Ultrazvučnost je visoko efikasna metoda za oslobađanje hitina i hitozana iz gljivičnih izvora kao što su pečurke. hitin i hitozan moraju biti depolimerizirani i deacetilirani u nizvodnoj obradi kako bi se dobio visokokvalitetni biopolimer . Ultrazvučno potpomognuta depolimerizacija i deacetilacija je visoko efikasna, jednostavna i brza tehnika, koja rezultira visokokvalitetnim hitozan sa visokom molekularnom težinom i superiornom bioraspoloživošću.

Chitin i hitozan putem ultrazvučnosti

Jestive i ljekovite gljive kao što su Lentinus edode (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi ili reishi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (dugmad gljive), Hericium erinaceus (lavlja griva), Cordyceps sinensis (gljiva gusjenica), Grifola frondosa (kokoš drveta), Trametes versicolor (kokoš drveta), Trametes versicolor. Ove gljive kao i prerada ostataka (otpad od gljiva) mogu se koristiti za proizvodnju hitozana. Ultrazvučnost ne samo da potiče oslobađanje hitina iz strukture gljivičnog ćelijskog zida, već i pokreće pretvaranje hitina u vrijedni hitozan putem ultrazvučno potpomognute depolimerizacije i deacetilacije.

 

Intenzivna ultrazvučna terapija pomoću ultrazvučnog sistema tipa sonde je tehnika koja se koristi za promociju depolimerizacije i deacetilacije hitina, što dovodi do formiranja hitozana. Chitin je prirodni polisaharid koji se nalazi u egzoskeletima ljuskara, insekata i ćelijskih zidova određenih gljiva. hitozan je izveden iz hitina uklanjanjem acetilnih grupa iz molekule hitina .

Ultrazvučna procedura za konverziju gljivičnog hitina u hitozan

Kada se za proizvodnju hitozana iz hitina primjenjuje intenzivna ultrazvučna suspenzija, suspenzija hitina se sonicira ultrazvučnim talasima visokog intenziteta, niske frekvencije, obično u rasponu od 20 kHz do 30 kHz. Proces generiše intenzivnu akustičnu kavitaciju, koja se odnosi na formiranje, rast i kolaps mikroskopskih vakuumskih mehurića u tečnosti. Kavitacija generiše lokalizovane ekstremno visoke sile smicanja, visoke temperature (do nekoliko hiljada stepeni Celzijusa) i pritiske (do nekoliko stotina atmosfera) u tečnosti koja okružuje kavitacione mehuriće. Ovi ekstremni uslovi doprinose razgradnji hitinskog polimera i naknadnoj deacetilaciji.
 

 

Ultrazvučna depolimerizacija hitina

Depolimerizacija hitina se odvija kombinovanim efektima mehaničkih sila, kao što su mikrostrujanje i tečno mlaćenje, kao i ultrazvučno iniciranim hemijskim reakcijama izazvanim slobodnim radikalima i drugim reaktivnim vrstama nastalim tokom kavitacije. Talasi visokog pritiska nastali tokom kavitacije uzrokuju da hitinski lanci prođu kroz stres smicanja, što rezultira cijepanjem polimera na manje fragmente.

Ultrazvučna deacetilacija hitina

Osim depolimerizacije, intenzivna ultrazvučnost također potiče deacetilaciju hitina. Deacetilacija uključuje uklanjanje acetil grupa iz molekula hitina, što dovodi do formiranja hitozana. Intenzivna ultrazvučna energija, posebno visoke temperature i pritisci nastali tokom kavitacije, ubrzavaju reakciju deacetilacije. Reaktivni uvjeti stvoreni kavitacijom pomažu u razbijanju acetilnih veza u hitinu, što rezultira oslobađanjem acetatne kiseline i pretvaranjem hitina u hitozan .
Sve u svemu, intenzivna ultrazvučnost poboljšava procese depolimerizacije i deacetilacije pružajući neophodnu mehaničku i hemijsku energiju za razgradnju hitinskog polimera i olakšavanje konverzije u hitozan . Ova tehnika nudi brzu i efikasnu metodu za proizvodnju hitozana iz hitina, sa brojnim primenama u različitim industrijama, uključujući farmaciju, poljoprivredu i biomedicinsko inženjerstvo.

