Ultrazvuková deacetylace chitinu na chitosan
Ultrazvuková výroba chitosanu
Chitosan se získává N-deacetylací chitinu. Při konvenční deacetylaci se chitin namočí do vodných alkalických rozpouštědel (obvykle 40 až 50 % (hmotnostních) NaOH). Proces namáčení vyžaduje vysoké teploty 100 až 120 °C, což je velmi časově náročné, zatímco výtěžek chitosanu získaný na jeden krok namáčení je nízký. Aplikace vysoce výkonných ultrazvuků významně zintenzivňuje proces deacetylace chitinu a vede k vysokému výtěžku nízkomolekulárního chitosanu při rychlém ošetření při nižší teplotě. Ultrazvuková deacetylace vede k vysoce kvalitnímu chitosanu, který se používá jako potravinářská a farmaceutická přísada, jako hnojivo a v mnoha dalších průmyslových aplikacích.
Ultrazvuková léčba vede k výjimečnému stupni acetylace (DA) chitinu, což snižuje stupeň acetylace chitinu z DA≥90 na chitosan s DA≤10.
Mnoho výzkumných studií potvrzuje účinnost ultrazvukové deacetylace chitinu na chitosan. Weiss J. et al. (2008) zjistili, že sonikace drasticky zlepšuje přeměnu chitinu na chitosan. Ultrazvukové ošetření chitinu přichází s výraznou úsporou času, což zkracuje požadovanou dobu procesu z 12-24 hodin na několik hodin. Kromě toho je k dosažení úplné přeměny zapotřebí méně rozpouštědla, což snižuje dopad na životní prostředí způsobený nutností zlikvidovat a zlikvidovat použité nebo nezreagované rozpouštědlo, tj. koncentrovaný NaOH.
Deacetylace chitinu na chitosan je podporována ultrazvukem
UIP4000hdT – Ultrazvukový systém o výkonu 4 kW
Princip fungování ultrazvukové léčby chitosanem
Vysoce výkonná, nízkofrekvenční ultrazvuku (∼20-26kHz) vytváří akustickou kavitaci v kapalinách a kalech. Vysoce výkonný ultrazvuk podporuje přeměnu chitinu na chitosan, protože rozpouštědlo (např. NaOH) fragmentuje a proniká do pevných částic chitinu, čímž zvětšuje povrch a zlepšuje přenos hmoty mezi pevnou a kapalnou fází. Kromě toho vysoké smykové síly ultrazvukové kavitace vytvářejí volné radikály, které zvyšují reaktivitu činidla (tj. NaOH) během hydrolýzy. Jako technika netepelného zpracování sonikace zabraňuje tepelné degradaci produkující vysoce kvalitní chitosan. Ultrazvuk zkracuje dobu zpracování potřebnou k extrakci chitinu z korýšů a také poskytuje chitin (a tím následně chitosan) vyšší čistoty ve srovnání s tradičními podmínkami zpracování. Pro výrobu chitinu a chitosanu tak má ultrazvuk potenciál snížit výrobní náklady, zkrátit dobu zpracování, umožnit lepší kontrolu nad výrobním procesem a snížit dopad procesního odpadu na životní prostředí.
- Vyšší výtěžek chitosanu
- Špičková kvalita
- Zkrácený čas
- Nižší procesní teplota
- Zvýšená efektivita
- Snadný & Bezpečný provoz
- Šetrný k životnímu prostředí
Ultrazvuková decetylace chitinu na chitosan – protokol
1) Připravte si chitin:
Při použití krabích skořápek jako výchozího materiálu by měly být krabí skořápky důkladně omyty, aby se odstranily veškeré rozpustné organické látky a ulpívající nečistoty včetně půdy a bílkovin. Poté musí být materiál skořepiny zcela vysušen (např. při 60 ° C po dobu 24 hodin v troubě). Vysušené skořápky se poté rozemelou (např. pomocí kladivového mlýna), deproteinizují se v alkalickém prostředí (např. NaOH při teplotě 0,125 až 5,0 M) a demineralizují v kyselině (např. zředěnou kyselinou chlorovodíkovou).
