Ультразвукове деацетилювання хітину до хітозану
Ультразвукове виробництво хітозану
Хітозан отримують шляхом N-деацетилювання хітину. При звичайному деацетилюванні хітин замочують у водних лужних розчинниках (зазвичай 40–50% (w/w) NaOH). Процес замочування вимагає високих температур 100–120ºC і є дуже тривалим, тоді як вихід хітозану, отриманого за один етап замочування, є низьким. Застосування високопотужного ультразвуку суттєво інтенсифікує процес деацетилювання хітину та призводить до високого виходу хітозану з низькою молекулярною масою при швидкій обробці за нижчої температури. Ультразвукове деацетилювання дає хітозан вищої якості, який використовується як інгредієнт у харчовій та фармацевтичній промисловості, як добриво та в багатьох інших промислових застосуваннях.
Ультразвукова обробка призводить до виняткового ступеня ацетилювання (DA) хітину, знижуючи ступінь ацетилювання хітину з DA≥90 до хітозану з DA≤10.
Багато дослідницьких робіт підтверджують ефективність ультразвукового деацетилювання хітину до хітозану. Weiss J. et al. (2008) виявили, що ультразвукова обробка різко покращує перетворення хітину на хітозан. Ультразвукова обробка хітину супроводжується значною економією часу, скорочуючи необхідний час процесу з 12–24 годин до кількох годин. Крім того, для досягнення повного перетворення потрібно менше розчинника, що знижує екологічний вплив, пов’язаний з утилізацією та видаленням відпрацьованого або непрореагованого розчинника, тобто концентрованого NaOH.
Деацетилювання хітину до хітозану сприяє ультразвукова обробка
UIP4000hdT – 4kW потужна ультразвукова система
Принцип дії ультразвукової обробки хітозану
Ультразвукова обробка високої потужності та низької частоти (∼20–26kHz) створює акустичну кавітацію в рідинах та суспензіях. Високопотужний ультразвук сприяє перетворенню хітину на хітозан, оскільки розчинник (наприклад, NaOH) фрагментує та проникає у тверді частинки хітину, тим самим збільшуючи площу поверхні та покращуючи масоперенесення між твердою та рідкою фазами. Крім того, високі зсувні сили ультразвукової кавітації створюють вільні радикали, які підвищують реакційну здатність реагенту (тобто NaOH) під час гідролізу. Як нетермічна технологія обробки, ультразвукова обробка запобігає термічній деградації, виробляючи хітозан високої якості. Ультразвук скорочує час обробки, необхідний для екстракції хітину з ракоподібних, а також забезпечує вищий вихід хітину (і, відповідно, хітозану) з вищою чистотою порівняно з традиційними умовами обробки. Для виробництва хітину та хітозану ультразвук, таким чином, має потенціал для зниження виробничих витрат, скорочення часу обробки, забезпечення кращого контролю виробничого процесу та зменшення екологічного впливу відходів процесу.
- Вищий вихід хітозану
- Вища якість
- Скорочений час
- Нижча температура процесу
- Підвищена ефективність
- Легка та безпечна експлуатація
- Екологічність
Ультразвукове деацетилювання хітину до хітозану – Протокол
1) Підготуйте хітин:
Використовуючи панцири крабів як сировину, панцири крабів слід ретельно промити, щоб видалити будь-які розчинні органічні речовини та домішки, що прилипають, включаючи ґрунт та білок. Після цього матеріал панцирів необхідно повністю висушити (наприклад, при 60ºC протягом 24h у печі). Висушені панцири потім подрібнюють (наприклад, з використанням молоткового млина), депротеїнізують у лужному середовищі (наприклад, NaOH при концентрації 0,125–5,0 M) та демінералізують у кислоті (наприклад, розбавлена хлористоводнева кислота).
2) Ультразвукове деацетилювання
Для проведення типової реакції ультразвукового деацетилювання частинки бета-хітину (0,125 mm < d < 0,250 mm) суспензують у 40% (w/w) водному розчині NaOH у співвідношенні бета-хітин/водний розчин NaOH 1/10(g mL-1), суспензію переносять у скляний хімічний стакан із подвійними стінками і піддають ультразвуковій обробці за допомогою Hielscher UP400St ультразвукового гомогенізатора. Наступні параметри (пор. Fiamingo et al. 2016) залишаються незмінними при проведенні реакції ультразвукової деацетилювання хітину: (i) ультразвуковий зонд (сонотрод Hielscher S24d22D, діаметр наконечника = 22 mm); (ii) імпульсний режим ультразвукової обробки (IP = 0,5sec); (iii) ультразвукова поверхнева інтенсивність
(I = 52,6 W cm-2), (iv) температура реакції (60ºC ±1ºC), (v) час реакції (50 min), (vi) співвідношення маси β-хітину до об’єму 40% (w/w) водного розчину гідроксиду натрію (BCHt/NaOH = 1/10 g mL-1); (vii) об’єм суспензії β-хітину (50mL).
