Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 9
1.1. Хитин и хитозан. Строение и свойства 9
1.2. Сырьевые источники для получения хитина и хитозана 14
1.3. Способы получения хитозана 15
1.3.1. Химическая обработка хитинсодержащего сырья 16
1.3.2. Биотехнологические способы получения хитина 21
1.3.3. Электрохимический способ получения хитина 23
1.3.4. Технологическое оформление процесса выделение хитина 26
1.3.5. Деацетилирование хитина. Получение хитозана 30
1.3.6. Сушка хитозана. Измельчение и хранение 35
1.3.7. Применение хитина и хитозана 37
1.4. Применение хитозана при создании биодеградируемых ПКМ 43
Глава 2. Объекты и методы исследования 47
2.1. Объекты исследования 47
2.2. Методы исследования и методики испытаний 48
2.2.1. Методики испытаний по ГОСТ 49
2.2.2. Исследование процесса деминерализации и депротеинирования 49
2.2.3. Определение молекулярной массы хитозана 50
2.2.4. Потенцирметрическое титрование и расчёт степени деацетилирования. 50
2.2.5. Статистическая обработка результатов 51
2.2.6. Метод термогравиметрического анализа 53
2.2.7. Метод эмиссионного спектрального анализа 53
2.2.8. Метод инфракрасной спектроскопии (ИКС) 54
2.2.9. Метод спектра мутности 54
2.2.10. Поляриметрический метод 55
2.2.11. Интерферометрический метод исследования 55
2.2.12. Формование пленок хитозана 57
2.2.13. Метод приготовления образцов биодеградируемого ПКМ 57
2.2.14. Метод экспонирования образцов в почве 57
2.2.15. Определение физико-механических характеристик ПКМ 58
Экспериментальная часть 63
Глава 3. Разработка технологии получения хитозана 63
Глава 4. Изучение физико-химических свойств хитозана 71
4.1. Метод термогравиметрии 71
4.2. Анализ качественного минерального состава хитозана 76
4.3. Изучение хитозана методом ИК - спектроскопии 77
4.4. Реологические и оптические свойства растворов хитозана 80
4.4.1. Определение реологических характеристик растворов 80
4.4.2. Исследование растворов хитозана методом спектра муїности 83
4.4.3. Определение оптических свойств хитозана 85
Глава 5. Получение биодеградируемого ПКМ на основе хитозана 87
5.1. Сорбционные явления при создании биодеградируемого ПКМ 90
5.2. Получение биодеградируемого ПКМ 93
Глава 6. Оценка возможности использования ХТЗ из ПР в пищевой промышленности 95
Выводы 96
Список использованной литературы
- Способы получения хитозана
- Электрохимический способ получения хитина
- Определение молекулярной массы хитозана
- Изучение хитозана методом ИК - спектроскопии
Введение к работе
В настоящее время природный полисахарид хитозан (ХТЗ) благодаря широкому спектру своих полезных свойств находит всё более широкое применение в самых различных областях, таких как: текстильная промышленность - при шлихтовке и противоусадочной или водоотталкивающей обработке тканей; бумажная и фотографическая промышленность - для производства высококачественных и специальных сортов бумаги, а также для улучшения свойств фотоматериалов; атомная промышленность - для локализации радиоактивности и концентрации радиоактивных отходов; медицина - в качестве шовных материалов, рано- и ожогозаживляющих повязок, в составе мазей и различных лечебных препаратов, как энтеросорбент; сельское хозяйство - для производства удобрений, защиты семенного материала и сельскохозяйственных культур; в пищевой промышленности выполняет роль консерванта, осветлителя соков и вин, диетического волокна, эмульгатора; в качестве пищевой добавки показывает уникальные результаты как энтеросорбент; в парфюмерии и косметике входит в состав увлажняющих кремов, лосьонов, гелей, лаков для волос, шампуней; при очистке воды служит как сорбент и флокулянт.
К неоспоримым достоинствам хитозана относится его совершенная безопасность для человека и окружающей среды: экологически чист и полностью распадается в природных условиях.
