Производство на хитин и хитозан от гъби

Ултразвукът е високоефективен метод за освобождаване на хитин и хитозан от гъбични източници като гъби. Хитинът и хитозанът трябва да бъдат деполимеризирани и деацетилирани при преработка надолу по веригата, за да се получи висококачествен биополимер. Ултразвуково подпомаганата деполимеризация и деацетилиране е високоефективна, проста и бърза техника, която води до висококачествени хитозани с високо молекулно тегло и превъзходна бионаличност.

Хитин и хитозан, получени от гъби, чрез ултразвук

Годни за консумация и лечебни гъби като Lentinus edodes (шийтаке), Ganoderma lucidum (Lingzhi или reishi), Inonotus obliquus (чага), Agaricus bisporus (гъби копчета), Hericium erinaceus (лъвска грива), Cordyceps sinensis (гъсеница), Grifola frondosa (кокошка), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, пуешка опашка) и много други видове гъби се използват широко като храна и за извличане на биоактивни съединения. Тези гъби, както и остатъците от преработка (отпадъци от гъби) могат да се използват за производство на хитозан. Ултразвукът не само насърчава освобождаването на хитин от структурата на клетъчната стена на гъбите, но също така стимулира превръщането на хитина в ценен хитозан чрез ултразвукова деполимеризация и деацетилиране.

 

Интензивната ултразвукова реакция с помощта на ултразвукова система тип сонда е техника, използвана за насърчаване на деполимеризацията и деацетилирането на хитина, което води до образуването на хитозан. Хитинът е естествено срещащ се полизахарид, открит в екзоскелетите на ракообразни, насекоми и клетъчните стени на някои гъби. Хитозанът се извлича от хитин чрез отстраняване на ацетиловите групи от хитиновата молекула.

Ултразвукова процедура за превръщане на гъбичен хитин в хитозан

Когато се прилага интензивен ултразвук за производството на хитозан от хитин, хитиновата суспензия се озвуква с високоинтензивни, нискочестотни ултразвукови вълни, обикновено в диапазона от 20 kHz до 30 kHz. Процесът генерира интензивна акустична кавитация, която се отнася до образуването, растежа и колапса на микроскопични вакуумни мехурчета в течността. Кавитацията генерира локализирани екстремно високи сили на срязване, високи температури (до няколко хиляди градуса по Целзий) и налягане (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 се осъществява чрез комбинираните ефекти на механични сили, като микрострийминг и течно струйване, както и чрез ултразвуково инициирани химични реакции, индуцирани от свободни радикали и други реактивни видове, образувани по време на кавитация. Вълните с високо налягане, генерирани по време на кавитацията, карат хитиновите вериги да претърпят напрежение на срязване, което води до нарязване на полимера на по-малки фрагменти.

Ултразвуково деацетилиране на хитин

В допълнение към деполимеризацията, интензивната ултразвук също насърчава деацетилирането на хитина. Деацетилирането включва отстраняване на ацетилните групи от молекулата на хитина, което води до образуването на хитозан. Интензивната ултразвукова енергия, особено високите температури и налягания, генерирани по време на кавитация, ускоряват реакцията на деацетилиране. Реактивните условия, създадени от кавитацията, помагат за прекъсване на ацетиловите връзки в хитина, което води до освобождаване на оцетна киселина и превръщането на хитина в хитозан.
Като цяло, интензивният ултразвук подобрява процесите на деполимеризация и деацетилиране, като осигурява необходимата механична и химическа енергия за разграждане на хитиновия полимер и улесняване на превръщането в хитозан. Тази техника предлага бърз и ефективен метод за производство на хитозан от хитин, с многобройни приложения в различни индустрии, включително фармацевтика, селско стопанство и биомедицинско инженерство.

Индустриално производство на хитозан от гъби с мощен ултразвук

Търговското производство на хитин и хитозан се основава главно на отпадъци от морската промишленост (т.е. риболов, събиране на миди и др.). Различните източници на суровини водят до различни качества на хитина и хитозана, в резултат на колебания в производството и качеството, дължащи се на сезонните промени в риболова. Освен това, хитозанът, получен от гъбични източници, предлага превъзходни свойства като хомогенна дължина на полимера и по-голяма разтворимост в сравнение с хитозана от морски източници. (срв. Ghormade et al., 2017) За да се достави равномерен хитозан, извличането на хитин от гъбични видове се превърна в стабилно алтернативно производство. Производството на хитин и цитиозан от гъбички може лесно и надеждно да се постигне с помощта на ултразвукова технология за екстракция и деацетилиране. Интензивната ултразвук разрушава клетъчните структури, за да освободи хитин и насърчава масовия трансфер във водни разтворители за превъзходен добив на хитин и ефективност на екстракцията. Последващото ултразвуково деацетилиране превръща хитина в ценен хитозан. Както ултразвуковата екстракция на хитин, така и деацетилирането до хитозан могат да бъдат линейно мащабирани до всяко ниво на търговско производство.

