Ультразвуковое деацетилирование хитина до хитозана
Ультразвуковое производство хитозана
Хитозан получают путем N-деацетилирования хитина. При обычном деацетилировании хитин пропитывается водными щелочными растворителями (обычно от 40 до 50% (по массе) NaOH). Процесс замачивания требует высоких температур от 100 до 120ºC, что занимает очень много времени, в то время как выход хитозана, получаемого за одну стадию замачивания, низок. Применение мощного ультразвука значительно интенсифицирует процесс деацетилирования хитина и приводит к получению высокого выхода низкомолекулярного хитозана при быстрой обработке при более низкой температуре. Ультразвуковое деацетилирование приводит к получению хитозана высшего качества, который используется в качестве пищевого и фармацевтического ингредиента, в качестве удобрения и во многих других промышленных целях.
Ультразвуковая обработка приводит к исключительной степени ацетилирования (DA) хитина, снижая степень ацетилирования хитина с DA≥90 до хитозана с DA≤10.
Многие научные исследования подтверждают эффективность ультразвукового деацетилирования хитина до хитозана. Weiss J. et al. (2008) обнаружили, что ультразвуковая обработка значительно улучшает преобразование хитина в хитозан. Ультразвуковая обработка хитина дает значительную экономию времени, сокращая необходимое время процесса с 12-24 часов до нескольких часов. Кроме того, для достижения полной конверсии требуется меньше растворителя, что снижает воздействие на окружающую среду, связанное с необходимостью выбрасывать и утилизировать отработанный или непрореагировавший растворитель, т.е. концентрированный NaOH.
Деацетилирование хитина до хитозана стимулируется ультразвуковой обработкой
УИП4000HDT – Ультразвуковая система мощностью 4 кВт
Принцип работы ультразвуковой обработки хитозаном
Мощное низкочастотное ультразвуковое излучение (∼20-26 кГц) создает акустическую кавитацию в жидкостях и суспензиях. Мощный ультразвук способствует превращению хитина в хитозан, поскольку растворитель (например, NaOH) фрагментируется и проникает в твердые частицы хитина, тем самым увеличивая площадь поверхности и улучшая массоперенос между твердой и жидкой фазой. Кроме того, высокие поперечные силы ультразвуковой кавитации создают свободные радикалы, которые увеличивают реакционную способность реагента (т.е. NaOH) во время гидролиза. Являясь методом нетермической обработки, ультразвуковая обработка предотвращает термическую деградацию с получением высококачественного хитозана. Ультразвуковое исследование сокращает время обработки, необходимое для извлечения хитина из ракообразных, а также позволяет получать хитин (и, следовательно, хитозан) более высокой чистоты по сравнению с традиционными условиями обработки. Таким образом, для производства хитина и хитозана ультразвук может снизить себестоимость производства, сократить время обработки, обеспечить лучший контроль над производственным процессом и уменьшить воздействие технологических отходов на окружающую среду.
- Более высокий выход хитозана
- Превосходное качество
- Сокращение времени
- Более низкая температура процесса
- Повышенная эффективность
- Лёгкий & безопасная эксплуатация
- экологичность
Ультразвуковое децетилирование хитина до хитозана – протокол
1) Приготовьте хитин:
Используя крабовые панцири в качестве исходного материала, панцири крабов следует тщательно промыть, чтобы удалить любые растворимые органические вещества и прилипшие примеси, включая почву и белок. После этого материал скорлупы должен быть полностью высушен (например, при 60ºC в течение 24 часов в духовке). Затем высушенные оболочки измельчают (например, с помощью молотковой мельницы), депротеинизируют в щелочной среде (например, NaOH в конс. от 0,125 до 5,0 М) и деминерализуют в кислоте (например, разбавленной соляной кислотой).
