Kitinin Kitosana Ultrasonik Deasetilasyonu
Ultrasonik Kitosan Üretimi
Kitosan, kitinin N-deasetilasyonu yoluyla elde edilir. Geleneksel deasetilasyonda kitin, sulu alkali çözücülerde (genellikle %40–50 (w/w) NaOH) bekletilir. Bekletme işlemi 100–120ºC gibi yüksek sıcaklıklar gerektirir ve çok zaman alır; buna karşılık her bekletme adımında elde edilen kitosanın verimi düşüktür. Yüksek güçlü ultrason uygulaması, kitinin deasetilasyon sürecini önemli ölçüde yoğunlaştırır ve daha düşük sıcaklıkta hızlı bir işlemle düşük molekül ağırlıklı kitosanın yüksek verimle elde edilmesini sağlar. Ultrasonik deasetilasyon sonucunda, gıda ve ilaç bileşeni olarak, gübre olarak ve birçok başka endüstriyel uygulamada kullanılan üstün kalitede kitosan elde edilir.
Ultrasonik işlem, kitinin asetilasyon derecesini DA≥90 düzeyinden DA≤10 olan kitosana düşürerek olağanüstü bir asetilasyon derecesi (DA) elde edilmesini sağlar.
Birçok araştırma, kitinin kitosana ultrasonik deasetilasyonunun etkinliğini doğrulamaktadır. Weiss J. ve ark. (2008), sonikasyonun kitinin kitosana dönüşümünü büyük ölçüde iyileştirdiğini bulmuştur. Kitinin ultrasonik işlenmesi, gereken işlem süresini 12–24 saatten birkaç saate indirerek önemli ölçüde zaman tasarrufu sağlar. Ayrıca, tam dönüşüm elde etmek için daha az çözücü gerekir; bu da kullanılmış veya reaksiyona girmemiş çözücünün, yani konsantre NaOH’nin, atılması ve bertaraf edilmesinden kaynaklanan çevresel etkiyi azaltır.
Kitinin kitosana deasetilasyonu sonikasyonla desteklenir
UIP4000hdT – 4kW gücünde ultrasonik sistem
Ultrasonik Kitosan İşleminin Çalışma Prensibi
Yüksek güçlü, düşük frekanslı ultrasonikasyon (∼20–26kHz), sıvılarda ve bulamaçlarda akustik kavitasyon oluşturur. Yüksek güçlü ultrason, çözücünün (ör. NaOH) katı kitin parçacıklarını parçalaması ve bu parçacıklara nüfuz etmesi yoluyla kitinin kitosana dönüşümünü destekler; böylece yüzey alanını genişletir ve katı ile sıvı faz arasındaki kütle transferini iyileştirir. Ayrıca, ultrasonik kavitasyonun yüksek kesme kuvvetleri, hidroliz sırasında reaktifin (yani NaOH’nin) reaktivitesini artıran serbest radikaller oluşturur. Termal olmayan bir işleme tekniği olan sonikasyon, termal bozunmayı önleyerek yüksek kaliteli kitosan üretir. Ultrason, kabuklulardan kitin elde etmek için gereken işlem sürelerini kısaltır ve geleneksel işleme koşullarına kıyasla daha yüksek saflıkta kitin (ve dolayısıyla daha sonra kitosan) elde edilmesini sağlar. Bu nedenle ultrason, kitin ve kitosan üretiminde üretim maliyetlerini düşürme, işlem süresini azaltma, üretim sürecinin daha iyi kontrol edilmesine olanak tanıma ve proses atıklarının çevresel etkisini azaltma potansiyeline sahiptir.
- Daha Yüksek Kitosan Verimi
- Üstün Kalite
- Daha Kısa Süre
- Daha Düşük Proses Sıcaklığı
- Artan Verimlilik
- Kolay ve Güvenli Kullanım
- Çevre Dostu
Kitinin Kitosana Ultrasonik Deasetilasyonu – Protokol
1) Kitini hazırlayın:
Kaynak malzeme olarak yengeç kabukları kullanıldığında, çözünür organik maddeleri ve toprak ile protein dahil yapışmış safsızlıkları gidermek için yengeç kabukları iyice yıkanmalıdır. Ardından kabuk malzemesi tamamen kurutulmalıdır (ör. bir fırında 60ºC sıcaklıkta 24h boyunca). Kurutulan kabuklar daha sonra öğütülür (ör. çekiçli değirmen kullanılarak), alkali bir ortamda proteinlerinden arındırılır (ör. 0,125–5,0 M konsantrasyonda NaOH) ve asit içinde minerallerinden arındırılır (ör. seyreltik hidroklorik asit).
2) Ultrasonik Deasetilasyon
Tipik bir ultrasonik deasetilasyon reaksiyonu gerçekleştirmek için beta-kitin parçacıkları (0,125 mm < d < 0,250 mm), %40 (w/w) sulu NaOH içinde beta-kitin/sulu NaOH çözeltisi oranı 1/10(g mL-1) olacak şekilde süspanse edilir; süspansiyon çift cidarlı bir cam behere aktarılır ve Hielscher UP400St ultrasonik homojenizatörü kullanılarak sonikasyona tabi tutulur. Ultrasonik kitin deasetilasyonu reaksiyonu gerçekleştirilirken aşağıdaki parametreler (bkz. Fiamingo ve ark. 2016) sabit tutulur: (i) ultrasonik prob (Hielscher S24d22D sonotrotu, uç çapı = 22 mm); (ii) sonikasyon darbe modu (IP = 0,5sec); (iii) ultrasonik yüzey şiddeti
(I = 52,6 W cm-2), (iv) reaksiyon sıcaklığı (60ºC ±1ºC), (v) reaksiyon süresi (50 min), (vi) beta-kitin ağırlığının %40 (w/w) sulu sodyum hidroksit hacmine oranı (BCHt/NaOH = 1/10 g mL-1); (vii) beta-kitin süspansiyonunun hacmi (50mL).
İlk reaksiyon, sürekli manyetik karıştırma altında 50min boyunca ilerler ve ardından süspansiyon hızla 0ºC sıcaklığa soğutularak durdurulur. Daha sonra pH 8,5 değerine ulaşmak için seyreltik hidroklorik asit eklenir ve CHs1 numunesi filtrasyonla ayrılır, deiyonize suyla iyice yıkanır ve ortam koşullarında kurutulur. Aynı ultrasonik deasetilasyon, CHs1 numunesine ikinci adım olarak tekrar uygulandığında CHs2 numunesi elde edilir.
a) gladius, b) ultrasonla işlenmiş gladius, c) β-kitin, d) ultrasonla işlenmiş β-kitin ve e) kitosanın 100× büyütmedeki taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri (kaynak: Preto ve ark. 2017)
Fiamingo ve ark., beta-kitinin ultrasonik deasetilasyonunun, katkı maddeleri veya inert atmosfer kullanılmadan ve uzun reaksiyon süreleri gerektirmeden, düşük asetilasyon derecesine sahip yüksek molekül ağırlıklı kitosanı verimli biçimde ürettiğini bulmuştur. Ultrasonik deasetilasyon reaksiyonu daha ılımlı koşullarda – yani çoğu termokimyasal deasetilasyona kıyasla düşük reaksiyon sıcaklığında – gerçekleştirilse de beta-kitinin ultrasonik deasetilasyonu, değişken asetilasyon derecesine (%4 ≤ DA ≤ %37), yüksek ağırlık ortalamalı molekül ağırlığına (900.000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1.200.000 g mol-1 ) ve düşük dispersiteye (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4) sahip, rastgele deasetillenmiş kitosanın 60ºC sıcaklıkta art arda üç reaksiyon (50 min/adım) gerçekleştirilerek hazırlanmasına olanak tanır.
Laboratuvar ölçeğinden pilot ve endüstriyel ölçeğe kadar yüksek güçlü ultrasonik işlemciler.
Kitosan Üretimi için Yüksek Performanslı Ultrasonik Sistemler
Kitinin parçalanması ve kitinin kitosana deasetilasyonu; yüksek genlikler sağlayabilen, proses parametrelerinin hassas biçimde kontrol edilmesine olanak tanıyan ve ağır yük altında, zorlu ortamlarda 24/7 çalıştırılabilen güçlü ve güvenilir ultrasonik ekipman gerektirir. Hielscher Ultrasonics ürün yelpazesi, sizin ve prosesinizin gereksinimlerini karşılar. Hielscher sonikatörleri, proses ihtiyaçlarınıza en uygun şekilde uyum sağlamak için sonotrotlar, genlik yükselticiler, reaktörler veya akış hücreleri gibi aksesuarlarla donatılabilen yüksek performanslı sistemlerdir.
Dijital renkli ekran, sonikasyon işlemlerini önceden ayarlama seçeneği, entegre SD karta otomatik veri kaydı, tarayıcı üzerinden uzaktan kontrol ve daha birçok özellik sayesinde en yüksek proses kontrolü ve kullanım kolaylığı sağlanır. Sağlamlık ve ağır yük taşıma kapasitesiyle birlikte Hielscher ultrasonik sistemleri, üretimde güvenilir iş gücünüzdür.
