استیل‌زدایی فراصوتی کیتین برای تبدیل آن به کیتوسان
تولید فراصوتی کیتوسان
کیتوسان از طریق N-استیل‌زدایی کیتین به دست می‌آید. در استیل‌زدایی متداول، کیتین در حلال‌های قلیایی آبی خیسانده می‌شود (معمولاً NaOH با غلظت 40 تا 50% (w/w)). فرایند خیساندن به دماهای بالای 100 تا 120ºC نیاز دارد و بسیار زمان‌بر است، درحالی‌که بازده کیتوسان حاصل در هر مرحله خیساندن پایین است. استفاده از فراصوت پرتوان، فرایند استیل‌زدایی کیتین را به‌طور چشمگیری تشدید می‌کند و طی عملیاتی سریع در دمای پایین‌تر، کیتوسانی با وزن مولکولی پایین و بازده بالا به دست می‌دهد. استیل‌زدایی فراصوتی، کیتوسانی با کیفیت برتر تولید می‌کند که به‌عنوان ماده تشکیل‌دهنده محصولات غذایی و دارویی، کود و در بسیاری از کاربردهای صنعتی دیگر استفاده می‌شود.
تیمار فراصوتی با کاهش درجه استیلاسیون کیتین از DA≥90 به کیتوسان با DA≤10، درجه استیلاسیون (DA) استثنایی‌ای ایجاد می‌کند.
پژوهش‌های متعدد، اثربخشی استیل‌زدایی فراصوتی کیتین برای تبدیل آن به کیتوسان را تأیید می‌کنند. Weiss J. et al. (2008) دریافتند که فراصوت‌دهی، تبدیل کیتین به کیتوسان را به‌شدت بهبود می‌بخشد. تیمار فراصوتی کیتین با کاهش زمان موردنیاز فرایند از 12–24 ساعت به چند ساعت، صرفه‌جویی چشمگیری در زمان ایجاد می‌کند. افزون بر این، برای دستیابی به تبدیل کامل، حلال کمتری لازم است؛ این امر پیامدهای زیست‌محیطی ناشی از دورریزی و دفع حلال مصرف‌شده یا واکنش‌نداده، یعنی NaOH غلیظ، را کاهش می‌دهد.
فراصوت‌دهی، استیل‌زدایی کیتین برای تبدیل آن به کیتوسان را تقویت می‌کند
UIP4000hdT – سامانه فراصوت پرتوان با توان 4kW
اصل عملکرد تیمار فراصوتی کیتوسان
فراصوت‌دهی پرتوان با فرکانس پایین (∼20–26kHz)، در مایعات و دوغاب‌ها کاویتاسیون آکوستیکی ایجاد می‌کند. فراصوت پرتوان، تبدیل کیتین به کیتوسان را تقویت می‌کند، زیرا حلال (برای مثال NaOH) ذرات جامد کیتین را خرد می‌کند و به درون آن‌ها نفوذ می‌کند؛ به‌این‌ترتیب، مساحت سطح افزایش می‌یابد و انتقال جرم بین فاز جامد و مایع بهبود پیدا می‌کند. افزون بر این، نیروهای برشی شدید ناشی از کاویتاسیون فراصوتی، رادیکال‌های آزاد ایجاد می‌کنند که واکنش‌پذیری واکنشگر (یعنی NaOH) را طی هیدرولیز افزایش می‌دهند. فراصوت‌دهی به‌عنوان روشی غیرحرارتی برای فراوری، از تخریب حرارتی جلوگیری می‌کند و کیتوسان باکیفیت تولید می‌کند. فراصوت، زمان فراوری موردنیاز برای استخراج کیتین از سخت‌پوستان را کوتاه می‌کند و در مقایسه با شرایط فراوری سنتی، کیتین و در نتیجه کیتوسانی با خلوص بالاتر به دست می‌دهد. بنابراین، فراصوت در تولید کیتین و کیتوسان این قابلیت را دارد که هزینه تولید و زمان فراوری را کاهش دهد، کنترل بهتر فرایند تولید را امکان‌پذیر سازد و پیامدهای زیست‌محیطی پسماند فرایند را کم کند.
- بازده بالاتر کیتوسان
- کیفیت برتر
- کاهش زمان
- دمای پایین‌تر فرایند
- افزایش کارایی
- کاربری آسان و ایمن
- سازگار با محیط‌زیست
استیل‌زدایی فراصوتی کیتین برای تبدیل آن به کیتوسان – دستورالعمل
1) آماده‌سازی کیتین:
هنگام استفاده از پوسته خرچنگ به‌عنوان ماده اولیه، پوسته‌ها باید کاملاً شسته شوند تا تمامی مواد آلی محلول و ناخالصی‌های چسبیده، از جمله خاک و پروتئین، حذف شوند. سپس مواد پوسته‌ای باید کاملاً خشک شوند (برای مثال، در آون با دمای 60ºC به‌مدت 24h). پس از آن، پوسته‌های خشک‌شده آسیاب می‌شوند (برای مثال با آسیاب چکشی)، در محیط قلیایی پروتئین‌زدایی می‌شوند (برای مثال، NaOH با غلظت 0٫125 تا 5٫0 M) و در اسید، مواد معدنی آن‌ها زدوده می‌شود (برای مثال، اسید هیدروکلریک رقیق).
