Chitin

Strukturní vzorec chitinu

Chitin je netoxický polysacharid složený z molekul N-acetyl-D-glukosaminu, které jsou spojeny 1,4-β-glykosidickou vazbou. Vedle celulózy je druhým nejrozšířenějším polysacharidem na Zemi.[1][2][3][4][5] Chitin je hlavní složkou kutikuly členovců, která je u některých (např. u hmyzu, krabů, raků apod.) zpevněna a přeměněna pomocí minerálních látek (tzn. impregnována, inkrustována) v exoskelet (pevnou vnější kostru).[6][2] Spolu s beta-glukany také tvoří buněčnou stěnu hub (říše Fungi) a je produkován i některými bakteriemi a hlísticemi.[1][5]

Chemicky je velmi podobný celulóze, pouze má na uhlíku C2 místo hydroxylové skupiny navázanou skupinu acetamidovou.[2] Deacetylací chitinu vzniká chitosan, který je na rozdíl od chitinu rozpustný v kyselých vodných roztocích.[7] Chitin se jako dlouhý polymer nerozpouští ve vodě, jeho rozklad je nutné katalyzovat hydrolytickými enzymy (chitináza) - ty produkují rostliny, houby i bakterie.[5] Mezi rozkladače chitinu v půdě patří hlavně organismy ze skupiny Streptomyces a Nocardia.[8][9]

Chitin i jeho deriváty mají slibné využití v lékařství, resp. biomedicíně, zemědělství, kosmetice a dalších odvětvích.[3][5][4][10][11][12]

Vliv na zdraví

Chitin i chitosan jsou netoxické sloučeniny.[12] V trávicím traktu obratlovců (tedy i člověka) nezpůsobuje chitin potíže, naopak studie naznačují jeho pozitivní vliv na střevní biotu (ve formě chitino-glukanových sloučenin ovlivňuje výskyt některých střevních symbiontů).[3][13][14][15] Savci (včetně člověka) produkují enzymy zvané chitinázy, které umožňují rozklad chitinu, a to i přes to, že jejich tělo chitin neobsahuje a netvoří.[16][17] Jde o přizpůsobení se k obraně proti parazitům chitin obsahujícím nebo konzumaci chitinu.[18][19] U hmyzožravých netopýrů je chitináza produkována přímo v žaludku, což slouží jako přizpůsobení na jejich stravu.[20]

Chitin může při velmi časté a opakované expozici vdechováním do plic fungovat i jako alergen (látka schopná vyvolat imunitní reakci a způsobit zánět v organismu bez toho, aby sama byla pro organismus nebezpečná).[18][3][21] Pokud k rozvoji této reakce dojde, paradoxně se tak děje nejspíš z důvodu, že tělo nebylo látce vystaveno v dětství, například kvůli přílišné hygieně, a imunitní systém si na ni nezvykl.[18] V závislosti na velikosti jeho mikromolekul může chitin v dýchacích cestách indukovat i potlačovat zánětlivou reakci organismu (testováno hlavně na myším modelu).[18][3][22] Chitináza je tak využívána jako ukazatel (tzv. marker) některých autoimunitních zánětlivých onemocnění dýchacích cest, například pacienti s astmatem vykazují vyšší hladiny chitinázy v plicích.[23][24][19]

Výskyt v přírodě

Struktura chitinu pod elektronovým mikroskopem: a - chitinová nanofibrila (drobné vlákno), b - chitinová matrix.

V přírodě se chitin vyskytuje ve třech krystalických alomorfech (formách):[2][5]

Chitin tak umožňuje organismům růst i vykonávat další základní životní funkce.[25] Koncentrace chitinu v těle organismů kolísá, například klesá v období hibernace u slimáků.[27] U skupiny Gastropoda (plži) je vysoká koncentrace chitinu v jejich operkulu (víčko umožňující zapouzdření k hibernaci).[27] Během evoluce klesá množství chitinu v tělech organismů s nárůstem kalcifikace (budování pevné vápenité vnější schránky) a naopak.[27]

Průmyslová výroba chitinu

Chitin je obsažen v používaných surovinách z cca 40-50 %. Výrobní proces sestává v podstatě z odstraňování proteinů, minerálií, pigmentů a tuků. Známé a vyzkoušené jsou tři různé technologie:

  • Chemická extrakce (nejpoužívanější) se základními stupni: deproteinizace – demineralizace – dekolorizace
  • Enzymatická metoda s proteolitickými enzymy
  • Biologická metoda za pomoci mikrobů

K technologii (všech tří metod) průmyslové výroby patří jako poslední stupeň přeměna chitinu deacetylací na derivát chitosan, protože rozpouštění a oddělení čistého chitinu v základní formě od příměsí je jen těžko proveditelné.[28]

Chitosan se odvádí k dalšímu zpracování jako vlákenný útvar, fólie (film), houba, tekutina, prášek a v několika dalších formách.[29] V odborné literatuře se uvádí až 200 různých možností použití látek vyrobených na bázi chitinu.[30]

Využití

Ve výzkumné fázi je mnoho potenciálních využití chitinu, chitosanu i enzymu chitinázy, které byly již úspěšně otestovány, nicméně stále nejsou dostatečně komerčně využívány.[11]

Díky své netoxicitě, houževnatosti, mechanické odolnosti, flexibilitě a snadné biodegradaci má využití v některých chirurgických pomůckách jako jsou obvazy a další typy krytí ran.[3][31][5] Chitin a jeho deriváty mohou také sloužit jako nosiče léčivých látek, včetně lépe cílené léčby rakoviny.[7][3][31]

Chitin, chitosan i chitináza mají potenciální využití v ekologickém zemědělství díky schopnostem zlepšovat kvalitu půdy, toleranci rostlin vůči stresu a jejich odolnost proti mikroorganismům a rostlinným onemocněním bez toho, aby docházelo k nebezpečné kontaminaci ke konzumaci určených produktů z nich vyráběných, jako se tomu děje při užívání běžných pesticidů.[4][32]

Stejně jako celulózu je možné využít i chitin a chitosan k výrobě biologicky rozložitelných obalů potravin a částečně jimi tak nahradit spotřebu plastů vyráběných z ropných produktů. K výrobě takových obalů je možné použít odpadu ze zpracování mořských plodů (krevet apod.). Kombinace celulózy a chitinu je možné použít k výrobě filmů s antibakteriálními vlastnostmi.[33] Takové filmy je pak možné používat i jako bezpečnou variantu konzervace potravin.[5]

Historie

Objeven byl v roce 1823 francouzským botanikem Henri Braconnotem při jeho výzkumu jedlých hub.[2][5] Jeho struktura byla popsána v roce 1930 švýcarským biochemikem Albertem Hofmannem. V roce 1970 přišel z Japonska první průmyslově vyrobený chitin,[34] v roce 1986 vyrábělo v Japonsku chitin (a derivát chitosan) už 15 průmyslových závodů.[35] Na začátku 21. století byla zaznamenána celosvětová roční produkce 8 100 tun látek na bázi chitinu.[36]

V roce 2023 se udával celosvětový výnos z prodeje chitinu s 1,3 miliardami USD[37] (s cenami od 5 USD do 120 USD/kg za čistý chitin).[38] Největšími výrobci s podílem asi 35 % zůstávají japonské firmy.[28]

