Göbələkdən xitin və xitosan istehsalı

Ultrasonication göbələk kimi göbələk mənbələrindən xitin və xitosan azad etmək üçün yüksək effektiv üsuldur. Yüksək keyfiyyətli biopolimer əldə etmək üçün xitin və xitozan aşağı axın emalında deasetilləşdirilməlidir. Ultrasəs köməyi ilə deasetilasiya yüksək effektiv, sadə və sürətli bir texnikadır ki, bu da yüksək molekulyar çəki və üstün bioavailability ilə yüksək keyfiyyətli xitozanlarla nəticələnir.

Göbələklərdən xitin və xitosan

Lentinus edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi və ya reishi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (düymə göbələkləri), Hericium erinaceus (aslan yal), Cordyceps sinensis (caterpila), Grippillara kimi yeməli və müalicəvi göbələklər odun toyuqları), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, hindquyruğu) və bir çox başqa göbələk növləri qida kimi və bioaktiv birləşmələrin çıxarılması üçün geniş istifadə olunur. Bu göbələklər, eləcə də emal qalıqları (göbələk tullantıları) xitosan istehsalı üçün istifadə edilə bilər. Ultrasonikasiya yalnız göbələk hüceyrə divarının strukturundan xitinin sərbəst buraxılmasına kömək etmir, həm də ultrasəs depolimerizasiyası vasitəsilə xitionun qiymətli xitosana çevrilməsinə səbəb olur.

Xitinin xitozana ayrılması sonikasiya ilə artır

ChitinN-asetilqlükozamin polimeri (poli-(β-(1-4)-N-asetil-D-qlükozamin) olan , xərçəngkimilər və həşəratlar kimi onurğasızların ekzoskeletində, daxili skeletdə geniş yayılmış təbii polisaxariddir. kalamar və mürekkepbalığı, eləcə də göbələklərin hüceyrə divarları.Göbələk hüceyrə divarlarının strukturuna daxil olan xitin, göbələk hüceyrə divarının formasına və sərtliyinə cavabdehdir.Bir çox tətbiqlər üçün xitin onun deasetilləşdirilmiş törəməsinə çevrilir. depolimerizasiya prosesi ilə xitosan.
chitosan xitinin ən geniş yayılmış və ən qiymətli törəməsidir. Bu, N-asetil-qlükozamin və qlükozamindən ibarət b-1,4 qlikozid ilə əlaqəli yüksək molekulyar ağırlıqlı polisaxariddir.
Xitosan kimyəvi və ya enzimatik yolla əldə edilə bilər n-deasetilasiya. Kimyəvi deasetilasiya prosesində asetil qrupu (R-NHCOCH₃) yüksək temperaturda güclü qələvi ilə parçalanır. Alternativ olaraq, xitosan enzimatik deasetilasiya yolu ilə sintez edilə bilər. Bununla belə, sənaye istehsalı miqyasında kimyəvi deasetilizasiyaya üstünlük verilən üsuldur, çünki deasetilaz fermentlərinin yüksək qiyməti və əldə edilən aşağı xitosan məhsuldarlığı səbəbindən enzimatik deasetilasiya əhəmiyyətli dərəcədə az effektivdir. Ultrasonication (1→4)-/β-bağlantı (depolimerləşmə) kimyəvi deqradasiyası gücləndirmək və yüksək keyfiyyətli xitosan əldə etmək üçün xitin deacetylation təsir etmək üçün istifadə olunur. Sonikasiya fermentativ deasetilasiya üçün ilkin müalicə kimi tətbiq edildikdə, xitosanın məhsuldarlığı və keyfiyyəti də yaxşılaşır.

