A kitin ultrahangos dezacetilezése kitozánná
Ultrahangos kitozángyártás
A kitozánt a kitin N-dezacetilezésével állítják elő. A hagyományos dezacetilezés során a kitint vizes lúgos oldószerekben áztatják (jellemzően 40–50% (w/w) NaOH-ban). Az áztatási eljárás magas, 100–120ºC-os hőmérsékletet igényel, és nagyon időigényes, miközben az egy áztatási lépésben kapott kitozán hozama alacsony. A nagy teljesítményű ultrahang alkalmazása jelentősen intenzívebbé teszi a kitin dezacetilezését, és alacsonyabb hőmérsékleten, gyors kezeléssel nagy hozamú, kis molekulatömegű kitozánt eredményez. Az ultrahangos dezacetilezés kiváló minőségű kitozánt eredményez, amelyet élelmiszeripari és gyógyszeripari összetevőként, trágyaként és számos más ipari alkalmazásban használnak.
Az ultrahangos kezelés a kitin kivételes acetilezettségi fokát (DA) eredményezi: a kitin acetilezettségi fokát DA≥90-ről DA≤10 értékű kitozánra csökkenti.
Számos kutatás igazolja a kitin kitozánná történő ultrahangos dezacetilezésének hatékonyságát. Weiss J. és munkatársai (2008) megállapították, hogy az ultrahangos kezelés drasztikusan javítja a kitin kitozánná történő átalakítását. A kitin ultrahangos kezelése jelentős időmegtakarítással jár: a szükséges feldolgozási időt 12–24 óráról néhány órára csökkenti. Ezenkívül a teljes átalakuláshoz kevesebb oldószer szükséges, ami csökkenti az elhasznált vagy el nem reagált oldószer, azaz a tömény NaOH eltávolításából és ártalmatlanításából eredő környezeti terhelést.
Az ultrahangos kezelés elősegíti a kitin dezacetilezését kitozánná
UIP4000hdT – 4kW teljesítményű ultrahangos rendszer
A kitozán ultrahangos kezelésének működési elve
A nagy teljesítményű, alacsony frekvenciájú ultrahangos kezelés (∼20–26kHz) akusztikus kavitációt hoz létre folyadékokban és szuszpenziókban. A nagy teljesítményű ultrahang elősegíti a kitin kitozánná történő átalakulását, mivel az oldószer (pl. NaOH) feldarabolja a szilárd kitinrészecskéket és behatol azokba, ezáltal növelve a felületet és javítva az anyagátadást a szilárd és a folyadékfázis között. Ezenkívül az ultrahangos kavitáció nagy nyíróerői szabad gyököket hoznak létre, amelyek a hidrolízis során növelik a reagens (azaz a NaOH) reakcióképességét. Nem termikus feldolgozási technikaként az ultrahangos kezelés megakadályozza a termikus bomlást, és kiváló minőségű kitozánt eredményez. Az ultrahang lerövidíti a kitin rákfélékből történő kinyeréséhez szükséges feldolgozási időt, és a hagyományos feldolgozási körülményekhez képest nagyobb tisztaságú kitint (és így később kitozánt) eredményez. A kitin és a kitozán előállítása során az ultrahang tehát lehetőséget kínál a gyártási költségek csökkentésére, a feldolgozási idő lerövidítésére, a gyártási folyamat jobb szabályozására és a folyamat során keletkező hulladék környezeti terhelésének csökkentésére.
- Nagyobb kitozánhozam
- Kiváló minőség
- Rövidebb idő
- Alacsonyabb folyamathőmérséklet
- Nagyobb hatékonyság
- Egyszerű és biztonságos üzemeltetés
- Környezetbarát
A kitin ultrahangos dezacetilezése kitozánná – protokoll
1) A kitin előkészítése:
Ha kiindulási anyagként rákhéjat használunk, a rákhéjakat alaposan meg kell mosni minden oldható szerves anyag és a rátapadt szennyeződések, köztük a talaj és a fehérjék eltávolítása érdekében. Ezután a héjanyagot teljesen meg kell szárítani (pl. szárítószekrényben 60ºC-on, 24h időtartamig). A szárított héjakat ezután megőrlik (pl. kalapácsos malommal), lúgos közegben fehérjementesítik (pl. 0,125–5,0 M koncentrációjú NaOH-ban), majd savban eltávolítják az ásványi anyagokat (pl. híg sósavban).
