CC BY
4Ькеква/этальный . ™а рны й веСТНИК
научно-практический гШО _г г „„
журнал ГШ. С верного Кавка3а
УДК 615.324 ARWSKM g
DOI: 10.31279/2222-9345-2023-13-50-8-12 Дата поступления статьи в редакцию: 19.05.2023
О. И. Севостьянова, Д. Ю. Диденко, Е. В. Демидова
Sevostyanova О. I., Didenko D. Yu., Demidova Е. V.
ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ХИТОЗАНА В ОТРАСЛЯХ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО СЕКТОРА
PROSPECTS FOR THE USE OF CHITOSAN IN THE AGRO-INDUSTRIAL SECTOR
https://elibrarY.ru/arwskm
Подходя к вопросу применения хитозана в разных отраслях АПК, важно обратить внимание на его технологические и химико-структурные характеристики. В основе получения хитозана лежит реакция отщепления от структурной единицы хитина ^ацетил^-глюкозамина ацетильной группировки. Хитозан - это полидисперсный по молекулярной массе полимер D-глюкозамина, содержащий 5-15 % ацетамидных групп и до 1 % групп, соединенных с аминокислотами и пептидами; по своим токсикологическим характеристикам относящийся к четвертому классу опасности, то есть к малоопасным веществам, что, в свою очередь, делает его еще более привлекательным компонентом для использования в сельском хозяйстве, промышленности, медицине. В данной статье отражен анализ перспектив использования хитозана как биополимера в различных отраслях, изучение сорбционных, бактериоста-тических, пленкообразующих свойств хитозана, а также его взаимодействие с другими веществами и организмами. Так, известно, что обработка растений раствором хитозана повышает их резистентность к заражению фитопатогенными вирусами. Также достаточно активно применяется в пищевой промышленности: в качестве эмульгатора, структурообразующего вещества, загустителя, а устойчивость к высокой температуре позволяет использовать его в производстве колбас в качестве съедобной пленки. Кроме того, хитозан нашел свое применение и в медицине: применяется в терапии гнойных воспалительных процессов, при уремическом синдроме.
Ключевые слова: хитин, хитозан, полимер, АПК, молочная сыворотка, виноделие, медицина, деацетилирова-ние, сорбент, пленки.
It is important to pay attention to the technological and chemical-structural characteristics of chitosan before discussing its use in the agro-industrial complex. The basis for obtaining chitose is the cleavage reaction from chitin N-acetyl-D-glucosamine of its acetyl grouping. Chitosan is a polydisperse polymer of D-glucosamine by molecular weight, which contains 5-15 % of acetamide groups and up to 1 % of groups connected to amino acids and peptides. It corresponds to low-hazard substances. Therefore, it is an attractive component for use in agriculture, industry, medicine. This article reflects the analysis of the prospects for the use of chitosan as a biopolymer in various industries. As well as the study of sorption, bacteriostatic, film-forming properties of chitosan, as well as its interaction with other substances and organisms. Thus, it is known that the treatment of plants with chitosan solution increases their resistance to infection with phytopathogenic viruses. In turn, it is quite actively used in the food industry. It is used as an emulsifier, structural-forming substance, thickener. It is used in the production of sausages as an edible film due to its resistance to high temperatures. In addition, chitosan has found its application in medicine: it is used in the treatment of purulent inflammatory processes, uremic syndrome.
Key words: chitin, chitosan, polymer, agroindustrial complex, milk whey, winemaking, medicine, deacetylation, sor-bent, membrane.