Набор полезных свойств ХТЗ обширен благодаря присутствию в его структуре большого числа функциональных групп:
Известно, что основным масштабным сырьевым источником при промышленном получении ХТЗ служат панцири промысловых морских ракообразных. Учитывая ценность и уникальность этого продукта, а также огромную сферу практического использования, представляется актуальным
изыскание иных доступных сырьевых ресурсов для производства ХТЗ, способных обеспечить его тоннажное производство и находить новые области его применения.
Для удаленных от моря регионов данная проблема может быть решена использованием объектов собственного промысла, например, панциря речного рака. При этом не только значительно расширяется сырьевая база технологии ХТЗ, но и существенно снижается себестоимость конечного продукта.
Поэтому решение проблемы создания эффективной технологии получения хитозана из панциря речного рака и исследование комплекса его физико-химических характеристик является актуальной задачей.
В данной диссертационной работе представлены научные основы технологии получения хитозана из панциря речного рака и проведен сравнительный анализ комплекса физико-химических характеристик хитозана из разных сырьевых источников. Кроме того, исследована эффективность применения ХТЗ в пищевой промышленности и в качестве добавки к полимерам для придания им биодеградируемости.
Цель работы: разработка способа получения природного полимера ХТЗ из панцирей речного рака и оценка его свойств, для различных областей применения.
Для достижения поставленной цели в задачи исследований входило:
разработка технологических стадий переработки панцирей рака в ХТЗ;
изучение влияния технологических параметров процесса получения ХТЗ на его свойства с определением оптимального режима технологического процесса;
проведение сравнительного анализа комплекса свойств ХТЗ из различного сырья - из панцирей краба и панцирей рака;
определение санитарно-гигиенических свойств полученного ХТЗ на соответствие его техническим условиям ТУ 9289-067-00472124-03 на пищевой хитозан;
- исследование эффективности применения полученного ХТЗ в качестве
пищевой добавки и в качестве биодеградируемой добавки полимерной
композиции.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые: разработан способ получения ХТЗ из панциря речного рака, который существенно отличается от известных способов меньшей стадийностью, высокой эффективностью и высоким качеством целевого продукта;
установлено влияние технологических параметров на свойства получаемого продукта, и обнаружена возможность обеспечения необходимого уровня свойств ХТЗ путем направленного регулирования параметров процесса деацетилирования;
установлено соответствие структуры и физико-химических свойств ХТЗ, полученного из разных источников сырья (панцирь рака и краба), что указывает на возможность использования обоих видов ХТЗ в одних и тех же областях;
- изучены закономерности сорбционных процессов, протекающих в системе
ХТЗ - полистирол при создании полимерной композиции и доказана ее
биодеградируемость.
Практическая значимость работы заключается в том, что:
- разработан более доступный и дешевый способ переработки панцирей
речных раков в ХТЗ;
- расширена сырьевая база для получения новых добавок для биодеградации
отходов синтетических полимеров, что позволяет исключить значительное
число экологических проблем, возникающих при использовании, например,
полимерной одноразовой посуды, тары и упаковочього полимерного
пленочного материала.
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на IV Всероссийской конференции молодых ученых "Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии" (Саратов, 2003); Всероссийской научно-практической конференции "Экологические проблемы промышленных
8 городов" (Саратов, 2003); Седьмой Международной конференции "Современные перспективы в исследовании хитина и читозана" (Санкт-Петербург - Репино, 2003); Международной конференции "Композит-2004. Перспективные полимерные композиционные материалы. Альтернативные технологии. Переработка. Применение. Экология" (Саратов, 2004); V Всероссийской конференции молодых ученых "Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии" (Саратов, 2005); Всероссийской научно-практической конференции "Экологические проблемы промышленных городов" (Саратов, 2005); Международном симпозиуме восточно-азиатских стран по полимерным композиционным материалам и передовым технологиям "Композиты XXI века" (Саратов, 2005); Восьмой Международной конференции "Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана" (Казань, 2006).