2) Ultrahangos dezacetilezés
Egy tipikus ultrahangos dezacetilezési reakció elvégzéséhez béta-kitin-részecskéket (0,125 mm < d < 0,250 mm) szuszpendálnak 40% (w/w) vizes NaOH-ban, a béta-kitin és a vizes NaOH-oldat aránya 1/10(g mL-1), a szuszpenziót kettős falú üveg főzőpohárba töltik, és ultrahangos kezelést végeznek rajta egy Hielscher UP400St ultrahangos homogenizátorral. Az ultrahangos kitindezacetilezési reakció során a következő paramétereket (vö. Fiamingo és munkatársai, 2016) tartják állandó értéken: (i) ultrahangos szonda (Hielscher S24d22D szonotróda, csúcsátmérő = 22 mm); (ii) az ultrahangos kezelés impulzusüzemmódja (IP = 0,5sec); (iii) ultrahangos felületi intenzitás
(I = 52,6 W cm-2), (iv) reakcióhőmérséklet (60ºC ±1ºC), (v) reakcióidő (50 min), (vi) a béta-kitin tömegének és a 40% (w/w) vizes nátrium-hidroxid térfogatának aránya (BCHt/NaOH = 1/10 g mL-1); (vii) a béta-kitin-szuszpenzió térfogata (50mL).
Az első reakció állandó mágneses keverés mellett 50min időtartamig zajlik, majd a szuszpenzió 0ºC-ra történő gyors lehűtésével megszakítják. Ezután híg sósavat adnak hozzá a pH 8,5 eléréséhez, és a CHs1 mintát szűréssel elkülönítik, ioncserélt vízzel alaposan mossák, majd környezeti körülmények között szárítják. Ha ugyanazt az ultrahangos dezacetilezést második lépésként megismétlik a CHs1 mintán, a CHs2 mintát kapják.
Pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) képek 100× nagyításban: a) gladius, b) ultrahanggal kezelt gladius, c) β-kitin, d) ultrahanggal kezelt β-kitin és e) kitozán (forrás: Preto és munkatársai, 2017)
Fiamingo és munkatársai megállapították, hogy a béta-kitin ultrahangos dezacetilezése hatékonyan állít elő nagy molekulatömegű, alacsony acetilezettségi fokú kitozánt, adalékanyagok, inert atmoszféra és hosszú reakcióidők alkalmazása nélkül. Mindezt annak ellenére, hogy az ultrahangos dezacetilezési reakció enyhébb körülmények között zajlik – azaz a legtöbb termokémiai dezacetilezéshez képest alacsony reakcióhőmérsékleten. A béta-kitin ultrahangos dezacetilezése lehetővé teszi véletlenszerűen dezacetilezett kitozán előállítását, amely változó acetilezettségi fokkal (4% ≤ DA ≤ 37%), nagy tömeg szerinti átlagos molekulatömeggel (900 000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1 200 000 g mol-1 ) és alacsony diszperzitással (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4) rendelkezik, három egymást követő reakció (50 min/lépés) 60ºC-on történő végrehajtásával.
Nagy teljesítményű ultrahangos processzorok a laboratóriumi mérettől a kísérleti üzemi és ipari méretig.
Nagy teljesítményű ultrahangos rendszerek kitozángyártáshoz
A kitin aprításához és kitozánná történő dezacetilezéséhez nagy teljesítményű, megbízható ultrahangos berendezés szükséges, amely nagy amplitúdókat képes biztosítani, lehetővé teszi a folyamatparaméterek pontos szabályozását, és nagy terhelés mellett, nehéz környezeti körülmények között is 24/7 üzemben működtethető. A Hielscher Ultrasonics termékkínálata kielégíti az Ön és folyamata követelményeit. A Hielscher ultrahangos készülékei nagy teljesítményű rendszerek, amelyek olyan tartozékokkal szerelhetők fel, mint a szonotródák, amplitúdóerősítők, reaktorok vagy átfolyó cellák, hogy optimálisan megfeleljenek az Ön folyamatigényeinek.
