Ultrazvočna deacetilacija hitina v hitozan
Ultrazvočna proizvodnja hitozana
Hitozan dobimo z N-deacetilacijo hitina. Pri običajni deacetilaciji je hitin namočen v vodnih alkalnih topilih (običajno 40 do 50% (m/m) NaOH). Postopek namakanja zahteva visoke temperature od 100 do 120 ° C je zelo dolgotrajen, medtem ko je donos hitosana, pridobljen na korak namakanja, nizek. Uporaba ultrazvokov visoke moči znatno okrepi proces deacetilacije hitina in povzroči visok donos hitozana z nizko molekulsko maso pri hitri obdelavi pri nižji temperaturi. Ultrazvočna deacetilacija ima za posledico vrhunski hitozan, ki se uporablja kot živilska in farmacevtska sestavina, kot gnojilo in v mnogih drugih industrijskih aplikacijah.
Ultrazvočno zdravljenje ima za posledico izjemno stopnjo acetilacije (DA) hitina, ki znižuje stopnjo acetilacije hitina iz DA≥90 v hitozan z DA≤10.
Številne raziskovalne študije potrjujejo učinkovitost ultrazvočne deacetilacije hitina v hitozan. Weiss, J. et al. (2008) so ugotovili, da ultrazvočno razbijanje drastično izboljša pretvorbo hitina v hitozan. Ultrazvočna obdelava hitina prinaša znatne prihranke časa, kar zmanjšuje potreben čas postopka z 12-24 ur na nekaj ur. Poleg tega je za popolno pretvorbo potrebno manj topila, kar zmanjšuje vpliv na okolje, če je treba zavreči in odstraniti izrabljeno ali nereagirano topilo, tj. koncentrirano NaOH.

UIP4000hdT – Ultrazvočni sistem moči 4kW
Načelo delovanja ultrazvočnega zdravljenja s hitozanom
Visokozmogljiva, nizkofrekvenčna ultrazvočna obdelava (∼20-26kHz) ustvarja akustično kavitacijo v tekočinah in gnojevkah. Ultrazvok visoke moči spodbuja pretvorbo hitina v hitozan, ko se topilo (npr. NaOH) razdrobi in prodre v trdne delce hitina, s čimer poveča površino in izboljša prenos mase med trdno in tekočo fazo. Poleg tega visoke strižne sile ultrazvočne kavitacije ustvarjajo proste radikale, ki povečajo reaktivnost reagenta (tj. NaOH) med hidrolizo. Kot tehnika netoplotne obdelave ultrazvočna obdelava preprečuje toplotno razgradnjo, ki proizvaja visokokakovosten hitozan. Ultrazvočni skrajšajo čas obdelave, ki je potreben za ekstrakcijo hitina iz rakov, kot tudi za pridobivanje hitina (in s tem kasneje hitozana) višje čistosti v primerjavi s tradicionalnimi pogoji predelave. Za proizvodnjo hitina in hitozana ima ultrazvok tako potencial za znižanje proizvodnih stroškov, skrajšanje časa obdelave, boljši nadzor nad proizvodnim procesom in zmanjšanje vpliva procesnih odpadkov na okolje.
- Višji donos hitozana
- Vrhunska kakovost
- Skrajšani čas
- Nižja temperatura procesa
- Povečana učinkovitost
- Lahek & varno delovanje
- okolju prijazen
Ultrazvočna hitinska detilacija v hitozan – protokol
1) Pripravite hitin:
Z uporabo lupin rakovic kot izvornega materiala je treba lupine rakovic temeljito oprati, da se odstranijo vse topne organske snovi in nečistoče, vključno z zemljo in beljakovinami. Nato je treba material lupine popolnoma posušiti (npr. pri 60 °C 24 ur v pečici). Posušene lupine se nato zmeljejo (npr. S kladivnim mlinom), deproteinizirajo v alkalnem mediju (npr. NaOH pri koncentraciji 0,125 do 5,0 M) in demineralizirajo v kislini (npr. razredčena klorovodikova kislina).
