XXIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Природные биополимеры – хитин и хитозан на службе человеку

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы

Рослякова Д.А. 1

---

1Муниципальное общеобразовательное учреждение "Средняя общеобразовательная школа "

Бредихина Е.В. 1

---

1Муниципальное общеобразовательное учреждение «Средняя общеобразовательная школа №4»

Работа в формате PDF

3.7 MB

Введение

С середины XX века массовое производство синтетических полимеров привело к формированию глобального экологического кризиса. Пластиковые отходы не подвергаются биологическому разложению, а фрагментируются до состояния микропластика. Сегодня эти частицы стали универсальным маркером антропогенного воздействия: их обнаруживают в донных отложениях Марианской впадины на глубине 11 километров, во льдах Арктики, в почвах Эвереста, а также в питьевой воде (включая бутилированную) и базовых продуктах питания — от морской рыбы до меда.

Ограничение потребления пластика является необходимой, но недостаточной мерой. Ключевым вектором решения проблемы становится разработка биоразлагаемых материалов с сопоставимыми эксплуатационными характеристиками. Особый интерес представляют природные биополимеры, одним из которых является хитин — структурный полисахарид панцирей ракообразных и насекомых, экзоскелетов грибов и микроорганизмов. Его производное, хитозан, обладает уникальным комплексом физико-химических свойств, открывающим путь к созданию «зеленых» технологий.

Актуальность темы исследования: продиктована мировым запросом на отказ от неразлагаемого мусора. Разработка упаковки, фильтров и покрытий на основе биологических полимеров вместо синтетических — это прямой путь к снижению экологической нагрузки без потери качества жизни.

Гипотеза:предполагается, что хитозан, благодаря сочетанию сорбционной способности, антимикробной активности и пленкообразующих свойств, может служить эффективной основой для разработки функциональных материалов нового поколения.

Цель исследования:изучение физико-химических свойств хитозана и определение границ его практического применения методами скриннингового ислледования.

Для достижения цели и проверки гипотезы нами были поставлены следующие задачи:

 Изучить профильную научную литературу для формирования теоретической базы.

 Выявить принципиальные различия в свойствах исходного хитина и конечного хитозана.

 В ходе эксперимента проверить практические качества хитозана: его способность впитывать вещества (сорбция), подавлять рост бактерий и улучшать характеристики готовых образцов.

 Разработать методики и получить различные формы хитозана, которые могут быть использованы в хозяйственной деятельности человека.

 Сформулировать итоговые выводы о возможностях промышленного использования хитозана.

Объект исследования: хитозан – производное натурального биополимера хитина.

Предмет исследования: свойства хитозана как перспективного материала для разных областей применения.

Глава 1 Теоретическая часть

1.1 Что такое биологические полимеры

Полимеры — это крупные молекулы, состоящие из множества повторяющихся структурных единиц, называемых мономерами, соединенных ковалентными связями. Основу полимера составляют мономеры — простые молекулы, которые могут соединяться друг с другом, образуя длинные цепи или сложные трехмерные структуры. Биологические полимеры — это природные макромолекулы, которые состоят из повторяющихся мономеров, соединенных в длинные цепи. Эти молекулы синтезируются клетками и играют важнейшую роль в обеспечении жизнедеятельности организма.

Биологические полимеры имеют огромное значение для жизни. Они обеспечивают структуру клеток, участвуют в катализе реакций, передают наследственную информацию и являются источниками энергии. Изучение их структуры и функций позволяет глубже понять биологические процессы, что имеет важное значение для развития медицины, биотехнологий и экологии. Полимеры — это универсальные молекулы, без которых существование жизни было бы невозможно [1].

1.2 Природный полимер – хитин

Природный полисахарид хитин (полимер N-ацетилглюкозамина) впервые был обнаружен в грибах шампиньонах в 1811 г. Затем этот биополимер обнаружили в панцирях ракообразных, кутикулах насекомых, морских губках. Хитин – один из наиболее распространенных в природе полисахаридов. Обработка хитина щелочью позволяет получить вещество, растворимое в кислотах, впоследствии названное хитозаном (полимер глюкозамина). Хитозан и его производные нашли применение в сельском хозяйстве, в медицине, в биотехнологии, для очистки воды, для радиопротекции и др [2].

Молекула хитозана содержит большое количество функциональных групп (гидроксильных, аминогрупп). Это обуславливает его уникальные сорбционные, антиоксидантные, радиопротекторные и другие свойства, а также биосовместимость и способность к биодеградации.

1.3 Производное хитина: хитозан

Хитозан был впервые получен французским ученым Шарлем Руже в 1859 году путем выдержки хитина в щелочной среде. 35 спустя немецкий врач и химик Феликс Хоппе-Сейер назвал этот материал хитозаном. Однако его химическая структура не была известна вплоть до 1950 года.

