VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Взаимодействие хитозана с анионным ПАВ природного происхождения в водных средах

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Силахина А.В. 1

---

1МБОУ "СОШ№112"

Миргалеева Н.В. 1Шилова С.В. 2

---

1МБОУ "СОШ№112"

2КНИТУ (КХТИ)

Работа в формате PDF

479.8 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

В последние десятилетия предметом интенсивных исследований являются полимеры природного происхождения. Среди них особо выделяется хитозан. Это обусловлено комплексом его уникальных свойств – способности к биодеструкции, гипоаллергенностью, совместимостью с тканями живых организмов. Указанные свойства определяют широкое применение хитозана в косметической, медицинской, пищевой, текстильной промышленности, сельском хозяйстве и водоочистке. Полиэлектролитная природа хитозана обеспечивает растворимость хитозана в воде и возможность его комплексообразования с противоположно заряженными полиэлектролитами и поверхностно-активными веществами (ПАВ).

Цель настоящей работы заключалась в исследовании ассоциации хитозана с анионным ПАВ природного происхождения в водных растворах.

Задачи:

-изучение взаимодействия хитозана с анионным ПАВ природного происхождения в водных растворах;

- исследование фазового поведения комплексов хитозан - ПАВ;

- изучение коллоидно-химических свойств комплексов хитозан - ПАВ.

Объектами исследования являлись хитозан и природный анионный ПАВ - кокоил натрия пшеничной аминокислоты (КНПА).

Для проведения исследования применяли методыдинамического светорассеяния, турбидиметрии и тензиометрии.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Принципиально новым направлением в получении материалов является получение высокоорганизованных надмолекулярных структур, образующихся за счет соединения двух и более индивидуальных химических частиц. Такие структуры часто демонстрируют синергетические эффекты или обладают новыми свойствами, которые отсутствуют у отдельных компонентов системы. Полимер-коллоидные комплексы (ПКК), образованные полиэлектролитами с противоположно заряженными поверхностно-активными веществами (ПАВ), являются примером таких надмолекулярных структур [1-6].

Обширные возможности для направленного изменения свойств ПКК путем вариации химической природы полиэлектролитов и ПАВ, а также условий их получения определяют применение комполексов в качестве моделей биологических систем, компонентов лекарственных и косметических средств, флокулянтов, сорбентов, селективных катализаторов, стабилизаторов дисперсий. На современном этапе развития науки на передний план выходят новые быстроразвивающиеся области использования ПКК, например, биоинкапсулирование - получение полимерных систем в виде нано- и микрокапсул с целью адресной доставки, хранения, защиты и контролируемого высвобождения биологически активных веществ [7-10].

Новые области применения ПКК предъявляют повышенные требования к компонентам комплексов. В последние десятилетия предметом наиболее интенсивных исследований являются природные полиэлектролиты, которые отличаются от синтетических биодоступностью, биосовместимостью и неограниченно воспроизводимой сырьевой базой. Среди таких полимеров своими ценными свойствами выделяется хитозан [11, 12].

В ранее проведенных исследованиях было установлено, что комплексы хитозана с синтетическими ПАВ (алкилсульфатами натрия) характеризуются высокой межфазной активностью и стабилизирующей способностью по отношению к дисперсным системам [13, 14].

Строение, получение и применение хитозана

Хитозан – это сополимер 2-ацетамидо-2-дезокси-D-глюкопиранозы (N-ацетил-D-глюкозамина) и 2-амино-2-дезокси-D-глюкопиранозы (D-глюкозамина). Основным источником получения хитозана является хитин, второй по распространенности в природе полисахарид после целлюлозы. В основе получения хитозана лежит реакция отщепления от структурной единицы хитина - N-ацетил-D-глюкозамина ацетильной группировки или реакция деацетилирования (ДА) (рисунок 1):

Рисунок 1 – Получение хитозана путем деацетилирования хитина

Транс-расположение в элементарном звене макромолекулы хитина заместителей (ацетамидной и гидроксильной групп) у С₂ и С₃ обуславливает значительную гидролитическую устойчивость ацетамидных групп, в том числе и в условиях щелочного гидролиза. Поэтому отщепление ацетамидных групп удается осуществить лишь в сравнительно жестких условиях - при обработке 40-49%-ным водным раствором NaOH при температуре 110-140⁰С в течение 4-6 часов.

