Хитин, хитозан, апизан

Оглавление страницы


Основной источник информации:

  • Хитин и хитозан: Получение, свойства и применение / Под ред. К.Г. Скрябина, Г.А. Вихоревой, В.П. Варламова. - М.: Наука, 2002. - 368 с.

1 Место хитина в классификации химических соединений

Хитин (поли-N-ацетил-D-глюкозамин) является широко распространенным в природе биополимером. Полимеры (от греч. polymeros — состоящий из многих частей, многообразный) -это вещества, молекулы которых состоят из большого числа структурно повторяющихся звеньев — мономеров. По происхождению полимеры делят на природные, или биополимеры (напр. натуральный каучук) и синтетические (напр., полиэтилен). Благодаря механической прочности, эластичности, электроизоляционным и другим свойствам изделия из полимеров применяют в различных отраслях промышленности и в быту. Основные типы полимерных материалов — пластические массы, резины, волокна, лаки, краски, клеи, ионообменные смолы.

Биополимерами являются многие природные высокомолекулярные соединения из которых построены клетки живых организмов и межклеточное вещество, связывающее их между собой. К биополимерам относятся белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды (сложные углеводы) и так называемые смешанные биополимеры, например, липопротеины (комплексы содержащие белки и липиды) и т.д. Хитин - это азотосодержащий полисахарид (аминополисахарид). Мономерами полисахаридов являются моносахариды (монозы): глюкоза, фруктоза, галактоза др.

В связи с биологической функцией полисахариды делятся на резервные и структурные. Большинство резервных полисахаридов (крахмал, гликоген, инулин) являются важнейшими компонентами пищевых продуктов, выполняя в организме человека функцию источника углерода и энергии. Структурные полисахариды (целлюлоза, гемицеллюлоза) в клеточных стенках растений образуют протяженные цепи, которые, в свою очередь, укладываются в прочные волокна или пластины и служат своего рода каркасом в живом организме. Самый распространенный в мире биополимер это структурный полисахарид растений - целлюлоза. Хитин является вторым после целлюлозы по распространённости структурным полисахаридом. По химическому строению, физико-химическим свойствам и выполняемым функциям хитин близок к целлюлозе. Хитин - это аналог целлюлозы в животном мире.

2 Химическая структура хитина и хитозана

2.1 β-D-глюкоза

Элементарной частицей (мономером) хитина является N-ацетил-β-D-глюкозамин. Термин глюкозамин означает, что мономер хитина является производным глюкозы, а точнее, β-D-глюкозы.

Рассмотрим подробнее, что означает β-D-глюкоза. Xимическая формула глюкозы С62O)6. Из органической химии хорошо извест, что заданной формуле могут соответствовать разные вещества. Такие вещества, имеющие одинаковую химическую формулу, молекулярную массу, последовательность соединения атомов, но различные свойства называют стереоизомерами. В стереоизомерах различие в свойствах возникает из-за различного расположения атомов в пространстве. В моносахаридах стереоизомеры образуются из-за различной конфигурации гидроксильной группы ОН и атома водорода Н относите атома углерода С. Упрощённо это можно представить размещением ОН и Н справа или слева от С. В молекуле глюкозы имеется 4 таких атома углерода (обведены синим цветом). В биохимии их называют ассиметричными или хиральными. Меняя местами ОН и Н теоретически можно получить 16 стереоизомеров. Наиболее важные изомеры глюкозы: D-глюкоза и L-глюкоза. Не только глюкоза, но и другие моносахариды относятся либо к В- либо к L- изомерам. Отнесение моносахаридов к D- или L- изомерам производится по расположению группы ОН у атома углерода С, дальше всех отстоящего от карбонильной группы С=О (для глюкозы эти группы С=Н и ОН обведены красным цветом).

В природе ( фрукты, овощи, мёд и т.д.) встречается только D-глюкоза. L-глюкоза получена синтетически.

Моносахара склонны к образованию циклических структур. Именно циклические молекулы моносахаров соединяясь между собой образуют молекулы полисахаридов. В кристаллическом состоянии моносахариды находятся только в циклической форме. Глюкоза образует циклическую структуру с 5-ю атомами углерода и одним атомом кислорода в кольце. При образовании циклической структуры глюкозы к 4 имеющемся хиральным атомам углерода добавляется ещё один 5-й хиральный атом углерода (обведён чёрным цветом). В линейной структуре это атом углерода входил в карбонильную группу С=О. Это приводит к образованию 2-х стереоизомеров D-глюкозы: α- когда ОН 5-го хирального атома углерода размещается выше плоскости кольца и β- ниже. Этот дополнительный хиральный атом называют аномальным, а α- и β-стереоизомеры D-глюкозы аномерами. По физико-химическим свойствам α- и β-аномеры существенно отличаются друг от друга. Входя в полисахариды в качестве строительных блоков они образуют совершенно разные углеводы (так,α-D-глюкоза образует амилозу; β-D- целлюлозу). В водных растворах α- и β-аномеры легко переходят друг в друга и между ними устанавливается равновесие: 64% β-D-глюкозы и 36% α-D-глюкозы.

