키틴을 키토산으로 전환하는 초음파 탈아세틸화

초음파를 이용한 키토산 생산

키토산은 키틴의 N-탈아세틸화를 통해 얻습니다. 기존의 탈아세틸화에서는 키틴을 알칼리 수용액 용매(일반적으로 40–50% (w/w) NaOH)에 침지합니다. 침지 공정은 100–120ºC의 높은 온도가 필요하고 시간이 매우 오래 걸리는 반면, 각 침지 단계에서 얻는 키토산의 수율은 낮습니다. 고출력 초음파를 적용하면 키틴의 탈아세틸화 공정이 크게 강화되어 더 낮은 온도에서 신속하게 처리하면서 저분자량 키토산을 높은 수율로 얻을 수 있습니다. 초음파 탈아세틸화로 얻은 우수한 품질의 키토산은 식품 및 의약품 원료, 비료와 그 밖의 다양한 산업 용도로 사용됩니다.
초음파 처리는 키틴의 아세틸화도(DA)를 현저하게 낮추어 DA≥90인 키틴을 DA≤10인 키토산으로 전환합니다.
많은 연구에서 키틴을 키토산으로 전환하는 초음파 탈아세틸화의 효과가 확인되었습니다. Weiss J. 등(2008)은 초음파 처리가 키틴의 키토산 전환을 획기적으로 향상시킨다는 사실을 발견했습니다. 키틴의 초음파 처리는 필요한 공정 시간을 12–24시간에서 몇 시간으로 줄여 시간을 크게 절약합니다. 또한 완전한 전환을 달성하는 데 필요한 용매의 양이 줄어들어, 사용되었거나 반응하지 않은 용매인 농축 NaOH를 폐기하고 처리하는 데 따른 환경 영향을 낮춥니다.

초음파 처리는 키틴을 키토산으로 전환하는 탈아세틸화를 촉진합니다

초음파 키토산 처리의 작동 원리

고출력 저주파 초음파 처리(∼20–26kHz)는 액체와 슬러리에서 음향 캐비테이션을 발생시킵니다. 고출력 초음파는 용매(예: NaOH)가 고체 키틴 입자를 파쇄하고 그 내부로 침투하도록 하여 표면적을 넓히고 고체상과 액체상 사이의 물질 전달을 개선함으로써 키틴의 키토산 전환을 촉진합니다. 또한 초음파 캐비테이션의 높은 전단력은 자유 라디칼을 생성하여 가수분해 중 시약(즉, NaOH)의 반응성을 높입니다. 비열 처리 기술인 초음파 처리는 열분해를 방지하여 고품질 키토산을 생산합니다. 초음파는 갑각류에서 키틴을 추출하는 데 필요한 처리 시간을 단축하고, 기존 처리 조건에 비해 순도가 더 높은 키틴(따라서 이후에는 키토산)을 얻을 수 있게 합니다. 따라서 키틴과 키토산 생산에서 초음파는 생산 비용을 낮추고, 처리 시간을 단축하며, 생산 공정을 더 잘 제어하고, 공정 폐기물의 환경 영향을 줄일 잠재력이 있습니다.

