В МФТИ разработали чистую технологию получения низкомолекулярного хитозана

Исследователи разработали способ получения низкомолекулярного водорастворимого хитина и хитозана в электронно-пучковой плазме и создали плазмохимический реактор, реализующий этот метод. Новая технология сокращает время производства водорастворимых олигосахаридов хитина и хитозана с суток до минут и является экологически чистой. Полученные олигосахариды являются биологически активными соединениями и обладают антимикробными и фунгицидными свойствами. Результаты опубликованы в Carbohydrate Polymers.
Хитин — второй по распространнности биополимер после целлюлозы — 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.
Японские специалисты назвали эти полисахариды веществом ХХI века, а вложения в технологии процессинга хитина и хитозана исчисляются сотнями миллионов долларов и продолжают возрастать. На сегодня известно более 70 направлений применения хитина и хитозана в самых разных областях: в сельском хозяйстве, медицине, пищевой промышленности, косметологии и многих других. Одними из наиболее перспективных веществ, обладающих огромным потенциалом для широкого практического применения, являются низкомолекулярные водорастворимые олигосахариды хитина и хитозана. Традиционно для получения этих соединений исходное сырье подвергают химическому гидролизу для деполимеризации. При этом используются высокие температуры, перекись водорода, концентрированные растворы неорганических и органических кислот, гидроокиси натрия и другие 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.
Исследователи из МФТИ при участии коллег из Северного арктического федерального университета имени М. В. Ломоносова разработали принципиально новый экологически чистый способ производства низкомолекулярных производных хитина и хитозана с помощью электронно-пучковой плазмы.

Электронно-пучковый плазмохимический реактор
Ученые предположили, что плазмохимические методы деполимеризации хитина и хитозана с использованием неравновесной низкотемпературной электронно-пучковой плазмы могли бы стать перспективной альтернативой химическому гидролизу. Они поместили порошки этих полисахаридов в электронно-пучковый плазмохимический реактор, специально разработанный ими на первых этапах исследования. В принципе, реакционная камера реактора может быть заполнена самыми различными плазмообразующими средами, однако для получения олигосахаридов хитина и хитозана наилучшими оказались кислород и пары воды. Электронно-пучковая плазма генерировалась инжекцией в газ непрерывного дорелятивистского электронного пучка. Поскольку такой пучок может быть получен только в условиях глубокого вакуума, а плазмообразующий газ находится в реакционной камере под определенным давлением, для проводки пучка требуется специальное выводное окно. Авторы использовали газодинамическое окно, за разработку которого в свое время сотрудники МФТИ получили премию Ленинского комсомола. 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 термическую деструкцию полисахаридов. Как известно, высокая температура является одной из главных проблем химического гидролиза.
Особо отметим, что предложенные авторами технические решения дают возможность контролировать энерговыделение в реакционном объеме, обеспечить его устойчивость, а также добиться полной воспроизводимости результатов пучково-плазменной обработки.
Биологическая активность полученных олигосахаридов хитина и хитозана
Хитозан является перспективным соединением для медицины, фармакологии и фармацевтики, что обусловлено его уникальными биологическими свойствами: высокой биосовместимостью с живыми тканями, способностью к комплексообразованию, низкой токсичностью и возможностью биодеградации. Целый ряд исследований, проведенных на кишечной палочке, золотистом стафилококке, синегнойной палочке, сальмонелле, сенной бацилле и некоторых других видах микроорганизмов, доказали, что антибактериальная активность хитозана в высокой степени зависит от его молекулярной массы. Хитозан с более низкой молекулярной массой вызывал более значительное снижение роста и размножения бактерий.
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.

Татьяна Васильева, д. т. н.: «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».