Хитозан — это природное высокомолекулярное вещество (то есть полимер), получаемое из панцирей ракообразных. Но если быть еще более точным, то из панцирей получается не он, а его предшественник — хитин. И возможное сырье не ограничивается только ракообразными: в действительности хитин является наиболее распространенным биополимером сразу после целлюлозы.

Хитозан — биологически активная молекула. Он проявляет противомикробное, противогрибковое, противоопухолевое, противораковое, противодиабетическое, ранозаживляющее и антиоксидантное действие [6].

1.4 Применение хитина и хитозана

В настоящее время известно более 70 направлений использования хитина и хитозана в различных отраслях промышленности, наиболее важными из которых, во всем мире признаны пищевая промышленность, медицина и экология.

Неотъемлемой областью, все так же остается медицина. В частности, одной из актуальных задач современной медицины является лечение обширных ожоговых поверхностей, длительно незаживающих ран и трофических язв [3]. К используемым перевязочным средствам предъявляются высокие требования по физико-химическим свойствам, таким как создание оптимальной микросреды для заживления ран, способность предотвращать проникновение микроорганизмов, воздухопроницаемость, эластичность, отсутствие токсического действия, удобство стерилизации и использования и др. Существующие перевязочные средства «раневые покрытия» не удовлетворяют в полной мере всем перечисленным требованиям. Эффективным способом решения данной задачи является применение в качестве полифункциональных «раневых покрытий» нановолокнистых материалов из хитозана, полученных методом электроформования («вторая кожа»).

Помимо этого, сульфат хитозана может быть использован в качестве основы для создания препаратов антикоагулянтного и антисклеротического действия для лечения и профилактики тромбозов, поскольку является структурным аналогом гепарина и обладает

антикоагулянтной активностью. Что не только препятствуют свертыванию крови, но и резко уменьшают интенсивность деления раковых клеток, что создает повышенный интерес с онкологической точки зрения.

Еще одна возможность использования хитина, хитозана и их производных

- создание биологических пленок (мембран, оболочек). Применение таких пленок создает условия для выделения лекарственных средств, обеспечивая эффект удлинения их

действия. Хитин и хитозан подавляют всасывание холестерина, что незаменимо при атеросклерозе [4].

Производные хитозана находят важное применение и в косметике, в производстве препаратов для омоложения кожи и удаления морщин, средств ухода за кожей, волосами и полостью рта. Для косметической индустрии ценны такие свойства хитозана и его производных, как отсутствие токсичности, влагоудерживающая способность, эффективность взаимодействия с кожей, антиоксидантность. Хитозан используют в качестве более дешевого и доступного заменителя гиалуроновой кислоты.

В пищевой технологии - в качестве загустителя и структурообразователя при производстве муссов, желе, соков и других продуктов. Хитозан можно использовать для снижения кислотности и осветления фруктовых соков. При добавлении хитозана в молочные продукты срок их сохранности повышается. Из этих природных полимеров изготавливают тончайшие пленки, которые в разы увеличивают срок хранения продуктов. [5].

Наличие удивительных свойств хитина и его производных как: способность к связыванию тяжелых металлов и органических соединений, дало возможность использовать их при извлечении нуклидов из сточных вод ядерных реакторов и других жидкостей, зараженных продуктами ядерного распада.

Таким образом, ученые называют хитин веществом ХХI века. По их мнению, уже через два – три десятилетия промышленная цивилизация будет немыслима без него точно также, как без алюминия, полиэтилена или персонального компьютера [5].

1.5 Биоразлагаемые пленки из природного сырья

Острая экологическая проблема, такая как скопление пластиковых отходов и их влияние на окружающую среду, привела к появлению современных полимерных материалов, способных к биоразложению. Биоразложение – это механизм деградации отходов деятельности человека в природе под действием микроорганизмов. Биоразлагаемым называют пластик, который сохраняет свои свойства в период использования и разлагается на составляющие после эксплуатации. Отличительной особенностью биоматериалов является то, что в их состав входит сырье природного происхождения. Таким образом, после использования и захоронения упаковочных отходов впоследствии разложения в почве образуются биомасса, диоксид углерода и вода, т.е. биогумус.

В современной пищевой промышленности широкое распространение получили пленки на основе таких природных биополимеров, как желатин, казеин, хитозан, целлюлоза и др. Стоимость производства биоразлагаемой упаковки на данный момент в разы дороже, чем привычный для всех пластиковый материал. Но с точки зрения экологии использование данного упаковочного материала и внедрение его в масштабное производство имеет будущее. Сегодня биополимеры могут быть получены из традиционного сырья, а именно продуктов нефтехимии, или из возобновляемых природных ресурсов.

