نزع الأستيل من الكيتين لتحويله إلى كيتوسان بالموجات فوق الصوتية
إنتاج الكيتوسان بالموجات فوق الصوتية
يُحصل على الكيتوسان بنزع الأستيل المرتبط بالنيتروجين (N) من الكيتين. وفي نزع الأستيل التقليدي، يُنقع الكيتين في مذيبات قلوية مائية (عادةً NaOH بتركيز 40 إلى 50% (w/w)). وتتطلب عملية النقع درجات حرارة مرتفعة تتراوح من 100 إلى 120ºC وتستغرق وقتًا طويلًا جدًا، بينما يكون مردود الكيتوسان الناتج عن كل خطوة نقع منخفضًا. ويعزز استخدام الموجات فوق الصوتية عالية القدرة عملية نزع الأستيل من الكيتين بدرجة كبيرة، وينتج مردودًا مرتفعًا من الكيتوسان منخفض الوزن الجزيئي من خلال معالجة سريعة عند درجة حرارة أقل. وينتج عن نزع الأستيل بالموجات فوق الصوتية كيتوسان فائق الجودة يُستخدم مكونًا غذائيًا ودوائيًا، وسمادًا، وفي العديد من التطبيقات الصناعية الأخرى.
تؤدي المعالجة بالموجات فوق الصوتية إلى درجة أستلة (DA) استثنائية للكيتين، إذ تخفض درجة أستلته من DA≥90 إلى كيتوسان ذي DA≤10.
تؤكد دراسات بحثية عديدة فعالية نزع الأستيل من الكيتين لتحويله إلى كيتوسان بالموجات فوق الصوتية. وقد وجد Weiss J. وآخرون (2008) أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية تحسن تحويل الكيتين إلى كيتوسان بدرجة كبيرة. وتوفر معالجة الكيتين بالموجات فوق الصوتية وقتًا كبيرًا، إذ تخفض الزمن اللازم للعملية من 12–24 ساعة إلى بضع ساعات. وعلاوةً على ذلك، يلزم مقدار أقل من المذيب لتحقيق تحويل كامل، مما يقلل الأثر البيئي الناجم عن الاضطرار إلى طرح المذيب المستهلك أو غير المتفاعل والتخلص منه، أي NaOH المركز.
تعزز المعالجة بالموجات فوق الصوتية نزع الأستيل من الكيتين لتحويله إلى كيتوسان
UIP4000hdT – نظام موجات فوق صوتية بقدرة 4kW
مبدأ عمل معالجة الكيتوسان بالموجات فوق الصوتية
تُحدث المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية القدرة ومنخفضة التردد (∼20–26kHz) تجويفًا صوتيًا في السوائل والمعلقات. وتعزز الموجات فوق الصوتية عالية القدرة تحويل الكيتين إلى كيتوسان، إذ يفتت المذيب (مثل NaOH) جسيمات الكيتين الصلبة وينفذ إليها، مما يزيد مساحة السطح ويحسن انتقال الكتلة بين الطورين الصلب والسائل. وعلاوةً على ذلك، تولد قوى القص العالية الناجمة عن التجويف بالموجات فوق الصوتية جذورًا حرة تزيد تفاعلية الكاشف (أي NaOH) أثناء التحلل المائي. وبوصفها تقنية معالجة غير حرارية، تمنع المعالجة بالموجات فوق الصوتية التحلل الحراري، فتنتج كيتوسان عالي الجودة. وتقلل الموجات فوق الصوتية أزمنة المعالجة اللازمة لاستخلاص الكيتين من القشريات، كما تنتج كيتينًا (ومن ثم كيتوسان لاحقًا) أعلى نقاءً مقارنةً بظروف المعالجة التقليدية. ولذلك، تمتلك الموجات فوق الصوتية في إنتاج الكيتين والكيتوسان إمكانية خفض تكلفة الإنتاج، وتقليل زمن المعالجة، وإتاحة تحكم أفضل في عملية الإنتاج، وتقليل الأثر البيئي لمخلفات العملية.
