Лучший молодой хитинолог России
Аспирант Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева, инженер кафедры «Нанотехнологии и биотехнологии» Ксения Отвагина удостоена звания лауреата премии имени академика П. П. Шорыгина 2019 года за разработки в области хитинологии. Премия присуждена по результатам обсуждения работ на форуме сайта Российского хитинового общества с учетом устных сообщений хитинологов
— Ксения Владимировна, за какие научные достижения вручается премия имени академика Шорыгина? За какое исследование награждены этой премией Вы?
— Премия имени академика Павла Полиевктовича Шорыгина, учрежденная Российским хитиновым обществом в 2003 году, вручается раз в год молодому ученому в возрасте до 28 лет без ученой степени за лучшие разработки в области хитинологии и призвана стимулировать дальнейшие исследования лауреата. В 2019 году премия присуждена в 16 раз, награждение состоится 18 марта в Москве в рамках ежегодных Шорыгинских хитиновых чтений. Павел Шорыгин — советский химик-органик, академик АН СССР, сын купца Шорыгина, одного из основателей Товарищества Шуйской мануфактуры.
Я удостоена премии за работы по созданию мембранных материалов на основе хитозана для процессов газоразделения и первапорации. Хитозан — это производное природного амино-полисахарида хитина, входящего в состав панцирей ракообразных и членистоногих, и клеточной мембраны грибов. А первапорация представляет собой метод мембранного разделения жидких смесей (например, органических растворителей), при котором жидкая разделяемая смесь контактирует с мембраной, а прошедший через мембрану компонент удаляется в виде пара. В Нижнем Новгороде лауреатами премии имени Шорыгина становились двое ученых ННГУ имени Н. И. Лобачевского: в 2009 году — Алла Мочалова, в 2016 году — Кристина Апрятина.
— Что изучает наука хитинология? Какова ее история?
— Исследования хитина и хитозана выделились в отдельную науку лишь на рубеже ХХ-ХXI веков. Этому способствовали уникальные свойства биополимеров, обуславливающие их широкое применение. Основным источником хитина служат ракообразные, а Россия известна как один из пионеров промышленной добычи крабов. Отходом при производстве мяса краба является панцирь, образующий огромные залежи вдоль прибрежной зоны. Он содержит до 35% хитина, 30% белка, минеральные вещества и липиды.
Хитин открыт в 1811 году французским профессором Анри Браконно при исследовании состава грибов под названием фунгин, а в 1823 году французский ученый Aндре Oдье выделил хитин из надкрылий майского жука и назвал его «хитин» (от греческого слова «одежда»). В 1878 году немецкий хирург Георг Леддерхозе установил, что в состав хитина входят глюкозамин и уксусная кислота. Однако только в 1931 году его соотечественник Раммельберг идентифицировал фунгин и хитин и присвоил им общее название хитин. Хитозан впервые был получен в 1859 году французом Роже.
Исследования развивались очень медленно, привлекая внимание сначала биологов, а уже затем химиков-органиков, и были сосредоточены во Франции и Германии. В первой половине XX века к хитину имели прямое отношение три нобелевских лауреата: Герман Эмиль Фишер (1903 год) синтезировал глюкозамин, Пауль Каррер (1929 год) провел деградацию хитина с помощью хитиназ, Уолтер Норман Хоуорс (1939 год) установил абсолютную конфигурацию глюкозамина. Вскоре стало очевидно, что хитозан может иметь практическое значение, и его начали интенсивно исследовать в разных странах, в том числе в России.
Первые российские работы, связанные с модификацией хитина, были проведены под руководством Павла Шорыгина (1881–1939), открывшего реакцию металлирования и внутримолекулярные перегруппировки: карбинольную и фенольную, названные его именем. Исследования в области химии углеводов привели его к малоизвестному тогда полисахариду — хитину. И только в 70-е годы ХХ века по разработанному в лаборатории способу были выпущены первые партии хитозана на Московском заводе химреактивов имени Войкова.
К освоению выпуска хитозана общество подстегнули две крупные техногенные катастрофы: авария в Чернобыле в 1986 году и гибель АПЛ «Комсомолец» в 1992 году. Так, для спасения морской флоры и фауны в районе затонувшего «Комсомольца» была использована оригинальная технология капсулирования, обеспечивающая изоляцию радиоактивных фрагментов на морском дне.
— Что дало толчок развитию хитозановой тематики в НГТУ?
