Производство на хитин и хитозан от гъби

Ултразвуковата обработка е високоефективен метод за освобождаване на хитин и хитозан от гъбни източници, например гъби. Хитинът и хитозанът трябва да бъдат деполимеризирани и деацетилирани при последващата преработка, за да се получи висококачествен биополимер. Подпомаганите с ултразвук деполимеризация и деацетилиране представляват високоефективна, проста и бърза техника, която води до получаването на висококачествени хитозани с висока молекулна маса и превъзходна бионаличност.

Получаване на хитин и хитозан от гъби чрез ултразвукова обработка

Ядливи и лечебни гъби като Lentinus edodes (шийтаке), Ganoderma lucidum (линчжи или рейши), Inonotus obliquus (чага), Agaricus bisporus (култивирана печурка), Hericium erinaceus (лъвска грива), Cordyceps sinensis (гъба гъсеница), Grifola frondosa (майтаке), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, пъстроцветна траметес) и много други видове гъби се използват широко като храна и за извличане на биоактивни съединения. Тези гъби, както и остатъците от преработката им (гъбни отпадъци), могат да се използват за производство на хитозан. Ултразвуковата обработка не само подпомага освобождаването на хитин от структурата на гъбната клетъчна стена, но и способства за превръщането на хитина в ценния хитозан чрез подпомагани с ултразвук деполимеризация и деацетилиране.

Това видео демонстрира високоефективната екстракция на гъбата лъвска грива с ултразвуковия хомогенизатор Hielscher UP200Ht. Ултразвуковата екстракция е идеална техника за получаване на висококачествени пълноспектърни екстракти, съдържащи полизахариди като бета-глюкани, както и хериценони и еринацини.

 

Интензивната ултразвукова обработка с ултразвукова система със сонда е техника, използвана за подпомагане на деполимеризацията и деацетилирането на хитина, което води до образуване на хитозан. Хитинът е естествено срещащ се полизахарид, който се намира в екзоскелетите на ракообразни и насекоми и в клетъчните стени на определени гъби. Хитозанът се получава от хитин чрез отстраняване на ацетилните групи от молекулата на хитина.

Ултразвукова процедура за превръщане на гъбен хитин в хитозан

Когато за производството на хитозан от хитин се прилага интензивна ултразвукова обработка, хитинова суспензия се обработва с ултразвукови вълни с висок интензитет и ниска честота, обикновено в диапазона от 20 kHz до 30 kHz. Процесът генерира интензивна акустична кавитация, която представлява образуването, нарастването и колапса на микроскопични вакуумни мехурчета в течността. Кавитацията генерира локализирани изключително големи сили на срязване, високи температури (до няколко хиляди градуса по Целзий) и налягания (до няколкостотин атмосфери) в течността около кавитационните мехурчета. Тези екстремни условия допринасят за разграждането на хитиновия полимер и последващото деацетилиране.
 

 

Ултразвукова деполимеризация на хитин

Деполимеризацията на хитина протича чрез комбинираното действие на механични сили, например микропотоци и течни струи, както и чрез химични реакции, инициирани от ултразвука и предизвикани от свободни радикали и други реактивни частици, образувани по време на кавитацията. Вълните с високо налягане, генерирани по време на кавитацията, подлагат хитиновите вериги на напрежение на срязване, което води до разкъсване на полимера на по-малки фрагменти.

Ултразвуково деацетилиране на хитин

Освен деполимеризацията, интензивната ултразвукова обработка подпомага и деацетилирането на хитина. Деацетилирането включва отстраняване на ацетилни групи от молекулата на хитина, което води до образуване на хитозан. Интензивната ултразвукова енергия, особено високите температури и налягания, генерирани по време на кавитацията, ускорява реакцията на деацетилиране. Реактивните условия, създадени от кавитацията, помагат за разкъсването на ацетилните връзки в хитина, което води до освобождаване на оцетна киселина и превръщане на хитина в хитозан.
Като цяло интензивната ултразвукова обработка подобрява както процесите на деполимеризация, така и тези на деацетилиране, като осигурява необходимата механична и химична енергия за разграждане на хитиновия полимер и улеснява превръщането му в хитозан. Тази техника предлага бърз и ефективен метод за производство на хитозан от хитин с многобройни приложения в различни отрасли, включително фармацевтиката, селското стопанство и биомедицинското инженерство.

