استخراج کایتوزان با خلوص و درجه استیل زدایی بالا از پوسته میگو

نوع مقاله : مقاله کامل علمی پژوهشی

نویسندگان

1 دانش آموخته کارشناسیارشد گروه علوم وصنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابعطبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران،

2 دانشیار گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران،

3 استادیار گروه علوم و صنایع چوب و کاغذ، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران،

4 استاد گروه شیلات، دانشکده منابع طبیعی، دانشگاه تهران، کرج، ایران

چکیده

سابقه و هدف: کیتین و کایتوزان به عنوان فراوان‌ترین آمینو‌پلی‌ساکاریدها در طبیعت، دارای خصوصیاتی از جمله زیست‌سازگاری‌، میزان سمیت پایین، زیست تخریب پذیری هستند. این خصوصیات منحصر به فرد، موجب شد تا کیتین و کایتوزان توجه زیادی را به دلیل پتانسیل بالا، جهت تولید محصولات با ارزش، به سمت خود جلب کند. کایتوزان، دارای کاربردهای زیادی در صنعت کشاورزی و حفاظت چوب از قبیل آفت‌کش‌ها و حشره‌کش‌ها دارد و همینطور در زیست‌پزشکی دارای کاربرد متعددی از جمله استفاده در صنعت داروسازی به عنوان رهایش دارویی می‌باشد، همچنین می‌تواند به شکل حامل‌های دارویی مورد استفاده قرار گیرد . هدف از این مقاله استخراج کایتوزان بسیار خالص با درجه استیل‌زدایی بالا از پوسته میگو است.
مواد و روش: در مطالعه حاضر، استخراج و بررسی ویژگی‌های کایتوزان از پوسته میگو پرورشی (Litopenaeus vannamei) بررسی شد. بدین منظور کایتوزان با استفاده از روش شیمیایی شامل معدنی‌زدایی ( با غلظتHCl 4 درصد)، پروتئین‌زدایی (با غلظت NaOH 4 درصد) و استیل‌زدایی (با غلظت NaOH 60 درصد) استخراج شد. همچنین، نانو کیتوزان با روش ژلاتین یونی تهیه شد. یکسری پارامترها مورد مطالعه قرار گرفتند که شامل درجه استیل‌زدایی، وزن مولکولی، pH و حلالیت بودند. همچنین آزمون طیف سنجی FTIR، میکروسکوپ الکترونی روبشی گسیل میدانی FESEM))، پتانسیل زتا، طیف سنجی پراش انرژی پرتو ایکس (EDX) و پراش پرتو ایکس (XRD) استفاده شدند.
یافته‌ها: نتایج آزمون FTIR روی کیتین و کایتوزان استخراج شده از پوسته میگو نشان داد، حذف مواد پروتئینی، معدنی با به کارگیری هیپدروکلریک‌اسید، سدیم‌هیدروکسید مناسب بوده است. درجه بالای استیل‌زدایی کایتوزان در این مطالعه (87٪) تاثیر معنی‌داری بر حلالیت مناسب و ویسکوزیته پایین کایتوزان داشت. حلالیت کایتوزان در اسیداستیک 86 درصد بدست آمد. وزن مولکولی کایتوزان استخراج شده 110 کیلو دالتون می‌باشد. کایتوزان با این وزن مولکولی می‌تواند در صنعت داروسازی کاربرد مطلوبی داشته باشد. با توجه به الگوهای XRD کایتوزان در مطالعات قبلی، پیک‌های بدست‌آمده در الگوهای XRD در این پژوهش ساختار نیمه کریستالی کایتوزان را تایید می‌کند. با توجه به تغییر سطح کایتوزان که در تصاویر FESEM مشاهده شده بود می‌تواند به دلیل خالص‌سازی کایتوزان باشد. آزمون FESEM نشان داد قطر نانوکایتوزان 100 تا 150 نانومتر است.
نتیجه‌گیری: از نتایج این تحقیق می‌توان دریافت که با استفاده از روش استخراج کایتوزان در این تحقیق، کایتوزان با خلوص بالا و با درجه استیل‌زدایی بالا می‌تواند بدست آید. با افزایش درجه‌ی استیل‌زدایی، حلالیت کایتوزان افزایش یافته و همچنین این درجه استیل‌زدایی در بهبود وزن مولکولی (وزن مولکولی کم) تاثیر زیادی داشته است. در نتیجه‌ بررسی نقش انحلال‌پذیری کایتوزان در مجاورت استیک‌اسید، این مسئله روشن می‌شود که انحلال‌پذیری کایتوزان و همچنین اندازه ذرات نانو کایتوزان به pH محلول بستگی دارد. کایتوزان تولید شده را می‌توان به طور گسترده‌ای در صنایع دارویی مورد استفاده قرار داد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Extraction of highly purified chitosan from shrimp shells with high de-acetylation degree

