Ултразвучна деацетилација хитина у хитозан
Ултразвучна производња хитозана
Хитозан се добија N-деацетилацијом хитина. При конвенционалној деацетилацији, хитин се потапа у водене алкалне раствараче (обично 40 до 50% (w/w) NaOH). Процес потапања захтева високе температуре од 100 до 120ºC и веома је дуготрајан, док је принос хитозана добијеног по кораку потапања низак. Примена ултразвука велике снаге значајно интензивира процес деацетилације хитина и даје висок принос хитозана ниске молекулске масе брзим третманом на нижој температури. Ултразвучном деацетилацијом добија се хитозан врхунског квалитета који се користи као састојак хране и фармацеутских производа, као ђубриво и у многим другим индустријским применама.
Ултразвучним третманом постиже се изузетан степен ацетилације (DA) хитина, при чему се степен ацетилације смањује са DA≥90 код хитина на DA≤10 код хитозана.
Бројна истраживања потврђују ефикасност ултразвучне деацетилације хитина у хитозан. Weiss J. и сар. (2008) установили су да соникација драстично побољшава конверзију хитина у хитозан. Ултразвучни третман хитина доноси значајну уштеду времена, смањујући потребно време процеса са 12–24 сата на неколико сати. Осим тога, за постизање потпуне конверзије потребно је мање растварача, што смањује утицај на животну средину услед неопходног одбацивања и збрињавања истрошеног или неизреаговалог растварача, односно концентрованог NaOH.
Соникација подстиче деацетилацију хитина у хитозан
UIP4000hdT – ултразвучни систем снаге 4kW
Принцип рада ултразвучног третмана хитозана
Ултразвучни третман великом снагом и ниском фреквенцијом (∼20–26kHz) ствара акустичну кавитацију у течностима и суспензијама. Ултразвук велике снаге подстиче конверзију хитина у хитозан јер растварач (нпр. NaOH) уситњава чврсте честице хитина и продире у њих, чиме се повећава површина и побољшава пренос масе између чврсте и течне фазе. Осим тога, велике силе смицања услед ултразвучне кавитације стварају слободне радикале који повећавају реактивност реагенса (односно NaOH) током хидролизе. Као техника нетермичке обраде, соникација спречава термичку разградњу и омогућава добијање висококвалитетног хитозана. Ултразвук скраћује време обраде потребно за екстракцију хитина из ракова и омогућава добијање хитина (а тиме и хитозана у наредном кораку) веће чистоће у поређењу са традиционалним условима обраде. Стога ултразвук у производњи хитина и хитозана има потенцијал да смањи трошкове производње, скрати време обраде, омогући бољу контролу производног процеса и смањи утицај отпада из процеса на животну средину.
- Већи принос хитозана
- Врхунски квалитет
- Краће време
- Нижа температура процеса
- Повећана ефикасност
- Једноставно и безбедно руковање
- Еколошки прихватљиво
Ултразвучна деацетилација хитина у хитозан – протокол
1) Припремите хитин:
Када се као полазни материјал користе љуштуре краба, треба их темељно опрати како би се уклониле све растворљиве органске материје и прилепљене нечистоће, укључујући земљу и протеине. Након тога, материјал љуштура мора се потпуно осушити (нпр. на 60ºC током 24h у сушници). Осушене љуштуре се затим мељу (нпр. помоћу млина чекићара), депротеинизују у алкалној средини (нпр. NaOH у концентрацији од 0,125 до 5,0 M) и деминерализују у киселини (нпр. разблаженој хлороводоничној киселини).
2) Ултразвучна деацетилација
За извођење типичне реакције ултразвучне деацетилације, честице бета-хитина (0,125 mm < d < 0,250 mm) суспендују се у 40% (w/w) воденом раствору NaOH при односу бета-хитина и воденог раствора NaOH од 1/10(g mL-1), суспензија се преноси у стаклену чашу са двоструким зидом и соницира помоћу уређаја Hielscher UP400St за ултразвучну хомогенизацију. Следећи параметри (уп. Fiamingo и сар. 2016) одржавају се константним при извођењу реакције ултразвучне деацетилације хитина: (i) ултразвучна сонда (сонотрода Hielscher S24d22D, пречник врха = 22 mm); (ii) импулсни режим соникације (IP = 0,5sec); (iii) површински интензитет ултразвука
(I = 52,6 W cm-2), (iv) температура реакције (60ºC ±1ºC), (v) време реакције (50 min), (vi) однос масе бета-хитина и запремине 40% (w/w) воденог раствора натријум-хидроксида (BCHt/NaOH = 1/10 g mL-1); (vii) запремина суспензије бета-хитина (50mL).
