Deacetyléierung vu Chitin zu Chitosan mat Ultraschall

Chitosan ass e Biopolymer, deen aus Chitin gewonnen gëtt a vill Uwendungen an der Pharmazeutik, der Liewensmëttelindustrie, der Landwirtschaft an der Industrie huet. D’Deacetyléierung vu Chitin zu Chitosan mat Ultraschall verstäerkt d’Behandlung däitlech – wat zu engem effizienten a séiere Prozess mat engem héijen Ertrag u Chitosan vun exzellenter Qualitéit féiert.

Produktioun vu Chitosan mat Ultraschall

Chitosan gëtt duerch d’N-Deacetyléierung vu Chitin gewonnen. Bei der konventioneller Deacetyléierung gëtt Chitin a wässereschen alkalesche Léisungsmëttelen ageweecht (typescherweis 40 bis 50% (w/w) NaOH). Den Aweecheprozess erfuerdert héich Temperature vun 100 bis 120ºC an ass ganz zäitopwänneg, wärend den Ertrag u Chitosan pro Aweechetschrëtt niddereg ass. Den Asaz vun Ultraschall mat héijer Leeschtung verstäerkt den Deacetyléierungsprozess vu Chitin däitlech a féiert bei enger séierer Behandlung bei méi niddreger Temperatur zu engem héijen Ertrag u Chitosan mat niddregem Molekulargewiicht. D’Deacetyléierung mat Ultraschall liwwert Chitosan vun exzellenter Qualitéit, deen als Zutat a Liewensmëttelen a pharmazeutesche Produkter, als Dünger an a villen aneren industriellen Uwendunge benotzt gëtt.
D’Ultraschallbehandlung féiert zu engem aussergewéinlechen Acetyléierungsgrad (DA) vu Chitin, andeems si den Acetyléierungsgrad vu Chitin mat DA≥90 op Chitosan mat DA≤10 erofsetzt.
Vill Fuerschungsstudie bestätegen d’Wierksamkeet vun der Deacetyléierung vu Chitin zu Chitosan mat Ultraschall. Weiss J. et al. (2008) hu festgestallt, datt d’Beschallung d’Ëmwandlung vu Chitin zu Chitosan drastesch verbessert. D’Ultraschallbehandlung vu Chitin bréngt eng bedeitend Zäiterspuernis mat sech a verkierzt déi néideg Prozesszäit vun 12–24 Stonnen op e puer Stonnen. Ausserdeem ass manner Léisungsmëttel néideg, fir eng vollstänneg Ëmwandlung z’erreechen, wat d’Ëmweltbelaaschtung duerch d’Oféierung an d’Entsuergung vum verbrauchten oder net reagéierte Léisungsmëttel, dat heescht konzentréiert NaOH, reduzéiert.

Ultraschalldeacetyléierung vu Chitin zu Chitosan

D’Deacetyléierung vu Chitin zu Chitosan gëtt duerch Beschallung gefërdert

Héichleeschtungsultraschallapparat UIP4000hdT fir industriell Uwendungen

UIP4000hdT – Ultraschallsystem mat 4kW Leeschtung

Wierkungsprinzip vun der Ultraschallbehandlung vu Chitosan

Beschallung mat héijer Leeschtung a niddreger Frequenz (∼20–26kHz) erzeugt akustesch Kavitatioun a Flëssegkeeten a Schlämmen. Ultraschall mat héijer Leeschtung fërdert d’Ëmwandlung vu Chitin zu Chitosan, well d’Léisungsmëttel (z. B. NaOH) déi fest Chitinpartikelen zerklengert an an se andréngt, wouduerch d’Uewerfläch vergréissert an de Stofftransport tëscht der fester an der flësseger Phas verbessert gëtt. Ausserdeem erzeugen déi héich Schéierkräfte vun der Ultraschallkavitatioun fräi Radikaler, déi d’Reaktivitéit vum Reagens (dat heescht NaOH) wärend der Hydrolys erhéijen. Als netthermesch Veraarbechtungstechnik verhënnert d’Beschallung den thermeschen Ofbau a liwwert héichwäertege Chitosan. Ultraschall verkierzt d’Veraarbechtungszäiten, déi néideg sinn, fir Chitin aus Kriibsdéieren ze extrahéieren, a liwwert Chitin (an domat uschléissend och Chitosan) mat enger méi héijer Rengheet am Verglach mat traditionelle Veraarbechtungsbedingungen. Fir d’Produktioun vu Chitin a Chitosan huet Ultraschall domat d’Potenzial, d’Produktiounskäschten ze senken, d’Veraarbechtungszäit ze verkierzen, eng besser Kontroll vum Produktiounsprozess z’erméiglechen an d’Ëmweltbelaaschtung duerch d’Prozessoffäll ze reduzéieren.