نویسندگان [English]

  • Hadi kanaani 1
  • Mehdi Jonoobi 2
  • Payam Moradpour 3
  • Gholamreza Rafie 4
1 University of tehran
2 University of Tehran
3 استادیار دانشگاه تهران
4 University of Tehran
چکیده [English]

Background and objectives: chitin and chitosan, as the most abundant amino-polysaccharide in nature, have characteristics such as biocompatibility, low toxicity, and biodegradability. These unique specifications have resulted in chitin and chitosan attracting a lot of attention because of the high potential for producing valuable products. Chitosan has many uses in the agricultural industry and wood preservation, such as pesticides and insecticides, as well as in biomedical applications, including the use in the pharmaceutical industry as a drug release, and can also be used as drug carriers. The purpose of this article is to extract highly purified chitosan with high de-acetylation degree from shrimp shells.
Materials and methods: In this study, the extraction and characterization of chitosan from the shrimp shell (Litopenaeus vannamei) was investigated. For this purpose, chitosan was extracted by chemical method including mineralization (with 4% HCl concentration), protein degradation (with 4% NaOH concentration), and deacetylation (with 60% NaOH concentration). Also, nano-chitosan was prepared by ionic gelation method. A series of parameters were studied, which included the degree of deacetylation, molecular weight, pH and solubility. Also, FTIR spectroscopy, FESEM scanning electron microscopy, Zeta potential, X-ray diffraction spectroscopy (EDX) and X-ray diffraction (XRD) were used.
Results: The results of FTIR test on chitin and chitosan extracted from shrimp shell showed that the removal of protein and mineral materials was appropriate with the use of hydrochloric acid, sodium hydroxide. The high degree of deacetylation of chitosan in this study (87%) had a significant effect on the proper solubility and low viscosity of chitosan. The solubility of chitosan in acetic acid was 86%. The molecular weight of the chitosan extracted was 110 kDa. With this molecular weight, chitosan can be used well in the pharmaceutical industry. According to chitosan XRD patterns in previous studies, the peaks obtained in XRD patterns in this study confirmed the semi-crystalline structure of chitosan. Due to the change in the level of chitosan seen in FESEM images, it can be due to the purification of chitosan. The FESEM test confirms nano-chitosan with diameter range of 100 to 150 nm.
Conclusions: From the results of this study, it can be concluded that using the chitosan extraction method in this research, highly purified chitosan with high de-acetylation degree can be obtained. With increasing degree of deacetylation, the solubility of chitosan has increased, and this degree of deacetylation has had a significant effect on improving molecular weight (Low molecular weight). As a result of the study of the role of solubility of chitosan in the vicinity of acetic acid, it becomes obvious that the solubility of the chitosan and the size of the nano-chitosan particles depend on the solution pH. The produced chitosan can be used in wide variety of application mainly in pharmaceutical industry.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Shrimp shell
  • Chitosan
  • Degree of deacetylation
  • Nanochitosan