Перша реакція триває 50min за постійного магнітного перемішування, після чого її переривають шляхом швидкого охолодження суспензії до 0ºC. Потім додають розбавлену хлоридну кислоту для досягнення pH 8,5, і зразок CHs1 виділяють фільтрацією, ретельно промивають деіонізованою водою та сушать за кімнатних умов. Якщо таку саму ультразвукову деацетилювання повторити як другий етап для CHs1, це дає зразок CHs2.
Зображення скануючої електронної мікроскопії (SEM) зі збільшенням 100×: a) гладіус, b) гладіус, оброблений ультразвуком, c) β-хітин, d) β-хітин, оброблений ультразвуком, та e) хітозан (джерело: Preto et al. 2017)
Fiamingo et al. виявили, що ультразвукова деацетилювання β-хітину ефективно виробляє хітозан з високою молекулярною масою та низьким ступенем ацетилювання, не використовуючи ні добавок, ні інертної атмосфери, ні тривалих часів реакції. Навіть попри те, що реакція ультразвукової деацетилювання проводиться в м’якших умовах – тобто при низькій температурі реакції порівняно з більшістю термохімічних деацетилювань. Ультразвукова деацетилювання β-хітину дозволяє отримати випадково деацетильований хітозан, що має змінний ступінь ацетилювання (4% ≤ DA ≤ 37%), високу середню за масою молекулярну масу (900 000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1 200 000 g mol-1 ) та низьку дисперсність (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4), проводячи три послідовні реакції (50 min/step) при 60ºC.
Ультразвукові процесори високої потужності від лабораторного до пілотного та промислового масштабу.
Високопродуктивні ультразвукові системи для виробництва хітозану
Фрагментація хітину та деацетилювання хітину в хітозан вимагають потужного та надійного ультразвукового обладнання, яке може забезпечувати високі амплітуди, пропонує точну керованість параметрами процесу та може працювати 24/7 під великим навантаженням у складних умовах. Асортимент продукції Hielscher Ultrasonics задовольнить ваші та вашого процесу вимоги. Ультразвукові системи Hielscher – це високопродуктивні системи, які можна оснастити аксесуарами, такими як сонотроди, підсилювачі, реактори або проточні комірки, щоб оптимально відповідати потребам вашого процесу.
Завдяки цифровому кольоровому дисплею, можливості попереднього налаштування режимів ультразвукової обробки, автоматичному запису даних на вбудовану SD-карту, дистанційному керуванню через браузер та багатьом іншим функціям забезпечується найвищий рівень контролю процесу та зручність використання. Поєднані з надійністю та високою вантажопідйомністю, ультразвукові системи Hielscher є вашим надійним робочим конем у виробництві.
Фрагментація хітину та деацетилювання вимагають потужного ультразвуку для досягнення цільової конверсії та кінцевого продукту хітозану високої якості. Особливо для фрагментації пластівців хітину критично важливі високі амплітуди та підвищені тиски. Промислові ультразвукові процесори Hielscher Ultrasonics легко забезпечують дуже високі амплітуди. Амплітуди до 200µm можуть підтримуватися безперервно в режимі 24/7. Для ще вищих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди. Потужність ультразвукових систем Hielscher дозволяє проводити ефективне та швидке деацетилювання в безпечному та зручному для користувача процесі.
Нижче наведена таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність наших ультразвукових систем:
| Об’єм партії | Об’ємна витрата | Рекомендовані пристрої |
|---|---|---|
| 1 to 500mL | 10 to 200mL/min | UP100H |
| 10 to 2000mL | 20 to 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 to 20L | 0,2 to 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 to 100L | 2 to 10L/min | UIP4000hdT |
| н.д. | 10 to 100L/min | UIP16000 |
| н.з. | більший | кластер UIP16000 |
Зв’яжіться з нами! / Запитайте нас!
Література / Посилання
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): Chitosan-Based Bionanocomposite Films Prepared by Emulsion Technique for Food Preservation. Materials 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Extensively deacetylated high molecular weight chitosan from the multistep ultrasound-assisted deacetylation of beta-chitin. Ultrasonics Sonochemistry 32, 2016. 79–85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Sonochemically-Assisted Conversion of Chitin to Chitosan, USDA National Research Initiative Principal Investigators Meeting, New Orleans, LA, June 28th.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Influence of temperature during deacetylation of chitin to chitosan with high-intensity ultrasound as a pre-treatment, Annual Meeting of the Institute of Food Technologists, New Orleans, LA, June 30th, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Influence of high-intensity ultrasound to accelerate the conversion of chitin to chitosan, Annual Meeting of the 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 and its derivatives as potential biosorbents for marine diesel oil. 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): A method for top down preparation of chitosan nanoparticles and nanofibers. Carbohydrate Polymers 117, 2015. 731–738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Efficient reduction of chitosan molecular weight by high-intensity ultrasound: Underlying mechanism and effect of processing parameters. Journal of Agricultural and Food Chemistry 56(13):5112-5119.
- Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Seafood waste: a source for preparation of commercially employable chitin/chitosan materials. Bioresources and Bioprocessing 6/8, 2019.
Факти, які варто знати
Як працює ультразвукове деацетилювання хітину до хітозану?
Коли ультразвукові хвилі високої потужності та низької частоти (наприклад, 20-26kHz) вводяться в рідину або суспензію, на рідину діють чергування циклів високого тиску / низького тиску, створюючи стиснення та розрідження. Під час цих чергувань циклів високого тиску / низького тиску генеруються малі вакуумні бульбашки, які зростають протягом кількох циклів тиску. У момент, коли вакуумні бульбашки не можуть поглинати більше енергії, вони різко колапсують. Під час цього імплозійного колапсу бульбашки локально виникають дуже інтенсивні умови: високі температури до 5000K, тиски до 2000atm, дуже високі швидкості нагрівання/охолодження та перепади тиску. Оскільки динаміка колапсу бульбашок швидша за масо- та теплоперенесення, енергія в колапсуючій порожнині зосереджена у дуже малій зоні, також відомій як «гаряча точка». Імплозія кавітаційної бульбашки також призводить до мікротурбулентностей, рідинних струменів зі швидкістю до 280m/s та виникаючих зсувних сил. Це явище відоме як ультразвукова або акустична кавітація.
Краплі та частинки в обробленій ультразвуком рідині зазнають дії цих кавітаційних сил, і коли прискорені частинки стикаються одна з одною, вони руйнуються внаслідок міжчастинкового зіткнення. Акустична кавітація є робочим принципом ультразвукового млину, диспергування, емульгації та сонохімії.
Для деацетилювання хітину ультразвукова обробка високої інтенсивності збільшує площу поверхні, активуючи поверхню та сприяючи масоперенесенню між частинками та реагентом.
Хітозан
Хітозан – це модифікований, катіонний, нетоксичний вуглеводний полімер зі складною хімічною структурою, утвореною ланками β-(1,4)-глюкозаміну як основного компонента (>80%) та ланками N-ацетилглюкозаміну (<20%), які випадково розподілені вздовж ланцюга. Хітозан отримують з хітину шляхом хімічного або ферментативного деацетилювання. Ступінь деацетилювання (DA) визначає вміст вільних аміногруп у структурі та використовується для розрізнення хітину та хітозану. Хітозан демонструє добру розчинність у помірних розчинниках, таких як розведена оцтова кислота, і пропонує кілька вільних аміногруп як активних центрів. Це робить хітозан переважним над хітином у багатьох хімічних реакціях.
Хітозан цінується за свою чудову біосумісність і біорозкладність, нетоксичність, добру антимікробну активність (проти бактерій і грибів), кисневу непроникність і плівкоутворювальні властивості. На відміну від хітину, хітозан має перевагу бути розчинним у воді, а отже, легшим у обробці та використанні у формуляціях.
Як другий за поширеністю полісахарид після целюлози, величезна кількість хітину робить його дешевим і сталим сировинним матеріалом.
Виробництво хітозану
Хітозан виробляють у два етапи. На першому етапі сировину, таку як панцири ракоподібних (напр. креветки, краби, омари), депротеїнізують, демінералізують і очищують, щоб отримати хітин. На другому етапі хітин обробляють сильною основою (напр., NaOH), щоб видалити ацетильні бічні ланцюги, з метою отримання хітозану. Процес conventional виробництва хітозану відомий як дуже тривалий і коштовний.
Хітин
Хітин (C8H13O5N)n є лінійним полімером β-1,4-N-ацетилглюкозаміну і класифікується на α-, β- та γ-хітин. Будучі похідною глюкози, хітин є основним компонентом екзоскелетів членистоногих, таких як ракоподібні та комахи, радул молюсків, дзьобів головоногих, а також луски риб і лісамфібій, і може також бути знайдений у клітинних стінках грибів. Структура хітину порівнянна з целюлозою, утворюючи кристалічні нановолокна або вусики. Целюлоза є найпоширенішим полісахаридом у світі, за нею йде хітин як другий за поширеністю полісахарид.
Глюкозамін
Глюкозамін (C6H13NO5) є аміноцукром і важливим прекурсором у біохімічному синтезі глікозильованих білків і ліпідів. Глюкозамін природно є поширеною сполукою, яка є частиною структури обох полісахаридів, хітозану та хітину, що робить глюкозамін одним із найпоширеніших моносахаридів. Більшість комерційно доступного глюкозаміну виробляють шляхом гідролізу екзоскелетів ракоподібних, тобто панцирів крабів і лобстерів.
Глюкозамін переважно використовують як дієтичну добавку, де його застосовують у формі сульфату глюкозаміну, гідрохлориду глюкозаміну або N-ацетилглюкозаміну. Добавки сульфату глюкозаміну приймають перорально для лікування болючого стану, спричиненого запаленням, руйнуванням і зрештою втратою хрящів (остеоартрит).