CC BY
21
УДК 544.546, 544.431.7, 533.9.004.12
Зау Ие Мьинт1, Хтет Ко Ко Зау1, Т. М. Васильева1, И. К. Наумова2,
О. В. Галкина2
1 Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет) 2Ивановская сельскохозяйственная академия имени Д. К. Беляева
Электронно-пучковая плазменная обработка порошков и растворов хптозана: возможности и технологические
подходы
Описаны подходы к управляемой обработке порошков и растворов хптозана с помощью низкотемпературной электронно-пучковой плазмы и гибридной плазмы. Водорастворимые хитоолигосахариды со средпевесовой молекулярной массой Мт ~ ~ 600 Да и полидисперсностью 1,5 образовались в результате плазмохимической обработки исходного хптозана. Рассмотрены также преимущества плазмохимических технологий на основе электронно-лучевой плазмы по сравнению с традиционными методами обработки и модификации хитозана.
Ключевые слова: электронно-пучковая плазма, гибридная плазма, хитозан, плазменно-стимулированная обработка, зеленые технологии.
Zaw Ye Myint1, Htet Ko Ko Zaw\ T.M. Vasilieva1, I. K. Naumova2, O. V. Galkina2
1 Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University) 2Ivanovo State Agricultural Academy named after D. K. Belyaeva
Electron beam plasma processing of powders and chitosan solutions: possibilities and technological approaches
Approaches to the controllable processing of chitosan powders and solutions using of low temperature Electron Beam Plasma and Hybrid Plasma are described. Watersoluble chitooligosaccharides with weighted-average molecular mass Mw ~ ~ 600 Da and polydispersity 1.5are formed by the plasma chemical treatment of original chitosan. Advantages of plasma chemical technologies based on electron beam plasmas over conventional chitosan methods of are considered too.
Key words: electron beam plasma, hybrid plasma, chitosan, plasma stimulated processing, green technologies.
1. Введение
Природный возобновляемый биополимер хитозан (деацителазированное производное хитина) очень перспективен для технологических и промышленных применений, таких как целлюлозно-бумажная промышленность, микробиология, пищевая промышленность и особенно для сельского хозяйства, а также для медицины, фармакологии и фармацевтики [1, 2]. Для практического применения обычно требуются водорастворимые низкомолекулярные (ниже 10 кДа) хитоолигосахариды (ХОС). Например, в сельском хозяйстве ХОС используются в качестве элиситоров, стимуляторов роста растений и противомикробных препаратов против широкого спектра фитопатогенов [3].
@ Зау Ие Мьинт, Хтет Ко Ко Зау, Васильева Т. М., Наумова И. К., Галкина О. В., 2020
(с) Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)», 2020
Для создания ХОС был предложен ряд методов, включая химическую, ферментативную и радикальную обработку, воздействие 7-облучения и высокоэнергетических электронных пучков (с энергиями МэВ) [4|. Самым распространенным методом является простая и довольно дешевая химическая обработка, однако она имеет существенные недостатки образование токсичных отходов и загрязнение окружающей среды. Кроме того, химическая обработка занимает много времени и обычно длится несколько часов и даже суток. Ограничения, присущие химической обработке хитина и хитозана, также относятся и ферментативному гидролизу, который к тому же дорог. Радиационная обработка осложняется ограниченной управляемостью условиями обработки, высокой потребляемой мощностью и сложностью работы ускорителей электронов и источников изотопов 7-излучения. Таким образом, разработка эффективных методов быстрой и безвредной для окружающей среды деструкции хитозана является до сих нор актуальной проблемой.
Плазмохимические технологии, основанные на неравновесной низкотемпературной плазме, можно рассматривать как перспективную альтернативу указанным выше методам. В настоящей работе рассмотрена деструкция хитозана электронно-пучковой плазмой (ЭПП) с целью получения ХОС, обладающих фитостимулирующими свойствами.
2. Обработка порошков хитозана в электронно-пучковой плазме
ЭПП генерируется путем инжекции электронного пучка (ЭП) в газовую среду В типичных условиях генерации ЭПП (среднее давление 1 < Рт <100 Topp и умеренная мощность ЭП Nb < 1 кВт) плазма является сильно неравновесной и холодной. Для ЭПП-обработки порошков хитозана был разработан электронно-пучковый плазмохимический реактор (ЭППР) [5].
