CC BY
20Platonova I.V., Shablygin M.V., Platonov S.Yu., Sidorov
O.V. // Vestnik MGU. Ser. 2 Khimiya.1998. T. 39. N 4. P. 253-257 (in Russian). 21. Шаблыгин M.B. Тез. докл. Междунар. научно-тех. конф. «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности». Текстиль-2007. Москва: МГТУ. 2008. С. 189;
Shablygin M.V. // Intern. scientific and tech. conf. "Modern technologies and equipment of textile industry. "Textiles-2007. M.: Moscow State Textile University. 2008. P.189 (in Russian).
22. Слугин И. В. Струкгурообразование сополиамидбензи-мидазолов и технология волокон на их основе. Дис.... канд. хим. наук. Московский гос. текст, ун-т. им. А.Н. Косыгина. М. 2005. 141 е.;
Slugin I.V. Structure formation of copolyamidebenzimi-dazoles and technology of fibers on their basis. Dissertation for kandidate degree on chemical science. M. 2005. 141 p. (in Russian).
23. Ракитина В.А., Абронин И.А и др. // Химические волокна. 2003. № 6. С. 39^12;
Rakitina V.A., Abronin I.A. et.al.// Khimicheskie volokna. 2003. N 6. P. 39-42 (in Russian).
Кафедра органической и биологической химии
УДК 544.57, 547.458.5
О.В. Манаенков, А.А. Каменщиков, О.В. Кислица, Ю.В. Степаненко, М.Г. Сульман
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПОЛУЧЕНИЯ ОЛИГОМЕРОВ ХИТОЗАНА С ПОМОЩЬЮ НИЗКОЧАСТОТНОГО УЛЬТРАЗВУКА
(Тверской государственный технический университет) e-mail: [email protected]
Представлены данные по исследованию возможности получения олигомеров хи-тозана, обладающих биологической активностью, посредством обработки растворов полисахарида низкочастотным ультразвуком. Рассмотрена зависимость степени деструкции макромолекул хитозана от концентрации его раствора, интенсивности и времени ультразвуковой обработки.
Ключевые слова: ультразвук, хитозан, олигомеры, деструкция макромолекул
Хитозан — аминополисахарид (2-амино-2-дезокси-Р-Б-глюкан), представляющий собой аморфно-кристаллический полимер, белый порошок без запаха и вкуса, нерастворимый в воде и обычных органических растворителях [1].
Хитозан является биологически активным полимером и входит в состав многих современных лекарственных форм. Имеются определенные перспективы его использования для получения новых биологически активных форм либо в качестве единого компонента, либо в комплексе с другими биополимерами или низкомолекулярными веществами [2]. Замечено, что практически все функциональные свойства хитозана зависят от его молекулярных параметров, в большей степени от молекулярной массы. В литературе отмечается интерес к изучению влияния этой характеристики хитозана на его биологическую активность. В частности, установлено значительное влияние молекулярной массы на иммуномодулирующую и про-
тивовирусную активность хитозана [3, 4]. Особый интерес специалистов наблюдается к проявлению биоцидных свойств хитозана различной степени полимеризации [5]. Авторами работы [2] было показано, что олигомеры хитозана и низкомолекулярные образцы обладают биологической активностью в отношении грамм-отрицательных и грамм-положительных микроорганизмов: культур кишечной палочки Esherichia coli (АТСС 25922) и золотистого стафилококка Staphylococus aureus (АТСС 25923), а также грибов Candida albicans
Для получения олигомеров хитозана в настоящее время используются ферментативный или химический гидролиз. Ферментативный гидролиз осуществляют действием на высокомолекулярный хитозан хитинолитических ферментов или ферментных комплексов, нпример, смеси хитоза-назы и папаина [6]. С той же целью в работе [7] использовался комплекс хитинолитических фер-
ментов из культуральной жидкости штаммов бактерий Bacillus sp. HB-G2-P и ИБ-522. Ферментный гидролиз хитозана обладает теми же недостатками, которые характерны для данного вида гидролиза в целом (инактивация фермента, дороговизна ферментных препаратов, небольшая глубина гидролиза и т.д.).
