Ултразвуково деацетилиране на хитин до хитозан
Ултразвуково производство на хитозан
Хитозанът се получава чрез N-деацетилиране на хитин. При конвенционалното деацетилиране хитинът се накисва във водни алкални разтворители (обикновено 40 до 50% (w/w) NaOH). Процесът на накисване изисква високи температури от 100 до 120ºC отнема много време, докато добивът на хитозан, получен на етап на накисване, е нисък. Прилагането на ултразвук с висока мощност значително засилва процеса на деацетилиране на хитина и води до висок добив на хитозан с ниско молекулно тегло при бърза обработка при по-ниска температура. Ултразвуковото деацетилиране води до хитозан с превъзходно качество, който се използва като хранителна и фармацевтична съставка, като тор и в много други промишлени приложения.
Ултразвуковото лечение води до изключителна степен на ацетилиране (DA) на хитина, понижавайки степента на ацетилиране на хитин от DA≥90 до хитозан с DA≤10.
Много изследвания потвърждават ефективността на ултразвуковото деацетилиране на хитин до хитозан. Weiss J. et al. (2008) установяват, че ултразвукът подобрява драстично превръщането на хитин в хитозан. Ултразвуковата обработка на хитин идва със значителни икономии на време, намалявайки необходимото време за процес от 12-24 часа на няколко часа. Освен това е необходимо по-малко разтворител, за да се постигне пълно преобразуване, което намалява въздействието върху околната среда от необходимостта от изхвърляне и изхвърляне на отработения или нереагирал разтворител, т.е. концентриран NaOH.
Деацетилирането на хитин до хитозан се насърчава чрез ултразвук
UIP4000hdT – Ултразвукова система с мощност 4kW
Принцип на работа на ултразвуковото лечение с хитозан
Високомощната, нискочестотна ултразвукова реакция (∼20-26kHz) създава акустична кавитация в течности и суспензии. Ултразвукът с висока мощност насърчава превръщането на хитина в хитозан, тъй като разтворителят (напр. NaOH) фрагментира и прониква в твърдите хитинови частици, като по този начин увеличава повърхността и подобрява преноса на маса между твърда и течна фаза. Освен това, високите сили на срязване на ултразвуковата кавитация създават свободни радикали, които увеличават реактивността на реагента (т.е. NaOH) по време на хидролиза. Като техника без термична обработка, ултразвукът предотвратява термичното разграждане, произвеждайки висококачествен хитозан. Ултразвукът съкращава времето за обработка, необходимо за извличане на хитин от ракообразни, както и за получаване на хитин (и по този начин хитозан) с по-висока чистота в сравнение с традиционните условия на обработка. За производството на хитин и хитозан ултразвукът има потенциала да намали производствените разходи, да намали времето за обработка, да позволи по-добър контрол на производствения процес и да намали въздействието върху околната среда на технологичните отпадъци.
- По-висок добив на хитозан
- Превъзходно качество
- Намалено време
- По-ниска температура на процеса
- Повишена ефективност
- Лесен & безопасна работа
- екологично чист
Ултразвуково децетилиране на хитин до хитозан – протокол
1) Пригответе хитина:
Използвайки черупките на раци като изходен материал, черупките на раци трябва да бъдат добре измити, за да се отстранят всички разтворими органични вещества и полепнали примеси, включително почва и протеини. След това материалът на черупката трябва да изсъхне напълно (напр. при 60ºC за 24 часа във фурна). След това изсушените черупки се смилат (напр. с помощта на чукова мелница), депротеинизират се в алкална среда (напр. NaOH при концентрация от 0,125 до 5,0 M) и се деминерализират в киселина (напр. разредена солна киселина).