Ultrasəs ilə göbələkdən sənaye üsulu ilə xitosan istehsalı

Kommersiya məqsədli xitin və xitosan istehsalı əsasən dəniz sənayesinin tullantılarına əsaslanır (yəni balıqçılıq, qabıqlı balıq yığımı və s.). Müxtəlif xammal mənbələri müxtəlif xitin və xitosanın keyfiyyətlərinə səbəb olur ki, bu da mövsümi balıq ovu dəyişmələri səbəbindən istehsal və keyfiyyət dəyişkənliyi ilə nəticələnir. Bundan əlavə, göbələk mənbələrindən əldə edilən xitosan, dəniz mənbələrindən əldə edilən xitosan ilə müqayisədə homojen polimer uzunluğu və daha çox həll olunma kimi üstün xüsusiyyətlər təklif edir. (müq. Ghormade et al., 2017) Vahid xitosan təmin etmək üçün göbələk növlərindən xitinin çıxarılması stabil alternativ istehsala çevrilmişdir. Göbələklərdən xitin və sitiosan istehsalı ultrasəs ekstraksiya və deasetilasiya texnologiyasından istifadə etməklə asanlıqla və etibarlı şəkildə əldə edilə bilər. Güclü sonication xitin sərbəst buraxılması üçün hüceyrə strukturlarını pozur və üstün xitin məhsuldarlığı və ekstraksiya səmərəliliyi üçün sulu həlledicilərdə kütlə transferini təşviq edir. Sonrakı ultrasəs deasetilasiyası xitini qiymətli xitosana çevirir. Həm ultrasəs xitin hasilatı, həm də xitosana deasetilasiya xətti olaraq istənilən kommersiya istehsal səviyyəsinə qədər ölçülə bilər.

Sonication göbələk xitosan istehsalını gücləndirir və istehsalı daha səmərəli və qənaətcil edir.
(şəkil və araşdırma: © Zhu et al., 2019)

Sonication vasitəsilə yüksək effektiv xitosan sintezi

Ənənəvi kimyəvi və enzimatik xitin deasetilizasiyasının çatışmazlıqlarını (yəni, aşağı səmərəlilik, yüksək enerji dəyəri, uzun emal müddəti, zəhərli həlledicilər) aradan qaldırmaq üçün yüksək intensivlikli ultrasəs xitin və xitosan emalına inteqrasiya edilmişdir. Yüksək intensivlikli sonikasiya və bunun nəticəsində yaranan akustik kavitasiya effektləri polimer zəncirlərinin sürətlə kəsilməsinə gətirib çıxarır və polidispersiyanı azaldır, bununla da xitosanın sintezini təşviq edir. Bundan əlavə, ultrasəs kəsmə qüvvələri məhlulda kütlə köçürməsini gücləndirir ki, kimyəvi, hidrolitik və ya enzimatik reaksiya güclənir.

Ultrasonik Yardımlı Kimyəvi Deasetilizasiya və Depolimerizasiya

Xitin qeyri-reaktiv və həll olunmayan biopolimer olduğundan, həll olunan və bioloji əlçatan xitosan əldə etmək üçün demineralizasiya, deproteinləşdirmə və depolimerizasiya/deasetilasiya prosesindən keçməlidir. Bu proses addımları HCl kimi güclü turşularla və NaOH və KOH kimi güclü əsaslarla müalicəni əhatə edir. Bu ənənəvi proses addımları səmərəsiz, ləng və yüksək enerji tələb etdiyindən, sonikasiya ilə prosesin intensivləşdirilməsi xitosan istehsalını əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdırır. Güclü ultrasəsin tətbiqi xitosanın məhsuldarlığını və keyfiyyətini artırır, prosesi günlərdən bir neçə saata qədər azaldır, daha yumşaq həlledicilərə imkan verir və bütün prosesi enerjiyə qənaət edir.

Xitinin Ultrasonik Təkmilləşdirilmiş Deproteinləşdirilməsi

Vallejo-Dominguez və başqaları. (2021) xitinin deproteinləşdirilməsi ilə bağlı apardıqları araşdırmada aşkar ediblər ki, “biopolimerlərin istehsalı üçün ultrasəsin tətbiqi xitinin zülal tərkibini, eləcə də hissəcik ölçüsünü azaldır. Ultrasəs köməyi ilə yüksək deasetilləşmə dərəcəsinə və orta molekulyar çəkiyə malik xitozan istehsal edilmişdir.

