Kitiinin ultraäänideasetyyliaatio kitosaaniksi
Ultraäänikitosaanin tuotanto
Kitosaani saadaan kitiinin N-deasetyyliaatiolla. Tavanomaisessa deasetyyliaatiossa kitiiniä liotetaan vesipitoisiin alkaliliuottimiin (tyypillisesti 40-50% (w/w) NaOH). Liotusprosessi vaatii korkeita lämpötiloja, 100–120 ºC, on erittäin aikaa vievää, kun taas kitosaanin saanto liotusvaihetta kohden on pieni. Suuritehoisen ultraäänen käyttö tehostaa kitiinin deasetyyliointiprosessia merkittävästi ja johtaa pienimolekyylipainoisen kitosaanin korkeaan saantoon nopeassa hoidossa alhaisemmassa lämpötilassa. Ultraäänideasetyyliaatio johtaa korkealaatuiseen kitosaaniin, jota käytetään elintarvikkeiden ja lääkkeiden ainesosana, lannoitteena ja monissa muissa teollisissa sovelluksissa.
Ultraäänikäsittely johtaa kitiinin poikkeukselliseen asetylaatioasteeseen (DA), mikä alentaa asetylaatioastetta, kitiiniä DA≥90: stä kitosaaniin, jossa on DA≤10.
Monet tutkimukset vahvistavat ultraäänikitiinin deasetyyliaation tehokkuuden kitosaaniin. (2008) havaitsi, että sonikaatio parantaa kitiinin muuttumista kitosaaniksi rajusti. Kitiinin ultraäänikäsittely säästää huomattavasti aikaa, mikä vähentää vaadittua prosessiaikaa 12-24 tunnista muutamaan tuntiin. Lisäksi täydellisen muunnoksen aikaansaamiseksi tarvitaan vähemmän liuotinta, mikä vähentää käytetyn tai reagoimattoman liuottimen eli väkevän NaOH:n hävittämisen ympäristövaikutuksia.
Kitiinin deasetyyliaatiota kitosaaniksi edistetään sonikaatiolla
UIP4000hdT – 4kW teho ultraäänijärjestelmä
Ultraäänikitosaanihoidon toimintaperiaate
Suuritehoinen, matalataajuinen ultraääni (∼20-26kHz) luo akustisen kavitaation nesteissä ja lietteissä. Suuritehoinen ultraääni edistää kitiinin muuttumista kitosaaniksi, kun liuotin (esim. NaOH) fragmentoituu ja tunkeutuu kiinteisiin kitiinihiukkasiin, mikä laajentaa pinta-alaa ja parantaa massansiirtoa kiinteän ja nestemäisen faasin välillä. Lisäksi ultraäänikavitaation suuret leikkausvoimat luovat vapaita radikaaleja, jotka lisäävät reagenssin (eli NaOH: n) reaktiivisuutta hydrolyysin aikana. Ei-lämpökäsittelytekniikkana sonikaatio estää lämpöhajoamisen, joka tuottaa korkealaatuista kitosaania. Ultraääni lyhentää käsittelyaikoja, joita tarvitaan kitiinin uuttamiseen äyriäisistä, sekä tuottaa kitiiniä (ja siten myöhemmin kitosaania), jonka puhtaus on korkeampi kuin perinteisissä käsittelyolosuhteissa. Kitiinin ja kitosaanin tuotannossa ultraäänet voivat siten alentaa tuotantokustannuksia, lyhentää käsittelyaikaa, mahdollistaa tuotantoprosessin paremman hallinnan ja vähentää prosessijätteen ympäristövaikutuksia.
- Korkeampi kitosaanin saanto
- Ylivoimainen laatu
- Lyhentynyt aika
- Alempi prosessilämpötila
- Parempi tehokkuus
- helppo & turvallinen käyttö
- ympäristöystävällinen
Ultraäänikitiinin detylaatio kitosaaniksi – Protokolla
1) Valmista kitiini:
Rapujen kuoret on pestävä perusteellisesti käyttämällä rapujen kuoria lähdemateriaalina liukoisten orgaanisten aineiden ja tarttuvien epäpuhtauksien, kuten maaperän ja proteiinin, poistamiseksi. Sen jälkeen kuorimateriaali on kuivattava kokonaan (esim. 60 °C:ssa 24 tunnin ajan uunissa). Tämän jälkeen kuivatut kuoret jauhetaan (esim. vasaramyllyllä), poistetaan proteiinit emäksisessä väliaineessa (esim. NaOH 0,125–5,0 M:n konsentraatiossa) ja demineralisoidaan hapossa (esim. laimealla suolahapolla).
