A kitin ultrahangos deacetilációja kitozánra
Ultrahangos kitozán termelés
A kitozánt a kitin N-deacetilezésével nyerik. A hagyományos deacetiláció során a kitint vizes lúgos oldószerekben (jellemzően 40-50 tömegszázalék NaOH) áztatják. Az áztatási folyamat magas, 100-120 ° C-os hőmérsékletet igényel, nagyon időigényes, míg az áztatási lépésenként kapott kitozán hozama alacsony. A nagy teljesítményű ultrahang alkalmazása jelentősen fokozza a kitin deacetilációs folyamatát, és az alacsony molekulatömegű kitozán magas hozamát eredményezi egy gyors kezelésben alacsonyabb hőmérsékleten. Az ultrahangos deacetiláció kiváló minőségű kitozánt eredményez, amelyet élelmiszer- és gyógyszeripari összetevőként, műtrágyaként és sok más ipari alkalmazásban használnak.
Az ultrahangos kezelés a kitin kivételes fokú acetilációját (DA) eredményezi, amely csökkenti az acetilációs kitin mértékét DA≥90-ről kitozánra DA≤10-zel.
Számos kutatási tanulmány megerősíti az ultrahangos kitin deacetiláció hatékonyságát a kitozánra. Weiss J. et al. (2008) megállapította, hogy az ultrahangos kezelés drasztikusan javítja a kitin kitozánná történő átalakulását. A kitin ultrahangos kezelése jelentős időmegtakarítással jár, csökkentve a szükséges folyamatidőt 12-24 óráról néhány órára. Ezenkívül kevesebb oldószerre van szükség a teljes átalakítás eléréséhez, ami csökkenti az elhasznált vagy reagálatlan oldószer, azaz a koncentrált NaOH ártalmatlanításának és ártalmatlanításának környezeti hatását.

UIP4000hdt – 4kW teljesítményű ultrahangos rendszer
Az ultrahangos kitozán kezelés működési elve
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) fragmentálódik és behatol a szilárd kitin részecskékbe, ezáltal növelve a felületet és javítva a szilárd és folyékony fázis közötti tömegátadást. Továbbá az ultrahangos kavitáció nagy nyíróerői szabad gyököket hoznak létre, amelyek növelik a reagens (azaz NaOH) reakcióképességét a hidrolízis során. Nem termikus feldolgozási technikaként az ultrahangos kezelés megakadályozza a termikus lebomlást, amely kiváló minőségű kitozánt termel. Az ultrahang lerövidíti a rákfélékből származó kitin kivonásához szükséges feldolgozási időt, valamint a hagyományos feldolgozási körülményekhez képest nagyobb tisztaságú kitint (és így később kitozánt) eredményez. A kitin és a kitozán előállításához az ultrahangok így csökkenthetik a termelési költségeket, csökkenthetik a feldolgozási időt, lehetővé teszik a gyártási folyamat jobb ellenőrzését és csökkenthetik a folyamathulladék környezeti hatását.
- Magasabb kitozán hozam
- Kiváló minőség
- Csökkentett idő
- Alacsonyabb folyamathőmérséklet
- Megnövelt hatékonyság
- Könnyű & biztonságos működés
- környezetbarát
Ultrahangos kitin decetiláció kitozánra – protokoll
1) Készítse elő a kitint:
Rákhéjat használva alapanyagként, a rákhéjakat alaposan le kell mosni az oldható szerves anyagok és a hozzátapadt szennyeződések eltávolítása érdekében, beleértve a talajt és a fehérjét is. Ezt követően a héj anyagát teljesen meg kell szárítani (pl. 60 ° C-on 24 órán keresztül kemencében). A szárított héjakat ezután őröljük (pl. kalapácsmalommal), lúgos közegben deproteinizáljuk (pl. NaOH 0,125–5,0 M koncentrációban), és savban ioncseréljük (pl. híg sósavval).
