VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Изучение способа получения хитозана в школьной лаборатории
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
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, атомная, пищевая, медицина, сельское хозяйство, парфюмерия и косметика. К неоспоримым достоинствам хитозана относится его совершенная безопасность для человека и окружающей среды: экологически чист и полностью распадается в природных условиях. В настоящее время синтетические полимеры постепенно теряют свою привлекательность, а в это время природные полимеры получают все большое внимание.3
Актуальность исследования: хитозан является производным хитина, очень распространенного в природе полисахарида, добываемого преимущественно из ракообразных. Хитозан является нетоксичным и биосовместимым с тканями живых организмов, обладает антимикробной активностью. Кроме того, хитозан широко доступен и является недорогим веществом.6
Гипотеза: в лабораторных условиях можно получить вещество хитозан, полностью заменяющее синтетические полимеры, которые породили массу проблем, связанных с охраной здоровья человека и защитой окружающей среды.
Целью исследования: изучение способа получения природного полимера хитозан из панцирей речного рака, колорадского жука и оценка его свойств для применения в быту.
Для выполнения данной цели, поставлены задачи:
• сбор природного материала колорадского жука;
• переработка панцирей речного рака и колорадского жука в хитин;
• изучение способа получения хитозана из хитина;
• проведение сравнительного и качественного анализа хитозана из различного сырья;
• исследование эффективности применения полученного хитозана в качестве пищевого загустителя.
Научная новизна работы заключается в том, что впервые:
• изучен способ получения хитозана из панциря речного рака и колорадского жука в школьных условиях;
• проведена информационная работа о пользе биополимера-хитозана.
Объект: природные материалы панцирей речного рака и колорадского жука.
Предмет: биополимер хитозан.
Практическая значимость: исследован доступный и дешевый способ получения хитозана; также хитозан может быть использован в быту, например, в качестве пищевого загустителя; для улучшения обменных процессов в организме и в косметологии.3 Изученный материал может быть использован на уроках химии, физики, биологии и экологии.
1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
1.1 История хитина и хитозана
Примерно 200 лет назад природный полимер хитин и его производное хитозан сконцентрировали на себе интерес учёных. Исследования развивались весьма медленно, и эти полимеры привлекали внимание все большего количества биологов, химиков-органиков и были сконцентрированы в Германии и Франции. С открытием хитозана становится понятно, что он имеет практическую значимость, и его начали активно изучать в различных странах, в том числе и в России.8 В течение следующих ста лет ученые проводили большое количество фундаментальных исследований природных полимеров, в частности хитина и его производных. Высокий интерес к этим соединениям родился еще в 30-е годы двадцатого века, о чем свидетельствуют около 50 патентов, тем не менее, имеется недостаток определенных промышленных мощностей, а также соперничество с синтетическими полимерами, что мешает коммерческому формированию употребления хитина и хитозана.6 В двадцатом веке к азотсодержащим природным полимерам проявлялся должный интерес, а именно с ними имели прямую связь три Нобелевских лауреата: Фишер (1903) синтезировал глюкозамин, Картер (1929) - проводил разложение хитина при помощи хитиназа, а также Хаворт (1939), который определил полную форму глюкозамина. Весной 2000 года было основано Российское Хитиновое Общество, которое объединило в себе около 50 региональных филиалов. Все это говорит о растущем интересе к хитину и его производным не только у ученых-химиков, но и у специалистов различных специальностей – медики, биологи, микробиологи и биотехнологи.5 Впервые индустриальное изготовление хитозана освоено Японией в 1970-х годах. Потребность в хитозане растет и, по мнению американских специалистов вскоре превзойдет десять тысяч тонн в год. Сейчас в мире изготавливается всего 2 – 3 тысячи тонн в год. Главные иностранные поставщики готового хитозана на наш рынок -Китай и Индия. Другие страны-изготовители, реализовывают переработку хитозана и его производных для своих нужд.6
