Hitīna deacetilēšana par hitozānu ar ultraskaņu
Hitozāna ražošana ar ultraskaņu
Hitozānu iegūst, veicot hitīna N-deacetilēšanu. Parastajā deacetilēšanā hitīnu mērcē sārmu ūdens šķīdumos (parasti 40 līdz 50% (w/w) NaOH). Mērcēšanas procesam nepieciešama augsta temperatūra – 100 līdz 120ºC –, un tas ir ļoti laikietilpīgs, savukārt katrā mērcēšanas posmā iegūtā hitozāna iznākums ir mazs. Lieljaudas ultraskaņas izmantošana ievērojami intensificē hitīna deacetilēšanas procesu un ļauj ātrā apstrādē zemākā temperatūrā iegūt lielu zemas molekulmasas hitozāna iznākumu. Deacetilēšana ar ultraskaņu nodrošina izcilas kvalitātes hitozānu, ko izmanto kā pārtikas produktu un farmaceitisko preparātu sastāvdaļu, kā mēslojumu un daudzos citos rūpnieciskos lietojumos.
Apstrāde ar ultraskaņu nodrošina izcilu hitīna acetilēšanas pakāpi (DA), samazinot acetilēšanas pakāpi no hitīna ar DA≥90 līdz hitozānam ar DA≤10.
Daudzi pētījumi apstiprina hitīna deacetilēšanas par hitozānu efektivitāti, izmantojot ultraskaņu. Weiss J. un līdzautori (2008) konstatēja, ka apstrāde ar ultraskaņu krasi uzlabo hitīna pārvēršanu hitozānā. Hitīna apstrāde ar ultraskaņu nodrošina ievērojamu laika ietaupījumu, samazinot nepieciešamo procesa ilgumu no 12–24 stundām līdz dažām stundām. Turklāt pilnīgai pārvēršanai nepieciešams mazāk šķīdinātāja, tādējādi samazinot ietekmi uz vidi, kas saistīta ar nepieciešamību izmest un utilizēt izlietoto vai neizreaģējušo šķīdinātāju, proti, koncentrētu NaOH.
Apstrāde ar ultraskaņu veicina hitīna deacetilēšanu par hitozānu
UIP4000hdT – ultraskaņas sistēma ar 4kW jaudu
Hitozāna apstrādes ar ultraskaņu darbības princips
Lieljaudas zemfrekvences ultraskaņas apstrāde (∼20–26kHz) rada akustisko kavitāciju šķidrumos un suspensijās. Lieljaudas ultraskaņa veicina hitīna pārvēršanu hitozānā, jo šķīdinātājs (piemēram, NaOH) sadrumstalo cietās hitīna daļiņas un iekļūst tajās, tādējādi palielinot virsmas laukumu un uzlabojot masas pārnesi starp cieto un šķidro fāzi. Turklāt ultraskaņas kavitācijas radītie lielie bīdes spēki veido brīvos radikāļus, kas hidrolīzes laikā palielina reaģenta (proti, NaOH) reaģētspēju. Apstrāde ar ultraskaņu kā netermiska apstrādes metode novērš termisko noārdīšanos, nodrošinot augstas kvalitātes hitozāna iegūšanu. Ultraskaņa saīsina apstrādes laiku, kas nepieciešams hitīna iegūšanai no vēžveidīgajiem, un ļauj iegūt augstākas tīrības pakāpes hitīnu (un līdz ar to arī hitozānu) salīdzinājumā ar tradicionālajiem apstrādes apstākļiem. Tādējādi hitīna un hitozāna ražošanā ultraskaņai ir potenciāls samazināt ražošanas izmaksas, saīsināt apstrādes laiku, nodrošināt labāku ražošanas procesa kontroli un samazināt procesa atkritumu ietekmi uz vidi.
- Lielāks hitozāna iznākums
- Izcila kvalitāte
- Īsāks apstrādes laiks
- Zemāka procesa temperatūra
- Paaugstināta efektivitāte
- Vienkārša un droša lietošana
- Videi draudzīga
Hitīna deacetilēšana par hitozānu ar ultraskaņu – protokols
1) Sagatavojiet hitīnu:
Izmantojot krabju čaulas kā izejmateriālu, tās rūpīgi jānomazgā, lai noņemtu visas šķīstošās organiskās vielas un pielipušos piemaisījumus, tostarp augsni un olbaltumvielas. Pēc tam čaulu materiāls pilnībā jāizžāvē (piemēram, žāvēšanas skapī 60ºC temperatūrā 24h). Izžāvētās čaulas pēc tam samaļ (piemēram, izmantojot āmurdzirnavas), atbrīvo no olbaltumvielām sārmainā vidē (piemēram, NaOH ar koncentrāciju no 0,125 līdz 5,0 M) un demineralizē skābē (piemēram, atšķaidītā sālsskābē).
