Deacetilimi me ultratinguj i kitinës në kitozan
Prodhimi i kitozanit me ultratinguj
Kitozani përftohet nga N-deacetilimi i kitinës. Në deacetilimin konvencional, kitina njomet në tretës ujorë alkalinë (zakonisht 40 deri në 50% (w/w) NaOH). Procesi i njomjes kërkon temperatura të larta prej 100 deri në 120ºC dhe shumë kohë, ndërsa rendimenti i kitozanit të përftuar në çdo hap njomjeje është i ulët. Përdorimi i ultratingujve me fuqi të lartë e intensifikon ndjeshëm procesin e deacetilimit të kitinës dhe jep një rendiment të lartë të kitozanit me masë molekulare të ulët përmes një trajtimi të shpejtë në temperaturë më të ulët. Deacetilimi me ultratinguj jep kitozan me cilësi superiore, i cili përdoret si përbërës ushqimor dhe farmaceutik, si pleh dhe në shumë zbatime të tjera industriale.
Trajtimi me ultratinguj jep një shkallë të jashtëzakonshme acetilimi (DA) të kitinës, duke e ulur shkallën e acetilimit nga kitina me DA≥90 në kitozan me DA≤10.
Shumë studime kërkimore konfirmojnë efektivitetin e deacetilimit me ultratinguj të kitinës në kitozan. Weiss J. et al. (2008) zbuluan se sonikimi e përmirëson në mënyrë drastike shndërrimin e kitinës në kitozan. Trajtimi i kitinës me ultratinguj sjell kursime të konsiderueshme kohe, duke e zvogëluar kohën e nevojshme të procesit nga 12–24 orë në disa orë. Për më tepër, nevojitet më pak tretës për të arritur një shndërrim të plotë, gjë që ul ndikimin mjedisor të largimit dhe asgjësimit të tretësit të përdorur ose të pareaguar, pra të NaOH të përqendruar.
Deacetilimi i kitinës në kitozan nxitet nga sonikimi
UIP4000hdT – sistem me ultratinguj me fuqi 4kW
Parimi i funksionimit të trajtimit të kitozanit me ultratinguj
Sonikimi me fuqi të lartë dhe frekuencë të ulët (∼20–26kHz) krijon kavitacion akustik në lëngje dhe suspensione. Ultratingujt me fuqi të lartë nxisin shndërrimin e kitinës në kitozan, pasi tretësi (p.sh., NaOH) fragmenton grimcat e ngurta të kitinës dhe depërton në to, duke rritur kështu sipërfaqen dhe duke përmirësuar transferimin e masës ndërmjet fazës së ngurtë dhe asaj të lëngët. Për më tepër, forcat e larta të prerjes të shkaktuara nga kavitacioni me ultratinguj krijojnë radikale të lira, të cilat rrisin reaktivitetin e reagentit (pra NaOH) gjatë hidrolizës. Si teknikë përpunimi jotermik, sonikimi parandalon degradimin termik, duke prodhuar kitozan me cilësi të lartë. Ultratingujt shkurtojnë kohën e përpunimit që nevojitet për nxjerrjen e kitinës nga krustacet, si dhe japin kitinë (dhe kështu, më pas, kitozan) me pastërti më të lartë krahasuar me kushtet tradicionale të përpunimit. Për prodhimin e kitinës dhe kitozanit, ultratingujt kanë kështu potencialin të ulin koston e prodhimit, të zvogëlojnë kohën e përpunimit, të mundësojnë kontroll më të mirë të procesit të prodhimit dhe të zvogëlojnë ndikimin mjedisor të mbetjeve të procesit.
- Rendiment më i lartë i kitozanit
- Cilësi superiore
- Kohë e reduktuar
- Temperaturë më e ulët e procesit
- Efikasitet i rritur
- Përdorim i lehtë dhe i sigurt
- Miqësor ndaj mjedisit
Deacetilimi me ultratinguj i kitinës në kitozan – Protokolli
1) Përgatitni kitinën:
Kur përdoren guaskat e gaforreve si lëndë burimore, ato duhet të lahen mirë për të larguar çdo lëndë organike të tretshme dhe papastërtitë e ngjitura, përfshirë dheun dhe proteinat. Më pas, materiali i guaskave duhet të thahet plotësisht (p.sh., në 60ºC për 24h në furrë). Guaskat e thara më pas bluhen (p.sh., duke përdorur një mulli me çekiçë), u hiqen proteinat në një mjedis alkalin (p.sh., NaOH me përqendrim nga 0,125 deri në 5,0 M) dhe demineralizohen në acid (p.sh., acid klorhidrik i holluar).