Kitinin parçalanması ve deasetilasyonu, hedeflenen dönüşümü ve yüksek kaliteli nihai kitosan ürününü elde etmek için güçlü ultrason gerektirir. Özellikle kitin pullarının parçalanmasında yüksek genlikler ve yükseltilmiş basınçlar kritik önem taşır. Hielscher Ultrasonics endüstriyel ultrasonik işlemcileri, çok yüksek genlikleri kolaylıkla sağlar. 200µm’ye kadar genliklerde 24/7 kesintisiz çalışma mümkündür. Daha da yüksek genlikler için özel olarak uyarlanmış ultrasonik sonotrotlar mevcuttur. Hielscher ultrasonik sistemlerinin güç kapasitesi, güvenli ve kullanıcı dostu bir süreçte verimli ve hızlı deasetilasyona olanak tanır.
Aşağıdaki tablo, sonikatörlerimizin yaklaşık işleme kapasitesi hakkında bilgi verir:
| Parti Hacmi | Debi | Önerilen Cihazlar |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10–100L/min | UIP16000 |
| n.a. | daha yüksek | Sonikatör kümesi: UIP16000 |
Bizimle İletişime Geçin! / Bize Sorun!
Literatür/Kaynaklar
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): Gıdaların Muhafazası için Emülsiyon Tekniğiyle Hazırlanan Kitosan Bazlı Biyonanokompozit Filmler. Materials 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Beta-kitinin çok adımlı ultrason destekli deasetilasyonundan elde edilen, kapsamlı biçimde deasetillenmiş yüksek molekül ağırlıklı kitosan. Ultrasonics Sonochemistry 32, 2016. 79–85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Kitinin Kitosana Sonokimyasal Destekli Dönüşümü, USDA Ulusal Araştırma Girişimi Baş Araştırmacılar Toplantısı, New Orleans, LA, 28 Haziran.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Ön işlem olarak yüksek şiddetli ultrason kullanılarak kitinin kitosana deasetilasyonu sırasında sıcaklığın etkisi, Gıda Teknologları Enstitüsü Yıllık Toplantısı, New Orleans, LA, 30 Haziran, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Kitinin kitosana dönüşümünü hızlandırmada yüksek şiddetli ultrasonun etkisi, Gıda Teknologları Enstitüsü Yıllık Toplantısı, New Orleans, LA, 30 Haziran, 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): Denizcilikte kullanılan dizel yakıtı için potansiyel biyosorbentler olarak gladius ve türevleri. Environmental Science and Pollution Research (2017) 24:22.932–22.939.
- Wijesena R.N., Tissera N., Kannangara Y.Y., Lin Y., Amaratunga G.A.J., de Silva K.M.N. (2015): Kitosan nanoparçacıklarının ve nanoliflerinin yukarıdan aşağıya yaklaşımla hazırlanması için bir yöntem. Carbohydrate Polymers 117, 2015. 731–738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Yüksek şiddetli ultrasonla kitosanın molekül ağırlığının verimli biçimde azaltılması: Altta yatan mekanizma ve işleme parametrelerinin etkisi. Journal of Agricultural and Food Chemistry 56(13):5112-5119.
- Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Deniz ürünleri atıkları: ticari olarak kullanılabilir kitin/kitosan malzemelerinin hazırlanması için bir kaynak. Bioresources and Bioprocessing 6/8, 2019.
Bilinmesi Gereken Bilgiler
Ultrasonik Kitin Deasetilasyonu Nasıl Çalışır?
Yüksek güçlü, düşük frekanslı ultrason (ör. 20–26kHz) bir sıvıya veya bulamaca aktarıldığında, sıvıya dönüşümlü yüksek basınç / düşük basınç çevrimleri uygulanarak sıkışma ve seyrelme oluşturulur. Bu dönüşümlü yüksek basınç / düşük basınç çevrimleri sırasında, birkaç basınç çevrimi boyunca büyüyen küçük vakum kabarcıkları oluşur. Vakum kabarcıkları daha fazla enerji soğuramadıkları noktada şiddetle çöker. Kabarcığın bu içe çöküşü sırasında yerel olarak çok şiddetli koşullar oluşur: 5000K’ye kadar yüksek sıcaklıklar, 2000atm’ye kadar basınçlar, çok yüksek ısıtma/soğutma hızları ve basınç farkları ortaya çıkar. Kabarcık çöküşünün dinamikleri kütle ve ısı transferinden daha hızlı olduğundan, çöken boşluktaki enerji, “sıcak nokta” olarak da adlandırılan çok küçük bir bölgeye hapsolur. Kavitasyon kabarcığının içe çöküşü ayrıca mikrotürbülanslara, 280m/s’ye kadar hızlara sahip sıvı jetlerine ve bunların sonucunda oluşan kesme kuvvetlerine yol açar. Bu olgu, ultrasonik veya akustik kavitasyon olarak bilinir.