Chitin Depolimerizasiyası üçün Ultrasəs Hidroliz

Kimyəvi hidroliz üçün xitin deasetilasiyası üçün ya turşular, ya da qələvilər istifadə olunur, lakin qələvi deasetilizasiya (məsələn, natrium hidroksid NaOH) daha geniş istifadə olunur. Turşu hidrolizi ənənəvi kimyəvi deasetilizasiyaya alternativ üsuldur, burada üzvi turşu məhlulları xitin və xitosanı depolimerizasiya etmək üçün istifadə olunur. Turşu hidrolizi üsulu daha çox xitin və xitosanın molekulyar çəkisi homojen olmalıdırsa istifadə olunur. Bu ənənəvi hidroliz prosesi yavaş, enerji və xərc tələb edən proses kimi tanınır. Güclü turşulara olan tələbat, yüksək temperatur və təzyiqlər hidrolitik xitosan prosesini çox bahalı və vaxt aparan prosedura çevirən amillərdir. İstifadə olunan turşular zərərsizləşdirmə və duzsuzlaşdırma kimi aşağı axın proseslərini tələb edir.
Yüksək güclü ultrasəsin hidroliz prosesinə inteqrasiyası ilə xitin və xitosanın hidrolitik parçalanması üçün temperatur və təzyiq tələbləri əhəmiyyətli dərəcədə azaldıla bilər. Bundan əlavə, sonication aşağı turşu konsentrasiyaları və ya daha yumşaq turşuların istifadəsinə imkan verir. Bu, prosesi daha davamlı, səmərəli, qənaətcil və ekoloji cəhətdən təmiz edir.

Ultrasonik Yardımlı Kimyəvi Deasetilasiya

Xitinin və xitosanın kimyəvi parçalanması və deaktilyasiyası əsasən xitin və ya xitosanın mineral turşular (məsələn, hidroklor turşusu HCl), natrium nitrit (NaNO) ilə müalicəsi ilə həyata keçirilir.₂) və ya hidrogen peroksid (H₂The₂). Ultrasəs deasetilasiya sürətini yaxşılaşdırır, bununla da hədəflənmiş deasetilasiya dərəcəsini əldə etmək üçün tələb olunan reaksiya müddətini qısaldır. Bu o deməkdir ki, sonikasiya tələb olunan 12-24 saatlıq emal müddətini bir neçə saata qədər azaldır. Bundan əlavə, sonikasiya kimyəvi konsentrasiyaları əhəmiyyətli dərəcədə aşağı salmağa imkan verir, məsələn, ultrasəsdən istifadə etmədən 65% (ağırlıq/ağırlıq) tələb olunarkən sonikasiyadan istifadə etməklə 40% (ağırlıq/ağırlıq) natrium hidroksid.

Ultrasəs-enzimatik deasetilasiya

Enzimatik deasetilasiya mülayim, ekoloji cəhətdən zərərsiz bir emal forması olsa da, onun səmərəliliyi və xərcləri qənaətcil deyil. Mürəkkəb, zəhmət tələb edən və bahalı aşağı axın təcridinə və fermentlərin son məhsuldan təmizlənməsinə görə, fermentativ xitin deasetilasiyası kommersiya istehsalında həyata keçirilmir, ancaq elmi tədqiqat laboratoriyasında istifadə olunur.
Enzimatik deasetilasiyadan əvvəl ultrasəslə əvvəlcədən müalicə xitin molekullarını parçalayır, bununla da səth sahəsini genişləndirir və fermentlər üçün daha çox səthi əlçatan edir. Yüksək performanslı sonikasiya enzimatik deasetilasyonu yaxşılaşdırmağa kömək edir və prosesi daha qənaətcil edir.

