Forskare vid MIPT har utvecklat en ny teknik för att få låg molekylvikt, vattenlösligt kitin och kitosan. Den föreslagna metoden bygger på nedbrytning av kitin och kitosan genom elektronstråleplasma i en speciell plasmakemisk reaktor. Den nya tekniken minskar tiden som behövs för att producera vattenlösliga oligosackarider av kitin och kitosan från flera dagar till minuter. Det har också fördelen att det är miljövänligt. Den föreslagna metoden ger biologiskt aktiva oligosackarider med antimikrobiella och fungicida egenskaper. Forskningsresultaten publicerades i Kolhydratpolymerer .

Kitin är den näst vanligaste biopolymeren efter cellulosa. Både kitin och dess derivat kitosan upptäcktes för cirka 200 år sedan. Dock, under de senaste två decennierna, de två föreningarna har fått ökad uppmärksamhet. I den naturliga världen, kitin och kitosan förekommer som huvudkomponenterna i exoskeletten hos insekter och kräftdjur, samt de flesta svampar och en del alger.

Det finns för närvarande över 70 kända tillämpningar av dessa föreningar inom många industrier inklusive jordbruk, medicin, Livsmedelsbearbetning, och tillverkning av kosmetika. Vattenlösliga kitooligosackarider med låg molekylvikt rankas bland de mest lovande kitin- och kitosanbaserade produkterna. De tillverkas konventionellt genom kemisk depolymerisation av källmaterialet. Denna teknik involverar höga temperaturer och användning av väteperoxid, koncentrerade lösningar av organiska och oorganiska syror och natriumhydroxid, såväl som andra aggressiva medel. Kemisk behandling av kitin och kitosan resulterar i stora volymer industriellt avloppsvatten med syra- eller alkalihalt som kräver rening. Förutom hantering av giftigt avfall, den konventionellt använda kemiska hydrolysen är tidskrävande, en flerstegsprocess som kan ta upp till flera dagar.

MIPT:s forskare slog sig ihop med sina kollegor från Lomonosov Northern (Arctic) Federal University för att utveckla en helt ny och ren plasmaassisterad metod för att producera lågmolekylära derivat av kitin och kitosan.

Elektronstråle plasmakemisk reaktor

Forskarna föreslog en alternativ plasmakemisk teknik som skulle användas i stället för kemisk hydrolys av kitin och kitosan. Denna lovande teknik involverar användningen av en låg temperatur, icke-jämviktselektronstråleplasma (EBP). För att testa den nya tekniken, de introducerade polysackaridpulver i sin specialbyggda plasmakemiska elektronstrålereaktor. Även om många gaser kan användas för att fylla reaktionskammaren, syre och vattenånga visade sig vara de mest effektiva plasmagenererande medierna för kitooligosackaridproduktion.

För att generera plasma för kitin- och kitosanbehandling, en pre-relativistisk elektronstråle injicerades i det gasformiga mediet. Även om kammaren innehåller gas, ett högt vakuum krävs för generering av elektronstråle. Så elektronkällan måste avskärmas av ett injektionsfönster. När elektronstrålen passerar genom mediet, det orsakar jonisering, excitation, och dissociation av gasmolekyler. Som ett resultat, radikaler och andra kemiskt aktiva partiklar erhålls i mycket höga koncentrationer som normalt inte kan uppnås under jämviktsförhållanden. Att exponera kitin och kitosan för plasma och för själva elektronstrålen utlöser de nödvändiga biopolymeromvandlingarna. Detta sker utan att någonsin värma polysackaridpulvret över rumstemperatur, förhindrar termisk förstörelse av materialet. Höga temperaturer är en av de största nackdelarna med kemisk hydrolys.

I synnerhet, de föreslagna tekniska lösningarna möjliggör kontroll över hur mycket energi som frigörs i reaktionsmediet, vilket gör processen stabil och plasmabehandlingsresultaten replikerbara.

Biologisk aktivitet hos de erhållna föreningarna

Praktiska tillämpningar av kitosan bestäms av föreningens unika egenskaper, nämligen dess höga biokompatibilitet, biologisk nedbrytbarhet, och komplexbildningskapacitet i kombination med låg toxicitet. Ett antal studier utförda på E. coli, S. aureus, P. aeruginosa, S. enterica, B. subtilis, och några andra arter bevisade att den biologiska aktiviteten hos kitosan är avsevärt beroende av dess molekylvikt. Särskilt, kitosaner med lägre molekylvikt visade sig hämma bakterietillväxt och förökning i större utsträckning.

För att utvärdera den biologiska aktiviteten hos de erhållna oligosackariderna av kitin och kitosan, forskarna mätte deras antibakteriella egenskaper in vitro. Föreningarna visade sig fullständigt undertrycka tillväxten av både S. aureus och E. coli i replikerande och vilande former. De hämmade också tillväxten av flera arter av filamentösa svampar, nämligen P. tardum, P. chrysogenum, A. flavus, P. betae, och C. herbarum.

Tatiana Vasilieva, Ph.D. förklarar studiens betydelse:"Våra experiment har visat att elektronstråleplasma kan användas i effektiv kontrollerad kitin- och kitosan-depolymerisation. Detta är en alternativ metod för att erhålla lågmolekylär vikt, vattenlösliga, biologiskt aktiva kitooligosackarider. Den föreslagna depolymerisationstekniken kan konkurrera med de tekniker som konventionellt används av den kemiska och biotekniska industrin. Förhoppningsvis, dessa föreningar kommer att hitta sina tillämpningar inom jordbruket, farmaci, och medicin."