إنتاج الكيتين والكيتوسان من الفطر

تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية طريقة عالية الكفاءة لتحرير الكيتين والكيتوسان من المصادر الفطرية مثل الفطر. ويجب إخضاع الكيتين والكيتوسان لإزالة البلمرة ونزع الأستيل في مراحل المعالجة اللاحقة للحصول على بوليمر حيوي عالي الجودة. وتُعد إزالة البلمرة ونزع الأستيل بمساعدة الموجات فوق الصوتية تقنية عالية الفعالية وبسيطة وسريعة، تنتج أنواعًا من الكيتوسان عالية الجودة ذات وزن جزيئي مرتفع وتوافر حيوي فائق.

الكيتين والكيتوسان المستخلصان من الفطر باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية

تُستخدم أنواع الفطر الصالحة للأكل والطبية مثل Lentinus edodes (شيتاكي)، وGanoderma lucidum (لينغ تشي أو ريشي)، وInonotus obliquus (تشاغا)، وAgaricus bisporus (فطر الأزرار)، وHericium erinaceus (عرف الأسد)، وCordyceps sinensis (فطر اليرقة)، وGrifola frondosa (دجاجة الغابة)، وTrametes versicolor (Coriolus versicolor، وPolyporus versicolor، وذيل الديك الرومي)، والعديد من الأنواع الفطرية الأخرى على نطاق واسع بوصفها غذاءً ولاستخلاص المركبات النشطة حيويًا. ويمكن استخدام هذه الأنواع من الفطر وكذلك مخلفات المعالجة (نفايات الفطر) لإنتاج الكيتوسان. ولا تعزز المعالجة بالموجات فوق الصوتية تحرير الكيتين من بنية جدار الخلية الفطرية فحسب، بل تدفع أيضًا تحويل الكيتين إلى الكيتوسان القيّم عن طريق إزالة البلمرة ونزع الأستيل بمساعدة الموجات فوق الصوتية.

تعزز المعالجة بالموجات فوق الصوتية إزالة بلمرة الكيتين ونزع الأستيل منه لتحويله إلى الكيتوسان

تُعد المعالجة المكثفة بالموجات فوق الصوتية باستخدام نظام مزود بمسبار تقنيةً تُستخدم لتعزيز إزالة بلمرة الكيتين ونزع الأستيل منه، مما يؤدي إلى تكوّن الكيتوسان. والكيتين عديد سكاريد موجود طبيعيًا في الهياكل الخارجية للقشريات والحشرات وفي جدران خلايا بعض الفطريات. ويُشتق الكيتوسان من الكيتين بإزالة مجموعات الأستيل من جزيء الكيتين.

إجراء التحويل بالموجات فوق الصوتية من الكيتين الفطري إلى الكيتوسان

عند تطبيق المعالجة المكثفة بالموجات فوق الصوتية لإنتاج الكيتوسان من الكيتين، يُعالج معلّق الكيتين بموجات فوق صوتية عالية الشدة ومنخفضة التردد، عادةً ضمن نطاق من 20 kHz إلى 30 kHz. وتولّد العملية تجويفًا صوتيًا شديدًا، وهو تكوّن فقاعات فراغية مجهرية في السائل ونموها وانهيارها. ويولّد التجويف موضعيًا قوى قص شديدة الارتفاع، ودرجات حرارة مرتفعة (تصل إلى عدة آلاف من الدرجات المئوية)، وضغوطًا مرتفعة (تصل إلى عدة مئات من وحدات الضغط الجوي) في السائل المحيط بفقاعات التجويف. وتساهم هذه الظروف القصوى في تفكك بوليمر الكيتين ونزع الأستيل اللاحق.

صور بالمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) للكيتين والكيتوسان من نوعين من الفطر: a) الكيتين من L. vellereus؛ b) الكيتين من P. ribis؛ c) الكيتوسان من L.vellereus؛ d) الكيتوسان من P. ribis.
الصورة والدراسة: © Erdoğan et al., 2017

إزالة بلمرة الكيتين بالموجات فوق الصوتية

تحدث إزالة بلمرة الكيتين بفعل التأثيرات المشتركة للقوى الميكانيكية، مثل التدفق المجهري والنفث السائل، وكذلك بفعل التفاعلات الكيميائية التي تبدأ بالموجات فوق الصوتية وتستحثها الجذور الحرة والأنواع الكيميائية التفاعلية الأخرى المتكوّنة أثناء التجويف. وتتسبب موجات الضغط المرتفع المتولدة أثناء التجويف في تعريض سلاسل الكيتين لإجهاد القص، مما يؤدي إلى انشطار البوليمر إلى أجزاء أصغر.

