БАКТЕРИАЛДЫ НАНОЦЕЛЛЮЛОЗАНЫ АЛУ ЖӘНЕ ОНЫҢ ФИЗИКА - ХИМИЯЛЫҚ ҚАСИЕТІ

ПОЛУЧЕНИЕ БАКТЕРИАЛЬНОЙ НАНОЦЕЛЛЮЛОЗЫ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Алибекова Гулмира Нурбаевна

магистрант 2 курса, факультета химии и химической технологии специальность – «6M072000 - Химическая технология неорганических веществ» Казахский национальный университет имени аль-Фараби

Казахстан, Алматы

Рахимова Бибигул Уалиевна

докторант 1 курса, факультета химии и химической технологии специальность – «6D074000 - Наноматериалы және нанотехнологии» Казахский национальный университет имени аль-Фараби

Казахстан, Алматы

Кудайбергенов Кенес Какимович

PhD доктор, ст. преподаватель, факультета химии и химической технологии Казахский национальный университет имени аль-Фараби

Казахстан, Алматы

Мансуров Зулхаир Аймухаметович

Факультет химии и химической технологии д-р хим. наук, профессор кафедры химической физики и материаловедения Казахский национальный университет имени аль-Фараби

Казахстан, Алматы

Савицкая Ирина Станиславовна

Факультет биологии и биотехнологии  д.б.н., доцент кафедры микробиологии Казахский национальный университет имени аль-Фараби

Казахстан, Алматы

АҢДАТПА

Gluconacetobacter xylinus үлгісінен, Хестрин-Шрам ортасында дақылдандырылған, құрамында 1% этанолы бар, 3,7–5,2 г/л (құрғақ салмағы) өнім беретін полимерлі гель үлдірін түзетін бактериялы дақылдар бөліп алынды. ИҚ спектроскопия этанолдың көмегімен полимерлерді ферментативті гидролиздеу әдісінде синтезделген гель үлдірінің целлюлозадан тұратындығын көрсетті. Этанол сірке қышқылы бактерияларымен целлюлоза биосинтезіне айтарлықтай әсер ететіні анықталды. Алоэ Вера гелі және Бүрген эфир майына қатысты сорбциялық қасиеттері анықталды. Трансдермалды терапиялық жүйелер (ТТЖ) құру үшін, бактериалды целлюлоза гель үлдірін қолдану перспективалары бағаланды.

АННОТАЦИЯ

При культировании в среде Хестрина-Шрамма образующие пленки полимерного геля содержащие 1% этанола с выходом 3,7–5,2 г / л (сухой вес), бактериальная культура, была выделена из образцов Gluconac­etobacter xylinus. ИК-спектроскопия с использованием этанола на основе метода ферментативного гидролиза полимеров показала, что синтезированная гелевая пленка представляет собой целлюлозу. Установлено, что этанол оказывает существенное влияние на биосинтез целлюлозы уксуснокислыми бактериями. Были выявлены сорбционные свойства в отношении гель Алоэ Вера и Эфирного масла облепихи. Оценены перспективы использования гелевой пленки БЦ для создания трансдермальных терапевтических систем (ТТС).

Кілт сөздер: биосинтез, бактериалды целлюлоза, сірке-қышқылды бактерилар, иқ-спектроскопиясы, алоэ вера гелі, бүрген эфир майы, адсорбция, десорбция, трансдермалды терапиялық жүйе.

Ключевые слова: биосинтез, бактериальная целлюлоза, уксусно-кислые бактерии, ик-спектроскопия, гель алоэ вера вера, эфирное масло облепихи, адсорбция, десорбция, трансдермальных терапевтических систем.

Кіріспе

Қазіргі таңда дамыған елдердің көптеген зерітханаларында полисахаридтер, атап айтқанда целлюлозаға деген қызығушылық артып келуде. Целлюлозаның әр түрлі салаларда, атап айтқанда, медицина, фармацевтика, тамақ, химия өнеркәсібі, ауыл шаруашылығы және тіпті гидрометаллургия сияқты ауыр салаларда кеңінен қолданылуы, оның тапшылығына алып келуде. Осыған орай целлюлозаны өндірудің балама түрлері кеңінен зеріттелуде. Оның ішінде бактериалды целлюлоза, өсімдік целлюлозасымен бірдей химиялық құрылымға ие болып келеді, оның екі маңызды қасиеті - жоғары кеуектілік және механикалық беріктік.