2) Deacetilēšana ar ultraskaņu
Lai veiktu tipisku deacetilēšanas reakciju ar ultraskaņu, beta-hitīna daļiņas (0,125 mm < d < 0,250 mm) suspendē 40% (w/w) NaOH ūdens šķīdumā, ievērojot beta-hitīna un NaOH ūdens šķīduma attiecību 1/10(g mL-1), suspensiju pārnes stikla vārglāzē ar dubultsienām un apstrādā ar ultraskaņu, izmantojot Hielscher UP400St ultraskaņas homogenizatoru. Veicot hitīna deacetilēšanas reakciju ar ultraskaņu, šādus parametrus (sal. Fiamingo et al. 2016) uztur nemainīgus: (i) ultraskaņas zonde (sonotrode Hielscher S24d22D, uzgaļa diametrs = 22 mm); (ii) apstrādes ar ultraskaņu impulsu režīms (IP = 0,5sec); (iii) ultraskaņas virsmas intensitāte
(I = 52,6 W cm-2), (iv) reakcijas temperatūra (60ºC ±1ºC), (v) reakcijas laiks (50 min), (vi) beta-hitīna masas attiecība pret 40% (w/w) nātrija hidroksīda ūdens šķīduma tilpumu (BCHt/NaOH = 1/10 g mL-1); (vii) beta-hitīna suspensijas tilpums (50mL).
Pirmā reakcija noris 50min, nepārtraukti maisot ar magnētisko maisītāju, un pēc tam to pārtrauc, strauji atdzesējot suspensiju līdz 0ºC. Pēc tam pievieno atšķaidītu sālsskābi, lai sasniegtu pH 8,5, un paraugu CHs1 atdala filtrējot, rūpīgi mazgā ar dejonizētu ūdeni un žāvē apkārtējās vides apstākļos. Atkārtojot to pašu deacetilēšanu ar ultraskaņu otrajā posmā ar CHs1, iegūst paraugu CHs2.
Skenējošās elektronu mikroskopijas (SEM) attēli 100× palielinājumā: a) gladijs, b) ar ultraskaņu apstrādāts gladijs, c) β-hitīns, d) ar ultraskaņu apstrādāts β-hitīns un e) hitozāns (avots: Preto et al. 2017)
Fiamingo et al. konstatēja, ka, deacetilējot beta-hitīnu ar ultraskaņu, efektīvi iegūst hitozānu ar lielu molekulmasu un zemu acetilēšanas pakāpi, neizmantojot ne piedevas, ne inertu atmosfēru, ne ilgu reakcijas laiku. Lai gan deacetilēšanas reakciju ar ultraskaņu veic maigākos apstākļos – t. i., zemā reakcijas temperatūrā salīdzinājumā ar lielāko daļu termoķīmisko deacetilēšanas procesu, beta-hitīna deacetilēšana ar ultraskaņu ļauj iegūt nejauši deacetilētu hitozānu ar mainīgu acetilēšanas pakāpi (4% ≤ DA ≤ 37%), lielu masas vidējo molmasu (900 000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1 200 000 g mol-1 ) un zemu dispersitāti (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4), veicot trīs secīgas reakcijas (50 min/posmā) 60ºC temperatūrā.
Lieljaudas ultraskaņas procesori laboratorijas, pilotiekārtu un rūpnieciskajam mērogam.
Augstas veiktspējas ultraskaņas sistēmas hitozāna ražošanai
Hitīna fragmentēšanai un deacetilēšanai par hitozānu nepieciešamas jaudīgas un uzticamas ultraskaņas iekārtas, kas spēj nodrošināt lielas amplitūdas, ļauj precīzi kontrolēt procesa parametrus un var darboties 24/7 ar lielu slodzi un prasīgos vides apstākļos. Hielscher Ultrasonics produktu klāsts atbilst jūsu un jūsu procesa prasībām. Hielscher ultraskaņas iekārtas ir augstas veiktspējas sistēmas, kuras var aprīkot ar tādiem piederumiem kā sonotrodes, amplitūdas pastiprinātāji, reaktori vai plūsmas šūnas, lai optimāli pielāgotu tās jūsu procesa vajadzībām.
Digitālais krāsu displejs, iespēja iepriekš iestatīt apstrādes ar ultraskaņu ciklus, automātiska datu reģistrēšana integrētā SD kartē, attālināta vadība pārlūkprogrammā un daudzas citas funkcijas nodrošina visaugstāko procesa kontroli un lietotājdraudzīgumu. Apvienojumā ar izturīgu konstrukciju un spēju izturēt lielu slodzi Hielscher ultraskaņas sistēmas ir jūsu uzticamais darba zirgs ražošanā.
