Ультразвукове деацетилювання хітину до хітозану
Виробництво ультразвукового хітозану
Хітозан отримують шляхом N-деацетилювання хітину. При звичайному деацетилюванні хітин замочують у водних розчинниках лугів (зазвичай від 40 до 50% (w/w) NaOH). Процес замочування вимагає високих температур від 100 до 120ºC дуже трудомісткий, тоді як вихід хітозану, отриманого за один етап замочування, низький. Застосування потужних ультразвукових засобів значно інтенсифікує процес деацетилювання хітину і призводить до високого виходу низькомолекулярного хітозану при швидкій обробці при більш низькій температурі. Ультразвукове деацетилювання призводить до отримання хітозану найвищої якості, який використовується як харчовий та фармацевтичний інгредієнт, 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 наукових досліджень підтверджують ефективність ультразвукового деацетилювання хітину до хітозану. Weiss J. et al. (2008) виявили, що ультразвукова хвороба різко покращує перетворення хітину в хітозан. Ультразвукове лікування хітином супроводжується значною економією часу, скорочуючи необхідний час процесу з 12-24 годин до декількох годин. Крім того, для досягнення повного перетворення потрібно менше розчинника, що знижує вплив на навколишнє середовище від необхідності викидати та утилізувати відпрацьований або непрореагований розчинник, тобто концентрований NaOH.
Деацетилюванню хітину до хітозану сприяє ультразвукова хвороба
UIP4000HDT – Ультразвукова система потужністю 4 кВт
Принцип роботи ультразвукового лікування хітозаном
Ультразвук високої потужності низької частоти (∼20-26 кГц) створює акустичну кавітацію в рідинах і суспензіях. Ультразвук високої потужності сприяє перетворенню хітину в хітозан, оскільки розчинник (наприклад, NaOH) фрагментує і проникає в тверді частинки хітину, тим самим збільшуючи площу поверхні і покращуючи масообмін між твердою і рідкою фазою. Крім того, високі сили зсуву ультразвукової кавітації створюють вільні радикали, які збільшують реакційну здатність реагенту (тобто NaOH) під час гідролізу. Як нетермічний метод обробки, ультразвукова діагностика запобігає термічній деградації, виробляючи високоякісний хітозан. Ультразвук скорочує час обробки, необхідний для вилучення хітину з ракоподібних, а також дає хітин (а отже, згодом і хітозан) більш високої чистоти в порівнянні з традиційними умовами обробки. Таким чином, для виробництва хітину та хітозану ультразвук має потенціал для зниження собівартості виробництва, скорочення часу обробки, дозволяє краще контролювати виробничий процес та зменшувати вплив відходів процесу на навколишнє середовище.
- Вищий вихід хітозану
- Неперевершена якість
- Скорочений час
- Нижча температура процесу
- Підвищена ефективність
- Легкий & Безпечна експлуатація
- екологічно чистий
Ультразвукова децетилювання хітину до хітозану – протокол
1) Підготуйте хітин:
Використовуючи панцирі крабів як вихідний матеріал, панцирі крабів слід ретельно промити, щоб видалити будь-яку розчинну органіку та прилиплі домішки, включаючи грунт і білок. Після цього матеріал оболонки повинен бути повністю висушений (наприклад, при температурі 60ºC протягом 24 годин у духовці). Потім висушені шкаралупи подрібнюють (наприклад, за допомогою молоткового дробарки), депротеїнізують у лужному середовищі (наприклад, NaOH при конкрадіжці від 0,125 до 5,0 М) і демінералізують у кислоті (наприклад, у розбавленій соляній кислоті).
