Съедобная пищевая пленка, биодобавка для пчел и натуральный антисептик: как ученые ищут новые применения одному из самых распространенных биополимеров

Елена Кипрушкина, доцент факультета пищевых биотехнологий и инженерии мегафакультета биотехнологий и низкотемпературных систем (МФБТиНС) Университета ИТМО, председатель Санкт-петербургского отделения хитинового общества

Хитин — это один из самых распространенных биополимеров в природе, наряду с целлюлозой. Он и его производные активно используются более чем в 70 направлениях, наиболее важными признаны биотехнология, пищевая промышленность, медицина и космецевтика, сельское хозяйство и ветеринария.

Что такое хитозан?

С помощью концентрированной щелочи и нагревания можно модифицировать хитин, превратив его в хитозан. Хитозан приобретает аминогруппу, обеспечивающую повышенную реакционную способность полимеру, способность растворения в воде, кислотах, делает возможным различные химические превращения. Хитозан превращается в настоящий конструктор, где каждый создает уникальный полимер для своих нужд. Он хорошо связывается с другими химическими веществами, на цепочку полимера можно «навешивать» различные другие соединения.

Хитозан отличается высокой биосовместимостью, поэтому его активно используют в медицине: это различные ранозаживляющие, адъювантные, онкопротекторные препараты, хирургические растворимые шовные материалы, не обладающие аллергическими свойствами. Он также используется в противорадиационных целях, входит в состав противоожоговых, кровоостанавливающих материалов — например, в Военно-медицинской Академии разрабатывают кровоостанавливающие повязки с хитозаном.

Какие исследования в этой области ведут ученые Университета ИТМО?

В Университете ИТМО на базе факультета пищевых биотехнологий и инженерии активно ведется разработка различных пищевых пленок на основе хитозана, которые обладают пролонгирующими свойствами и могут повысить сроки хранения пищевых продуктов в несколько раз. При этом визуально такая пленка не обнаруживается, обладает бактериостатическими и бактерицидными свойствами.

Также на факультете пищевых биотехнологий и инженерии проводятся исследования по применению  хитозана для абсорбирования осадка в пивоварении, для коагуляции сывороточных белков, производства йодированных продуктов питания на основе создания комплексов «йод-хитозан», функциональных пищевых продуктов на основе хитина, снижающего уровень холестерина в крови, апробируются стабилизаторы для кондитерского производства, разрабатываются биопрепараты — биогенные элиситоры, индуцирующие болезнеустойчивость плодов и овощей при вегетации и/или холодильном хранении и так далее.

Актуальные проблемы

Сейчас в СМИ во всем мире активно обсуждается массовая гибель пчел, которая является поводом для беспокойства. Мировая наука доказала, что благодаря пчелам производится треть потребляемой человечеством пищи. Стоимость дополнительного урожая от опыления пчелами превышает стоимость прямого пчеловодства в 10-12 раз. Ученые говорят, что, когда исчезнут пчелы, исчезнет и человечество. Пчеловодство как отрасль сельского хозяйства объединяет многие мировые державы, являясь хорошей основой для внешнеэкономических связей.

В связи с этим магистранты нашего факультета активно включились в проект «Природные иммуностимулирующие добавки в пчеловодстве, их влияние на выживаемость пчел и качество меда». Во многих странах пчеловоды используют в основном антибиотики для лечения болезней пчел. Однако при использовании антибиотиков воск накапливает продукты их распада, впоследствии насыщая ими мед.

В рамках разрабатываемой нами кормовой добавки для снижения развития основных групп возбудителей инфекционных заболеваний медоносной пчелы мы предлагаем использовать иммуномодуляторы в составе кормовых добавок на основе природных веществ-β-глюканов и хитозанового комплекса, которые повышают иммунокомпетентность. Также, что немаловажно, это снижает и предотвращает резистентность возбудителей к антибиотикам, а также улучшает качество и безопасность меда как конечного продукта.