Virdeeler vun der Produktioun vu Chitosan mat Ultraschall

Méi héijen Ertrag u Chitosan
Exzellent Qualitéit
Manner Zäitopwand
Méi niddreg Prozesstemperatur
Méi héich Effizienz
Einfach a sécher Bedéngung
Ëmweltfrëndlech

Deacetyléierung vu Chitin zu Chitosan mat Ultraschall – Protokoll

1) De Chitin virbereeden:
Wann Krabbeschuelen als Ausgangsmaterial benotzt ginn, sollten dës grëndlech gewäsch ginn, fir all léislech organesch Substanzen an unhaftend Gëftstoffer, dorënner Buedem a Proteinnen, ze entfernen. Duerno muss d’Schuelematerial vollstänneg gedréchent ginn (z. B. bei 60ºC fir 24h an engem Uewen). Déi gedréchent Schuele ginn duerno gemuel (z. B. mat enger Hummermillen), an engem alkalesche Medium deproteiniséiert (z. B. NaOH mat enger Konzentratioun vun 0,125 bis 5,0 M) an an enger Saier demineraliséiert (z. B. verdënnter Salzsaier).
2) Deacetyléierung mat Ultraschall
Fir eng typesch Deacetyléierungsreaktioun mat Ultraschall duerchzeféieren, gi Beta-Chitinpartikelen (0,125 mm < d < 0,250 mm) a 40% (w/w) wässereschem NaOH suspendéiert, bei engem Verhältnis vu Beta-Chitin zu wässerescher NaOH-Léisung vun 1/10(g mL^-1), gëtt d’Suspensioun an en duebelwandege Glasbecher iwwerdroen a mat engem Hielscher UP400St Ultraschallhomogenisator beschallt. Déi follgend Parameteren (vgl. Fiamingo et al. 2016) gi bei der Duerchféierung vun enger Ultraschall-Deacetyléierungsreaktioun vu Chitin konstant gehalen: (i) Ultraschallsond (Sonotrod Hielscher S24d22D, Spëtzenduerchmiesser = 22 mm); (ii) Pulsmodus vun der Beschallung (IP = 0,5sec); (iii) Ultraschallintensitéit un der Uewerfläch
(I = 52,6 W cm^-2), (iv) Reaktiounstemperatur (60ºC ±1ºC), (v) Reaktiounszäit (50 min), (vi) Verhältnis tëscht dem Gewiicht vum Beta-Chitin an dem Volume vun der 40% (w/w) wässerlecher Natriumhydroxidléisung (BCHt/NaOH = 1/10 g mL^-1); (vii) Volume vun der Beta-Chitin-Suspensioun (50mL).
Déi éischt Reaktioun leeft 50min laang ënner konstantem magnetesche Réieren of a gëtt duerno ënnerbrach, andeems d’Suspensioun séier op 0ºC ofgekillt gëtt. Duerno gëtt verdënnte Salzsaier dobäigesat, fir e pH vun 8,5 z’erreechen, an d’Prouf CHs1 gëtt duerch Filtratioun isoléiert, grëndlech mat deioniséiertem Waasser gewäsch an ënner Ëmgéigebedéngunge gedréchent. Wann déi selwecht Ultraschall-Deacetyléierung als zweete Schrëtt op CHs1 widderholl gëtt, entsteet d’Prouf CHs2.