نزع الأستيل من الكيتين بالموجات فوق الصوتية

بالإضافة إلى إزالة البلمرة، تعزز المعالجة المكثفة بالموجات فوق الصوتية أيضًا نزع الأستيل من الكيتين. ويتضمن نزع الأستيل إزالة مجموعات الأستيل من جزيء الكيتين، مما يؤدي إلى تكوّن الكيتوسان. وتسرّع الطاقة فوق الصوتية الشديدة، وخصوصًا درجات الحرارة والضغوط المرتفعة المتولدة أثناء التجويف، تفاعل نزع الأستيل. وتساعد الظروف التفاعلية الناشئة عن التجويف في كسر روابط الأستيل في الكيتين، مما يؤدي إلى تحرير حمض الأسيتيك وتحويل الكيتين إلى الكيتوسان.
وعمومًا، تعزز المعالجة المكثفة بالموجات فوق الصوتية عمليتَي إزالة البلمرة ونزع الأستيل بتوفير الطاقة الميكانيكية والكيميائية اللازمة لتفكيك بوليمر الكيتين وتسهيل تحويله إلى الكيتوسان. وتوفر هذه التقنية طريقة سريعة وفعالة لإنتاج الكيتوسان من الكيتين، مع تطبيقات عديدة في مختلف الصناعات، بما فيها الصناعات الدوائية والزراعة والهندسة الطبية الحيوية.

الإنتاج الصناعي للكيتوسان من الفطر باستخدام الموجات فوق الصوتية عالية القدرة

يعتمد الإنتاج التجاري للكيتين والكيتوسان أساسًا على نفايات الصناعات البحرية (أي صيد الأسماك وجمع المحاريات وما إلى ذلك). وتؤدي المصادر المختلفة للمواد الخام إلى اختلاف جودة الكيتين والكيتوسان، مما يسبب تقلبات في الإنتاج والجودة بسبب التغيرات الموسمية في الصيد. وعلاوة على ذلك، تشير التقارير إلى أن الكيتوسان المشتق من المصادر الفطرية يوفر خصائص متفوقة، مثل تجانس طول البوليمر وقابلية ذوبان أكبر، مقارنةً بالكيتوسان من المصادر البحرية. (راجع Ghormade et al., 2017) ولتوفير كيتوسان متجانس، أصبح استخلاص الكيتين من الأنواع الفطرية بديلًا إنتاجيًا مستقرًا. ويمكن إنتاج الكيتين والكيتوسان من الفطريات بسهولة وموثوقية باستخدام تقنية الاستخلاص ونزع الأستيل بالموجات فوق الصوتية. وتفكك المعالجة المكثفة بالموجات فوق الصوتية البنى الخلوية لتحرير الكيتين وتعزز انتقال الكتلة في المذيبات المائية لتحقيق مردود أعلى من الكيتين وكفاءة استخلاص فائقة. ويحوّل نزع الأستيل اللاحق بالموجات فوق الصوتية الكيتين إلى الكيتوسان القيّم. ويمكن توسيع نطاق كلٍّ من استخلاص الكيتين بالموجات فوق الصوتية ونزع الأستيل منه لتحويله إلى الكيتوسان بصورة خطية إلى أي مستوى من مستويات الإنتاج التجاري.

تكثّف المعالجة بالموجات فوق الصوتية إنتاج الكيتوسان الفطري وتجعل الإنتاج أكثر كفاءة وجدوى اقتصادية.
(الصورة والدراسة: © Zhu et al., 2019)

نتائج الأبحاث المتعلقة بنزع الأستيل من الكيتين والكيتوسان بالموجات فوق الصوتية

خلص Zhu et al. (2018) في دراستهم إلى أن نزع الأستيل بالموجات فوق الصوتية أثبت أنه إنجاز حاسم، إذ يحوّل β-كيتين إلى كيتوسان بدرجة نزع أستيل تبلغ 83–94% عند درجات حرارة تفاعل منخفضة. وتُظهر الصورة على اليسار صورة بالمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) لكيتوسان منزوع الأستيل بالموجات فوق الصوتية (90 W، 15 min، 20 w/v% NaOH، 1:15 (g: mL) (الصورة والدراسة: © Zhu et al., 2018)
في بروتوكولهم، حُضّر محلول NaOH (20 w/v %) بإذابة رقائق NaOH في ماء منزوع الأيونات. ثم أُضيف المحلول القلوي إلى راسب GLSP (0.5 g) بنسبة صلب إلى سائل مقدارها 1:20 (g: mL) داخل أنبوب طرد مركزي. وأُضيف الكيتوسان إلى NaCl (40 mL، 0.2 M) وحمض الأسيتيك (0.1 M) بنسبة حجمية للمحلولين مقدارها 1:1. ثم عُرّض المعلّق للموجات فوق الصوتية عند درجة حرارة معتدلة تبلغ 25°C لمدة 60 min باستخدام جهاز معالجة بالموجات فوق الصوتية مزود بمسبار (250W، 20kHz). (راجع Zhu et al., 2018)
 