2) Ultrahangos deacetiláció
Egy tipikus ultrahangos deacetilációs reakció futtatásához béta-kitin részecskék (0,125 mm < D < 0.250 mm) 40% (m/m) vizes NaOH-ban szuszpendáljuk 1:10(g ml béta-kitin/NaOH vizes oldat arányban)-1), a szuszpenziót egy duplafalú üvegpohárba visszük át, és Hielscher segítségével ultrahanggal kezeljük UP400ST ultrahangos homogenizátor. A következő paramétereket (vö. Fiamingo et al. 2016) állandó szinten tartjuk ultrahangos kitin-deacetilációs reakció végrehajtásakor: (i) ultrahangos szonda (sonotrode Hielscher S24d22D, csúcsátmérő = 22 mm); ii. ultrahangos impulzus mód (IP = 0,5 másodperc); iii. ultrahangos felületi intenzitás
(I = 52,6 W cm-2), iv. reakcióhőmérséklet (60 °C ±1 °C), v. reakcióidő (50 perc), vi. 40 tömegszázalékos nátrium-hidroxid béta-kitin tömeg/térfogat aránya (BCHt/NaOH = 1/10 g ml-1); vii. a béta-kitin szuszpenzió térfogata (50 ml).
Az első reakció 50 percig folytatódik állandó mágneses keverés mellett, majd a szuszpenzió 0 °C-ra történő gyors lehűtésével megszakítjuk. Ezután hígított sósavat adunk hozzá a 8,5-ös pH eléréséhez, és a CHs1 mintát szűréssel izoláljuk, ionmentes vízzel alaposan mossuk és környezeti körülmények között szárítjuk. Ha ugyanazt az ultrahangos deacetilációt megismételjük a CHs1 második lépéseként, akkor CHs2 mintát állít elő.

Pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) képek 100×os nagyításban a) gladius, b) ultrahanggal kezelt gladius, c) β-kitin, d) ultrahanggal kezelt β-kitin és e) kitozán (forrás: Preto et al. 2017)
Fiamingo et al. megállapította, hogy a béta-kitin ultrahangos deacetilációja hatékonyan termel nagy molekulatömegű kitozánt, alacsony fokú acetilációval, sem adalékanyagok, sem inert légkör, sem hosszú reakcióidő felhasználásával. Annak ellenére, hogy az ultrahangos deacetilációs reakciót enyhébb körülmények között hajtják végre – azaz alacsony reakcióhőmérséklet a legtöbb termokémiai deacetilációhoz képest. A béta-kitin ultrahangos deacetilációja lehetővé teszi véletlenszerűen deacetilált kitozán előállítását, amely változó fokú acetilációval rendelkezik (4% ≤ DA ≤ 37%), nagy tömegű átlagos molekulatömeg (900 000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1 200 000 g mol-1 ) és alacsony diszperzivitást (1,3 ≤ ð ≤ 1,4) három egymást követő reakció (50 perc/lépés) 60 °C-on történő végrehajtásával.
Nagy teljesítményű ultrahangos rendszerek kitozán előállításához
A kitin töredezettsége és a kitin kitozánra történő decetilezése erőteljes és megbízható ultrahangos berendezéseket igényel, amelyek nagy amplitúdókat tudnak biztosítani, pontos szabályozhatóságot kínálnak a folyamatparaméterek felett, és 24/7 nagy terhelés alatt és igényes környezetben működtethetők. A Hielscher Ultrasonics termékcsalád lefedi Önt és a folyamat követelményeit. A Hielscher ultrasonicators nagy teljesítményű rendszerek, amelyek felszerelhetők olyan kiegészítőkkel, mint a sonotrodes, boosterek, reaktorok vagy áramlási cellák annak érdekében, hogy optimális módon megfeleljenek a folyamat igényeinek.
A digitális színes kijelzővel lehetőség van előre beállított szonikációs futtatásokra, automatikus adatrögzítésre integrált SD-kártyán, távoli böngészővezérlésre és még sok más funkcióra, a legmagasabb folyamatvezérlésre és a felhasználóbarátságra. Párosulva robusztussággal és nehéz teherbíró képességgel, Hielscher ultrahangos rendszerek a megbízható munka ló a termelésben.
