Ultrazvučna deacetilacija hitina u hitozan
Ultrazvučna proizvodnja kitozana
Hitozan se dobiva N-deacetilacijom hitina. U konvencionalnoj deacetilaciji, hitin se namače u vodenim alkalnim otapalima (obično 40 do 50% (w/w) NaOH). Proces namakanja zahtijeva visoke temperature od 100 do 120ºC i oduzima puno vremena, dok je prinos kitozana dobiven po koraku namakanja nizak. Primjena ultrazvuka velike snage značajno intenzivira proces deacetilacije hitina i rezultira visokim prinosom kitozana niske molekularne težine u brzoj obradi na nižim temperaturama. Ultrazvučna deacetilacija rezultira hitozanom vrhunske kvalitete koji se koristi kao sastojak hrane i farmacije, kao gnojivo i u mnogim drugim industrijskim primjenama.
Ultrazvučni tretman rezultira iznimnim stupnjem acetilacije (DA) hitina snižavajući stupanj acetilacije hitina s DA≥90 na kitozan s DA≤10.
Mnoga istraživanja potvrđuju učinkovitost ultrazvučne deacetilacije hitina u hitozan. Weiss J. i sur. (2008.) otkrili su da sonikacija drastično poboljšava pretvorbu hitina u hitozan. Ultrazvučna obrada hitina dolazi sa značajnom uštedom vremena smanjujući potrebno vrijeme procesa sa 12-24 sata na nekoliko sati. Nadalje, potrebno je manje otapala za postizanje pune pretvorbe, što smanjuje utjecaj na okoliš zbog potrebe za odbacivanjem i odlaganjem istrošenog ili neizreagiranog otapala, tj. koncentriranog NaOH.
Deacetilacija hitina u hitozan pospješuje se sonikacijom
UIP4000hdT – Ultrazvučni sustav snage 4kW
Princip rada ultrazvučnog tretmana hitozanom
Ultrazvučna obrada niske frekvencije velike snage (~20-26kHz) stvara akustičnu kavitaciju u tekućinama i kašama. Ultrazvuk velike snage potiče pretvorbu hitina u hitozan dok se otapalo (npr. NaOH) fragmentira i prodire u čvrste čestice hitina, čime se povećava površina i poboljšava prijenos mase između čvrste i tekuće faze. Nadalje, velike sile smicanja ultrazvučne kavitacije stvaraju slobodne radikale koji povećavaju reaktivnost reagensa (tj. NaOH) tijekom hidrolize. Kao ne-termalna tehnika obrade, sonikacija sprječava toplinsku degradaciju proizvodeći visokokvalitetni kitozan. Ultrazvuk skraćuje vrijeme obrade potrebno za ekstrakciju hitina iz rakova, kao i daje hitin (a time i hitozan) veće čistoće u usporedbi s tradicionalnim uvjetima obrade. Za proizvodnju hitina i hitozana, ultrazvuk stoga ima potencijal smanjiti proizvodne troškove, smanjiti vrijeme obrade, omogućiti bolju kontrolu proizvodnog procesa i smanjiti utjecaj procesa procesa na okoliš.
- Veći prinos kitozana
- Vrhunska kvaliteta
- Smanjeno vrijeme
- Niža temperatura procesa
- Povećana učinkovitost
- Lako & siguran rad
- ekološki prihvatljivo
Ultrazvučna decetilacija hitina u hitozan – protokol
1) Pripremite hitin:
Koristeći oklope rakova kao izvorni materijal, oklope rakova treba temeljito oprati kako bi se uklonile sve topive organske tvari i prianjajuće nečistoće, uključujući tlo i proteine. Nakon toga se materijal ljuske mora potpuno osušiti (npr. na 60ºC 24 sata u pećnici). Osušene ljuske se zatim samelju (npr. pomoću mlina čekićara), deproteiniziraju u alkalnom mediju (npr. NaOH u koncentraciji od 0,125 do 5,0 M) i demineraliziraju u kiselini (npr. razrijeđenoj klorovodičnoj kiselini).