Севостьянова Ольга Игоревна -
кандидат биологических наук, доцент, доцент
кафедры терапии и фармакологии
ФГБОУ ВО «Ставропольский государственный
аграрный университет»
г. Ставрополь
РИНЦ SPIN-код: 6124-0891
Тел.: 8-918-771-73-34
E-mail: sevostyanova19@mail.ru
Диденко Денис Юрьевич -
студент факультета ветеринарной медицины
ФГБОУ ВО «Ставропольский государственный
аграрный университет»
г. Ставрополь
Тел.: 8-988-096-46-81
E-mail: didienko.dienis@mail.ru
Демидова Елена Васильевна -
студентка факультета ветеринарной медицины
фГбОУ ВО «Ставропольский государственный
аграрный университет»
г. Ставрополь
Тел.: 8-962-445-41-16
E-mail: alena_demidova_02@mail.ru
Sevostyanova Olga Igorevna -
Candidate of Biological Sciences, Associate Professor, Associate Professor of the Department of Therapy and Pharmacology
FSBEI HE «Stavropol State Agrarian University» Stavropol
RSCI SPIN-code: 6124-0891 Tel.: 8-918-771-73-34 E-mail: sevostyanova19@mail.ru
Didenko Denis Yurievich -
student of the Faculty of Veterinary Medicine
FSBEI HE «Stavropol State Agrarian University» Stavropol
Tel.: 8-988-096-46-81 E-mail: didienko.dienis@mail.ru
Demidova Elena Vasilyevna -
student of the Faculty of Veterinary Medicine
FSBEI HE «Stavropol State Agrarian University» Stavropol
Tel.: 8-962-445-41-16
E-mail: alena_demidova_02@mail.ru
Первая модификация, которая была получена из хитина, это его деацетили-рованное производное хитозан - высокомолекулярный полимер глюкозамина,
растворимый в органических и неорганических кислотах. В отличие от хитина более легкорастворимый хитозан нашел большие возможности применения в АПК [1].
А
грарныи вестник
Северного Кавказа
№ 2(50), 2023
Ветеринария
9
Подходя к вопросу применения хитозана в разных отраслях АПК, важно обратить внимание на его технологические и химико-структурные характеристики. Основными маркерами, заслуживающими особого внимания, на наш взгляд, являются параметр деацетилирования и молекулярностьхитозана.
В основе получения хитозана лежит реакция отщепления от структурной единицы хитина ^ацетил^-глюкозамина ацетильной группировки. Реакция деацетилирования сопровождается одновременным разрывом гли-козидных связей полимера. Таким образом, хи-тозан - это полидисперсный по молекулярной массе полимер D-глюкозамина, содержащий 5-15 % ацетамидных групп и до 1 % групп, соединенных с аминокислотами и пептидами [1].
Внешний вид хитозана представлен чешуйками размером до 10 мм или порошками различной степени помола. Цвет от белого до кремового, без запаха. Также отличительными свойствами хитозана являются его электризу-емость и вяжущий вкус.
Токсикологические исследования К. Г. Скрябина, Г А. Вихоревой и В. П. Варламова свидетельствуют, что согласно ГОСТ хитозан относится к четвертому классу опасности, то есть к малоопасным веществам, что, в свою очередь, делает его еще более привлекательным компонентом для использования в сельском хозяйстве, промышленности, медицине [1, 2].
В этой связи целью нашей работы явился анализ перспектив использования хитозана как биополимера в различных отраслях, изучение сорбционных, бактериостатических, пленкообразующих свойств хитозана, а также его взаимодействия с другими веществами и организмами.
Базисом для выполнения исследовательской работы послужили такие источники, как периодические издания, в том числе из международных библиографических баз, монографии и справочные пособия.
Хитозан экспериментально используется в агрономическом секторе как средство борьбы с вирусными заболеваниями. Известно, что обработка растений раствором хитозана повышает их резистентность к заражению фитопато-генными вирусами. У растений с доминантным генном устойчивости к вирусу, которые на заражение реагируют проявлением местных некрозов, это выражается в уменьшении количества некрозов. У некоторых растений хитозан инги-бирует распространение вируса и вириоида, так что значительная часть растений приобретают резистентность [1].
Также следует подчеркнуть, что хитозан ин-гибирует распространение вируса вне зависимости от его вида. Однако были выявлены и изучены некоторые факторы, которые влияют на его действие. Одним из них является вид растения. Например, у бобовых растений (фасоль, горох) даже при однократной обработке хито-заном появлялась высокая резистентность к
вирусам. У пасленовых ингибирование проявлялось менее выражено. Наконец, у капусты полевой не было выявлено устойчивости к заражению некоторыми вирусами. Все вместе взятое дает нам представление, что активность хитозана опосредована его влиянием на растение. Причины различий восприимчивости растений к хитозану пока не изучены и остаются перспективным направлением [1].