Существует ряд требований к биоразлагаемым полимерам. Они должны комбинировать в себе ряд свойств, таких как механическая прочность, экологическая безопасность, газо- и влагонепроницаемость, эксплуатационные и технологические свойства со способностью к биоразложению [7].

1.6 Актуальность очистки сточных вод от ионнов тяжелых металлов

Тяжелые металлы (Pb — свинец, Hg — ртуть, Cd — кадмий, As — мышьяк) относятся к высокотоксичным элементам. Главная их опасность заключается в неспособности разрушаться в окружающей среде и склонности к накоплению. Попадая в водоемы, они включаются в пищевые цепи. Планктон поглощает растворенные ионы, рыбы поедают планктон, хищники — рыб, а человек употребляет продукты рыболовства и сельского хозяйства. На каждом трофическом уровне концентрация яда увеличивается. В организме человека тяжелые металлы накапливаются преимущественно в костной ткани, печени и почках, так как не имеют естественного метаболического пути выведения:

*Свинец (Pb²⁺):* нейротоксичен, блокирует ферментативные процессы в головном мозге, вызывая когнитивные нарушения у детей.

*Ртуть (Hg²⁺):* поражает центральную нервную систему, нарушая координацию движений и сенсорные функции.

*Кадмий (Cd²⁺):* обладает высокой нефротоксичностью (разрушает почки) и замещает кальций в костях, приводя к их деминерализации (болезнь итай-итай).

*Мышьяк (As³⁺/As⁵⁺):* является системным ядом и доказанным канцерогеном.

Поскольку традиционные методы очистки воды часто дорогостоящи или неэффективны против низких концентраций металлов, поиск доступных биосорбентов на основе отходов переработки крабов и креветок (хитин/хитозан) представляет высокую практическую значимость.

Глава 2 Практическая часть

2.1 Сравнение свойств хитина и хитозана

2.1.1 Приготовление хитина и хитозана для выполнения экспериментов

Для обеспечения сопоставимости результатов образцы были подготовлены в единой порошкообразной форме.

• Образец №1 (Хитин): В качестве природного источника использован экзоскелет ракообразных (Decapoda). Панцири креветок подвергли термической обработке (варка), механически очистили от мягких тканей, многократно промыли дистиллированной водой до нейтрального значения pH промывных вод и высушили при температуре 60 °C до постоянной массы. Высушенный материал измельчили в лабораторной ступке до гомогенного порошка.

• Образец №2 (Хитозан): В качестве образца использован фармацевтический препарат «Хитозан» (таблетированная форма). Таблетки освобождены от вспомогательных компонентов оболочки согласно инструкции производителя и истерты в тонкий порошок. (Визуальный контроль полученных порошков представлен в Приложении 1).

2.1.2 Изучение растворимости хитина и хитозана в агрессивных растворах

Навески каждого полимера массой 0,5 г помещали в четыре химические емкости по 50 мл:

1. Раствор уксусной кислоты (9% CH₃COOH) — модель кислой среды.

2. Раствор гидроксида натрия (NaOH, 4%) — модель щелочной среды.

3. Гипохлоритсодержащее моющее средство («Domestos») — среда с сильными окислительными свойствами (активный хлор).

4. Дистиллированная вода — контрольная проба. Время экспозиции составило 24 часа при периодическом перемешивании. Опыт поставлен в трехкратной повторности для верификации данных.

Результаты представлены в Таблице 1, Приложение 2.

Анализ экспериментальных данных позволяет сделать следующие заключения о растворимости исследуемых веществ:

1. Хитин проявляет высокую стабильность во всех тестируемых средах, кроме сильных окислителей. Его основная функция в природе — создание жесткого защитного каркаса, устойчивого к механическим повреждениям и воздействию внешней среды.

2. Хитозан проявил способность набухать в воде и частично растворяться в разбавленных кислотах. Данное свойство отличает его от исходного хитина и объясняет широкое применение хитозана в медицине (создание пленок, которые разрушаются под действием кислого желудочного сока).

3. Оба вещества показали отсутствие растворения в щелочи подтверждает.

4. Раствор с сильными окислительными свойствами привел к растворению проб, поскольку действие этого раствора направлено на разрушение химических связей органических соединений.

Биологический вывод: Высокая химическая инертность хитина обеспечивает надежную защиту членистоногих от хищников и патогенов, использующих кислотные секреты. Однако в естественной среде данные биополимеры уязвимы перед современными антропогенными загрязнителями (хлорсодержащими отбеливателями, промышленными окислителями), которые способны разрушать органические структуры панцирей.