Sonikasyona tabi tutulan sıvıdaki damlacıklar ve parçacıklar bu kavitasyon kuvvetlerine maruz kalır; hızlandırılan parçacıklar birbirleriyle çarpıştığında, parçacıklar arası çarpışma sonucunda parçalanır. Akustik kavitasyon, ultrasonik öğütme, dispersiyon, emülsifikasyon ve sonokimyanın çalışma prensibidir.
Kitin deasetilasyonunda yüksek şiddetli ultrason, yüzeyi aktive ederek ve parçacıklar ile reaktif arasındaki kütle transferini destekleyerek yüzey alanını artırır.
Kitosan
Kitosan, zincir boyunca rastgele dağılmış, ana bileşen olarak β-(1,4) glukozamin birimleri (>%80) ve N-asetil glukozamin birimleri (<%20) tarafından oluşturulan karmaşık bir kimyasal yapıya sahip, modifiye edilmiş, katyonik, toksik olmayan bir karbonhidrat polimeridir. Kitosan, kimyasal veya enzimatik deasetilasyon yoluyla kitinden türetilir. Deasetilasyon derecesi (DA), yapıdaki serbest amino gruplarının içeriğini belirler ve kitin ile kitosanı ayırt etmek için kullanılır. Kitosan, seyreltik asetik asit gibi ılımlı çözücülerde iyi çözünürlük gösterir ve aktif bölgeler olarak çeşitli serbest amin grupları sunar. Bu özellik, birçok kimyasal reaksiyonda kitosanı kitine göre avantajlı kılar.
Kitosan; mükemmel biyouyumluluğu ve biyobozunurluğu, toksik olmaması, iyi antimikrobiyal aktivitesi (bakterilere ve mantarlara karşı), oksijen geçirimsizliği ve film oluşturma özellikleri nedeniyle değerlidir. Kitinin aksine kitosan, suda çözünebilme ve dolayısıyla formülasyonlarda daha kolay işlenebilme ve kullanılabilme avantajına sahiptir.
Selülozdan sonra en bol bulunan ikinci polisakkarit olan kitinin çok bol bulunması, onu ucuz ve sürdürülebilir bir ham madde hâline getirir.
Kitosan Üretimi
Kitosan iki adımlı bir süreçte üretilir. İlk adımda, kabuklu hayvanların kabukları (yani karides, yengeç, ıstakoz) gibi ham maddeler, kitin elde etmek için proteinlerinden ve minerallerinden arındırılır ve saflaştırılır. İkinci adımda kitin, kitosan elde etmek üzere asetil yan zincirlerini uzaklaştırmak için güçlü bir bazla (ör. NaOH) işlenir. Geleneksel kitosan üretim sürecinin çok zaman alıcı ve maliyetli olduğu bilinmektedir.
Kitin
Kitin (C8H13O5N)n β-1,4-N-asetilglukozaminin düz zincirli bir polimeridir ve α-, β- ve γ-kitin olarak sınıflandırılır. Glukozun bir türevi olan kitin; kabuklular ve böcekler gibi eklembacaklıların dış iskeletlerinin, yumuşakçaların radulalarının, kafadanbacaklıların gagalarının ve balıklar ile lissamfibilerin pullarının ana bileşenlerinden biridir ve mantarların hücre duvarlarında da bulunabilir. Kitinin yapısı selülozun yapısıyla karşılaştırılabilir; kitin, kristalin nanofibriller veya iğnemsi kristaller oluşturur. Selüloz, dünyada en bol bulunan polisakkarittir; onu ikinci en bol bulunan polisakkarit olarak kitin izler.
Glukozamin
Glukozamin (C6H13NO5) bir amino şekerdir ve glikozillenmiş proteinler ile lipitlerin biyokimyasal sentezinde önemli bir öncüdür. Glukozamin, her iki polisakkaritin, yani kitosan ve kitinin yapısında yer alan, doğada bol bulunan bir bileşiktir; bu da glukozamini en bol bulunan monosakkaritlerden biri yapar. Ticari olarak temin edilebilen glukozaminin çoğu, kabuklu hayvanların dış iskeletlerinin, yani yengeç ve ıstakoz kabuklarının hidroliziyle üretilir.
Glukozamin başlıca besin takviyesi olarak, glukozamin sülfat, glukozamin hidroklorür veya N-asetil glukozamin biçimlerinde kullanılır. Glukozamin sülfat takviyeleri, kıkırdağın iltihaplanması, bozulması ve nihayetinde kaybının neden olduğu ağrılı bir durumu (osteoartrit) tedavi etmek için ağız yoluyla uygulanır.