Deacetilimi tejzanor i Kitinës në Chitosan
Prodhimi tejzanor i Kitosanit
Kitozani përftohet nga N-deacetilimi i kitinës. Në deacetilimin konvencional, kitina ngjyhet në tretës ujorë alkali (zakonisht 40 deri në 50% (w/w) NaOH). Procesi i njomjes kërkon temperatura të larta prej 100 deri në 120ºC kërkon shumë kohë, ndërkohë që rendimenti i kitozanit i marrë për një hap të njomjes është i ulët. Aplikimi i ultrasonikëve me fuqi të lartë intensifikon ndjeshëm procesin e deacetilimit të kitinës dhe rezulton në një rendiment të lartë të kitozanit me peshë molekulare të ulët në një trajtim të shpejtë në temperaturë më të ulët. Deacetilimi tejzanor rezulton në chitosan me cilësi të lartë, i cili përdoret si përbërës ushqimor dhe farmaceutik, si pleh dhe në shumë aplikime të tjera industriale.
Trajtimi me ultratinguj rezulton në një shkallë të jashtëzakonshme të acetilimit (DA) të kitinës duke ulur shkallën e kitinës së acetilimit nga DA≥90 në kitosan me DA≤10.
Shumë studime kërkimore konfirmojnë efektivitetin e deacetilimit tejzanor të kitinës në kitosan. Weiss J. et al. (2008) zbuloi se sonikacioni përmirëson në mënyrë drastike shndërrimin e kitinës në kitosan. Trajtimi me ultratinguj i kitinës vjen me kursime të konsiderueshme në kohë duke reduktuar kohën e kërkuar të procesit nga 12-24 orë në disa orë. Për më tepër, kërkohet më pak tretës për të arritur një konvertim të plotë, gjë që ul ndikimin mjedisor të detyrimit për të hedhur dhe asgjësuar tretësin e shpenzuar ose të pa reaguar, dmth. NaOH të koncentruar.
Deacetilimi i kitinës në kitosan nxitet nga sonikimi
UIP4000hdT – Sistemi ultrasonik me fuqi 4 kW
Parimi i punës i trajtimit me chitosan me ultratinguj
Ultratingulli me fuqi të lartë dhe me frekuencë të ulët (~20-26 kHz) krijon kavitacion akustik në lëngje dhe llucë. Ekografia me fuqi të lartë promovon shndërrimin e kitinës në kitozan pasi tretësi (p.sh. NaOH) fragmentohet dhe depërton në grimcat e ngurta të kitinës, duke zgjeruar kështu sipërfaqen dhe duke përmirësuar transferimin e masës midis fazës së ngurtë dhe të lëngshme. Për më tepër, forcat e larta të prerjes së kavitacionit tejzanor krijojnë radikale të lira të cilat rrisin reaktivitetin e reagentit (dmth NaOH) gjatë hidrolizës. Si një teknikë përpunimi jo-termik, sonikimi parandalon degradimin termik duke prodhuar kitozan me cilësi të lartë. Ulja e zërit shkurton kohën e përpunimit të kërkuar për nxjerrjen e kitinës nga krustacet, si dhe për të prodhuar kitin (dhe më pas kitozan) me pastërti më të lartë në krahasim me kushtet tradicionale të përpunimit. Për prodhimin e kitinës dhe kitozanit, ultrazërit kanë potencialin të ulin koston e prodhimit, të ulin kohën e përpunimit, të lejojnë një kontroll më të mirë të procesit të prodhimit dhe të zvogëlojnë ndikimin mjedisor të mbetjeve të procesit.
- Rendiment më i lartë i kitosanit
- Cilësi superiore
- Koha e reduktuar
- Temperatura e ulët e procesit
- Efikasiteti i rritur
- Lehtë & funksionimin e sigurt
- miqësore me mjedisin
Decetilimi tejzanor i kitinës në Chitosan – protokoll
1) Përgatitni kitinën:
Duke përdorur lëvozhgat e gaforreve si material burimor, lëvozhgat e gaforreve duhet të lahen tërësisht në mënyrë që të largohen çdo lëndë organike e tretshme dhe papastërtitë ngjitëse, duke përfshirë dheun dhe proteinat. Më pas, materiali i guaskës duhet të thahet plotësisht (p.sh. në 60ºC për 24 orë në furrë). Predhat e thara më pas bluhen (p.sh. duke përdorur një mulli me çekiç), deproteinizohen në një mjedis alkalik (p.sh. NaOH në një konc. 0,125 deri në 5,0 M) dhe demineralizohen në acid (p.sh., acidi klorhidrik i holluar).