2) Ultrazvuková deacetylace
Pro spuštění typické ultrazvukové deacetylační reakce by částice beta-chitinu (0,125 mm < D < 0.250 mm) jsou suspendovány ve 40% (hmotnostních) vodném roztoku NaOH v poměru beta-chitin/NaOH vodný roztok 1/10 (g ml)-1), suspenze se přenese do dvoustěnné skleněné kádinky a je sonikována pomocí Hielscher UP400St ultrazvukový homogenizátor. Následující parametry (srov. Fiamingo et al. 2016) jsou udržovány konstantní při provádění ultrazvukové reakce deacetylace chitinu: (i) ultrazvuková sonda (sonotroda Hielscher S24d22D, průměr hrotu = 22 mm); (ii) pulzní režim ultrazvuku (IP = 0,5 s); (iii) Ultrazvuková intenzita povrchu
(I = 52,6 W cm-2), iv) reakční teplota (60ºC ±1ºC), (v) reakční doba (50 min), (vi) poměr hmotnost/objem beta-chitinu 40% (m/w) vodného hydroxidu sodného (BCHt/NaOH = 1/10 g ml-1); (vii) objem beta-chitinové suspenze (50 ml).
První reakce probíhá po dobu 50 minut za stálého magnetického míchání a poté se přeruší rychlým ochlazením suspenze na 0 ° C. Poté se přidá zředěná kyselina chlorovodíková pro dosažení pH 8,5 a vzorek CHs1 se izoluje filtrací, rozsáhle se promyje deionizovanou vodou a vysuší se za okolních podmínek. Když se stejná ultrazvuková deacetylace opakuje jako druhý krok k CHs1, vytvoří se vzorek CHs2.
Snímky ze skenovací elektronové mikroskopie (SEM) ve zvětšení 100 × a) gladius, b) gladius ošetřený ultrazvukem, c) β-chitin, d) ultrazvukem ošetřený β-chitin a e) chitosan (zdroj: Preto et al. 2017)
Fiamingo a kol. zjistili, že ultrazvuková deacetylace beta-chitinu účinně produkuje chitosan s vysokou molekulovou hmotností s nízkým stupněm acetylace, a to ani za použití přísad, ani inertní atmosféry, ani dlouhých reakčních dob. I když se ultrazvuková deacetylační reakce provádí za mírnějších podmínek – tj. nízká reakční teplota ve srovnání s většinou termochemických deacetylací. Ultrazvuková deacetylace beta-chitinu umožňuje přípravu náhodně deacetylovaného chitosanu s proměnlivým stupněm acetylace (4% ≤ DA ≤ 37%), vysokou hmotností průměrné molekulové hmotnosti (900 000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1 200 000 g mol-1 ) a nízkou disperzitou (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4) provedením tří po sobě jdoucích reakcí (50 min/krok) při 60 °C.
Vysoce výkonné ultrazvukové procesory od laboratorního po pilotní a průmyslové měřítko.
Vysoce výkonné ultrazvukové systémy pro výrobu chitosanu
Fragmentace chitinu a decetylace chitinu na chitosan vyžaduje výkonné a spolehlivé ultrazvukové zařízení, které může dodávat vysoké amplitudy, nabízí přesnou kontrolu nad parametry procesu a může být provozováno 24 hodin denně, 7 dní v týdnu při velkém zatížení a v náročných prostředích. Produktová řada Hielscher Ultrasonics vás a vaše procesní požadavky pokryje. Hielscher ultrasonicators jsou vysoce výkonné systémy, které mohou být vybaveny příslušenstvím, jako jsou sonotrody, boostery, reaktory nebo průtokové buňky, aby optimálně odpovídaly potřebám vašeho procesu.
S digitálním barevným displejem je zajištěna možnost přednastavení zvukořezu, automatické zaznamenávání dat na integrovanou SD kartu, dálkové ovládání prohlížeče a mnoho dalších funkcí, nejvyšší řízení procesu a uživatelská přívětivost. Ve spojení s robustností a vysokou nosností jsou ultrazvukové systémy Hielscher vaším spolehlivým tahounem ve výrobě.