Прва реакција траје 50min уз стално магнетно мешање, а затим се прекида брзим хлађењем суспензије на 0ºC. Потом се додаје разблажена хлороводонична киселина да би се постигла pH вредност 8,5, а узорак CHs1 се издваја филтрацијом, темељно испира дејонизованом водом и суши у амбијенталним условима. Када се иста ултразвучна деацетилација понови као други корак на узорку CHs1, добија се узорак CHs2.
Снимци скенирајуће електронске микроскопије (SEM) при увећању од 100×: a) гладијус, b) гладијус третиран ултразвуком, c) β-хитин, d) β-хитин третиран ултразвуком и e) хитозан (извор: Preto и сар. 2017)
Fiamingo и сар. установили су да се ултразвучном деацетилацијом бета-хитина ефикасно добија хитозан велике молекулске масе са ниским степеном ацетилације, без употребе адитива, инертне атмосфере или дугог времена реакције, иако се реакција ултразвучне деацетилације изводи у блажим условима – тј. при ниској температури реакције у поређењу са већином термохемијских деацетилација. Ултразвучна деацетилација бета-хитина омогућава добијање насумично деацетилованог хитозана са променљивим степеном ацетилације (4% ≤ DA ≤ 37%), великом масено просечном молекулском масом (900.000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1.200.000 g mol-1 ) и ниском дисперзношћу (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4), извођењем три узастопне реакције (50 min/корак) на 60ºC.
Ултразвучни процесори велике снаге за лабораторијски, пилотски и индустријски обим.
Ултразвучни системи високих перформанси за производњу хитозана
Фрагментација хитина и деацетилација хитина у хитозан захтевају снажну и поуздану ултразвучну опрему која може да обезбеди високе амплитуде, омогућава прецизну контролу процесних параметара и може да ради 24/7 под великим оптерећењем и у захтевним окружењима. Асортиман производа компаније Hielscher Ultrasonics задовољава ваше потребе и захтеве вашег процеса. Hielscher ултразвучни уређаји су системи високих перформанси који се могу опремити додацима као што су сонотроде, појачивачи амплитуде, реактори или проточне ћелије како би се оптимално прилагодили потребама вашег процеса.
Дигитални екран у боји, могућност унапред подешених циклуса соникације, аутоматско бележење података на уграђену SD картицу, даљинско управљање преко прегледача и многе друге функције обезбеђују највиши ниво контроле процеса и једноставности употребе. Уз робусност и способност подношења великих оптерећења, Hielscher ултразвучни системи су ваш поуздан ослонац у производњи.
Фрагментација и деацетилација хитина захтевају снажан ултразвук да би се постигла циљана конверзија и добио крајњи производ, хитозан високог квалитета. Високе амплитуде и повишени притисци су пресудни, посебно за фрагментацију љуспица хитина. Индустријски ултразвучни процесори компаније Hielscher Ultrasonics лако постижу веома високе амплитуде. Амплитуде до 200µm могу се континуирано одржавати у раду 24/7. За још више амплитуде доступне су ултразвучне сонотроде израђене по мери. Расположива снага Hielscher ултразвучних система омогућава ефикасну и брзу деацетилацију у безбедном процесу којим се лако управља.
Табела у наставку даје оквирни преглед приближног капацитета обраде наших ултразвучних уређаја:
| Запремина шарже | Проток | Препоручени уређаји |
|---|---|---|
| 1 до 500mL | 10 до 200mL/min | UP100H |
| 10 до 2000mL | 20 до 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 до 20L | 0,2 до 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 до 100L | 2 до 10L/min | UIP4000hdT |
| није применљиво | 10 до 100L/min | UIP16000 |
| није применљиво | већи | група уређаја UIP16000 |
Контактирајте нас! / Питајте нас!
Литература/референце
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): Бионанокомпозитни филмови на бази хитозана припремљени емулзионом техником за конзервисање хране. Materials 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Хитозан високе молекулске масе са високим степеном деацетилације добијен вишестепеном деацетилацијом бета-хитина потпомогнутом ултразвуком. Ultrasonics Sonochemistry 32, 2016. 79–85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Сонохемијски потпомогнута конверзија хитина у хитозан, састанак главних истраживача Националне истраживачке иницијативе USDA, Њу Орлеанс, LA, June 28th.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Утицај температуре током деацетилације хитина у хитозан уз предтретман ултразвуком високог интензитета, годишњи састанак Института прехрамбених технолога, Њу Орлеанс, LA, June 30th, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Утицај ултразвука високог интензитета на убрзавање конверзије хитина у хитозан, годишњи састанак Института прехрамбених технолога, Њу Орлеанс, 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): Гладијус и његови деривати као потенцијални биосорбенти за бродско дизел-гориво. 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): Метода припреме наночестица и нановлакана хитозана приступом од већих ка мањим структурама. Carbohydrate Polymers 117, 2015. 731–738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Ефикасно смањење молекулске масе хитозана ултразвуком високог интензитета: основни механизам и утицај параметара обраде. Journal of Agricultural and Food Chemistry 56(13):5112–5119.
- Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Отпад од морских плодова: извор за припрему комерцијално применљивих материјала од хитина/хитозана. Биоресурси и биопроцесирање 6/8, 2019.
Чињенице које вреди знати
Како функционише ултразвучна деацетилација хитина?
Када се ултразвук велике снаге и ниске фреквенције (нпр. 20–26kHz) уведе у течност или суспензију, на течност делују наизменични циклуси високог и ниског притиска, стварајући сабијање и разређивање. Током ових наизменичних циклуса високог и ниског притиска настају мали вакуумски мехурићи, који расту током неколико циклуса притиска. Када вакуумски мехурићи више не могу да апсорбују енергију, они нагло колабирају. Током ове имплозије мехурића локално настају веома интензивни услови: високе температуре до 5000K, притисци до 2000atm, веома велике брзине загревања/хлађења и разлике у притиску. Пошто је динамика колапса мехурића бржа од преноса масе и топлоте, енергија у шупљини која колабира ограничена је на веома малу зону, која се назива и „врућа тачка“. Имплозија кавитационог мехурића такође доводи до микротурбуленција, млазева течности брзине до 280m/s и сила смицања које из њих настају. Ова појава је позната као ултразвучна или акустична кавитација.
Ове кавитационе силе делују на капљице и честице у течности која се обрађује ултразвуком, а када се убрзане честице међусобно сударе, оне се услед тих судара уситњавају. Акустична кавитација је принцип рада ултразвучног млевења, дисперговања, емулговања и сонохемије.
При деацетилацији хитина, ултразвук високог интензитета повећава површину тако што активира површину и поспешује пренос масе између честица и реагенса.
Хитозан
Хитозан је модификовани, катјонски, нетоксични угљенохидратни полимер сложене хемијске структуре коју чине јединице β-(1,4) глукозамина као главна компонента (>80%) и јединице N-ацетилглукозамина (<20%), насумично распоређене дуж ланца. Хитозан се добија из хитина хемијском или ензимском деацетилацијом. Степен деацетилације (DA) одређује садржај слободних амино-група у структури и користи се за разликовање хитина од хитозана. Хитозан показује добру растворљивост у благим растварачима, као што је разблажена сирћетна киселина, и има више слободних амино-група које служе као активна места. То хитозану даје предност у односу на хитин у многим хемијским реакцијама.
Хитозан је цењен због одличне биокомпатибилности и биоразградљивости, нетоксичности, доброг антимикробног деловања (против бактерија и гљива), непропустљивости за кисеоник и способности формирања филмова. За разлику од хитина, хитозан има предност јер је растворљив у води, па је њиме лакше руковати и користити га у формулацијама.
Као други најзаступљенији полисахарид после целулозе, хитин је због своје велике заступљености јефтина и одржива сировина.
Производња хитозана
Хитозан се производи у поступку који се одвија у два корака. У првом кораку, сировина, као што су љуштуре ракова (тј. шкампа, краба и јастога), подвргава се депротеинизацији, деминерализацији и пречишћавању да би се добио хитин. У другом кораку, хитин се третира јаком базом (нпр. NaOH) ради уклањања ацетилних бочних ланаца како би се добио хитозан. Познато је да конвенционални поступак производње хитозана захтева веома много времена и велике трошкове.
Хитин
Хитин (C8H13O5N)n је полимер β-1,4-N-ацетилглукозамина са линеарним ланцем и класификује се на α-, β- и γ-хитин. Као дериват глукозе, хитин је главна компонента егзоскелета зглавкара, као што су ракови и инсекти, радула мекушаца, кљунова главоножаца и крљушти риба и лисамфибија, а може се наћи и у ћелијским зидовима гљива. Структура хитина је упоредива са структуром целулозе, при чему формира кристалне нанофибриле или игличасте кристале. Целулоза је најзаступљенији полисахарид на свету, а за њом следи хитин као други најзаступљенији полисахарид.
Глукозамин
Глукозамин (C6H13NO5) је аминошећер и важан прекурсор у биохемијској синтези гликозилованих протеина и липида. Глукозамин је природно широко заступљено једињење које улази у структуру оба полисахарида, хитозана и хитина, што га чини једним од најзаступљенијих моносахарида. Већина комерцијално доступног глукозамина производи се хидролизом егзоскелета ракова, тј. љуштура краба и јастога.
Глукозамин се углавном користи као додатак исхрани, у облику глукозамин-сулфата, глукозамин-хидрохлорида или N-ацетилглукозамина. Додаци исхрани са глукозамин-сулфатом примењују се орално за лечење болног стања изазваног упалом, разградњом и коначним губитком хрскавице (остеоартритиса).