Ультразвуковое деацетилирование хитина до хитозана
Ультразвуковое производство хитозана
Хитозан получают путём N-деацетилирования хитина. При традиционном деацетилировании хитин замачивают в водных щелочных растворителях (обычно 40–50% (w/w) NaOH). Процесс замачивания требует высоких температур 100–120ºC и занимает очень много времени, при этом выход хитозана за один этап замачивания низок. Применение мощного ультразвука значительно интенсифицирует процесс деацетилирования хитина и обеспечивает высокий выход низкомолекулярного хитозана при быстрой обработке и более низкой температуре. Ультразвуковое деацетилирование позволяет получать хитозан превосходного качества, который используется как пищевой и фармацевтический ингредиент, как удобрение и во многих других промышленных применениях.
Ультразвуковая обработка обеспечивает исключительную степень ацетилирования (DA) хитина, снижая её от DA≥90 у хитина до DA≤10 у хитозана.
Многие исследования подтверждают эффективность ультразвукового деацетилирования хитина до хитозана. Weiss J. и соавт. (2008) установили, что обработка ультразвуком резко улучшает превращение хитина в хитозан. Ультразвуковая обработка хитина обеспечивает значительную экономию времени, сокращая необходимую продолжительность процесса с 12–24 часов до нескольких часов. Кроме того, для достижения полного превращения требуется меньше растворителя, что снижает воздействие на окружающую среду, связанное с необходимостью удаления и утилизации отработанного или непрореагировавшего растворителя, то есть концентрированного NaOH.
Обработка ультразвуком способствует деацетилированию хитина до хитозана
UIP4000hdT – ультразвуковая система мощностью 4kW
Принцип действия ультразвуковой обработки хитозана
Мощная низкочастотная обработка ультразвуком (∼20–26kHz) создаёт акустическую кавитацию в жидкостях и суспензиях. Мощный ультразвук способствует превращению хитина в хитозан, поскольку растворитель (например, NaOH) фрагментирует твёрдые частицы хитина и проникает в них, увеличивая тем самым площадь поверхности и улучшая массоперенос между твёрдой и жидкой фазами. Кроме того, высокие сдвиговые силы ультразвуковой кавитации создают свободные радикалы, которые повышают реакционную способность реагента (то есть NaOH) во время гидролиза. Как нетермический метод обработки, обработка ультразвуком предотвращает термическую деградацию, обеспечивая получение высококачественного хитозана. Ультразвук сокращает время обработки, необходимое для извлечения хитина из ракообразных, а также позволяет получать хитин (и, следовательно, впоследствии хитозан) более высокой чистоты по сравнению с традиционными условиями обработки. Таким образом, при производстве хитина и хитозана ультразвук потенциально позволяет снизить производственные затраты, сократить время обработки, улучшить контроль производственного процесса и уменьшить воздействие отходов процесса на окружающую среду.
- Более высокий выход хитозана
- Превосходное качество
- Сокращение времени
- Более низкая температура процесса
- Повышенная эффективность
- Простая и безопасная эксплуатация
- Экологичность
Ультразвуковое деацетилирование хитина до хитозана – протокол
1) Подготовьте хитин:
Если исходным материалом служат панцири крабов, их следует тщательно промыть, чтобы удалить все растворимые органические вещества и прилипшие примеси, включая почву и белок. Затем материал панцирей необходимо полностью высушить (например, при 60ºC в течение 24h в сушильном шкафу). Высушенные панцири затем измельчают (например, с помощью молотковой мельницы), депротеинизируют в щелочной среде (например, NaOH в концентрации от 0,125 до 5,0 M) и деминерализуют в кислоте (например, разбавленной соляной кислоте).
2) Ультразвуковое деацетилирование
Для проведения типичной реакции ультразвукового деацетилирования частицы бета-хитина (0,125 mm < d < 0,250 mm) суспендируют в 40% (w/w) водном растворе NaOH при соотношении бета-хитин/водный раствор NaOH, равном 1/10(g mL-1), суспензию переносят в стеклянный стакан с двойными стенками и обрабатывают ультразвуком с помощью ультразвукового гомогенизатора Hielscher UP400St. При проведении реакции ультразвукового деацетилирования хитина следующие параметры (см. Fiamingo и соавт. 2016) поддерживают постоянными: (i) ультразвуковой зонд (сонотрод Hielscher S24d22D, диаметр наконечника = 22 mm); (ii) импульсный режим обработки ультразвуком (IP = 0,5sec); (iii) поверхностная интенсивность ультразвука
(I = 52,6 W cm-2), (iv) температура реакции (60ºC ±1ºC), (v) время реакции (50 min), (vi) отношение массы бета-хитина к объёму 40% (w/w) водного раствора гидроксида натрия (BCHt/NaOH = 1/10 g mL-1); (vii) объём суспензии бета-хитина (50mL).
