Ultradźwiękowa deacetylacja chityny do chitozanu
Ultradźwiękowa produkcja chitozanu
Chitozan otrzymuje się przez N-deacetylację chityny. W konwencjonalnej deacetylacji chitynę namacza się w wodnych rozpuszczalnikach alkalicznych (zazwyczaj 40 do 50% (w/w) NaOH). Proces namaczania wymaga wysokich temperatur od 100 do 120ºC i jest bardzo czasochłonny, a wydajność otrzymywania chitozanu w każdym etapie namaczania jest niska. Zastosowanie ultradźwięków o dużej mocy znacznie intensyfikuje proces deacetylacji chityny i zapewnia wysoką wydajność otrzymywania chitozanu o niskiej masie cząsteczkowej podczas szybkiej obróbki w niższej temperaturze. Ultradźwiękowa deacetylacja prowadzi do otrzymania chitozanu najwyższej jakości, wykorzystywanego jako składnik żywności i produktów farmaceutycznych, jako nawóz oraz w wielu innych zastosowaniach przemysłowych.
Obróbka ultradźwiękowa pozwala uzyskać wyjątkowy stopień acetylacji (DA) chityny, obniżając stopień acetylacji z DA≥90 dla chityny do DA≤10 dla chitozanu.
Wiele badań potwierdza skuteczność ultradźwiękowej deacetylacji chityny do chitozanu. Weiss J. i in. (2008) stwierdzili, że sonikacja zdecydowanie poprawia konwersję chityny do chitozanu. Obróbka ultradźwiękowa chityny przynosi znaczną oszczędność czasu, skracając wymagany czas procesu z 12–24 godzin do kilku godzin. Ponadto do uzyskania pełnej konwersji potrzeba mniej rozpuszczalnika, co ogranicza wpływ na środowisko związany z koniecznością usuwania i utylizacji zużytego lub nieprzereagowanego rozpuszczalnika, tj. stężonego NaOH.
Sonikacja wspomaga deacetylację chityny do chitozanu
UIP4000hdT – system ultradźwiękowy o mocy 4kW
Zasada działania ultradźwiękowej obróbki chitozanu
Sonikacja o dużej mocy i niskiej częstotliwości (∼20–26kHz) wywołuje kawitację akustyczną w cieczach i zawiesinach. Ultradźwięki o dużej mocy wspomagają konwersję chityny do chitozanu, ponieważ rozpuszczalnik (np. NaOH) rozdrabnia stałe cząstki chityny i wnika w nie, zwiększając w ten sposób powierzchnię i poprawiając transport masy między fazą stałą a ciekłą. Ponadto duże siły ścinające występujące podczas kawitacji ultradźwiękowej wytwarzają wolne rodniki, które zwiększają reaktywność odczynnika (tj. NaOH) podczas hydrolizy. Jako nietermiczna technika przetwarzania sonikacja zapobiega degradacji termicznej, umożliwiając otrzymanie chitozanu wysokiej jakości. Ultradźwięki skracają czas przetwarzania wymagany do ekstrakcji chityny ze skorupiaków, a także pozwalają uzyskać chitynę (a tym samym później chitozan) o wyższej czystości w porównaniu z tradycyjnymi warunkami przetwarzania. W produkcji chityny i chitozanu ultradźwięki mogą zatem obniżyć koszty produkcji, skrócić czas przetwarzania, umożliwić lepszą kontrolę procesu produkcyjnego i ograniczyć wpływ odpadów procesowych na środowisko.
- Wyższa wydajność otrzymywania chitozanu
- Najwyższa jakość
- Krótszy czas
- Niższa temperatura procesu
- Większa efektywność
- Łatwa i bezpieczna obsługa
- Przyjazność dla środowiska
Ultradźwiękowa deacetylacja chityny do chitozanu – protokół
1) Przygotowanie chityny:
Jeśli materiałem wyjściowym są pancerze krabów, należy je dokładnie umyć, aby usunąć wszelkie rozpuszczalne substancje organiczne i przylegające zanieczyszczenia, w tym ziemię i białka. Następnie materiał pancerzy musi zostać całkowicie wysuszony (np. w temperaturze 60ºC przez 24h w suszarce). Wysuszone pancerze są następnie mielone (np. za pomocą młyna młotkowego), poddawane deproteinizacji w środowisku alkalicznym (np. NaOH o stężeniu od 0,125 do 5,0 M) i demineralizacji w kwasie (np. rozcieńczonym kwasie solnym).
