Образование хитина. Хитин

Хитин представляет собой природное соединение из ряда азотосодержащих . Его также принято называть «шестой элемент». Хитин в достаточно больших количествах содержится в организмах некоторых насекомых, различных ракообразных, в стеблях и листьях растений. Стоит отметить, что в природе по своим производительным данным он уступает только .

На протяжении сотней лет хитин считался отходом, так как он по своему составу не способен растворятся ни в разбавленных щелочах, и многих других растворителях, ни в воде. Плюсом хитина является высокая эксплуатационная себестоимость при прямом использовании, в отличие от целлюлозы.

Полезные свойства хитина

Научно-технические открытия позволили человеку обнаружить в хитине ряд интересных свойств, которыми целлюлоза не обладает. К примеру, на сегодняшний день данное вещество – единственная съедобная животная целлюлоза во всем мире. Следует отметить, что хитин заряжен исключительно положительными ионами. Помимо этого, в его состав входят минералы, жиры, сахар и белки, что дает полное право для того, чтобы считать его шестым жизненно необходимым человеку важным элементом.

Попадая в человеческий организм, хитин активно поглощает негативно заряженные жирные кислоты. Таким образом, данное вещество препятствует их всасыванию в кишечник. Постепенно хитин выводит негативно заряженные жирные кислоты из организма.

Волокна хитина беспрерывно активизируют перистальтику пищеварения. Данное воздействие стимулирует употребляемую пищу перемещаться в пищеварительном тракте в ускоренном режиме. Таким образом, хитин – это действенный и безопасный метод . Помимо этого, волокна хитина обладают свойством связывать холестерин и жирные кислоты, препятствуя при этом всасыванию вредных веществ в кровеносные сосуды.

Хитозан, который получен путем дезацетилирования, эффективно активизирует необходимую деятельность клеток организма человека. При этом он значительно налаживает нервную саморегуляцию и гормональную секрецию.

Научные работы показали, что хитозан обладает способностью снижать концентрацию холестерина в крови. Таким образом, он не позволяет оседать ему в печени и препятствует его всасыванию в тонком кишечнике.

Помимо этого, данное вещество значительно ограничивает абсорбцию ионов хлора в организме человека, понижая кровяное давление и расширяя сосуды. Одним словом, хитин существенно замедляет процесс старения организма, укрепляя иммунитет, защищая печень, регулируя функции внутренних органов, активизируя клетки и очищая организм от вредных токсинов и шлаков.

Дары моря хитин и хитозан обратили на себя внимание ученых почти 200 лет назад. Хитин был открыт в 1811 г., а хитозан в 1859 г. Но более интенсивное освоение его начато позже, о чём свидетельствуют материалы международных конференций по хитозану, проводимых с 1977 года. После 1985 года резко возросло количество сообщений по применению этого замечательного продукта. В настоящее время интерес к хитозану лавинообразно нарастает с каждым годом – в этой области теперь работают и крупнейшие мировые концерны, ранее не связанные ни с природными соединениями, ни даже вообще с химией.

Что такое хитин?

Хитин(C8H13NO5)n (фр. chitine, от др.-греч.: хитон - одежда, кожа, оболочка) высокомолекулярный линейный полисахарид, который в комплексе с белками, меланинами и минеральными веществами образует твердый наружный покров и внутренние опорные структуры насекомых, ракообразных, а также входит в состав клеточной стенки грибов и бактерий. Т.е., хитин природное вещество, созданное для защиты живых организмов от вредного воздействия.

Хитин является вторым веществом по распространенности в природе после целлюлозы, а их химическая структура и очень близка.

На сегодняшний день хитин получают в основном из панцирей ракообразных. В России главным источником хитина является камчатский краб, краб стригун и углохвостая креветка, обитающая в Баренцевом море. Основное производное хитина - хитозан.

Что такое хитозан?

Хитозан – это биоактивный катионный полисахарид, мономером которого является N-ацетил-1,4-b-D-глюкопиранозамин, его получают только из хитина, путем жесткой обработки щелочными растворами.

Хитозан обладает антибактериальными, противогрибковыми, антиоксидантными, противодиабетическими, противовоспалительными и противораковыми свойствами, а также он способен снижать уровень холестерина в крови. Ему свойственны такие характеристики как биосовместимость, нетоксичность, низкая аллергенность и биоразлагаемость.

