Deacetylacja ultradźwiękowa chityny do chitozanu
Ultradźwiękowa produkcja chitozanu
Chitozan jest otrzymywany przez N-deacetylację chityny. W konwencjonalnej deacetylacji, chityna jest moczona w wodnych rozpuszczalnikach alkalicznych (zazwyczaj 40 do 50% (w/w) NaOH). Proces namaczania wymaga wysokich temperatur od 100 do 120ºC, jest bardzo czasochłonny, a wydajność chitozanu uzyskanego na każdym etapie namaczania jest niska. Zastosowanie ultradźwięków o dużej mocy znacznie intensyfikuje proces deacetylacji chityny i skutkuje wysoką wydajnością chitozanu o niskiej masie cząsteczkowej w szybkiej obróbce w niższej temperaturze. Ultradźwiękowa deacetylacja skutkuje najwyższej jakości chitozanem, który jest stosowany jako składnik żywności i farmaceutyków, jako nawóz i w wielu innych zastosowaniach przemysłowych.
Obróbka ultradźwiękowa skutkuje wyjątkowym stopniem acetylacji (DA) chityny, obniżając stopień acetylacji chityny z DA≥90 do chitozanu z DA≤10.
Wiele badań potwierdza skuteczność ultradźwiękowej deacetylacji chityny do chitozanu. Weiss J. et al. (2008) stwierdził, że sonikacja poprawia konwersję chityny do chitozanu drastycznie. Ultradźwiękowa obróbka chityny przynosi znaczne oszczędności czasu, zmniejszając wymagany czas procesu z 12-24 godzin do kilku godzin. Ponadto, aby osiągnąć pełną konwersję, wymagana jest mniejsza ilość rozpuszczalnika, co obniża wpływ na środowisko konieczności wyrzucania i usuwania zużytego lub nieprzereagowanego rozpuszczalnika, tj. stężonego NaOH.
Deacetylacja chityny do chitozanu jest promowana przez sonikację
UIP4000hdT – System ultradźwiękowy o mocy 4 kW
Zasada działania ultradźwiękowej obróbki chitozanu
Ultradźwięki o wysokiej mocy i niskiej częstotliwości (∼20-26 kHz) tworzą kawitację akustyczną w cieczach i zawiesinach. Ultradźwięki o dużej mocy promują konwersję chityny do chitozanu, ponieważ rozpuszczalnik (np. NaOH) fragmentuje i penetruje stałe cząstki chityny, zwiększając w ten sposób powierzchnię i poprawiając przenoszenie masy między fazą stałą i ciekłą. Ponadto wysokie siły ścinające kawitacji ultradźwiękowej tworzą wolne rodniki, które zwiększają reaktywność odczynnika (tj. NaOH) podczas hydrolizy. Jako nietermiczna technika przetwarzania, sonikacja zapobiega degradacji termicznej wytwarzającej wysokiej jakości chitozan. Ultradźwięki skracają czas przetwarzania wymagany do ekstrakcji chityny ze skorupiaków, a także dają chitynę (a tym samym chitozan) o wyższej czystości w porównaniu z tradycyjnymi warunkami przetwarzania. W przypadku produkcji chityny i chitozanu ultradźwięki mają zatem potencjał obniżenia kosztów produkcji, skrócenia czasu przetwarzania, umożliwienia lepszej kontroli procesu produkcyjnego i zmniejszenia wpływu odpadów procesowych na środowisko.
- Wyższa wydajność chitozanu
- Najwyższa jakość
- Skrócony czas
- Niższa temperatura procesu
- Zwiększona wydajność
- Łatwy & bezpieczne działanie
- przyjazny dla środowiska
Ultradźwiękowa deketylacja chityny do chitozanu – protokół
1) Przygotować chitynę:
Wykorzystując skorupy krabów jako materiał źródłowy, należy je dokładnie umyć w celu usunięcia wszelkich rozpuszczalnych substancji organicznych i przylegających zanieczyszczeń, w tym gleby i białka. Następnie materiał muszli musi zostać całkowicie wysuszony (np. w temperaturze 60ºC przez 24 godziny w piekarniku). Wysuszone skorupy są następnie mielone (np. za pomocą młyna młotkowego), deproteinizowane w środowisku alkalicznym (np. NaOH w stężeniu od 0,125 do 5,0 M) i demineralizowane w kwasie (np. rozcieńczonym kwasie solnym).