Ultrasonik xitin və xitosan deasetilasiyası üçün tədqiqat nəticələri

Zhu və başqaları. (2018) öz araşdırmalarında belə nəticəyə gəliblər ki, ultrasəs deasetilasiyası həlledici bir irəliləyiş olduğunu sübut etdi, β-chitini aşağı reaksiya temperaturlarında 83-94% deasetilasiya ilə xitosana çevirdi. Soldakı şəkildə ultrasəslə deasetilləşdirilmiş xitosanın (90 Vt, 15 dəq, 20 v/v% NaOH, 1:15 (g: ml) SEM təsviri göstərilir. (şəkil və iş: © Zhu et al., 2018)
Onların protokolunda NaOH məhlulu (20 w/v %) NaOH lopalarını DI suda həll etməklə hazırlanmışdır. Sonra qələvi məhlulu 1:20 (q: mL) bərk-maye nisbətində GLSP çöküntüsünün (0,5 q) sentrifuqa borusuna əlavə edildi. Xitosan NaCl (40 ml, 0,2 M) və sirkə turşusuna (0,1 M) 1:1 məhlulun həcmi nisbətində əlavə edildi. Süspansiyon daha sonra zond tipli ultrasəs cihazı (250W, 20kHz) istifadə edərək 60 dəqiqə ərzində 25°C-lik yumşaq temperaturda ultrasəsə məruz qaldı. (müq. Zhu və başqaları, 2018)
Pandit və başqaları. (2021) xitosan məhlullarının parçalanma sürətinin polimeri həll etmək üçün istifadə edilən turşu konsentrasiyalarından nadir hallarda təsirləndiyini və əsasən temperaturdan, ultrasəs dalğalarının intensivliyindən və polimeri həll etmək üçün istifadə olunan mühitin ion gücündən asılı olduğunu müəyyən etdi. (müq. Pandit və başqaları, 2021)

Başqa bir araşdırmada Zhu et al. (2019) göbələk xammalı kimi Ganoderma lucidum spor tozlarından istifadə etdi və ultrasəs köməyi ilə deasetilasiyanı və sonikasiya vaxtı, bərk-maye nisbəti, NaOH konsentrasiyası və şüalanma gücü kimi emal parametrlərinin deasetilləşmə (DD) dərəcəsinə təsirini araşdırdı. xitozan. Ən yüksək DD dəyəri aşağıdakı ultrasəs parametrlərində əldə edilmişdir: 80W-də 20 dəqiqə sonication, 10% (g: ml) NaOH, 1:25 (g: ml). Ultrasəslə əldə edilmiş xitosanın səth morfologiyası, kimyəvi qrupları, istilik sabitliyi və kristallığı SEM, FTIR, TG və XRD istifadə edərək tədqiq edilmişdir. Tədqiqat qrupu ultrasəs üsulu ilə istehsal olunan xitosanın deasetilasiya dərəcəsinin (DD), dinamik özlülüyünün ([η]) və molekulyar çəkisinin (Mv¯) əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdığını bildirir. Nəticələr biotibbi tətbiqlər üçün uyğun olan xitosan üçün yüksək güclü istehsal üsulu olan göbələklərin ultrasəs deasetilasiyası texnikasını vurğuladı. (müq. Zhu və başqaları, 2019)

İki göbələk növündən olan xitinlərin və xitozanların SEM təsvirləri: a) L. vellereusdan olan xitin; b) P.ribisdən olan xitin; c) L.vellereusdan olan xitozan; d) P.ribisdən olan xitozan.
şəkil və araşdırma: © Erdoğan et al., 2017