1.2 Строение хитина и хитозана
Хитин (C8H13O5N) (фр. chitine, от др.-греч. χιτών: хитон — одежда, кожа, оболочка) — природное вещество из категории полисахаридов, содержащих в своем составе азот. Данный полимер составлен из N ацетилглюкозамина, остатки которого соединены друг с другом b-(1,4)- гликозидными связями. Хитин - основной элемент кутикулы членистоногих и других беспозвоночных, он также входит в структуру клеточного покрова грибов и микроорганизмов (например, бактерий).3 Хитин — один из особо популярных в природе высокомолекулярных углеводов — ежегодно на Земле в живых организмах образовывается и распадается, по меньшей мере, 10 гига тонн хитина.8 Поли-N-ацетил-Dглюкозо-2-амин представляет собой основу скелетной системы, которая поддерживает клеточное строение тканей в покровах ракообразных (панцирь), клеточной стенке грибов и бактерий, экзоскелете насекомых. Хитозан содержит первичные аминогруппы, первичные и вторичные гидроксильные группы, с участием которых возможно проведение различных превращений. Хитозан является деацетилированным производным хитина. Первостепенные характеристики хитозана, которые играют основополагающие роли для его эффективного использования в разнообразных областях - это нерастворимость в воде, высокая вязкость растворов хитозана в различных неконцентрированных кислотах, пленкообразующие свойства, а также возможность образования гранулированных продуктов, биологическая сочетаемость с тканями человека и других организмов, невысокая токсичность и биоразлагаемость в почве. Эти свойства обусловлены химической структурой молекул данного аминосахарида, то есть распределением его молекулярных масс, степенью дезацетилирования, а также равномерностью распределения дезацетилированных групп по всем полимерным молекулам.4
1.3 Свойства хитина и хитозана
Хитин - природный, нетоксичный, жёсткий, волокнистый полупрозрачный полимер. Большая длина и ограниченная гибкость макромолекул считаются положениями для создания биополимеров со сложной надмолекулярной структурой в живых организмах. Для хитина главным элементом такой структуры являются макро фибриллы -высоко ориентированные комплексы молекул, размер которых равен 20-55 нм, они состоят из микро фибрилл, диаметр которых 2 - 3 нм. Такое строение гарантирует исполнение значимой биофункции увеличения механической прочности тканей, содержащих хитин. Высокая прочность хитиновых текстур в ракообразных и насекомых обоснована образованием хитин карбонатного комплекса вследствие отложения хитина на карбонат кальция. При всем этом жесткий роговой материал этих организмов выступает в качестве не чистого хитин карбоната кальция, а намного более сложной структуры, в которой только верхний слой - хитин карбонат кальция, в это время внутренние покровы включают протеин. Именно поэтому для получения хитина последовательно деминерализуют и депротеинизируют, что включает обработку мелкозернистого панциря растворами хлористоводородной кислотой и гидроксидом натрия с дальнейшей промывкой водой, избавлением от красящих пигментов, отбеливая веществами и липофильными реагентами, а также отмывкой этиловым спиртом.1
Хитозан обладает ограниченной растворимостью и растворяется лишь в разбавленных растворах органических и минеральных кислот. Тем временем, одно из важнейших свойств высокомолекулярных соединений, которое определяет вероятность их переработки и использования, это растворимость. На использовании растворов целлюлозы, ближайшего аналога хитина, базируется методика получения пленочных материалов, композиций, которые обладают загущающими и клеющими свойствами. В большинстве случаев целью модификации хитозана является повышение его растворимости в нейтральных средах. Способ повышения растворимости полимера связан с его химической модификацией, в большей степени аминогрупп.5
