Кіріспе

Хитозан – кездейсоқ тараған β (1→4) байланысты D-глюкозамин (деацетилденген бірлік) және N-ацетил D-глюкозамин (ацетилденген бірлік) құрамындағы сызықтық полисахарид. Ол креветкалар және басқа да қабықтылылардың хитин қабықтарын сілтілік заттармен, мысалы, натрий гидроксидімен өңдеу арқылы алынады. Хитозанның көптеген коммерциялық және медициналық қолданыс салалары бар. Ауыл шаруашылығында оны тұқымдық өңдеу және биопестицид ретінде пайдалануға болады, бұл өсімдіктерге көкжәйтүн инфекцияларына қарсы күресуге көмектеседі. Шарап жасауда оны тазалаушы зат ретінде қолдануға болады, сондай-ақ бұзылудың алдын алуға да мүмкіндік береді. Өнеркәсіпте оны өздігінен жазылатын полиуретандық бояу жабынында қолдануға болады. Медицинада қан кетуді азайту үшін таңуларда және антибактериялық зат ретінде пайдалы; сонымен қатар, тері арқылы дәрілерді жеткізуге көмектесу үшін де қолданылуы мүмкін.

Өндiрiс және қасиеттер

Хитозан коммерциялық түрде хитинді деацетилдендіру арқылы өндіріледі, хитин – буынқұрбақтылардың (мысалы, қабылдақтар мен шаян тәрізділердің) экзоскелеті мен саңырауқұлақтардың жасуша қабырғаларының құрылымдық элементі. Орташа есеп бойынша, коммерциялық түрде өндірілген хитозанның молекулалық салмағы 3800–20 000 дальтонды құрайды. Хитозан алудың әдеттегі әдісі – хитинді реактив ретінде артық мөлшердегі натрий гидроксидімен және еріткіш ретінде суды пайдалана отырып деацетилдендіру. Реакция бірінші реттік кинетика заңдылықтарына бағынады, бірақ ол екі сатыда жүзеге асады; бірінші сатыдағы белсендіру энергиясының кедергісі 25–120 °C температурада 48,8 кДж·моль-1 деп есептеледі және екінші сатыдағы кедергіден жоғары. Хитозандағы амин тобының pKb мәні ~6,5-ке тең, бұл бейтарап ортада маңызды протондануға алып келеді, ал қышқылдықтың артуымен (pH төмендеуімен) және %DA мәнімен бірге өседі. Бұл хитозанды суда ерігіш және теріс зарядталған беттерге, мысалы, шырышты қабықшаларға оңай байланысатын биоадгезивті етеді. Сонымен қатар, хитозан сулы ерітіндіде гидрофобтық өзара әрекеттесу және/немесе катион-π өзара әрекеттесу (хитозан катион көзі ретінде) арқылы басқа беттерге тиімді байланыса алады. Хитозан тізбектеріндегі бос амин тобы дикарбон қышқылдарымен кросстық байланысқан полимерлік желілер құрап, хитозанның механикалық қасиеттерін жақсарта алады. Хитозан эпителий беттері арқылы полярлы дәрілердің тасымалдануын күшейтеді, сонымен қатар биологиялық үйлесімді және биодеградацияланатын қасиеттеріне ие. Дегенмен, ол дәрілік заттарды жеткізу үшін FDA бекітпеген. Биомедициналық қолданулар үшін тазартылған хитозанның белгілі бір мөлшері қол жетімді.

Ауыл шаруашылығы және бау-бақша шаруашылығында пайдалану

Хитозанның ауыл шаруашылығы және бау-бақшада қолданылуы, негізінен өсімдіктерді қорғау және өнімділікті арттыру мақсатында, осы глюкозамин полимерінің өсімдік жасушасының биохимиясы мен молекулалық биологиясына тигізетін әсеріне негізделген. Жасушалық мақсаттар – плазмалық мембрана және ядролық хроматин. Содан кейін жасуша мембраналарында, хроматинде, ДНК-да, кальцийде, MAP киназада, тотығудың күрт өсуінде, реактивті оттегі түлестерінде, каллозаға байланысты патогенез (PR) гендерінде және фитоалексиндерде өзгерістер пайда болады. Хитозан алғаш рет 1986 жылы белсенді компонент ретінде (сатуға рұқсат етілген) тіркелді.

