Pesquisadores do MIPT desenvolveram uma nova técnica para a obtenção de baixo peso molecular, quitina solúvel em água e quitosana. O método proposto se baseia na degradação da quitina e da quitosana por plasma de feixe de elétrons em um reator químico especial de plasma. A nova tecnologia reduz o tempo necessário para produzir oligossacarídeos solúveis em água de quitina e quitosana de vários dias para minutos. Também tem a vantagem de ser amigo do ambiente. O método proposto produz oligossacarídeos biologicamente ativos com propriedades antimicrobianas e fungicidas. Os resultados da pesquisa foram publicados em Polímeros de carboidratos .

A quitina é o segundo biopolímero mais abundante depois da celulose. Tanto a quitina quanto seu derivado quitosana foram descobertos há cerca de 200 anos. Contudo, nas últimas duas décadas, os dois compostos têm recebido atenção crescente. No mundo natural, quitina e quitosana ocorrem como os principais componentes dos exoesqueletos de insetos e crustáceos, bem como a maioria dos fungos e algumas algas.

Existem atualmente mais de 70 aplicações conhecidas desses compostos em muitas indústrias, incluindo a agricultura, Medicina, processamento de comida, e fabricação de cosméticos. Quitooligossacarídeos solúveis em água com baixo peso molecular estão entre os produtos à base de quitina e quitosana mais promissores. Eles são produzidos convencionalmente por despolimerização química do material de origem. Essa tecnologia envolve altas temperaturas e o uso de peróxido de hidrogênio, soluções concentradas de ácidos orgânicos e inorgânicos e hidróxido de sódio, bem como outros agentes agressivos. O tratamento químico de quitina e quitosana resulta em grandes volumes de águas residuais industriais com conteúdo ácido ou alcalino que requer purificação. Além da gestão de resíduos tóxicos, a hidrólise química convencionalmente empregada é demorada, um processo de vários estágios que pode levar vários dias.

Os pesquisadores do MIPT se juntaram a seus colegas da Universidade Federal de Lomonosov Northern (Ártico) para desenvolver um método totalmente novo e limpo assistido por plasma de produção de derivados de baixo peso molecular de quitina e quitosana.

Reator plasmacquímico de feixe de elétrons

Os cientistas propuseram uma tecnologia química de plasma alternativa para ser usada no lugar da hidrólise química de quitina e quitosana. Esta técnica promissora envolve o uso de um sistema de baixa temperatura, plasma de feixe de elétrons sem equilíbrio (EBP). Para testar a nova técnica, eles introduziram o pó de polissacarídeo em seu reator químico de feixe de elétrons de plasma feito sob medida. Embora muitos gases possam ser usados ​​para encher a câmara de reação, oxigênio e vapor de água foram considerados os meios geradores de plasma mais eficazes para a produção de quitooligossacarídeos.

Para gerar plasma para tratamento de quitina e quitosana, um feixe de elétrons pré-relativístico foi injetado no meio gasoso. Embora a câmara contenha gás, um alto vácuo é necessário para a geração do feixe de elétrons. Portanto, a fonte de elétrons deve ser filtrada por uma janela de injeção. Quando o feixe de elétrons passa pelo meio, causa ionização, excitação, e dissociação de moléculas de gás. Como resultado, radicais e outras partículas quimicamente ativas são obtidos em concentrações muito altas que normalmente não podem ser alcançadas em condições de equilíbrio. A exposição da quitina e da quitosana ao plasma e ao próprio feixe de elétrons desencadeia as transformações de biopolímero necessárias. Isso acontece sem nunca aquecer o pó de polissacarídeo acima da temperatura ambiente, evitando a destruição térmica do material. As altas temperaturas são uma das principais desvantagens da hidrólise química.

Notavelmente, as soluções técnicas propostas permitem o controle sobre quanta energia é liberada no meio de reação, tornando o processo estável e os resultados do tratamento com plasma replicáveis.

Atividade biológica dos compostos obtidos

As aplicações práticas da quitosana são determinadas pelas propriedades únicas do composto, ou seja, sua alta biocompatibilidade, biodegradabilidade, e capacidade de complexação combinada com baixa toxicidade. Uma série de estudos realizados sobre E. coli, S. aureus, P. aeruginosa, S. enterica, B. subtilis, e algumas outras espécies provaram que a atividade biológica da quitosana depende significativamente de seu peso molecular. Em particular, As quitosanas de baixo peso molecular mostraram inibir o crescimento bacteriano e a multiplicação em maior extensão.

Para avaliar a atividade biológica dos oligossacarídeos obtidos de quitina e quitosana, os pesquisadores mediram suas propriedades antibacterianas in vitro. Os compostos foram encontrados para suprimir completamente o crescimento de S. aureus e E. coli em formas de replicação e repouso. Eles também inibiram o crescimento de várias espécies de fungos filamentosos, a saber P. tardum, P. chrysogenum, A. flavus, P. betae, e C. herbarum.

Tatiana Vasilieva, Ph.D. explica a importância do estudo:"Nossos experimentos demonstraram que o plasma de feixe de elétrons pode ser usado na despolimerização de quitina e quitosana controlada eficaz. Este é um método alternativo para a obtenção de baixo peso molecular, solúvel em água, quitooligossacarídeos biologicamente ativos. A técnica de despolimerização proposta pode competir com as tecnologias convencionalmente empregadas pelas indústrias química e de biotecnologia. Esperançosamente, esses compostos encontrarão suas aplicações na agricultura, farmacêutica, e remédios. "