Хитин и Хитозан

Человечество ищет новые перспективные материалы, прочные, надёжные, выносливые, высокоэффективные, а в живой природе они давно уже существуют. Хитин второй по распространённости в природе полимер после целлюлозы. Они являются ближайшими структурными родственниками (их отличает лишь один заместитель в полимерной цепи) и выполняют схожие функции. Целлюлоза основной «опорный» материал клеточной стенки растений, а хитин (животный аналог клетчатки) отвечает за «надежность» брони членистоногих и грибов.

Но есть два ключевых отличия хитина, делающих его фаворитом ученых. Во-первых, он является более реакционноспособным, что значительно расширяет область его практического применения. Во-вторых, хитин способен деградировать под действием ферментов организма. Целлюлоза является более инертной в этом отношении, поскольку у млекопитающих отсутствует переваривающий ее фермент. Исключение составляют лишь травоядные животные, призывающие на помощь бактерий-симбионтов.

Источники хитина разнообразны и широко представлены в природе. Хитин встречается в наружном покрове членистоногих (ракообразных, насекомых), клеточной стенке грибов и дрожжей, диатомовых водорослях. Хитин главный компонент экзоскелета (кутикулы) членистоногих и насекомых. Экзоскелеты защищают мягкие ткани насекомых и членистоногих, лишенных внутренних скелетов, предотвращают высыхание и обезвоживание тел. Однако эту функцию хитин выполняет не самостоятельно. Во всех организмах, вырабатывающих и использующих хитин, он находится в комплексе с другими полисахаридами, и очень часто ассоциирован с белками. От концентрации тех или иных белков зависит прочность экзоскелета: будет ли он жёстким, как панцирь жука, или мягким и гибким, как суставы у крабов. 

Химическая формула хитина была открыта в 1811 году при исследовании состава грибов директором ботанического сада Нанси, профессором естественной истории Анри Браконно. Позже, в 1823 году, хитин был выделен из внешнего скелета членистоногих французским ученым Андре Одье. Именно он и назвал это вещество хитином (от греч. Chiton: хитон - одежда, кожа, оболочка). Его перспективность была обнаружена благодаря замечательному открытию еще одного француза - профессора Шарля Руже, который в 1859 году, при нагревании хитина с концентрированным едким калием, получил продукт, отличающийся рядом интересных свойств. В 1894 году это вещество получило название хитозан, данное ему немецким биохимиком Эрнст Хоппе-Зейлер. На протяжении следующего столетия было проведено множество фундаментальных исследований этих соединений. Повышенный интерес к этим веществам возник в 30-е годы и в начале 40-х годов XX века, однако дефицит соответствующих производственных мощностей и конкуренция со стороны синтетических полимеров помешали коммерческому применению хитина и хитозана. Вновь возникшему интересу в 70-е годы способствовала необходимость лучшего использовании раковин моллюсков (отходов рыбопереработки). Учёные по всему миру стали отмечать удивительные свойства хитина и его производных, и разбираться в потенциале этих природных полимеров.

В Советском союзе в начале 70-х годов ХХ века, в Институте высокомолекулярных соединений АН СССР проводились систематические исследования хитина, хитозана и их производных. Изучалось их воздействие на организм и возможность применения для лечения различных заболеваний. Первоначально эти разработки использовали только в промышленных целях. Практически сразу этот проект стал полностью закрытым не только в Советском союзе, но и во всем мире, по линии оборонных ведомств. Хитозану - присвоили стратегический статус ввиду его беспрецедентных радиопротекторных свойств. Оказалось, что он практически полностью способен связывать в организме свободные радикалы, образующиеся под воздействием радиации. Позже выяснилось, что хитозан отсорбирует любые яды и токсины. В армии солдаты получили в свои индивидуальные аптечки специальные хитозановые таблетки на случай ядерного удара противника. Но самое широкое и выдающееся применение хитозан получил при утилизации ядерного топлива, как в оборонной, так и мирной промышленности. Отслужившие свой срок ядерные отходы и ракетное топливо надежно герметизировали в специальных капсулах, залитых хитозановым гелем. Примерно с 90-х годов прошлого века хитозан стал широко использоваться в медицине и пищевой промышленности, главным образом, как средство для похудения, снижения уровня холестерина и дезинтоксикации. Появились первые косметические формулы для омоложения кожи. Этот полимер оказался идеальным эмульгатором, увлажнителем, антистатическим и пленкообразующим компонентом косметических средств.

Хитин - жёсткое полупрозрачное, нерастворимое в воде природное соединение из группы азотсодержащих полисахаридов. Хитин не встречается в природе в чистом виде и не поддается выделению напрямую. Для его получения необходимо последовательно отделить белковую и минеральную составляющие, то есть перевести их в растворимое состояние и удалить. Хитин разрушается (гидролизуется) при нагревании с концентрированными растворами минеральных кислот. В результате дезацетилирования удаляется атом ацила (карбоновое соединение, цементирующие хитин) и из каменистого состояния он превращается в гелеобразное, растворимое вещество - Хитозан. Такая модификация хитина является самой перспективной, поскольку взамен ацетильной образуется аминогруппа. Ну а такая группа - настоящая мечта химика! Она не только придает полимеру растворимость, но и делает возможными различные химические превращения. «Разрезая» полимерную цепь с помощью ферментов или кислот, хитозан можно превратить в настоящий конструктор «Лего», где каждый сможет смастерить полимер «на свой вкус и цвет». Благодаря этому, горизонты использования хитина и хитозана безграничны, в самых различных областях. В биотехнологии; пищевой, рыбной, рыбоперерабатывающей, косметической, фармацевтической, химической и оборонной промышленности; меховой, бумажной, текстильной отраслях; сельском хозяйстве; для очистки воды; для создания растворимого высокопрочного шовного материала и имплантатов; создании искусственной кожи; пластырей, мазей для заживления ран; изготовлении контактных  линз и искусственного хрусталика; трансдермальных систем доставки биологически активных веществ; инкапсулирования лекарственных средств; биоразлагаемой упаковки  и многое, многое другое.

Знал ли Браконно в начале XIX столетия, что вещество, выделенное им из клеточной стенки грибов, приобретёт небывалую популярность спустя два столетия? В наши дни интерес к хитозану огромен, из-за необъятных возможностей для получения широкого спектра продуктов (путем органического синтеза), способных ответить на многие вызовы будущего.

Хитозан имеет уникальную структуру, крайне редкую для полисахаридов. Молекула хитозана содержит большое количество свободных водородных связей и положительно заряженных аминогрупп. Благодаря этой особенности хитозан способен прочно удерживать в своей структуре большое количество растворенных и взвешенных в нем веществ, что делает его универсальным и высокоэффективным сорбентом. Хитозан безвреден, не токсичен, экологически чист, может длительно применяться по всем направлениям, способен к биодеградации и имеет неограниченную воспроизводимую сырьевую базу. Количество хитина, которое ежегодно синтезируется в природе, исчисляется сотнями миллиардов тонн.

На сегодняшний день основным сырьем для производства хитозана служат отходы промышленной переработки различных видов ракообразных, прежде всего креветок, крабов и лангуст. Их панцири и оболочки содержат в среднем 25% хитина. Технология переработки панцирей ракообразных, очень трудоемка, включает постадийное удаление сопутствующих веществ с использованием химических и ферментативных способов обработки.

В нашей стране хитин и хитозан производят из панциря дальневосточных крабов. Объемы этого производства ограничены объемами вылова. Кроме того панцири крабов достаточно дорогостоящее сырьё. Необходимо было найти более дешевый альтернативный источник природного хитина. В качестве альтернативы рассматривались мелкие ракообразные (гаммариды и талетриды) и насекомые. Одомашненные и поддающиеся разведению насекомые в силу своего быстрого воспроизводства могут обеспечить большую биомассу, содержащую хитин. К таким насекомым относятся тутовый шелкопряд, медоносная пчела и комнатная муха.

Идея создания и выделения хитина из подмора пчёл принадлежит Президенту и Основателю Компании "Тенториум" Раилю Хисматуллину. Пчелиный подмор - это то, что всегда мешало пчеловоду работать. «Кто нам мешает, тот нам и поможет!». Подмор дает прекрасный продукт, в котором содержится хитин. Почему бы его не использовать? На основе своей научно-исследовательской базы в 2002 году «Тенториум» открыл и запатентовал новый продукт с уникальными свойствами - пчелиный хитозан или «Апизан». Низкомолекулярный хитозан-меланиновый комплекс отмечен серебряной медалью выставки «Апи-Экспо-2001» в г. Дурбане (ЮАР) как новый продукт пчеловодства.

Хитозан научились делать из пчёл, но лишь дождавшись финального аккорда их существования!