ХИТОЗАН И ХИТИН: ИСТОЧНИКИ, ПОЛУЧЕНИЕ , ПРИМЕНЕНИЕ

Национальный технический университет «ХПИ», г. Харьков

В последние годы все большую популярность приобретают возобновляемые природные ресурсы, среди которых особое место занимает хитин, второй по распространенности в природе полимер после целлюлозы, и его производный хитозин. Субстанция хитозан входит в состав многих суплементов, с положительным эффектом на снижение уровня холестерина и укрепление имунной системы. Хитозан и его производные находят также широкое применение в медицине, косметике, в химической и пищевой промышленности.

Хитозан – природный продукт, созданный на основе хитиновых оболочек ракообразных, являющихся богатым источником естественных питательных веществ. По своему химическому составу хитозан является полисахаридом – веществом, построенным из около 5 тысяч единиц глюкозамина и ацетилглюкозамина. В отличие от большинства полисахаридов, которые обладают суммарным нейтральным или отрицательным зарядом, хитозан имеет положительный заряд.

Вещество хитозан выделяется вследствие деацетилирования хитина. А сам хитин, это соединение, получаемое при метаболизме углеводов в некоторых беспозвоночных и ракообразных, а также паукообразных и насекомых, и находится в их внешнем скелете (раковинах) или панцыре. Иногда хитин составляет до 85% веса панцыря некоторых разновидностей ракообразных десятиногих. Поэтому отходы производств, перерабатывающих мидий, крабов, креветок и др., являются объектом интересов химической, фармацевтической и косметической индустрий. Важным природным источником хитина служат также зоопланктон, который вырабатывает тонны хитина в год, и членистоногие, чьи панцыри на 30-50% составлены из хитина.

В организме позвоночных хитин выделяется в стенках кишечника, внутреннем скелете, трахее и сухожилиях.

Растительным источником хитина служат клеточные стенки болшинства грибов и некоторые водорасли. Как раз в щелочно-устойчивой фракциии некоторых высших грибов была открыта молекула хитина в 1811 г. французским химиком и фармацевтом Анри Браконо. Ученый назвал изолированное им вещество фунгин (лат. fungus – гриб). В дальнейшем было установлено, что такое же вещество содержится в больших количествах и в других организмах. 12 лет спустя, в 1823 г. другой французский ученый – Огюст Одие, продолжает исследования фунгина, названного им хитином (греч. χιτών (хитон) – одежда, оболочка, кожа). Хитин был обнаружен даже в трилобитах, праисторических членистоногих, исчезнувших с лица земли около 250 млн. лет назад.

Последовавшие исследования показывают, что хитин – азотосодержащий линейный полимер, представляющий собой животный аналог клетчатки и имеющий с ней весьма схожий состав и строение и исполняющий подобные структурно-опорные функции в организмах.

Количество хитина, которое ежегодно синтезируется в природе, оценивается на сотни миллиардов тонн. Его перспективность была обнаружена благодаря замечательному открытию еще одного французского ученого – профессора Шарля Руже, который в 1859 г., при нагревании хитина с концентрированным едким калием, получил продукт, отличающийся рядом интересных свойств. В 1894 г. это вещество получило название хитозан, данное ему немецким физиком Феликсом Хопе-Зейлером. Состав и строение хитина и хитозана были установлены в конце 30-ых годов ХХ века швейцарским химиком Альбертом Хофманом.

С практической точки зрения хитозан и хитин являются однородными понятиями. Принято обозначать вещество как хитин, если оно деацетилировано на 5% и как хитозан –при содержании азота выше 7%. Аминовая группа в составе хитозана меняет его коагулирующие, диспергирующие и хелатные свойства.