Rasterelektronemikroskopesch (SEM) Biller bei enger Vergréisserung vun 100× vun a) Gladius, b) mat Ultraschall behandeltem Gladius, c) β-Chitin, d) mat Ultraschall behandeltem β-Chitin an e) Chitosan (Quell: Preto et al. 2017)

Fiamingo et al. hu festgestallt, datt d’Ultraschall-Deacetyléierung vu Beta-Chitin effizient Chitosan mat héijer Moleküllmass an engem niddregen Acetyléierungsgrad produzéiert, ouni Zousazstoffer, eng inert Atmosphär oder laang Reaktiounszäiten ze benotzen. Dëst geschitt, obwuel d’Ultraschall-Deacetyléierungsreaktioun ënner méi mëlle Bedéngungen duerchgefouert gëtt – dat heescht bei enger niddreger Reaktiounstemperatur am Verglach mat de meeschten thermochemeschen Deacetyléierungen. D’Ultraschall-Deacetyléierung vu Beta-Chitin erméiglecht d’Hierstellung vun zoufälleg deacetyléiertem Chitosan mat engem variabelen Acetyléierungsgrad (4% ≤ DA ≤ 37%), enger héijer massengewiichter mëttlerer Moleküllmass (900.000 g mol^-1 ≤ M_w ≤ 1.200.000 g mol^-1 ) an enger niddreger Dispersitéit (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4), andeems dräi openeenfolgend Reaktiounen (50 min/Schrëtt) bei 60ºC duerchgefouert ginn.

Hielscher Ultrasonics produzéiert Héichleeschtungsultraschallapparater fir sonocheemesch Uwendungen.

Héichleeschtungs-Ultraschallprozessoren vum Labo iwwer de Pilotmoossstaf bis zum industrielle Moossstaf.

Héichleeschtungs-Ultraschallsystemer fir d’Chitosanproduktioun

D’Fragmentéierung vu Chitin an d’Deacetyléierung vu Chitin zu Chitosan erfuerderen eng leeschtungsstaark an zouverlässeg Ultraschallausrüstung, déi héich Amplitudë liwwere kann, eng präzis Steierung vun de Prozessparameteren erméiglecht an 24/7 ënner héijer Belaaschtung an an usprochsvollen Ëmfeld bedriwwe ka ginn. D’Produktpalett vun Hielscher Ultrasonics deckt Är Besoinen an d’Ufuerderunge vun Ärem Prozess of. D’Ultraschallapparater vun Hielscher sinn Héichleeschtungssystemer, déi mat Accessoirë wéi Sonotroden, Boosteren, Reakteren oder Duerchflosszellen ekipéiert kënne ginn, fir optimal un Är Prozessufuerderungen ugepasst ze sinn.
Mat engem digitale Faarfdisplay, der Méiglechkeet, Beschallungsofleef am Viraus anzestellen, automatescher Datenopzeechnung op enger integréierter SD-Kaart, Fernsteierung iwwer e Browser a ville weidere Funktioune sinn déi héchst Prozesskontroll a Benotzerfrëndlechkeet garantéiert. Duerch hir Robustheet an hir Fäegkeet, héich Belaaschtungen auszehalen, sinn d’Ultraschallsystemer vun Hielscher Är zouverlässeg Aarbechtspäerd an der Produktioun.
D’Fragmentéierung an d’Deacetyléierung vu Chitin erfuerderen e leeschtungsstaarken Ultraschall, fir déi ugestrieften Ëmwandlung an en héichwäertegt Chitosan-Endprodukt ze kréien. Besonnesch fir d’Fragmentéierung vun de Chitinflacke sinn héich Amplituden an erhéicht Dréck entscheedend. Déi industriell Ultraschallprozessoren vun Hielscher Ultrasonics liwwere problemlos ganz héich Amplituden. Amplitudë vu bis zu 200µm kënne kontinuéierlech am 24/7-Betrib agesat ginn. Fir nach méi héich Amplitudë si personaliséiert Ultraschallsonotroden disponibel. D’Leeschtungskapazitéit vun den Ultraschallsystemer vun Hielscher erméiglecht eng effizient a séier Deacetyléierung an engem sécheren a benotzerfrëndleche Prozess.

Déi follgend Tabell gëtt Iech en Unhaltspunkt fir déi ongeféier Veraarbechtungskapazitéit vun eisen Ultraschallapparater:

Chargevolume	Duerchflossrate	Recommandéiert Apparater
1 bis 500mL	10 bis 200mL/min	UP100H
10 bis 2000mL	20 bis 400mL/min	UP200Ht, UP400St
0,1 bis 20L	0,2 bis 4L/min	UIP2000hdT
10 bis 100L	2 bis 10L/min	UIP4000hdT
n.a.	10 bis 100L/min	UIP16000
n.a.	méi héich	Grupp vu UIP16000

Kontaktéiert eis! / Stellt eis Är Froen!

Literatur/Referenzen

Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): Bionanokompositfilmer op Chitosanbasis, hiergestallt mat enger Emulsiounstechnik fir d’Konservéierung vu Liewensmëttel. Materials 2019, 12(3), 373.
Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Wäitgoend deacetyléierte Chitosan mat héijem Molekulargewiicht aus der méistufeger, ultraschallënnerstëtzter Deacetyléierung vu Beta-Chitin. Ultrasonics Sonochemistry 32, 2016. 79–85.
Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Sonochemesch ënnerstëtzt Ëmwandlung vu Chitin a Chitosan, USDA National Research Initiative Principal Investigators Meeting, New Orleans, LA, June 28th.
Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Afloss vun der Temperatur bei der Deacetyléierung vu Chitin zu Chitosan mat Ultraschall mat héijer Intensitéit als Virbehandlung, Annual Meeting of the Institute of Food Technologists, New Orleans, LA, June 30th, 95-18.
Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Afloss vun Ultraschall mat héijer Intensitéit fir d’Ëmwandlung vu Chitin a Chitosan ze beschleunegen, Annual Meeting of the Institute of Food Technologists, New Orleans, LA, June 30th, 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 a seng Derivater als potenziell Biosorbentë fir Schëffsdieselueleg. 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): Eng Method fir d’Hierstellung vu Chitosan-Nanopartikelen an -Nanofaseren nom Top-down-Prinzip. Carbohydrate Polymers 117, 2015. 731–738.
Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Effizient Reduktioun vum Molekulargewiicht vu Chitosan duerch Ultraschall mat héijer Intensitéit: Basismechanismus an Afloss vun de Veraarbechtungsparameteren. Journal of Agricultural and Food Chemistry 56(13):5112–5119.
Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Offäll vu Mieresfriichten: eng Quell fir d’Hierstellung vu kommerziell asetzbare Chitin-/Chitosanmaterialien. Bioressourcen a Bioveraarbechtung 6/8, 2019.

Wëssenswäert Fakten

Wéi funktionéiert d’Deacetyléierung vu Chitin mat Ultraschall?

Wann Ultraschall mat héijer Leeschtung an niddreger Frequenz (z. B. 20–26kHz) an eng Flëssegkeet oder eng Suspensioun agekoppelt gëtt, wierken ofwiesselnd Héichdrock- / Nidderdrockzyklen op d’Flëssegkeet a féieren zu Kompressioun a Verdënnung. Wärend dësen ofwiesselnden Héichdrock- / Nidderdrockzyklen entstinn kleng Vakuumblosen, déi iwwer e puer Drockzyklen ewech wuessen. Soubal d’Vakuumblosen net méi Energie ophuele kënnen, kollabéiere se hefteg. Bei dëser Blosenimplosioun entstinn lokal ganz intensiv Bedéngungen: héich Temperature vu bis zu 5000K, Dréck vu bis zu 2000atm, ganz héich Erwiermungs-/Ofkillvitessen an Drockdifferenzen. Well d’Dynamik vum Blosekollaps méi séier ass wéi de Massen- a Wäermttransfert, bleift d’Energie am kollabéierenden Huelraum op eng ganz kleng Zon begrenzt, déi och „waarme Fleck“ genannt gëtt. D’Implosioun vun der Kavitatiounsblos féiert och zu Mikroturbulenzen, Flëssegkeetsstrale mat enger Vitess vu bis zu 280m/s an de Schéierkräften, déi doraus entstinn. Dëst Phenomeen ass als Ultraschallkavitatioun oder akustesch Kavitatioun bekannt.
Drëpsen a Partikelen an der mat Ultraschall behandelter Flëssegkeet gi vun dëse Kavitatiounskräfte getraff, a wann déi beschleunegt Partikele matenee kollidéieren, gi se duerch dës Zesummestéiss tëscht de Partikelen zerbrach. Akustesch Kavitatioun ass de Wierkprinzip vum Muele mat Ultraschall, vum Dispergéieren, vum Emulgéieren a vun der Sonochemie.
Bei der Deacetyléierung vu Chitin vergréissert Ultraschall mat héijer Intensitéit d’Uewerfläch, andeems en d’Uewerfläch aktivéiert an de Massentransfert tëscht de Partikelen an dem Reagens fërdert.

Chitosan

Chitosan ass e modifizéierten, kationeschen, net gëftege Kuelenhydratpolymer mat enger komplexer cheemescher Struktur, déi aus β-(1,4)-Glucosamin-Eenheeten als Haaptbestanddeel (>80%) an N-Acetylglucosamin-Eenheeten (<20%) besteet, déi zoufälleg laanscht d’Kette verdeelt sinn. Chitosan gëtt duerch cheemesch oder enzymatesch Deacetyléierung aus Chitin gewonnen. Den Deacetyléierungsgrad (DA) bestëmmt den Undeel u fräien Aminogruppen an der Struktur a gëtt benotzt, fir tëscht Chitin a Chitosan z’ënnerscheeden. Chitosan léist sech gutt a mëlle Léisungsmëttel wéi verdënnter Essegsaier a bitt verschidde fräi Amingruppen als aktiv Plazen. Dëst gëtt Chitosan a ville cheemesche Reaktioune Virdeeler géintiwwer Chitin.
Chitosan gëtt wéinst senger exzellenter Biokompatibilitéit a biologescher Ofbaubarkeet, senger Netgëftegkeet, senger gudder antimikrobieller Wierkung (géint Bakterien a Pilzen), senger Onduerchlässegkeet fir Sauerstoff a senge filmbildenden Eegenschafte geschat. Am Géigesaz zu Chitin huet Chitosan de Virdeel, datt et waasserléislech ass an doduerch méi einfach ze handhaben an a Formuléierungen ze benotzen ass.
Chitin ass no Cellulose dat zweetheefegst Polysaccharid, a säi ganz grousst Virkomme mécht et zu engem bëllegen an nohaltege Réistoff.

Produktioun vu Chitosan

Chitosan gëtt an engem Prozess mat zwee Schrëtt produzéiert. Am éischte Schrëtt gëtt de Réistoff, wéi d’Schuele vu Krustendéieren (d. h. Crevetten, Kriibsen, Hummeren), deproteiniséiert, demineraliséiert a gereinegt, fir Chitin ze gewannen. Am zweete Schrëtt gëtt Chitin mat enger staarker Bas (z. B. NaOH) behandelt, fir Acetylsäiteketten ze entfernen an esou Chitosan ze gewannen. Et ass bekannt, datt déi konventionell Produktioun vu Chitosan ganz zäitopwänneg a käschtenintensiv ass.

Chitin

Chitin (C₈H₁₃O₅N)_n ass e Polymer mat riichte Ketten aus β-1,4-N-Acetylglucosamin a gëtt an α-, β- a γ-Chitin agedeelt. Als Derivat vu Glucos ass Chitin en Haaptbestanddeel vun den Exoskeletter vun Arthropoden, wéi Krustendéieren an Insekten, vun de Radulae vu Mollusken, vun de Schniewele vu Cephalopoden a vun de Schuppe vu Fësch a Lissamphibien; et kënnt och an den Zellwänn vu Pilze vir. D’Struktur vu Chitin ass mat där vu Cellulose vergläichbar a formt kristallin Nanofibrillen oder Whiskeren. Cellulose ass dat heefegst Polysaccharid op der Welt, gefollegt vu Chitin als zweetheefegstem Polysaccharid.

Glucosamin

Glucosamin (C₆H₁₃NO₅) ass en Aminozocker an e wichtege Virleefer bei der biocheemescher Synthes vu glykosyléierte Proteinnen a Lipiden. Glucosamin ass eng an der Natur heefeg Verbindung, déi zur Struktur vun de béide Polysacchariden, Chitosan a Chitin, gehéiert, wat Glucosamin zu engem vun den heefegste Monosaccharide mécht. De gréissten Deel vum kommerziell verfügbare Glucosamin gëtt duerch d’Hydrolys vun Exoskeletter vu Krustendéieren, d. h. vu Kriibs- an Hummerschuelen, produzéiert.
Glucosamin gëtt haaptsächlech als Nahrungsergänzungsmëttel benotzt, an zwar a Form vu Glucosaminsulfat, Glucosaminhydrochlorid oder N-Acetylglucosamin. Nahrungsergänzungsmëttel mat Glucosaminsulfat ginn oral verwalt, fir eng schmäerzhafte Krankheet ze behandelen, déi duerch d’Entzündung, den Ofbau an de schliissleche Verloscht vu Knorpel verursaacht gëtt (Osteoarthrose).