2) Ултразвуково деацетилиране
За провеждане на типична ултразвукова реакция на деацетилиране, бета-хитинови частици (0,125 mm < D < 0.250 mm) са суспендирани в 40% (w/w) воден NaOH в съотношение бета-хитин/NaOH воден разтвор от 1/10 (g ml-1), окачването се прехвърля върху двустенна стъклена чаша и се ултразвукува с помощта на Hielscher UP400St ултразвуков хомогенизатор. Следните параметри (срв. Fiamingo et al. 2016) се поддържат постоянни при провеждане на ултразвукова реакция на деацетилиране на хитин: (i) ултразвукова сонда (сонотрод Hielscher S24d22D, диаметър на върха = 22 mm); (ii) импулсен режим на ултразвук (IP = 0,5 сек); iii) Ултразвуков интензитет на повърхността
(I = 52,6 W cm-2), iv) температура на реакцията (60ºC ±1ºC), v) време на реакция (50 min), vi) съотношение тегло/обем на бета-хитина 40% (w/w) воден натриев хидроксид (BCHt/NaOH = 1/10 g ml-1); vii) обем на бета-хитиновата суспензия (50 ml).
Първата реакция продължава 50 минути при постоянно магнитно разбъркване и след това се прекъсва чрез бързо охлаждане на суспензията до 0ºC. След това се добавя разредена солна киселина, за да се достигне pH 8.5 и пробата CHs1 се изолира чрез филтрация, обилно се измива с дейонизирана вода и се изсушава при условия на околната среда. Когато същото ултразвуково деацетилиране се повтори като втора стъпка към CHs1, се получава проба CHs2.
Сканиращи изображения с електронна микроскопия (SEM) с увеличение от 100× на а) гладиус, б) ултразвуков гладиус, в) β-хитин, г) ултразвуково третиран β-хитин и д) хитозан (източник: Preto et al. 2017)
Fiamingo et al. установиха, че ултразвуковото деацетилиране на бета-хитин ефективно произвежда хитозан с високо молекулно тегло с ниска степен на ацетилиране, нито използвайки добавки, нито инертна атмосфера, нито дълго време за реакция. Въпреки че реакцията на ултразвуково деацетилиране се извършва при по-меки условия – т.е. ниска температура на реакцията в сравнение с повечето термохимични обезцетилации. Ултразвуковото деацетилиране на бета-хитин позволява получаването на произволно деацетилиран хитозан с променлива степен на ацетилиране (4% ≤ DA ≤ 37%), средно молекулно тегло (900 000 g mol-1 ≤ Мw ≤ 1 200 000 g mol-1 ) и ниска дисперсност (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4) чрез провеждане на три последователни реакции (50 минути/стъпка) при 60ºC.
Високомощни ултразвукови процесори от лабораторен до пилотен и промишлен мащаб.
Високоефективни ултразвукови системи за производство на хитозан
Фрагментирането на хитина и децетилирането на хитин до хитозан изисква мощно и надеждно ултразвуково оборудване, което може да осигури високи амплитуди, предлага прецизна управляемост върху параметрите на процеса и може да работи 24/7 при голямо натоварване и в взискателни среди. Продуктовата гама на Hielscher Ultrasonics покрива вас и вашите изисквания към процеса. Ултразвуковите апарати на Hielscher са високоефективни системи, които могат да бъдат оборудвани с аксесоари като сонотроди, бустери, реактори или поточни клетки, за да отговарят оптимално на вашите нужди от процеса.
С цифров цветен дисплей се осигурява възможност за предварително задаване на ултразвук, автоматичен запис на данни на вградена SD карта, дистанционно управление на браузъра и много други функции, най-висок контрол на процеса и удобство за потребителя. Съчетани с здравина и голяма товароносимост, ултразвуковите системи на Hielscher са вашият надежден работен кон в производството.
