Xitinin xitozana ultrasəslə deasetilləşdirilməsi
Ultrasəslə xitozan istehsalı
Xitozan xitinin N-deasetilləşdirilməsi ilə əldə olunur. Ənənəvi deasetilləşdirmədə xitin sulu qələvi həlledicilərdə (adətən 40–50% (w/w) NaOH) isladılır. İslatma prosesi 100–120ºC kimi yüksək temperatur tələb edir və çox vaxt aparır, halbuki hər islatma mərhələsində əldə olunan xitozanın çıxımı aşağıdır. Yüksək güclü ultrasəsin tətbiqi xitinin deasetilləşdirilməsi prosesini əhəmiyyətli dərəcədə intensivləşdirir və daha aşağı temperaturda sürətli emal zamanı aşağı molekulyar kütləli xitozanın yüksək çıxımını təmin edir. Ultrasəslə deasetilləşdirmə qida və əczaçılıq inqrediyenti, gübrə kimi və bir çox digər sənaye tətbiqlərində istifadə olunan üstün keyfiyyətli xitozanın əldə olunmasına gətirib çıxarır.
Ultrasəslə emal xitinin asetilləşmə dərəcəsini DA≥90 olan xitindən DA≤10 olan xitozana qədər azaldaraq müstəsna asetilləşmə dərəcəsi (DA) təmin edir.
Bir çox tədqiqat xitinin xitozana ultrasəslə deasetilləşdirilməsinin effektivliyini təsdiqləyir. Weiss J. və b. (2008) müəyyən etmişlər ki, ultrasəslə emal xitinin xitozana çevrilməsini kəskin şəkildə yaxşılaşdırır. Xitinin ultrasəslə emalı tələb olunan proses müddətini 12–24 saatdan bir neçə saata endirərək vaxta əhəmiyyətli qənaət edir. Bundan əlavə, tam çevrilməyə nail olmaq üçün daha az həlledici tələb olunur ki, bu da işlənmiş və ya reaksiyaya girməmiş həlledicinin, yəni qatılaşdırılmış NaOH-un atılması və utilizasiyası zərurətinin ətraf mühitə təsirini azaldır.
Ultrasəslə emal xitinin xitozana deasetilləşdirilməsini sürətləndirir
UIP4000hdT – 4kW gücündə ultrasəs sistemi
Xitozanın ultrasəslə emalının iş prinsipi
Yüksək güclü, aşağı tezlikli ultrasəslə emal (∼20–26kHz) mayelərdə və suspenziyalarda akustik kavitasiya yaradır. Yüksək güclü ultrasəs xitinin xitozana çevrilməsini sürətləndirir, çünki həlledici (məsələn, NaOH) bərk xitin hissəciklərini parçalayır və onların daxilinə nüfuz edir, bununla da səth sahəsini artırır və bərk və maye fazalar arasında kütlə ötürülməsini yaxşılaşdırır. Bundan əlavə, ultrasəs kavitasiyasının yüksək kəsilmə qüvvələri hidroliz zamanı reagentin (yəni NaOH-un) reaktivliyini artıran sərbəst radikallar yaradır. Qeyri-termik emal üsulu kimi ultrasəslə emal termik parçalanmanın qarşısını alaraq yüksək keyfiyyətli xitozan istehsal edir. Ultrasəs xitinin xərçəngkimilərdən çıxarılması üçün tələb olunan emal müddətini qısaldır, həmçinin ənənəvi emal şəraiti ilə müqayisədə daha yüksək təmizliyə malik xitin (və beləliklə, sonradan xitozan) əldə etməyə imkan verir. Beləliklə, xitin və xitozan istehsalında ultrasəs istehsal xərclərini azaltmaq, emal müddətini qısaltmaq, istehsal prosesinə daha yaxşı nəzarət imkanı yaratmaq və proses tullantılarının ətraf mühitə təsirini azaltmaq potensialına malikdir.
