キチンのキトサンへの超音波脱アセチル化
超音波キトサンの生産
キトサンは、キチンのN-脱アセチル化によって得られます。従来の脱アセチル化では、キチンをアルカリ溶媒水溶液(通常は40〜50%(w/w)NaOH)に浸します。浸漬プロセスは100から120ºCの高温を必要とし、非常に時間がかかりますが、浸漬ステップごとに得られるキトサンの収率は低いです。高出力超音波の適用は、キチンの脱アセチル化プロセスを大幅に強化し、低温での迅速な処理で低分子量キトサンの高収率をもたらす。超音波脱アセチル化は、食品や医薬品の成分として、肥料として、そして他の多くの産業用途で使用される優れた品質のキトサンをもたらします。
超音波処理は、キチンの例外的な程度のアセチル化(DA)をもたらし、アセチル化キチンの度をDA≥90からキトサンにDA≤10で低下させます。
多くの調査研究は、キトサンへの超音波キチン脱アセチル化の有効性を確認しています。Weiss J. et al. (2008)は、超音波処理がキチンからキトサンへの変換を劇的に改善することを発見しました。キチンの超音波処理は、必要な処理時間を12〜24時間から数時間に短縮する大幅な時間節約をもたらします。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、つまり濃縮NaOHを廃棄して廃棄しなければならないという環境への影響が軽減されます。
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ます
UIP4000hdTの – 4kWパワー超音波システム
超音波キトサン処置の働き原則
高出力、低周波超音波処理(約20-26kHz)は、液体やスラリー中に音響キャビテーションを作成します。高出力超音波は、溶媒(NaOHなど)が固体キチン粒子を断片化して浸透するにつれて、キチンからキトサンへの変換を促進し、それによって表面積を拡大し、固相と液相との間の物質移動を改善します。さらに、超音波キャビテーションの高い剪断力は、加水分解中に試薬(すなわちNaOH)の反応性を増加させるフリーラジカルを生成する。非熱処理技術として、超音波処理は熱劣化を防ぎ、高品質のキトサンを生成します。超音波は、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するだけでなく、従来の処理条件と比較して高純度のキチン(したがってキトサン)を生成します。したがって、キチンおよびキトサンの製造において、超音波は生産コストを削減し、処理時間を短縮し、生産プロセスをより適切に制御し、プロセス廃棄物の環境への影響を低減する可能性があります。
- より高いキトサン収量
- 優れた品質
- 時間の短縮
- プロセス温度の低下
- 効率の向上
- 易しい & 安全な操作
- 環境にやさしい
キトサンへの超音波キチン脱セチル化 – 議定書
1)キチンを準備します。
カニの殻を原料として、カニの殻を徹底的に洗浄して、可溶性有機物や土壌やタンパク質などの付着した不純物を取り除く必要があります。その後、シェル材料を完全に乾燥させる必要があります(例:オーブンで60°Cで24時間)。次に、乾燥した貝殻を粉砕し(例:ハンマーミルを使用)、アルカリ性媒体(例:0.125〜5.0 Mの濃度のNaOH)で除タンパクし、酸(例:希塩酸)で脱塩します。
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実行するために、β-キチン粒子(0.125 mm) < D < 0.250 mm)を40%(w / w)NaOH水溶液に1/10(g mL-1)、懸濁液を二重壁ガラスビーカーに移し、ヒールシャーを使用して超音波処理します UP400セント 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行するときに、次のパラメータ(Fiamingo et al. 2016を参照)は一定に保たれます:(i)超音波プローブ(ソノトロードHielscher S24d22D、先端径= 22 mm)。(ii)超音波処理パルスモード(IP = 0.5秒)。(iii)超音波表面強度
(I = 52.6 W cm-2)、(iv)反応温度(60°C±1°C)、(v)反応時間(50分)、(vi)β-キチン重量/体積40%(w/w)水酸化ナトリウム水溶液(BCHt/NaOH=1/10gmL)の比率-1);(vii)β-キチン懸濁液の容量(50mL)。
最初の反応は、一定の磁気攪拌の下で50分間進行し、その後、懸濁液を0°Cに急速に冷却することによって中断されます。その後、希薄な塩酸を添加してpH 8.5を達成し、サンプルCHs1をろ過によって分離し、脱イオン水で広範囲に洗浄し、周囲条件で乾燥させます。同じ超音波脱アセチル化がCHsへの第2のステップとして繰り返されると1、それはサンプルCHs2を生成する。
a) gladius、b) 超音波処理されたgladius、c) β-キチン、d) 超音波処理されたβ-キチン、e) キトサンの100×倍率での走査型電子顕微鏡(SEM)画像(出典:Preto et al. 2017)
