СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ХИТОЗАНА Российский патент 2004 года по МПК C08B37/08 

Предлагаемое изобретение относится к химической технологии переработки природных материалов, в частности к переработке хитинсодержащих панцирей краба и креветки, подмора пчел с получением хитозана, который может быть использован в качестве сорбента, эмульгатора, пленкообразователя и т.д.

Хитозаны представляют собой полисахариды, получаемые из полимера растительного происхождения - хитина. Хитозан, аналогично желатину, пектину, агар-агару относится к группе гидроколлоидов.

Хитозан обладает анионообменными свойствами, что открывает широкие возможности его использования в экологии, медицине, косметике.

Хитозан является биоразлагаемым продуктом, что является большим преимуществом по сравнению с синтетическими ионообменниками. Для получения хитозанов используют чаще всего хитин из панцирей ракообразных, а также из скелета каракатицы, насекомых, грибов, морских водорослей и других.

Известен способ получения хитозана, защищенный патентом РФ 2087483, кл. С 08 В 37/08, В 01 J 20/30, опубл. 20.08.97. Хитозан получают путем измельчения природного хитинсодержащего сырья, декальцинированием 1-2%-ным раствором соляной кислоты и депротеинизацией 1-5%-ным раствором гидроксида натрия, а также промывкой и деацетилированием 46-47%-ным раствором гидроксида натрия. Перед промывкой проводят три цикла из чередующихся стадий депротеинизации и декальцинирования, причем каждый последующий цикл из чередующихся стадий проводят при более высокой температуре, чем предыдущий.

Недостатком известного способа является его многостадийность.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату, выбранным в качестве прототипа, является способ получения хитозана, защищенный патентом РФ 2073017, кл. С 08 В 37/08, В 01 J 20/30, опубл. 10.02.97.

Способ включает измельчение природного хитинсодержащего сырья, декальцинирование соляной кислотой концентрацией 1-5%, депротеинизацию гидроксидом натрия концентрацией 1-5%, деацетилирование гидроксидом натрия, отделение хитозана от маточного раствора и сушку. Перед декальционированием готовят водную суспензию измельченного хитинсодержащего сырья при Т:Ж=1:5 и обрабатывают сырье гидроксидом натрия до получения концентрации его в суспензии 1-4% при температуре 50-60^oС в течение 1-3 ч, декальционирование ведут в две стадии: на первой стадии процесс ведут при температуре 25-30^oС и концентрации соляной кислоты 2-4% в течение 1-3 ч, промывают водой полученную твердую фазу при температуре 40-60^oС и проводят вторую стадию декальцинирования при температуре 30-35^oС и концентрации соляной кислоты 2-4% в течение 1-3 ч, депротеинизацию ведут в две стадии: при температуре 50-70^oС гидроксидом натрия концентрацией 2-5% в течение 1-3 ч и между стадиями осуществляют промывку твердой фазы водой, перед деацетилированием проводят отбеливание твердой фазы перекисью водорода или гипохлоритом натрия при температуре 40-60^oС в течение 30 мин, промывают, проводят дополнительное декальцинирование при температуре 20-35^oС в течение 1-2 ч соляной кислотой концентрацией 2-4%, промывают и обезвоживают гидроксидом натрия концентрацией 52% в течение 30 мин, деацетилирование ведут при температуре 80-90^oС в течение 3 ч гидроксидом натрия концентрацией 52%.

Недостатками способа являются его многостадийность, большая длительность, повышенный расход химических материалов, невысокая молекулярная масса получаемого хитозана.

Задачей предлагаемого изобретения является совершенствование способа получения хитозана.

Технический результат от использования изобретения заключается в упрощении способа, снижении длительности, получении хитозана с высокой молекулярной массой и снижении расхода химических материалов.

Указанный результат достигается тем, что в способе получения хитозана, включающем измельчение природного хитинсодержащего сырья, экстрагирование в течение 1-3 ч с последующим использованием двухстадийного декальцинирования соляной кислотой и двухстадийной депротеинизации, с промежуточными промывками водой, деацетилирование гидроксидом натрия, отделение хитозана от маточного раствора, промывку и сушку, экстрагирование осуществляют жидкой двуокисью углерода, после первой стадии декальцинирования с промывкой проводят первую стадию депротеинизации ферментом в количестве 0,1-0,5% от веса сухого хитинсодержащего порошка при рН среды 9,0-10,5 в течение 1-4 ч при температуре 50-70^oС и 4-7-кратном избытке воды, отделяют и промывают хитинсодержащий порошок, а затем осуществляют вторую стадию декальцинирования и депротеинизации ферментом. Стадии декальцинирования осуществляют соляной кислотой концентрацией 0,8-2,5% при 5-10-кратном объеме соляной кислоты от веса хитинсодержащего порошка при температуре 35-50^oС в течение 0,5-2 ч.