2) Deacetilimi tejzanor
Për të kryer një reaksion tipik deacetilimi tejzanor, grimcat beta-kitin (0,125 mm < D < 0.250 mm) janë pezulluar në 40% (w/w) NaOH ujor në një raport beta-kitin/NaOH tretësirë ujore prej 1/10 (g mL-1), pezullimi transferohet në një gotë qelqi me dy mure dhe sonikohet duke përdorur një Hielscher UP400 St homogjenizues tejzanor. Parametrat e mëposhtëm (krh. Fiamingo et al. 2016) mbahen konstante gjatë kryerjes së një reaksioni tejzanor të deacetilimit të kitinës: (i) sonda tejzanor (sonotrode Hielscher S24d22D, diametri i majës = 22 mm); (ii) modaliteti i pulsit të sonikacionit (IP = 0,5 sek); (iii) intensiteti i sipërfaqes tejzanor
(I = 52,6 W cm-2), (iv) temperatura e reagimit (60ºC ±1ºC), (v) koha e reagimit (50 min), (vi) raporti beta-kitinë peshë/vëllim prej 40% (w/w) hidroksid natriumi ujor (BCHt/NaOH = 1 /10 g ml-1); (vii) vëllimi i suspensionit të beta-kitinës (50 ml).
Reagimi i parë vazhdon për 50 minuta nën trazim të vazhdueshëm magnetik dhe më pas ndërpritet duke ftohur shpejt pezullimin në 0ºC. Më pas shtohet acid klorhidrik i holluar për të arritur pH 8.5 dhe kampioni CHs1 izolohet me filtrim, lahet gjerësisht me ujë të deionizuar dhe thahet në kushte ambienti. Kur i njëjti deacetilim tejzanor përsëritet si hap i dytë për CHs1, ai prodhon mostrën CHs2.
Imazhet me mikroskop elektronik skanues (SEM) në një zmadhim prej 100× a) gladius, b) gladius i trajtuar me ultratinguj, c) β-kitinë, d) β-kitinë e trajtuar me ultratinguj dhe e) kitozan (burimi: Preto et al. 2017)
Fiamingo etj. zbuloi se deacetilimi tejzanor i beta-kitinës prodhon në mënyrë efikase kitozan me peshë të lartë molekulare me një shkallë të ulët acetilimi as duke përdorur aditivë, as atmosferë inerte dhe as kohë të gjata reagimi. Edhe pse reaksioni i deacetilimit tejzanor kryhet në kushte më të buta – dmth temperatura e ulët e reaksionit kur krahasohet me shumicën e deacetilimeve termokimike. Deacetilimi tejzanor i beta-kitinës lejon përgatitjen e kitozanit të deacetiluar rastësisht me shkallë të ndryshueshme acetilimi (4% ≤ DA ≤ 37%), peshë mesatare molekulare me peshë të lartë (900,000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1200000 g mol-1 ) dhe dispersi të ulët (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4) duke kryer tre reaksione të njëpasnjëshme (50 min/hap) në 60ºC.
Procesorë tejzanor me fuqi të lartë nga laboratori në pilot dhe shkallë industriale.
Sisteme tejzanor me performancë të lartë për prodhimin e kitosanit
Fragmentimi i kitinës dhe decetilimi i kitinës në kitosan kërkon pajisje të fuqishme dhe të besueshme tejzanor që mund të japin amplituda të larta, ofrojnë kontrollueshmëri të saktë mbi parametrat e procesit dhe mund të operohen 24/7 nën ngarkesë të rëndë dhe në mjedise kërkuese. Gama e produkteve Hielscher Ultrasonics ju mbulon ju dhe kërkesat tuaja të procesit. Ultrasonikët Hielscher janë sisteme me performancë të lartë që mund të pajisen me pajisje të tilla si sonotrode, përforcues, reaktorë ose qeliza rrjedhëse në mënyrë që të përputhen me nevojat tuaja të procesit në një mënyrë optimale.
Me ekranin dixhital me ngjyra, sigurohet opsioni për të paracaktuar ekzekutimet e sonication, regjistrimi automatik i të dhënave në një kartë SD të integruar, kontrolli në distancë i shfletuesit dhe shumë veçori të tjera, kontrolli më i lartë i procesit dhe lehtësia e përdorimit. Të kombinuara me qëndrueshmërinë dhe kapacitetin e rëndë të ngarkesës, sistemet tejzanor Hielscher janë kali juaj i besueshëm i punës në prodhim.
