نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران

استخراج کیتین و تولید کیتوزان از پوست میگو با کمک پرتو الکترونی

نوع مقاله : علمی-پژوهشی

نویسندگان
1 گروه مهندسی پزشکی، واحد یزد، دانشگاه آزاد اسلامی، یزد، ایران
2 گروه مهندسی شیمی و پلیمر، دانشگاه یزد، یزد، ایران
3 مجتمع پرتو فرآیند ایران مرکزی، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، یزد، ایران
چکیده
در این مطالعه، تأثیر پرتودهی الکترونی پوست میگو، زمان، غلظت اسید کلریدریک و غلظت هیدروکسید سدیم بر فرآیند استخراج کیتین و تولید کیتوزان بررسی شد. ویژگی‌های محصولات با آزمون‌های طیف‌سنجی فروسرخ، پراش پرتو ایکس، گرماسنجی وزنی، گرانروی‌سنجی، قدرت جذب آب و چربی و خواص ضد میکروبی ارزیابی شد. میزان و سرعت حذف مواد معدنی و پروتئین با افزایش غلظت اسید و باز تا حدی افزایش یافت و سپس ثابت شد. معدنی زدایی با اسید کلریدریک 5/0 مولار در زمان 6 ساعت و پروتئین‌زدایی با سود 1 مولار در دمای 65 درجه سلسیوس به مدت 6 ساعت به عنوان فرآیند مناسب استخراج کیتین، پیشنهاد شد. پرتودهی موجب کاهش زمان مورد نیاز فرآیندهای معدنی‌زدایی و پروتئین‌زدایی شد. کلسیم باقی‌مانده در پوست‌های پرتودهی نشده و پرتودهی شده با دز 30 کیلوگری پس از 6 ساعت تیمار با اسید کلریدریک 5/0 مولار، به ترتیب 75/13 و 75/9 میلی‌گرم بر گرم بود. افزایش دز پرتودهی در بازه 10-100 کیلوگری، منجر به کاهش وزن مولکولی، افزایش درجه استیل‌زدایی و کاهش بلورینگی کیتوزان شد. بسته به دز پرتودهی و شرایط استیل‌زدایی، کیتوزان با درجه استیل‌زدایی بین 60-95 درصد و وزن مولکولی  105×1/2 -104×3/2 تولید شد. قدرت جذب آب و چربی بسته به دز پرتودهی به ترتیب در محدوده 650-860 و 360-540 بدست آمد. حداقل غلظت مهارکنندگی و حداقل غلظت باکتری‌کشی کیتوزان‌های تولیدی، علیه اشرشیا کولای به ترتیب در محدوده 6/0-8/0 و 4/1-5/2 و علیه استافیلوکوکوس اورئوس به ترتیب در محدوده 5/0-7/0 و 8/0-5/1 میلی‌گرم بر میلی‌لیتر متغیر بود. قطر هاله عدم رشد، برای باکتری‌های یاد شده با افزایش دز پرتودهی از صفر به 99 کیلوگری به ترتیب از 7/3 به 2/17 و از 5 به 8/18 میلی‌متر افزایش یافت. با توجه به نتایج به نظر می‌رسد، پرتودهی الکترونی روشی امیدوار کننده برای تولید کیتین و کیتوزان با خواص منحصر به فرد برای کاربردهای مختلف است.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Mahlous M., Tahtat D., Benamer S., Nacer Khodja A., Gamma Irradiation-Aided Chitin/Chitosan Extraction from Prawn Shells. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., 265: 414-417 (2007).
[2] Tang W., Wang J., Hou H., Li Y., Wang J., Fu J., Lu L., Gao D., Liu Z., Zhao F., Gao X., Ling P., Wang F., Sun F., Tan H., Review: Application of Chitosan and Its Derivatives in Medical Materials. Int. J. Biol. Macromol., 240: 124398 (2023).
[3] Darzi Arbabi H., Motamedzadegan A., Pirdashti M., Shahrokhi B., Arzideh S.M., Extraction and Physicochemical Characterization of Chitosan from Litopenaeus Vannamei Shells. Iran. J. Chem. Chem. Eng., 41(10): 3441-3450 (2022).
[4] Shahbazi N., Rajaei A., Tabatabaei M., Mohsenifar A., Bodaghi H., Impact of Chitosan-Capric Acid Nanogels Incorporating Thyme Essential Oil on Stability of Pomegranate Seed Oil-in-Water Pickering Emulsion. Iran. J. Chem. Chem. Eng., 40(6): 1737-1748 (2021).
