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 и отнема много време, докато добивът на хитозан, получен при всяка стъпка на накисване, е нисък. Прилагането на ултразвук с висока мощност значително интензифицира процеса на деацетилиране на хитин и води до висок добив на хитозан с ниска молекулна маса при бърза обработка на по-ниска температура. Ултразвуковото деацетилиране води до получаване на хитозан с превъзходно качество, който се използва като хранителна и фармацевтична съставка, като тор и в много други промишлени приложения.
Ултразвуковата обработка води до изключителна степен на ацетилиране (DA) на хитина, като понижава степента на ацетилиране от хитин с DA≥90 до хитозан с DA≤10.
Много научни изследвания потвърждават ефективността на ултразвуковото деацетилиране на хитин до хитозан. Weiss J. et al. (2008) установяват, че ултразвуковата обработка драстично подобрява превръщането на хитин в хитозан. Ултразвуковата обработка на хитин спестява значително време, като намалява необходимото време за процеса от 12–24 часа до няколко часа. Освен това за пълно превръщане е необходим по-малко разтворител, което намалява въздействието върху околната среда, свързано с необходимостта от изхвърляне и обезвреждане на използвания или нереагиралия разтворител, т.е. концентриран NaOH.
Деацетилирането на хитин до хитозан се подпомага от ултразвукова обработка
UIP4000hdT – ултразвукова система с мощност 4kW
Принцип на действие на ултразвуковата обработка на хитозан
Ултразвуковата обработка с висока мощност и ниска честота (∼20–26kHz) създава акустична кавитация в течности и суспензии. Ултразвукът с висока мощност подпомага превръщането на хитин в хитозан, тъй като разтворителят (напр. NaOH) раздробява твърдите частици хитин и прониква в тях, като по този начин увеличава повърхностната площ и подобрява масообмена между твърдата и течната фаза. Освен това силните сили на срязване при ултразвуковата кавитация създават свободни радикали, които увеличават реактивоспособността на реагента (т.е. NaOH) по време на хидролизата. Като нетермичен метод на обработка, ултразвуковата обработка предотвратява термичното разграждане и осигурява получаването на висококачествен хитозан. Ултразвукът съкращава времето за обработка, необходимо за извличане на хитин от ракообразни, и същевременно осигурява хитин (а впоследствие и хитозан) с по-висока чистота в сравнение с традиционните условия на обработка. Следователно при производството на хитин и хитозан ултразвукът има потенциала да понижи производствените разходи, да намали времето за обработка, да позволи по-добър контрол на производствения процес и да намали въздействието на отпадъците от процеса върху околната среда.
- По-висок добив на хитозан
- Превъзходно качество
- Съкратено време
- По-ниска температура на процеса
- Повишена ефективност
- Лесна и безопасна работа
- Щадящо околната среда
Ултразвуково деацетилиране на хитин до хитозан – протокол
1) Подгответе хитина:
При използване на черупки от раци като изходен материал те трябва да бъдат старателно измити, за да се отстранят всички разтворими органични вещества и полепнали примеси, включително почва и протеини. След това материалът от черупките трябва да бъде напълно изсушен (напр. при 60ºC за 24h в сушилна камера). След това изсушените черупки се смилат (напр. с чукова мелница), депротеинизират се в алкална среда (напр. NaOH с концентрация от 0,125 до 5,0 M) и се деминерализират в киселина (напр. разредена солна киселина).
2) Ултразвуково деацетилиране
За провеждане на типична реакция на ултразвуково деацетилиране частици бета-хитин (0,125 mm < d < 0,250 mm) се суспендират в 40% (w/w) воден разтвор на NaOH при съотношение бета-хитин/воден разтвор на NaOH от 1/10(g mL-1), суспензията се прехвърля в двустенна стъклена чаша и се подлага на ултразвукова обработка с ултразвуков хомогенизатор Hielscher UP400St . Следните параметри (вж. Fiamingo et al. 2016) се поддържат постоянни при провеждане на реакция на ултразвуково деацетилиране на хитин: (i) ултразвукова сонда (сонотрод Hielscher S24d22D, диаметър на върха = 22 mm); (ii) импулсен режим на ултразвукова обработка (IP = 0,5sec); (iii) повърхностен интензитет на ултразвука
(I = 52,6 W cm-2), (iv) температура на реакцията (60ºC ±1ºC), (v) време на реакцията (50 min), (vi) съотношение маса на бета-хитина/обем на 40% (w/w) воден разтвор на натриев хидроксид (BCHt/NaOH = 1/10 g mL-1); (vii) обем на суспензията от бета-хитин (50mL).
Първата реакция протича в продължение на 50min при непрекъснато магнитно разбъркване и след това се прекъсва чрез бързо охлаждане на суспензията до 0ºC. След това се добавя разредена солна киселина до достигане на pH 8,5 и пробата CHs1 се изолира чрез филтриране, промива се обилно с дейонизирана вода и се изсушава при условията на околната среда. Когато същото ултразвуково деацетилиране се повтори като втора стъпка върху CHs1, се получава пробата CHs2.