2) استیل‌زدایی فراصوتی
برای اجرای یک واکنش معمول استیل‌زدایی فراصوتی، ذرات بتا-کیتین (0٫125 mm < d < 0٫250 mm) در محلول آبی NaOH با غلظت 40% (w/w)، با نسبت بتا-کیتین به محلول آبی NaOH برابر با 1/10(g mL-1) معلق می‌شوند؛ سوسپانسیون به یک بشر شیشه‌ای دوجداره منتقل می‌شود و با استفاده از هموژنایزر فراصوتی Hielscher UP400St تحت فراصوت‌دهی قرار می‌گیرد. پارامترهای زیر (رجوع کنید به Fiamingo et al. 2016) هنگام اجرای واکنش استیل‌زدایی فراصوتی کیتین ثابت نگه داشته می‌شوند: (i) پروب فراصوتی (سونوتْرود Hielscher S24d22D، قطر نوک = 22 mm)؛ (ii) حالت پالسی فراصوت‌دهی (IP = 0٫5sec)؛ (iii) شدت سطحی فراصوت
(I = 52٫6 W cm-2)، (iv) دمای واکنش (60ºC ±1ºC)، (v) زمان واکنش (50 min)، (vi) نسبت وزن بتا-کیتین به حجم محلول آبی سدیم هیدروکسید با غلظت 40% (w/w) (BCHt/NaOH = 1/10 g mL-1)؛ (vii) حجم سوسپانسیون بتا-کیتین (50mL).
واکنش نخست به‌مدت 50min با هم‌زدن مغناطیسی مداوم پیش می‌رود و سپس با سردکردن سریع سوسپانسیون تا 0ºC متوقف می‌شود. پس از آن، اسید هیدروکلریک رقیق افزوده می‌شود تا pH به 8٫5 برسد؛ نمونه CHs1 با فیلتراسیون جدا می‌شود، به‌طور کامل با آب دیونیزه شسته و در شرایط محیطی خشک می‌شود. تکرار همین استیل‌زدایی فراصوتی به‌عنوان مرحله دوم روی CHs1، نمونه CHs2 را تولید می‌کند.
تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) با بزرگ‌نمایی 100× از a) گلادیوس، b) گلادیوس تیمارشده با فراصوت، c) β-کیتین، d) β-کیتین تیمارشده با فراصوت و e) کیتوسان (منبع: Preto et al. 2017)
Fiamingo et al. دریافتند که استیل‌زدایی فراصوتی بتا-کیتین، بدون استفاده از افزودنی‌ها، اتمسفر بی‌اثر یا زمان‌های طولانی واکنش، به‌طور کارآمد کیتوسانی با وزن مولکولی بالا و درجه استیلاسیون پایین تولید می‌کند. این در حالی است که واکنش استیل‌زدایی فراصوتی در شرایط ملایم‌تری انجام می‌شود – یعنی در دمای واکنش پایین‌تر نسبت به بیشتر روش‌های استیل‌زدایی ترموشیمیایی. استیل‌زدایی فراصوتی بتا-کیتین امکان تهیه کیتوسان استیل‌زدایی‌شده به‌صورت تصادفی را فراهم می‌کند که دارای درجه استیلاسیون متغیر (4% ≤ DA ≤ 37%)، میانگین وزنی وزن مولکولی بالا (900٬000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1٬200٬000 g mol-1 ) و پراکندگی پایین (1٫3 ≤ Ð ≤ 1٫4) است؛ این کار با اجرای سه واکنش متوالی (50 min/step) در 60ºC انجام می‌شود.
پردازشگرهای فراصوتی پرتوان، از مقیاس آزمایشگاهی تا پایلوت و صنعتی.
سامانه‌های فراصوتی پربازده برای تولید کیتوسان
خردکردن کیتین و استیل‌زدایی آن برای تبدیل به کیتوسان، به تجهیزات فراصوتی قدرتمند و قابل‌اعتمادی نیاز دارد که بتوانند دامنه‌های بالا فراهم کنند، قابلیت کنترل دقیق پارامترهای فرایند را داشته باشند و به‌صورت 24/7 زیر بار سنگین و در محیط‌های دشوار کار کنند. طیف محصولات Hielscher Ultrasonics نیازهای شما و فرایندتان را پوشش می‌دهد. سونیکاتورهای Hielscher سامانه‌هایی پربازده هستند که می‌توان آن‌ها را به لوازم جانبی مانند سونوتْرودها، تقویت‌کننده‌ها، راکتورها یا سلول‌های جریان مجهز کرد تا به بهترین شکل با نیازهای فرایند شما سازگار شوند.