[5] کرمی م.ح.، عبدوس م.، کلایی م.ر.، مرادی ا.، نانو حامل های پایه کیتوسان برای رهایش داروی ضد سرطان کورکومین : مطالعه مروری. نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، 42(4): 1-17 (1402).
[6] سعیدیان ح.، شیرمحمدی بهادران ش.، محمدپور دونیقی ن.، رهایش کنترل شده زهر عقرب کمپسوبوتوس از نانوذره‌های کیتوزان به عنوان سامانه انتقال آنتی‌ژن. نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، 39(2): 1-10 (1400).
[8] Sharikova N.A., Antipova K.G., Lukanina K.I., Stolyarova D.Y., Vdovichenko A.Y., Malakhov S.N., Krasheninnikov S.V., Kulikova O.R., Khramtsova E.A., Chvalun S.N., Grigoriev T.E., Chitosan-Based Porous Composites for Bone Tissue Engineering. Macromol. Symposia, 404: 2100398 (2022).
[9] Wang X., Song R., Johnson M., A S., Shen P., Zhang N., Lara-Sáez I., Xu Q., Wang W., Chitosan-Based Hydrogels for Infected Wound Treatment. Macromol. Biosci., 2300094 (2023).
[10] Sixto-Berrocal A.M., Vázquez-Aldana M., Miranda-Castro S.P., Martínez-Trujillo M.A., Cruz-Díaz M.R., Chitin/Chitosan Extraction from Shrimp Shell Waste by a Completely Biotechnological Process. Int. J. Biol. Macromol., 230: 1123204 (2023).
[11] Yu J., Hu N., Hou L., Hang F., Li K., Xie C., Effect of Deacetylation of Chitosan on the Physicochemical, Antioxidant and Antibacterial Properties Activities of Chitosan–Mannose Derivatives. J. Sci. Food Agricul. Article InPress (2023).
[13] Rashid T.U., Shamsuddin S.M., Khan M.A., Rahman M.M., Evaluation of Fat Binding Capacity of Gamma Irradiated Chitosan Extracted from Prawn Shell. Soft Mater., 12: 262-267 (2014).
[14] Tahtat D., Uzun C., Mahlous M., Güven O., Beneficial Effect of Gamma Irradiation on the N-Deacetylation of Chitin to Form Chitosan. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., 265: 425-428 (2007).
[15] قره‌خانی م.، قربانی م.، رسول‌نژاد ن.، جبرائیلی ش.، روش‌های نوین استخراج ترکیبات مؤثره از گیاهان دارویی: استخراج به کمک فراصوت و ریزموج و استخراج با حلال فشرده. نشریه مهندسی شیمی ایران، 10: 24-36، (2012).
[16] Dzah C.S., Duan Y., Zhang H., Serwah Boateng N.A., Ma H., Latest Developments in Polyphenol Recovery and Purification from Plant by-Products: A Review. Trends Food Sci.Technol., 99: 375-388 (2020).
[17] Sodeifian G., Sajadian S.A., Saadati Ardestani N., Optimization of Essential Oil Extraction from Launaea Acanthodes Boiss: Utilization of Supercritical Carbon Dioxide and Cosolvent. J.Supercrit. Fluids, 11: 646-656 (2016).
[18] Sodeifian G., Ardestani N.S., Sajadian S.A., Moghadamian K., Properties of Portulaca Oleracea Seed Oil Via Supercritical Fluid Extraction: Experimental and Optimization. J.Supercrit. Fluids, 13: 534-544 (2018).
[19] Sodeifian G., Sajadian S.A., Saadati Ardestani N., Supercritical Fluid Extraction of Omega-3 from Dracocephalum Kotschyi Seed Oil: Process Optimization and Oil Properties. J.Supercrit. Fluids, 119: 139-149 (2017).
[20] Sodeifian G., Saadati Ardestani N., Sajadian S.A., Extraction of Seed Oil from Diospyros Lotus Optimized Using Response Surface Methodology. J. For. Res., 30: 709-719 (2019).
[21] Pachapur V.L., Guemiza K., Rouissi T., Sarma S.J., Brar S.K., Novel Biological and Chemical Methods of Chitin Extraction from Crustacean Waste Using Saline Water. J. Chem. Tech. Biotech., 9: 2331-2339 (2016).
[22] Younes I., Hajji S., Frachet V., Rinaudo M., Jellouli K., Nasri M., Chitin Extraction from Shrimp Shell Using Enzymatic Treatment. Antitumor, Antioxidant and Antimicrobial Activities of Chitosan. Int. J. Biol. Macromol., 69: 489-498 (2014).