Глубину реакции деацетилирования принято оценивать по величине степени ацетилирования (СА)или по величине степени деацетилирования (СД=1-СА) – доли отщепившихся ацетамидных групп в расчете на одно элементарное звено. В зависимости от условий реакции получаются хитозаны, существенно различающиеся величиной СД (рисунок 2).

Рисунок 2 – Структурная формула хитозана (СД – степень деацетилирования)

Реакция деацетилирования сопровождается одновременным разрывом гликозидных связей полимера, т. е. уменьшением молекулярной массы (ММ), изменением надмолекулярной структуры, степени кристалличности и т.д. Таким образом, хитозан представляет собой полидисперсный по ММ и по СД полимер D-глюкозамина, содержащий 5-15% ацетамидных групп, а также до 1% групп, соединенных с аминокислотами и пептидами. Обычно хитозаном называют хитин с СД > 0,5 [3].

После ДА и отмывки до нейтрального значения рН хитозан представляет собой сильно гидратированный, набухший продукт с содержанием воды более 70%. Для предотвращения ороговения хитозан сушат при 50-55⁰С. При сушке в условиях более высоких температур хитозан уплотняется, темнеет и теряет растворимость, что снижает возможность его использования. Наилучшим образом показывает себя сушка хитозана в псевдокипящем слое при 50⁰С. Низкомолекулярный водорастворимый хитозан и олигосахариды сушат на распылительных и лиофильных сушилках. Воздушно-сухой хитозан содержит 8-10% воды.

В зависимости от производственного процесса, свойства одних и тех же образцов хитозана могут существенно меняться. В общем, недостаточная характеристика полимера усложняет процесс сравнения результатов и установления взаимосвязи между физиологическим поведением хитозана и его свойств. Ниже мы рассмотрим общие рекомендации относительно свойств хитозана для конкретного применения.

Из всех областей применения хитозана на первом месте стоит здравоохранение [4]. Это связано, в частности, с его высокой биологической активностью. Обнаружено, что хитозан обладает кровоостанавливающими, бактерицидными, фунгицидными, противоопухолевыми, антихолестериновыми и иммуномодулирующими свойствами, также он оказывает успокаивающее действие на центральную нервную систему.

Было изучено влияние хитозана на процесс заживление ран [5]. Олигомеры хитозана обладают ранозаживляющим свойством, что обусловлено их способностью стимулировать выработку фибробласта путем влияния на фактор роста фибробластов.

Хитозан широко используется в производстве лекарственных средств для снижения веса [6], поскольку он связывает жиры, которые содержатся в пище, и выводит их из организма. Адсорбционные слои комплексов хитозана с жирными кислотами способствуют ингибированию гидролиза жира под действием ферментов, тем самым затрудняя его усваивание в организме.

Однако наиболее важным является применение этого полимера в качестве носителя лекарственных средств [7,8]. Положительный заряд хитозана способствует его проникновению через клеточные мембраны (рисунок 3) и плотные слои эпителия, обеспечивает хорошую адгезию к слизистым оболочкам и противомикробные свойства.

Рисунок 3 – А-микросферы высокомолекулярного хитозана (640 кДа), сшитые 0,2% трифенилфосфатом, полученные путем распылительной сушки. (В)-подробное изображение микросферы

В процессах доставки лекарственных средств, выбор образца хитозана с определенными характеристиками необходим для разработки устойчивой системы доставки лекарственных средств, увеличения длительности активности препарата, повышения терапевтической эффективности и снижения побочных эффектов. Исследования показали, что степень деацетилирования и молекулярная масса хитозана существенно влияют на его роль в терапевтических системах доставки лекарственных средств (таблица 1).

