Hitīns — kas tas ir: posmkāju, sēņu un rūpniecības biopolimērs

Hitīns — dabīgs biopolimērs no vēžveidīgajiem, kukaiņiem un sēnēm; izturīgs, daudzpusīgs materiāls ar plašām pielietošanas iespējām medicīnā, biotehnoloģijā un rūpniecībā.

Hitīns ir puscaurspīdīgs materiāls, kas ir posmkāju, piemēram, vēžveidīgo (piemēram, krabju, omāru un garneļu) un kukaiņu (piemēram, skudru, vaboļu un tauriņu), kā arī sēņu šūnu sieniņu, gliemju radulu un galvkāju (piemēram, kalmāru un astoņkāju) knābju galvenā sastāvdaļa. Hitīns ir noderīgs arī vairākos medicīniskos un rūpnieciskos nolūkos.

Kas ir hitīns – ķīmiskā būtība un uzbūve

Hitīns ir dabīgs polisaharīds (polisaharīdu veids), kas ķīmiski sastāv no atkārtotām N‑acetilglikozamīna (GlcNAc) vienībām, saistītām ar β‑1,4 glikozīd­saitēm. Šī lineārā, spēcīgo starpmolekulāro hidrofobu un ūdeņraža saišu tīkla dēļ veido stingru, bet plānā slānī elastīgu materiālu. Hitīna fizikālās īpašības lielā mērā atkarīgas no molekulmasas un acetilācijas pakāpes (N‑acetilgrupu skaita).

Hitīna formas un struktūras varianti

• α‑hitīns: visizplatītākā forma posmkāju čaulās; ķēdes sakārtotas šķērsvirzienā, ļoti kristāliska un stingra.
• β‑hitīns: sastopams, piemēram, kalmāru ķermē (squid pen); ķēdes sakārtotas paralēli, elastīgāka un šķidrāk pieejama ķīmiskai apstrādei.
• γ‑hitīns: kombinētas īpašības, sastopams dažos sēņu un kukaiņu audos.

Fizioloģiskā loma organismā

• Posmkājiem hitīns veido ārējo skeletu (eksoskeletu), kas nodrošina mehānisku aizsardzību un atbalstu. Posmkāji izaug, periodiski mainot čaulu — procesu sauc par mizošanos (molt).
• Sēnēm hitīns ir svarīga šūnu sienas sastāvdaļa, kas palīdz saglabāt šūnu formu un noturību.
• Arī gliemju radulos un galvkāju knābjos hitīns darbojas kā izturīgs abrazīvs materiāls.

Fizikālās un ķīmiskās īpašības

• Nešķīst ūdenī un lielākajā daļā organisko šķīdinātāju.
• Augsta mehāniskā izturība un mērenas elastības īpašības.
• Vāja siltumizturība — sadalās pirms kušanas pie augstām temperatūrām (parasti dekompozīcija virs ~300–350 °C).
• Bioloģiski noārdāms — to var sašķelt ar enzīmiem (hitīnāzes) un mikroorganismiem.

No hitīna uz hitozānu (deacetilācija)

Hitīnu var daļēji vai pilnīgi deacetilēt (noņemt N‑acetilgrupas), iegūstot hitozānu (angl. chitosan). Hitozāns ir ķīmiski aktīvāks, vieglāk šķīst skābēs un plaši izmantots, jo tam ir labāka šķīdība, ķīmiskā modifikācijas spēja un biomedicīniskā pielietojamība.

Obtention un rūpnieciskā apstrāde

Komercijā hitīnu visbiežāk iegūst no vēžveidīgo atkritumiem (čaumalām) ar trīs pamata soļiem:

• Demineralizācija: kaļķu un karbonātu noņemšana ar šķidru skābi (piem., HCl), lai izšķīdinātu kalcija karbonātu.
• Deproteinēšana: olbaltumvielu atdalīšana ar sārmainiem šķīdumiem (piem., NaOH).
• Decolorization un žāvēšana: pigmentu un organisko vielu noņemšana, pēc tam materiāla žāvēšana un malšana pulverī.