2) Ultradźwiękowa deacetylacja
Aby przeprowadzić typową reakcję ultradźwiękowej deacetylacji, cząstki beta-chityny (0,125 mm < d < 0,250 mm) zawiesza się w 40% (w/w) wodnym roztworze NaOH przy stosunku beta-chityny do wodnego roztworu NaOH wynoszącym 1/10(g mL-1), zawiesinę przenosi się do szklanej zlewki o podwójnych ściankach i poddaje sonikacji za pomocą urządzenia Hielscher UP400St będącego homogenizatorem ultradźwiękowym. Podczas przeprowadzania reakcji ultradźwiękowej deacetylacji chityny utrzymuje się stałe wartości następujących parametrów (por. Fiamingo i in. 2016): (i) sonda ultradźwiękowa (sonotroda Hielscher S24d22D, średnica końcówki = 22 mm); (ii) impulsowy tryb sonikacji (IP = 0,5sec); (iii) powierzchniowe natężenie ultradźwięków
(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 roztworu wodorotlenku sodu (BCHt/NaOH = 1/10 g mL-1); (vii) objętość zawiesiny beta-chityny (50mL).
Pierwsza reakcja przebiega przez 50min przy ciągłym mieszaniu magnetycznym, po czym jest przerywana przez szybkie schłodzenie zawiesiny do 0ºC. Następnie dodaje się rozcieńczony kwas solny, aby osiągnąć pH 8,5, a próbkę CHs1 wydziela się przez filtrację, dokładnie przemywa wodą dejonizowaną i suszy w warunkach otoczenia. Powtórzenie tej samej ultradźwiękowej deacetylacji jako drugiego etapu obróbki CHs1 prowadzi do otrzymania próbki CHs2.
Obrazy ze skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) przy powiększeniu 100× przedstawiające a) gladius, b) gladius poddany obróbce ultradźwiękowej, c) β-chitynę, d) β-chitynę poddaną obróbce ultradźwiękowej oraz e) chitozan (źródło: Preto i in. 2017)
Fiamingo i in. stwierdzili, że ultradźwiękowa deacetylacja beta-chityny pozwala wydajnie otrzymywać chitozan o wysokiej masie cząsteczkowej i niskim stopniu acetylacji bez stosowania dodatków, atmosfery obojętnej ani długich czasów reakcji, mimo że reakcja ultradźwiękowej deacetylacji jest prowadzona w łagodniejszych warunkach – tj. w niskiej temperaturze reakcji w porównaniu z większością procesów deacetylacji termochemicznej. Ultradźwiękowa deacetylacja beta-chityny umożliwia otrzymanie losowo zdeacetylowanego chitozanu o zmiennym stopniu acetylacji (4% ≤ DA ≤ 37%), wysokiej wagowo 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 do zastosowań od skali laboratoryjnej po pilotażową i przemysłową.
Wysokowydajne systemy ultradźwiękowe do produkcji chitozanu
Fragmentacja chityny i deacetylacja chityny do chitozanu wymagają wydajnych i niezawodnych urządzeń ultradźwiękowych, które mogą zapewniać wysokie amplitudy, umożliwiają precyzyjną kontrolę parametrów procesu i mogą pracować 24/7 przy dużym obciążeniu oraz w wymagających warunkach. Oferta produktów Hielscher Ultrasonics zaspokaja potrzeby użytkowników i wymagania ich procesów. Sonikatory Hielscher to wysokowydajne systemy, które można wyposażyć w akcesoria, takie jak sonotrody, wzmacniacze amplitudy, reaktory lub komory przepływowe, aby optymalnie dopasować je do potrzeb procesu.
Cyfrowy kolorowy wyświetlacz, możliwość wstępnego ustawienia przebiegów sonikacji, automatyczny zapis danych na zintegrowanej karcie SD, zdalne sterowanie przez przeglądarkę i wiele innych funkcji zapewniają najwyższy poziom kontroli procesu i łatwości obsługi. W połączeniu z wytrzymałością i zdolnością do pracy przy dużym obciążeniu systemy ultradźwiękowe Hielscher stanowią niezawodne urządzenia do intensywnej pracy produkcyjnej.