- مردود أعلى من الكيتوسان
- جودة فائقة
- وقت أقل
- درجة حرارة أقل للعملية
- كفاءة أكبر
- تشغيل سهل وآمن
- صديق للبيئة
نزع الأستيل من الكيتين لتحويله إلى كيتوسان بالموجات فوق الصوتية – البروتوكول
1) تحضير الكيتين:
عند استخدام أصداف السلطعون مادةً أولية، ينبغي غسلها جيدًا لإزالة أي مواد عضوية قابلة للذوبان وشوائب ملتصقة، بما في ذلك التراب والبروتين. وبعد ذلك، يجب تجفيف مادة الأصداف تمامًا (مثلًا عند 60ºC لمدة 24h في فرن). ثم تُطحن الأصداف المجففة (مثلًا باستخدام مطحنة مطارق)، وتُزال منها البروتينات في وسط قلوي (مثل NaOH بتركيز 0.125 إلى 5.0 M)، وتُزال منها المعادن في حمض (مثل حمض الهيدروكلوريك المخفف).
2) نزع الأستيل بالموجات فوق الصوتية
لإجراء تفاعل نموذجي لنزع الأستيل بالموجات فوق الصوتية، تُعلّق جسيمات بيتا-كيتين (0.125 mm < d < 0.250 mm) في محلول NaOH مائي بتركيز 40% (w/w)، بنسبة بيتا-كيتين إلى محلول NaOH المائي تبلغ 1/10(g mL-1)، ويُنقل المعلق إلى كأس زجاجي مزدوج الجدار ويُعالج بالموجات فوق الصوتية باستخدام جهاز Hielscher UP400St ، وهو مجانس بالموجات فوق الصوتية. وتُحفظ المعلمات التالية ثابتةً عند إجراء تفاعل نزع الأستيل من الكيتين بالموجات فوق الصوتية (راجع Fiamingo وآخرين 2016): (i) مسبار الموجات فوق الصوتية (سونوترود Hielscher S24d22D، قطر الطرف = 22 mm)؛ (ii) نمط نبضات المعالجة بالموجات فوق الصوتية (IP = 0.5sec)؛ (iii) شدة الموجات فوق الصوتية السطحية
(I = 52.6 W cm-2)، (iv) درجة حرارة التفاعل (60ºC ±1ºC)، (v) زمن التفاعل (50 min)، (vi) نسبة وزن بيتا-كيتين إلى حجم محلول هيدروكسيد الصوديوم المائي بتركيز 40% (w/w) (BCHt/NaOH = 1/10 g mL-1)؛ (vii) حجم معلق بيتا-كيتين (50mL).
يستمر التفاعل الأول لمدة 50min مع التحريك المغناطيسي المستمر، ثم يُوقف بتبريد المعلق سريعًا إلى 0ºC. وبعد ذلك، يُضاف حمض الهيدروكلوريك المخفف للوصول إلى pH 8.5، وتُعزل العينة CHs1 بالترشيح، وتُغسل جيدًا بالماء منزوع الأيونات وتُجفف في الظروف المحيطة. وعند تكرار نزع الأستيل نفسه بالموجات فوق الصوتية بوصفه خطوة ثانية على CHs1، تنتج العينة CHs2.
صور بالمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) بتكبير 100× لكل من a) القلم الداخلي للحبار (gladius)، b) القلم الداخلي للحبار المعالج بالموجات فوق الصوتية، c) β-كيتين، d) β-كيتين المعالج بالموجات فوق الصوتية، وe) الكيتوسان (المصدر: Preto وآخرون 2017)
وجد Fiamingo وآخرون أن نزع الأستيل من بيتا-كيتين بالموجات فوق الصوتية ينتج بكفاءة كيتوسان عالي الوزن الجزيئي بدرجة أستلة منخفضة، دون استخدام إضافات أو جو خامل أو أزمنة تفاعل طويلة. ويُجرى تفاعل نزع الأستيل بالموجات فوق الصوتية في ظروف ألطف – أي عند درجة حرارة تفاعل منخفضة مقارنةً بمعظم عمليات نزع الأستيل الحرارية الكيميائية. ويتيح نزع الأستيل من بيتا-كيتين بالموجات فوق الصوتية تحضير كيتوسان منزوع الأستيل عشوائيًا، يتمتع بدرجة أستلة متغيرة (4% ≤ DA ≤ 37%)، ومتوسط وزني مرتفع للوزن الجزيئي (900,000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1,200,000 g mol-1 ) وتشتت منخفض (1.3 ≤ Ð ≤ 1.4)، بإجراء ثلاثة تفاعلات متتالية (50 min/خطوة) عند 60ºC.
