Khử acetyl chitin thành chitosan bằng siêu âm
Sản xuất chitosan bằng siêu âm
Chitosan được thu nhận bằng cách khử N-acetyl của chitin. Trong phương pháp khử acetyl thông thường, chitin được ngâm trong dung môi kiềm dạng dung dịch nước (thường là NaOH 40 đến 50% (w/w)). Quá trình ngâm đòi hỏi nhiệt độ cao từ 100 đến 120ºC và rất tốn thời gian, trong khi hiệu suất thu hồi chitosan sau mỗi bước ngâm lại thấp. Việc ứng dụng siêu âm công suất cao tăng cường đáng kể quá trình khử acetyl của chitin và mang lại hiệu suất thu hồi chitosan có khối lượng phân tử thấp cao thông qua quá trình xử lý nhanh ở nhiệt độ thấp hơn. Khử acetyl bằng siêu âm tạo ra chitosan có chất lượng vượt trội, được sử dụng làm thành phần trong thực phẩm và dược phẩm, làm phân bón và trong nhiều ứng dụng công nghiệp khác.
Xử lý bằng siêu âm mang lại mức độ acetyl hóa (DA) đặc biệt của chitin, làm giảm mức độ acetyl hóa từ chitin có DA≥90 xuống chitosan có DA≤10.
Nhiều nghiên cứu xác nhận hiệu quả của việc khử acetyl chitin thành chitosan bằng siêu âm. Weiss J. và cộng sự (2008) nhận thấy rằng xử lý bằng siêu âm cải thiện mạnh mẽ quá trình chuyển hóa chitin thành chitosan. Xử lý chitin bằng siêu âm giúp tiết kiệm đáng kể thời gian, giảm thời gian xử lý cần thiết từ 12–24 giờ xuống còn vài giờ. Hơn nữa, lượng dung môi cần thiết để đạt được sự chuyển hóa hoàn toàn cũng ít hơn, giúp giảm tác động đến môi trường do phải loại bỏ và xử lý dung môi đã qua sử dụng hoặc chưa phản ứng, tức là NaOH đậm đặc.
Quá trình khử acetyl chitin thành chitosan được thúc đẩy bằng xử lý siêu âm
UIP4000hdT – hệ thống siêu âm công suất 4kW
Nguyên lý hoạt động của quá trình xử lý chitosan bằng siêu âm
Siêu âm công suất cao, tần số thấp (∼20–26kHz) tạo ra hiện tượng xâm thực âm trong chất lỏng và huyền phù. Siêu âm công suất cao thúc đẩy quá trình chuyển hóa chitin thành chitosan khi dung môi (ví dụ: NaOH) phân mảnh và thâm nhập vào các hạt chitin rắn, qua đó mở rộng diện tích bề mặt và cải thiện sự truyền khối giữa pha rắn và pha lỏng. Hơn nữa, lực cắt lớn do hiện tượng xâm thực siêu âm tạo ra các gốc tự do, làm tăng khả năng phản ứng của thuốc thử (tức là NaOH) trong quá trình thủy phân. Là một kỹ thuật xử lý phi nhiệt, xử lý bằng siêu âm ngăn ngừa sự phân hủy do nhiệt, tạo ra chitosan chất lượng cao. Siêu âm rút ngắn thời gian xử lý cần thiết để chiết xuất chitin từ động vật giáp xác, đồng thời tạo ra chitin (và do đó cả chitosan ở bước tiếp theo) có độ tinh khiết cao hơn so với các điều kiện xử lý truyền thống. Vì vậy, trong sản xuất chitin và chitosan, siêu âm có tiềm năng giảm chi phí sản xuất, rút ngắn thời gian xử lý, cho phép kiểm soát tốt hơn quá trình sản xuất và giảm tác động đến môi trường của chất thải từ quy trình.