[23] Sarhan A.A., Ayad D.M., Badawy D.S., Monier M., Phase Transfer Catalyzed Heterogeneous N-Deacetylation of Chitin in Alkaline Solution. React. Funct. Polym., 69: 358-363 (2009).
[24] Dong Q., Qiu W., Li L., Tao N., Liang Wang A., Deng S., Jin Y., Extraction of Chitin from White Shrimp (Penaeus Vannamei) Shells Using Binary Ionic Liquid Mixtures. J. Indust. Eng. Chem., 120: 529-541 (2023).
[25] Sulthan R., Reghunadhan A., Sambhudevan S., A New Era of Chitin Synthesis and Dissolution Using Deep Eutectic Solvents- Comparison with Ionic Liquids. J. Molecular Liq., 380: 121794 (2023).
[26] Li Z., Li M.-C., Liu C., Liu X., Lu Y., Zhou G., Liu C., Mei C., Microwave-Assisted Deep Eutectic Solvent Extraction of Chitin from Crayfish Shell Wastes for 3d Printable Inks. Ind. Crops Prod., 194: 116325 (2023).
[27] Delezuk J.A.d.M., Cardoso M.B., Domard A., Campana-Filho S.P., Ultrasound-Assisted Deacetylation of Beta-Chitin: Influence of Processing Parameters. Polym. Int., 60: 903-909 (2011).
[28] Ahmadkelayeh S., Hawboldt K., Extraction of Lipids and Astaxanthin from Crustacean by-Products: A Review on Supercritical Co2 Extraction. Trend. Food Sci. Technol., 10394-108 (2020).
[29] Arbia W., Arbia L., Adour L., Amrane A., Chitin Extraction from Crustacean Shells Using Biological Methods - a Review. Food Technol. Biotechnol. 51: 12-25 (2012).
[30] Mohan K., Ganesan A.R., Ezhilarasi P.N., Kondamareddy K.K., Rajan D.K., Sathishkumar P., Rajarajeswaran J., Conterno L., Green and Eco-Friendly Approaches for the Extraction of Chitin and Chitosan: A Review. Carbohydr. Polym., 287: 119349 (2022).
[31] Rashid T.U., Rahman M.M., Kabir S., Shamsuddin S.M., Khan M.A., A New Approach for the Preparation of Chitosan from Γ-Irradiation of Prawn Shell: Effects of Radiation on the Characteristics of Chitosan. Polym. Int., 61: 1302-1308 (2012).
[32] Dehghan-Niri M., Vasheghani-Farahani E., Baghaban Eslaminejad M., Tavakol M., Bagheri F., Physicomechanical, Rheological and in Vitro Cytocompatibility Properties of the Electron Beam Irradiated Blend Hydrogels of Tyramine Conjugated Gum Tragacanth and Poly (Vinyl Alcohol). Mater. Sci. Engi. C, 114: 111073 (2020).
[33] Vo K.D.N., Kowandy C., Dupont L., Coqueret X., Hien N.Q., Radiation Synthesis of Chitosan Stabilized Gold Nanoparticles Comparison between E-Beam and Gamma Irradiation. Rad. Phys. Chem., 94: 84-87 (2014).
[34] Choi J.-i., Kim J.-H., Lee K.-W., Song B.-S., Yoon Y., Byun M.-W., Lee J.-W., Comparison of Gamma Ray and Electron Beam Irradiations on the Degradation of Carboxymethylcellulose. Korean J. Chem. Eng., 26: 1825-1828 (2009).
[35] Fifield L.S., Pharr M., Staack D., Pillai S.D., Nichols L., McCoy J., Faucette T., Bisel T.T., Huang M., Hasan M.K., Perkins L., Cooley S.K.,Murphy M.K., Direct Comparison of Gamma, Electron Beam and X-Ray Irradiation Doses on Characteristics of Low-Density Polyethylene,. Rad. Phys. Chem., 186: 109505 (2021).
[37] Mengelizadeh N., Jafarzadeh Haghighifard N., Takdastan A., Hormozinejad M., Physicochemical Characterization of Biopolymer Chitosan Extracted from Shrimp Shells. Iran. J. Polym. Sci. Technol., 27: 380-371 (2015).
[38] dos Santos Z.M., Caroni A.L.P.F., Pereira M.R., da Silva D.R., Fonseca J.L.C., Determination of Deacetylation Degree of Chitosan: A Comparison between Conductometric Titration and CHN Elemental Analysis. Carbohydr. Res., 344: 2591-2595 (2009).
[39] Jiang X., Chen L., Zhong W., A New Linear Potentiometric Titration Method for the Determination of Deacetylation Degree of Chitosan. Carbohydr. Polym., 54: 457-463 (2003).