2.2 Исследование сорбционных свойств хитина и хитозана

2.2.1 Исследование сорбционной способности хитина и хитозана по отношению к водорастворимым веществам

В рамках эксперимента сравнивалась эффективность поглощения (сорбции) низкомолекулярных окрашенных веществ природными биополимерами (хитозаном, хитином) и синтетическим углеродным сорбентом (активированным углем). (Приложение 3)

Подготовка модельных растворов:

Раствор I (Модель пищевого красителя): К 200 мл дистиллированной воды добавлено фиксированное количество капель концентрированного пищевого красителя до получения визуально насыщенного раствора.

Раствор II (Модель молекулярного йода): К 500 мл дистиллированной воды добавлен аптечный раствор йода до достижения светло-желто-коричневого цвета.

Для оценки эффективности сорбентов были подготовлены две контрольные пробы. В отдельные емкости помещено по 100 мл Раствора I и Раствора II без добавления каких-либо порошков. Это позволит сравнить исходную интенсивность окраски с результатами после фильтрации через сутки.

Методика проведения опыта:

В четыре серии емкостей (№1–4 для каждого типа раствора) было помещено строго равное количество исследуемых порошкообразных веществ.

Серия А: Хитозан.

Серия Б: Хитин.

Серия В: Активированный уголь (положительный контроль как эталонный сорбент).

Серия Г: Контрольная емкость (без добавок).

Затем в каждую емкость добавили по 100 мл соответствующего модельного раствора (I или II). Емкости плотно закрыли крышками для исключения испарения жидкости и влияния внешних загрязнителей. Оценка результатов проводилась через 24 часа.

Обработка результатов.

По истечении суток суспензии подвергли профильтровали через плотный бумажный фильтр.

1. Оценка интенсивности окраски. Прозрачные фильтраты сравнивались с исходными растворами из контрольных емкостей на белом фоне при стандартизированном освещении. Оценивалось изменение цветового тона и прозрачности.

Наибольшее обесцвечивание наблюдалось в пробах с активированным углем. Пробы с хитозаном и хитином продемонстрировали лишь частичное удаление пигмента за счет отсутствия развитой пористой структуры.

2. Качественная реакция на остаточный йод (крахмальная проба) К водной части (фильтрату), полученной после обработки Раствора II каждым из сорбентов, был добавлен свежеприготовленный 1%-й раствор крахмала.

Появление характерного сине-фиолетового окрашивания свидетельствует о наличии в растворе йода, который не вступил во взаимодействие с сорбентом. Отсутствие изменения цвета указывает на высокую поглотительную способность вещества. Данная качественная реакция позволяет подтвердить сорбцию йода полисахаридами.

Таким образом, в растворе с добавлением хитозана мы можем наблюдать сине-фиолетовое окрашивание в нижней части пробирки, где находился нерастворившийся порошок. Что может свидетельствовать о сорбционной способности хитозана в отношении свободного йода. Проба с хитином результат не показала, окрашивание не наблюдалось.

2.2.2 Исследование сорбционной способности биополимеров в гетерогенных системах (модель «вода — масло»)

В эксперименте проводиласьоценка способности хитина и хитозана избирательно поглощать водорастворимые вещества в присутствии несмешивающейся с водой жировой фазы, а также проанализировать их поведение на границе раздела сред.

Для моделирования эмульсии типа «масло в воде» использовали Раствор I (водный раствор пищевого красителя) и рафинированное растительное масло. В три сухие емкости одинакового объема было помещено по 50 мл Раствора I. Затем при помощи мерного цилиндра в каждую емкость был добавлен равный объем растительного масла (ориентировочно 2 столовые ложки). Толщина масляного слоя была предварительно измерена линейкой через стенку прозрачной емкости и доведена до идентичного значения во всех образцах (не менее 0,5 см). Это необходимо для стандартизации площади межфазной поверхности.

Образец №1 (Контроль-1): Смесь воды, красителя и масла без добавок.

Образец №2: В смесь добавлена 1 столовая ложка порошка хитозана.

Образец №3: В смесь добавлена 1 столовая ложка порошка хитина.

Емкости плотно закрыли крышками и подвергли интенсивному механическому встряхиванию в течение 2 минут. Через 24 часа наблюдалось четкое расслоение:

Верхний слой — гидрофобная фаза (растительное масло).

Нижний слой — гидрофильная фаза (окрашенный водный раствор).

Обработка результатов.

Наблюдения фиксировались визуально сразу после отстаивания систем. Оценивались прозрачность водной фазы, изменение интенсивности цвета верхнего масляного слоя и локализация частиц сорбента. Данные заносились в протокол В

Выводы из серии оытов: Данная часть опыта наглядно демонстрирует избирательность сорбции.