Fragmentacja i deacetylacja chityny wymagają ultradźwięków o dużej mocy, aby uzyskać docelową konwersję i końcowy produkt chitozanowy wysokiej jakości. Szczególnie w przypadku fragmentacji płatków chityny kluczowe znaczenie mają wysokie amplitudy i podwyższone ciśnienia. Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher Ultrasonics z łatwością zapewniają bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200µm mogą być utrzymywane w ciągłej pracy 24/7. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są sonotrody ultradźwiękowe dostosowane do indywidualnych potrzeb. Moc systemów ultradźwiękowych Hielscher umożliwia wydajną i szybką deacetylację w bezpiecznym i łatwym w obsłudze procesie.
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów:
| Objętość partii | Natężenie przepływu | Zalecane urządzenia |
|---|---|---|
| 1 do 500mL | 10 do 200mL/min | UP100H |
| 10 do 2000mL | 20 do 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 do 20L | 0,2 do 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 do 100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 do 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | większe | zespół urządzeń UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Literatura / źródła
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): Bionanokompozytowe folie na bazie chitozanu wytwarzane techniką emulsyjną do konserwacji żywności. Materials 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Chitozan o wysokiej masie cząsteczkowej i wysokim stopniu deacetylacji otrzymywany w wieloetapowej deacetylacji beta-chityny wspomaganej ultradźwiękami. Ultrasonics Sonochemistry 32, 2016. 79–85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Konwersja chityny do chitozanu wspomagana sonochemicznie, spotkanie głównych badaczy USDA National Research Initiative, New Orleans, LA, June 28th.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Wpływ temperatury podczas deacetylacji chityny do chitozanu z zastosowaniem ultradźwięków o wysokim natężeniu jako obróbki wstępnej, doroczne spotkanie Institute of Food Technologists, New Orleans, LA, June 30th, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Wpływ ultradźwięków o wysokim natężeniu na przyspieszenie konwersji chityny do chitozanu, doroczne spotkanie 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 i jego pochodne jako potencjalne biosorbenty okrętowego oleju napędowego. Environmental Science and Pollution Research (2017) 24:22 932–22 939.
- Wijesena R.N., Tissera N., Kannangara Y.Y., Lin Y., Amaratunga G.A.J., de Silva K.M.N. (2015): Metoda otrzymywania nanocząstek i nanowłókien chitozanu metodą odgórną. Carbohydrate Polymers 117, 2015. 731–738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Wydajne obniżanie masy cząsteczkowej chitozanu za pomocą ultradźwięków o wysokim natężeniu: mechanizm procesu 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 do wytwarzania materiałów chitynowych/chitozanowych nadających się do zastosowań komercyjnych. Bioresources and Bioprocessing 6/8, 2019.
Warto wiedzieć
Jak działa ultradźwiękowa deacetylacja chityny?
Gdy ultradźwięki o dużej mocy i niskiej częstotliwości (np. 20–26kHz) są wprowadzane do cieczy lub zawiesiny, w cieczy występują naprzemienne cykle wysokiego i niskiego ciśnienia, powodujące jej ściskanie i rozrzedzanie. Podczas tych naprzemiennych cykli wysokiego i niskiego ciśnienia powstają małe pęcherzyki próżniowe, które rosną przez kilka cykli ciśnienia. Gdy pęcherzyki próżniowe nie mogą już pochłaniać więcej energii, gwałtownie się zapadają. Podczas tej implozji pęcherzyków lokalnie występują bardzo intensywne warunki: wysokie temperatury do 5000K, ciśnienia do 2000atm, bardzo duże szybkości ogrzewania/chłodzenia oraz różnice ciśnień. Ponieważ dynamika zapadania się pęcherzyków jest szybsza niż transport masy i ciepła, energia w zapadającej się jamie zostaje ograniczona do bardzo małej strefy, zwanej również „gorącym punktem”. Implozja pęcherzyka kawitacyjnego powoduje również mikroturbulencje, strugi cieczy o prędkości do 280m/s i wynikające z nich siły ścinające. Zjawisko to jest znane jako kawitacja ultradźwiękowa lub akustyczna.