Související články

Externí odkazy

Reference

  1. a b SONG, E. -H.; SHANG, J.; RATNER, D. M. 9.08 - Polysaccharides. Příprava vydání Krzysztof Matyjaszewski, Martin Möller. Amsterdam: Elsevier Dostupné online. ISBN 978-0-08-087862-1. S. 137–155. (anglicky) DOI: 10.1016/B978-0-444-53349-4.00246-6. 
  2. a b c d e CASADIDIO, Cristina; PEREGRINA, Dolores Vargas; GIGLIOBIANCO, Maria Rosa. Chitin and Chitosans: Characteristics, Eco-Friendly Processes, and Applications in Cosmetic Science. Marine Drugs. 2019-06, roč. 17, čís. 6, s. 369. Dostupné online [cit. 2023-04-23]. ISSN 1660-3397. DOI 10.3390/md17060369. (anglicky) 
  3. a b c d e f g SATITSRI, Saravut; MUANPRASAT, Chatchai. Chitin and Chitosan Derivatives as Biomaterial Resources for Biological and Biomedical Applications. Molecules (Basel, Switzerland). 2020-12-16, roč. 25, čís. 24, s. 5961. PMID: 33339290 PMCID: PMC7766609. Dostupné online [cit. 2023-04-23]. ISSN 1420-3049. DOI 10.3390/molecules25245961. PMID 33339290. 
  4. a b c SHAMSHINA, Julia L.; KELLY, Adrian; OLDHAM, Tetyana. Agricultural uses of chitin polymers. Environmental Chemistry Letters. 2020-01-01, roč. 18, čís. 1, s. 53–60. Dostupné online [cit. 2023-04-23]. ISSN 1610-3661. DOI 10.1007/s10311-019-00934-5. (anglicky) 
  5. a b c d e f g h KHOUSHAB, Feisal; YAMABHAI, Montarop. Chitin Research Revisited. Marine Drugs. 2010-07, roč. 8, čís. 7, s. 1988–2012. Dostupné online [cit. 2023-04-24]. ISSN 1660-3397. DOI 10.3390/md8071988. (anglicky) 
  6. a b GIRAUD-GUILLE, M. M.; BOULIGAND, Y. Chitin-Protein Molecular Organization in Arthropod. Příprava vydání Riccardo Muzzarelli, Charles Jeuniaux, Graham W. Gooday. Boston, MA: Springer US Dostupné online. ISBN 978-1-4613-2167-5. DOI 10.1007/978-1-4613-2167-5_5. S. 29–35. (anglicky) DOI: 10.1007/978-1-4613-2167-5_5. 
  7. a b ARANAZ, Inmaculada; ACOSTA, Niuris; CIVERA, Concepción. Cosmetics and Cosmeceutical Applications of Chitin, Chitosan and Their Derivatives. Polymers. 2018-02, roč. 10, čís. 2, s. 213. Dostupné online [cit. 2023-04-23]. ISSN 2073-4360. DOI 10.3390/polym10020213. (anglicky) 
  8. FUHRMANN, Jeffry J.; ZUBERER, David A. 13 - Carbon transformations and soil organic matter formation. Příprava vydání Terry J. Gentry, Jeffry J. Fuhrmann, David A. Zuberer. [s.l.]: Elsevier Dostupné online. ISBN 978-0-12-820202-9. S. 327–361. (anglicky) DOI: 10.1016/B978-0-12-820202-9.00013-7. 
  9. SCHREMPF, H. The chitinolytic system of Streptomyces olivaceoviridis. Příprava vydání Steffen B. Petersen, Birte Svensson, Sven Pedersen. Svazek 10. [s.l.]: Elsevier (Carbohydrate Bioengineering). Dostupné online. S. 71–75. (anglicky) DOI: 10.1016/S0921-0423(06)80094-8. 
  10. S, Hema; U CHANDRAN, Greeshma; P R, Jyothi. Biomedical Applications of Chitin. Příprava vydání Sabu Thomas, Ajitha AR, Cintil Jose Chirayil, Bejoy Thomas. Singapore: Springer Nature Dostupné online. ISBN 978-981-16-6603-2. DOI 10.1007/978-981-16-6603-2_25-1. S. 1–28. (anglicky) DOI: 10.1007/978-981-16-6603-2_25-1. 
  11. a b HAMED, Imen; ÖZOGUL, Fatih; REGENSTEIN, Joe M. Industrial applications of crustacean by-products (chitin, chitosan, and chitooligosaccharides): A review. Trends in Food Science & Technology. 2016-02-01, roč. 48, s. 40–50. Dostupné online [cit. 2023-04-24]. ISSN 0924-2244. DOI 10.1016/j.tifs.2015.11.007. (anglicky) 
  12. a b BARIKANI, Mehdi; OLIAEI, Erfan; SEDDIQI, Hadi. Preparation and application of chitin and its derivatives: a review. Iranian Polymer Journal. 2014-04-01, roč. 23, čís. 4, s. 307–326. Dostupné online [cit. 2023-05-18]. ISSN 1735-5265. DOI 10.1007/s13726-014-0225-z. (anglicky) 