وجد Pandit et al. (2021) أن معدل تحلل محاليل الكيتوسان نادرًا ما يتأثر بتركيزات الحمض المستخدم لإذابة البوليمر، وأنه يعتمد إلى حد كبير على درجة الحرارة وشدة الموجات فوق الصوتية والقوة الأيونية للأوساط المستخدمة لإذابة البوليمر. (راجع Pandit et al., 2021)
 
في دراسة أخرى، استخدم Zhu et al. (2019) مساحيق أبواغ Ganoderma lucidum بوصفها مادة خام فطرية، وبحثوا نزع الأستيل بمساعدة الموجات فوق الصوتية وتأثيرات معلمات المعالجة، مثل مدة المعالجة بالموجات فوق الصوتية ونسبة الصلب إلى السائل وتركيز NaOH وقدرة التشعيع، في درجة نزع الأستيل (DD) من الكيتوسان. وتحققت أعلى قيمة لـ DD عند معلمات الموجات فوق الصوتية التالية: معالجة بالموجات فوق الصوتية لمدة 20 min بقدرة 80W، و10% (g:ml) NaOH، و1:25 (g:ml). وفُحصت مورفولوجيا السطح والمجموعات الكيميائية والثبات الحراري والتبلورية للكيتوسان الناتج باستخدام الموجات فوق الصوتية بواسطة SEM وFTIR وTG وXRD. وأفاد فريق البحث بتحسن ملحوظ في درجة نزع الأستيل (DD) واللزوجة الديناميكية ([η]) والوزن الجزيئي (Mv¯) للكيتوسان المنتج بالموجات فوق الصوتية. وأكدت النتائج أن تقنية نزع الأستيل من الفطريات بالموجات فوق الصوتية طريقة إنتاج عالية الفعالية للكيتوسان المناسب للتطبيقات الطبية الحيوية. (راجع Zhu et al., 2019)

جودة فائقة للكيتوسان بفضل إزالة البلمرة ونزع الأستيل بالموجات فوق الصوتية

يمكن التحكم بدقة في عمليات استخلاص الكيتين / الكيتوسان وإزالة البلمرة المدفوعة بالموجات فوق الصوتية، كما يمكن ضبط معلمات المعالجة بالموجات فوق الصوتية بما يتناسب مع المواد الخام والجودة المستهدفة للمنتج النهائي (مثل الوزن الجزيئي ودرجة نزع الأستيل). ويتيح ذلك تكييف عملية المعالجة بالموجات فوق الصوتية مع العوامل الخارجية وتحديد المعلمات المثلى لتحقيق نتائج وكفاءة فائقتين.
يُظهر الكيتوسان المنزوع الأستيل بالموجات فوق الصوتية توافرًا حيويًا وتوافقًا حيويًا ممتازين. وعند مقارنة بوليمرات الكيتوسان الحيوية المحضّرة بالموجات فوق الصوتية بالكيتوسان المستخلص حراريًا من حيث الخصائص الطبية الحيوية، يُظهر الكيتوسان المنتج بالموجات فوق الصوتية تحسنًا ملحوظًا في حيوية الخلايا الليفية (خلايا L929) ونشاطًا مضادًا للبكتيريا معززًا تجاه كلٍّ من Escherichia coli (E. coli) وStaphylococcus aureus (S. aureus).
(راجع Zhu et al., 2018)

صور بالمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) بتكبير 100× لكلٍّ من a) القلم الداخلي للحبار، b) القلم الداخلي للحبار المعالج بالموجات فوق الصوتية، c) β-كيتين، d) β-كيتين المعالج بالموجات فوق الصوتية، وe) الكيتوسان (المصدر: Preto et al. 2017)

