Ultrazvuková deacetylácia chitínu na chitosan
Ultrazvuková výroba chitosanu
Chitosan sa získava N-deacetyláciou chitínu. Pri konvenčnej deacetylácii je chitín namočený vo vodných alkalických rozpúšťadlách (zvyčajne 40 až 50 % (w/w) NaOH). Proces namáčania vyžaduje vysoké teploty 100 až 120 ° C je veľmi časovo náročný, zatiaľ čo výťažok chitosanu získaný v kroku namáčania je nízky. Aplikácia vysokovýkonných ultrazvukov výrazne zintenzívňuje proces deacetylácie chitínu a vedie k vysokému výťažku nízkomolekulárneho chitosanu pri rýchlom spracovaní pri nižšej teplote. Výsledkom ultrazvukovej deacetylácie je chitosan najvyššej kvality, ktorý sa používa ako potravinárska a farmaceutická zložka, ako hnojivo a v mnohých ďalších priemyselných aplikáciách.
Ultrazvukové ošetrenie má za následok výnimočný stupeň acetylácie (DA) chitínu, ktorý znižuje stupeň acetylácie chitínu z DA≥90 na chitosan s DA≤10.
Mnoho výskumných štúdií potvrdzuje účinnosť ultrazvukovej deacetylácie chitínu na chitosan. Weiss, J. a kol. (2008) zistili, že sonikacia drasticky zlepšuje premenu chitínu na chitosan. Ultrazvukové ošetrenie chitínu prináša výraznú úsporu času, čím sa skráti požadovaný čas procesu z 12-24 hodín na niekoľko hodín. Okrem toho je na dosiahnutie úplnej konverzie potrebných menej rozpúšťadiel, čo znižuje vplyv na životné prostredie v dôsledku nutnosti likvidácie použitého alebo nezreagovaného rozpúšťadla, t. j. koncentrovaného NaOH.
Deacetylácia chitínu na chitosan je podporovaná sonikáciou
UIP4000hdT – Ultrazvukový systém s výkonom 4 kW
Princíp činnosti ultrazvukového chitosanu
Vysokovýkonná, nízkofrekvenčná ultrazvuková signalizácia (∼20-26 kHz) vytvára akustickú kavitáciu v kvapalinách a kaloch. Vysokovýkonný ultrazvuk podporuje premenu chitínu na chitosan, keď sa rozpúšťadlo (napr. NaOH) fragmentuje a preniká do pevných častíc chitínu, čím sa zväčšuje povrch a zlepšuje prenos hmoty medzi pevnou a kvapalnou fázou. Okrem toho vysoké šmykové sily ultrazvukovej kavitácie vytvárajú voľné radikály, ktoré zvyšujú reaktivitu činidla (t. j. NaOH) počas hydrolýzy. Ako technika netepelného spracovania sonikácia zabraňuje tepelnej degradácii a vytvára vysokokvalitný chitosan. Ultrazvuk skracuje časy spracovania potrebné na extrakciu chitínu z kôrovcov, ako aj na získanie chitínu (a tým aj chitosanu) vyššej čistoty v porovnaní s tradičnými podmienkami spracovania. Pri výrobe chitínu a chitosanu tak majú ultrazvuky potenciál znížiť výrobné náklady, skrátiť čas spracovania, umožniť lepšiu kontrolu výrobného procesu a znížiť vplyv procesného odpadu na životné prostredie.
- Vyšší výnos chitosanu
- Vynikajúca kvalita
- Skrátený čas
- Nižšia teplota procesu
- Zvýšená efektivita
- Ľahký & bezpečná prevádzka
- šetrné k životnému prostrediu
Ultrazvuková chitínová detylácia na chitosan – protokol
1) Pripravte chitín:
Pri použití krabích škrupín ako východiskového materiálu by sa krabie škrupiny mali dôkladne umyť, aby sa odstránili všetky rozpustné organické látky a priľnavé nečistoty vrátane pôdy a bielkovín. Potom musí byť materiál škrupiny úplne vysušený (napr. pri 60 ° C po dobu 24 hodín v rúre). Vysušené škrupiny sa potom pomelú (napr. pomocou kladivového mlyna), deproteinizujú v alkalickom prostredí (napr. NaOH pri konc. 0,125 až 5,0 M) a demineralizujú v kyseline (napr. zriedená kyselina chlorovodíková).