  13. ALESSANDRI, Giulia; MILANI, Christian; DURANTI, Sabrina. Ability of bifidobacteria to metabolize chitin-glucan and its impact on the gut microbiota. Scientific Reports. 2019-04-08, roč. 9, čís. 1, s. 5755. Dostupné online [cit. 2023-04-23]. ISSN 2045-2322. DOI 10.1038/s41598-019-42257-z. (anglicky) 
  14. RODRIGUEZ, Julie; NEYRINCK, Audrey M.; ZHANG, Zhengxiao. Metabolite profiling reveals the interaction of chitin-glucan with the gut microbiota. Gut Microbes. 2020-11-09, roč. 12, čís. 1, s. 1810530. PMID: 32893709. Dostupné online [cit. 2023-04-23]. ISSN 1949-0976. DOI 10.1080/19490976.2020.1810530. PMID 32893709. 
  15. CALATAYUD, Marta; VERSTREPEN, Lynn; GHYSELINCK, Jonas. Chitin Glucan Shifts Luminal and Mucosal Microbial Communities, Improve Epithelial Barrier and Modulates Cytokine Production In Vitro. Nutrients. 2021-09, roč. 13, čís. 9, s. 3249. Dostupné online [cit. 2023-04-23]. ISSN 2072-6643. DOI 10.3390/nu13093249. (anglicky) 
  16. BUSSINK, Anton P., Dave Speijer, Johannes M. F. G. Aerts, Rolf G. Boot. Evolution of Mammalian Chitinase(-Like) Members of Family 18 Glycosyl Hydrolases. Genetics [online]. 2007-10-01 [cit. 2023-05-18]. Dostupné online. 
  17. ZHU, Zhou; ZHENG, Tao; HOMER, Robert J. Acidic Mammalian Chitinase in Asthmatic Th2 Inflammation and IL-13 Pathway Activation. Science. 2004-06-11, roč. 304, čís. 5677, s. 1678–1682. Dostupné online [cit. 2023-05-18]. ISSN 0036-8075. DOI 10.1126/science.1095336. (anglicky) 
  18. a b c d BRINCHMANN, B. Ch; BAYAT, M.; BROGGER, T. A possible role of chitin in the pathogenesis of asthma and allergy. Annals of Agricultural and Environmental Medicine. 2011, roč. 18, čís. 1. Dostupné online [cit. 2023-05-18]. ISSN 1232-1966. (EN) 
  19. a b LEE, Chun Geun; DA SILVA, Carla A.; DELA CRUZ, Charles S. Role of Chitin and Chitinase/Chitinase-Like Proteins in Inflammation, Tissue Remodeling, and Injury. Annual Review of Physiology. 2011-03-17, roč. 73, čís. 1, s. 479–501. Dostupné online [cit. 2023-05-18]. ISSN 0066-4278. DOI 10.1146/annurev-physiol-012110-142250. PMID 21054166. (anglicky) 
  20. STROBEL, Sara; ROSWAG, Anna; BECKER, Nina I. Insectivorous Bats Digest Chitin in the Stomach Using Acidic Mammalian Chitinase. PLOS ONE. 3. 9. 2013, roč. 8, čís. 9, s. e72770. Dostupné online [cit. 2023-05-18]. ISSN 1932-6203. DOI 10.1371/journal.pone.0072770. PMID 24019876. (anglicky) 
  21. MACK, Ines; HECTOR, Andreas; BALLBACH, Marlene. The role of chitin, chitinases, and chitinase-like proteins in pediatric lung diseases. Molecular and Cellular Pediatrics. 2015-02-27, roč. 2, čís. 1, s. 3. Dostupné online [cit. 2023-04-23]. ISSN 2194-7791. DOI 10.1186/s40348-015-0014-6. 
  22. Steven J. Van Dyken, ; Daniel Garcia; Paul Porter; Xiaozhu Huang; Patricia J. Quinlan; Paul D. Blanc; David B. Corry; Richard M. Locksley. Fungal Chitin from Asthma-Associated Home Environments Induces Eosinophilic Lung Infiltration. The Journal of Immunology [online]. [cit. 2023-04-23]. Dostupné online. 
  23. DONNELLY, Louise E.; BARNES, Peter J. Acidic mammalian chitinase – a potential target for asthma therapy. Trends in Pharmacological Sciences. 2004-10-01, roč. 25, čís. 10, s. 509–511. Dostupné online [cit. 2023-05-18]. ISSN 0165-6147. DOI 10.1016/j.tips.2004.08.002. (anglicky) 
  24. SHUHUI, Lim; MOK, Yu-Keung; WONG, W. S. Fred. Role of mammalian chitinases in asthma. International Archives of Allergy and Immunology. 2009, roč. 149, čís. 4, s. 369–377. PMID: 19295241. Dostupné online [cit. 2023-05-18]. ISSN 1423-0097. DOI 10.1159/000205583. PMID 19295241. 
  25. a b c LOPEZ-ROMERO, E.; RUIZ-HERRERA, J. The Role of Chitin in Fungal Growth and Morphogenesis. Příprava vydání Riccardo Muzzarelli, Charles Jeuniaux, Graham W. Gooday. Boston, MA: Springer US Dostupné online. ISBN 978-1-4613-2167-5. DOI 10.1007/978-1-4613-2167-5_8. S. 55–62. (anglicky) DOI: 10.1007/978-1-4613-2167-5_8. 
  26. KOŠŤÁK, Martin. Coleoidea - živoucí fosilie? (II.) Evoluce dvoužábrých hlavonožců. Živa [online]. [cit. 2023-04-23]. Dostupné online. Dostupné také na: [1]. 
  27. a b c POULICEK, M.; VOSS-FOUCART, M. F.; JEUNIAUX, Ch. Chitinoproteic Complexes and Mineralization in Mollusk Skeletal Structures. Příprava vydání Riccardo Muzzarelli, Charles Jeuniaux, Graham W. Gooday. Boston, MA: Springer US Dostupné online. ISBN 978-1-4613-2167-5. DOI 10.1007/978-1-4613-2167-5_2. S. 7–12. (anglicky) DOI: 10.1007/978-1-4613-2167-5_2. 
  28. a b A Review of Various Sources of Chitin and Chitosan in Nature [online]. Research Gate, 2021-11-30 [cit. 2024-04-20]. Dostupné online. (anglicky) 
  29. Chitin and Chitosan Recovered from Shrimp Shell [online]. Centria, 2021 [cit. 2024-04-19]. Dostupné online. (anglicky) 
  30. Utilization of shrimp Waste for the Recovery of Valuable Bioactive Compounds [online]. Durban University of Technology, 2018 [cit. 2024-04-19]. Dostupné online. (anglicky) 
  31. a b BAHARLOUEI, Parnian; RAHMAN, Azizur. Chitin and Chitosan: Prospective Biomedical Applications in Drug Delivery, Cancer Treatment, and Wound Healing. Marine Drugs. 2022-07, roč. 20, čís. 7, s. 460. Dostupné online [cit. 2023-04-23]. ISSN 1660-3397. DOI 10.3390/md20070460. (anglicky) 
  32. SHARP, Russell G. A Review of the Applications of Chitin and Its Derivatives in Agriculture to Modify Plant-Microbial Interactions and Improve Crop Yields. Agronomy. 2013-12, roč. 3, čís. 4, s. 757–793. Dostupné online [cit. 2023-04-23]. ISSN 2073-4395. DOI 10.3390/agronomy3040757. (anglicky) 
  33. YU, Zeyang; JI, Yue; BOURG, Violette. Chitin- and cellulose-based sustainable barrier materials: a review. Emergent Materials. 2020-12-01, roč. 3, čís. 6, s. 919–936. Dostupné online [cit. 2023-04-23]. ISSN 2522-574X. DOI 10.1007/s42247-020-00147-5. (anglicky) 
  34. Kim: Essentials of Marine Biotechnology, Springer Nature 2019, ISBN 9783030209445, str. 278
  35. Seafood Waste as Attractive Source of Chitin and Chitosan Production [online]. PMC, 2020-06-16 [cit. 2024-04-23]. Dostupné online. (anglicky) 
  36. Utilization of shrimp Waste for the Recovery of Valuable Bioactive Compounds [online]. Durban University of Technology, 2018 [cit. 2024-04-19]. Dostupné online. (anglicky) 
  37. Chitin Market Outlook [online]. fmi, 2024 [cit. 2024-04-20]. Dostupné online. (anglicky) 
  38. Chitosan Production Abstract [online]. ensymm, 2019 [cit. 2024-04-19]. Dostupné online. (anglicky) 

Média použitá na této stránce

High-resolution transmission electron microscopy image of chitin.jpg
Autor: Florentyna, Licence: CC BY 3.0
High-resolution transmission electron microscopy image of the fragment of isolated chitin nanofibril (a); the arrows indicate the presence of crystallite-like structures with a diameter which corresponds to that of chitin crystallites (2 nm). AFM micrograph of chitin nanofibrillar matrix (b).