Industrijska proizvodnja hitozana iz gljiva sa Power Ultrasound

Komercijalna proizvodnja chitina i chitosana se uglavnom zasniva na otpadu od morskih industrija (dakle ribolova, berbe školjki i dr.). Različiti izvori sirovine rezultiraju različitim kvalitetima chitina i chitosana, što je rezultat proizvodnje i kolebanja kvaliteta zbog sezonskih varijacija ribolova. Nadalje, chitosan izveden iz gljivicnih izvora nudi navodno superiorna svojstva poput homogene polimerne dužine i veće rastvorljivosti u usporedbi s chitosanom iz morskih izvora. (cf. Ghormade et al., 2017) Da bi se snabdeo uniformnim chitosanom, vađenje chitina iz gljivične vrste postalo je stabilna alternativna proizvodnja. Proizvodnja chitina i citiosana od gljivica može se lako i pouzdano postići pomoću ultrazvučne tehnologije ekstrakcije i deacetilacije. Intenzivna sonikacija remeti ćelijske strukture za oslobađanje chitina i promiče masovni prijenos u vađenim otapačima za superiorne chitin prinose i efikasnost izvlačenja. Naknadno ultrazvučno deacetilacija pretvara chitin u vrijedan chitosan. Oba, ultrazvučna ekstrakcija chitina i deacetylation na chitosan može biti linearly scaled na bilo koji komercijalni nivo proizvodnje.

Rezultati istraživanja za ultrazvučni Chitin i Chitosan Deacetylation

Zhu et al. (2018) zaključuje u svojoj studiji da se ultrazvučna deacetilacija dokazala kao presudan napredak, pretvarajući β-chitin u chitosan sa 83-94% deacetylation na smanjenim temperaturama reakcije. Slika lijevo prikazuje SEM sliku ultrazvučno deacetylated chitosan (90 W, 15 min, 20 w/v% NaOH, 1:15 (g: mL) (slika i studija: © Zhu et al., 2018)
U njihovom protokolu, NaOH rastvor (20 w/v %) pripremljen je rastvaranjem NaOH pahuljica u DI vodi. Alkalni rastvor je zatim dodat GLSP sedimentu (0,5 g) u odnosu čvrsto-tečnost od 1:20 (g: mL) u centrifugnu cijev. Hitozan je dodat u NaCl (40 ml, 0,2 M) i sirćetnu kiselinu (0,1 M) u odnosu zapremine 1:1. Suspenzija je zatim podvrgnuta ultrazvuku na blagoj temperaturi od 25 °C tokom 60 min pomoću ultrazvučnika sonde (250W, 20kHz). (cf Zhu et al., 2018)
 
Pandit et al. (2021) je otkrio da je stopa degradacije za otopine chitosana rijetko pogođena koncentracijama kiseline iskorištene za rastvaranje polimera i u velikoj su mjerodavnosti od temperature, jačine ultrazvučnih valova i ionske jačine medija koji se koriste za rastvaranje polimera. (cf. Pandit et al., 2021)
 
U drugoj studiji, Zhu et al. (2019) koristili su prah spora Ganoderma lucidum kao gljivične sirovine i istraživali ultrazvučno potpomognutu deacetilaciju i efekte parametara obrade kao što su vrijeme sonicacije, odnos čvrste i tekućine, koncentracija NaOH i snaga zračenja na stepen deacetilacije (DD) hitozana. Najveća DD vrijednost dobijena je na sljedećim ultrazvučnim parametrima: 20 min sonication na 80W, 10% (g:ml) NaOH, 1:25 (g:ml). Površinska morfologija, hemijske grupe, termička stabilnost i kristalnost ultrazvučno dobijenih hitozan ispitivani su pomoću SEM, FTIR, TG i XRD. Istraživački tim izveštava o značajnom povećanju stepena deacetilacije (DD), dinamičke viskoznosti ([η]) i molekularne težine (Mv ̄) ultrazvučno proizvedenog hitozana. Rezultati su podvukli ultrazvučnu tehniku deacetilacije gljiva, vrlo moćnu proizvodnu metodu za hitozan koji je pogodan za biomedicinske primjene. (cf. Zhu et al., 2019)

