Desacetilação ultra-sónica da quitina em quitosano
Produção de quitosano por ultra-sons
O quitosano é obtido através da N-desacetilação da quitina. Na desacetilação convencional, a quitina é embebida em solventes alcalinos aquosos (normalmente 40 a 50% (w/w) NaOH). O processo de imersão requer altas temperaturas de 100 a 120ºC e consome muito tempo, enquanto o rendimento do quitosano obtido por etapa de imersão é baixo. A aplicação de ultra-sons de alta potência intensifica significativamente o processo de desacetilação da quitina e resulta num elevado rendimento de quitosano de baixo peso molecular num tratamento rápido a uma temperatura mais baixa. A desacetilação ultra-sônica resulta em quitosana de qualidade superior que é usada como ingrediente alimentar e farmacêutico, como fertilizante e em muitas outras aplicações industriais.
O tratamento ultrassónico resulta num grau excecional de acetilação (DA) da quitina, baixando o grau de acetilação da quitina de DA≥90 para quitosano com DA≤10.
Muitos estudos de pesquisa confirmam a eficácia da desacetilação ultra-sônica de quitina para quitosana. Weiss J. et al. (2008) descobriram que a sonicação melhora drasticamente a conversão de quitina em quitosana. O tratamento ultrassónico da quitina vem com economias de tempo significativas, reduzindo o tempo de processo 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 de ter que descartar e eliminar o solvente gasto ou não reagido, ou seja, NaOH concentrado.
A desacetilação da quitina em quitosano é promovida por sonicação
UIP4000hdt – Sistema ultrassónico de 4kW de potência
Princípio de funcionamento do tratamento ultrassónico do quitosano
A ultrassonografia de alta potência e baixa frequência (∼20-26kHz) cria cavitação acústica em líquidos e lamas. O ultrassom de alta potência promove a conversão de quitina em quitosana à medida que o solvente (por exemplo, NaOH) fragmenta e penetra nas partículas sólidas de quitina, aumentando assim a área de superfície e melhorando a transferência de massa entre a fase sólida e líquida. Além disso, as elevadas forças de cisalhamento da cavitação ultra-sónica criam radicais livres que aumentam a reatividade do reagente (ou seja, NaOH) durante a hidrólise. Como uma técnica de processamento não térmico, a sonicação impede a degradação térmica produzindo quitosana de alta qualidade. Ultrasonic encurtar os tempos de processamento necessários para extrair quitina de crustáceos, bem como produzir quitina (e, portanto, posteriormente quitosana) de maior pureza em comparação com as condições de processamento tradicionais. Para a produção de quitina e quitosano, os ultra-sons têm assim o potencial de reduzir o custo 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 processo mais baixa
- Aumento da eficiência
- Fácil & funcionamento seguro
- Amigo do ambiente
Desacetilação ultra-sónica da quitina em quitosano – protocolo
1) Preparar a quitina:
Utilizando as cascas de caranguejo como material de origem, as cascas de caranguejo devem ser cuidadosamente lavadas de modo a remover quaisquer substâncias orgânicas solúveis e impurezas aderentes, incluindo terra e proteínas. Depois, o material das conchas deve ser completamente seco (por exemplo, a 60ºC durante 24 horas numa estufa). As cascas secas são então 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 por ultra-sons
Para executar uma reação de desacetilação ultra-sónica típica, as partículas de beta-quitina (0,125 mm < D < 0.250 mm) são suspensos em NaOH aquoso a 40% (p/p) numa relação solução aquosa de beta-quitina/NaOH de 1/10(g mL-1), a suspensão é transferida para um copo de vidro de parede dupla e é submetida a sonicação utilizando um aparelho Hielscher UP400ST homogeneizador ultrassónico. Os seguintes parâmetros (cf. Fiamingo et al. 2016) são mantidos constantes ao realizar uma reação de desacetilação de quitina ultra-sônica: (i) sonda ultra-sônica (sonotrodo Hielscher S24d22D, diâmetro da ponta = 22 mm); (ii) modo de pulso de sonicação (IP = 0,5sec); (iii) intensidade de superfície ultra-sônica
(I = 52,6 W cm-2), (iv) temperatura de reação (60ºC ±1ºC), (v) tempo de reação (50 min), (vi) relação peso da beta-quitina/volume de hidróxido de sódio aquoso a 40% (p/p) (BCHt/NaOH = 1/10 g mL-1); vii) volume da suspensão de beta-quitina (50mL).
A primeira reação decorre durante 50 minutos sob agitação magnética constante e é interrompida por um arrefecimento rápido da suspensão até 0ºC. Em seguida, adiciona-se ácido clorídrico diluído para atingir pH 8,5 e a amostra CHs1 é isolada por filtração, extensivamente lavada com água desionizada e seca em condições ambientes. Quando a mesma desacetilação ultra-sónica é repetida como um segundo passo para CHs1, produz a amostra CHs2.
Imagens de microscopia eletrónica de varrimento (MEV) numa ampliação de 100× de a) gládio, b) gládio tratado por ultra-sons, c) β-quitina, d) β-quitina tratada por ultra-sons e e) quitosano (fonte: Preto et al. 2017)
Fiamingo et al. descobriram que a desacetilação ultra-sônica da beta-quitina produz eficientemente quitosana de alto peso molecular com um baixo grau de acetilação sem usar aditivos nem atmosfera inerte nem longos tempos de reação. Embora a reação de desacetilação ultra-sónica seja realizada em condições mais suaves – ou seja, baixa temperatura de reação quando comparado com a maioria das desacetilações termoquímicas. A desacetilação ultra-sônica da beta-quitina permite a preparação de quitosana desacetilada aleatoriamente possuindo grau variável de acetilação (4% ≤ DA ≤ 37%), peso molecular médio de alto peso (900.000 g mol-1 ≤ MW ≤ 1,200,000 g mol-1 ) e baixa dispersão (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4), realizando três reacções consecutivas (50 min/etapa) a 60ºC.
Processadores ultra-sónicos de alta potência desde o laboratório até à escala piloto e industrial.
Sistemas de ultra-sons de alto 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 horas por dia, 7 dias por semana, sob carga pesada e em ambientes exigentes. A gama de produtos Hielscher Ultrasonics cobre-o a si e aos seus requisitos de processo. Os ultrasonicadores Hielscher são sistemas de alto desempenho que podem ser equipados com acessórios como sonotrodos, boosters, reatores ou células de fluxo, a fim de atender às suas necessidades de processo de uma maneira ideal.
Com o visor digital a cores, a opção de predefinir as execuções de sonicação, a gravação automática de dados num cartão SD integrado, o controlo remoto através do browser e muitas outras caraterísticas, é assegurado o mais elevado controlo do processo e a facilidade de utilização. Juntamente com a robustez e a capacidade de carga pesada, os sistemas ultra-sónicos Hielscher são o seu cavalo de trabalho fiável na produção.
A fragmentação e a desacetilação da quitina requerem ultra-sons potentes para obter a conversão pretendida e um produto final de quitosano de alta qualidade. Especialmente para a fragmentação dos flocos de quitina, altas amplitudes e pressões elevadas são cruciais. Hielscher Ultrasonics’ Os processadores ultra-sónicos industriais fornecem facilmente amplitudes muito elevadas. Amplitudes de até 200µm podem ser executadas continuamente em operação 24/7. Para amplitudes ainda maiores, sonotrodos ultra-sônicos personalizados estão disponíveis. A capacidade de energia dos sistemas ultra-sônicos Hielscher permite a desacetilação eficiente e rápida em um processo seguro e fácil de usar.
O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons:
| 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.d. | 10 a 100L/min | UIP16000 |
| n.d. | maior | grupo de UIP16000 |
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Literatura/Referências
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): Filmes bionanocompostos à base de quitosana preparados pela técnica de emulsão para preservação de alimentos. Materiais 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Quitosano de elevado peso molecular extensivamente desacetilado a partir da desacetilação da beta-quitina assistida por ultra-sons em várias fases. Ultrasonics Sonochemistry 32, 2016. 79-85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Sonochemically-Assisted Conversion of Chitin to Chitosan, Reunião de Investigadores Principais da Iniciativa de Pesquisa Nacional do USDA, Nova Orleans, LA, 28 de junho.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Influência da temperatura durante a desacetilação da quitina em quitosana com ultrassom de alta intensidade como pré-tratamento, Reunião Anual do Instituto de Tecnólogos de Alimentos, Nova Orleans, LA, 30 de junho, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Influência do ultrassom de alta intensidade para acelerar a conversão de quitina em quitosana, Reunião Anual do Instituto de Tecnólogos de Alimentos, Nova 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): Gladius e seus derivados como potenciais biossorventes para óleo diesel marinho. 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): Um método para a preparação top down de nanopartículas e nanofibras de quitosano. Carbohydrate Polymers 117, 2015. 731-738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Redução eficiente do peso molecular do quitosano por ultrassom 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 marisco: uma fonte para a preparação de materiais de quitina/quitosano comercialmente utilizáveis. Bioresources and Bioprocessing 6/8, 2019.
Fatos, vale a pena conhecer
Como funciona a desactilação ultra-sônica da quitina?
Quando os ultra-sons de alta potência e baixa frequência (por exemplo, 20-26kHz) são acoplados a um líquido ou lama, são aplicados ciclos alternados de alta pressão/baixa pressão ao líquido, criando compressão e rarefação. Durante estes ciclos alternados de alta pressão / baixa pressão, são geradas pequenas bolhas de vácuo, que crescem ao longo de vários ciclos de pressão. No momento em que as bolhas de vácuo não conseguem absorver mais energia, entram em colapso violento. Durante esta implosão de bolhas, ocorrem condições locais muito intensas: temperaturas elevadas até 5000K, pressões até 2000atm, taxas de aquecimento/arrefecimento e diferenciais de pressão muito elevados. Uma vez que a dinâmica de colapso da bolha é mais rápida do que a transferência de massa e calor, a energia na cavidade em colapso é confinada a uma zona muito pequena, também chamada "ponto quente". A implosão da bolha de cavitação também resulta em microturbulências, jactos de líquido com velocidades até 280 m/s e as consequentes forças de cisalhamento. Este fenómeno é conhecido como cavitação ultra-sónica ou acústica.
As gotículas e as partículas no líquido sonicado são atingidas por essas forças cavitacionais e, quando as partículas aceleradas colidem umas com as outras, são estilhaçadas por colisão interpartículas. A cavitação acústica é o princípio de funcionamento da moagem ultra-sónica, da dispersão, da emulsificação e da sonoquímica.
Para a desacetilação da quitina, os ultra-sons de alta intensidade aumentam a área de superfície, activando a superfície e promovendo a transferência de massa entre as partículas e o reagente.
quitosana
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%), distribuídos aleatoriamente ao longo da cadeia. O quitosano é derivado da quitina através de desacetilação química ou enzimática. O grau de desacetilação (DA) determina o conteúdo de grupos amino livres na estrutura e é utilizado para distinguir entre quitina e quitosano. O quitosano apresenta uma boa solubilidade em solventes moderados, como o ácido acético diluído, e oferece vários grupos amina livres como locais activos. Isto torna o quitosano vantajoso em relação à quitina em muitas reacções químicas.
O quitosano é valorizado pela sua excelente biocompatibilidade e biodegradabilidade, não toxicidade, boa atividade antimicrobiana (contra bactérias e fungos), impermeabilidade ao oxigénio e propriedades de formação de película. Em contraste com a quitina, o quitosano tem a vantagem de ser solúvel em água e, por conseguinte, mais fácil de manusear e utilizar em formulações.
Sendo o segundo polissacárido mais abundante a seguir à celulose, a enorme abundância de quitina torna-a uma matéria-prima barata e sustentável.
Produção de quitosano
O quitosano é produzido num processo de duas fases. Na primeira etapa, a matéria-prima, como as cascas de crustáceos (ou seja, camarão, caranguejo, 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 de acetilo, de modo a obter quitosano. O processo de produção convencional de quitosano é conhecido por ser muito moroso 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 derivada da glucose, a quitina é um componente principal dos exosqueletos dos artrópodes, como crustáceos e insectos, das rádulas dos moluscos, dos bicos dos cefalópodes e das escamas dos peixes e dos lissamfíbios, podendo também ser encontrada nas paredes celulares dos fungos. A estrutura da quitina é comparável à da celulose, formando nanofibrilas cristalinas ou bigodes. A celulose é o polissacárido mais abundante do mundo, seguido da quitina como segundo polissacárido mais abundante.
glucosamina
Glucosamina (C6H13Não5) é um amino-açúcar e um precursor importante na síntese bioquímica de proteínas glicosiladas e lípidos. A glucosamina é naturalmente um composto abundante que faz parte da estrutura de ambos os polissacáridos, quitosano e quitina, o que faz da glucosamina um dos monossacáridos mais abundantes. A maior parte da glucosamina disponível no mercado é produzida pela hidrólise de exoesqueletos de crustáceos, ou seja, carapaças de caranguejo e lagosta.
A glucosamina é utilizada principalmente como suplemento alimentar, sob a forma 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 (osteoartrite).