- Daha yüksək xitozan çıxımı
- Üstün keyfiyyət
- Daha qısa müddət
- Daha aşağı proses temperaturu
- Artırılmış səmərəlilik
- Asan və təhlükəsiz istismar
- Ətraf mühitə uyğun
Xitinin xitozana ultrasəslə deasetilləşdirilməsi – Protokol
1) Xitini hazırlayın:
Xammal kimi yengəc qabıqlarından istifadə edildikdə, torpaq və zülal daxil olmaqla, bütün həll olan üzvi maddələri və yapışmış çirkləri təmizləmək üçün yengəc qabıqları yaxşıca yuyulmalıdır. Daha sonra qabıq materialı tamamilə qurudulmalıdır (məsələn, sobada 60ºC temperaturda 24h ərzində). Qurudulmuş qabıqlar daha sonra üyüdülür (məsələn, çəkicli dəyirmanla), qələvi mühitdə zülallardan təmizlənir (məsələn, 0,125–5,0 M qatılıqlı NaOH ilə) və turşuda minerallardan təmizlənir (məsələn, durulaşdırılmış xlorid turşusu ilə).
2) Ultrasəslə deasetilləşdirmə
Tipik ultrasəslə deasetilləşdirmə reaksiyasını aparmaq üçün beta-xitin hissəcikləri (0,125 mm < d < 0,250 mm) 40% (w/w) sulu NaOH-da beta-xitin/NaOH sulu məhlulu nisbəti 1/10(g mL-1) olmaqla suspenziya halına gətirilir, suspenziya ikiqat divarlı şüşə stəkana köçürülür və Hielscher UP400St ultrasəs homogenizatoru ilə ultrasəslə emal olunur. Xitinin ultrasəslə deasetilləşdirilməsi reaksiyası aparılarkən aşağıdakı parametrlər (bax: Fiamingo və b. 2016) sabit saxlanılır: (i) ultrasəs zondu (Hielscher S24d22D sonotrodu, ucun diametri = 22 mm); (ii) ultrasəslə emalın impuls rejimi (IP = 0,5sec); (iii) ultrasəsin səth intensivliyi
(I = 52,6 W cm-2), (iv) reaksiya temperaturu (60ºC ±1ºC), (v) reaksiya müddəti (50 min), (vi) beta-xitinin kütləsinin 40% (w/w) sulu natrium hidroksidin həcminə nisbəti (BCHt/NaOH = 1/10 g mL-1); (vii) beta-xitin suspenziyasının həcmi (50mL).
Birinci reaksiya fasiləsiz maqnit qarışdırılması altında 50min davam edir və daha sonra suspenziyanın sürətlə 0ºC-yə soyudulması ilə dayandırılır. Bundan sonra pH 8,5-ə çatmaq üçün durulaşdırılmış xlorid turşusu əlavə olunur və CHs1 nümunəsi filtrasiya ilə ayrılır, deionlaşdırılmış su ilə yaxşıca yuyulur və ətraf mühit şəraitində qurudulur. Eyni ultrasəslə deasetilləşdirmə CHs1 üçün ikinci mərhələ kimi təkrarlandıqda CHs2 nümunəsi alınır.
a) qladiusun, b) ultrasəslə emal edilmiş qladiusun, c) β-xitinin, d) ultrasəslə emal edilmiş β-xitinin və e) xitozanın 100× böyütmə ilə skanedici elektron mikroskopiya (SEM) təsvirləri (mənbə: Preto və b. 2017)
Fiamingo və b. müəyyən etmişlər ki, beta-xitinin ultrasəslə deasetilləşdirilməsi əlavələrdən, inert atmosferdən və ya uzun reaksiya müddətlərindən istifadə etmədən aşağı asetilləşmə dərəcəsinə malik yüksək molekulyar kütləli xitozanı səmərəli şəkildə istehsal edir, baxmayaraq ki, ultrasəslə deasetilləşdirmə reaksiyası daha yumşaq şəraitdə – yəni əksər termokimyəvi deasetilləşdirmələrlə müqayisədə aşağı reaksiya temperaturunda aparılır. Beta-xitinin ultrasəslə deasetilləşdirilməsi dəyişən asetilləşmə dərəcəsinə (4% ≤ DA ≤ 37%), yüksək kütlə üzrə orta molekulyar kütləyə (900.000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1.200.000 g mol-1 ) və aşağı dispersliyə (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4) malik təsadüfi şəkildə deasetilləşdirilmiş xitozanı 60ºC temperaturda ardıcıl üç reaksiya (50 min/mərhələ) aparmaqla hazırlamağa imkan verir.
