Ultralyd deacetylering af kitin til chitosan
Ultralyd Chitosan Produktion
Chitosan opnås ved N-deacetylering af chitin. Ved konventionel deacetylering gennemblødes chitin i vandige alkaliopløsningsmidler (typisk 40 til 50 % (w/w) NaOH). Iblødsætningsprocessen kræver høje temperaturer på 100 til 120 °C er meget tidskrævende, mens udbyttet af chitosan opnået pr. iblødsætningstrin er lavt. Anvendelsen af ultralyd med høj effekt intensiverer deacetyleringsprocessen af chitin betydeligt og resulterer i et højt udbytte af chitosan med lav molekylvægt i en hurtig behandling ved lavere temperatur. Ultralydsdeacetylering resulterer i chitosan af overlegen kvalitet, der bruges som fødevare- og farmaceutisk ingrediens, som gødning og i mange andre industrielle applikationer.
Ultralydsbehandling resulterer i en usædvanlig grad af acetylering (DA) af chitin, der sænker graden af acetyleringschitin fra DA≥90 til chitosan med DA≤10.
Mange forskningsundersøgelser bekræfter effektiviteten af ultralyd chitin deacetylering til chitosan. Weiss J. et al. (2008) fandt, at sonikering forbedrer omdannelsen af chitin til chitosan drastisk. Ultralydsbehandlingen af chitin kommer med betydelige tidsbesparelser, hvilket reducerer den krævede procestid fra 12-24 timer til et par timer. Desuden kræves der mindre opløsningsmiddel for at opnå en fuld omdannelse, hvilket mindsker miljøpåvirkningen ved at skulle kassere og bortskaffe det brugte eller ureagerede opløsningsmiddel, dvs. koncentreret NaOH.
Deacetylering af chitin til chitosan fremmes ved sonikering
UIP4000hdT – 4kW effekt ultralydssystem
Arbejdsprincip for ultralyd chitosanbehandling
Højeffekt, lavfrekvent ultralydbehandling (∼20-26kHz) skaber akustisk kavitation i væsker og opslæmninger. Ultralyd med høj effekt fremmer omdannelsen af chitin til chitosan, da opløsningsmidlet (f.eks. NaOH) fragmenteres og trænger ind i de faste kitinpartikler, hvorved overfladearealet forstørres og masseoverførslen mellem fast og flydende fase. Desuden skaber de høje forskydningskræfter ved ultralydskavitation frie radikaler, som øger reagensets reaktivitet (dvs. NaOH) under hydrolyse. Som en ikke-termisk behandlingsteknik forhindrer sonikering den termiske nedbrydning, der producerer chitosan af høj kvalitet. Ultralyd forkorter behandlingstider, der kræves for at udvinde chitin fra krebsdyr samt give chitin (og dermed efterfølgende chitosan) af højere renhed sammenlignet med traditionelle forarbejdningsbetingelser. Til produktion af kitin og kitosan har ultralyd således potentiale til at sænke produktionsomkostningerne, reducere behandlingstiden, give mulighed for en bedre kontrol over produktionsprocessen og reducere miljøpåvirkningen af procesaffaldet.
- Højere Chitosan-udbytte
- Overlegen kvalitet
- Reduceret tid
- Lavere procestemperatur
- Øget effektivitet
- Let & Sikker drift
- miljøvenlig
Ultralyd chitin decetylering til chitosan – protokol
1) Forbered kitin:
Ved at bruge krabbeskaller som udgangsmateriale bør krabbeskallerne vaskes grundigt for at fjerne eventuelle opløselige organiske stoffer og klæbende urenheder, herunder jord og protein. Derefter skal skalmaterialet tørres helt (f.eks. ved 60ºC i 24 timer i en ovn). De tørrede skaller males derefter (f.eks. ved hjælp af en hammermølle), deproteiniseres i et alkalisk medium (f.eks. NaOH ved en konk. på 0,125 til 5,0 M) og demineraliseres i syre (f.eks. fortyndet saltsyre).