В контрольном опыте масло с водой полностью расслоилось, во время встряхивания будет эмульсия – капли масла, шарики, в воде. В банке с хитозаном слой чистого масла стал меньше, хитозан «связал» часть масла и окрасился в цвет красителя. Хитин такие свойства не проявил.

Результат опыта показывает, что хитозан, в отличие от хитина, способен удерживать на своей поверхности не только небольшие молекулы водорастворимых красителей, но и водонерастворимые жиры. Это его отличительная и очень важная особенность. Она используется в медицине - хитозан применяют как биологически активную добавку для снижения уровня холестерина в крови.

2.2.3 Исследование сорбционной способности хитозана по отношению к катионам тяжелых металлов

В данном эксперименте изучалась способность природного биополимера хитина и его производной - хитозана связывать (сорбировать) ионы тяжелых металлов из водных растворов. Это обосновывает возможность его применения в качестве фильтрующей загрузки для очистки сточных вод и промышленных сбросов от токсичных загрязнителей.

Объекты и материалы исследования:

Модельный токсикант: Слабо концентрированный (светло-голубой) водный раствор сульфата меди(II), имитирующий загрязнение воды ионами меди.

Исследуемые сорбенты: Порошки хитозана, хитина и активированного угля (контроль сравнения), измельченные до однородного состояния.

Реактивы для качественного анализа: гидроксид натрия, аптечный раствор аммиака.

Ход эксперимента:

Подготовка модельного раствора. В чистую емкость поместили 50 мл раствора сульфата меди (II).

В емкость добавили точную навеску порошка хитозана массой 5 г. Емкость плотно закрыли крышкой, по истечении суток суспензию подвергли фильтрованию через бумажный фильтр «белая лента». Собранный прозрачный фильтрат стал объектом дальнейшего химического анализа.

Параллельно были подготовлены аналогичные системы с использованием хитина и активированного угля, а также контрольная проба раствора без добавления сорбентов.

Проба №1 (до эксперимента): К исходному раствору медного купороса добавляли тестовые реагенты для фиксации эталонного результата. Добавление нескольких капель щелочи вызывает мгновенное выпадение объемного студенистого осадка ярко-синего цвета — гидроксида меди(II). Затем, при постепенном добавлении нашатырного спирта к порции раствора сначала образуется бледно-голубой осадок. При дальнейшем избытке аммиака осадок растворяется, образуя интенсивно окрашенный темно-синий раствор. (Приложение 4)

Проба №2 (после эксперимента): Аналогичные качественные реакции проводились с прозрачным фильтратом, полученным после взаимодействия с хитозаном.

В результате эксперимента наблюдали, что в фильтрате после хитозана качественная реакция отрицательна (отсутствует характерное синее окрашивание), это свидетельствует о практически полной сорбции ионов меди.

В пробе с активированным углем реакция положительна, но цвет значительно менее интенсивен, чем в 1 пробе, фиксируется частичная очистка.

Проба с хитинов показала наиболее ярков окрашивание, что говорит о присутствии ионов меди.

Проведение параллельных опытов с хитином и активированным углем позволит выстроить ряд сорбционной активности: Хитозан > Активированный уголь > Хитин. Хитин показывает наименьшую эффективность. Хитозан проявил эффективную сорбционную активность в отношении ионов тяжелых металлов.

2.3 Получение различных форм хитозана: пленок и пористых материалов

Цель этапа: синтезировать твердые формы полимера для оценки их физико-механических свойств.

Методика эксперимента:

Этап А. Приготовление рабочего раствора полимеров.

Для синтеза был использован 2%-ный водный раствор хитозана в среде 1%-ной уксусной кислоты. Для приготовления 100 мл 1%-ного раствора из 9%-ной концентрированной кислоты потребовалось взять ≈ 11 мл уксуса столового. В мерную емкость поместили указанный объем 9% уксусной кислоты и довели дистиллированной водой до метки 100 мл. В полученный подкисленный раствор медленно, небольшими порциями при постоянном перемешивании внесли 2 г порошка хитозана во избежание образования крупных сгустков. Процесс набухания и растворения занял около 2–3 часов. Для ускорения процесса смесь дополнительно нагревали на водяной бане до температуры 50–60^∘C. Готовый раствор представлял собой однородную вязкую жидкость без видимых нерастворенных частиц.

Этап Б. Формование пленок методом полива.

