Déacétylation ultrasonique 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 trempée dans des solvants alcalins aqueux (typiquement 40 à 50 % (p/p) de NaOH). Le processus de trempage nécessite des températures élevées de 100 à 120 ºC et prend beaucoup de temps, tandis que le rendement du chitosane obtenu par étape de trempage est faible. L'application d'ultrasons puissants intensifie considérablement le processus de désacétylation de la chitine et permet d'obtenir un rendement élevé de chitosane de faible poids moléculaire dans le cadre d'un traitement rapide à basse température. La désacétylation par ultrasons permet d'obtenir un chitosane de qualité supérieure qui est utilisé comme ingrédient alimentaire et pharmaceutique, comme engrais et dans de nombreuses autres applications industrielles.
Le traitement ultrasonique entraîne un degré d'acétylation (DA) exceptionnel de la chitine, abaissant le degré d'acétylation de la chitine de DA≥90 à celui du chitosane avec un DA≤10.
De nombreuses études confirment l'efficacité de la désacétylation ultrasonique de la chitine en chitosane. Weiss J. et al. (2008) ont constaté que la sonication améliore considérablement la conversion de la chitine en chitosane. Le traitement ultrasonique de la chitine s'accompagne d'un gain de temps considérable, réduisant la durée du processus de 12-24 heures à quelques heures. En outre, une quantité moindre de solvant est nécessaire 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'est-à-dire le NaOH concentré.
La désacétylation de la chitine en chitosane est favorisée par la sonication
UIP4000hdT – Système à ultrasons d'une puissance de 4 kW
Principe de fonctionnement du traitement ultrasonique du chitosane
Les ultrasons à haute puissance et à basse fréquence (∼20-26kHz) créent une cavitation acoustique dans les liquides et les boues. Les ultrasons de forte puissance favorisent la conversion de la chitine en chitosane, car le solvant (par exemple, NaOH) fragmente et pénètre les particules solides de chitine, augmentant ainsi la surface et améliorant le transfert de masse entre la phase solide et la phase liquide. En outre, les forces de cisaillement élevées de la cavitation ultrasonique créent des radicaux libres qui augmentent la réactivité du réactif (c'est-à-dire le NaOH) pendant l'hydrolyse. En tant que technique de traitement non thermique, la sonication empêche la dégradation thermique, ce qui permet d'obtenir un chitosane de haute qualité. Les ultrasons réduisent les temps de traitement nécessaires pour extraire la chitine des crustacés et produisent de la chitine (et donc du chitosane) d'une 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 le coût 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 processus.
- Rendement plus élevé du chitosane
- Qualité supérieure
- Temps réduit
- Diminution de la température du processus
- Efficacité accrue
- facile & Fonctionnement sûr
- respectueux de l'environnement
Décetylation ultrasonique de la chitine en chitosane – Protocole
1) Préparer la chitine :
Les carapaces de crabe utilisées comme matière première doivent être soigneusement lavées afin d'éliminer les substances organiques solubles et les impuretés adhérentes, y compris la terre et les protéines. Ensuite, les carapaces doivent être complètement séchées (par exemple, à 60ºC pendant 24 heures dans un four). Les coquilles séchées sont ensuite broyées (par exemple à l'aide d'un broyeur à marteaux), déprotéinisées en milieu alcalin (par exemple NaOH à une conc. de 0,125 à 5,0 M) et déminéralisées à l'acide (par exemple acide chlorhydrique dilué).
2) Déacétylation par ultrasons
Pour réaliser une réaction typique de désacétylation par ultrasons, des particules de bêta-chitine (0,125 mm < d < 0.250 mm) sont suspendus dans une solution aqueuse de NaOH à 40% (w/w) à 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 est soniquée à l'aide d'un Hielscher UP400St homogénéisateur ultrasonique. Les paramètres suivants (cf. Fiamingo et al. 2016) sont maintenus constants lors de l'exécution d'une réaction de désacétylation de la chitine par ultrasons : (i) sonde ultrasonique (sonotrode Hielscher S24d22D, diamètre de la pointe = 22 mm) ; (ii) mode d'impulsion de sonication (IP = 0,5sec) ; (iii) intensité ultrasonique de surface.
(I = 52,6 W cm-2), (iv) température de réaction (60ºC ±1ºC), (v) temps de réaction (50 min), (vi) rapport poids de bêta-chitine/volume d'hydroxyde de sodium aqueux à 40% (w/w) (BCHt/NaOH = 1/10 g mL), (vii) rapport poids de bêta-chitine/volume d'hydroxyde de sodium aqueux à 40% (w/w) (BCHt/NaOH = 1/10 g mL).-1) ; vii) volume de la suspension de bêta-chitine (50 ml).