- Hiệu suất thu hồi chitosan cao hơn
- Chất lượng vượt trội
- Thời gian ngắn hơn
- Nhiệt độ xử lý thấp hơn
- Hiệu quả cao hơn
- Vận hành dễ dàng và an toàn
- Thân thiện với môi trường
Khử acetyl chitin thành chitosan bằng siêu âm – Quy trình
1) Chuẩn bị chitin:
Khi sử dụng vỏ cua làm nguyên liệu, cần rửa kỹ vỏ cua để loại bỏ mọi chất hữu cơ hòa tan và các tạp chất bám dính, bao gồm đất và protein. Sau đó, nguyên liệu vỏ cua phải được sấy khô hoàn toàn (ví dụ: ở 60ºC trong 24h trong tủ sấy). Tiếp theo, vỏ cua khô được nghiền (ví dụ: bằng máy nghiền búa), khử protein trong môi trường kiềm (ví dụ: NaOH ở nồng độ 0,125 đến 5,0 M) và khử khoáng trong axit (ví dụ: axit clohydric loãng).
2) Khử acetyl bằng siêu âm
Để thực hiện một phản ứng khử acetyl bằng siêu âm điển hình, các hạt beta-chitin (0,125 mm < d < 0,250 mm) được phân tán thành huyền phù trong dung dịch NaOH 40% (w/w) trong nước với tỷ lệ beta-chitin/dung dịch NaOH trong nước là 1/10(g mL-1), huyền phù được chuyển vào cốc thủy tinh hai lớp thành và được xử lý siêu âm bằng máy đồng nhất hóa siêu âm Hielscher UP400St . Các thông số sau đây (xem Fiamingo và cộng sự, 2016) được giữ không đổi khi thực hiện phản ứng khử acetyl chitin bằng siêu âm: (i) đầu dò siêu âm (đầu phát siêu âm Hielscher S24d22D, đường kính đầu = 22 mm); (ii) chế độ xung siêu âm (IP = 0,5sec); (iii) cường độ siêu âm tại bề mặt
(I = 52,6 W cm-2), (iv) nhiệt độ phản ứng (60ºC ±1ºC), (v) thời gian phản ứng (50 min), (vi) tỷ lệ khối lượng beta-chitin/thể tích dung dịch natri hydroxit 40% (w/w) trong nước (BCHt/NaOH = 1/10 g mL-1); (vii) thể tích huyền phù beta-chitin (50mL).
Phản ứng đầu tiên diễn ra trong 50min với khuấy từ liên tục, sau đó được dừng lại bằng cách làm lạnh nhanh huyền phù xuống 0ºC. Tiếp theo, axit clohydric loãng được thêm vào để đạt pH 8,5 và mẫu CHs1 được tách bằng phương pháp lọc, rửa kỹ bằng nước khử ion và sấy khô ở điều kiện môi trường. Khi quy trình khử acetyl bằng siêu âm tương tự được lặp lại ở bước thứ hai đối với CHs1, mẫu CHs2 được tạo thành.
Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) ở độ phóng đại 100× của a) mai mực, b) mai mực đã xử lý siêu âm, c) β-chitin, d) β-chitin đã xử lý siêu âm và e) chitosan (nguồn: Preto và cộng sự, 2017)
Fiamingo và cộng sự nhận thấy rằng quá trình khử acetyl beta-chitin bằng siêu âm tạo ra chitosan có khối lượng phân tử cao và độ acetyl hóa thấp một cách hiệu quả mà không cần sử dụng phụ gia, khí quyển trơ hoặc thời gian phản ứng dài. Phản ứng khử acetyl bằng siêu âm được thực hiện trong điều kiện ôn hòa hơn – tức là nhiệt độ phản ứng thấp so với hầu hết các quá trình khử acetyl bằng phương pháp nhiệt hóa học. Quá trình khử acetyl beta-chitin bằng siêu âm cho phép điều chế chitosan được khử acetyl ngẫu nhiên với độ acetyl hóa biến thiên (4% ≤ DA ≤ 37%), khối lượng phân tử trung bình theo khối lượng cao (900.000 g mol-1 ≤ Mw ≤ 1.200.000 g mol-1 ) và độ phân tán thấp (1,3 ≤ Ð ≤ 1,4) bằng cách thực hiện ba phản ứng liên tiếp (50 min/bước) ở 60ºC.