Laboratoriyadan pilot və sənaye miqyasına qədər yüksək güclü ultrasəs prosessorları.
Xitozan istehsalı üçün yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs sistemləri
Xitinin parçalanması və xitinin xitozana deasetilləşdirilməsi yüksək amplitudaları təmin edə bilən, proses parametrlərinə dəqiq nəzarət imkanı verən və ağır yük altında, eləcə də çətin mühitlərdə 24/7 işləyə bilən güclü və etibarlı ultrasəs avadanlığı tələb edir. Hielscher Ultrasonics məhsul çeşidi sizin və prosesinizin tələblərini qarşılayır. Hielscher ultrasəs cihazları prosesinizin ehtiyaclarına optimal şəkildə uyğunlaşdırılmaq üçün sonotrodlar, amplituda gücləndiriciləri, reaktorlar və ya axın kameraları kimi aksesuarlarla təchiz oluna bilən yüksək məhsuldarlıqlı sistemlərdir.
Rəqəmsal rəngli ekran, ultrasəslə emal seanslarını əvvəlcədən təyin etmək imkanı, inteqrasiya olunmuş SD kartda məlumatların avtomatik qeydə alınması, brauzer vasitəsilə uzaqdan idarəetmə və bir çox digər funksiya ilə prosesə ən yüksək səviyyədə nəzarət və istifadə rahatlığı təmin olunur. Möhkəmlik və ağır yükə davamlılıqla birlikdə Hielscher ultrasəs sistemləri istehsalda etibarlı işçi qüvvənizdir.
Xitinin parçalanması və deasetilləşdirilməsi hədəflənən çevrilməyə və yüksək keyfiyyətli son xitozan məhsuluna nail olmaq üçün güclü ultrasəs tələb edir. Xüsusilə xitin pulcuqlarının parçalanması üçün yüksək amplitudalar və artırılmış təzyiqlər həlledici əhəmiyyət daşıyır. Hielscher Ultrasonics-in sənaye ultrasəs prosessorları çox yüksək amplitudaları asanlıqla təmin edir. 200µm-ə qədər amplitudalar 24/7 iş rejimində fasiləsiz tətbiq oluna bilər. Daha da yüksək amplitudalar üçün xüsusi hazırlanmış ultrasəs sonotrodları mövcuddur. Hielscher ultrasəs sistemlərinin güc imkanları təhlükəsiz və istifadəçi üçün rahat prosesdə səmərəli və sürətli deasetilləşdirməyə imkan verir.
Aşağıdakı cədvəl ultrasəs cihazlarımızın təxmini emal gücü barədə məlumat verir:
| Partiya həcmi | Axın sürəti | Tövsiyə olunan cihazlar |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | daha yüksək | cihazlar qrupu: UIP16000 |
Bizimlə əlaqə saxlayın! / Bizə sual verin!
Ədəbiyyat/İstinadlar
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): Qidanın qorunması üçün emulsiya üsulu ilə hazırlanmış xitozan əsaslı bionanokompozit təbəqələr. Materials 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Beta-xitinin çoxmərhələli, ultrasəs dəstəkli deasetilləşdirilməsindən əldə olunan yüksək dərəcədə deasetilləşdirilmiş yüksək molekulyar kütləli xitozan. Ultrasonics Sonochemistry 32, 2016. 79–85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Xitinin xitozana sonokimyəvi dəstəkli çevrilməsi, USDA Milli Tədqiqat Təşəbbüsünün baş tədqiqatçılarının toplantısı, New Orleans, LA, June 28th.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): İlkin emal kimi yüksək intensivlikli ultrasəsdən istifadə etməklə xitinin xitozana deasetilləşdirilməsi zamanı temperaturun təsiri, Qida Texnoloqları İnstitutunun illik toplantısı, New Orleans, LA, June 30th, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Xitinin xitozana çevrilməsinin sürətləndirilməsində yüksək intensivlikli ultrasəsin təsiri, Qida Texnoloqları İnstitutunun illik toplantısı, New Orleans, LA, June 30th, 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): Qladius və onun törəmələri gəmi dizel yanacağı üçün potensial biosorbentlər kimi. Environmental Science and Pollution Research (2017) 24:22932–22939.