2.2 β-D-глюкозамин и N-ацетил-β-D-глюкозамин

По классификации производных моносахаридов глюкозамин относится к аминосахарам. Аминосахара - это производные моносахаридов, гидроксильная группа которых —ОН замещена аминогруппой —NH2 (чаще всего у 2 атома углерода - см. рис.). По номенклатуре ИЮПАК названия аминосахаров образуют прибавлением к названию "исходного" моносахарида названия аминогруппы, замещающей гидроксил (с указанием ее положения), и префикса "дезокси", указывающего на замещение. По этой номенклатуре полное название β-D-глюкозамина: 2-амино-2-дезокси-D-глюкопираноза (D-глюкозамин). 2-амино ознаяает, что аминогруппа присоединена ко 2-му атому углерода; 2-дезокси означает, что у 2 атома углерода отсутствует гидроксильная группа; окончание пираноза присутствует в моносахаридах циклической структуры. Упрощённое название исходит из корня соответствующего моносахарида, к которому добавляется слово «амин», например глюкозамин. Аминосахара, в отличие от других моносахаридов идут не на получение энергии, а на формирование соединительных тканей организма.

N-ацетил-β-D-глюкозамин - это ацетилированный β-D-глюкозамин. Ацетилирование - это замещение атомов водорода в органических соединениях остатком уксусной кислоты CH3CO (ацетильной группой). N-ацетил-β-D-глюкозамин - это мономер (элементарная, повторяющаяся структура) хитина, а β-D-глюкозамин - хитозана.

2.3 Хитин и хитозан

Молекула хитина состоит из N-ацетил- β-D-глюкозаминовых звеньев. В живых в природе организмах может образовываться только хитин, а хитозан является производным хитина. Молекула хитозана состоит из β-D-глюкозаминовых звеньев. Хитозан получают из хитина деацетилированием с помощью щелочей. Деацетилирование - это реакция обратная ацетилированию, т.е. замещение атомом водорода ацетильной группы СН3СО. Поэтому, в отличии от хитина, хитозан может иметь структурную неоднородность обусловленную неполной завершённостью реакции деацетилирования. Содержание остаточных ацетильных групп СН3СО (на рис. обведена серым) может достигать 30% и характер распределения этих групп может заметно влиять на некоторые физико-химические свойства хитозана. Таким образом, при неполном ацетилировании молекула хитозана состоит из случайно-связанных N-ацетил-β-D-глюкозаминовых звеньев (основные звенья) и β-D-глюкозаминовых звеньев (остаточные звенья) .

Хитин, как и целлюлоза, обладает двумя гидроксильными группами, одна из которых у С-3 вторичная, а вторая у С-6 - первичная. По этим функциональным группам может быть осуществлено получение производных, аналогичным соответствующим производным целлюлозы. Среди них можно отметить простые (например, карбоксиметиловые) и сложные эфиры. Хитозан имеет дополнительную реакционноспособную функциональную группу ( аминогруппа NH2), поэтому кроме простых и сложных эфиров на хитозане возможно получение N-производных различного типа. Наличие реакционноспособных функциональных групп в структуре молекул хитина и хитозана обеспечивает возможность получения разнообразных химических модификаций пригодных для использования в различных отраслях промышленности, сельском хозяйстве, медицине и т.п.

3 Сырьевые источники хитина и хитозана

Хитин является опорным компонентом:

  • клеточной ткани большинства грибов и некоторых водорослей;
  • наружной оболочки членистоногих (кутикула у насекомых, панцирь у ракообразных) и червей;
  • некоторых органов моллюсков.

В организмах насекомых и ракообразных, клетках грибов и диатомовых водорослей хитин в комплексе с минеральными веществами, белками и меламинами образует внешний скелет и внутренние опорные структуры.

Меланины (от греч. melas, родительный падеж melanos — чёрный), коричневые и чёрные (эумеланины) или жёлтые (феомеланины) высокомолекулярные водонерастворимые пигменты. Широко распространены в растительных и животных организмах; определяют окраску покровов и их производных (волос, перьев, чешуи) у позвоночных, кутикулы у насекомых, кожуры некоторых плодов и т.д.