Таблица 1

Влияние степени деацетилирования (СА) и молекулярной массы (ММ) хитозана на свойства микросфер

Благодаря своей способности связывать противоположно заряженную ДНК хитозан также может быть использован для доставки генов [8]. Это свойство впервые было использовано Мампером для приготовления невирусного вектора для систем доставки генов в 1995 году. М хитозана является ключевым параметром при подготовке
хитозан / ДНК комплексов, поскольку эффективность трансфекции
сильно коррелирует с молекулярной массой хитозана.

В пищевой промышленности хитозан применяется в качестве загустителя и структурообразователя продуктов диетического питания [7], а также в качестве биологически активной добавки [7], уничтожающей патогенную микрофлору и связывающей и выводящей из организма жиры, токсины, ионы тяжелых металлов и радионуклидов.

Как универсальный биополимер природного происхождения хитозан
применим для консервирования пищевых продуктов благодаря своему антимикробному и антиоксидантному действию против микроорганизмов, вызывающих порчу пищевых продуктов. Результаты экспериментов показали, что, в целом, низко- (5-27 кДа) и среднемолекулярный (48-78 кДа) хитозаны эффективно подавляют рост как грамположительных, так и грамотрицательных бактерий [8].

Покрытия из хитозана могут задерживать процессы поспевания овощей и фруктов, потери воды, дольше сохраняют сроки годности продукта, а также могут изменить вкус. Использование полупроницаемых покрытий позволяет поддерживать необходимую для хранения продуктов среду, сокращаяпри это затраты [7].

В косметической промышленности хитозан, эффективно адсорбирующийся на отрицательно заряженной поверхности волос с образованием защитной пленки, используется в качестве антистатика и кондиционера в производстве шампуней [6]. Он широко применяется в косметике благодаря своим структурообразующим свойствам, совместимости с организмом и способности удерживать влагу. Хорошо фиксируется на волосах, не отшелушивается и не скатывается, делает волосы более эластичными без ощущения утяжеления и липкости, препятствует спутыванию волос за счет формирования на их поверхности покровной пленки. Кроме того, хитозан удобен с точки зрения производственного процесса. Он прекрасно совместим с другими ингредиентами рецептуры косметических средств, не обладает токсичностью и аллергенностью, биодеградируем, хорошо проникает через кожу, не имеет цвета и запаха, поэтому его можно считать сырьем для косметической продукции с высокой степенью безопасности [6].

В сельском хозяйстве благодаря своей противомикробной активности хитозан применяется для борьбы с нематодами почв в закрытых грунтах, стеблевой и корневой гнилью, а также в качестве биостимулятора, обеспечивающего повышение урожайности на 25–40% [6].

Хитозан является практически единственным поликатионом природного происхождения, полиэлектролитные свойства которого обусловлены наличием протонированных аминогрупп в кислых средах. Наличие функционально-активных групп в макромолекуле хитозана и растворимость в воде обеспечивают его способность к комплексообразованию с противоположно заряженными синтетическими и природными полиэлектролитами, ПАВ, металлами [5].

Взаимодействие хитозана с полианионами (например, пектином) приводит к образованию полиэлектролитных комплексов.

2. Свойства и применение анионного ПАВ природного происхождения

Одним из примеров ПАВ природного происхождения является овсяный ПАВ (Sodium Lauroyl Oat Aminoacids,PROTEOL OAT PF). Овсяный ПАВ - это натуральное пеннообразующее анионное поверхностно-активное вещество, получаемое из аминокислот овсяного зерна. Нежный сурфактант, в несколько раз менее агрессивный по сравнению с привычными анионными ПАВ. Растворим в воде при pH=7 и выше.
По внешнему виду представляет собой светло-желтую немного мутную жидкость с легким характерным запахом. Основным направлением применения данного ПАВ является парфюмерно-косметическая промышленность.