Fragmentace a deacetylace chitinu vyžaduje silný ultrazvuk k získání cílené konverze a konečného chitosanového produktu vysoké kvality. Zejména pro fragmentaci chitinových vloček jsou rozhodující vysoké amplitudy a zvýšené tlaky. Hielscher Ultrazvuk’ Průmyslové ultrazvukové procesory snadno poskytují velmi vysoké amplitudy. Amplitudy až 200 μm lze nepřetržitě provozovat v provozu 24 hodin denně, 7 dní v týdnu. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici přizpůsobené ultrazvukové sonotrody. Výkonová kapacita ultrazvukových systémů Hielscher umožňuje efektivní a rychlou deacetylaci v bezpečném a uživatelsky přívětivém procesu.
Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators:
| Objem dávky | Průtok | Doporučená zařízení |
|---|---|---|
| 1 až 500 ml | 10 až 200 ml / min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20L | 0.2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| Není k dispozici | 10 až 100 l / min | UIP16000 |
| Není k dispozici | větší | shluk UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Zeptejte se nás!
Literatura/Odkazy
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu MA, Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): Bionanokompozitní filmy na bázi chitosanu připravené emulzní technikou pro konzervaci potravin. Materiály 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Extenzivně deacetylovaný chitosan s vysokou molekulovou hmotností z vícestupňové ultrazvukem asistované deacetylace beta-chitinu. Ultrazvuková sonochemie 32, 2016. 79–85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Sonochemicky asistovaná přeměna chitinu na chitosan, USDA National Research Initiative Principal Investigators Meeting, New Orleans, LA, 28. června.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Vliv teploty během deacetylace chitinu na chitosan pomocí ultrazvuku s vysokou intenzitou jako předúpravy, Výroční zasedání Institutu potravinářských technologů, New Orleans, LA, 30. června, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Vliv ultrazvuku s vysokou intenzitou na urychlení přeměny chitinu na chitosan, Výroční zasedání Institutu potravinářských technologů, New Orleans, LA, 30. června, 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 a jeho deriváty jako potenciální biosorbenty pro lodní motorovou naftu. Environmentální věda a výzkum znečištění (2017) 24:22932–22939.
- Wijesena R.N., Tissera N., Kannangara Y.Y., Lin Y., Amaratunga G.A.J., de Silva K.M.N. (2015): Metoda přípravy chitosanových nanočástic a nanovláken shora dolů. Sacharidové polymery 117, 2015. 731–738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Účinné snížení molekulové hmotnosti chitosanu pomocí ultrazvuku s vysokou intenzitou: Základní mechanismus a vliv parametrů zpracování. Časopis zemědělské a potravinářské chemie 56(13):5112-5119.
- Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Odpad z mořských plodů: zdroj pro přípravu komerčně využitelných materiálů chitin/chitosan. Biozdroje a biologické zpracování 6/8, 2019.
Fakta, která stojí za to vědět
Jak funguje ultrazvuková deaktylace chitinu?
Když je ultrazvuk s vysokým výkonem, nízkou frekvencí (např. 20-26 kHz) spojen s kapalinou nebo suspenzí, na kapalinu se aplikují střídavé vysokotlaké / nízkotlaké cykly, čímž se vytváří komprese a zředění. Během těchto střídajících se vysokotlakých / nízkotlakých cyklů vznikají malé vakuové bubliny, které rostou v průběhu několika tlakových cyklů. V okamžiku, kdy vakuové bubliny nemohou absorbovat více energie, prudce se zhroutí. Během této imploze bublin dochází lokálně k velmi intenzivním podmínkám: vysoké teploty až 5000 K, tlaky až 2000 atm, velmi vysoké rychlosti ohřevu/chlazení a tlakové rozdíly. Vzhledem k tomu, že dynamika kolapsu bubliny je rychlejší než přenos hmoty a tepla, je energie v hroutící se dutině omezena na velmi malou zónu, nazývanou také "horká skvrna". Imploze kavitační bubliny má také za následek mikroturbulence, trysky kapaliny o rychlosti až 280 m/s a výsledné smykové síly. Tento jev je známý jako ultrazvuková nebo akustická kavitace.