Fragmentimi dhe deacetilimi i kitinës kërkon ultratinguj të fuqishëm për të marrë konvertimin e synuar dhe një produkt përfundimtar kitozan me cilësi të lartë. Veçanërisht për copëzimin e thekoneve të kitinës, amplitudat e larta dhe presionet e ngritura janë vendimtare. Hielscher Ultrasonics’ Përpunuesit industrialë tejzanor japin lehtësisht amplituda shumë të larta. Amplituda deri në 200µm mund të funksionojë vazhdimisht në funksionim 24/7. Për amplituda edhe më të larta, ofrohen sonotrode tejzanor të personalizuara. Kapaciteti i fuqisë së sistemeve tejzanor Hielscher mundëson deacetilim efikas dhe të shpejtë në një proces të sigurt dhe miqësor për përdoruesit.
Tabela e mëposhtme ju jep një tregues të kapacitetit të përafërt të përpunimit të ultrasonikëve tanë:
| Vëllimi i grupit | Shkalla e rrjedhjes | Pajisjet e rekomanduara |
|---|---|---|
| 1 deri në 500 ml | 10 deri në 200 ml/min | UP100H |
| 10 deri në 2000 ml | 20 deri në 400 ml/min | UP200Ht, UP400 St |
| 0.1 deri në 20L | 0.2 deri në 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 deri në 100 litra | 2 deri në 10 l/min | UIP4000hdT |
| na | 10 deri në 100 l/min | UIP16000 |
| na | më të mëdha | grumbull i UIP16000 |
Na kontaktoni! / Na pyesni!
Literatura/Referencat
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu MA, Darie-Nita RN, Bargan A., Vasile C. (2019): Filma bionanokompozit me bazë chitosan të përgatitur nga Teknika e Emulsionit për Konservimin e Ushqimit. Materialet 2019, 12 (3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk JA, Trombotto St. David L., Campana-Filho SP (2016): Kitosan me peshë të lartë molekulare të deacetiluar gjerësisht nga deacetilimi i beta-kitinës me ndihmën e ultrazërit me shumë hapa. Ultrasonics Sonochemistry 32, 2016. 79–85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Konvertimi i Kitinës me Ndihmë Sonokimike në Chitosan, Takimi Kryesor i Iniciativës Kombëtare të Kërkimit të USDA, New Orleans, LA, 28 qershor.
- 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 një para-trajtim, Takimi Vjetor i Institutit të Teknologëve të Ushqimit , New Orleans, LA, 30 qershor, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Ndikimi i ultrazërit me intensitet të lartë për të përshpejtuar konvertimin e kitinës në kitosan, Takimi Vjetor i Institutit të Teknologëve të Ushqimit, New Orleans, LA, 30 qershor 95-17.
- Preto MF, Campana-Filho SP, Fiamingo A., Cosentino IC, Tessari-Zampieri MC, Abessa DMS, Romero AF, Bordon IC (2017): Gladius dhe derivatet e tij si biosorbentë të mundshëm për naftën detare. Hulumtimi i Shkencës dhe Ndotjes së Mjedisit (2017) 24:22932–22939.
- Wijesena RN, Tissera N., Kannangara YY, Lin Y., Amaratunga GAJ, de Silva KMN (2015): Një metodë për përgatitjen nga lart poshtë të nanogrimcave dhe nanofibrave kitosan. Polimerë të karbohidrateve 117, 2015. 731-738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, DG, Weiss, J. (2008). Reduktimi efikas i peshës molekulare të kitozanit me ultratinguj me intensitet të lartë: Mekanizmi themelor 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 ushqimeve të detit: një burim për përgatitjen e materialeve kitin/kitozan të përdorshëm në treg. Bioreburimet dhe Biopërpunimi 6/8, 2019.
Fakte që ia vlen të dihen
Si funksionon deaktilimi tejzanor i kitinës?
Kur ultrazërit me fuqi të lartë dhe me frekuencë të ulët (p.sh. 20-26 kHz) bashkohen në një lëng ose llum, ciklet e alternuara të presionit të lartë / presionit të ulët aplikohen në lëng 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 pikën, kur flluskat e vakumit nuk mund të thithin më shumë energji, ato shemben me dhunë. Gjatë këtij shpërthimi të flluskave, ndodhin kushte shumë intensive në nivel lokal: ndodhin temperatura të larta deri në 5000K, presione deri në 2000atm, ritme shumë të larta ngrohje/ftohje dhe diferenca presioni. Meqenëse dinamika e kolapsit të flluskës është më e shpejtë se transferimi i masës dhe nxehtësisë, energjia në zgavrën e kolapsit është e kufizuar në një zonë shumë të vogël, e quajtur gjithashtu "pika e nxehtë". Shpërthimi i flluskës së kavitacionit rezulton gjithashtu në mikroturbulenca, avionë të lëngshëm me shpejtësi deri në 280 m/s dhe forca prerëse që rezultojnë. Ky fenomen njihet si kavitacion tejzanor ose akustik.
