Göbələklərdən xitin və xitozan istehsalı

Ultrasəslə emal göbələklər kimi göbələk mənşəli mənbələrdən xitin və xitozanı ayırmaq üçün yüksək səmərəli üsuldur. Yüksək keyfiyyətli biopolimer əldə etmək üçün xitin və xitozan sonrakı emal mərhələlərində depolimerləşdirilməli və deasetilləşdirilməlidir. Ultrasəsin köməyi ilə depolimerləşmə və deasetilləşmə yüksək effektivliyə malik, sadə və sürətli texnikadır və yüksək molekul kütləsinə və üstün biomənimsənilməyə malik yüksək keyfiyyətli xitozanların əldə olunmasını təmin edir.

Ultrasəslə emal vasitəsilə göbələklərdən əldə edilən xitin və xitozan

Lentinus edodes (şiitake), Ganoderma lucidum (Linqçi və ya reyşi), Inonotus obliquus (çaqa), Agaricus bisporus (şampinyon), Hericium erinaceus (aslan yalı), Cordyceps sinensis (tırtıl göbələyi), Grifola frondosa (meşə toyuğu), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, hinduşka quyruğu) kimi yeməli və dərman göbələkləri və bir çox digər göbələk növləri qida kimi və bioaktiv birləşmələrin ekstraksiyası üçün geniş istifadə olunur. Bu göbələklər, eləcə də emal qalıqları (göbələk tullantıları) xitozan istehsal etmək üçün istifadə oluna bilər. Ultrasəslə emal təkcə xitinin göbələk hüceyrə divarının strukturundan ayrılmasını təşviq etmir, həm də ultrasəsin köməyi ilə depolimerləşmə və deasetilləşmə vasitəsilə xitinin qiymətli xitozana çevrilməsini təmin edir.

Ultrasəslə emal xitinin depolimerləşməsini və deasetilləşərək xitozana çevrilməsini təşviq edir

Zond tipli ultrasəs sistemi ilə intensiv ultrasəslə emal xitinin depolimerləşməsini və deasetilləşməsini təşviq etmək üçün istifadə olunan və xitozanın yaranmasına gətirib çıxaran texnikadır. Xitin xərçəngkimilərin və həşəratların xarici skeletində, eləcə də müəyyən göbələklərin hüceyrə divarlarında olan təbii polisaxariddir. Xitozan xitin molekulundan asetil qruplarının çıxarılması ilə xitindən əldə edilir.

Göbələk xitininin xitozana çevrilməsi üçün ultrasəs proseduru

Xitindən xitozan istehsalı üçün intensiv ultrasəslə emal tətbiq edildikdə, xitin suspenziyası adətən 20 kHz ilə 30 kHz diapazonunda yüksək intensivlikli, aşağı tezlikli ultrasəs dalğaları ilə emal olunur. Proses intensiv akustik kavitasiya yaradır; bu, mayedə mikroskopik vakuum qabarcıqlarının əmələ gəlməsi, böyüməsi və çökməsi deməkdir. Kavitasiya kavitasiya qabarcıqlarını əhatə edən mayedə lokal olaraq son dərəcə yüksək kəsilmə qüvvələri, yüksək temperaturlar (bir neçə min dərəcə Selsiyə qədər) və təzyiqlər (bir neçə yüz atmosferə qədər) yaradır. Bu ekstremal şərait xitin polimerinin parçalanmasına və sonrakı deasetilləşməyə kömək edir.
 

İki göbələk növündən alınmış xitin və xitozanların SEM təsvirləri: a) L. vellereus-dan xitin; b) P. ribis-dən xitin; c) L.vellereus-dan xitozan; d) P. ribis-dən xitozan.
şəkil və tədqiqat: © Erdoğan et al., 2017

Xitinin ultrasəslə depolimerləşməsi

Xitinin depolimerləşməsi mikroaxınlar və maye şırnaqlarının yaranması kimi mexaniki qüvvələrin birgə təsiri, eləcə də kavitasiya zamanı əmələ gələn sərbəst radikalların və digər reaktiv hissəciklərin təsiri ilə ultrasəsin başlatdığı kimyəvi reaksiyalar vasitəsilə baş verir. Kavitasiya zamanı yaranan yüksək təzyiqli dalğalar xitin zəncirlərinin kəsilmə gərginliyinə məruz qalmasına səbəb olur və nəticədə polimer daha kiçik fraqmentlərə parçalanır.