Вместе с тем хитозан достаточно активно применяется в пищевой промышленности. По данным А. В. Моргуновой, отраженным в исследовании «Использование хитозана в технологии мясопродуктов», известно, что хи-тозан оказывает положительное влияние на перистальтические процессы желудочно-кишечного тракта не только благодаря активному выведению жира, но и за счет высокой абсорбционной способности - выводит в 10-12 раз больше своей молекулярной массы. Кроме того, хитозан используется в промышленности в качестве эмульгатора, структурообразующего вещества, загустителя, а устойчивость к высокой температуре позволяет использовать его в производстве колбас в качестве съедобной пленки. Благодаря своей структуре хитозан образует пленку, обладающую избирательной проницаемостью и образующую микробный фильтр. Также увеличиваются влагоудержива-ющие показатели продукции, но не происходит ухудшения ее органолептических показателей [3].
Бактерицидное действие хитозана наиболее хорошо показано при использовании его как пленки для плодов растений, таких как яблоки, апельсины, земляника, томат, перец [1].
Применение хитозана как полимерного покрытия, в том числе для плодовой продукции, обусловлено рядом его конкурентных преимуществ, ключевыми из которых являются: гомогенность, эластичность в совокупности с устойчивостью к внешним воздействиям, абсорбционные характеристии, в том числе функции микробиомного фильтра, способствующие увеличению сроков сохранности готовой продукции.
В работе О. В. Скапец была рассмотрена перспектива использования хитозана в молочной промышленности. С целью увеличения потенциала молочной сыворотки было предложено использование сорбентов для ее фракционирования на осветленную часть и осадок. Так как хитозан заряжен положительно, то его используют вместе с полисахаридом пектином, который суммарно заряжен отрицательно. При их взаимодействии в кислой среде сыворотки происходит образование прочных межмолекулярных связей и увеличение сорбционной способности. Кроме того, они положительно влияют на перистальтику ЖКТ, проявляют антимикробное действие, повышают защитные силы организма, стабилизируют кровяное давление и оказывают противоопухолевое действие [4].
Ькеква/этальный - ГрарНЫй ВеСТНИК
научно-практический /^Ъ „г г
журнал ГШ.Северного Кавказа
Таким образом, проведенные О. В. Скапец исследования показали, что благодаря использованию хитозана и пектина в комплексе происходит эффективное разделение молочной сыворотки на осветленную и коллоидную бел-ково-углеводную фракции: осветленная часть используется для производства освежающих напитков, а осадок, или, по-другому, белково-углеводная фракция, представляет собой ценный полуфабрикат и используется для изготовления разнообразных продуктов, таких как мороженое, йогурт, БАВ, десертов и др. [4].
Известны результаты исследований по применению активированных форм хитозана в обработке винодельческой продукции. Так, в работе З. М. Чермит и Н. М. Агеевой экспериментально установлено, что активирование хитозана кислотами увеличивает его сорбци-онную способность: молекула хитозана имеет положительный заряд на поверхности, внутри же он отрицательный, однако при воздействии на саму молекулу кислотами увеличивается доступ как положительно заряженным, так и отрицательно заряженным частицам. Для активации были опробованы разные кислоты: лимонная, уксусная, молочная, винная. Так, для очистки белого и красного вин лучше показали себя различные формы активного хитозана, что связано с большим содержанием фенольных соединений в красных винах. Таким образом, осветление белого вина происходило в два раза быстрее, чем красного, что представляет производственную и экономическую ценность для данного направления [5].
Также винодельческая продукция содержит катионы металла, что является еще одной причиной помутнения вин. В этом отношении ионообменные качества хитозана, связанные с его структурой, будут широко востребованы, в том числе его способность связывать биогенные амины и бактериальные токсины, которые иногда обнаруживают в винной и пивоваренной продукции.
Вместе с тем интерес представляет вариативность действия хитозана, в зависимости о его молекулярной массы, на бактериальный субстрат. Так, результаты исследований Г. П Ня-никовой с соавт. показали, что хитозан, а именно его аммониевые соли, имеет антибактериальное действие и может подавлять развитие и жизнедеятельность различных бактерий, в том числе Echerihia coli, что положительно сказывается на сроках хранения продукции. Вместе с тем молекулы хитозана, имеющие меньшую молекулярную массу, наоборот, способствовали развитию бактериального и дрожжевого роста, что может быть успешно использовано в тех направлениях, где необходима стимуляция бактериального роста [6].
Кроме того, хитозан нашел свое применение и в медицине. Так, в работе И. Н. Большакова с соавт. описано проведение опытов по использованию хитозана для лечения таких заболеваний, как: разлитой гнойный перитонит,
уремический синдром и деструктивная форма воспаления поджелудочной железы [1].