مراجع

1.Abdou, E.S., Nagy, K.S., and Elsabee,M.Z. 2008. Extraction and characterization of chitin and chitosan from local sources. Bioresource Technology. 99: 5. 1359-1367.
2.Alishahi, A., Mirvaghefi, A., Tehrani, M.R., Farahmand, H., Shojaosadati, S.A., Dorkoosh, F.A., and Elsabee, M.Z.
2011. Enhancement and characterization of chitosan extraction from the wastes
of shrimp packaging plants. J. Polymer. Environ. 19: 3. 776-783.
3.Al Sagheer, F.A., Al-Sughayer, M.A., Muslim, S., and Elsabee, M.Z. 2009. Extraction and characterization of chitin and chitosan from marine sources in Arabian Gulf. Carbohydrate polymers.77: 2. 410-419.
4.Anitha, A., Sowmya, S., Kumar, P.S., Deepthi, S., Chennazhi, K.P., Ehrlich,H., and Jayakumar, R. 2014. Chitin
and chitosan in selected biomedical applications. Progress in Polymer Science. 39: 9. 1644-1667.
5.Asghari, S.M., Ebrahimi Samamni, S., Seraj, Z., Khajeh, Kh., and Hoseinkhani, S. 2013. Optimization of synthesis of chitosan nanoparticles. Biotechnology University of Tarbiat Modarres.4: 2. 21-29. (In Persian)
6.Bangyekan, C., Aht-Ong, D., and Srikulkit, K. 2006. Preparation and properties evaluation of chitosan-coated cassava starch films. Carbohydrate Polymers. 63: 1. 61-71.
7.Choudhury, G.S., and Bublitz, C.G.1996. Computer-based controls in fish processing industry. P 513-538, In: G.S. Mittal (ed), Computerized control systems in the food industry, Marcel Dekker, Inc, New York.
8.Felt, O., Buri, P., and Gurny, R. 1998. Chitosan: a unique polysaccharide for drug delivery. Drug development and industrial pharmacy, 24: 11. 979-993.
9.Jiang, X., Chen, L., and Zhong, W. 2003. A new linear potentiometric titration method for the determination of deacetylation degree of chitosan. Carbohydrate Polymers. 54: 4. 457-463.
10.Hardani, S., Archangi, B., Zolgharnein, H., and Zamani, E. 2018. Optimization of the extraction of chitin and pure chitosan from chitin shell of the species portunus pelagicus and litopenaeus vannamei. Quar. J. Anim. Ecol. 10: 2. 231-238.
(In Persian)
11.Khodaverdi, E., Ganji, F., Tafaghodi, M., and Sadoogh, M. 2013. Effects of formulation properties on sol–gel behavior of chitosan / glycerolphosphate hydrogel. Iran. Polymer J. 22:10. 785-790.
12.Kumar, M.N.R. 2000. A review of chitin and chitosan applications. Reactive and functional polymers. 46: 1. 1-27.
13.Li, H., Du, Y., and Xu, Y. 2004. Interaction of cationized chitiosan with components in a chemical pulp suspension. Carbohydrate Polymers.58. 205-214.
14.Li, Q., Dunn, E.T., Grandmaison, E.W., and Goosen, M.F. 1992. Applications and properties of chitosan. J. Bioactive Compatible Poly. 7: 4. 370-397.
15.Mahdavi, B., Aghaalikhani, M., and Sharifi, M. 2014. Chitosan improves osmotic potential tolerance in safflower seedlings. Crop Improvement. 25: 6. 728-741.
16.Majekodunmi, S.O. 2016. Current Development of Extraction, Characterization and Evaluation of Properties of Chitosan and Its Use in Medicine and Pharmaceutical Industry. Amer. J. Polymer Sci. 6: 3. 86–91.
17.Mohammed, M.H., Williams, P.A., and Tverezovskaya, O. 2013. Extraction of chitin from prawn shells and conversion to low molecular mass chitosan. Food Hydrocolloids. 31: 2. 166-171.
18.Nair, R., Reddy, B.H., Kumar, C.A., and Kumar, K.J. 2009. Application of chitosan microspheres as drug carriers: a review. J. Pharm. Sci. Res. 1: 2. 1-12.
19.Paul, S., Jayan, A., Sasikumar, C.S., and Cherian, S.M. 2014. Extraction and purification of chitosan from chitin isolated from sea prawn Fenneropenaeus indicus. Extraction, 7: 4. 201-204.
20.Pokhrel, S., Yadav, P.N., and Adhikari, R. 2015. Applications of chitin and chitosan in industry and medical science: a review. Nepal J. Sci. Technol. 16: 1. 99-104.
21.Rinaudo, M. 2006. Chitin and chitosan: properties and applications. Progress in polymer science, 31: 7. 603-632.
22.Sadeghi, M., Ganji, F., Taghizadeh, S.M., and Daraei, B. 2016. Preparation and characterization of rivastigmine transdermal patch based on chitosan microparticles. Iran. J. Pharm. Res.15: 3. 283-294.
23.Sedaghat, F. 2014. Optimization of the extraction of chitin and chitosan from the Penaeus merguiensis shrimp shell in the Persian Gulf, by chemical and biological methods. Master's dissertation. Hormozgan University. 98p. (In Persian)
24.Sivakumar, S.M., Safhi, M.M., Aamena, J., and Kannadasan, M. 2013. Pharmaceutical aspects of chitosan polymer. In Brief. Res. J. Pharm Tech.6. 1439-1442.
25.Taghizadeh, S.M., and Javan, R.S. 2010. Dynamic parameters in preparing chitosan nanoparticles with incorporation method using novel drug delivery systems. Science and Technology, 23: 2. 103-110.
26.Tharanathan, R.N., and Kittur, F.S. 2003. Chitin-the undisputed biomolecule of great potential. Crit Rev Food Sci Nutr. 43: 1. 61-87.
27.Yen, M.T., and Mau, J.L. 2007. Physico-chemical characterization of fungal chitosan from shiitake stipes. LWT-Food Science and Technology. 40: 3. 472-479.
28.Zahedi, E. 2012. The production of nanoparticles of selective ccsan and the possibility of their application in medicine. Master's dissertation. University of Guilan. 119p. (In Persian)

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار