Ultrasonication 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 подпомага деполимеризация и деацетилиране е високо ефикасна, проста и бърза техника, която води до висококачествени хитозани с високо молекулно тегло и превъзходна бионаличност.

Гъби, получени хитин и хитозан чрез ултразвук

Ядливи и лечебни гъби като Lentinus edodes (шийтаке), Ganoderma lucidum (Lingzhi или reishi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (гъби бутони), Hericium erinaceus (лъвска грива), Cordyceps sinensis (гъсеница гъбички), Grifola frondosa (кокошка от дърво), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, пуешка опашка) и много други видове гъбички се използват широко като храна и за извличане на биоактивни съединения. Тези гъби, както и преработката на остатъци (отпадъци от гъби) могат да се използват за производство на хитозан. Ultrasonication не само насърчава освобождаването на хитин от структурата на гъбичната клетъчна стена, но също така задвижва превръщането на хитин в ценен хитозан чрез ултразвуково подпомага деполимеризация и деацетилиране.

 

Интензивен ултразвук с помощта на сонда тип ултразвукова система е техника, използвана за насърчаване на деполимеризация и деацетилиране на хитин, което води до образуването на хитозан. Хитин е естествено срещащ се полизахарид, открит в екзоскелетите на ракообразни, насекоми и клетъчните стени на някои гъби. Хитозан се получава от хитин чрез отстраняване на ацетилните групи от молекулата на хитина.

Ултразвукова процедура за гъбична хитин в хитозан конверсия

Когато се прилага интензивна ултразвукова обработка за производството на хитозан от хитин, хитинова суспензия се обработва с ултразвук с ултразвукови вълни с висока интензивност, 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 изключително 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 хитин се осъществява чрез комбинираните ефекти на механични сили, като микрострийминг и течно струя, 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 кавитация, причиняват хитиновите вериги да претърпят напрежение на срязване, което води до разделяне на полимера на по-малки фрагменти.

Ултразвуково деацетилиране на хитин

В допълнение към деполимеризацията, интензивен ултразвук също насърчава деацетилирането на хитин. Деацетилирането включва отстраняване на ацетилни групи от молекулата на хитина, което води до образуването на хитозан. Интензивна ултразвукова енергия, особено високите температури и налягания, генерирани по време на кавитация, ускоряват реакцията на деацетилиране. Реактивните условия, създадени от кавитацията, спомагат за разрушаването на ацетилните връзки в хитина, което води до освобождаването на оцетна киселина и превръщането на хитин в хитозан.
Като цяло, интензивен ултразвук подобрява както процесите на деполимеризация и деацетилиране чрез осигуряване на необходимата механична и химическа енергия за разграждане на хитин 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 фармацевтиката, селското стопанство и биомедицинското инженерство.

Промишлено производство на хитозан от гъби с мощност ултразвук

Търговското производство на хитин и хитозан се основава главно на отпадъци на морските индустрии (т.е. риболов, събиране на риба от черупки и др.). Различните източници на суровина водят до различни качества на хитин и хитозан, в резултат на производствени и качествени колебания, дължащи се на сезонни риболовни вариации. Освен това, хитозан, получен от гъбични източници предлага съобщава превъзходни свойства като хомогенна дължина на полимера и по-голяма разтворимост, когато се сравнява с хитозан от морски източници. (срв. Ghormade et al., 2017) За да се снабди с еднакъв 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 ултразвукова обработка нарушава клетъчните структури за освобождаване на хитин и насърчава масовия трансфер във воден разтворители за превъзходни добиви на хитин и ефективност на екстракцията. Последващото ултразвуково деацетилиране превръща хитина в ценния хитозан. И двете, ултразвукова екстракция на хитин и деацетилиране към хитозан могат да бъдат линейно мащабирани до всяко търговско производствено ниво.