Очищенную подложку установили строго горизонтально. Вязкий раствор хитозана аккуратно отлили тонким слоем толщиной 2–3 мм. Сосуд оставили для естественного испарения растворителя при комнатной температуре на 24 часа. После полного высыхания образовавшуюся пленку подвергли нейтрализации. Пленку залили 3%-ным раствором гидроксида натрия на 5–7 минут. В ходе реакции наблюдалось выделение пузырьков газа и изменение оттенка материала. Затем образец извлекли, тщательно промыли избытком дистиллированной воды до достижения нейтрального pH смывных вод (проверено универсальным индикатором) и высушили фильтровальной бумагой.

Этап В. Оценка характеристик полученного образца

В нескольких экспериментов, меняя концентрацию растворов, удалось получить тонкую эластичную пленку кремового цвета. Материал обладает умеренной гибкостью, выдерживает изгиб и небольшое растяжение, однако проявляет хрупкость при попытке сильного растяжения (разрыв происходит при удлинении на 5–8%). Поверхность гладкая, края ровные. Образец упакован в герметичный зип-пакет и использован как материал для дальнейших испытаний.

Этап Г. Модификация структуры: получение пористого материала (губки)

В данном эксперименте используется метод химической сшивки за счет выделения углекислого газа при взаимодействии раствора хитозана в уксусной кислоте с гидрокарбонатом натрия (пищевой содой). Выделяющийся диоксид углерода формирует пузырьковую структуру внутри вязкого полимера. После удаления растворителя застывший каркас сохраняет высокопористую структуру, что придает материалу свойства губки или гидрогеля.

Подготовка реагентов:

В химическом стакане приготовили насыщенный прозрачный раствор гидрокарбоната натрия путем растворения избытка соды в 100 мл дистиллированной воды с последующим фильтрованием для удаления нерастворимого осадка. Около 100 мл свежеприготовленного 2%-ного раствора хитозана нагрели на водяной бане до температуры 85–90∘C (до появления первых мелких пузырьков по краям стакана). Горячий раствор сняли с нагрева. При непрерывном перемешивании стеклянной палочкой медленно прилили раствор соды небольшими порциями по стенкам стакана. Началась бурная реакция нейтрализации с интенсивным пенообразованием. Хитозан выделился из раствора в виде объемного набухшего геля. Перемешивание прекращали сразу после равномерного распределения пены.

Полученную пенистую массу аккуратно перенесли на мелкоячеистое сито, дали стечь избытку жидкости, после чего слегка промыли дистиллированной водой для удаления остатков солей.

Сушку проводили при комнатной температуре в проветриваемом помещении в течение 24 часов.

Высушенная хитозановая губка представляет собой легкий, хрупкий при сжатии материал светло-кремового цвета с выраженной пористостью.

Тест на водопоглощение (характеристика гидрогеля): Сухие фрагменты губки массой залили дистиллированной водой и оставили на 3–4 часа. Затем образцы извлекли, поверхность аккуратно осушили фильтровальной бумагой без механического отжима внутренних пор и взвесили. Материал продемонстрировал классические свойства гидрофильного полимера: он не растворился, но увеличился в объеме, образовав мягкий желеобразный композит.

Сухая губка весила 2 г, а после набухания — 12 г, Полученное значение характеризует способность материала удерживать воду во внутрипоровом пространстве.

Обсуждение результатов и практическая значимость

Полученный пористый хитозан является эффективным природным биосорбентом. Его макропористая структура обеспечивает большую площадь поверхности контакта с жидкостью, что делает перспективным его применение в следующих областях:

Экология: очистка сточных вод от тяжелых металлов и нефтепродуктов за счет адсорбции;

Сельское хозяйство: использование в качестве почвоулучшителя. Гранулированные формы хитозана способны аккумулировать избыточную влагу в период дождей, предотвращая заболачивание, и постепенно отдавать ее корневой системе растений в засушливые периоды, выступая в роли резервуара-гидрогеля;

Биомедицина: создание гемостатических (кровоостанавливающих) повязок, так как положительный заряд аминогрупп хитозана способствует агрегации отрицательно заряженных эритроцитов.

2.4 Оценка антимикробных свойств хитозановой пленки (Приложение 6)

Цель данного этапа эксперимента — практическая проверка способности разработанной хитозановой пленки подавлять рост бактерий (подсчет ОМЧ) и развитие плесневых грибов при контакте с органическими продуктами питания в условиях комнатной температуры

Материалы и методы исследования: Для моделирования условий порчи продуктов использовались скоропортящиеся субстраты: мясной фарш и белый хлеб. В качестве тест-систем применялись экспресс-тест «Дип слайд» (DipSlide) на агаре Nutrient + TTC для определения общего микробного числа (ОМЧ) и визуальный мониторинг роста плесневых грибов.