Xitinin ultrasəslə deasetilləşməsi

İntensiv ultrasəslə emal depolimerləşmə ilə yanaşı xitinin deasetilləşməsini də təşviq edir. Deasetilləşmə xitin molekulundan asetil qruplarının çıxarılmasını əhatə edir və xitozanın yaranmasına gətirib çıxarır. İntensiv ultrasəs enerjisi, xüsusilə kavitasiya zamanı yaranan yüksək temperaturlar və təzyiqlər deasetilləşmə reaksiyasını sürətləndirir. Kavitasiyanın yaratdığı reaktiv şərait xitindəki asetil rabitələrinin qırılmasına kömək edir, nəticədə sirkə turşusu ayrılır və xitin xitozana çevrilir.
Ümumilikdə, intensiv ultrasəslə emal xitin polimerini parçalamaq və onun xitozana çevrilməsini asanlaşdırmaq üçün zəruri mexaniki və kimyəvi enerjini təmin edərək həm depolimerləşmə, həm də deasetilləşmə proseslərini gücləndirir. Bu texnika xitindən xitozan istehsalı üçün sürətli və səmərəli üsul təqdim edir və əczaçılıq, kənd təsərrüfatı və biotibbi mühəndislik də daxil olmaqla müxtəlif sənaye sahələrində çoxsaylı tətbiqlərə malikdir.

Yüksək güclü ultrasəslə göbələklərdən sənaye miqyasında xitozan istehsalı

Kommersiya məqsədli xitin və xitozan istehsalı əsasən dəniz təsərrüfatı sahələrinin tullantılarına (yəni balıqçılıq, qabıqlı dəniz canlılarının toplanması və s.) əsaslanır. Müxtəlif xammal mənbələri fərqli keyfiyyətli xitin və xitozanın əldə olunmasına gətirib çıxarır; mövsümi balıqçılıq dəyişiklikləri isə istehsal və keyfiyyət dalğalanmalarına səbəb olur. Bundan əlavə, məlumatlara görə, göbələk mənbələrindən əldə edilən xitozan dəniz mənşəli xitozanla müqayisədə polimer zəncirlərinin bərabər uzunluğu və daha yüksək həllolma qabiliyyəti kimi üstün xüsusiyyətlərə malikdir. (bax: Ghormade et al., 2017) Eyni keyfiyyətli xitozan təmin etmək üçün göbələk növlərindən xitinin ekstraksiyası sabit alternativ istehsal üsuluna çevrilmişdir. Ultrasəs ekstraksiyası və deasetilləşmə texnologiyası ilə göbələklərdən xitin və xitozan istehsalını asanlıqla və etibarlı şəkildə həyata keçirmək olar. İntensiv ultrasəslə emal xitini ayırmaq üçün hüceyrə strukturlarını dağıdır və daha yüksək xitin çıxımı və ekstraksiya səmərəliliyi üçün sulu həlledicilərdə kütlə ötürülməsini təşviq edir. Sonrakı ultrasəs deasetilləşməsi xitini qiymətli xitozana çevirir. Həm xitinin ultrasəslə ekstraksiyası, həm də deasetilləşərək xitozana çevrilməsi istənilən kommersiya istehsalı səviyyəsinə xətti şəkildə miqyaslandırıla bilər.

Ultrasəslə emal göbələk mənşəli xitozanın istehsalını intensivləşdirir və istehsalı daha səmərəli və iqtisadi cəhətdən daha sərfəli edir.
(şəkil və tədqiqat: © Zhu et al., 2019)

Xitin və xitozanın ultrasəslə deasetilləşməsinə dair tədqiqat nəticələri

Zhu et al. (2018) öz tədqiqatlarında belə nəticəyə gəlirlər ki, ultrasəslə deasetilləşmə mühüm irəliləyiş olduğunu sübut etmişdir və azaldılmış reaksiya temperaturlarında β-xitini 83–94% deasetilləşmə dərəcəsi olan xitozana çevirir. Soldakı şəkil ultrasəslə deasetilləşdirilmiş xitozanın SEM təsvirini göstərir (90 W, 15 min, 20 w/v% NaOH, 1:15 (g: mL) (şəkil və tədqiqat: © Zhu et al., 2018)
Onların protokolunda NaOH məhlulu (20 w/v %) NaOH pulcuqlarının deionlaşdırılmış suda həll edilməsi ilə hazırlanmışdır. Daha sonra qələvi məhlulu sentrifuqa borusunda GLSP çöküntüsünə (0,5 g) 1:20 (g: mL) bərk maddə–maye nisbətində əlavə edilmişdir. Xitozan NaCl (40 mL, 0,2 M) və sirkə turşusuna (0,1 M) məhlulların həcm nisbəti 1:1 olmaqla əlavə edilmişdir. Sonra suspenziya zond tipli ultrasəs cihazı (250W, 20kHz) ilə mülayim 25°C temperaturda 60 min ərzində ultrasəsə məruz qoyulmuşdur. (bax: Zhu et al., 2018)
 