معدات موجات فوق صوتية عالية الأداء لمعالجة الكيتين والكيتوسان

يتطلب تفتيت الكيتين ونزع الأستيل منه لتحويله إلى الكيتوسان معدات موجات فوق صوتية قوية وموثوقة، قادرة على توفير سعات اهتزاز عالية، وتتيح التحكم الدقيق في معلمات العملية، ويمكن تشغيلها على مدار 24/7 تحت أحمال ثقيلة وفي بيئات تتطلب أداءً عاليًا. وتلبي مجموعة منتجات Hielscher Ultrasonics هذه المتطلبات بموثوقية. وبالإضافة إلى الأداء المتميز للموجات فوق الصوتية، تتمتع أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher بكفاءة عالية في استخدام الطاقة، وهي ميزة اقتصادية مهمة – خصوصًا عند استخدامها في الإنتاج التجاري واسع النطاق.
أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher أنظمة عالية الأداء يمكن تجهيزها بملحقات مثل السونوترودات ومعززات السعة والمفاعلات أو خلايا التدفق لتلبية احتياجات عمليتكم على النحو الأمثل. وبفضل الشاشة الرقمية الملونة وخيار الضبط المسبق لدورات المعالجة بالموجات فوق الصوتية والتسجيل التلقائي للبيانات على بطاقة SD مدمجة والتحكم عن بُعد عبر المتصفح والعديد من الميزات الأخرى، تضمن أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية من Hielscher أعلى مستويات التحكم في العملية وسهولة الاستخدام. ومع متانتها وقدرتها على تحمل الأحمال الثقيلة، تُعد أنظمة الموجات فوق الصوتية من Hielscher ركيزة موثوقة للإنتاج. ويتطلب تفتيت الكيتين ونزع الأستيل منه موجات فوق صوتية قوية لتحقيق التحويل المستهدف ومنتج كيتوسان نهائي عالي الجودة. وتكتسب سعات الاهتزاز العالية والضغوط المرتفعة أهمية حاسمة، خصوصًا لتفتيت رقائق الكيتين وخطوات إزالة البلمرة / نزع الأستيل. وتوفر المعالجات الصناعية بالموجات فوق الصوتية من Hielscher Ultrasonics سعات اهتزاز عالية جدًا بسهولة. ويمكن التشغيل المستمر بسعات اهتزاز تصل إلى 200µm على مدار 24/7. ولتحقيق سعات اهتزاز أعلى، تتوفر سونوترودات مخصصة للموجات فوق الصوتية. وتتيح قدرة أنظمة الموجات فوق الصوتية من Hielscher إزالة البلمرة ونزع الأستيل بكفاءة وسرعة ضمن عملية آمنة وسهلة الاستخدام.

معالجة تآزرية للكيتين محسّنة بالموجات فوق الصوتية

للتغلب على عيوب نزع الأستيل التقليدي من الكيتين بالطرق الكيميائية والإنزيمية (أي انخفاض الكفاءة وارتفاع تكلفة الطاقة وطول زمن المعالجة والمذيبات السامة)، دُمجت الموجات فوق الصوتية عالية الشدة في معالجة الكيتين والكيتوسان. وتؤدي المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الشدة والتأثيرات الناتجة عن التجويف الصوتي إلى انشطار سريع لسلاسل البوليمر وتقليل تعدد التشتت، مما يعزز تصنيع الكيتوسان. وعلاوة على ذلك، تكثّف قوى القص الناتجة عن الموجات فوق الصوتية انتقال الكتلة في المحلول، مما يعزز التفاعلات الكيميائية أو تفاعلات التحلل المائي أو التفاعلات الإنزيمية. ويمكن الجمع بين معالجة الكيتين بالموجات فوق الصوتية وتقنيات معالجة الكيتين القائمة بالفعل، مثل الطرق الكيميائية أو التحلل المائي أو الإجراءات الإنزيمية.

نزع الأستيل وإزالة البلمرة كيميائيًا بمساعدة الموجات فوق الصوتية

نظرًا إلى أن الكيتين بوليمر حيوي غير متفاعل وغير قابل للذوبان، يجب أن يخضع لخطوات إزالة المعادن وإزالة البروتينات وإزالة البلمرة / نزع الأستيل للحصول على كيتوسان قابل للذوبان ومتاح حيويًا. وتتضمن هذه الخطوات معالجات بأحماض قوية مثل HCl وقواعد قوية مثل NaOH وKOH. ولأن هذه الخطوات التقليدية غير فعالة وبطيئة وتتطلب طاقة مرتفعة، فإن تكثيف العملية بالمعالجة بالموجات فوق الصوتية يحسّن إنتاج الكيتوسان بدرجة كبيرة. ويزيد تطبيق الموجات فوق الصوتية عالية القدرة مردود الكيتوسان وجودته، ويقلص مدة العملية من أيام إلى بضع ساعات، ويتيح استخدام مذيبات أقل قسوة، ويجعل العملية بأكملها أكثر كفاءة في استخدام الطاقة.