Vrhunski kvalitet hitozana sa ultrazvučnom depolimerizacijom i deacetilacijom

Ultrazvučno pogoneni procesi ekstrakcije chitina / chitosana i depolimerizacije su precizno kontrolisani i ultrazvučni procesni parametri mogu se prilagoditi sirovinama i ciljanom kvalitetu proizvoda (npr. molekularna težina, stepen deacetilacije). To omogućava prilagođavanje procesa ultrazvuka vanjskim faktorima i postavljenje optimalnih parametara za superiorni ishod i efikasnost.
Ultrazvučno deacetylated chitosan pokazuje izvrsnu biodostupnost i biokompatibilnost. Kada se ultrazvučno pripremljeni chitosan biopolymers uporede s termički izvedenim chitosanom u vezi sa biomedicinskim svojstvima, ultrazvučno proizvedeni chitosan pokazuje značajno poboljšanu fibroblastnu (L929 ćeliju) održivost i pojačanu antibakterijsku aktivnost i za Escherichia coli (E. coli) i Staphylococcus aureus (S. aureus).
(cf. Zhu et al., 2018)
 

Ultrazvučna oprema visokih performansi za hitinsku i hitozan obradu

Fragmentacija hitina i usporavanje hitina u hitozan zahteva snažnu i pouzdanu ultrazvučnu opremu koja može da isporuči visoke amplitude, nudi preciznu kontrolu nad parametrima procesa i može se upravljati 24/7 pod teškim opterećenjem i u zahtevnim okruženjima. Hielscher Ultrasonics asortiman proizvoda pouzdano ispunjava ove zahteve. Pored izvanrednih ultrazvučnih performansi, Hielscher ultrazvučnici se mogu pohvaliti visokom energetskom efikasnošću, što je značajna ekonomična prednost. – posebno kada se zapošljavaju na komercijalnoj proizvodnji velikih razmjera.
Hielscher ultrazvučnici su sistemi visokih performansi koji mogu biti opremljeni dodacima kao što su sonotrode, pojačivači, reaktori ili protočne ćelije kako bi na optimalan način odgovarali vašim procesnim potrebama.Sa digitalnim ekranom u boji, opcijom unapred podešenih sonifikacionih pokreta, automatskim snimanjem podataka na integrisanoj SD kartici, daljinskim upravljanjem pretraživačem i mnogim drugim funkcijama, Hielscher ultrazvučnici obezbeđuju najveću kontrolu procesa i jednostavnost korišćenja. U kombinaciji sa robusnošću i velikim nosivim kapacitetom, Hielscher ultrazvučni sistemi su vaš pouzdani radni konj u proizvodnji. 
Fragmentacija hitina i deacetilacija zahtijeva snažan ultrazvuk za postizanje ciljane konverzije i konačnog hitozan proizvoda visokog kvaliteta. Posebno za fragmentaciju hitinskih pahuljica i korake depolimerizacije/deacetilacije, ključne su visoke amplitude i povišeni pritisci. Hielscher Ultrasonics industrijski ultrazvučni procesori lako isporučuju veoma visoke amplitude. Amplitude do 200 μm mogu se kontinuirano pokretati u 24/7 radu. Za još veće amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode. Kapacitet Hielscher ultrazvučnih sistema omogućava efikasnu i brzu depolimerizaciju i deacetilaciju u sigurnom i jednostavnom procesu.
 

Tabela u nastavku daje naznaku približan kapacitet prerade naših ultrasonicators:

---

---

Sinergijski tretman hitinom poboljšan ultrazvučnošću

U cilju prevazilaženja nedostataka (tj. niske efikasnosti, visokih troškova energije, dugog vremena obrade, toksičnih rastvarača) tradicionalne hemijske i enzimske deacetije hitina, ultrazvuk visokog intenziteta integrisan je u obradu hitina i hitozana. Sonikacija visokog intenziteta i rezultirajući efekti akustične kavitacije dovode do brzog cijepanja polimernih lanaca i smanjenja polidisperzije, čime se promovira sinteza hitozana. Osim toga, ultrazvučne sile smicanja pojačavaju prijenos mase u otopini tako da se pojačaju hemijske, hidrolitičke ili enzimske reakcije. Ultrazvučni tretman hitinom može se kombinovati sa već postojećim tehnikama prerade hitina kao što su hemijske metode, hidroliza ili enzimski postupci.