Хитиновата фрагментация и деацетилиране изисква мощен ултразвук, за да се получи целенасочено преобразуване и краен хитозан продукт с високо качество. Особено за фрагментацията на хитиновите люспи, високите амплитуди и повишеното налягане са от решаващо значение. Ултразвук на Hielscher’ Индустриалните ултразвукови процесори лесно доставят много високи амплитуди. Амплитуди до 200 μm могат да работят непрекъснато в режим 24/7. За още по-високи амплитуди се предлагат персонализирани ултразвукови сонотроди. Мощността на ултразвуковите системи на Hielscher позволява ефективно и бързо деацетилиране в безопасен и лесен за използване процес.
Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати:
| Обем на партидата | Дебит | Препоръчителни устройства |
|---|---|---|
| 1 до 500 мл | 10 до 200 мл/мин | UP100H |
| 10 до 2000 мл | 20 до 400 мл/мин | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 до 20L | 0.2 до 4 л/мин | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10 л/мин | UIP4000hdT |
| Н.А. | 10 до 100 л/мин | UIP16000 |
| Н.А. | Голям | Клъстер от UIP16000 |
Свържете се с нас! / Попитайте ни!
Литература/Препратки
- Бутнару Е., Столеру Е., Бребу М.А., Дарие-Нита Р.Н., Барган А., Василе С. (2019): Бионанокомпозитни филми на основата на хитозан, получени чрез емулсионна техника за консервиране на храни. Материали 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Екстензивно деацетилиран хитозан с високо молекулно тегло от многостепенното ултразвуково подпомагано деацетилиране на бета-хитин. Ултразвукова сонохимия 32, 2016. 79–85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Сонохимично подпомагано превръщане на хитин в хитозан, Среща на главните изследователи на Националната изследователска инициатива на USDA, Ню Орлиънс, Лос Анджелис, 28 юни.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Влияние на температурата по време на деацетилиране на хитин до хитозан с високоинтензивен ултразвук като предварителна обработка, Годишна среща на Института на хранителните технолози, Ню Орлиънс, Лос Анджелис, 30 юни, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Влияние на ултразвук с висока интензивност за ускоряване на превръщането на хитин в хитозан, Годишна среща на Института на хранителните технолози, Ню Орлиънс, Лос Анджелис, 30 юни, 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): Gladius и неговите производни като потенциални биосорбенти за корабно дизелово гориво. Наука за околната среда и изследване на замърсяването (2017) 24:22932–22939.
- Wijesena R.N., Tissera N., Kannangara Y.Y., Lin Y., Amaratunga G.A.J., de Silva K.M.N. (2015): Метод за приготвяне отгоре надолу на хитозанови наночастици и нановлакна. Въглехидратни полимери 117, 2015. 731–738.
- Ву, Т., Живанович, С., Хейс, Д.Г., Вайс, Дж. Ефективно намаляване на молекулното тегло на хитозана чрез ултразвук с висока интензивност: Основен механизъм и ефект на параметрите на обработката. Вестник по селскостопанска и хранителна химия 56(13):5112-5119.
- Ядав М.; Госвами П.; Паритош К.; Кумар М.; Парик Н.; Вивекананд В. (2019): Отпадъци от морски дарове: източник за приготвяне на търговски материали от хитин/хитозан. Биоресурси и биопреработка 6/8, 2019.
Факти, които си струва да знаете
Как работи ултразвуковата деактилация на хитин?
Когато високомощен, нискочестотен ултразвук (напр. 20-26kHz) се свърже с течност или суспензия, върху течността се прилагат редуващи се цикли с високо / ниско налягане, създавайки компресия и разреждане. По време на тези редуващи се цикли на високо / ниско налягане се генерират малки вакуумни мехурчета, които растат в продължение на няколко цикъла на налягане. В момента, в който вакуумните мехурчета не могат да абсорбират повече енергия, те се срутват силно. По време на тази имплозия на мехурчета възникват локално много интензивни условия: високи температури до 5000K, налягания до 2000 atm, много високи скорости на нагряване/охлаждане и разлики в налягането. Тъй като динамиката на колапс на мехурчето е по-бърза от преноса на маса и топлина, енергията в колабиращата се кухина е ограничена до много малка зона, наричана още "гореща точка". Имплозията на кавитационния мехур също води до микротурбуленции, течни струи със скорост до 280 m/s и произтичащи от това сили на срязване. Това явление е известно като ултразвукова или акустична кавитация.