2) Ультразвукове деацетилювання
Для запуску типової ультразвукової реакції деацетилювання використовуються частинки бета-хітину (0,125 мм) < D < 0.250 мм) зважуються в 40% (w/w) водному NaOH у співвідношенні бета-хітин/NaOH водному розчині 1/10 (г мл-1), суспензія переноситься на скляну мензурку з подвійними стінками і проводиться за допомогою Hielscher UP400St ультразвуковий гомогенізатор. При проведенні ультразвукової реакції деацетилювання хітину залишаються постійними наступні параметри (пор. Fiamingo et al. 2016): (i) ультразвуковий зонд (сонотрод Hielscher S24d22D, діаметр наконечника = 22 мм); (ii) імпульсний режим звуку (IP = 0,5 сек); (iii) інтенсивність ультразвукової поверхні
(I = 52,6 Вт см-2), (iv) температура реакції (60ºC ±1ºC), (v) час реакції (50 хв), (vi) співвідношення маса/об'єм бета-хітину 40% (w/w) водного гідроксиду натрію (BCHt/NaOH = 1/10 г мл-1); (vii) об'єм суспензії бета-хітину (50 мл).
Перша реакція протікає протягом 50 хв при постійному магнітному перемішуванні, а потім переривається швидким охолодженням суспензії до 0ºС. Потім додають розведену соляну кислоту для досягнення рН 8,5, а зразок СН1 виділяють фільтрацією, інтенсивно промивають деіонізованою водою і висушують в умовах навколишнього середовища. Коли те ж саме ультразвукове деацетилювання повторюється як другий крок до CHs1, він виробляє зразок CHs2.
Зображення за допомогою скануючої електронної мікроскопії (SEM) зі збільшенням 100× а) гладіуса, б) гладіуса, обробленого ультразвуком, в) β-хітину, г) обробленого ультразвуком β-хітину та д) хітозану (джерело: Preto et al. 2017)
Fiamingo et al. виявили, що ультразвукове деацетилювання бета-хітину ефективно виробляє високомолекулярний хітозан з низьким ступенем ацетилювання без використання добавок або інертної атмосфери, а також з тривалим часом реакції. Незважаючи на те, що реакція ультразвукового деацетилювання проводиться в більш м'яких умовах – тобто низька температура реакції в порівнянні з більшістю термохімічних деацетилювань. Ультразвукове деацетилювання бета-хітину дозволяє отримувати хаотично деацетильований хітозан, що володіє різним ступенем ацетилювання (4% ≤ ДА ≤ 37%), середньою молекулярною масою (900 000 г моль-1 ≤ Мw ≤ 1 200 000 г моль-1 ) і низькою дисперсністю (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4) шляхом проведення трьох послідовних реакцій (50 хв/крок) при 60ºC.
Високопотужні ультразвукові процесори від лабораторних до пілотних і промислових масштабів.
Високопродуктивні ультразвукові системи для виробництва хітозану
Фрагментація хітину та децетилювання хітину до хітозану вимагає потужного та надійного ультразвукового обладнання, яке може видавати високі амплітуди, забезпечує точний контроль параметрів процесу та може працювати 24/7 при великому навантаженні та у вимогливих умовах. Асортимент продукції Hielscher Ultrasonics дозволить задовольнити вас і ваші вимоги до процесів. Ультразвукові апарати Hielscher — це високопродуктивні системи, які можуть бути оснащені такими аксесуарами, як сонотроди, бустери, реактори або проточні елементи, щоб оптимально відповідати потребам вашого процесу.
Завдяки цифровому кольоровому дисплею, можливості попередньо налаштувати ультразвукові прогони, автоматичному запису даних на вбудовану SD-карту, віддаленому керуванню браузером та багатьом іншим функціям, забезпечується найвищий контроль процесу та зручність для користувача. У поєднанні з міцністю та великою вантажопідйомністю ультразвукові системи Hielscher стануть вашою надійною робочою конячкою на виробництві.
Фрагментація та деацетилювання хітину вимагає потужного ультразвуку для отримання цілеспрямованого перетворення та кінцевого продукту хітозану високої якості. Особливо для фрагментації хітинових пластівців вирішальне значення мають високі амплітуди і підвищений тиск. Ультразвук Hielscher’ Промислові ультразвукові процесори легко видають дуже високі амплітуди. Амплітуди до 200 мкм можуть безперервно працювати в режимі 24/7. Для ще більш високих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди. Потужність ультразвукових систем Hielscher дозволяє проводити ефективне та швидке деацетилювання в безпечному та зручному для користувача процесі.
Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів:
| Об'єм партії | Витрата | Рекомендовані пристрої |
|---|---|---|
| Від 1 до 500 мл | Від 10 до 200 мл/хв | UP100H |
| Від 10 до 2000 мл | Від 20 до 400 мл/хв | UP200Ht, UP400St |
| 0від 1 до 20 л | 0від .2 до 4 л/хв | UIP2000HDT |
| Від 10 до 100 л | Від 2 до 10 л/хв | UIP4000HDT |
| Н.А. | Від 10 до 100 л/хв | UIP16000 |
| Н.А. | Більше | кластер UIP16000 |
Зв'яжіться з нами! / Запитайте нас!
Література/Список літератури
- Бутнару Е., Столлеру Е., Бребу М.А., Дарі-Ніта Р.Н., Барган А., Васіле С. (2019): Біонанокомпозитні плівки на основі хітозану, приготовані методом емульсії для консервування харчових продуктів. Матеріали 2019, 12(3), 373.
- Фіамінго А., де Моура Делезук Дж.А., Тромботто Сент-Девід Л., Кампана-Фільо С.П. (2016): Екстенсивно деацетильований високомолекулярний хітозан шляхом багатоетапного деацетилювання бета-хітину за допомогою ультразвуку. Ультразвукова сонохімія 32, 2016. 79–85.
- К'яртанссон, Г., Ву, Т., Зіванович, С., Вайс, Д. (2008): Сонохімічно допоміжне перетворення хітину в хітозан, зустріч головних дослідників Національної дослідницької ініціативи Міністерства сільського господарства США, Новий Орлеан, Луїзіана, 28 червня.
- К'яртанссон, Г., Крістбергссон, К. Зіванович, С., Вайс, Д. (2008): Вплив температури під час деацетилювання хітину до хітозану за допомогою високоінтенсивного ультразвуку як попередньої обробки, Щорічна зустріч Інституту харчових технологів, Новий Орлеан, Луїзіана, 30 червня, 95-18.
- К'яртанссон, Г., Крістбергссон, К., Зіванович, С., Вайс, Д. (2008): Вплив високоінтенсивного ультразвуку на прискорення перетворення хітину в хітозан, Щорічна зустріч Інституту харчових технологів, Новий Орлеан, Луїзіана, 30 червня, 95-17.
- Прето М.Ф., Кампана-Фільо С.П., Фіамінго А., Косентіно І.К., Тессарі-Замп'єрі М.К., Абесса Д.М.С., Ромеро А.Ф., Бордон І.К. (2017): Гладіус та його похідні як потенційні біосорбенти для морського дизельного палива. Наука про навколишнє середовище та дослідження забруднення (2017) 24: 22932–22939.
- Віджесена Р.Н., Тіссера Н., Каннангара Ю.Й., Лін Ю., Амаратунга Г.А.ДЖ., де Сілва К.М.Н. (2015): Метод приготування зверху вниз наночастинок хітозану та нановолокон. Вуглеводні полімери 117, 2015. 731–738.
- Ву, Т., Живанович, С., Хейс, Д.Г., Вайс, Дж. (2008). Ефективне зниження молекулярної маси хітозану за допомогою ультразвуку високої інтенсивності: основний механізм та вплив параметрів обробки. Журнал сільськогосподарської та харчової хімії 56(13):5112-5119.
- Ядав М.; Госвамі П.; Паритош К.; Кумар М.; Парік Н.; Вівекананд В. (2019): Відходи морепродуктів: джерело для приготування комерційно придатних хітинових/хітозанових матеріалів. Біоресурси та біопереробка 6/8, 2019.
Факти, які варто знати
Як відбувається ультразвукова деактилювання хітину?
Коли ультразвук високої потужності та низької частоти (наприклад, 20-26 кГц) з'єднується з рідиною або суспензією, до рідини застосовуються чергування циклів високого / низького тиску, що створюють стиснення та розрідження. Під час цих чергування циклів високого / низького тиску утворюються дрібні вакуумні бульбашки, які ростуть протягом декількох циклів тиску. У той момент, коли вакуумні бульбашки не можуть поглинути більше енергії, вони сильно руйнуються. Під час цього вибуху бульбашки відбуваються локально дуже інтенсивні умови: високі температури до 5000 К, тиск до 2000 атм, дуже високі швидкості нагрівання/охолодження та перепади тиску. Оскільки динаміка руйнування бульбашки відбувається швидше, ніж передача маси і тепла, енергія в порожнині, що руйнується, обмежена дуже маленькою зоною, яку також називають «гарячою точкою». Імплозія кавітаційного міхура також призводить до мікротурбулентностей, струменів рідини зі швидкістю до 280 м/с і виникаючих сил зсуву. Це явище відоме як ультразвукова або акустична кавітація.