Резултати от изследванията за ултразвукова хитин и Хитозан дяцетилиране

Zhu et al. (2018) заключават в проучването си, че ултразвуковата деацетилация се е доказала като решаващ пробив, превръщайки β-хитин в хитозан с 83–94% деацетилиране при намалени температури на реакция. Картината вляво показва SEM изображение на ултразвуково деацетилиран хитозан (90 W, 15 мин, 20 w / v% NaOH, 1:15 (g: mL) (картина и проучване: © Zhu et al., 2018)
В техния протокол разтвор на NaOH (20 w/v%) се приготвя чрез разтваряне на NaOH люспи в DI вода. След това алкалният разтвор се добавя към GLSP седимент (0,5 g) при съотношение твърдо течност 1:20 (g: mL) в центрофужна епруветка. Хитозан се добавя към NaCl (40 ml, 0,2 M) и оцетна киселина (0,1 M) при съотношение 1:1 обем на разтвора. След това суспензията се подлага на ултразвук при лека температура от 25 ° C за 60 минути, като се използва ултразвуков апарат тип сонда (250W, 20kHz). (срв. Zhu et al., 2018)
 
Pandit et al. (2021) установи, че скоростта на разграждане за разтвори на хитозан е рядко засегната от концентрациите на киселина, използвана за разтворимост на полимера и до голяма степен зависи от температурата, интензивността на ултразвуковите вълни и йонната здравина на носителя, използван за разтваряне на полимера. (срв. Pandit et al., 2021)
 
В друго проучване, Zhu et al. (2019) използва Ganoderma lucidum спори прахове като гъбична суровина и изследва ултразвуково подпомага деацетилиране и ефектите от параметрите на обработка като време за обработка с ултразвук, съотношение твърдо вещество към течност, концентрация на NaOH и мощност на облъчване върху степента на деацетилиране (DD) на хитозан. Най-високата стойност на DD е получена при следните ултразвукови параметри: 20 мин ултразвук при 80W, 10% (g: ml) NaOH, 1: 25 (g: ml). Морфологията на повърхността, химичните групи, термичната стабилност и кристалността на ултразвуково получения хитозан бяха изследвани с помощта на SEM, FTIR, TG и XRD. Изследователският екип съобщава за значително повишаване на степента на деацетилиране (DD), динамичен вискозитет ([η]) и молекулно тегло (Mv ̄) на ултразвуково произведения хитозан. Резултатите подчертаха ултразвуковата техника за деацетилиране на гъбички - много 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

Ултразвуково задвижваните процеси на екстракция и деполимеризация на хитин / хитозан са прецизно контролируеми и ултразвуковите параметри на процеса могат да бъдат коригирани 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 изход и ефективност.
Ултразвуково деацетилираният хитозан показва отлична бионаличност и биологична съвместимост. Когато ултразвуково приготвените хитозанови биополимери се сравняват с термично получения хитозан по отношение на биомедицинските свойства, Ултразвуково произведеният хитозан проявява значително подобрена фибробластна (L929 клетка) жизнеспособност и засилена антибактериална активност както за Escherichia coli (E. coli) така и за Staphylococcus aureus (S. aureus).
(срв. Жу и др., 2018)
 

Високопроизводително ултразвуково оборудване за обработка на хитин и хитозан

Раздробяването на хитин и децетилирането на хитин до хитозан изисква мощно и надеждно ултразвуково оборудване, което може да достави високи амплитуди, предлага прецизна управляемост над параметрите на процеса и може да се управлява 24/7 при голямо натоварване и в взискателни среди. Hielscher Ultrasonics продуктова гама отговаря на тези изисквания надеждно. Освен изключителна ултразвукова производителност, Hielscher ultrasonicators могат да се похвалят с висока енергийна ефективност, което е значително икономическо предимство – особено когато са наети на търговско широкомащабно производство.
Hielscher ultrasonicators са високопроизводителни системи, които могат да бъдат оборудвани с аксесоари като синсинсинди, бустери, реактори или поточни клетки, за да съответстват на вашите нужди на процеса по оптимален начин. С цифров цветен дисплей, опцията за предварително зададени ултразвукови изпълнения, автоматичен запис на данни на интегрирана SD карта, дистанционно управление на браузъра и много други функции, Hielscher ultrasonicators осигуряват най-висок контрол на процеса и удобство за потребителя. В двойка с здравина и тежка носимоспособност, Hielscher ултразвукови системи са вашият надежден работен кон в производството. 
Фрагментацията на хитин и деацетилирането изискват мощен ултразвук, за да се получи целевото преобразуване и крайния хитозанов продукт с високо качество. Особено за фрагментацията на хитиновите люспи и стъпките на деполимеризация / деацетилиране, високите амплитуди и повишеното налягане са от решаващо значение. Hielscher Ultrasonics промишлени ултразвукови процесори лесно доставят много високи амплитуди. Амплитуди до 200μm могат да се изпълняват непрекъснато в 24/7 операция. За още по-високи амплитуди са налични персонализирани ултразвукови синсинсинди. Капацитетът на мощност на Hielscher ултразвукови системи позволяват ефективна и бърза деполимеризация и деацетилиране в безопасен и лесен за употреба процес.
 