Так, известно, что хитозан активирует прежде всего макрофаги и их функции в экссудате. При подкожном введении контрольной группе лабораторных животных хитозана наблюдалась активация макрофагов, что свидетельствует о его иммунопотенцирующем эффекте. Аналогичный результат наблюдается в таких клетках, как фибробласты, клетки эндотелия, полиморфноядерные лейкоциты и Т-клетки. Благодаря своей структуре и содержанию D-глюкозамина в совокупности с 10 % феталь-ной телячьей сывороткой влияет на уменьшение пролиферации [1].
Также в ходе опытов установлено, что при введении хитозана через 24 ч после иммунизации тимусзависимыми и тимуснезависимыми антигенами первичный иммунный ответ возрастает до 250 и 160 % в сравнении с контрольной группой. Введение хитозана увеличило резистентность к золотистому стафилококку и кишечной палочке [1].
Исследования использования низкомолекулярного сшитого хитозана и декстрана, сшитого эпихлоргидрином и модифицированного террилитином и полимимксином В, в качестве гелевых форм сорбентов для энтеросорб-ции при разлитом гнойном перитоните и лава-жа брюшной полости показали результаты глубокой детоксикации, которая затронула также клетки периферической крови, селезенки, лимфатических узлов, а также клетки вилочковой железы. Сочетание связывания токсинов бактерий одновременно в брюшной полости и просвете ЖКТ вызвало высокие показатели иммобилизации токсинов и сохранение активности клеток иммунной системы [1].
На основе проведенных опытов по применению двух производных хитозана (ацетата и гидрохлорида) в Санкт-Петербургском научно-исследовательском институте им. Р. Р. Вредена была разработана методика применения хи-тозановых сорбентов для экстракорпоральной ликворосорбции, благодаря чему были получены хорошие результаты в сорбции спинномозговой жидкости, что делает эти сорбенты лучшими из известных [7].
Известно, что пациенты почечного профиля нуждаются в поиске действенных и доступных способов альтернативной фильтрации, которую не в состоянии обеспечить пораженные патологией органы. Для улучшения здоровья пациентов используется аппарат «искусственная почка», однако в результате данной терапии возникают осложнения, из-за которых ухудшается состояние больных, поэтому поиск более эффективного метода поддержания качества жизни пациента вкупе с минимизацией побочных эффектов процедуры все еще актуален [8].
В процессе исследования Виллема Кольфа была доказана возможность удаления почечных метаболитов через желудочно-кишечный тракт, что вызывает интерес исследователей к
A
грарныи вестник
Северного Кавказа
№ 2(50), 2023
Ветеринария
11
применению хитозана, который благодаря своему строению имеет хорошую способность к выводу токсинов из организма. Основной механизм детоксикации хитозаном проявляется двумя процессами: адгезии его к слизистой оболочке кишечника и создания прочного барьера при воспалении, а также активной адсорбции токсинов из кишечного и сосудистого русла [9].
В статье Г. К. Абилова, Д. Н. Махаева, Г. С. Ир-мухаметова, В. В. Хуторянского приведен пример использования хитозана в форме геля для медицины. Он является вторым по распространенности после коллагена, и его используют в качестве повязки для ран благодаря его антимикробной активности, адсорбционной способности, адгезии, противомикробным свойствам и проницаемости для кислорода [10].
Гидрогели на основе хитозана положительно влияют на разных стадиях заживления ран. На первой стадии травматизации он способствует
увеличению активности факторов свертывания крови, тем самым ускоряет коагуляцию и активирует тромбоциты. Также он блокирует ноци-цепторы, формирует воспалительное микроокружение, регулируя активность родственных клеток и активируя факторы роста, инициирует пролиферацию фибробластов, активирует развитие коллатералей и повышает уровень синтеза тканевых компонентов заживления, что в совокупности положительно сказывается на времени заживления [7].
Благодаря своим свойствам гидрогели на основе хитозана могут использоваться как индивидуально, так и в комплексе с другими соединениями, тем самым усиливая эффективность терапевтического действия.
Подводя итог, можно сказать, что хитозан является многопрофильным химическим агентом, представляющим интерес и перспективность применения во многих отраслях агропромышленного сектора.
Литература
1. Хитин и хитозан: получение, свойства и применение / под ред. К. Г. Скрябина, Г. А. Вихоревой, В. П. Варламова. М. : Наука, 2002. 365 с.