Среди основных свойств можно выделить следующее: высокий уровень мягкости для кожи и волос; превосходный пенный агент даже при сложных условиях, таких как жесткая вода; не раздражает слизистую оболочку; даёт мягкую кремовую пену; низкий порог цветности и запаха.

Образует обильную густую и ультра-мягкую сливочную пену для мягкого очищения кожи и волос. Является превосходным пенообразующим агентом в сложных условиях (жесткая вода, сильно загрязненные волосы). Даже при использовании в качестве со-ПАВ в данных условиях, он сохраняет свои отличные вспенивающие свойства. Как показало наблюдение под микроскопом, плотность пены объясняется особой плотной структурой пузырьков. Эта плотная пена обладает очень хорошей стабильностью во времени, что, например, позволяет при помощи овсяного ПАВ создавать пышную пену для ванн.

Благодаря незначительному обезжиривающему эффекту овсяного ПАВ, при его применении сохраняется целостность барьера кожи. По этой причине он является идеальным моющим агентом для всех типов моющих композиций, где требуется мягкость. Наряду с мягкостью, овсяный ПАВ обладает высокой смачивающей способностью, что обеспечивает достаточный очищающий эффект. Овсяный ПАВ прост и удобен в использовании, не уменьшает вязкость продукта и позволяет получить гипоаллергенные низкоокрашенные продукты без запаха.
Основными направлениями применения в косметической промышленности являются: средства для интимной гигиены; мягкие шампуни для частого использования; гель для душа с кремовой текстурой; очищающие салфетки для снятия макияжа для чувствительной кожи; детские средства для купания; очищающие средства для лица.

3. Комплексообразование хитозана с поверхностно-активными веществами

Для полномасштабного использования производных хитозана необходимо иметь представление о коллоидных свойствах этого биополимера в смешанных растворах с другими компонентами (например, с ПАВ). К коллоидным свойствам полимеров относят, прежде всего, их способность к адсорбции на межфазных поверхностях различной природы, стабилизирующую способность по отношению к дисперсным системам (эмульсиям, пенам, суспензиям), а также структурообразование (агрегирование, мицеллообразование, гелеобразование) в различных физико-химических условиях [11].

Процесс образования полимер-коллоидных комплексов (ПКК) в смешанных растворах противоположно заряженных макроионов полиэлектролита и ионов ПАВ является кооперативным (рисунок 4). Связывание анионных ПАВ полиэлектролитами инициируется электростатическими взаимодействиями между анионами ПАВ и положительно заряженными группами полиэлектролита, что сопровождается повышением концентрации ПАВ в микрообъеме макромолекулярного клубка. Дополнительной стабилизации образующихся ПКК способствуют гидрофобные взаимодействия объемных углеводородных радикалов ПАВ, приводящие к формированию мицелл ПАВ внутри макромолекулярного клубка [11].

Рисунок 4 - Комплексообразование в смешанных растворах ПАВ и полиэлектролита

Многие амфифильные соединения и ПАВ образуют мицеллы. Концентрация, при которой начинается мицеллообразование, а также растворимость мицелл являются двумя важнейшими характеристиками ПАВ. Аналогично критической концентрации мицеллообразования (ККМ) в индивидуальных растворах ПАВ, агрегирование в смешанных растворах полиэлектролитов и ПАВ с образованием стехиометричных по заряду комплексов происходит при критической концентрации агрегации (ККА) [12]. Критическая концентрация агрегации ПАВ в смеси растворов с противоположно заряженными полиэлектролитами на два порядка ниже ККМ чистых ПАВ в растворе, что является одной из наиболее интересных особенностей данных комплексов.

В настоящее время на основе хитозана получают различные ПКК, спектр применения которых очень широк. Они активно используются в качестве носителей лекарственных веществ, невирусных векторов переноса генов, биоспецифических сорбентов, пленок, гелей.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Объекты исследования

В работе применяли водорастворимый образец хитозана (ЗАО «Биопрогресс», г. Щелково) с молекулярной массой М_η 38700 и степенью деацетилирования 80 %.

