Ultraljudsdeacetylering av kitin till kitosan
Kitosanproduktion med ultraljud
Kitosan erhålls genom N-deacetylering av kitin. Vid konventionell deacetylering blötläggs kitin i vattenbaserade alkaliska lösningsmedel (vanligtvis 40 till 50% (w/w) NaOH). Blötläggningsprocessen kräver höga temperaturer på 100 till 120ºC och är mycket tidskrävande, samtidigt som utbytet av kitosan per blötläggningssteg är lågt. Användningen av ultraljud med hög effekt intensifierar deacetyleringsprocessen för kitin avsevärt och ger ett högt utbyte av kitosan med låg molekylvikt genom en snabb behandling vid lägre temperatur. Ultraljudsdeacetylering ger kitosan av överlägsen kvalitet som används som ingrediens i livsmedel och läkemedel, som gödningsmedel och i många andra industriella tillämpningar.
Ultraljudsbehandling ger en exceptionell acetyleringsgrad (DA) hos kitin genom att sänka acetyleringsgraden från kitin med DA≥90 till kitosan med DA≤10.
Många forskningsstudier bekräftar effektiviteten hos ultraljudsdeacetylering av kitin till kitosan. Weiss J. et al. (2008) fann att ultraljudsbehandling drastiskt förbättrar omvandlingen av kitin till kitosan. Ultraljudsbehandling av kitin medför betydande tidsbesparingar och minskar den nödvändiga processtiden från 12–24 timmar till några få timmar. Dessutom krävs mindre lösningsmedel för att uppnå fullständig omvandling, vilket minskar den miljöpåverkan som uppstår när förbrukat eller oreagerat lösningsmedel, det vill säga koncentrerad NaOH, måste kasseras och omhändertas.
Deacetylering av kitin till kitosan främjas av ultraljudsbehandling
UIP4000hdT – ultraljudssystem med 4kW effekt
Funktionsprincip för ultraljudsbehandling av kitosan
Ultraljudsbehandling med hög effekt och låg frekvens (∼20–26kHz) skapar akustisk kavitation i vätskor och slurryer. Ultraljud med hög effekt främjar omvandlingen av kitin till kitosan genom att lösningsmedlet (t.ex. NaOH) fragmenterar och tränger in i de fasta kitinpartiklarna, vilket ökar ytarean och förbättrar massöverföringen mellan den fasta och den flytande fasen. Dessutom skapar de höga skjuvkrafterna från ultraljudskavitation fria radikaler som ökar reagensets (dvs. NaOH) reaktivitet under hydrolysen. Som en icke-termisk bearbetningsteknik förhindrar ultraljudsbehandling termisk nedbrytning och ger kitosan av hög kvalitet. Ultraljud förkortar de bearbetningstider som krävs för att extrahera kitin ur kräftdjur och ger dessutom kitin (och därmed senare kitosan) med högre renhet jämfört med traditionella bearbetningsförhållanden. Vid produktion av kitin och kitosan har ultraljud därför potential att sänka produktionskostnaderna, minska bearbetningstiden, möjliggöra bättre kontroll över produktionsprocessen och minska miljöpåverkan från processavfallet.
- Högre kitosanutbyte
- Överlägsen kvalitet
- Minskad tidsåtgång
- Lägre processtemperatur
- Ökad effektivitet
- Enkel och säker drift
- Miljövänlig
Ultraljudsdeacetylering av kitin till kitosan – protokoll
1) Förbered kitinet:
När krabbskal används som utgångsmaterial bör de tvättas noggrant för att avlägsna alla lösliga organiska ämnen och vidhäftande föroreningar, inklusive jord och protein. Därefter måste skalmaterialet torkas fullständigt (t.ex. vid 60ºC i 24h i en ugn). De torkade skalen mals sedan (t.ex. med en hammarkvarn), avproteiniseras i ett alkaliskt medium (t.ex. NaOH med en koncentration på 0,125 till 5,0 M) och avmineraliseras i syra (t.ex. utspädd saltsyra).