Капчиците и частиците в ултразвуковата течност се сблъскват с тези кавитационни сили и когато ускорените частици се сблъскат помежду си, те се разбиват от сблъсък между частиците. Акустичната кавитация е принципът на работа на ултразвуковото фрезоване, диспергиране, емулгиране и сонохимия.
За деацетилиране на хитин, ултразвукът с висока интензивност се увеличава в повърхността, като активира повърхността и насърчава преноса на маса между частиците и реагента.
Хитозан
Хитозанът е модифициран, катионен, нетоксичен въглехидратен полимер със сложна химическа структура, образувана от β-(1,4) глюкозаминови единици като основен компонент (>80 %) и N-ацетил глюкозамин (<20%), разпределени на случаен принцип по веригата. Хитозанът се извлича от хитин чрез химично или ензимно деацетилиране. Степента на деацетилиране (DA) определя съдържанието на свободни аминогрупи в структурата и се използва за разграничаване на хитин и хитозан. Хитозанът показва добра разтворимост в умерени разтворители като разредена оцетна киселина и предлага няколко свободни аминови групи като активни места. Това прави хитозана по-полезен пред хитина в много химични реакции.
Хитозанът е ценен заради отличната си биосъвместимост и биоразградимост, нетоксичност, добра антимикробна активност (срещу бактерии и гъбички), кислородна непропускливост и филмообразуващи свойства. За разлика от хитина, хитозанът има предимството, че е водоразтворим и по този начин по-лесен за работа и използване във формулировки.
Като вторият най-разпространен полизахарид след целулозата, огромното изобилие от хитин го прави евтина и устойчива суровина.
Производство на хитозан
Хитозанът се произвежда в две стъпки. В първата стъпка суровината, като черупки от ракообразни (т.е. скариди, раци, омари), се депротеинизира, деминерализира и пречиства, за да се получи хитин. Във втората стъпка хитинът се третира със здрава основа (напр. NaOH) за отстраняване на ацетиловите странични вериги, за да се получи хитозан. Известно е, че процесът на конвенционално производство на хитозан отнема много време и е скъпоемък.
хитин
Хитин (C8H13O5N)N е правоверижен полимер от β-1,4-N-ацетилглюкозамин и се класифицира в α-, β- и γ-хитин. Като производно на глюкозата, хитинът е основен компонент на екзоскелетите на членестоноги, като ракообразни и насекоми, радулите на мекотелите, главоногите клюнове и люспите на риби и лисамфибии и може да се намери в клетъчните стени и при гъбите. Структурата на хитина е сравнима с целулозата, образувайки кристални нанофибрили или мустаци. Целулозата е най-разпространеният полизахарид в света, следван от хитина като втори най-разпространен полизахарид.
Глюкозамин
Глюкозамин (С6H13Не5) е аминозахар и важен прекурсор в биохимичния синтез на гликозилирани протеини и липиди. Глюкозаминът е естествено изобилно съединение, което е част от структурата на полизахаридите, хитозана и хитина, което прави глюкозамина един от най-разпространените монозахариди. По-голямата част от наличния в търговската мрежа глюкозамин се произвежда чрез хидролиза на екзоскелети на ракообразни, т.е. черупки от раци и омари.
Глюкозаминът се използва главно като хранителна добавка, където се използва под формата на глюкозамин сулфат, глюкозамин хидрохлорид или N-ацетил глюкозамин. Добавките с глюкозамин сулфат се прилагат перорално за лечение на болезнено състояние, причинено от възпаление, разграждане и евентуална загуба на хрущял (остеоартрит).