Krople i cząstki w cieczy poddawanej sonikacji są poddawane działaniu tych sił kawitacyjnych, a gdy przyspieszone cząstki zderzają się ze sobą, ulegają rozbiciu w wyniku zderzeń międzycząstkowych. Kawitacja akustyczna stanowi zasadę działania ultradźwiękowego mielenia, dyspergowania, emulgowania i sonochemii.
W deacetylacji chityny ultradźwięki o wysokim natężeniu zwiększają powierzchnię przez jej aktywację i wspomaganie transportu masy między cząstkami a odczynnikiem.
Chitozan
Chitozan jest zmodyfikowanym, kationowym, nietoksycznym polimerem węglowodanowym o złożonej strukturze chemicznej, utworzonej z jednostek β-(1,4) glukozaminy jako głównego składnika (>80%) oraz jednostek N-acetyloglukozaminy (<20%), rozmieszczonych losowo wzdłuż łańcucha. Chitozan otrzymuje się z chityny przez chemiczną lub enzymatyczną deacetylację. Stopień deacetylacji (DA) określa zawartość wolnych grup aminowych w strukturze i służy do rozróżniania chityny i chitozanu. Chitozan wykazuje dobrą rozpuszczalność w łagodnych rozpuszczalnikach, takich jak rozcieńczony kwas octowy, i posiada kilka wolnych grup aminowych pełniących funkcję miejsc aktywnych. Daje to chitozanowi przewagę nad chityną w wielu reakcjach chemicznych.
Chitozan jest ceniony za doskonałą biokompatybilność i biodegradowalność, nietoksyczność, dobrą aktywność przeciwdrobnoustrojową (wobec bakterii i grzybów), nieprzepuszczalność dla tlenu oraz właściwości błonotwórcze. W przeciwieństwie do chityny chitozan ma tę zaletę, że jest rozpuszczalny w wodzie, dzięki czemu jest łatwiejszy w obróbce i stosowaniu w formulacjach.
Chityna jest drugim po celulozie najobficiej występującym polisacharydem, a jej ogromna dostępność sprawia, że stanowi tani i zrównoważony surowiec.
Produkcja chitozanu
Chitozan jest wytwarzany w procesie dwuetapowym. W pierwszym etapie surowiec, taki jak pancerze skorupiaków (tj. krewetek, krabów, homarów), poddaje się deproteinizacji, demineralizacji i oczyszczaniu w celu otrzymania chityny. W drugim etapie chitynę poddaje się działaniu silnej zasady (np. NaOH), aby usunąć boczne łańcuchy acetylowe i otrzymać chitozan. Konwencjonalny proces produkcji chitozanu jest znany jako bardzo czasochłonny i kosztowny.
Chityna
Chityna (C8H13O5N)n jest polimerem β-1,4-N-acetyloglukozaminy o prostym łańcuchu i dzieli się na α-, β- i γ-chitynę. Jako pochodna glukozy chityna jest głównym składnikiem egzoszkieletów stawonogów, takich jak skorupiaki i owady, tarek mięczaków, dziobów głowonogów oraz łusek ryb i płazów z grupy Lissamphibia; występuje także w ścianach komórkowych grzybów. Struktura chityny jest porównywalna ze strukturą celulozy i tworzy krystaliczne nanofibryle lub wiskery. Celuloza jest najobficiej występującym polisacharydem na świecie, a chityna zajmuje pod tym względem drugie miejsce.
Glukozamina
Glukozamina (C6H13NO5) jest aminocukrem i ważnym prekursorem w biochemicznej syntezie glikozylowanych białek i lipidów. Glukozamina jest naturalnie obficie występującym związkiem, który stanowi część struktury obu polisacharydów, chitozanu i chityny, co czyni ją jednym z najobficiej występujących monosacharydów. Większość dostępnej komercyjnie glukozaminy jest wytwarzana przez hydrolizę egzoszkieletów skorupiaków, tj. pancerzy krabów i homarów.
Glukozamina jest stosowana głównie jako suplement diety w postaci siarczanu glukozaminy, chlorowodorku glukozaminy lub N-acetyloglukozaminy. Suplementy zawierające siarczan glukozaminy są podawane doustnie w celu leczenia bolesnego schorzenia spowodowanego stanem zapalnym, rozpadem i ostateczną utratą chrząstki (choroby zwyrodnieniowej stawów).