2) Ultraljudsdeacetylering
För att genomföra en typisk ultraljudsdeacetyleringsreaktion suspenderas beta-kitinpartiklar (0,125 mm < d < 0,250 mm) i 40% (w/w) vattenbaserad NaOH med ett förhållande mellan beta-kitin och vattenbaserad NaOH-lösning på 1/10(g mL-1), suspensionen överförs till en dubbelväggig glasbägare och ultraljudsbehandlas med en Hielscher UP400St ultraljudshomogenisator. Följande parametrar (jfr Fiamingo et al. 2016) hålls konstanta när en ultraljudsbaserad deacetyleringsreaktion av kitin genomförs: (i) ultraljudssond (sonotrod Hielscher S24d22D, spetsdiameter = 22 mm); (ii) pulsläge för ultraljudsbehandlingen (IP = 0,5sec); (iii) ultraljudets ytintensitet
(I = 52,6 W cm-2), (iv) reaktionstemperatur (60ºC ±1ºC), (v) reaktionstid (50 min), (vi) förhållandet mellan betakitinets vikt och volymen av en 40% (w/w) vattenlösning av natriumhydroxid (BCHt/NaOH = 1/10 g mL-1); (vii) betakitinsuspensionens volym (50mL).
Den första reaktionen pågår i 50min under konstant magnetomrörning och avbryts sedan genom att suspensionen snabbt kyls till 0ºC. Därefter tillsätts utspädd saltsyra för att uppnå pH 8,5, och provet CHs1 isoleras genom filtrering, tvättas noggrant med avjoniserat vatten och torkas under omgivande förhållanden. När samma ultraljudsbaserade deacetylering upprepas som ett andra steg på CHs1 erhålls provet CHs2.
Svepelektronmikroskopiska (SEM) bilder vid 100× förstoring av a) gladius, b) ultraljudsbehandlad gladius, c) β-kitin, d) ultraljudsbehandlat β-kitin och e) kitosan (källa: Preto et al. 2017)
Fiamingo et al. fann att ultraljudsbaserad deacetylering av betakitin effektivt producerar kitosan med hög molekylvikt och låg acetyleringsgrad utan att använda tillsatser, inert atmosfär eller långa reaktionstider. Detta trots att den ultraljudsbaserade deacetyleringsreaktionen genomförs under mildare förhållanden – dvs. vid låg reaktionstemperatur jämfört med de flesta termokemiska deacetyleringar. Den ultraljudsbaserade deacetyleringen av betakitin möjliggör framställning av slumpmässigt deacetylerat kitosan med varierande acetyleringsgrad (4% ≤ DA ≤ 37%), hög viktmedelmolekylvikt (900 000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1 200 000 g mol-1 ) och låg dispersitet (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4) genom att genomföra tre på varandra följande reaktioner (50 min/steg) vid 60ºC.
Ultraljudsprocessorer med hög effekt från laboratorieskala till pilot- och industriskala.
Högpresterande ultraljudssystem för kitosanproduktion
Fragmentering av kitin och deacetylering av kitin till kitosan kräver kraftfull och tillförlitlig ultraljudsutrustning som kan leverera höga amplituder, ger exakt kontroll över processparametrarna och kan drivas 24/7 under hög belastning och i krävande miljöer. Hielscher Ultrasonics produktsortiment tillgodoser dina behov och dina processkrav. Hielschers ultraljudsapparater är högpresterande system som kan utrustas med tillbehör som sonotroder, amplitudförstärkare, reaktorer eller flödesceller för att optimalt uppfylla dina processbehov.
Med digital färgskärm, möjlighet att förinställa ultraljudsbehandlingar, automatisk dataregistrering på ett integrerat SD-kort, fjärrstyrning via webbläsare och många fler funktioner säkerställs högsta processkontroll och användarvänlighet. I kombination med robusthet och förmåga att klara hög belastning är Hielschers ultraljudssystem din tillförlitliga arbetshäst i produktionen.