Резултати от изследванията за ултразвуково деацетилиране на хитин и хитозан

Zhu et al. (2018) заключават в своето проучване, че ултразвуковото деацетилиране се е доказало като решаващ пробив, превръщайки β-хитин в хитозан с 83–94% деацетилиране при намалени температури на реакцията. Снимката вляво показва SEM изображение на ултразвуково деацетилиран хитозан (90 W, 15 min, 20 w/v% NaOH, 1:15 (g: ml) (снимка и проучване: © Zhu et al., 2018)
В техния протокол разтворът на NaOH (20 w/v %) е приготвен чрез разтваряне на люспи NaOH във вода на DI. След това алкалният разтвор се добавя към GLSP утайка (0,5 g) в съотношение твърдо-течно 1:20 (g: ml) в епруветка за центрофуга. Хитозан се добавя към NaCl (40 ml, 0,2 M) и оцетна киселина (0,1 M) в съотношение 1:1 обем на разтвора. След това суспензията е подложена на ултразвук при лека температура от 25°C в продължение на 60 минути с помощта на ултразвуков звук тип сонда (250W, 20kHz). (срв. Zhu et al., 2018)
 
Pandit et al. (2021) установиха, че скоростта на разграждане на разтворите на хитозан рядко се влияе от концентрациите на киселина, използвана за разтваряне на полимера, и до голяма степен зависи от температурата, интензивността на ултразвуковите вълни и йонната сила на средата, използвана за разтваряне на полимера. (срв. Pandit et al., 2021)
 
В друго проучване Zhu et al. (2019) използва спорови прахове Ganoderma lucidum като гъбична суровина и изследва ултразвуково подпомагано деацетилиране и ефектите от параметрите на обработка като време на ултразвуково озвучаване, съотношение твърдо към течно, концентрация на NaOH и мощност на облъчване върху степента на деацетилиране (DD) на хитозана. Най-високата стойност на DD е получена при следните ултразвукови параметри: 20 минути ултразвук при 80W, 10% (g:ml) NaOH, 1:25 (g:ml). Морфологията на повърхността, химичните групи, термичната стабилност и кристалността на ултразвуково получения хитозан са изследвани с помощта на SEM, FTIR, TG и XRD. Изследователският екип съобщава за значително подобрение на степента на деацетилиране (DD), динамичния вискозитет ([η]) и молекулното тегло (Mv ̄) на ултразвуково произведения хитозан. Резултатите подчертават ултразвуковата техника на деацетилиране на гъби, който е изключително мощен метод за производство на хитозан, който е подходящ за биомедицински приложения. (срв. Zhu et al., 2019)

Превъзходно качество на хитозан с ултразвукова деполимеризация и деацетилиране

Ултразвуковите процеси на екстракция и деполимеризация на хитин / хитозан са прецизно контролирани и ултразвуковите параметри на процеса могат да бъдат адаптирани към суровините и целевото качество на крайния продукт (напр. молекулно тегло, степен на деацетилиране). Това позволява да се адаптира ултразвуковият процес към външни фактори и да се зададат оптимални параметри за превъзходен резултат и ефективност.
Ултразвуково деацетилираният хитозан показва отлична бионаличност и биосъвместимост. Когато ултразвуково приготвените биополимери на хитозан се сравняват с термично получен хитозан по отношение на биомедицинските свойства, ултразвуково произведеният хитозан показва значително подобрена жизнеспособност на фибробластите (L929 клетки) и повишена антибактериална активност както за Escherichia coli (E. coli), така и за Staphylococcus aureus (S. aureus).
(срв. Zhu et al., 2018)
 

Високопроизводително ултразвуково оборудване за обработка на хитин и хитозан

Фрагментирането на хитина и децетилирането на хитин до хитозан изисква мощно и надеждно ултразвуково оборудване, което може да осигури високи амплитуди, предлага прецизна управляемост върху параметрите на процеса и може да работи 24/7 при голямо натоварване и в взискателни среди. Продуктовата гама на Hielscher Ultrasonics отговаря надеждно на тези изисквания. Освен изключителните ултразвукови характеристики, ултразвуковите апарати Hielscher могат да се похвалят с висока енергийна ефективност, което е значително икономическо предимство – особено когато се използва в търговско мащабно производство.
Ултразвуковите апарати на Hielscher са високопроизводителни системи, които могат да бъдат оборудвани с аксесоари като сонотроди, бустери, реактори или проточни клетки, за да отговарят оптимално на вашите нужди на процеса. С цифров цветен дисплей, опция за предварително задаване на ултразвука, автоматичен запис на данни на интегрирана SD карта, дистанционно управление на браузъра и много други функции, ултразвуковите апарати Hielscher осигуряват най-висок контрол на процеса и удобство за потребителя. Съчетани с здравина и голяма товароносимост, ултразвуковите системи на Hielscher са вашият надежден работен кон в производството. 
Хитиновата фрагментация и деацетилиране изисква мощен ултразвук, за да се получи целенасочено преобразуване и краен хитозан продукт с високо качество. Особено за фрагментацията на хитиновите люспи и стъпките на деполимеризация/деацетилиране, високите амплитуди и повишеното налягане са от решаващо значение. Индустриалните ултразвукови процесори на Hielscher Ultrasonics лесно осигуряват много високи амплитуди. Амплитуди до 200 μm могат да работят непрекъснато в режим 24/7. За още по-високи амплитуди се предлагат персонализирани ултразвукови сонотроди. Мощността на ултразвуковите системи Hielscher позволява ефективна и бърза деполимеризация и деацетилиране в безопасен и лесен за използване процес.
 

