А., Турабджанов С.М. Биополимер хитин ва хитозаннинг табиатда тарқалиши. Табиий фанлар соҳасидаги долзарб муаммолар ва инновацион технологиялар. Халқаро илмий-техник on-line анжуман. Тошкент -2020 йил 20-21 ноябр Б.92-94
7. Кличева О.Б., Рашидова С.Ш. Синтез карбоксиметилированного хитина Вombix mori.- Конференчиѐ молодых ушенных Актуальные проблемы химии природных соединений. Ташкент, 2015.- С.119.
8. Sattarova D.M. Preparation of Carboxymethyl chitosan nanofibers by electrospinning method // International Journal of Materials and Science, USA. 2019, 9(2). P.29-33.
9. Ixtiyarova G.A., Qurbonova F.N. Оbtaination of carboxymethylchitosan from inanimate bees and study of its properties by conductometry, uv-spectroscopy // Academicia An International Multidisciplinary Research Journal.Vol.11, Issue 10, October 2021. P.1531-1535.
10. Ихтиярова Г.А., Курбанова Ф.Н. Аpis mellifera жонсиз асалари хитозани асосида карбоксиметилхитозан синтези ва унинг таҳлили // НамДУ илмий ахборотномаси - Научный вестник НамГУ - №.11. 2021. Б. 92-95.