Ultrasonik deasetilasiya ilə üstün xitosan keyfiyyəti

Xitin / xitosanın çıxarılması və depolimerizasiyasının ultrasəslə idarə olunan prosesləri dəqiq idarə olunur və ultrasəs prosesinin parametrləri xammala və hədəflənmiş son məhsulun keyfiyyətinə (məsələn, molekulyar çəki, deasetilasiya dərəcəsi) uyğunlaşdırıla bilər. Bu, ultrasəs prosesini xarici amillərə uyğunlaşdırmağa və üstün nəticə və səmərəlilik üçün optimal parametrləri təyin etməyə imkan verir.
Ultrasonik deasetilləşdirilmiş xitosan əla bioavailability və biouyğunluq nümayiş etdirir. Ultrasəs üsulu ilə hazırlanmış xitosan biopolimerləri biotibbi xassələrə görə termal yolla əldə edilmiş xitosanla müqayisə edildikdə, ultrasəs üsulu ilə istehsal olunan xitosan həm Escherichia coli (E. coli), həm də Staphylococcus aureus (S. aureus) üçün əhəmiyyətli dərəcədə təkmilləşdirilmiş fibroblast (L929 hüceyrə) canlılığını və gücləndirilmiş antibakterial fəaliyyət göstərir.
(müq. Zhu və başqaları, 2018)

Xitinin ultrasəs çıxarılması və deasetilasiyası necə işləyir?

Güclü ultrasəs dalğaları maye və ya şlam halına salındıqda (məsələn, həlledicidə xitindən ibarət süspansiyon), ultrasəs dalğaları mayenin içindən keçərək alternativ yüksək təzyiq/aşağı təzyiq dövrlərinə səbəb olur. Aşağı təzyiq dövrləri zamanı bir neçə təzyiq dövrü ərzində böyüyən dəqiqəlik vakuum qabarcıqları (kavitasiya qabarcıqları adlanır) yaranır. Müəyyən bir ölçüdə, baloncuklar daha çox enerji qəbul edə bilməyəndə, yüksək təzyiq dövrü zamanı şiddətlə partlayırlar. Bubble partlaması intensiv kavitasiya (və ya sonomexanik) qüvvələrlə xarakterizə olunur. Bu sonomexaniki şərtlər kavitasiya qaynar nöqtəsində yerli olaraq baş verir və müvafiq olaraq 4000K və 1000atm-ə qədər çox yüksək temperatur və təzyiqlərlə xarakterizə olunur; eləcə də müvafiq yüksək temperatur və təzyiq fərqləri. Bundan əlavə, sürəti 100 m/s-ə qədər olan mikro turbulentlər və maye axınları yaranır. Göbələklərdən və xərçəngkimilərdən xitin və xitosanın ultrasəs üsulu ilə çıxarılması, həmçinin xitin depolimerizasiyası və deasetilasiyası əsasən sonomexaniki təsirlərdən qaynaqlanır: təlaş və turbulentlər hüceyrələri pozur və kütlə ötürülməsini təşviq edir və həmçinin turşu və ya qələvi həlledicilərlə birlikdə polimer zəncirlərini kəsə bilər.
Ultrasəs vasitəsilə xitin çıxarılmasının iş prinsipi: Ultrasonik ekstraksiya göbələklərin hüceyrə quruluşunu effektiv şəkildə pozur və hüceyrə divarından və hüceyrənin daxili hissəsindən hüceyrədaxili birləşmələri (yəni, xitin və xitozan kimi polisaxaridlər və digər bioaktiv fitokimyəvi maddələr) həllediciyə buraxır. Ultrasonik ekstraksiya akustik kavitasiyanın iş prinsipinə əsaslanır. Ultrasəs / akustik kavitasiyanın təsiri yüksək kəsici qüvvələr, turbulentliklər və sıx təzyiq fərqləridir. Bu sonomexaniki qüvvələr xitinoz göbələk hüceyrə divarları kimi hüceyrə strukturlarını pozur, göbələk biomaterialı və həlledici arasında kütlə köçürməsini təşviq edir və sürətli bir proses çərçivəsində çox yüksək ekstrakt məhsuldarlığı ilə nəticələnir. Bundan əlavə, sonikasiya bakteriya və mikrobları öldürərək ekstraktların sterilizasiyasını təşviq edir. Sonikasiya yolu ilə mikrobların inaktivasiyası hüceyrə membranına dağıdıcı kavitasiya qüvvələrinin, sərbəst radikalların istehsalının və lokal istilik nəticəsində əmələ gəlir.
Ultrasəs vasitəsilə depolimerizasiya və deasetilizasiyanın iş prinsipi: Polimer zəncirləri qabarcıq ətrafındakı kəsmə sahəsində tutulur və çökən boşluğa yaxın olan polimer rulonun zəncir seqmentləri daha uzaqdakılardan daha yüksək sürətlə hərəkət edəcək. Daha sonra polimer seqmentlərinin və həlledicilərin nisbi hərəkəti səbəbindən polimer zəncirində gərginliklər yaranır və bunlar parçalanmaya səbəb olmaq üçün kifayətdir. Beləliklə, proses ~2° polimer məhlullarında digər kəsmə təsirlərinə bənzəyir və çox oxşar nəticələr verir. (bax. Price və başqaları, 1994)