2) Ultrazvučna deacetilacija
Za izvođenje tipične ultrazvučne reakcije deacetilacije, čestice beta-hitina (0,125 mm < D < 0.250 mm) se suspendiraju u 40% (w/w) vodenoj otopini NaOH u omjeru beta-hitina/vodene otopine NaOH od 1/10 (g mL-1), suspenzija se prenosi u staklenu čašu s dvostrukim stijenkama i sonicira pomoću Hielschera. UP400St ultrazvučni homogenizator. Sljedeći parametri (usp. Fiamingo et al. 2016.) održavaju se konstantnima pri izvođenju ultrazvučne reakcije deacetilacije hitina: (i) ultrazvučna sonda (sonotroda Hielscher S24d22D, promjer vrha = 22 mm); (ii) pulsni način sonikacije (IP = 0,5 s); (iii) ultrazvučni površinski intenzitet
(I = 52,6 W cm-2), (iv) temperatura reakcije (60ºC ±1ºC), (v) vrijeme reakcije (50 min), (vi) omjer beta-hitina težina/volumen od 40% (w/w) vodene otopine natrijevog hidroksida (BCHt/NaOH = 1) /10 g ml-1); (vii) volumen suspenzije beta-hitina (50 mL).
Prva reakcija traje 50 minuta uz stalno magnetsko miješanje, a zatim se prekida brzim hlađenjem suspenzije na 0ºC. Nakon toga se doda razrijeđena klorovodična kiselina da se postigne pH 8,5 i uzorak CHs1 se izolira filtracijom, opsežno ispere deioniziranom vodom i osuši pri sobnim uvjetima. Kada se ista ultrazvučna deacetilacija ponovi kao drugi korak do CHs1, proizvodi se uzorak CHs2.
Slike skenirajuće elektronske mikroskopije (SEM) u povećanju od 100× a) gladijusa, b) gladijusa tretiranog ultrazvukom, c) β-hitina, d) β-hitina tretiranog ultrazvukom i e) hitozana (izvor: Preto et al. 2017.)
Fiamingo i sur. otkrili su da ultrazvučna deacetilacija beta-hitina učinkovito proizvodi kitozan visoke molekularne težine s niskim stupnjem acetilacije, bez upotrebe aditiva, inertne atmosfere ili dugih reakcijskih vremena. Iako se ultrazvučna reakcija deacetilacije provodi pod blažim uvjetima – tj. niska reakcijska temperatura u usporedbi s većinom termokemijskih deacetilacija. Ultrazvučna deacetilacija beta-hitina omogućuje pripremu nasumično deacetiliranog kitozana koji posjeduje promjenjivi stupanj acetilacije (4% ≤ DA ≤ 37%), visoku prosječnu molekularnu težinu (900 000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1 200 000 g mol-1 ) i niske disperznosti (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4) izvođenjem tri uzastopne reakcije (50 min/korak) na 60ºC.
Ultrazvučni procesori velike snage od laboratorijskih do pilotskih i industrijskih razmjera.
Ultrazvučni sustavi visokih performansi za proizvodnju kitozana
Fragmentacija hitina i decetilacija hitina u hitozan zahtijeva moćnu i pouzdanu ultrazvučnu opremu koja može isporučiti visoke amplitude, nudi preciznu kontrolu parametara procesa i može raditi 24/7 pod velikim opterećenjem i u zahtjevnim okruženjima. Asortiman proizvoda Hielscher Ultrasonics pokriva vas i vaše procesne zahtjeve. Hielscher ultrasonicators su sustavi visokih performansi koji se mogu opremiti priborom kao što su sonotrode, pojačivači, reaktori ili protočne ćelije kako bi se na optimalan način uskladili s vašim potrebama procesa.
S digitalnim zaslonom u boji, opcijom unaprijed postavljenih pokreta ultrazvuka, automatskim snimanjem podataka na integriranu SD karticu, daljinskim upravljanjem preglednikom i mnogim drugim značajkama, osigurana je najviša kontrola procesa i lakoća korištenja. U kombinaciji s robusnošću i velikim kapacitetom nosivosti, Hielscher ultrazvučni sustavi vaš su pouzdan radni konj u proizvodnji.
