ХИТОЗАН - ПОЛИМЕР С УНИКАЛЬНЫМИ СВОЙСТВАМИ
Академик Константин СКРЯБИН, директор Центра «Биоинженерия» РАН, академик Игорь ТИХОНОВИЧ, директор Института сельскохозяйственной микробиологии РАН, доктор химических наук Валерий ВАРЛАМОВ, заведующий лабораторией инженерии ферментов Центра «Биоинженерия» РАН
В последние два десятилетия исследования природного полимера хитина (по распространенности он уступает только целлюлозе) и его производного хитозана выделились в отдельную науку, названную хитинологией. Удивительные свойства этих веществ обусловили их широкое и разнообразное применение в сельском хозяйстве, пищевой, текстильной, бумажной промышленности, медицине и даже косметологии. Особо отметим возможности их использования в решении актуальных экологических проблем.
ДВА ВЕКА ИССЛЕДОВАНИЙ
Принято считать, что природный полисахарид хитин впервые был обнаружен в 1811 г. в грибах шампиньонах французским ученым Анри Браконно. Позднее этот биополимер выявили также в панцирях ракообразных, кутикулах насекомых, диатомовых водорослях, морских губках и некоторых других источниках. В 1859 г. француз Шарль Роже показал, что, обрабатывая хитин концентрированной щелочью, мож-
но получить его модификацию, растворимую в кислых водных растворах. В 1886 г. немецкий биохимик Эрнст Хоппе-Зейлер при сплавлении хитина с гидроокисью калия при температуре 180°С получил вещество, хорошо растворимое в уксусной и соляной кислотах, впоследствии названное хитозаном. В дальнейшем к этим биополимерам был проявлен заслуженный интерес. В частности, к их изучению имели прямое отношение три нобелевских лауреата: в 1903 г. немецкий химик
Винсент Ван Гог. «Два краба». 1889 г.
Эмиль Фишер синтезировал глюкозамин (полисахарид, вырабатываемый хрящевой тканью суставов), в 1929 г. швейцарский химик Пауль Каррер провел деградацию хитина с помощью ферментов хитиназ и в 1939 г. английский химик Уолтер Хоуорс установил абсолютную конфигурацию глюкозамина.
В ходе изучения хитина выяснилось, что по своему строению это линейный полисахарид, состоящий из остатков ацетилированного* глюкозамина. В хито-зан же (его получают из хитина простой реакцией отщепления ацетильной группы) глюкозамин входит в качестве мономерного звена. Молекула хитозана содержит большое количество свободных аминогрупп, что позволяет ему связывать ионы водорода, а кроме этого, «ловить» и прочно удерживать ионы различных металлов (в том числе радиоактивных изотопов и токсичных элементов). Полимер способен также «захватывать» большое количество органических водорастворимых веществ, в том числе и бактериальных токсинов.
Первые работы в нашей стране, связанные с модификацией хитина, проводились под руководством химика-органика академика Павла Шорыгина. Его исследования, выполненные в 1934—1935 гг., показали очень низкую активность этого природного полимера в реакциях ацетилирования, нитрования и метилирования.
В 1930-1970-е годы в ходе изучения морских ракообразных, так называемых бокоплавов, обитающих в
*Ацетилирование — процесс замещения водорода в органических соединениях ацетилом — СН3СО — одноатомным радикалом (остатком) уксусной кислоты (прим. ред.).
Черном море, отечественные ученые выявили, что в результате регулярных линек на дне моря образуются гигантские запасы хитина. В те же годы интенсивно исследовались его биохимические трансформации под действием морских бактерий.
Систематические исследования физико-химических свойств хитина, хитозана и их производных, а также возможности их использования начались в 1950-е годы под руководством члена-корреспондента АН СССР Степана Данилова в Институте высокомолекулярных соединений АН СССР в Ленинграде. Ученым удалось, в частности, обнаружить сорбцион-ную способность хитина к ионам урана. В 1970-е годы лаборатория Данилова уделяла большое внимание изучению хитозана. По разработанному здесь способу Московский химический завод им. Войкова выпустил первые в СССР партии этого вещества, нашедшего различное применение. Выяснилось, например, что обработка растворами цианэтилхитозана конденсаторных бумаг значительно улучшает их диэлектрические свойства. С учетом волокнообразующей способности хитина и хитозана были созданы саморассасывающиеся шовные материалы для хирургии.
С 1961 г. изучением хитина начали заниматься в московском Институте биофизики Минздрава СССР. Инициировал работы Борис Белоусов, открывший в 1951 г. автоколебательную реакцию, известную как реакция Белоусова-Жаботинского. Основная цель проводившихся исследований — создание противолучевых препаратов — остается актуальнейшей и поныне. На основе масштабного изучения свойств, механизма действия, фармакологической активно-
Посещение Наполеоном лаборатории Анри Браконно в 1811 г.
(С картины Ольги Бородай, 2011 г.)
сти и токсичности хитозана получены лекарственные формы препаратов под кодовыми названиями РС-10 и РС-11 (работами руководил академик Леонид Ильин). Оба показали высокую эффективность и были разрешены к медицинскому применению для лечения пострадавших от воздействия ионизирующего излучения. Впоследствии к исследованиям, проводившимся в Институте биофизики Минздрава РФ, присоединились ученые Центра «Биоинженерия» РАН во главе с академиком Константином Скрябиным. В результате объединенных усилий созданы и запатентованы новые эффективные формы низкомолекулярного хитозана в качестве радиопротектора.
В 1980 г. в связи с увеличением вылова антарктического криля в СССР возникла проблема утилизации панцирьсодержащих отходов. Для ее решения была разработана комплексная целевая программа «Криль» с головной организацией Всесоюзный научно-исследовательский институт рыбного хозяйства и океанографии*, а в число соисполнителей вошли многие институты Академии наук. Общее направление исследований в эти годы менялось в сторону изучения биологической активности хитозана и его применения в медицине и сельском хозяйстве. Начался выпуск этого биополимера в Москве (фирма «Сонат»), Московской области (ЗАО «Биопрогресс», г. Щелково) и в Приморском крае.
Для координации исследований в новой области науки в нашей стране в 2000 г. создана Общероссийская общественная организация «Российское хитиновое общество» (РХО), которое возглавил доктор химиче-
*См.: М. Глубоковский. Восемь десятилетий научного поиска. — Наука в России, 2013, № 5 (прим. ред.).
ских наук Валерий Варламов. Под эгидой РХО в России регулярно проводятся научные конференции. В 2011 г. эта общественная организация удостоилась чести проведения в Санкт-Петербурге Десятой международной конференции Европейского хитинового общества, посвященной 200-летию открытия хитина, с участием ведущих специалистов из многих стран, что говорит о признании вклада отечественных ученых в хитинологию. Она бурно развивается во многих странах, о чем говорит стремительный рост в последние годы числа публикаций. Только в 2012 г. количество их в мире составило 24300, с патентами — 27300. Достижения российских ученых-хитинологов за последние 10—15 лет обобщены в изданной в 2013 г. Центром «Биоинженерия» РАН при финансовой поддержке РФФИ коллективной монографии «Хитозан». Вслед за научными результатами растет и рынок выпускаемых продуктов. Производство хитозана в 2010 г. на мировом рынке оценивалось в 13,7 тыс. т, а к 2015 г. возрастет, как предполагается, до 21,4 тыс. т. По прогнозным оценкам компании Global Industry Analysis, суммарная стоимость выпускаемых производных хитина достигнет к 2015 г. 63 млрд дол., а глобальный рынок хитозана — 21,4 млрд дол.
ИСТОЧНИКИ ХИТИНА
Безусловно, главным источником этого природного полимера служит панцирь ракообразных, чаще всего креветки и крабы. Общая их добыча в России — около 170 тыс. т. Из них примерно 2/3 (113 тыс. т) приходится на долю креветок, преимущественно северной и углохвостой, вылавливаемых в основном в зонах иностранных государств, 58 тыс. т — на долю крабов, добываемых в Дальневосточном регионе и
Молекулярная структура хитозана. Серые шары — атомы углерода, белые — атомы водорода, красные — атомы кислорода, синие — атомы азота.
Крабы и креветки — источники хитина и хитозана.
в Северо-Восточной Атлантике (Баренцево море). Первые крабоконсервные заводы в Приморье дали продукцию более 100 лет назад. При этом панцирь, содержащий в своем составе до 35 % хитина, 30% белка, минеральные вещества, липиды и т.д., выбрасывали в отходы, образуя огромные залежи вдоль прибрежных зон тихоокеанского побережья России. С каждым годом они увеличивались и уже сами по себе представляли серьезную экологическую угрозу. И в конце 1980-х годов было принято решение о строительстве завода по производству хитина в г. Партизанске (Приморский край).
В 1930-е годы начались первые работы по акклиматизации камчатского краба в Норвежском море. Активное развитие они получили в 1961—1968 гг. благодаря энтузиазму советских ученых под руководством Юрия Орлова (Всесоюзный НИИ рыбного хозяйства и океанографии). Им удалось успешно провести та-
кую интродукцию в Баренцево море путем перевозки самок, молоди и икры. Вселению краба предшествовала длительная и трудная дискуссия о возможности и целесообразности его акклиматизации в Северной Атлантике. Возможность вселения доказана, а в отношении целесообразности научные споры продолжаются. Определенный итог был подведен в 2003 г.: в норвежском посольстве в Москве, куда был приглашен Орлов, в его адрес была выражена искренняя признательность Норвегии нашей стране за успешное проведение этой уникальной операции. В настоящее время популяция камчатского краба в Баренцевом море успешно размножается и эксплуатируется как Норвегией, так и Россией, давая не только вкусное крабовое мясо, но и ценное сырье для получения хитина и хитозана.
В последние годы наряду с крабами, креветками, крилем для получения хитина и хитозана использу-
ют еще один их источник — подмор пчел. Не случайно XII Международная конференция РХО прошла в Перми в июне 2014 г. на базе компании «Тенториум» (ее возглавляет Раиль Хисматуллин), специализирующейся на продуктах пчеловодства. В 2012 г. в этом городе открыт завод по
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.