2) Ultralyd deacetylering
For at køre en typisk ultralydsdeacetyleringsreaktion skal beta-chitinpartikler (0,125 mm < D < 0.250 mm) er suspenderet i 40 % (w/w) vandig NaOH i forholdet beta-chitin/NaOH vandig opløsning på 1/10 (g ml)-1), overføres suspensionen til et dobbeltvægget glasbæger og sonikeres ved hjælp af en Hielscher UP400St ultralyd homogenisator. Følgende parametre (jf. Fiamingo et al. 2016) holdes konstante, når der udføres en ultralyd chitin deacetyleringsreaktion: (i) ultralydssonde (sonotrode Hielscher S24d22D, spidsdiameter = 22 mm); (ii) sonikeringspulstilstand (IP = 0,5 sek); iii) Ultralydsoverfladeintensitet
(I = 52,6 W cm-2), (iv) reaktionstemperatur (60 °C ±1 °C), (v) reaktionstid (50 min), (vi) forhold beta-chitinvægt/volumen på 40 % (w/w) vandig natriumhydroxid (BCHt/NaOH = 1/10 g ml-1); vii) volumen beta-chitinsuspension (50 ml).
Den første reaktion fortsætter i 50 minutter under konstant magnetisk omrøring og afbrydes derefter ved hurtigt at afkøle suspensionen til 0 °C. Derefter tilsættes fortyndet saltsyre for at opnå pH 8,5, og prøve CHs1 isoleres ved filtrering, vaskes grundigt med deioniseret vand og tørres under omgivelsesforhold. Når den samme ultralydsdeacetylering gentages som et andet trin til CHs1, producerer den prøve CHs2.
Scanningselektronmikroskopibilleder (SEM) i en forstørrelse på 100× af a) gladius, b) ultralydsbehandlede gladius, c) β-chitin, d) ultralydsbehandlede β-kitin og e) chitosan (kilde: Preto et al. 2017)
Fiamingo et al. fandt, at ultralydsdeacetylering af beta-chitin effektivt producerer chitosan med høj molekylvægt med en lav grad af acetylering, hverken ved hjælp af tilsætningsstoffer eller inert atmosfære eller lange reaktionstider. Selvom ultralydsdeacetyleringsreaktionen udføres under mildere forhold – dvs. lav reaktionstemperatur sammenlignet med de fleste termokemiske deacetyler. Ultralydsdeacetylering af beta-chitin tillader fremstilling af tilfældigt deacetyleret chitosan med variabel grad af acetylering (4% ≤ DA ≤ 37%), høj vægt gennemsnitlig molekylvægt (900.000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1.200.000 g mol-1 ) og lav dispersion (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4) ved at udføre tre på hinanden følgende reaktioner (50 min/trin) ved 60 °C.
Ultralydsprocessorer med høj effekt fra laboratorie til pilot og industriel skala.
Højtydende ultralydssystemer til chitosanproduktion
Fragmenteringen af chitin og decetyleringen af chitin til chitosan kræver kraftfuldt og pålideligt ultralydsudstyr, der kan levere høje amplituder, giver præcis kontrollerbarhed over procesparametrene og kan betjenes 24/7 under tung belastning og i krævende miljøer. Hielscher Ultrasonics produktsortiment får dig og dine proceskrav dækket. Hielscher ultralydapparater er højtydende systemer, der kan udstyres med tilbehør såsom sonotroder, boostere, reaktorer eller flowceller for at matche dine procesbehov på en optimal måde.
Med digitalt farvedisplay er der mulighed for at forudindstille sonikering, automatisk dataoptagelse på et integreret SD-kort, fjernstyring af browseren og mange flere funktioner, højeste proceskontrol og brugervenlighed sikres. Parret med robusthed og tung bæreevne er Hielscher ultralydssystemer din pålidelige arbejdshest i produktionen.
