Способ получения хитозана из панцирей ракообразных

Способ получения хитозана из панцирей ракообразных

Реферат

Изобретение относится к рыбной промышленности, в частности к способам получения хитозана из панциря ракообразных, и может быть использовано в рыбообрабатывающей, пищевой, легкой и химической промышленности, медицине, косметике и охране окружающей среды.

Основные свойства хитозана, имеющие определяющее значение для его успешного применения в различных областях - растворимость в водных растворах, вязкость образующихся растворов, способность образовывать пленки и гранулы, биологическая совместимость, низкая токсичность, способность к биоразложению в природной среде. Перечисленные свойства определяются химическим строением молекул хитозана, а именно молекулярной массой, степенью деацетилирования и равномерностью распределения деацетилированных звеньев по длине полимерной молекулы.

Для получения хитозана наиболее широко применяется известный способ, предусматривающий проведение операций по удалению белков (депротеинизация), минеральных веществ (деминерализация) и последующий перевод хитина в хитозан (деацетилирование) [No H.К., Meyers S.P. Preparation and characterization of chitin and chitosan - a review. // Journal of Aquatic Food Product Technology. - 1995. - Vol.4, No.2. - P.27-52].

Эта общепринятая технология реализуется различными авторами по-разному: изменяется последовательность депротеинизации и деминерализации, количество операций, температурные режимы, природа и концентрации используемых щелочей и кислот (обычно 4%-ный водный раствор NaOH и 3-8% HCl). Деацетилирование, как правило, проводят в концентрированной щелочи (обычно 40-50%-ный водный раствор NaOH) при нагревании. Способ описан в многочисленных публикациях, патентах, нормативных документах.

Известен способ получения хитина и хитозана проведением последовательно деминерализации панциря криля и деацетилирования хитина [Neugebauer W.A., Bykowski P., Brzeski M., Stolz H., Sowa K., Mieczkowska M., Wojtasz-Pajak A., Morski Instytut Rybacki. Sposob otrzymywania chitosanu. // Пат.119931 ПНР, МКИ С08В 37/08. - Заявл. 22.04.80; №223707; опубл. 30.01.82; 3 с.]. В этом способе исключена отдельная стадия депротеинизации, она совмещена с деацетилированием. Сначала панцирь обрабатывают разбавленным раствором кислоты для удаления минеральных солей, затем сразу проводят деацетилирование и депротеинизацию в концентрированном растворе щелочи.

Высококачественный хитозан с однородной молекулярной массой получают деминерализацией панциря антарктического криля соляной кислотой (2-6%) при температуре 303 К (30°С) в течение не более 24 ч, последующей одновременной депротеинизацией и деацетилированием деминерализованного и промытого продукта концентрированным раствором NaOH (50%) при 360 К (87°С) в течение не более 1 ч и быстрым уменьшением концентрации NaOH не более 30% вместе с быстрым охлаждением реакционной смеси до температуры не более 333 К (60°С). Быстрая остановка реакций депротеинизации и деацетилирования подавляет при этом образование окрашенных продуктов.

Хитин и хитозан также получают при осуществлении депротеинизации и деацетилирования вместе с декарбонизированием в концентрированной щелочи с последующим связываем гидроксида кальция комплексоном и отделением последнего от хитозана [Peniston Q.P., Johnson Е.L. Method of recovering chitosan and other by- products from shellfish waste and the like. // Pat. 3862122 USA, МКИ С08В 37/08, НКИ 260/211 R. - Заявл. 16.02.72; №226661; опубл. 21.01.75; 9 с.]. В этом способе исключена стадия кислотной деминерализации. Способ получения хитозана из отходов переработки животных, имеющих панцирь, описывает получение хитозана, белка и других побочных продуктов с помощью щелочного процесса, включающего удаление кальция путем получения сахарата кальция и последующую карбонизацию его.

Выделение хитозана, протеина и других побочных продуктов из панцирьсодержащих отходов осуществляют путем обработки депротеинизированного панциря при 120-150°С раствором сильной щелочи, содержащим 30-50 весовых % гидроксида щелочного металла для частичного деацетилирования хитина и перевода СаСО₃ в Са(ОН)₂.