Гель үлдір түріндегі бактериалды целлюлоза судың көп мөлшерін сақтауға қабілетті (құрғақ салмағының 1000%-на дейін). Бактериальды целлюлоза үлдірі медицинада жоғары эффективті таңғыш ретінде, дымқыл антисептикалық жабын ретінде жараларды, күйіктерді және қабынуды емдеуде және жоғары икемділігімен, беріктігімен және БЦ-ның жарақат бетіне аз адгезиясымен трансдермальды терапевтік жүйелерді (ТТЖ) құру үшін қолданыла алады. Осы қасиеттерге байланысты БЦ үлдіріне әр түрлі дәрі-дәрмектерді енгізу арқылы медицинаға қажетті композициялық материалдарды алу үшін де қолдануға болады. [1,2]

Жаңа биополимерлі нанокомпозиттік үлдірі және Алоэ Вера гелі статикалық жағдайда биосинтез кезінде культуралық ортаға A. Вера гельін қосу арқылы жасалды [3]. 30% алоэ гелі қосылған нанокомпозиттік үлдір таза БЦ-мен салыстырғанда механикалық беріктігі, кристалдылығы, судың сіңуі және су буының өткізгіштігі айтарлықтай жақсарды. Осы қасиеттерді және БЦ гельінің де, A. Вераның да ішкі үйлесімділігін ескере отырып, бұл материалға биомедициналық қосымшалардың кең спектрін қолдануға болады.

Тәжрибелік бөлім

БЦ дайындау үшін Хестрин-Шрам сұйық қоректік ортада (глюкоза -2%, пептон - 0,5%, ашытқы сығындысы - 0,5%, екі натрилі фосфорқышықылы - 0,27%, лимон қышқылы - 0,15) синтез жүргізілді. %). Қоректік орта автоклавта 30 минут 120⁰С температурасында зарарсыздандырылды. Биосинтез статикалық жағдайда 25-30С температурада 7-10 күн ішінде жүргізілді. Хестрин-Шарм ортасына 1% этанолдың қосылуы БЦ синтезін ынталандырады, БЦ үлдірінің қалыңдығы едәуір артып, 20-25 мм жетеді.

БЦ Gluconacetobacter xylinus (ЦGX) үлдірін тазарту үшін 0,1% NaOH ерітіндісіне салынып, 80-100С температурада 30 минут қайнатылды. Синтездің соңында полимерлі үлдір сұйықтықтан шығарылды, тазартылған сумен жуылды, содан кейін үлдірдің боялған заттарын кетіру үшін 0,5% сірке қышқылының ерітіндісінде 80-100⁰С температурада 30 минуттай өңделді, содан кейін қабықша ортаның бейтарап реакциясына дейін тазартылған сумен жуылды және 60-80⁰С температурада тұрақты салмаққа дейін кептіріледі. Сірке қышқылы бактерияларының зерттелген культураларында полимер синтезіне әсер ететін факторлардың бірі - этанол концентрациясы. [4-6]

Бактериалды целлюлозаның құрылымы «Specrtum 65 FT–IR Spectrometer» инфрақызыл спектрофотометрде KBr түйіршіктерінде зерттелді.

Нәтижелер мен талдаулар

Тазартылған полимерлердің қасиеттерін ИҚ спектроскопиясымен 400-4000 см^-1  аймақтағы зерттеу алынған полимерлердің спектрлері әдебиетте бар бактериалды целлюлоза спектріне сәйкес келетіндігін көрсетті [7]. 3600-3000 см^-1 аймағында ОН-топтардың валентті тербелістеріне сәйкес келетін жұтылу жолақтары, ал 3269 см^-1  диапазонындағы жолақтардың болуы валентті тербелістердің – СН және – СН₂ топтарының болуын көрсетеді. Бактериялық целлюлоза спектрінде 1642-1539 см^-1  әлсіз жолақтар тығыз байланысқан су OH-топтарының деформациялық тербелісін көрсетеді. Жұтылудың әлсіз жолақтары 1370-1428 см^-1  диапазонындағы CH₂ топтарының деформациялық тербелістерімен шартталған, ал 1360-1320 см^-1  диапазонындағы тербелістер CH₂OH-ғы OH топтарының деформациясы болып табылады.