Fragmentacija i deacetilacija hitina zahtijeva snažan ultrazvuk kako bi se dobila ciljana pretvorba i konačni proizvod visoke kvalitete od kitozana. Visoke amplitude i povišeni pritisci su presudni posebno za fragmentaciju hitinskih ljuskica. Hielscher ultrazvuk’ industrijski ultrazvučni procesori lako daju vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200 µm mogu se neprekidno izvoditi u radu 24/7. Za još veće amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Kapacitet snage Hielscher ultrazvučnih sustava omogućuje učinkovitu i brzu deacetilaciju u sigurnom i korisniku jednostavnom procesu.
Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja:
| Volumen serije | Protok | Preporučeni uređaji |
|---|---|---|
| 1 do 500 ml | 10 do 200 ml/min | UP100H |
| 10 do 2000 ml | 20 do 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100l | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| na | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| na | veći | klaster od UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Pitajte nas!
Literatura/Reference
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu MA, Darie-Nita RN, Bargan A., Vasile C. (2019): Bionanokompozitni filmovi na bazi hitozana pripremljeni emulzijskom tehnikom za konzerviranje hrane. Materijali 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk JA, Trombotto St. David L., Campana-Filho SP (2016.): Ekstenzivno deacetilirani hitozan visoke molekularne težine iz višestupanjske deacetilacije beta-hitina potpomognute ultrazvukom. Ultrasonics Sonochemistry 32, 2016. 79–85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Živanović, S., Weiss, J. (2008.): Sonokemijski potpomognuta pretvorba hitina u hitozan, sastanak glavnih istraživača Nacionalne istraživačke inicijative USDA, New Orleans, LA, 28. lipnja.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Utjecaj temperature tijekom deacetilacije hitina u hitozan ultrazvukom visokog intenziteta kao predtretmanom, Godišnji sastanak Instituta prehrambenih tehnologa , New Orleans, LA, 30. lipnja, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Utjecaj ultrazvuka visokog intenziteta na ubrzavanje pretvorbe hitina u hitozan, Godišnji sastanak Instituta prehrambenih tehnologa, New Orleans, LA, 30. lipnja, 95-17.
- Preto MF, Campana-Filho SP, Fiamingo A., Cosentino IC, Tessari-Zampieri MC, Abessa DMS, Romero AF, Bordon IC (2017.): Gladius i njegovi derivati kao potencijalni biosorbenti za brodsko dizelsko ulje. Znanost o okolišu i istraživanje onečišćenja (2017.) 24:22932–22939.
- Wijesena RN, Tissera N., Kannangara YY, Lin Y., Amaratunga GAJ, de Silva KMN (2015.): Metoda top-down pripreme nanočestica i nanovlakana hitozana. Polimeri ugljikohidrata 117, 2015. 731–738.
- Wu, T., Živanović, S., Hayes, DG, Weiss, J. (2008). Učinkovito smanjenje molekularne težine kitozana ultrazvukom visokog intenziteta: temeljni mehanizam i učinak parametara obrade. Journal of Agricultural and Food Chemistry 56(13):5112-5119.
- Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019.): Otpad plodova mora: izvor za pripremu komercijalno upotrebljivih hitin/kitozanskih materijala. Bioresursi i bioprerada 6/8, 2019.
Činjenice koje vrijedi znati
Kako radi ultrazvučna deaktilacija hitina?
Kada se ultrazvuk velike snage, niske frekvencije (npr. 20-26kHz) spoji u tekućinu ili kašu, na tekućinu se primjenjuju ciklusi visokog tlaka/niskog tlaka koji stvaraju kompresiju i razrijeđenost. Tijekom ovih izmjeničnih ciklusa visokog/niskog tlaka stvaraju se mali vakuumski mjehurići koji rastu tijekom nekoliko ciklusa tlaka. U trenutku kada vakuumski mjehurići ne mogu apsorbirati više energije, oni se nasilno urušavaju. Tijekom te implozije mjehurića javljaju se lokalno vrlo intenzivni uvjeti: visoke temperature do 5000 K, tlakovi do 2000 atm, vrlo visoke stope zagrijavanja/hlađenja i razlike u tlaku. Budući da je dinamika kolapsa mjehurića brža od prijenosa mase i topline, energija u šupljini koja kolabira ograničena je na vrlo malu zonu, koja se također naziva "vruća točka". Implozija kavitacijskog mjehurića također rezultira mikroturbulencijama, mlazovima tekućine brzine do 280 m/s i rezultirajućim silama smicanja. Ovaj fenomen je poznat kao ultrazvučna ili akustična kavitacija.