2. ГОСТ 12.1.00-76 Система стандартов безопасности труда. Вредные вещества. Классификация и общие требования безопасности. Введ. 1977-01-01. М. : Изд-во стандартов, 1976.
3. Моргунова А. В. Использование хитозана в технологии мясопродуктов. 2015. 771 с. [Электронный ресурс]. URL: https:// elibrary.ru/item.asp?id=24861648.
4. Скапец О. В. Перспективы комплексного использования хитозана и пектина в технологии молочных продуктов. 2011. 105 с. [Электронный ресурс]. URL: https:// elibrary.ru/item.asp?id=16914019.
5. Чермит З. М., Агеева Н. М. Применение активированных форм хитозана для обработки виноградных вин. 2016. 51 с. [Электронный ресурс]. URL: https://elibrary.ru/ item.asp?id=26932069.
6. Области применения хитозана / Г. Г. Няни-кова, Т. Э. Маметнабиев, И. П. Калинкина [и др.] // Известия Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета). 2007. № 2. C. 20-26.
7. Kochkina Z. M., Pospeshny G., Chirkov S. N. Inhibition by chitosan of productive infection of T-series bacteriophages in the Escherichia coli culture // Microbiology. 1995. Vol. 64, № 2. P. 211-215.
8. Пероральные сорбенты в лечении хронической почечной недостаточности / Г. Д. Шостка, С. И. Рябов, Б. Г. Лукичев [и др.] // Терапевтический архив. 1984. Т. LVI, № 7. С. 58-63.
References
1. Chitin and chitosan: preparation, properties and application / edited by K. G. Scriabin, G. A. Vikhoreva, V. P. Varlamova. M. : Nau-ka, 2002. 365 p.
2. GOST 12.1.00-76 Harmful substances. Classification and general safety requirements. M., 1976.
3. Morgunova A. V. The use of chitosan in meat products technology. 2015. 771 p. [Electronic resource]. URL: https://elibrary.ru/item. asp?id=24861648.
4. Skapets O. V. Prospects for the integrated use of chitosan and pectin in the technology of dairy products. 2011. 105 p. [Electronic resource]. URL: https://elibrary.ru/item. asp?id=16914019.
5. Chermit Z. M., Ageeva N. M. Application of activated forms of chitosan for processing grape wines. 2016. 51 p. [Electronic resource]. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=26932069.
6. Areas of chitosan application / G. G. Nyani-kova, T. E. Mametnabiev, I. P. Kalinkina [et al.] // St. Petersburg State Technological Institute (Technical University). 2007. № 2. P. 20-26.
7. Kochkina Z. M., Pospeshny G., Chirkov S. N. Inhibition by chitosan of productive infection of T-series bacteriophages in the Escherichia coli culture // Microbiology. 1995. Vol. 64, № 2. P. 211-215.
8. Peroral sorbents in the treatment of chronic renal failure / G. D. Shostka, S. I. Ryabov, B. G. Lukichev [et al.] // Therapeutic Archive. 1984. Vol. LVI, № 7. P. 58-63.
9. The effect in humans of extracellular pH change on the relationship between serum potassium concentration and intracellular potassium / J. M. Burnell, M. E. Villamil, B. T. Uyeno, B. H. Schribner // J. Clin. Invest. 1956. V. 35. P. 935-940.
Ькеква/этальный - ГрарНЫй ВеСТНИК
научно-практический /^Ъ „г г
журнал ГШ. СевеРИ«ГО Кавка3а
9. Effect in humans of extracellular pH change on the relationship between serum potassium concentration and intracellular potassium / J. M. Burnell, M. E. Villamil, B. T. Uye-no, B. H. Schribner // J. Clin. Invest. 1956. Vol. 35. P. 935-940.
10. Гидрогели на основе хитозана и их применение / Г. К. Абилова, Д. Н. Маха-ева, Г. С. Ирмухаметова, В. В. Хуто-рянский. 2020. 19 с. [Электронный ресурс]. URL: https://elibrary.ru/download/ elibrary_44878629_12607552.pdf.
10. Chitosan-based hydrogels and their application / G. K. Abilova, D. N. Makhaeva, G. S. Ir-mukhametova, V. V. Khutoryansky. 2020. 19 p. [Electronic resource]. URL: https://elibrary. ru/download/elibrary_44878629_12607552. pdf.