Обработанный панцирь промывают для удаления избытка раствора, содержащего карбонат и ацетат щелочного металла. Деацетилированный и декарбонизированный панцирь далее обрабатывают раствором хелатирующего реагента, выбранного из группы, состоящей из сахарозы, глюкозы, ЭДТА, сорбита и гликонатов. Таким образом, из деацетилированного хитина образуется растворимый комплекс Са(ОН)₂ и хитозан отделяется из остатка панциря.

Недостатком приведенных выше способов является тот факт, что, как известно, получение хитозана в гетерогенных условиях приводит к блочному распределению деацетилированных и ацетилированных звеньев в молекуле [Aiba S.-i. Studies on chitosan: 3. Evidence for the presence of random and block copolymer structures in partially N-acetylated chitosans. // Int. J. Biol. Macromol. - 1991. - Vol.13, No.1. - P.40-44.], что неблагоприятно влияет на свойства конечного продукта, такие как растворимость в водных растворах, вязкость образующихся растворов, способность образовывать пленки и гранулы, биологическая совместимость, низкая токсичность, способность к биоразложению в природной среде.

Известен способ получения хитозана в гомогенных условиях из растворенного в щелочи хитина (щелочного хитина) [Рогожин С.В.; Лозинский В.И.; Вайнерман Е.С.; Кулакова В.К.; Гамазазаде А.И.; Быкова В.М.; Немцев С.В.; Лобова Е.И.; ИНЭОС АН СССР, ВНИРО. Способ получения хитозана // А.с. 1363831 А1 СССР, МКИ4 С08В 37/08. - Заявл. 22.01.86; №4013142/23-05], который включает приготовление суспензии хитина в водном растворе щелочи, замораживание, последующее щелочное дезацетилирование и выделение хитозана и с целью повышения степени дезацетилирования, снижения деструкции целевого продукта, упрощения процесса и повышения его эффективности для приготовления суспензии хитина способ предусматривает использование 10-20%-ного водного раствора щелочи, замораживание при температуре от минус 15 до минус 38°С с последующим выдерживанием замороженной суспензии в течение 12-48 ч и последующим ее оттаиванием и проведение дезацетилирования выдерживанием полученного раствора при 17-37°С в течение 20-150 ч.

К недостаткам этого способа можно отнести многоступенчатость и длительность технологического процесса.

Еще один подобный предыдущему способ [Немцев С.В., Гамзазаде А.И., Рогожин С.В., Быкова В.М., Быков В.П. Деацетилирование хитина в гомогенных условиях. // Прикладная биохимии и микробиология. - 2002. - Т.38, №6. - С.609-615] предусматривает измельчение сухого или размороженного хитина, его измельчение и суспендирование в водном 13-24%-ном растворе NaOH, замораживание суспензии в криостате, затем размораживание при комнатной температуре с получением раствора щелочного хитина - вязкой текучей опалесцирующей жидкости, выдерживание раствора с целью деацетилирования при комнатной температуре или при нагревании до 75-90°С. При этом происходит деацетилирование и образуется гель хитозана, который механически измельчают и отмывают от щелочи дистиллированной водой.

Известны и другие подобные способы получения хитозана из хитина посредством щелочного дезацетилирования (пат. РФ 2115344, 2116733, 2246880).

Наиболее близким техническим решением является способ получения регенерированного хитина, описанный в цикле статей Т. Sannan, K. Kurita, Y. Iwakura [Sannan Т., Kurita K., Iwakura Y. Studies on chitin, 1. Solubility change by alkaline treatment and film casting. // Die Makromolekulare Chemie. Short Communication. - 1975. - Vol.176, No.4. - P.1191-1195.], по которому получение щелочного хитина основано на его свойстве растворяться в таких растворителях, как NaOH.

Хитинсодержащее сырье измельчают и просеивают.

Хитин выделяют из панциря омара последовательными обработками разбавленными растворами NaOH (депротеинизация) и HCl (деминерализация).

Раствор щелочного хитина с массовой долей полимера 0,01 и массовой долей щелочи 0,1 приготовляют следующим образом. Суспензию 3,0 г хитина в 75 г водного раствора гидроокиси натрия (30 г в 45 г, что соответствует 40% NaOH) выдерживают 3 ч при 25°С под уменьшенным давлением (под вакуумом).

Щелочной хитин затем растворяют энергичным перемешиванием с 225 г измельченного льда при температуре ниже 0°С (конечная концентрация раствора 10% NaOH). Полученный раствор фильтруют и получают раствор щелочного хитина.

Раствор щелочного хитина по этому способу далее используют для регенерации хитина.

