Kitiini ultraheli deatsetüülimine kitosaaniks
Kitosaani ultraheli tootmine
Kitosaan saadakse kitiini N-deatsetüülimisel. Tavapärasel deatsetüülimisel leotatakse kitiini vesilahustes olevates leeliselistes lahustites (tavaliselt 40 kuni 50% (w/w) NaOH). Leotamine nõuab kõrgeid temperatuure, 100 kuni 120ºC, on väga ajamahukas ning ühe leotamisetapi kohta saadav kitosaani saagis on madal. Suure võimsusega ultraheli kasutamine intensiivistab kitiini deatsetüülimisprotsessi oluliselt ning annab kiires töötluses madalamal temperatuuril suure saagise väikese molekulmassiga kitosaani. Ultraheli deatsetüülimine annab kõrgema kvaliteediga kitosaani, mida kasutatakse toidu- ja farmaatsiakomponendina, väetisena ja paljudes muudes tööstuslikes rakendustes.
Ultraheli töötlus annab kitiini erakordse atsetüülimisastme (DA) languse: kitiini atsetüülimisaste väheneb väärtuselt DA≥90 kitosaanini, mille DA≤10.
Paljud uuringud kinnitavad kitiini ultraheli deatsetüülimise efektiivsust kitosaaniks. Weiss J. et al. (2008) leidsid, et ultraheli töötlus (sonikeerimine) parandab kitiini muundumist kitosaaniks drastiliselt. Kitiini ultraheli töötlus säästab oluliselt aega: nõutav protsessi kestus lüheneb 12–24 tunnilt mõnele tunnile. Lisaks on täieliku muundumise saavutamiseks vaja vähem lahustit, mis vähendab keskkonnamõju, mis kaasneb kasutatud või reageerimata lahusti, st kontsentreeritud NaOH, kõrvaldamise ja utiliseerimisega.
Kitiini deatsetüülimist kitosaaniks soodustab ultraheli töötlus (sonikeerimine)
UIP4000hdT – 4kW võimsusega ultraheli süsteem
Kitosaani ultraheli töötluse tööpõhimõte
Suure võimsusega madalasageduslik ultraheli töötlus (∼20–26kHz) tekitab vedelikes ja suspensioonides akustilise kavitatsiooni. Suure võimsusega ultraheli soodustab kitiini muundumist kitosaaniks, kuna lahusti (nt NaOH) killustub ja tungib tahketesse kitiiniosakestesse, suurendades seeläbi pindala ning parandades massiülekannet tahke ja vedela faasi vahel. Lisaks tekitavad ultraheli kavitatsiooni suured nihkejõud vabu radikaale, mis suurendavad reagendi (st NaOH) reaktsioonivõimet hüdrolüüsi ajal. Mittetermilise töötlusmeetodina hoiab ultraheli töötlus ära termilise lagunemise, andes kõrge kvaliteediga kitosaani. Ultraheli lühendab koorikloomadest kitiini eraldamiseks vajalikke töötlusaegu ning annab kitiini (ja seega hiljem kitosaani), mis on traditsiooniliste töötlustingimustega võrreldes puhtam. Kitiini ja kitosaani tootmisel on ultraheli seega potentsiaalselt võimeline vähendama tootmiskulusid, lühendama töötlusaega, võimaldama tootmisprotsessi paremat kontrolli ja vähendama protsessijäätmete keskkonnamõju.
- Suurem kitosaani saagis
- Kõrgem kvaliteet
- Lühem aeg
- Madalam protsessi temperatuur
- Suurem efektiivsus
- Lihtne ja ohutu käsitsemine
- Keskkonnasõbralik
Kitiini ultraheli deatsetüülimine kitosaaniks – protokoll
1) Kitiini ettevalmistamine:
Lähtematerjalina krabikoori kasutades tuleks krabikoored põhjalikult puhtaks pesta, et eemaldada kõik lahustuvad orgaanilised ained ja kleepunud lisandid, sealhulgas muld ja valk. Seejärel tuleb koorematerjal täielikult kuivatada (nt 60ºC juures 24h ahjus). Kuivatatud koored jahvatatakse (nt haamerveskiga), deproteiniseeritakse aluselises keskkonnas (nt NaOH kontsentratsioonil 0,125 kuni 5,0 M) ja demineraliseeritakse happes (nt lahjendatud vesinikkloriidhappes).
