Введение

Хитозан – линейный полисахарид, состоящий из D-глюкозамина (деацетилированная единица) и N-ацетил-D-глюкозамина (ацетилированная единица), соединенных β (1→4)-гликозидной связью в случайном порядке. Получают его путем обработки хитиновых панцирей креветок и других ракообразных щелочным веществом, например, гидроксидом натрия. Хитозан имеет множество коммерческих и потенциальных биомедицинских применений. В сельском хозяйстве его используют для обработки семян и в качестве биопестицида, помогая растениям бороться с грибковыми инфекциями. В виноделии он применяется в качестве осветлителя, а также для предотвращения порчи. В промышленности его можно использовать в самовосстанавливающихся полиуретановых покрытиях. В медицине хитозан полезен в повязках для уменьшения кровотечения и в качестве антибактериального средства; его также можно использовать для трансдермальной доставки лекарственных препаратов.

Производство и свойства

Хитозан производится в промышленных масштабах путем деацетилирования хитина, который является структурным компонентом экзоскелета ракообразных (таких как крабы и креветки) и клеточных стенок грибов. В среднем, молекулярная масса коммерчески производимого хитозана составляет 3800–20 000 дальтон. Распространенным методом получения хитозана является деацетилирование хитина с использованием избытка гидроксида натрия в качестве реагента и воды в качестве растворителя. Реакция протекает по кинетике первого порядка, хотя и состоит из двух стадий; энергия активации первой стадии оценивается в 48,8 кДж·моль−1 при 25–120 °C и выше, чем энергия активации второй стадии. Аминогруппа в хитозане имеет значение pKb около 6,5, что приводит к значительной протонизации в нейтральном растворе, которая усиливается с увеличением кислотности (снижением pH) и процента деацетилирования (%DA). Это делает хитозан водорастворимым и биоадгезивным веществом, которое легко связывается с отрицательно заряженными поверхностями, такими как слизистые оболочки. Кроме того, хитозан может эффективно связываться с другими поверхностями посредством гидрофобного взаимодействия и/или катионного π-взаимодействия (хитозан выступает в качестве источника катионов) в водном растворе. Свободные аминогруппы в цепях хитозана могут образовывать сшитые полимерные сети с дикарбоновыми кислотами для улучшения механических свойств хитозана. Хитозан усиливает транспорт полярных лекарственных средств через эпителиальные барьеры, обладает биосовместимостью и биоразлагаемостью. Однако, он не одобрен FDA для доставки лекарств. Очищенные количества хитозана доступны для использования в биомедицинских целях.

Сельскохозяйственное и садоводческое использование

Сельскохозяйственное и садоводческое использование хитозана, главным образом для защиты растений и повышения урожайности, основано на влиянии этого полимера глюкозамина на биохимию и молекулярную биологию растительной клетки. Клетовыми мишенями являются плазматическая мембрана и ядерный хроматин. Впоследствии происходят изменения в клеточных мембранах, хроматине, ДНК, уровне кальция, MAP-киназе, вспышке активных форм кислорода, реактивных кислородных видах, генах, связанных с патогенезом и каллозой (PR-генах), и фитоалексинах. Хитозан впервые был зарегистрирован как действующее вещество (разрешён к продаже) в 1986 году.

