CC BY
1051
УДК 615.011.4:661.123:547.458:595.3
ХИТИН И ХИТОЗАН: ХИМИЯ, БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ, ПРИМЕНЕНИЕ А.А. Гришин, Н.В. Зорина, В.И. Луцкий
Иркутский государственный технический университет,
664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83, irk-legioner@mail.ru, v35@istu.edu
Интерес к хитину и хитозану связан с их уникальными физиологическими и экологическими свойствами, такими как биосовместимость, биодеструкция, физиологическая активность при отсутствии токсичности, способность к селективному связыванию тяжелых металлов и органических соединений, способность к волокно- и пленкообразованию и т.п.
Целью настоящей работы является обзор существующих методов выделения хитинсодержащего сырья для исследования возможности применения суб- и сверхкритической экстракции при выделении и очистке хитина из природных объектов. Ил. 1. Библиограф. 25 назв.
Ключевые слова: хитин; хитозан; хитин-глюкановые комплексы. CHITIN AND CHITOSAN, BIOLOGICAL ACTIVITY, APPLICATION A.A. Grishin, N.V. Zorina, V.I. Lutskiy
Irkutsk State Technical University
83, Lermontov St. Irkutsk, 664074, Russia, irk-legioner@mail.ru V35@istu.edu
The interest in chitin and chitosan is associated with their unique physiological and environmental properties such as biocompatibility, biodegradability, physiological activity in the absence of toxicity, the ability to selectively bind the heavy metals and organic compounds, the capacity to fiber and film formation, etc. The purpose of this paper is to review the existing methods for the isolation chitin-comprising materials to investigate the possibility of application of sub-and supercritical extraction to isolate and purify chitin from natural objects. 1 figure. 25 sources.
Key words: chitin; chitosan; chitin-glucan complexes.
Хитин является одним из наиболее распространенных в природе полисахаридов -ежегодно в живых организмах и некоторых растениях образуется и разрушается около 10 гигатонн этого вещества. Среди биополимеров он занимает второе место по биомассе после целлюлозы. Хитин содержится во внешних покровах членистоногих и роговых частях животных, в водорослях и стенках грибов. Несмотря на то, что хитин по своему строению, физико-химическим свойствам и биологической роли очень похож на целлюлозу, в организмах, образующих целлюлозу, хитин не обнаружили.
Открытие хитина было сделано французским химиком и ботаником Анри Браконно в 1811 г. Изучая грибы, он обнаружил вещество, нерастворимое в серной кислоте, и назвал его фунгин. Термин «хитин» был предложен значительно позже, в 1894 г., Феликсом Гоппе-Зейлером. Изучение хитина в России началось с 1933 по 1934 гг. под руководством академика АН СССР Павла Полиевктовича Шо-рыгина [1]. Практическое использование начал Ф.И. Садов в 1941 г.: он предложил использовать раствор для печатного крашения тканей кислыми красками [2, 3].
Крупномасштабное изучение хитина и его производных в теории и вариации его применения началось только в 1950 г. С.Н. Даниловым в Институте высокомолекулярных соединений в Ленинграде. Им были исследованы физико-химические свойства хитина, впервые синтезированы эфиры хитина (мезиловый, тозиловый, этиловый, гидроксиэтиловый, глицериновый и карбоксиметиловый) [4], разработан способ получения хитина и его производных, помимо этого созданы саморассасывающиеся хирургические нитки. В 1999 г. в России организовано «Российское хитиновое общество», объединяющее на добровольной основе российских ученых, специалистов промышленности, медицины, сельского хозяйства и других областей.
За рубежом крупными исследователями хитина и его модификаций являются E.W. Heit, R.A.A. Muzzarelli, M.M. Giraud-Guille и др.