Краплі та частинки в ультразвуковій рідині затискаються цими кавітаційними силами, і коли прискорені частинки стикаються одна з одною, вони розбиваються внаслідок зіткнення між частинками. Акустична кавітація є робочим принципом ультразвукового фрезерування, диспергування, емульгування та сонохімії.
При деацетилюванні хітину високоінтенсивний ультразвук збільшує площу поверхні за рахунок активації поверхні та сприяння масопереносу між частинками та реагентом.
хітозан
Хітозан - модифікований, катіонний, нетоксичний вуглеводний полімер зі складною хімічною структурою, утворений β-(1,4) глюкозаміновими одиницями в якості його основного компонента (>80%) і N-ацетилглюкозамінових одиниць (<20%), випадковим чином розподілені по ланцюжку. Хітозан отримують з хітину шляхом хімічного або ферментативного деацетилювання. Ступінь деацетилювання (ДА) визначає вміст вільних аміногруп в структурі і використовується для розрізнення хітину і хітозану. Хітозан демонструє хорошу розчинність у помірних розчинниках, таких як розбавлена оцтова кислота, і пропонує кілька вільних амінних груп як активні центри. Це робить хітозан перевагою над хітином у багатьох хімічних реакціях.
Хітозан цінується за відмінну біосумісність і здатність до біологічного розкладання, нетоксичність, хорошу антимікробну активність (проти бактерій і грибків), непроникність кисню і плівкоутворюючі властивості. На відміну від хітину, хітозан має перевагу в тому, що він водорозчинний і тим самим легше обробляється та використовується в складах.
Будучи другим за поширеністю полісахаридом після целюлози, величезна кількість хітину робить його дешевою та екологічною сировиною.
Виробництво хітозану
Хітозан виробляється в два етапи процесу. На першому етапі сировину, таку як панцирі ракоподібних (тобто креветки, краби, омари), депротеїнізують, демінералізують і очищають для отримання хітину. На другому етапі хітин обробляють сильною основою (наприклад, NaOH) для видалення бічних ланцюгів ацетилу з метою отримання хітозану. Відомо, що процес звичайного виробництва хітозану дуже трудомісткий і витратний.
хітин
Хітин (С8H13O5N)N є полімером з прямим ланцюгом β-1,4-N-ацетилглюкозаміну і класифікується на α-, β- і γ-хітин. Будучи похідним глюкози, хітин є основним компонентом екзоскелетів членистоногих, таких як ракоподібні та комахи, радул молюсків, дзьобів головоногих молюсків, а також луски риб та ліссамфібій, а також може бути знайдений у клітинних стінках грибів. Структура хітину порівнянна з целюлозою, утворюючи кристалічні нанофібрили або вуса. Целюлоза є найпоширенішим полісахаридом у світі, за ним слідує хітин як другий за поширеністю полісахарид.
Глюкозамін
Глюкозамін (С6H13НІ5) є аміноцукром і важливим попередником у біохімічному синтезі глікозильованих білків і ліпідів. Глюкозамін від природи є поширеною сполукою, яка входить до структури обох полісахаридів, хітозану та хітину, що робить глюкозамін одним із найпоширеніших моносахаридів. Більша частина комерційно доступного глюкозаміну виробляється шляхом гідролізу екзоскелетів ракоподібних, тобто панцирів крабів і омарів.
Глюкозамін в основному використовується як харчова добавка, де він використовується у формах глюкозаміну сульфату, глюкозаміну гідрохлориду або N-ацетилглюкозаміну. Добавки глюкозаміну сульфату призначаються перорально для лікування хворобливого стану, спричиненого запаленням, розпадом і можливою втратою хряща (остеоартрит).