Deacetilarea cu ultrasunete a chitinei în chitosan
Producerea chitosanului cu ultrasunete
Chitosanul se obține prin N-deacetilarea chitinei. În deacetilarea convențională, chitina este înmuiată în solvenți alcalini apoși (de obicei NaOH 40 până la 50% (w/w)). Procesul de înmuiere necesită temperaturi ridicate de 100 până la 120ºC, este foarte consumator de timp, iar randamentul de chitosan obținut per etapă de înmuiere este scăzut. Aplicarea ultrasunetelor de mare putere intensifică semnificativ procesul de deacetilare a chitinei și conduce la un randament ridicat de chitosan cu greutate moleculară scăzută, printr-un tratament rapid la temperatură mai scăzută. Deacetilarea cu ultrasunete produce chitosan de calitate superioară, care este utilizat ca ingredient alimentar și farmaceutic, ca îngrășământ și în multe alte aplicații industriale.
Tratamentul cu ultrasunete conduce la un grad excepțional de acetilare (DA) a chitinei, reducând gradul de acetilare de la chitina cu DA≥90 la chitosan cu DA≤10.
Numeroase studii de cercetare confirmă eficacitatea deacetilării cu ultrasunete a chitinei în chitosan. Weiss J. et al. (2008) au constatat că sonicarea îmbunătățește drastic conversia chitinei în chitosan. Tratamentul cu ultrasunete al chitinei aduce economii semnificative de timp, reducând durata necesară a procesului de la 12–24 de ore la câteva ore. În plus, este necesar mai puțin solvent pentru a obține o conversie completă, ceea ce reduce impactul asupra mediului al necesității de a evacua și elimina solventul uzat sau nereacționat, adică NaOH concentrat.
Deacetilarea chitinei în chitosan este favorizată de sonicare
UIP4000hdT – sistem cu ultrasunete de putere, de 4kW
Principiul de funcționare al tratamentului cu ultrasunete pentru chitosan
Ultrasonicarea de mare putere și joasă frecvență (∼20–26kHz) generează cavitație acustică în lichide și suspensii. Ultrasunetele de mare putere favorizează conversia chitinei în chitosan, deoarece solventul (de ex., NaOH) fragmentează și pătrunde în particulele solide de chitină, mărind astfel suprafața și îmbunătățind transferul de masă între faza solidă și cea lichidă. În plus, forțele de forfecare ridicate ale cavitației ultrasonice generează radicali liberi care cresc reactivitatea reactivului (adică NaOH) în timpul hidrolizei. Fiind o tehnică de procesare non-termică, sonicarea previne degradarea termică, producând chitosan de înaltă calitate. Ultrasunetele scurtează timpii de procesare necesari pentru extragerea chitinei din crustacee și, totodată, produc chitină (și, prin urmare, ulterior chitosan) de puritate mai mare comparativ cu condițiile de procesare tradiționale. Pentru producerea chitinei și a chitosanului, ultrasunetele au astfel potențialul de a reduce costurile de producție, de a scurta timpul de procesare, de a permite un control mai bun al procesului de producție și de a reduce impactul asupra mediului al deșeurilor de proces.
- Randament mai mare de chitosan
- Calitate superioară
- Timp redus
- Temperatură de proces mai scăzută
- Eficiență crescută
- Operare ușoară și sigură
- Ecologic
Deacetilarea cu ultrasunete a chitinei în chitosan – protocol
1) Pregătiți chitina:
Dacă se utilizează carapace de crab ca materie primă, acestea trebuie spălate temeinic pentru a îndepărta orice substanțe organice solubile și impuritățile aderente, inclusiv sol și proteine. Ulterior, materialul carapacelor trebuie uscat complet (de ex., la 60ºC timp de 24h într-un cuptor). Carapacele uscate sunt apoi măcinate (de ex., cu o moară cu ciocane), deproteinizate într-un mediu alcalin (de ex., NaOH la o conc. de 0,125 până la 5,0 M) și demineralizate în acid (de ex., acid clorhidric diluat).
2) Deacetilarea cu ultrasunete
Pentru a efectua o reacție tipică de deacetilare cu ultrasunete, particulele de beta-chitină (0,125 mm < d < 0,250 mm) sunt suspendate în NaOH apos 40% (w/w), la un raport beta-chitină/soluție apoasă de NaOH de 1/10(g mL-1), suspensia este transferată într-un pahar de laborator din sticlă cu pereți dubli și este sonicată cu ajutorul unui omogenizator Hielscher UP400St cu ultrasunete. Următorii parametri (cf. Fiamingo et al. 2016) sunt menținuți constanți la efectuarea unei reacții de deacetilare a chitinei cu ultrasunete: (i) sonotroda (sonotrodă Hielscher S24d22D, diametrul vârfului = 22 mm); (ii) modul de sonicare în impulsuri (IP = 0,5sec); (iii) intensitatea ultrasonică la suprafață
(I = 52,6 W cm-2), (iv) temperatura de reacție (60ºC ±1ºC), (v) timpul de reacție (50 min), (vi) raportul dintre masa de beta-chitină și volumul de hidroxid de sodiu apos 40% (w/w) (BCHt/NaOH = 1/10 g mL-1); (vii) volumul suspensiei de beta-chitină (50mL).
Prima reacție decurge timp de 50min sub agitare magnetică constantă și este apoi întreruptă prin răcirea rapidă a suspensiei la 0ºC. Ulterior se adaugă acid clorhidric diluat pentru a atinge pH 8,5, iar proba CHs1 este izolată prin filtrare, spălată intens cu apă deionizată și uscată în condiții ambiante. Atunci când aceeași deacetilare cu ultrasunete este repetată pe CHs1 ca a doua etapă, se obține proba CHs2.
Imagini de microscopie electronică de baleiaj (SEM) la o mărire de 100× ale a) gladiusului, b) gladiusului tratat cu ultrasunete, c) β-chitinei, d) β-chitinei tratate cu ultrasunete și e) chitosanului (sursa: Preto et al. 2017)
Fiamingo et al. au constatat că deacetilarea cu ultrasunete a beta-chitinei produce eficient chitosan cu greutate moleculară ridicată și grad scăzut de acetilare, fără a utiliza aditivi, atmosferă inertă sau timpi lungi de reacție. Și asta deși reacția de deacetilare cu ultrasunete se desfășoară în condiții mai blânde – adică la temperatură de reacție scăzută în comparație cu majoritatea deacetilărilor termochimice. Deacetilarea cu ultrasunete a beta-chitinei permite prepararea de chitosan deacetilat aleatoriu, cu grad variabil de acetilare (4% ≤ DA ≤ 37%), greutate moleculară medie gravimetrică ridicată (900.000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1.200.000 g mol-1 ) și dispersitate scăzută (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4), prin efectuarea a trei reacții consecutive (50 min/etapă) la 60ºC.
Procesoare cu ultrasunete de mare putere, de la scară de laborator la scară pilot și industrială.
Sisteme cu ultrasunete de înaltă performanță pentru producerea chitosanului
Fragmentarea chitinei și deacetilarea chitinei în chitosan necesită echipamente cu ultrasunete puternice și fiabile, care pot furniza amplitudini ridicate, oferă controlabilitate precisă asupra parametrilor de proces și pot fi operate 24/7 sub sarcină grea și în medii solicitante. Gama de produse Hielscher Ultrasonics acoperă atât nevoile dumneavoastră, cât și cerințele procesului dumneavoastră. Ultrasonicatoarele Hielscher sunt sisteme de înaltă performanță care pot fi echipate cu accesorii precum sonotrode, boostere, reactoare sau celule de flux, pentru a corespunde în mod optim nevoilor procesului dumneavoastră.
Cu afișaj digital color, opțiunea de a preseta cicluri de sonicare, înregistrare automată a datelor pe un card SD integrat, control de la distanță prin browser și multe alte funcții, sunt asigurate cel mai înalt control al procesului și ușurința în utilizare. Alături de robustețe și de capacitatea de a suporta sarcini grele, sistemele cu ultrasunete Hielscher sunt calul de povară de încredere în producția dumneavoastră.
Fragmentarea și deacetilarea chitinei necesită ultrasunete puternice pentru a obține conversia vizată și un produs final de chitosan de înaltă calitate. În special pentru fragmentarea fulgilor de chitină, amplitudinile ridicate și presiunile crescute sunt esențiale. Procesoarele industriale cu ultrasunete Hielscher Ultrasonics furnizează cu ușurință amplitudini foarte ridicate. Amplitudini de până la 200µm pot fi menținute continuu în regim 24/7. Pentru amplitudini și mai ridicate, sunt disponibile sonotrode ultrasonice personalizate. Capacitatea de putere a sistemelor cu ultrasunete Hielscher permite o deacetilare eficientă și rapidă, într-un proces sigur și ușor de utilizat.
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre:
| Volumul lotului | Debit | Dispozitive recomandate |
|---|---|---|
| 1 până la 500mL | 10 până la 200mL/min | UP100H |
| 10 până la 2000mL | 20 până la 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 până la 20L | 0,2 până la 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 până la 100L | 2 până la 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 până la 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | mai mare | cluster de UIP16000 |
Contactați-ne! / Întrebați-ne!
Literatură de specialitate/Referințe
- 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): Extensively deacetylated high molecular weight chitosan from the multistep ultrasound-assisted deacetylation of beta-chitin. 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): Influence of high-intensity ultrasound to accelerate the conversion of chitin to chitosan, Annual Meeting of the 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 and its derivatives as potential biosorbents for marine diesel oil. 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): A method for top down preparation of chitosan nanoparticles and nanofibers. Carbohydrate Polymers 117, 2015. 731–738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Efficient reduction of chitosan molecular weight by high-intensity ultrasound: Underlying mechanism and effect of processing parameters. Journal of Agricultural and Food Chemistry 56(13):5112-5119.
- Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Seafood waste: a source for preparation of commercially employable chitin/chitosan materials. Bioresources and Bioprocessing 6/8, 2019.
Informații demne de știut
Cum funcționează deacetilarea chitinei cu ultrasunete?