Сейчас исследования свойств хитина и хитозана очень обширны, поскольку постоянно появляются новые предложения по его применению. Обладая уникальными химическим составом и биологическими свойствами, такими как биосовместимость, нетоксичность, биодеградируемость, сорбционность [5] и прочее, хитин широко используют в медицине. В отдельных отраслях промышленности (очистка вод и почв) используют также промежуточные продукты получения хитина: хитин-глюкановый [6], хитин-белковый, хитин-меланиновый [7] и хитин-минеральный комплексы [8]. Отдельное внимание заслуживает хитин как источник сбалансированных минеральных комплексов, предназначенных для восполнения дефицита кальция, магния, цинка, фосфора и других важных для человека элементов [9]. Свойства хитина зависят и от способа его выделения, так, например, использование агрессивных сред может привести к тому, что конечный продукт полностью лишится всей биологической ценности [10].
Кроме того, активно развиваются следующие направления применения хитина и хитозана: атомная промышленность (для локализации радиоактивности и концентрации радиоактивных отходов); сельское хозяйство (для производства удобрений, защиты семенного материала и сельскохозяйственных культур); текстильная промышленность (при шлихтовке и противоусадочной или водоотталкивающей обработке тканей); бумажная и фотографическая промышленность (для производства высококачественных и специальных сортов бумаги, а также для улучшения свойств фотоматериалов); пищевая промышленность (выполняет роль консерванта, осветлителя соков и вин, диетического волокна, эмульгатора); в качестве пищевой добавки (показывает уникальные результаты как энте-росорбент [6]); в парфюмерии и косметике (входит в состав увлажняющих кремов, лосьонов, гелей, лаков для волос, шампуней).
Целью этой работы является обзор существующих методов выделения хитинсо-держащего сырья для исследования возмож-
ности применения суб- и сверхкритической экстракции при выделении и очистке хитина из природных объектов.
Хитин представляет собой линейный полисахарид, неразветвленные цепи которого состоят из элементарных звеньев 2-ацетамидо-2-дезоксиглюкозы, соединенных 1,4-р-гликозидной связью (рисунок). Хитин растворяется в небольшом числе растворителей, большинство из которых разрушают полимер и затрудняют определение молекулярной массы и молекулярно-массового распределения. Из имеющихся данных о хитине, выделенном из панцирей ракообразных, можно сделать вывод, что молекулярная масса полимера составляет 2-2,5 млн Д, степень полимеризации схожа с целлюлозой - 1014 тыс. [11].
Хитин имеет аморфно-кристаллическое структуру, при этом различают три формы хитина: а-, р-, и Y-хитин (в зависимости от расположения восстанавливающего конца полимерной молекулы). Самым стабильным состоянием характеризуется наиболее кристаллизованный хитин: а-хитин. В а-хитине цепи расположены«антипараллельно» (противоположное направление атомов в расположенных рядом цепях). р-хитин отличается параллельным расположением цепей. В ячейке Y-хитина имеются две цепи, расположенные параллельно и одна расположенная ан-типараллельно по отношению к ним. р- и Y-хитины могут превращаться в а-хитин [14]. Однако все три модификации этого хитина были обнаружены в одном организме, что, возможно, указывает на выполнение различных биологических функций.
Строение хитина во многом аналогично строению целлюлозы, некоторые ученые называют хитин «производным целлюлозы». Однако, в отличие от целлюлозы, у второго углеродного атома хитина имеется ацетамид-
ная группа, а не гидроксильная. Наличие этой группы в значительной степени влияет на физико-химические свойства хитина по сравнению с целлюлозой. Хитин превосходит целлюлозу по механической прочности и химической стойкости. Это объясняется его надмолекулярной структурой, наличием большого количества водородных связей и меньшей активной поверхностью.
Существует несколько способов извлечения хитина из сырья. Самый распространенный их них - получение хитина химической обработкой сырья. Присутствуя в организмах, хитин представляет собой комплексы с белками и глюканами. Часто эти комплексы содержат СаСО3. По этой причине хитин в чистом виде, при помощи химических реагентов, получают в несколько стадий: измельчение, депротеинирование едким натром, промывка, деминерализация разбавленным раствором соляной кислоты, хитин. Комплексы хитина с глюканами трудноразделимы без полного разрушения, поэтому обычно эти комплексы используются совместно [15].