Các thiết bị xử lý siêu âm công suất cao từ quy mô phòng thí nghiệm đến quy mô thí điểm và công nghiệp.
Hệ thống siêu âm hiệu suất cao để sản xuất chitosan
Việc phân mảnh chitin và khử acetyl chitin thành chitosan đòi hỏi thiết bị siêu âm mạnh mẽ và đáng tin cậy, có khả năng cung cấp biên độ cao, cho phép kiểm soát chính xác các thông số quá trình và có thể vận hành 24/7 dưới tải nặng và trong môi trường khắc nghiệt. Dải sản phẩm của Hielscher Ultrasonics đáp ứng các yêu cầu của bạn và quy trình của bạn. Các thiết bị siêu âm Hielscher là những hệ thống hiệu suất cao có thể được trang bị các phụ kiện như đầu phát siêu âm, bộ khuếch đại biên độ, buồng phản ứng hoặc buồng dòng chảy để đáp ứng tối ưu nhu cầu quy trình của bạn.
Với màn hình màu kỹ thuật số, tùy chọn cài đặt trước các lần xử lý siêu âm, tính năng ghi dữ liệu tự động vào thẻ SD tích hợp, điều khiển từ xa qua trình duyệt và nhiều tính năng khác, hệ thống đảm bảo khả năng kiểm soát quá trình ở mức cao nhất và tính thân thiện với người dùng. Kết hợp độ bền chắc và khả năng chịu tải nặng, các hệ thống siêu âm Hielscher là thiết bị chủ lực đáng tin cậy trong hoạt động sản xuất của bạn.
Việc phân mảnh và khử acetyl chitin đòi hỏi siêu âm công suất cao để đạt mức chuyển hóa mục tiêu và thu được sản phẩm chitosan cuối cùng có chất lượng cao. Đặc biệt, biên độ cao và áp suất cao đóng vai trò then chốt trong việc phân mảnh các mảnh chitin. Các thiết bị xử lý siêu âm công nghiệp của Hielscher Ultrasonics dễ dàng cung cấp biên độ rất cao. Có thể duy trì liên tục biên độ lên đến 200µm khi vận hành 24/7. Đối với biên độ cao hơn nữa, có các đầu phát siêu âm được tùy chỉnh theo yêu cầu. Khả năng cung cấp công suất của các hệ thống siêu âm Hielscher cho phép khử acetyl hiệu quả và nhanh chóng trong một quy trình an toàn và thân thiện với người dùng.
Bảng dưới đây cho biết năng lực xử lý gần đúng của các thiết bị siêu âm của chúng tôi:
| Thể tích mẻ | Lưu lượng | Thiết bị được khuyến nghị |
|---|---|---|
| 1 đến 500mL | 10 đến 200mL/min | UP100H |
| 10 đến 2000mL | 20 đến 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 đến 20L | 0,2 đến 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 đến 100L | 2 đến 10L/min | UIP4000hdT |
| không áp dụng | 10 đến 100L/min | UIP16000 |
| không áp dụng | lớn hơn | cụm thiết bị UIP16000 |
Liên hệ với chúng tôi! / Đặt câu hỏi cho chúng tôi!
Tài liệu/Tài liệu tham khảo
- Butnaru E., Stoleru E., Brebu M.A., Darie-Nita R.N., Bargan A., Vasile C. (2019): Màng nanocompozit sinh học trên nền chitosan được chế tạo bằng kỹ thuật nhũ hóa để bảo quản thực phẩm. Materials 2019, 12(3), 373.
- Fiamingo A., de Moura Delezuk J.A., Trombotto St. David L., Campana-Filho S.P. (2016): Chitosan có khối lượng phân tử cao được khử acetyl ở mức độ sâu thông qua quá trình khử acetyl beta-chitin nhiều bước có hỗ trợ siêu âm. Ultrasonics Sonochemistry 32, 2016. 79–85.
