Ultrazvučna deacetilacija hitina u hitozan
Ultrazvučna proizvodnja hitozana
Hitozan se dobija N-deacetilacijom hitina. U konvencionalnoj deacetilaciji, hitin se natapa u vodenim alkalnim rastvaračima (obično 40 do 50% (w/w) NaOH). Proces namakanja zahteva visoke temperature od 100 do 120ºC, veoma je dugotrajan, dok je prinos hitozana dobijen po koraku namakanja mali. Primjena ultrazvuka velike snage značajno intenzivira proces deacetilacije hitina i rezultira visokim prinosom hitozana niske molekularne težine u brzom tretmanu na nižim temperaturama. Ultrazvučna deacetilacija rezultira hitozanom vrhunskog kvaliteta koji se koristi kao prehrambeni i farmaceutski sastojak, kao gnojivo i u mnogim drugim industrijskim primjenama.
Ultrazvučni tretman dovodi do izuzetnog stepena acetilacije (DA) hitina snižavajući stepen acetilacije hitina sa DA≥90 na hitozan sa DA≤10.
Mnoga istraživanja potvrđuju efikasnost ultrazvučne deacetilacije hitina u hitozan. Weiss J. et al. (2008) otkrili su da ultrazvuk drastično poboljšava konverziju hitina u hitozan. Ultrazvučni tretman hitina dolazi sa značajnim uštedama vremena smanjujući potrebno vrijeme procesa sa 12-24 sata na nekoliko sati. Nadalje, potrebno je manje rastvarača da bi se postigla potpuna konverzija, što smanjuje utjecaj na okoliš zbog potrebe za odbacivanjem i odlaganjem istrošenog ili neizreagiranog rastvarača, tj. koncentriranog NaOH.
Deacetilacija hitina u hitozan se promovira sonikacijom
UIP4000hdT – Ultrazvučni sistem snage 4kW
Princip rada ultrazvučnog tretmana hitozanom
Ultrazvuk velike snage, niske frekvencije (∼20-26kHz) stvara akustičnu kavitaciju u tečnostima i kašama. Ultrazvuk velike snage pospješuje konverziju hitina u hitozan dok se rastvarač (npr. NaOH) fragmentira i prodire u čvrste čestice hitina, čime se povećava površina i poboljšava prijenos mase između čvrste i tekuće faze. Nadalje, velike sile smicanja ultrazvučne kavitacije stvaraju slobodne radikale koji povećavaju reaktivnost reagensa (tj. NaOH) tokom hidrolize. Kao tehnika netermičke obrade, sonikacija sprečava termičku degradaciju dajući visokokvalitetni hitozan. Ultrazvuk skraćuje vrijeme obrade potrebno za ekstrakciju hitina iz rakova, kao i daje hitin (a time i hitozan) veće čistoće u poređenju s tradicionalnim uvjetima obrade. Za proizvodnju hitina i hitozana, ultrazvuk stoga ima potencijal da snizi troškove proizvodnje, skrati vrijeme obrade, omogući bolju kontrolu proizvodnog procesa i smanji utjecaj procesnog otpada na okoliš.
- Veći prinos hitozana
- Vrhunski kvalitet
- Reduced Time
- Niža temperatura procesa
- Povećana efikasnost
- Lako & siguran rad
- ekološki prihvatljiv
Ultrazvučna decitilacija hitina u hitozan – Protokol
1) Pripremite hitin:
Koristeći ljuske rakova kao izvorni materijal, ljuske rakova treba temeljito oprati kako bi se uklonile sve topljive organske tvari i prianjajuće nečistoće, uključujući tlo i proteine. Nakon toga, materijal ljuske mora biti potpuno osušen (npr. na 60ºC 24h u pećnici). Osušene ljuske se zatim melju (npr. pomoću mlina s čekićem), deproteiniziraju u alkalnom mediju (npr. NaOH u konc. od 0,125 do 5,0 M) i demineraliziraju u kiselini (npr. razrijeđena hlorovodonična kiselina).