Chitinfragmentering og deacetylering kræver kraftig ultralyd for at opnå den målrettede konvertering og et endeligt chitosanprodukt af høj kvalitet. Især for fragmenteringen af kitinflagerne er høje amplituder og forhøjede tryk afgørende. Hielscher Ultralyd’ Industrielle ultralydsprocessorer leverer let meget høje amplituder. Amplituder på op til 200 μm kan køres kontinuerligt i 24/7 drift. For endnu højere amplituder er tilpassede ultralydssonotroder tilgængelige. Effektkapaciteten i Hielscher ultralydssystemer giver mulighed for effektiv og hurtig deacetylering i en sikker og brugervenlig proces.
Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater:
| Batch volumen | Flowhastighed | Anbefalede enheder |
|---|---|---|
| 1 til 500 ml | 10 til 200 ml/min | UP100H |
| 10 til 2000 ml | 20 til 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 til 20L | 0.2 til 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 til 100L | 2 til 10 l/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 til 100 l/min | UIP16000 |
| n.a. | Større | klynge af UIP16000 |
Kontakt os! / Spørg os!
Litteratur/Referencer
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu MA, Darie-Nita RN, Bargan A., Vasile C. (2019): Chitosan-baserede bionanokompositfilm fremstillet ved emulsionsteknik til konservering af fødevarer. Materialer 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Udstrakt deacetyleret chitosan med høj molekylvægt fra flertrins ultralydsassisteret deacetylering af beta-chitin. Ultralyd Sonokemi 32, 2016. 79–85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Sonokemisk assisteret konvertering af chitin til chitosan, USDA National Research Initiative Principal Investigators Meeting, New Orleans, LA, 28. juni.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Indflydelse af temperatur under deacetylering af chitin til chitosan med ultralyd med høj intensitet som forbehandling, årsmøde i Institute of Food Technologists, New Orleans, LA, 30. juni, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Indflydelse af ultralyd med høj intensitet for at fremskynde omdannelsen af chitin til chitosan, årsmøde for Institute of Food Technologists, New Orleans, LA, 30. juni, 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 og dets derivater som potentielle biosorbenter til marinedieselolie. Miljøvidenskab og forureningsforskning (2017) 24:22932–22939.
- Wijesena R.N., Tissera N., Kannangara Y.Y., Lin Y., Amaratunga G.A.J., de Silva K.M.N. (2015): En metode til top-down præparering af chitosan nanopartikler og nanofibre. Kulhydrat polymerer 117, 2015. 731–738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Effektiv reduktion af chitosans molekylvægt ved ultralyd med høj intensitet: Underliggende mekanisme og effekt af behandlingsparametre. Tidsskrift for landbrugs- og fødevarekemi 56(13):5112-5119.
- Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Affald fra fisk og skaldyr: en kilde til fremstilling af kommercielt anvendelige chitin/chitosanmaterialer. Bioressourcer og bioforarbejdning 6/8, 2019.
Fakta, der er værd at vide
Hvordan fungerer ultralyd chitin deaktylering?
Når højeffekt, lavfrekvent ultralyd (f.eks. 20-26kHz) kobles til en væske eller opslæmning, påføres skiftevis højtryks-/lavtrykscyklusser på væsken, hvilket skaber kompression og sjældenhed. Under disse vekslende højtryks- / lavtrykscyklusser genereres små vakuumbobler, som vokser over flere trykcyklusser. På det tidspunkt, hvor vakuumboblerne ikke kan absorbere mere energi, kollapser de voldsomt. Under denne bobleimplosion opstår der lokalt meget intense forhold: høje temperaturer på op til 5000K, tryk på op til 2000atm, meget høje opvarmnings-/kølehastigheder og trykforskelle forekommer. Da boblekollapsdynamikken er hurtigere end masse og varmeoverførsel, er energien i det kollapsende hulrum begrænset til en meget lille zone, også kaldet "hot spot". Implosionen af kavitationsboblen resulterer også i mikroturbulenser, væskestråler med en hastighed på op til 280 m/s og deraf følgende forskydningskræfter. Dette fænomen er kendt som ultralyd eller akustisk kavitation.
