ПОЛУЧЕНИЕ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТНЫХ КОМПЛЕКСОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИСАХАРИДОВ И ИЗУЧЕНИЕ ИХ СВОЙСТВ

OBTAINING POLYELECTROLYTE COMPLEXES BASED ON POLYSACCHARIDES AND STUDY OF THEIR PROPERTIES

Anatoly Shubakov

candidate of Biological Sciences, Associate Professor of Group of Biotechnology of Institute of Physiology, Komi Science Centre, The Urals Branch of the Russian Academy of Sciences,

Russia, Komi Republic, Syktyvkar

Elena Mikhailova

researcher of Group of Biotechnology of Institute of Physiology, Komi Science Centre, The Urals Branch of the Russian Academy of Sciences,

Russia, Komi Republic, Syktyvkar

АННОТАЦИЯ

Получены полиэлектролитные комплексы на основе яблочного пектина и хитозана и исследованы их свойства. Наиболее прочные комплексы образуются в варианте 0,5 % яблочный пектин + 0,5 % хитозан + CaCl₂. Испытана возможность получения комплексов на основе яблочного пектина и внеклеточных полисахаридов четырех видов микроводорослей. Установлено, что комплекс образуется только в варианте: 2 % яблочный пектин + 2 % внеклеточный полисахарид Chlorella vulgaris + CaCl₂.

ABSTRACT

Polyelectrolyte complexes on the basis of apple pectin and chitosan are obtained and their properties are investigated. The most stable complexes are formed in the variant of 0,5 % apple pectin + 0,5 % chitosan + CaCl₂. The possibility of obtaining complexes on the basis of apple pectin and extracellular polysaccharides of four species of microalgae is tested. It is established that the complex is formed only in variant: 2 % apple pectin + 2 % extracellular polysaccharide of Chlorella vulgaris + CaCl₂.

Ключевые слова: полиэлектролитные комплексы; хитозан; яблочный пектин; внеклеточные полисахариды микроводорослей; хлорид кальция; прочность на разрыв.

Keywords: polyelectrolyte complexes; chitosan; apple pectin; extracellular polysaccharides of microalgae; calcium chloride; tensile strength.

Хитозаны и пектины являются природными полисахаридами, которые имеют большой потенциал, в частности, в системах доставки лекарств.

Хитозаны являются семейством поликатионных производных поли-N-ацетил-D-глюкозамина [5, с. 257]. Хитозан является катионным биосовместимым и биодеградируемым природным полисахаридом, получаемым путем щелочного деацетилирования хитина [4, с. 68]. Хитозан обладает уникальными физико-химическими и биологическими свойствами, среди которых можно выделить его биосовместимость, антимикробное действие, способность активировать макрофаги, усиливать пролиферацию фибробластов и т. д. [3, с. 854].

Пектины являются природными, нетоксичными анионными полисахаридами, выделяемыми из клеточных стенок растений. Пектины главным образом состоят из линейно связанных остатков α-(1-4)-D-галактуроновой кислоты, частично этерифицированных метанолом [4, с. 68]. Пектины образованы несколькими структурными элементами, наиболее важными из которых являются гомогалактуронан (HG) и рамногалактуронан I типа (RG-I). Функциональные свойства пектина зависят от его молекулярной массы и степени метоксилирования карбоксильных групп [5, с. 257].

За последние годы опубликован ряд обзоров, в которых рассмотрены комплексы полисахарида хитозана с анионными полиэлектролитами (в основном природного происхождения), а также возможность использования композиций на основе хитозана в биомедицине, фармации, пищевой промышленности. Наибольшее количество опубликованных работ посвящено исследованию комплексов хитозана с другими полисахаридами. Полисахариды проявляют высокую биологическую активность, при этом они являются низкотоксичными, биосовместимыми и биодеградируемыми веществами. Полиэлектролитные комплексы хитозана с фитополисахаридами (альгиновой кислотой, пектином, каррагинаном) широко используются, в частности, для создания систем с контролируемым выделением лекарственных веществ [3, с. 854]. Чтобы достигнуть лучшей доставки лекарств, был использован полиэлектролитный комплекс между пектином в качестве анионного полиэлектролита и хитозаном в качестве катионного полиэлектролита [4, с. 68]. Полиэлектролитные комплексы, состоящие из хитозана и пектина, проявляют уникальные физико-химические свойства. Комбинации природных полимеров подобным хитозану и пектину могут преодолеть некоторые из недостатков отдельных полимеров, таких, как например, низкая механическая прочность [5, с. 272].

Нами получены комплексы на основе яблочного пектина (ММ 406 кДа) и хитозана (ММ 150 кДа) и исследованы их свойства. Испытывали три варианта комплексов: № 1 – 0,5 % яблочный пектин + 0,5 % хитозан; № 2 – 0,5 % яблочный пектин + 0,5 % хитозан + CaCl₂; № 3 – 0,5 % яблочный пектин + 0,5 % хитозан + 3 % Na-КМЦ в качестве структурообразователя + 0,5 % глицерин в качестве пластификатора. Из комплексов путем высушивания получены пленки и на анализаторе текстуры TA.XT. Plus (Великобритания) определена их прочность на разрыв. В варианте № 1 прочность пленки на разрыв находится в диапазоне 30–50 Н (ньютон). В варианте № 2 – в диапазоне 75–100 Н. В варианте № 3 пленка плотно прикреплена к стеклянной подложке и ее прочность на разрыв определить не удалось. Таким образом, наиболее прочная пленка образуется в варианте комплекса № 2 – 0,5 % яблочный пектин + 0,5 % хитозан + CaCl₂.

