Désacétylation par ultrasons de la chitine en chitosane
Production de chitosane par ultrasons
Le chitosane est obtenu par N-désacétylation de la chitine. Dans la désacétylation conventionnelle, la chitine est mise à tremper dans des solvants alcalins aqueux (généralement NaOH à 40 à 50% (m/m)). Le trempage nécessite des températures élevées de 100 à 120ºC et est très long, tandis que le rendement en chitosane obtenu par étape de trempage est faible. L’application d’ultrasons de forte puissance intensifie considérablement le processus de désacétylation de la chitine et permet d’obtenir un rendement élevé en chitosane de faible poids moléculaire grâce à un traitement rapide à plus basse température. La désacétylation par ultrasons fournit un chitosane de qualité supérieure, utilisé comme ingrédient alimentaire et pharmaceutique, comme engrais et dans de nombreuses autres applications industrielles.
Le traitement par ultrasons permet d’obtenir un degré d’acétylation (DA) exceptionnel de la chitine, abaissant le degré d’acétylation de la chitine de DA≥90 à un chitosane de DA≤10.
De nombreuses études confirment l’efficacité de la désacétylation de la chitine en chitosane par ultrasons. Weiss J. et al. (2008) ont constaté que la sonication améliore considérablement la conversion de la chitine en chitosane. Le traitement de la chitine par ultrasons permet un gain de temps important, réduisant la durée de procédé nécessaire de 12–24 heures à quelques heures. En outre, il faut moins de solvant pour obtenir une conversion complète, ce qui réduit l’impact environnemental lié au rejet et à l’élimination du solvant usé ou n’ayant pas réagi, c.-à-d. le NaOH concentré.
La désacétylation de la chitine en chitosane est favorisée par la sonication
UIP4000hdT – système à ultrasons de puissance de 4kW
Principe de fonctionnement du traitement du chitosane par ultrasons
L’ultrasonication de forte puissance et basse fréquence (∼20–26kHz) génère une cavitation acoustique dans les liquides et les suspensions. Les ultrasons de forte puissance favorisent la conversion de la chitine en chitosane, car le solvant (p. ex. NaOH) fragmente et pénètre les particules solides de chitine, augmentant ainsi la surface spécifique et améliorant le transfert de masse entre la phase solide et la phase liquide. En outre, les forces de cisaillement élevées de la cavitation ultrasonore créent des radicaux libres qui augmentent la réactivité du réactif (c.-à-d. NaOH) pendant l’hydrolyse. En tant que technique de traitement non thermique, la sonication empêche la dégradation thermique, produisant ainsi un chitosane de haute qualité. Les ultrasons raccourcissent les temps de traitement nécessaires pour extraire la chitine des crustacés et permettent d’obtenir une chitine (et donc, par la suite, un chitosane) de plus grande pureté par rapport aux conditions de traitement traditionnelles. Pour la production de chitine et de chitosane, les ultrasons ont donc le potentiel de réduire les coûts de production, de diminuer le temps de traitement, de permettre un meilleur contrôle du processus de production et de réduire l’impact environnemental des déchets du procédé.
- Rendement en chitosane plus élevé
- Qualité supérieure
- Temps réduit
- Température de procédé plus basse
- Efficacité accrue
- Utilisation simple et sûre
- Respectueux de l’environnement
Désacétylation de la chitine en chitosane par ultrasons – Protocole
1) Préparation de la chitine :
Lorsque des carapaces de crabe sont utilisées comme matière première, elles doivent être soigneusement lavées afin d’éliminer toute matière organique soluble et les impuretés adhérentes, notamment la terre et les protéines. Ensuite, le matériau des carapaces doit être complètement séché (p. ex. à 60ºC pendant 24h dans une étuve). Les carapaces séchées sont ensuite broyées (p. ex. à l’aide d’un broyeur à marteaux), déprotéinisées en milieu alcalin (p. ex. NaOH à une concentration de 0,125 à 5,0 M) et déminéralisées en milieu acide (p. ex. acide chlorhydrique dilué).
2) Désacétylation par ultrasons
Pour réaliser une réaction typique de désacétylation par ultrasons, des particules de bêta-chitine (0,125 mm < d < 0,250 mm) sont mises en suspension dans du NaOH aqueux à 40% (m/m) selon un rapport bêta-chitine/solution aqueuse de NaOH de 1/10(g mL-1), la suspension est transférée dans un bécher en verre à double paroi et soniquée à l’aide d’un appareil Hielscher UP400St (homogénéisateur à ultrasons). Les paramètres suivants (cf. Fiamingo et al. 2016) sont maintenus constants lors d’une réaction de désacétylation de la chitine par ultrasons : (i) sonde à ultrasons (sonotrode Hielscher S24d22D, diamètre de pointe = 22 mm) ; (ii) mode de sonication pulsé (IP = 0,5sec) ; (iii) intensité ultrasonore surfacique
(I = 52,6 W cm-2), (iv) température de réaction (60ºC ±1ºC), (v) durée de réaction (50 min), (vi) rapport masse de bêta-chitine/volume d’hydroxyde de sodium aqueux à 40% (m/m) (BCHt/NaOH = 1/10 g mL-1) ; (vii) volume de la suspension de bêta-chitine (50mL).
