До настоящего времени большая часть хитозана выбрасывалась или использовалась в косметике, органических удобрениях и пищевых добавках

О хитозане, или Как наука превращает бесполезные отходы в инновации

Изображение: (cc) zituba
Жук, микроскопия на черном фоне; увеличение: 100 X
Жук, микроскопия на черном фоне; увеличение: 100 X
Жук, микроскопия на черном фоне; увеличение: 100 X

Инновации часто возникают из сочетания чего-то вполне знакомого и последних достижений науки. Например, графен — материал, который представляет из себя однослойный, толщиной в один атом, углерод. Тот самый, который мы все наблюдаем у себя в простых карандашах. Уложенный в особую одномерную структуру, он приобретает необычайные свойства, которыми обыкновенный графит не обладает.

Хитозан еще недавно казался не очень полезным веществом, и часто его попросту выбрасывали. Недавно в мире возник повышенный интерес к получению белка и продуктов питания из насекомых. Хитин и хитозан в данном случае оказались побочными продуктами. Но современные технологии и последние исследования позволили создать на его основе новые материалы.

Как получается хитозан, чем он полезен и где его можно применять, корреспонденту ИА Красная Весна рассказал Дмитрий Гордеев, руководитель Центра экономико-аналитических исследований и IT-технологий, пресс-секретарь ФГБНУ «ФНЦ пищевых систем им. В. М. Горбатова».

Хитозан

Хитозан — линейный полисахарид, производное хитина, который является после целлюлозы вторым наиболее распространенным в природе полисахаридом. Хитин образует структурные компоненты в экзоскелете членистоногих или в клеточных стенках грибов и дрожжей. Основными коммерческими источниками хитина (α-форма) являются панцири крабов и креветок. При промышленной переработке хитин экстрагируют и обесцвечивают.

Кальмары — еще один важный источник хитина, в котором он существует в β-форме. Такой хитин имеет более высокую растворимость, более высокую реакционную способность и более высокое сродство к растворителям и набуханию, чем α-хитин. Альтернативными источниками хитина/хитозана также могут быть некоторые виды насекомых, грибов, бактерий и водорослей.

Термин «хитозан» обычно относится к семейству полимеров, полученных после деацетилирования хитина. Когда степень ацетилирования (выраженная в молярных процентах) ниже 50 мол.%, продукт называется хитозаном и становится растворимым в кислых водных растворах.

Хитин можно превратить в хитозан с помощью ферментных и неферментных методов. Неферментные методы широко используются для коммерческих целей получения хитозана из-за их низкой стоимости и пригодности для массового производства.

До настоящего времени большая часть хитозана выбрасывалась или использовалась в косметике, органических удобрениях и пищевых добавках, в то время как его естественные структурные свойства не использовались в инженерных целях.

Это связано с тем, что с помощью прошлых методов производства хитозана, ориентированных на сублимационную сушку, химическую модификацию полимера или смешивание его с термопластичными полимерами (например, полиэфирами), не удалось получить трехмерные материалы с упорядоченной организацией, экологической интеграцией или структурными свойствами природных хитиновых систем.

В результате не существует примеров крупных повседневных предметов, сделанных из чистого хитозана для промышленного производства, и вместо этого его использование ограничено тонкими пленками или каркасами в микрофлюидных устройствах и хирургических повязках на раны.

Рисунок 1•— Химическая структура хитина и хитозана
Рисунок 1 — Химическая структура хитина и хитозана
хитозанаихитинаструктураХимическая1 —Рисунок

Однако пленки, разработанные только лишь из хитозана, не соответствуют критериям упаковочной продукции, являются жесткими и ломкими, вот почему при их приготовлении используют различные пластификаторы, такие как полиэтиленгликоль и глицерин. Их добавление способствует образованию относительно мягких и стабильных хитозановых пленок.

В целом эти вещества препятствуют рекристаллизации хитозана, не изменяя его химической структуры.

По сравнению с другими биополимерами для изготовления упаковки пищевых продуктов хитозан обладает тем преимуществом, что он способен включать в свою структуру микро- и макроэлементы (минеральные вещества) и витамины. Он обладает собственной антибактериальной активностью, что немаловажно для сохранения качества продукции.

В качестве биоактивных компонентов, улучшающих функциональные свойства хитозановых пленок, обычно используют различные антиоксиданты, наночастицы, эфирные масла, растительные экстракты и прочие вспомогательные вещества.

По данным некоторых исследований, пленки из хитозана могут успешно применяться в пищевой промышленности в качестве упаковочных материалов, в том числе для мясной продукции, предотвращая микробную контаминацию и окислительные процессы в мясе, что позволит сохранить его качество в течение более длительного времени.

В настоящее время на базе ФНЦ пищевых систем им. В. М. Горбатова РАН ведутся работы по созданию биогибридного упаковочного материала на основе хитозана с включением различных антимикробных агентов животного происхождения. В качестве таких агентов используются антимикробные пептиды, полученные из слизистых оболочек крупного рогатого скота и свиней.

Рисунок 2•— Пленки на основе хитозана с включенными антимикробными веществами животного происхождения
Рисунок 2 — Пленки на основе хитозана с включенными антимикробными веществами животного происхождения
происхожденияживотноговеществамиантимикробнымивключеннымисхитозанаосновенаПленки2 —Рисунок

Предварительные исследования показали, что все пленочные материалы из хитозана, включая контрольную пленку, куда не добавляли антимикробные агенты, проявляли консервирующее действие и увеличивали сроки годности охлажденного мяса минимум на трое суток в случае хранения при комнатной температуре и на семь суток в случае хранения при 4 °С.