2) Ultraääni deasetyyliaatio
Tyypillisen ultraäänideasetyyliaatioreaktion suorittamiseksi beeta-kitiinihiukkaset (0,125 mm) < D < 0.250 mm) suspendoidaan 40-prosenttiseen (w/w) NaOH:n vesiliuokseen suhteessa beetakitiini/NaOH-vesiliuos suhteessa 1/10 (g ml-1), suspensio siirretään kaksiseinäiseen lasilasilasiin ja sonikoidaan Hielscherin avulla UP400St ultraääni homogenisaattori. Seuraavat parametrit (vrt. Fiamingo et al. 2016) pidetään vakioina suoritettaessa ultraäänikitiinin deasetyyliaatioreaktiota: (i) ultraäänianturi (sonotrode Hielscher S24d22D, kärjen halkaisija = 22 mm); ii) sonikaatiopulssitila (IP = 0, 5 sekuntia); iii) ultraäänipinnan intensiteetti
(I = 52,6 W cm-2), iv) reaktiolämpötila (60 °C ±1 °C), v) reaktioaika (50 min), vi) beeta-kitiinin paino/tilavuus 40 painoprosenttia natriumhydroksidin vesipitoista vesiliuosta (BCHt/NaOH = 1/10 g ml-1); vii) beetakitiinisuspension tilavuus (50 ml).
Ensimmäinen reaktio etenee 50 minuutin ajan jatkuvassa magneettisessa sekoituksessa, minkä jälkeen suspensio keskeytetään jäähdyttämällä suspensio nopeasti 0 °C:seen. Tämän jälkeen lisätään laimennettua suolahappoa pH:n 8,5 saavuttamiseksi ja näyte CHs1 eristetään suodattamalla, pestään laajasti deionisoidulla vedellä ja kuivataan ympäristön olosuhteissa. Kun sama ultraäänideasetyyliaatio toistetaan toisena vaiheena CHs1: lle, se tuottaa näytteen CHs2.
Pyyhkäisyelektronimikroskopian (SEM) kuvat suurennoksella 100× a) gladius, b) ultraäänikäsitelty gladius, c) β-kitiini, d) ultraäänikäsitelty β-kitiini ja e) kitosaani (lähde: Preto et ai. 2017)
havaitsi, että beetakitiinin ultraäänideasetyyliaatio tuottaa tehokkaasti suurimolekyylipainoista kitosaania, jolla on alhainen asetylaatioaste, ei käyttämällä lisäaineita eikä inerttiä ilmakehää eikä pitkiä reaktioaikoja. Vaikka ultraäänideasetyyliaatioreaktio suoritetaan lievemmissä olosuhteissa – eli alhainen reaktiolämpötila verrattuna useimpiin termokemiallisiin deasetyyliaatioihin. Beeta-kitiinin ultraäänideasetyyliaatio mahdollistaa satunnaisesti deasetyylioidun kitosaanin valmistamisen, jolla on vaihteleva asetylaatioaste (4% ≤ DA ≤ 37%), suuripainoinen keskimääräinen molekyylipaino (900 000 g mol-1 ≤ MW ≤ 1 200 000 g mol-1 ) ja alhaisen dispersion (1,3 ≤ — ≤ 1,4) suorittamalla kolme peräkkäistä reaktiota (50 min/askel) 60 °C:ssa.
Suuritehoiset ultraääniprosessorit laboratoriosta pilotti- ja teolliseen mittakaavaan.
Korkean suorituskyvyn ultraäänijärjestelmät kitosaanin tuotantoon
Kitiinin pirstoutuminen ja kitiinin detylaatio kitosaaniksi vaatii tehokkaita ja luotettavia ultraäänilaitteita, jotka voivat tuottaa suuria amplitudit, tarjoavat tarkan hallittavuuden prosessiparametreihin ja joita voidaan käyttää 24/7 raskaalla kuormituksella ja vaativissa ympäristöissä. Hielscher Ultrasonics -tuotevalikoima kattaa sinut ja prosessivaatimukset. Hielscher-ultraäänilaitteet ovat korkean suorituskyvyn järjestelmiä, jotka voidaan varustaa lisävarusteilla, kuten sonotrodeilla, vahvistimilla, reaktoreilla tai virtaussoluilla, jotta ne vastaavat prosessitarpeitasi optimaalisesti.
Digitaalisella värinäytöllä varmistetaan mahdollisuus esiasettaa sonikaatioajot, automaattinen tietojen tallennus integroidulle SD-kortille, selaimen etäohjaus ja monet muut ominaisuudet, korkein prosessinohjaus ja käyttäjäystävällisyys. Yhdessä kestävyyden ja raskaan kantavuuden kanssa Hielscherin ultraäänijärjestelmät ovat luotettava työhevonen tuotannossa.