Рис. 1 иллюстрирует конструкцию и работу ЭППР. Сфокусированный ЭП 3, генерируемый электронно-пучковой пушкой 1, находящейся в высоковакуумной камере 2, инжектируется в рабочую камеру 5, заполненную плазмообразующим газом, через инжекцион-ное окно 4. При прохождении через газ ЭП рассеивается при упругих столкновениях, и энергия быстрых электронов постепенно уменьшается при различных неупругих взаимодействиях со средой (ионизация, возбуждение, диссоциация). В результате генерируется облако 6 ЭПП, причем все параметры плазмы являются функциями координат х, у и z (z является осью инжекции ЭП).
Рис. 1. Конструкция ЭППР и процедура обработки порошком хитозана. 1 электронная пушка: 2 высоковакуумная камора: 3 ЭП: 4 выводное окно: 5 рабочая камера: 6 облако ЭПП: 7 реакционная зона в виде аэрозоля: 8 порошок хитозана для обработки: 9 внутренние перегородки: 10 цилиндрический кварцевый сосуд: 11 газовый натокатоль: 12 система сканирования ЭП: 13 испаритель воды
Электромагнитная сканирующая система 12, размещенная внутри рабочей камеры рядом с инжекционным окном, способна отклонять ось инжектированного ЭП в направлениях х и у и, следовательно, контролировать пространственное распределение частиц плазмы
по объему плазмы. Рабочая камера предварительно откачивается до давления 10-5 Topp, а затем заполняется плазмообразующей средой.
Для производства ХОС в количествах, достаточных для практического использования (до десятков или даже сотен граммов), ЭППР был оснащен вращающимся перемешивающим блоком. Данное устройство 10 размещалось внутри рабочей камеры ЭППР, заполненной плазмообразующим газом при необходимом давлении. Порошок загружали в устройство, внутри которого генерировали ЭПП; в результате внутри камеры образовывалась аэрозольная реакционная зона 7 (рис. 2).
Рис. 2. Генерация ЭПП и обработка порошков хитозана во вращающемся реакторе
Оптимизированные условия были следующими [6]:
- плазмообразующей средой были водяной пар или кислород при Рт = 5 Topp. Бидистиллированный водяной пар вырабатывался водяным испарителем 13 (рис. 1), размещенным внутри рабочей камеры ЭППР;
- расстояние между инжекционным окном и поверхностью образца — 250 мм;
- режим сканирования ЭП концентрические окружности с максимальным диаметром 130 мм;
- время обработки составило 10 минут;
- для предотвращения термической деструкции хитозана все образцы обрабатывали при температуре материала Ts = 40 °С. Температуру образца контролировали во время обработки с помощью бесконтактного ПК-пирометра Optris LS (Optris GmbH, Германия). Температуру контролировали, выбирая ток ЭП Д (1 < 1ь < 100 мА).
В качестве исходного вещества для дальнейшей ЭПП-обработки использовали хито-зан, полученный из панцирей крабов, с высокой молекулярной массой (средневязкостная молекулярная масса Mv = 500 кДа) со степенью деацетилирования 85% и полидисперсностью 1,5.
3. Характеристика олигомеров хитозана, полученных в результате
плазменно-стимулированной обработки
Индекс кристалличности хитозана (КИ) определяли методом рентгеновской дифракто-метрии. Предварительные эксперименты выявили снижение КИ от 61,1 65,9% для исходного хитозана до 50,9 55,2%; после ЭПП-обработки. Гельпроникающая хроматография хитозана, обработанного в ЭПП водяного пара, показала образование ХОС со средневесовой молекулярной массой Mw ~ 600 Да и полидисперсностью 1,5. Анализ ПК-спектров поглощения (рис. 3) исходного и ЭПП-обработанного хитозана показал, что обработка ЭПП приводила к некоторому увеличению содержания кислородсодержащих карбонильных С О и карбоксильных —СООН групп (полосы при 1735 см-1 и 1650 см-1) и некоторому разрушению ,0-1,4-гликозидных связей (снижение интегральной интенсивноети полос при 1155 см-1 -1
С 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 бОО
волновое число (cm"1)
Рис. 3. Фрагменты спектров поглощения хитозана до (сплошная кривая) и после (пунктирная кривая) ЭПП-обработки в диапазоне 500-2000 см-1
4. Сравнение ЭПП-стимулированной деструкции хитозана с традиционными методами переработки хитозана
Преимущества деструкции хитозана, стимулированной ЭПП, по сравнению с традиционными способами обсуждались в наших предыдущих работах [6, 7] и суммированы в таблице 1. В отличие от традиционно применяемых методик гидролиза, ЭПП-стимулированный гидролиз является быстрой одностадийной и экологически чистой процедурой. Для модификации хитозана часто применяют газоразрядную низкотемпературную плазму. Однако обработка в газоразрядной плазме в основном приводит к окислению биоматериала и улучшению его гидрофильных свойств [8], тогда как при ЭПП-воздействии происходит именно эффективное контролируемое разрушение цепи полисахарида с образованием олигомеров.