- Wijesena R.N., Tissera N., Kannangara Y.Y., Lin Y., Amaratunga G.A.J., de Silva K.M.N. (2015): Xitozan nanohissəciklərinin və nanoliflərinin yuxarıdan aşağıya yanaşma ilə hazırlanması üsulu. Carbohydrate Polymers 117, 2015. 731–738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Yüksək intensivlikli ultrasəslə xitozanın molekulyar kütləsinin səmərəli azaldılması: Əsas mexanizm və emal parametrlərinin təsiri. Journal of Agricultural and Food Chemistry 56(13):5112–5119.
- Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Dəniz məhsulları tullantıları: kommersiya məqsədləri üçün istifadə oluna bilən xitin/xitozan materiallarının hazırlanması üçün mənbə. Bioresources and Bioprocessing 6/8, 2019.
Bilməyə dəyər faktlar
Xitinin ultrasəslə deasetilləşdirilməsi necə işləyir?
Yüksək güclü, aşağı tezlikli ultrasəs (məsələn, 20–26kHz) enerjisi mayeyə və ya suspenziyaya ötürüldükdə, mayeyə növbələşən yüksək təzyiq / aşağı təzyiq dövrləri təsir edərək sıxılma və seyrəkləşmə yaradır. Bu növbələşən yüksək təzyiq / aşağı təzyiq dövrləri zamanı kiçik vakuum qabarcıqları yaranır və bir neçə təzyiq dövrü ərzində böyüyür. Vakuum qabarcıqları daha çox enerji uda bilmədikdə şiddətlə çökür. Qabarcıqların bu imploziyası zamanı lokal olaraq çox intensiv şərait yaranır: 5000K-ə qədər yüksək temperatur, 2000atm-ə qədər təzyiq, çox yüksək qızma/soyuma sürətləri və təzyiq fərqləri meydana çıxır. Qabarcıqların çökmə dinamikası kütlə və istilik ötürülməsindən daha sürətli olduğuna görə çökən boşluqdakı enerji “qaynar nöqtə” də adlandırılan çox kiçik bir zonada cəmlənir. Kavitasiya qabarcığının imploziyası həmçinin mikroturbulentliyə, sürəti 280m/s-ə qədər olan maye şırnaqlarına və bunlardan yaranan kəsilmə qüvvələrinə səbəb olur. Bu hadisə ultrasəs və ya akustik kavitasiya kimi tanınır.
Ultrasəslə emal olunan mayedəki damcılar və hissəciklər həmin kavitasiya qüvvələrinin təsirinə məruz qalır və sürətlənmiş hissəciklər bir-biri ilə toqquşduqda hissəciklərarası toqquşma nəticəsində parçalanırlar. Akustik kavitasiya ultrasəslə üyütmənin, dispersləşdirmənin, emulsiyalaşdırmanın və sonokimyanın iş prinsipidir.
Xitinin deasetilləşdirilməsində yüksək intensivlikli ultrasəs səthi aktivləşdirərək və hissəciklərlə reagent arasında kütlə ötürülməsini sürətləndirərək səth sahəsini artırır.