2) Ultrazvuková deacetylácia
Na spustenie typickej ultrazvukovej deacetylačnej reakcie sa častice beta-chitínu (0,125 mm < D < 0250 mm) sa suspendujú v 40 % (m/w) vodnom NaOH v pomere beta-chitín/NaOH vodný roztok 1/10 (g ml-1), suspenzia sa prenesie do dvojstennej sklenenej kadičky a sonikuje sa pomocou Hielscheru UP400St ultrazvukový homogenizátor. Nasledujúce parametre (porovnaj Fiamingo et al. 2016) sa udržiavajú konštantné pri vykonávaní ultrazvukovej reakcie deacetylácie chitínu: (i) ultrazvuková sonda (sonotrode Hielscher S24d22D, priemer hrotu = 22 mm); (ii) režim sonikácie (IP = 0,5 s); iii) intenzita ultrazvukového povrchu
(I = 52,6 W cm-2), iv) reakčná teplota (60 °C ±1 °C), v) reakčný čas (50 min), vi) pomer hmotnosti a objemu beta-chitínu 40 % (w/w) vodného hydroxidu sodného (BCHt/NaOH = 1/10 g ml-1); vii) objem suspenzie beta-chitínu (50 ml).
Prvá reakcia prebieha 50 minút pri konštantnom magnetickom miešaní a potom sa preruší rýchlym ochladením suspenzie na 0 ° C. Potom sa pridá zriedená kyselina chlorovodíková, aby sa dosiahlo pH 8,5 a vzorka CHs1 sa izoluje filtráciou, dôkladne sa premyje deionizovanou vodou a suší sa v okolitých podmienkach. Keď sa rovnaká ultrazvuková deacetylácia opakuje ako druhý krok k CHs1, vytvorí sa vzorka CHs2.
Snímky skenovacej elektrónovej mikroskopie (SEM) vo zväčšení 100× a) gladius, b) ultrazvukom ošetrený gladius, c) β-chitín, d) ultrazvukom ošetrený β-chitín a e) chitosan (zdroj: Preto et al. 2017)
Fiamingo a kol. zistili, že ultrazvuková deacetylácia beta-chitínu účinne produkuje chitosan s vysokou molekulovou hmotnosťou s nízkym stupňom acetylácie bez použitia prísad ani inertnej atmosféry ani dlhých reakčných časov. Aj keď sa ultrazvuková deacetylačná reakcia uskutočňuje za miernejších podmienok – t. j. nízka reakčná teplota v porovnaní s väčšinou termochemických deacetylácií. Ultrazvuková deacetylácia beta-chitínu umožňuje prípravu náhodne deacetylovaného chitosanu s premenlivým stupňom acetylácie (4% ≤ DA ≤ 37%), vysokou hmotnosťou priemernej molekulovej hmotnosti (900 000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1 200 000 g mol-1 ) a nízka disperzita (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4) vykonaním troch po sebe nasledujúcich reakcií (50 min/krok) pri 60 °C.
Vysokovýkonné ultrazvukové procesory od laboratórneho až po pilotné a priemyselné meradlo.
Vysokovýkonné ultrazvukové systémy na výrobu chitosanu
Fragmentácia chitínu a detylácia chitínu na chitozán si vyžaduje výkonné a spoľahlivé ultrazvukové zariadenie, ktoré dokáže poskytnúť vysoké amplitúdy, ponúka presnú kontrolovateľnosť parametrov procesu a môže byť prevádzkované 24 hodín denne, 7 dní v týždni pri veľkom zaťažení a v náročných prostrediach. Sortiment produktov Hielscher Ultrasonics pokryje vás a vaše procesné požiadavky. Ultrazvukové prístroje Hielscher sú vysokovýkonné systémy, ktoré môžu byť vybavené príslušenstvom, ako sú sonotrody, zosilňovače, reaktory alebo prietokové články, aby optimálne vyhovovali potrebám vášho procesu.
S digitálnym farebným displejom, možnosťou prednastavenia ultrazvukových behov, automatickým zaznamenávaním údajov na integrovanú SD kartu, diaľkovým ovládaním prehliadača a mnohými ďalšími funkciami je zabezpečená najvyššia kontrola procesu a užívateľská prívetivosť. V spojení s robustnosťou a veľkou nosnosťou sú ultrazvukové systémy Hielscher vaším spoľahlivým ťažným koňom vo výrobe.