Естественный биоконтроль и эликтор

В сельском хозяйстве хитозан обычно используется в качестве натурального средства для обработки семян и стимулятора роста растений, а также как экологически безопасное биопестицидное вещество, усиливающее естественную способность растений защищаться от грибковых инфекций. Натуральные активные ингредиенты биоконтроля, хитин/хитозан, содержатся в панцирях ракообразных, таких как лобстеры, крабы и креветки, и во многих других организмах, включая насекомых и грибы. Это один из самых распространенных биоразлагаемых материалов в мире. Разлагающиеся молекулы хитина/хитозана присутствуют в почве и воде. Применение хитозана для растений и сельскохозяйственных культур регулируется в США Агентством по охране окружающей среды (EPA), а Национальная органическая программа Министерства сельского хозяйства США (USDA) регулирует его использование на сертифицированных органических фермах и для органических культур. Биоразлагаемые продукты на основе хитозана, одобренные EPA, разрешены для использования на открытом воздухе и в помещении на растениях и культурах, выращиваемых как в коммерческих целях, так и потребителями. В Европейском союзе и Соединенном Королевстве хитозан зарегистрирован как "базовое вещество" для использования в качестве биологического фунгицида и бактерицида для широкого спектра культур. Естественную способность хитозана к биоконтролю не следует путать с воздействием удобрений или пестицидов на растения или окружающую среду. Хитозан-содержащие биопестициды представляют собой новый уровень экономически эффективного биологического контроля сельскохозяйственных культур и садоводства. Механизм биоконтроля хитозана вызывает естественные врожденные защитные реакции в растениях для сопротивления насекомым, патогенам и болезням, передающимся через почву, при нанесении на листву или почву. Хитозан повышает фотосинтез, способствует и усиливает рост растений, стимулирует поглощение питательных веществ, увеличивает прорастание и всхожесть, а также повышает силу растений. При использовании в качестве обработки семян или покрытия семян для хлопка, кукурузы, семенного картофеля, сои, сахарной свеклы, томатов, пшеницы и многих других семян, он вызывает врожденный иммунный ответ в развивающихся корнях, который уничтожает паразитических цистообразующих нематод, не нанося вреда полезным нематодам и организмам. Сельскохозяйственное применение хитозана может снизить экологический стресс, вызванный засухой и дефицитом почвы, укрепить жизнеспособность семян, улучшить качество всходов, увеличить урожайность и уменьшить гниение плодов овощей, фруктов и цитрусовых культур. Применение хитозана в садоводстве увеличивает цветение и продлевает срок хранения срезанных цветов и елок. Лесная служба США провела исследования хитозана для борьбы с патогенами в соснах и увеличения выделения смолы, которая противостоит заражению сосновым жуком. Хитозан имеет богатую историю исследований в области применения в сельском хозяйстве и садоводстве, начиная с 1980-х годов. К 1989 году растворы солей хитозана применялись к сельскохозяйственным культурам для улучшения защиты от заморозков или к семенным культурам для предпосевной обработки семян. Вскоре после этого соль хитозана получила первую в истории регистрацию биопестицида от EPA, за которой последовали другие заявки на интеллектуальную собственность. Хитозан также использовался для защиты растений в космосе, что демонстрируется экспериментом NASA по защите бобов адзуки, выращенных на борту космического шаттла и космической станции "Мир" в 1997 году (см. фото слева). Результаты NASA показали, что хитозан индуцирует повышенный рост (биомассу) и устойчивость к патогенам благодаря повышенному уровню ферментов β (1→3)-глюканазы в клетках растений. NASA подтвердило, что хитозан оказывает такое же действие на растения на Земле. В 2008 году EPA одобрило статус натурального элицитора широкого спектра действия для ультранизкомолекулярного активного ингредиента хитозана концентрацией 0,25%. В 2009 году EPA предоставила расширенную этикетку для применения по листу и для орошения для натурального элициторного раствора хитозана для сельскохозяйственного и садоводческого применения. Смеси на основе хитозана не эффективны против короедов при нанесении на листья дерева или в почву.

Фильтрация

Хитозан может использоваться в гидрологии как часть процесса фильтрации. Хитозан способствует слипанию мелких частиц осадка, который затем удаляется вместе с осадком при фильтрации через песок. Он также удаляет из воды тяжелые металлы, красители и масла. Хитозан входит в число биологических адсорбентов, применяемых для удаления тяжелых металлов без негативного воздействия на окружающую среду.