Исследована способность внеклеточных полисахаридов микроводорослей: цианобактерия Nostoc muscorum (ММ 107 кДа), зеленые микроводоросли Chlorella vulgaris (ММ 619 кДа), Scotiellopsis terrestris (ММ 78 кДа), Scenedesmus acutus (ММ 290 кДа), образовывать комплексы с яблочным пектином.

Микроводоросли получены нами из коллекции микроводорослей и цианобактерий Института биологии Коми НЦ УрО РАН (зав. коллекцией – к.б.н, доцент Е.Н. Патова).

Для получения внеклеточных полисахаридов в качестве посевного материала использовали 15-ти суточные культуры микроводорослей, выращенных в жидкой среде BG-11 (цианобактерия) [6, с. 175] или в среде Болда (зеленые микроводоросли) [1, с. 128]. Засев производили в расчете 10 мл посевного материала на 100 мл среды. Культуры выращивали в колбах при перемешивании (220 об/мин) с объемом питательной среды BG-11 500 мл при 25^оС в течение двух месяцев. Культуры освещались расположенными на высоте 1 м четырьмя лампами Osram Fluora мощностью 36 Вт каждая, работающие в режиме день-ночь.

По окончании выращивания биомассу микроводорослей отделяли от культуральной жидкости центрифугированием. Культуральную жидкость концентрировали и полисахариды из нее осаждали 3-кратным объемом 96 %-ного этанола. Осадок отделяли центрифугированием, растворяли в воде, диализовали против дистиллированной воды и лиофилизовали. Все водные растворы концентрировали в вакууме при 40–50^оС, центрифугировали при 6000 х g в течение 20 мин, образцы лиофилизовали на приборе Virtis (США).

Молекулярно-массовое распределение полисахаридов определено методом высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) [2, с. 61]. Образец (3 мг) растворяли в 0,15 М NaCl (1 мл) и фильтровали. Для анализа использовали хроматографическую систему (Shimadzu, Япония): колонка Shodex Asahipak GS-620HQ (7,6 мм х 30 см) и предколонка Shodex GS-26 7B (7,6 мм х 5 см), термостат СТО-10AS, рефрактометр RID 10А, насос LC-20AD, дегазатор OGH-20A3. Элюирование проводили 0,15 М NaCl при 40^оС со скоростью подачи элюента 0,3 мл/мин. В качестве стандартов использовали декстраны с молекулярными массами 36–50, 100, 300, 400–600 и 500 кДа (Sigma, США). Средневесовая молекулярная масса (Mw), среднечисловая молекулярная масса (Mn) и фактор полидисперсности (Mw/Mn) были рассчитаны программой LCsolutionGPS (LCsolution, версия 1,24 SPI).

 Испытывали следующие соотношения яблочного пектина и внеклеточного полисахарида микроводоросли: 0,5 % : 0,5 %, 1 % : 1 %, 2 % : 2 % с и без CaCl₂. Установлено, что комплекс образуется только в варианте: 2% яблочный пектин + 2 % полисахарид Chlorella vulgaris + CaCl₂. Вероятно, отсутствие комплексообразования в комплексах с яблочным пектином и полисахаридами микроводорослей связано с достаточно невысокой молекулярной массой внеклеточных полисахаридов у испытанных культур.

Список литературы:

1. Гайсина Л.А., Фазлутдинова А.И., Кабиров Р.Р. Современные методы выделения и культивирования водорослей: учеб. пособие. Уфа: Изд-во БГПУ, 2008. – 152 с.
2. Головченко В.В., Бушнева О.А., Оводова Р.Г., Шашков А.С., Чижов А.О., Оводов Ю.С. Структурное исследование бергенана, пектина из бадана толстолистного Bergenia crassifolia // Биоорган. химия. – 2007. – Т. 33, № 1. – С. 54–63.
3. Краюхина М.А., Самойлова Н.А., Ямсков И.А. Полиэлектролитные комплексы хитозана: формирование, свойства и применение // Успехи химии. – 2008. – Т. 77, № 9. – С. 854–869.
4. Jana S., Banerjee A., Gandhi A. Preparation and characterization of chitosan based polyelectrolyte complex as a carrier of acetoclofenac // J. PharmaSciTech. – 2014. – Vol. 3, № 2. – P. 68–71.
5. Morris G.A., Kők M.S., Harding S.E., Adams G.G. Polysaccharide drug delivery systems based on pectin and chitosan // Biotechnol. Genet. Eng. Rev. – 2010. – Vol. 27. – P. 257–284.
6. Stanier R.Y., Kunisawa R., Mandel M., Cohen-Bazire G. Purification and properties of unicellular blue-green algae (order Chroococcales) // Bacteriol. Rev. – 1971. – Vol. 35, № 2. – P. 171–205.