Способы получения хитозана
В организмах насекомых и ракообразных, клетках грибов и диатомовых водорослей хитин в комплексе с минеральными веществами, белками и меланинами образует внешний скелет и внутренние опорные структуры. Потенциальные источники хитина многообразны и широко распространены в природе. Общая репродукция хитина в мировом океане оценивается в 2,3 млрд. т в год, что может обеспечить мировой потенциал производства 150-200 тыс. т хитина в год.
Наиболее доступным для промышленного освоения и масштабным источником получения хитина являются панцири промысловых морских ракообразных [5]. Возможно также использование гладиуса (скелетной пластинки) кальмаров, сепиона каракатицы, биомассы мицелярных и высших грибов [6,7]. Одомашненные и поддающиеся разведению насекомые вследствие их быстрого воспроизводства могут обеспечить значительную биомассу, содержащую хитин. К таким насекомым относятся тутовый шелкопряд [8,9], медоносные пчелы [10-12] и комнатные мухи [6]. В России массовым источником хитинсодержащего сырья является камчатский краб и краб-стригун, годовой вылов которых на Дальнем Востоке составляет до 80 тыс. т, а также углохвостая креветка в Баренцевом море [13-15]. Однако самым перспективным сырьем считается антарктический криль (Euphausia superba Dana), массовые скопления которого находятся в Атлантическом, Тихоокеанском и Индоокеанском секторах Антарктики [16-18].
В тоже время перспективным сырьем может стать панцирь речного рака [19]. Наиболее актуальным это представляется для регионов находящихся вдали от моря.
Как говорилось ранее, хитозан является аминополисахаридом, полученным при удалении ацетильной группы в хитине в результате обработки его в жестких условиях раствором щелочи, что позволяет заместить ацетильные группы хитина аминогруппами. Таким образом, стадии деацетилирования хитина всегда предшествует процесс его выделения из хитинсодержащего сырья. Хитин как нерастворимый полимер не поддается выделению из панциря напрямую. Для его получения необходимо последовательно отделить белковую и минеральную составляющие панциря, т.е. перевести их в растворимое состояние и удалить. Для получения хитина и его модификаций с воспроизводимыми характеристиками необходимо исчерпывающее удаление белковой и минеральной составляющих панциря. Все известные способы извлечения хитина из ПСС можно разделить на три основные группы: химическая обработка кислотами, щелочами, комплексонами и др.; методы биотехнологии, применение ферментных препаратов и протеолитических бактерий; электрохимический способ.
Химическая обработка хитинсодержащего сырья Большинство способов этой группы основаны на одно-, двухстадийной очистке хитина от белка и минеральных соединений. Это достигается путем депротеинирования (ДП) и деминерализации (ДМ). Некоторые способы предусматривают также отделение липидов и пигментов.
В зависимости от вида ПСС и требуемого качества хитина, а также получаемого из него хитозана количество операций ДП, ДМ и их последовательность бывают различными. Эти схемы не исчерпывают всего разнообразия используемых вариантов, так как способы выделения хитина из ПСС должны выбираться в зависимости от поставленных требований к конечному продукту, которые в свою очередь диктуются сферой его применения. Например, однократная обработка щелочью применима для мягкого тонкого панциря (криль, гаммарус, насекомые). Двукратная обработка щелочью применяется в случае необходимости получения хитина, полностью лишенного остатков белка. Остаточное содержание минеральных веществ при однократной обработке панциря кислотой не превышает обычно 1 - 3%. Вместе с тем, повторная ДМ дает возможность получения хитина без примесей золы, что важно также в случае обработки толстого панциря крабов.
Электрохимический способ получения хитина
Альтернативой химическому и биотехнологическому способам является электрохимический способ, позволяющий в одном технологическом процессе получать хитин достаточно высокой степени очистки и ценные в пищевом отношении белок и липиды [30, 31].
Известно, что электрофизические и электрохимические методы воздействия на биологическое сырье в ресурсосберегающих технологиях весьма эффективны. Они обеспечивают прямое воздействие электрического поля
непосредственно на объект биологического происхождения и среду без промежуточной трансформации энергии. Это позволяет более тонко регулировать процессы, упрощать их автоматизацию (в связи с безынертностью управления потоком заряженных частиц) и при этом расходовать небольшое количество энергии [32].