Ultrazvučno asistiran hemijska deacetilacija i depolimerizacija

Pošto je chitin nereaktivan i neraskidiv biopolimer, mora se podvući procesnim koracima demineralizacije, deproteinizacije i depolimerizacije / deacetilacije kako bi se dobio rastvorljiv i bioacesibilni chitosan. Ovi procesni koraci uključuju tretmane sa jakim kiselinama kao što su HCl i jake baze kao što su NaOH i KOH. Kako su ovi konvencionalni procesni koraci neefikasni, spori i zahtijevaju visoke energije, intenziviranje procesa sonikacija značajno poboljšava proizvodnju chitosana. Primjena power-ultrazvuka povećava prinose i kvalitetu chitosana, smanjuje proces sa dana na nekoliko sati, omogućava blaža otapića, a cijeli proces čini energetski efikasnijim.

Ultrazvučno poboljšana deproteinizacija Chitina

Vallejo-Dominguez et al. (2021) otkrili su u svom istraživanju deproteinizacije hitina da “primjena ultrazvuka za proizvodnju biopolimera smanjila je sadrzaj proteina kao i velicinu cestica hitina . Hitozan visokog stepena deacetilacije i srednje molekularne težine proizveden je ultrazvučnom asistencijom.”

Ultrazvučna hidroliza za Chitin Depolymerization

Za hemijsku hidrolizu, ili kiseline ili alkalije se koriste za deacetilacija chitina, međutim alkalna deacetilacija (npr. natrij hidroksid NaOH) se širi koristi. Hidroliza kiseline je alternativna metoda tradicionalnoj hemijskoj deacetilaciji, gdje se rastvori organske kiseline koriste za depolimerizu chitina i chitosana. Metoda kisele hidrolize se uglavnom koristi kada molekularna težina chitina i chitosana mora biti homogena. Ovaj konvencionalni proces hidrolize poznat je kao spor i energetski- i trošno intenzivan. Zahtjev jakih kiselina, visokih temperatura i pritisaka su faktori koji hidrolitski chitosan proces pretvaraju u vrlo skup i dugovječan postupak. Korištene kiseline zahtijevaju nizvodne procese kao što su neutralizacija i desalting.
Sa integracijom ultrazvuka velike snage u proces hidrolize, zahtjevi temperature i pritiska za hidrolitski dekolte chitina i chitosana mogu se značajno spustiti. Nadalje, sonication omogućava niže koncentracije kiselina ili korištenje blažih kiselina. To čini proces održivijim, efikasnijim, troškovno učinkovitijim i ekološki držačijim.

Ultrazvučno asistiran hemijska deacetilacija

Hemijska dezintegracija i deaktejlacija chitina i chitosana se uglavnom postiže tretirajući chitin ili chitosan mineralnim kiselinama (npr. klorovodikovom kiselinom HCl), natrijevim nitritom (NaNO)₂), ili vodikov peroksid (H₂The₂). Ultrazvuk poboljšava stopu deacetilacije i time skrati vrijeme reakcije potrebno za dobivanje ciljanog stepena deacetilacije. To znači da sonikacija smanjuje potrebno vrijeme obrade od 12-24 sata na nekoliko sati. Nadalje, sonication omogućava znatno niže hemijske koncentracije, na primjer 40% (w/w) natrijev hidroksid koristeći sonication dok je 65% (w/w) potrebno bez upotrebe ultrazvuka.

Ultrazvučno-enzimska deacetilacija

Dok je enzimska deacetilacija blag, ekološki dobroćudan oblik obrade, njegova efikasnost i troškovi su neekonomski. Zbog složene, radne intenzivne i skupe nizvodne izolacije i pročišćavanja enzima iz završetka proizvoda, enzimska deacetilacija chitina se ne provodi u komercijalnoj proizvodnji, već se koristi samo u naučno-istraživačkoj laboratoriji.
Ultrazvučni pred-tretman prije enzimske deaketlitacije fragmenti chitin molekule time uvećanje površinu i čini više površine dostupnim za enzime. Sonication visokih performansi pomaže u poboljšanju enzimatske deacetilacije i čini proces ekonomskim.