Елена Куприна, профессор факультета пищевых биотехнологий и инженерии Университета ИТМО, международный научный центр «Биотехнологии третьего тысячелетия»

Так как хитозан — это природный полимер, и у нас, и у других ученых, естественно, возник интерес использовать его в качестве пленок для пищевых покрытий, потому что он съедобен и биоразлагаем. Именно эти два его качества выгодно отличают его от использующихся сейчас упаковочных материалов, того же полиэтилена.

Но некоторые его свойства — например, отсутствие эластичности, недостаточная прочность — не удовлетворяют требования к пищевым пленкам. Поэтому необходимо его модифицировать другими полимерами, чем мы и занимаемся.

Мы получили интересные результаты при сочетании хитозана с альгинатом натрия, которые вообще-то термодинамически несовместимы, но нам удалось построить технологию так, что мы сделали их совместимыми. Теперь мы ждем последних данных по исследованию свойств этих пленок. Надеемся, что это будет новое слово в этой области исследования.

Валерий Варламов, профессор, заведующий лабораторией Института Биоинженерии, ФИЦ Биотехнологии РАН, президент Российского хитинового общества

В нашей лаборатории мы разработали несколько оригинальных подходов, позволяющих получать низкомолекулярный хитозан, что позволяет повысить его растворимость в нейтральных средах. Мы разработали методы изменения заряда гидрофобности этой молекулы, что позволяет варьировать место, куда молекула хитозана или его производных попадет в клетке. В зависимости от ее строения она селективно попадает либо в одни органеллы, либо в другие. Это очень важно.

Сейчас нашим основным направлением является сертифицикация хитозана, чтобы он мог использоваться для доставки лекарств — как бактерицид, антигриппозное средство, антиоксидант и так далее. Научных работ в этом направлении очень много, но работ по сертификации, к сожалению, недостаточно. Это важная задача, которую мы решаем в нашей лаборатории и в нашем Российском хитиновом обществе.

Валерий Галынкин, профессор кафедры технологии микробиологического синтеза, Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)

Наша кафедра занимается вопросом актиномицетов — это почвенные микроорганизмы, которые синтезируют и гидролизуют хитин.

Так как в основном хитин добывают из различных гидробионтов, на почвенный хитин до сих пор обращали мало внимание. Но на самом деле сегодня существует большая проблема, которая заключается в необходимости очистки поверхности земли от хитина. Дело в том, что он фактически не гидролизуется, а значит, не вымывается водой и поэтому загрязняет берега. Чтобы решить экологическую проблему, нужно обрабатывать поверхность земли хитиназой — это фермент, катализирующий деградацию хитина. А оставшийся после этой химической реакции ацетилглюкозамин можно использовать как лекарственный препарат — так мы сразу убиваем двух зайцев.

Алексей Албулов, профессор, ВНИТИ биологической промышленности РАН

Наше предприятие — Научно-производственная фирма по Внедрению Научных и Инженерно-Технических Инноваций (ВНИТИ) — единственное в России, которое производит продукты из хитина и хитозана. Мы реализуем те наработки, которые создают ученые Москвы, Санкт-Петербурга и всей России.

Мы работаем сразу в нескольких направлениях: ветеринарии, медицине, биотехнологии, пищевой промышленности, очистке сточных вод. Большой спрос по применению хитозана различных модификаций наблюдается в пищевых производствах, особенно он интересен как загуститель, структурообразователь.

Хитозан — это полисахарид, который добывается из панцирей раков, крабов, насекомых, а также грибов. Помимо других его важных свойств, он обладает высокой адсорбционной активностью и, что важно, этот абсорбент не токсичен. Поэтому его можно использовать в составе лекарств, для создания полимерных матриксов заданной морфологии в качестве биоимплантов для решения задач регенеративной медицины благодаря свойствам биосовместимости и биодеградируемости.

Добавим, что в этом году Российскому хитиновому обществу исполняется 20 лет. Европейское хитиновое общество впервые за всю историю проводит международную конференцию по хитину и хитозану в России: 14th International Conference of the European Chitin Society (EUCHIS 2020) и молодежный симпозиум — International Young Researchers Symposium on Marine and Plant Polysaccharides (MPP 2020), которые состоятся в Казани с 6 по 10 сентября 2020 года. Среди участников этого конгресса будут и представители факультета пищевых биотехнологий и инженерии Университета ИТМО.