1. Определение бактерицидной активности (подсчет ОМЧ): Эксперимент проводился по следующей схеме:

Были подготовлены два герметично закрывающихся стерильных контейнера для анализов.

Опытный образец: 50 граммов свежего мясного фарша были плотно завернуты в полученную ранее хитозановую пленку.

Контрольный образец: идентичное количество мясного фарша помещено во второй контейнер без какой-либо упаковки.

Контейнеры выдерживались в течение 72 часов (3 суток) при комнатной температуре.

По истечении срока экспозиции поверхность обоих образцов мяса была контактно исследована с помощью экспресс-теста «Дип слайд DipSlide» (среда Nutrient agar + TTC).

Тестовые пластинки инкубировались в термостате при температуре +30^∘C в течение 48 часов. Подсчет выросших колоний производился путем сравнения плотности их роста с эталонной шкалой, приложенной к инструкции теста.

Справочно: Общее микробное число (ОМЧ) отражает общее содержание мезофильных аэробных и факультативно-анаэробных микроорганизмов. Для пищевых продуктов этот показатель является ключевым индикатором санитарно-гигиенического состояния и свежести.

2. Оценка активности развития плесневых грибов:

Для наглядной демонстрации защиты от плесени был поставлен дополнительный опыт:

Два ломтика белого хлеба увлажнили дистиллированной водой до одинакового состояния.

Образцы поместили в отдельные зип-пакеты («пакеты с замком») для создания парникового эффекта.

Контроль: пакет №1 содержал только увлажненный хлеб.

Опыт: в пакет №2 вместе с хлебом были помещены кусочки изготовленной хитозановой пленки.

Пакеты находились при комнатной температуре в течение 48 часов. Интенсивность развития плесневых грибов оценивалась визуально по площади покрытия субстрата мицелием.

Результаты исследований: Проведенные эксперименты подтвердили наличие выраженных антимикробных свойств у полученной хитозановой пленки.

По показателю ОМЧ: Рост бактерий зафиксирован на обоих образцах, что объясняется естественным микробиологическим загрязнением исходного сырья. Однако в контрольном контейнере плотность колоний достигла высоких значений (соответствует уровню загрязнения испорченного продукта), тогда как в опыте с хитозановой пленкой зафиксировано значительное снижение количества КОЕ. Разница между образцами составила более одного порядка по шкале экспресс-теста.

По развитию плесневых грибов: На контрольном образце хлеба уже через 48 часов наблюдалось активное спороношение (появление зеленовато-черного налета). На опытном образце, соприкасавшемся с пленкой, видимый рост плесени отсутствовал либо проявлялся лишь в виде единичных колоний на противоположной стороне.

Вывод: Хитозановая пленка эффективно замедляет процессы микробиологической порчи органических материалов. Снижение показателя ОМЧ свидетельствует о бактериостатическом действии полимера, а отсутствие прорастания спор подтверждает его фунгистатическую активность. Полученные данные позволяют рекомендовать материал для разработки биоразлагаемой пищевой упаковки.

Заключение

Хитозан является универсальным природным материалом XXI века. Результаты исследования показывают, что переход от добычи ископаемого сырья к использованию возобновляемых ресурсов (панцирей ракообразных, экзоскелетов насекомых) позволяет не только решить проблему утилизации органических отходов пищевой промышленности, но и создать эффективные технологии защиты окружающей среды.

В рамках практической работы были получены следующие результаты:

Растворимость: установлено фундаментальное различие между полимерами. Хитин химически инертен и сохраняет стабильность в воде и кислотах, выполняя защитную функцию в природе. Хитозан же способен набухать в воде и растворяться в слабых кислотах, что делает его технологичным материалом для создания пленок и медицинских покрытий с контролируемым высвобождением веществ.

Сорбция водорастворимых веществ: сравнительный анализ показал, что активированный уголь остается эталонным сорбентом благодаря развитой пористой структуре. Однако хитозан продемонстрировал частичное обесцвечивание модельных растворов красителя и йода, тогда как хитин проявил минимальную поглотительную способность из-за своей плотной кристаллической структуры.

Гетерогенные системы («вода — масло»): опыт наглядно доказал избирательность действия хитозана. В отличие от хитина, он связал часть жировой фазы, уменьшив объем чистого масла. Это подтверждает возможность использования хитозана для очистки воды от нефтепродуктов и липофильных загрязнителей.

Очистка сточных вод: при изучении взаимодействия с катионами тяжелых металлов (модельный раствор сульфата меди) хитозан показал наивысшую эффективность. Качественные реакции подтвердили практически полную сорбцию ионов металла фильтратом хитозана, в то время как контрольные пробы с хитином и даже активированным углем показали остаточное присутствие токсикантов. Выстроенный ряд активности выглядит так: Хитозан > Активированный уголь > Хитин.