Недостатком прототипа является тот факт, что деминерализация щелочного хитина под действием раствора соляной кислоты по этому технологическому процессу создает условия для неконтролируемой кислотной деструкции полимерной цепи, приводящей к увеличению полидисперсности хитина, что ухудшает свойства конечного продукта: молекулярную массу, степень деацетилирования и равномерность распределения деацетилированных звеньев по длине полимерной молекулы.

Заявляемый способ основан на приведенных технических решениях и использует свойство хитина растворяться с низкой степенью деацетилирования в холодном растворе щелочи с последующим выпадением при увеличении концентрации щелочи и степени деацетилирования выше 60% в осадок.

Для получения хитозана используют хитинсодержащее сырье, полученное в результате переработки свежевыловленных или замороженных ракообразных, или высушенные панцири ракообразных, например крабов, креветок, криля и др. При использовании мороженого сырья предварительно проводят его дефростацию.

Подготовленное сырье измельчают и загружают в реакционную емкость с нагретым 1-5%-ным раствором NaOH.

Депротеинизацию проводят при температуре от 20 до 95°С в течение 0.5-3 ч при постоянном перемешивании.

После окончания процесса отделяют депротеинизированное сырье фильтрованием или центрифугированием и 2-3 раза промывают горячей водой с температурой 50-98°С.

Промытое депротеинизированное сырье загружают в емкость с концентрированным 35-45%-ным раствором NaOH с температурой 15-25°С, смесь перемешивают при этой температуре в течение 2-3 ч.

В полученную смесь при перемешивании добавляют дробленый лед до достижения 10-15%-ного раствора NaOH.

Смесь оставляют на 8-16 ч при температуре 0°С и тщательном перемешивании до полного растворения хитина.

Преимуществом способа является замена процесса деминерализации щелочной экстракцией хитина из депротеинизированного панциря. Исключение деминерализации под действием раствора соляной кислоты позволяет избежать неконтролируемой кислотной деструкции полимерной цепи, приводящей к увеличению полидисперсности хитина, что ухудшает свойства конечного продукта: молекулярную массу, степень деацетилирования и равномерность распределения деацетилированных звеньев по длине полимерной молекулы.

Осадок минеральных солей, нерастворимых в щелочи, отделяют фильтрованием или центрифугированием.

В полученный прозрачный раствор щелочного хитина добавляют при перемешивании NaOH, доводя концентрацию раствора до 50-60%, реакционную смесь нагревают до 95-120°С и при этой температуре проводят щелочное деацетилирование хитина в течение 30-120 мин.

Предлагаемый режим обработки позволяет проводить деацетилирование в гомогенных условиях, в условиях полностью разрушенной кристаллической структуры хитина и хитозана. Гомогенное деацетилирование приводит к равномерному деацетилированию N-ацетилированных звеньев по длине молекулы и получению однородного продукта, что положительно влияет на свойства готового продукта.

Известно, что гомогенное деацетилирование приводит к увеличению растворимости частично деацетилированного хитина: растворимость в воде при СД около 50% и растворимость в разбавленном растворе уксусной кислоте при СД, начиная с 28% [Cho, Y.-W. Preapration and solubility in acid and water of partially deacetylated chitins. / Y.-W.Cho, J. Jang, C.R.Park, S.-W.Ko // Biomacromolecules. - 2000. - Vol.1, No.4. - P.609-614.].

Хитозан, полученный в мягких гомогенных условиях, отличается от хитозана, изготовленного традиционным способом. Он практически не электризуется при измельчении, растворы хитозана проявляют реологические свойства, близкие к свойствам ньютоновских жидкостей, обладают пониженной способностью к агрегации и имеют относительно низкую вязкость при высокой молекулярной массе [Немцев, С.В. Деацетилирование хитина в гомогенных условиях. / С.В.Немцев, А.И.Гамзазаде, С.В.Рогожин, В.М.Быкова, В.П.Быков // Прикл. биохим. и микробиол. - 2000. - Т.38, №6. - С.609-615.].

