Мухамед юнес разработка технологии получения хитозана с заданными свойствами из панциря ракообразных

На правах рукописи

АЛАА ЭЛЬДИН МУХАМЕД МУХАМЕД ЮНЕС

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ ХИТОЗАНА С

ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ ИЗ ПанциРя ракообразных

Специальности 05.18.04 – Технология мясных, молочных и рыбных продуктов и холодильных производств

Автореферат диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Москва 2010

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Астраханский государственный технический университет» (ФГОУ ВПО «АГТУ»).

Научный руководитель:	доктор технических наук, профессор	Мукатова Марфуга Дюсембаевна
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор	Подкорытова Антонина Владимировна
	кандидат химических наук	Новиков Виталий Юрьевич

Ведущая организация: Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Калининградский государственный технический университет» (ФГОУ ВПО «КГТУ»)

Защита диссертации состоится «25» ноября 2010 года в 12:00 часов на заседании диссертационного совета Д 307.004.03 при ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии» Федерального агентства по рыболовству по адресу 107140, г. Москва, ул. Верхняя Красносельская, д.17 ФГУП ВНИРО.

Факс: (495) 264-91-87

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке.

Автореферат разослан « 25 » октября 2010 года.

Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

В.А.Татарников

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. За последние три десятилетия на рубеже веков одним из перспективных направлений мирового научно-технического прогресса в области изыскания новых материалов биогенного происхождения является изучение способов получения, свойств и применения хитина и его производных.

Источниками хитина являются биологические панцирьсодержащие объекты, в том числе промысловые ракообразные (крабы, креветки и раки). Широкое распространение хитинсодержащего сырья (ХСС) в природе делает его доступным для промышленной переработки и последующего применения.

Самое простое и распространенное производное хитина – частично или полностью деацетилированный хитозан. Чем больше учёные узнают о свойствах хитина и хитозана, тем шире сфера практического применения этих биополимеров. К числу основных направлений их применения можно отнести: медицину, косметологию, сельское хозяйство и пищевую промышленность. Хитин и хитозан обладают рядом уникальных свойств, в том числе адсорбционными свойствами по отношению к ионам тяжелых металлов.

Согласно литературным данным низкомолекулярные хитозаны обладают более высокой биологической способностью, по сравнению с высокомолекулярными, без указания конкретных величин степени деацетилирования и молекулярной массы в соответствии с областью применения.

Например, адсорбционные свойства хитозана, по сравнению с хитином, выражены сильнее благодаря наличию первичных аминогрупп. Способность хитозана сорбировать ионы тяжелых металлов во многом зависит не только от степени деацетилирования (СД) исходного материала, но также от природы сырья, специфики подготовки сорбента к работе и от молекулярной массы (Мм). Хитозан обладает повышенной избирательностью к ионам тяжелых металлов, полярным веществам, что позволяет ожидать высокую эффективность в процессе очистки как питьевой, так и морской воды.

В области технологии хитина и изучения его свойств проводили исследования многие ученые как за рубежом, так и в России (Elden C.A., Blair H. S. и Но Ting-Chung, Maruca R., Muzzarelli R.A.A., Kurita Keisuke, Onsoyen E. и Skaugrud О., Roberts G. A. F., Ершов Б.Г., Inouc K., Феофилова Е.П., Быков В.П., Быкова В.М., Немцев С.В., Терещина В.М., Горовой Л.Ф. и Петюшенко А. П., Варламов В.П., Албулов А.И., Ruiz M, Domard A., Piron E., Guibal E., Новиков В.Ю., Маслова Г.В., Мезенова О.Я., Мукатова М.Д., Сафронова Т.М., Смирнов М.Л. Вместе с тем, все известные способы получения хитозана основаны на использовании жёстких химических процессов, не позволяющих получить хитозан с заданной Мм в соответствии с направлением его последующего применения. Актуальным, в этой связи, является изыскание способа получения хитозана с заданными характеристиками (Мм, СДА) из исходного хитина целевого применения (в качестве сорбента).