La première réaction se déroule pendant 50 minutes sous agitation magnétique constante et est ensuite 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, lavé abondamment avec de l'eau désionisée et séché dans des conditions ambiantes. Lorsque la même désacétylation ultrasonique est répétée dans un deuxième temps pour CHs1, elle produit l'échantillon CHs2.
Images de microscopie électronique à balayage (MEB) à un grossissement de 100× de a) gladius, b) gladius traité aux ultrasons, c) β-chitine, d) β-chitine traitée aux ultrasons, et e) chitosan (source : Preto et al. 2017).
Fiamingo et al. ont constaté que la désacétylation ultrasonique de la bêta-chitine produit efficacement du chitosane de haut poids moléculaire avec un faible degré d'acétylation, sans utiliser d'additifs, d'atmosphère inerte ou de longs temps de réaction. Même si la réaction de désacétylation par ultrasons est effectuée dans des conditions plus douces – c'est-à-dire une température de réaction basse par rapport à la plupart des désacétylations thermochimiques. La désacétylation ultrasonique de la bêta-chitine permet la préparation de chitosane désacétylé de façon aléatoire, possédant un degré d'acétylation variable (4 % ≤ DA ≤ 37 %), un poids moléculaire moyen élevé (900 000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1 200 000 g mol-1 ) et une faible dispersion (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4) en effectuant trois réactions consécutives (50 min/étape) à 60 ºC.
Processeurs ultrasoniques de grande puissance, du laboratoire à l'échelle pilote et industrielle.
Systèmes ultrasoniques haute performance pour la production de chitosane
La fragmentation de la chitine et la décétylation de la chitine en chitosane nécessitent un équipement ultrasonique puissant et fiable, capable de délivrer des amplitudes élevées, d'offrir un contrôle précis des paramètres du processus et de fonctionner 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, sous forte charge et dans des environnements exigeants. La gamme de produits Hielscher Ultrasonics répond à vos besoins et à ceux de votre procédé. Les ultrasons Hielscher sont des systèmes de haute performance qui peuvent être équipés d'accessoires tels que des sonotrodes, des amplificateurs, des réacteurs ou des cellules d'écoulement afin de répondre de manière optimale aux besoins de votre procédé.
Grâce à l'affichage numérique en couleur, à la possibilité de prérégler les cycles de sonification, à l'enregistrement automatique des données sur une carte SD intégrée, à la commande à distance par navigateur et à bien d'autres fonctions encore, un contrôle optimal des processus et une grande convivialité sont garantis. Associés à la robustesse et à la capacité de charge élevée, les systèmes à ultrasons Hielscher sont votre cheval de bataille fiable en production.
La fragmentation et la désacétylation de la chitine nécessitent des ultrasons puissants pour obtenir la conversion ciblée et un produit final de chitosane de haute qualité. Pour la fragmentation des flocons de chitine en particulier, des amplitudes élevées et des pressions importantes sont cruciales. Hielscher Ultrasons’ Les processeurs industriels à ultrasons fournissent facilement des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu'à 200µm peuvent être exploitées en continu, 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles. La puissance des systèmes à ultrasons Hielscher permet une désacétylation efficace et rapide dans le cadre d'un processus sûr et convivial.
Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasons :
| Volume du lot | Débit | Dispositifs 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.d. | 10 à 100L/min | UIP16000 |
| n.d. | plus grande | groupe de UIP16000 |
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Littérature/Références
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019) : Films bionanocomposites à base de chitosane préparés par technique d'émulsion pour la conservation des aliments. Materials 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016) : Chitosane de haut poids moléculaire largement désacétylé issu de la désacétylation assistée par ultrasons en plusieurs étapes de la bêta-chitine. 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, Nouvelle-Orléans, LA, 28 juin.
- 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 et ses dérivés comme biosorbants potentiels pour le diesel marin. Environmental Science and Pollution Research (2017) 24:22932-22939.
- Wijesena R.N., Tissera N., Kannangara Y.Y., Lin Y., Amaratunga G.A.J., de Silva K.M.N. (2015) : Méthode de préparation de haut en bas de nanoparticules et de nanofibres de chitosane. Carbohydrate Polymers 117, 2015. 731-738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Réduction efficace du poids moléculaire du chitosane par des ultrasons de haute intensité : 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) : Les déchets de fruits de mer : une source pour la préparation de matériaux de chitine/chitosane commercialement utilisables. Bioressources et Bioprocessing 6/8, 2019.