Табиғи биобақылау және эликтор

Ауыл шаруашылығында хитозан әдетте тұқымдарды табиғи өңдеу және өсімдіктердің өсуін күшейту үшін, сондай-ақ өсімдіктердің саңырауқұлақ инфекцияларына қарсы тұру қабілетін арттыратын экологиялық таза биопестицид ретінде қолданылады. Хитин/хитозан – табиғи биологиялық бақылаудың белсенді ингредиенттері, олар лобстерлер, крабтар, креветкалар сияқты қыбыршақты моллюскалардың қабықтарында және жәндіктер мен саңырауқұлақтарды қоса алғанда, көптеген басқа да организмдерде кездеседі. Бұл әлемдегі ең көп таралған, биоразлаган материалдардың бірі. Хитин/хитозанның ыдыраған молекулалары топырақ пен суда болады. АҚШ-та өсімдіктер мен дақылдарға арналған хитозанды қолдануды EPA реттейді, ал USDA Ұлттық органикалық бағдарламасы оны органикалық сертификатталған шаруашылықтар мен дақылдарда қолдануды реттейді. EPA мақұлдаған, биоразлаган хитозан өнімдерін коммерциялық мақсатта өсірілетін және тұтынушылар өсірген өсімдіктер мен дақылдарда сыртқы және ішкі жағдайларда қолдануға рұқсат етіледі. Еуропалық Одақ пен Ұлыбританияда хитозан кең ауқымды дақылдарда қолданылатын биологиялық фунгицид және бактерицид ретінде "негізгі зат" ретінде тіркелген. Хитозанның табиғи биологиялық бақылау қабілетін тыңайтқыштар мен пестицидтердің өсімдіктерге немесе қоршаған ортаға тигізетін әсерімен шатастыруға болмайды. Хитозаннан жасалған белсенді биопестицидтер – ауыл шаруашылығы мен бау-бақша шаруашылығындағы дақылдарды биологиялық бақылаудың жаңа, тиімді әдісі. Хитозанның биологиялық бақылау механизмі өсімдіктерде жәндіктерге, патогендерге және топырақ арқылы таралатын ауруларға қарсы тұру үшін табиғи қорғаныс реакциясын тудырады, оны жапырақтарға немесе топыраққа қолданғанда. Хитозан фотосинтезді күшейтеді, өсімдіктердің өсуін жақсартады, қоректік заттардың сіңуін ынталандырады, өскінді және көктеп шығуын арттырады, сондай-ақ өсімдіктердің күшін арттырады. Мақта, жүгері, тұқымдық картоп, соя, қант қызылшасы, қызанақ, бидай және басқа да көптеген тұқымдарға тұқымды өңдеу немесе қаптау ретінде қолданғанда, ол пайдалы нематодтар мен организмдерге зиян келтірмей, паразиттік цисталы нематодтарды жоятын тамырлардың иммунитетін күшейтеді. Ауыл шаруашылығында хитозанды қолдану құрғақшылық пен топырақ жетіспеушілігінен туындаған экологиялық стрессті азайтады, тұқымның өміршеңдігін арттырады, көкөністердің, жемістердің және цитрус дақылдарының сапасын жақсартады, өнімділігін арттырады және шіруді азайтады. Бау-бақша шаруашылығында хитозан гүлдеуді күшейтеді және кескен гүлдер мен Рождестволық шыршалардың өмірін ұзартады. АҚШ Орман шаруашылығы қытозанды қарағайдағы патогендерді бақылау және қарағай қоңызына қарсы тұратын шайырдың ағынын арттыру үшін зерттеулер жүргізді. Хитозанның ауыл шаруашылығы мен бау-бақша шаруашылығындағы қолданылуына қатысты зерттеулер 1980 жылдарға дейін жетеді. 1989 жылы хитозан тұздарының ерітінділері дақылдарды тоңудан қорғау үшін немесе тұқымдарды дайындау үшін қолданылды. Одан кейін хитозан тұзы EPA-дан биопестицидке алғашқы тіркеме алды, одан кейін басқа да интеллектуалдық меншікке қатысты өтінімдер келіп түсті. Хитозан ғарышқа ұшып бара жатқан өсімдіктерді қорғау үшін де қолданылды, мысалы, 1997 жылы ғарыш айлағында және "Мир" ғарыш станциясында өсірілген адзуки бұршағын қорғау үшін NASA жүргізген эксперимент (сол жақтағы суретке қараңыз). NASA-ның нәтижелері хитозан өсімдік жасушаларында β (1→3) глюканаза ферменттерінің деңгейінің артуына байланысты өсімді (биомасса) және патогенге қарсы тұру қабілетін арттыратынын көрсетті. NASA хитозанның жердегі өсімдіктерге де осындай әсер ететінін растады. 2008 жылы EPA 0,25% хитозаннан тұратын ультра төмен молекулалық белсенді компонентке табиғи, кең спектрлі элицитор мәртебесін берді. 2009 жылы EPA ауыл шаруашылығы мен бау-бақшада қолдануға арналған табиғи хитозан элициторлы ерітіндіге жапыраққа шашып және суару арқылы қолдануға рұқсат беретін өзгертілген тіркеме берді. Хитозан қоспалары ағаштың жапырақтарына немесе топырағына жаққанда қабық қоңыздарына қарсы тиімді емес.

Сүзгілеу

Хитозан гидрологияда сүзгілеу процесінің бір бөлігі ретінде қолданылуы мүмкін. Хитозан ұсақ шөгінді бөлшектерін біріктіріп, тұрғызып, одан кейін құмды сүзгілеу кезінде шөгіндімен бірге жойылады. Ол сондай-ақ судағы ауыр минералдарды, бояуларды және майларды да кетіреді. Хитозан – ауыр металдарды қоршаған ортаға зиян келтірмей жоюға қолданылатын биологиялық адсорбенттердің бірі.