2) Ultraheli deatsetüülimine
Tüüpilise ultraheli deatsetüülimisreaktsiooni läbiviimiseks suspendeeritakse beeta-kitiini osakesed (0,125 mm < d < 0,250 mm) 40% (w/w) NaOH vesilahuses beeta-kitiini ja NaOH vesilahuse suhtega 1/10(g mL-1), suspensioon viiakse topeltseinalisse klaasist keeduklaasi ja seda töödeldakse ultraheliga (sonikeeritakse) Hielscheri UP400St ultraheli homogenisaatoriga. Reaktsiooni läbiviimisel hoitakse järgmised parameetrid (vrd Fiamingo et al. 2016) ultraheli abil toimuva kitiini deatsetüülimise ajal konstantsena: (i) ultraheli sond (sonotrood Hielscher S24d22D, otsa läbimõõt = 22 mm); (ii) sonikeerimise impulssrežiim (IP = 0,5 sek); (iii) ultraheli pinnaintensiivsus
(I = 52,6 W cm-2), (iv) reaktsioonitemperatuur (60ºC ±1ºC), (v) reaktsiooniaeg (50 min), (vi) beeta-kitiini massi ja 40% (w/w) naatriumhüdroksiidi vesilahuse mahu suhe (BCHt/NaOH = 1/10 g mL-1); (vii) beeta-kitiini suspensiooni maht (50mL).
Esimene reaktsioon kestab 50min pideva magnetsegamise all ning katkestatakse suspensiooni kiire jahutamisega temperatuurini 0ºC. Seejärel lisatakse lahjendatud vesinikkloriidhapet, et saavutada pH 8,5, ning proov CHs1 eraldatakse filtreerimisega, pestakse põhjalikult deioniseeritud veega ja kuivatatakse ümbritsevates tingimustes. Kui sama ultraheli abil toimuv deatsetüülimine korratakse proovi CHs1 teise etapina, saadakse proov CHs2.
Skaneeriva elektronmikroskoopia (SEM) pildid 100× suurendusega: a) gladius, b) ultraheliga töödeldud gladius, c) β-kitiin, d) ultraheliga töödeldud β-kitiin ja e) kitosaan (allikas: Preto et al. 2017)
Fiamingo et al. leidsid, et beeta-kitiini ultraheli abil toimuv deatsetüülimine annab tõhusalt suure molekulmassiga kitosaani, millel on madal atsetüülimisaste, kasutamata lisandeid, inertset atmosfääri ega pikki reaktsiooniaegu. Seda ka siis, kui ultraheli abil toimuv deatsetüülimisreaktsioon viiakse läbi leebemates tingimustes – st madalal reaktsioonitemperatuuril võrreldes enamiku termokeemiliste deatsetüülimistega. Beeta-kitiini ultraheli abil toimuv deatsetüülimine võimaldab valmistada juhuslikult deatsetüülitud kitosaani, mille atsetüülimisaste on varieeruv (4% ≤ DA ≤ 37%), massikeskmine molekulmass on suur (900 000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1 200 000 g mol-1 ) ja dispersioon on madal (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4), kui viia läbi kolm järjestikust reaktsiooni (50 min/etapp) temperatuuril 60ºC.
Suure võimsusega ultraheliprotsessorid laborist pilootmastaabini ja tööstusliku mastaabini.
Suure jõudlusega ultraheelsüsteemid kitosaani tootmiseks
Kitiini fragmenteerimine ja kitiini deatsetüülimine kitosaaniks nõuab võimsat ja töökindlat ultraheliseadmestikku, mis suudab tagada kõrged amplituudid, pakub protsessiparameetrite täpset juhitavust ning mida saab kasutada ööpäevaringselt 24/7 suure koormuse all ja nõudlikes keskkondades. Hielscher Ultrasonicsi tootevalik katab teie ja teie protsessi nõuded. Hielscheri ultrasonikaatorid on suure jõudlusega süsteemid, mida saab varustada lisatarvikutega, nagu sonotroodid, boosterid, reaktorid või läbivoolukambrid, et need sobiksid optimaalselt teie protsessi vajadustega.