[40] Czechowska-Biskup R., Jarosińska D., Rokita B., Ulański P., Rosiak J., Determination of Degree of Deacetylation of Chitosan - Comparision of Methods. Prog. Chem. Appl. Chitin .Deriv., 20:15-20 (2012).
[41] Tahtat D., Boutrig H.H., Khodja A.N., Benamer S., Hammache Y., Mahlous M., The Synergistic Effect of Gamma Irradiation and Alkaline Soaking at Low Temperature on the Pre-Deacetylation of Α-Chitin: Optimization by Design of Experiment. Carbohydr. Polym., 215: 39-46 (2019).
[42] Kasaai M.R., Arul J., Charlet G., Intrinsic Viscosity–Molecular Weight Relationship for Chitosan. J. Polym. Sci. . Polym. Phys., 38: 2591-2598 (2000).
[43] Kucukgulmez A., Celik M., Yanar Y., Sen D., Polat H., Kadak A.E., Physicochemical Characterization of Chitosan Extracted from Metapenaeus Stebbingi Shells. Food Chem., 126: 1144-1148 (2011).
[44] Naimian F., Khoylou F., Beteshobabrud R., The Role of Solvent on Radiation Degradation and Antibacterial Activity of Chitosan against Pectobacterium Carotovorum. Iran. J. Polym. Sci. Technol., 23: 305-310 (2010).
[45] Bauer A.W., Kirby W.M., Sherris J.C., Turck M., Antibiotic Susceptibility Testing by a Standardized Single Disk Method. Am J. Clin. Pathol., 45: 493-496 (1966).
[46] Hafezi Moghaddam R., Dadfarnia S., Shabani A.M.H., Moghaddam Z.H., Tavakol M., Electron Beam Irradiation Synthesis of Porous and Non-Porous Pectin Based Hydrogels for a Tetracycline Drug Delivery System. Mater. Sci. Eng. C, 102: 391-404 (2019).
[47] Ali Said Al Hoqani H., Hamed Khalifa Al Shaqsi N., Amzad Hossin M., Abdullah Al Sibani M., Structural Characterization of Polymeric Chitosan and Mineral from Omani Shrimp Shells. Water-Energy Nexus, 4: 199-207 (2021).
[48] Al Shaqsi N.H.K., Al Hoqani H.A.S., Hossain M.A., Al Sibani M.A., Optimization of the Demineralization Process for the Extraction of Chitin from Omani Portunidae Segnis. Biochem. Biophys. Rep., 23: 100779 (2020).
[49] غیاث الدین ع.، شجاع الساداتی ع.، واشقانی فراهانی ا.، اصلاح و بهینه سازی فرآیند استخراج کیتین از وست میگو، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، 30(1): 1-9 (1390).
[50] Tavakol M., Vasheghani-Farahani E., Mohammadifar m.a., Dehghan-Niri M., Effect of Gamma Irradiation on the Physicochemical and Rheological Properties of Enzyme-Catalyzed Tragacanth-Based Injectable Hydrogels. J. Polym. Eng., 39: 442-449 (2019).
[51] Gryczka U., Dondi D., Chmielewski A.G., Migdal W., Buttafava A., Faucitano A., The Mechanism of Chitosan Degradation by Gamma and E-Beam Irradiation. Rad. Phys. Chem. 78: 543-548 (2009).
[52] Negron-Mendoza A., Uribe R.M., Ramos-Bernal S., Camargo-Raya C., Gomez-Vidales V., Kobayashi K., Calcium Carbonate as a Possible Dosimeter for High Irradiation Doses. Appl. Rad. Isotopes, 100: 55-59 (2015).
[53] Hu X., Tian Z., Li X., Wang S., Pei H., Sun H., Zhang Z., Green, Simple, and Effective Process for the Comprehensive Utilization of Shrimp Shell Waste. ACS Omega, 5: 19227-19235, (2020).
[54] Dahmane E.M., Taourirte M., Eladlani N., Rhazi M., Preparation and Characterization of alpha-Chitin Whiskers, Chitosan Nanoparticles and Chitosan Nanoscaffold from Parapenaeus Longirostris. Mater. Today: Proc., 3: 2590-2598 (2016).
[55] Vicente F.A., Huš M., Likozar B., Novak U., Chitin Deacetylation Using Deep Eutectic Solvents: Ab Initio-Supported Process Optimization. ACS Sust. Chem. Eng., 9: 3874-3886 (2021).
[56] Kozma M., Acharya B., Bissessur R., Chitin, Chitosan, and Nanochitin: Extraction, Synthesis, and Applications. Polymers, 14: 3989 (2022).