Способ получения хитозана осуществляют следующим образом.

Природное хитинсодержащее сырье (высушенную крошку крабового панциря или хитинного покрова креветки или сухой подмор пчел) измельчают до степени измельчения 100-200 мкм. Такое ультратонкое измельчение сырья в значительной степени ускоряет процессы, протекающие при получения хитозана. Полученный хитинсодержащий порошок экстрагируют жидкой двуокисью углерода в течение 1-3 ч. После экстракции проводят первую стадию декальцинирования соляной кислотой концентрацией 0,8-2,5%, взятой в количестве 5-10-кратном от веса хитинсодержащего порошка при температуре 35-50^oС в течение 0,5-2 ч. Затем порошок промывают водой при температуре 50-75^oС до рН 5,4. После промывки осуществляют первую стадию депротеинизации в 4-7-кратном объеме воды при рН 9,0-10,5. Необходимое значение рН достигается путем добавления гидроксида натрия. В полученную суспензию при перемешивании добавляют фермент, например папаин, липаин, в количестве 0,1-0,5% от веса сухого хитинсодержащего порошка. Полученный раствор, содержащий пептиды и аминокислоты, сливают, а хитинсодержащий порошок промывают водой, после чего проводят вторую стадию декальцинирования соляной кислотой концентрацией 0,8-2,5% в 5-7-кратном количестве к весу сухого хитинсодержащего порошка при температуре 35-50^oС в течение 0,5-2 ч. После декальцинирования реакционную массу промывают, затем добавляют 4-7-кратный объем воды от веса сухого хитинсодержащего порошка, доведя путем добавления гидроксида натрия рН среды до 9,0-10,5 и добавляют 0,1-0,5% фермента от веса сухого хитинсодержащего порошка. Депротеинизацию ведут в течение 2-4 ч при температуре 50-70^oС. Полученный раствор пептидов и аминокислот сливают, добавляют 2-4 объема от веса сухого хитинсодержащего порошка 45-50% гидроксида натрия и проводят деацетилирование гидроксидом натрия при температуре 85-95^oС в течение 2-4 ч.

Полученный хитозан промывают водой при температуре 60-80^oС до рН 6,5-7,4, отделяют на центрифуге, сушат и измельчают.

При экстракции жидкой двуокисью углерода одновременно с удалением липидов и части белков происходит и отбеливание сырья. На снижение молекулярной массы целевого продукта экстракция не влияет. Использование фермента при депротеинизации дает возможность не снижать молекулярную массу хитозана. Чередование стадий декальцинирования и депротеинизации позволяет мягко, послойно удалять кальций и белок, не разрушая хитиновой матрицы.

Нижеследующие примеры поясняют настоящее изобретение.

Пример 1.

Высушенную крошку крабового панциря измельчают в дезинтеграторе до степени измельчения 100-200 мкм. Полученный хитинсодержащий порошок экстрагируют жидкой двуокисью углерода в течение 3 ч. После экстракции берут 100 г полученного хитинсодержащего порошка и проводят первую стадию декальцинирования соляной кислотой концентрацией 2,5%, взятой в 5-кратном количестве от веса хитинсодержащего порошка (500 мл), в течение 0,5 ч. Затем порошок промывают водой при температуре 75^oС до рН 5,4. После промывки осуществляют первую стадию депротеинизации в 4-кратном объеме воды (232 мл) при рН 10,5. Необходимое значение рН достигается путем добавления гидроксида натрия. В полученную суспензию при перемешивании добавляют папайи, например LYPAINE 48000, производство LYVEN, Франция, в количестве 0,5% от веса сухого хитинсодержащего порошка (0,29 г). Первую стадию депротеинизации осуществляют в течение 2 ч при 70^oС. Полученный раствор, содержащий пептиды и аминокислоты, сливают, а хитинсодержащий порошок промывают водой, после чего проводят вторую стадию декальцинирования соляной кислотой концентрацией 2,5% в 5-кратном количестве к весу сухого хитинсодержащего порошка (246,5 мл) при температуре 35^oС в течение 0,5 ч. После декальцинирования реакционную массу промывают, затем добавляют 4-кратный объем воды от веса сухого хитинсодержащего порошка (191,28 мл), доведя путем добавления гидроксида натрия рН среды до 10,5, и добавляют 0,5% LYPAINE 48000 от веса сухого хитинсодержащего порошка (0,24 г). Депротеинизацию ведут в течение 2 ч при температуре 70^oС. Полученный раствор пептидов и аминокислот сливают, добавляют 2 объема от веса сухого хитинсодержащего порошка 50% гидроксида натрия (92,78 мл) и проводят деацетилирование гидроксидом натрия при температуре 95^oС в течение 4 ч.

