키틴을 키토산으로 하는 초음파 탈아세틸화
초음파 키토산 생산
키토산은 키틴의 N-탈아세틸화에 의해 얻어집니다. 기존의 탈아세틸화에서, 키틴은 수성 알칼리 용매(전형적으로 40 내지 50%(w/w) NaOH)에 담근다. 담그는 과정은 100에서 120ºC의 고열을 필요로 하는 동시에 담그는 단계당 얻어지는 키토산의 수율이 낮다는 것을 요구합니다. 고출력 초음파의 적용은 키틴의 탈아세틸화 과정을 크게 강화하고 저온에서 신속한 처리로 저분자량 키토산의 높은 수율을 제공합니다. 초음파 탈아세틸화는 식품 및 제약 성분, 비료 및 기타 여러 산업 응용 분야에서 사용되는 우수한 품질의 키토산을 생성합니다.
초음파 처리는 키틴의 탁월한 아세틸화(DA) 정도를 초래하여 아세틸화 키틴의 정도를 DA≥90에서 DA≤10의 키토산으로 낮춥니다.
많은 연구에서 키토산에 대한 초음파 키틴 탈아세틸화의 효과를 확인합니다. Weiss J. et al. (2008)은 초음파 처리가 키틴을 키토산으로 전환하는 것을 크게 개선한다는 것을 발견했습니다. 키틴의 초음파 처리는 상당한 시간 절약을 제공하여 필요한 공정 시간을 12-24 시간에서 몇 시간으로 단축합니다. 또한 완전한 전환을 달성하는 데 더 적은 용매가 필요하므로 사용되거나 반응되지 않은 용매, 즉 농축된 NaOH를 폐기하고 폐기해야 하는 환경적 영향을 낮춥니다.
키틴을 키토산으로 탈아세틸화는 초음파 처리에 의해 촉진됩니다
UIP4000hdt 님 – 4kW 전력 초음파 시스템
초음파 키토산 치료의 작동 원리
고출력, 저주파 초음파 (∼ 20-26kHz)는 액체 및 슬러리에서 음향 캐비테이션을 생성합니다. 고출력 초음파는 용매(예: NaOH)가 고체 키틴 입자를 단편화하고 관통함에 따라 키틴이 키토산으로 전환되는 것을 촉진하여 표면적을 확대하고 고체상과 액상 사이의 물질 전달을 개선합니다. 또한, 초음파 캐비테이션의 높은 전단력은 가수분해 중 시약(즉, NaOH)의 반응성을 증가시키는 자유 라디칼을 생성합니다. 비 열 처리 기술로서, 초음파 처리는 고품질 키토산을 생산하는 열 분해를 방지합니다. 초음파는 갑각류에서 키틴을 추출하는 데 필요한 처리 시간을 단축하고 기존 가공 조건에 비해 더 높은 순도의 키틴(및 후속 키토산)을 생성합니다. 따라서 키틴 및 키토산 생산을 위해 초음파는 생산 비용을 낮추고, 처리 시간을 단축하고, 생산 공정을 더 잘 제어하고, 공정 폐기물이 환경에 미치는 영향을 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다.
- 더 높은 키토산 수율
- 우수한 품질
- 시간 단축
- 더 낮은 공정 온도
- 효율성 향상
- 쉬운 & 안전한 작동
- 환경 친화적 인
초음파 키틴 Decetylation에서 키토산으로 – 프로토콜
1) 키틴질 준비:
게 껍질을 원료로 사용하여 게 껍질을 철저히 세척하여 용해성 유기물과 토양 및 단백질을 포함한 부착 불순물을 제거해야 합니다. 그 후, 쉘 재료는 완전히 건조되어야 합니다(예: 오븐에서 60ºC에서 24시간 동안). 그런 다음 건조된 껍질을 분쇄하고(예: 해머밀 사용), 알칼리성 매체(예: 0.125 - 5.0M의 농도에서 NaOH)에서 탈단백질화하고, 산(예: 묽은 염산)에서 탈염화합니다.
