Deacetilazione a ultrasuoni della chitina in chitosano
Produzione di chitosano mediante ultrasuoni
Il chitosano si ottiene mediante N-deacetilazione della chitina. Nella deacetilazione convenzionale, la chitina viene immersa in solventi alcalini acquosi (tipicamente NaOH al 40–50% (w/w)). Il processo di immersione richiede temperature elevate, da 100 a 120ºC, e tempi molto lunghi, mentre la resa di chitosano ottenuta per ogni fase di immersione è bassa. L’applicazione di ultrasuoni ad alta potenza intensifica significativamente il processo di deacetilazione della chitina e consente di ottenere un’elevata resa di chitosano a basso peso molecolare mediante un trattamento rapido a temperatura inferiore. La deacetilazione a ultrasuoni produce chitosano di qualità superiore, utilizzato come ingrediente alimentare e farmaceutico, come fertilizzante e in molte altre applicazioni industriali.
Il trattamento a ultrasuoni determina un grado di acetilazione (DA) eccezionale, riducendo il grado di acetilazione della chitina da DA≥90 a quello del chitosano con DA≤10.
Numerosi studi confermano l’efficacia della deacetilazione a ultrasuoni della chitina in chitosano. Weiss J. et al. (2008) hanno riscontrato che la sonicazione migliora drasticamente la conversione della chitina in chitosano. Il trattamento a ultrasuoni della chitina consente un notevole risparmio di tempo, riducendo la durata necessaria del processo da 12–24 ore a poche ore. Inoltre, per ottenere una conversione completa è necessaria una minore quantità di solvente, riducendo così l’impatto ambientale dovuto alla necessità di scartare e smaltire il solvente esausto o non reagito, ossia NaOH concentrato.
La deacetilazione della chitina in chitosano è favorita dalla sonicazione
UIP4000hdT – sistema a ultrasuoni con potenza di 4kW
Principio di funzionamento del trattamento a ultrasuoni del chitosano
La sonicazione ad alta potenza e bassa frequenza (∼20–26kHz) genera cavitazione acustica nei liquidi e nelle sospensioni. Gli ultrasuoni ad alta potenza favoriscono la conversione della chitina in chitosano, poiché il solvente (ad esempio NaOH) frammenta e penetra le particelle solide di chitina, aumentando così la superficie e migliorando il trasferimento di massa tra la fase solida e quella liquida. Inoltre, le elevate forze di taglio della cavitazione ultrasonica generano radicali liberi che aumentano la reattività del reagente (ossia NaOH) durante l’idrolisi. In quanto tecnica di trattamento non termica, la sonicazione previene la degradazione termica, producendo chitosano di alta qualità. Gli ultrasuoni riducono i tempi di trattamento necessari per estrarre la chitina dai crostacei e consentono di ottenere chitina (e quindi, successivamente, chitosano) di maggiore purezza rispetto alle condizioni di trattamento tradizionali. Per la produzione di chitina e chitosano, gli ultrasuoni hanno quindi il potenziale di ridurre i costi di produzione, diminuire i tempi di trattamento, consentire un migliore controllo del processo produttivo e ridurre l’impatto ambientale dei rifiuti di processo.
- Maggiore resa di chitosano
- Qualità superiore
- Tempi ridotti
- Temperatura di processo inferiore
- Maggiore efficienza
- Funzionamento semplice e sicuro
- Rispetto dell’ambiente
Deacetilazione a ultrasuoni della chitina in chitosano – Protocollo
1) Preparazione della chitina:
Se si utilizzano gusci di granchio come materiale di partenza, questi devono essere lavati accuratamente per rimuovere qualsiasi sostanza organica solubile e le impurità aderenti, inclusi terra e proteine. Successivamente, il materiale dei gusci deve essere completamente essiccato (ad esempio a 60ºC per 24h in una stufa). I gusci essiccati vengono quindi macinati (ad esempio con un mulino a martelli), deproteinizzati in un mezzo alcalino (ad esempio NaOH a una concentrazione da 0,125 a 5,0 M) e demineralizzati in acido (ad esempio acido cloridrico diluito).
2) Deacetilazione a ultrasuoni
Per eseguire una tipica reazione di deacetilazione a ultrasuoni, le particelle di beta-chitina (0,125 mm < d < 0,250 mm) vengono sospese in NaOH acquoso al 40% (w/w), con un rapporto beta-chitina/soluzione acquosa di NaOH pari a 1/10(g mL-1), la sospensione viene trasferita in un becher di vetro a doppia parete e sottoposta a sonicazione utilizzando un Hielscher UP400St come omogeneizzatore a ultrasuoni. I seguenti parametri (cfr. Fiamingo et al. 2016) vengono mantenuti costanti durante l’esecuzione di una reazione di deacetilazione a ultrasuoni della chitina: (i) sonda a ultrasuoni (sonotrodo Hielscher S24d22D, diametro della punta = 22 mm); (ii) modalità di sonicazione a impulsi (IP = 0,5sec); (iii) intensità ultrasonica superficiale
(I = 52,6 W cm-2), (iv) temperatura di reazione (60ºC ±1ºC), (v) tempo di reazione (50 min), (vi) rapporto tra peso della beta-chitina e volume dell’idrossido di sodio acquoso al 40% (w/w) (BCHt/NaOH = 1/10 g mL-1); (vii) volume della sospensione di beta-chitina (50mL).