1.4 Применение и перспективы развития химии хитина и хитозана
Большая часть исследователей всего мира называют хитозан веществом двадцать первого века. Хитозан является повсеместно известным продуктом. Хитин и его производное - хитозан, обладают большим количеством полезных характеристик и это делает их используемыми, незаменяемыми в медицинской промышленности, а также сельском хозяйстве. Глубоким изучением хитозана занимаются в пятнадцати странах и в наше время известно около семидесяти направлений практического использования хитина и хитозана, а также их модифицированных продуктов, наиболее важными из которых являются биотехнология и экология, пищевая, медицинская, косметическая промышленность и ветеринария, сельское хозяйство.6
Хитин перерабатывается во многие производные, наиболее доступным из которых является хитозан, он образуется при обработке хитина раствором щелочи при нагревании. Основное преимущество хитозана перед хитином это его растворимость в водных растворах кислот. Ученые концентрирует свое внимание на получении пищевых плёночных материалов, сохраняющих качество и структуру еды. Большинство стран применяют хитин и хитозан. Сегодня хитин и хитозан применяют повсеместно: в получении антибиотиков и хирургических швов, а также в диабетических добавках, пищевых продуктах и косметике. В США эти полимеры применяются при обработке семян, обогащении кормов для животных, а также для очистки воды, его добавляют в средства по уходу за волосами и диабетические добавки. Синтетические полимеры постепенно теряют свою привлекательность, а в это время природные полимеры получают все большее внимание.7
Хитозан, получил большое внимание в последние годы в Европе и Америке, он охарактеризовал себя как неповторимое соединение, которое связывает и выводит из организмов жиры, он не имеет аналогов в природной среде, также он снижает уровень холестерина. Хитозан используют при курсовом лечении ожирения, атеросклироза, очищении организма. Его также принимают перед употреблением жирной пищи на фоне длительной диеты.7
2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1 Объекты исследования
Объектами исследования являлись биологические объекты животного происхождения, а именно: речной рак, колорадский жук.
2.2 Методика получения хитозана
При получении хитозана из речного рака и колорадского жука пользовались методикой Абдуллина В.Ф. - им была разработана технология получения хитозана из панциря речного рака. Технология получения хитозана включает четыре стадии: измельчение панцирей раков, деминерализация, депротоинирование, деацетилирование. При измельчении панциря оптимальный средний размер частиц составляет 3-4 мм, что позволяет увеличить активную поверхность материала при химических превращениях. Стадия деминерализации проводится для удаления минеральных веществ, которые закрывают доступ реагентов к хитину. Процесс осуществляется обработкой измельченного панциря слабым раствором соляной кислоты, которая растворяет минеральные примеси - главным образом карбонат кальция. Стадия депротеинирования проводится с целью удаления из панциря белков и липидов. Это достигается путем обработки измельченного панциря слабым раствором гидроксида натрия. Выделяется хитин, который превращается в хитозан путем реакции деацитилирования. Реакция деацитилирования заключается в обработке хитина концентрированной горячей щелочью.1
2.3 Методы получения хитозана
Для получения хитозана приготовили специальное оборудование: ступка с пестиком (лабораторная посуда для измельчения панцирей речного рака и колорадского жука вручную); растворы HCl и NaOH (для деминерализации,депротеинизации и деацетилирования хитина); мерные стаканы (для измерения растворов); водный термометр, плита, ареометр (для определения плотности молока).
Методы: деминерализация, депротеинизация, деацетилирование и сгущение молока.
