Хитин и хитозан. Строение и свойства

Федеральное агентство по образованию

ЭНГЕЛЬССКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

САРАТОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО

УНИВЕРСИТЕТА ИМ. ГАГАРИНА Ю.А.

 

Кафедра химической технологии

 

Курсовая работа

 

«СОВРЕМЕННЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ В ПОЛУЧЕНИИ

ВОДОРАСТВОРИМЫХ ПРОИЗВОДНЫХ БИОПОЛИМЕРА ХИТОЗАНА»

 

Выполнила: студентка 1-го курса магистратуры

очно-заочного отделения

Топорищева Д.А.

Проверил: к.т.н.,

Доц. кафедры ХТ Абдуллин В.Ф.

 

 

г. Энгельс 2017

Содержание

 

 

Введение

Хитин и хитозан. Строение и свойства

2. Применение хитина и хитозана

3. Способы получения водорастворимых производных хитозана

4. Заключение

Список литературы

 

 

Введение

В настоящее время природный полисахарид хитозан 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:

Хитозан хорошо растворяется во многих органических и неорганических кислотах. Однако нерастворим в воде, что ограничивает масштабы его применения в различных отраслях народного хозяйства.

В настоящее время имеются разработки различных водорастворимых форм хитозана, которые обладают комплексом уникальных свойств, делающих их весьма перспективным объектом для практического применения в различных областях современной технологии и медицины. Создание бактерицидных плёнок и мембран, получение высокоэффективных и селективных адсорбентов для извлечения тяжелых и радиоактивных элементов, стабилизация дисперсных систем (эмульсий, пен, золей) в косметике, производство экологически безвредных композиционных дисперсных материалов – всё это лишь немногочисленные примеры использования водорастворимых производных хитозана. Поэтому разработка эффективной технологии получения водорастворимых форм хитозана является актуальной задачей.

 

Хитин и хитозан. Строение и свойства

 

Биополимеры хитин и хитозан обратили на себя внимание учёных почти 200 лет назад. Хитин был открыт в 1811 г. (H. Braconnot, A.Odier), а хитозан в 1859 году (C.Rouget), хотя своё нынешнее название получил в 1894 г. (F.Hoppe-Seyler). В первой половине ХХ века к хитину и его производным был проявлен заслуженный интерес, в частности, к нему имели непосредственное отношение три Нобелевских лауреата: F. Fischer (1903) синтезировал глюкозамин, P. Karrer (1929) провёл деградацию хитина с помощью хитиназ, а W.H. Haworth (1939) установил абсолютную конфигурацию глюкозамина. [1]

Хитин – линейный аминополисахарид, состоящий из N-ацетил-2-амино-2-дезокиси-D-гликопиранозных звеньев.

хитин

По химической структуре он близок к целлюлозе и только ей уступает по распространенности в природе. Хитин нерастворим в воде, разбавленных кислотах, щелочах, спиртах и других органических растворителях. Он растворим в концентрированных растворах соляной, серной и муравьиной кислот, а также в некоторых солевых растворах при нагревании, но при растворении он заметно деполимеризуется. В смеси диметилацетамида, N-метил-2-пирролидона и хлористого лития хитин растворяется без разрушения полимерной структуры.

Большая длина и ограниченная гибкость макромо­лекул являются предпосылками для образования биопо­лимерами сложных надмолекулярных структур в тканях живых организмов. Для хитина основным элементом та­кой структуры являются фибриллы - высокоориенти­рованные агрегаты макромолекул диаметром 25-50 нм, в свою очередь состоящие из микрофибрилл диамет­ром 2,5-2,8 нм. Такая структура обеспечивает выпол­нение важной биологической функции армирования (повышения механической прочности) содержащих хи­тин тканей.