Kitiinin pirstoutuminen ja deasetyyliaatio vaativat voimakasta ultraääntä kohdennetun muunnoksen ja korkealaatuisen lopullisen kitosaanituotteen saamiseksi. Erityisesti kitiinihiutaleiden pirstoutumisen kannalta suuret amplitudit ja kohonneet paineet ovat ratkaisevia. Hielscherin ultraääni’ Teolliset ultraääniprosessorit tuottavat helposti erittäin suuria amplitudit. Jopa 200 μm: n amplitudit voidaan ajaa jatkuvasti 24/7 toiminnassa. Vielä suuremmille amplitudille on saatavana räätälöityjä ultraäänisonotrodeja. Hielscherin ultraäänijärjestelmien tehokapasiteetti mahdollistaa tehokkaan ja nopean deasetyylioinnin turvallisessa ja käyttäjäystävällisessä prosessissa.
Alla oleva taulukko antaa sinulle viitteitä ultraäänilaitteidemme likimääräisestä käsittelykapasiteetista:
| Erän tilavuus | Virtausnopeus | Suositellut laitteet |
|---|---|---|
| 1 - 500 ml | 10 - 200 ml / min | UP100H |
| 10 - 2000ml | 20–400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 - 20L | 0.2–4 l/min | UIP2000hdT |
| 10-100L | 2 - 10L / min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10-100L / min | UIP16000 |
| n.a. | suurempi | klusteri UIP16000 |
Ota yhteyttä! / Kysy meiltä!
Kirjallisuus/viitteet
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): Kitosaanipohjaiset bionanokomposiittikalvot, jotka on valmistettu emulsiotekniikalla elintarvikkeiden säilyttämiseksi. Materiaalit 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Laajasti deasetyylioitu suurimolekyylipainoinen kitosaani beetakitiinin monivaiheisesta ultraääniavusteisesta deasetyyliaatiosta. Ultraääni Sonokemia 32, 2016. 79–85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Kitiinin sonokemiallisesti avustettu muuntaminen kitosaaniksi, USDA: n kansallisen tutkimusaloitteen päätutkijoiden kokous, New Orleans, LA, 28. kesäkuuta.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Lämpötilan vaikutus kitiinin deasetyylioinnin aikana kitosaaniksi korkean intensiteetin ultraäänellä esikäsittelynä, elintarviketeknologien instituutin vuosikokous, New Orleans, LA, 30. kesäkuuta, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Korkean intensiteetin ultraäänen vaikutus kitiinin muuttumisen nopeuttamiseksi kitosaaniksi, elintarviketeknologien instituutin vuosikokous, New Orleans, LA, 30. kesäkuuta, 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 sen johdannaiset mahdollisina meridieselöljyn biosorbentteina. Ympäristötiede ja saastumistutkimus (2017) 24: 22932–22939.
- Wijesena RN, Tissera N., Kannangara Y.Y., Lin Y., Amaratunga G.A.J., de Silva K.M.N. (2015): Menetelmä kitosaanin nanohiukkasten ja nanokuitujen valmistamiseksi ylhäältä alas. Hiilihydraattipolymeerit 117, 2015. 731–738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Kitosaanin molekyylipainon tehokas vähentäminen korkean intensiteetin ultraäänellä: Käsittelyparametrien taustalla oleva mekanismi ja vaikutus. Maatalous- ja elintarvikekemian lehti 56(13):5112-5119.
- Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Kala- ja äyriäisjätteet: kaupallisesti hyödynnettävien kitiini-kitosaanimateriaalien valmistuslähde. Bioresurssit ja bioprosessointi 6/8, 2019.
Faktoja, jotka kannattaa tietää
Miten ultraäänikitiinin deaktylaatio toimii?
Kun suuritehoinen, matalataajuinen ultraääni (esim. 20-26 kHz) kytketään nesteeseen tai lietteeseen, nesteeseen kohdistetaan vuorotellen korkeapaine- / matalapainesyklejä, jotka luovat puristusta ja harvinaisuutta. Näiden vuorottelevien korkeapaine- / matalapainesyklien aikana syntyy pieniä tyhjiökuplia, jotka kasvavat useiden painesyklien aikana. Siinä vaiheessa, kun tyhjiökuplat eivät pysty absorboimaan enemmän energiaa, ne törmäävät voimakkaasti. Tämän kuplan luhistumisen aikana esiintyy paikallisesti erittäin voimakkaita olosuhteita: korkeita lämpötiloja jopa 5000K, paineita jopa 2000atm, erittäin korkeita lämmitys- / jäähdytysnopeuksia ja paine-eroja. Koska kuplan romahtamisdynamiikka on nopeampaa kuin massan ja lämmön siirto, romahtavan ontelon energia rajoittuu hyvin pieneen vyöhykkeeseen, jota kutsutaan myös "kuumaksi pisteeksi". Kavitaatiokuplan luhistuminen johtaa myös mikroturbulensseihin, nestesuihkuihin, joiden nopeus on jopa 280 m/s, ja niistä johtuviin leikkausvoimiin. Tätä ilmiötä kutsutaan ultraääni- tai akustiseksi kavitaatioksi.