La prima reazione procede per 50min sotto agitazione magnetica costante e viene quindi interrotta raffreddando rapidamente la sospensione a 0ºC. Successivamente si aggiunge acido cloridrico diluito fino a raggiungere pH 8,5 e il campione CHs1 viene isolato mediante filtrazione, lavato abbondantemente con acqua deionizzata ed essiccato in condizioni ambientali. Ripetendo la stessa deacetilazione a ultrasuoni sul CHs1 come seconda fase, si ottiene il campione CHs2.
Immagini di microscopia elettronica a scansione (SEM) con ingrandimento di 100× di a) gladio, b) gladio trattato con ultrasuoni, c) β-chitina, d) β-chitina trattata con ultrasuoni ed e) chitosano (fonte: Preto et al. 2017)
Fiamingo et al. hanno riscontrato che la deacetilazione a ultrasuoni della beta-chitina produce in modo efficiente chitosano ad alto peso molecolare con un basso grado di acetilazione, senza utilizzare additivi, né un’atmosfera inerte, né lunghi tempi di reazione. Ciò avviene anche se la reazione di deacetilazione a ultrasuoni viene condotta in condizioni più blande – ossia a una temperatura di reazione inferiore rispetto alla maggior parte delle deacetilazioni termochimiche. La deacetilazione a ultrasuoni della beta-chitina consente di preparare chitosano deacetilato in modo casuale, con un grado di acetilazione variabile (4% ≤ DA ≤ 37%), un elevato peso molecolare medio ponderale (900.000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1.200.000 g mol-1 ) e una bassa dispersità (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4), eseguendo tre reazioni consecutive (50 min/fase) a 60ºC.
Processori a ultrasuoni ad alta potenza dalla scala di laboratorio alla scala pilota e industriale.
Sistemi a ultrasuoni ad alte prestazioni per la produzione di chitosano
La frammentazione della chitina e la deacetilazione della chitina in chitosano richiedono apparecchiature a ultrasuoni potenti e affidabili, capaci di erogare ampiezze elevate, offrire un controllo preciso dei parametri di processo e funzionare 24/7 sotto carichi gravosi e in ambienti impegnativi. La gamma di prodotti Hielscher Ultrasonics soddisfa le vostre esigenze e quelle del vostro processo. I sonicatori Hielscher sono sistemi ad alte prestazioni che possono essere dotati di accessori quali sonotrodi, booster, reattori o celle di flusso, per adattarsi in modo ottimale alle esigenze del vostro processo.
Il display digitale a colori, la possibilità di preimpostare i cicli di sonicazione, la registrazione automatica dei dati su una scheda SD integrata, il controllo remoto tramite browser e molte altre funzioni garantiscono il massimo controllo del processo e la facilità d’uso. Grazie anche alla robustezza e alla capacità di sopportare carichi gravosi, i sistemi a ultrasuoni Hielscher sono un supporto affidabile nella produzione.
La frammentazione e la deacetilazione della chitina richiedono ultrasuoni potenti per ottenere la conversione desiderata e un prodotto finale di chitosano di alta qualità. Soprattutto per la frammentazione delle scaglie di chitina, sono essenziali ampiezze e pressioni elevate. I processori industriali a ultrasuoni di Hielscher Ultrasonics erogano facilmente ampiezze molto elevate. È possibile mantenere ampiezze fino a 200µm in funzionamento continuo 24/7. Per ampiezze ancora maggiori sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. La capacità di potenza dei sistemi a ultrasuoni Hielscher consente una deacetilazione efficiente e rapida mediante un processo sicuro e semplice da utilizzare.
La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori:
| Volume del lotto | Portata | Dispositivi consigliati |
|---|---|---|
| Da 1 a 500mL | Da 10 a 200mL/min | UP100H |
| Da 10 a 2000mL | Da 20 a 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| Da 0,1 a 20L | Da 0,2 a 4L/min | UIP2000hdT |
| Da 10 a 100L | Da 2 a 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | Da 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | superiore | gruppo di UIP16000 |
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Bibliografia e riferimenti
- 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): Influenza della temperatura durante la deacetilazione della chitina in chitosano con ultrasuoni ad alta intensità come pretrattamento, congresso annuale dell’Institute of Food Technologists, New Orleans, LA, 30 giugno, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Influenza degli ultrasuoni ad alta intensità sull’accelerazione della conversione della chitina in chitosano, congresso annuale dell’Institute of Food Technologists, New Orleans, LA, 30 giugno, 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.
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Informazioni utili
Come funziona la deacetilazione a ultrasuoni della chitina?
