Onderzoekers van het MIPT hebben een nieuwe techniek ontwikkeld om laagmoleculaire, in water oplosbare chitine en chitosan. De voorgestelde methode is gebaseerd op afbraak van chitine en chitosan door elektronenstraalplasma in een speciale chemische plasmareactor. De nieuwe technologie reduceert de tijd die nodig is om in water oplosbare oligosachariden van chitine en chitosan te produceren van enkele dagen tot minuten. Het heeft ook het voordeel dat het milieuvriendelijk is. De voorgestelde methode levert biologisch actieve oligosachariden op met antimicrobiële en fungicide eigenschappen. De onderzoeksresultaten zijn gepubliceerd in Koolhydraat Polymeren .

Chitine is na cellulose het meest voorkomende biopolymeer. Zowel chitine als zijn afgeleide chitosan werden ongeveer 200 jaar geleden ontdekt. Echter, in de afgelopen twee decennia, de twee verbindingen hebben steeds meer aandacht gekregen. In de natuurlijke wereld, chitine en chitosan komen voor als de belangrijkste componenten van de exoskeletten van insecten en schaaldieren, evenals de meeste schimmels en sommige algen.

Er zijn momenteel meer dan 70 bekende toepassingen van deze verbindingen in vele industrieën, waaronder landbouw, medicijn, voedselverwerking, en vervaardiging van cosmetica. In water oplosbare chitooligosacchariden met een laag molecuulgewicht behoren tot de meest veelbelovende producten op basis van chitine en chitosan. Ze worden conventioneel geproduceerd door chemische depolymerisatie van het bronmateriaal. Deze technologie omvat hoge temperaturen en het gebruik van waterstofperoxide, geconcentreerde oplossingen van organische en anorganische zuren en natriumhydroxide, evenals andere agressieve middelen. Chemische behandeling van chitine en chitosan resulteert in grote hoeveelheden industrieel afvalwater met een zuur- of alkaligehalte dat moet worden gezuiverd. Afgezien van het beheer van giftig afval, de conventioneel toegepaste chemische hydrolyse is tijdrovend, een meertraps proces dat tot enkele dagen kan duren.

De MIPT-onderzoekers werkten samen met hun collega's van de Lomonosov Northern (Arctic) Federal University om een ​​geheel nieuwe en schone plasma-ondersteunde methode te ontwikkelen voor het produceren van laagmoleculaire derivaten van chitine en chitosan.

Elektronenstraal plasmachemische reactor

De wetenschappers stelden een alternatieve chemische plasmatechnologie voor om te gebruiken in plaats van chemische hydrolyse van chitine en chitosan. Deze veelbelovende techniek omvat het gebruik van een lage temperatuur, niet-evenwicht elektronenstraal plasma (EBP). Om de nieuwe techniek te testen, ze introduceerden polysacharidepoeder in hun op maat gemaakte chemische elektronenstraalreactor in plasma. Hoewel veel gassen kunnen worden gebruikt om de reactiekamer te vullen, zuurstof en waterdamp bleken de meest effectieve plasmagenererende media te zijn voor de productie van chitooligosacchariden.

Om plasma te genereren voor behandeling met chitine en chitosan, een pre-relativistische elektronenbundel werd in het gasvormige medium geïnjecteerd. Hoewel de kamer gas bevat, een hoog vacuüm is vereist voor het genereren van elektronenbundels. De elektronenbron moet dus worden afgeschermd door een injectievenster. Wanneer de elektronenbundel door het medium gaat, het veroorzaakt ionisatie, opwinding, en dissociatie van gasmoleculen. Als resultaat, radicalen en andere chemisch actieve deeltjes worden verkregen in zeer hoge concentraties die normaal niet kunnen worden bereikt onder evenwichtsomstandigheden. Blootstelling van chitine en chitosan aan plasma en aan de elektronenstraal zelf veroorzaakt de noodzakelijke biopolymeertransformaties. Dit gebeurt zonder het polysacharidepoeder ooit boven kamertemperatuur te verhitten, thermische vernietiging van het materiaal te voorkomen. Hoge temperaturen zijn een van de belangrijkste nadelen van chemische hydrolyse.

Opmerkelijk, de voorgestelde technische oplossingen maken controle mogelijk over de hoeveelheid energie die vrijkomt in het reactiemedium, waardoor het proces stabiel en de resultaten van de plasmabehandeling repliceerbaar zijn.

Biologische activiteit van de verkregen verbindingen

Praktische toepassingen van chitosan worden bepaald door de unieke eigenschappen van de verbinding, namelijk de hoge biocompatibiliteit, biologische afbreekbaarheid, en complexerend vermogen gecombineerd met een lage toxiciteit. Een aantal studies uitgevoerd op E. coli, S. aureus, P. aeruginosa, S. enterica, B. subtilis, en enkele andere soorten bewezen dat de biologische activiteit van chitosan significant afhangt van zijn molecuulgewicht. Vooral, Er werd aangetoond dat chitosanen met een lager molecuulgewicht de groei en vermenigvuldiging van bacteriën in grotere mate remmen.

Om de biologische activiteit van de verkregen oligosachariden van chitine en chitosan te evalueren, de onderzoekers maten hun antibacteriële eigenschappen in vitro. De verbindingen bleken de groei van zowel S. aureus als E. coli in replicerende en rustende vormen volledig te onderdrukken. Ze remden ook de groei van verschillende soorten draadschimmels, namelijk P. tardum, P. chrysogenum, een. flavus, P. betae, en C. herbarum.

Tatjana Vasilieva, doctoraat legt het belang van de studie uit:"Onze experimenten hebben aangetoond dat elektronenstraalplasma kan worden gebruikt bij effectieve gecontroleerde depolymerisatie van chitine en chitosan. Dit is een alternatieve methode voor het verkrijgen van laagmoleculaire, in water oplosbaar, biologisch actieve chitooligosacchariden. De voorgestelde depolymerisatietechniek kan concurreren met de technologieën die conventioneel worden gebruikt door de chemische en biotechnologische industrie. Hopelijk, deze verbindingen zullen hun toepassingen vinden in de landbouw, farmacie, en medicijnen."