2) Ultrazvučna deacetilacija
Za pokretanje tipične ultrazvučne reakcije deacetilacije, čestice beta-hitina (0,125 mm < D < 0.250 mm) su suspendirani u 40% (w/w) vodenoj otopini NaOH u omjeru beta-hitin/NaOH vodeni rastvor od 1/10 (g mL)-1), suspenzija se prenosi u staklenu čašu s dvostrukim stijenkama i obrađuje ultrazvukom pomoću Hielschera UP400St ultrazvučni homogenizator. Sljedeći parametri (usp. Fiamingo et al. 2016) održavaju se konstantnim kada se provodi ultrazvučna reakcija deacetilacije hitina: (i) ultrazvučna sonda (sonotrode Hielscher S24d22D, prečnik vrha = 22 mm); (ii) pulsni režim sonikacije (IP = 0,5 sec); (iii) ultrazvučni površinski intenzitet
(I = 52,6 W cm-2), (iv) temperatura reakcije (60ºC ±1ºC), (v) vrijeme reakcije (50 min), (vi) omjer težine beta-hitina/volumena 40% (w/w) vodenog natrijum hidroksida (BCHt/NaOH = 1 /10 g ml-1); (vii) zapremina suspenzije beta-hitina (50mL).
Prva reakcija se odvija 50 min uz stalno magnetsko miješanje, a zatim se prekida brzim hlađenjem suspenzije na 0ºC. Nakon toga se dodaje razrijeđena hlorovodonična kiselina da se postigne pH 8,5 i uzorak CHs1 se izoluje filtracijom, intenzivno ispere dejonizovanom vodom i osuši u ambijentalnim uslovima. Kada se ista ultrazvučna deacetilacija ponovi kao drugi korak do CHs1, proizvodi se uzorak CHs2.
Slike skenirajuće elektronske mikroskopije (SEM) u uvećanju od 100× a) gladius, b) gladius tretiran ultrazvukom, c) β-hitin, d) β-hitin tretiran ultrazvukom, i e) hitosan (izvor: Preto et al. 2017)
Fiamingo et al. otkrili su da ultrazvučna deacetilacija beta-hitina efikasno proizvodi hitozan visoke molekularne težine sa niskim stepenom acetilacije, niti upotrebom aditiva niti inertne atmosfere niti dugih vremena reakcije. Iako se ultrazvučna reakcija deacetilacije izvodi u blažim uvjetima – tj. niska temperatura reakcije u poređenju sa većinom termohemijskih deacetilacija. Ultrazvučna deacetilacija beta-hitina omogućava pripremu nasumično deacetiliranog hitozana koji ima varijabilni stepen acetilacije (4% ≤ DA ≤ 37%), visoku prosječnu molekulsku težinu (900.000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1.200.000 g mol-1 ) i niske disperznosti (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4) izvođenjem tri uzastopne reakcije (50 min/korak) na 60ºC.
Ultrazvučni procesori velike snage od laboratorijskih do pilotskih i industrijskih razmjera.
Ultrazvučni sistemi visokih performansi za proizvodnju hitozana
Fragmentacija hitina i decetilacija hitina u hitozan zahtijeva moćnu i pouzdanu ultrazvučnu opremu koja može isporučiti visoke amplitude, nudi preciznu kontrolu nad parametrima procesa i može raditi 24/7 pod velikim opterećenjem i u zahtjevnim okruženjima. Hielscher Ultrasonics asortiman proizvoda pokriva vas i vaše zahtjeve procesa. Hielscher ultrasonicatori su sistemi visokih performansi koji mogu biti opremljeni dodacima kao što su sonotrode, pojačivači, reaktori ili protočne ćelije kako bi na optimalan način odgovarali vašim potrebama procesa.
Sa digitalnim displejom u boji, osigurana je opcija za unapred podešene sonikacije, automatsko snimanje podataka na integrisanu SD karticu, daljinska kontrola pretraživača i mnoge druge funkcije, najveća kontrola procesa i jednostavnost za korisnika. Upareni sa robusnošću i velikim kapacitetom nosivosti, Hielscher ultrazvučni sistemi su vaš pouzdan radni konj u proizvodnji.