Благодаря регулярности строения полимерной це­пи хитина формируется высокоупорядоченная структу­ра, обладающая признаками, характерными для крис­таллического фазового состояния полимеров. При этом кристаллические области структуры хитина могут суще­ствовать в трех кристаллографических (структурных) модификациях, отличающихся расположением молеку­лярных цепей в элементарной ячейке кристаллита (яв­ление, известное под названием полиморфизма). Так, посредством рентгеноструктурного анализа показано, что молекулярные звенья хитина имеют конформацию 4С1.

В зависимости от расположения полимерных молекул различают три формы структуры хитина - a, b и g. a-хитин представляет собой плотно упакованный, наиболее кристаллический полимер, в котором цепочки располагаются антипараллельно, он характеризуется самым стабильным состоянием. В b-хитине цепочки располагаются параллельно относительно друг друга, а в g-хитине две цепочки полимера направлены “вверх” относительно одной, направленной “вниз”. b и g-хитины могут превращаться в a-хитин.

Специфика полимерного состояния хитина, как и других высокомолекулярных соединений, обусловли­вает невозможность существования этого полимера как однофазной системы (полная кристалличность). Од­нако содержание кристаллических областей в хитине достаточно велико и составляет в зависимости от про­исхождения и способа выделения 60-85%. При этом фиксация взаимного расположения макромолекул хи­тина обеспечивается системой внутри- и межмолеку­лярных водородных связей: ОН-группа у С3 элементар­ного звена включена в водородную связь с атомом кислорода в цикле соседнего элементарного звена; ОН-группа у С6 может быть связана водородными связями как внутримолекулярно - с атомом кислорода гликозидной связи и (или) атомом азота ацетамидной группы, так и межмолекулярно - с ОН-группой у С6 соседней макромолекулы. При этом последняя может образовы­вать водородные связи с молекулами кристаллизаци­онной воды. [2]

Панцирь краба и кутикула насекомых играют роль внешнего скелета и выполняют защитные функции. Хитин, входящий в состав панциря ракообразных, образует волокнистую структуру, он связан с белками посредством пептидной связи деацетилированной аминогруппы с диаминомонокарбоновыми аминокислотами неароматического строения, имея вид хитин-белкового комплекса (ХБК).

Особым образом изменяется хитин под действием ферментов в организме морских крабов. В процессе линьки хитин панциря подвергается значительному разрушению и последующему восстановления. Участие в этом процессе специфических ферментов способствует протеканию синтеза и деградации хитина с исключительно большой скоростью. Хитинолитические ферменты имеют неодинаковый уровень активности в зависимости от физиологического состояния ракообразных. У крабов, например, хитиназа синтезируется постоянно, а синтез хитобиазы усиливается перед линькой и немедленно уменьшается после её окончания. У морских крабов сразу после линьки панцирь мягкий, эластичный, состоящий только из ХБК, но с течением времени происходит его упрочнение за счёт минерализации структуры ХБК в основном карбонатом кальция. Эта минерализация происходит в большей или меньшей степени в зависимости от вида животного.

Таким образом, панцирь краба построен из трёх основных элементов – хитина, играющего роль каркаса, минеральной части, придающей панцирю необходимую прочность и белков, делающих его живой тканью. В состав панциря входят также липиды, меланины и другие пигменты. Пигменты панциря ракообразных представлены, в частности, каротиноидами типа астаксантина, астацина и криптоксантина. В кутикуле взрослых насекомых хитин также ковалентно связан с белками типа артраподина и склеротина, а также большим количеством меланиновых соединений, которые могут составлять до 40% массы кутикулы. Кутикула насекомых отличается большой прочностью и в то же время гибкостью благодаря хитину, содержание которого от 30% до 50%. В клеточной стенке некоторых фикомицетов, например в итридиевых, хитин обнаруживается вместе с целлюлозой. Хитин у грибов, как правило, ассоциируется с другими полисахаридами, например b-1-3-глюканом, у членистоногих он связан с белками типа склеротина и меланинами.

Структурный компонент хитина N-ацетил-D-глюкозамин у бактерий, наряду с N-ацетилмурамовой кислотой, является компонентом клеточной стенки. В животном мире N-ацетилглюкозамин входит в состав мукополисахаридов (гликозаминогликаны) соединительной ткани (гиалуроновой кислоты, хондроитинсульфатов, гепарина), групповых веществ крови и других гликопротеинов. Остаток N-ацетил-D-глюкозамина обычно находится на восстановленном конце углеводных цепей животных гликопротеинов, образуя связь углевод – белок. Этим объясняется совместимость хитина и хитозана с живыми тканями. Наиболее распространённым типом связи в животных гликопротеинах является N-гликозидная связь, образуемая остатком N-ацетилглюкозамина и b-амидной группой аспаргина.

Хитозан является b-(1-4)-2-амино-2дезокси-D-гликополисахаридом, т.е. аминополисахаридом, полученным при удалении ацетильной группы из положения С2 в хитине в результате обработки его в жестких условиях раствором щелочи, что позволяет заместить ацетильные группы хитина аминогруппами:

 

В зависимости от источника сырья и метода получения молекулярная масса хитозана колеблется в пределах 3·10⁵-6·10⁵.

Как и хитин, хитозан представляет собой аморф­но-кристаллический полимер, для которого также ха­рактерно явление полиморфизма, причем количество структурных модификаций при переходе от хитина к хитозану увеличивается до 6. Сохранение при этом размеров элементарной ячейки кристаллита вдоль оси макромолекулы на уровне соответствующей характеристики для хитина (103 нм) свидетельствует о том, что конформация макромолекул при переходе от хитина к хитозану существенно не изменяется. В то же время в процессе деацетилирования хитина заметно уменьша­ется общая упорядоченность структуры (степень крис­талличности снижается до 40-50%). Снижение степени кристалличности может быть обусловлено как аморфизацией структуры вследствие внутрикристаллитного набухания при деацетилировании, так и нарушением регулярности строения полимерной цепи в случае не­полного отщепления N-ацетильных групп.

В отличие от хитина, получаемый при его деацетилировании хитозан растворяется даже в разбавленных органических кислотах, например в водном растворе уксусной кислоты. При этом для растворов хитозана, как и других полимеров, характерна существенная за­висимость вязкости от концентрации (при увеличении концентрации раствора хитозана в 1-2%-ном растворе уксусной кислоты с 2 до 4 % вязкость раствора увеличи­вается примерно в 30 раз). Появление в каждом элемен­тарном звене макромолекулы свободной аминогруппы придает хитозану свойства полиэлектролита, одним из которых является характерный для растворов полиэлек­тролитов эффект полиэлектролитного набухания - ано­мального повышения вязкости разбавленных раство­ров (с концентрацией ниже 1 г/л) при уменьшении концентрации полимера. Этот эффект является следст­вием увеличения эффективного объема и асимметрии макромолекул в растворе в результате отталкивания одноименных зарядов, возникающих при протонировании аминогрупп.

Хитозан является биополимером относительно слабой основности (рКа ~ 6,5). Он не растворяется в щелочных средах, однако его катионная полиэлектролитная природа в кислой среде обеспечивает взаимодействие с отрицательно заряженными синтетическими или природными полимерами. Этот катионный полиамин имеет высокий молекулярный вес линейного полиэлектролита, а также обладает вязкостью от высокой до низкой. Проявляет хелатные свойства, связывает переходные металлы, обладает высокой способностью к химической модификации благодаря наличию реактивных амино- и гидроксильных групп. Кроме того, хитозан является природным биополимером, который биологически совместим с тканями организма, биодеградирует до обычных компонентов организма (глюкозамин, N-ацетилглюкозамин), нетоксичен, в медицине проявляет себя как гемостатик, бактериостатик, фунгистатик, иммуномодулятор, оказывает антиопухолевый эффект и снижает уровень холестерина. [3]

 

123Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: