Desacetilação ultrassónica da quitina em quitosano
Produção ultrassónica de quitosano
O quitosano é obtido por N-desacetilação da quitina. Na desacetilação convencional, a quitina é imersa em solventes alcalinos aquosos (tipicamente NaOH a 40 a 50% (w/w)). O processo de imersão requer temperaturas elevadas de 100 a 120ºC e é muito demorado, enquanto o rendimento de quitosano obtido por etapa de imersão é baixo. A aplicação de ultrassons de elevada potência intensifica significativamente o processo de desacetilação da quitina e resulta num elevado rendimento de quitosano de baixa massa molecular num tratamento rápido a uma temperatura mais baixa. A desacetilação ultrassónica resulta em quitosano de qualidade superior, utilizado como ingrediente alimentar e farmacêutico, como fertilizante e em muitas outras aplicações industriais.
O tratamento ultrassónico resulta num grau de acetilação (DA) excecional da quitina, reduzindo o grau de acetilação da quitina de DA≥90 para quitosano com DA≤10.
Muitos estudos confirmam a eficácia da desacetilação ultrassónica da quitina em quitosano. Weiss J. et al. (2008) verificaram que a sonicação melhora drasticamente a conversão da quitina em quitosano. O tratamento ultrassónico da quitina permite poupanças de tempo significativas, reduzindo o tempo de processamento necessário de 12–24 horas para algumas horas. Além disso, é necessário menos solvente para alcançar uma conversão completa, o que reduz o impacto ambiental associado à necessidade de descartar e eliminar o solvente usado ou que não reagiu, ou seja, NaOH concentrado.
A desacetilação da quitina em quitosano é promovida pela sonicação
UIP4000hdT – sistema ultrassónico com 4kW de potência
Princípio de funcionamento do tratamento ultrassónico do quitosano
A sonicação de elevada potência e baixa frequência (∼20–26kHz) cria cavitação acústica em líquidos e suspensões. Os ultrassons de elevada potência promovem a conversão da quitina em quitosano, uma vez que o solvente (por exemplo, NaOH) fragmenta e penetra as partículas sólidas de quitina, aumentando assim a área superficial e melhorando a transferência de massa entre as fases sólida e líquida. Além disso, as elevadas forças de cisalhamento da cavitação ultrassónica criam radicais livres que aumentam a reatividade do reagente (ou seja, NaOH) durante a hidrólise. Enquanto técnica de processamento não térmica, a sonicação impede a degradação térmica, produzindo quitosano de elevada qualidade. Os ultrassons reduzem os tempos de processamento necessários para extrair quitina de crustáceos e permitem obter quitina (e, consequentemente, quitosano) de maior pureza em comparação com as condições de processamento tradicionais. Para a produção de quitina e quitosano, os ultrassons têm, assim, o potencial de reduzir os custos de produção, diminuir o tempo de processamento, permitir um melhor controlo do processo de produção e reduzir o impacto ambiental dos resíduos do processo.
- Maior rendimento de quitosano
- Qualidade superior
- Tempo reduzido
- Temperatura de processamento mais baixa
- Maior eficiência
- Operação fácil e segura
- Respeitadora do ambiente
Desacetilação ultrassónica da quitina em quitosano – Protocolo
1) Preparar a quitina:
Ao utilizar carapaças de caranguejo como matéria-prima, estas devem ser cuidadosamente lavadas para remover quaisquer substâncias orgânicas solúveis e impurezas aderentes, incluindo terra e proteínas. Em seguida, o material das carapaças deve ser completamente seco (por exemplo, a 60ºC durante 24h numa estufa). As carapaças secas são depois moídas (por exemplo, utilizando um moinho de martelos), desproteinizadas num meio alcalino (por exemplo, NaOH a uma concentração de 0,125 a 5,0 M) e desmineralizadas em ácido (por exemplo, ácido clorídrico diluído).
2) Desacetilação ultrassónica
Para realizar uma reação típica de desacetilação ultrassónica, partículas de beta-quitina (0,125 mm < d < 0,250 mm) são suspensas em NaOH aquoso a 40% (w/w), numa proporção de beta-quitina/solução aquosa de NaOH de 1/10(g mL-1), a suspensão é transferida para um copo de vidro de parede dupla e sonicada utilizando um Hielscher UP400St , um homogeneizador ultrassónico. Os seguintes parâmetros (cf. Fiamingo et al. 2016) são mantidos constantes durante a realização de uma reação de desacetilação ultrassónica da quitina: (i) sonda ultrassónica (sonotrodo Hielscher S24d22D, diâmetro da ponta = 22 mm); (ii) modo pulsado de sonicação (IP = 0,5sec); (iii) intensidade ultrassónica superficial
(I = 52,6 W cm-2), (iv) temperatura da reação (60ºC ±1ºC), (v) tempo de reação (50 min), (vi) proporção entre a massa de beta-quitina e o volume de hidróxido de sódio aquoso a 40% (w/w) (BCHt/NaOH = 1/10 g mL-1); (vii) volume da suspensão de beta-quitina (50mL).
A primeira reação decorre durante 50min sob agitação magnética constante e é depois interrompida por arrefecimento rápido da suspensão até 0ºC. Em seguida, adiciona-se ácido clorídrico diluído até atingir pH 8,5 e a amostra CHs1 é isolada por filtração, abundantemente lavada com água desionizada e seca em condições ambientes. Quando a mesma desacetilação ultrassónica é repetida como segunda etapa aplicada à CHs1, produz a amostra CHs2.
Imagens de microscopia eletrónica de varrimento (SEM), com uma ampliação de 100×, de a) gládio, b) gládio tratado com ultrassons, c) β-quitina, d) β-quitina tratada com ultrassons e e) quitosano (fonte: Preto et al. 2017)
Fiamingo et al. verificaram que a desacetilação ultrassónica da beta-quitina produz eficientemente quitosano de elevada massa molecular com um baixo grau de acetilação, sem utilizar aditivos, atmosfera inerte ou tempos de reação longos. Isto apesar de a reação de desacetilação ultrassónica ser realizada em condições mais suaves – ou seja, a uma temperatura de reação baixa em comparação com a maioria das desacetilações termoquímicas. A desacetilação ultrassónica da beta-quitina permite preparar quitosano desacetilado aleatoriamente com um grau de acetilação variável (4% ≤ DA ≤ 37%), uma elevada massa molecular média ponderal (900 000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1 200 000 g mol-1 ) e baixa dispersidade (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4), realizando três reações consecutivas (50 min/etapa) a 60ºC.
Processadores ultrassónicos de elevada potência, desde a escala laboratorial até às escalas piloto e industrial.
Sistemas ultrassónicos de elevado desempenho para a produção de quitosano
A fragmentação da quitina e a desacetilação da quitina em quitosano requerem equipamento ultrassónico potente e fiável, capaz de fornecer amplitudes elevadas, oferecer um controlo preciso dos parâmetros do processo e funcionar 24/7 sob cargas elevadas e em ambientes exigentes. A gama de produtos da Hielscher Ultrasonics satisfaz as suas necessidades e os requisitos do seu processo. Os sonicadores Hielscher são sistemas de elevado desempenho que podem ser equipados com acessórios como sonotrodos, amplificadores de amplitude, reatores ou células de fluxo para corresponder de forma ideal às necessidades do seu processo.
Com um ecrã digital a cores, a opção de predefinir ciclos de sonicação, o registo automático de dados num cartão SD integrado, o controlo remoto através do navegador e muitas outras funcionalidades, são assegurados o mais elevado controlo do processo e a máxima facilidade de utilização. Aliados à robustez e à capacidade de suportar cargas elevadas, os sistemas ultrassónicos Hielscher são os seus fiáveis cavalos de batalha na produção.
A fragmentação e a desacetilação da quitina requerem ultrassons potentes para obter a conversão pretendida e um produto final de quitosano de elevada qualidade. Especialmente para a fragmentação dos flocos de quitina, as amplitudes elevadas e as pressões elevadas são cruciais. Os processadores ultrassónicos industriais da Hielscher Ultrasonics fornecem facilmente amplitudes muito elevadas. É possível operar continuamente com amplitudes de até 200µm em funcionamento 24/7. Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultrassónicos personalizados. A capacidade de potência dos sistemas ultrassónicos Hielscher permite uma desacetilação eficiente e rápida num processo seguro e fácil de utilizar.
A tabela abaixo dá uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos sonicadores:
| Volume do lote | Caudal | Dispositivos recomendados |
|---|---|---|
| 1 a 500mL | 10 a 200mL/min | UP100H |
| 10 a 2000mL | 20 a 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 a 20L | 0,2 a 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 a 100L | 2 a 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | superior | conjunto de UIP16000 |
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Bibliografia/Referências
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): Filmes bionanocompósitos à base de quitosano preparados por técnica de emulsão para a conservação de alimentos. Materials 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Quitosano de elevada massa molecular extensamente desacetilado obtido por desacetilação da beta-quitina em várias etapas assistida por ultrassons. Ultrasonics Sonochemistry 32, 2016. 79–85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Conversão da quitina em quitosano assistida sonoquimicamente, USDA National Research Initiative Principal Investigators Meeting, New Orleans, LA, 28 de junho.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Influência da temperatura durante a desacetilação da quitina em quitosano com ultrassons de alta intensidade como pré-tratamento, Annual Meeting of the Institute of Food Technologists, New Orleans, LA, 30 de junho, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Influência dos ultrassons de alta intensidade na aceleração da conversão da quitina em quitosano, Annual Meeting of the Institute of Food Technologists, New Orleans, LA, 30 de junho, 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): Gládio e seus derivados como potenciais biossorventes para gasóleo marítimo. 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): Um método de preparação de nanopartículas e nanofibras de quitosano por abordagem descendente. Carbohydrate Polymers 117, 2015. 731–738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Redução eficiente da massa molecular do quitosano por ultrassons de alta intensidade: mecanismo subjacente e efeito dos parâmetros de processamento. Journal of Agricultural and Food Chemistry 56(13):5112–5119.
- Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Resíduos de produtos do mar: uma fonte para a preparação de materiais de quitina/quitosano utilizáveis comercialmente. Bioresources and Bioprocessing 6/8, 2019.
Factos que vale a pena conhecer
Como funciona a desacetilação ultrassónica da quitina?
Quando ultrassons de elevada potência e baixa frequência (por exemplo, 20–26kHz) são acoplados a um líquido ou a uma suspensão, são aplicados ao líquido ciclos alternados de alta pressão / baixa pressão, criando compressão e rarefação. Durante estes ciclos alternados de alta pressão / baixa pressão, geram-se pequenas bolhas de vácuo que crescem ao longo de vários ciclos de pressão. Quando as bolhas de vácuo deixam de conseguir absorver mais energia, colapsam violentamente. Durante esta implosão das bolhas, ocorrem localmente condições muito intensas: temperaturas elevadas de até 5000K, pressões de até 2000atm, taxas de aquecimento/arrefecimento muito elevadas e diferenciais de pressão. Como a dinâmica do colapso das bolhas é mais rápida do que a transferência de massa e calor, a energia na cavidade em colapso fica confinada a uma zona muito pequena, também denominada «ponto quente». A implosão da bolha de cavitação também resulta em microturbulências, jatos de líquido com velocidades de até 280m/s e nas forças de cisalhamento daí resultantes. Este fenómeno é conhecido como cavitação ultrassónica ou acústica.
As gotículas e partículas no líquido sonicado são atingidas por estas forças de cavitação e, quando as partículas aceleradas colidem entre si, fragmentam-se por colisão interpartículas. A cavitação acústica é o princípio de funcionamento da moagem, dispersão e emulsificação ultrassónicas e da sonoquímica.
Na desacetilação da quitina, os ultrassons de alta intensidade aumentam a área superficial, ativando a superfície e promovendo a transferência de massa entre as partículas e o reagente.
Quitosano
O quitosano é um polímero de hidratos de carbono modificado, catiónico e não tóxico, com uma estrutura química complexa formada por unidades de β-(1,4) glucosamina como componente principal (>80%) e unidades de N-acetilglucosamina (<20%), distribuídas aleatoriamente ao longo da cadeia. O quitosano é derivado da quitina por desacetilação química ou enzimática. O grau de desacetilação (DA) determina o teor de grupos amino livres na estrutura e é utilizado para distinguir a quitina do quitosano. O quitosano apresenta boa solubilidade em solventes moderados, como o ácido acético diluído, e disponibiliza vários grupos amina livres como locais ativos. Isto torna o quitosano vantajoso em relação à quitina em muitas reações químicas.
O quitosano é valorizado pela sua excelente biocompatibilidade e biodegradabilidade, ausência de toxicidade, boa atividade antimicrobiana (contra bactérias e fungos), impermeabilidade ao oxigénio e propriedades de formação de filmes. Em contraste com a quitina, o quitosano tem a vantagem de ser solúvel em água e, por isso, mais fácil de manusear e utilizar em formulações.
Sendo o segundo polissacárido mais abundante depois da celulose, a enorme abundância da quitina torna-a uma matéria-prima barata e sustentável.
Produção de quitosano
O quitosano é produzido num processo de duas etapas. Na primeira etapa, a matéria-prima, como as carapaças de crustáceos (ou seja, camarão, caranguejo e lagosta), é desproteinizada, desmineralizada e purificada para obter quitina. Na segunda etapa, a quitina é tratada com uma base forte (por exemplo, NaOH) para remover as cadeias laterais acetilo e obter quitosano. O processo de produção convencional de quitosano é conhecido por ser muito demorado e dispendioso.
Quitina
Quitina (C8H13O5N)n é um polímero de cadeia linear de β-1,4-N-acetilglucosamina e é classificada em α-, β- e γ-quitina. Sendo um derivado da glucose, a quitina é um componente principal dos exosqueletos de artrópodes, como crustáceos e insetos, das rádulas dos moluscos, dos bicos dos cefalópodes e das escamas dos peixes e dos lissanfíbios, podendo também ser encontrada nas paredes celulares dos fungos. A estrutura da quitina é comparável à da celulose, formando nanofibrilas cristalinas ou cristais aciculares. A celulose é o polissacárido mais abundante do mundo, seguida da quitina como segundo polissacárido mais abundante.
Glucosamina
Glucosamina (C6H13NO5) é um aminoaçúcar e um importante precursor na síntese bioquímica de proteínas e lípidos glicosilados. A glucosamina é um composto naturalmente abundante que faz parte da estrutura de ambos os polissacáridos, quitosano e quitina, o que a torna um dos monossacáridos mais abundantes. A maior parte da glucosamina disponível comercialmente é produzida por hidrólise dos exosqueletos de crustáceos, ou seja, carapaças de caranguejo e lagosta.
A glucosamina é utilizada principalmente como suplemento alimentar, nas formas de sulfato de glucosamina, cloridrato de glucosamina ou N-acetilglucosamina. Os suplementos de sulfato de glucosamina são administrados por via oral para tratar uma condição dolorosa causada pela inflamação, degradação e eventual perda de cartilagem (osteoartrose).