Основным сырьем для производства хитозана служат отходы промышленной переработки различных видов ракообразных, прежде всего креветок, крабов и лангуст. Их панцыри и оболочки – богатейший источник хитина и хитозана. Усилия направлены, однако, к поиску более дешевых альтернативных решений, в основном, на использование специально отобранных высокоурожайных сортов грибов. Технология переработки панцырей ракообразных, содержащих в среднем 25% хитина, очень трудоемка. Хорошо знакомую твердость хитиновых структур ракообразных обуславливает хитин-карбонатный комплекс, который образуется в результате отложения хитина на матрице из карбоната кальция. В своем внутреннем слое этот комплекс содержит и различные белковые вещества, которые обеспечивают связь со строением соотствующего организма.

Основные этапы в производстве хитина включают последовательную обработку измельченного сырья минеральной кислотой, едким натром, водой, отбеливателями – для удаления красящих пигментов, спиртом и эфиром – для удаления жиров.

Годовое мировое производство хитина оценивается в 2-3 тысячи тонн, 70% которых уходят на получение хитозана. В зависимости от его чистоты, качества и предназначения цена хитозана варьируется в весьма широких границах – от 30 до 30 000 долларов за килограмм. Мировым лидером производства и применения хитозана является Япония.

В области пищевой промышленности важнейшие свойства хитозана – его антимикробное воздействие и абсолютная безвредность. Благодаря этим качествам хитозан является исключительно подходящим сырем для производства так называемых интеллигентных упаковок нового поколения, превосходящих традиционные стеклянные и пластмассовые. Аттрактивность интеллигентых упаковок в том, что их можно съесть вместе с содержащимся в них продуктом.

Примечательным свойством хитозана, связанным с наличием аминогруппы в его строении, является его склонность в кислой среде приобретать положительный заряд, чем обусловлена его способность связывать липиды (жиры), причем в 15 раз больше своей собственной массы. Благодаря этому своему свойству хитозан выдвинулся в самые почетные ряды средств для сброса лишнего веса.

Методы органического синтеза позволили на базе хитозана создать ряд ценных матералов, нашедших применение в современной медицине: хирургические нити, биосовместимые и биодеградируемые фильмами с бактерицидным и регенеративным действием. Они используются при лечении ран и тяжелых ожогов, препаратов для стимулирования кишечного трафика, для сокращения уровня мочевой кислоты и т.д. Научные исследования доказывают, что хитозан снижает уровен „плохого” (LDL) холестерина и повышает уровень „хорошего” (HDL). Такое действие хитозана объясняется его способностю связываться с желчной кислотой, при помощи которой происходит усвоение холестерина. В результате и она, и холестерин выводятся из организма. Таким образом, вследствие снижения холестерина и отрицательного воздействия хлорида натрия, уменьшается риск развития атеросклероза и регулируется кровяное давление.

Наличием аминогрупп в строении хитозана обусловлено и другое его важное свойство – способность соединяться, в виде так называемых хелатов, с ионами тяжелых металлов. Этот факт, в сочетании с выраженными адсорбционными и коагулационными свойствами хитозана, делает его исключительно ценным материалом для очистки сточных вод.

Производные хитозана находят важное применение и в косметике, в производстве препаратов для омоложения кожи и удаления морщин, гелеобразных средств ухода за кожей, волосами и полостью рта. Для косметической индустрии ценны такие свойства хитозана и его производных, как отсутствие токсичности, влагоудерживающая способность, эффективность взаимодействия с кожей, катионный характер, антиоксидантность. Хитозан используют в качестве более дешевого и доступного заменителя гиалуроновой кислоты. Этот полимер оказывается идеальным эмульгатором, увлажнителем, антистатическим и пленкообразующим компонентом косметических средств. Ряд препаратов для ухода за волосами – шампуни, гели, лаки, бальзамы – содержат хитозан или его производные, которые способствуют образованию тонкой защитной пленки на волосах.

В наши дни интерес к хитозану огромен, из-за необъятных возможностей для получения путем органического синтеза исключительно широкого спектра продуктов, способных ответить на многие вызовы будущего.