Fragmentácia a deacetylácia chitínu si vyžaduje výkonný ultrazvuk na získanie cielenej konverzie a konečného produktu chitosanu vysokej kvality. Najmä pri fragmentácii chitínových vločiek sú rozhodujúce vysoké amplitúdy a zvýšené tlaky. Hielscher Ultrasonics’ Priemyselné ultrazvukové procesory ľahko poskytujú veľmi vysoké amplitúdy. Amplitúdy až 200 μm je možné nepretržite prevádzkovať v prevádzke 24 hodín denne, 7 dní v týždni. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii prispôsobené ultrazvukové sonotródy. Výkonová kapacita ultrazvukových systémov Hielscher umožňuje efektívnu a rýchlu deacetyláciu v bezpečnom a užívateľsky prívetivom procese.
Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov:
| Objem dávky | Prietok | Odporúčané zariadenia |
|---|---|---|
| 1 až 500 ml | 10 až 200 ml/min | UP100H |
| 10 až 2000 ml | 20 až 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 až 20 l | 00,2 až 4 l/min | UIP2000hdT |
| 10 až 100 l | 2 až 10 l/min | UIP4000hdT |
| N.A. | 10 až 100 l/min | UIP16000 |
| N.A. | väčší | Zhluk UIP16000 |
Kontaktujte nás! / Opýtajte sa nás!
Literatúra/Referencie
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu MA, Darie-Nita RN, Bargan A., Vasile C. (2019): Bionanokompozitné filmy na báze chitosanu pripravené emulznou technikou na konzerváciu potravín. Materiály 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Extenzívne deacetylovaný vysokomolekulový chitosan z viacstupňovej ultrazvukovej deacetylácie beta-chitínu. Ultrazvuková sonochémia 32, 2016. 79–85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Sonochemicky asistovaná konverzia chitínu na chitosan, stretnutie hlavných výskumníkov USDA National Research Initiative, New Orleans, LA, 28. júna.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Živanovic, S., Weiss, J. (2008): Vplyv teploty počas deacetylácie chitínu na chitosan s vysoko intenzívnym ultrazvukom ako predbežnou úpravou, Výročné stretnutie Inštitútu potravinárskych technológov, New Orleans, LA, 30. júna, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Živanovic, S., Weiss, J. (2008): Vplyv ultrazvuku s vysokou intenzitou na urýchlenie premeny chitínu na chitosan, Výročné stretnutie Inštitútu potravinárskych technológov, New Orleans, LA, 30. júna, 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 a jeho deriváty ako potenciálne biosorbenty pre lodnú naftu. Environmentálna veda a výskum znečistenia (2017) 24:22932–22939.
- Wijesena R.N., Tissera N., Kannangara Y.Y., Lin Y., Amaratunga G.A.J., de Silva K.M.N. (2015): Metóda prípravy nanočastíc chitozánu a nanovlákien zhora nadol. Sacharidové polyméry 117, 2015. 731–738.
- Wu, T., Živanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Efektívne zníženie molekulovej hmotnosti chitosanu ultrazvukom s vysokou intenzitou: Základný mechanizmus a účinok parametrov spracovania. Časopis poľnohospodárskej a potravinárskej chémie 56(13):5112-5119.
- Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Odpad z morských plodov: zdroj na prípravu komerčne využiteľných materiálov chitínu/chitosanu. Biozdroje a biologické spracovanie 6/8, 2019.
Fakty, ktoré stoja za to vedieť
Ako funguje ultrazvuková deaktylácia chitínu?
Keď je vysokovýkonný, nízkofrekvenčný ultrazvuk (napr. 20-26 kHz) spojený s kvapalinou alebo suspenziou, na kvapalinu sa aplikujú striedavé vysokotlakové / nízkotlakové cykly, ktoré vytvárajú stlačenie a zriedenie. Počas týchto striedavých vysokotlakových / nízkotlakových cyklov sa vytvárajú malé vákuové bubliny, ktoré rastú počas niekoľkých tlakových cyklov. V okamihu, keď vákuové bubliny nedokážu absorbovať viac energie, prudko sa zrútia. Počas tejto implózie bublín sa vyskytujú lokálne veľmi intenzívne podmienky: vysoké teploty až 5000 K, tlaky až 2000 atm, veľmi vysoké rýchlosti ohrevu/chladenia a tlakové rozdiely. Pretože dynamika kolapsu bublín je rýchlejšia ako prenos hmoty a tepla, energia v kolabujúcej dutine je obmedzená na veľmi malú zónu, nazývanú aj "horúca škvrna". Implózia kavitačnej bubliny má za následok aj mikroturbulencie, kvapalné prúdy s rýchlosťou až 280 m/s a výsledné šmykové sily. Tento jav je známy ako ultrazvuková alebo akustická kavitácia.