Fragmentering och deacetylering av kitin kräver kraftfullt ultraljud för att uppnå den avsedda omvandlingen och en slutlig kitosanprodukt av hög kvalitet. Särskilt vid fragmentering av kitinflingor är höga amplituder och förhöjda tryck avgörande. Hielscher Ultrasonics industriella ultraljudsprocessorer levererar enkelt mycket höga amplituder. Amplituder på upp till 200µm kan upprätthållas kontinuerligt vid drift 24/7. För ännu högre amplituder finns kundanpassade ultraljudssonotroder tillgängliga. Hielschers ultraljudssystems effektkapacitet möjliggör effektiv och snabb deacetylering i en säker och användarvänlig process.
Tabellen nedan ger en uppfattning om den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater:
| Satsvolym | Flödeshastighet | Rekommenderade apparater |
|---|---|---|
| 1 till 500mL | 10 till 200mL/min | UP100H |
| 10 till 2000mL | 20 till 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 till 20L | 0,2 till 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 till 100L | 2 till 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 till 100L/min | UIP16000 |
| ej tillämpligt | högre | kluster av UIP16000 |
Kontakta oss! / Fråga oss!
Litteratur/referenser
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): Kitosanbaserade bionanokompositfilmer framställda med emulsionsteknik för livsmedelskonservering. Materials 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Långtgående deacetylerat kitosan med hög molekylvikt från ultraljudsassisterad deacetylering av beta-kitin i flera steg. Ultrasonics Sonochemistry 32, 2016. 79–85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Sonokemiskt assisterad omvandling av kitin till kitosan, möte för huvudansvariga forskare inom USDA:s nationella forskningsinitiativ, New Orleans, LA, June 28th.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Temperaturens inverkan vid deacetylering av kitin till kitosan med högintensivt ultraljud som förbehandling, årsmöte för Institute of Food Technologists, New Orleans, LA, June 30th, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Inverkan av högintensivt ultraljud för att påskynda omvandlingen av kitin till kitosan, årsmöte för Institute of Food Technologists, 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): Gladius och dess derivat som potentiella biosorbenter för marin dieselolja. 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): En metod för framställning av kitosannanopartiklar och kitosannanofibrer genom nedbrytning av större strukturer. Carbohydrate Polymers 117, 2015. 731–738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Effektiv minskning av kitosanets molekylvikt med högintensivt ultraljud: bakomliggande mekanism och processparametrarnas inverkan. Journal of Agricultural and Food Chemistry 56(13):5112–5119.
- Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Avfall från fisk och skaldjur: en källa för framställning av kommersiellt användbara kitin-/kitosanmaterial. Bioresurser och bioprocessteknik 6/8, 2019.
Fakta värda att känna till
Hur fungerar deacetylering av kitin med ultraljud?
När högeffektultraljud med låg frekvens (t.ex. 20–26kHz) kopplas in i en vätska eller slurry utsätts vätskan för växlande högtrycks- och lågtryckscykler som skapar kompression och förtunning. Under dessa växlande högtrycks- och lågtryckscykler bildas små vakuumbubblor som växer under flera tryckcykler. När vakuumbubblorna inte kan absorbera mer energi kollapsar de våldsamt. Under denna bubbelimplosion uppstår lokalt mycket intensiva förhållanden: höga temperaturer på upp till 5000K, tryck på upp till 2000atm, mycket höga uppvärmnings- och kylningshastigheter samt tryckskillnader. Eftersom bubbelkollapsens dynamik är snabbare än mass- och värmeöverföringen begränsas energin i den kollapsande kaviteten till en mycket liten zon, även kallad ”het punkt”. Kavitationsbubblans implosion ger också upphov till mikroturbulens, vätskestrålar med hastigheter på upp till 280m/s och resulterande skjuvkrafter. Detta fenomen kallas ultraljudskavitation eller akustisk kavitation.