Шарап жасау және саңырауқұлақтардан алынған хитозан

Хитозан шарап жасауда тұндырғыш ретінде қолданылуының ұзақ тарихы бар. Саңырауқұлақтан алынған хитозан тұну активтілігін күшейтеді, шырын мен шараптағы тотыққан полифенолдарды азайтады, мырышты келаттау және жою (құйылғаннан кейін) және Бреттаномицес бұзылу ашытқысын бақылауға көмектеседі. Бұл өнімдер мен қолданылулар Еуропалық Одақ және Халықаралық шарап және шарап өнімі жөніндегі ұйым (OIV) стандарттарымен Еуропалық қолданысқа бекітілген.

Жараны емдеу

Хитозан негізіндегі жара таңғыштары әртүрлі жедел және созылмалы жараларды емдеу үшін кеңінен зерттелді. Хитозан фибриногенге жабысу қабілетіне ие, бұл тромбоциттердің жабысуын күшейтеді, қан ұюына және гемостазға алып келеді. Хитозан гемостатикалық заттары – хитозанды органикалық қышқылмен (мысалы, сукцинат немесе сүт қышқылымен) қосып дайындалған тұздар. Хитозанның жараларды жазуға қолайлы басқа да қасиеттері болуы мүмкін, оның ішінде бактерияға және саңырауқұлаққа қарсы белсенділік, олар бойынша алдын ала зерттеулер жүргізілуде. Хитозан кейбір жара таңғыштарында қан кетуді азайту үшін қолданылады. Хитозан гидрогелі негізіндегі жара таңғыштары күйіктерді емдеуге, сондай-ақ созылмалы диабеттік жараларды және фторсутек қышқылынан болған күйіктерді емдеуге пайдалы екені анықталды.

Температураға сезімтал гидрогельдер

Хитозан сұйылтылған органикалық қышқыл ерітінділерінде ериді, бірақ pH 6,5-те сутегі иондарының жоғары концентрациясында ерімейді және гель тәрізді зат ретінде шөгінді түзеді.

Зерттеу

Хитозан және оның туындылары наноматериалдар, биожапсырғыштар, жараларды емдеуге арналған материалдар және медициналық құрылғыларды жасауда зерттелді.

Биобаспа жасау

[[Сурет: Хитозаннан жасалған заттар.png|thumb|500px|right|Хитозаннан жасалған ірі үш өлшемді функционалдық нысандар. Бұл, хитозанды пайдалана отырып, кең ауқымды тұтыну тауарларын өндіруге арналған биобаспа әдістерін дамытуға алып келді. Бұл әдіс хитозанның молекулалық құрылымын табиғи материалдардан өндіріс әдістеріне, мысалы, инъекциялық қалыптауға немесе қалыпқа құюға көшіруге негізделген. Қолданыстан кейін хитозаннан жасалған бұйымдар биологиялық түрде ыдырайды және улы емес. Бұл әдіс адам ағзалары мен тіндерін жасауға және биобаспаға қолданылады. Пигменттелген хитозан бұйымдарын қайта өңдеуге болады, әрбір қайта өңдеу кезеңінде бояуды қайта қосу немесе жою мүмкіндігі бар, бұл бояуларға тәуелсіз полимерді қайта пайдалануға мүмкіндік береді. Өсімдік негізді басқа биопластиктерден (мысалы, целлюлоза, крахмал) айырмашылығы, хитозанның негізгі табиғи көздері теңіз ортасынан алынады және жер немесе басқа да адам ресурстары үшін бәсекелеспейді. Тін инженериясы мүшелерін жасау үшін 3D-биобаспаға арналған тіндік қаңқаларды жасауда хитозан кең таралған. Хитозанның жоғары биологиялық үйлесімділігі, биологиялық ыдырау қабілеті, сондай-ақ микробқа қарсы, гемостатикалық, жараны жазуға және иммуномодуляциялық қасиеттері бар, бұл оны жасанды тіндер жасауға қолайлы етеді.

Салмақтың төмендеуі

Хитозан таблетка түрінде "майды байланыстыратын зат" ретінде сатылады. Хитозанның холестерин деңгейін және дене салмағын төмендетуге тигізетін әсері зерттелгенімен, оның клиникалық маңызы жоқ немесе мардымсыз. 2016 және 2008 жылдарғы шолулар ешқандай маңызды әсерді көрсетпеді және артық салмақты адамдарға хитозан қоспаларын қолданудың қажеттілігін растамады. 2015 жылы АҚШ-тың Тамақ және Дәрі-дәрмек басқармасы түрлі өнімдердің салмақ жоғалтуға тигізетін пайдасы туралы негізсіз мәлімдеме жасаған қосымша сатушыларға қатысты халыққа ескерту жасады.

Биологиялық ыдырайтын микробқа қарсы азық-түліктерді таңбалау

Тамақ өнімдерінің микробтық ластануы олардың бұзылу процесін үдетеді және өмірге қауіпті патогендерден туындаған тағамдық аурулардың қаупін арттырады. Көбінесе тағамның ластануы сыртқы беттен басталады, сондықтан тағамның сапасы мен қауіпсіздігін қамтамасыз ету үшін беткі өңдеу және қаптама маңызды факторлар болып табылады.