Сурет-1. Бактериалды целлюлозаның ИК спектрі

1281-1235 см^-1  диапазондағы жолақтар спирттердегі OH-топтардың деформациялық тербелістерін көрсетеді. 1205 см^-1  жолағы OH-топтардың деформациялық тербелістерін көрсетеді. 1000-1200 см^-1  аймағындағы жұтылу жолақтары негізінен спирттердегі С-О-С және С-О валентті тербелістерімен байланысты. 897 см-1  жолағы β-1,4 байланыстардың болуын дәлелдейді [8].

Бактериалды целлюлозаның адсорбциясы мен десорбциясы

БЦ үлдірінің эффективтілігін арттыру мақсатында Алоэ Вера  гелі және Бүрген эфир майы қолданылды. Алоэ Вера  гелі мен Бүрген эфир майы, медицинада кеңінен қолданылады. Эксперименттік зерттеулерде Алоэ Вера гелі жалпы биостимуляторлық және ынталандырушы иммунитет әсері бар екені дәлелденген, бұл Алоэ Вера гелі ұлпаларында қолайсыз жағдайларда қалыптасатын биогендік стимуляторлардың болуымен түсіндіріледі (төмен температура, жарықтың болмауы); биостимуляторлар ағзаның қорғаныш функцияларын жоғарылату және тіндердегі репаративті процестерді күшейту қабілетіне ие. Сыртқы қолдануда, Алоэ Вера гелі  шырыны жараларды емдеуге және тіндер мен шырышты қабықтарды эпителиализациялауға ықпал ететін биологиялық стимулятор ретінде қолданылады. Алоэ Вера гелі құрамының дерлік 90% су, қалған 10% төменде келтірілген минералдар құрайды [9].

Кесте-1.

Алоэ Вера шырынының химиялық құрамы

Бүрген эфир майы бактерияларға, микроплазмаларға, саңырауқұлақтарға, вирустарға, протозоидалар мен паразиттерге қарсы белсенді болып келеді, сонымен қоса ол қабынуға қарсы, антиоксидантты, антимутагендік қасиетке ие, қартаю үдерісін бәсеңдетеді, ағзалар мен тіндердегі қалпына келтіру үдерісін, иммундық жүйені белсендіріп, қатерлі ісіктердің пайда болуы мен өсуін тежейді [10].

Кесте-2.

Бүрген эфир майының химиялық құрамы

Алынған БЦ үлдірін 65-70% ылғалдылыққа дейін, арнайы кептіргіш пеште кептірілді, массасы 0.0001 г дәлдікпен өлшенді, қатты БЦ үлдірі және алоэ вера гелі мен бүрген эфир майының сулы ерітіндісі қатынасы 1:25 құрайды. Дайындалған екі ертінідіге адсрбатты салдық. Әр 1 сағат сайын үлдір массасын тұрақты массаға жеткенге дейін өлшенді. Үлдірдің массасы тұрақталғаннан соң БЦ үлдірін алынып, 20 минут бойы кеуекті табаққа салынды, содан кейін 30⁰С арнайы кептіргіш пеште тұрақты салмаққа дейін кептірілді. Зеріттеу нәтижесі бойынша 0,1г құрғақ қабықша 5 сағат ішінде бойына 3,1 г-нан 4,8г-ға дейін Алоэ Вера гелін сіңіре алатыны, ал эфир майы 1,5г-нан 1,7гр-ға дейін сігіргені байқалды.

Өлшеу нәтижесі ретінде 5 параллель өлшеу алынды. Адсорбция жылдамдығын анықтау үшін кинетикалық зерттеу жүргізілді. Екі адсорбаттар нәтижелері, үдерістің 3 сағат ішінде аяқталатынын көрсетті және адсорбция мәнінің өзгеру табиғаты БЦ бетіндегі көп қабатты адсорбцияны көрсетеді.

Кесте-3.