Сущность технологии получения хитина заключается в проведении стадий ДП, ДМ и обесцвечивания ПСС в виде водно-солевой суспензии в электролизерах оригинальной конструкции под действием электромагнитного поля, направленного потока ионов и образующихся в результате электролиза воды Н - и ОН" - ионов и ряда низкомолекулярных продуктов, обусловливающих кислую и щелочную реакцию среды и ее окислительно-восстановительный потенциал соответственно [33,34].
Из-за полярности молекулярной структуры и гетерогенности электрофизических свойств ПСС под действием электромагнитного поля легко поляризуется, заряжается и поддается его силовому воздействию. В результате ускоряются все процессы массопереноса (экстрагирование, диффузия), изменяется клеточная структура, что выражается в увеличении проницаемости или разрушении клеточных мембран и агрегации внутриклеточного содержимого, и возрастает интенсивность физических и химических превращений.
Комплексное воздействие перечисленных факторов на ПСС позволяет: достичь глубокого депротеинирования и деминерализации в значительно более мягких условиях, чем при кислотно-щелочной технологии и получить хитин, белки и липиды не только с высоким выходом, но и с максимально возможным сохранением их нативной структуры и свойств; достичь требуемой степени очистки хитина при однократном проведении стадий депротеинирования и деминерализации; существенно упростить технологическую схему - стадию обесцвечивания стало возможным осуществлять одновременно с деминерализацией, под действием низкомолекулярных продуктов, выделяющихся при электролизе одновременно с Н - ионами; исключить промывки материала водой до нейтральной реакции среды между стадиями, так как нейтрализация происходит при последующей обработке в электролизере [35].
Не менее существенным достоинством электрохимической технологии стала возможность осуществлять химическую модификацию и деструкцию хитина во время его получения или дополнительной обработкой продуктами электролиза.
На основании проведенного анализа различных способов получения хитозана можно сделать следующие выводы.
Достоинствами биотехнологических способов депротеинирования и деминерализации хитина является использование "щадящих" условий, что позволяет сохранить в наибольшей степени нативные свойства хитина; использование ряда ферментных препаратов делает возможным совмещение нескольких операций, что упрощает процесс; уменьшается, по сравнению с кислотно-щелочным способом агрессивность реакционной среды, что, в свою очередь, снижает затраты на оборудование и увеличивает срок его службы; возможно осуществлять производство хитина в судовых условиях непосредственно в месте вылова сырья.
Однако биометоды не лишены существенных недостатков: 1) невысокая степень депротеинирования хитина даже при применении нескольких последовательных обработок; 2) многостадийность и длительность обработки; 3) использование дорогостоящих ферментов или штаммов бактерий; 4) необходимость обеспечения стерильности производства.
К преимуществам электрохимической технологии получения хитина относятся: возможность получения в одном технологическом цикле всех ценных компонентов сырья с максимальным выходом при сохранении их биологических и функциональных свойств за счет щадящих условий обработки; исключение необходимости использования кислот, щелочей и
ферментов, и соответственно, снижение экологических нагрузок на окружающую среду; сокращение расхода пресной воды на промывки; интенсификация процесса; повышение износостойкости оборудования из-за отсутствия агрессивных сред. К недостаткам электрохимического способа можно отнести громоздкое аппаратурное оформление, большое количество затрат электроэнергии, а также существенное снижение молекулярной массы хитина.
Недостатками химического способа получения хитина являются: экологическая опасность из-за использования концентрированных реагентов и образования больших объемов кислотно-щелочных, солевых и органических стоков, Однако химический способ характеризуется высокими степенями ДМ и ДП, небольшой продолжительностью обработки сырья, а также доступностью и дешевизной ДП- и ДМ-агентов. Кроме того химический способ позволяет в достаточно широких пределах варьировать свойства хитина.
Определение молекулярной массы хитозана
Оптимизация процесса - это целенаправленный поиск значений влияющих факторов, при котором достигается экстремум критерия оптимальности. Для нахождения области оптимальных значений используется симплексный метод, в котором с помощью правильных многогранников находится область максимальных значений функции отклика.
