Kitiini ultraheli deatsetüülimine kitosaaniks
Ultraheli kitosaani tootmine
Kitosaan saadakse kitiini N-deatsetüülimise teel. Tavapärasel deatsetüülimisel leotatakse kitiini leeliste vesilahustites (tavaliselt 40–50% (massiprotsent) NaOH). Leotamisprotsess nõuab kõrgeid temperatuure 100 kuni 120 ° C on väga aeganõudev, samas kui ühe leotamisetapi kohta saadud kitosaani saagis on madal. Suure võimsusega ultraheli kasutamine intensiivistab kitiini deatsetüülimisprotsessi märkimisväärselt ja selle tulemuseks on madala molekulmassiga kitosaani kõrge saagis kiirel töötlemisel madalamal temperatuuril. Ultraheli deatsetüülimise tulemuseks on kõrgekvaliteediline kitosaan, mida kasutatakse toidu ja farmaatsia koostisosana, väetisena ja paljudes teistes tööstuslikes rakendustes.
Ultraheliravi tulemuseks on kitiini erakordne atsetüülimine (DA), mis vähendab atsetüülimise kitiini astet DA≥90-lt kitosaanile DA≤10-ga.
Paljud uuringud kinnitavad ultraheli kitiini deatsetüülimise efektiivsust kitosaanile. (2008) leidsid, et ultrahelitöötlus parandab kitiini muundumist kitosaaniks drastiliselt. Kitiini ultraheliraviga kaasneb märkimisväärne aja kokkuhoid, vähendades vajalikku protsessiaega 12-24 tunnilt mõne tunnini. Lisaks on täieliku muundamise saavutamiseks vaja vähem lahustit, mis vähendab kasutatud või reageerimata lahusti, st kontsentreeritud NaOH kasutuselt kõrvaldamise ja kõrvaldamise keskkonnamõju.
Kitiini deatsetüülimist kitosaaniks soodustab ultrahelitöötlus
UIP4000hdT – 4kW võimsusega ultraheli süsteem
Ultraheli kitosaani ravi tööpõhimõte
Suure võimsusega, madala sagedusega ultraheli (∼20-26kHz) loob akustilise kavitatsiooni vedelikes ja läga. Suure võimsusega ultraheli soodustab kitiini muundumist kitosaaniks, kuna lahusti (nt NaOH) killustub ja tungib tahketesse kitiiniosakestesse, suurendades seeläbi pinda ja parandades massiülekannet tahke ja vedela faasi vahel. Lisaks tekitavad ultraheli kavitatsiooni suured nihkejõud vabu radikaale, mis suurendavad reaktiivi (st NaOH) reaktiivi reaktiivsust hüdrolüüsi ajal. Mittetermilise töötlemismeetodina takistab ultrahelitöötlus termilist lagunemist, mis tekitab kvaliteetset kitosaani. Koorikloomadest kitiini ekstraheerimiseks vajalik ultraheli lühendada töötlemisaegu, samuti saada kitiini (ja seega hiljem kitosaani) kõrgema puhtusastmega võrreldes traditsiooniliste töötlemistingimustega. Kitiini ja kitosaani tootmiseks on ultrahelil seega potentsiaal vähendada tootmiskulusid, vähendada töötlemisaega, võimaldada tootmisprotsessi paremat kontrolli ja vähendada protsessijäätmete keskkonnamõju.
- Suurem kitosaani saagikus
- Ülim kvaliteet
- Lühendatud aeg
- Madalam protsessi temperatuur
- Suurem tõhusus
- Lihtne & ohutu käitamine
- keskkonnasõbralik
Ultraheli kitiini detsetüülimine kitosaanile – protokoll
1) Valmistage kitiin:
Kasutades lähtematerjalina krabikoore, tuleks krabikoored põhjalikult pesta, et eemaldada lahustuvad orgaanilised ained ja kleepuvad lisandid, sealhulgas muld ja valk. Pärast seda tuleb kesta materjal täielikult kuivatada (nt 60 °C juures 24 tundi kuivatuskapis). Seejärel kuivatatud kestad jahvatatakse (nt haamriveski abil), deproteiinitakse leeliselises keskkonnas (nt NaOH temperatuuril 0,125–5,0 M) ja demineraliseeritakse happes (nt lahjendatud soolhappes).