В качестве природного анионного ПАВ применяли овсяный ПАВ (Sodium Lauroyl Oat Aminoacids,PROTEOL OAT PF).

Для приготовления растворов использовали бидистиллированную воду. Чистоту воды контролировали по величине удельной электропроводимости, равной 3 мкСм/см.

Для получения полимер-коллоидных комплексов раствор ПАВ заданной концентрации приливали по каплям к раствору хитозана при постоянном перемешивании на магнитной мешалке. Концентрацию хитозана в экспериментах с ПАВ поддерживали постоянной и равной 0,05 г/дл (2,4·10^–3осново-моль/л), что соответствовало области полиэлектролитного набухания. Относительное содержание ПАВ и полиэлектролита в растворе (Z) выражали в виде отношения молярной концентрации ионов ПАВ к концентрации ионогенных звеньев хитозана: Z = с_ПАВ/с_ХТЗ.

Методы исследования

Для проведения исследования применяли методыдинамического светорассеяния, турбидиметрии и тензиометрии.

1. Динамическое светорассеяние.

Величину электрокинетического потенциала комплексов определяли методом динамического светорассеяния на анализаторе размера частиц и дзета-потенциала серии «ZetasizerNanoZS» (MalvernInstrumentsLtd, Великобритания). Анализатор оснащен He-Ne лазером мощностью 4 мВт с длиной волны 633 нм. Угол светорассеяния составлял 173°. Графическую интерпретацию результатов измерения получали с помощью программного обеспечения «DTS ApplicationSoftware» компании MalvernInstruments для работы под управлением операционной системы Windows^. Перед выполнением измерений образцы фильтровали через фильтры Millipore с мембраной DuraporePVDF и диаметром пор 0,45 мкм.

2. Турбидиметрическое титрование.

Фазовое состояние системы ХТЗ–ПАВ–вода исследовали методом турбидиметрического титрования. Измерения оптической плотности выполняли на цифровом спектрофотометре «PD-303» (Apel, Япония) при длине волны 490 нм.

Тензиометрия

Для получения равновесных значений поверхностного натяжения растворов ПАВ, ХТЗ и ХТЗ–ПАВ на границе с воздухом использовали метод отрыва кольца Дю-Нуи. Точность измерения составляла ±0,3 мH/м. Измерения проводили в термостатируемой ячейке при 298К.

Поверхностную активность G находили по формуле:

.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Формирование полимер-коллоидного комплекса (ПКК) происходит в результате электростатического взаимодействия ионогенных звеньев полиэлектролита с противоположно заряженными ионами ПАВ. Дополнительной стабилизации комплексов способствуют гидрофобные взаимодействия углеводородных радикалов ПАВ, приводящие к формированию мицелл ПАВ в микрообъеме макромолекулярного клубка [1, 3, 4].

Для оценки вклада электростатических взаимодействий в связывание ПАВ хитозаном были получены зависимости электрокинетического потенциала комплекса ХТЗ–ПАВ от соотношения концентраций ПАВ и хитозана в растворе Z (рисунок 5).Точки на оси ординат (Z=0) характеризуют заряд макроиона в отсутствие ПАВ. Добавление ПАВ в водный раствор хитозана сопровождается уменьшением дзета-потенциала вплоть до полной нейтрализации заряда при стехиометрическом соотношении концентраций компонентов в растворе Z=1. Дальнейший рост концентрации ПАВ в системе сопровождается перезарядкой комплексов, что свидетельствует о сверхэквивалентном связывании ионов ПАВ хитозаном.

Рисунок 5 – Зависимость электрокинетического потенциала комплексов хитозан–ПАВ от Z

Гидрофобизация комплекса в процессе электростатического связывания ПАВ хитозаном приводит к изменению фазового состояния системы ХТЗ–ПАВ–вода. Исследование оптической плотности раствора комплекса показало, что уже при малых концентрациях ПАВ в растворе наблюдается фазовое разделение, связанное с образованием нерастворимых в воде комплексов (рисунок 6).

