Deacetilarea cu ultrasunete a chitinei la chitosan
Producția de chitosan cu ultrasunete
Chitosanul se obține prin N-deacetilarea chitinei. În deacetilarea convențională, chitina este înmuiată în solvenți alcalini apoși (de obicei 40 până la 50% (g / g) NaOH). Procesul de înmuiere necesită temperaturi ridicate de 100 până la 120 ° C este foarte consumator de timp, în timp ce randamentul chitosanului obținut pe etapa de înmuiere este scăzut. Aplicarea ultrasunetelor de mare putere intensifică procesul de deacetilare a chitinei în mod semnificativ și are ca rezultat un randament ridicat de chitosan cu greutate moleculară mică într-un tratament rapid la temperaturi mai scăzute. Deacetilarea cu ultrasunete are ca rezultat chitosanul de calitate superioară, care este utilizat ca ingredient alimentar și farmaceutic, ca îngrășământ și în multe alte aplicații industriale.
Tratamentul cu ultrasunete are ca rezultat un grad excepțional de acetilare (DA) a chitinei, scăzând gradul de acetilare a chitinei de la DA≥90 la chitosan cu DA≤10.
Multe studii de cercetare confirmă eficacitatea deacetilării chitinei cu ultrasunete la chitosan. Weiss J. et al. (2008) a constatat că sonicare îmbunătățește conversia chitinei la chitosan drastic. Tratamentul cu ultrasunete al chitinei vine cu economii semnificative de timp, reducând timpul necesar procesului de la 12-24 ore la câteva ore. În plus, este necesară o cantitate mai mică de solvent pentru a realiza o conversie completă, ceea ce reduce impactul asupra mediului al necesității de a arunca și elimina solventul uzat sau nereacționat, adică NaOH concentrat.
Deacetilarea chitinei la chitosan este promovată prin sonicare
UIP4000hdT – 4kW putere sistem cu ultrasunete
Principiul de lucru al tratamentului cu chitosan cu ultrasunete
Ultrasonication de mare putere, de joasă frecvență (∼20-26kHz) creează cavitație acustică în lichide și suspensii. Ultrasunetele de mare putere promovează conversia chitinei în chitosan pe măsură ce solventul (de exemplu, NaOH) fragmentează și penetrează particulele solide de chitină, mărind astfel suprafața și îmbunătățind transferul de masă între faza solidă și cea lichidă. În plus, forțele mari de forfecare a cavitației cu ultrasunete creează radicali liberi care măresc reactivitatea reactivului (adică NaOH) în timpul hidrolizei. Ca tehnică de prelucrare non-termică, sonicare previne degradarea termică producerea de chitosan de înaltă calitate. Ultrasunete scurta timpii de procesare necesare pentru a extrage chitina din crustacee, precum și chitină de randament (și, astfel, ulterior chitosan) de puritate mai mare comparativ cu condițiile tradiționale de procesare. Pentru producția de chitină și chitosan, ultrasunetele au astfel potențialul de a reduce costurile de producție, de a reduce timpul de procesare, de a permite un control mai bun al procesului de producție și de a reduce impactul deșeurilor de proces asupra mediului.
- Randament mai mare de chitosan
- Calitate superioară
- Timp redus
- Temperatură mai scăzută a procesului
- Eficiență sporită
- Ușor & funcționare în condiții de siguranță
- ecologic
Decetilarea cu ultrasunete a chitinei la chitosan – protocol
1) Pregătiți chitina:
Folosind cochilii de crab ca material sursă, cojile de crab trebuie spălate bine pentru a îndepărta orice substanțe organice solubile și impuritățile aderente, inclusiv solul și proteinele. După aceea, materialul din coajă trebuie să fie complet uscat (de exemplu, la 60 ° C timp de 24 de ore într-un cuptor). Cojile uscate sunt apoi măcinate (de exemplu, folosind o moară cu ciocane), deproteinizate într-un mediu alcalin (de exemplu, NaOH la o conc. de 0,125 până la 5,0 M) și demineralizate în acid (de exemplu, acid clorhidric diluat).
2) Deacetilare cu ultrasunete
Pentru a rula o reacție tipică de deacetilare cu ultrasunete, particule de beta-chitină (0,125 mm < D < 0.250 mm) sunt suspendate în 40% (g/g) NaOH apos la un raport beta-chitină/NaOH soluție apoasă de 1/10(g ml-1), suspensia este transferată într-un pahar de sticlă cu pereți dubli și este și sonicated prin utilizarea unui Hielscher UP400St omogenizator cu ultrasunete. Următorii parametri (cf. Fiamingo et al. 2016) sunt menținuți constanți atunci când se efectuează o reacție de deacetilare a chitinei cu ultrasunete: (i) sondă cu ultrasunete (sonotrode Hielscher S24d22D, diametrul vârfului = 22 mm); (ii) modul impuls sonicare (IP = 0.5sec); (iii) intensitatea suprafeței ultrasonice
(I = 52,6 W cm-2), (iv) temperatura de reacție (60 °C ±1 °C), (v) timpul de reacție (50 min), (vi) raportul greutate/volum beta-chitină de 40 % (g/g) hidroxid apos de sodiu (BCHt/NaOH = 1/10 g ml-1); (vii) volumul suspensiei de beta-chitină (50 ml).
Prima reacție are loc timp de 50 de minute sub agitare magnetică constantă și este apoi întreruptă de răcirea rapidă a suspensiei la 0 ° C. Apoi se adaugă acid clorhidric diluat pentru a obține un pH de 8,5 și proba CHs1 este izolată prin filtrare, spălată extensiv cu apă deionizată și uscată în condiții ambientale. Când aceeași deacetilare cu ultrasunete se repetă ca un al doilea pas la CHs1, produce proba CHs2.
Imagini de microscopie electronică de scanare (SEM) într-o mărire de 100× de a) gladius, b) gladius tratat cu ultrasunete, c) β-chitină, d) β-chitină tratată cu ultrasunete și e) chitosan (sursa: Preto et al. 2017)
Fiamingo et al. a constatat că deacetilarea cu ultrasunete a beta-chitinei produce în mod eficient chitosan cu greutate moleculară mare, cu un grad scăzut de acetilare, nici folosind aditivi, nici atmosferă inertă, nici timpi de reacție lungi. Chiar dacă reacția de deacetilare cu ultrasunete se efectuează în condiții mai blânde – adică temperatură scăzută de reacție în comparație cu majoritatea deacetilărilor termochimice. Deacetilarea cu ultrasunete a beta-chitinei permite prepararea chitosanului deacetilat aleatoriu care posedă un grad variabil de acetilare (4% ≤ DA ≤ 37%), greutate moleculară medie ponderală mare (900.000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1.200.000 g mol-1 ) și dispersie scăzută (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4) prin efectuarea a trei reacții consecutive (50 min/pas) la 60 °C.
Procesoare cu ultrasunete de mare putere de la laborator la pilot și scară industrială.
Sisteme cu ultrasunete de înaltă performanță pentru producția de chitosan
Fragmentarea chitinei și decetilarea chitinei la chitosan necesită echipamente cu ultrasunete puternice și fiabile, care pot furniza amplitudini mari, oferă un control precis asupra parametrilor procesului și pot fi operate 24/7 sub sarcină grea și în medii solicitante. Hielscher Ultrasonics gama de produse obține tu și cerințele de proces acoperite. Hielscher ultrasonicators sunt sisteme de înaltă performanță, care pot fi echipate cu accesorii, ar fi sonotrodes, boostere, reactoare sau celule de flux, în scopul de a se potrivi nevoilor dumneavoastră de proces într-un mod optim.