Pandit et al. (2021) müəyyən etmişlər ki, xitozan məhlullarının parçalanma sürətinə polimeri həll etmək üçün istifadə olunan turşunun qatılığı nadir hallarda təsir edir və bu sürət əsasən temperaturdan, ultrasəs dalğalarının intensivliyindən və polimeri həll etmək üçün istifadə olunan mühitlərin ion qüvvəsindən asılıdır. (bax: Pandit et al., 2021)
 
Başqa bir tədqiqatda Zhu et al. (2019) göbələk mənşəli xammal kimi Ganoderma lucidum spor tozlarından istifadə etmiş və ultrasəsin köməyi ilə deasetilləşməni, eləcə də ultrasəslə emal müddəti, bərk maddə–maye nisbəti, NaOH qatılığı və şüalandırma gücü kimi emal parametrlərinin xitozanın deasetilləşmə dərəcəsinə (DD) təsirini araşdırmışlar. Ən yüksək DD qiyməti aşağıdakı ultrasəs parametrlərində əldə edilmişdir: 80W gücündə 20 min ultrasəslə emal, 10% (g:ml) NaOH, 1:25 (g:ml). Ultrasəslə əldə edilmiş xitozanın səth morfologiyası, kimyəvi qrupları, termiki dayanıqlığı və kristallığı SEM, FTIR, TG və XRD ilə yoxlanılmışdır. Tədqiqat qrupu ultrasəslə istehsal edilmiş xitozanın deasetilləşmə dərəcəsinin (DD), dinamik özlülüyünün ([η]) və molekul kütləsinin (Mv¯) əhəmiyyətli dərəcədə artdığını bildirir. Nəticələr göbələklərin ultrasəslə deasetilləşməsi texnikasının biotibbi tətbiqlər üçün uyğun xitozanın yüksək effektiv istehsal üsulu olduğunu vurğulamışdır. (bax: Zhu et al., 2019)

Ultrasəslə depolimerləşmə və deasetilləşmə ilə üstün xitozan keyfiyyəti

Ultrasəs vasitəsilə həyata keçirilən xitin / xitozan ekstraksiyası və depolimerləşmə proseslərinə dəqiq nəzarət etmək mümkündür və ultrasəs prosesinin parametrləri xammala və hədəflənən son məhsul keyfiyyətinə (məsələn, molekul kütləsi, deasetilləşmə dərəcəsi) uyğunlaşdırıla bilər. Bu, ultrasəs prosesini xarici amillərə uyğunlaşdırmağa və üstün nəticə və səmərəlilik üçün optimal parametrləri təyin etməyə imkan verir.
Ultrasəslə deasetilləşdirilmiş xitozan əla biomənimsənilmə və biouyğunluq göstərir. Ultrasəslə hazırlanmış xitozan biopolimerləri biotibbi xüsusiyyətlər baxımından termiki üsulla əldə edilmiş xitozanla müqayisə edildikdə, ultrasəslə istehsal edilmiş xitozan fibroblastların (L929 hüceyrəsi) həyat qabiliyyətinin əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşmasını və həm Escherichia coli (E. coli), həm də Staphylococcus aureus (S. aureus) üçün güclənmiş antibakterial aktivlik nümayiş etdirir.
(bax: Zhu et al., 2018)
 

a) qladiusun, b) ultrasəslə emal edilmiş qladiusun, c) β-xitinin, d) ultrasəslə emal edilmiş β-xitinin və e) xitozanın 100× böyütmədə skanedici elektron mikroskopiyası (SEM) təsvirləri (mənbə: Preto et al. 2017)

Xitin və xitozanın emalı üçün yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəs avadanlığı