Промишлено производство на хитозан от гъби с мощен ултразвук

Промишленото производство на хитин и хитозан се основава главно на отпадъци от морските отрасли (т.е. риболов, добив на черупчести морски организми и др.). Различните източници на суровини водят до различно качество на хитина и хитозана, като сезонните колебания в риболова причиняват колебания в производството и качеството. Освен това според наличните сведения хитозанът, получен от гъбни източници, предлага превъзходни свойства, например еднородна дължина на полимерните вериги и по-висока разтворимост, в сравнение с хитозана от морски източници. (вж. Ghormade et al., 2017) За осигуряване на хитозан с постоянни характеристики извличането на хитин от гъбни видове се е превърнало в стабилна алтернатива за производство. Производството на хитин и хитозан от гъби може да се осъществи лесно и надеждно с технология за ултразвукова екстракция и деацетилиране. Интензивната ултразвукова обработка разрушава клетъчните структури, за да освободи хитина, и подпомага масопреноса във водни разтворители за по-високи добиви на хитин и по-висока ефективност на екстракцията. Последващото ултразвуково деацетилиране превръща хитина в ценния хитозан. Както ултразвуковата екстракция на хитин, така и деацетилирането му до хитозан могат да бъдат мащабирани линейно до всяко ниво на промишлено производство.

Резултати от изследвания на ултразвуковото деацетилиране на хитин и хитозан

Zhu et al. (2018) заключават в своето изследване, че ултразвуковото деацетилиране се е доказало като решаващ пробив, превръщайки β-хитина в хитозан с 83–94% деацетилиране при понижени реакционни температури. Изображението вляво показва изображение от сканираща електронна микроскопия (SEM) на ултразвуково деацетилиран хитозан (90 W, 15 min, 20 w/v% NaOH, 1:15 (g: mL) (изображение и изследване: © Zhu et al., 2018)
В техния протокол разтвор на NaOH (20 w/v %) е приготвен чрез разтваряне на люспи NaOH в дейонизирана вода. След това алкалният разтвор е добавен към утайка от GLSP (0,5 g) в центрофужна епруветка при съотношение твърдо вещество към течност 1:20 (g: mL). Хитозанът е добавен към NaCl (40 mL, 0,2 M) и оцетна киселина (0,1 M) при съотношение на обемите на разтворите 1:1. След това суспензията е подложена на ултразвук при умерена температура от 25°C за 60 min с ултразвуков апарат със сонда (250W, 20kHz). (вж. Zhu et al., 2018)
 
Pandit et al. (2021) установяват, че скоростта на разграждане на хитозановите разтвори рядко се влияе от концентрациите на киселината, използвана за разтваряне на полимера, и зависи до голяма степен от температурата, интензитета на ултразвуковите вълни и йонната сила на средата, използвана за разтваряне на полимера. (вж. Pandit et al., 2021)
 
В друго изследване Zhu et al. (2019) използват прах от спори на Ganoderma lucidum като гъбна суровина и изследват подпомаганото с ултразвук деацетилиране и влиянието на параметрите на обработката, например времето на ултразвукова обработка, съотношението твърдо вещество към течност, концентрацията на NaOH и мощността на облъчване, върху степента на деацетилиране (DD) на хитозана. Най-високата стойност на DD е получена при следните ултразвукови параметри: 20 min ултразвукова обработка при 80W, 10% (g:ml) NaOH, 1:25 (g:ml). Морфологията на повърхността, химичните групи, термичната стабилност и кристалинността на ултразвуково получения хитозан са изследвани чрез SEM, FTIR, TG и XRD. Изследователският екип съобщава за значително повишаване на степента на деацетилиране (DD), динамичния вискозитет ([η]) и молекулната маса (Mv¯) на ултразвуково произведения хитозан. Резултатите подчертават, че техниката за ултразвуково деацетилиране на гъби е високоефективен метод за производство на хитозан, подходящ за биомедицински приложения. (вж. Zhu et al., 2019)

