Резать хитин и хитозан электронно-пучковым «резаком» безопаснее и эффективнее, чем обычными химическими методами.

Немногим больше месяца осталось до начала мая, когда многие отправятся на свои дачи – и встретятся там с майскими жуками. И, как у всякого дачника есть лопата, так и у всякого жука есть красивые и прочные хитиновые надкрылья. На всякий случай добавим, что из хитина состоят на только надкрылья, но и весь экзоскелет жуков, и не только жуков, но и всех членистоногих, и потому можно себе представить, насколько широко хитин распространен в природе – в этом смысле из всех полисахаридных полимеров он уступает только целлюлозе.

Своей колоссальной распространенностью хитин обязан тому, что его научились «использовать» членистоногие, грибы и бактерии. (На фото – жук-бронзовка.) (Фото: itchydogimages / Flickr.com.)

Деполимеризация хитозана в электронно-пучковой плазме, генерируемой внутри кварцевого перемешивающего устройства. (Фото: МФТИ.)

Однако если из целлюлозы мы давно научились делать бумагу и многое, многое другое, то вот с использованием хитина и его производных дела обстоят более скромно. Оказалось, что нельзя просто так взять хитин и сделать из него что-нибудь полезное (например, основу для костного имплантата) – тому помехой целый ряд особенностей хитина, в том числе и его плохая растворимость. Однако природный хитин научились превращать в более податливое для химических манипуляций соединение – хитозан.

По сути, хитозан – это тот же хитин, только без одной химической группы. В отличие от своего природного аналога, хитозан куда как более «user friendly»: он довольно хорошо растворяется в различных растворителях, а значит, его уже можно использовать в производстве. Но и с хитозаном не всё так гладко, как хотелось бы. И природный хитин, и хитозан – «длинные» полимеры с большой молекулярной массой, которые весьма неудобно использовать. Поэтому перед тем, как делать что-то из хитозана, его молекулу хорошо бы разрезать на кусочки в десятки, а то и в сотни раз меньшие. На химическом языке такая операция называется деполимеризация.

Конечно, ничего невозможного с точки зрения химика в деполимеризации хитозана нет, однако в ходе такой реакции используются агрессивные вещества, образуется большое количество отходов, да и по времени процесс может занимать несколько суток. Решить все эти проблемы разом с помощью принципиально нового и экологичного способа производства низкомолекулярного хитозана удалось сотрудникам Московского физико-технического института (МФТИ) и их коллегам из Северного арктического федерального университета имени М. В. Ломоносова. Вместо того, чтобы сутками «варить» хитозан в едких химикатах, исследователи научились «нарезать» полимер на кусочки с помощью электронно-пучковой плазмы.

Для этого порошок хитина и хитозана помещают в специальный электронно-пучковый плазмохимический реактор, в котором электронно-пучковая плазма генерируется инжекцией непрерывного дорелятивистского электронного пучка в среду, состоящую из паров воды и кислорода. Когда электронный пучок проходит через газ, происходит ионизация, возбуждение и диссоциация его молекул, вследствие чего появляются радикалы и другие химически активные частицы в сверхвысоких концентрациях. Если теперь ввести в плазму порошок хитина или хитозана, то частицы вместе с электронами первичного пучка разрежут молекулы полимера. При этом температура порошка во время обработки остаётся на уровне комнатной, что очень хорошо для вещества, поскольку высокая температура – один из главных врагов полимеров.

Одно из полезных свойств хитозана – его высокая биосовместимость с живыми тканями, низкая токсичность и возможность биодеградации, кроме того, хитозан снижает темпы роста и размножения бактерий. Важно, что его антибактериальная активность во многом зависит от размера молекул полимера, и этим как раз и обусловлен высокий интерес исследователей к низкомолекулярному хитозану.

Электронно-пучковая плазма нисколько не портит антибактериальные свойства хитозана, что удалось продемонстрировать на примере стафилококков, кишечной палочки и нескольких видов грибов. Надо думать, что результаты экспериментов, опубликованные в Carbohydrate Polymers, в скором времени найдут самое широкое применение в самых различных научно-технологических отраслях.