Хитозан виноделия и грибковый источник

Хитозан имеет давнюю историю применения в виноделии в качестве осветляющего агента. Хитозан, полученный из грибковых источников, демонстрирует повышенную активность при осаждении, снижение содержания окисленных полифенолов в сусле и вине, хелатирование и удаление меди (после перелива) и подавление развития Brettanomyces – дрожжей, вызывающих порчу вина. Использование этих продуктов и технологий одобрено в Европе в соответствии со стандартами ЕС и OIV.

Лечение ран

Повязки для ран на основе хитозана широко изучались для лечения различных острых и хронических ран. Хитозан обладает способностью прикрепляться к фибриногену, что усиливает адгезию тромбоцитов, вызывая свертывание крови и гемостаз. Хитозанные гемостатические средства – это соли, образующиеся при смешивании хитозана с органической кислотой (например, янтарной или молочной кислотой). Хитозан может обладать и другими свойствами, благоприятными для заживления ран, включая антибактериальную и противогрибковую активность, которые пока находятся на стадии предварительных исследований. Хитозан используется в составе некоторых раневых повязок для снижения кровотечения. Повязки для ран на основе гидрогеля хитозана также оказались эффективными при лечении ожогов, хронических диабетических ран и ожогов фтористоводородной кислотой.

Гидрогели, чувствительные к температуре

Хитозан растворяется в разбавленных растворах органических кислот, но не растворим в высоких концентрациях ионов водорода при pH 6,5 и выпадает в осадок в виде вещества, похожего на гель.

Исследования

Хитозан и его производные изучались при создании наноматериалов, биоадгезивов, материалов для перевязки ран и медицинских изделий.

Биопечать

[[Изображение:Объекты из хитозана.png|thumb|500px|right|Крупные трехмерные функциональные объекты, изготовленные из хитозана, привели к разработке методов биопечати для производства крупномасштабных потребительских товаров с использованием хитозана. Этот метод основан на воспроизведении молекулярной структуры хитозана из природных материалов в технологиях изготовления, таких как литье под давлением или литье в формы. После утилизации объекты, созданные из хитозана, являются биоразлагаемыми и нетоксичными. Этот метод используется для разработки и биопечати человеческих органов и тканей. Пигментированные объекты из хитозана могут быть переработаны, с возможностью повторного использования красителя или его удаления на каждом этапе переработки, что позволяет повторно использовать полимер независимо от красителей. В отличие от других биопластиков растительного происхождения (например, целлюлозы, крахмала), основные природные источники хитозана поступают из морской среды и не конкурируют за землю или другие ресурсы, необходимые человеку. 3D-биопечать тканеинженерных каркасов для создания искусственных тканей и органов – еще одна область применения, где хитозан приобрел популярность. Хитозан обладает высокой биосовместимостью, биоразлагаемостью, а также антимикробными, гемостатическими, ранозаживляющими и иммуномодулирующими свойствами, что делает его подходящим для изготовления искусственных тканей.

Потеря веса

Хитозан продается в таблетках как "связыватель жиров". Хотя влияние хитозана на снижение уровня холестерина и массы тела изучалось, его эффект, по всей видимости, не имеет или имеет незначительное клиническое значение. Обзоры, проведенные в 2016 и 2008 годах, не выявили значительного эффекта и не дают оснований людям с избыточным весом использовать добавки хитозана. В 2015 году Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США опубликовало публичное предупреждение в отношении продавцов добавок, делавших преувеличенные заявления о предполагаемом эффекте различных продуктов для снижения веса.

Биоразлагаемая антимикробная упаковка для пищевых продуктов

Микробное загрязнение пищевых продуктов ускоряет процесс их порчи и повышает риск пищевых отравлений, вызванных потенциально опасными для жизни патогенами. Как правило, загрязнение пищевых продуктов начинается с поверхности, поэтому обработка поверхности и упаковка являются важнейшими факторами для обеспечения качества и безопасности продуктов питания.