Потенциальные источники хитина многообразны и широко распространены в природе. Общая репродукция хитина в мировом океане оценивается в 2.3 млрд. т в год, что может обеспечить мировой потенциал производства 150-200 тыс. т хитина в год.

Наиболее доступным для промышленного освоения и масштабным источником получения хитина являются панцири промысловых ракообразных. Возможно также использование гладиуса (скелетной пластинки) кальмаров, сепиона каракатицы , биомассы мицелярных и высших грибов . Одомашненные и поддающиеся разведению насекомые вследствие их быстрого воспроизводства могут обеспечить значительную биомассу, содержащую хитин. К таким насекомым относятся тутовый шелкопряд, медоносные пчелы и комнатные мухи. В России массовым источником хитинсодержащего сырья является камчатский краб и краб-стригун, годовой вылов которых на Дальнем Востоке составляет до 80 тыс. т, а также углохвостая креветка в Баренцевом море.

Известно, что панцири ракообразных - достаточно дорогостоящее сырье, и несмотря на то, что разработано более 15 методов получения из них хитина, был поставлен вопрос о получении хитина и хитозана из других источников, среди которых рассматривались мелкие ракообразные и насекомые.

За счет широкого распространения пчеловодства в нашей стране существует возможность получать хитиновое сырье (подмор пчел) в значительных масштабах. По состоянию на 2004 г. в Российской Федерации во всех категориях хозяйств имеется 3,29 млн пчелиных семей. Сила пчелиной семьи (масса находящихся в пчелиной семье рабочих пчел, измеряемая в кг) равна в среднем 3,5-4 кг. Летом в период активного медосбора и весной после зимовки пчелиная семья обновляется почти на 60-80 %. Таким образом, ежегодная сырьевая база подмора пчел может составить от 6 до 10 тысяч тонн, это дает возможность рассматривать подмор пчел как новый перспективный источник хитозана насекомых наряду с традиционными видами сырья.

Химический состав различных видов хитиносодержащего сырья, % на сухое вещество
Вид сырья Белок Липиды Минеральные
вещества
Хитин
Панцырь криля сушённый, полученный при производстве изолята белка 25-30 1-3 20-22 25-30
Панцырь баренцевоморской углохвостой креветки сухой 43-55 10.5-13.5 26-29 17-20
Рачок гаммарус сушённый 50-54 6-8.5 15-18 22-25
Панцырь крабовый сушённый (крупка) 25-30 2-4 35-40 24-30
Гладиус кальмара (скелетная пластинка) сухой - 2-5 0.5-2 28-35
Сухой подмор пчёл 50-80 - 2-3 10-12
Мука из личинок комнатных мух 40-50 31 - 11-15

Хитин, входящий в состав панциря ракообразных, образует волокнистую структуру. У ракообразных сразу после линьки панцирь мягкий, эластичный, состоящий только из хитин-белкового комплекса, но с течением времени происходит его упрочнение за счет минерализации структуры в основном карбонатом кальция. Таким образом, панцирь ракообразных построен из трех основных элементов - хитина, играющего роль каркаса, минеральной части, придающей панцирю необходимую прочность и белков, делающих его живой тканью. В состав панциря входят также липиды, меланины и другие пигменты.

В кутикуле взрослых насекомых хитин также ковалентно связан с белками типа артраподина и склеротина, а также большим количеством меланиновых соединений, которые могут составлять до 40% массы кутикулы. Кутикула насекомых отличается большой прочностью и в то же время гибкостью благодаря хитину. Преимуществом пчелиного подмора является минимальное содержание минеральных веществ, так как кутикула насекомых практически не минерализована. В связи с этим отпадает необходимость проводить сложную процедуру деминерализации.

Массовые источники ПСС имеются во многих странах, но промышленное производство хитина и хитозана освоено преимущественно в Японии, где суммарно по данным на 1998 г. выпускается до 2500 т хитина и хитозана в год. В США выпускается около 1000 т хитозана и других модификаций хитина в год. Европейские страны (Италия, Норвегия, Польша) выпускают до 100 т хитозана в год. В последние годы развитие промышленного производства хитина и его производных развивается в Индии, Китае и Таиланде. В качестве сырья для получения полимеров, в Японии и Китае используются ПСС от переработки крабов и креветок, а в США - ПСС крабов и омаров. Отечественная промышленность начала осваивать производство хитина и хитозана в 1970-1980 гг. и к настоящему времени общий объем их выпуска достигает 80 т в год. ( Апитерапия. / Хисматуллина Н.3. - Пермь: Мобиле, 2005. - 296 с.)