Первая реакция протекает в течение 50min при постоянном магнитном перемешивании, после чего её прерывают быстрым охлаждением суспензии до 0ºC. Затем добавляют разбавленную соляную кислоту до достижения pH 8,5, а образец CHs1 выделяют фильтрацией, тщательно промывают деионизированной водой и высушивают при окружающих условиях. Повторение того же ультразвукового деацетилирования в качестве второго этапа обработки CHs1 позволяет получить образец CHs2.
Изображения, полученные методом сканирующей электронной микроскопии (SEM) при увеличении 100×: a) гладиус, b) гладиус, обработанный ультразвуком, c) β-хитин, d) β-хитин, обработанный ультразвуком, и e) хитозан (источник: Preto и соавт. 2017)
Fiamingo и соавт. установили, что ультразвуковое деацетилирование бета-хитина эффективно позволяет получать высокомолекулярный хитозан с низкой степенью ацетилирования без использования добавок, инертной атмосферы или длительного времени реакции. И это несмотря на то, что реакция ультразвукового деацетилирования проводится в более мягких условиях – то есть при низкой температуре реакции по сравнению с большинством термохимических процессов деацетилирования. Ультразвуковое деацетилирование бета-хитина позволяет получать хитозан со случайным распределением деацетилированных звеньев, обладающий варьируемой степенью ацетилирования (4% ≤ DA ≤ 37%), высокой средневесовой молекулярной массой (900 000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1 200 000 g mol-1 ) и низкой дисперсностью (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4), путём проведения трёх последовательных реакций (50 min/этап) при 60ºC.
Мощные ультразвуковые процессоры для лабораторного, пилотного и промышленного масштаба.
Высокопроизводительные ультразвуковые системы для производства хитозана
Фрагментация хитина и деацетилирование хитина до хитозана требуют мощного и надёжного ультразвукового оборудования, способного обеспечивать высокие амплитуды, позволяющего точно управлять параметрами процесса и работать в режиме 24/7 при высокой нагрузке и в сложных условиях. Ассортимент продукции Hielscher Ultrasonics удовлетворяет ваши потребности и требования вашего процесса. Ультразвуковые аппараты Hielscher – высокопроизводительные системы, которые могут оснащаться такими принадлежностями, как сонотроды, бустеры, реакторы или проточные ячейки, для оптимального соответствия потребностям вашего процесса.
Цифровой цветной дисплей, возможность предварительной настройки циклов обработки ультразвуком, автоматическая запись данных на встроенную SD-карту, дистанционное управление через браузер и многие другие функции обеспечивают наивысший уровень контроля процесса и удобства использования. Благодаря прочности и способности выдерживать высокие нагрузки ультразвуковые системы Hielscher служат вашим надёжным помощником на производстве.
Фрагментация и деацетилирование хитина требуют мощного ультразвука для достижения целевого превращения и получения высококачественного конечного продукта – хитозана. Особенно при фрагментации хлопьев хитина решающее значение имеют высокие амплитуды и повышенные давления. Промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher Ultrasonics легко обеспечивают очень высокие амплитуды. Амплитуды до 200µm могут поддерживаться непрерывно в режиме 24/7. Для ещё более высоких амплитуд доступны ультразвуковые сонотроды, изготовленные по индивидуальному заказу. Мощность ультразвуковых систем Hielscher позволяет осуществлять эффективное и быстрое деацетилирование в рамках безопасного и удобного для пользователя процесса.
Приведённая ниже таблица даёт представление о приблизительной производительности обработки наших ультразвуковых аппаратов:
| Объём партии | Расход | Рекомендуемые устройства |
|---|---|---|
| от 1 до 500mL | от 10 до 200mL/min | UP100H |
| от 10 до 2000mL | от 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| от 0,1 до 20L | от 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| от 10 до 100L | от 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | от 10 до 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | больше | кластер из UIP16000 |
Свяжитесь с нами! / Задайте нам вопрос!
Литература и источники
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): Бионанокомпозитные плёнки на основе хитозана, полученные эмульсионным методом для сохранения пищевых продуктов. Materials 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Глубоко деацетилированный высокомолекулярный хитозан, полученный путём многоступенчатого деацетилирования бета-хитина с применением ультразвука. Ultrasonics Sonochemistry 32, 2016. 79–85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Превращение хитина в хитозан с применением сонохимии, встреча ведущих исследователей Национальной исследовательской инициативы USDA, Новый Орлеан, LA, 28 июня.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Влияние температуры при деацетилировании хитина до хитозана с использованием высокоинтенсивного ультразвука в качестве предварительной обработки, ежегодная встреча Института пищевых технологов, Новый Орлеан, LA, 30 июня, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Влияние высокоинтенсивного ультразвука на ускорение превращения хитина в хитозан, ежегодная встреча Института пищевых технологов, Новый Орлеан, LA, 30 июня, 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): Гладиус и его производные как потенциальные биосорбенты судового дизельного топлива. 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): Метод получения наночастиц и нановолокон хитозана по принципу «сверху вниз». Carbohydrate Polymers 117, 2015. 731–738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Эффективное снижение молекулярной массы хитозана с помощью высокоинтенсивного ультразвука: лежащий в основе механизм и влияние параметров обработки. Journal of Agricultural and Food Chemistry 56(13):5112–5119.
- Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Отходы морепродуктов: источник для получения материалов на основе хитина/хитозана, пригодных для коммерческого применения. Bioresources and Bioprocessing 6/8, 2019.
Полезные сведения
Как работает ультразвуковое деацетилирование хитина?
При передаче мощного низкочастотного ультразвука (например, 20–26kHz) в жидкость или суспензию на жидкость воздействуют чередующиеся циклы высокого и низкого давления, создавая сжатие и разрежение. Во время этих чередующихся циклов высокого и низкого давления образуются небольшие вакуумные пузырьки, которые растут в течение нескольких циклов давления. Когда вакуумные пузырьки больше не могут поглощать энергию, они резко схлопываются. Во время такого схлопывания пузырьков локально возникают весьма экстремальные условия: высокие температуры до 5000K, давления до 2000atm, очень высокие скорости нагрева и охлаждения и перепады давления. Поскольку динамика схлопывания пузырька опережает перенос массы и тепла, энергия в схлопывающейся полости сосредоточена в очень небольшой зоне, также называемой «горячей точкой». Схлопывание кавитационного пузырька также вызывает микротурбулентность, струи жидкости со скоростью до 280m/s и возникающие вследствие этого сдвиговые силы. Это явление известно как ультразвуковая, или акустическая, кавитация.
Капли и частицы в обрабатываемой ультразвуком жидкости подвергаются воздействию этих кавитационных сил, а при столкновении ускоренных частиц друг с другом происходит их разрушение вследствие межчастичных столкновений. Акустическая кавитация лежит в основе ультразвукового измельчения, диспергирования, эмульгирования и сонохимии.
При деацетилировании хитина высокоинтенсивный ультразвук увеличивает площадь поверхности, активируя поверхность и способствуя массопереносу между частицами и реагентом.
Хитозан
Хитозан – модифицированный катионный нетоксичный углеводный полимер со сложной химической структурой, образованной β-(1,4) glucosamine звеньями в качестве основного компонента (>80%) и N-ацетилглюкозаминовыми звеньями (<20%), случайным образом распределёнными вдоль цепи. Хитозан получают из хитина путём химического или ферментативного деацетилирования. Степень деацетилирования (DA) определяет содержание свободных аминогрупп в структуре и используется для разграничения хитина и хитозана. Хитозан хорошо растворяется в умеренных растворителях, таких как разбавленная уксусная кислота, и имеет несколько свободных аминогрупп, служащих активными центрами. Это даёт хитозану преимущества перед хитином во многих химических реакциях.
Хитозан ценится за превосходную биосовместимость и способность к биологическому разложению, нетоксичность, хорошую антимикробную активность (против бактерий и грибов), непроницаемость для кислорода и плёнкообразующие свойства. В отличие от хитина, хитозан обладает преимуществом растворимости в воде, что облегчает обращение с ним и его использование в рецептурах.
Хитин является вторым по распространённости полисахаридом после целлюлозы; его огромная распространённость делает его дешёвым и устойчивым с точки зрения использования ресурсов сырьём.
Производство хитозана
Хитозан производят в два этапа. На первом этапе исходное сырьё, например панцири ракообразных (то есть креветок, крабов, омаров), депротеинизируют, деминерализуют и очищают для получения хитина. На втором этапе хитин обрабатывают сильным основанием (например, NaOH), чтобы удалить ацетильные боковые группы и получить хитозан. Известно, что традиционный процесс производства хитозана требует очень много времени и больших затрат.
Хитин
Хитин (C8H13O5N)n представляет собой полимер β-1,4-N-acetylglucosamine с линейной цепью и подразделяется на α-, β- и γ-хитин. Будучи производным глюкозы, хитин является основным компонентом экзоскелетов членистоногих, таких как ракообразные и насекомые, радул моллюсков, клювов головоногих, а также чешуи рыб и лиссамфибий; кроме того, он встречается в клеточных стенках грибов. Структура хитина сопоставима со структурой целлюлозы: он образует кристаллические нанофибриллы или нитевидные кристаллы. Целлюлоза – самый распространённый полисахарид в мире, а хитин занимает второе место по распространённости.
Глюкозамин
Глюкозамин (C6H13NO5) – аминосахар и важный предшественник в биохимическом синтезе гликозилированных белков и липидов. Глюкозамин – широко распространённое в природе соединение, входящее в структуру обоих полисахаридов, хитозана и хитина, что делает его одним из наиболее распространённых моносахаридов. Большую часть коммерчески доступного глюкозамина получают гидролизом экзоскелетов ракообразных, то есть панцирей крабов и омаров.
Глюкозамин преимущественно используется в качестве пищевой добавки в формах сульфата глюкозамина, гидрохлорида глюкозамина или N-ацетилглюкозамина. Добавки сульфата глюкозамина принимают внутрь для лечения болезненного состояния, вызванного воспалением, разрушением и последующей утратой хряща (остеоартрита).