[57] El-Nesr E.M., Raafat A., Nasef S., Soliman E.-S., Hegazy E.-S., Chitin and Chitosan Extracted from Irradiated and Non-Irradiated Shrimp Wastes (Comparative Analysis Study). Arab. J. Nucl. Sci. App., 46: 53-66 (2013).
[58] Dahmane E.m., Taourirte M., Eladlani N., Rhazi M., Extraction and Characterization of Chitin and Chitosan from Parapenaeus Longirostris from Moroccan Local Sources. Int. J. Polym. Anal. Charac., 19: 342-351 (2014).
[59] Hisham F., Maziati Akmal M.H., Ahmad F.B., Ahmad K., Facile Extraction of Chitin and Chitosan from Shrimp Shell. Mater. Today: Proc., 42: 2369-2373 (2021).
[61] Sodeifian G., Azizi J., Ghoreishi S.M., Response Surface Optimization of Smyrnium Cordifolium Boiss (Scb) Oil Extraction Via Supercritical Carbon Dioxide. J. Supercrit Fluids, 95: 1-7 (2014).
[62] Sodeifian G., Ansari K., Optimization of Ferulago Angulata Oil Extraction with Supercritical Carbon Dioxide. J. Supercrit. Fluids, 57: 38-43 (2011).
[64] حسن زاده کفشگری م.، خرم م.، منصوری م.، صمیمی ع.، بهسازی و تعیین درجه استیل زدایی کیتوزان با روش تیتراسیون پتانسیل سنجی و طیف نمایی زیر قرمز، نشریه شیمی و مهندسی شیمی ایران، 31(2): 13-20 (1391).
[65] García M.A., de la Paz N., Castro C., Rodríguez J.L., Rapado M., Zuluaga R., Gañán P., Casariego A., Effect of Molecular Weight Reduction by Gamma Irradiation on the Antioxidant Capacity of Chitosan from Lobster Shells. J. Rad. Res. Appl. Sci., 8: 190-200 (2015).
[66] Moussout H., Ahlafi H., Aazza M., Bourakhouadar M., Kinetics and Mechanism of the Thermal Degradation of Biopolymers Chitin and Chitosan Using Thermogravimetric Analysis. Polym. Degrad. Stab., 130: 1-9 (2016).
[68] Bano I., Ghauri M.A., Yasin T., Huang Q., Palaparthi A.D.S., Characterization and Potential Applications of Gamma Irradiated Chitosan and Its Blends with Poly(Vinyl Alcohol). Int. J. Biol. Macromol., 65: 81-88 (2014).
[69] Shanmugam A., Kathiresan K., Nayak L., Preparation, Characterization and Antibacterial Activity of Chitosan and Phosphorylated Chitosan from Cuttlebone of Sepia Kobiensis. Biotech. Reports, 92: 5-30 (2016).
[70] Kravanja G., Primožič M., Knez Ž., Leitgeb M., Chitosan-Based (Nano)Materials for Novel Biomedical Applications. Molecules, 24: 19-60 (2019).
[72] Mohammadi P., Taghavi E., Foong S.Y., Rajaei A., Amiri H., de Tender C., Peng W., Lam S.S., Aghbashlo M., Rastegari H., Tabatabaei M., Comparison of Shrimp Waste-Derived Chitosan Produced through Conventional and Microwave-Assisted Extraction Processes: Physicochemical Properties and Antibacterial Activity Assessment. Int. J. Biol. Macromol., 242: 124841 (2023).
[73] No H.K., Young Park N., Ho Lee S., Meyers S.P., Antibacterial Activity of Chitosans and Chitosan Oligomers with Different Molecular Weights. Int. J. Food Microbiol., 74: 65-72 (2002).
[74] Aktar J., Hasan Z., Afroz T., Rashid H.O., Pramani K., Application of Gamma Radiation and Physicochemical Treatment to Improve the Bioactive Properties of Chitosan Extracted from Shrimp Shell. Nukleonika, 62: 245-251 (2017).
[75] Lan J., Chen J., Zhu R., Lin C., Ma X., Cao S., Antibacterial and Antiviral Chitosan Oligosaccharide Modified Cellulosic Fibers with Durability against Washing and Long-Acting Activity. Int. J. Biol. Macromol., 231: 123587 (2023).
[76] Qian J., Wang X., Chen Y., Mo C., Liang C., Guo H., The Correlation of Molecule Weight of Chitosan Oligomers with the Corresponding Viscosity and Antibacterial Activity. Carbohydr. Res., 530: 108860 (2023).