2) Deacetilimi me ultratinguj
Për të kryer një reaksion tipik deacetilimi me ultratinguj, grimcat e beta-kitinës (0,125 mm < d < 0,250 mm) suspendohen në tretësirë ujore NaOH 40% (w/w), me një raport beta-kitinë/tretësirë ujore NaOH prej 1/10(g mL-1), suspensioni transferohet në një beker qelqi me mure të dyfishta dhe trajtohet me ultratinguj duke përdorur homogjenizuesin Hielscher UP400St me ultratinguj. Parametrat e mëposhtëm (shih Fiamingo et al. 2016) mbahen konstantë gjatë kryerjes së një reaksioni të deacetilimit të kitinës me ultratinguj: (i) sonda ultrasonike (sonotroda Hielscher S24d22D, diametri i majës = 22 mm); (ii) mënyra e trajtimit me impulse ultrasonike (IP = 0,5sec); (iii) intensiteti sipërfaqësor i ultratingujve
(I = 52,6 W cm-2), (iv) temperatura e reaksionit (60ºC ±1ºC), (v) koha e reaksionit (50 min), (vi) raporti ndërmjet peshës së beta-kitinës dhe vëllimit të tretësirës ujore të hidroksidit të natriumit 40% (w/w) (BCHt/NaOH = 1/10 g mL-1); (vii) vëllimi i suspensionit të beta-kitinës (50mL).
Reaksioni i parë zhvillohet për 50min nën përzierje magnetike të vazhdueshme dhe më pas ndërpritet duke e ftohur shpejt suspensionin në 0ºC. Më pas shtohet acid klorhidrik i holluar për të arritur pH 8,5 dhe mostra CHs1 izolohet me filtrim, lahet gjerësisht me ujë të dejonizuar dhe thahet në kushte ambienti. Kur i njëjti deacetilim me ultratinguj përsëritet si hap i dytë mbi CHs1, përftohet mostra CHs2.
Imazhe të mikroskopisë elektronike me skanim (SEM) me zmadhim 100× të a) gladiusit, b) gladiusit të trajtuar me ultratinguj, c) β-kitinës, d) β-kitinës së trajtuar me ultratinguj dhe e) kitozanit (burimi: Preto et al. 2017)
Fiamingo et al. zbuluan se deacetilimi i beta-kitinës me ultratinguj prodhon me efikasitet kitozan me peshë molekulare të lartë dhe me shkallë të ulët acetilimi, pa përdorur aditivë, atmosferë inerte apo kohë të gjata reaksioni. Edhe pse reaksioni i deacetilimit me ultratinguj kryhet në kushte më të buta – pra, në temperaturë të ulët reaksioni krahasuar me shumicën e deacetilimeve termokimike. Deacetilimi i beta-kitinës me ultratinguj mundëson përgatitjen e kitozanit të deacetiluar në mënyrë të rastësishme, me shkallë të ndryshueshme acetilimi (4% ≤ DA ≤ 37%), peshë molekulare mesatare sipas peshës të lartë (900 000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1 200 000 g mol-1 ) dhe dispersitet të ulët (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4), duke kryer tre reaksione të njëpasnjëshme (50 min/hap) në 60ºC.
Procesorë ultrasonikë me fuqi të lartë, nga shkalla laboratorike në shkallë pilot dhe industriale.
Sisteme ultrasonike me performancë të lartë për prodhimin e kitozanit
Fragmentimi i kitinës dhe deacetilimi i kitinës në kitozan kërkojnë pajisje ultrasonike të fuqishme dhe të besueshme, të cilat mund të japin amplituda të larta, ofrojnë kontroll të saktë mbi parametrat e procesit dhe mund të funksionojnë 24/7 nën ngarkesë të rëndë dhe në mjedise me kërkesa të larta. Gama e produkteve të Hielscher Ultrasonics mbulon nevojat tuaja dhe kërkesat e procesit tuaj. Pajisjet ultrasonike Hielscher janë sisteme me performancë të lartë që mund të pajisen me aksesorë si sonotroda, përforcues amplitude, reaktorë ose qeliza rrjedhjeje, për t’iu përshtatur në mënyrë optimale nevojave të procesit tuaj.
Ekrani dixhital me ngjyra, mundësia për të paracaktuar ciklet e trajtimit me ultratinguj, regjistrimi automatik i të dhënave në një kartë SD të integruar, kontrolli në distancë përmes shfletuesit dhe shumë veçori të tjera sigurojnë nivelin më të lartë të kontrollit të procesit dhe të lehtësisë së përdorimit. Falë qëndrueshmërisë dhe kapacitetit për të përballuar ngarkesa të rënda, sistemet ultrasonike Hielscher janë pajisjet tuaja të besueshme për punë intensive në prodhim.