2) Ультразвуковое деацетилирование
Чтобы запустить типичную реакцию ультразвукового деацетилирования, частицы бета-хитина (0,125 мм < D < 0.250 мм) суспендированы в 40% (масс/масса) водном растворе NaOH в соотношении бета-хитин/водный раствор NaOH 1/10 (г мл-1), подвес переносится на стеклянный стакан с двойными стенками и обрабатывается ультразвуком с помощью Hielscher УП400Ст ультразвуковой гомогенизатор. При проведении ультразвуковой реакции деацетилирования хитина поддерживаются постоянными следующие параметры (см. Fiamingo et al. 2016): (i) ультразвуковой зонд (сонотрод Hielscher S24d22D, диаметр наконечника = 22 мм); (ii) импульсный режим ультразвуковой обработки (IP = 0,5 сек); (iii) Ультразвуковая интенсивность поверхности
(I = 52,6 Вт см-2), (iv) температура реакции (60ºC ±1ºC), (v) время реакции (50 мин), (vi) соотношение бета-хитина вес/объем 40% (по массе) гидроксида водного натрия (BCHt/NaOH = 1/10 г мл-1); (vii) объем суспензии бета-хитина (50 мл).
Первая реакция протекает в течение 50 мин при постоянном магнитном перемешивании, а затем прерывается быстрым охлаждением суспензии до 0ºC. После этого добавляют разбавленную соляную кислоту для достижения pH 8,5, а образец CHs1 изолируют фильтрацией, тщательно промывают деионизированной водой и сушат при температуре окружающей среды. Когда то же самое ультразвуковое деацетилирование повторяется в качестве второго этапа для CHs1, образуются образцы CHs2.
Изображения с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) с увеличением 100× а) гладиуса, б) гладиуса, обработанного ультразвуком, в) β-хитина, г) обработанного ультразвуком β-хитина и д) хитозана (источник: Preto et al. 2017)
Fiamingo et al. обнаружили, что ультразвуковое деацетилирование бета-хитина эффективно позволяет получить высокомолекулярный хитозан с низкой степенью ацетилирования без использования добавок, инертной атмосферы и длительного времени реакции. Несмотря на то, что реакция ультразвукового деацетилирования проводится в более мягких условиях – т.е. низкая температура реакции по сравнению с большинством термохимических деацетилирований. Ультразвуковое деацетилирование бета-хитина позволяет получать хаотически деацетилированный хитозан с переменной степенью ацетилирования (4% ≤ DA ≤ 37%), высокой среднемассовой молекулярной массой (900 000 г моль)-1 ≤ Мw ≤ 1 200 000 г моль-1 ) и низкой дисперсностью (1,3 ≤ Р ≤ 1,4) путем проведения трех последовательных реакций (50 мин/шаг) при 60ºC.
Мощные ультразвуковые процессоры от лабораторных до пилотных и промышленных масштабов.
Высокопроизводительные ультразвуковые системы для производства хитозана
Для фрагментации хитина и децетилирования хитина в хитозан требуется мощное и надежное ультразвуковое оборудование, которое может обеспечивать высокую амплитуду, обеспечивает точное управление параметрами процесса и может работать 24 часа в сутки 7 дней в неделю при большой нагрузке и в сложных условиях. Ассортимент продукции Hielscher Ultrasonics поможет вам и вашим технологическим требованиям. Ультразвуковые аппараты Hielscher представляют собой высокопроизводительные системы, которые могут быть оснащены такими аксессуарами, как сонотроды, бустеры, реакторы или проточные ячейки, чтобы оптимально соответствовать потребностям вашего технологического процесса.
Благодаря цифровому цветному дисплею, возможности предварительной настройки прогонов ультразвука, автоматической записи данных на встроенную SD-карту, удаленному управлению через браузер и многим другим функциям, обеспечивается высочайший уровень контроля процесса и удобство для пользователя. В сочетании с прочностью и высокой несущей способностью, ультразвуковые системы Hielscher являются вашей надежной рабочей лошадкой в производстве.
Фрагментация хитина и деацетилирование требуют мощного ультразвука для получения целевой конверсии и конечного продукта хитозана высокого качества. Особенно для фрагментации хлопьев хитина решающее значение имеют высокие амплитуды и повышенное давление. Ультразвуковые технологии Hielscher’ Промышленные ультразвуковые процессоры легко обеспечивают очень высокую амплитуду. Амплитуды до 200 мкм могут непрерывно работать в режиме 24/7. Для еще более высоких амплитуд доступны индивидуальные ультразвуковые сонотроды. Мощность ультразвуковых систем Hielscher позволяет эффективно и быстро проводить деацетилирование в безопасном и удобном для пользователя процессе.