Fragmentacija i deacetilacija hitina zahtijeva snažan ultrazvuk za postizanje ciljane konverzije i finalnog hitozana visokog kvaliteta. Posebno za fragmentaciju hitinskih pahuljica, velike amplitude i povišeni pritisci su ključni. Hielscher Ultrasonics’ industrijski ultrazvučni procesori lako isporučuju vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200 µm mogu se kontinuirano izvoditi u radu 24/7. Za još veće amplitude, dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Kapacitet snage Hielscher ultrazvučnih sistema omogućava efikasnu i brzu deacetilaciju u sigurnom i korisniku prilagođenom procesu.
Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata:
| Batch Volume | Flow Rate | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
| N / A | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| N / A | veći | klaster of UIP16000 |
Kontaktiraj nas! / Pitajte nas!
Literatura/Reference
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu MA, Darie-Nita RN, Bargan A., Vasile C. (2019): Bionanokompozitni filmovi na bazi hitozana pripremljeni tehnikom emulzije za očuvanje hrane. Građa 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk JA, Trombotto St. David L., Campana-Filho SP (2016): Ekstenzivno deacetilirani hitozan visoke molekularne težine iz višestepene ultrazvučno potpomognute deacetilacije beta-hitina. Ultrasonics Sonochemistry 32, 2016. 79–85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Živanović, S., Weiss, J. (2008): Sonohemijski potpomognuta konverzija hitina u hitosan, Sastanak glavnih istraživača Nacionalne istraživačke inicijative USDA, New Orleans, LA, 28. jun.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Živanović, S., Weiss, J. (2008): Uticaj temperature tokom deacetilacije hitina u hitozan ultrazvukom visokog intenziteta kao predtretman, Godišnji sastanak Instituta za prehrambene tehnologe , New Orleans, LA, 30. jun, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Živanović, S., Weiss, J. (2008): Uticaj ultrazvuka visokog intenziteta na ubrzavanje konverzije hitina u hitozan, Godišnji sastanak Instituta prehrambenih tehnologa, New Orleans, LA, 30. jun, 95-17.
- Preto MF, Campana-Filho SP, Fiamingo A., Cosentino IC, Tessari-Zampieri MC, Abessa DMS, Romero AF, Bordon IC (2017): Gladius i njegovi derivati kao potencijalni biosorbenti za brodsko dizelsko ulje. Nauka o životnoj sredini i istraživanje zagađenja (2017) 24:22932–22939.
- Wijesena RN, Tissera N., Kannangara YY, Lin Y., Amaratunga GAJ, de Silva KMN (2015): Metoda za pripremu nanočestica i nanovlakna hitozana odozgo prema dolje. Carbohydrate Polymers 117, 2015. 731–738.
- Wu, T., Živanović, S., Hayes, DG, Weiss, J. (2008). Efikasno smanjenje molekularne težine hitozana ultrazvukom visokog intenziteta: osnovni mehanizam i efekat parametara obrade. Časopis za poljoprivrednu i prehrambenu hemiju 56(13):5112-5119.
- Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019.): Otpad od morskih plodova: izvor za pripremu komercijalno upotrebljivih hitin/hitozanskih materijala. Bioresursi i bioprocesiranje 6/8, 2019.
Činjenice koje vrijedi znati
Kako radi ultrazvučna deaktilacija hitina?
Kada se ultrazvuk velike snage, niske frekvencije (npr. 20-26 kHz) spoji u tečnost ili kašu, na tečnost se primjenjuju naizmjenični ciklusi visokog/niskog pritiska stvarajući kompresiju i razrjeđivanje. Tokom ovih naizmjeničnih ciklusa visokog/niskog pritiska, stvaraju se mali vakuumski mjehurići, koji rastu u nekoliko ciklusa pritiska. U trenutku kada vakuumski mjehurići ne mogu apsorbirati više energije, oni se silovito srušavaju. Tokom ove implozije mjehurića javljaju se lokalno vrlo intenzivni uslovi: visoke temperature do 5000K, pritisci do 2000atm, vrlo visoke stope grijanja/hlađenja i razlike u tlaku. Budući da je dinamika kolapsa mjehurića brža od prijenosa mase i topline, energija u kolapsirajućoj šupljini ograničena je na vrlo malu zonu, koja se također naziva "vruća tačka". Implozija kavitacionog mjehura također rezultira mikroturbulencijama, mlazovima tekućine brzine do 280 m/s i rezultirajućim silama smicanja. Ovaj fenomen je poznat kao ultrazvučna ili akustična kavitacija.