Цель и задачи исследования. Цель настоящей работы - разработка технологии хитозана с применением щадящих способов обработки ХСС ферментными препаратами, регулирующих гидролитическое расщепление высокомолекулярного полимера с последующим исследованием сорбционных свойств полученного низкомолекулярного продукта.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- изучение размерно-массовых характеристик, химического состава речных раков, как источника ХСС;

- исследование возможности применения низкотемпературного способа консервирования отсортированных мелких речных раков для использования в качестве дополнительного хитинсодержащего сырья;

- апробирование комбинированного способа (ферментативно-химического) получения хитина из заготовленного методом высушивания ХСС речных раков и изучение его качественных показателей;

- изучение влияния способа фракционирования хитина по размерам частиц перед дезацетилироанием на изменение химических характеристик хитозана;

- исследование органолептических, физико-химических свойств полученного хитозана разной молекулярной массы;

- обоснование режимов процесса гидролитического расщепления высокомолекулярного хитозана (ВМХ) ферментными препаратами для получения низкомолекулярного хитозана (НМХ) с заданными химическими характеристиками;

- выявление сорбционной способности хитозана с известной молекулярной массой при очистке им воды, загрязненной ионами тяжелых металлов;

- изучение адсорбирующих свойств хитозана различной Мм при очистке морской воды, загрязнённой ионами тяжёлых металлов;

- установление возможности восстановления хитозана, применённого в лабораторных условиях в качестве сорбента, при определении уровня содержания ионов тяжёлых металлов в морской воде в целях повторного его использования;

- исследование возможности применения хитина (хитозана) в качестве сорбента при очистке воды от нефтяных загрязнений.

Научная новизна работы. Научно обоснованы стадии технологического процесса получения из хитинсодержащего сырья речных раков низкомолекулярного хитозана с адсорбционными свойствами, предназначенного для использования в качестве сорбента ионов тяжелых металлов и очистки воды от нефтяных загрязнений.

Обоснованы режимы низкотемпературного способа консервирования отсортированных мелких речных раков при заготовке ХСС, обеспечивающие оптимальные сроки хранения их до переработки.

Изучена зависимость молекулярной массы (Мм) и степени деацетилирования (СД) хитозана от размеров частиц исходного хитина.

Обоснованы оптимальные режимы получения низкомолекулярного хитозана из высокомолекулярного с применением ферментных препаратов.

Выявлена эффективность очистки питьевой и морской воды от ионов тяжелых металлов с помощью сорбента-хитозана с Мм не более 100 кДа и определена последовательность связывания им тяжёлых металлов в ряду Cd, Hg, Zn, As, Pb, Cu.

Определена возможность применения хитина (хитозана) в качестве сорбента воды, загрязнённой нефтяной пленкой.

Предложен способ восстановления хитозана известной Мм, применённого при проведении исследований, в качестве сорбента ионов тяжёлых металлов.

Практическая значимость работы и реализация результатов. Разработаны проекты технической документации на получение низкомолекулярного хитозана с заданными свойствами (ТУ 9289-049-00471704-10 и ТИ к ним).

Разработаны и внедрены в учебный процесс методические указания «Хитозан – сорбент для очистки питьевой воды от ионов тяжелых металлов» для студентов специальности 240902.65 «Пищевая биотехнология».

Для научно-исследовательской лаборатории «Экологическая химия» Национального института океанографии и рыбного хозяйства (г. Александрия, АРЕ) разработана «Модифицированная методика определения содержания ионов тяжелых металлов в морской воде с применением хитозана в качестве сорбента» взамен применяемого в настоящее время сорбента-полиакриламида.

Проведены опыты по очистке воды от нефтяных загрязнений с примением хитина (хитозана) в испытательной лаборатории сырья, материалов и продукции в г. Астрахани, которые подтвердили возможность использования хитина (хитозана) в качестве сорбента нефтяных загрязнений.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Способ заготовки и срок хранения ХСС при переработке речных раков с применением низких температур.