Xitinin fraqmentlərə parçalanması və deasetilləşərək xitozana çevrilməsi yüksək amplitudalar təmin edə bilən, proses parametrlərinə dəqiq nəzarət imkanı verən və ağır yük altında, çətin şəraitdə 24/7 işlədilə bilən güclü və etibarlı ultrasəs avadanlığı tələb edir. Hielscher Ultrasonics məhsul çeşidi bu tələbləri etibarlı şəkildə yerinə yetirir. Mükəmməl ultrasəs göstəricilərindən əlavə, Hielscher ultrasəs cihazları yüksək enerji səmərəliliyi ilə seçilir ki, bu da xüsusilə genişmiqyaslı kommersiya istehsalında istifadə olunduqda əhəmiyyətli iqtisadi üstünlükdür.
Hielscher ultrasəs cihazları proses ehtiyaclarınıza optimal şəkildə uyğun gəlmək üçün sonotrodlar, amplituda gücləndiriciləri, reaktorlar və ya axın hüceyrələri kimi aksesuarlarla təchiz oluna bilən yüksək məhsuldarlıqlı sistemlərdir.
 Rəqəmsal rəngli ekran, ultrasəslə emal dövrlərini əvvəlcədən təyin etmək imkanı, inteqrasiya olunmuş SD karta avtomatik məlumat yazılması, brauzer vasitəsilə uzaqdan idarəetmə və bir çox digər xüsusiyyətlərlə Hielscher ultrasəs cihazları prosesə ən yüksək nəzarəti və istifadə rahatlığını təmin edir. Möhkəmlik və ağır yüklərə dözümlülüklə birləşərək Hielscher ultrasəs sistemləri istehsalda etibarlı işçi qüvvənizdir. 
Xitinin fraqmentlərə parçalanması və deasetilləşməsi hədəflənən çevrilməni və yüksək keyfiyyətli son xitozan məhsulunu əldə etmək üçün güclü ultrasəs tələb edir. Xüsusilə xitin pulcuqlarının fraqmentlərə parçalanması və depolimerləşmə / deasetilləşmə mərhələləri üçün yüksək amplitudalar və artırılmış təzyiqlər həlledici əhəmiyyət daşıyır. Hielscher Ultrasonics sənaye ultrasəs prosessorları asanlıqla çox yüksək amplitudalar təmin edir. 200µm-ə qədər amplitudalarla 24/7 rejimində fasiləsiz işləmək mümkündür. Daha yüksək amplitudalar üçün xüsusi hazırlanmış ultrasəs sonotrodları mövcuddur. Hielscher ultrasəs sistemlərinin güc imkanları təhlükəsiz və istifadəçi üçün rahat prosesdə səmərəli və sürətli depolimerləşmə və deasetilləşməyə imkan verir.
 

Ultrasəslə təkmilləşdirilmiş sinergetik xitin emalı

Ənənəvi kimyəvi və fermentativ xitin deasetilləşməsinin çatışmazlıqlarını (yəni aşağı səmərəlilik, yüksək enerji xərcləri, uzun emal müddəti, toksik həlledicilər) aradan qaldırmaq üçün yüksək intensivlikli ultrasəs xitin və xitozan emalına inteqrasiya edilmişdir. Yüksək intensivlikli ultrasəslə emal və bunun nəticəsində yaranan akustik kavitasiya təsirləri polimer zəncirlərinin sürətlə qırılmasına gətirib çıxarır və polidispersliyi azaldaraq xitozan sintezini təşviq edir. Bundan əlavə, ultrasəsin kəsilmə qüvvələri məhlulda kütlə ötürülməsini intensivləşdirir və bununla kimyəvi, hidrolitik və ya fermentativ reaksiyanı gücləndirir. Xitinin ultrasəslə emalı kimyəvi üsullar, hidroliz və ya fermentativ prosedurlar kimi artıq mövcud olan xitin emalı texnikaları ilə birləşdirilə bilər.

Ultrasəsin köməyi ilə kimyəvi deasetilləşmə və depolimerləşmə

Xitin reaksiyaya girməyən və həll olmayan biopolimer olduğuna görə, həll olan və bioloji baxımdan əlçatan xitozan əldə etmək üçün deminerallaşdırma, zülalsızlaşdırma və depolimerləşmə / deasetilləşmə mərhələlərindən keçməlidir. Bu proses mərhələlərinə HCl kimi güclü turşular və NaOH və KOH kimi güclü əsaslarla emal daxildir. Bu ənənəvi proses mərhələləri səmərəsiz, yavaş və yüksək enerji tələb edən olduğuna görə, ultrasəslə emal vasitəsilə prosesin intensivləşdirilməsi xitozan istehsalını əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdırır. Yüksək güclü ultrasəsin tətbiqi xitozanın çıxımını və keyfiyyətini artırır, proses müddətini günlərdən bir neçə saata endirir, daha mülayim həlledicilərdən istifadə etməyə imkan verir və bütün prosesi enerji baxımından daha səmərəli edir.