Также известно, что порядок проведения депротеинирования и деминерализации оказывает существенное влияние на качество получаемого хитина (и, в дальнейшем, хито-зана). Например, при обработке хитинсодер-жащего сырья краба по схеме деминерализа-ция-депротеинирование, кинематическая вязкость полученного крабового хитозана значительно выше, чем при обратной схеме. Очевидным недостатком кислотно-шелочных способов получения хитина и хитозана являются жесткие условия обработки хитинсодержаще-го сырья [11].
Разработки отечественных ученых показали возможность снижения концентрации депротеинирующих и деминерализирующих агентов для получения хитина из различного вида сырья при помощи электрохимических
методов. Например, известен способ получения хитозана при переработке панцирь-содержащего сырья ракообразных (криля) -этот способ предусматривает измельчение с последующей электрохимической обработкой постоянным электрическим током силой 59,5 А, плотностью 0,089-0,17 А/см2 и напряжением в 20-40 В в 0,25-1,5%-ом водном растворе NaOH при соотношении сырья и раствора 1 : 2-1 : 3 в течении 20-40 мин при перемешивании [16]. Реакционную смесь разделяют на жидкую (гидролизат) и твердую (хитин) фракции. Хитин промывают водой, проводят деацетилирование в 50%-ом растворе щелочи при температуре 95-110 оС и отделяют хитозан от щелочного гидролизата. Недостаток этих методов переработки заключается в дополнительных энергозатратах, что достаточно актуально в современных условиях [16,17].
Весьма широко изучены методы получения хитина из панцирь-содержащего сырья на основе биотехнологических процессов. Применение ферментов для депротеинирования панциря позволяет достичь более мягких условий обработки сырья; становится возможным совмещение нескольких операций, что упрощает процесс. Самым простым биотехнологическим способом получения хитина из панцирь-содержащего сырья (криля, краба, гаммаруса), является использование ферментного комплекса самого сырья - автопро-теолиз [16].
Однако биотехнологические способы обработки хитин-содержащего сырья обладают общим недостатком - неполное удаление белка панциря, что может отрицательно сказаться на качестве хитина и, в дальнейшем, хитозана. Кроме того, при выборе ферментного препарата необходим строгий контроль на содержание хитина, поскольку слишком большая активность ферментов этой группы может привести к разрушению хитина [16].
Хитозан представляет собой простейшую модификацию хитина, это аминополисахарид 2-амино-2-дезокси-р^-глюкан. Образование его происходит при дезацитилировании хитина - удалении ацетильной группы из положения С2 в хитине в результате обработки его в жестких условиях раствором щелочи. Появление в каждом элементарном звене макромолекулы свободной аминогруппы придает хито-зану свойства полиэлектролита, одним из которых является характерный для растворов полиэлектролитов эффект набухания - аномального повышения вязкости разбавленных растворов при уменьшении концентрации полимера [18].
Аксиально-экваториальное положение ацетамидной и гидроксильной групп в элементарном звене макромолекулы хитина (С2 и С3) обуславливает значительную гидролитическую устойчивость ацетамидных групп, в том числе в условиях щелочного гидролиза. Поэтому отщепление ацетамидных групп удается осуществить лишь в сравнительно жестких условиях - при обработке 40-49%-ым водным раствором NaOH при температуре 110-140 оС в течение 4-6 ч. Однако и в этих условиях степень дезацетилирования только 80-90% [11].
Физико-химические и биологические свойства данного полимера и публикуемые результаты клинического применения позволяют рассматривать хитозан и его производные в качестве перспективного сырья для получения лекарственных препаратов с различным фармакотерапевтическим действием [19]. Химическая структура хитозана показана на рисунке.
Хитозан обладает большим количество водородных связей, которые определяют его способность связывать большое количество органических водорастворимых веществ, в том числе бактериальные токсины, образующиеся в процессе пищеварения в толстом кишечнике.
Долгое время внимание исследователей было сосредоточено на изучении хитина из панцирь-содержащего сырья ракообразных. Но существуют и другие источники хитина: гладиус кальмара, кутикула таракана, биомасса микроорганизмов, диатомовые водоросли, пчелиный подмор, отходы производства гриба вешенки обыкновенной. Самым доступным и легко воспроизводимым из перечисленных альтернативных источников хитина являются грибы [20].
