I ricercatori del MIPT hanno sviluppato una nuova tecnica per ottenere a basso peso molecolare, chitina idrosolubile e chitosano. Il metodo proposto si basa sulla degradazione della chitina e del chitosano mediante plasma a fascio di elettroni in uno speciale reattore chimico al plasma. La nuova tecnologia riduce il tempo necessario per produrre oligosaccaridi idrosolubili di chitina e chitosano da diversi giorni a minuti. Ha anche il vantaggio di essere rispettoso dell'ambiente. Il metodo proposto produce oligosaccaridi biologicamente attivi con proprietà antimicrobiche e fungicide. I risultati della ricerca sono stati pubblicati in Polimeri di carboidrati .

La chitina è il secondo biopolimero più abbondante dopo la cellulosa. Sia la chitina che il suo derivato chitosano furono scoperti circa 200 anni fa. Però, negli ultimi due decenni, i due composti hanno ricevuto una crescente attenzione. Nel mondo naturale, chitina e chitosano si presentano come i componenti principali degli esoscheletri di insetti e crostacei, così come la maggior parte dei funghi e alcune alghe.

Ci sono attualmente oltre 70 applicazioni note di questi composti in molti settori, tra cui l'agricoltura, medicinale, trasformazione dei prodotti alimentari, e produzione di cosmetici. I chitooligosaccaridi idrosolubili a basso peso molecolare sono tra i prodotti più promettenti a base di chitina e chitosano. Sono prodotti convenzionalmente mediante depolimerizzazione chimica del materiale di partenza. Questa tecnologia prevede alte temperature e l'uso di perossido di idrogeno, soluzioni concentrate di acidi organici e inorganici e idrossido di sodio, così come altri agenti aggressivi. Il trattamento chimico della chitina e del chitosano produce grandi volumi di acque reflue industriali con contenuto acido o alcalino che richiede la purificazione. Oltre alla gestione dei rifiuti tossici, l'idrolisi chimica convenzionalmente impiegata richiede tempo, un processo in più fasi che può richiedere fino a diversi giorni.

I ricercatori del MIPT hanno collaborato con i loro colleghi della Lomonosov Northern (Artico) Federal University per sviluppare un metodo completamente nuovo e pulito assistito dal plasma per produrre derivati ​​a basso peso molecolare di chitina e chitosano.

Reattore plasmachimico a fascio di elettroni

Gli scienziati hanno proposto una tecnologia chimica al plasma alternativa da utilizzare al posto dell'idrolisi chimica della chitina e del chitosano. Questa promettente tecnica prevede l'uso di una bassa temperatura, plasma a fascio di elettroni di non equilibrio (EBP). Per testare la nuova tecnica, hanno introdotto la polvere di polisaccaride nel loro reattore chimico a fascio di elettroni al plasma costruito su misura. Mentre molti gas potrebbero essere usati per riempire la camera di reazione, ossigeno e vapore acqueo sono risultati essere i mezzi più efficaci per la generazione di plasma per la produzione di chitooligosaccaride.

Per generare plasma per il trattamento con chitina e chitosano, un fascio di elettroni prerelativistico è stato iniettato nel mezzo gassoso. Sebbene la camera contenga gas, un vuoto spinto è richiesto per la generazione del fascio di elettroni. Quindi la sorgente di elettroni deve essere schermata da una finestra di iniezione. Quando il fascio di elettroni passa attraverso il mezzo, provoca ionizzazione, eccitazione, e dissociazione delle molecole di gas. Di conseguenza, radicali e altre particelle chimicamente attive si ottengono in concentrazioni molto elevate che normalmente non possono essere raggiunte in condizioni di equilibrio. L'esposizione di chitina e chitosano al plasma e allo stesso fascio di elettroni innesca le necessarie trasformazioni del biopolimero. Questo avviene senza mai riscaldare la polvere di polisaccaride al di sopra della temperatura ambiente, prevenire la distruzione termica del materiale. Le alte temperature sono uno dei principali inconvenienti dell'idrolisi chimica.

In particolare, le soluzioni tecniche proposte consentono di controllare quanta energia viene rilasciata nel mezzo di reazione, rendendo il processo stabile e replicabili i risultati del trattamento al plasma.

Attività biologica dei composti ottenuti

Le applicazioni pratiche del chitosano sono determinate dalle proprietà uniche del composto, vale a dire la sua elevata biocompatibilità, biodegradabilità, e capacità di complessazione combinata con bassa tossicità. Numerosi studi condotti su E. coli, S. aureo, P. aeruginosa, S. enterica, B. subtilis, e alcune altre specie hanno dimostrato che l'attività biologica del chitosano dipende in modo significativo dal suo peso molecolare. In particolare, è stato dimostrato che i chitosani a basso peso molecolare inibiscono la crescita e la moltiplicazione batterica in misura maggiore.

Per valutare l'attività biologica degli oligosaccaridi ottenuti di chitina e chitosano, i ricercatori hanno misurato le loro proprietà antibatteriche in vitro. È stato scoperto che i composti sopprimono completamente la crescita sia di S. aureus che di E. coli nelle forme replicanti e a riposo. Hanno anche inibito la crescita di diverse specie di funghi filamentosi, vale a dire P. tardum, P. chrysogenum, A. flavus, P. betae, e C. herbarum.

Tatiana Vasilieva, dottorato di ricerca spiega il significato dello studio:"I nostri esperimenti hanno dimostrato che il plasma a fascio di elettroni può essere utilizzato in un'efficace depolimerizzazione controllata di chitina e chitosano. Questo è un metodo alternativo per ottenere solubile in acqua, chitooligosaccaridi biologicamente attivi. La tecnica di depolimerizzazione proposta può competere con le tecnologie convenzionalmente impiegate dalle industrie chimiche e biotecnologiche. Auspicabilmente, questi composti troveranno le loro applicazioni in agricoltura, farmaceutica, e medicina».