Широкое применение хитозан нашел в следующих сферах человека

Медицина
Сельское хозяйство
Текстильная промышленность
Пищевая и молочная промышленность
Водоподготовка

Молекула хитозана представляет собой длинную цепочку, состоящую из множества гексозных (мономерных) колец, доходящих до десятков миллионов, поэтому данный биополимер не растворяется в воде и не всасывается в кишечнике, а действует как мощный сорбент. Благодаря своим сильным сорбционным свойствам хитозан похож на большой товарный поезд, который выводит из кишечника не только вредные, но и полезные вещества, подвергая организм тотальной чистке. В ряде случаев такая «чистка» имеет смысл, но зачастую причиняет организму человека значительный вред. Таким образом, хитозан – это сорбент, который нерастворим в воде и не участвует в обменных процессах организма в полном объеме.

Что такое олигосахариды хитозана и чем они отличаются от хитозана?

Чтобы активно участвовать в обменных процессах организма, необходимы водорастворимые формы хитозана, которые при внутреннем употреблении легко будут проникать через стенки кишечника в кровеносную систему и активно участвовать в профилактике нарушений обмена веществ. Для получения водорастворимых форм хитозана необходимо разорвать длинную (полимерную, с количеством звеньев n=∞) цепочку хитозана на короткие – олигомеры (малые, n< 20) путем воздействия на них натуральных ферментов. В результате образуются низкомолекулярные водорастворимые формы хитозана – олигосахариды хитозана .

Олигосахариды хитозана близки по своей структуре к олигосахаридам женского грудного молока. Являясь полностью натуральным продуктом, по своим свойствам олигосахариды хитозана биосовместимы с тканями человеческого организма (соединительной, хрящевой), беспрепятственно проникают через стенку кишечника при внутреннем употреблении или через кожу в случае наружного применения.

Олигосахариды хитозана , обладая хелатными (захватывающими) свойствами являются мощным транспортным средством, способным доставлять в кровоток организма витамины, аминокислоты, лекарственные средства, макро- и микроэлементы, и другие различные необходимые вещества. С помощью олигосахаридов хитозана могут быть доставлены в организм самые трудноусвояемые полезные вещества даже на клеточном уровне.

Японские специалисты считают, что уже через два три десятилетия промышленная цивилизация будет немыслима без хитозана точно также, как без алюминия, полиэтилена или персонального компьютера, а доходность и товарооборот этой отрасли в самое ближайшее время станет выше, чем в целлюлозно-бумажной.

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 С6 (Н2 O)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 CH3 CO (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 СН3 СО. Поэтому, в отличии от хитина, хитозан может иметь структурную неоднородность обусловленную неполной завершённостью реакции деацетилирования. Содержание остаточных ацетильных групп СН3 СО (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.

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

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 . 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

Хитин - что такое? Это химическое соединение, принадлежащее к полисахаридам, которое содержит азот. Его полное химическое наименование: поли-N-ацетил-D-глюкозо-2-амин. Но так произносить долго и громоздко, поэтому ученые придумали простое и интересное слово - хитин, означающее «оболочка» или «одежда» на греческом.

Определение

Все знают, что в панцирях ракообразных и насекомых есть хитин. Почему этот биополимер такой популярный? В природе каждый год производится огромное количество целлюлозы, которая входит в состав практически всех растений и, как ни странно, хитина. Помимо морских животных и жуков с мотыльками, это вещество содержится в клетках грибов и бактерий. Хитин обеспечивает рост волос и ногтей у человека.

Хитин - что такое? Довольно хрупкое вещество, поэтому в природе он встречается в виде соединений с белками и другими химическими элементами. У этого полимера существует много аналогов в пищевой и фармацевтической промышленности. Его используют в качестве стабилизаторов и загустителей. В продуктах хитин принимает вид хитозана - вещества, которое образуется под действием высокой температуры и щелочи.

История открытия

Как же в поле зрения человека попал этот полимер? Хитин - что такое? Люди узнали о нем в 1811 году благодаря работам профессора Генри Браконно. Он первым решился на химическое исследование грибов. Его заинтриговало вещество, которое не поддавалось довольно агрессивному воздействию сильных кислот.

Двенадцать лет спустя, в 1823 году, аналогичное вещество было обнаружено в панцирях майских жуков. Именно в этот момент полимер получил свое название. По структуре материал был похож на целлюлозу, но гораздо прочнее. Пространственную структуру хитина удалось отрыть химику Альберту Хофманну. Через тридцать пять лет ученое сообщество узнало и о хитозане.