Превъзходно качество на хитозана чрез ултразвукова деполимеризация и деацетилиране

Процесите на екстракция и деполимеризация на хитин / хитозан, задвижвани с ултразвук, подлежат на прецизен контрол, а параметрите на ултразвуковия процес могат да се адаптират към суровините и целевото качество на крайния продукт (например молекулна маса, степен на деацетилиране). Това позволява ултразвуковият процес да се адаптира към външни фактори и да се задават оптимални параметри за превъзходни резултати и ефективност.
Ултразвуково деацетилираният хитозан показва отлична бионаличност и биосъвместимост. При сравнение на биомедицинските свойства на ултразвуково приготвени хитозанови биополимери с тези на термично получен хитозан, ултразвуково произведеният хитозан показва значително подобрена жизнеспособност на фибробластите (клетки L929) и повишена антибактериална активност както срещу Escherichia coli (E. coli), така и срещу Staphylococcus aureus (S. aureus).
(вж. Zhu et al., 2018)
 

Високопроизводително ултразвуково оборудване за обработка на хитин и хитозан

Фрагментирането на хитина и деацетилирането му до хитозан изискват мощно и надеждно ултразвуково оборудване, което може да осигурява високи амплитуди, предлага прецизен контрол върху параметрите на процеса и може да работи 24/7 при голямо натоварване и в тежки условия. Продуктовата гама на Hielscher Ultrasonics надеждно изпълнява тези изисквания. Освен с изключителната си ултразвукова производителност, ултразвуковите апарати на Hielscher се отличават с висока енергийна ефективност, което е значително икономическо предимство – особено когато се използват в мащабно промишлено производство.
Ултразвуковите апарати на Hielscher са високопроизводителни системи, които могат да бъдат оборудвани с принадлежности като сонотроди, усилватели на амплитудата, реактори или проточни клетки, за да отговарят оптимално на нуждите на вашия процес.
 С цифров цветен дисплей, възможност за предварително задаване на цикли на ултразвукова обработка, автоматично записване на данни върху вградена SD карта, дистанционно управление чрез браузър и много други функции, ултразвуковите апарати на Hielscher осигуряват най-висока степен на контрол на процеса и удобство за потребителя. В съчетание със здравината и способността си да понасят голямо натоварване, ултразвуковите системи на Hielscher са вашият надежден помощник в производството. 
Фрагментирането и деацетилирането на хитина изискват мощен ултразвук, за да се постигне целевата степен на превръщане и висококачествен краен хитозанов продукт. Особено за фрагментирането на хитиновите люспи и етапите на деполимеризация / деацетилиране високите амплитуди и повишените налягания са от решаващо значение. Промишлените ултразвукови процесори на Hielscher Ultrasonics лесно осигуряват много високи амплитуди. Амплитуди до 200µm могат да се поддържат непрекъснато при работа 24/7. За още по-високи амплитуди се предлагат ултразвукови сонотроди по индивидуална поръчка. Мощността на ултразвуковите системи на Hielscher позволява ефективна и бърза деполимеризация и деацетилиране в безопасен и удобен за потребителя процес.
 

Таблицата по-долу дава представа за приблизителния капацитет за обработка на нашите ултразвукови апарати:

---

---

Синергична обработка на хитин, подобрена чрез ултразвукова обработка

За преодоляване на недостатъците (т.е. ниска ефективност, високи разходи за енергия, дълго време за обработка, токсични разтворители) на традиционното химично и ензимно деацетилиране на хитин в обработката на хитин и хитозан е интегриран ултразвук с висок интензитет. Ултразвуковата обработка с висок интензитет и произтичащите ефекти на акустичната кавитация водят до бързо разкъсване на полимерните вериги и намаляват полидисперсността, като по този начин подпомагат синтеза на хитозан. Освен това ултразвуковите сили на срязване интензифицират масопреноса в разтвора, така че химичните, хидролитичните или ензимните реакции се усилват. Ултразвуковата обработка на хитин може да се комбинира с вече съществуващи техники за обработка на хитин, например химични методи, хидролиза или ензимни процедури.