2) Ultrazvočna deacetilacija
Za izvedbo tipične ultrazvočne deacetilacijske reakcije se beta-hitinski delci (0,125 mm < D < 0250 mm) suspendiramo v 40 % (m/m) vodni raztopini NaOH v razmerju beta-hitin/vodna raztopina NaOH 1/10 (g ml-1), se suspenzija prenese v dvostensko stekleno čašo in se ultrazvočno razbije z uporabo Hielscherja UP400St ultrazvočni homogenizator. Naslednji parametri (prim. Fiamingo et al. 2016) so konstantni pri izvajanju ultrazvočne reakcije deacetilacije hitina: (i) ultrazvočna sonda (sonotrode Hielscher S24d22D, premer konice = 22 mm); (ii) način ultrazvočnega impulza (IP = 0,5 sekunde); (iii) ultrazvočna površinska intenzivnost
(I = 52,6 W cm-2), (iv) reakcijska temperatura (60 °C ±1 °C), (v) reakcijski čas (50 min), (vi) razmerje med maso in prostornino beta-hitina 40 % (m/m) vodnega natrijevega hidroksida (BCHt/NaOH = 1/10 g ml-1); (vii) volumen suspenzije beta-hitina (50 ml).
Prva reakcija poteka 50 minut pod stalnim magnetnim mešanjem, nato pa se prekine s hitrim hlajenjem suspenzije na 0 °C. Nato dodamo razredčeno klorovodikovo kislino, da se doseže pH 8,5, vzorec CHs1 pa izoliramo s filtracijo, obširno speremo z deionizirano vodo in posušimo v okoljskih pogojih. Ko se ista ultrazvočna deacetilacija ponovi kot drugi korak CHs1, nastane vzorec CHs2.

Slike vrstične elektronske mikroskopije (SEM) v povečavi 100× a) gladiusa, b) ultrazvočno obdelanega gladija, c) β-hitina, d) ultrazvočno obdelanega β-hitina in e) hitozana (vir: Preto et al. 2017)
Ugotovili so, da ultrazvočna deacetilacija beta-hitina učinkovito proizvaja hitozan z visoko molekulsko maso z nizko stopnjo acetilacije, ne z uporabo dodatkov niti inertne atmosfere niti dolgih reakcijskih časov. Čeprav se ultrazvočna reakcija deacetilacije izvaja v blažjih pogojih – tj. nizka reakcijska temperatura v primerjavi z večino termokemičnih deacetilacij. Ultrazvočna deacetilacija beta-hitina omogoča pripravo naključno deacetiliranega hitosana, ki ima spremenljivo stopnjo acetilacije (4% ≤ DA ≤ 37%), visoko telesno maso povprečne molekulske mase (900.000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1.200.000 g mol-1 ) in nizko disperznost (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4) z izvedbo treh zaporednih reakcij (50 min/korak) pri 60 °C.
Visoko zmogljivi ultrazvočni sistemi za proizvodnjo hitozana
Razdrobljenost hitina in detilacija hitina v hitozan zahteva zmogljivo in zanesljivo ultrazvočno opremo, ki lahko zagotovi visoke amplitude, ponuja natančno nadzor nad procesnimi parametri in se lahko upravlja 24 ur na dan, 7 dni v tednu pod veliko obremenitvijo in v zahtevnih okoljih. Paleta izdelkov Hielscher Ultrasonics pokriva vas in vaše procesne zahteve. Hielscher ultrazvočni aparati so visoko zmogljivi sistemi, ki jih je mogoče opremiti z dodatki, kot so sonotrodi, ojačevalniki, reaktorji ali pretočne celice, da optimalno ustrezajo vašim procesnim potrebam.
Z digitalnim barvnim zaslonom, možnostjo prednastavljenih ultrazvočnih zagonov, samodejnim snemanjem podatkov na vgrajeno kartico SD, daljinskim upravljanjem brskalnika in številnimi drugimi funkcijami, najvišjim nadzorom procesa in prijaznostjo do uporabnika je zagotovljena. V kombinaciji z robustnostjo in veliko nosilnostjo so Hielscher ultrazvočni sistemi vaš zanesljiv delovni konj v proizvodnji.