A digitális színes kijelző, az ultrahangos kezelési ciklusok előzetes beállításának lehetősége, a beépített SD-kártyára történő automatikus adatrögzítés, a böngészőn keresztüli távoli vezérlés és számos további funkció biztosítja a legmagasabb szintű folyamatszabályozást és felhasználóbarát működést. Robusztus kialakításuknak és nagy terhelhetőségüknek köszönhetően a Hielscher ultrahangos rendszerei megbízható igáslovai a gyártásnak.
A kitin aprításához és dezacetilezéséhez nagy teljesítményű ultrahang szükséges a kívánt átalakulás és a kiváló minőségű kitozán végtermék eléréséhez. Különösen a kitinpelyhek aprításánál kulcsfontosságú a nagy amplitúdó és a megnövelt nyomás. A Hielscher Ultrasonics ipari ultrahangos processzorai könnyedén biztosítanak igen nagy amplitúdókat. Akár 200µm amplitúdóval is folyamatosan működtethetők 24/7 üzemben. Még nagyobb amplitúdókhoz egyedi ultrahangos szonotródák állnak rendelkezésre. A Hielscher ultrahangos rendszereinek teljesítménye hatékony és gyors dezacetilezést tesz lehetővé, biztonságos és felhasználóbarát eljárásban.
Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról:
| Sarzs térfogata | Térfogatáram | Ajánlott készülékek |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | nagyobb | összekapcsolt készülékek: UIP16000 |
Lépjen kapcsolatba velünk! / Kérdezzen tőlünk!
Szakirodalom és hivatkozások
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): Emulziós technikával előállított kitozánalapú bionanokompozit filmek élelmiszerek tartósítására. Materials 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Nagymértékben dezacetilezett, nagy molekulatömegű kitozán a béta-kitin többlépéses, ultrahanggal segített dezacetilezésével. Ultrasonics Sonochemistry 32, 2016. 79–85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): A kitin szonokémiai úton segített átalakítása kitozánná, az USDA Nemzeti Kutatási Kezdeményezésének vezető kutatói találkozója, New Orleans, LA, június 28.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): A hőmérséklet hatása a kitin kitozánná történő dezacetilezése során, nagy intenzitású ultrahang előkezelésként való alkalmazásával, az Institute of Food Technologists éves találkozója, New Orleans, LA, június 30., 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): A nagy intenzitású ultrahang hatása a kitin kitozánná történő átalakulásának gyorsítására, az Institute of Food Technologists éves találkozója, New Orleans, LA, június 30., 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): A gladius és származékai mint a hajózási dízelolaj lehetséges bioszorbensei. 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): Módszer kitozán-nanorészecskék és nanoszálak felülről lefelé történő előállítására. Carbohydrate Polymers 117, 2015. 731–738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). A kitozán molekulatömegének hatékony csökkentése nagy intenzitású ultrahanggal: a mögöttes mechanizmus és a feldolgozási paraméterek hatása. Journal of Agricultural and Food Chemistry 56(13):5112–5119.
- Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Tengeri élelmiszerek hulladéka: forrás kereskedelmi célra felhasználható kitin-/kitozánanyagok előállításához. Bioresources and Bioprocessing 6/8, 2019.
Hasznos tudnivalók
Hogyan működik a kitin ultrahangos dezacetilezése?
Amikor nagy teljesítményű, alacsony frekvenciájú ultrahangot (pl. 20–26kHz) csatolnak be egy folyadékba vagy szuszpenzióba, váltakozó nagy nyomású / kis nyomású ciklusok hatnak a folyadékra, összenyomódást és ritkulást hozva létre. E váltakozó nagy nyomású / kis nyomású ciklusok során kis vákuumbuborékok keletkeznek, amelyek több nyomáscikluson keresztül növekednek. Amikor a vákuumbuborékok már nem képesek több energiát elnyelni, hevesen összeomlanak. A buborékok ezen implóziója során helyileg rendkívül intenzív körülmények alakulnak ki: akár 5000K hőmérséklet, akár 2000atm nyomás, igen nagy felmelegedési/lehűlési sebességek és nyomáskülönbségek lépnek fel. Mivel a buborék összeomlásának dinamikája gyorsabb az anyag- és hőátadásnál, az összeomló üregben lévő energia egy nagyon kis zónára korlátozódik, amelyet „forró pontnak” is neveznek. A kavitációs buborék implóziója mikroturbulenciát, akár 280m/s sebességű folyadéksugarakat és ezekből eredő nyíróerőket is létrehoz. Ezt a jelenséget ultrahangos vagy akusztikus kavitációnak nevezik.
