CC BY
36
Общая биология
Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 2 (2), с. 137-142
УДК 543.226:547.995.12
ВЛИЯНИЕ СТАДИЙ ЛИНОЧНОГО ЦИКЛА КАМЧАТСКОГО КРАБА (РАЕЛЫТИОБЕБ САМТСИАТ1Си&) НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ХИТИНА ИЗ ЕГО ПАНЦИРЯ
© 2011 г. В.Ф. Урьяш 1, Н.Ю. Кокурина 1, Д.С. Загорская 2,
Н.П. Ковачева 2, Л.А. Фаминская 1, Е.А. Каштанов 3, Т.Ю. Горева 4
1 НИИ химии Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского 2 Всероссийский НИИ рыбного хозяйства и океанографии, Москва 3 Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
4 Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского
Поступила в редакцию 13.04.2011
Изучено влияние стадий линочного цикла камчатского краба (РатаШИв/Звз сат^кайсш) на физикохимические свойства хитина из его панциря. Зависимости температур релаксационных переходов хитина от стадии линочного цикла имеют экстремальный характер. Экстремальные значения физикохимических характеристик наблюдаются у образца хитина на стадии межлиньки. Крабы именно на этой стадии развития подлежат промысловой добыче.
Ключевые слова: физико-химические свойства, хитин, стадии линочного цикла краба.
Введение
Благодаря своим уникальным свойствам (не-токсичность, биодеградируемость, биосовместимость, радиационная стойкость и др.) хитин и его производное хитозан нашли широкое применение в пищевой и косметической промышленности, медицине, а также в качестве эффективного сорбента [1-3]. Как и у других полисахаридов, выделяемых из природных источников, свойства хитина зависят от исходного сырья [4-7]. Поэтому нами методом дифференциального термического анализа (ДТА) были изучены физические переходы в образцах хитина, выделенного из панциря камчатского краба (Paralithodes сат^ЪаИсш) на разных стадиях линочного цикла.
Материалы и методы исследования
В качестве метода исследования использовали дифференциальный термический анализ [8]. Эксперимент в области 80-650 К проводили в атмосфере гелия на приборе, конструкция которого разработана в лаборатории термохимии НИИ химии Нижегородского университета [9]. Эталоном служил кварц. Масса образца и эталона составляла ~0.25-0.35 г. Температуру образца и разницу температур между образцом и эталоном измеряли хромель-копелевой термопарой с погрешностью 0.5 К. Скорость нагрева в опытах была 5 К/мин. Отклонение от линей-
ности не превышало 1%. Для проверки работы установки на ней были определены температура плавления (Тпл) эталонного н-гептана и температура стеклования (Тс) очищенного глицерина. Полученные нами результаты совпали с соответствующими надежными литературными данными для н-гептана [10] с погрешностью 0.2 К, для глицерина [11] - 1 К.
Было изучено семь образцов хитина, изготовленных Всероссийским НИИ рыбного хозяйства и океанографии (г. Москва) (рис. 1). Образец № 1 получен из экзувия (сброшенного в результате линьки панциря). Образец № 4 получен из панциря через ~1 сутки после линьки (экзоскелета). Стадия послелиньки. Панцирь мягкий, эластичный. Образец № 2 получен из панциря через ~4-5 недель после линьки. Стадия послелиньки. Образец № 3 получен из панциря через ~8 недель после линьки. Панцирь твердый. Наполнение мышцами слабое. Стадия межлиньки. Образец № 5 получен из панциря на ранней стадии межлиньки. Панцирь твердый, наполненный. Образец № 6 получен из панциря на поздней стадии межлиньки. Образец № 7 получен из панциря на ранней стадии пред-линьки [12]. Они были деминерализованы и депротеинированы. Отделение белковой компоненты панциря проводили 5%-ным раствором NaOH при 293-295 К в течение 24 ч. Затем хитин промывали дистиллированной водой до нейтральной рН промывных вод. Проведенные нами эксперименты ДТА показали, что в воз-