Digitaalse värvikuva, sonikeerimiskordade eelseadistamise võimaluse, automaatse andmesalvestuse integreeritud SD-kaardile, kaugjuhtimise brauseri kaudu ja paljude muude funktsioonidega on tagatud kõrgeim protsessikontroll ja kasutajasõbralikkus. Koos töökindluse ja suure koormustaluvusega on Hielscheri ultraheelsüsteemid teie usaldusväärne tööhobune tootmises.
Kitiini fragmenteerimine ja deatsetüülimine nõuab võimsat ultraheli, et saavutada soovitud konversioon ja kvaliteetne lõppprodukt kitosaan. Eriti kitiinihelveste fragmenteerimisel on otsustava tähtsusega kõrged amplituudid ja kõrgendatud rõhk. Hielscher Ultrasonicsi tööstuslikud ultraheliprotsessorid tagavad hõlpsasti väga kõrged amplituudid. Kuni 200µm amplituude saab pidevalt kasutada 24/7 töörežiimis. Veelgi kõrgemate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid. Hielscheri ultraheelsüsteemide võimsus võimaldab tõhusat ja kiiret deatsetüülimist ohutus ja kasutajasõbralikus protsessis.
Alljärgnev tabel annab ülevaate meie ultrasonikaatorite ligikaudsest töötlemismahust:
| Partii maht | Vooluhulk | Soovitatavad seadmed |
|---|---|---|
| 1 kuni 500mL | 10 kuni 200mL/min | UP100H |
| 10 kuni 2000mL | 20 kuni 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 kuni 20L | 0,2 kuni 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 kuni 100L | 2 kuni 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 kuni 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | suurem | klaster: UIP16000 |
Võtke meiega ühendust! / Küsige meilt!
Kirjandus ja viited
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): Chitosan-Based Bionanocomposite Films Prepared by Emulsion Technique for Food Preservation. Materials 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Extensively deacetylated high molecular weight chitosan from the multistep ultrasound-assisted deacetylation of beta-chitin. Ultrasonics Sonochemistry 32, 2016. 79–85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Sonochemically-Assisted Conversion of Chitin to Chitosan, USDA National Research Initiative Principal Investigators Meeting, New Orleans, LA, June 28th.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Influence of temperature during deacetylation of chitin to chitosan with high-intensity ultrasound as a pre-treatment, Annual Meeting of the Institute of Food Technologists, New Orleans, LA, June 30th, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Influence of high-intensity ultrasound to accelerate the conversion of chitin to chitosan, Annual Meeting of the 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): Gladius and its derivatives as potential biosorbents for marine diesel oil. 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): A method for top down preparation of chitosan nanoparticles and nanofibers. Carbohydrate Polymers 117, 2015. 731–738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Efficient reduction of chitosan molecular weight by high-intensity ultrasound: Underlying mechanism and effect of processing parameters. Journal of Agricultural and Food Chemistry 56(13):5112-5119.
- Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Seafood waste: a source for preparation of commercially employable chitin/chitosan materials. Bioresources and Bioprocessing 6/8, 2019.
Teada tasub
Kuidas ultraheli kitiini deatsetüülimine toimib?
Kui suure võimsusega madalsageduslik ultraheli (nt 20-26kHz) juhitakse vedelikku või suspensiooni, rakenduvad vedelikule vahelduvad kõrgsurve- ja madalsurvetsüklid, mis tekitavad kokkusurumist ja hõrenemist. Nende vahelduvate kõrgsurve- ja madalsurvetsüklite ajal tekivad väikesed vaakumimullid, mis kasvavad mitme survetsükli jooksul. Kui vaakumimullid ei suuda enam rohkem energiat neelata, varisevad nad vägivaldselt kokku. Mulli implosiooni ajal tekivad lokaalselt väga intensiivsed tingimused: esinevad kõrged temperatuurid kuni 5000K, rõhud kuni 2000atm, väga suured kuumutamis- ja jahutuskiirused ning rõhuerinevused. Kuna mulli kokkuvarisemise dünaamika on kiirem kui massi- ja soojusülekanne, on energia kokkuvarisevas õõnsuses piiratud väga väikese tsooniga, mida nimetatakse ka „kuumaks kohaks“. Kavitatsioonimulli implosioon põhjustab ka mikroturbulentse, kuni 280m/s kiirusega vedelikujoad ja sellest tulenevad nihkejõud. Seda nähtust nimetatakse ultraheli- ehk akustiliseks kavitatsiooniks.
