Хитозан
| Хитозан | |
|---|---|
 Хитозан | |
| Общие | |
| Традиционные названия | хитозан, деацетилхитин, поли-D-глюкозамин |
| Хим. формула | (С12H22O8N2)n |
| Внешний вид | белый (или слегка кремовый) порошок, растворимый в воде |
| Физические свойства | |
| Примеси | хитин, короткоцепочечные аминосахара |
| Химические свойства | |
| Изоэлектрическая точка | 6,5 |
| Приведены данные для стандартных условий (25 °C, 100 кПа), если не указано иное. | |
Хитоза́н — аминополисахарид, получаемый путём деацетилирования хитина. Это биополимер, состоящий из β-(1→4)-связанных остатков D-глюкозамина и N-ацетил-D-глюкозамина. Хитозан широко применяется в медицине, сельском хозяйстве, пищевой промышленности и биотехнологии благодаря своим уникальным физико-химическим свойствам и биологической активности.
Описание
Хитозан представляет собой линейный полисахарид, молекулярная масса которого варьируется от 3,8 до 20,0 кДа. Внешне хитозан выглядит как белый или слегка кремовый порошок, растворимый в воде.
Химическая формула хитозана — (С12H22O8N2)n. Его уникальные свойства обусловлены наличием свободных аминогрупп, которые имеют значение pKb около 6,5. Это приводит к значительному протонированию аминогрупп в нейтральной и кислой средах, делая хитозан водорастворимым полиэлектролитом с положительно заряженной поверхностью.
Хитозан обладает способностью к биоадгезии, что позволяет ему легко прилипать к биологическим тканям. Это свойство активно используется в медицине для создания лекарственных форм, поступающих в организм через слизистые оболочки. Кроме того, хитозан биосовместим и биоразлагаем, что делает его экологически безопасным материалом[1].
Получение и свойства
Получение хитозана осуществляется путём деацетилирования хитина — структурного элемента экзоскелета ракообразных и клеточных стенок грибов. Наиболее распространённый метод деацетилирования включает гидролиз с использованием избытка гидроксида натрия в водной среде. Процесс проводится при высокой температуре (90–120 °C) в течение нескольких часов. Альтернативные методы включают ферментативное деацетилирование и обработку в среде водного раствора щёлочи с добавлением тиофенола.
Степень деацетилирования (СД) — ключевой параметр, определяющий свойства хитозана. СД выражает процентное содержание глюкозаминовых звеньев в полимерной цепи и варьируется от 60 % до 100 %. Высокая СД приводит к увеличению растворимости хитозана в водных растворах кислот.
Молекулярная масса хитозана также влияет на его свойства. Низкомолекулярный хитозан (3,8–20 кДа) обладает лучшей растворимостью и биодоступностью, в то время как высокомолекулярный (>100 кДа) демонстрирует более выраженные вязкостные и плёнкообразующие свойства.
Хитозан проявляет полиэлектролитные свойства в кислых средах благодаря протонированию аминогрупп. Это обусловливает его способность к образованию комплексов с отрицательно заряженными молекулами и поверхностями. Изоэлектрическая точка хитозана находится при pH 6,5.
Растворимость хитозана зависит от pH среды и степени деацетилирования. В кислых растворах (pH < 6,5) хитозан хорошо растворим, образуя вязкие растворы. В нейтральных и щелочных средах он нерастворим, что используется для получения гелей и плёнок.
Хитозан обладает способностью к биоадгезии, что обусловлено электростатическим взаимодействием между его положительно заряженными аминогруппами и отрицательно заряженными поверхностями клеток и тканей. Эта особенность широко применяется в создании систем доставки лекарств.
Биоразлагаемость хитозана связана с наличием в организме ферментов (хитиназы и хитобиазы), способных расщеплять его молекулы. Скорость биодеградации зависит от молекулярной массы и степени деацетилирования полимера.
Антимикробные свойства хитозана проявляются в отношении широкого спектра микроорганизмов. Механизм действия основан на взаимодействии положительно заряженных молекул хитозана с отрицательно заряженными компонентами клеточных мембран бактерий, что приводит к нарушению их целостности.
Хитозан обладает способностью к хелатированию ионов металлов, что обусловлено наличием свободных аминогрупп. Это свойство используется для очистки воды от тяжёлых металлов и в пищевой промышленности для стабилизации продуктов[2].
Применение
В сельском хозяйстве
Хитозан широко применяется в сельском хозяйстве благодаря своим уникальным свойствам. Обработка семян хитозаном повышает их всхожесть и прорастание. Этот эффект достигается за счёт стимуляции выработки фитоалексинов — веществ, усиливающих иммунитет растений. Хитозановое покрытие также защищает семена от патогенных микроорганизмов в почве.
В качестве биопестицида хитозан эффективен против широкого спектра грибковых инфекций. Механизм действия основан на активации защитных систем растений. При обработке листьев или корней хитозаном происходит увеличение синтеза лигнина, каллозы и других защитных соединений. Это повышает устойчивость растений к таким заболеваниям, как мучнистая роса, фитофтороз и серая гниль.