5. Биологическая активность растений ХОС производства ЭПП
Биологические свойства водорастворимых ХОС со средневесовой молекулярной массой, Mw ~ 1000 Да, индексом полидисперсности 1,5 и степенью деацетилирования 97,859%, полученных ЭПП-стимулированной деструкцией хитозана, были протестированы на растениях ячменя Hordeum vulgare, одной из самых популярных зерновых культур. После полива семян ярового ячменя, засеянных в почву, 1% водным раствором ХОС, было обнаружено значительное усиление всхожести семян. Всхожесть увеличилась с 79% (контрольные семена, обработанные чистой водой) до 91%. Кроме того, прорастание семян, обработанных растворами ХОС, наблюдалось на 3 дня раньше по сравнению с контрольными семенами, культивированными без применения ХОС. Применение ХОС также улучшило образование зеленой массы ячменя. В контрольной группе площадь поверхности листьев составляла 3,1 м2 и 9,3 м2 в фазах кущения и удлинения стебля соответственно, в то время как у растений, обработанных ХОС, эти значения составляли 4,7 м2 и 11,6 м2. Стимуляция прироста сухой биомассы в ячмене, обработанном полученными в ЭПП ХОС, наблюдалась в течение всего вегетационного периода, при этом самый высокий результат (до 45,8 г биомассы / 100 г растений) отмечался на стадии удлинения стебля.
6. Другие подходы к плазмохимической обработке хитозана: обработка растворов хитозана в ЭПП и деструкция его порошков в гибридной плазме
Одной из основных особенностей ЭПП является возможность генерировать стабильные высокоскоростные газовые потоки, в которых могут распыляться капли жидкости [7]. Таким образом, в ЭПП может быть модифицирован хитозан в жидкой фазе. Для реализации этого подхода использовались растворы высокомолекулярного хитозана в 1% уксусной кислоте и водные растворы низкомолекулярных ХОС, предварительно полученных ЭПП-обработкой порошка хитозана (рис. 4 и 5). Другим преимуществом пучковой плазмы является возможность комбинации ЭП с другим ионизатором, например, с газовым разрядом. В последнем случае генерируется так называемая гибридная плазма (ГП) [7], в которой очень высокие (на несколько порядков выше, чем в равновесных условиях) концентрации химически активных частиц нарабатываются даже при низких (вплоть до комнатной) температурах. Экспериментально доказана ГП-стимулированная деструкция хитозана, при этом время образования ХОС сокращалось на 20% по сравнению с обработкой в ЭПП.
Таблица1
Преимущества ЭПП-стимулированной деструкции хитозана по сравнению
с традиционными методами
Критерии Химический гидролиз Радиационные методы деструкции ЭПП- стимулированная обработка
Время обработки Несколько часов или дней Обычно несколько часов Минуты (т ~ 10 мин)
Эффективность Преобладает разрушение аморфных частей биополимера. Низкие выходы ХОС и большое количество мономерных единиц Молекулярная масса хитозана уменьшается в 2-3 раза. Высокая полидисперсность продуктов Образуются ХОС от димеров до гептамеров. Происходит разрушение как аморфных, так и кристаллических частей биополимера. Выход ХОС до 80-85%
Количество этапов Многоэтапный Многоступенчатый: необходима дополнительная обработка в щелочных растворах Одноступенчатый
Экологическая безопасность Необходимы высококонцентрированные кислотные или щелочные растворы. Образуются токсичные отходы. Высокое потребление энергии Необходимы высококонцентрированные кислые или щелочные растворы Экологически чистый: опасные побочные продукты и токсичные отходы не образуются
Рис. 4. Генерация ЭПП. содержащей распыляемые жидкости
Рис. 5. Введение раствора хитозана в поток ЭПП
7. Выводы
Результаты нашего исследования показывают, что ЭПП-технология является перспективной для эффективной, ресурсосберегающей и экологически чистой обработки порошков и растворов хитозана.
