Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ТЕХНОЛОГИЯ И СВОЙСТВА ХИТОЗАНА ИЗ РАЧКА ГАММАРУС

Гартман О.Р. 1 Воробьева В.М. 1
1 ГБОУ ВПО «Алтайский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения Российской Федерации
Хитозан является перспективным вспомогательным веществом в фармацевтической технологии благодаря широкому спектру формообразующих и функциональных свойств. Значительный резерв сырья для получения хитозана представляют запасы озерного рачка-бокоплава гаммаруса. Хитозан из рачка гаммарус получали по запатентованной технологии (Патент РФ № 2065447 С08В37/08) и изучали его физико-химические и технологические свойства с целью создания лекарственных препаратов на его основе. Сравнительная характеристика физико-химических свойств хитозана рачка гаммарус и хитозана крабообразных свидетельствует об их близкой химической природе и молекулярной структуре. Показатели вязкости раствора хитозана в уксусной кислоте растворе 2 % и сорбционная способность по метиленовому синему характеризуют хитозан гаммаруса как перспективное вспомогательное вещество для получения лекарственных форм в виде гелей и матрицы-носителя в иммобилизованных лекарственных формах. Технологические показатели характеризуют хитозан гаммаруса как полиморфную систему с доминирующей фракцией частиц 0,25–2,5 мм, влагосодержанием не более 10 %, с очень малой насыпной массой и плохой сыпучестью, что необходимо учитывать в процессе переработки и создания лекарственных форм.
хитозан
ИК-спектры
физико-химические свойства
вязкость
фракционный состав
насыпная масса
сыпучесть
1. Абдуллин В.Ф., Артёменко С.Е., Овчинникова Г.П. Технология и свойства хитозана из панциря речного рака // Вестник СГТУ. – 2006. – № 4 (16). – Вып. 1. – С. 18–24.
2. Воробьева В.М., Турецкова В.Ф. Методологические основы разработки лекарственных препаратов на основе полимеров // Фундаментальные исследования. –2004. – № 2. –С. 45–46.
3. Гартман О.Р. Способ и термодинамика получения хитина и хитозана: дис. … канд. хим. наук. – Барнаул: АГУ, 1998. – 115 с.
4. Государственная фармакопея Российской Федерации XII, ч.1 – М.: Изд-во «Научный центр экспертизы средств медицинского применения», 2008. – 704 с: ил.
5. Государственная фармакопея Российской Федерации XI, ч.2 / Изд-во «Научный центр экспертизы средств медицинского применения», 2010 // farmakopeya12.ru.
6. Григорьева Е.В. Обоснование переработки гаммаруса Балтийского моря (Gammarus lacustris) методами биотехнологии: автореф. дис. … канд. хим. наук. – М.: ВНИРО, 2008. –24 с.
7. Дубинская А.М, Добротворский А.Е.. Применение хитина и его производных в фармации (обзор) // Хим.-фармац.журнал. – 1989. – Т. 23. – № 5. – С. 623–628.
8. Леваньков С.В., Якушев Е.В. Удельная поверхность хитозана и способ ее определения // Известия Тихоокеанского научно-исследовательского рыбохозяйственного центра. –2001. – Т. 129. – С. 109–115.
9. Лопатин С.А., Немцев С.В., Варламов В.П. Новый колориметрический метод определения хитозана // Новые достижения в исследовании хитина и хитозана: материалы VI международной конференции. – М.: ВНИРО, 2001. – С. 298–299.
10. Раевских В.М. Разработка химических основ рационального использования гриба вешенка обыкновенная: автореф. дис. … канд. биолог. наук. – Барнаул, 2002. – 16 с.
11. Способ получения хитозана: патент РФ № 2065447 С08В37/08 / В.П. Голицин, В.Г. Цветков, А.В. Иванов, О.Р. Гартман; заявл. 30.11.92., опубл. 20.08.96. Бюллетень изобретений. – 1996. – № 23. – С. 164.
12. Современные биофармацевтические аспекты вспомогательных веществ / А.И. Тенцова, О.И. Терёшкина, И.П. Рудакова, И.А. Самылина, Т.А. Гуськова // Фармация. – 2012. – № 7. – С. 3–6.
13. Хитин и хитозан: Получение, свойства и применение / под ред. К.Г. Скрябина, Г.А. Вихоревой, В.П. Варламова. – М.: Наука, 2002. – 368 с.