Cu afișaj color digital, opțiunea de a preseta sonicare rulează, înregistrarea automată a datelor pe un card SD integrat, controlul de la distanță al browserului și multe alte caracteristici, cel mai înalt control al procesului și ușurința în utilizare sunt asigurate. Împreună cu robustețe și capacitate portantă grea, sistemele cu ultrasunete Hielscher sunt calul de lucru de încredere în producție.
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 mari și presiunile ridicate sunt cruciale. Hielscher Ultrasonics’ Procesoarele industriale cu ultrasunete oferă cu ușurință amplitudini foarte mari. Amplitudinile de până la 200μm pot fi rulate continuu în funcționare 24/7. Pentru amplitudini chiar mai mari, sonotrodes cu ultrasunete personalizate sunt disponibile. Capacitatea de putere a sistemelor cu ultrasunete Hielscher permite deacetilarea eficientă și rapidă într-un proces sigur și ușor de utilizat.
Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre:
| Volumul lotului | Debitul | Dispozitive recomandate |
|---|---|---|
| 1 până la 500 ml | 10 până la 200 ml/min | UP100H |
| 10 până la 2000 ml | 20 până la 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 până la 20L | 00.2 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 | grup de UIP16000 |
Contactează-ne! / Întreabă-ne!
Literatură/Referințe
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Niță R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): Filme bionanocompozite pe bază de chitosan preparate prin tehnica emulsiei pentru conservarea alimentelor. Materiale 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Chitosan cu greutate moleculară mare deacetilat extensiv din deacetilarea asistată cu ultrasunete în mai multe etape a beta-chitinei. Ultrasonics Sonochemistry 32, 2016. 79–85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Conversia asistată sonochimic a chitinei în Chitosan, USDA National Research Initiative Principal Investigators Meeting, New Orleans, LA, 28 iunie.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Influența temperaturii în timpul deacetilării chitinei la chitosan cu ultrasunete de înaltă intensitate ca pre-tratament, Reuniunea anuală a Institutului de Tehnologii Alimentare, New Orleans, LA, 30 iunie, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Influența ultrasunetelor de înaltă intensitate pentru a accelera conversia chitinei în chitosan, Reuniunea anuală a Institutului de Tehnologii Alimentare, New Orleans, LA, 30 iunie, 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 și derivații săi ca potențiali biosorbenți pentru motorina marină. Știința mediului și cercetarea poluării (2017) 24: 22932–22939.
- Wijesena R.N., Tissera N., Kannangara Y.Y., Lin Y., Amaratunga G.A.J., de Silva K.M.N. (2015): O metodă pentru prepararea de sus în jos a nanoparticulelor de chitosan și a nanofibrelor. Polimeri de carbohidrați 117, 2015. 731–738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Reducerea eficientă a greutății moleculare a chitosanului prin ultrasunete de înaltă intensitate: mecanismul de bază și efectul parametrilor de procesare. Jurnalul de Chimie Agricolă și Alimentară 56 (13): 5112-5119.
- Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Deșeuri de fructe de mare: o sursă pentru prepararea materialelor de chitină / chitosan utilizabile comercial. Bioresurse și bioprocesare 6/8, 2019.
Fapte care merită știute
Cum funcționează deactilarea cu ultrasunete a chitinei?
Atunci când ultrasunetele de mare putere, de joasă frecvență (de exemplu, 20-26kHz) sunt cuplate într-un lichid sau suspensie, ciclurile alternative de înaltă presiune / joasă presiune sunt aplicate lichidului, creând compresie și rarefiere. În timpul acestor cicluri alternative de înaltă presiune / joasă presiune, sunt generate bule mici de vid, care cresc pe parcursul mai multor cicluri de presiune. În momentul în care bulele de vid nu pot absorbi mai multă energie, ele se prăbușesc violent. În timpul acestei implozii cu bule, apar condiții locale foarte intense: temperaturi ridicate de până la 5000K, presiuni de până la 2000atm, rate foarte mari de încălzire / răcire și diferențe de presiune. Deoarece dinamica colapsului bulelor este mai rapidă decât transferul de masă și căldură, energia din cavitatea care se prăbușește este limitată la o zonă foarte mică, numită și "punct fierbinte". Implozia bulei de cavitație are ca rezultat, de asemenea, microturbulențe, jeturi lichide de până la 280 m / s viteză și forțe de forfecare rezultate. Acest fenomen este cunoscut sub numele de cavitație ultrasonică sau acustică.