معالجات بالموجات فوق الصوتية عالية القدرة، من النطاق المختبري إلى النطاق التجريبي والصناعي.
أنظمة موجات فوق صوتية عالية الأداء لإنتاج الكيتوسان
يتطلب تفتيت الكيتين ونزع الأستيل منه لتحويله إلى كيتوسان معدات موجات فوق صوتية قوية وموثوقة، قادرة على توفير سعات اهتزاز عالية وإتاحة تحكم دقيق في معلمات العملية، ويمكن تشغيلها 24/7 تحت أحمال كبيرة وفي بيئات صعبة. وتلبي مجموعة منتجات Hielscher Ultrasonics احتياجاتكم ومتطلبات عملياتكم. وأجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher أنظمة عالية الأداء يمكن تجهيزها بملحقات مثل السونوترودات، ومعززات السعة، والمفاعلات، أو خلايا التدفق لتلبية احتياجات عملياتكم على النحو الأمثل.
تضمن الشاشة الرقمية الملونة، وخيار الضبط المسبق لدورات المعالجة بالموجات فوق الصوتية، والتسجيل التلقائي للبيانات على بطاقة SD مدمجة، والتحكم عن بُعد عبر المتصفح، والعديد من الميزات الأخرى، أعلى مستويات التحكم في العملية وسهولة الاستخدام. وبفضل المتانة والقدرة على تحمل الأحمال الكبيرة، تُعد أنظمة الموجات فوق الصوتية من Hielscher معدات موثوقة للعمل الشاق في الإنتاج.
يتطلب تفتيت الكيتين ونزع الأستيل منه موجات فوق صوتية قوية لتحقيق التحويل المستهدف والحصول على منتج نهائي من الكيتوسان عالي الجودة. وتكتسب سعات الاهتزاز العالية والضغوط المرتفعة أهمية حاسمة، ولا سيما لتفتيت رقائق الكيتين. وتوفر معالجات الموجات فوق الصوتية الصناعية من Hielscher Ultrasonics سعات اهتزاز عالية جدًا بسهولة. ويمكن التشغيل المستمر بسعات اهتزاز تصل إلى 200µm على مدار 24/7. وللحصول على سعات اهتزاز أعلى، تتوفر سونوترودات مخصصة للموجات فوق الصوتية. وتتيح قدرة أنظمة الموجات فوق الصوتية من Hielscher نزع الأستيل بكفاءة وسرعة ضمن عملية آمنة وسهلة الاستخدام.
يعطيكم الجدول أدناه مؤشرًا على سعة المعالجة التقريبية لأجهزتنا للمعالجة بالموجات فوق الصوتية:
| حجم الدفعة | معدل التدفق | الأجهزة الموصى بها |
|---|---|---|
| 1 إلى 500mL | 10 إلى 200mL/min | UP100H |
| 10 إلى 2000mL | 20 إلى 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 إلى 20L | 0.2 إلى 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 إلى 100L | 2 إلى 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 إلى 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | أعلى | مجموعة من أجهزة UIP16000 |
اتصلوا بنا! / اسألونا!
المصادر والمراجع
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): أغشية مركبات نانوية حيوية قائمة على الكيتوسان محضّرة بتقنية الاستحلاب لحفظ الأغذية. Materials 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): كيتوسان عالي الوزن الجزيئي منزوع الأستيل بدرجة كبيرة، ناتج عن نزع الأستيل من بيتا-كيتين متعدد الخطوات بمساعدة الموجات فوق الصوتية. Ultrasonics Sonochemistry 32, 2016. 79–85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): تحويل الكيتين إلى كيتوسان بمساعدة الكيمياء الصوتية، اجتماع الباحثين الرئيسيين في مبادرة البحوث الوطنية التابعة لوزارة الزراعة الأمريكية (USDA)، New Orleans, LA، 28 يونيو.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): تأثير درجة الحرارة أثناء نزع الأستيل من الكيتين لتحويله إلى كيتوسان باستخدام الموجات فوق الصوتية عالية الشدة بوصفها معالجة مسبقة، الاجتماع السنوي لمعهد تقنيي الأغذية، New Orleans, LA، 30 يونيو، 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): تأثير الموجات فوق الصوتية عالية الشدة في تسريع تحويل الكيتين إلى كيتوسان، الاجتماع السنوي لمعهد تقنيي الأغذية، New Orleans, LA، 30 يونيو، 95-17.