- Kjartansson, G., Wu, T., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Chuyển hóa chitin thành chitosan có hỗ trợ hóa siêu âm, Hội nghị các chủ nhiệm đề tài thuộc Sáng kiến Nghiên cứu Quốc gia USDA, New Orleans, LA, June 28th.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K. Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Ảnh hưởng của nhiệt độ trong quá trình khử acetyl chitin thành chitosan sử dụng siêu âm cường độ cao làm bước tiền xử lý, Hội nghị thường niên của Viện các Nhà Công nghệ Thực phẩm, New Orleans, LA, June 30th, 95-18.
- Kjartansson, G., Kristbergsson, K., Zivanovic, S., Weiss, J. (2008): Ảnh hưởng của siêu âm cường độ cao trong việc đẩy nhanh quá trình chuyển hóa chitin thành chitosan, Hội nghị thường niên của Viện các Nhà Công nghệ Thực phẩm, 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): Mai mực và các dẫn xuất của nó làm vật liệu hấp phụ sinh học tiềm năng đối với dầu diesel hàng hải. 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): Một phương pháp chế tạo hạt nano và sợi nano chitosan theo hướng từ trên xuống. Carbohydrate Polymers 117, 2015. 731–738.
- Wu, T., Zivanovic, S., Hayes, D.G., Weiss, J. (2008). Giảm hiệu quả khối lượng phân tử chitosan bằng siêu âm cường độ cao: Cơ chế nền tảng và ảnh hưởng của các thông số xử lý. Journal of Agricultural and Food Chemistry 56(13):5112–5119.
- Yadav M.; Goswami P.; Paritosh K.; Kumar M.; Pareek N.; Vivekanand V. (2019): Phế thải thủy hải sản: nguồn nguyên liệu để chế tạo vật liệu chitin/chitosan có thể ứng dụng thương mại. Tài nguyên sinh học và xử lý sinh học 6/8, 2019.
Những điều đáng biết
Quá trình khử acetyl chitin bằng siêu âm diễn ra như thế nào?
Khi siêu âm công suất cao, tần số thấp (ví dụ: 20–26kHz) được truyền vào chất lỏng hoặc huyền phù, các chu kỳ áp suất cao / áp suất thấp luân phiên tác động lên chất lỏng, tạo ra sự nén và giãn. Trong các chu kỳ áp suất cao / áp suất thấp luân phiên này, những bong bóng chân không nhỏ được tạo ra và lớn dần qua nhiều chu kỳ áp suất. Khi các bong bóng chân không không thể hấp thụ thêm năng lượng, chúng sụp đổ dữ dội. Trong quá trình sụp đổ bong bóng này, các điều kiện cực kỳ mãnh liệt xuất hiện cục bộ: nhiệt độ cao lên đến 5000K, áp suất lên đến 2000atm, tốc độ gia nhiệt/làm mát rất cao và chênh lệch áp suất. Vì quá trình sụp đổ bong bóng diễn ra nhanh hơn quá trình truyền khối và truyền nhiệt, năng lượng trong khoang đang sụp đổ bị giới hạn trong một vùng rất nhỏ, còn được gọi là “điểm nóng”. Sự sụp đổ của bong bóng xâm thực cũng tạo ra các dòng rối vi mô, các tia chất lỏng có vận tốc lên đến 280m/s và các lực cắt phát sinh từ đó. Hiện tượng này được gọi là xâm thực siêu âm hoặc xâm thực âm học.
Các giọt và hạt trong chất lỏng được xử lý siêu âm chịu tác động của những lực xâm thực này, và khi các hạt được gia tốc va chạm với nhau, chúng bị vỡ vụn do va chạm giữa các hạt. Xâm thực âm học là nguyên lý hoạt động của quá trình nghiền, phân tán, nhũ hóa bằng siêu âm và hóa siêu âm.
Đối với quá trình khử acetyl chitin, siêu âm cường độ cao làm tăng diện tích bề mặt bằng cách hoạt hóa bề mặt và thúc đẩy quá trình truyền khối giữa các hạt và tác chất.