Изображения от сканираща електронна микроскопия (SEM) при увеличение 100× на a) гладиус, b) гладиус, обработен с ултразвук, c) β-хитин, d) β-хитин, обработен с ултразвук, и e) хитозан (източник: Preto et al. 2017)
Fiamingo et al. установяват, че ултразвуковото деацетилиране на бета-хитин ефективно произвежда хитозан с висока молекулна маса и ниска степен на ацетилиране, без да се използват добавки, инертна атмосфера или продължително време за реакция. Въпреки че реакцията на ултразвуково деацетилиране се провежда при по-меки условия – т.е. ниска температура на реакцията в сравнение с повечето термохимични деацетилирания. Ултразвуковото деацетилиране на бета-хитин позволява получаването на хитозан с произволно разпределени деацетилирани звена, който има променлива степен на ацетилиране (4% ≤ DA ≤ 37%), висока средномасова молекулна маса (900 000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1 200 000 g mol-1 ) и ниска дисперсност (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4), чрез провеждане на три последователни реакции (50 min/стъпка) при 60ºC.
Ултразвукови процесори с висока мощност за лабораторен, пилотен и промишлен мащаб.
Високопроизводителни ултразвукови системи за производство на хитозан
Раздробяването на хитин и деацетилирането на хитин до хитозан изискват мощно и надеждно ултразвуково оборудване, което може да осигурява високи амплитуди, предлага прецизен контрол върху параметрите на процеса и може да работи 24/7 при голямо натоварване и в тежки условия. Продуктовата гама на Hielscher Ultrasonics удовлетворява вашите потребности и изискванията на вашия процес. Ултразвуковите устройства на Hielscher са високопроизводителни системи, които могат да бъдат оборудвани с принадлежности като сонотроди, усилватели на амплитудата, реактори или проточни клетки, за да отговорят по оптимален начин на потребностите на вашия процес.
Цифровият цветен дисплей, възможността за предварително задаване на цикли на ултразвукова обработка, автоматичното записване на данни върху вградена SD карта, дистанционното управление чрез браузър и много други функции осигуряват най-висока степен на контрол на процеса и удобство за потребителя. В съчетание със здравината и способността да издържат на голямо натоварване, ултразвуковите системи на Hielscher са вашият надежден помощник в производството.
Раздробяването и деацетилирането на хитин изискват мощен ултразвук, за да се постигнат целевото превръщане и висококачествен краен продукт от хитозан. Особено при раздробяването на хитиновите люспи високите амплитуди и повишеното налягане са от решаващо значение. Промишлените ултразвукови процесори на Hielscher Ultrasonics лесно осигуряват много високи амплитуди. Амплитуди до 200µm могат да се поддържат непрекъснато при работа 24/7. За още по-високи амплитуди се предлагат ултразвукови сонотроди, изработени по поръчка. Мощността на ултразвуковите системи на Hielscher позволява ефективно и бързо деацетилиране чрез безопасен и удобен за потребителя процес.
Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови устройства:
| Обем на партидата | Дебит | Препоръчителни устройства |
|---|---|---|
| 1 до 500mL | 10 до 200mL/min | UP100H |
| 10 до 2000mL | 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 до 20L | 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 до 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | по-голям | група от UIP16000 |
Свържете се с нас! / Попитайте ни!
Литература/Източници
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): Бионанокомпозитни филми на основата на хитозан, получени чрез емулсионен метод за съхраняване на храни. Materials 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Хитозан с висока молекулна маса и висока степен на деацетилиране, получен чрез многостъпково деацетилиране на бета-хитин с помощта на ултразвук. Ultrasonics Sonochemistry 32, 2016. 79–85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Превръщане на хитин в хитозан с помощта на сонохимия, среща на главните изследователи по Националната научноизследователска инициатива на USDA, New Orleans, LA, June 28th.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Влияние на температурата при деацетилиране на хитин до хитозан с ултразвук с висок интензитет като предварителна обработка, годишна среща на Institute of Food Technologists, New Orleans, LA, June 30th, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Влияние на ултразвука с висок интензитет върху ускоряването на превръщането на хитин в хитозан, годишна среща на Institute of Food Technologists, 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): Гладиусът и неговите производни като потенциални биосорбенти за корабно дизелово гориво. 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): Метод за получаване на хитозанови наночастици и нановлакна по подхода „отгоре надолу“. Carbohydrate Polymers 117, 2015. 731–738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Ефективно намаляване на молекулната маса на хитозан чрез ултразвук с висок интензитет: основен механизъм и влияние на параметрите на обработка. Journal of Agricultural and Food Chemistry 56(13):5112–5119.
- Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Отпадъци от морски продукти: източник за получаване на материали от хитин/хитозан с търговско приложение. Bioresources and Bioprocessing 6/8, 2019.
Полезни факти
Как протича ултразвуковото деацетилиране на хитин?
Когато ултразвук с висока мощност и ниска честота (напр. 20–26kHz) се предава в течност или суспензия, течността се подлага на редуващи се цикли на високо / ниско налягане, които създават свиване и разреждане. По време на тези редуващи се цикли на високо / ниско налягане се образуват малки вакуумни мехурчета, които нарастват в продължение на няколко цикъла на налягането. Когато вакуумните мехурчета вече не могат да поглъщат повече енергия, те колапсират бурно. По време на тази имплозия на мехурчетата локално възникват много интензивни условия: високи температури до 5000K, налягания до 2000atm, много високи скорости на нагряване/охлаждане и разлики в налягането. Тъй като динамиката на колапса на мехурчетата е по-бърза от масообмена и топлообмена, енергията в колапсиращата кухина е ограничена в много малка зона, наричана още „гореща точка“. Имплозията на кавитационното мехурче води също до микротурбулентност, течни струи със скорост до 280m/s и произтичащите от тях сили на срязване. Това явление е известно като ултразвукова или акустична кавитация.
Капките и частиците в течността, подложена на ултразвукова обработка, са изложени на действието на тези кавитационни сили и когато ускорените частици се сблъскват една с друга, те се раздробяват вследствие на междучастичните сблъсъци. Акустичната кавитация е принципът на действие на ултразвуковото смилане, диспергирането, емулгирането и сонохимията.
При деацетилирането на хитин ултразвукът с висок интензитет увеличава повърхностната площ, като активира повърхността и подпомага масообмена между частиците и реагента.
Хитозан
Хитозанът е модифициран, катионен, нетоксичен въглехидратен полимер със сложна химична структура, образувана от звена на β-(1,4) glucosamine като основен компонент (>80%) и звена на N-ацетилглюкозамин (<20%), разпределени произволно по веригата. Хитозанът се получава от хитин чрез химично или ензимно деацетилиране. Степента на деацетилиране (DA) определя съдържанието на свободни аминогрупи в структурата и се използва за разграничаване между хитин и хитозан. Хитозанът показва добра разтворимост в умерени разтворители като разредена оцетна киселина и предоставя няколко свободни аминогрупи като активни центрове. Това дава на хитозана предимство пред хитина в много химични реакции.
Хитозанът се цени заради отличната си биосъвместимост и биоразградимост, нетоксичността, добрата антимикробна активност (срещу бактерии и гъби), непропускливостта за кислород и филмообразуващите свойства. За разлика от хитина, хитозанът има предимството да е водоразтворим и поради това е по-лесен за обработка и използване във формулации.
Като втория най-разпространен полизахарид след целулозата, хитинът е наличен в огромни количества, което го прави евтина и устойчива суровина.
Производство на хитозан
Хитозанът се произвежда чрез двустъпков процес. В първата стъпка суровината, например черупки от ракообразни (т.е. скариди, раци, омари), се депротеинизира, деминерализира и пречиства, за да се получи хитин. Във втората стъпка хитинът се обработва със силна основа (напр. NaOH), за да се отстранят ацетилните странични вериги и да се получи хитозан. Известно е, че процесът на конвенционално производство на хитозан отнема много време и е свързан с високи разходи.
Хитин
Хитин (C8H13O5N)n е полимер с линейна верига на β-1,4-N-acetylglucosamine и се класифицира като α-, β- и γ-хитин. Като производно на глюкозата, хитинът е основен компонент на екзоскелетите на членестоноги, като ракообразни и насекоми, на радулите на мекотелите, човките на главоногите и люспите на рибите и лисамфибиите, а също се среща и в клетъчните стени на гъбите. Структурата на хитина е сравнима с тази на целулозата, като образува кристални нанофибрили или игловидни кристали. Целулозата е най-разпространеният полизахарид в света, следвана от хитина като втория най-разпространен полизахарид.
Глюкозамин
Глюкозамин (C6H13NO5) е аминозахар и важен прекурсор в биохимичния синтез на гликозилирани протеини и липиди. Глюкозаминът е естествено широко разпространено съединение, което е част от структурата и на двата полизахарида – хитозан и хитин, което го прави един от най-разпространените монозахариди. По-голямата част от предлагания на пазара глюкозамин се произвежда чрез хидролиза на екзоскелети на ракообразни, т.е. черупки от раци и омари.
Глюкозаминът се използва главно като хранителна добавка под формата на глюкозамин сулфат, глюкозамин хидрохлорид или N-ацетилглюкозамин. Добавките с глюкозамин сулфат се приемат перорално за лечение на болезнено състояние, причинено от възпалението, разграждането и евентуалната загуба на хрущял (остеоартрит).