- Preto M.F., Campana-Filho S.P., Fiamingo A., Cosentino I.C., Tessari-Zampieri M.C., Abessa D.M.S., Romero A.F., Bordon I.C. (2017): القلم الداخلي للحبار (gladius) ومشتقاته بوصفها مواد مازّة حيوية محتملة لزيت الديزل البحري. Environmental Science and Pollution Research (2017) 24:22,932–22,939.
- Wijesena R.N., Tissera N., Kannangara Y.Y., Lin Y., Amaratunga G.A.J., de Silva K.M.N. (2015): طريقة لتحضير جسيمات الكيتوسان النانوية وأليافه النانوية بالنهج التنازلي. Carbohydrate Polymers 117, 2015. 731–738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). خفض فعال للوزن الجزيئي للكيتوسان باستخدام الموجات فوق الصوتية عالية الشدة: الآلية الكامنة وتأثير معلمات المعالجة. Journal of Agricultural and Food Chemistry 56(13):5112–5119.
- Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): مخلفات المأكولات البحرية: مصدر لتحضير مواد الكيتين/الكيتوسان القابلة للاستخدام التجاري. Bioresources and Bioprocessing 6/8, 2019.
حقائق جديرة بالمعرفة
كيف يعمل نزع الأستيل من الكيتين بالموجات فوق الصوتية؟
عند اقتران الموجات فوق الصوتية عالية القدرة ومنخفضة التردد (مثل 20–26kHz) بسائل أو معلق، يتعرض السائل لدورات متناوبة من الضغط المرتفع / الضغط المنخفض، مما يُحدث انضغاطًا وتخلخلًا. وخلال هذه الدورات المتناوبة من الضغط المرتفع / الضغط المنخفض، تتولد فقاعات فراغية صغيرة تنمو على مدى عدة دورات ضغط. وعندما تعجز الفقاعات الفراغية عن امتصاص مزيد من الطاقة، تنهار بعنف. وأثناء هذا الانهيار الداخلي للفقاعات، تنشأ موضعيًا ظروف شديدة جدًا: درجات حرارة مرتفعة تصل إلى 5000K، وضغوط تصل إلى 2000atm، ومعدلات تسخين/تبريد عالية جدًا، وفروق ضغط. ولأن ديناميكيات انهيار الفقاعات أسرع من انتقال الكتلة والحرارة، تنحصر الطاقة في التجويف المنهار ضمن منطقة صغيرة جدًا تُسمى أيضًا «بقعة ساخنة». ويؤدي الانهيار الداخلي لفقاعة التجويف أيضًا إلى اضطرابات دقيقة ونفاثات سائلة بسرعة تصل إلى 280m/s وقوى قص ناتجة عنها. وتُعرف هذه الظاهرة بالتجويف بالموجات فوق الصوتية أو التجويف الصوتي.
تتعرض القطرات والجسيمات الموجودة في السائل المعالج بالموجات فوق الصوتية لتلك القوى الناجمة عن التجويف، وعندما تصطدم الجسيمات المتسارعة بعضها ببعض، تتفتت نتيجة التصادم بين الجسيمات. والتجويف الصوتي هو مبدأ عمل الطحن والتشتيت والاستحلاب والكيمياء الصوتية بالموجات فوق الصوتية.
في نزع الأستيل من الكيتين، تزيد الموجات فوق الصوتية عالية الشدة مساحة السطح بتنشيطه وتعزيز انتقال الكتلة بين الجسيمات والكاشف.