키틴을 키토산으로 전환하는 초음파 탈아세틸화 – 프로토콜

1) 키틴 준비:
게 껍데기를 원료로 사용할 때는 수용성 유기물과 토양 및 단백질을 포함한 부착 불순물을 제거하기 위해 게 껍데기를 철저히 세척해야 합니다. 그다음 껍데기 원료를 완전히 건조해야 합니다(예: 오븐에서 60ºC로 24h 동안). 이어서 건조된 껍데기를 분쇄하고(예: 해머 밀 사용), 알칼리성 매질에서 단백질을 제거한 다음(예: 농도 0.125–5.0 M의 NaOH), 산에서 무기질을 제거합니다(예: 묽은 염산).
2) 초음파 탈아세틸화
일반적인 초음파 탈아세틸화 반응을 수행하려면 베타-키틴 입자(0.125 mm < d < 0.250 mm)를 40% (w/w) NaOH 수용액에 현탁하며, 이때 베타-키틴/NaOH 수용액의 비율은 1/10(g mL^-1)이며, 현탁액을 이중벽 유리 비커로 옮긴 다음 Hielscher UP400St 초음파 균질기를 사용하여 초음파 처리합니다. 초음파 키틴 탈아세틸화 반응을 수행할 때 다음 매개변수(Fiamingo et al. 2016 참조)를 일정하게 유지합니다. (i) 초음파 프로브(소노트로드 Hielscher S24d22D, 팁 직경 = 22 mm); (ii) 초음파 처리 펄스 모드(IP = 0.5sec); (iii) 초음파 표면 강도
(I = 52.6 W cm^-2), (iv) 반응 온도(60ºC ±1ºC), (v) 반응 시간(50 min), (vi) 베타-키틴 중량/40% (w/w) 수산화나트륨 수용액 부피의 비율(BCHt/NaOH = 1/10 g mL^-1); (vii) 베타-키틴 현탁액의 부피(50mL).
첫 번째 반응은 일정한 자기 교반하에서 50min 동안 진행한 다음 현탁액을 0ºC로 빠르게 냉각하여 중단합니다. 이후 묽은 염산을 첨가하여 pH 8.5에 도달하도록 하고, 여과로 시료 CHs1을 분리한 후 탈이온수로 충분히 세척하고 주변 환경 조건에서 건조합니다. CHs1에 두 번째 단계로 동일한 초음파 탈아세틸화를 반복하면 시료 CHs2가 생성됩니다.

a) 오징어 연갑, b) 초음파 처리한 오징어 연갑, c) β-키틴, d) 초음파 처리한 β-키틴 및 e) 키토산의 100× 배율 주사 전자 현미경(SEM) 이미지(출처: Preto et al. 2017)

Fiamingo 등은 베타-키틴의 초음파 탈아세틸화를 통해 첨가제나 불활성 분위기, 긴 반응 시간 없이도 아세틸화도가 낮은 고분자량 키토산을 효율적으로 생산할 수 있음을 발견했습니다. 이는 초음파 탈아세틸화 반응을 대부분의 열화학적 탈아세틸화보다 더 온화한 조건, 즉 더 낮은 반응 온도에서 수행함에도 불구하고 얻은 결과입니다. 베타-키틴의 초음파 탈아세틸화를 통해 다양한 아세틸화도(4% ≤ DA ≤ 37%), 높은 중량 평균 분자량(900,000 g mol^-1 ≤ M_w ≤ 1,200,000 g mol^-1 ) 및 낮은 분산도(1.3 ≤ Ð ≤ 1.4)를 갖는 무작위로 탈아세틸화된 키토산을 60ºC에서 세 번의 연속 반응(50 min/단계)을 수행하여 제조할 수 있습니다.

키토산 생산용 고성능 초음파 시스템

키틴의 파쇄와 키틴을 키토산으로 전환하는 탈아세틸화에는 높은 진폭을 제공하고 공정 매개변수를 정밀하게 제어할 수 있으며, 고부하와 까다로운 환경에서 24/7 운전이 가능한 강력하고 신뢰할 수 있는 초음파 장비가 필요합니다. Hielscher Ultrasonics의 제품군은 사용자와 공정의 요구 사항을 충족합니다. Hielscher 초음파 장치는 공정 요구에 최적으로 부합하도록 소노트로드, 부스터, 반응기 또는 플로우 셀과 같은 부속품을 장착할 수 있는 고성능 시스템입니다.
디지털 컬러 디스플레이, 초음파 처리 실행 사전 설정 옵션, 내장 SD 카드에 자동 데이터 기록, 브라우저를 통한 원격 제어 등 다양한 기능으로 최고 수준의 공정 제어와 사용자 편의성을 보장합니다. 견고함과 높은 부하를 견디는 능력을 갖춘 Hielscher 초음파 시스템은 생산 현장에서 믿고 사용할 수 있는 장비입니다.
키틴의 파쇄와 탈아세틸화에서 목표 전환율과 고품질의 최종 키토산 제품을 얻으려면 강력한 초음파가 필요합니다. 특히 키틴 플레이크를 파쇄할 때는 높은 진폭과 높은 압력이 매우 중요합니다. Hielscher Ultrasonics의 산업용 초음파 프로세서는 매우 높은 진폭을 손쉽게 제공합니다. 최대 200µm의 진폭으로 24/7 연속 운전이 가능합니다. 더 높은 진폭을 위해서는 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다. Hielscher 초음파 시스템의 출력 용량은 안전하고 사용하기 편리한 공정에서 효율적이고 신속한 탈아세틸화를 가능하게 합니다.

아래 표는 당사 초음파 장치의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다.