Fragmentacija hitina in deacetilacija zahtevata močan ultrazvok, da se doseže ciljna pretvorba in končni produkt hitozana visoke kakovosti. Zlasti za razdrobljenost hitinskih kosmičev so ključne visoke amplitude in povišani tlaki. Hielscher Ultrasonics’ Industrijski ultrazvočni procesorji zlahka zagotavljajo zelo visoke amplitude. Amplitude do 200 μm se lahko neprekinjeno izvajajo v 24/7 delovanju. Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode. Močna zmogljivost Hielscher ultrazvočnih sistemov omogoča učinkovito in hitro deacetilacijo v varnem in uporabniku prijaznem procesu.
Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov:
Obseg serije | Pretok | Priporočene naprave |
---|---|---|
1 do 500 ml | 10 do 200 ml / min | UP100H |
10 do 2000 ml | 20 do 400 ml / min | UP200Ht, UP400St |
0.1 do 20L | 00,2 do 4 l/min | UIP2000hdT |
10 do 100L | 2 do 10 l/min | UIP4000hdT |
n.a. | 10 do 100 l/min | UIP16000 |
n.a. | Večji | Grozd UIP16000 |
Kontaktirajte nas! / Vprašajte nas!
Literatura/Reference
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu MA, Darie-Nita RN, Bargan A., Vasile C. (2019): Bionanokompozitni filmi na osnovi hitozana, pripravljeni z emulzično tehniko za konzerviranje hrane. Materiali 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Obsežno deacetiliran hitozan z visoko molekulsko maso iz večstopenjske ultrazvočne deacetilacije beta-hitina. Ultrazvočna sonokemija 32, 2016. 79–85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Živanovic, S., Weiss, J. (2008): Sonokemično podprta pretvorba hitina v hitozan, srečanje glavnih raziskovalcev USDA National Research Initiative, New Orleans, LA, 28. junij.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Živanovic, S., Weiss, J. (2008): Vpliv temperature med deacetilacijo hitina v hitozan z visoko intenzivnim ultrazvokom kot predobdelavo, letno srečanje Inštituta za živilske tehnologe, New Orleans, LA, 30. junij, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Živanovic, S., Weiss, J. (2008): Vpliv ultrazvoka visoke intenzivnosti na pospešitev pretvorbe hitina v hitozan, Letno srečanje Inštituta za živilske tehnologe, New Orleans, LA, 30. junij, 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 in njegovi derivati kot potencialni biosorbenti za dizelsko olje za plovila. Okoljska znanost in raziskave onesnaževanja (2017) 24: 22932–22939.
- Wijesena R.N., Tissera N., Kannangara Y.Y., Lin Y., Amaratunga G.A.J., de Silva K.M.N. (2015): Metoda za pripravo nanodelcev hitozana in nanovlaken od zgoraj navzdol. Polimeri ogljikovih hidratov 117, 2015. 731–738.
- Wu, T., Živanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Učinkovito zmanjšanje molekulske mase hitozana z ultrazvokom visoke intenzivnosti: osnovni mehanizem in učinek parametrov obdelave. Revija za kmetijsko in živilsko kemijo 56(13):5112-5119.
- Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Odpadki morskih sadežev: vir za pripravo komercialno uporabnih materialov hitina/hitosana. Biološki viri in bioprocesiranje 6/8, 2019.
Dejstva, ki jih je vredno vedeti
Kako deluje ultrazvočna hitinska deaktilacija?
Ko se visokozmogljiv, nizkofrekvenčni ultrazvok (npr. 20-26 kHz) poveže v tekočino ali gnojevko, se na tekočino uporabijo izmenični visokotlačni / nizkotlačni cikli, ki ustvarjajo stiskanje in redčenje. Med temi izmeničnimi visokotlačnimi / nizkotlačnimi cikli nastajajo majhni vakuumski mehurčki, ki rastejo v več tlačnih ciklih. V trenutku, ko vakuumski mehurčki ne morejo absorbirati več energije, se silovito zrušijo. Med to implozijo mehurčkov se pojavijo lokalno zelo intenzivni pogoji: visoke temperature do 5000 K, tlaki do 2000 atm, zelo visoke hitrosti ogrevanja / hlajenja in razlike v tlaku. Ker je dinamika kolapsa mehurčkov hitrejša od prenosa mase in toplote, je energija v propadajoči votlini omejena na zelo majhno območje, imenovano tudi "vroča točka". Implozija kavitacijskega mehurčka povzroči tudi mikroturbulence, tekoče curke s hitrostjo do 280 m / s in posledične strižne sile. Ta pojav je znan kot ultrazvočna ali akustična kavitacija.