Nämä kavitaatiovoimat vaikuttavat sonikoidun nesteen pisaroihin ja hiukkasiin, ja kun kiihdytetyt hiukkaset törmäävät toisiinsa, ne hajoavat hiukkasten törmäyksessä. Akustinen kavitaatio on ultraäänijyrsinnän, dispergointien, emulgoinnin ja sonokemian toimintaperiaate.
Kitiinin deasetyyliaatiota varten korkean intensiteetin ultraääni kasvaa pinta-alalla aktivoimalla pinta ja edistämällä massansiirtoa hiukkasten ja reagenssin välillä.
kitosaani
Kitosaani on modifioitu, kationinen, myrkytön hiilihydraattipolymeeri, jolla on monimutkainen kemiallinen rakenne, jonka pääkomponenttina on β-(1,4) glukosamiiniyksiköt (>80 %) ja N-asetyyliglukosamiiniyksiköt (<20%), satunnaisesti jakautunut ketjua pitkin. Kitosaani on peräisin kitiinistä kemiallisen tai entsymaattisen deasetyyliaation kautta. Deasetyyliaatioaste (DA) määrittää vapaiden aminoryhmien pitoisuuden rakenteessa ja sitä käytetään kitiinin ja kitosaanin erottamiseen. Kitosaanilla on hyvä liukoisuus kohtalaisiin liuottimiin, kuten laimennettuun etikkahappoon, ja se tarjoaa useita vapaita amiiniryhmiä aktiivisina kohtina. Tämä tekee kitosaanista edullisen kitiiniin nähden monissa kemiallisissa reaktioissa.
Kitosaania arvostetaan sen erinomaisesta biologisesta yhteensopivuudesta ja biohajoavuudesta, myrkyttömyydestä, hyvästä antimikrobisesta aktiivisuudesta (bakteereja ja sieniä vastaan), hapen läpäisemättömyydestä ja kalvonmuodostusominaisuuksista. Toisin kuin kitiini, kitosaanilla on se etu, että se on vesiliukoinen ja siten helpompi käsitellä ja käyttää formulaatioissa.
Kitiinin valtava runsaus selluloosan jälkeen on toiseksi runsain polysakkaridi, ja se on halpa ja kestävä raaka-aine.
Kitosaanin tuotanto
Kitosaania tuotetaan kaksivaiheisessa prosessissa. Ensimmäisessä vaiheessa raaka-aine, kuten äyriäisten kuoret (eli katkarapu, rapu, hummeri), deproteinoidaan, demineralisoidaan ja puhdistetaan kitiinin saamiseksi. Toisessa vaiheessa kitiiniä käsitellään vahvalla emäksellä (esim. NaOH) asetyylisivuketjujen poistamiseksi kitosaanin saamiseksi. Perinteisen kitosaanin valmistusprosessin tiedetään olevan erittäin aikaa vievää ja kallista.
kitiini
Kitiini (C8H13O5N)n on suoraketjuinen polymeeri, jossa on β-1,4-N-asetyyliglukosamiinia ja joka luokitellaan α-, β- ja γ-kitiiniin. Koska kitiini on glukoosijohdannainen, se on pääkomponentti niveljalkaisten, kuten äyriäisten ja hyönteisten, eksoskeletoneissa, nilviäisten, pääjalkaisten nokissa sekä kalojen ja lissammakkoeläinten asteikoissa, ja sitä löytyy myös sienten soluseinistä. Kitiinin rakenne on verrattavissa selluloosaan, muodostaen kiteisiä nanofibrillejä tai viikset. Selluloosa on maailman runsain polysakkaridi, jota seuraa kitiini toiseksi runsaimpana polysakkaridina.
glukosamiini
Glukosamiini (C6H13EI5) on aminosokeri ja glykosyloitujen proteiinien ja lipidien biokemiallisen synteesin tärkeä esiaste. Glukosamiini on luonnollisesti runsas yhdiste, joka on osa sekä polysakkaridien, kitosaanin että kitiinin rakennetta, mikä tekee glukosamiinista yhden runsaimmista monosakkarideista. Suurin osa kaupallisesti saatavilla olevasta glukosamiinista tuotetaan hydrolysoimalla äyriäisten eksoskeletoneja eli rapujen ja hummerin kuoria.
Glukosamiinia käytetään pääasiassa ravintolisänä, jossa sitä käytetään glukosamiinisulfaatin, glukosamiinihydrokloridin tai N-asetyyliglukosamiinin muodossa. Glukosamiinisulfaattilisäaineita annetaan suun kautta kivuliaan tilan hoitamiseksi, joka johtuu tulehduksesta, hajoamisesta ja mahdollisesta ruston menetyksestä (nivelrikko).