2) Ultraheli deatsetüülimine
Tüüpilise ultraheli deatsetüülimisreaktsiooni käivitamiseks beeta-kitiini osakesed (0,125 mm < D < 0.250 mm) suspendeeritakse 40% (massiprotsent) NaOH vesilahuses beeta-kitiini/NaOH vesilahuses 1/10(g ml)-1), viiakse suspensioon kahekordse seinaga klaasist keeduklaasi ja seda töödeldakse ultraheliga Hielscheri abil UP400St ultraheli homogenisaator. Ultraheli kitiini deatsetüülimisreaktsiooni läbiviimisel hoitakse konstantsena järgmisi parameetreid (vrd Fiamingo et al. 2016): (i) ultraheli sond (sonotrode Hielscher S24d22D, otsa läbimõõt = 22 mm); ii) ultrahelitöötluse impulsi režiim (IP = 0, 5sec); iii) ultraheli pinna intensiivsus
(I = 52,6 W cm-2), iv) reaktsioonitemperatuur (60ºC ±1ºC), (v) reaktsiooniaeg (50 min), (vi) beeta-kitiini massi/mahu suhe 40% (massiprotsent) naatriumhüdroksiidi vesilahuses (BCHt/NaOH = 1/10 g ml)-1); vii) beeta-kitiinsuspensiooni maht (50 ml).
Esimene reaktsioon kestab 50 minutit pidevas magnetsegajas ja seejärel katkestatakse, jahutades suspensiooni kiiresti temperatuurini 0ºC. Seejärel lisatakse lahjendatud soolhape, et saavutada pH väärtus 8,5, ja proov CHs1 eraldatakse filtreerimise teel, pestakse põhjalikult deioniseeritud veega ja kuivatatakse ümbritsevates tingimustes. Kui sama ultraheli deatsetüülimist korratakse teise sammuna CHs1-le, toodab see proovi CHs2.
Skaneerivad elektronmikroskoopia (SEM) kujutised suurendusega 100× a) gladius, b) ultraheliga töödeldud gladius, c) β-kitiin, d) ultraheliga töödeldud β-kitiin ja e) kitosaan (allikas: Preto et al. 2017)
leidis, et beeta-kitiini ultraheli deatsetüülimine toodab tõhusalt suure molekulmassiga kitosaani, millel on madal atsetüülimisaste, kasutades lisandeid ega inertset atmosfääri ega pikki reaktsiooniaegu. Kuigi ultraheli deatsetüülimisreaktsioon viiakse läbi kergemates tingimustes – st madal reaktsioonitemperatuur võrreldes enamiku termokeemiliste deatsetüülimistega. Beeta-kitiini ultraheli deatsetüülimine võimaldab valmistada juhuslikult deatsetüülitud kitosaani, millel on muutuv atsetüülimisaste (4% ≤ DA ≤ 37%), suure kaalu keskmine molekulmass (900 000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1 200 000 g mol-1 ) ja vähese dispersiooniga (1,3 ≤ ð ≤ 1.4), viies läbi kolm järjestikust reaktsiooni (50 min/samm) 60ºC juures.
Suure võimsusega ultraheli protsessorid laborist piloot- ja tööstuslikus mastaabis.
Suure jõudlusega ultraheli süsteemid kitosaani tootmiseks
Kitiini killustumine ja kitiini detüülimine kitosaaniks nõuab võimsaid ja usaldusväärseid ultraheli seadmeid, mis suudavad pakkuda kõrgeid amplituudi, pakuvad täpset kontrollitavust protsessi parameetrite üle ja mida saab kasutada 24/7 suure koormuse all ja nõudlikes keskkondades. Hielscher Ultrasonics tootevalik annab teile ja teie protsessinõuded kaetud. Hielscheri ultrasonikaatorid on suure jõudlusega süsteemid, mida saab varustada selliste tarvikutega nagu sonotroodid, süütevõimendid, reaktorid või voolurakud, et need vastaksid teie protsessivajadustele optimaalselt.
Digitaalse värviekraaniga on tagatud ultrahelitöötluse eelseadistamise võimalus, automaatne andmete salvestamine integreeritud SD-kaardile, brauseri kaugjuhtimine ja palju muid funktsioone, kõrgeim protsessi juhtimine ja kasutajasõbralikkus. Koos vastupidavuse ja suure kandevõimega on Hielscheri ultraheli süsteemid teie usaldusväärne tööhobune tootmises.