В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов:
| Объем партии | Расход | Рекомендуемые устройства |
|---|---|---|
| от 1 до 500 мл | От 10 до 200 мл/мин | УП100Ч |
| от 10 до 2000 мл | от 20 до 400 мл/мин | УП200Хт, УП400Ст |
| 0.1 до 20 л | 0от 0,2 до 4 л/мин | УИП2000HDT |
| От 10 до 100 л | От 2 до 10 л/мин | УИП4000HDT |
| н.а. | От 10 до 100 л/мин | UIP16000 |
| н.а. | больше | Кластер UIP16000 |
Свяжитесь с нами! / Спросите нас!
Литература/Литература
- Бутнару Э., Столеру Э., Бребу М.А., Дарие-Нита Р.Н., Барган А., Василе С. (2019): Бионанокомпозитные пленки на основе хитозана, полученные методом эмульсии для консервирования пищевых продуктов. Материалы 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Экстенсивно деацетилированный высокомолекулярный хитозан из многоступенчатого ультразвукового деацетилирования бета-хитина. Ультразвуковая сонохимия 32, 2016. 79–85.
- Кьяртанссон, Г., Ву, Т., Живанович, С., Вайс, Д. (2008): Сонохимически ассистированная конверсия хитина в хитозан, Встреча главных исследователей Национальной исследовательской инициативы Министерства сельского хозяйства США, Новый Орлеан, Луизиана, 28 июня.
- Кьяртанссон, Г., Кристбергссон, К. Живанович, С., Вайс, Д. (2008): Влияние температуры во время деацетилирования хитина в хитозан с помощью ультразвука высокой интенсивности в качестве предварительной обработки, Ежегодное собрание Института пищевых технологов, Новый Орлеан, Луизиана, 30 июня, 95-18.
- Кьяртанссон, Г., Кристбергссон, К., Живанович, С., Вайс, Д. (2008): Влияние ультразвука высокой интенсивности на ускорение превращения хитина в хитозан, Ежегодное собрание Института пищевых технологов, Новый Орлеан, Луизиана, 30 июня, 95-17.
- Прето М.Ф., Кампана-Фильо С.., Фьяминго А., Косентино И.С., Тессари-Зампиери М.С., Абесса Д.М.С., Ромеро А.Ф., Бордон И.С. (2017): Гладиус и его производные как потенциальные биосорбенты для судового дизельного топлива. Наука об окружающей среде и исследования загрязнения (2017) 24:22932–22939.
- Виджесена Р.Н., Тиссера Н., Каннангара Ю.Й., Лин Й., Амаратунга Г.А.Ж., де Сильва К.М.Н. (2015): Способ получения наночастиц хитозана и нановолокон сверху вниз. Полимеры углеводов 117, 2015. 731–738.
- Ву, Т., Живанович, С., Хейс, Д.Г., Вайс, Д. (2008). Эффективное снижение молекулярной массы хитозана с помощью ультразвука высокой интенсивности: основной механизм и влияние параметров обработки. Журнал сельскохозяйственной и пищевой химии 56(13):5112-5119.
- Ядав М.; Госвами.; Паритош К.; Кумар М.; Парик Н.; Вивекананд В. (2019): Отходы морепродуктов: источник для получения коммерчески пригодных материалов хитина/хитозана. Биоресурсы и биопереработка 08.06.2019.
Факты, которые стоит знать
Как работает ультразвуковое деактилирование хитина?
Когда мощный низкочастотный ультразвук (например, 20-26 кГц) соединяется с жидкостью или суспензией, к жидкости применяются чередующиеся циклы высокого и низкого давления, что приводит к сжатию и разрежению. Во время этих чередующихся циклов высокого и низкого давления образуются небольшие вакуумные пузырьки, которые растут в течение нескольких циклов давления. В тот момент, когда вакуумные пузырьки не могут поглощать больше энергии, они сильно схлопываются. Во время этой пузырьковой имплозии возникают локально очень интенсивные условия: высокие температуры до 5000 К, давление до 2000 атм, очень высокая скорость нагрева/охлаждения и перепады давления. Поскольку динамика схлопывания пузырьков происходит быстрее, чем массо- и теплопередача, энергия в разрушающейся полости ограничена очень маленькой зоной, также называемой «горячей точкой». Схлопывание кавитационного пузырька также приводит к образованию микротурбулентностей, струй жидкости со скоростью до 280 м/с и возникающих в результате сдвиговых сил. Это явление известно как ультразвуковая или акустическая кавитация.