La première réaction se déroule pendant 50min sous agitation magnétique constante, puis est interrompue par un refroidissement rapide de la suspension à 0ºC. Ensuite, de l’acide chlorhydrique dilué est ajouté pour atteindre un pH de 8,5 et l’échantillon CHs1 est isolé par filtration, abondamment lavé à l’eau déionisée et séché dans les conditions ambiantes. Lorsque la même désacétylation par ultrasons est répétée sur CHs1 en tant que seconde étape, on obtient l’échantillon CHs2.
Images de microscopie électronique à balayage (MEB) à un grossissement de 100× de a) gladius, b) gladius traité par ultrasons, c) β-chitine, d) β-chitine traitée par ultrasons et e) chitosane (source : Preto et al. 2017)
Fiamingo et al. ont constaté que la désacétylation par ultrasons de la bêta-chitine produit efficacement un chitosane de poids moléculaire élevé avec un faible degré d’acétylation, sans recourir à des additifs, à une atmosphère inerte ni à de longs temps de réaction. Et ce, alors même que la réaction de désacétylation par ultrasons est réalisée dans des conditions plus douces – c.-à-d. une basse température de réaction par rapport à la plupart des désacétylations thermochimiques. La désacétylation par ultrasons de la bêta-chitine permet de préparer un chitosane désacétylé de manière aléatoire présentant un degré d’acétylation variable (4% ≤ DA ≤ 37%), une masse molaire moyenne en masse élevée (900 000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1 200 000 g mol-1 ) et une faible dispersité (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4), en réalisant trois réactions consécutives (50 min/étape) à 60ºC.
Processeurs à ultrasons de forte puissance, du laboratoire à l’échelle pilote et industrielle.
Systèmes à ultrasons haute performance pour la production de chitosane
La fragmentation de la chitine et la désacétylation de la chitine en chitosane nécessitent un équipement à ultrasons puissant et fiable, capable de fournir des amplitudes élevées, offrant une maîtrise précise des paramètres de procédé et pouvant fonctionner 24/7 sous forte charge et dans des environnements exigeants. La gamme de produits de Hielscher Ultrasonics répond à vos besoins et à ceux de votre procédé. Les ultrasonicateurs Hielscher sont des systèmes haute performance qui peuvent être équipés d’accessoires tels que des sonotrodes, des boosters, des réacteurs ou des cellules à circulation afin de répondre de manière optimale aux besoins de votre procédé.
Grâce à l’écran numérique couleur, à la possibilité de prérégler les cycles de sonication, à l’enregistrement automatique des données sur une carte SD intégrée, à la commande à distance via navigateur et à de nombreuses autres fonctionnalités, un contrôle optimal du procédé et une grande facilité d’utilisation sont garantis. Alliant robustesse et capacité à supporter de fortes charges, les systèmes à ultrasons Hielscher sont vos bêtes de somme fiables en production.
La fragmentation et la désacétylation de la chitine nécessitent des ultrasons puissants pour obtenir la conversion visée et un produit final de chitosane de haute qualité. En particulier pour la fragmentation des flocons de chitine, des amplitudes élevées et des pressions élevées sont déterminantes. Les processeurs à ultrasons industriels de Hielscher Ultrasonics fournissent aisément de très hautes amplitudes. Des amplitudes allant jusqu’à 200µm peuvent être maintenues en continu en fonctionnement 24/7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes à ultrasons personnalisées sont disponibles. La capacité de puissance des systèmes à ultrasons Hielscher permet une désacétylation efficace et rapide dans un procédé sûr et convivial.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicateurs :
| Volume de lot | Débit | Appareils recommandés |
|---|---|---|
| 1 à 500mL | 10 à 200mL/min | UP100H |
| 10 à 2000mL | 20 à 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 à 20L | 0,2 à 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 à 100L | 2 à 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 à 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | plus grand | cluster de UIP16000 |
Contactez-nous ! / Posez-nous vos questions !
Bibliographie et références
- 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.
Faits à connaître
Comment fonctionne la désacétylation de la chitine par ultrasons ?