По окончании деацетилирования выпавший осадок хитозана отделяют фильтрованием или центрифугированием, растворяют, добавляя дистиллированную воду, нейтрализуют до рН не менее 6,5-7,5, промывают дистиллированной водой до отсутствия следов соли (хлоридов), ацетоном и сушат при температуре не выше 60°С,

При этом получают конечный продукт - хитозан, который за счет равномерного распределения ацетилированных и деацетилированных звеньев по длине полимерной молекулы имеет хорошую растворимость в водных растворах, вязкость образующихся растворов, способность образовывать пленки и гранулы, биологическую совместимость, низкую токсичность, способность к биоразложению в природной среде, т.е. те свойства, которые определяют его успешное применение в таких областях, как медицина, косметика, пищевая и химическая промышленность.

Предлагаемое изобретение позволяет получать хитозан с равномерным распределением ацетилированных и деацетилированных звеньев по длине полимерной молекулы за счет проведения реакции деацетилирования в гомогенной реакционной среде.

Примеры осуществления способа

Пример 1

Получение хитозана из сушеного панциря креветки способом в гетерогенных условиях

Сушеный панцирь креветки измельчили до размера частиц не более 0,5 мм. 100 г с измельченного панциря загрузили в колбу с 800 г 4%-ного раствора NaOH, нагрели на кипящей водяной бане до 95°С и при этой температуре в течение 1 ч при постоянном перемешивании провели депротеинизацию.

Депротеинизированный панцирь отделили на воронке Бюхнера под вакуумом и промыли дистиллированной водой с температурой 85°С 3 раза до рН 7.5.

Депротеинизированный панцирь загрузили в колбу с 800 г 3,6%-ного раствора HCl при температуре 20°С, смесь перемешивали при этой температуре в течение 30 мин. Полученный деминерализованный панцирь отделили на воронке Бюхнера под вакуумом и промыли дистиллированной водой при температуре 20°С 3 раза до рН 6,5.

Деминерализованный панцирь загрузили в колбу с 800 г 4%-ного раствора NaOH, нагрели на кипящей водяной бане до 95°С и при этой температуре в течение 30 мин при постоянном перемешивании провели повторную депротеинизацию.

Хитин отделили на воронке Бюхнера под вакуумом, промыли дистиллированной водой с температурой 85°С 3 раза до рН 7.5 и высушили при температуре 60°С.

Полученный сухой хитин (15 г) загрузили при перемешивании в 300 г 50%-ного раствора NaOH с температурой 100°С и провели деацетилирование в течение 30 мин.

Полученный хитин отделили на воронке Бюхнера под вакуумом, промыли дистиллированной водой с температурой 85-95°С до рН 7,5 и высушили при температуре 60°С.

Получили 12,3 г сухого хитозана, химический состав которого приведен в таблице.

Пример 2

Получение хитозана из сушеного панциря креветки по заявляемому способу

Сушеный панцирь креветки измельчили до размера частиц не более 0,5 мм.

100 г с измельченного панциря загрузили в колбу с 800 г 4%-ного раствора NaOH, нагрели на кипящей водяной бане до 95°С и при этой температуре в течение 1 ч при постоянном перемешивании провели депротеинизацию.

Депротеинизированный панцирь отделили на воронке Бюхнера под вакуумом и промыли дистиллированной водой с температурой 85°С 3 раза до рН 7.5. Промытый депротеинизированный панцирь высушили при температуре 60°С.

49 г высушенного депротеинизированного панциря загрузили в колбу со 196,0 г 40%-ного раствора NaOH при температуре 20°С, смесь перемешивали при этой температуре в течение 3 ч под вакуумом.

В полученную смесь при перемешивании добавили 705,6 г дробленого льда, достигая при этом 10-15%-ного раствора NaOH. Смесь тщательно перемешали до полного растворения хитина и оставили на 16 ч в холодильнике при температуре около 0°С до полного растворения хитина.

Прозрачный раствор щелочного хитина отделили центрифугированием при 5000 об/мин от нерастворимого минерального осадка.

Прозрачный фугат загрузили в колбу, добавили к нему при перемешивании 627,2 г кристаллической NaOH, довели концентрацию раствора NaOH до 50%.

Реакционную смесь нагрели до 100°С и проводили деацетилирование хитина при этой температуре в течение 2 ч.

По окончании деацетилирования выпавший осадок хитозана отделили центрифугированием при 5000 об/мин.

Затем осадок растворили в 500 мл дистиллированной воды и нейтрализовали до рН 7,5 1 н. HCl.

Выпавший осадок хитозана промыли дистиллированной водой до отсутствия следов соли (хлоридов), затем ацетоном и высушили при температуре 60°С.

Получили 11,4 г сухого хитозана, химический состав которого приведен в таблице.