Рис. 1. Исследуемые образцы хитина и соответствующие им стадии линьки камчатского краба (РагаШИ^ез camtschaticus)
Таблица 1
Физико-химические свойства и средние температуры физических переходов в хитине, выделенном из панциря камчатского краба на разных стадиях линочного цикла
Образец № 4 | № 2 № 3 | № 5 | № 6 № 7 № 1
Стадии линьки Послелинька Межлинька Предлинька Линька
Содержание Н2О, масс.% 6.0 6.0 7.5 5.4 8.0 7.9 6.0
Тисп(Н2О), К 402 406 402 402 400 398 415
Ту, К 257 257 262.5 246 249 257 255
Т К 335.5 327 335.5 332 324 318 317.5
Тс1, К 385 385 385 394.5 387 389 379
Тс2, К 411 441 467 495.5 483 465 458
Тдестр1, К 563 560 528 549 559 540 533
Тдестр2, К 594 600 593 598.5 598 598.5 599
душно-сухих образцах содержалась сорбированная вода в количестве от 5.4 до 8.0 масс.% (табл. 1). Ее испарение проявлялось на термограммах в виде эндотермического пика при Тисп(Н20) = 398-415 К (рис. 2). По сравнению с ранее изученными образцами хитин-белкового комплекса [6], содержание сорбированной воды в воздушно-сухих образцах хитина было меньше, а ее испарение наблюдалось при более высокой температуре. Это указывает на более высокую степень упорядоченности хитина и более прочные связи его с водой. Наиболее высокая температура испарения воды (415 К) была у
образца № 1 хитина, выделенного из панциря краба на стадии линьки, а наименьшая (398 К) -у хитина № 7 на стадии предлиньки (табл. 1).
Термическую камеру с образцом и эталоном охлаждали жидким азотом до 80 К со скоростью ~20 К/мин. Затем нагревали со скоростью
5 К/мин до —415 К (1-й прогрев), чтобы зарегистрировать эндотермический пик испарения сорбированной воды (рис. 2, кривая 1). Нагрев прекращали, образец охлаждали со скоростью 5 К/мин до комнатной температуры и одновременно непосредственно в термической камере откачивали испарившуюся сорбированную во-
Рис. 2. Термограммы образца № 5 хитина, выделенного из панциря краба на стадии межлиньки: 1 - прогрев 1; 2 - прогрев 2; 3 - прогрев 3
430
530
Юп Т, К
Рис. 3. Термограммы образца № 5 хитина, выделенного из панциря краба на стадии межлиньки, при четвертом прогреве
ду. После этого тигель с образцом извлекали из термической камеры, взвешивали на аналитических весах и определяли количество воды, содержавшейся в воздушно-сухом образце. Затем образец помещали в эксикатор над СаС12. На следующий день сухой образец загружали в термическую камеру и повторяли эксперимент, нагревая его до ~525 К (2-ой прогрев). Аналогичным образом осуществляли 3-й прогрев. В последнем 4-ом прогреве образцы нагревали до 625 К (рис. 3) и определяли температуру деструкции обезвоженного образца хитина.
Результаты и их обсуждение
На рис. 2, 3 в качестве примера изображены термограммы образца № 5. Полученные усредненные результаты и некоторые физикохимические характеристики изученных образцов представлены в табл. 1.
У всех образцов хитина на термограммах проявилось несколько релаксационных переходов эндотермического характера (у, в, а1 и а2). Подобные процессы наблюдались у изученных ранее образцов хитина, выделенного из различных источников [4-7, 13, 14], а также других полисахаридов [15-19].
Переход типа у, проявившийся ниже 273 К (табл. 1), по принятой классификации [20-22] связан с возбуждением колебаний боковых привесков полимерной цепи. Можно предположить, что в макромолекулах изученного хитина присутствуют ответвления. Аналогичная картина наблюдалась нами у разветвленного амило-пектина [17, 18], а также в образцах гидролизованных крабовых хитина и хитозана [14]. На рис. 4 представлена зависимость температуры у-перехода (Ту) от стадии линьки краба. Экстремально низкое значение Ту = 246 К имеет место у образца № 5 на стадии межлиньки (табл. 1).