Kapljice i čestice u soniciranoj tekućini napadaju te kavitacijske sile i kada se ubrzane čestice sudaraju jedna s drugom, razbijaju se sudarom između čestica. Akustična kavitacija je princip rada ultrazvučnog mljevenja, dispergiranja, emulgiranja i sonohemije.
Za deacetilaciju hitina, ultrazvuk visokog intenziteta povećava površinu tako što aktivira površinu i potiče prijenos mase između čestica i reagensa.
hitozan
Hitozan je modificirani, katjonski, netoksični polimer ugljikohidrata sa složenom kemijskom strukturom formiranom od β-(1,4) glukozaminskih jedinica kao njegove glavne komponente (>80%) i jedinice N-acetil glukozamina (<20%), nasumično raspoređenih duž lanca. Hitozan se dobija iz hitina hemijskom ili enzimskom deacetilacijom. Stepen deacetilacije (DA) određuje sadržaj slobodnih amino grupa u strukturi i koristi se za razlikovanje hitina i hitozana. Hitozan pokazuje dobru topljivost u umjerenim rastvaračima kao što je razrijeđena octena kiselina i nudi nekoliko slobodnih aminskih grupa kao aktivna mjesta. Zbog toga hitozan ima prednost u odnosu na hitin u mnogim hemijskim reakcijama.
Hitozan je cijenjen zbog svoje odlične biokompatibilnosti i biorazgradljivosti, netoksičnosti, dobrog antimikrobnog djelovanja (protiv bakterija i gljivica), nepropusnosti kisika i svojstava stvaranja filma. Za razliku od hitina, hitozan ima prednost što je topiv u vodi i stoga je lakši za rukovanje i upotrebu u formulacijama.
Kao drugi najzastupljeniji polisaharid nakon celuloze, velika količina hitina ga čini jeftinom i održivom sirovinom.
Chitosan Production
Hitozan se proizvodi u dva koraka. U prvom koraku, sirovina, kao što su školjke rakova (tj. škampi, rakovi, jastozi), se deproteinizira, demineralizira i pročišćava kako bi se dobio hitin. U drugom koraku hitin se tretira jakom bazom (npr. NaOH) kako bi se uklonili acetilni bočni lanci kako bi se dobio hitozan. Poznato je da je proces konvencionalne proizvodnje hitozana dugotrajan i troškovno intenzivan.
hitin
Hitin (C8H13O5N)n je ravnolančani polimer β-1,4-N-acetilglukozamina i klasifikovan je u α-, β- i γ-hitin. Kao derivat glukoze, hitin je glavna komponenta egzoskeleta artropoda, kao što su rakovi i insekti, radule mekušaca, kljunovi glavonožaca, te krljušti riba i lissamfibija, a može se naći iu ćelijskim zidovima gljiva. Struktura hitina je uporediva sa celulozom, formirajući kristalne nanofibrile ili brkove. Celuloza je najzastupljeniji polisaharid na svijetu, a slijedi hitin kao drugi najzastupljeniji polisaharid.
glukozamin
Glukozamin (C6H13br5) je amino šećer i važan prekursor u biohemijskoj sintezi glikozilovanih proteina i lipida. Glukozamin je prirodno bogat spoj koji je dio strukture i polisaharida, hitozana i hitina, što glukozamin čini jednim od najzastupljenijih monosaharida. Većina komercijalno dostupnog glukozamina proizvodi se hidrolizom egzoskeleta rakova, tj. školjki rakova i jastoga.
Glukozamin se uglavnom koristi kao dodatak prehrani gdje se koristi u oblicima glukozamin sulfata, glukozamin hidroklorida ili N-acetil glukozamina. Suplementi glukozamin sulfata daju se oralno za liječenje bolnog stanja uzrokovanog upalom, slomom i eventualnim gubitkom hrskavice (osteoartritis).