2) Deacetylacja ultradźwiękowa
Aby przeprowadzić typową ultradźwiękową reakcję deacetylacji, cząsteczki beta-chityny (0,125 mm < D < 0.250 mm) zawieszono w 40% (w/w) wodnym roztworze NaOH w stosunku beta-chityna/roztwór wodny NaOH wynoszącym 1/10 (g ml).-1), zawiesinę przenosi się do dwuściennej szklanej zlewki i poddaje sonikacji za pomocą Hielschera UP400St homogenizator ultradźwiękowy. Następujące parametry (por. Fiamingo i in. 2016) są utrzymywane na stałym poziomie podczas przeprowadzania ultradźwiękowej reakcji deacetylacji chityny: (i) sonda ultradźwiękowa (sonotroda Hielscher S24d22D, średnica końcówki = 22 mm); (ii) tryb impulsu sonikacji (IP = 0,5 s); (iii) intensywność powierzchni ultradźwiękowej
(I = 52,6 W cm-2), (iv) temperatura reakcji (60ºC ±1ºC), (v) czas reakcji (50 min), (vi) stosunek masy beta-chityny do objętości 40% (w/w) wodnego wodorotlenku sodu (BCHt/NaOH = 1/10 g mL-1); (vii) objętość zawiesiny beta-chityny (50 ml).
Pierwsza reakcja przebiega przez 50 minut przy stałym mieszaniu magnetycznym, a następnie jest przerywana przez szybkie schłodzenie zawiesiny do 0ºC. Następnie dodaje się rozcieńczony kwas solny, aby osiągnąć pH 8,5, a próbkę CHs1 izoluje się przez filtrację, intensywnie przemywa dejonizowaną wodą i suszy w warunkach otoczenia. Gdy ta sama ultradźwiękowa deacetylacja jest powtarzana jako drugi etap do CHs1, wytwarza próbkę CHs2.
Obrazy skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) w powiększeniu 100× a) gladiusa, b) gladiusa poddanego działaniu ultradźwięków, c) β-chityny, d) β-chityny poddanej działaniu ultradźwięków i e) chitozanu (źródło: Preto et al. 2017).
Fiamingo i wsp. stwierdzili, że ultradźwiękowa deacetylacja beta-chityny skutecznie wytwarza chitozan o wysokiej masie cząsteczkowej i niskim stopniu acetylacji bez użycia dodatków, obojętnej atmosfery i długich czasów reakcji. Mimo że ultradźwiękowa reakcja deacetylacji jest przeprowadzana w łagodniejszych warunkach – tj. niska temperatura reakcji w porównaniu do większości termochemicznych deacetylacji. Ultradźwiękowa deacetylacja beta-chityny pozwala na przygotowanie losowo deacetylowanego chitozanu o zmiennym stopniu acetylacji (4% ≤ DA ≤ 37%), wysokiej średniej masie cząsteczkowej (900 000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1 200 000 g mol-1 ) i niskiej dyspersyjności (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4) poprzez przeprowadzenie trzech kolejnych reakcji (50 min/etap) w temperaturze 60ºC.
Procesory ultradźwiękowe o dużej mocy od skali laboratoryjnej do pilotażowej i przemysłowej.
Wysokowydajne systemy ultradźwiękowe do produkcji chitozanu
Fragmentacja chityny i deketylacja chityny do chitozanu wymaga wydajnego i niezawodnego sprzętu ultradźwiękowego, który może zapewnić wysokie amplitudy, oferuje precyzyjną kontrolę nad parametrami procesu i może pracować 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu pod dużym obciążeniem i w wymagających środowiskach. Asortyment produktów Hielscher Ultrasonics spełnia wymagania użytkownika i procesu. Ultradźwięki Hielscher to wysokowydajne systemy, które można wyposażyć w akcesoria, takie jak sonotrody, wzmacniacze, reaktory lub komórki przepływowe, aby optymalnie dopasować się do potrzeb procesu.
