Des chercheurs du MIPT ont mis au point une nouvelle technique pour obtenir des poids moléculaires faibles, chitine et chitosane hydrosolubles. La méthode proposée repose sur la dégradation de la chitine et du chitosane par plasma à faisceau d'électrons dans un réacteur chimique à plasma spécial. La nouvelle technologie réduit le temps nécessaire pour produire des oligosaccharides hydrosolubles de chitine et de chitosane de plusieurs jours à quelques minutes. Il a également l'avantage d'être respectueux de l'environnement. La méthode proposée donne des oligosaccharides biologiquement actifs avec des propriétés antimicrobiennes et fongicides. Les résultats de la recherche ont été publiés dans Polymères d'hydrates de carbone .

La chitine est le deuxième biopolymère le plus abondant après la cellulose. La chitine et son dérivé chitosan ont été découverts il y a environ 200 ans. Cependant, au cours des deux dernières décennies, les deux composés ont reçu une attention croissante. Dans le monde naturel, la chitine et le chitosane sont les principaux composants des exosquelettes des insectes et des crustacés, ainsi que la plupart des champignons et certaines algues.

Il existe actuellement plus de 70 applications connues de ces composés dans de nombreuses industries, notamment l'agriculture, Médicament, préparation des aliments, et la fabrication de produits cosmétiques. Les chitooligosaccharides hydrosolubles à faible poids moléculaire se classent parmi les produits à base de chitine et de chitosane les plus prometteurs. Ils sont classiquement réalisés par dépolymérisation chimique du matériau source. Cette technologie implique des températures élevées et l'utilisation de peroxyde d'hydrogène, solutions concentrées d'acides organiques et inorganiques et d'hydroxyde de sodium, ainsi que d'autres agents agressifs. Le traitement chimique de la chitine et du chitosane produit d'importants volumes d'eaux usées industrielles contenant des acides ou des alcalis qui nécessitent une purification. Outre la gestion des déchets toxiques, l'hydrolyse chimique classiquement utilisée prend du temps, un processus en plusieurs étapes qui peut prendre jusqu'à plusieurs jours.

Les chercheurs du MIPT se sont associés à leurs collègues de l'Université fédérale du Nord de Lomonosov (Arctique) pour développer une méthode entièrement nouvelle et propre, assistée par plasma, de production de dérivés de faible poids moléculaire de la chitine et du chitosane.

Réacteur plasmachimique à faisceau d'électrons

Les scientifiques ont proposé une technologie chimique plasma alternative à utiliser à la place de l'hydrolyse chimique de la chitine et du chitosane. Cette technique prometteuse implique l'utilisation d'une basse température, plasma à faisceau d'électrons (EBP) hors d'équilibre. Pour tester la nouvelle technique, ils ont introduit de la poudre de polysaccharide dans leur réacteur chimique à faisceau d'électrons à plasma construit sur mesure. Alors que de nombreux gaz pourraient être utilisés pour remplir la chambre de réaction, l'oxygène et la vapeur d'eau se sont avérés être les milieux de génération de plasma les plus efficaces pour la production de chitooligosaccharides.

Pour générer du plasma pour le traitement de la chitine et du chitosane, un faisceau d'électrons pré-relativiste a été injecté dans le milieu gazeux. Bien que la chambre contienne du gaz, un vide poussé est nécessaire pour la génération du faisceau d'électrons. La source d'électrons doit donc être blindée par une fenêtre d'injection. Lorsque le faisceau d'électrons traverse le milieu, il provoque l'ionisation, excitation, et la dissociation des molécules de gaz. Par conséquent, les radicaux et autres particules chimiquement actives sont obtenus à des concentrations très élevées qui ne peuvent normalement pas être atteintes dans des conditions d'équilibre. L'exposition de la chitine et du chitosane au plasma et au faisceau d'électrons lui-même déclenche les transformations nécessaires des biopolymères. Cela se produit sans jamais chauffer la poudre de polysaccharide au-dessus de la température ambiante, empêchant la destruction thermique du matériau. Les températures élevées sont l'un des principaux inconvénients de l'hydrolyse chimique.

Notamment, les solutions techniques proposées permettent de contrôler la quantité d'énergie libérée dans le milieu réactionnel, rendre le processus stable et les résultats du traitement plasma reproductibles.

Activité biologique des composés obtenus

Les applications pratiques du chitosane sont déterminées par les propriétés uniques du composé, à savoir sa haute biocompatibilité, biodégradabilité, et une capacité de complexation combinée à une faible toxicité. Un certain nombre d'études menées sur E. coli, S. aureus, P. aeruginosa, S. enterica, B. subtilis, et certaines autres espèces ont prouvé que l'activité biologique du chitosane dépend de manière significative de son poids moléculaire. En particulier, Il a été démontré que les chitosanes de poids moléculaire inférieur inhibent davantage la croissance et la multiplication bactériennes.

Pour évaluer l'activité biologique des oligosaccharides de chitine et de chitosane obtenus, les chercheurs ont mesuré leurs propriétés antibactériennes in vitro. Les composés se sont avérés supprimer complètement la croissance de S. aureus et d'E. coli dans les formes de réplication et de repos. Ils ont également inhibé la croissance de plusieurs espèces de champignons filamenteux, à savoir P. tardum, P. chrysogenum, A. flavus, P. bêtae, et C. herbarum.

Tatiana Vassilieva, doctorat explique l'importance de l'étude :« Nos expériences ont démontré que le plasma par faisceau d'électrons peut être utilisé dans une dépolymérisation contrôlée efficace de la chitine et du chitosane. Il s'agit d'une méthode alternative pour obtenir un faible poids moléculaire, soluble dans l'eau, chitooligosaccharides biologiquement actifs. La technique de dépolymérisation proposée peut concurrencer les technologies classiquement employées par les industries chimiques et biotechnologiques. Avec un peu de chance, ces composés trouveront leurs applications en agriculture, pharmaceutique, et la médecine."