Водорастворимые ХОС, полученные в ЭПП, и продукты ЭПП-модификации растворов хитозана мшут быть использованы как:
-Активные компоненты для новых гибридных биоактивных материалов с комбинированными свойствами (например, гсмостатичсскис/антибактсриальныс).
-Биоразлах'аемые матрицы и субстраты для регенеративной медицины с улучшенной клеточной адх'езией и ростом.
-Активные компоненты для адресных систем доставки лекарств и систем для контро-лируемшх) высвобождения лекарств.
-Активные компоненты для биостимуляторов растений и удобрений.
-Компоненты для биосенсоров.
-Материалы для эффективных сорбентов, фильтров и мембран (например, для очистки сточных вод, гемодиализа и т. д.).
-Материалы для консервирования и хранения продуктов питания и их упаковки.
В целом, плазмохимические технологии, основанные на электронно-пучковой плазме, могут рассматриваться как альтернатива обычным методам обработки остальных природных полимеров (хитина, целлюлозы, лигнинов и многих других).
8. Выражение признательности
Авторы выражают благодарность коллегам из Центра коллективного пользования «Арктика» Северного (Арктического) федерального университета за помощь в химических анализах хитозана и его олигомеров.
Литература
1. Ray S.D. Potential aspects of chitosan as pharmaceutical excipient. Acta Poloniae Pharmaceutica. Drug Research. 2011. V. 68. P. 619-622.
2. Laurienzo P. Marine polysaccharides in pharmaceutical applications // Mar. Drugs. 2010. V. 8. P. 2435-2465.
3. Malerba M., Cerana R. Chitosan Effects on Plant Systems // Int. J. Mol. Sci. 2016. V. 17. P. 996.
4. Aam B.B., Heggset E.B., Norberg A.L., Sorlie M., Varum K.M., and Eijsink V. Production of chitooligosaccharides and their potential applications in medicine // Mar Drugs. 2010. V. 8. P. 1482.
5. Vasilieva T. A beam-plasma source for protein modification technology // IEEE Transac. Plasma Sci. 2010. V. 38. P. 1903-1907.
6. Vasilieva Т., Sigarev A., Kosyakov D., UVyanovskii N., Anikeenko E., Chuhchin D., Ladesov A., Rein A. M., Miasnikov V. Formation of low molecular weight oligomers from chitin and chitosan stimulated by plasma-assisted processes // Carbohvdr Polvm. 2017. V. 163. P. 54-61.
7. Vasiliev M., Vasilieva T. Materials production with beam plasmas //In J.L. Shohet (Ed.). Encyclopedia of plasma technology, Taylor, Francis Group. 2016. 52 p.
8. Ogino A., Krai M., Yamashita M., Nagatsu M. Effects of low-temperature surface-wave plasma treatment with various gases on surface modification of chitosan. Appl. Surf. Sci. 2008. V. 255. P. 2347-2352.
References
1. Ray S.D. Potential aspects of chitosan as pharmaceutical excipient. Acta Poloniae Pharmaceutica. Drug Research. 2011. V. 68. P. 619-622.
2. Laurienzo P. Marine polysaccharides in pharmaceutical applications. Mar. Drugs. 2010. V. 8. P. 2435-2465.
3. Malerba M., Cerana R. Chitosan Effects on Plant Systems. Int. J. Mol. Sci. 2016. V. 17. P. 996.
4. Aam B.B., Heggset E.B., Norberg A.L., Sorlie M., Varum K.M., and Eijsink V. Production of chitooligosaccharides and their potential applications in medicine. Mar Drugs. 2010. V. 8. P. 1482.
5. Vasilieva T. A beam-plasma source for protein modification technology. IEEE Transac. Plasma Sci. 2010. V. 38. P. 1903-1907.
6. Vasilieva Т., Sigarev A., Kosyakov D., UVyanovskii N., Anikeenko E., Chuhchin D., Ladesov A., Hein A. M., Miasnikov V. Formation of low molecular weight oligomers from chitin and chitosan stimulated by plasma-assisted processes. Carbohvdr Polvm. 2017. V. 163. P. 54-61.
7. Vasiliev М., Vasilieva Т. Materials production with beam plasmas. In J.L. Shohet (Ed.). Encyclopedia of plasma technology, Taylor, Francis Group. 2016. 52 p.
8. Ogino A., Krai M., Yamashita M., Nagatsu M. Effects of low-temperature surface-wave plasma treatment with various gases on surface modification of chitosan. Appl. Surf. Sci. 2008. V. 255. P. 2347-2352.
Поступила в редакцию 18.12.2019
