ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ВЫХОД ХИТОЗАНА

FACTORS AFFECTING THE OUTPUT OF CHITOSAN

Shcherbakova Nadezhda Timofeevna

Student, Don State Technical University,

Russia, Rostov-on-Don

Chukseeva Tatyana Sergeevna

Student, Don State Technical University,

Russia, Rostov-on-Don

Krotova Olga Evgenievna

Scientific Advisor, Doctor of Biological Sciences, Candidate of Agricultural Sciences., Don State Technical University,

Russia, Rostov-on-Don

АННОТАЦИЯ

Проблема утилизации органических отходов пищевой промышленности требует эффективных решений. Одним из перспективных направлений является получение из этого сырья ценного биополимера — хитозана, обладающего комплексом уникальных свойств (биосовместимость, антимикробная, сорбционная и ранозаживляющая активность) и широко применяемого в медицине, сельском хозяйстве, производстве БАД и материалов.

Бесспорно, важной задачей становится выявление факторов, влияющих на выход хитозана, что и было рассмотрено в данной статье. В ходе изучения информации были обобщены данные о химическом составе основного хитинсодержащего сырья: отходов крабов, креветок, криля, гаммаруса, а также альтернативных источников — цист артемии, подмора пчел, куколок шелкопряда и грибной биомассы. Показано, что выход и свойства конечного продукта напрямую зависят от вида сырья, что требует разработки индивидуальных режимов обработки для каждого источника. Проанализированы ключевые технологические параметры процесса деацетилирования, необходимые для преобразования хитина в хитозан: использование концентрированного щелочного раствора при температуре свыше 110°C, кратность обработки и интенсивность перемешивания. Установлено, что жесткие условия реакции, обеспечивающие высокую степень деацетилирования (до 80–90%), одновременно приводят к частичному снижению молекулярной массы полимера, что необходимо учитывать при оптимизации технологии под целевые свойства хитозана.

ABSTRACT

Undoubtedly, identifying the factors that affect the yield of chitosan is an important task, which was discussed in this article. The study summarized data on the chemical composition of the main chitin-containing raw materials, including crab waste, shrimp waste, krill, gammarus, as well as alternative sources such as Artemia cysts, bee corpses, silkworm pupae, and fungal biomass. The study showed that the yield and properties of the final product directly depend on the type of raw material, which requires the development of individual processing modes for each source. The key technological parameters of the deacetylation process necessary for the conversion of chitin into chitosan have been analyzed: the use of a concentrated alkaline solution at a temperature above 110°C, the number of treatments, and the intensity of mixing. It has been established that the harsh reaction conditions that ensure a high degree of deacetylation (up to 80-90%) also lead to a partial decrease in the polymer's molecular weight, which should be taken into account during the process.

Ключевые слова: хитозан, вторичное сырья, хитинсодержащие отходы, дезацетилирование, хитин.

Keywords: chitosan, secondary raw materials, chitin-containing waste, deacetylation, chitin.

Введение

Большой проблемой современности является колоссальное количество отходов, образующихся при производстве продуктов питания, которые, в целях рационализации потребления и сохранения экологии, нуждаются в переработке. Так, не малый интерес вызывают материалы, получаемые путем переработки такого сырья. К таковым относится хитозан –биополимер, получаемый посредством реакции дезацетилирования хитина, источниками которого в природе являются панцири ракообразных, кутикула насекомых и грибы. Он имеет уникальные физико-химические свойства: оказывает противомикробное и противогрибковое действие, имеет высокую ранозаживляющую и сорбционную способности, противоопухолевую и противовирусную активности, не токсичен, биосовместим с природной средой. Препараты и добавки, в основе которых лежит хитозан, находят свое применение в ветеринарии, косметологии, сельском хозяйстве, производстве БАДов, биопестицидов, биосенсоров, хроматографических материалов и т. д. [1-3].

В связи с этим важной задачей является выявление и изучение факторов, влияющих на эффективность выхода хитозана, производимого из вторичного сырья.

Основная часть

Одним из фактов, влияющих на выход хитозана является исходное сырье, которое пригодно для промышленного освоения.

Первое по доступности и множеству место занимают панцири ракообразных- креветок, крабов, раков, гаммаруса, криля и др. По данным FAO объёмы добычи ракообразных в Российской Федерации и их выращивание составляют более 76 тыс. т/год. В результате переработки образуется 50 % отходов от массы сырья – это головогрудь, панцири в том числе панцири ходильных конечностей, а также внутренности, которые в свою очередь плохо разлагаются в естественной среде и в таких объемах способны ей навредить, как следствие, нуждаясь в переработке [4]. Содержание хитина, а также липидов, минералов и прочих сопутствующих составляющих может быть различным в зависимости от рассматриваемого ракообразного. В зависимости от этого хитинсодержащее сырье больше или меньше подходит для выделения хитозана. Например, в исследовании Мезеновой О. Я. И представлены следующие результаты, приведенные в таблице 1 [5].

Таблица 1

Химический состав вторичного хитинсодержащего сырья

Известны способы получения хитозана из цист артемии, куколок шелкопряда и подмора пчел. Так, в исследовании Ахымбетововой Г.Д. и др. сказано, что для получения однородного по свойствам хитозана из представленных источников требуются индивидуальные режимы обработки. В результате были получены следующие качественные характеристики хитина и хитозана, которые представлены в таблицах 2, 3 [6, 7].