После нахождения этой области проводится исследование поверхности функции отклика с помощью метода полного факторного эксперимента, позволяющее получить математическое описание исследуемого процесса в некоторой локальной области факторного пространства, лежащей в окрестности выбранной точки с заданными координатами. Это описание имеет вид отрезка ряда Тейлора, которое называют уравнением регрессии. Для проведения серии опытов в этой области, содержащей все возможные неповторяющиеся комбинации уровней варьирования факторов, строится по определенным правилам матрица планирования. Принцип построения матрицы: 1) Уровни варьирования первого фактора чередуются от опыта к опыту; 2) частота смены уровней варьирования каждого последующего фактора вдвое меньше, чем у предыдущего [81-83].
Изменение массы, скорости изменения массы и величин тепловых эффектов при нагреве образцов хитозана и др. объектов изучалось методом термогравиметрического анализа с использованием дериватографа системы "Паулик - Паулик - Эрдей" фирмы MOM марки Q-1500D. Образцы массой 0,2 г нагревались в среде воздуха с 20 до 1000С с постоянной скоростью - 10С/мин. Чувствительность по каналам ДТА-1/3, ДТГ-1/10. Точность измерения - 0,1% [84-87].
Элементный состав минеральной составляющей полимера исследовали методом атомного эмиссионного спектрального анализа (АЭСА) на установке, состоящей из спектрографа PGS-2, высоковольтного импульсивного искрового генератора HFI-1 и искрового штатива 32-G368. Усредненные пробы образцов ХТЗ разных сырьевых источников озоляли в печи при температуре 300С в течение 4-х часов, растирали до консистенции пудры в агатовой ступке, перемешивали с угольным порошком в соотношении 2:1 и помещали в углубления угольных электродов. Для каждого образца регистрировали параллельные спектры.
Для изучения и сравнения химического строения и структуры различных видов хитозана с разными свойствами, хитина и панциря речного рака применяли метод ИК - спектроскопии с использованием Фурье-спектрометра Infralum FT-801 в области 400 4000 см 1. Исследуемые образцы объектов исследования измельчали в вибрационной шаровой мельнице до тонкодисперсного состояния, а затем прессовали в таблетки с 3 мг КВг и помещали в кювету для исследования.
Для определения параметров надмолекулярных образований в растворах хитозана (0 = 0,5 г/дл), таких как средний размер частиц (гх), числовая (N2) и весовая (С2) концентрации использовали метод спектра мутности.
Под методом спектра мутности (МСМ) обычно понимают ряд построений, использующих данные по зависимости мутности системы от длины волны падающего света, которые позволяют получить информацию о рассеивающих частицах. В МСМ структурно-сложный раствор полимера моделируется коллоидной системой, в которой за дисперсную фазу принимаются агрегаты макромолекул (надмолекулярные частицы), а за дисперсионную среду - истинный раствор макромолекул. Такая модель оправдана в тем большей степени, чем больше световой энергии рассеивается на надмолекулярные частицы, по сравнению с рассеянием на флуктуациях концентрации единичных макромолекул в растворе.
Экспериментальным критерием преобладающей роли рассеяния от надмолекулярных частиц может служить визуально наблюдаемая опалесценция раствора или сама возможность измерения оптической плотности полимерных растворов на спектрофотометрах или колориметрах. Измерения оптической плотности проводили на фотоколориметре КФК - 2 в диапазоне длин волн А, = 400-590 нм при t=20C. Для характеристики мутности (тх) исследуемых систем использовали ее значение при длине волны X = 490 нм [88, 89].
Изучение хитозана методом ИК - спектроскопии
В процессе создания биодеградируемого ПКМ были изучены сорбционные свойства ХТЗ по отношению к ПС, а также физико-механические свойства полученной композиции.