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

---

---

Синергично лечение с хитин, подобрено чрез ултразвук

За да се преодолеят недостатъците (т.е. ниска ефективност, високи разходи за енергия, дълго време за обработка, токсични разтворители) на традиционната химическа и ензимна деацетилация на хитин, високоинтензивният ултразвук е интегриран в обработката на хитин и хитозан. Ултразвукът с висока интензивност и произтичащите от това ефекти на акустичната кавитация водят до бързо нарязване на полимерните вериги и намаляват полидисперсността, като по този начин насърчават синтеза на хитозан. Освен това ултразвуковите сили на срязване засилват преноса на маса в разтвора, така че химическата, хидролитичната или ензимната реакция се засилват. Ултразвуковото лечение с хитин може да се комбинира с вече съществуващи техники за обработка на хитин като химични методи, хидролиза или ензимни процедури.

Ултразвуково подпомагано химическо деацетилиране и деполимеризация

Тъй като хитинът е нереактивен и неразтворим биополимер, той трябва да премине през процесните етапи на деминерализация, депротеинизация и деполимеризация/деацетилиране, за да се получи разтворим и бионеобходим хитозан. Тези стъпки на процеса включват третиране със силни киселини като HCl и силни основи като NaOH и KOH. Тъй като тези конвенционални стъпки на процеса са неефективни, бавни и изискват висока енергия, интензификацията на процеса чрез ултразвук подобрява значително производството на хитозан. Прилагането на мощен ултразвук увеличава добива и качеството на хитозан, намалява процеса от дни на няколко часа, позволява по-меки разтворители и прави целия процес по-енергийно ефективен.

Ултразвуково подобрена депротеинизация на хитин

Vallejo-Dominguez et al. (2021) установиха в своето изследване на хитиновата депротеинизация, че “Прилагането на ултразвук за производството на биополимери намалява съдържанието на протеини, както и размера на частиците на хитина. Хитозан с висока степен на деацетилиране и средно молекулно тегло се произвежда чрез ултразвукова помощ.”

Ултразвукова хидролиза за деполимеризация на хитина

За химическа хидролиза се използват или киселини, или основи за деацетилиране на хитина, но алкалното деацетилиране (напр. натриев хидроксид NaOH) се използва по-широко. Киселинната хидролиза е алтернативен метод на традиционното химическо деацетилиране, при който се използват разтвори на органични киселини за деполимеризиране на хитин и хитозан. Методът на киселинна хидролиза се използва най-вече, когато молекулното тегло на хитин и хитозан трябва да бъде хомогенно. Този конвенционален процес на хидролиза е известен като бавен и енергоемък и разходоемък. Изискването за силни киселини, високи температури и налягания са фактори, които превръщат процеса на хидролитичен хитозан в много скъпа и отнемаща време процедура. Използваните киселини изискват процеси надолу по веригата като неутрализиране и обезсоляване.
С интегрирането на ултразвук с висока мощност в процеса на хидролиза, изискванията за температура и налягане за хидролитичното разцепване на хитин и хитозан могат да бъдат значително намалени. Освен това, ултразвукът позволява по-ниски концентрации на киселина или използването на по-меки киселини. Това прави процеса по-устойчив, ефективен, рентабилен и по-екологичен.

Ултразвуково подпомагано химическо деацетилиране

Химичното разпадане и деактеилирането на хитин и хитозан се постига главно чрез третиране на хитин или хитозан с минерални киселини (напр. солна киселина HCl), натриев нитрит (NaNO₂), или водороден прекис (H₂O₂). Ултразвукът подобрява скоростта на деацетилиране, като по този начин съкращава времето за реакция, необходимо за получаване на целевата степен на деацетилиране. Това означава, че ултразвукът намалява необходимото време за обработка от 12-24 часа до няколко часа. Освен това ултразвукът позволява значително по-ниски химически концентрации, например 40% (w/w) натриев хидроксид с помощта на ултразвук, докато 65% (w/w) са необходими без използване на ултразвук.

Ултразвуково-ензимно деацетилиране

Въпреки че ензимното деацетилиране е лека, екологично безопасна форма на обработка, нейната ефективност и разходи са неикономични. Поради сложното, трудоемко и скъпо изолиране и пречистване на ензими от крайния продукт, ензимното деацетилиране на хитин не се прилага в търговското производство, а се използва само в научноизследователска лаборатория.
Ултразвуковата предварителна обработка преди ензимната деацетлитация фрагментира хитиновите молекули, като по този начин увеличава повърхността и прави по-голяма повърхност достъпна за ензимите. Високоефективното ултразвуково озвучаване помага за подобряване на ензимното деацетилиране и прави процеса по-икономичен.