Kvapôčky a častice v sonikovanej kvapaline sú ovplyvnené týmito kavitačnými silami a keď sa zrýchlené častice navzájom zrazia, rozbijú sa zrážkou medzi časticami. Akustická kavitácia je pracovný princíp ultrazvukového frézovania, dispergácie, emulgácie a sonochémie.
Pri deacetylácii chitínu sa ultrazvuk s vysokou intenzitou zvyšuje na povrchu aktiváciou povrchu a podporou prenosu hmoty medzi časticami a činidlom.
Chitosan
Chitosan je modifikovaný, katiónový, netoxický sacharidový polymér s komplexnou chemickou štruktúrou tvorenou β-(1,4) glukozamínovými jednotkami ako jeho hlavnou zložkou (>80 %) a N-acetylglukozamínové jednotky (<20 %), náhodne rozmiestnené pozdĺž reťazca. Chitosan sa získava z chitínu chemickou alebo enzymatickou deacetyláciou. Stupeň deacetylácie (DA) určuje obsah voľných aminoskupín v štruktúre a používa sa na rozlíšenie medzi chitínom a chitosanom. Chitosan vykazuje dobrú rozpustnosť v miernych rozpúšťadlách, ako je zriedená kyselina octová, a ponúka niekoľko voľných amínových skupín ako aktívne miesta. Vďaka tomu je chitosan výhodný oproti chitínu v mnohých chemických reakciách.
Chitosan je cenený pre svoju vynikajúcu biokompatibilitu a biologickú odbúrateľnosť, netoxicitu, dobrú antimikrobiálnu aktivitu (proti baktériám a plesniam), nepriepustnosť kyslíka a filmotvorné vlastnosti. Na rozdiel od chitínu má chitosan výhodu v tom, že je rozpustný vo vode, a preto sa s ním ľahšie manipuluje a používa sa vo formuláciách.
Ako druhý najrozšírenejší polysacharid po celulóze z neho obrovské množstvo chitínu robí lacnú a udržateľnú surovinu.
Výroba chitosanu
Chitosan sa vyrába v dvoch krokoch. V prvom kroku sa surovina, ako sú škrupiny kôrovcov (tj krevety, kraby, homáre), deproteinizuje, demineralizuje a čistí, aby sa získal chitín. V druhom kroku sa chitín ošetrí silnou bázou (napr. NaOH), aby sa odstránili acetylové bočné reťazce, aby sa získal chitosan. Je známe, že proces konvenčnej výroby chitosanu je veľmi časovo náročný a nákladovo náročný.
chitín
Chitín (C8H13O5N)N je polymér s priamym reťazcom β-1,4-N-acetylglukozamínu a je rozdelený na α-, β- a γ-chitín. Chitín, ktorý je derivátom glukózy, je hlavnou zložkou exoskeletov článkonožcov, ako sú kôrovce a hmyz, raduly mäkkýšov, zobáky hlavonožcov a šupiny rýb a lissamfikov a možno ho nájsť aj v bunkových stenách húb. Štruktúra chitínu je porovnateľná s celulózou, tvorí kryštalické nanofibrily alebo fúzy. Celulóza je najrozšírenejším polysacharidom na svete, za ktorou nasleduje chitín ako druhý najrozšírenejší polysacharid.
Glukosamín
Glukozamín (C6H13NIE5) je aminocukor a dôležitý prekurzor v biochemickej syntéze glykozylovaných proteínov a lipidov. Glukozamín je prirodzene hojná zlúčenina, ktorá je súčasťou štruktúry polysacharidov, chitosanu a chitínu, vďaka čomu je glukozamín jedným z najrozšírenejších monosacharidov. Väčšina komerčne dostupného glukozamínu sa vyrába hydrolýzou exoskeletov kôrovcov, t. j. škrupín krabov a homárov.
Glukozamín sa používa hlavne ako doplnok stravy, kde sa používa vo forme glukozamín sulfátu, glukozamín hydrochloridu alebo N-acetylglukozamínu. Doplnky glukozamín sulfátu sa podávajú perorálne na liečbu bolestivého stavu spôsobeného zápalom, rozpadom a prípadnou stratou chrupavky (osteoartritída).