Quando ultrasuoni ad alta potenza e bassa frequenza (ad esempio 20–26kHz) vengono accoppiati a un liquido o a una sospensione, il liquido viene sottoposto a cicli alternati di alta pressione / bassa pressione che generano compressione e rarefazione. Durante questi cicli alternati di alta pressione / bassa pressione si generano piccole bolle di vuoto, che crescono nel corso di diversi cicli di pressione. Quando le bolle di vuoto non possono più assorbire energia, collassano violentemente. Durante questa implosione delle bolle si verificano localmente condizioni molto intense: temperature elevate fino a 5000K, pressioni fino a 2000atm, velocità di riscaldamento/raffreddamento molto elevate e differenze di pressione. Poiché la dinamica del collasso delle bolle è più rapida del trasferimento di massa e calore, l’energia nella cavità che collassa rimane confinata in una zona molto piccola, chiamata anche “punto caldo”. L’implosione della bolla di cavitazione genera inoltre microturbolenze, getti di liquido con velocità fino a 280m/s e le conseguenti forze di taglio. Questo fenomeno è noto come cavitazione ultrasonica o acustica.
Le goccioline e le particelle nel liquido sottoposto a sonicazione vengono colpite da queste forze di cavitazione e, quando le particelle accelerate urtano tra loro, si frantumano per collisione interparticellare. La cavitazione acustica è il principio di funzionamento della macinazione, della dispersione e dell’emulsificazione a ultrasuoni, nonché della sonochimica.
Per la deacetilazione della chitina, gli ultrasuoni ad alta intensità aumentano la superficie, attivandola e favorendo il trasferimento di massa tra le particelle e il reagente.
Chitosano
Il chitosano è un polimero glucidico modificato, cationico e non tossico, con una struttura chimica complessa costituita da unità di β-(1,4) glucosamina come componente principale (>80%) e unità di N-acetilglucosamina (<20%), distribuite casualmente lungo la catena. Il chitosano deriva dalla chitina mediante deacetilazione chimica o enzimatica. Il grado di deacetilazione (DA) determina il contenuto di gruppi amminici liberi nella struttura ed è utilizzato per distinguere la chitina dal chitosano. Il chitosano mostra una buona solubilità in solventi blandi come l’acido acetico diluito e presenta diversi gruppi amminici liberi come siti attivi. Ciò rende il chitosano vantaggioso rispetto alla chitina in numerose reazioni chimiche.
Il chitosano è apprezzato per la sua eccellente biocompatibilità e biodegradabilità, l’assenza di tossicità, la buona attività antimicrobica (contro batteri e funghi), l’impermeabilità all’ossigeno e le proprietà filmogene. Rispetto alla chitina, il chitosano ha il vantaggio di essere solubile in acqua e quindi più facile da manipolare e utilizzare nelle formulazioni.
Essendo il secondo polisaccaride più abbondante dopo la cellulosa, la chitina è disponibile in enormi quantità, che ne fanno una materia prima economica e sostenibile.
Produzione di chitosano
Il chitosano viene prodotto mediante un processo in due fasi. Nella prima fase, la materia prima, come i gusci di crostacei (ossia gamberi, granchi e aragoste), viene deproteinizzata, demineralizzata e purificata per ottenere chitina. Nella seconda fase, la chitina viene trattata con una base forte (ad esempio NaOH) per rimuovere le catene laterali acetiliche e ottenere chitosano. Il processo di produzione convenzionale del chitosano è noto per richiedere tempi molto lunghi e costi elevati.
Chitina
La chitina (C8H13O5N)n è un polimero a catena lineare di β-1,4-N-acetilglucosamina ed è classificata in α-, β- e γ-chitina. Essendo un derivato del glucosio, la chitina è un componente principale degli esoscheletri degli artropodi, come crostacei e insetti, delle radule dei molluschi, dei becchi dei cefalopodi e delle squame dei pesci e dei lissanfibi; si trova anche nelle pareti cellulari dei funghi. La struttura della chitina è paragonabile a quella della cellulosa e forma nanofibrille cristalline o cristalli aghiformi. La cellulosa è il polisaccaride più abbondante al mondo, seguita dalla chitina come secondo polisaccaride più abbondante.
Glucosamina
La glucosamina (C6H13NO5) è un amminozucchero e un importante precursore nella sintesi biochimica di proteine e lipidi glicosilati. La glucosamina è un composto naturalmente abbondante che fa parte della struttura di entrambi i polisaccaridi, chitosano e chitina, ed è quindi uno dei monosaccaridi più abbondanti. La maggior parte della glucosamina disponibile in commercio viene prodotta mediante idrolisi degli esoscheletri dei crostacei, ossia dei gusci di granchi e aragoste.
La glucosamina viene utilizzata principalmente come integratore alimentare, nelle forme di glucosamina solfato, glucosamina cloridrato o N-acetilglucosamina. Gli integratori di glucosamina solfato vengono somministrati per via orale per trattare una condizione dolorosa causata dall’infiammazione, dalla degradazione e dalla perdita finale della cartilagine (osteoartrosi).