2) 초음파 탈아세틸화
일반적인 초음파 탈아세틸화 반응을 실행하려면 베타-키틴 입자(0.125mm < d < 0.250 mm)는 1/10(g mL)의 비율로 베타-키틴/NaOH 수용액 40%(w/w) NaOH에 부유한다-1), 현탁액은 이중벽 유리 비커로 옮겨지고 Hielscher를 사용하여 초음파 처리됩니다 UP400ST 초음파 균질화기. 다음 매개 변수 (Fiamingo et al. 2016 참조)는 초음파 키틴 탈아세틸화 반응을 수행 할 때 일정하게 유지됩니다 : (i) 초음파 프로브 (sonotrode Hielscher S24d22D, 팁 직경 = 22mm); (ii) 초음파 처리 펄스 모드 (IP = 0.5 초); (iii) 초음파 표면 강도
(I = 52.6 W cm-2), (iv) 반응 온도(60ºC ±1ºC), (v) 반응 시간(50분), (vi) 수산화나트륨 수용성 40%(w/w)의 베타-키틴 중량/부피 비율(BCHt/NaOH = 1/10g mL-1); (vii) 베타-키틴 현탁액(50mL)의 부피.
첫 번째 반응은 일정한 자기 교반 하에서 50분 동안 진행된 다음 현탁액을 0ºC로 빠르게 냉각하여 중단됩니다. 그 후 묽은 염산을 첨가하여 pH 8.5를 달성하고 샘플 CHs1을 여과로 분리하고 탈이온수로 광범위하게 세척하고 주변 조건에서 건조합니다. CHs1에 대한 두 번째 단계로 동일한 초음파 탈아세틸화를 반복하면 샘플 CHs2가 생성됩니다.
a) gladius, b) 초음파 처리된 gladius, c) β-키틴, d) 초음파 처리된 β-키틴, e) 키토산의 100× 배율로 본 주사전자현미경(SEM) 이미지(출처: Preto et al. 2017)
Fiamingo et al.은 베타 키틴의 초음파 탈아세틸화가 첨가제나 불활성 분위기 또는 긴 반응 시간을 사용하지 않고 아세틸화 정도가 낮은 고분자량 키토산을 효율적으로 생성한다는 것을 발견했습니다. 초음파 탈아세틸화 반응은 더 온화한 조건에서 수행되지만 – 즉, 대부분의 열화학적 탈아세틸화와 비교할 때 낮은 반응 온도. 베타-키틴의 초음파 탈아세틸화는 다양한 아세틸화 정도(4% ≤ DA ≤ 37%), 높은 중량 평균 분자량(900,000 g mol-1 ≤ 남W ≤ 1,200,000 g mol-1 ) 및 낮은 분산도(1.3 ≤ Ð ≤ 1.4)를 60ºC에서 3회 연속 반응(50분/단계)을 수행합니다.
실험실에서 파일럿 및 산업 규모에 이르는 고출력 초음파 프로세서.
키토산 생산을 위한 고성능 초음파 시스템
키틴의 단편화와 키틴의 키토산으로의 데세틸화는 높은 진폭을 제공할 수 있고 공정 매개변수에 대한 정밀한 제어성을 제공하며 무거운 부하와 까다로운 환경에서 24/7 작동할 수 있는 강력하고 신뢰할 수 있는 초음파 장비를 필요로 합니다. Hielscher 초음파 제품 범위는 귀하와 귀하의 공정 요구 사항을 다룹니다. Hielscher 초음파는 최적의 방식으로 공정 요구 사항을 충족시키기 위해 소노트로드, 부스터, 반응기 또는 플로우 셀과 같은 액세서리를 장착 할 수있는 고성능 시스템입니다.
디지털 컬러 디스플레이를 사용하면 초음파 처리 실행을 사전 설정하는 옵션, 통합 SD 카드에 자동 데이터 기록, 원격 브라우저 제어 및 더 많은 기능, 최고의 프로세스 제어 및 사용자 친화성이 보장됩니다. 견고 함과 무거운 하중을 견디는 능력과 함께 Hielscher 초음파 시스템은 생산에서 신뢰할 수있는 작업마입니다.
키틴 단편화 및 탈아세틸화는 표적 변환과 고품질의 최종 키토산 산물을 얻기 위해 강력한 초음파가 필요합니다. 특히 키틴 플레이크의 단편화에는 높은 진폭과 높은 압력이 중요합니다. Hielscher 초음파’ 산업용 초음파 프로세서는 매우 높은 진폭을 쉽게 제공합니다. 최대 200μm의 진폭을 24/7 작동으로 연속적으로 실행할 수 있습니다. 더 높은 진폭을 위해 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다. Hielscher 초음파 시스템의 전력 용량은 안전하고 사용자 친화적 인 공정에서 효율적이고 빠른 탈아세틸화를 가능하게합니다.
아래 표는 초음파기의 대략적인 처리 용량을 나타냅니다.
| 배치 볼륨(Batch Volume) | 유량 | 권장 장치 |
|---|---|---|
| 1 내지 500mL | 10 내지 200mL/분 | 업100H |
| 10 내지 2000mL | 20 내지 400mL/분 | UP200HT, UP400ST |
| 0.1 내지 20L | 0.2 내지 4L/min | UIP2000hdT 님 |
| 10에서 100L | 2 내지 10L/min | UIP4000hdt 님 |
| N.A. 개시 | 10 내지 100L/min | UIP16000 |
| N.A. 개시 | 큰 | 의 클러스터 UIP16000 |
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문헌/참고문헌
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu MA, Darie-Nita RN, Bargan A., Vasile C. (2019): 식품 보존을 위해 에멀젼 기술로 제조된 키토산 기반 바이오 나노 복합 필름. 소재 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): 베타-키틴의 다단계 초음파 보조 탈아세틸화에서 광범위하게 탈아세틸화된 고분자량 키토산. 초음파 Sonochemistry 32, 2016. 79–85.
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- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): 전처리로 고강도 초음파를 사용하여 키틴을 키토산으로 탈아세틸화하는 동안 온도의 영향, 식품 기술자 협회 연례 회의, 뉴올리언스, LA, 6월 30일, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008) : 키틴을 키토산으로 변환하는 것을 가속화하는 고강도 초음파의 영향, 식품 기술자 협회 연례 회의, 뉴 올리언스, LA, 6 월 30 일, 95-17.
- Preto MF, Campana-Filho S.P., Fiamingo A., Cosentino I.C., Tessari-Zampieri MC, Abessa D.M.S., Romero AF, Bordon I.C. (2017): 선박용 디젤오일의 잠재적 생체 흡착제로서의 Gladius 및 그 유도체. 환경 과학 및 오염 연구 (2017) 24 : 22932–22939.
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알아 둘 만한 가치가 있는 사실
초음파 키틴 탈액틸화는 어떻게 작동합니까?
When high-power, low-frequency ultrasound (e.g., 20-26kHz) is coupled into a liquid or slurry, alternating high-pressure? low-pressure cycles are applied to the liquid creating compression and rarefaction. During these alternating high-pressure? low-pressure cycles, small vacuum bubbles are generated, which grow over several pressure cycles. At the point, when the vacuum bubbles cannot absorb more energy, they collaps violently. During this bubble implosion, locally very intense conditions occur: high temperatures of up to 5000K, pressures of up to 2000atm, very high heating/cooling rates and pressure differentials occur. Since the bubble collapse dynamics are faster than mass and heat transfer, the energy in the collapsing cavity is confined to a very small zone, also called “핫 스폿”. The implosion of the cavitation bubble also results in microturbulences, liquid jets of up to 280m/s velocity and resulting shear forces. This phenomenon is known as ultrasonic or acoustic cavitation.
초음파 처리 된 액체의 물방울과 입자는 이러한 캐비테이션 힘에 의해 충돌하고 가속 된 입자가 서로 충돌 할 때 입자 간 충돌에 의해 산산조각이 납니다. Acoustic cavitation은 초음파 밀링, 분산, 유화 및 초음파 화학의 작동 원리입니다.
키틴 탈아세틸화의 경우 고강도 초음파는 표면을 활성화하고 입자와 시약 사이의 질량 전달을 촉진하여 표면적을 증가시킵니다.
키토산
키토산은 β-(1,4) 글루코사민 단위에 의해 형성된 복잡한 화학 구조를 가진 변형된 양이온성, 무독성 탄수화물 중합체입니다.>80%) 및 N-아세틸 글루코사민 단위(<20%), 체인을 따라 무작위로 분포됩니다. 키토산은 화학적 또는 효소적 탈아세틸화를 통해 키틴에서 파생됩니다. 탈아세틸화(DA)의 정도는 구조에서 유리 아미노기의 함량을 결정하며 키틴과 키토산을 구별하는 데 사용됩니다. 키토산은 희석된 아세트산과 같은 중간 정도의 용매에서 우수한 용해도를 나타내며 활성 부위로 여러 유리 아민기를 제공합니다. 이것은 많은 화학 반응에서 키토산을 키틴보다 유리하게 만듭니다.
키토산은 우수한 생체 적합성 및 생분해성, 무독성, 우수한 항균 활성(박테리아 및 곰팡이에 대한), 산소 불침투성 및 필름 형성 특성으로 인해 가치가 있습니다. 키틴과 달리 키토산은 수용성이기 때문에 취급이 용이하고 제형에 사용하기 쉽다는 장점이 있습니다.
셀룰로오스에 이어 두 번째로 풍부한 다당류인 키틴이 엄청나게 풍부하여 저렴하고 지속 가능한 원료입니다.
키토산 생산
키토산은 2단계 공정으로 생산됩니다. 첫 번째 단계에서는 갑각류 껍질(예: 새우, 게, 바닷가재)과 같은 원료를 탈단백질화, 탈염 및 정제하여 키틴을 얻습니다. 두 번째 단계에서, 키틴은 키토산을 얻기 위해 아세틸 곁사슬을 제거하기 위해 강한 염기(예: NaOH)로 처리됩니다. 기존의 키토산 생산 공정은 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 드는 것으로 알려져 있습니다.
키틴
키틴질(C8H13O5N)N β-1,4-N-아세틸글루코사민의 직쇄 중합체이며 α-, β-, γ-키틴으로 분류됩니다. 포도당의 파생물인 키틴은 갑각류와 곤충, 연체동물의 방사체, 두족류 부리, 어류와 리삼피비안의 비늘과 같은 절지동물의 외골격의 주요 구성 요소이며 균류의 세포벽에서도 찾을 수 있습니다. 키틴의 구조는 셀룰로오스와 비슷하여 결정질 나노 피브릴 또는 수염을 형성합니다. 셀룰로오스는 세계에서 가장 풍부한 다당류이며, 키틴은 두 번째로 풍부한 다당류입니다.
글루코사민
글루코사민(C6H13아니요5)는 아미노당이며 당화 단백질과 지질의 생화학적 합성에서 중요한 전구체입니다. 글루코사민은 자연적으로 다당류, 키토산 및 키틴의 구조의 일부인 풍부한 화합물로, 글루코사민을 가장 풍부한 단당류 중 하나로 만듭니다. 상업적으로 이용 가능한 대부분의 글루코사민은 갑각류 외골격, 즉 게와 바닷가재 껍질의 가수분해에 의해 생성됩니다.
글루코사민은 주로 글루코사민 설페이트, 글루코사민 염산염 또는 N-아세틸 글루코사민의 형태로 사용되는 건강 보조 식품으로 사용됩니다. 글루코사민 설페이트 보충제는 염증, 파괴 및 연골의 궁극적인 손실(골관절염)로 인한 고통스러운 상태를 치료하기 위해 경구로 투여됩니다.