Picăturile și particulele din lichidul sonicat sunt afectate de aceste forțe cavitaționale și atunci când particulele accelerate se ciocnesc între ele, ele se sparg prin coliziunea interparticulelor. Cavitația acustică este principiul de lucru al frezării cu ultrasunete, dispersării, emulsionării și sonochimiei.
Pentru deacetilarea chitinei, ultrasunetele de înaltă intensitate cresc suprafața prin activarea suprafeței și promovarea transferului de masă între particule și reactiv.
Chitosan
Chitosanul este un polimer carbohidrat 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 derivat 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 solubilitate bună în solvenți moderați, cum ar fi acidul acetic diluat și oferă mai multe grupări de amine libere ca situsuri active. Acest lucru face ca chitosanul să fie avantajos față de chitină în multe reacții chimice.
Chitosanul este evaluat pentru biocompatibilitatea și biodegradabilitatea excelentă, non-toxicitatea, activitatea antimicrobiană bună (împotriva bacteriilor și ciupercilor), impermeabilitatea la oxigen și proprietățile de formare a filmului. Spre deosebire de chitină, chitosanul are avantajul de a fi solubil în apă și, prin urmare, mai ușor de manevrat și utilizat în formulări.
Fiind a doua cea mai abundentă polizaharidă după celuloză, abundența uriașă de chitină o face o materie primă ieftină și durabilă.
Producția de chitosan
Chitosanul este produs într-un proces în două etape. În prima etapă, materia primă, cum ar fi cochiliile crustaceelor (adică creveți, crabi, homar), este deproteinizată, demineralizată și purificată pentru a obține chitină. În a doua etapă, chitina este tratată cu o bază puternică (de exemplu, NaOH) pentru a îndepărta lanțurile laterale din acetil pentru a obține chitosan. Procesul de producere convențională a chitosanului este cunoscut a fi foarte consumator de timp și consumator de costuri.
Chitina
Chitina (C8H13O5N)N este un polimer cu catenă dreaptă de β-1,4-N-acetilglucozamină și este clasificat în α-, β- și γ-chitină. Fiind derivată a glucozei, chitina este o componentă principală a exoscheletelor artropodelor, cum ar fi crustaceele și insectele, radulele moluștelor, ciocurile cefalopodelor și solzii peștilor și lissamfibienilor și poate fi găsită și în pereții celulari în ciuperci. Structura chitinei este comparabilă cu celuloza, formând nanofibrile cristaline sau mușchi. Celuloza este cea mai abundentă polizaharidă din lume, urmată de chitină ca a doua cea mai abundentă polizaharidă.
Glucozamina
Glucozamină (C6H13NU5) 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 polizaharidelor, chitosanului și chitinei, ceea ce face ca glucozamina să fie una dintre cele mai abundente monozaharide. Cea mai mare parte a glucozaminei disponibile în comerț este produsă prin hidroliza exoscheletelor crustaceelor, adică cochilii de crab și homar.
Glucozamina este utilizată în principal ca supliment alimentar unde este utilizată sub formă de sulfat de glucozamină, clorhidrat de glucozamină sau N-acetil glucozamină. Suplimentele de sulfat de glucozamină sunt administrate pe cale orală pentru a trata o afecțiune dureroasă cauzată de inflamație, defalcare și eventuala pierdere a cartilajului (osteoartrită).