Fragmentimi dhe deacetilimi i kitinës kërkojnë ultratinguj të fuqishëm për të arritur shndërrimin e synuar dhe një produkt përfundimtar kitozani me cilësi të lartë. Veçanërisht për fragmentimin e fletëzave të kitinës, amplitudat e larta dhe presionet e ngritura janë thelbësore. Procesorët ultrasonikë industrialë të Hielscher Ultrasonics japin lehtësisht amplituda shumë të larta. Amplituda deri në 200µm mund të mbahen vazhdimisht gjatë funksionimit 24/7. Për amplituda edhe më të larta, ofrohen sonotroda ultrasonike të përshtatura sipas kërkesave. Kapaciteti i fuqisë së sistemeve ultrasonike Hielscher mundëson deacetilim efikas dhe të shpejtë në një proces të sigurt dhe të lehtë për t’u përdorur.
Tabela më poshtë ju jep një orientim mbi kapacitetin e përafërt të përpunimit të pajisjeve tona ultrasonike:
| Vëllimi i serisë | Prurja | Pajisjet e rekomanduara |
|---|---|---|
| 1 deri në 500mL | 10 deri në 200mL/min | UP100H |
| 10 deri në 2000mL | 20 deri në 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 deri në 20L | 0,2 deri në 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 deri në 100L | 2 deri në 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 deri në 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | më e madhe | grup prej UIP16000 |
Na kontaktoni! / Na pyesni!
Literaturë/Referenca
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): Filma bionanokompozitë me bazë kitozani të përgatitur me teknikën e emulsionit për ruajtjen e ushqimit. Materials 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Kitozan me masë molekulare të lartë dhe shkallë të lartë deacetilimi, i përftuar nga deacetilimi me shumë hapa i beta-kitinës me ndihmën e ultratingujve. Ultrasonics Sonochemistry 32, 2016. 79–85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Shndërrimi i kitinës në kitozan me ndihmën e sonokimisë, Takimi i kërkuesve kryesorë të Nismës Kombëtare të Kërkimit të USDA, New Orleans, LA, June 28th.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Ndikimi i temperaturës gjatë deacetilimit të kitinës në kitozan me ultratinguj me intensitet të lartë si paratrajtim, Takimi vjetor i Institutit të Teknologëve të Ushqimit, New Orleans, LA, June 30th, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Ndikimi i ultratingujve me intensitet të lartë për përshpejtimin e shndërrimit të kitinës në kitozan, Takimi vjetor i Institutit të Teknologëve të Ushqimit, New Orleans, LA, June 30th, 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): Gladiusi dhe derivatet e tij si biosorbentë të mundshëm për naftën dizel detare. Environmental Science and Pollution Research (2017) 24:22932–22939.
- Wijesena R.N., Tissera N., Kannangara Y.Y., Lin Y., Amaratunga G.A.J., de Silva K.M.N. (2015): Një metodë për përgatitjen nga lart poshtë të nanogrimcave dhe nanofibrave të kitozanit. Carbohydrate Polymers 117, 2015. 731–738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Ulja efikase e masës molekulare të kitozanit me ultratinguj me intensitet të lartë: Mekanizmi bazë dhe efekti i parametrave të përpunimit. Journal of Agricultural and Food Chemistry 56(13):5112-5119.
- Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Mbetjet e produkteve të detit: një burim për përgatitjen e materialeve prej kitine/kitozani të përdorshme komercialisht. Bioresources and Bioprocessing 6/8, 2019.
Fakte që ia vlen të dini
Si funksionon deacetilimi i kitinës me ultratinguj?
Kur ultratingujt me fuqi të lartë dhe frekuencë të ulët (p.sh., 20–26kHz) transmetohen në një lëng ose suspension, mbi lëngun ushtrohen cikle të alternuara presioni të lartë / presioni të ulët, duke krijuar ngjeshje dhe rrallim. Gjatë këtyre cikleve të alternuara të presionit të lartë / presionit të ulët, krijohen flluska të vogla vakumi, të cilat rriten gjatë disa cikleve të presionit. Në çastin kur flluskat e vakumit nuk mund të thithin më energji, ato shemben vrullshëm. Gjatë këtij implozioni të flluskave, lokalisht krijohen kushte shumë intensive: temperatura të larta deri në 5000K, presione deri në 2000atm, shpejtësi shumë të larta ngrohjeje/ftohjeje dhe diferenca presioni. Meqë dinamika e shembjes së flluskave është më e shpejtë se transferimi i masës dhe nxehtësisë, energjia në zgavrën që shembet kufizohet në një zonë shumë të vogël, e quajtur edhe “pikë e nxehtë”. Implozioni i flluskës së kavitacionit shkakton gjithashtu mikroturbulenca, rryma të përqendruara lëngu me shpejtësi deri në 280m/s dhe forcat prerëse që rrjedhin prej tyre. Ky fenomen njihet si kavitacion ultrasonik ose akustik.