الكيتوسان
الكيتوسان بوليمر كربوهيدراتي معدل، كاتيوني وغير سام، ذو بنية كيميائية معقدة تتكون من وحدات β-(1,4) غلوكوزامين بوصفها المكون الرئيسي (>80%) ووحدات N-أستيل غلوكوزامين (<20%)، موزعة عشوائيًا على طول السلسلة. ويُشتق الكيتوسان من الكيتين من خلال نزع الأستيل كيميائيًا أو إنزيميًا. وتحدد درجة نزع الأستيل (DA) محتوى مجموعات الأمينو الحرة في البنية، وتُستخدم للتمييز بين الكيتين والكيتوسان. ويُظهر الكيتوسان ذوبانية جيدة في المذيبات المعتدلة مثل حمض الأسيتيك المخفف، ويوفر عدة مجموعات أمين حرة بوصفها مواقع نشطة. وهذا يمنح الكيتوسان ميزة على الكيتين في العديد من التفاعلات الكيميائية.
يحظى الكيتوسان بالتقدير لتوافقه الحيوي الممتاز وقابليته للتحلل الحيوي، وعدم سميته، ونشاطه الجيد المضاد للميكروبات (ضد البكتيريا والفطريات)، وعدم نفاذيته للأكسجين، وخصائصه المكوِّنة للأغشية. وبخلاف الكيتين، يتميز الكيتوسان بقابليته للذوبان في الماء، مما يجعل التعامل معه واستخدامه في التركيبات أسهل.
وبوصف الكيتين ثاني أكثر عديدات السكاريد وفرةً بعد السليلوز، فإن وفرته الهائلة تجعله مادة خام رخيصة ومستدامة.
إنتاج الكيتوسان
يُنتج الكيتوسان بعملية من خطوتين. وفي الخطوة الأولى، تُزال البروتينات والمعادن من المادة الخام، مثل أصداف القشريات (أي الروبيان والسلطعون وجراد البحر)، وتُنقّى للحصول على الكيتين. وفي الخطوة الثانية، يُعالج الكيتين بقاعدة قوية (مثل NaOH) لإزالة سلاسل الأستيل الجانبية بهدف الحصول على الكيتوسان. ومن المعروف أن عملية إنتاج الكيتوسان التقليدية تستغرق وقتًا طويلًا جدًا وتتطلب تكلفة مرتفعة.
الكيتين
الكيتين (C8H13O5N)n هو بوليمر مستقيم السلسلة من β-1,4-N-acetylglucosamine، ويُصنف إلى α-كيتين وβ-كيتين وγ-كيتين. وبوصفه مشتقًا من الغلوكوز، يُعد الكيتين مكونًا رئيسيًا للهياكل الخارجية لمفصليات الأرجل، مثل القشريات والحشرات، وللألسنة الكاشطة في الرخويات، ومناقير رأسيات الأرجل، وحراشف الأسماك والبرمائيات الحديثة، كما يوجد في الجدران الخلوية للفطريات. وتشبه بنية الكيتين بنية السليلوز، إذ تشكل لييفات نانوية بلورية أو شعيرات بلورية. والسليلوز هو أكثر عديدات السكاريد وفرةً في العالم، يليه الكيتين بوصفه ثاني أكثر عديدات السكاريد وفرةً.
الغلوكوزامين
الغلوكوزامين (C6H13NO5) هو سكر أميني وطليعة مهمة في التخليق الكيميائي الحيوي للبروتينات والدهون المرتبطة بسلاسل سكرية. والغلوكوزامين مركب وفير طبيعيًا، يدخل في بنية كلٍّ من عديدَي السكاريد، الكيتوسان والكيتين، مما يجعله أحد أكثر السكريات الأحادية وفرةً. ويُنتج معظم الغلوكوزامين المتاح تجاريًا بالتحلل المائي للهياكل الخارجية للقشريات، أي أصداف السلطعون وجراد البحر.
يُستخدم الغلوكوزامين أساسًا مكملًا غذائيًا، في صور كبريتات الغلوكوزامين أو هيدروكلوريد الغلوكوزامين أو N-أستيل غلوكوزامين. وتُعطى مكملات كبريتات الغلوكوزامين عن طريق الفم لعلاج حالة مؤلمة ناجمة عن التهاب الغضروف وتفككه وفقدانه في النهاية (الفصال العظمي).