Los investigadores del MIPT han desarrollado una nueva técnica para obtener de bajo peso molecular, quitina y quitosano solubles en agua. El método propuesto se basa en la degradación de quitina y quitosano por plasma de haz de electrones en un reactor químico de plasma especial. La nueva tecnología reduce el tiempo necesario para producir oligosacáridos de quitina y quitosano solubles en agua de varios días a minutos. También tiene la ventaja de ser respetuoso con el medio ambiente. El método propuesto produce oligosacáridos biológicamente activos con propiedades antimicrobianas y fungicidas. Los resultados de la investigación se publicaron en Polímeros de carbohidratos .

La quitina es el segundo biopolímero más abundante después de la celulosa. Tanto la quitina como su derivado, el quitosano, se descubrieron hace unos 200 años. Sin embargo, en las últimas dos décadas, los dos compuestos han recibido una atención cada vez mayor. En el mundo natural La quitina y el quitosano son los componentes principales de los exoesqueletos de insectos y crustáceos. así como la mayoría de los hongos y algunas algas.

Actualmente hay más de 70 aplicaciones conocidas de estos compuestos en muchas industrias, incluida la agricultura, medicamento, procesamiento de alimentos, y fabricación de cosméticos. Los quitooligosacáridos solubles en agua con bajo peso molecular se encuentran entre los productos a base de quitina y quitosano más prometedores. Se producen convencionalmente mediante despolimerización química del material de origen. Esta tecnología implica altas temperaturas y el uso de peróxido de hidrógeno, soluciones concentradas de ácidos orgánicos e inorgánicos e hidróxido de sodio, así como otros agentes agresivos. El tratamiento químico de la quitina y el quitosano da como resultado grandes volúmenes de aguas residuales industriales con contenido ácido o alcalino que requiere purificación. Aparte de la gestión de residuos tóxicos, la hidrólisis química empleada convencionalmente requiere mucho tiempo, un proceso de varias etapas que puede tardar varios días.

Los investigadores de MIPT se unieron a sus colegas de la Universidad Federal Lomonosov del Norte (Ártico) para desarrollar un método completamente nuevo y limpio asistido por plasma para producir derivados de bajo peso molecular de quitina y quitosano.

Reactor plasmaquímico de haz de electrones

Los científicos propusieron una tecnología química de plasma alternativa que se utilizaría en lugar de la hidrólisis química de la quitina y el quitosano. Esta prometedora técnica implica el uso de una temperatura baja, plasma de haz de electrones en desequilibrio (EBP). Para probar la nueva técnica, introdujeron polisacárido en polvo en su reactor de haz de electrones químico de plasma construido a medida. Si bien se pueden usar muchos gases para llenar la cámara de reacción, Se descubrió que el oxígeno y el vapor de agua eran los medios de generación de plasma más eficaces para la producción de quitooligosacáridos.

Para generar plasma para el tratamiento de quitina y quitosano, Se inyectó un haz de electrones prerrelativista en el medio gaseoso. Aunque la cámara contiene gas, se requiere un alto vacío para la generación del haz de electrones. Por tanto, la fuente de electrones debe estar protegida por una ventana de inyección. Cuando el haz de electrones atraviesa el medio, causa ionización, excitación, y disociación de moléculas de gas. Como resultado, Los radicales y otras partículas químicamente activas se obtienen en concentraciones muy elevadas que normalmente no se pueden conseguir en condiciones de equilibrio. La exposición de quitina y quitosano al plasma y al propio haz de electrones desencadena las transformaciones necesarias de biopolímeros. Esto sucede sin calentar el polvo de polisacárido por encima de la temperatura ambiente. evitando la destrucción térmica del material. Las altas temperaturas son uno de los principales inconvenientes de la hidrólisis química.

Notablemente, las soluciones técnicas propuestas permiten controlar la cantidad de energía que se libera en el medio de reacción, haciendo que el proceso sea estable y que los resultados del tratamiento con plasma sean replicables.

Actividad biológica de los compuestos obtenidos

Las aplicaciones prácticas del quitosano están determinadas por las propiedades únicas del compuesto, a saber, su alta biocompatibilidad, biodegradabilidad, y capacidad de complejación combinada con baja toxicidad. Varios estudios realizados sobre E. coli, S. aureus, P. aeruginosa, S. enterica, B. subtilis, y algunas otras especies demostraron que la actividad biológica del quitosano depende significativamente de su peso molecular. En particular, Se demostró que los quitosanos de menor peso molecular inhiben en mayor medida el crecimiento y la multiplicación bacterianos.

Evaluar la actividad biológica de los oligosacáridos de quitina y quitosano obtenidos, los investigadores midieron sus propiedades antibacterianas in vitro. Se encontró que los compuestos suprimen completamente el crecimiento tanto de S. aureus como de E. coli en formas de replicación y reposo. También inhibieron el crecimiento de varias especies de hongos filamentosos, a saber, P. tardum, P. chrysogenum, A. flavus, P. betae, y C. herbarum.

Tatiana Vasilieva, Doctor. explica la importancia del estudio:"Nuestros experimentos han demostrado que el plasma de haz de electrones se puede utilizar en la despolimerización controlada eficaz de la quitina y el quitosano. Este es un método alternativo para obtener de bajo peso molecular, Agua soluble, quitooligosacáridos biológicamente activos. La técnica de despolimerización propuesta puede competir con las tecnologías empleadas convencionalmente por las industrias química y biotecnológica. Ojalá, estos compuestos encontrarán sus aplicaciones en la agricultura, farmacia, y medicina ".