Atunci când ultrasunetele de mare putere și joasă frecvență (de ex., 20–26kHz) sunt cuplate într-un lichid sau într-o suspensie, asupra lichidului se aplică cicluri alternante de presiune înaltă / presiune joasă, generând compresie și rarefiere. În timpul acestor cicluri alternante de presiune înaltă / presiune joasă se formează mici bule de vid, care cresc pe parcursul mai multor cicluri de presiune. În momentul în care bulele de vid nu mai pot absorbi energie, acestea colapsează violent. În timpul acestei implozii a bulelor apar local condiții foarte intense: temperaturi ridicate de până la 5000K, presiuni de până la 2000atm, viteze foarte mari de încălzire/răcire și diferențe de presiune. Deoarece dinamica colapsului bulelor este mai rapidă decât transferul de masă și de căldură, energia din cavitatea care colapsează este concentrată într-o zonă foarte mică, numită și „hot spot”. Implozia bulei de cavitație are ca rezultat și microturbulențe, jeturi de lichid cu viteze de până la 280m/s și forțele de forfecare rezultate. Acest fenomen este cunoscut sub numele de cavitație ultrasonică sau acustică.
Picăturile și particulele din lichidul sonicat sunt lovite de aceste forțe cavitaționale, iar atunci când particulele accelerate se ciocnesc între ele, sunt sfărâmate prin coliziune interparticulară. Cavitația acustică este principiul de funcționare al măcinării, dispersării și emulsionării cu ultrasunete, precum și al sonochimiei.
Pentru deacetilarea chitinei, ultrasunetele de intensitate ridicată măresc suprafața prin activarea suprafeței și prin favorizarea transferului de masă dintre particule și reactiv.
Chitosan
Chitosanul este un polimer glucidic modificat, cationic, netoxic, cu o structură chimică complexă formată din unități de glucozamină β-(1,4) ca principală componentă (>80%) și unități de N-acetil glucozamină (<20%), distribuite aleatoriu de-a lungul lanțului. Chitosanul este obținut din chitină prin deacetilare chimică sau enzimatică. Gradul de deacetilare (DA) determină conținutul de grupări amino libere din structură și este utilizat pentru a distinge între chitină și chitosan. Chitosanul prezintă o bună solubilitate în solvenți moderați, precum acidul acetic diluat, și oferă mai multe grupări amină libere ca situsuri active. Acest lucru conferă chitosanului un avantaj față de chitină în multe reacții chimice.
Chitosanul este apreciat pentru biocompatibilitatea și biodegradabilitatea sa excelente, netoxicitate, activitate antimicrobiană bună (împotriva bacteriilor și fungilor), impermeabilitate la oxigen și proprietăți peliculogene. Spre deosebire de chitină, chitosanul are avantajul de a fi solubil în apă și, prin urmare, mai ușor de manipulat și de utilizat în formulări.
Fiind a doua cea mai abundentă polizaharidă după celuloză, chitina, prin abundența sa uriașă, este o materie primă ieftină și durabilă.
Producerea chitosanului
Chitosanul este produs printr-un proces în două etape. În prima etapă, materia primă, precum carapacele de crustacee (adică creveți, crabi, homari), este deproteinizată, demineralizată și purificată pentru a obține chitină. În a doua etapă, chitina este tratată cu o bază puternică (de ex., NaOH) pentru a îndepărta catenele laterale acetil, în vederea obținerii chitosanului. Procesul convențional de producere a chitosanului este cunoscut ca fiind foarte consumator de timp și costisitor.
Chitina
Chitina (C8H13O5N)n este un polimer cu lanț liniar de β-1,4-N-acetilglucozamină și se clasifică în α-, β- și γ-chitină. Fiind un derivat al glucozei, chitina este o componentă principală a exoscheletelor artropodelor, precum crustaceele și insectele, a radulelor moluștelor, a ciocurilor cefalopodelor și a solzilor peștilor și lisamfibienilor și poate fi găsită, de asemenea, în pereții celulari ai fungilor. Structura chitinei este comparabilă cu cea a celulozei, formând nanofibrile cristaline sau whiskers. Celuloza este cea mai abundentă polizaharidă din lume, urmată de chitină ca a doua cea mai abundentă polizaharidă.
Glucozamina
Glucozamina (C6H13NO5) este un aminozahăr și un precursor important în sinteza biochimică a proteinelor și lipidelor glicozilate. Glucozamina este în mod natural un compus abundent, care face parte din structura ambelor polizaharide, chitosanul și chitina, ceea ce face din glucozamină una dintre cele mai abundente monozaharide. Cea mai mare parte a glucozaminei disponibile comercial este produsă prin hidroliza exoscheletelor de crustacee, adică a carapacelor de crab și de homar.
Glucozamina este utilizată în principal ca supliment alimentar, sub formă de sulfat de glucozamină, clorhidrat de glucozamină sau N-acetil glucozamină. Suplimentele de sulfat de glucozamină se administrează oral pentru tratarea unei afecțiuni dureroase cauzate de inflamarea, degradarea și, în final, pierderea cartilajului (osteoartrită).