Возможности варьирования свойств полимеров и создания на их основе иммобилизованных соединений позволяют разрабатывать лекарственные препараты с регулируемым высвобождением лекарственных веществ. Особенно актуально использование в этом направлении гидрофильных набухающих полимеров, обладающих не только формообразующей способностью, но и спектром функциональных свойств и высокой биосовместимостью с тканями макроорганизма, таких как полисахариды и аминополисахариды, к которым относятся хитин и хитозан [2, 7, 12].

Хитозан – поли-(1-4)-2-амино-2-дезокси-β-D-глюкоза получают при удалении ацетильной группы из положения С2 в хитине в результате обработки его в жестких условиях раствором щелочи. Появление в каждом элементарном звене макромолекулы свободной аминогруппы придает хитозану свойства полиэлектролита, одним из которых является характерный для растворов полиэлектролитов эффект полиэлектролитного набухания – аномального повышения вязкости разбавленных растворов при уменьшении концентрации полимера [1, 3, 6, 13].

Физико-химические и биологические свойства данного полимера и публикуемые результаты клинического применения позволяют рассматривать хитозан и его производные перспективными веществами для получения лекарственных препаратов с различным фармакотерапевтическим действием [1, 13]. Вместе с тем изучению функциональных и технологических показателей хитозана посвящено ограниченное число работ [8].

Лучшим видом сырья для получения хитина и хитозана считается крупка из панциря краба камчатского (Paralithodes camtschaticus), позволяющая получить хитозан высокого качества с большим выходом готового продукта. Другими источниками могут служить гладиус кальмара и сепион каракатицы, куколка шелкопряда, кутикула тараканов, биомасса микроорганизмов, диатомовые водоросли, пчелиный подмор, панцирь речного рака, отходы промышленного производства вешенки обыкновенной [1, 3, 10, 13].

Значительный резерв сырья для получения хитозана представляют запасы озерного рачка-бокоплава гаммаруса (Gammarus lacustris), принадлежащего к типу членистоногих, подтипу ракообразных, который обитает в озерах Южного Урала, Западной Сибири и Казахстана. Благодаря высокой способности рачка гаммарус к размножению сырье является возобновляемым и потенциально значимым в регионе для получения хитина и хитозана. Относительно высокое содержание (25–30 %) и малая толщина (100–500 мкм) панциря облегчают процесс его диспергирования, необходимого при всех способах получения хитина [3, 13]. Все вышеизложенное позволяет рассматривать хитозан гаммаруса как перспективное вспомогательное вещество для производства лекарственных препаратов, что и определило направление наших исследований.

Цель работы – получение хитозана из гаммаруса и определение его физико-химических и технологических свойств для нормативной документации и определения направлений использования в фармацевтической технологии.

Материалы и методы исследования

Хитозан получали из рачка гаммарус по реакции дезацетилирования хитина согласно методике, описанной в патенте [11].

Спектрофотометрию в инфракрасной области проводили в лаборатории Алтайского центра контроля качества и сертификации ЛС на ИК–Фурье спектрометре «Infralum FТ – 801». Подготовку образцов для исследования проводили по методике ОФС 42-0043-07 ГФ XII изд. [4]. Результаты исследования обрабатывали с использованием программы «ZaIR» для «Windows». Элементный состав (CHN) хитозана гаммаруса определяли по газообразным продуктам сгорания на хроматографе Thermo- Electron с программным обеспечением Eager 300, преобразующим результаты в процентное содержание азота, углерода и водорода в образце [3].

Степень дезацетилирования хитозана устанавливали колориметрическим способом по методике, описанной в работе [9], основанной на определении оптической плотности растворов нингидрина, в который вносили навески хитозана от 2 до 10 мг.

Вязкость растворов хитозана устанавливали вискозиметрически при температуре 25 °С в уксусной кислоты растворе водном 2 % согласно методике, описанной в ОФС 42-0038-07 [4]. Определение характеристической вязкости образцов хитозана позволило рассчитать среднюю молекулярную массу [3], по уравнению: [η] = 1,38∙10–4 Мw0,85.

Определение остаточного белка в хитозане проводили по методике ГФ ΧII, ч. 1, ОФС 42-0053-07 «Определение белка колориметрическим методом с биуретовым реактивом» [4].

Удельную поверхность хитозана устанавливали по методике, описанной в [8], согласно которой величина адсорбции 45 мг метиленового синего соответствует примерно 700 м2 поверхности.