Из клеточной стенки грибов хитины чаще всего выделяются в виде хитин-глюканового комплекса (ХГК). Грибной ХГК представляет большой интерес для медицины, является адгезивом и высокоактивным сорбентом ионов радиоактивных и тяжелых металлов [21].
Так же большой промышленный интерес вызывает группа высших грибов Higher Ba-sidomycetes. Так как заявленное содержание хитина в них достигает до 65% от абсолютно сухой массы, а также они могут культивироваться на отходах лесоперерабатывающей, целлюлозно-бумажной и пищевой промышленности [21]. Весьма перспективным видится и изучение древоразрушающих грибов Phan-erochaete sanguinea и Ganoderma applanatum. При культивировании этих грибов образуются
ферментные комплексы, разрушающие лигнин. Следовательно, в промышленном производстве культуральная жидкость этих грибов может использоваться для «зеленой» отбелки целлюлозы, а грибные тела могут использоваться в качестве источника хитина. Заявленное содержание хитина в этих грибах в пределах 10-15% [20].
Многие ученые обращают внимание на тот факт, что содержание хитина в одних и тех же грибах значительно колеблется и зависит от штамма и условий культивирования гриба.
В то же время хитин в клеточной стенке гриба находится не в свободном состоянии, а связан ионными и водородными связями с полисахаридами, липидами, белками и микроэлементами. Эти комплексы более прочны и весьма специфичны по сравнению с белковыми комплексами «животного» хитина. Возможно, именно по этой причине хитин грибов находит пока ограниченное применение. Однако интенсивные исследования последнего времени выявляют все новые основания для прогнозирования его конкурентоспособности с «животным» хитином.
Например, открыта противоопухолевая активность биополимеров клеточной стенки грибов 1впИпиз вбобвз (Шиитаке) и высших грибов №отусо(э [23,24]. Установлена рано-заживляющая активность низших грибов Ео-ту^э.
В связи с нетоксичностью хитина и его модификаций, перспективно его применение в пищевой промышленности. Предложено использование хитин-глюканового комплекса в качестве аналога пищевых волокон, которые сорбируют канцерогенные вещества, активируют деятельность желудка [25]. Получаемый из хитина алкил-Ы-ацетилглюкозамин способствует росту бифидобактерий, и его рекомендуют добавлять в молочные продукты. А применение хитин-глюканового комплекса в качестве добавки в хлебобулочные изделия удлиняет сроки хранения хлеба и препятствует его черствению [20]. Также благодаря изучению биологически активных свойств ХГК появилось новое направление в науке - микологическая фармакология.
Подводя итоги нужно сказать, что хитин и хитозан - это уникальные полимеры, обладающие высокой биологической активностью, совместимостью с тканями человека, не загрязняющие окружающую среду.
Запасы хитина и спрос на него огромны, в то же время промышленная переработка в настоящее время налажена только для нескольких видов хитинсодержащего сырья (крабов и антарктического криля). Это подтверждает необходимость дальнейшей разработки экономически выгодных технологий выделения хитина из других природных источников.
1. Schorigin P.P., Heit E.W. Uber die Nitrierung vo Chitin // Berichte. 1934. V.67. P. 1712-1714.
2. Садов Ф.И. Новый материал для несмываемого аппрета // Промышленность. 1941. № 2. С. 52-54.
3. Садов Ф.И., Маркова Г.Б. Хитозан для шлихтования // Промышленность. 1954. № 10. С. 36-38
4. Данилов С.Н., Плиско Е.А. Изучение хитина. I. Действие на хитин кислот и щелочей // Журнал общей химии. 1954. Т. 24. С. 1761-1769.
5. Григорьева Е.В. Обоснование переработки гаммаруса Балтийского моря (Gammarus lacustris) методами биотехнологии: автореф. дис. ... канд. хим. наук. М.: ВНИРО, 2008. 24 с.
6. Ежова Е. А. Обоснование и разработка технологии пищевого хиозана и препаратов на его основе : дис. канд. техн. наук: 05.18.04: защищена 23.09.2005. М. : ВНИРО, 2005. 127 с.