إزالة البروتينات من الكيتين محسّنة بالموجات فوق الصوتية

وجد Vallejo-Dominguez et al. (2021) في بحثهم حول إزالة البروتينات من الكيتين أن «تطبيق الموجات فوق الصوتية لإنتاج البوليمرات الحيوية قلّل محتوى البروتين وكذلك حجم جسيمات الكيتين. وأُنتج كيتوسان ذو درجة نزع أستيل عالية ووزن جزيئي متوسط بمساعدة الموجات فوق الصوتية».

التحلل المائي بالموجات فوق الصوتية لإزالة بلمرة الكيتين

في التحلل المائي الكيميائي، تُستخدم الأحماض أو القلويات لنزع الأستيل من الكيتين، إلا أن نزع الأستيل بالقلويات (مثل هيدروكسيد الصوديوم NaOH) أكثر شيوعًا. والتحلل المائي الحمضي طريقة بديلة لنزع الأستيل الكيميائي التقليدي، تُستخدم فيها محاليل الأحماض العضوية لإزالة بلمرة الكيتين والكيتوسان. وتُستخدم طريقة التحلل المائي الحمضي غالبًا عندما يجب أن يكون الوزن الجزيئي للكيتين والكيتوسان متجانسًا. وتُعرف عملية التحلل المائي التقليدية هذه بأنها بطيئة وكثيفة الاستهلاك للطاقة ومرتفعة التكلفة. وتُعد الحاجة إلى أحماض قوية ودرجات حرارة وضغوط مرتفعة عوامل تجعل معالجة الكيتوسان بالتحلل المائي إجراءً مكلفًا جدًا ويستغرق وقتًا طويلًا. وتتطلب الأحماض المستخدمة عمليات لاحقة مثل التعادل وإزالة الأملاح.
ومن خلال دمج الموجات فوق الصوتية عالية القدرة في عملية التحلل المائي، يمكن خفض متطلبات درجة الحرارة والضغط للانشطار بالتحلل المائي للكيتين والكيتوسان بدرجة كبيرة. وعلاوة على ذلك، تتيح المعالجة بالموجات فوق الصوتية استخدام تركيزات حمضية أقل أو أحماض أقل قسوة. وهذا يجعل العملية أكثر استدامة وكفاءة وفعالية من حيث التكلفة وأكثر مراعاةً للبيئة.

نزع الأستيل كيميائيًا بمساعدة الموجات فوق الصوتية

يُحقق التفكك الكيميائي ونزع الأستيل من الكيتين والكيتوسان أساسًا بمعالجة الكيتين أو الكيتوسان بأحماض معدنية (مثل حمض الهيدروكلوريك HCl)، أو نتريت الصوديوم (NaNO₂)، أو بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂). وتحسّن الموجات فوق الصوتية معدل نزع الأستيل، مما يقلص زمن التفاعل اللازم للوصول إلى درجة نزع الأستيل المستهدفة. وهذا يعني أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية تقلص زمن المعالجة المطلوب من 12–24 ساعة إلى بضع ساعات. وعلاوة على ذلك، تتيح المعالجة بالموجات فوق الصوتية تركيزات كيميائية أقل بكثير، مثل استخدام هيدروكسيد الصوديوم بتركيز 40% (w/w) مع المعالجة بالموجات فوق الصوتية، بينما يلزم تركيز 65% (w/w) دون استخدام الموجات فوق الصوتية.

نزع الأستيل الإنزيمي بالموجات فوق الصوتية

على الرغم من أن نزع الأستيل الإنزيمي طريقة معالجة لطيفة وغير ضارة بالبيئة، فإن كفاءته وتكاليفه تجعلان استخدامه غير مجدٍ اقتصاديًا. وبسبب تعقيد عمليات عزل الإنزيمات وتنقيتها لاحقًا من المنتج النهائي وكثافة العمل المطلوب وارتفاع تكلفتها، لا يُطبق نزع الأستيل الإنزيمي من الكيتين في الإنتاج التجاري، بل يُستخدم فقط في مختبرات البحث العلمي.
تفتت المعالجة الأولية بالموجات فوق الصوتية قبل نزع الأستيل الإنزيمي جزيئات الكيتين، مما يزيد مساحة السطح ويتيح مساحة سطحية أكبر للإنزيمات. وتساعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية الأداء على تحسين نزع الأستيل الإنزيمي وتجعل العملية أكثر جدوى اقتصادية.