— Работами с полимерами на основе хитозана опорный вуз занимается с 2015 года. Освоение направления полимерной химии для мембранной технологии было начато руководителем проекта, доктором технических наук, профессором кафедры «Нанотехнологии и биотехнологии» Ильей Владимировичем Воротынцевым в рамках гранта Российского научного фонда по разработке процессов выделения сероводорода и углекислого газа из газовых смесей. Илья Владимирович пригласил меня, завершающую в то время учебу в магистратуре ННГУ имени Н. И. Лобачевского, к сотрудничеству как специалиста в области химии природных полисахаридов крахмала и хитозана. Я поступила в аспирантуру НГТУ, и он стал моим научным руководителем. Для развития новой тематики на кафедре была создана лаборатория мембранных и каталитических процессов; мы называем ее самой красивой лабораторией Нижнего Новгорода.
— Насколько актуальны в современной России исследования в области хитинологии?
— Поскольку хитин и его производное хитозан являются отходами промысла камчатского краба, научные исследования в области хитинологии и выпуск продукции на основе хитозана не зависят от импорта как базирующиеся на отечественном сырье. Кроме того, это разумный подход к переработке и утилизации отходов. Благодаря уникальным свойствам и биосовместимости этих полимеров на их основе можно получать множество продуктов от биодобавок, медицинских и косметических средств до промышленно востребованных материалов, среди которых флокулянты, сорбенты и мембранные материалы. Грамотная организация научно-исследовательской работы способна привести к разработке конкурентноспособной продукции и содействовать не только импортозамещению, но и созданию экспортоориентированного потенциала страны.
— В чем уникальность хитозана и мембранных материалов на его основе?
— Дешевое возобновляемое сырье хитозан как биоразлагаемый полимер с мукостатическими свойствами замедляет рост грибков и патогенных микроорганизмов, обладает высокой термостойкостью, способностью связывать кислые газы, ионы тяжелых металлов, белки и бактериальные загрязнения. В научной литературе описаны попытки синтеза мембранных материалов на основе хитозана, однако неверный подбор условий получения мембран или модификатора не позволял создать производительные и стабильные мембранные материалы и обеспечивать воспроизводимость результатов. В моей работе предложен ряд пионерских подходов, позволяющих элиминировать недостатки аминополисахарида при сохранении его достоинств. Путем блок- и привитой сополимеризации хитозана с виниловыми мономерами (акрилонитрилом или стиролом) удалось в несколько раз увеличить прочность исходного аминополисахарида. Была установлена корреляция между составом и структурой сополимера и его физико-химическими свойствами. Увеличение проницаемости материалов на основе хитозана было достигнуто с помощью управления архитектурой мембран. Были получены как непористые симметричные мембраны, осуществляющие механизм «облегченного» транспорта, за счет наличия подвижной фазы — ионных жидкостей, так и композиционные мембраны с микронным селективным слоем на основе хитозана, осуществляющие механизм транспорта «растворение-диффузия». Получить мембраны, осуществляющие оба механизма в зависимости от условий проведения процесса, позволил перевод хитозана в стабильную катионную форму путем полимераналогичных превращений.
— Какова сфера применения хитозановых продуктов?
— В наши дни наиболее активно развивается сфера биодобавок и медицинских продуктов. В аптеках и некоторых продуктовых сетях в свободном доступе имеются хитозановые БАДы. Созданы малотоннажные производства кровоостанавливающих препаратов на основе хитозана. Также активно разрабатываются протезы, противоопухолевые препараты и средства доставки лекарственных средств. Однако, согласно Food and Drug Administration (агентству Министерства здравоохранения и социальных служб США), введение препаратов хитозана в кровь пока запрещено. Нас же интересует внедрение хитозановых продуктов в инженерную область, этим мало кто занимается. Между тем нам удалось получить материалы, не уступающие по характеристикам ряду синтетических небиоразлагаемых материалов. Полученные мембраны могут селективно отделять кислые газы (углекислый газ и сероводород), являющиеся причиной парникового эффекта, отравлений и порчи производственного оборудования, от природного и попутного нефтяного газа и с высокой производительностью обезвоживать органические растворители, которые опасно очищать от воды обычной перегонкой из-за высокого риска взрыва.
— Источником хитина являются ракообразные, которыми богат Дальний Восток. Где же исследователи НГТУ берут сырье для опытов?
— Поставщиком сырья стал ЗАО «Биопрогресс», один из крупных российских производителей биопрепаратов, пищевых, кормовых добавок и других биологически активных веществ из морепродуктов, а также сырья растительного и животного происхождения.
— Нижегородская промышленность готова к освоению выпуска продукции на основе хитиновых технологий?
— Если продукция не уступает аналогам и даже превосходит их по ряду признаков, обладает конкурентным преимуществом и при этом дешевле в производстве, кто же не будет готов к освоению производства? Задача ученых — обеспечить все эти критерии.
Гранты РФФИ — проектам ученых НГТУ