A kitin töredezettsége és deacetilációja erőteljes ultrahangot igényel a célzott átalakítás és a kiváló minőségű végső kitozán termék eléréséhez. Különösen a kitinpelyhek töredezettsége szempontjából döntő fontosságú a nagy amplitúdó és a magas nyomás. Hielscher Ultrasonics’ Az ipari ultrahangos processzorok könnyen nagyon nagy amplitúdókat biztosítanak. Akár 200 μm-es amplitúdók is folyamatosan működtethetők 24/7 üzemben. Még nagyobb amplitúdók esetén testreszabott ultrahangos sonotrodes áll rendelkezésre. A Hielscher ultrahangos rendszerek teljesítménykapacitása lehetővé teszi a hatékony és gyors deacetilációt biztonságos és felhasználóbarát folyamatban.
Az alábbi táblázat jelzi ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitását:
Kötegelt mennyiség | Áramlási sebesség | Ajánlott eszközök |
---|---|---|
1–500 ml | 10–200 ml/perc | UP100H |
10 és 2000 ml között | 20–400 ml/perc | UP200Ht, UP400ST |
0.1-től 20L-ig | 0.2-től 4 liter/percig | UIP2000hdT |
10–100 liter | 2–10 l/perc | UIP4000hdt |
n.a. | 10–100 l/perc | UIP16000 |
n.a. | Nagyobb | klaszter UIP16000 |
Kapcsolat! / Kérdezzen tőlünk!
Irodalom/Hivatkozások
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu MA, Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): Kitozán alapú bionanokompozit filmek, amelyeket emulziós technikával készítenek élelmiszer-tartósításra. Anyagok 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Széles körben deacetilált nagy molekulatömegű kitozán a béta-kitin többlépcsős ultrahanggal segített deacetilációjából. Ultrahangos Sonochemistry 32, 2016. 79–85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): A kitin szonokémiailag támogatott átalakítása kitozánná, USDA Nemzeti Kutatási Kezdeményezés vezető kutatói találkozója, New Orleans, LA, június 28.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): A hőmérséklet hatása a kitin kitozánra történő deacetilezése során nagy intenzitású ultrahanggal előkezelésként, az Élelmiszertechnológusok Intézetének 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 felgyorsítására, Az Élelmiszertechnológusok Intézetének 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): Gladius és származékai mint a tengeri dízelolaj potenciális bioszorbensei. Környezettudomány és szennyezéskutatás (2017) 24:22932–22939.
- Wijesena R.N., Tissera N., Kannangara Y.Y., Lin Y., Amaratunga G.A.J., de Silva K.M.N. (2015): Kitozán nanorészecskék és nanoszálak felülről lefelé történő előállításának módszere. Szénhidrát polimerek 117, 2015. 731–738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). A kitozán molekulatömegének hatékony csökkentése nagy intenzitású ultrahanggal: A feldolgozási paraméterek mögöttes mechanizmusa és hatása. Mezőgazdasági és Élelmiszerkémiai Közlöny 56(13):5112-5119.
- Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Tengeri eredetű élelmiszerekből származó hulladék: kereskedelmi forgalomban kapható kitin/kitozán anyagok előállításának forrása. Bioerőforrások és biofeldolgozás 6/8, 2019.
Tények, amelyeket érdemes tudni
Hogyan működik az ultrahangos kitin deaktilezáció?
Amikor nagy teljesítményű, alacsony frekvenciájú ultrahangot (pl. 20-26kHz) folyadékba vagy szuszpenzióba kapcsolnak, váltakozó nagynyomású / alacsony nyomású ciklusokat alkalmaznak a folyadékra, ami kompressziót és ritkaságot okoz. Ezekben a váltakozó nagynyomású / alacsony nyomású ciklusokban kis vákuumbuborékok keletkeznek, amelyek több nyomásciklus alatt nőnek. Abban a pontban, amikor a vákuumbuborékok nem tudnak több energiát elnyelni, hevesen összeomlanak. A buborék összeomlása során lokálisan nagyon intenzív körülmények fordulnak elő: magas hőmérséklet akár 5000 K-ig, akár 2000 atm nyomás, nagyon magas fűtési / hűtési sebesség és nyomáskülönbségek fordulnak elő. Mivel a buborék összeomlási dinamikája gyorsabb, mint a tömeg és a hőátadás, az összeomló üregben lévő energia egy nagyon kis zónára korlátozódik, amelyet "forró pontnak" is neveznek. A kavitációs buborék implóziója mikroturbulenciákat, akár 280 m / s sebességű folyékony fúvókákat és ebből eredő nyíróerőket is eredményez. Ezt a jelenséget ultrahangos vagy akusztikus kavitációnak nevezik.