7. Композиционные материалы на основе хитина для сорбции ионов металлов из водных растворов / А.Ф. Селиверстов [и др.] // Журнал прикладной химии. 1997. Т.70, № 1. С. 148-152.
8. Giraud-Guille M.M. Chitin-protein supra-molecylar order in arthropod cuticles analogies with liquid crystals // 1 st Stummerschol of Eoropean Chitin society «EUCHIS» «Chitin in life sciences». Lion,
(ИЙ СПИСОК
1996. P. 110.
9. Руководство по методам контроля качества и безопасности биологически активных добавок к пище. Р 4.1.1672-03. Введ. 30.06.2004. Минздрав РФ, 2004. 240 с.
10. Тимофеева К.Г. Технология получения биологически активных хитин-минеральных препаратов из ракообразных электрическим способом: дис. ... канд. техн. наук: 03.01.06. 2011. 212 с.
11.Гальбрайх Л.С. Хитин и хитозан: строение, свойства, применение // Соросовский образовательный журнал. 2001. Т. 7, №. 1. С. 51-56.
12.Растворимость хитина и хитозана в ионных жидкостях расного строения / А.А. Муравьев [и др.] // Известия высших учебных заведений. 2012. Т. 17, № 3. С. 67-71.
13.Хитин и хитозан: получение, свойства и применение / под ред. К.Г. Скрябина, Г.А. Вихоре-вой, В.И. Варламова. М.: Наука, 2002. 368 с.
14. Muzzarelli R.A.A., Hiari P., Tarasi R., Dibini B, Xia W. Chitin and Chitozan // Carbohydrate Polymers. 1996. 50. P. 45-50.
15.Muzzarelli R.A.A. Chitin. Oxford: Pergamon Press, 1977.
16.Быкова В.М., Немцев С.В. Сырьевые источники и способы получения хитина и хитозана // Тр. ВНИРО. М.: ВНИРО, 1988. С. 22-25.
17.Немцев С.В. Комплексная технология хитина и хитозана из панциря ракообразных. М.: Изд-во ВНИРО, 2006. 134 с.
18. А. а 1424157. Способ полуения хитина и хитозана из панцирьсодержащих отходов криля Л.Г. Иванова, Ю.П. Машкович, В.В. Фомин (СССР). 1986.
19.Абдуллин В.Ф., Артёменко С.Е., Овчинникова Г.П. Технология и свойства хитозана из панциря речного рака // Вестник СГТУ. 2006. № 4 (16). Вып. 1. С. 18-24.
20.Хитин и хитозан: получение, свойства, применение / под ред. К.Г. Скрябина, Г.А. Вихоре-вой, В.П. Варламова. М.: Наука, 202. 368 с.
21. Осовская И.И., Будилина Д.Л., Тарабукина Е.Б., Нудьгда Л.А. Хитин-глюкановые комплексы: учеб. пособие / под ред. Г.М. Полторацкого / ГОУВПО СПбГТУРП. СПб., 2010. 52 с.
22. Феофилова Е.П., Терешина В.М., Мемор-ская А.С. Хитин мицелиальных грибов: методы выделения, идентификации и физико-химические свойства // Микробиология. 1995. Т64, № 1. С. 27-31.
23.Chitin and Chitosan: Sources, Chemistry, Biochemistry, Physical Properties and Application / Ed. T. Anthonsen. L., N.Y. Elsevier, 1990.
24.Fractionation and purification of the polysaccharides with marked antitumor activity, especially lentinan, from Lentinus edodes (Berk.) Sing.(an edible mushroom) / Chihara G. [et al.] //Cancer Research. 1970. Т. 30, №. 11. С. 2776-2781.
25.Пат. № 2393228, Российская Федерация. Способ получения пищевых волокон / В.И. Попов [и др.] патентообладатель Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН ; заявл. 25.07.2008 ; опубл. 27.06.2010, Бюл. № 18. 6 с.
Поступило в редакцию 21 января 2014 г. После переработки 12 марта 2014 г.
