Исследователи из МФТИ при участии коллег из Северного (Арктического) федерального университета имени М.В. Ломоносова разработали новый способ производства низкомолекулярных производных хитина и хитозана с помощью электронно-пучковой плазмы. Исследование опубликовано в журнале Carbohydrate Polymers.

Хитин — второй по распространенности биополимер после целлюлозы. Хитин и его производное хитозан были открыты около 200 лет назад, но наибольшую популярность эти вещества приобрели в последние десятилетия. В природе хитин и хитозан являются основными компонентами наружной оболочки членистоногих (кутикула у насекомых, панцирь у ракообразных), а также тканей большинства грибов и некоторых водорослей.

Одни из наиболее перспективных веществ — это низкомолекулярные водорастворимые олигосахариды хитина и хитозана. Традиционно для получения этих соединений сырье подвергают химическому гидролизу для деполимеризации. При этом используются высокие температуры и различные агрессивные вещества. В ходе такой обработки образуется большое количество слабокислых и слабощелочных сточных вод, их необходимо очищать, а отходы утилизировать. Кроме того, химический гидролиз требует больших временных затрат и может длиться несколько суток.

Ученые из МФТИ предположили, что плазмохимические методы деполимеризации хитина и хитозана с использованием неравновесной низкотемпературной электронно-пучковой плазмы могли бы стать перспективной альтернативой химическому гидролизу. Исследователи поместили порошки этих полисахаридов в электронно-пучковый плазмохимический реактор, разработанный ими на первых этапах исследования. Реакционная камера реактора была заполнена кислородом и парами воды. Электронно-пучковая плазма генерировалась инжекцией в газ непрерывного дорелятивистского электронного пучка.

Когда электронный пучок проходит через газ, происходит ионизация, возбуждение и диссоциация его молекул, вследствие чего нарабатываются радикалы и другие химически активные частицы в сверхвысоких концентрациях, которые не могут быть достигнуты в обычных равновесных условиях.

Если ввести в плазму порошок хитина или хитозана, то эти частицы вместе с электронами первичного пучка способны вызвать необходимые превращения биополимерных молекул. При этом температура частиц порошка во время обработки остается на уровне комнатной, что позволяет исключить разрушение полисахаридов. Как известно, высокая температура является одной из главных проблем химического гидролиза.

Для оценки биологической активности полученных олигосахаридов хитина и хитозана были изучены их антибактериальные свойства in vitro. Установлено, что они полностью подавляют размножение как стафилококка, так и кишечной палочки в репликационных и покоящихся формах. Полученные хитоолигосахариды также ингибировали рост нитевидных грибов P. tardum, P. chrysogenum, A. flavus, P. betae _и _C. herbarum.

«Наши эксперименты продемонстрировали, что электронно-пучковую плазму можно применять для эффективной и контролируемой деполимеризации хитина и хитозана с целью получения низкомолекулярных водорастворимых и биологически активных олигосахаридов хитина и хитозана. Разработанный нами метод вполне может конкурировать с технологиями, традиционно используемыми в химической и биотехнологической промышленности, а полученные хитоолигосахариды, надеюсь, найдут свое применение в сельском хозяйстве, фармацевтической промышленности и медицине», — сказала ведущий автор работы, доктор технических наук Татьяна Васильева.

На сегодня известно более 70 направлений применения хитина и хитозана в самых разных областях: в сельском хозяйстве, медицине, пищевой промышленности, косметологии и многих других.