Az ultrahanggal kezelt folyadékban lévő cseppekre és részecskékre ezek a kavitációs erők hatnak, és amikor a felgyorsított részecskék egymásnak ütköznek, a részecskék közötti ütközés következtében széttöredeznek. Az akusztikus kavitáció az ultrahangos őrlés, diszpergálás, emulgeálás és szonokémia működési elve.
A kitin dezacetilezése során a nagy intenzitású ultrahang a felület aktiválásával és a részecskék és a reagens közötti anyagátadás elősegítésével növeli a felületet.
Kitozán
A kitozán módosított, kationos, nem toxikus szénhidrátpolimer, amelynek összetett kémiai szerkezetét fő összetevőként β-(1,4)-glükózamin-egységek (>80%), valamint N-acetil-glükózamin-egységek (<20%) alkotják, a lánc mentén véletlenszerűen elosztva. A kitozán a kitinből kémiai vagy enzimatikus dezacetilezéssel származik. A dezacetilezettségi fok (DA) határozza meg a szerkezetben lévő szabad aminocsoportok mennyiségét, és ezt használják a kitin és a kitozán megkülönböztetésére. A kitozán jól oldódik enyhe oldószerekben, például híg ecetsavban, és több szabad aminocsoportot kínál aktív helyként. Ez számos kémiai reakcióban előnyössé teszi a kitozánt a kitinnel szemben.
A kitozánt kiváló biokompatibilitása és biológiai lebonthatósága, nem toxikus jellege, jó antimikrobiális hatása (baktériumokkal és gombákkal szemben), oxigénnel szembeni átjárhatatlansága és filmképző tulajdonságai miatt értékelik. A kitinnel szemben a kitozán előnye, hogy vízben oldódik, ezért könnyebb kezelni és készítményekben felhasználni.
A cellulóz után a második legnagyobb mennyiségben előforduló poliszacharidként a kitin rendkívüli bősége olcsó és fenntartható nyersanyaggá teszi.
Kitozángyártás
A kitozánt kétlépéses eljárással állítják elő. Az első lépésben a nyersanyagot, például a rákfélék héját (azaz garnéla, rák, homár), fehérjementesítik, eltávolítják belőle az ásványi anyagokat és megtisztítják, hogy kitint kapjanak. A második lépésben a kitint erős bázissal (pl. NaOH) kezelik az acetil-oldalláncok eltávolítása és a kitozán előállítása érdekében. A hagyományos kitozángyártási eljárás köztudottan nagyon időigényes és költséges.
Kitin
A kitin (C8H13O5N)n a β-1,4-N-acetil-glükózamin egyenes láncú polimerje, amelyet α-, β- és γ-kitinre osztanak. A glükóz származékaként a kitin az ízeltlábúak, például a rákfélék és rovarok külső vázának, a puhatestűek reszelőnyelvének, a fejlábúak csőrének, valamint a halak és a Lissamphibia csoportba tartozó kétéltűek pikkelyeinek fő alkotóeleme, és a gombák sejtfalában is megtalálható. A kitin szerkezete a cellulózéhoz hasonló, kristályos nanofibrillumokat vagy tűkristályokat képez. A cellulóz a világon legnagyobb mennyiségben előforduló poliszacharid, amelyet a kitin követ a második legnagyobb mennyiségben előforduló poliszacharidként.
Glükózamin
A glükózamin (C6H13NO5) aminocukor és fontos előanyag a glikozilált fehérjék és lipidek biokémiai szintézisében. A glükózamin a természetben nagy mennyiségben előforduló vegyület, amely mindkét poliszacharid, a kitozán és a kitin szerkezetének része, így a glükózamin az egyik legnagyobb mennyiségben előforduló monoszacharid. A kereskedelemben kapható glükózamin nagy részét a rákfélék külső vázának, azaz a rák- és homárhéjaknak a hidrolízisével állítják elő.
A glükózamint főként étrend-kiegészítőként használják, glükózamin-szulfát, glükózamin-hidroklorid vagy N-acetil-glükózamin formájában. A glükózamin-szulfátot tartalmazó étrend-kiegészítőket szájon át alkalmazzák a porc gyulladása, lebomlása és végső elvesztése által okozott fájdalmas állapot (oszteoartritisz) kezelésére.