Xitozan
Xitozan zəncir boyunca təsadüfi paylanmış, əsas komponenti olan β-(1,4) qlükozamin vahidlərindən (>80%) və N-asetil qlükozamin vahidlərindən (<20%) əmələ gələn mürəkkəb kimyəvi quruluşa malik modifikasiya olunmuş, kationik, qeyri-toksik karbohidrat polimeridir. Xitozan xitindən kimyəvi və ya fermentativ deasetilləşdirmə yolu ilə alınır. Deasetilləşmə dərəcəsi (DA) quruluşdakı sərbəst amin qruplarının miqdarını müəyyən edir və xitinlə xitozanı fərqləndirmək üçün istifadə olunur. Xitozan durulaşdırılmış sirkə turşusu kimi mülayim həlledicilərdə yaxşı həll olur və aktiv mərkəzlər kimi bir neçə sərbəst amin qrupu təmin edir. Bu, bir çox kimyəvi reaksiyada xitozanı xitindən daha üstün edir.
Xitozan əla biouyğunluğu və bioloji parçalana bilməsi, qeyri-toksikliyi, yaxşı antimikrob aktivliyi (bakteriya və göbələklərə qarşı), oksigen keçirməməsi və təbəqə əmələ gətirmə xüsusiyyətlərinə görə qiymətləndirilir. Xitindən fərqli olaraq, xitozan suda həll olmaq üstünlüyünə malikdir və buna görə də onunla işləmək və onu formulalarda istifadə etmək daha asandır.
Sellülozadan sonra ikinci ən geniş yayılmış polisaxarid olan xitinin çox böyük bolluğu onu ucuz və dayanıqlı xammala çevirir.
Xitozan istehsalı
Xitozan iki mərhələli proseslə istehsal olunur. Birinci mərhələdə xitin əldə etmək üçün xərçəngkimilərin qabıqları (yəni krevet, yengəc, omar) kimi xammal zülallardan və minerallardan təmizlənir və saflaşdırılır. İkinci mərhələdə xitozan əldə etmək məqsədilə asetil yan zəncirlərini uzaqlaşdırmaq üçün xitin güclü əsasla (məsələn, NaOH) emal olunur. Ənənəvi xitozan istehsalı prosesinin çox vaxt apardığı və yüksək xərc tələb etdiyi məlumdur.
Xitin
Xitin (C8H13O5N)n β-1,4-N-asetilqlükozaminin düz zəncirli polimeridir və α-, β- və γ-xitinə təsnif olunur. Qlükozanın törəməsi olan xitin xərçəngkimilər və həşəratlar kimi buğumayaqlıların xarici skeletlərinin, molyuskların radulalarının, başıayaqlıların dimdiklərinin, balıqların və lissamfibiyaların pulcuqlarının əsas komponentidir və ona göbələklərin hüceyrə divarlarında da rast gəlinir. Xitinin quruluşu sellülozanın quruluşu ilə müqayisə oluna bilər və kristallik nanofibrillər və ya iynəvari kristallar əmələ gətirir. Sellüloza dünyada ən geniş yayılmış polisaxariddir, ondan sonra ikinci ən geniş yayılmış polisaxarid kimi xitin gəlir.
Qlükozamin
Qlükozamin (C6H13NO5) amin şəkəridir və qlikozilləşdirilmiş zülalların və lipidlərin biokimyəvi sintezində mühüm ilkin maddədir. Qlükozamin təbiətdə geniş yayılmış birləşmədir və hər iki polisaxaridin, xitozanın və xitinin quruluşuna daxildir; bu da qlükozamini ən geniş yayılmış monosaxaridlərdən birinə çevirir. Kommersiya məqsədilə mövcud olan qlükozaminin böyük hissəsi xərçəngkimilərin xarici skeletlərinin, yəni yengəc və omar qabıqlarının hidrolizi ilə istehsal olunur.
Qlükozamin əsasən qida əlavəsi kimi istifadə olunur və bu məqsədlə qlükozamin sulfat, qlükozamin hidroxlorid və ya N-asetil qlükozamin formalarında tətbiq edilir. Qlükozamin sulfat əlavələri qığırdağın iltihabı, parçalanması və nəticədə itirilməsi ilə yaranan ağrılı vəziyyəti (osteoartriti) müalicə etmək üçün ağızdan qəbul edilir.