Lorsque des ultrasons de forte puissance et basse fréquence (p. ex. 20–26kHz) sont couplés dans un liquide ou une suspension, des cycles alternés de haute pression / basse pression sont appliqués au liquide, créant des compressions et des raréfactions. Au cours de ces cycles alternés de haute pression / basse pression, de petites bulles de vide sont générées, qui grossissent sur plusieurs cycles de pression. Au moment où les bulles de vide ne peuvent plus absorber davantage d’énergie, elles implosent violemment. Lors de cette implosion des bulles, des conditions localement très intenses apparaissent : des températures élevées allant jusqu’à 5000K, des pressions allant jusqu’à 2000atm, des vitesses de chauffage/refroidissement très élevées et des différentiels de pression. Comme la dynamique d’effondrement des bulles est plus rapide que le transfert de masse et de chaleur, l’énergie dans la cavité qui s’effondre est confinée dans une zone très restreinte, également appelée « point chaud ». L’implosion de la bulle de cavitation entraîne également des microturbulences, des jets de liquide atteignant une vitesse de 280m/s et les forces de cisaillement qui en résultent. Ce phénomène est connu sous le nom de cavitation ultrasonore ou acoustique.
Les gouttelettes et les particules présentes dans le liquide soniqué sont frappées par ces forces de cavitation et, lorsque les particules accélérées entrent en collision les unes avec les autres, elles sont brisées par collision interparticulaire. La cavitation acoustique est le principe de fonctionnement du broyage, de la dispersion, de l’émulsification et de la sonochimie par ultrasons.
Pour la désacétylation de la chitine, les ultrasons de haute intensité augmentent la surface spécifique en activant la surface et en favorisant le transfert de masse entre les particules et le réactif.
Chitosane
Le chitosane est un polymère glucidique modifié, cationique et non toxique, à la structure chimique complexe formée d’unités de β-(1,4) glucosamine comme composant principal (>80%) et d’unités de N-acétylglucosamine (<20%), réparties de manière aléatoire le long de la chaîne. Le chitosane est dérivé de la chitine par désacétylation chimique ou enzymatique. Le degré de désacétylation (DA) détermine la teneur en groupes amino libres dans la structure et sert à distinguer la chitine du chitosane. Le chitosane présente une bonne solubilité dans des solvants modérés tels que l’acide acétique dilué et offre plusieurs groupes amine libres comme sites actifs. Cela confère au chitosane un avantage sur la chitine dans de nombreuses réactions chimiques.
Le chitosane est apprécié pour son excellente biocompatibilité et biodégradabilité, sa non-toxicité, sa bonne activité antimicrobienne (contre les bactéries et les champignons), son imperméabilité à l’oxygène et ses propriétés filmogènes. Contrairement à la chitine, le chitosane a l’avantage d’être soluble dans l’eau et donc plus facile à manipuler et à utiliser dans des formulations.
Deuxième polysaccharide le plus abondant après la cellulose, la chitine, de par son immense abondance, constitue une matière première bon marché et durable.
Production de chitosane
Le chitosane est produit selon un procédé en deux étapes. Dans la première étape, la matière première, telle que les carapaces de crustacés (c.-à-d. crevettes, crabes, homards), est déprotéinisée, déminéralisée et purifiée pour obtenir de la chitine. Dans la seconde étape, la chitine est traitée avec une base forte (p. ex. NaOH) afin d’éliminer les chaînes latérales acétyle pour obtenir le chitosane. Le procédé conventionnel de production de chitosane est réputé très long et coûteux.
Chitine
La chitine (C8H13O5N)n est un polymère à chaîne linéaire de β-1,4-N-acétylglucosamine et se classe en α-, β- et γ-chitine. Dérivée du glucose, la chitine est un composant principal des exosquelettes des arthropodes, tels que les crustacés et les insectes, des radulas des mollusques, des becs des céphalopodes et des écailles des poissons et des lissamphibiens, et se trouve également dans les parois cellulaires des champignons. La structure de la chitine est comparable à celle de la cellulose, formant des nanofibrilles cristallines ou whiskers. La cellulose est le polysaccharide le plus abondant au monde, suivie de la chitine, deuxième polysaccharide le plus abondant.
Glucosamine
La glucosamine (C6H13NO5) est un aminosucre et un précurseur important dans la synthèse biochimique des protéines et des lipides glycosylés. La glucosamine est naturellement un composé abondant qui fait partie de la structure des deux polysaccharides, le chitosane et la chitine, ce qui fait de la glucosamine l’un des monosaccharides les plus abondants. La majeure partie de la glucosamine disponible dans le commerce est produite par hydrolyse des exosquelettes de crustacés, c.-à-d. des carapaces de crabes et de homards.
La glucosamine est principalement utilisée comme complément alimentaire, sous forme de sulfate de glucosamine, de chlorhydrate de glucosamine ou de N-acétylglucosamine. Les compléments de sulfate de glucosamine sont administrés par voie orale pour traiter une affection douloureuse causée par l’inflammation, la dégradation et la perte progressive du cartilage (arthrose).