Способы получения хитозана из панцирей речного рака и колорадского жука заключались в том, что сухой измельченный панцирь речных раков заливали 4% раствором HCl в соотношении 1: 6, перемешивали в течение 1,5 часов при температуре окружающей среды, полученную массу фильтровали и промывали; отфильтрованный осадок заливали 4% раствором NaOH в соотношении 1:6 и перемешивали в течение 1 часа при температуре 70-80oC; полученный хитозан фильтровали, промывали и сушили.1 Способ сгущения молока заключается в том, что в раствор добавляем загуститель природного происхождения – хитозан. При котором, плотность является одним из важнейших показателей качества молока. Плотность измеряется с помощью специального прибора - ареометра.2
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЯ
3.1. Место проведения исследования
Исследования проводили в конце мая 2018 года. Колорадских жуков собирали на огородах по улице Степная г.Белорецк с начала их появления до полного их исчезновения. Было собрано более 300 экземпляров. В школьной лаборатории мы нашли некоторые части тела речного рака(панцири, клешни), которые не использовались для демонстрации. Получение хитозана из панцирей речного рака и колорадского жука осуществляли в школьной лаборатории, заранее приготовили необходимые оборудования (Приложение 1).Изучили литературу и выяснили, что при измельчении панциря оптимальный средний размер частиц составляет 3-4 мм, что позволяет увеличить активную поверхность материала при химических превращениях и облегчить его переработку на различных стадиях технологического процесса. Измельчали панцири речных раков и колорадского жука с помощью ступы с пестиком, получили необходимые порошки. Масса которых составляла: 12 г хитина речного рака и 7 г хитина колорадского жука. Провели необходимые расчеты для экспериментов. Для приготовления 10% раствора щелочи (NaOH) возьмем 100 мл воды и произведем необходимые расчеты
Дано:
ω(NaOH)=10%=0,1
V(H2O)=100 мл
m(NaOH)-?
Решение:
m(H2O)=ƿ×V=100 мл×1г/мл=100 г
Пусть m(NaOH)=х, тогда 0,1=х/100+х
0,1×(100+х)=х
10+0,1=х
10=0,9х
х=11,11
Таким образом, для приготовления необходимого раствора мы отмерили 100 мл воды и путем взвешивания взяли 11,11 г NaOH.
Для приготовления 10 % раствора соляной кислоты возьмем 100 мл воды и произведем расчеты:
Дано:
ω(HCl)=10%=0,1
V(H2O)=100 мл
m(HCl)-?
Решение:
m(H2O)=ƿ×V=100 мл×1г/мл=100 г
Пусть m(HCl)=х, тогда 0,1=х/100+х
0,1×(100+х)=х
10+0,1=х
10=0,9х
х=11,11
Для приготовления раствора использовалась 38%-ая соляная кислота (ƿ=1,1885 г/мл)
m раствора(HCl)= 11,11/0,38=29,24 г
V раствора (HCl)= m/ƿ= 29,24/1,1885=24,6 мл
Раствор приготовили отмерив 24,6 мл раствора соляной кислоты и 100 мл воды.
Чтобы провести депротеинизацию необходима постоянная температура (70-80 С⁰), поэтому мы обратились в центральную химическую лабораторию г. Белорецк, где посоветовали использовать водяную баню. (Приложение 1) Для этого на плиту поставили кастрюлю с водой, установили на него чашки с исследуемыми растворами. В течении 1 часа перемешивали продукты до полной готовности.1
3.2. Результаты получения хитозана из панцирей речного рака и колорадского жука
На первом этапе исследования мы приготовили 4% раствор HCI и 4% раствор NaOH. По нашим расчетам к 100 мл воды нужно было добавить 24,6 мл концентрированной HCI и 4г кристаллов гидроксида натрия. Следующим этапом мы провели деминерализацию речного рака и колорадского жука, которую осуществляли следующим способом: сухой измельченный панцирь заливали приготовленным 4% раствором HCl в соотношении 1:6. При комнатной температуре (23 С⁰) полученный раствор перемешивали деревянными палочками в течение 1 часа. Затем по технологии полученную массу нужно было фильтровать и промывать, что мы и сделали. На третьем этапе провели депротеинизацию и деацетилирование при температуре 70-80 С⁰, с использованием водяной бани. Отфильтрованный осадок заливали 4% раствором NaOH в соотношении 1:6 и перемешивали в течение 1 часа. Полученное вещество хитозан хорошо отфильтровали и промыли водой, высушили при температуре 60-70 С⁰ и измерили массу полученных веществ. В результате проделанных опытов мы получили из 6 г хитина речного рака 3,6 г хитозана, а из 3,5 г хитина колорадского жука 1,8 г хитозана.(Приложение 2)