Таблица 2

Качественные характеристики хитина, полученного из различного сырья

Таблица 3

Качественные характеристики хитозана, полученного из различного сырья

Не относящиеся к животным грибам так же подходят для извлечения хитозана. В исследовании Минакова Д.В. и др. выяснено, что в биомассе грибов хитин содержится в виде хитин-глюканового комплекса, в зигомицетах – в виде хитозан-глюкана. Технология извлечения хитозана из грибов является более простой, благодаря использованию слабых растворов щелочей и кислоты [8].

Следующим немаловажным фактором выхода являются условия извлечения хитина и его дезацетилирования.

Условия дезацетилирования. Хитин обладает высокой устойчивостью к расщеплению благодаря наличию ацетамидных групп. Для их удаления требуется воздействие концентрированным раствором щелочи (40–49% NaOH) при температуре свыше 110°C в течение нескольких часов. Однако даже такие жесткие меры не гарантируют полного деацетилирования, и степень преобразования обычно достигает 80–90%. Параллельно с основным процессом происходит частичный разрыв полимерной цепи, что приводит к снижению молекулярной массы и изменению ключевых характеристик конечного продукта.

Кратность обработки. Проведение процедуры в несколько этапов позволяет одновременно контролировать два ключевых параметра: степень деацетилирования и молекулярную массу. Этот подход является одним из способов получения низкомолекулярного хитозана с повышенным содержанием активных групп.

Интенсивность перемешивания реакционной смеси. Также эксперименты показывают прямую зависимость между интенсивностью перемешивания реакционной смеси и характеристиками получаемого полимера [9].

Выводы

Получение хитозана из вторичного сырья является экологически и экономически значимым направлением, способствующим решению проблемы утилизации отходов и обеспечению рынка ценным биополимером с уникальными свойствами. Выход и качество конечного продукта определяются комплексом взаимосвязанных факторов, таких как источник сырья. Наиболее изученным и доступным сырьем являются панцири ракообразных, однако перспективными альтернативами выступают насекомые (цисты артемии, подмор пчел) и грибы. Для каждого типа сырья требуется индивидуальный режим обработки из-за разного состава и структуры хитинсодержащих комплексов. Немаловажное влияние оказывают параметры дезацетилирования (высокая концентрация щелочи, температура >110°C) являются необходимыми для расщепления устойчивой структуры хитина, но они же приводят к частичной деградации полимерной цепи. Это создает технологический компромисс между степенью дезацетилирования и сохранением молекулярной массы. Таким образом, для оптимизации выделения хитозана из отходов необходимо подбирать индивидуальные параметры к обработке сырья и изучать перспективность самого сырья. Это позволит максимально использовать ресурсы, при этом получив хитозан надлежащего качества и свойств.

Список литературы:

1. Варламов В. П. и др. Хитин/хитозан и его производные: фундаментальные и прикладные аспекты //Успехи биологической химии. – 2020. – Т. 60. – С. 317-368. URL: https://www.fbras.ru/wp-content/uploads/2020/01/8-Varlamov-final.pdf
2. Долгопятова Наталия Владимировна, Новиков Виталий Юрьевич, Кучина Юлия Анатольевна, Коновалова Ирина Никандровна. Влияние условий деацетилирования на физико-химические свойства хитозана из панциря ракообразных // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. 2022. №5. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-usloviy-deatsetilirovaniya-na-fiziko-himicheskie-svoystva-hitozana-iz-pantsirya-rakoobraznyh
3. Agoeva E. A., Khashirova S. Y. Хитозан и его модифицированные формы: получение, свойства, применение. Обзор //известия высших учебных заведений. Серия «Химия и химическая технология». – 2025. – Т. 68. – №. 3. – С. 6-19. DOI: https://doi.org/10.6060/ivkkt.20256803.7083
4. Строкова Н. Г., Подкорытова А. В. К вопросу о развитии безотходных технологий переработки хитинсодержащего сырья ракообразных в России //Инновационные направления интеграции науки, образования и производства. – 2020. – С. 247-249. https://www.elibrary.ru/download/elibrary_42922995_53895547.pdf
5. Мезенова О. Я. Биопотенциал вторичного хитинсодержащего сырья и рациональные направления его использования //Известия КГТУ. – 2023. – №. 69. – С. 74-88. https://cyberleninka.ru/article/n/biopotentsial-vtorichnogo-hitinsoderzhaschego-syrya-i-ratsionalnye-napravleniya-ego-ispolzovaniya/viewer
6. Ахымбетова Г. Д. и др. СТРУКТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ХИТИНОВ И ХИТОЗАНОВ ИЗ РАЗНЫХ ИСТОЧНИКОВ //Universum: химия и биология. – 2022. – №. 12-2 (102). – С. 46-53.
7. Кусков Т. Е. и др. ОТРАБОТКА ВЫДЕЛЕНИЯ α-ХИТИНА ИЗ ПЧЁЛ. – 2022.
8. Минаков Д. В. и др. Современные подходы к выделению и модификации макромолекул хитина и хитозана высших грибов для их прикладного использования //Химия растительного сырья. – 2023. – №. 4. – С. 29-52.
9. Долгопятова Н. В. и др. Влияние условий деацетилирования на физико-химические свойства хитозана из панциря ракообразных //Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология. – 2022. – Т. 65. – №. 5. – С. 77-86.