Arī sēņu kultūras tiek izmantotas kā alternatīvs, vegānisks hitīna avots, kurā ražošanas procesā var izmantot saudzīgākus ķīmiskos apstākļus.

Pielietojumi

• Medicīna: brūču pārsēji un hemostatiski materiāli, audu inženierija, šuves, zāļu pārvadāšanas sistēmas, antibakteriālas virsmas.
• Ūdens attīrīšana: adsorbē smagos metālus un organiskos piesārņotājus.
• Pārtikas nozare: konservēšana, ēdami plēves, pagaidu iepakojumi, antioksidantu un konservantu papildinājumi.
• Lauksaimniecība: biostimulanti, sēklu pārklājumi, biopesticīdi un augsnes mikrobioloģiskā stāvokļa uzlabošana.
• Kosmētika un personīgā aprūpe: mitrinošas un filmas veidojošas vielas, matu kopšanas līdzekļi.
• Rūpniecība: biodegradējamas plastmasas, kompozītmateriāli, papīra un tekstila uzlabošana.

Modifikācijas un atšķirīgas kvalitātes

Hitīnu un hitozānu ķīmiskā modifikācija (piem., karboksimetilēšana, kvaternizācija, sērkšķu piesaiste) ļauj mainīt šķīdību, antivielu īpašības, uzsūkšanos un mijiedarbību ar citiem materiāliem. Svarīgs rādītājs ir acetilācijas pakāpe — jo mazāka, jo vairāk hitozāna līdzīgu īpašību iegūst.

Veselības un vides aspekti

• Hitīns pats par sevi parasti nav alerģēnisks; tomēr jāpiebilst, ka jūtīgas personas var reaģēt uz proteīniem, kas pievienoti no vēžveidīgo čaulām — rūpīgā apstrādē proteīni tiek noņemti.
• Ražošanas ķīmiskie procesi (spēcīgas skābes un sārmi) var radīt vides slodzi, tāpēc arvien biežāk pēta biotehnoloģiskus un ilgtspējīgākus iegūšanas ceļus (piem., fermentatīvu apstrādi, sēņu avotus).
• Biodalādība: hitīna bāzētie materiāli ir bioloģiski noārdāmi un var samazināt atkarību no tradicionālajām petroķīmiskajām plastmasām.

Limitācijas un izaicinājumi

• Ražošanas izmaksas un kvalitātes svārstības atkarībā no izejvielas avota.
• Šķīdības ierobežojumi neoktrošādos apstākļos — nepieciešamas ķīmiskas modifikācijas, lai paplašinātu pielietojumu spektru.
• Alerģiju riski no nepilnīgi noņemtiem proteīniem no jūras gliemjiem, ja izejviela ir vēžveidīgo čaula.

Nākotnes perspektīvas

Hitīna un ar to saistīto atvasinājumu pielietojums turpina pieaugt, jo materiālam ir kombinācija no biokompatibilitātes, biodegradabilitātes un daudzveidīgas ķīmiskās modifikācijas iespējas. Ilgtspējīgas ražošanas metodes, mikrobioloģiska hitīna ieguve un jauni kompozītmateriāli padara hitīnu par perspektīvu izejvielu medicīnā, vides tehnoloģijās un zaļajās rūpniecībās.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir hitīns?

J: Kādi ir daži posmkāju piemēri, kuru eksoskeleta sastāvā ir hitīns?

J: Kur vēl bez posmkāju eksoskeletiem var atrast hitīnu?

J: Kādi ir daži hitīna izmantošanas veidi?

J: Kā hitīns ir noderīgs brūču dziedēšanā?

J: Kāda ir hitīna izmantošanas priekšrocība ūdens filtrēšanai?

J: Vai hitīns ir kaitīgs videi?

Meklēt pēc burta