Хитозан

Хитоза́н — аминосахар, производное линейного полисахарида, макромолекулы состоят из случайно связанных β-(1-4) D-глюкозаминовых звеньев и N-ацетил-D-глюкозамин. Получают хитозан из пчелиного хитина, в природе встречается в клеточных стенках клеток грибов отдела Zygomycota (в комплексе с хитином) и панцирях ракообразных. Хитозан — катионный полисахарид основного характера. Достигнут уровень очистки до 85 %.

undefined
Общие сведения
Хитозан
Общие
Традиционные названия хитозан, деацетилхитин, поли-D-глюкозамин
Хим. формула 12H22O8N2)n
Внешний вид белый (или слегка кремовый) порошок, растворимый в воде
Физические свойства
Примеси хитин, короткоцепочечные аминосахара
Химические свойства
Изоэлектрическая точка 6,5
Классификация
Рег. номер CAS 9012-76-4
3D model (JSmol) Интерактивная схема
PubChem
UNII
CompTox Dashboard EPA
Рег. номер EINECS 618-480-0
SMILES
InChI
ChEBI
ChemSpider
ECHA InfoCard

Химические свойства

По своей химической структуре хитозан относится к полисахаридам, мономером хитина является N-ацетил-1,4-b-D-глюкопиранозамин.

Молекула хитозана содержит в себе большое количество свободных аминогрупп, что позволяет ему связывать ионы водорода и приобретать избыточный положительный заряд. Отсюда и идёт свойство хитозана, как хорошего анионита.

Это также объясняет способность хитозана связывать и прочно удерживать ионы различных металлов (в том числе и радиоактивных изотопов, а также токсичных элементов).

Хитозан способен образовывать большое количество водородных связей. Поэтому он может связать большое количество органических водорастворимых веществ (бактериальные токсины и токсины, образующиеся в процессе пищеварения).

Хитозан плохо растворим в воде. Это связано с тем, что в воде происходит протонирование NH2-групп, что затрудняет растворение (при этом низкомолекулярный хитозан, например с ММ=20, 38 кДа, является водорастворимым). При этом он довольно хорошо растворяется в растворах соляной и уксусной кислот. В растворах органических дву- и трикарбоновых кислот, например лимонной, щавелевой и янтарной, не растворяется, поскольку данные кислоты образуют межмолекулярные ионные сшивки между аминогрупами соседних цепей хитозана. Может удерживать в своей структуре растворитель, а также растворённые в нём вещества. В растворённом виде хитозан обладает большим сорбирующим эффектом, чем в нерастворённом.

Из-за эффекта молекулярного сита и гидрофобных взаимодействий, хитозан может связывать предельные углеводороды, жиры и жирорастворимые соединения.

Расщепить хитин и хитозан до N-ацетил-D-глюкозамина и D-глюкозамина можно под действием микробных ферментов таких как хитиназы и хитобиазы. Именно благодаря этому хитозан полностью биологически разрушим и не загрязняет окружающую среду.[1]

Производство

Хитозан получают из хитина из панцирей красноногих крабов или из низших грибов путём удаления ацила (карбонового соединения), который придаёт жёсткость хитину.

Хитозан впервые был получен в 1859 году физиологом Шарлем Руже.

undefined

Единственным источником хитозана является хитин. В природе встречается в клеточных стенках зигомицетов (в частности — мукор)

Известно, что панцири ракообразных дорогостоящи. Поэтому, несмотря на то, что есть 15 способов получения из них хитина, был поставлен вопрос о получении хитина и хитозана из других источников, среди которых рассматривались мелкие ракообразные и насекомые.

Одомашненные и поддающиеся разведению насекомые в силу своего быстрого воспроизводства могут обеспечить большую биомассу, содержащую хитин.

Применение

На его основе изготавливаются препараты-гемоста́тики, применяемые в кровоостанавливающих повязках, бинтах и шприцах-аппликаторах. Это связано с самой высокой безвредностью хитозана для человеческого организма среди полисахаридов[3].

Хитозан способен в определённой мере связываться с молекулами жира в пищеварительном тракте. Жир, связанный с хитозаном, не усваивается и выводится из организма. Хитозан применяется как средство, способствующее снижению веса, а также для улучшения холестеринового обмена и перистальтики кишечника. Исследования показали, что применение хитозана при ожирении не эффективно[4].