Droppar och partiklar i den ultraljudsbehandlade vätskan träffas av dessa kavitationskrafter, och när de accelererade partiklarna kolliderar med varandra slås de sönder genom kollisioner mellan partiklarna. Akustisk kavitation är den verksamma principen bakom malning, dispergering, emulgering och sonokemi med ultraljud.
Vid deacetylering av kitin ökar högintensivt ultraljud ytarean genom att aktivera ytan och främja massöverföringen mellan partiklar och reagens.
Kitosan
Kitosan är en modifierad, katjonisk, icke-toxisk kolhydratpolymer med en komplex kemisk struktur som består av β-(1,4)-glukosaminenheter som huvudkomponent (>80%) och N-acetylglukosaminenheter (<20%), slumpmässigt fördelade längs kedjan. Kitosan framställs ur kitin genom kemisk eller enzymatisk deacetylering. Deacetyleringsgraden (DA) bestämmer halten fria aminogrupper i strukturen och används för att skilja mellan kitin och kitosan. Kitosan uppvisar god löslighet i milda lösningsmedel såsom utspädd ättiksyra och har flera fria aminogrupper som fungerar som aktiva ställen. Detta ger kitosan fördelar jämfört med kitin i många kemiska reaktioner.
Kitosan uppskattas för sin utmärkta biokompatibilitet och biologiska nedbrytbarhet, sin icke-toxicitet, sin goda antimikrobiella aktivitet (mot bakterier och svampar), sin ogenomtränglighet för syre och sina filmbildande egenskaper. Till skillnad från kitin har kitosan fördelen att vara vattenlösligt och därmed lättare att hantera och använda i formuleringar.
Kitin är den näst vanligast förekommande polysackariden efter cellulosa, och den stora tillgången gör det till en billig och hållbar råvara.
Produktion av kitosan
Kitosan produceras i en process med två steg. I det första steget avproteiniseras, avmineraliseras och renas råmaterialet, såsom kräftdjursskal (dvs. räkor, krabbor, humrar), för att erhålla kitin. I det andra steget behandlas kitin med en stark bas (t.ex. NaOH) för att avlägsna acetylsidokedjor och därmed erhålla kitosan. Konventionell kitosanproduktion är känd för att vara mycket tidskrävande och kostsam.
Kitin
Kitin (C8H13O5N)n är en rakkedjig polymer av β-1,4-N-acetylglukosamin och indelas i α-, β- och γ-kitin. Kitin är ett derivat av glukos och en huvudkomponent i leddjurens exoskelett, exempelvis hos kräftdjur och insekter, i blötdjurens rasptungor, bläckfiskarnas näbbar samt fiskarnas och de moderna groddjurens fjäll. Det finns även i svampars cellväggar. Kitinets struktur är jämförbar med cellulosans och bildar kristallina nanofibriller eller nålformiga kristaller. Cellulosa är världens vanligast förekommande polysackarid, följd av kitin som den näst vanligast förekommande polysackariden.
Glukosamin
Glukosamin (C6H13NO5) är en aminosockerart och en viktig prekursor vid den biokemiska syntesen av glykosylerade proteiner och lipider. Glukosamin är en naturligt rikligt förekommande förening som ingår i strukturen hos båda polysackariderna kitosan och kitin, vilket gör glukosamin till en av de vanligast förekommande monosackariderna. Det mesta av det kommersiellt tillgängliga glukosaminet produceras genom hydrolys av kräftdjurens exoskelett, dvs. krabb- och hummerskal.
Glukosamin används främst som kosttillskott i form av glukosaminsulfat, glukosaminhydroklorid eller N-acetylglukosamin. Kosttillskott med glukosaminsulfat ges oralt för att behandla ett smärtsamt tillstånd som orsakas av inflammation, nedbrytning och slutligen förlust av brosk (artros).