Dzięki cyfrowemu kolorowemu wyświetlaczowi, opcji wstępnego ustawiania przebiegów sonikacji, automatycznemu zapisowi danych na zintegrowanej karcie SD, zdalnemu sterowaniu przez przeglądarkę i wielu innym funkcjom, zapewniona jest najwyższa kontrola procesu i łatwość obsługi. W połączeniu z solidnością i dużą nośnością, systemy ultradźwiękowe Hielscher są niezawodnym koniem roboczym w produkcji.
Fragmentacja i deacetylacja chityny wymaga silnych ultradźwięków, aby uzyskać ukierunkowaną konwersję i końcowy produkt chitozan o wysokiej jakości. Szczególnie w przypadku fragmentacji płatków chityny kluczowe znaczenie mają wysokie amplitudy i podwyższone ciśnienia. Hielscher Ultrasonics’ Przemysłowe procesory ultradźwiękowe z łatwością zapewniają bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200 µm mogą być stale uruchamiane w trybie 24/7. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są niestandardowe sonotrody ultradźwiękowe. Moc systemów ultradźwiękowych Hielscher pozwala na wydajną i szybką deacetylację w bezpiecznym i przyjaznym dla użytkownika procesie.
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców:
| Wielkość partii | natężenie przepływu | Polecane urządzenia |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10-200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20-400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10-100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| b.d. | 10-100L/min | UIP16000 |
| b.d. | większe | klaster UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Literatura/Referencje
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): Chitosan-Based Bionanocomposite Films Prepared by Emulsion Technique for Food Preservation. Materials 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Ekstensywnie deacetylowany chitozan o wysokiej masie cząsteczkowej z wieloetapowej deacetylacji beta-chityny wspomaganej ultradźwiękami. Ultrasonics Sonochemistry 32, 2016. 79-85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Sonochemically-Assisted Conversion of Chitin to Chitosan, USDA National Research Initiative Principal Investigators Meeting, New Orleans, LA, June 28th.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Influence of temperature during deacetylation of chitin to chitosan with high-intensity ultrasound as a pre-treatment, Annual Meeting of the Institute of Food Technologists, New Orleans, LA, June 30th, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Wpływ ultradźwięków o wysokiej intensywności w celu przyspieszenia konwersji chityny do chitozanu, doroczne spotkanie Instytutu Technologów Żywności, Nowy Orlean, LA, 30 czerwca, 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 i jego pochodne jako potencjalne biosorbenty dla morskiego oleju napędowego. 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): Metoda odgórnego otrzymywania nanocząstek i nanowłókien chitozanu. Carbohydrate Polymers 117, 2015. 731-738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Skuteczna redukcja masy cząsteczkowej chitozanu za pomocą ultradźwięków o wysokiej intensywności: Mechanizm leżący u podstaw i wpływ parametrów przetwarzania. Journal of Agricultural and Food Chemistry 56 (13): 5112-5119.
- Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Odpady z owoców morza: źródło przygotowania komercyjnie użytecznych materiałów chityna/chitozan. Bioźródła i bioprzetwarzanie 6/8, 2019 r.
Fakty, które warto znać
Jak działa ultradźwiękowa deacylacja chityny?
Gdy ultradźwięki o wysokiej mocy i niskiej częstotliwości (np. 20-26 kHz) są sprzężone z cieczą lub zawiesiną, naprzemienne cykle wysokiego / niskiego ciśnienia są stosowane do cieczy, tworząc kompresję i rozrzedzenie. Podczas tych naprzemiennych cykli wysokiego / niskiego ciśnienia generowane są małe pęcherzyki próżniowe, które rosną w ciągu kilku cykli ciśnienia. W momencie, gdy pęcherzyki próżniowe nie są w stanie wchłonąć więcej energii, gwałtownie się zapadają. Podczas implozji pęcherzyków występują lokalnie bardzo intensywne warunki: wysokie temperatury do 5000K, ciśnienia do 2000atm, bardzo wysokie szybkości ogrzewania/chłodzenia i różnice ciśnień. Ponieważ dynamika zapadania się pęcherzyków jest szybsza niż transfer masy i ciepła, energia w zapadającej się wnęce jest ograniczona do bardzo małej strefy, zwanej również "gorącym punktem". Implozja pęcherzyka kawitacyjnego powoduje również mikroturbulencje, strumienie cieczy o prędkości do 280 m/s i wynikające z nich siły ścinające. Zjawisko to znane jest jako kawitacja ultradźwiękowa lub akustyczna.