Fiamingoらは、β-キチンの超音波脱アセチル化が、添加剤も不活性雰囲気も長い反応時間も使用せず、低度のアセチル化で高分子量キトサンを効率的に生成することを発見しました。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ますが – つまり、ほとんどの熱化学的脱アセチル化と比較した場合の反応温度が低い。β-キチンの超音波脱アセチル化は、アセチル化の可変度(4%≤DA≤37%)、高重量平均分子量(900,000gモル)を有するランダムに脱アセチル化キトサンの調製を可能にする-1 ≤メートルw ≤ 1,200,000 g モル-1 )および低分散性(1.3 ≤ Ð ≤ 1.4)60ºCで3つの連続反応(50分/ステップ)を実行することにより。
ラボからパイロット、工業規模までの高出力超音波プロセッサ。
キトサン生産のための高性能超音波システム
キチンの断片化およびキチンのキトサンへの脱セチル化は、高振幅を提供できる、プロセスパラメータに対する正確な制御性を提供し、高負荷下および要求の厳しい環境で24/7を操作できる強力で信頼性の高い超音波装置を必要とする。ヒールシャー超音波製品範囲は、あなたとあなたのプロセス要件をカバーします。ヒールシャー超音波装置は、ソノトロード、ブースター、反応器、フローセルなどの付属品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により、超音波処理の実行をプリセットするオプション、統合されたSDカードへの自動データ記録、リモートブラウザ制御、その他多くの機能、最高のプロセス制御と使いやすさが保証されます。堅牢性と重い耐荷重能力と組み合わせて、ヒールシャー超音波システムは生産におけるあなたの信頼できる働き馬です。
キチンの断片化と脱アセチル化には、標的変換と高品質の最終キトサン生成物を得るために強力な超音波が必要です。特にキチンフレークの断片化には、高振幅と高圧が重要です。ヒールシャー超音波’ 工業用超音波プロセッサは、非常に高い振幅を簡単に提供します。最大200μmの振幅を24/7操作で連続運転できます。さらに高い振幅のために、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。ヒールシャー超音波システムの電力容量は、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を可能にします。
以下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力を示しています。
| バッチボリューム | 流量 | 推奨デバイス |
|---|---|---|
| 1〜500mL | 10〜200mL/分 | UP100Hの |
| 10〜2000mL | 20〜400mL/分 | UP200HTの, UP400セント |
| 0.1〜20L | 0.2 から 4L/min | UIP2000hdT |
| 10〜100L | 2〜10L/分 | UIP4000hdTの |
| N.A. | 10〜100L/min | UIP16000 |
| N.A. | 大きい | クラスタ UIP16000 |
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文献/参考文献
- Butnaru E.、Stoleru E.、Brebu MA、Darie-Nita RN、Bargan A.、Vasile C.(2019):食品保存のためのエマルジョン技術によって調製されたキトサンベースのバイオナノ複合フィルム。マテリアルズ2019、12(3)、373。
- Fiamingo A.、de Moura Delezuk JA、Trombotto St. David L.、Campana-Filho S.P.(2016): β-キチンの多段階超音波支援脱アセチル化からの広範囲に脱アセチル化された高分子量キトサン.超音波ソノケミストリー32、2016。79–85.
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- Kjartansson、G.、Kristbergsson、K.、Zivanovic、S.、Weiss、J.(2008):キチンのキトサンへの変換を加速するための高強度超音波の影響、食品技術者協会の年次総会、ニューオーリンズ、ルイジアナ、6月30日、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):船舶用ディーゼル油の潜在的なバイオ吸着剤としてのグラディウスとその誘導体。環境科学と汚染研究(2017)24:22932–22939。
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知っておく価値のある事実
超音波キチン単離はどのように機能しますか?
高出力の低周波超音波(20〜26kHzなど)を液体またはスラリーに結合すると、高圧/低圧のサイクルが交互に液体に適用され、圧縮と希薄化が生じます。これらの高圧/低圧サイクルの間に、小さな真空気泡が生成され、それが数回の圧力サイクルにわたって成長します。真空の泡がそれ以上のエネルギーを吸収できない時点で、真空の泡は激しく崩壊します。このバブルの爆縮中に、局所的に非常に激しい条件が発生します:最大5000Kの高温、最大2000気圧の圧力、非常に高い加熱/冷却速度、圧力差が発生します。気泡崩壊のダイナミクスは質量や熱伝達よりも速いため、崩壊するキャビティ内のエネルギーは「ホットスポット」とも呼ばれる非常に小さなゾーンに限定されます。キャビテーション気泡の爆縮は、微小乱流、最大280m/sの速度の液体ジェット、および結果として生じるせん断力ももたらします。この現象は、超音波キャビテーションまたは音響キャビテーションとして知られています。
超音波処理された液体中の液滴および粒子は、これらのキャビテーション力によって衝突され、加速された粒子が互いに衝突すると、それらは粒子間衝突によって粉々になる。音響キャビテーションは、超音波フライス加工、分散、乳化、およびソノケミストリーの動作原理です。
キチンの脱アセチル化では、高強度の超音波が表面を活性化し、粒子と試薬間の物質移動を促進することにより、表面積が増加します。
キトサン
キトサンは、β-(1,4)グルコサミン単位を主成分として形成された複雑な化学構造を持つ、変性、カチオン性、非毒性の炭水化物ポリマーです(>80%)およびN-アセチルグルコサミンユニット(<20%)、チェーンに沿ってランダムに分布します。キトサンは、化学的または酵素的脱アセチル化によってキチンに由来します。脱アセチル化の程度(DA)は、構造中の遊離アミノ基の含有量を決定し、キチンとキトサンを区別するために使用されます。キトサンは、希酢酸などの中程度の溶媒に良好な溶解性を示し、活性部位としていくつかの遊離アミン基を提供します。これにより、キトサンは多くの化学反応においてキチンよりも有利になります。
キトサンは、その優れた生体適合性と生分解性、非毒性、優れた抗菌活性(細菌や真菌に対して)、酸素不透過性、およびフィルム形成特性で評価されています。キチンとは対照的に、キトサンは水溶性であるため、取り扱いが容易で製剤に使用しやすいという利点があります。
セルロースに次いで2番目に豊富な多糖類として、キチン質が豊富に含まれているため、安価で持続可能な原料となっています。
Chitosanの生産
キトサンは2段階のプロセスで製造されます。最初のステップでは、甲殻類の殻(エビ、カニ、ロブスターなど)などの原料を脱タンパク、脱灰、精製してキチン質を得ます。第2ステップでは、キチンを強塩基(NaOHなど)で処理してアセチル側鎖を除去し、キトサンを得ます。従来のキトサン生産のプロセスは、非常に時間がかかり、コストがかかることが知られています。
キチン
キチン(C8H13O5N)N は、β-1,4-N-アセチルグルコサミンの直鎖ポリマーで、α-キチン、β-キチン、γ-キチンに分類されます。グルコースの誘導体であるキチンは、甲殻類や昆虫などの節足動物の外骨格、軟体動物のラデュラ、頭足類のくちばし、魚やリッサンフィックの鱗の主成分であり、真菌の細胞壁にも見られます。キチンの構造はセルロースに匹敵し、結晶性のナノフィブリルまたはウィスカーを形成します。セルロースは世界で最も豊富な多糖類であり、キチンが2番目に豊富な多糖類としてそれに続きます。
グルコサミン
グルコサミン(C6H13いいえ5)はアミノ糖であり、グリコシル化タンパク質および脂質の生化学的合成における重要な前駆体である。グルコサミンは、多糖類、キトサン、キチンの両方の構造の一部である豊富な化合物であり、グルコサミンを最も豊富な単糖類の1つにしています。市販のグルコサミンのほとんどは、甲殻類の外骨格、つまりカニやロブスターの殻の加水分解によって生成されます。
グルコサミンは主に栄養補助食品として使用され、グルコサミン硫酸塩、グルコサミン塩酸塩、またはN-アセチルグルコサミンの形で使用されます。グルコサミン硫酸塩サプリメントは、軟骨の炎症、破壊、および最終的な喪失(変形性関節症)によって引き起こされる痛みを伴う状態を治療するために経口投与されます。