Deacetilazione a ultrasuoni della chitina in chitosano
Produzione di chitosano a ultrasuoni
Il chitosano si ottiene dalla N-deacetilazione della chitina. Nella deacetilazione convenzionale, la chitina viene immersa in solventi alcalini acquosi (tipicamente NaOH al 40-50% (peso/peso)). Il processo di macerazione richiede temperature elevate, da 100 a 120 ºC, e richiede molto tempo, mentre la resa di chitosano ottenuta per ogni fase di macerazione è bassa. L'applicazione di ultrasuoni ad alta potenza intensifica notevolmente il processo di deacetilazione della chitina e consente di ottenere un'elevata resa di chitosano a basso peso molecolare con un trattamento rapido e a temperatura inferiore. La deacetilazione a ultrasuoni consente di ottenere chitosano di qualità superiore, utilizzato come ingrediente alimentare e farmaceutico, come fertilizzante e in molte altre applicazioni industriali.
Il trattamento con ultrasuoni determina un eccezionale grado di acetilazione (DA) della chitina abbassando il grado di acetilazione della chitina da DA≥90 a chitosano con DA≤10.
Molti studi confermano l'efficacia della deacetilazione ultrasonica della chitina in chitosano. Weiss J. et al. (2008) hanno scoperto che la sonicazione migliora drasticamente la conversione della chitina in chitosano. Il trattamento a ultrasuoni della chitina comporta un notevole risparmio di tempo, riducendo il tempo di processo richiesto da 12-24 ore a poche ore. Inoltre, per ottenere una conversione completa è necessaria una minore quantità di solvente, il che riduce l'impatto ambientale dovuto alla necessità di scartare e smaltire il solvente esaurito o non reagito, ovvero il NaOH concentrato.
La deacetilazione della chitina in chitosano è promossa dalla sonicazione
UIP4000hdT – Sistema a ultrasuoni da 4kW di potenza
Principio di funzionamento del trattamento a ultrasuoni del chitosano
Gli ultrasuoni ad alta potenza e bassa frequenza (∼20-26kHz) creano cavitazione acustica nei liquidi e negli impasti. Gli ultrasuoni ad alta potenza favoriscono la conversione della chitina in chitosano, in quanto il solvente (ad esempio, NaOH) frammenta e penetra nelle particelle solide di chitina, ampliando così l'area superficiale e migliorando il trasferimento di massa tra fase solida e liquida. Inoltre, le elevate forze di taglio della cavitazione ultrasonica creano radicali liberi che aumentano la reattività del reagente (cioè NaOH) durante l'idrolisi. In quanto tecnica di lavorazione non termica, la sonicazione previene la degradazione termica producendo chitosano di alta qualità. Gli ultrasuoni accorciano i tempi di lavorazione necessari per estrarre la chitina dai crostacei e producono chitina (e quindi successivamente chitosano) di maggiore purezza rispetto alle condizioni di lavorazione tradizionali. Per la produzione di chitina e chitosano, gli ultrasuoni hanno quindi il potenziale di ridurre i costi di produzione, diminuire i tempi di lavorazione, consentire un migliore controllo del processo di produzione e ridurre l'impatto ambientale degli scarti del processo.
- Maggiore resa di chitosano
- Qualità superiore
- Tempo ridotto
- Temperatura di processo più bassa
- Maggiore efficienza
- Facile & funzionamento sicuro
- Rispettoso dell'ambiente
Decetilazione ultrasonica della chitina in chitosano – protocollo
1) Preparare la chitina:
Utilizzando i gusci di granchio come materiale di partenza, questi devono essere lavati accuratamente per rimuovere qualsiasi sostanza organica solubile e le impurità aderenti, tra cui terra e proteine. Successivamente, il materiale dei gusci deve essere completamente essiccato (ad esempio, a 60 ºC per 24 ore in un forno). I gusci essiccati vengono poi macinati (ad esempio, con un mulino a martelli), deproteinizzati in un mezzo alcalino (ad esempio, NaOH a una concentrazione compresa tra 0,125 e 5,0 M) e demineralizzati in acido (ad esempio, acido cloridrico diluito).
2) Deacetilazione a ultrasuoni
Per eseguire una tipica reazione di deacetilazione ad ultrasuoni, le particelle di beta-chitina (0,125 mm < d < 0.250 mm) sono sospesi in NaOH acquoso al 40% (peso/peso) in un rapporto beta-chitina/soluzione acquosa di NaOH di 1/10 (g mL).-1), la sospensione viene trasferita in un becher di vetro a doppia parete e viene sonicata con un Hielscher UP400St omogeneizzatore a ultrasuoni. I seguenti parametri (cfr. Fiamingo et al. 2016) sono mantenuti costanti quando si effettua una reazione di deacetilazione della chitina a ultrasuoni: (i) sonda a ultrasuoni (sonotrodo Hielscher S24d22D, diametro della punta = 22 mm); (ii) modalità di impulso di sonicazione (IP = 0,5sec); (iii) intensità della superficie a ultrasuoni
(I = 52,6 W cm-2), (iv) temperatura di reazione (60ºC ±1ºC), (v) tempo di reazione (50 min), (vi) rapporto peso beta-chitina/volume di idrossido di sodio acquoso al 40% (p/p) (BCHt/NaOH = 1/10 g mL-1); (vii) volume della sospensione di beta-chitina (50mL).
