キチンからキトサンへの超音波脱アセチル化反応

超音波キトサン製造

キトサンはキチンのN-脱アセチル化によって得られる。従来の脱アセチル化では、キチンをアルカリ水溶液（通常40～50％(w/w)のNaOH）に浸漬する。この浸漬工程は100～120℃の高温を必要とし、非常に時間がかかる一方、1回の浸漬で得られるキトサンの収率は低い。高出力超音波を適用すると、キチンの脱アセチル化プロセスが大幅に強化され、低温での迅速な処理で低分子量キトサンが高収率で得られる。超音波脱アセチル化により、優れた品質のキトサンが得られ、食品や医薬品の原料、肥料、その他多くの工業用途に使用されます。
超音波処理により、キチンのアセチル化度（DA）は例外的にDA≧90からDA≦10のキトサンに低下する。
超音波によるキチン脱アセチル化のキトサンへの有効性は、多くの研究で確認されている。Weiss J. et al. (2008)は、超音波処理によってキチンのキトサンへの変換が劇的に改善されることを発見した。キチンの超音波処理には大幅な時間短縮効果があり、必要な処理時間が12～24時間から数時間に短縮される。さらに、完全な変換を達成するために必要な溶媒が少なくて済むため、使用済みまたは未反応の溶媒、すなわち濃NaOHを廃棄・処分しなければならないという環境への影響も少なくなる。

キチンからキトサンへの脱アセチル化は超音波処理によって促進される

超音波キトサン処理の原理

高出力低周波超音波（約20～26kHz）は、液体やスラリー中に音響キャビテーションを発生させる。高出力超音波は、溶媒（NaOHなど）が固体キチン粒子を細分化して浸透することにより、キチンのキトサンへの変換を促進し、表面積を拡大し、固相と液相の間の物質移動を改善する。さらに、超音波キャビテーションの高いせん断力によりフリーラジカルが生成され、加水分解中の試薬（NaOHなど）の反応性が高まる。非加熱処理技術として、超音波処理は熱劣化を防ぎ、高品質のキトサンを生産します。超音波は、従来の処理条件と比較して、甲殻類からキチンを抽出するのに必要な処理時間を短縮し、より純度の高いキチン（ひいてはキトサン）を得ることができる。キチンやキトサンの生産において、超音波は生産コストを下げ、処理時間を短縮し、生産工程をよりよく制御し、工程廃棄物による環境への影響を減らす可能性がある。

超音波によるキチンのキトサンへの脱セチル化 – プロトコル

1) キチンを準備する：
カニの殻を原料として使用する場合、可溶性有機物や、土やタンパク質を含む付着不純物を除去するために、カニの殻を十分に洗浄する必要がある。その後、殻を完全に乾燥させなければならない（例えば、オーブンで60℃、24時間）。その後、乾燥した殻を粉砕し（例えばハンマーミルを使用）、アルカリ性媒体（例えば0.125～5.0MのNaOH）で脱タンパクし、酸（例えば希塩酸）で脱灰する。
2) 超音波脱アセチル化
典型的な超音波脱アセチル化反応を行うために、β-キチン粒子（0.125 mm < D < 0.250mm）を40%(w/w)のNaOH水溶液に懸濁し、β-キチン/NaOH水溶液の比率は1/10(g mL)^-1)、懸濁液を二重壁ガラスビーカーに移し、Hielscherを使用して超音波処理する。 UP400ST 超音波ホモジナイザー。超音波キチン脱アセチル化反応を実施する際、以下のパラメータ（Fiamingo et al.2016参照）は一定に保つ：(i) 超音波プローブ（ソノトロードHielscher S24d22D、先端直径＝22 mm）；(ii) 超音波照射パルスモード（IP＝0.5秒）；(iii) 超音波表面強度
(I = 52.6 W cm^-2)、(iv)反応温度(60℃±1℃)、(v)反応時間(50分)、(vi)β-キチンの重量／40％(w/w)水酸化ナトリウム水溶液の体積比(BCHt/NaOH = 1/10g mL^-1vii）β-キチン懸濁液の量（50mL）。
最初の反応は、一定の磁気攪拌下で50分間進行し、その後、懸濁液を0℃まで急速に冷却することで中断される。その後、希塩酸を加えてpH8.5とし、サンプルCHs1を濾過により単離し、脱イオン水で広く洗浄した後、常温で乾燥させる。CHs1に対して同じ超音波脱アセチル化を第二段階として繰り返すと、試料CHs2が得られる。

a)グラディウス、b)超音波処理グラディウス、c)β-キチン、d)超音波処理β-キチン、e)キトサンの走査型電子顕微鏡（SEM）像（出典：Preto et al.）

Fiamingoらは、β-キチンの超音波脱アセチル化反応により、添加剤や不活性雰囲気、長い反応時間を用いなくても、低アセチル化度の高分子量キトサンが効率よく得られることを発見した。超音波脱アセチル化反応は、より穏やかな条件下で行われる。 – すなわち、ほとんどの熱化学的脱アセチル化と比較して反応温度が低い。β-キチンの超音波脱アセチル化により、様々なアセチル化度（4％≦DA≦37％）、高い重量平均分子量（900,000 g mol^-1 ≤ M_w ≤ 1,200,000 g mol^-1 )および低分散性(1.3 ≤ Ð ≤ 1.4)で、60℃で3回連続反応(50分/ステップ)を行った。

キトサン製造用高性能超音波システム

キチンの破砕やキトサンへの脱セチル化には、高振幅が得られ、プロセスパラメーターの正確な制御が可能で、高負荷や過酷な環境下でも24時間365日稼働可能な、強力で信頼性の高い超音波装置が必要です。Hielscher Ultrasonicsの製品群は、お客様のプロセス要件をカバーします。Hielscher社の超音波発生装置は、お客様のプロセスニーズに最適に対応するため、ソノトロード、ブースター、リアクター、フローセルなどのアクセサリーを装備できる高性能システムです。
デジタルカラーディスプレイ、超音波処理のプリセットオプション、内蔵SDカードへの自動データ記録、リモートブラウザコントロール、その他多くの機能により、最高のプロセス制御と使いやすさが保証されます。堅牢性と高い耐荷重性を備えたHielscherの超音波システムは、生産現場での信頼性の高い作業馬です。
キチンの断片化と脱アセチル化には、目的とする変換と高品質の最終キトサン製品を得るために強力な超音波が必要である。特にキチンフレークの断片化には、高い振幅と高い圧力が重要です。Hielscher Ultrasonics’ 産業用超音波プロセッサは、非常に高い振幅を容易に実現します。最大200µmの振幅を24時間365日連続運転することができます。さらに高い振幅を得るためには、カスタマイズされた超音波ソノトロードが利用可能です。Hielscher社製超音波システムの出力容量により、安全でユーザーフレンドリーなプロセスで効率的かつ迅速な脱アセチル化が可能になります。

下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：