4 Физико-химические свойства и применение хитина и хитoзана

Хитин и его дезацетилированное производное хитозан привлекли внимание широкого круга исследователей и практиков благодаря комплексу химических, физико-химических и биологических свойств и неограниченной воспроизводимой сырьевой базой. Полисахаридная природа этих полимеров обусловливает их сродство к живым организмам, а наличие реакционноспособных функциональных групп (гидроксильные группы, аминогруппа) обеспечивает возможность разнообразных химических модификаций, позволяющих усиливать присущие им свойства или придавать новые в соответствии с предъявляемыми требованиями.

Интерес к хитину и хитозану связан с их уникальными физиологическими и экологическими свойствами такими как биосовместимость, биодеструкция (полное разложение под действием природных микроорганизмов), физиологическая активность при отсутствии токсичности, способность к селективному связыванию тяжелых металлов и органических соединений, способность к волокно- и пленкообразованию и др.

Процесс получения хитина заключается в удалении из сырья последнего минеральных солей, белков, липидов, пигментов поэтому качество хитина и хитозана зависит во многом от способа и степени удаления этих веществ, а также от условий проведения реакции деацетилирования. Требования к свойствам хитина и хитозана определяются областями их практического использования, которые весьма разнообразны. В России, как и в других странах, нет единого стандарта, но существует деление на хитин и хитозан технический, промышленный, пищевой и медицинский.

На сайте компании «Хитин и хитозан» производящей хитин и хитозан в промышленных масштабах перечислены следующие направления их применения:

  • атомная промышленность: для локализации радиоактивности и концентрации радиоактивных отходов;
  • медицина: в качестве шовных материалов, рано- и ожогозаживляющих повязок. В составе мазей, различных лечебных препаратов, как энтеросорбент;
  • сельское хозяйство: для производства удобрений, защиты семенного материала и сельскохозяйственных культур;
  • текстильная промышленность: при шлихтовке и противоусадочной или водоотталкивающей обработке тканей;
  • бумажная и фотографическая промышленность: для производства высококачественных и специальных сортов бумаги, а также для улучшения свойств фотоматериалов;
  • в пищевой промышленности выполняет роль консерванта, осветлителя соков и вин, диетического волокна, эмульгатора;
  • в качестве пищевой добавки показывает уникальные результаты как энтеросорбент;
  • в парфюмерии и косметике входит в состав увлажняющих кремов, лосьонов, гелей, лаков для волос, шампуней;
  • при очистке воды служит как сорбент и флокулянт.

По химической структуре хитин близок к целлюлозе. Как и молекулы целлюлозы, молекулы хитина обладают большой жёсткостью и склонностью к образованию надмолекулярных структур (так называемые фибрилярные структуры). В фибрилярных структурах молекулы хитина, скреплённые водородными связями, располагаясь почти параллельными пучками образуют структуры регулярные в 3-х измерениях, что характерно для кристаллов. Известны несколько типов таких кристаллических образований (α-,β-,γ-хитины), которые различаются степенью упорядоченности и взаимной ориентацией полимерных молекул (полиморфизм).

Одним из важнейших свойств полимеров, определяющих во многих случаях возможность их переработки и применения, является их растворимость. Хитин нерастворим в воде, растворах органических кислот, щелочах, спиртах и других органических растворителях. Он растворим в концентрированных растворах соляной, серной и муравьиной кислот, а также в некоторых солевых растворах при нагревании, но при растворении он заметно деполимеризуется. В смеси диметилацетамида, N-метил-2-пирролидона и хлористого лития хитин растворяется без разрушения полимерной структуры. Низкая растворимость затрудняет переработку и применение хитина.

Получаемый из хитина хитозан растворяется в растворах как органических так и неорганических кислот (кроме серной). В отличие от практически нерастворимого хитина, хитозан, растворимый даже в растворах органических кислот, имеет более широкие возможности для применения в пищевой промышленности, медицине, сельском хозяйстве и других отраслях.

Также важными важными свойствами хитозана являются гигроскопичность, сорбционные свойства, способность к набуханию. Из-за того, что в молекуле хитозана содержится много гидроксильных, аминных и других крайних групп, её гигроскопичность очень велика (2-5 молекул на одно мономерное звено, которое находится в аморфных областях полимеров). По этому показателю хитозан уступает только глицерину и превосходит полиэтиленгликоль и каллериоль (высокополимерный спирт из груши). Хитозан хорошо набухает и прочно удерживает в своей структуре растворитель, а также растворенные и взвешенные в нем вещества. Поэтому в растворенном виде хитозан обладает намного большими сорбционными свойствами, чем в нерастворенном.