Технологические свойства хитозана определяли по стандартным методикам. Ситовой анализ проводили по ОФС 42-0136-09, ГФ XII, ч. 2, используя набор сит с величиной отверстия 7,1; 5,6; 5,0; 4,5; 3,5; 3,0; 2,5; 1,0; 0,25 мм. Влагосодержание полимера определяли по ОФС 42-0087-08 «Потеря в массе при высушивании». Сыпучесть хитозана оценивали на приборе ВП-12А. Насыпной объем порошков определяли по методике ОФС 42-0137-09 на вибрационном уплотнителе порошков модели 545р-АК-3 ЖЗТО [5].

Результаты исследованияи их обсуждение

Рачок гаммарус содержит до 6 % хитина, который выделяли путем последовательной обработки сырья 3 % раствором пероксида водорода, раствором хлороводородной кислоты 0,6 моль/л, раствором натрия гидроксида 0,175 моль/л. Каждую стадию сопровождали промыванием сырья до нейтральной реакции промывных вод (рН = 7). Выделенный хитин промывали этанолом и ацетоном под вакуумом до полного извлечения пигментов и высушивали. Затем проводили дезацетилирование хитина натрия гидроксида раствором 50 % при температуре 120–130 °С в течение одного часа в инертной среде. Для окончательной очистки хитозан промывали этанолом и ацетоном, высушивали на воздухе. Из 400 г исходного сырья (гаммарус) получили 25,13 г хитина, а после дезацетилирования 15,9 г хитозана. Выход хитозана по хитину составил 79,8 % от теоретического.

Хитозан, полученный из гаммаруса, представлял собой светло-желтый мелкий порошок без запаха, не растворимый в воде очищенной, и натрия гидроксида растворе 10 %, частично набухающий в названных растворителях с образованием на поверхности частиц полимера гелеобразной оболочки. Образец хитозана гаммаруса растворим в минеральных кислотах, легко растворим в органических кислотах.

Идентификация хитозана гаммаруса проведена по элементному составу и ИК-спектрам. Элементный анализ (табл. 1) показал, что для хитозана, выделенного из рачка гаммарус, характерно такое же соотношение углерода, водорода и азота, как и для хитозана из краба камчатского, и оно близко к вычисленному по формуле хитозана соотношению названных элементов. Как известно, хитозан из морских ракообразных отличается от хитина более низким содержанием углерода и более высоким содержанием азота (в хитине содержание углерода – 47,3 %; водорода – 6,4 %; азота – 6,9 %), данная особенность наблюдается и в хитозане из гаммаруса.

Таблица 1

Содержание углерода, водорода и азота в хитозане

Источник хитозана

Углерод, %

Водород, %

Азот, %

Вычислено по формуле

44,7

6,9

8,7

Краб камчатский

43,7

6,4

7,4

Рачок гаммарус

43,8

6,3

7,3

Для сравнительной характеристики структуры полимера снимали ИК-спектр хитозана гаммаруса и крабообразных, предоставленный ЗАО «Эвалар» (рисунок).

pic_77.tif

ИК-спектр хитозана гаммаруса (1) и хитозана крабообразных (2)

В ИК-спектре хитозана наблюдаются характерные полосы поглощения в областях 3500–3300 см–1 и 1390–1000 см–1, которые свидетельствуют о присутствии NH2-группы. При этом поглощение в области 3500–3300 см–1 вызвано колебанием связи N–Н, а в области 1360–1000 см–1 у всех типов аминов появляются полосы поглощения, вызванные участием С–N связи в скелетных колебаниях молекулы. В образце хитозана гаммаруса зарегистрированы полосы с максимумами при 1433 см–¹ деформационного колебания СН2- и СН3-групп, 1373 см–¹ (перегиб) деформационного колебания ОН-связи. В образце хитозана крабообразных наблюдается широкая полоса средней интенсивности в области 1320–1387 см–¹, соответствующая колебанию ОН-связи [3,11].

Анализ ИК-спектров показал идентичность химического строения обоих образцов хитозана. Относительно широкий разброс характеристических полос по волновым числам может быть обусловлен структурно-молекулярной неоднородностью исследуемых материалов.