Полученный хитозан промывают водой при температуре 80^oС до рН 7,4, отделяют на центрифуге, сушат и измельчают.

Хитозан имеет следующие показатели: молекулярная масса 1100000 Дальтон, степень деацетилирования - 96%, зольность - 0,3%.

Пример 2.

Высушенную крошку хитинного покрова креветки или сухой подмор пчел измельчают в мельнице до степени измельчения 100-200 мкм. Полученный хитинсодержащий порошок экстрагируют жидкой двуокисью углерода в течение 1 ч. После экстракции берут 100 г хитинсодержащего порошка и проводят первую стадию декальцинирования соляной кислотой концентрацией 0,8%, взятой в количестве 10-кратном от веса хитинсодержащего порошка (1000 мл), в течение 1 ч. Затем порошок промывают водой при температуре 50^oС до рН 5,4. После промывки осуществляют первую стадию депротеинизации в 7-кратном объеме воды (406 мл) при рН 9,0. Необходимое значение рН достигается путем добавления гидроксида натрия. В полученную суспензию при перемешивании добавляют фермент, например LYPAINE 48000, в количестве 0,1% от веса сухого хитинсодержащего порошка (0,06 г). Первую стадию депротеинизации осуществляют в течение 1 ч при 50^oС. Полученный раствор, содержащий пептиды и аминокислоты, сливают, а хитинсодержащий порошок промывают водой, после чего проводят вторую стадию декальцинирования соляной кислотой концентрацией 0,8% в 10-кратном количестве к весу сухого хитинсодержащего порошка (493 мл) при температуре 50^oС в течение 2 ч. После декальцинирования реакционную массу промывают, затем добавляют 7-кратный объем воды от веса сухого хитинсодержащего порошка (334,6 мл), доведя путем добавления гидроксида натрия рН среды до 9,0, и добавляют 0,1% папаина (0,048 г) от веса сухого хитинсодержащего порошка. Депротеинизацию ведут в течение 2 ч при температуре 50^oС. Полученный раствор пептидов и аминокислот сливают, добавляют 4 объема от веса сухого хитинсодержащего порошка (185,2 мл) 45% гидроксида натрия и проводят деацетилирование гидроксидом натрия при температуре 85^oС в течение 2 ч.

Полученный хитозан промывают водой при температуре 60^oС до рН 6,5, отделяют на центрифуге, сушат и измельчают.

Полученный хитозан имеет следующие показатели: молекулярная масса - 750000 Дальтон, степень деацетилирования - 98%, зольность - 0,2.

Пример 3.

Сухой подмор пчел измельчают в дезинтеграторе до степени измельчения 100-200 мкм. Полученный хитинсодержащий порошок экстрагируют жидкой двуокисью углерода в течение 2 ч. После экстракции берут 100 г хитинсодержащего порошка и проводят первую стадию декальцинирования соляной кислотой концентрацией 2,5%, взятой в 7-кратном количестве от веса хитинсодержащего порошка (700 мл), в течение 1 ч. Затем порошок промывают водой при температуре 75^oС до рН 5,4. После промывки осуществляют первую стадию депротеинизации в 5-кратном объеме воды (290 мл) при рН 10,5. Необходимое значение рН достигается путем добавления гидроксида натрия. В полученную суспензию при перемешивании добавляют папаин, например LYPAINE 48000, производство LYVEN, Франция, в количестве 0,5% от веса сухого хитинсодержащего порошка (0,29 г). Первую стадию депротеинизации осуществляют в течение 2 ч при 50^oС. Полученный раствор, содержащий пептиды и аминокислоты, сливают, а хитинсодержащий порошок промывают водой, после чего проводят вторую стадию декальцинирования соляной кислотой концентрацией 2,5% в 7-кратном количестве к весу сухого хитинсодержащего порошка (344,4 мл) при температуре 40^oС в течение 2 ч. После декальцинирования реакционную массу промывают, затем добавляют 5-кратный объем воды от веса сухого хитинсодержащего порошка (238,5 мл), доведя путем добавления гидроксида натрия рН среды до 10,5, и добавляют 0,5% LYPAINE 48000 от веса сухого хитинсодержащего порошка (0,24 г). Депротеинизацию ведут в течение 2 ч при температуре 50^oС. Полученный раствор пептидов и аминокислот сливают, добавляют 3 объема от веса сухого хитинсодержащего порошка (138,9 мл) 50% гидроксида натрия и проводят деацетилирование гидроксидом натрия при температуре 95^oС в течение 3 ч.

Полученный хитозан промывают водой при температуре 80^oС до рН 7,4, отделяют на центрифуге, сушат и измельчают.

Хитозан имеет следующие показатели: молекулярная масса - 680000 Дальтон, степень деацетилирования - 99%, зольность - 0,3%.

Молекулярный вес полученного хитозана определяют гель-хроматографией, зольность и степень деацетилирования - по ТУ 9289-001-57184729-01.

Экстракция хитинсодержащего сырья менее 1 ч неэффективна, а более 3 ч нецелесообразна из-за достижения полноты извлечения. При меньших, чем заявленные, количестве фермента, рН среды, температуре и времени на стадиях депротеинизации белок вымывается не полностью, а при их больших значениях ведение процесса технологически нецелесообразно. Осуществление способа при избыточных количествах воды и гидроксида натрия определено экспериментально и обеспечивает оптимальные условия расхода реагентов и проведения реакции.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получить хитозан с большой молекулярной массой (по прототипу - до 100 кДа), с высокой степенью деацетилирования и малой зольностью, с хорошими пленкообразующими свойствами (относительное удлинение 600-650, по прототипу - 350-400). При этом сокращается количество стадий, снижается длительность процесса и расход химических материалов.

Изобретение относится к способу получения хитозана, который может быть использован в качестве сорбента, эмульгатора, пленкообразователя. Способ включает измельчение природного хитинсодержащего сырья, экстрагирование в течение 1-3 ч жидкой двуокисью углерода. Затем проводят первую стадию декальцинирования соляной кислотой концентрацией 0,8-2,5% при 5-10-кратном объеме соляной кислоты от веса хитинсодержащего порошка при температуре 35-50^oС в течение 0,5-2 ч, промывают водой и осуществляют первую стадию депротеинизации ферментом в количестве 0,1-0,5% от веса сухого хитинсодержащего порошка при рН среды 9,0-10,5 в течение 1-4 ч при температуре 50-70^oС и 4-7-кратном избытке воды, отделяют, промывают. После этого проводят вторую стадию декальцинирования соляной кислотой, промывают водой и осуществляют вторую стадию депротеинизации ферментом. Затем проводят стадию деацетилирования гидроксидом натрия, отделяют хитозан от маточного раствора, осуществляют промывку и сушку. Изобретение позволяет упростить способ получения хитозана, снизить длительность процесса, снизить расход химических материалов и получить хитозан с высокой молекулярной массой. 1 з.п.ф-лы.

1. Способ получения хитозана, включающий измельчение природного хитинсодержащего сырья, экстрагирование в течение 1-3 ч с последующим использованием двухстадийного декальцинирования соляной кислотой и двухстадийной депротеинизации, с промежуточными промывками водой, деацетилирование гидроксидом натрия, отделение хитозана от маточного раствора, промывку и сушку, отличающийся тем, что экстрагирование осуществляют жидкой двуокисью углерода, после первой стадии декальцинирования с промывкой проводят первую стадию депротеинизации ферментом в количестве 0,1-0,5% от веса сухого хитинсодержащего порошка при рН среды 9,0-10,5 в течение 1-4 ч при температуре 50-70°С и 4-7-кратном избытке воды, отделяют и промывают хитинсодержащий порошок, а затем осуществляют вторую стадию декальцинирования и депротеинизации ферментом.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что стадии декальцинирования осуществляют соляной кислотой концентрацией 0,8-2,5% при 5-10-кратном объеме соляной кислоты от веса хитинсодержащего порошка при температуре 35-50°С в течение 0,5-2,0 ч.