Подпомагани с ултразвук химично деацетилиране и деполимеризация

Тъй като хитинът е нереактивен и неразтворим биополимер, той трябва да премине през технологичните етапи на деминерализация, депротеинизация и деполимеризация / деацетилиране, за да се получи разтворим и биодостъпен хитозан. Тези технологични етапи включват обработка със силни киселини като HCl и силни основи като NaOH и KOH. Тъй като тези конвенционални технологични етапи са неефективни, бавни и изискват голямо количество енергия, интензифицирането на процеса чрез ултразвукова обработка подобрява значително производството на хитозан. Прилагането на мощен ултразвук повишава добива и качеството на хитозана, съкращава процеса от дни до няколко часа, позволява използването на по-меки разтворители и прави целия процес по-енергийно ефективен.

Подобрена чрез ултразвук депротеинизация на хитин

Vallejo-Dominguez et al. (2021) установяват в своето изследване на депротеинизацията на хитин, че „прилагането на ултразвук за производство на биополимери намалява съдържанието на белтъци, както и размера на частиците на хитина. С помощта на ултразвук е произведен хитозан с висока степен на деацетилиране и средна молекулна маса.“

Ултразвукова хидролиза за деполимеризация на хитин

При химичната хидролиза за деацетилиране на хитина се използват киселини или основи, но алкалното деацетилиране (например с натриев хидроксид NaOH) е по-широко използвано. Киселинната хидролиза е алтернативен метод на традиционното химично деацетилиране, при който разтвори на органични киселини се използват за деполимеризация на хитин и хитозан. Методът на киселинна хидролиза се използва предимно когато молекулната маса на хитина и хитозана трябва да бъде еднородна. Този конвенционален хидролизен процес е известен като бавен, енергоемък и скъп. Необходимостта от силни киселини, високи температури и налягания е сред факторите, които превръщат хидролитичния процес за хитозан в много скъпа и времеемка процедура. Използваните киселини изискват последващи процеси като неутрализация и обезсоляване.
С интегрирането на мощен ултразвук в процеса на хидролиза изискванията за температура и налягане при хидролитичното разкъсване на хитин и хитозан могат да бъдат значително понижени. Освен това ултразвуковата обработка позволява по-ниски концентрации на киселините или използване на по-меки киселини. Това прави процеса по-устойчив, ефективен, икономически изгоден и по-благоприятен за околната среда.

Подпомагано с ултразвук химично деацетилиране

Химичното разграждане и деацетилиране на хитин и хитозан се постигат главно чрез обработване на хитин или хитозан с минерални киселини (например солна киселина HCl), натриев нитрит (NaNO₂) или водороден пероксид (H₂O₂). Ултразвукът подобрява скоростта на деацетилиране, като по този начин съкращава времето за реакция, необходимо за постигане на целевата степен на деацетилиране. Това означава, че ултразвуковата обработка съкращава необходимото време за обработка от 12–24 часа до няколко часа. Освен това ултразвуковата обработка позволява значително по-ниски концентрации на химикалите, например 40% (w/w) натриев хидроксид при ултразвукова обработка, докато без използване на ултразвук са необходими 65% (w/w).

Ултразвуково-ензимно деацетилиране

Въпреки че ензимното деацетилиране е мека и щадяща околната среда форма на обработка, то е икономически неизгодно по отношение на ефективността и разходите. Поради сложното, трудоемко и скъпо последващо изолиране и пречистване на ензимите от крайния продукт, ензимното деацетилиране на хитин не се прилага в промишленото производство, а се използва само в научноизследователски лаборатории.
Предварителната ултразвукова обработка преди ензимното деацетилиране фрагментира молекулите на хитина, като по този начин увеличава повърхностната площ и осигурява повече достъпна за ензимите повърхност. Високопроизводителната ултразвукова обработка помага за подобряване на ензимното деацетилиране и прави процеса по-икономичен.