Капли и частицы в жидкости, обработанной ультразвуком, сталкиваются с этими кавитационными силами, и когда ускоренные частицы сталкиваются друг с другом, они разбиваются при столкновении между частицами. Акустическая кавитация является рабочим принципом ультразвукового измельчения, диспергирования, эмульгирования и сонохимии.
При деацетилировании хитина ультразвук высокой интенсивности увеличивается на площади поверхности, активируя поверхность и способствуя массообмену между частицами и реагентом.
Хитозан
Хитозан представляет собой модифицированный, катионный, нетоксичный углеводный полимер со сложной химической структурой, образованной β-(1,4) глюкозаминовыми звеньями в качестве основного компонента (>80%) и N-ацетилглюкозаминовые единицы (<20%), случайным образом распределяются по цепочке. Хитозан получают из хитина путем химического или ферментативного деацетилирования. Степень деацетилирования (DA) определяет содержание свободных аминогрупп в структуре и используется для различения хитина и хитозана. Хитозан показывает хорошую растворимость в умеренных растворителях, таких как разбавленная уксусная кислота, и предлагает несколько свободных аминных групп в качестве активных центров. Это делает хитозан более выгодным перед хитином во многих химических реакциях.
Хитозан ценится за его отличную биосовместимость и биоразлагаемость, нетоксичность, хорошую антимикробную активность (против бактерий и грибков), кислородонепроницаемость и пленкообразующие свойства. В отличие от хитина, хитозан имеет преимущество в том, что он растворим в воде и, следовательно, проще в обращении и использовании в составах.
Будучи вторым по распространенности полисахаридом после целлюлозы, огромное обилие хитина делает его дешевым и устойчивым сырьем.
Производство Хитозан
Хитозан производится в два этапа. На первом этапе сырье, такое как панцири ракообразных (т.е. креветки, крабы, омары), депротеинизируется, деминерализуется и очищается для получения хитина. На втором этапе хитин обрабатывают сильным основанием (например, NaOH) для удаления ацетильных боковых цепей с целью получения хитозана. Известно, что процесс производства обычного хитозана очень трудоемкий и затратный.
хитин
Хитин (С8H13O5N)N представляет собой прямоцепочечный полимер β-1,4-N-ацетилглюкозамина и классифицируется на α-, β- и γ-хитин. Будучи производным глюкозы, хитин является основным компонентом экзоскелетов членистоногих, таких как ракообразные и насекомые, радул моллюсков, клювов головоногих моллюсков, чешуи рыб и лиссамфибий, а также может быть обнаружен в клеточных стенках грибов. Структура хитина сравнима с целлюлозой, образуя кристаллические нанофибриллы или усы. Целлюлоза является самым распространенным полисахаридом в мире, за ним следует хитин в качестве второго по распространенности полисахарида.
Глюкозамин
Глюкозамин (С6H13НЕТ5) — аминосахар и важный предшественник в биохимическом синтезе гликозилированных белков и липидов. Глюкозамин по своей природе является распространенным соединением, которое входит в структуру полисахаридов, хитозана и хитина, что делает глюкозамин одним из самых распространенных моносахаридов. Большая часть коммерчески доступного глюкозамина производится путем гидролиза экзоскелетов ракообразных, т.е. панцирей крабов и омаров.
Глюкозамин в основном используется в качестве биологически активной добавки, где он используется в формах глюкозамина сульфата, глюкозамина гидрохлорида или N-ацетилглюкозамина. Добавки глюкозамина сульфата назначаются перорально для лечения болезненного состояния, вызванного воспалением, разрушением и возможной потерей хряща (остеоартрит).