Chitosan je mnohonásobně využívanější formou, nežli chitin, a to z důvodu vyšší rozpouštěcí schopnosti. Narozdíl od chitinu, který vykazuje nerozpustnost i v běžných organických kyselinách, chitosan se v nich rozpouští při pH pod hodnotou 5,5. Jako rozpouštědla se nejčastěji užívá kyselina octová, postačuje i ve velmi zředěném stavu.
A z chitosanu se stává nabitá látka, mající pH kolem hodnoty 6,5 a chovající se jako slabá kyselina.
Mezi další zásadní vlastnosti se řadí absorpční schopnost, vaznost na negativně nabité povrchy, tvorba gelů s cheláty přechodových kovů a kationtová povaha s nízkou disociační konstantou atd. Také vykazuje aktivity hemostatické, bakteriostatické, fungistatické, antikoncepční, antirakovinotvorné a anticholesterolické /9/.
Chitosan má biomedicínské vlastnosti. Jedná se o látku, která podporuje růst buněk jak u rostlin, tak i živočichů a člověka a podporuje tvorbu nových tkání a urychluje hojení ran.
Chitosan také v důsledku přítomnosti aminoskupiny v řetězci zastavuje růst celé řady bakterií.
Nejdůležitějšími vlastnostmi, sloužícími k odhadnutí charakteristiky chitosanu jsou stupeň deacetylace (DDA), molekulová hmotnost, rozpustnost, chemická reaktivnost, viskozita a biodegradabilita. Mezi další patří např. obsah sušiny, obsah popela a obsah proteinu.
V posledních 30ti letech byla na chitosan zaměřena řada různých výzkumů a bylo zjištěno, že má obrovský potenciál širokého uplatnění. A to zejména díky své biologické odbouratelnosti, biologické slučitelnosti, netoxicitě a víceúčelovým chemickým a fyzikálním vlastnostem /3/.
2.3.3.1 Stupeň deacetylace (DA nebo DD)
Stupeň deacetylace vyjadřuje míru glukosaminových monomerních zbytků v chitinu,
neboli udává podíl acetylované a deacetylované formy chitosanu. Má zásadní vliv na rozpustnost. Chitin a chitosan, jak již bylo dříve uvedeno, se liší svou rozpustností ve zředěných kyselinách, jako je např. kyselina octová. Chitin se v ní nerozpouští vůbec.
Jakmile však chitin projde cca ze 60% deacetylací, pak se stává rozpustným a označujeme ho jako chitosan.
Typickou deacetylací chitinu je považována reakce chitinu ve formě prášku či vloček ve 40-50 % zředěném roztoku NaOH při teplotě 100-120 °C po dobu několika hodin, než se docílí hydrolýzy N-acetylových vazeb /21/. Opakováním tohoto procesu můžeme
docílit až vyššího stupně deacetylace, než 98%, ale celková deacetylace nemůže být nikdy dosažena touto heterogenní deacetylací bez modifikace. Plně deacetylovaný (zhruba 100%) chitosan lze připravit alkalickým působením na gelovou formu chitosanu namísto formy práškové /10/.
Je užívána celá řada metod k měření stupně deacetylace. Jsou jimi např. infračervená spektroskopie, spektroskopie v ultrafialové oblasti, cirkulární dichroismus, chromatografie gelové propustnosti, titrační metody, elementární analýzy, magnetická rezonance a řada dalších. Jednou z nejjednodušších metod pro stanovení DD je titrace kyselinou, neboli kyselá
titrace, avšak neposkytuje tak přesné výsledky. Standardními metodami, které jsou v současnosti nejvíce používány jsou IR a UV spektroskopie a magnetická rezonance.
2.3.3.2 Molekulová hmotnost (MW)
Molekulová hmotnost je velice důležitým ukazatelem pro přírodní a syntetické
polymery a jejich aplikaci. Molekulová hmotnost chitinu a chitosanu se odvíjí z jejich původu a podmínkách deacetylace (čas, teplota, koncentrace NaOH). Chitosan získaný deacetylací
chitinu z korýšů má molekulovou hmotnost (dále jen MW) kolem 100.000. V důsledku tohoto faktu je nezbytné redukovat MW pomocí chemických metod na mnohem nižší, aby byla zajištěna snazší aplikace samotného chitosanu.
Ke stanovení MW Chitosanu slouží několik metod, např. spektrofotometrie rozptýleným světlem, chromatografie gelovou propustností a viskozimetrie.
Jednou z nejjednodušších a nejrychlejších metod je viskozimetrie, ačkoliv není právě nejlepší a neposkytuje stoprocentní informace.
2.3.3.3 Rozpustnost
Rozpustnost chitosanu je zásadní charakteristikou pro jeho užití. Ani chitin, ani chitosan nejsou rozpustné v neutrální vodě. Chitin je semikrystalický polymer s rozsáhlými inter a intra-molekulárními vodíkovými můstky, které zapříčiňují jeho těžkou
rozpustnost ve zředěných kyselinách či organických rozpouštědlech za mírných podmínek.