Больше чем на полвека разговоры об этом веществе прекратились. Казалось, что все уже выяснено, изучать по данному вопросу больше нечего, но в тридцатых годах прошлого века интерес к хинину снова возник. Это было связано с развитием косметической отрасли. Спустя сорок лет наука придумала способ изготавливать этот уникальный материал в промышленных масштабах.

В природе

В естественной среде практически на каждом шагу встречается хитин. Что такое ценное вещество делает под ногами? Панцирь насекомого или членистоногого, клеточка гриба и лишайника, крылья бабочек и мотыльков содержат хитин. Хитин входит в состав клеточной стенки грибов. Он держит их специфическую форму, делает мягкими и упругими.

Благодаря известной прочности этого материала маленькие создания могут свободно существовать, ведь их мягкие тела не имеют скелета, в отличие от рыб и позвоночных животных. Хитин защищает насекомых и членистоногих от обезвоживания и высыхания.

Для большей прочности хитин соединяется с белками, например резилином. От его концентрации зависят физические свойства материала: твердость, подвижность, гибкость и другие. В комбинации с кальцием хитин образует раковину моллюсков.

Если животное вырастает из своей «брони», то наблюдается процесс смены панциря. На какое-то время насекомое становится беззащитным перед внешними факторами. Благо, свежий хитин быстро твердеет под воздействием воздуха и тепла.

Биологическая роль

Хитин входит в состав клеток животных и растений, которые человек употребляет в пищу. Попадая в организм, это вещество связывает жиры и таким образом снижает уровень холестерина в крови. Кроме того, он влияет на обмен кальция и ускоряет его выведение, снижает уровень жирорастворимых витаминов, особенно Е.

Известно, что хитин проявляет и антибактериальные свойства, поэтому его используют в антисептических препаратах. Данное вещество добавляют в детское питание для новорожденных, которые не переносят лактозу.

Хитин можно использовать для профилактики язвенной болезни, предотвращения появлений опухолей и остеопороза.

К сожалению, есть и отрицательные стороны. Длительный прием хитина подавляет размножение нормальной микрофлоры кишечника и стимулирует активность условно-патогенных бактерий, вызывая дисбактериоз.

Полезные свойства

Хитин в грибах - настоящий подарок природы человеку. Употребление продуктов, содержащих данное вещество, помогает поддержать здоровье. Благодаря своему действию на холестерин и другие липидные фракции, хитин помогает снизить вес и давление, предупреждает развитие язвы желудка и улучшает процесс пищеварения. Есть исследования, в которых говорится, что хитин не просто нормализует работу толстого кишечника, но и оказывает превентивное воздействие на клетки, предотвращая рост опухолей и полипов.

Еще одна полезная функция биополимера - облегчение переваривания лактозы. Доказано, что даже у людей с аллергией на молочные продукты, добавление хитина дает потрясающие результаты.

Существует гипотеза, что хитин, в том или ином виде, связывает молекулы жира и не дает им взаимодействовать с клетками организма. Все употребленные в пищу липиды транзитом проходят сквозь кишечную трубку, не оставляя последствий. Известно, что употребление 2,5 г хитина в день помогает сбросить вес.

Фармацевтический аналог

Хитин в клетке организма насекомых или грибов является отличным косметическим и лечебным средством, но ударяться в экзотическую кулинарию, жевать чьи-то панцири или чешую ради похудения не очень удобно. Поэтому фармацевтическая промышленность активно старается наладить доступное производство искусственно синтезированного хитина.

В прошлом веке в СССР велись разработки подобного лекарства, но исследования проводились в закрытых государственных лабораториях и на суд широкой общественности не выставлялись. Ученые доказали, что хитин отлично справляется с лучевой болезнью. Были проведены опыты на животных, а спустя какое-то время и на людях.

Следом за радиацией хитину покорилась аллергия, онкология и гипертония. Исследования все еще продолжаются, так как «золотая середина» между стоимостью производства и качеством получаемого продукта пока не найдена. Последние открытия в этой области сообщают, что найден способ получения хитозана из пчел. Это дало новый виток развития косметологии и медицины.

Нормы и побочные эффекты

Может быть, начать ложками есть хитин? Состав панцирей креветок и чешуи рыб имеет не только этот компонент, поэтому чрезмерная увлеченность морепродуктами не приведет ни к чему хорошему. Ярые поклонники морепродуктов забывают о гельминтозе и отравлении токсинами.