Qu'il faut savoir
Comment fonctionne la déactylation ultrasonique de la chitine ?
Lorsque des ultrasons à haute puissance et à basse fréquence (par exemple, 20-26 kHz) sont couplés à un liquide ou à une boue, des cycles alternatifs de haute et de basse pression sont appliqués au liquide, ce qui crée une compression et une raréfaction. Au cours de ces cycles alternés de haute et de basse pression, de petites bulles de vide sont générées et se développent sur plusieurs cycles de pression. Lorsque les bulles de vide ne peuvent plus absorber d'énergie, elles s'effondrent violemment. Pendant l'implosion de la bulle, des conditions très intenses se produisent localement : des températures élevées allant jusqu'à 5 000 K, des pressions allant jusqu'à 2 000 atm, des taux de chauffage/refroidissement et des différentiels de pression très élevés se produisent. Comme la dynamique d'effondrement de la bulle est plus rapide que le transfert de masse et de chaleur, l'énergie dans la cavité qui s'effondre est confinée dans une très petite zone, également appelée "point chaud". L'implosion de la bulle de cavitation entraîne également des microturbulences, des jets de liquide d'une vitesse pouvant atteindre 280 m/s et les forces de cisaillement qui en résultent. Ce phénomène est connu sous le nom de cavitation ultrasonique ou acoustique.
Les gouttelettes et les particules présentes dans le liquide sonifié sont soumises à ces forces de cavitation et lorsque les particules accélérées entrent en collision les unes avec les autres, elles sont brisées par la collision interparticulaire. La cavitation acoustique est le principe de fonctionnement du broyage, de la dispersion, de l'émulsification et de la sonochimie ultrasoniques.
Pour la désacétylation de la chitine, les ultrasons de haute intensité augmentent la surface en activant la surface et en favorisant le transfert de masse entre les particules et le réactif.
chitosan
Le chitosane est un polymère glucidique modifié, cationique et non toxique, dont la structure chimique complexe est formée d'unités de β-(1,4) glucosamine comme composant principal (>80%) et des unités de N-acétyl glucosamine (<20 %), répartis 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 aminés libres dans la structure et permet de distinguer la chitine du chitosane. Le chitosane présente une bonne solubilité dans les solvants modérés tels que l'acide acétique dilué et offre plusieurs groupes aminés libres comme sites actifs. Le chitosane est donc plus avantageux que 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 présente l'avantage d'être soluble dans l'eau et donc plus facile à manipuler et à utiliser dans les formulations.
Deuxième polysaccharide le plus abondant après la cellulose, la chitine est une matière première bon marché et durable en raison de son abondance.
Production de chitosane
Le chitosan est produit selon un processus en deux étapes. Dans un premier temps, la matière première, telle que les carapaces de crustacés (crevettes, crabes, homards), est déprotéinisée, déminéralisée et purifiée pour obtenir de la chitine. Dans un deuxième temps, la chitine est traitée avec une base forte (par exemple NaOH) pour éliminer les chaînes latérales acétyles afin d'obtenir le chitosane. Le processus de production conventionnel du chitosane est connu pour être très long et coûteux.
chitine
La chitine (C8H13O5N)n La chitine est un polymère à chaîne droite de β-1,4-N-acétylglucosamine et est classée 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 radulae des mollusques, des becs des céphalopodes, des écailles des poissons et des lissamphibiens, et se retrouve également dans les parois cellulaires des champignons. La structure de la chitine est comparable à celle de la cellulose, formant des nanofibrilles cristallines ou des moustaches. La cellulose est le polysaccharide le plus abondant au monde, suivi de la chitine, deuxième polysaccharide le plus abondant.
Glucosamine
Glucosamine (C6H13Non5) est un sucre aminé et un précurseur important dans la synthèse biochimique des protéines glycosylées et des lipides. La glucosamine est naturellement un composé abondant qui fait partie de la structure des polysaccharides, du chitosane et de la chitine, ce qui fait de la glucosamine l'un des monosaccharides les plus abondants. La plupart de la glucosamine disponible dans le commerce est produite par l'hydrolyse des exosquelettes de crustacés, c'est-à-dire 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-acétyl glucosamine. Les suppléments de sulfate de glucosamine sont administrés par voie orale pour traiter une affection douloureuse causée par l'inflammation, la dégradation et finalement la perte du cartilage (arthrose).