I přesto byla objevena některá vhodná rozpouštědla, avšak většina z nich nejsou vhodná vzhledem k jejich toxicitě, korozivitě a mutagenním vlastnostem. Chitosan, využitelnější forma chitinu, se snadno rozpouští ve zředěných minerálních nebo organických kyselinách, což je způsobeno protonizací volných aminoskupin při pH pod zhruba hodnotu 6,5. Právě tato kationaktivní povaha je stěžejní základnou, díky níž je chitosanu zaručena tak široká škála aplikací. Rozpouštědla chitinu a chitinu se dají nalézt v příslušné literatuře.
Obecně rozpustnost chitinu a chitosanu roste se snižující se molekulovou hmotností.
Oligomery chitinu či chitosanu se stupněm polymerace 8 nebo nižším jsou voděrozpustné nezávisle na hodnotě pH /5/.
Voděrozpustný chitin lze připravit dvěmi způsoby. Buď homogenní deacetylací chitinu
nebo homogenní N-acetylací chitosanu. Rozpustnost ve vodě je však pozorována jen za podmínky, že stupeň deacetylace chitinu se pohybuje kolem 0,5. Mělo by být
zdůrazněno, že voděrozpustný chitin lze získat pouze reakcí homogenní.
2.3.3.4 Chemická reaktivita
Chitosan má tři reaktivní skupiny, což je primární (C-6) a sekundární (C-3) hydroxylová skupina na každé opakující se jednotce a aminoskupina (C-2) na každé deacetylované jednotce. Tyto reaktivní skupiny zajišťují chemické přeměny a obecně mechanické a fyzikální vlastnosti a rozpustnost chitosanu. Typickými reakcemi zahrnujícími hydroxylové skupiny jsou esterifikace a etherifikace. Selektivní O-substituce může být docílena krytím aminoskupiny v průběhu reakce. Přítomnost nukleofilní aminoskupiny zajišťuje N-substituci, jako např. N-alkylaci a N-acylaci při reakci chitosanu s alkylovými halogenidy a chloridami kyselin. Alternativní metodou N-alkylace je reduktivní alkylace, kde dochází k přeměně aminoskupiny.
2.3.3.5 Viskozita
S viskozitou je spojena molární hmotnost, přičemž obě dvě mají zásadní vliv na rozpustnost chitosanu.
Viskozitu a limitní viskozitní číslo určíme zjištěním doby průtoku roztoku viskozimetrem a srovnáním s dobou průtoku čistého rozpouštědla. Obecně platí, že čím vyšší je molární hmotnost, tím se ekvivalentně zvýší i viskozita dané látky a současně se zhoršuje její rozpustnost.
2.3.3.6 Biodegradibilita
Pod slovem biodegradibilita se skrývá schopnost látek podléhat rozkladu pomocí mikroorganizmů. Úplný biologický rozklad je stupeň rozkladu, kdy zkoušená látka je zcela mineralizována mikroorganizmy za vzniku minerálních látek, vody, oxidu uhličitého a nové biomasy. Úplný biologický rozklad je hlavním kritériem pro hodnocení biologické rozložitelnosti dané látky a vyjadřuje se obvykle jako DOC, což představuje množství rozpuštěných organických látek.
Dalším kritériem pro úplný biologický rozklad je stanovení BSK, tedy biochemické spotřeby kyslíku. BSK vyjadřuje míru kyslíku, kterou mikroorganizmy spotřebovaly k oxidaci přítomných organických látek.
2.3.3.7 Antimikrobiální vlastnost chitosanu
Antimikrobiální účinky chitosanu na různé bakterie a houby je dobře známá a byla zveřejňována celu řadou autorů. Tato unikátní vlastnost, způsobená polykationickou povahou chitosanu, usnadňuje a rozšiřuje znatelně působnost chitosanu do různých druhů oblastí, např. zemědělství, farmacie, textilního průmyslu.
Bylo zveřejněno několik rozdílných mechanismů, které by vysvětlovaly antimikrobiální působení chitosanu, avšak stěžejní mechanismus není pravděpodobně stále znám. Ten nejvíce akceptovatelný popisuje tento reakční mechanismus jako interakci pozitivně nabitého chitosanu s negativně nabitými zbytky na buněčném povrchu hub a bakterií, což zapříčiňuje rozsáhlou změnu povrchu buněk a pozměňuje buněčnou propustnost /19/.
Toto způsobuje průnik intracelulárních substancí, jako jsou elektrolyty, látky absorbující UV záření, proteiny, aminokyseliny, glukóza. Výsledkem je, že chitosan brzdí normální běžný metabolismus mikroorganizmů a nakonec vede až k záhubě těchto buněk.