270 г
* 260 -
A3
а
ПЗ
& 250 -
с 2 а>
I-
240 -
230 I---1----1---,--1----1---,--1----1---,--1----1---,--1----1---,--1----1---,--1----1---,
№4 №2 №3 №5 №6 №7 №1
Номер образца
Рис. 4. Температура у-перехода в образцах хитина, выделенного из панциря краба на разных стадиях линьки
№4 №2 №3 №5 №6 №7 №1
Номер образца
Рис. 5. Температура р-перехода в образцах хитина, выделенного из панциря краба на разных стадиях линьки 400 г
390
а
Ф
с
i 380
370
№4 №2 №3 №5 №6
Номер образца
№7
№1
Рис. 6. Температура первого стеклования в образцах хитина, выделенного из панциря краба на разных стадиях линьки
Переход типа ß обусловлен возбуждением колебаний участков цепи полимера меньших, чем сегмент [20-22]. В целлюлозе, например, подобный процесс связывают с возбуждением колебаний пиранозных колец вокруг глюкозид-ной связи [15]. Наибольшие значения температуры ß-перехода (Tß) наблюдаются у образцов на стадиях межлиньки и послелиньки (рис. 5, табл. 1). Следует отметить, что в образцах хи-тин-белкового комплекса описанные переходы
не проявились [6]. По-видимому, белок блокирует макромолекулы хитина, затрудняя колебания небольших участков его цепи. Поэтому маломасштабные релаксационные процессы (у- и Р-) не могут реализоваться.
Два температурных интервала расстеклования (Тс1 и Тс2) указывают на существование в изученном хитине микрообластей различной степени упорядоченности. При этом температуры данных переходов выше, чем у изученного
500 г
400
га
а
£ 300
ou
200
100 ---------------'------------'------------'-------------'------------'------------'------------'
№4 №2 №3 №5 №6 №7 №1
Номер образца
Рис. 7. Температура второго стеклования в образцах хитина, выделенного из панциря краба на разных стадиях линьки
ранее хитин-белкового комплекса [6]. Это подтверждает наше мнение о более высокой степени упорядоченности структуры хитина по сравнению с хитин-белковым комплексом. Наиболее высокие температуры стеклования наблюдаются у образца № 5 (рис. 6, 7).
Разложение хитина протекает в две стадии с поглощением энергии в форме теплоты (табл. 1), причем Тдестр1 и Тдестр2 выше, чем в случае хитин-белкового комплекса, то есть хитин более термически устойчив. Образцы при разложении не осмолялись, в отличие от хитин-белкового комплекса [6].
Заключение
Таким образом, хитин, выделенный из панциря краба на разных стадиях линочного цикла, ведет себя более однозначно, чем хитин-белковый комплекс. Зависимости температур физических переходов хитина от стадии линоч-ного цикла краба более четкие и имеют экстремальный характер. Экстремальные значения физико-химических характеристик наблюдаются у образца № 5 на стадии межлиньки. Крабы именно на этой стадии развития подлежат промысловой добыче.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» (проект № 2.1.2/1056).
Список литературы
1. Албулов А.И., Фролова М.А., Буханцев О.В., Быкова М.М., Немцев С.В., Комаров Б.А. //
Рыбпром: технологии и оборудование для переработки водных биоресурсов. 2010. № 2. С. 25-28.
2. Большаков И.Н. // Там же. С. 42-47.
3. Велешко И.Е. // Там же. С. 53-57.
4. Урьяш В.Ф. // В кн.: Хитин и хитозан. Получение, свойства и применение / Под ред. К.Г. Скрябина, Г.А. Вихоревой, В.П. Варламова. М.: Химия,
2002. С. 119-129.
5. Uryash V., Nemtsev S., Kokurina N., Ezhova E., Zagorskaya D., Kovacheva N. // In: Progress on Chemistry and Application of Chitin and its Derivatives / Ed. M.M. Jaworska. Lodz: Polish Chitin Society Pub., 2008. V. 13. P. 17-24.