Chitosan
Chitosan là một polyme carbohydrate đã được biến tính, mang điện tích dương, không độc, có cấu trúc hóa học phức tạp được tạo thành từ các đơn vị glucosamine β-(1,4) là thành phần chính (>80%) và các đơn vị N-acetyl glucosamine (<20%), phân bố ngẫu nhiên dọc theo chuỗi. Chitosan được tạo ra từ chitin thông qua quá trình khử acetyl bằng phương pháp hóa học hoặc enzym. Độ khử acetyl (DA) quyết định hàm lượng các nhóm amino tự do trong cấu trúc và được sử dụng để phân biệt chitin với chitosan. Chitosan có khả năng hòa tan tốt trong các dung môi có tính ôn hòa như axit axetic loãng và có một số nhóm amin tự do đóng vai trò là các vị trí hoạt động. Điều này giúp chitosan có ưu thế hơn chitin trong nhiều phản ứng hóa học.
Chitosan được đánh giá cao nhờ khả năng tương thích sinh học và phân hủy sinh học tuyệt vời, tính không độc, hoạt tính kháng vi sinh vật tốt (chống vi khuẩn và nấm), khả năng không cho oxy thấm qua và tính chất tạo màng. So với chitin, chitosan có ưu điểm là hòa tan trong nước, nhờ đó dễ xử lý và sử dụng trong các công thức hơn.
Là polysaccharide phổ biến thứ hai sau cellulose, chitin có nguồn cung vô cùng dồi dào, khiến nó trở thành một nguyên liệu thô rẻ và bền vững.
Sản xuất chitosan
Chitosan được sản xuất theo quy trình gồm hai bước. Ở bước đầu tiên, nguyên liệu thô, chẳng hạn như vỏ động vật giáp xác (tức là tôm, cua, tôm hùm), được loại bỏ protein, loại bỏ khoáng và tinh chế để thu được chitin. Ở bước thứ hai, chitin được xử lý bằng một bazơ mạnh (ví dụ: NaOH) để loại bỏ các chuỗi bên acetyl nhằm thu được chitosan. Quy trình sản xuất chitosan truyền thống được biết đến là rất tốn thời gian và chi phí.
Chitin
Chitin (C8H13O5N)n là một polyme mạch thẳng của β-1,4-N-acetylglucosamine và được phân loại thành α-, β- và γ-chitin. Là một dẫn xuất của glucose, chitin là thành phần chính của bộ xương ngoài của động vật chân khớp, chẳng hạn như động vật giáp xác và côn trùng, lưỡi bào của động vật thân mềm, mỏ của động vật chân đầu và vảy của cá cùng các loài lưỡng cư hiện đại, đồng thời cũng có thể được tìm thấy trong thành tế bào nấm. Cấu trúc của chitin tương tự cellulose, tạo thành các sợi nano tinh thể hoặc các tinh thể dạng kim. Cellulose là polysaccharide phổ biến nhất trên thế giới, tiếp theo là chitin, polysaccharide phổ biến thứ hai.
Glucosamine
Glucosamine (C6H13NO5) là một đường amin và là tiền chất quan trọng trong quá trình tổng hợp sinh hóa các protein và lipid được glycosyl hóa. Glucosamine là một hợp chất dồi dào trong tự nhiên, tham gia vào cấu trúc của cả hai polysaccharide là chitosan và chitin, khiến glucosamine trở thành một trong những monosaccharide phổ biến nhất. Phần lớn glucosamine có bán trên thị trường được sản xuất bằng cách thủy phân bộ xương ngoài của động vật giáp xác, tức là vỏ cua và tôm hùm.
Glucosamine chủ yếu được sử dụng làm chất bổ sung dinh dưỡng dưới các dạng glucosamine sulfat, glucosamine hydrochloride hoặc N-acetyl glucosamine. Các chế phẩm bổ sung glucosamine sulfat được dùng đường uống để điều trị tình trạng đau do viêm, phân hủy và cuối cùng là mất sụn (thoái hóa khớp).