La prima reazione procede per 50 minuti sotto costante agitazione magnetica e viene poi interrotta raffreddando rapidamente la sospensione a 0ºC. Successivamente viene aggiunto acido cloridrico diluito per raggiungere pH 8,5 e il campione CHs1 viene isolato per filtrazione, ampiamente lavato con acqua deionizzata e asciugato a condizioni ambientali. Quando la stessa deacetilazione a ultrasuoni viene ripetuta come secondo passaggio su CHs1, si ottiene il campione CHs2.
Immagini al microscopio elettronico a scansione (SEM) con un 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 scoperto che la deacetilazione a ultrasuoni della beta-chitina produce efficacemente chitosano ad alto peso molecolare con un basso grado di acetilazione, senza l'uso di additivi, atmosfera inerte o lunghi tempi di reazione. Anche se la reazione di deacetilazione a ultrasuoni è condotta in condizioni più blande – cioè una bassa temperatura di reazione 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 peso molecolare medio elevato (900.000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1.200.000 g mol-1 ) e bassa dispersione (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4) effettuando tre reazioni consecutive (50 min/step) a 60ºC.
Processori a ultrasuoni ad alta potenza, dal laboratorio alla scala pilota e industriale.
Sistemi a ultrasuoni ad alte prestazioni per la produzione di chitosano
La frammentazione della chitina e la decetilazione della chitina in chitosano richiedono apparecchiature a ultrasuoni potenti e affidabili, in grado di fornire ampiezze elevate, di offrire un controllo preciso dei parametri di processo e di funzionare 24 ore su 24, 7 giorni su 7, in condizioni di carico elevato e in ambienti difficili. La gamma di prodotti Hielscher Ultrasonics soddisfa le vostre esigenze di processo. Gli ultrasuonatori Hielscher sono sistemi ad alte prestazioni che possono essere equipaggiati con accessori quali sonotrodi, booster, reattori o celle di flusso per soddisfare in modo ottimale le esigenze del vostro processo.
Grazie al display digitale a colori, alla possibilità di preimpostare i cicli di sonicazione, alla registrazione automatica dei dati su una scheda SD integrata, al controllo remoto via browser e a molte altre funzioni, il massimo controllo del processo e la facilità d'uso sono assicurati. Grazie alla robustezza e alla grande capacità di carico, i sistemi a ultrasuoni Hielscher sono il vostro cavallo di battaglia affidabile in produzione.
La frammentazione e la deacetilazione della chitina richiedono ultrasuoni potenti per ottenere una conversione mirata e un prodotto finale di chitosano di alta qualità. Soprattutto per la frammentazione dei fiocchi di chitina, sono fondamentali ampiezze elevate e pressioni elevate. Hielscher Ultrasonics’ I processori industriali a ultrasuoni forniscono facilmente ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200µm possono essere gestite in modo continuo, 24 ore su 24, 7 giorni su 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 veloce in un processo sicuro e facile da usare.
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasonori:
| Volume di batch | Portata | Dispositivi raccomandati |
|---|---|---|
| 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. | più grande | cluster di UIP16000 |
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Letteratura/riferimenti
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): Pellicole bionanocomposite a base di chitosano preparate con la tecnica dell'emulsione per la conservazione degli alimenti. Materiali 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Chitosano ad alto peso molecolare ampiamente deacetilato dalla deacetilazione multistep assistita da ultrasuoni della beta-chitina. Ultrasonics Sonochemistry 32, 2016. 79-85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Conversione sonochemica assistita di chitina in chitosano, USDA National Research Initiative Principal Investigators Meeting, New Orleans, LA, 28 giugno.
- 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 pre-trattamento, Riunione annuale dell'Institute of Food Technologists, New Orleans, Los Angeles, 30 giugno, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Influenza degli ultrasuoni ad alta intensità per accelerare la conversione della chitina in chitosano, Riunione annuale dell'Institute of Food Technologists, New Orleans, Los Angeles, 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 e i suoi derivati come potenziali biosorbenti per il gasolio marino. 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): Un metodo per la preparazione top-down di nanoparticelle e nanofibre di chitosano. Polimeri di carboidrati 117, 2015. 731-738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Efficiente riduzione del peso molecolare del chitosano mediante ultrasuoni ad alta intensità: Meccanismo di base ed effetto dei parametri di lavorazione. Journal of Agricultural and Food Chemistry 56(13):5112-5119.
- Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Rifiuti di pesce: una fonte per la preparazione di materiali di chitina/chitosano utilizzabili a livello commerciale. Biorisorse e bioprocesso 6/8, 2019.
Particolarità / Cose da sapere
Come funziona la deactilazione della chitina a ultrasuoni?
Quando gli ultrasuoni ad alta potenza e a bassa frequenza (ad esempio, 20-26 kHz) vengono accoppiati a un liquido o a un liquame, al liquido vengono applicati cicli alternati di alta e bassa pressione che creano compressione e rarefazione. Durante questi cicli alternati di alta e bassa pressione, si generano piccole bolle di vuoto che crescono per diversi cicli di pressione. Quando le bolle di vuoto non possono più assorbire energia, collassano violentemente. Durante l'implosione delle bolle si verificano condizioni localmente molto intense: temperature elevate fino a 5000 K, pressioni fino a 2000atm, tassi di riscaldamento/raffreddamento e differenziali di pressione molto elevati. Poiché la dinamica di collasso della bolla è più veloce del trasferimento di massa e calore, l'energia nella cavità in collasso è confinata in una zona molto piccola, chiamata anche "punto caldo". L'implosione della bolla di cavitazione provoca anche microturbolenze, getti di liquido con velocità fino a 280 m/s e conseguenti forze di taglio. Questo fenomeno è noto come cavitazione ultrasonica o acustica.
Le gocce e le particelle presenti nel liquido sonicato sono investite da queste forze cavitazionali e, quando le particelle accelerate si scontrano tra loro, si frantumano per collisione interparticellare. La cavitazione acustica è il principio di funzionamento della macinazione, della dispersione, dell'emulsificazione e della sicochimica a ultrasuoni.
Per la deacetilazione della chitina, gli ultrasuoni ad alta intensità aumentano l'area superficiale attivando la superficie e promuovendo il trasferimento di massa tra particelle e reagente.
chitosano
Il chitosano è un polimero carboidrato modificato, cationico e non tossico, con una struttura chimica complessa formata da unità di β-(1,4) glucosamina come componente principale (>80%) e unità di N-acetil glucosamina (<20%), distribuiti in modo casuale lungo la catena. Il chitosano è derivato dalla chitina mediante deacetilazione chimica o enzimatica. Il grado di deacetilazione (DA) determina il contenuto di gruppi amminici liberi nella struttura e viene utilizzato per distinguere tra chitina e chitosano. Il chitosano mostra una buona solubilità in solventi moderati come l'acido acetico diluito e offre diversi gruppi amminici liberi come siti attivi. Ciò rende il chitosano più vantaggioso della chitina in molte reazioni chimiche.
Il chitosano è apprezzato per la sua eccellente biocompatibilità e biodegradabilità, la non tossicità, la buona attività antimicrobica (contro batteri e funghi), l'impermeabilità all'ossigeno e le proprietà di formazione di film. A differenza della chitina, il chitosano ha il vantaggio di essere solubile in acqua e quindi più facile da maneggiare e utilizzare nelle formulazioni.
Essendo il secondo polisaccaride più abbondante dopo la cellulosa, la grande abbondanza di chitina la rende una materia prima economica e sostenibile.
Produzione di chitosano
Il chitosano viene prodotto in un processo a due fasi. Nella prima fase, la materia prima, come i gusci dei crostacei (ad esempio, gamberi, granchi, aragoste), viene deproteinizzata, demineralizzata e purificata per ottenere la chitina. Nella seconda fase, la chitina viene trattata con una base forte (ad esempio, NaOH) per rimuovere le catene laterali acetiliche e ottenere il chitosano. Il processo di produzione del chitosano convenzionale è notoriamente molto dispendioso in termini di tempo e di costi.
Chitina
La chitina (C8H13O5N)N è un polimero a catena retta della 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, delle squame dei pesci e dei lissampi e si trova anche nelle pareti cellulari dei funghi. La struttura della chitina è paragonabile a quella della cellulosa, formando nanofibrille cristalline o baffi. La cellulosa è il polisaccaride più abbondante al mondo, seguita dalla chitina come secondo polisaccaride più abbondante.
Glucosamina
Glucosamina (C6H13NO5) è un aminozucchero 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, il che rende la glucosamina uno dei monosaccaridi più abbondanti. La maggior parte della glucosamina disponibile in commercio è prodotta dall'idrolisi degli esoscheletri dei crostacei, cioè dei gusci di granchi e aragoste.
La glucosamina viene utilizzata principalmente come integratore alimentare, sotto forma di glucosamina solfato, glucosamina cloridrato o N-acetil glucosamina. Gli integratori di glucosamina solfato vengono somministrati per via orale per trattare una condizione dolorosa causata dall'infiammazione, dalla rottura e dall'eventuale perdita della cartilagine (osteoartrite).