Таблицата по-долу дава индикация за приблизителната капацитет за преработка на нашите ultrasonicators:

---

---

Синергично лечение с хитин, подобрено чрез ултразвук

За да се преодолеят недостатъците (т.е. ниска ефективност, високи енергийни разходи, дълго време за обработка, токсични разтворители) на традиционната химическа и ензимна деацетлиция на хитин, ултразвукът с висока интензивност е интегриран в обработката на хитин и хитозан. Висока интензивност ултразвук и получените ефекти на акустична кавитация водят до бързо разрязване на полимерни вериги и намаляване на полидисперсността, като по този начин насърчаване на синтеза на хитозан. Освен това, ултразвуковите сили на срязване засилват масовия трансфер 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 химически методи, хидролиза или ензимни процедури.

Ултразвуково подпомагана химическа деацетилация и деполимеризация

Тъй като хитинът е нереактивен и неразтворим биополимер, той трябва да се подложи на процесните стъпки на деминерализиране, депротеинизация и деполимеризация / деацетилиране, за да се получи разтворим и биоацесим хитозан. Тези стъпки на процеса включват лечения със силни киселини като HCl и силни основи като NaOH и KOH. Тъй като тези конвенционални стъпки на процеса са неефективни, бавни, и изискват високи енергии, интензификацията на процесите чрез ултразвук подобрява значително производството на хитозан. Прилагането на мощност-ултразвук увеличава добивите и качеството на хитозан, намалява процеса от дни до няколко часа, позволява по-мек разтворители, и прави целия процес по-енергийно ефективен.

Ултразвуково подобрена депротеинизация на Хитин

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

Ултразвукова хидролиза за деполимеризация на Хитин

За химическа хидролиза или киселини или основи се използват за деацетилиране на хитин, обаче алкалната деацетилация (напр., натриев хидроксид NaOH) се използва по-широко. Киселинната хидролиза е алтернатив метод към традиционната химическа деацетилация, където се използват разтвори на органична киселина 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 енергиен- и разходо-интензивен. Изискването на силни киселини, високи температури и налягания са фактори, които превръщат хидролитичния хитозан процес в много скъпа и отнемаща време процедура. Използваните киселини изискват процеси надолу по веригата като неутрализация и запустяване.
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 понижени. Освен това, ултразвукът позволява по-ниски киселинни концентрации или използването на по-мек киселини. Това прави процеса по-устойчив, ефикасен, икономически ефективен и по-екологичен.

Ултразвуково подпомагана химическа деацетилация

Химичното разпадане и дяцилиране на хитин и хитозан се постига главно чрез лечение на хитин или хитозан с минерални киселини (напр., солна киселина HCl), натриев нитрит (NaNO₂), или водороден прекис (H₂Най-₂). Ултразвукът подобрява скоростта на деацетилиране, като по този начин скъсява времето за реакция, необходимо за получаване на целевата степен на деацетилиране. Това означава ултразвук намалява необходимото време за обработка от 12-24 часа до няколко часа. Освен това, ултразвукът дава възможност за значително по-ниски химични концентрации, например 40% (масови части в) натриев хидроксид, използвайки ултразвук, докато 65% (масови части в т.н.) са необходими без използването на ултразвук.

Ултразвуково-ензимно деацетилиране

Докато ензимното деацетилиране е лека, доброкачествена за околната среда форма на обработка, неговата ефективност и разходи са неикономически. Поради сложната, трудоемка и скъпа изолация надолу по веригата и пречистване на ензимите от крайния продукт ензимната хитинова деацетилация не се прилага в търговското производство, а се използва само в научно-изследователска лаборатория.
Ултразвукова предварителна обработка преди ензимни фрагменти от деацетлитация хитин молекули по този начин уголемяване на площта на повърхността и предоставяне на повече повърхност на разположение за ензимите. Високопроизводителна ултразвукова обработка помага за подобряване на ензимното деацетилиране и прави процеса по-икономически.