Pikat dhe grimcat në lëngun e trajtuar me ultratinguj goditen nga këto forca kavitacioni dhe, kur grimcat e përshpejtuara përplasen me njëra-tjetrën, ato copëtohen nga përplasjet ndërmjet grimcave. Kavitacioni akustik është parimi i funksionimit të bluarjes, dispergimit, emulsifikimit dhe sonokimisë me ultratinguj.
Për deacetilimin e kitinës, ultratingujt me intensitet të lartë rrisin sipërfaqen duke e aktivizuar atë dhe duke nxitur transferimin e masës ndërmjet grimcave dhe reagentit.
Kitozani
Kitozani është një polimer karbohidratik i modifikuar, kationik dhe jotoksik, me një strukturë kimike komplekse të formuar nga njësi β-(1,4) të glukozaminës si përbërës kryesor (>80%) dhe njësi të N-acetilglukozaminës (<20%), të shpërndara rastësisht përgjatë zinxhirit. Kitozani përftohet nga kitina nëpërmjet deacetilimit kimik ose enzimatik. Shkalla e deacetilimit (DA) përcakton përmbajtjen e grupeve amino të lira në strukturë dhe përdoret për të dalluar kitinën nga kitozani. Kitozani shfaq tretshmëri të mirë në tretës të moderuar, si acidi acetik i holluar, dhe ofron disa grupe aminike të lira si vende aktive. Kjo i jep kitozanit përparësi ndaj kitinës në shumë reaksione kimike.
Kitozani vlerësohet për biopërputhshmërinë dhe biodegradueshmërinë e tij të shkëlqyer, jotoksicitetin, aktivitetin e mirë antimikrobik (kundër baktereve dhe kërpudhave), papërshkueshmërinë ndaj oksigjenit dhe vetitë e formimit të filmave. Në krahasim me kitinën, kitozani ka përparësinë se është i tretshëm në ujë dhe, për këtë arsye, është më i lehtë për t’u trajtuar dhe përdorur në formulime.
Si polisakaridi i dytë më i bollshëm pas celulozës, kitina gjendet në sasi shumë të mëdha, çka e bën atë një lëndë të parë të lirë dhe të qëndrueshme.
Prodhimi i kitozanit
Kitozani prodhohet në një proces me dy hapa. Në hapin e parë, lënda e parë, si guaskat e krustaceve (d.m.th. karkaleca deti, gaforre, karavidhe), deproteinizohen, demineralizohen dhe pastrohen për të përftuar kitinë. Në hapin e dytë, kitina trajtohet me një bazë të fortë (p.sh., NaOH) për të hequr zinxhirët anësorë acetil, me qëllim përftimin e kitozanit. Dihet se procesi konvencional i prodhimit të kitozanit kërkon shumë kohë dhe ka kosto të lartë.
Kitina
Kitina (C8H13O5N)n është një polimer me zinxhir të drejtë i β-1,4-N-acetilglukozaminës dhe klasifikohet në α-, β- dhe γ-kitinë. Duke qenë një derivat i glukozës, kitina është një përbërës kryesor i ekzoskeleteve të artropodëve, si krustacet dhe insektet, i radulave të molusqeve, i sqepave të cefalopodëve dhe i luspave të peshqve dhe lisamfibëve; ajo mund të gjendet edhe në muret qelizore të kërpudhave. Struktura e kitinës është e krahasueshme me atë të celulozës, duke formuar nanofibrile kristalore ose kristale në formë gjilpërash. Celuloza është polisakaridi më i bollshëm në botë, e ndjekur nga kitina si polisakaridi i dytë më i bollshëm.
Glukozamina
Glukozamina (C6H13NO5) është një aminosheqer dhe një pararendës i rëndësishëm në sintezën biokimike të proteinave dhe lipideve të glikoziluara. Glukozamina është një përbërje natyrshëm e bollshme që bën pjesë në strukturën e të dy polisakarideve, kitozanit dhe kitinës, çka e bën glukozaminën një nga monosakaridet më të bollshme. Pjesa më e madhe e glukozaminës së disponueshme në treg prodhohet nëpërmjet hidrolizës së ekzoskeleteve të krustaceve, d.m.th. guaskave të gaforreve dhe karavidheve.
Glukozamina përdoret kryesisht si suplement ushqimor, në format e sulfatit të glukozaminës, hidroklorurit të glukozaminës ose N-acetilglukozaminës. Suplementet e sulfatit të glukozaminës merren nga goja për të trajtuar një gjendje të dhimbshme të shkaktuar nga inflamacioni, shpërbërja dhe humbja përfundimtare e kërcit (osteoartriti).