Хитозан улучшает усвоение питательных веществ растениями. Он образует комплексы с микроэлементами, делая их более доступными для корневой системы. Это особенно важно для культур, выращиваемых на почвах с дефицитом микроэлементов.
Применение хитозана в качестве удобрения способствует улучшению структуры почвы. Он стимулирует рост полезных почвенных микроорганизмов, увеличивает водоудерживающую способность грунта и снижает его эрозию. В результате повышается плодородие почвы и урожайность сельскохозяйственных культур.
Хитозан используется для создания биоразлагаемых плёнок, применяемых в мульчировании. Такие плёнки сохраняют влагу в почве, подавляют рост сорняков и постепенно разлагаются, обогащая почву органическими веществами.
В животноводстве хитозан применяется как кормовая добавка. Он улучшает усвоение питательных веществ, стимулирует иммунную систему и обладает антибактериальным эффектом. Это приводит к повышению продуктивности сельскохозяйственных животных и снижению использования антибиотиков.
Хитозан эффективен в борьбе с нематодами — паразитическими червями, поражающими корни растений. Он нарушает процесс линьки нематод, что приводит к снижению их популяции в почве.
В виноградарстве хитозан используется для защиты лозы от грибковых заболеваний, таких как милдью и оидиум. Обработка виноградников хитозаном позволяет снизить использование химических фунгицидов, что особенно важно в органическом виноделии[3].
Медицина
Хитозан широко применяется в медицине благодаря своим уникальным свойствам. В области доставки лекарств хитозан используется для создания наночастиц, микросфер и гидрогелей. Эти системы обеспечивают контролируемое высвобождение активных веществ, повышая их биодоступность и снижая побочные эффекты. Хитозановые наночастицы эффективны для доставки противоопухолевых препаратов, антибиотиков и генетического материала.
В тканевой инженерии хитозан служит основой для создания скаффолдов — трёхмерных структур, поддерживающих рост и дифференцировку клеток. Такие скаффолды применяются для регенерации костной, хрящевой и кожной тканей. Хитозановые гели используются для заживления ран, ускоряя процесс регенерации и снижая риск инфекций.
Антимикробные свойства хитозана нашли применение в производстве перевязочных материалов. Повязки на основе хитозана эффективны при лечении ожогов, хронических ран и язв. Они поддерживают влажную среду, необходимую для заживления, и предотвращают бактериальную контаминацию.
В стоматологии хитозан используется для создания биоразлагаемых мембран, применяемых в направленной тканевой регенерации. Эти мембраны способствуют восстановлению костной ткани при пародонтозе и имплантации. Хитозановые гели применяются для лечения гингивита и в качестве носителя для местной доставки антибиотиков.
Хитозан нашёл применение в офтальмологии для создания глазных капель с пролонгированным действием. Такие препараты улучшают биодоступность лекарственных веществ и увеличивают время их контакта с поверхностью глаза. Это особенно важно при лечении глаукомы и синдрома сухого глаза.
В гемостазе хитозан используется для создания кровоостанавливающих материалов. Положительно заряженные молекулы взаимодействуют с отрицательно заряженными мембранами эритроцитов, ускоряя процесс свёртывания крови. Хитозановые повязки эффективны при лечении травматических кровотечений и в хирургической практике.
В области иммунологии хитозан применяется как адъювант в вакцинах. Он усиливает иммунный ответ организма на антигены, повышая эффективность вакцинации. Хитозановые наночастицы используются для создания мукозальных вакцин, обеспечивающих иммунизацию через слизистые оболочки[4].
Хроматография
В хроматографии хитозан применяется в качестве стационарной фазы для разделения и очистки биомолекул. Хитозановые сорбенты эффективны для выделения белков, пептидов и нуклеиновых кислот. Их преимущество заключается в высокой селективности и биосовместимости. Хитозан-модифицированные колонки используются в аффинной хроматографии для очистки рекомбинантных белков и моноклональных антител. В ионообменной хроматографии хитозановые матрицы применяются для разделения анионов и катионов. Хитозан также используется в тонкослойной хроматографии для анализа аминокислот и пептидов[5].
Примечания
- ↑ Хитозан / Под ред. Скрябин К.Г., Михайлов С.Н., Варламов В.П. Москва: Центр «Биоинженерия» РАН, - 2013. - 593 с..
- ↑ Хитин и хитозан: Получение, свойства и применение / Под ред. Скрябин К.Г., Вихорева Г.А., Варламов В.П. Москва: Наука, - 2002. - 368 с..
- ↑ Мочалова А.Е. Современное состояние направленной модификации хитозана / А.Е. Мочалова, Л.А. Смирнова // Высокомолекулярные соединения Б. - 2018. - № 2. - P. 89–122..
- ↑ Ениколопов Н.С. Твердофазные химические реакции и новые технологии / Н.С. Ениколопов // Успехи химии. - 1991. - T. 60 - № 3. - C. 586–594..
- ↑ Feng H. Synthesis and characterization of phthaloyl-chitosan-g-poly(l-lactide) using an organic catalyst / H. Feng, C.-M. Dong // Carbohydr. Polym. - 2007. - V. 70. - № 3. - P. 258–264..