Пример 3

Способ осуществляли аналогично примеру 2, но в качестве сырья использовали 300 г влажного панциря креветки с массовой долей воды 67%.

Получили 11,7 г сухого хитозана, химический состав которого приведен в таблице.

Пример 4

Получение хитозана из сушеного панциря краба способом в гетерогенных условиях

Способ осуществляли аналогично примеру 1. Отличие заключалось в процессе деминерализации, в котором использовался раствор HCl с концентрацией 7,2%. Получили 17,2 г хитозана, химический состав которого приведен в таблице.

Пример 5

Способ осуществляли аналогично примеру 2, но в качестве сырья использовали 100 г сушеного панциря краба (карапакса).

Получили 15,6 г сухого хитозана, химический состав которого приведен в таблице.

Пример 6

Способ осуществляли аналогично примеру 2, но в качестве сырья использовали 300 г влажного панциря краба (карапакса) с массовой долей воды 72%.

Получили 13,3 г сухого хитозана, химический состав которого приведен в таблице.

Сведения, приведенные в таблице, показывают, что образцы хитозана, полученные по заявляемому способу, практически имеют схожие показатели с образцами, полученными по традиционной технологии, в то же время по своим свойствам хитозан, полученный в мягких гомогенных условиях, отличается от хитозана, изготовленного традиционным способом: он практически не электризуется при измельчении, растворы хитозана проявляют реологические свойства, близкие к свойствам ньютоновских жидкостей, обладают пониженной способностью к агрегации и имеют относительно низкую вязкость при высокой молекулярной массе. Небольшое снижение молекулярной массы объясняется, по-видимому, разрушением кристаллической структуры и межмолекулярных связей при образовании и растворении щелочного хитина.

Свойства получаемого предлагаемым способом хитозана, определяемые химическим строением его молекул, а именно молекулярной массой, степенью деацетилирования и равномерностью распределения деацетилированных звеньев по длине полимерной молекулы, имеют определяющее значение для его успешного применения.

Предлагаемое изобретение позволяет получать хитозан с равномерным распределением ацетилированных и деацетилированных звеньев по длине полимерной молекулы за счет проведения реакции деацетилирования в гомогенной реакционной среде.

Такой хитозан имеет хорошую растворимость в водных растворах, вязкость образующихся растворов, способность образовывать пленки и гранулы, биологическую совместимость, низкую токсичность, способность к биоразложению в природной среде и может быть успешно использован в таких областях, как медицина, косметика, пищевая промышленность и охрана окружающей среды.

Сравнительный химический состав и свойства хитозана, полученного разными способами
	Панцирь креветки	Панцирь краба
Способ	Пример 1	Пример 2	Пример 3	Пример 4	Пример 5	Пример 6
Массовая доля золы, %	0,10	0,1	0,15	0,15	0,12	0,15
Степень деацетилирования, %	77,0	79,0	79,5	78,0	78,5	78,0
Молекулярная масса, кД	330	280	275	350	290	285
Выход от сухого панциря, %	12,3	11,4	11,8	16,1	15,6	15,8

Способ получения хитозана из панцирей ракообразных, включающий измельчение хитинсодержащего сырья, депротеинизацию, отделение депротеинизированного сырья, промывание, смешивание промытого депротеинизированного сырья при постоянном перемешивании с щелочным раствором и добавление к смеси колотого льда, перемешивание смеси до полного растворения хитина, отделение нерастворимого остатка, получение раствора щелочного хитина, отличающийся тем, что депротеинизированное сырье смешивают с концентрированным 35-45%-ным раствором щелочи NaOH с температурой 15-25°С, перемешивают смесь при этой температуре в течение 2-3 ч, дробленый лед добавляют в полученную в смесь до достижения 10-15%-ного раствора щелочи, смесь оставляют до полного растворения хитина на 8-16 ч при температуре 0°С, к полученному после отделения нерастворимого осадка прозрачному щелочному раствору хитина добавляют при перемешивании щелочь NaOH до концентрации 50-60%, нагревают реакционную смесь до 95-120°С и проводят щелочное деацетилирование хитина в течение 30-120 мин, полученный осадок хитозана отделяют, растворяют в дистиллированной воде и нейтрализуют до рН не менее 6,5-7,5, осадок отделяют, промывают дистиллированной водой, ацетоном и сушат при температуре не выше 60°С.