В качестве модельной системы для изучения адсорбционных характеристик служила система, где адсорбентом являлся ХТЗ, адсорбатом -ПС, растворителем для ПС - толуол. Исследование проводили интерферометрическим способом с расчетом термодинамических характеристик системы по методу избыточных величин Гиббса. Изотермы адсорбции полистирола из его раствора в толуоле на ХТЗ при 20, 30, 50С приведены на рис.8. 0,0009 0,0012
Изотермы адсорбции полистирола из его раствора в толуоле на хитозане при 20,30,50С Как показывают изотермы адсорбции, на первом этапе при малых концентрациях полистирола имеет место отрицательная адсорбция, что связано с конкуренцией макромолекул полистирола и растворителя за обладание адсорбционными центрами. Молекулы толуола более подвижные и легче адсорбируются на хитозане. С повышением концентрации полистирола величина адсорбции начинает резко возрастать. Уменьшение адсорбции после максимума может быть объяснено усилием степени структурированности раствора и возникновением в растворе сплошной пространственной сетки макромолекул, затрудняющей, а в дальнейшем и препятствующей переходу макромолекул из объема раствора на поверхность адсорбента. Только при таком механизме можно объяснить отмеченное для многих систем полное прекращение адсорбции из растворов, концентрация которых превращается в критическую. Возможен и другой механизм. Он заключается в том, что с ростом концентрации уменьшается константа агрегации. Необходимо учитывать, что в любых условиях, если в растворе существует равновесие в системе агрегат - молекула, то происходит и равновесное распределение адсорбированных агрегатов и изолированных макромолекул, т.е. в процессе адсорбции проходит одновременная адсорбция макромолекулярных агрегатов и изолированных молекул. Расчеты показывают, что с ростом концентрации растворов число молекул в растворе возрастает быстрее, чем агрегатов, и, соответственно, уменьшается константа агрегации.
Отрицательная адсорбция при малых концентрациях полистирола является несамопроизвольным процессом: адсорбции полистирола препятствует адсорбция молекул растворителя. Этому процессу соответствует резкое увеличение, -dF и -сЮ. Когда концентрация полистирола начинает увеличиваться -dF и -dG постепенно уменьшаются, что не противоречит законам термодинамики. Проведенные исследования свидетельствуют о термодинамической совместимости ХТЗ и ПС.
Получение биодеградируемого ПКМ
Для получения биодеградируемого ПКМ использовали полистирол с добавлением 10% хитозана. Полученные образцы экспонировались в почве в течение 2 месяцев. По окончании срока экспонирования были определены физико-механические свойства и сделаны фотографии поперечных срезов. Результаты физико-механических испытаний приведены в табл.7. После экспонирования наблюдается незначительное снижение физико-механических показателей. Экспонирование в аэробных условиях приводит к более значительному снижению физико-механических свойств. Это говорит о том, что доступ воздуха положительно влияет на процесс деструкции.
Сравнительная характеристика физико-механических свойств ПС и ПС+10% хитозана Хар-ка ПС ПС+10%ХТЗдо экспонирования ПС+10%ХТЗ после экспонирования анаэробные условия аэробные условия Твердость, МПа 100-130 127 123 119 Ударная вязкость,кДж/м2 40-50 29 25 23 Напряжение при изгибе, МПа 55-60 43 38 35 Напряжение при разрыве,МПа 30-55 34 30 28 Отн. удлинение,% 20-30 27 25 21 Кроме того, были сделаны фотографии поперечных срезов полученных образцов методом оптической микроскопии. Для исследования были взяты образцы до экспонирования и после (Рис. 10). a) б) в) Рис 10. Фотографии поперечных срезов полученных образцов: а) до экспонирования; б) после экспонирования в анаэробных условиях; в) после экспонирования в аэробных условиях. Таким образом, полученные результаты подтверждают факт биодеградации: после экспонирования образцов снижаются физико-механические свойства, а на полученных фотографиях наблюдаются различные микродефекты: трещины, расколы, очаги эрозии и др., что, в свою очередь также подтверждает наличие процесса биодеградации.
Следует отметить сравнительно невысокую степень биодеградации, возможно, это обусловлено невысоким содержанием хитозана в ПКМ, а также небольшим сроком экспонирования.
Похожие диссертации на Технология и свойства биополимера хитозана из панциря речного рака