Mantar Xitin və Xitozanın Emalı üçün Yüksək Performanslı Ultrasəs Avadanlığı

100 m ölçüdə a) gladius, b) ultrasəslə müalicə olunan gladius, c) β-chitin, d) ultrasəslə müalicə olunan β-chitin və e) chitosan (mənbə: Preto et al . 2017)

Xitinin parçalanması və xitinin xitosana desetilasiyası yüksək amplitüdlər verə bilən, proses parametrləri üzərində dəqiq idarəolunma təklif edən və ağır yük altında və tələbkar mühitlərdə 24/7 işlədilə bilən güclü və etibarlı ultrasəs avadanlığı tələb edir. Hielscher Ultrasonics'in məhsul çeşidi bu tələbləri etibarlı şəkildə yerinə yetirir. Görkəmli ultrasəs performansından başqa, Hielscher ultrasəs cihazları əhəmiyyətli iqtisadi üstünlük olan yüksək enerji səmərəliliyi ilə öyünür. – xüsusilə kommersiya irimiqyaslı istehsalda istifadə edildikdə.
Hielscher ultrasəs cihazları, proses ehtiyaclarınızı optimal şəkildə uyğunlaşdırmaq üçün sonotrodlar, gücləndiricilər, reaktorlar və ya axın hüceyrələri kimi aksesuarlarla təchiz oluna bilən yüksək performanslı sistemlərdir. Rəqəmsal rəngli displey, sonikasiya işlərinin əvvəlcədən təyin edilməsi seçimi, inteqrasiya edilmiş SD kartda avtomatik məlumat qeydi, brauzerin uzaqdan idarə edilməsi və bir çox başqa funksiyalar, ən yüksək prosesə nəzarət və istifadəçinin rahatlığı təmin edilir. Sağlamlıq və ağır yükdaşıma qabiliyyəti ilə birləşdirilən Hielscher ultrasəs sistemləri istehsalda etibarlı iş atınızdır. Xitinin parçalanması və deasetilasiyası hədəf çevrilməni və yüksək keyfiyyətli son xitosan məhsulunu əldə etmək üçün güclü ultrasəs tələb edir. Xüsusilə xitin lopalarının parçalanması və depolimerizasiya/deasetilasiya mərhələləri üçün yüksək amplitüdlər və yüksək təzyiqlər çox vacibdir. Hielscher Ultrasonics'in sənaye ultrasəs prosessorları çox yüksək amplitüdləri asanlıqla çatdırır. 200µm-ə qədər amplitüdlər 24/7 əməliyyatda davamlı olaraq işlədilə bilər. Daha yüksək amplitüdlər üçün xüsusi ultrasəs sonotrodları mövcuddur. Hielscher ultrasəs sistemlərinin güc qabiliyyəti təhlükəsiz və istifadəçi dostu bir prosesdə səmərəli və sürətli deasetilasiyaya imkan verir.
Aşağıdakı cədvəldə bizim ultrasonicators təxmini emal gücü bir göstəriş verir: