Способ получения хитозана

 

Использование: в сельском хозяйстве, медицине, текстильной, бумажной и пищевой промышленности. Сущность изобретения: хитин кутикулярных оболочек насекомых измельчают до частиц 0,2-0,3 мм, обрабатывают 40%-ным раствором едкой щелочи при 100-110^oС, жидкостном модуле 1:20, 3-3,5 часа, при одновременном воздействии ультразвуком с частотой 15-35 кГц.

Изобретение относится к области химии природных соединений и биотехнологии и может быть использовано в медицине, текстильной, бумажной и пищевой промышленности.

Хитозан является деацетилированным производным природного полисахарида хитина (поли-N-ацетил-D-глюкозамин) (C₆H₁₂O₅N)n.

Широкое применение хитозана связано с его уникальными сорбционными свойствами. Сырьем для получения хитозана является хитин, получаемый в основном из панцирей ракообразных. В принципе в качестве сырья может использован хитин из клеточных стенок бактерий, грибов, а также хитинового покрова насекомых.

Хитин, получаемый из разных видов сырья, несколько отличается: так, например, вследствие того, что панцири ракообразных сильно минерализованы, получаемый после деминерализации хитин имеет рыхлую, губчатую структуру, в то время как структура хитина из наружного скелета насекомых, не имеющего минеральных солей, отличается плотной упаковкой. При обработке химическими веществами такая структура препятствует проникновению реагентов вглубь частиц хитина.

Известен способ получения хитозана, заключающийся в деацетилировании хитина, полученного из ракообразных, при обработке 40-60% растворами NaOH и KOH при температуре 80-150^oС в течение 1-16 час при ограниченном доступе воздуха, либо в атмосфере инертных газов /1/.

Однако при использовании другого сырья кутикулярных оболочек личинок насекомых (Musca domestica и Bombyx mori) этот способ оказался недостаточно эффективным: так при обработке хитина 40% раствором КОН при 120^oС в течение 3 часов лишь 5% обрабатываемого материала становится растворимым в 1% уксусной кислоте.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ получения хитозана путем деацетилирования хитина панцирей ракообразных 5-10-кратным избытком 40-50% -ных растворов едкой щелочи при 120-180^oС, в инертной атмосфере, в течение 0,5-16 часов /2/.

Задачей изобретения явилось создание технологичного способа получения хитозана из хитина насекомых.

Эта задача решена способом получения хитозана, включающем обработку хитина 40%-ным раствором едкой щелочи при повышенной температуре, в котором используют хитин из кутикулярных оболочек насекомых, измельченных до частиц с размером 0,2-0,3 мм, а обработку проводят при 100-110^oС, жидкостном модуле 1: 20, в течение 3-3,5 часов при одновременном воздействии на реакционную смесь ультразвуком с частотой 15-35 кГц.

Хитин кутикул мух, в отличие от хитина ракообразных, не содержит кальциевых солей. При сравнении прохождения процесса деацетилирования хитина ракообразных и насекомых имеются следующие различия: деацетилирование хитина ракообразных (после удаления Са обработкой кислотами) с успехом проходит по всей толщине частиц, и в результате получаемый хитозан имеет довольно однородный молекулярный вес. Процесс деацетилирования хитина из личинок насекомых проходит существенно медленнее. При длительной обработке хитина насекомых его частицы уменьшаются в размере, растворяясь в щелочи, но при этом внутренние слои деацетилируются неполно. Это подтверждается при сравнении поверхности срезов деминерализованного и депротеинизованного хитина ракообразных и депротеинизованного хитина кутикулярных оболочек мух в сканирующем электронном микроскопе. Хитин ракообразных имеет губчатую структуру, в то время как хитин личинок мух имеет довольно гладкий рельеф поверхности среза. Хитин в кутикуле мух упакован очень плотно. Для облегчения проникновения щелочи во внутренние слои хитина насекомых необходимо: во-первых, измельчение, максимальное увеличение его поверхности, и во-вторых, обработка ультразвуком всего объема реакционной смеси; все это необходимо для того, чтобы создать условия непрерывного поступления непрореагировавшей щелочи во внутренние слои частиц хитина насекомых.

Выполнение этих условий, т. е. измельчение хитина кутикулярных оболочек личинок до частиц с предельным размером 0,2-0,3 мм и обработка реакционной смеси ультразвуком 15-35 кГц, существенно ускоряет процесс деацетилирования, уменьшает потери улучшает качество продукта, т. к. процесс протекает при относительно низких температурах (100-110^oС). Хитин кутикулярных оболочек личинок, измельченный до указанных размеров, после обработки 40% раствором КОН (100-110^oС), сопровождаемой обработкой ультразвуком 15-35 кГц в течение 3-3,5 часов, после отмывания водой и высушивания полностью растворим в 1% уксусной кислоте. Степень его деацетилирования, определенная методом инфракрасной спектроскопии, 80-85% Молекулярный вес около 900 килодальтон.

Основные отличия хитина кутикул личинок мух и хитина ракообразных состоят в следующем: 1) хитин кутикул личинок мух в отличие от хитина ракообразных не содержит кальциевых солей. Это позволяет опустить один из основных технологических этапов деацетилирования хитина, связанный с его деминерализацией, что является важным преимуществом нашей технологии получения хитозана; 2) хитин кутикул личинок мух в отличие от хитина ракообразных не содержит фторсодержащих соединений, что существенно повысит срок эксплуатации оборудования, применяемого в процессе его очистки и деацетилирования, т. к. в процессе кислотной обработки панцирей ракообразных высвобождаются летучие фтористые соединения, сильно коррозирующие аппаратуру.

Предложенный способ позволяет использовать в качестве хитиносодержащего сырья личинки синантропных мух, которые являются продуктом нового технологического процесса безотходной переработки навоза. Хитин личинок насекомых отличается по природе от хитина ракообразных и является уникальным сам по себе в сравнении с известными источниками хитина.

Характеристика исходного сырья хитина насекомых в литературе не описана в отличие от хитина ракообразных, которому посвящены многочисленные статьи в научно-технической литературе и большое число патентов.

Способ осуществляется следующим образом. Хитин кутикулярных оболочек насекомых измельчают до размера частиц 0,2-0,3 мм, затем обрабатывают 40% раствором КОН при 100-110^oС и одновременно всю реакционную смесь подвергают обработке ультразвуком с частотой 15-35 кГц в течение 3-3,5 часов. Полученный продукт отмывают водой до рН 7,0, осаждают центрифугированием и высушивают. При таком режиме обработки весь осадок полностью растворяется в 1% уксусной кислоте, степень его деацетилирования, определенная методом инфракрасной спектроскопии, равна 70% и выше. Способ иллюстрируется примерами.

Пример 1. 3 г депротеинизированного хитина из кутикулярных оболочек личинок мухи (Musca domestica) измельчают до размера частиц 0,2-0,3 мм, обрабатывают в 60 мл 40% раствора КОН при 100^oС в течение 3 часов, одновременно обрабатывают весь объем реакционной смеси ультразвуком с частотой 15 кГц в режиме кавитации. По окончании процедуры оставшийся продукт отмывают 25 объемами воды (1,5 л) до рН 7,0, осаждают его центрифугированием. Вес высушенного остатка 2,67 г. Степень деацетилирования выше 70% Вязкость - 800 Ср. Молекулярная масса 900 кДа. За 24 часа 100 мг продукта полностью растворяется в 10 мл 1% раствора уксусной кислоты.

Пример 2. 3 г хитина из кутикулярных оболочек куколок тутового шелкопряда (Bombyx mori), размельченного до размера частиц 0,2-0,3 мм, обрабатывают в 60 мл 40% раствора КОН при 110^oС в течение 3 часов. Одновременно обрабатывают весь объем реакционной смеси ультразвуком с частотой 15 кГц в режиме кавитации. По окончании процедуры оставшийся продукт отмывают водой (1,5 л) до рН 7,0, затем осаждают центрифугированием, высушивают. Вес высушенного осадка 2,59 г. Степень деацетилирования 70% и выше. Вязкость 600 Ср. Молекулярная масса до 900 кДа. За 24 часа 100 мг продукта полностью растворяется в 10 мл 1% раствора уксусной кислоты.

Пример 3. 3 г депротеинизированного хитина из кутикулярых оболочек личинок (Musca domestica), размельченного до размера частиц 0,2-0,3 мм, обрабатывают в 60 мл 40% раствора КОН при 110^oС в течение 3,5 часов. Одновременно весь объем реакционной смеси обрабатывают ультразвуком с частотой 35 кГц в режиме кавитации. Затем оставшийся продукт отмывают водой (1,5 л) до рН 7,0, осаждают центрифугированием, высушивают. Вес высушенного осадка 2,63 г, степень деацетилирования 85% вязкость 600 Ср, молекулярная масса 800 кДа.

Формула изобретения

Способ получения хитозана, включающий обработку хитина 40%-ным раствором едкой щелочи при повышенной температуре, отличающийся тем, что используют хитин из кутикулярных оболочек насекомых, измельченный до частиц с размером 0,2 0,3 мм, а обработку проводят при 100 110^oС, жидкостном модуле 1 20, в течение 3,0 3,5 ч при одновременном воздействии на реакционную смесь ультразвуком с частотой 15 35 кГц.