Kropelki i cząstki w sonikowanej cieczy są uderzane przez te siły kawitacyjne, a gdy przyspieszone cząstki zderzają się ze sobą, zostają rozbite przez zderzenie międzycząsteczkowe. Kawitacja akustyczna jest zasadą działania frezowania ultradźwiękowego, dyspergowania, emulgowania i sonochemii.
W przypadku deacetylacji chityny, ultradźwięki o wysokiej intensywności zwiększają powierzchnię poprzez aktywację powierzchni i promowanie transferu masy między cząstkami i odczynnikiem.
chitozan
Chitozan to zmodyfikowany, kationowy, nietoksyczny polimer węglowodanowy o złożonej strukturze chemicznej, którego głównym składnikiem są jednostki β-(1,4) glukozaminy (>80%) i jednostek N-acetyloglukozaminy (<20%), losowo rozmieszczonych wzdłuż łańcucha. Chitozan jest otrzymywany z chityny poprzez chemiczną lub enzymatyczną deacetylację. Stopień deacetylacji (DA) określa zawartość wolnych grup aminowych w strukturze i jest używany do rozróżnienia między chityną a chitozanem. Chitozan wykazuje dobrą rozpuszczalność w umiarkowanych rozpuszczalnikach, takich jak rozcieńczony kwas octowy i oferuje kilka wolnych grup aminowych jako miejsca aktywne. To sprawia, że chitozan ma przewagę nad chityną w wielu reakcjach chemicznych.
Chitozan jest ceniony za doskonałą biokompatybilność i biodegradowalność, nietoksyczność, dobrą aktywność przeciwdrobnoustrojową (przeciwko bakteriom i grzybom), nieprzepuszczalność tlenu i właściwości błonotwórcze. W przeciwieństwie do chityny, chitozan ma tę zaletę, że jest rozpuszczalny w wodzie, a tym samym łatwiejszy w obsłudze i stosowaniu w preparatach.
Jako drugi najobficiej występujący polisacharyd po celulozie, ogromna obfitość chityny czyni ją tanim i zrównoważonym surowcem.
Produkcja chitozanu
Chitozan jest produkowany w dwuetapowym procesie. W pierwszym etapie surowiec, taki jak skorupy skorupiaków (np. krewetek, krabów, homarów), jest deproteinizowany, demineralizowany i oczyszczany w celu uzyskania chityny. W drugim etapie chityna jest traktowana silną zasadą (np. NaOH) w celu usunięcia acetylowych łańcuchów bocznych w celu uzyskania chitozanu. Wiadomo, że proces konwencjonalnej produkcji chitozanu jest bardzo czasochłonny i kosztowny.
chityna
Chityna (C8H13O5N)N jest prostołańcuchowym polimerem β-1,4-N-acetyloglukozaminy i dzieli się na α-, β- i γ-chitynę. Będąc pochodną glukozy, chityna jest głównym składnikiem egzoszkieletów stawonogów, takich jak skorupiaki i owady, promieniowców mięczaków, dziobów głowonogów oraz łusek ryb i płazów, a także można ją znaleźć w ścianach komórkowych grzybów. Struktura chityny jest porównywalna do celulozy, tworząc krystaliczne nanowłókna lub wąsy. Celuloza jest najobficiej występującym polisacharydem na świecie, a chityna jest drugim najobficiej występującym polisacharydem.
glukozamina
Glukozamina (C6H13NIE5) jest aminocukrem i ważnym prekursorem w biochemicznej syntezie glikozylowanych białek i lipidów. Glukozamina jest naturalnie obficie występującym związkiem, który jest częścią struktury zarówno polisacharydów, chitozanu, jak i chityny, co czyni glukozaminę jednym z najobficiej występujących monosacharydów. Większość dostępnej na rynku glukozaminy jest wytwarzana w procesie hydrolizy egzoszkieletów skorupiaków, tj. skorup krabów i homarów.
Glukozamina jest stosowana głównie jako suplement diety, gdzie jest stosowana w postaci siarczanu glukozaminy, chlorowodorku glukozaminy lub N-acetyloglukozaminy. Suplementy siarczanu glukozaminy są podawane doustnie w celu leczenia bolesnego stanu spowodowanego stanem zapalnym, rozpadem i ostateczną utratą chrząstki (choroba zwyrodnieniowa stawów).