Безопасное количество хитина в день не должно превышать 3 г. Люди с лишним весом могут себе позволить слегка превысить указанную дозировку.

Хронические заболевания печени, нарушения метаболизма, сахарный диабет и аллергия упешно лечатся хитином, поэтому, если вам поставлен один из этих диагнозов, стоит пересмотреть свое отношение к этому веществу, так как оно может помочь поддержать здоровье.

Сферы использования

Хитин - понятие довольно популярное. Человек научился любое вещество использовать для своего блага. Медицина решила использовать его как основу для хирургического материала и бинтов, как антисептик, как индуктор эпителизации (заживление ран) и средство для борьбы с грибковыми заболеваниями. Губки и тампоны из хитина отлично поглощают воду и не деформируются.

Пищеварительная промышленность использует его в качестве натурального загустителя. Очистка воды не обходится без хитина, так как он связывает жиры, соли тяжелых металлов и токсины. Элитный корм для животных также содержит данное вещество.

Косметическая отрасль рекламирует хитин как универсальное средство для поддержания молодости и стройности. Это и средства по уходу за волосами (шампуни, бальзамы, гели), и зубные пасты, и кремы для лица и тела. Антивозрастная косметика на основе хитозана чудесно преображает женщин - разглаживает морщины, улучшает цвет кожи, стимулирует кровообращение.

Кроме того, хитин используют при производстве тканей для нижнего белья.

КУСОК 1

Хитин (C 8 H 13 NO 5) n (фр. chitine , от др.-греч. χιτών: хитон - одежда, кожа, оболочка) - природное соединение из группы азотсодержащих полисахаридов.

Основной компонент экзоскелета (кутикулы) членистоногих и ряда др. беспозвоночных, входит в состав клеточной стенки грибов и бактерий.

В 1821 году француз Анри Браконно, директор ботанического сада в Нанси, обнаружил в грибах вещество, не растворимое в серной кислоте. Он назвал его фунгин . Чистый хитин впервые выделен из внешних оболочек тарантулов. Термин был предложен французским учёным А. Одье, исследовавшим наружный покров насекомых, в1823 году.

Хитин - один из наиболее распространённых в природе полисахаридов - каждый год на Земле в живых организмах образуется и разлагается около 10 гигатонн хитина.

· Выполняет защитную и опорную функции, обеспечивая жёсткость клеток - содержится в клеточных стенках грибов.

· Главный компонент экзоскелета членистоногих.

· Также хитин образуется в организмах многих других животных - разнообразных червей, кишечнополостных и т. д.

Во всех организмах, вырабатывающих и использующих хитин, он находится не в чистом виде, а в комплексе с другими полисахаридами, и очень часто ассоциирован с белками. Несмотря на то, что хитин является веществом, очень близким по строению, физико-химическим свойствам и биологической роли к целлюлозе, в организмах, образующих целлюлозу (растения, некоторые бактерии) хитин найти не удалось.

Хитин жёсткий полупрозрачный.

Химия хитина

В естественном виде хитины разных организмов несколько отличаются друг от друга по составу и свойствам.

Хитин нерастворим в воде, устойчив к разбавленным кислотам, щелочам, спирту и др. органическим растворителям. Растворим в концентрированных растворах некоторых солей (хлорид цинка, тиоцианат лития, соли кальция) и в ионных жидкостях.

При нагревании с концентрированными растворами минеральных кислот разрушается (гидролизуется).

Хитин - это азотосодержащий полисахарид (аминополисахарид) .

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.

В живых в природе организмах может образовываться только хитин, а хитозан является производным хитина.Хитозан получают из хитина деацетилированием с помощью щелочей. Деацетилирование - это реакция обратная ацетилированию, т.е. замещение атомом водорода ацетильной группы СН 3 СО.

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.

КУСОК 2

Меланины определяют окраску покровов и их производных (волос, перьев, чешуи) у позвоночных, кутикулы у насекомых, кожуры некоторых плодов и т.д.

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.

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.

Физико-химические свойства и применение хитина и хитoзана

КУСОК 3

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.

направления их применения хитина и хитозана:

· 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.

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.

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 .

Вам могут быть интересны следующие материалы

Как приготовить котлеты из рыбы в духовке Тресковые котлеты в духовке

Сообщение о химическом элементе железо

Елки

Вязаные

Поздравления

Новый год

Сценарии

Игрушки для елки