Для хитозана характерны мукоадгезивные свойства, то есть способность к прилипанию к слизистым оболочкам[5]. Эти свойства хитозана активно используются для создания лекарственных форм, поступающих в организм через слизистые оболочки. Хитозан и его производные с успехом используются для доставки лекарств через нос[6], слизистые мембраны глаз[7], а также ротовую полость[8].

Благодаря своей катионной природе, хитозан способен образовывать нерастворимые полиэлектролитные комплексы с анионными полимерами. Эта способность используется в технологиях капсулирования. Показано успешное применение хитозана в качестве покрытий капсул из альгината, содержащих живые бактерии — пробиотики.[9] Такие покрытия позволяют доставлять бактерии в кишечник и защищают их от пагубного действия кислой среды желудка.

Хитозан вызывает интерес исследователей из-за большого разнообразия антибактериальной активности, а также из-за того, что является нетоксичным, наиболее биосовместимым и биоразлагаемым полимерным веществом. Хитозан является хорошим кандидатом на использование в качестве упаковочного материала. Антибактериальные биополимерные плёнки на основе хитозана и различных натуральных продуктов (имбирь, куркумин и корица), которые, как было доказано в исследованиях in vitro, подавляют рост бактерий[10].

Так же имеются сообщения об использовании хитозана в качестве матрицы-носителя аффинной хроматографии[11].

Примечания

  1. [Химическая структура и свойства ХИТИНА и ХИТОЗАНА.]
  2. Shahidi, F. and Synowiecki, J. Isolation and characterization of nutrients and value-added products from snow crab (Chionoecetes opilio) and shrimp (Pandalus borealis) processing discards (англ.) // Journal of Agricultural and Food Chemistry : journal. — American Chemical Society, 1991. — Vol. 39. — P. 1527—1532. Архивировано 29 сентября 2007 года.
  3. Иван Александрович Федотов, Александр Евгеньевич, Федотов Юрий Михайлович Калацкий, Марина Викторовна Жуйкова, Артем Сергеевич Арапов. Гемостатический материал, гемостатическое средство и перевязочный материал на его основе (англ.). — 2016. — August.
  4. A. B. Jull et al., Chitosan for overweight or obesity, Cochrane Database of Systematic Reviews, 2008, Issue 3, CD003892.
  5. Sogias I.A., Williams A.C., Khutoryanskiy V.V. Why is chitosan mucoadhesive? Biomacromolecules, 9, 1837—1842 (2008)
  6. Casettari L., Illum L. Chitosan in nasal delivery systems for therapeutic drugs // Journal of Controlled Release. — 2014. — № 190. — С. 189—200.
  7. Qu X., Khutoryanskiy V.V., Stewart A., Rahman S., Papahadjopoulos-Sternberg B., Dufes C., McCarthy D., Wilson C.G., Lyons R., Carter K.C., Schätzlein A., Uchegbu I.F. Carbohydrate-based micelle clusters which enhance hydrophobic drug bioavailability by up to 1 order of magnitude // Biomacromolecules. — 2006. — № 7/12. — С. 3452—3459.
  8. Koland M., Charyulu R.N., Vijayanarayana K., Prabhu P. In vitro and in vivo evaluation of chitosan buccal films of ondansetron hydrochloride // Int J Pharm Investig.. — 2011. — № 1(3). — С. 164—171.
  9. Cook M.T., Tzortzis G., Charalampopoulos D., Khutoryanskiy V.V. Production and evaluation of dry alginate-chitosan microcapsules as an enteric delivery vehicle for probiotic bacteria // Biomacromolecules. — 2011. — № 12(7). — С. 2834—2840.
  10. Khadiga Ahmed Ismail, Ahmad El Askary, M. O. Farea, Nasser S. Awwad, Hala A. Ibrahium. Perspectives on composite films of chitosan-based natural products (Ginger, Curcumin, and Cinnamon) as biomaterials for wound dressing (англ.) // Arabian Journal of Chemistry. — 2022-04-01. — Vol. 15, iss. 4. — P. 103716. — ISSN 1878-5352. — doi:10.1016/j.arabjc.2022.103716.
  11. Гарипова М.И. Химия пептидных соединений. https://xn--80abvyzg.xnp1ai/%D1%81%D1%82%D1%83%D0%B4%D0%B5%D0%BD%D1%82%D0%B0%D0%BC/uchebnoe_posobie_himiya_peptidnyh_soedineniy.pdf. ГОУВПО Башкирский государственный университет (2016).

Ссылки