Dråber og partikler i den sonikerede væske påvirkes af disse kavitationskræfter, og når de accelererede partikler kolliderer med hinanden, bliver de knust af interpartikelkollision. Akustisk kavitation er arbejdsprincippet for ultralydsfræsning, dispergering, emulgering og sonokemi.
Til chitindeacetylering øges ultralyd med høj intensitet i overfladearealet ved at aktivere overfladen og fremme masseoverførslen mellem partikler og reagens.
Chitosan
Chitosan er en modificeret, kationisk, ikke-toksisk kulhydratpolymer med en kompleks kemisk struktur dannet af β-(1,4) glucosaminenheder som hovedbestanddel (>80 %) og N-acetylglucosaminenheder (<20%), tilfældigt fordelt langs kæden. Chitosan er afledt af chitin gennem kemisk eller enzymatisk deacetylering. Graden af deacetylering (DA) bestemmer indholdet af frie aminogrupper i strukturen og bruges til at skelne mellem chitin og chitosan. Chitosan viser god opløselighed i moderate opløsningsmidler såsom fortyndet eddikesyre og tilbyder flere frie amingrupper som aktive steder. Dette gør chitosan fordelagtigt i forhold til chitin i mange kemiske reaktioner.
Chitosan er værdsat for sin fremragende biokompatibilitet og bionedbrydelighed, ikke-toksicitet, gode antimikrobielle aktivitet (mod bakterier og svampe), ilttæthed og filmdannende egenskaber. I modsætning til kitin har chitosan den fordel, at det er vandopløseligt og dermed lettere at håndtere og bruge i formuleringer.
Som det næstmest udbredte polysaccharid efter cellulose gør den enorme overflod af kitin det til et billigt og bæredygtigt råmateriale.
Chitosan Produktion
Chitosan produceres i en to-trins proces. I det første trin deproteiniseres, demineraliseres og renses råmaterialet, såsom krebsdyrskaller (dvs. rejer, krabbe, hummer), for at opnå chitin. I det andet trin behandles chitin med en stærk base (f.eks. NaOH) for at fjerne acetylsidekæder for at opnå chitosan. Processen med konventionel chitosanproduktion er kendt for at være meget tidskrævende og omkostningskrævende.
Chitin
Chitin (C8H13O5N)N er en ligekædet polymer af β-1,4-N-acetylglucosamin og klassificeres i α-, β- og γ-chitin. Som derivat af glukose er chitin en hovedbestanddel af exoskeletterne hos leddyr, såsom krebsdyr og insekter, radulae af bløddyr, blækspruttenæb og skæl af fisk og lissamfibier og kan også findes i cellevæggene hos svampe. Strukturen af chitin kan sammenlignes med cellulose og danner krystallinske nanofibriller eller knurhår. Cellulose er det mest udbredte polysaccharid i verden, efterfulgt af chitin som det næstmest udbredte polysaccharid.
Glucosamin
Glucosamin (C6H13NEJ5) er et aminosukker og en vigtig forløber for den biokemiske syntese af glykosylerede proteiner og lipider. Glucosamin er naturligt en rigelig forbindelse, der er en del af strukturen af både polysaccharider, kitosan og kitin, hvilket gør glucosamin til et af de mest udbredte monosaccharider. Det meste af den kommercielt tilgængelige glucosamin produceres ved hydrolyse af krebsdyrs exoskeletter, dvs. krabbe- og hummerskaller.
Glucosamin bruges hovedsageligt som kosttilskud, hvor det bruges i form af glucosaminsulfat, glucosaminhydrochlorid eller N-acetylglucosamin. Glucosaminsulfattilskud administreres oralt for at behandle en smertefuld tilstand forårsaget af betændelse, nedbrydning og eventuelt tab af brusk (slidgigt).