Kitiini killustumine ja deatsetüülimine nõuab võimsat ultraheli, et saada sihipärane muundamine ja kvaliteetne kitosaani lõpptoode. Eriti kitiinihelveste killustumise jaoks on üliolulised suured amplituudid ja kõrgendatud rõhk. Hielscheri ultraheli’ Tööstuslikud ultraheli protsessorid pakuvad kergesti väga kõrgeid amplituudi. Amplituudid kuni 200 μm saab pidevalt käivitada 24/7 operatsioonis. Veelgi suuremate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid. Hielscheri ultraheli süsteemide võimsus võimaldab tõhusat ja kiiret deatsetüülimist turvalises ja kasutajasõbralikus protsessis.
Allolev tabel annab teile ülevaate meie ultrasonikaatorite ligikaudsest töötlemisvõimsusest:
| Partii maht | Voolukiirus | Soovitatavad seadmed |
|---|---|---|
| 1 kuni 500 ml | 10 kuni 200 ml / min | UP100H |
| 10 kuni 2000 ml | 20 kuni 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 kuni 20L | 0.2 kuni 4L / min | UIP2000hdT |
| 10 kuni 100L | 2 kuni 10L/min | UIP4000hdT |
| mujal liigitamata | 10 kuni 100 L / min | UIP16000 |
| mujal liigitamata | Suurem | klaster UIP16000 |
Võta meiega ühendust! / Küsi meilt!
Kirjandus / viited
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): kitosaanipõhised bionanokomposiitkiled, mis on valmistatud emulsioonitehnikaga toidu säilitamiseks. Materjalid 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Ulatuslikult deatsetüülitud suure molekulmassiga kitosaan beeta-kitiini mitmeastmelisest ultraheli abil deatsetüülimisest. Ultraheli Sonochemistry 32, 2016. 79–85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): sonokeemiliselt abistatud kitiini muundamine kitosaaniks, USDA riikliku uurimisalgatuse juhtivteadurite koosolek, New Orleans, LA, 28. juuni.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Temperatuuri mõju kitiini deatsetüülimisel kitosaanile suure intensiivsusega ultraheliga eeltöötlusena, Toidutehnoloogide Instituudi aastakoosolek, New Orleans, LA, 30. juuni, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Suure intensiivsusega ultraheli mõju kitiini kitosaaniks muundamise kiirendamiseks, Toidutehnoloogide Instituudi aastakoosolek, New Orleans, LA, 30. juuni, 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 ja selle derivaadid kui merelise diislikütuse potentsiaalsed biosorbendid. Keskkonnateadus ja reostusuuringud (2017) 24:22932–22939.
- Wijesena R.N., Tissera N., Kannangara Y.Y., Lin Y., Amaratunga G.A.J., de Silva K.M.N. (2015): Meetod kitosaani nanoosakeste ja nanokiudude ülalt alla valmistamiseks. Süsivesikute polümeerid 117, 2015. 731–738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Kitosaani molekulmassi tõhus vähendamine suure intensiivsusega ultraheliga: Töötlemisparameetrite aluseks olev mehhanism ja mõju. Põllumajandus- ja toidukeemia ajakiri 56(13):5112-5119.
- Jadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Mereandide jäätmed: kaubanduslikult kasutatavate kitiini/kitosaani materjalide valmistamise allikas. Bioressursid ja biotöötlus 6/8, 2019.
Faktid, mida tasub teada
Kuidas ultraheli kitiini deaktüülimine toimib?
Kui suure võimsusega, madala sagedusega ultraheli (nt 20-26 kHz) on ühendatud vedeliku või lägaga, rakendatakse vedelikule vahelduvaid kõrgsurve / madala rõhu tsükleid, mis tekitavad kokkusurumist ja haruldust. Nende vahelduvate kõrgsurve / madala rõhu tsüklite ajal tekivad väikesed vaakummullid, mis kasvavad mitme rõhutsükli jooksul. Sel hetkel, kui vaakummullid ei suuda rohkem energiat absorbeerida, varisevad nad ägedalt kokku. Selle mullide implosiooni ajal tekivad lokaalselt väga intensiivsed tingimused: kõrged temperatuurid kuni 5000K, rõhud kuni 2000atm, väga kõrged kütte- / jahutuskiirused ja rõhuerinevused. Kuna mullide kokkuvarisemise dünaamika on kiirem kui mass ja soojusülekanne, piirdub kokkuvarisevas õõnsuses olev energia väga väikese tsooniga, mida nimetatakse ka "kuumaks kohaks". Kavitatsioonimulli implosioon põhjustab ka mikroturbulentsi, vedelikujugasid kiirusega kuni 280 m / s ja sellest tulenevaid nihkejõude. Seda nähtust nimetatakse ultraheli või akustiliseks kavitatsiooniks.