Kapljice in delci v ultrazvočni tekočini so prizadeti s temi kavitacijskimi silami in ko pospešeni delci trčijo drug z drugim, se razbijejo zaradi trka med delci. Akustična kavitacija je princip delovanja ultrazvočnega rezkanja, disperzije, emulgiranja in sonokemije.
Za hitinsko deacetilacijo se ultrazvok visoke intenzivnosti poveča na površini z aktiviranjem površine in spodbujanjem prenosa mase med delci in reagentom.
hitozan
Hitozan je modificiran, kationski, nestrupeni ogljikovi hidratni polimer s kompleksno kemijsko strukturo, ki jo sestavljajo β-(1,4) glukozaminske enote kot glavna sestavina (>80 %) in N-acetil glukozaminske enote (<20%), naključno porazdeljeno vzdolž verige. Hitozan izhaja iz hitina s kemično ali encimsko deacetilacijo. Stopnja deacetilacije (DA) določa vsebnost prostih amino skupin v strukturi in se uporablja za razlikovanje med hitinom in hitozanom. Hitozan kaže dobro topnost v zmernih topilih, kot je razredčena ocetna kislina, in ponuja več prostih aminskih skupin kot aktivna mesta. Zaradi tega je hitozan v številnih kemijskih reakcijah ugoden pred hitinom.
Hitozan je cenjen zaradi odlične biokompatibilnosti in biorazgradljivosti, netoksičnosti, dobre protimikrobne aktivnosti (proti bakterijam in glivam), neprepustnosti kisika in lastnosti tvorbe filma. V nasprotju s hitinom ima hitozan prednost, da je topen v vodi in s tem lažji za rokovanje in uporabo v formulacijah.
Kot drugi najpogostejši polisaharid po celulozi je zaradi velikega števila hitina poceni in trajnostna surovina.
Proizvodnja hitozana
Hitozan se proizvaja v dveh korakih. V prvem koraku se surovina, kot so lupine rakov (tj. Kozice, rakovice, jastogi), deproteinizira, demineralizira in očisti, da se dobi hitin. V drugem koraku hitin obdelamo z močno bazo (npr. NaOH), da se odstranijo acetilne stranske verige, da se dobi hitozan. Znano je, da je postopek konvencionalne proizvodnje hitozana zelo dolgotrajen in stroškovno intenziven.
hitin
Hitin (C8H13O5N)N je ravno verižni polimer β-1,4-N-acetilglukozamina in je razvrščen v α-, β- in γ-hitin. Kot derivat glukoze je hitin glavna sestavina eksoskeletov členonožcev, kot so raki in žuželke, radule mehkužcev, kljuni glavonožcev in luske rib in lissamphibian, najdemo pa ga tudi v celičnih stenah gliv. Struktura hitina je primerljiva s celulozo, ki tvori kristalne nanofibrile ali brke. Celuloza je najpogostejši polisaharid na svetu, sledi ji hitin kot drugi najbolj razširjeni polisaharid.
Glukozamin
Glukozamin (C6H13NE5) je amino sladkor in pomemben predhodnik v biokemični sintezi glikoziliranih beljakovin in lipidov. Glukozamin je naravno bogata spojina, ki je del strukture polisaharidov, hitozana in hitina, zaradi česar je glukozamin eden najbolj razširjenih monosaharidov. Večina komercialno dostopnega glukozamina se proizvaja s hidrolizo eksoskeletov rakov, tj. lupin rakovic in jastoga.
Glukozamin se uporablja predvsem kot prehransko dopolnilo, kjer se uporablja v obliki glukozamin sulfata, glukozamin hidroklorida ali N-acetil glukozamina. Dodatki glukozamin sulfata se dajejo peroralno za zdravljenje bolečega stanja, ki ga povzroča vnetje, razgradnja in morebitna izguba hrustanca (osteoartritis).