Ultraheliga töödeldud vedelikus olevaid tilku ja osakesi mõjutavad need kavitatsioonijõud ning kui kiirendatud osakesed omavahel põrkuvad, purunevad nad osakestevahelise kokkupõrke tagajärjel. Akustiline kavitatsioon on ultraheliõlitamise…
Kitosaan
Kitosaan on modifitseeritud, katioonne, mittetoksiline süsivesikupolümeer keeruka keemilise struktuuriga, mille põhikomponendiks on β-(1,4)-glükoosamiini ühikud (>80%) ja N-atsetüülglükoosamiini ühikud (<20%), mis on ahelas juhuslikult jaotunud. Kitosaan saadakse kitiinist keemilise või ensümaatilise deatsetüülimise teel. Deatsetüülimisaste (DA) määrab vabade aminorühmade sisalduse struktuuris ja seda kasutatakse kitiini ja kitosaani eristamiseks. Kitosaan lahustub hästi mõõdukates lahustites, näiteks lahjendatud äädikhappes, ning sisaldab mitmeid vabu amiinrühmi aktiivsete kohtadena. See muudab kitosaani paljudes keemilistes reaktsioonides kitiinist eelistatavamaks.
Kitosaani hinnatakse selle suurepärase biosobivuse ja biolagunduvuse, mittetoksilisuse, hea antimikroobse toime (bakterite ja seente vastu), hapnikuläbilaskmatuse ja kilet moodustavate omaduste tõttu. Erinevalt kitiinist on kitosaani eeliseks vees lahustuvus, mistõttu on seda lihtsam käsitseda ja koostistes kasutada.
Kuna kitiin on tselluloosi järel levinuselt teine polüsahhariid, muudab selle tohutu rohkus kitiini odavaks ja jätkusuutlikuks tooraineks.
Kitosaani tootmine
Kitosaani toodetakse kaheetapilise protsessina. Esimeses etapis eemaldatakse toorainelt, näiteks koorikloomade kestadelt (nt krevett, krabi, homaar), valgud ja mineraalained ning see puhastatakse, et saada kitiini. Teises etapis töödeldakse kitiini tugeva alusega (nt NaOH), et eemaldada atsetüülrühmadest külgahelad ja saada kitosaani. Tavapärase kitosaani tootmise protsessi on teadaolevalt väga ajamahukas ja kulukas.
Kitiin
Kitiin (C8H13O5N)n on β-1,4-N-atsetüülglükoosamiini sirgahelaline polümeer ja jaguneb α-, β- ja γ-kitiiniks. Kitiin on glükoosi derivaadina lülijalgsete, näiteks koorikloomade ja putukate välisskeleti, limuste raspli, peajalgsete nokkade ning kalade ja kahepaiksete soomuste peamine komponent ning seda võib leida ka seente rakuseintest. Kitiini struktuur on tselluloosiga võrreldav, moodustades kristallilisi nanofibrille ehk vurre. Tselluloos on maailmas levinuim polüsahhariid, millele järgneb kitiin kui levinuselt teine polüsahhariid.
Glükoosamiin
Glükoosamiin (C6H13NO5) on aminosuhkur ja oluline eelühend glükosüleeritud valkude ja lipiidide biokeemilises sünteesis. Glükoosamiin on looduslikult rohkesti esinev ühend, mis kuulub mõlema polüsahhariidi, kitosaani ja kitiini, struktuuri, mistõttu on glükoosamiin üks levinumaid monosahhariide. Suurem osa kaubanduslikult saadavast glükoosamiinist toodetakse koorikloomade välisskeleti, st krabi- ja homaarikestade hüdrolüüsil.
Glükoosamiini kasutatakse peamiselt toidulisandina, kus seda kasutatakse glükoosamiinsulfaadi, glükoosamiinvesinikkloriidi või N-atsetüülglükoosamiini kujul. Glükoosamiinsulfaadi toidulisandeid manustatakse suukaudselt, et ravida valulikku seisundit, mille põhjustavad kõhre põletik, lagunemine ja lõpuks kadu (osteoartriit).