Hitīna fragmentēšanai un deacetilēšanai nepieciešama jaudīga ultraskaņa, lai sasniegtu paredzēto pārvēršanu un iegūtu augstas kvalitātes hitozāna galaproduktu. Īpaši hitīna pārslu fragmentēšanā izšķiroša nozīme ir lielām amplitūdām un paaugstinātam spiedienam. Hielscher Ultrasonics rūpnieciskie ultraskaņas procesori viegli nodrošina ļoti lielas amplitūdas. Amplitūdas līdz 200µm var nepārtraukti uzturēt 24/7 darbības režīmā. Vēl lielākām amplitūdām ir pieejamas pēc individuāla pasūtījuma izgatavotas ultraskaņas sonotrodes. Hielscher ultraskaņas sistēmu jauda ļauj veikt efektīvu un ātru deacetilēšanu drošā un lietotājdraudzīgā procesā.
Tālāk redzamā tabula sniedz priekšstatu par mūsu ultraskaņas iekārtu aptuveno apstrādes jaudu:
| Partijas tilpums | Plūsmas ātrums | Ieteicamās ierīces |
|---|---|---|
| 1 līdz 500mL | 10 līdz 200mL/min | UP100H |
| 10 līdz 2000mL | 20 līdz 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 līdz 20L | 0,2 līdz 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 līdz 100L | 2 līdz 10L/min | UIP4000hdT |
| nav piemērojams | 10 līdz 100L/min | UIP16000 |
| nav piemērojams | lielāks | iekārtu kopa: UIP16000 |
Sazinieties ar mums! / Jautājiet mums!
Literatūra un atsauces
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): Pārtikas konservēšanai ar emulsijas metodi iegūtas bionanokompozītu plēves uz hitozāna bāzes. Materials 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Hitozāns ar augstu molekulmasu un augstu deacetilēšanas pakāpi, kas iegūts beta hitīna daudzpakāpju deacetilēšanā ar ultraskaņas palīdzību. Ultrasonics Sonochemistry 32, 2016. 79–85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Hitīna pārvēršana hitozānā ar sonoķīmijas palīdzību, USDA Nacionālās pētniecības iniciatīvas galveno pētnieku sanāksme, Ņūorleāna, LA, June 28th.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Temperatūras ietekme hitīna deacetilēšanā par hitozānu, izmantojot augstas intensitātes ultraskaņu kā priekšapstrādi, Pārtikas tehnologu institūta ikgadējā sanāksme, Ņūorleāna, LA, June 30th, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Augstas intensitātes ultraskaņas ietekme uz hitīna pārvēršanas hitozānā paātrināšanu, Pārtikas tehnologu institūta ikgadējā sanāksme, Ņūorleāna, 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): Kalmāra iekšējā čaula un tās atvasinājumi kā potenciāli kuģu dīzeļdegvielas biosorbenti. 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): Metode hitozāna nanodaļiņu un nanošķiedru iegūšanai, sadalot lielākas struktūras mazākās. Carbohydrate Polymers 117, 2015. 731–738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Efektīva hitozāna molekulmasas samazināšana ar augstas intensitātes ultraskaņu: pamatā esošais mehānisms un apstrādes parametru ietekme. Journal of Agricultural and Food Chemistry 56(13):5112–5119.
- Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Jūras produktu atkritumi: izejvielu avots komerciāli izmantojamu hitīna/hitozāna materiālu iegūšanai. Bioresources and Bioprocessing 6/8, 2019.
Noderīgi fakti
Kā darbojas hitīna deacetilēšana ar ultraskaņu?
Kad lielas jaudas zemfrekvences ultraskaņa (piem., 20–26kHz) tiek ievadīta šķidrumā vai suspensijā, šķidrums tiek pakļauts mainīgiem augsta spiediena / zema spiediena cikliem, kas rada saspiešanu un retinājumu. Šo mainīgo augsta spiediena / zema spiediena ciklu laikā veidojas mazi vakuuma burbulīši, kas vairāku spiediena ciklu gaitā aug. Brīdī, kad vakuuma burbulīši vairs nespēj absorbēt enerģiju, tie strauji sabrūk. Šīs burbulīšu implozijas laikā lokāli rodas ļoti intensīvi apstākļi: augsta temperatūra līdz 5000K, spiediens līdz 2000atm, ļoti liels sildīšanas/dzesēšanas ātrums un spiediena starpības. Tā kā burbulīšu sabrukšanas dinamika ir ātrāka par masas un siltuma pārnesi, enerģija sabrūkošajā dobumā ir koncentrēta ļoti mazā zonā, ko dēvē arī par “karsto punktu”. Kavitācijas burbulīša implozija rada arī mikroturbulenci, šķidruma strūklas ar ātrumu līdz 280m/s un no tām izrietošus bīdes spēkus. Šo parādību sauc par ultraskaņas jeb akustisko kavitāciju.