Материаловедение: синтезированные формы хитозана (тонкие пленки методом полива и пористые губки за счет химической сшивки углекислым газом) подтвердили практическую применимость полимера. Полученная гидрофильная губка способна удерживать воду в соотношении 1:5 к собственной массе, что открывает перспективы ее использования в качестве почвоулучшителя-гидрогеля или гемостатического материала.

Практическая значимость данной работы заключается в доказательстве того, что доступный биосорбент на основе хитозана превосходит традиционные методы по эффективности удаления тяжелых металлов из воды. Кроме того, полученные образцы пленок и пористых структур могут быть адаптированы для сельского хозяйства (аккумуляция влаги в почве), медицины (перевязочные материалы, БАДы для снижения холестерина) и производства экологичной упаковки. Дальнейшее масштабирование этих технологий способно существенно снизить антропогенную нагрузку на экосистемы планеты без потери качества жизни человека.

Список информационных источников

1. Краснова Екатерина Петровна. Что такое полимер с точки зрения биологии // Образовательный портал «Work5». [Электронный ресурс] // Режим доступа:. — URL https://www.work5.ru/spravochnik/biologija/chto_takoe_polimer_s_tochki_zrenija_biologii (дата обращения: 12.07.2026).

2. В. П. Варламов, А. И. Албулов. Фундаментальные основы биотехнологии РАН, Москва, РФ, [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://rest.marine-research.ru/server/api/core/bitstreams/b5af6804-94dc-41da-aabb-9d58a056e9b4/content (дата обращения: 12.07.2026).

3. Васильева Н.Г. Абсорбирующие жидкость полимеры /Н.Г.Васильева.//ВестникКазан.технол.ун-та.-2014.- №8.-С.69 -72 [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/absorbiruyuschie-zhidkost-polimery (дата обращения: 12.07.2026).

4. Хитин и хитозан: получение, свойства и применение/Под ред. К.Г. Скрябина, Г.А. Вихоревой, В.П.Варламова.-М.:Изд-воНаука.2002.-368с [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/hitin-kak-polimer-hhi-veka/pdf (дата обращения: 12.07.2026).

5. Гальбрайх Л.С.Хитин и хитозан: строение, свойства, применение /Л.С.Гальбрайх. //Соросовский образовательный журнал. –2001.-№1.-С.51-56 [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://dl.libcats.org/genesis/376000/f853c59c0ed7e0f9e67687f08bb3b29a/_as/[Galbraih_L.S.]_Hitin_i_hitozan_stroenie,_svoistv(libcats.org).pdf (дата обращения: 12.07.2026).

6. Спасительный панцирь: что такое хитозан и как он стал биополимером будущего [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://www.vokrugsveta.ru/articles/spasitelnyi-pancir-chto-takoe-khitozan-i-kak-on-stal-biopolimerom-budushego-id925966/ (дата обращения: 12.07.2026).

7. Мирзоирова В.А. Мухамедиев М.Г. Получение биоразлагаемых композиционных пленок на основе крахмала и поливинилового спирта [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://7universum.com/ru/nature/archive/item/14511(дата обращения: 12.07.2026).

8. Е.Н. Федосеева, М.Ф. Алексеева, Л.А. Смирнова Механические свойства пленок хитозана различной молекулярной массы. [Электронный ресурс] // Режим доступа: http://www.unn.ru/pages/issues/vestnik/99999999_West_2008_5/8.pdf (дата обращения: 12.07.2026).

Приложение 1

Приготовление хитина и хитозана для выполнения экспериментов

Приложение 2

Таблица 1. Изучение свойств хитина и хитозана. Растворимость в агрессивных средах.

Приложение 3

Исследование сорбционных свойств хитина и хитозана

Фото 1. Способность поглощать органический краситель

Фото 2. Способность поглощать фото 3. Работа над опытом

неорганические вещества

Фото 4. Изучение сорбционной способности биополимеров в гетерогенных системах (модель «вода — масло»)

*Таблица 2 .. Поведение сорбентов в двухфазной системе «водный раствор — растительное масло»*

Приложение 4

Исследование сорбционной способности хитозана по отношению к катионам тяжелых металлов

Приложение 5

Модификация структуры: получение пористого материала (губки)

Полученная тонкая хитиновая пленка

Сухие кусочки хитозановой губки Набухший в воде гидрогель

Приложение 6

Оценка антимикробных свойств хитозановой пленки

Подготовка образцов

Контрольный образец Экспериментальный образец

Контрольный образец Экспериментальный образец

Шкалы для оценки ОМЧ