Хитин и хитозан

Хитин — линейный полисахарид из N-ацетил-D-глюкозамина со связями β-1,4, то есть целлюлоза, у которой гидроксил при C2 заменён ацетамидной группой. Это структурный полимер кутикулы членистоногих, клеточной стенки грибов и гладиуса моллюсков, и по массе среди биополимеров он уступает только целлюлозе. Используется его почти ничтожная доля, и причина — растворимость.

Почему хитин неподатлив

Ацетамидная группа добавляет донор и акцептор водородной связи к каждому сахарному звену, поэтому цепи хитина укладываются в более плотный и более густо сшитый водородными связями кристалл, чем целлюлоза. Обычного растворителя для него нет: он растворяется лишь в агрессивных системах вроде концентрированного хлорида лития в диметилацетамиде, гексафторизопропаноле или отдельных ионных жидкостях, ни одна из которых не масштабируется дёшево.

Полиморф имеет значение. В α-хитине, преобладающей форме панциря ракообразных и кутикулы насекомых, цепи антипараллельны, а водородное связывание максимально — это самая стабильная и наименее доступная форма. В β-хитине, встречающемся в гладиусе кальмара и у некоторых диатомей, цепи параллельны, связывание между слоями слабее, и кристалл набухает в воде. Поэтому β-хитин деацетилируется и гидролизуется в куда более мягких условиях: процесс меняет не только чистота сырья, но и организм-источник.

Деацетилирование и pKa, которая управляет всем

Хитозан получают отщеплением ацетильных групп, обычно горячим концентрированным гидроксидом натрия, — в ракообразном маршруте после деминерализации панциря кислотой и депротеинизации щёлочью. По мере превращения ацетамидных групп в свободные первичные аминогруппы кристалл разупорядочивается, и полимер становится растворим в разбавленной кислоте. Переход условно относят к степени деацетилирования выше примерно 50 %, но это континуум, а не порог.

pKa аминогруппы лежит около 6,3–6,5. Ниже неё полимер протонирован и растворяется как поликатион; выше — заряд теряется, и хитозан выпадает в осадок. Один этот факт объясняет большую часть его поведения. Антимикробная активность возникает из электростатического связывания поликатиона с анионными фосфорильными и карбоксильными группами оболочки бактерии и, соответственно, спадает по мере приближения pH к нейтральному, — поэтому заявления об антимикробном действии обязаны указывать pH, при котором оно измерено. Кровоостанавливающие и мукоадгезивные свойства, способность флокулировать взвесь и плёнкообразование — то же зарядовое взаимодействие под разными названиями.

Ограничение для регулируемых применений

Хитозан — не определённая молекула. Степень деацетилирования, молекулярно-массовое распределение, остаточные белок и минерал зависят от партии сырья и от процесса, а каждое функциональное свойство зависит от этих параметров. Для пищевых, ранозаживляющих и фармацевтических применений это и есть связывающее ограничение: монографии, фиксирующей хитозан так, как фиксируют малую молекулу, не существует, поэтому марка каждого производителя валидируется отдельно. Материал из ракообразных к тому же несёт остаточный белок, а главным аллергеном моллюсков и ракообразных является тропомиозин, — одна из причин интереса к грибному хитозану из управляемой ферментации со стабильной хитин-глюкановой стенкой, несмотря на меньший выход. Ферментативное деацетилирование хитиндеацетилазами обходит сильнощелочную стадию и даёт более определённые продукты, но на кристаллическом α-хитине по-прежнему медленно.