Ar ultraskaņu apstrādātajā šķidrumā esošie pilieni un daļiņas ir pakļauti šo kavitācijas spēku triecieniem, un, kad paātrinātās daļiņas saduras cita ar citu, tās sašķīst savstarpējo sadursmju rezultātā. Akustiskā kavitācija ir ultraskaņas malšanas, disperģēšanas, emulģēšanas un sonoķīmijas darbības pamatprincips.
Hitīna deacetilēšanā augstas intensitātes ultraskaņa palielina virsmas laukumu, aktivējot virsmu un veicinot masas pārnesi starp daļiņām un reaģentu.
Hitozāns
Hitozāns ir modificēts, katjonisks, netoksisks ogļhidrātu polimērs ar sarežģītu ķīmisko struktūru, ko veido β-(1,4) glikozamīna vienības kā galvenā sastāvdaļa (>80%) un N-acetilglikozamīna vienības (<20%), kas nejauši izvietotas gar ķēdi. Hitozānu iegūst no hitīna ar ķīmisku vai enzimātisku deacetilēšanu. Deacetilēšanas pakāpe (DA) nosaka brīvo aminogrupu saturu struktūrā, un to izmanto hitīna un hitozāna atšķiršanai. Hitozāns labi šķīst saudzīgos šķīdinātājos, piemēram, atšķaidītā etiķskābē, un tam ir vairākas brīvas aminogrupas, kas darbojas kā aktīvie centri. Tas daudzās ķīmiskās reakcijās dod hitozānam priekšrocības salīdzinājumā ar hitīnu.
Hitozānu augstu vērtē tā izcilās biosaderības un bioloģiskās noārdāmības, netoksiskuma, labās pretmikrobu aktivitātes (pret baktērijām un sēnēm), skābekļa necaurlaidības un plēves veidojošo īpašību dēļ. Salīdzinājumā ar hitīnu hitozānam ir priekšrocība – tas šķīst ūdenī, tāpēc ar to ir vieglāk strādāt un to ir vieglāk izmantot preparātu sastāvos.
Hitīns ir otrs dabā visizplatītākais polisaharīds pēc celulozes, un tā lielā pieejamība padara to par lētu un ilgtspējīgu izejvielu.
Hitozāna ražošana
Hitozānu ražo divos posmos. Pirmajā posmā no izejvielas, piemēram, vēžveidīgo čaulām (t. i., garneļu, krabju un omāru čaulām), atdala olbaltumvielas un minerālvielas un to attīra, lai iegūtu hitīnu. Otrajā posmā hitīnu apstrādā ar stipru bāzi (piemēram, NaOH), lai atdalītu acetila sānu ķēdes un iegūtu hitozānu. Ir zināms, ka tradicionālais hitozāna ražošanas process ir ļoti laikietilpīgs un dārgs.
Hitīns
Hitīns (C8H13O5N)n ir β-1,4-N-acetilglikozamīna polimērs ar lineāru ķēdi, un to iedala α-, β- un γ-hitīnā. Hitīns ir glikozes atvasinājums un galvenā sastāvdaļa posmkāju, piemēram, vēžveidīgo un kukaiņu, ārējā skeletā, gliemju radulās, galvkāju knābjos, kā arī zivju un mūsdienu abinieku zvīņās, un tas sastopams arī sēņu šūnu sienās. Hitīna struktūra ir līdzīga celulozes struktūrai, veidojot kristāliskas nanošķiedras vai adatveida kristālus. Celuloze ir pasaulē visizplatītākais polisaharīds, un hitīns ir otrs izplatītākais polisaharīds.
Glikozamīns
Glikozamīns (C6H13NO5) ir aminocukurs un nozīmīgs prekursors glikozilētu olbaltumvielu un lipīdu bioķīmiskajā sintēzē. Glikozamīns ir dabā plaši sastopams savienojums, kas ietilpst abu polisaharīdu – hitozāna un hitīna – struktūrā, tāpēc tas ir viens no visizplatītākajiem monosaharīdiem. Lielāko daļu komerciāli pieejamā glikozamīna ražo, hidrolizējot vēžveidīgo ārējo skeletu, proti, krabju un omāru čaulas.
Glikozamīnu galvenokārt izmanto kā uztura bagātinātāju glikozamīna sulfāta, glikozamīna hidrohlorīda vai N-acetilglikozamīna veidā. Glikozamīna sulfāta uztura bagātinātājus lieto iekšķīgi, lai ārstētu sāpīgu slimību, ko izraisa skrimšļa iekaisums, noārdīšanās un galu galā tā zudums (osteoartrītu).