Рисунок 6 – Зависимость оптической плотности растворов хитозан–ПАВ от относительного содержания ПАВ и полиэлектролита Z

Это соответствует появлению опалесценции и резкому увеличению мутности раствора. После достижения максимума оптической плотности при стехиометрическом соотношении концентраций компонентов (Z_пред=1) комплекс представляет собой устойчивую дисперсию

Для практического применения комплексов хитозана необходимо иметь представление об их коллоидно-химических свойствах. С этой целью были получены изотермы поверхностного натяжения водных растворов ПАВ, ХТЗ и комплекса ХТЗ–ПАВ на границе с воздухом (рисунок 7). Анализ изотерм показал синергетическое понижение поверхностного натяжения раствора ПКК при концентрациях ПАВ ниже ККМ. Самой высокой поверхностной активностью, превышающей активность хитозана и ПАВ, характеризуется комплекс ХТЗ–ПАВ (таблица 1). Эффект синергизма в понижении поверхностного натяжения можно отнести к существенному увеличению гидрофобности макромолекул хитозана за счет электростатических взаимодействий противоположно заряженных ионогенных групп хитозана и ПАВ.

Таблица 1 – Поверхностная активность хитозана, ПАВ и ПКК ХТЗ–ПАВ

ВЫВОД:

Показано, что в водных растворах хитозана и анионного ПАВ природного происхождения при достижении критической концентрации ассоциации формируется нерастворимый комплекс стехиометрического состава, обладающий высокой поверхностной активностью.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Хитин и хитозан: природа, получение и применение / Под ред. В.П. Варламова, С.В. Немцева, В.Е. Тихонова. М.: Российское хитиновое общество, 2010. – 292 c.

2.Получение хитозана и изучение его фракционного состава / Л.А.Нудьга, Е.А. Плиско, С.Н. Данило // Журнал органической химии. – 1971. – Т. 41. – С. 2555.

3.Быкова В.М., Немцев С.В. // Хитин и хитозан. Получение, свойства и применение / Под ред.К.Г. Скрябина, Г.А. Вихоревой, В.П. Варламова.М.: Наука, 2002. – С. 237.

4.Гальбрайх Л.С. // Соросовский образовательный журн. – 2001. – Т. 7. – № 1. – С. 51.

5.Симонова Л.В. Хитозан в косметике / Л.К. Пашук, А.И. Албулов, А.С. Форменко // Тез. докл. междунар. науч.-прак. конф. «Биологически активные вещества и новые продукты в косметике». – М.: РПКА, 1996. – С. 31.

6.Самуйлова Л.В. Косметическая химия: учеб.издание: в 2 ч. Ч. 1: Ингредиенты / Л.В. Самуйлова, Т.В. Пучкова. – М.: Школа косметических химиков, 2005. – 336 с.

7.БыковаВ.М., КривошеинаЛ.И., ГлазуновО.И.,ЕжоваЕ.А. // Тез. VI Всерос. конф. “Новые перспективы в исследовании хитина и хитозана”. Щелково, 2001. – C. 147.

8.Симонова Л.В. Хитин и хитозан / Л.В. Симонова, Л.К. Пашук // Косметика и медицина. – 1998. – №1. – С. 15-18.

9.http://cosmetic.ua/natriya_kokoil_glutamat, https://www.livemaster.ru/topic/1424589-iz-chego-sostoit-shampun

10.Меркович Е.А. Строение и свойства продуктов модификации производных хитина поверхностно-активными веществами и композиции на их основе: дис. канд. хим. наук / Е.А. Меркович. – М., 2000. – 150 с.

11. Работа агрегации и форма молекулярных агрегатов при переходе от сферических к глобулярным и цилиндрическим мицеллам / М.С. Кшевецкий, А.К. Щёкин // Коллоидный журнал. – 2005. – Т. 67, №3. – С. 363-376

12. Практические работы по физической химии / под ред. К.П. Мищенко. – Л.: Химия, 1982. – 400 с.