Kapljice i čestice u ultrazvučno obrađenoj tekućini su pod utjecajem tih kavitacijskih sila i kada se ubrzane čestice sudare jedna s drugom, razbijaju se sudarom između čestica. Akustična kavitacija je princip rada ultrazvučnog mljevenja, raspršivanja, emulgiranja i sonokemije.
Za deacetilaciju hitina, ultrazvuk visokog intenziteta povećava površinu aktiviranjem površine i promicanjem prijenosa mase između čestica i reagensa.
kitozan
Hitozan je modificirani, kationski, netoksičan polimer ugljikohidrata sa složenom kemijskom strukturom koju čine jedinice β-(1,4) glukozamina kao glavne komponente (>80%) i jedinice N-acetil glukozamina (<20%), nasumično raspoređenih duž lanca. Hitozan se dobiva iz hitina kemijskom ili enzimskom deacetilacijom. Stupanj deacetilacije (DA) određuje sadržaj slobodnih amino skupina u strukturi i koristi se za razlikovanje kitina i kitozana. Hitozan pokazuje dobru topljivost u umjerenim otapalima kao što je razrijeđena octena kiselina i nudi nekoliko slobodnih aminskih skupina kao aktivnih mjesta. Zbog toga je kitozan u mnogim kemijskim reakcijama bolji od hitina.
Hitozan je cijenjen zbog svoje izvrsne biokompatibilnosti i biorazgradljivosti, netoksičnosti, dobrog antimikrobnog djelovanja (protiv bakterija i gljivica), nepropusnosti za kisik i svojstva stvaranja filma. Za razliku od hitina, prednost hitozana je što je topiv u vodi i stoga je lakši za rukovanje i upotrebu u formulacijama.
Kao drugi najzastupljeniji polisaharid nakon celuloze, ogromna zastupljenost hitina čini ga jeftinom i održivom sirovinom.
Proizvodnja hitozana
Hitozan se proizvodi u dva koraka. U prvom koraku, sirovina, kao što su ljušture rakova (tj. škampi, rakovi, jastozi), deproteinizira se, demineralizira i pročišćava kako bi se dobio hitin. U drugom koraku, hitin se tretira s jakom bazom (npr. NaOH) kako bi se uklonili acetilni bočni lanci kako bi se dobio hitozan. Poznato je da je proces konvencionalne proizvodnje kitozana vrlo dugotrajan i skup.
hitin
Hitin (C8H13O5N)N je ravnolančani polimer β-1,4-N-acetilglukozamina i klasificira se u α-, β- i γ-hitin. Budući da je derivat glukoze, hitin je glavna komponenta egzoskeleta člankonožaca, kao što su rakovi i kukci, radule mekušaca, kljunovi glavonožaca i ljuske riba i lisamfibija, a može se naći i u stjenkama stanica gljiva. Struktura hitina je usporediva s celulozom, tvoreći kristalne nanofibrile ili brkove. Celuloza je najzastupljeniji polisaharid na svijetu, a slijedi je hitin kao drugi najzastupljeniji polisaharid.
glukozamin
Glukozamin (C6H13NE5) je amino šećer i važan prekursor u biokemijskoj sintezi glikoziliranih proteina i lipida. Glukozamin je prirodno rasprostranjen spoj koji je dio strukture oba polisaharida, hitozana i hitina, što glukozamin čini jednim od najzastupljenijih monosaharida. Većina komercijalno dostupnog glukozamina proizvodi se hidrolizom egzoskeleta rakova, tj. oklopa rakova i jastoga.
Glukozamin se uglavnom koristi kao dodatak prehrani gdje se koristi u obliku glukozamin sulfata, glukozamin hidroklorida ili N-acetil glukozamina. Dodaci glukozamin sulfata daju se oralno za liječenje bolnog stanja uzrokovanog upalom, raspadom i eventualnim gubitkom hrskavice (osteoartritis).