نمایشگر رنگی دیجیتال، امکان تنظیم از پیش برنامه‌های فراصوت‌دهی، ثبت خودکار داده‌ها روی کارت SD تعبیه‌شده، کنترل از راه دور از طریق مرورگر و بسیاری قابلیت‌های دیگر، بالاترین سطح کنترل فرایند و سهولت کاربری را تضمین می‌کنند. سامانه‌های فراصوتی Hielscher با برخورداری از استحکام و توان تحمل بار سنگین، تجهیزات پرکار و قابل‌اعتماد شما در تولید هستند.
خردکردن و استیل‌زدایی کیتین برای دستیابی به تبدیل هدف‌گذاری‌شده و محصول نهایی کیتوسان با کیفیت بالا، به فراصوت قدرتمند نیاز دارد. به‌ویژه برای خردکردن پولک‌های کیتین، دامنه‌های بالا و فشارهای افزایش‌یافته حیاتی هستند. پردازشگرهای فراصوتی صنعتی Hielscher Ultrasonics به‌آسانی دامنه‌های بسیار بالا فراهم می‌کنند. دامنه‌هایی تا 200µm را می‌توان به‌طور پیوسته در کارکرد 24/7 به کار گرفت. برای دامنه‌های حتی بالاتر، سونوتْرودهای فراصوتی سفارشی در دسترس هستند. ظرفیت توان سامانه‌های فراصوتی Hielscher، استیل‌زدایی کارآمد و سریع را در فرایندی ایمن و با کاربری آسان امکان‌پذیر می‌کند.
جدول زیر نمایی از ظرفیت تقریبی فراوری سونیکاتورهای ما ارائه می‌دهد:
| حجم بچ | دبی | دستگاه‌های پیشنهادی |
|---|---|---|
| 1 تا 500mL | 10 تا 200mL/min | UP100H |
| 10 تا 2000mL | 20 تا 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0٫1 تا 20L | 0٫2 تا 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 تا 100L | 2 تا 10L/min | UIP4000hdT |
| قابل‌اعمال نیست | 10 تا 100L/min | UIP16000 |
| قابل‌اعمال نیست | بیشتر | مجموعه‌ای از UIP16000 |
با ما تماس بگیرید! / از ما بپرسید!
منابع و مراجع
- 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.
دانستنی‌های مفید
استیل‌زدایی فراصوتی کیتین چگونه عمل می‌کند؟
هنگامی که فراصوت پرتوان با فرکانس پایین (برای مثال 20–26kHz) به درون یک مایع یا دوغاب منتقل می‌شود، چرخه‌های متناوب فشار بالا / فشار پایین به مایع اعمال می‌شوند و تراکم و انبساط ایجاد می‌کنند. طی این چرخه‌های متناوب فشار بالا / فشار پایین، حباب‌های کوچک خلأ شکل می‌گیرند که در طول چندین چرخه فشار رشد می‌کنند. هنگامی که حباب‌های خلأ دیگر نمی‌توانند انرژی بیشتری جذب کنند، به‌شدت فرومی‌پاشند. در جریان این فروپاشی درونی حباب، شرایط موضعی بسیار شدیدی پدید می‌آید: دماهای بالا تا 5000K، فشارهایی تا 2000atm، نرخ‌های بسیار بالای گرم‌شدن/سردشدن و اختلاف فشار ایجاد می‌شوند. ازآنجاکه دینامیک فروپاشی حباب سریع‌تر از انتقال جرم و حرارت است، انرژی در حفره در حال فروپاشی به ناحیه‌ای بسیار کوچک محدود می‌شود که «نقطه داغ» نیز نام دارد. فروپاشی درونی حباب کاویتاسیون همچنین ریزآشفتگی‌ها، جت‌های مایع با سرعتی تا 280m/s و نیروهای برشی ناشی از آن‌ها را ایجاد می‌کند. این پدیده کاویتاسیون فراصوتی یا آکوستیکی نامیده می‌شود.
قطرات و ذرات موجود در مایع تحت فراصوت‌دهی، در معرض ضربه این نیروهای کاویتاسیونی قرار می‌گیرند و هنگامی که ذرات شتاب‌گرفته با یکدیگر برخورد می‌کنند، بر اثر برخورد بین‌ذره‌ای خرد می‌شوند. کاویتاسیون آکوستیکی، اصل عملکرد آسیاب‌کردن، پراکنده‌سازی، امولسیون‌سازی و سونوشیمی فراصوتی است.