Химический гидролиз осуществляется действием на хитозан веществ, вызывающих деструкцию макромолекул полимера. Например, азотистой кислоты или нитрита натрия [8], перекиси водорода [2] и т.д. В данном случае часто возникают проблемы с очисткой продукта, особенно, если он медицинского предназначения.
Методом получения олигомеров хитозана, который лишен подобного рода недостатков, может стать ультразвуковая обработка растворов полимера. Высокое давление, распространяющееся в среде в форме ударной волны, вызывает деструкцию макромолекул полимера. Причем, чем больше молекулярная масса исходной макромолекулы, тем быстрее она разрушается под действием ультразвука, а макромолекулы с достаточно низкими молекулярными массами не подвергаются разрушению [9].
Целью данной работы является исследование возможности получения олигомеров хитозана посредством обработки его растворов низкочастотным ультразвуком.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
В работе использовался хитозан низкой вязкости (Fluka, BioChemika, влажность - менее 10,0%, вязкость 1,0%-го раствора в 1,0%-ной уксусной кислоте при 20°С < 200 мПа-с). Ультразвуковой обработке подвергался раствор хитозана в ацетатном буфере (0,33 М СН3СООН + 0,2 М CH3COONa).
Для измерения вязкости обработанных растворов применялся капиллярный вискозиметр Уббелоде (ВПЖ-1) с внутренним диаметром капилляра 0,73 мм. Обработка растворов проводилась с применением генератора ультразвука частотой 30 кГц IKAsonic U 50 control (IKA Labortechnik, Германия) с насадкой US 50-3 Sonotool, позволяющей проводить обработку жидкостей и растворов объемом до 100 см3 с интенсивностью ультразвука в диапазоне от 92 до 460 Вт/см2.
Расчет средневязкостной молекулярной массы хитозана проводился по стандартной методике [10] через уравнение Марка - Куна - Хау-винка:
где [т|] — характеристическая вязкость раствора хитозана, Mv - средневязкостная молекулярная масса, К„ и а
^ константы, определяемые экспериментально для данной системы полимер - растворитель при выбранной температуре. Для системы, использованной в работе, при температуре 35°С: ^=1,38-10"4; а=0,85.
Для определения характеристической вязкости был применен одноточечный метод, основанный на использовании уравнения Соломона -Сьюта, позволяющего рассчитать величину характеристической вязкости на основании одного измерения относительной вязкости:
V2
с отн отн '
где с — концентрация хитозана, г/100 мл. Ограничением данного уравнения является то, что оно не может быть использовано для любых систем полимер - растворитель. Поэтому применимость данного подхода для конкретной системы была предварительно установлена на основании сопоставления результатов, полученных с использованием экстраполяционной процедуры, в соответствии с уравнением [77] = Нт[(1пг]отн)/с].
с—> 0
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Влияние интенсивности ультразвука. С
целью определения влияния интенсивности ультразвуковой обработки на деструкцию макромолекул была "озвучена" серия растворов хитозана с концентрацией 0,025 г/100 мл (объемом 25 мл каждая) при различных интенсивностях УЗ-гене-ратора. Обработка проводилась в течение 5 мин. Далее растворы в течение 30 мин термостатиро-вались при температуре 35°С, после чего проводилось определение их относительной вязкости.
£ 200
150100500
100 200 300
400 500 I, Вт/см2
Рис. 1. Зависимость средневязкостной молекулярной массы хитозана от интенсивности ультразвука Fig. 1. The dependence of chitosan average molecular weight values on the ultrasound intensity
0
На рис. 1 представлен график зависимости средневязкостной молекулярной массы хитозана от интенсивности ультразвуковой обработки. Как видно из графика, уменьшение значения Му, после резкого снижения, происходит практически линейно, пропорционально увеличению интенсивности ультразвука. Это подтверждает тот факт, что минимальная молекулярная масса макромолекул полимера для каждой интенсивности имеет конкретное значение. Макромолекулы с такой молекулярной массой уже не подвергаются деструкции. Это обстоятельство подтверждается также результатами экспериментов по исследованию влияния времени ультразвуковой обработки на деструкцию макромолекул хитозана.