БЦ-ның адсорбциялық сіңіру кестесі

Сурет-1. БЦ-ның адсорбция графигі

Десорбция үдерісі үш түрлі буферлі ерітіндіде, 30 ⁰С жүргізілді. Бірінші буферлі ерітінді глицинмен рН 2.0 и 3.5; екінші буферлі ерітінді фосфор қышқылымен рН 7.2 и 8.0 және үшінші ерітінді ретінде дистильденген сумен рН 6 жүргізілді. Буферлік ерітінді компоненттерінің адсорбатпен өзара әрекеттесуі үлкен гидромодульдің және химиялық реакциялар үшін төмен температураның салдарынан болмайтынын атап өткен жөн. Дайындалған үлгілерді буферлік ерітіндісі бар ыдысқа салып, ұстау аяқталғаннан кейін кеуекті пластинаға 20 минутқа шығарып, содан кейін тұрақты массаға дейін кептіргіш шкафта кептіреді. Кептіруден кейін десорбцияланған заттың мөлшерін сіңдірілген БЦ массасының және десорбциядан кейінгі үлгінің айырмасы ретінде есептеді. Өлшеу нәтижесі ретінде орта арифметикалық 5 параллель өлшеулер жүргізілді [11].

Зеріттеу нәтижесінде БЦ үлгісі екі адсорбаттың  рН 6.0 ерітіндісіде тез десорбциялануын көрсетті. Адам терісінің рН шамасы әлсіз қышқылдан бейтараптыға дейін өзгереді және бұл дәрілік заттардың сулы және майлы ерітінділерімен сіңірілген БЦ негізінде ТТС дайындау мүмкіндігін растайды.

Сурет-2. БЦ-ның десорбция диаграммасы. а - Алоэ Вера  гелі, б - Бүлдір эфир майы. Десорбцияға дейінгі Алоэ Вера  гелінің массасы – 4,8г; бүлдір эфир майы – 1,7г.

Қорытынды.

Хестрин-Шрам ортасында БЦ үлдірі алынып, тазартылды. БЦ үлдіріне медициналық қасиетін арттыру мақсатында, Алоэ Вера гелі және бүрген эфир майы қондырылды. Адсорбция нәтижесінде БЦ үлдірі Алоэ Вера гелін бойына жақсы сіңіретіні анықталды, екі адсорбаттың да оптималды десорбциалануы рН-6 кезінде байқалды. Адам терісінің рН шамасы әлсіз қышқылдан бейтараптыға дейін өзгереді және бұл дәрілік заттардың сулы және майлы ерітінділерімен сіңірілген БЦ негізінде ТТС дайындау мүмкіндігін растайды.

Әдебиеттер тізімі:

1. Хрипунов А.К, Степанова Т.П., Ткаченко А.А., Романов Д.П., Астапенко Е.П., Капралова В.М. Диэлектрические свойства и микрострук­тура водных суспензий дезинтегрированных наногель-пленок бактериальной целлюлозы // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки. 2017. Т. 10. № 2. С. 45–57
2. Hestrin S., Schramm M. [Synthesis of cellulose by Acetobacter xylinum: preparation of freeze dried cells capable of polymerizing glucose to cellulose]. Biochem. J., 1954, v. 58, pp. 345-352.
3. Yamada Y., Yukphan P., Vu H.T.L., Muramatsu Y., Ochaikul D., Nakagawa Y. [Subdivision of the genus Gluconacetobacter Yamada, Hoshino and Ishikawa 1998: the proposal of Komagatabacter gen. nov., for strains accommodated to the Gluconacetobacter xylinus group in the α-Proteobacteria]. Ann Microbiol, 2012, v. 62, pp. 849-859.
4. Р. Ю. Митрофанов, в. В. Будаева, г. В. Сакович Получение и свойства гель-пленки бактериальной целлюлозы // Институт проблем химико-энергетических технологий Химия в интересах устойчивого развития 18 (2010) 587-592.
5. O. Saibuatong , and M. Phisalaphong, Carbohydr. Polym . 79 , 455 (2010).
6. Новый справочник химика и технолога. Сырье и продукты промышленности органических и неорганических веществ. Ч. II. – Спб. : НПО «Профессионал», 2006. – 1142 с.