Таблица 2

Сравнительная характеристика физико-химических свойств хитозана рачка гаммарус и хитозана крабообразных

Физико-химические характеристики

Допустимый интервал

Хитозан гаммаруса

Хитозан крабообразных

Степень дезацетилирования, %

Не менее 75

89,5 ± 0,15

70,0 ± 0,20

Вязкость растворов в 2 % уксусной кислоте, Дл/ г

4–30

17,9

12,0

Удельная поверхность, м2/г

1–200

21,6 ± 0,50

7,88 ± 0,23

Минеральный остаток (зольность), %

Не более 0,5

0,69 ± 0,038

0,36 ± 0,063

Остаточный белок, %

Не более 0,1

0,05 ± 0,025

0,49 ± 0,038

Средняя молекулярная масса

1,0·106–1,4·106

1,38·106

1,29·106

Уровень кислотности, рН

6,8–7,3

7,1 ± 0,25

7,3 ± 0,25

Хитозан из рачка гаммарус обладает физико-химическими свойствами, характерными для хитозана крабообразных (табл. 2), при этом образует в уксусной кислоте растворе 2 % более вязкие растворы (17,9 и 12,0 Дл/г соответственно), обладает выраженными сорбционными свойствами по отношению к метиленовому синему – маркеру низко- и среднемолекулярных токсинов, модели лекарственных средств (21,6 ± 0,50 м2/г). Данные функциональные свойства хитозана гаммаруса позволяют рассматривать его как перспективное вспомогательное вещество для получения лекарственных форм в виде гелей, а также матрицы-носителя лекарственных веществ в иммобилизованных лекарственных формах.

Таблица 3

Фракционный состав хитозана гаммаруса

Размер частиц, мм

Содержание, %

Размер частиц, мм

Содержание, %

Серия

Серия

1

2

3

4

5

1

2

3

4

5

> 7,1

5

5

8

6

-

> 3,0 < 3,5

3

4

5

3

6

> 5,6 < 7,1

8

7

10

3

-

> 2,5 < 3,0

6

7

8

2

11

> 5,0 < 5,6

8

8

8

4

1

> 1,0 < 2,5

35

38

20

35

53

> 4,5 < 5,0

3

3

5

1

1

> 0,25 < 1,0

18

20

16

40

21

> 3,5 < 4,5

4

2

5

3

1

< 0,25

10

6

15

3

2

Таблица 4

Технологические свойства хитозана гаммаруса

Серии хитозана

Насыпной объем, кг/м3

Сыпучесть, г/с

Потеря в массе при высушивании, %

Серия 1

80,45 ± 0,460

0,372 ± 0,006

6,52 ± 0,76

Серия 2

108,11 ± 1,028

0,466 ± 0,027

6,87 ± 0,16

Серия 3

89,69 ± 0,500

0,234 ± 0,005

5,29 ± 0,08

Серия 4

96,91 ± 2,137

0,420 ± 0,020

8,43 ± 0,29

Серия 5

146,64 ± 2,043

1,040 ± 0,060

8,26 ± 0,28

Изучение технологических свойств хитозана гаммаруса показало, что он имеет неоднородный состав с доминирующей фракцией частиц 0,25–2,5 мм, влагосодержанием от 5,29 ± 0,08 до 8,43 ± 0,29 %, с очень малой насыпной массой от 80,45 ± 0,460 до 146,64 ± 2,043 кг/м3 и плохой сыпучестью менее 1,0 г/с.

Заключение

Сравнительная характеристика физико-химических свойств хитозана рачка гаммарус и хитозана крабообразных свидетельствует об их близкой химической природе и молекулярной структуре. Показатели вязкости раствора хитозана в уксусной кислоте растворе 2 % и сорбционная способность по метиленовому синему позволяют рассматривать хитозан гаммаруса как перспективное вспомогательное вещество для получения лекарственных форм в виде гелей и матрицы-носителя в иммобилизованных лекарственных формах. Технологические показатели характеризуют хитозан гаммаруса как полиморфную систему с доминирующей фракцией частиц 0,25–2,5 мм, влагосодержанием не более 10 %, с очень малой насыпной массой и плохой сыпучестью, что необходимо учитывать в процессе переработки и создания лекарственных форм.

Рецензенты:

Новоженов В.А., д.х.н., профессор, зав. кафедрой неорганической химии, ФГБОУ ВПО «Алтайский государственный университет» Министерства образования и науки России, г. Барнаул;

Федосеева Л.М., д.фарм.н., профессор, зав. кафедрой фармацевтической химии с курсом органической и токсикологической химии, ГБОУ ВПО «Алтайский государственный медицинский университет» Минздрава России, г. Барнаул.

Работа поступила в редакцию 08.05.2013.


Библиографическая ссылка

Гартман О.Р., Воробьева В.М. ТЕХНОЛОГИЯ И СВОЙСТВА ХИТОЗАНА ИЗ РАЧКА ГАММАРУС // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 6-5. – С. 1188-1192;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=31713 (дата обращения: 20.01.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074