2. Обоснованные оптимальные режимы получения низкомолекулярного хитозана из высокомолекулярного с применением ферментных препаратов.

3. Физико-химические характеристики хитозана известной молекулярной массы для целевого применения в качестве сорбента при очистке воды питьевой и морской от ионов тяжёлых металлов, нефтяных загрязнений.

Апробация работы. Основные результаты исследований обсуждены на 52ой, 53ей научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава (ППС) Астраханского государственного технического университета (АГТУ) (Россия, 2008-2009). Международных научно-практических конференциях: International Conference of the European Chitin Society (Venice, Italy 23-26 May 2009), Workshop 14th European congress on biotechnology (Barcelona, Spain 13-16 September, 2009), Международной отраслевой научной конференции профессорско преподавательского состава, посвящённой 80-летию основания АГТУ (54-ая конференция ППС) (Россия, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ, в том числе 6 статей, 2 из которых в издании, рекомендованном ВАК РФ.

Объём и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, выводов, списка использованной литературы и 7 приложений на 24 страницах. Работа изложена на 130 страницах основного текста, содержит 26 таблиц, 29 рисунков. Список литературы включает 158 наименований, в том числе 84 – зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Введение. Обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и приведена практическая значимость работы.

Глава I. Литературный обзор. Приведен анализ сырьевых ресурсов для получения хитина, характеристика биополимеров: хитина и хитозана, способы их получения, основные направления применения. На основе анализа сорбционных свойств хитина и хитозана, а также современного состояния экологии водных объектов, выявлена эффективность применения низкомолекулярного хитозана для очистки воды, содержащей ионы тяжёлых металлов. Намечены основные направления исследований по теме диссертации.

Глава 2. Объекты, методы исследования и методика постановки эксперимента. В качестве объектов исследований использованы живые речные раки, выловленные в дельте реки Волги; варёные речные раки; измельчённые массы живых и варёных речных раков; ХСС; хитин, полученный химическим (кислотно-щелочным) и комбинированным (ферментативно-химическим) способами; хитозан высокомолекулярный и низкомолекулярный; вода питьевая, содержащая ионы тяжёлых металлов, морская вода, вода с нефтяными загрязнениями.

Методы исследования. Отбор средних проб для физико-химических исследований ракообразных и подготовка их к анализам были осуществлены в соответствии с ГОСТ 7631 «Рыба, морские млекопитающие, морские беспозвоночные и продукты их переработки. Правила приемки, органолептические методы оценки качества, методы отбора проб для лабораторных испытаний». Химические показатели - массовые доли: воды, белка, минеральных веществ, жира, содержание хитина были определены по ГОСТ 7636 «Рыба, морские млекопитающие, морские беспозвоночные и продукты их переработки. Методы анализа». Отбор проб комплекса протеиназ и подготовка его к применению для депротеинирования ХСС осуществлялись по ТУ 9289 – 009 – 00971704 -05. Степень деацетилирования хитозана устанавливалась методом кондуктометрического титрования, молекулярная масса – капиллярной вискозиметрией (Немцев, 1997). Содержание нерастворимых веществ в хитозане определено по ТУ 15-16-14-93. Содержание токсичных элементов в хитозане было определено методом атомно-адсорбционной спектроскопии. Определение концентрации ионов тяжёлых металлов, внесенных в питьевую воду, осуществлено по ГОСТ 52180. Уровень содержания ионов тяжелых металлов в морской воде был установлен по методике APAH (Американская ассоциация охраны общественного здоровья, 1985).

Методика постановки экспериментов. Заготовка ХСС осуществлялась двумя способами: 1) измельчение отсортированных мелких экземпляров речных раков без термической обработки с последующим замораживанием и хранением при температуре минус 18C; контролем для определения сроков хранения служила варёномороженая измельчённая масса; 2) высушивание измельчённых хитинсодержащих отходов (ХСО), заготовленных при разделывании варёных речных раков (карапакс) и концентрата панциря (измельчённые клешни и ножки), отделённого от азотистых веществ гидросепарированием.

Программно – целевая модель проведения исследований представлена на рис. 1.

Эксперименты по получению хитина в дальнейшем проводились на высушенном измельчённом карапаксе (ХСС-КС).

Рис. 1. Программно – целевая модель проведения исследований

Были апробированы два способа получения хитина: 1) кислотно-щелочной (химический) и 2) комбинированный (ферментативно-химический). При получении хитина 2-ым способом для деминерализации ХСС-КС была использована соляная кислота (3,5 % раствор), затем осуществлялось депротеинирование комплексом кислых протеиназ, полученных из желудков хищной рыбы (сома), с последующей очисткой хитина от источников азотистых веществ щелочной обработкой.

Для получения хитозана оба образца хитина, изготовленные 1 и 2 способами, были обработаны 50 %-ной концентрированной щёлочью. При этом образец по 2-му способу перед обработкой был фракционирован по размерам частиц хитина: 0,5, 1,5, 2,5 мм, что способствовало получению хитозана с разной молекулярной массой: высокомолекулярный хитозан (ВМХ) с молекулярной массой (Мм) порядка 200 кДа и низкомолекулярный хитозан (НМХ) с Мм порядка 100 кДа и менее, в зависимости от размера частиц хитина. Гидролиз ВМХ ферментными препаратами без фракционирования позволил так же получить НМХ в зависимости от вида, дозы ферментного препарата и продолжительности процесса, сорбционные способности которого были разными при применении его в качестве сорбента для очистки загрязнённой воды ионами тяжёлых металлов разной концентрации. Для изучения сорбционной способности хитозана разной Мм в лабораторных условиях был собран макет колоночных установок.

При статистической обработке результатов исследований и построения графических зависимостей была использована стандартная программа Microsoft Excel и statistics 6.0.

Глава 3. Результаты исследований и их обсуждение

3.1. Размерно-массовая характеристика речных раков и изменения азотистых веществ сыромороженых и варёномороженых в процессе низкотемпературного хранения. Для заготовки ХСС при переработке промысловых речных раков интерес представляло изучение размерно-массовой характеристики живых раков (табл. 1).

Таблица 1 – Размерно-массовая характеристика речных раков

Объект исследования	Размерный ряд	Длина, см	Масса, г	Массовая доля в партии, %
				по длине	по массе
Речной рак	Мелкий	9,0 – 10,9	20,9 – 36,6	46,8	35,6
	Средний	11,0 – 12,0	29,6 – 49,0	36,1	38,2
	Крупный	12,1 – 15,0	45,9 – 69,2	17,1	26,1

Установлено, что доля крупного по длине речного рака (12,1 – 15,0 см) в партии составляет менее 20% от общей массы. Наибольшее значение 46,8% приходится на долю мелкого речного рака (9,0 - 10,9 см) и на долю среднего (11,0 - 12,0 см) - 36,1%.

Крупные и средние экземпляры раков подвергались кратковременной тепловой обработке (бланшированию). При этом происходила инактивация ферментов и уплотнение мышечной ткани, которая впоследствии легко отделялась от хитинового покрова в процессе разделывания раков. Мелкие экземпляры живых раков были разделены на две части. Одна часть была измельчена до размеров частиц 5 мм, другая часть была подвержена бланшированию продолжительностью 20 мин, стечке, охлаждению и последующему измельчению. Химический состав образцов живых и бланшированных раков (контроль) приведён в таблице 2.

Таблица 2 – Химический состав мелких живых и бланшированных раков без предварительного разделывания

Объект исследования	Содержание, %
	воды	жира	белка	азота хитина	общего азота	минеральных веществ	хитина
Измельчённая масса раков: -живых	75,90 ±0,01	0,99 ±0,02	14,15 ±0,03	0,22 ±0,01	3,00 ±0,01	5,74 ±0,03	3,22 ±0,02
-бланшированных	71,37 ±0,01	0,94 ±0,03	16,87±0,03	0,20 ±0,01	2,90 ±0,01	7,80 ±0,02	3,00 ±0,01