Az ultrahangos folyadékban lévő cseppeket és részecskéket ezek a kavitációs erők befolyásolják, és amikor a gyorsított részecskék ütköznek egymással, a részecskék ütközése összetöri őket. Az akusztikus kavitáció az ultrahangos marás, diszpergálás, emulgeálás és sonochemistry működési elve.
A kitin-deacetilációhoz a nagy intenzitású ultrahang növeli a felületet a felület aktiválásával és a részecskék és a reagens közötti tömegátadás elősegítésével.
kitozán
A kitozán egy módosított, kationos, nem mérgező szénhidrát polimer, amelynek összetett kémiai szerkezetét β-(1,4) glükózamin egységek alkotják fő összetevőjeként (>80%) és N-acetil-glükózamin egységek (<20%), véletlenszerűen elosztva a lánc mentén. A kitozán kitinből származik kémiai vagy enzimatikus deacetiláció útján. A deacetiláció mértéke (DA) meghatározza a szabad aminocsoportok tartalmát a szerkezetben, és a kitin és a kitozán megkülönböztetésére szolgál. A kitozán jó oldhatóságot mutat mérsékelt oldószerekben, például hígított ecetsavban, és számos szabad amincsoportot kínál aktív helyként. Ez számos kémiai reakcióban előnyössé teszi a kitozánt a kitinnel szemben.
A kitozánt kiváló biokompatibilitása és biológiai lebonthatósága, nem toxicitása, jó antimikrobiális aktivitása (baktériumok és gombák ellen), oxigén áthatolhatatlansága és filmképző tulajdonságai miatt értékelik. A kitinnel ellentétben a kitozán előnye, hogy vízben oldódik, és ezáltal könnyebben kezelhető és használható készítményekben.
A cellulóz után a második leggyakoribb poliszacharidként a kitin hatalmas mennyisége olcsó és fenntartható nyersanyaggá teszi.
Kitozán termelés
A kitozánt kétlépcsős eljárással állítják elő. Az első lépésben a nyersanyagot, például a rákfélék héját (azaz garnélarákot, rákot, homárt) deproteinizálják, ioncserélik és tisztítják, hogy kitint kapjanak. A második lépésben a kitint erős bázissal (pl. NaOH) kezelik az acetil oldalláncok eltávolítására a kitozán előállítása érdekében. A hagyományos kitozán előállítási folyamata ismert, hogy nagyon időigényes és költségigényes.
kitin
Kitin (C8H13O5N)N a β-1,4-N-acetil-glükozamin egyenes láncú polimerje, és α-, β- és γ-kitinbe van besorolva. A glükóz származékaként a kitin az ízeltlábúak, például rákfélék és rovarok exoskeletonjainak fő összetevője, a puhatestűek radulái, a lábasfejűek csőre, valamint a halak és a lissamphibiák pikkelyei, és megtalálható a gombák sejtfalában is. A kitin szerkezete hasonló a cellulózhoz, kristályos nanofibrillákat vagy bajuszokat képezve. A cellulóz a világ leggyakoribb poliszacharidja, amelyet a kitin követ, mint a második leggyakoribb poliszacharid.
Glükózamin
Glükózamin (C6H13NEM5) aminocukor és fontos prekurzor a glikozilált fehérjék és lipidek biokémiai szintézisében. A glükózamin természetesen bőséges vegyület, amely mind a poliszacharidok, mind a kitozán szerkezetének része, ami a glükózamint az egyik leggyakoribb monoszachariddá teszi. A kereskedelemben kapható glükózamin nagy részét rákfélék exoskeletonjainak, azaz rák- és homárhéjaknak hidrolízisével állítják elő.
A glükózamint elsősorban étrend-kiegészítőként használják, ahol glükózamin-szulfát, glükózamin-hidroklorid vagy N-acetil-glükózamin formájában alkalmazzák. A glükózamin-szulfát-kiegészítőket szájon át adják be a porc gyulladása, lebomlása és esetleges elvesztése (osteoarthritis) által okozott fájdalmas állapot kezelésére.