Kapičky a částice v sonikované kapalině jsou naráženy těmito kavitačními silami a když se urychlené částice srazí navzájem, roztříští se srážkou mezi částicemi. Akustická kavitace je pracovním principem ultrazvukového frézování, dispergace, emulgace a sonochemie.
Pro deacetylaci chitinu se ultrazvuk s vysokou intenzitou zvyšuje v povrchové ploše tím, že aktivuje povrch a podporuje přenos hmoty mezi částicemi a činidlem.
Chitosan
Chitosan je modifikovaný, kationtový, netoxický sacharidový polymer se složitou chemickou strukturou tvořený β-(1,4) glukosaminovými jednotkami jako svou hlavní složkou (>80%) a N-acetylglukosaminových jednotek (<20%), náhodně rozložené podél řetězce. Chitosan se získává z chitinu chemickou nebo enzymatickou deacetylací. Stupeň deacetylace (DA) určuje obsah volných aminoskupin ve struktuře a používá se k rozlišení mezi chitinem a chitosanem. Chitosan vykazuje dobrou rozpustnost v mírných rozpouštědlech, jako je zředěná kyselina octová, a nabízí několik volných aminových skupin jako aktivní místa. Díky tomu je chitosan výhodný oproti chitinu v mnoha chemických reakcích.
Chitosan je ceněn pro svou vynikající biokompatibilitu a biologickou rozložitelnost, netoxicitu, dobrou antimikrobiální aktivitu (proti bakteriím a plísním), nepropustnost pro kyslík a filmotvorné vlastnosti. Na rozdíl od chitinu má chitosan tu výhodu, že je rozpustný ve vodě, a proto se s ním snadněji manipuluje a používá se ve formulacích.
Jako druhý nejrozšířenější polysacharid po celulóze z něj obrovské množství chitinu dělá levnou a udržitelnou surovinu.
Výroba chitosanu
Chitosan se vyrábí ve dvoustupňovém procesu. V prvním kroku se surovina, jako jsou skořápky korýšů (tj. krevety, krabi, humři), deproteinizuje, demineralizuje a čistí, aby se získal chitin. Ve druhém kroku se chitin ošetří silnou bází (např. NaOH), aby se odstranily acetylové postranní řetězce, aby se získal chitosan. Je známo, že proces konvenční výroby chitosanu je velmi časově a nákladově náročný.
chitin
Chitin (C8H13O5N)N je polymer s přímým řetězcem β-1,4-N-acetylglukosaminu a dělí se na α-, β- a γ-chitin. Chitin je derivátem glukózy a je hlavní složkou exoskeletů členovců, jako jsou korýši a hmyz, raduly měkkýšů, zobáky hlavonožců a šupiny ryb a lissamphibianů a lze jej nalézt i v buněčných stěnách hub. Struktura chitinu je srovnatelná s celulózou a tvoří krystalické nanofibrily nebo vousy. Celulóza je nejrozšířenějším polysacharidem na světě, následovaná chitinem jako druhým nejhojnějším polysacharidem.
Glukosamin
Glukosamin (C6H13NE5) je aminocukr a důležitý prekurzor v biochemické syntéze glykosylovaných proteinů a lipidů. Glukosamin je přirozeně hojná sloučenina, která je součástí struktury polysacharidů, chitosanu a chitinu, díky čemuž je glukosamin jedním z nejrozšířenějších monosacharidů. Většina komerčně dostupného glukosaminu se vyrábí hydrolýzou exoskeletů korýšů, tj. krabích a humřích skořápek.
Glukosamin se používá hlavně jako doplněk stravy, kde se používá ve formě glukosamin sulfátu, glukosamin hydrochloridu nebo N-acetylglukosaminu. Doplňky glukosamin sulfátu se podávají perorálně k léčbě bolestivého stavu způsobeného zánětem, rozpadem a případnou ztrátou chrupavky (osteoartróza).