Xitinin ultrasəslə təkmilləşdirilmiş zülalsızlaşdırılması

Vallejo-Dominguez et al. (2021) xitinin zülalsızlaşdırılmasına dair tədqiqatlarında müəyyən etmişlər ki, “biopolimerlərin istehsalı üçün ultrasəsin tətbiqi həm zülal miqdarını, həm də xitinin hissəcik ölçüsünü azaltmışdır. Ultrasəsin köməyi ilə yüksək deasetilləşmə dərəcəsinə və orta molekul kütləsinə malik xitozan istehsal edilmişdir.”

Xitinin depolimerləşməsi üçün ultrasəs hidrolizi

Kimyəvi hidrolizdə xitini deasetilləşdirmək üçün turşulardan və ya qələvilərdən istifadə olunur, lakin qələvi ilə deasetilləşmə (məsələn, natrium hidroksid NaOH) daha geniş istifadə edilir. Turşu hidrolizi ənənəvi kimyəvi deasetilləşməyə alternativ üsuldur və burada xitin və xitozanı depolimerləşdirmək üçün üzvi turşu məhlullarından istifadə olunur. Turşu hidrolizi üsulu əsasən xitin və xitozanın molekul kütləsi bircins olmalı olduqda istifadə edilir. Bu ənənəvi hidroliz prosesi yavaş, yüksək enerji və xərc tələb edən proses kimi tanınır. Güclü turşulara, yüksək temperaturlara və təzyiqlərə ehtiyac xitozanın hidrolitik emalını çox bahalı və vaxt aparan prosedura çevirən amillərdir. İstifadə olunan turşular neytrallaşdırma və duzsuzlaşdırma kimi sonrakı proseslər tələb edir.
Yüksək güclü ultrasəsin hidroliz prosesinə inteqrasiyası ilə xitin və xitozanın hidrolitik parçalanması üçün tələb olunan temperatur və təzyiq əhəmiyyətli dərəcədə azaldıla bilər. Bundan əlavə, ultrasəslə emal daha aşağı turşu qatılıqlarına və ya daha mülayim turşulardan istifadəyə imkan verir. Bu, prosesi daha davamlı, səmərəli, iqtisadi cəhətdən sərfəli və ətraf mühit üçün daha əlverişli edir.

Ultrasəsin köməyi ilə kimyəvi deasetilləşmə

Xitin və xitozanın kimyəvi parçalanması və deasetilləşməsi əsasən xitin və ya xitozanın mineral turşular (məsələn, xlorid turşusu HCl), natrium nitrit (NaNO₂), yaxud hidrogen peroksid (H₂O₂) ilə emalı vasitəsilə həyata keçirilir. Ultrasəs deasetilləşmə sürətini artırır və bununla hədəflənən deasetilləşmə dərəcəsinə çatmaq üçün tələb olunan reaksiya müddətini qısaldır. Bu o deməkdir ki, ultrasəslə emal tələb olunan emal müddətini 12–24 saatdan bir neçə saata endirir. Bundan əlavə, ultrasəslə emal kimyəvi maddələrin əhəmiyyətli dərəcədə aşağı qatılıqlarına imkan verir; məsələn, ultrasəslə emal zamanı 40% (w/w) natrium hidroksid istifadə olunur, ultrasəsdən istifadə edilmədikdə isə 65% (w/w) tələb olunur.

Ultrasəs-fermentativ deasetilləşmə

Fermentativ deasetilləşmə mülayim və ətraf mühitə zərərsiz emal forması olsa da, onun səmərəliliyi və xərcləri iqtisadi baxımdan sərfəli deyil. Fermentlərin son məhsuldan sonrakı mərhələlərdə ayrılması və təmizlənməsi mürəkkəb, zəhmət tələb edən və bahalı olduğuna görə, xitinin fermentativ deasetilləşməsi kommersiya istehsalında tətbiq edilmir, yalnız elmi tədqiqat laboratoriyalarında istifadə olunur.
Fermentativ deasetilləşmədən əvvəl ultrasəslə ilkin emal xitin molekullarını fraqmentlərə parçalayır, bununla səth sahəsini artırır və fermentlər üçün daha çox səthi əlçatan edir. Yüksək məhsuldarlıqlı ultrasəslə emal fermentativ deasetilləşməni yaxşılaşdırmağa kömək edir və prosesi iqtisadi cəhətdən daha sərfəli edir.