Влияние времени обработки ультразвуком. Серия растворов хитозана (0,025 г/100 мл, объем 25 мл) подвергалась обработке ультразвуком интенсивностью 460 Вт/см2 различные периоды времени. После обработки и термостатирова-ния в течение 30 мин при температуре 35°С, для каждого раствора определялись вязкость и сред-невязкостная молекулярная масса макромолекул хитозана, подвергшихся деструкции.
^ 200-1 и
150
100-
50-
0
0
5
10 15 20 25 30 t, мин
Рис. 2. Зависимость средневязкостной молекулярной массы хитозана от времени обработки ультразвуком Fig. 2. The dependence of chitosan average molecular weight values on the time of ultrasonic treatment
График зависимости средневязкостной молекулярной массы макромолекул хитозана от времени обработки ультразвуком представлен на рис. 2. Из графика видно, что за 5 мин обработки низкочастотным ультразвуком происходит резкое падение средневязкостной молекулярной массы хитозана, после чего дальнейшее ее уменьшение относительно мало, а после 20 мин изменений практически не происходит.
Влияние концентрации обрабатываемого раствора хитозана. Растворы хитозана с концентрациями 0,025 г/100 мл, 0,05 г/100 мл и 0,075 г/100 мл подвергались обработке ультразвуком различной интенсивности и продолжительности.
CS
« 200
150 100 50
0
0 100 200 300 400 500 I, Вт/см2
Рис. 3. Зависимость средневязкостной молекулярной массы хитозана от интенсивности ультразвука для разных концентраций: 1 - 0,075 г/100 мл, 2-0,05 г/100 мл, 5-0,025 г/100 мл Fig. 3. The dependence of chitosan average molecular weight values on the intensity of ultrasound for different concentrations: 1 - 0.075 g/100 ml, 2 - 0.05 g/100 ml, 3-0.025 g/100 ml
«200
150-
100-
50-
0
0
5 10 15 20
25 30 t, мин
Рис. 4. Зависимость средневязкостной молекулярной массы хитозана от времени обработки ультразвуком для разных концентраций: 1 - 0,075 г/100 мл, 2 - 0,05 г/100 мл, 3 - 0,025 г/100 мл
Fig. 4. The dependence of chitosan molecular weight values on the time of ultrasonic treatment for different concentrations: 1 - 0.075 g/100 ml, 2 - 0.05 g/100 ml, 3-0.025 g/100 ml
На рис. 3 и 4 приведены зависимости средневязкостной молекулярной массы хитозана от интенсивности ультразвука и времени ультразвуковой обработки для трех концентраций. Как видно из представленных рисунков, увеличение концентрации раствора хитозана приводит к увеличению средневязкостной молекулярной массы макромолекул полимера после ультразвуковой обработки. Вероятнее всего, это связано с возрастанием вязкости, что приводит к ослаблению ультразвуковых волн, а, следовательно, к меньшей степени деструкции макромолекул хитозана.
ВЫВОДЫ
Анализ полученных экспериментальных данных позволяет сделать следующие выводы:
- получение олигомеров хитозана, обладающих повышенной биологической активностью, возможно посредством обработки растворов
полисахарида низкочастотным ультразвуком;
- начальное резкое уменьшение средневязкостной молекулярной массы хитозана обусловлено разрушением межмолекулярных и внутримолекулярных водородных связей. Дальнейшее уменьшение молекулярной массы, по всей видимости, связано с разрывом ковалентных связей между звеньями цепи полисахарида;
- из зависимостей, представленных на рис. 1 и 2 очевидно, что получение олигомеров хитозана со средневязкостной молекулярной массой, изменяющейся в широком диапазоне (25 -120 кДа), лучше осуществлять посредством изменения интенсивности ультразвука, а не времени обработки;
- при этом время ультразвуковой обработки раствора хитозана целесообразно ограничить 10-20 мин, так как большее время не приводит к заметному снижению молекулярной массы макромолекул полимера;
- преимуществом ультразвукового способа получения олигомеров хитозана может стать возможность непосредственного использования обработанных растворов для получения лекарственных форм (микрокапсул, наноразмерных транспортных систем и т.п.);
- в качестве дальнейшего направления разработки ультразвукового способа получения олигомеров хитозана можно выделить исследование возможности комбинирования ультразвуковой обработки с другими способами (например, с ферментным гидролизом).
Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Гальбрайх Л. С. // Соросовский образовательный журнал. 2001. Т. 7. №1. С. 51-56;
Galbraykh L.S. // Soros Educational Journal. 2001. V. 7. N. 1. P. 51-56 (in Russian).
2. Шиповская AK, Фомина В.И., Киреев M.H., Казакова Е.С., Касьян И. А. // Изв. Саратовского университета. Химия. Биология. Экология. 2008. Т. 8. Вып. 2. С. 46-49; Shipovskaya A.B., Fomina V.I., Kireev M.N., Kazakova E.S., Kasi'yan I.A. // Izv. Saratov. Univ. Khim. Biol. Ecol. 2008. V. 8. N 2. P. 46-49 (in Russian).
3. Жоголев К.Д, Никитин В.Ю. // Иммунология. 1998. № 6. С. 53-54;
4. Zhogolev K.D., Nikitin V.Yu. // Immunologiya. 1998. N 6. P. 53-54 (in Russian).
5. Куликов C.H., Чирков C.H., Ильина A.R // Прикл. биохимия и микробиология. 2006. Т. 42. № 2. С. 224-228; Kulikov S.N., Chirkov S.N., Dyina A.V. // Prikl. Biokhim. Microbiol. 2006. V. 42. N 2. P. 224-228 (in Russian).
6. Дарашкевич O.H., Добролеж O.R, Вербицкая H.K // Тез. докл. VII Междунар. конф. Современные перспективы в исследовании хитина и хитозана: М.: Изд-во ВНИРО. 2003. С. 239-240;
Darashkevich O.N., Dobrolezh O.V., Verbitzkaya N.B. //
Abstracts of VII Intern. Conf. Modern Perspectives in Chitin and Chitosan researches. M.: VNIRO. 2003. P. 239-240 (in Russian).
7. Фролов В.Г., Шеремет И.М, Темников A.B., Лунин Е.М, Нистратов В.П. Патент РФ № 2316592. 2008; Frolov V.G., Sheremet I.M., Temnikov A.V., Lunin E.M., Nistratov V.P. Patent RU 2316592. 2008 (in Russian).
8. Муллагалиев И.Р., Широков А.В., Актуганов Г.Э., Мелентьев AH. // Биотехнология. 2006. № 3. С. 68-73; Mullagaliev I.R., Shirokov A.V., Aktuganov G.E., Melentiev A I. // Biotechnol. 2006. N 3. P. 68-73 (in Russian).
9. Етсуко Накао. Патент Jp № 2057760. 1996; Etsuko Nakao. Patent Jp. N 2057760. 1996.
10. Манаенков O.B., Сидоров А.И., Сульман М.Г., Тихонов Б.Б. // Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2005. Т. 48. Вып. 11. С. 76-79;
Manaenkov O.V., Sidorov A.I., Sulman M.G., Tikhonov
B.B. // Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2005. V. 48. N 11. P. 76-79 (in Russian).
11. Геллер Б.Э., Геллер А А., Чиртулов В.Г. Практическое руководство по физикохимии волокнообразующих полимеров: Учебное пособие для вузов: 2-е изд., исправл. и доп. М.: Химия. 1996. 432 е.;
Geller B.E., Geller A.A., Chirtulov V.G. Practical handbook on physical chemistry of fiber-forming polymers: Tutorial for institute of higher education. M.: Khimiya. 1996. 432 p. (in Russian).
Кафедра биотехнологии и химии