Ultraheliga töödeldud vedelikus olevad tilgad ja osakesed on nende kavitatsioonijõudude poolt mõjutatud ja kui kiirendatud osakesed üksteisega kokku puutuvad, purunevad nad osakestevahelise kokkupõrke tõttu. Akustiline kavitatsioon on ultraheli freesimise, hajutamise, emulgeerimise ja sonokoomia tööpõhimõte.
Kitiini deatsetüülimiseks suureneb suure intensiivsusega ultraheli pindala, aktiveerides pinda ja soodustades massiülekannet osakeste ja reaktiivi vahel.
kitosaan
Kitosaan on modifitseeritud, katioonne, mittetoksiline süsivesikute polümeer, mille põhikomponendiks on keeruline keemiline struktuur, mille moodustavad β-(1,4) glükoosamiiniühikud (>80%) ja N-atsetüülglükoosamiini ühikud (<20%), juhuslikult jaotatud mööda ahelat. Kitosaan saadakse kitiinist keemilise või ensümaatilise deatsetüülimise teel. Deatsetüülimise aste (DA) määrab vabade aminorühmade sisalduse struktuuris ja seda kasutatakse kitiini ja kitosaani eristamiseks. Kitosaanil on hea lahustuvus mõõdukates lahustites, näiteks lahjendatud äädikhappes, ja pakub aktiivsete kohtadena mitmeid vabu amiinirühmi. See muudab kitosaani paljudes keemilistes reaktsioonides kitiini suhtes soodsaks.
Kitosaani hinnatakse selle suurepärase bioloogilise kokkusobivuse ja biolagunevuse, mittetoksilisuse, hea antimikroobse toime (bakterite ja seente vastu), hapniku mitteläbilaskvuse ja kile moodustavate omaduste poolest. Erinevalt kitiinist on kitosaani eeliseks see, et see on vees lahustuv ja seega lihtsam käsitseda ja kasutada preparaatides.
Tselluloosi järel suuruselt teise polüsahhariidina muudab kitiini tohutu rohkus selle odavaks ja jätkusuutlikuks tooraineks.
kitosaani tootmine
Kitosaani toodetakse kaheastmelises protsessis. Esimeses etapis deproteiinitakse, demineraliseeritakse ja puhastatakse kitiini saamiseks tooraine, näiteks koorikloomade kestad (st krevetid, krabi, homaar), demineraliseeritakse ja puhastatakse. Teises etapis töödeldakse kitiini tugeva alusega (nt NaOH), et eemaldada atsetüüli külgahelad kitosaani saamiseks. Tavapärase kitosaani tootmise protsess on teadaolevalt väga aeganõudev ja kulukas.
Kitiin
Kitiin (C8H13O5N)N on β-1,4-N-atsetüülglükoosamiini sirge ahelaga polümeer ja klassifitseeritakse α-, β- ja γ-kitiiniks. Glükoosi derivaadina on kitiin lülijalgsete, näiteks koorikloomade ja putukate, molluskite radulae, peajalgsete nokkade ning kalade ja lissamfiibide soomuste peamine komponent ning seda võib leida ka seente rakuseintest. Kitiini struktuur on võrreldav tselluloosiga, moodustades kristalseid nanofibrille või viski. Tselluloos on maailma kõige rikkalikum polüsahhariid, millele järgneb kitiin kui teine kõige rikkalikum polüsahhariid.
Glükoosamiini
Glükoosamiin (C6H13EI5) on aminosuhkur ja oluline eelkäija glükosüülitud valkude ja lipiidide biokeemilises sünteesis. Glükoosamiin on looduslikult rikkalik ühend, mis on osa nii polüsahhariidide, kitosaani kui ka kitiini struktuurist, mis muudab glükoosamiini üheks kõige rikkalikumaks monosahhariidiks. Suurem osa müügilolevast glükoosamiinist saadakse koorikloomade eksoskelettide, st krabi ja homaari kestade hüdrolüüsil.
Glükoosamiini kasutatakse peamiselt toidulisandina, kus seda kasutatakse glükoosamiinsulfaadi, glükoosamiinvesinikkloriidi või N-atsetüülglükoosamiini kujul. Glükoosamiinsulfaadi toidulisandeid manustatakse suu kaudu, et ravida valulikku seisundit, mis on põhjustatud kõhre põletikust, lagunemisest ja lõpuks kadumisest (osteoartriit).