3.3 Результаты проверки хитозана в качестве загустителя
В пищевой промышленности хитозан большую роль играет в качестве загустителя. В молочной отрасли хитозан широко используется для производства молочных продуктов: кисломолочных продуктов, сметаны, творога, отдельных видов сыра, напитков. Природное вещество, не имеющее негативного воздействия, продлевает сроки хранения и улучшает качество молочных продуктов. При добавлении пищевого загустителя вязкость раствора увеличивается, тем самым ускоряется процессы кисломолочного брожения, образование творожной массы.2 Исследуемое молоко размешиваем и осторожно по стенке наливаем в три стеклянные емкости. В первый сосуд ничего не добавляем, оставляем, как контрольный образец. Во вторую емкость к 50 мл молока добавляем 1,8 г хитозана речного рака, а в третью - к 25 мл молока 0,9 г хитозана колорадского жука. Полученный раствор хорошо размешивали, оставили на 2 часа и измерили плотности растворов с ареометром при комнатной температуре. Чистый и сухой прибор опускаем в молоко, оставляем в покое на две минуты. Снимаем показания прибора по верхнему краю мениска. По результатам исследования хитозана, как загуститель молока, получили, что в контрольной пробе плотность составляет 1017 г/см3, во второй емкости с хитозаном речного рака – 1050 г/см3, в третьем цилиндре с хитозаном колорадского жука – 1032 г/см3. Тем самым, наглядно видно, что хитозан речного рака обладает отличными свойствами пищевого загустителя. Известно, что хитин обладает теми же свойствами, что и хитозан. Для сравнения свойств хитина и хитозана, как загустителей, мы решили определить действие хитина на молоко. По той же методике, по тому же алгоритму действий (1,8 г хитина речного рака на 50 мл молока, 0,9 г хитина колорадского жука) провели исследование влияния хитина. Наши предположения подтвердились, вязкость раствора изменилась: плотность с хитином речного рака составила 1020 г/см3 , а плотность с хитином колорадского жука- 1018 г/см3. Таким образом, действие хитозана в качестве загустителя намного выше, чем действие хитина. (Приложение 3)
ВЫВОДЫ
Подводя итоги проведенных исследований, можно сделать следующие выводы:
Колорадских жуков собирали на огородах по улице Степная г.Белорецк с начала их появления до полного их исчезновения. Было собрано более 300 экземпляров.
Измельчали панцири речных раков и колорадского жука с помощью ступы с пестиком, получили необходимые порошки, масса которых составляла: 12 г хитина речного рака и 7 г хитина колорадского жука.
Изучен способ получения хитозана из дешевого и доступного сырья - панциря речного рака и колорадского жука.
При получении хитозана из речного рака и колорадского жука пользовались методикой Абдуллина В.Ф. - им была разработана технология получения хитозана из панциря речного рака. Технология получения хитозана включает четыре стадии: измельчение панцирей раков, деминерализация, депротоинирование, деацетилирование.
В результате проделанных опытов мы получили из 6 г хитина речного рака 3,6 г хитозана, а из 3,5 г хитина колорадского жука 1,8 г хитозана.
По результатам исследования хитозана, как загуститель молока, получили, что в контрольной пробе плотность составляет 1017 г/см3, во второй емкости с хитозаном речного рака – 1050 г/см3, в третьем цилиндре с хитозаном колорадского жука – 1032 г/см3.
Плотность с хитином речного рака составила 1020 г/см3 , а плотность с хитином колорадского жука- 1018 г/см3. Таким образом, действие хитозана в качестве загустителя намного выше, чем действие хитина.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, хитин и хитозан являются широко используемым и аминосодержащими полисахаридами. Кроме того, хитозан является универсальным адсорбентом, ведь он способен связывать очень большой диапазон соединений органической и неорганической природы. Это говорит о широчайших возможностях его использования в жизни и деятельности человека.
Несмотря на большое число исследований в области химии хитина и его производных, они находятся далеко от завершения. Различные ученые постоянно открывают все новые свойства этих соединений, в частности, их биологическая активность не получает пока должного внимания, не найдено объяснение наличия этого свойства с точки зрения химического строения. Имеются данные, что биологическая активность хитозана зависит, прежде всего, от его молекулярной массы, а также от степени дезацетилирования, что нуждается в последующей проверке и исследовании.
Также приведена перспективность применения биологически совместимых и биологически разрушаемых пленочных материалов на их базе в медицинской, косметической, текстильной, биотехнической промышленности.
Таким образом, показана вероятность применения хитина и хитозана с терапевтической целью к аллергическим реакциям как матрицы для поставки лекарств. Вероятность варьирования характеристик этих биологичеких полимеров может в перспективе дать действенные медсистемы для излечения всевозможных болезней у людей.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Абдуллин В. Ф., Технология и свойства биополимера хитозана из панциря речного рака, Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, Саратов, 2006, с.25-35
Бобылин В.В., Физико-химические и биотехнологические основы производства мягких кислотно-сычужных сыров, Кемерово, 1998, с.208
Гальбрайх, Л. С., Хитин и хитозан : строение, свойства, применение ,Соровский образовательный журнал. 2001 с.51-56.
Дубинская, A.M. Добротворская, А.Е. Применение хитина и его производных в медицине, Химико-фармацевтический журнал,1989, с.623-628.
Скрябин К. Г., Вихорева Г. А., Варламов В. П., Хитин и хитозан. Получение, свойства и применение, Москва, 2002, с.51-52
https://en.wikipedia.org/wiki/Chitosan
http://www.medicinform.net/product/xenical/chitosan.htm
https://www.neboleem.net/hitozan.php
Приложение 1
Материалы для исследования
Фото 1. Сбор природного материала Фото 2. Измельчение панцирей речного рака и колорадского жука
Фото 3. Посещение химической лаборатории
Приложение 2
Этапы исследования
Фото 4 и 5. Процесс деминерализации
Фото 6 и 7. Процесс депротоинизации и деацетилирования
Приложение 3
Хитин и хитозан в качестве пищевых загустителей
Фото 8. Исследование хитозана в качестве пищевого загустителя
Фото 9 и 10. Измерение плотности растворов
Приложение 4
Результаты исследований в таблицах
|
Наименование показателей |
Хитин |
Хитозан |
||
|
Речной рак |
Колорадский жук |
Речной рак |
Колорадский жук |
|
|
Внешний вид |
порошки более крупной фракции |
порошки более крупной фракции |
порошки более мелкой фракции |
порошки более мелкой фракции |
|
Цвет |
оранжево-желтый |
темно-коричневый |
светло-желтый |
светло-коричневый |
|
Запах |
без запаха |
без запаха |
без запаха |
без запаха |
|
Растворимость |
нет |
нет |
вода, кислоты, спирты, органические растворители |
вода, кислоты, спирты, органические растворители |
Таблица 1.Органолептические и химические свойства хитина и хитозана
|
Опытные образцы |
Контрольный образец |
Раствор с хитозаном |
Раствор с хитином |
||
|
Речной рак |
Колорадский жук |
Речной рак |
Колорадский жук |
||
|
плотность |
1017 г/см3 |
1050 г/см3 |
1032 г/см3 |
1020 г/см3 |
1018 г/см3 |
Таблица 2.Хитин и хитозан в качестве пищевых загустителей на молоке
Приложение 5
Результаты исследования в диаграмме
Диаграмма 1.Хитин и хитозан в качестве пищевых загустителей.
Приложение 6.
Информационный лист о пользе хитина и хитозана.