Pikat dhe grimcat në lëngun e sonikuar goditen nga ato forca kavitacionale dhe kur grimcat e përshpejtuara përplasen me njëra-tjetrën, ato copëtohen nga përplasja ndër-grimcash. Kavitacioni akustik është parimi i punës së bluarjes, shpërndarjes, emulsifikimit dhe sonokimisë tejzanor.
Për deacetilimin e kitinës, ultratingulli me intensitet të lartë rritet në sipërfaqe duke aktivizuar sipërfaqen dhe duke nxitur transferimin e masës midis grimcave dhe reagentit.
kitosan
Kitozani është një polimer karbohidratesh jo toksik, i modifikuar, kationik, me një strukturë kimike komplekse të formuar nga njësitë e glukozaminës β-(1,4) si përbërësi kryesor i tij.>80%) dhe njësi N-acetil glukozamine (<20%), të shpërndara rastësisht përgjatë zinxhirit. Kitozani rrjedh nga kitina përmes deacetilimit kimik ose enzimatik. Shkalla e deacetilimit (DA) përcakton përmbajtjen e amino grupeve të lira në strukturë dhe përdoret për të dalluar kitinën dhe kitozanin. Kitosan tregon tretshmëri të mirë në tretës të moderuar si acidi acetik i holluar dhe ofron disa grupe të lira amine si vende aktive. Kjo e bën kitozanin të favorshëm ndaj kitinës në shumë reaksione kimike.
Chitosan vlerësohet për biokompatibilitetin dhe biodegradueshmërinë e tij të shkëlqyer, jotoksicitetin, aktivitetin e mirë antimikrobik (kundër baktereve dhe kërpudhave), papërshkueshmërinë e oksigjenit dhe vetitë e formimit të filmit. Ndryshe nga kitina, kitozani ka avantazhin e të qenit i tretshëm në ujë dhe në këtë mënyrë më i lehtë për t'u trajtuar dhe përdorur në formulime.
Si polisakaridi i dytë më i bollshëm pas celulozës, bollëku i madh i kitinës e bën atë një lëndë të parë të lirë dhe të qëndrueshme.
Prodhimi i Kitosanit
Kitosan prodhohet në një proces me dy hapa. Në hapin e parë, lënda e parë, si guaska e krustaceve (dmth. karkaleca, gaforre, karavidhe), deproteinizohet, demineralizohet dhe pastrohet për të marrë kitin. Në hapin e dytë, kitina trajtohet me një bazë të fortë (p.sh. NaOH) për të hequr zinxhirët anësore të acetilit në mënyrë që të përftohet kitosan. Procesi i prodhimit konvencional të kitosanit dihet se kërkon shumë kohë dhe kosto intensive.
kitin
Kitin (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 derivat i glukozës, kitina është një përbërës kryesor i ekzoskeleteve të artropodëve, të tillë si krustacet dhe insektet, radulat e molusqeve, sqepat e cefalopodëve dhe luspat e peshqve dhe lisamfibëve dhe mund të gjendet edhe në muret e qelizave te kërpudhat. Struktura e kitinës është e krahasueshme me celulozën, duke formuar nanofibrile ose mustaqe kristalore. Celuloza është polisakaridi më i bollshëm në botë, i ndjekur nga kitina si polisakaridi i dytë më i bollshëm.
glukozaminë
Glukozamina (C6H13NR5) është një amino sheqer dhe një pararendës i rëndësishëm në sintezën biokimike të proteinave dhe lipideve të glikoziluara. Glukozamina është natyrshëm një përbërës i bollshëm që është pjesë e strukturës së të dy polisaharideve, kitozanit dhe kitinës, gjë që e bën glukozaminën një nga monosakaridet më të bollshme. Pjesa më e madhe e glukozaminës së disponueshme në treg prodhohet nga hidroliza e ekzoskeleteve të krustaceve, p.sh. guaska e gaforreve dhe karavidheve.
Glukozamina përdoret kryesisht si shtesë dietike ku përdoret në formën e sulfatit të glukozaminës, hidroklorurit të glukozaminës ose N-acetil glukozaminës. Suplementet e sulfatit të glukozaminës administrohen nga goja për të trajtuar një gjendje të dhimbshme të shkaktuar nga inflamacioni, prishja dhe humbja eventuale e kërcit (osteoartriti).