6. Загорская Д.С., Урьяш В.Ф., Немцев С.В., Ко-курина Н.Ю., Ковачева Н.П. // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2008. № 4. С. 53-58.
7. Uryash V., Nemtsev S., Kokurina N., Zagorskaya D., Kovacheva N., Larina V. // In: Progress on Chemistry and Application of Chitin and its Derivatives / Ed. M.M. Jaworska. Lodz: Polish Chitin Society Pub., 2009. V. 14. P. 7-14.
8. Берг Л.Г. Введение в термографию. М.: Наука, 1969. 395 с.
9. Урьяш В.Ф., Мочалов А.Н., Покровский В.А. // Термодинамика органических соединений: Межвуз. сб. / Горький: Изд-во ГГУ, 1978. Вып. 7. С. 88-92.
10. Douglas T.B., Furukava G.T., McCoskey R.E., Ball A.L. // J. Res. Natl. Bur. Standards. 1954. V. 53. P. 139-143.
11. McMillan J.A. // J. Chem. Phys. 1965. V. 42. N 10. P. 3497-3500.
12. Павлов В.Я. Жизнеописание краба камчатского (Paralithodes camtschaticus). М.: Изд-во ВНИРО,
2003. 112 с.
13. Урьяш В.Ф., Кокурина Н.Ю., Маслова В.А., Ларина В.Н., Иосилевич И.Н. // Вестник ННГУ. Сер. хим. 1998. Вып. 1. С. 165-170.
14. Урьяш В.Ф., Кокурина Н.Ю., Ларина В.Н., Варламов В.П., Ильина А.В., Гришатова Н.В., Груздева А.Е. // Вестник Нижегородского университета им. Н. И. Лобачевского. 2007. № 3. С. 98-104.
15. Uryash V.F., Rabinovich I.B., Mochalov A.N., Khlyustova T.B. II Thermochim. Acta. 1985. V. 93. P. 409-412.
16. Груздева A.E., Урьяш В.Ф., Карякин Н.В., Кокурина Н.Ю., Гришатова Н.В. II Вестник ННГУ. Сер. хим. 2000. Вып. 1 (2). С. 139-145.
17. Урьяш В.Ф., Карякин Н.В., Груздева A.E. II Перспективные материалы. 2001. № б. С. б1-б9.
18. Урьяш В.Ф., Груздева A.E., Кокурина Н.Ю., Гришатова Н.В., Ларина В.Н. II Журн. физ. химии.
2004. Т. 78. № З. С. У9б-804.
19. Урьяш В.Ф., Груздева А.Е., Кокурина Н.Ю., Гришатова Н.В., Ларина В.Н. // Журн. физ. химии.
2005. Т. 79. № 8. С. 1383-1389.
20. Гоффман Дж. Д., Вилльямс Г., Пассаглиа Е. // В кн.: Переходы и релаксационные явления в полимерах / Под ред. Р. Бойера. М.: Мир, 1968. 384 с.
21. Бартенев Г.М., Сандитов Д.С. Релаксационные процессы в стеклообразных системах. Новосибирск: Наука, 1986. 238 с.
22. Perez J. // Высокомолек. соед. Б. 1998. Т. 40. № 1. С. 102-135.
INFLUENCE OF KAMTCHATKA CRAB (PARALITHODES CAMTCHATICUS)
MOLT CYCLE STAGES ON PHYSICOCHEMICAL PROPERTIES OF CHITIN FROM ITS SHELL
V.F. Uryash, N.Yu. Kokurina, D.S. Zagorskaya, N.P. Kovacheva,
L.A. Faminskaya, E.AKashtanov, T.Yu. Goreva
The influence of Kamtchatka crab (Paralithodes camtchaticus) molt cycle stages on physicochemical properties of chitin from its shell has been studied. The temperature dependences of chitin relaxation transitions on a molt cycle stage have an extreme character. Extreme values of chitin sample physicochemical characteristics are observed at the intermolt stage. Crabs at this stage of development are the subject of fishery.
Keywords: physico-chemical properties, chitin, crab molt cycle stages.
