Ren teknologi til fremstilling af lavmolekylær chitosan

Forskere ved MIPT har udviklet en ny teknik til at opnå lavmolekylær vægt, vandopløseligt kitin og chitosan. Den foreslåede metode er afhængig af chitin og chitosan nedbrydning af elektronstråle plasma i en speciel plasma kemisk reaktor. Den nye teknologi reducerer den tid, det tager at producere vandopløselige oligosaccharider af kitin og chitosan fra flere dage til minutter. Det har også den fordel, at det er miljøvenligt. Den foreslåede metode giver biologisk aktive oligosaccharider med antimikrobielle og fungicide egenskaber. Forskningsresultaterne blev offentliggjort i Kulhydrat polymerer .

Chitin er den næstmest udbredte biopolymer efter cellulose. Både kitin og dets derivat af chitosan blev opdaget for omkring 200 år siden. Imidlertid, i de sidste to årtier, de to forbindelser har fået stigende opmærksomhed. I den naturlige verden, kitin og chitosan forekommer som hovedkomponenterne i eksoskeletterne af insekter og krebsdyr, samt de fleste svampe og nogle alger.

Der er i øjeblikket over 70 kendte anvendelser af disse forbindelser på tværs af mange industrier, herunder landbrug, medicin, fødevareforarbejdning, og fremstilling af kosmetik. Vandopløselige chitooligosaccharider med lav molekylvægt er blandt de mest lovende chitin- og chitosanbaserede produkter. De fremstilles konventionelt ved kemisk depolymerisering af kildematerialet. Denne teknologi involverer høje temperaturer og brugen af ​​hydrogenperoxid, koncentrerede opløsninger af organiske og uorganiske syrer og natriumhydroxid, samt andre aggressive midler. Kemisk behandling af kitin og chitosan resulterer i store mængder industrispildevand med syre- eller alkaliindhold, der kræver rensning. Bortset fra håndtering af giftigt affald, den konventionelt anvendte kemiske hydrolyse er tidskrævende, en flertrinsproces, der kan tage op til flere dage.

MIPTs forskere gik sammen med deres kolleger fra Lomonosov Northern (Arctic) Federal University for at udvikle en helt ny og ren plasma-assisteret metode til fremstilling af lavmolekylære derivater af kitin og chitosan.

Elektronstråle plasmakemisk reaktor

Forskerne foreslog en alternativ plasmakemisk teknologi, der skulle bruges i stedet for kemisk hydrolyse af kitin og chitosan. Denne lovende teknik involverer brugen af ​​en lav temperatur, nonequilibrium elektronstråleplasma (EBP). For at teste den nye teknik, de introducerede polysaccharidpulver i deres specialbyggede plasma kemiske elektronstrålereaktor. Mens mange gasser kan bruges til at fylde reaktionskammeret, oxygen og vanddamp viste sig at være de mest effektive plasmagenererende medier til produktion af chitooligosaccharid.

For at generere plasma til kitin- og chitosanbehandling, en præ-relativistisk elektronstråle blev sprøjtet ind i det gasformige medium. Selvom kammeret indeholder gas, et højt vakuum er påkrævet til generering af elektronstråler. Så elektronkilden skal screenes af et injektionsvindue. Når elektronstrålen passerer gennem mediet, det forårsager ionisering, excitation, og dissociation af gasmolekyler. Som resultat, radikaler og andre kemisk aktive partikler opnås i meget høje koncentrationer, som normalt ikke kan opnås under ligevægtsforhold. Udsættelse af chitin og chitosan for plasma og for selve elektronstrålen udløser de nødvendige biopolymertransformationer. Dette sker uden nogensinde at opvarme polysaccharidpulveret over stuetemperatur, forhindrer termisk ødelæggelse af materialet. Høje temperaturer er en af ​​de største ulemper ved kemisk hydrolyse.

Især de foreslåede tekniske løsninger muliggør kontrol over, hvor meget energi der frigives i reaktionsmediet, gør processen stabil og plasmabehandlingsresultaterne replikerbare.

Biologisk aktivitet af de opnåede forbindelser

Praktiske anvendelser af chitosan er bestemt af forbindelsens unikke egenskaber, nemlig dens høje biokompatibilitet, biologisk nedbrydelighed, og kompleksdannelseskapacitet kombineret med lav toksicitet. En række undersøgelser udført på E. coli, S. aureus, P. aeruginosa, S. enterica, B. subtilis, og nogle andre arter beviste, at den biologiske aktivitet af chitosan afhænger væsentligt af dets molekylvægt. I særdeleshed, chitosaner med lavere molekylvægt viste sig at hæmme bakterievækst og formering i højere grad.

For at evaluere den biologiske aktivitet af de opnåede oligosaccharider af kitin og chitosan, forskerne målte deres antibakterielle egenskaber in vitro. Forbindelserne viste sig fuldstændigt at undertrykke væksten af ​​både S. aureus og E. coli i replikerende og hvilende former. De hæmmede også væksten af ​​flere arter af filamentøse svampe, nemlig P. tardum, P. chrysogenum, A. flavus, P. betae, og C. herbarum.

Tatiana Vasilieva, Ph.D. forklarer betydningen af ​​undersøgelsen:"Vores eksperimenter har vist, at elektronstråleplasma kan bruges til effektiv kontrolleret chitin- og chitosan-depolymerisering. Dette er en alternativ metode til at opnå lavmolekylær vægt, vandopløseligt, biologisk aktive chitooligosaccharider. Den foreslåede depolymeriseringsteknik kan konkurrere med de teknologier, der konventionelt anvendes af den kemiske og bioteknologiske industri. Forhåbentlig, disse forbindelser vil finde deres anvendelse i landbruget, medicin, og medicin."