در استیل‌زدایی کیتین، فراصوت با شدت بالا از طریق فعال‌کردن سطح و تقویت انتقال جرم بین ذرات و واکنشگر، مساحت سطح را افزایش می‌دهد.
کیتوسان
کیتوسان یک پلیمر کربوهیدراتی اصلاح‌شده، کاتیونی و غیرسمی با ساختار شیمیایی پیچیده است که از واحدهای β-(1,4) گلوکوزامین به‌عنوان جزء اصلی (>80%) و واحدهای N-استیل گلوکوزامین (<20%) تشکیل شده است؛ این واحدها به‌صورت تصادفی در طول زنجیره توزیع شده‌اند. کیتوسان از طریق استیل‌زدایی شیمیایی یا آنزیمی از کیتین به دست می‌آید. درجه استیل‌زدایی (DA)، مقدار گروه‌های آمینوی آزاد در ساختار را تعیین می‌کند و برای تمایز بین کیتین و کیتوسان به کار می‌رود. کیتوسان در حلال‌های ملایمی مانند اسید استیک رقیق، انحلال‌پذیری خوبی دارد و چندین گروه آمینی آزاد به‌عنوان جایگاه‌های فعال فراهم می‌کند. این ویژگی در بسیاری از واکنش‌های شیمیایی به کیتوسان نسبت به کیتین مزیت می‌دهد.
کیتوسان به‌دلیل زیست‌سازگاری و زیست‌تخریب‌پذیری عالی، غیرسمی‌بودن، فعالیت ضدمیکروبی خوب (علیه باکتری‌ها و قارچ‌ها)، نفوذناپذیری در برابر اکسیژن و خواص تشکیل فیلم، ارزشمند است. برخلاف کیتین، کیتوسان مزیت محلول‌بودن در آب را دارد و بنابراین کار با آن و استفاده از آن در فرمولاسیون‌ها آسان‌تر است.
کیتین به‌عنوان دومین پلی‌ساکارید فراوان پس از سلولز، به‌دلیل فراوانی بسیار زیادش ماده اولیه‌ای ارزان و پایدار است.
تولید کیتوسان
کیتوسان طی فرایندی دومرحله‌ای تولید می‌شود. در مرحله نخست، ماده اولیه، مانند پوسته سخت‌پوستان (یعنی میگو، خرچنگ و لابستر)، پروتئین‌زدایی، مواد معدنی‌زدایی و خالص‌سازی می‌شود تا کیتین به دست آید. در مرحله دوم، کیتین با یک باز قوی (برای مثال NaOH) تیمار می‌شود تا زنجیره‌های جانبی استیل حذف شوند و کیتوسان حاصل شود. فرایند متداول تولید کیتوسان به بسیار زمان‌بر و پرهزینه‌بودن شناخته می‌شود.
کیتین
کیتین (C8H13O5N)n پلیمری با زنجیره مستقیم از β-1,4-N-استیل‌گلوکوزامین است و به کیتین نوع α، β و γ تقسیم می‌شود. کیتین که مشتقی از گلوکز است، یکی از اجزای اصلی اسکلت خارجی بندپایان، مانند سخت‌پوستان و حشرات، رادولای نرم‌تنان، منقار سرپایان و فلس‌های ماهی‌ها و دوزیستان نوین است و در دیواره سلولی قارچ‌ها نیز یافت می‌شود. ساختار کیتین با سلولز قابل‌مقایسه است و نانوفیبریل‌ها یا ویسکرهای بلوری تشکیل می‌دهد. سلولز فراوان‌ترین پلی‌ساکارید جهان است و پس از آن، کیتین به‌عنوان دومین پلی‌ساکارید فراوان قرار دارد.
گلوکوزامین
گلوکوزامین (C6H13NO5) یک قند آمینه و پیش‌ساز مهم در سنتز زیست‌شیمیایی پروتئین‌ها و لیپیدهای گلیکوزیله است. گلوکوزامین به‌طور طبیعی ترکیبی فراوان است که بخشی از ساختار هر دو پلی‌ساکارید کیتوسان و کیتین را تشکیل می‌دهد؛ ازاین‌رو، گلوکوزامین یکی از فراوان‌ترین مونوساکاریدهاست. بیشتر گلوکوزامین موجود در بازار از هیدرولیز اسکلت خارجی سخت‌پوستان، یعنی پوسته خرچنگ و لابستر، تولید می‌شود.
گلوکوزامین عمدتاً به‌عنوان مکمل غذایی و به شکل‌های گلوکوزامین سولفات، گلوکوزامین هیدروکلراید یا N-استیل گلوکوزامین استفاده می‌شود. مکمل‌های گلوکوزامین سولفات به‌صورت خوراکی برای درمان عارضه‌ای دردناک ناشی از التهاب، تخریب و در نهایت ازبین‌رفتن غضروف (استئوآرتریت) تجویز می‌شوند.