Хитозан может подвергаться биологическому разложению под воздействием хитиназы и лизоцима. Хитиназы - это ферменты, каталицирующие разложения хитина. Вырабатываются в организмах животных, содержащих хитин. Лизоцим вырабатывается в организме животных и человека. Лизоцим - фермент, разрушающий стенку бактериальной клетки в результате чего происходит её растворение. Создаёт антибактериальный барьер в местах контакта с внешней средой. Содержится в слюне, слёзах, слизистой оболочке носа. Полностью разлагающиеся под действием природных микроорганизмов изделия из хитозана не загрязняют окружающую среду.

По внешнему виду хитозан представляет собой чешуйки размером менее 10 мм или порошки различной тонины помола, от белого до кремового цвета, часто с желтоватым, сероватым или розоватым оттенком, без запаха. Другими свойствами сухого хитозана являются электризуемость и вяжущий вкус. По токсичности хитозан относится к 4-му классу и считается безопасным.

Хитозан показал себя как эффективный радиопротектор, сорбент токсинов и тяжелых металлов в организме, элемент лечебно-профилактического питания, средство защиты растений, иммуномодулятор в ветеринарии, а также в других областях. На сегодняшний день известно более 70 направлений применения хитозана.

Японские специалисты назвали хитозан веществом ХХI века. По их мнению, уже через два – три десятилетия промышленная цивилизация будет немыслима без него точно также, как без алюминия, полиэтилена или персонального компьютера.

5 Низкомолекулярный хитозан. Апизан

Для расширения сферы применения хитозана в медицине большое значение имеет его растворимость при нейтральных значениях рН, что может быть обеспечено снижением его молекулярной массы. Как показывает практика, молекулярная масса хитозанов, получаемых из панциря ракообразных химическими и ферментативными способами, высока и составляет до 103 кДа. Такие хитозаны растворимы только в водных растворах органических и минеральных кислот, что не всегда удобно. Для получения хитозана, растворимого в нейтральных растворах ( при рН = 7), исходный хитозан подвергают гидролизу с помощью химических реагентов или ферментов.

В качестве гидролизующего реагента чаще всего применяется пергидроль в виде 3-10%-ного водного раствора при умеренном нагревании до 30-50 °С [28]. Гидролиз снижает молекулярную массу хитозана и улучшает его растворимость в слабокислых водных растворах. При этом получается полидисперсный по молекулярной массе продукт, растворимый в разбавленных растворах кислот при рН > 5.

В качестве ферментных препаратов для деградации хитина и хитозана применяют комплексы ферментов различного происхождения. Это могут быть ферментные комплексы гепатопанкреаса краба или криля, а также панкреатин из поджелудочной железы крупного рогатого скота. Но чаще для этой цели применяют ферментные комплексы с хитинолитической активностью микробиологического происхождения. Применение ферментных препаратов для деградации хитозана позволяет получать низкомолекулярные хитозаны, растворимые в воде и обладающие при этом на порядок более высокой биологической активностью по сравнению с высокомолекулярными хитозанами. Такие свойства низкомолекулярных хитозанов существенно расширяют сферу их применения в качестве медицинских полимеров. Например, на основе низкомолекулярных хитозанов разработаны эффективные радиопротекторы, хиральные селекторы различных субстанций медицинского назначения, антикоагулянты с высокой гепариновой активностью.

Выделенный из хитинового покрова пчёл хитозан для придания ему водорастворимости также подвергается гидролизу комплексом ферментов микробного происхождения. В результате получается продукт, названный апизаном (пчелозаном). Апизан в конце технологической цепочки его получения, после лиофильной сушки, представляет собой тонкий порошок светло-коричневого цвета, растворимый в кислой среде при рН=5.5, имеет влажность 8-10%, содержание золы 1-2%, степень деацетилирования - 80-85% (Практическая апитерапия. / Хисматуллина Н.3. - Пермь: ЭксЛибрум, 2009. - 336 с.).

Часто на сайтах о пчелопродуктах можно встретить, например, такое нелепое утверждение о преимуществах пчелозана: "...Низкомолекулярный хитозан, полученный из кутикулы пчёл усваивается полностью, в отличие от высокомолекулярного хитозана полученного из панциря ракообразных, который усваивается частично." Во-первых, в конце технологической цепочки получения и тот и другой хитозаны низкомолекулярные. Во-вторых, и это самое главное, по своей биологической природе хитозан относится к пищевым волокнам, которые не усваиваются совсем или усваиваются очень слабо. Глвное их достоинство - способность проходить через ЖКТ не усваиваясь "механически" его очищая (см. страницу свойства хитозана).

Яндекс.Метрика