Ultrazvuku je vysoce účinná metoda pro uvolňování chitinu a chitosanu z houbových zdrojů, jako jsou houby. Chitin a chitosan musí být deacetylovány při zpracování po proudu, aby se získal vysoce kvalitní biopolymer. Ultrazvukem asistovaná deacetylace je vysoce účinná, jednoduchá a rychlá technika, která vede k vysoce kvalitním chitosanům s vysokou molekulovou hmotností a vynikající biologickou dostupností.

Chitin a Chitosan z hub

Jedlé a léčivé houby, jako je Lentinus edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi nebo reishi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (knoflíkové houby), Hericium erinaceus (lví hříva), Cordyceps sinensis (housenková houba), Grifola frondosa (slepice ze dřeva), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, krůtí ocas) a mnoho dalších druhů hub jsou široce používány jako potraviny a pro extrakci bioaktivních sloučenin. Tyto houby, stejně jako zbytky zpracování (houbový odpad) mohou být použity k výrobě chitosanu. Ultrazvuku nejen podporuje uvolňování chitinu ze struktury buněčné stěny plísní, ale také řídí přeměnu chition na cenný chitosan prostřednictvím ultrazvukové depolymerizace.

Deacetylace chitin do chitosanu je podporováno sonikací

Chitin, což je N-acetylglukosaminový polymer (poly-(β-(1–4)-N-acetyl-D-glukosamin), je přirozeně se vyskytující polysacharid široce se vyskytující v exoskeletu bezobratlých, jako jsou korýši a hmyz, vnitřní kostra chobotnice a sépie, stejně jako buněčné stěny hub. Chitin, vložený do struktury buněčných stěn hub, je zodpovědný za tvar a tuhost buněčné stěny houby. Pro mnoho aplikací je chitin převeden na svůj deacetylovaný derivát, známý jako chitosan prostřednictvím depolymerizačního procesu.
Chitosan je nejběžnějším a nejcennějším derivátem chitinu. Jedná se o polysacharid s vysokou molekulovou hmotností spojený glykosidem b-1,4, složený z N-acetyl-glukosaminu a glukosaminu.
Chitosan může být odvozen chemickým nebo enzymatickým N-deacetylace. V chemicky řízeném procesu deacetylace se acetylová skupina (R-NHCOCH)₃) je při vysokých teplotách odštěpena silnou alkálií. Alternativně může být chitosan syntetizován enzymatickou deacetylací. V průmyslovém výrobním měřítku je však upřednostňovanou technikou chemická deacetylace, protože enzymatická deacetylace je výrazně méně účinná kvůli vysokým nákladům na enzymy deacetylázy a nízkým získaným výnosům chitosanu. Ultrazvuku se používá k zesílení chemické degradace (1→4) - / β vazby (depolymerizace) a účinek deacetylace chitinu k získání vysoce kvalitního chitosanu. Když se sonikace aplikuje jako předléčba enzymatické deacetylace, zlepšuje se také výnos a kvalita chitosanu.

Průmyslová výroba Chitosanu z houby s ultrazvukem

Komerční výroba chitinu a chitosanu je založena především na odpadech z mořského průmyslu (tj. rybolov, sběr měkkýšů atd.). Různé zdroje surovin vedou k různým vlastnostem chitinu a chitosanu, což vede k výkyvům výroby a kvality v důsledku sezónních změn rybolovu. Kromě toho chitosan odvozený z houbových zdrojů nabízí údajně vynikající vlastnosti, jako je homogenní délka polymeru a větší rozpustnost ve srovnání s chitosanem z mořských zdrojů. (srov. Ghormade et al., 2017) Za účelem dodávání jednotného chitosanu se extrakce chitinu z druhů hub stala stabilní alternativní produkcí. Chitin a citiosan výroba z hub lze snadno a spolehlivě dosáhnout pomocí ultrazvukové extrakce a deacetylační technologie. Intenzivní sonikace narušuje buněčné struktury k uvolnění chitinu a podporuje přenos hmoty ve vodných rozpouštědlech pro vynikající výnosy chitinu a účinnost extrakce. Následná ultrazvuková deacetylace přeměňuje chitin na cenný chitosan. Jak ultrazvuková extrakce chitinu, tak deacetylace na chitosan mohou být lineárně škálovány na jakoukoli komerční úroveň výroby.

Sonikace zesiluje produkci houbového chitosanu a činí výrobu efektivnější a ekonomičtější.
(obrázek a studie: © Zhu et al., 2019)

Vysoce účinná syntéza Chitosan prostřednictvím sonikace

Aby bylo možné překonat nevýhody (tj. Nízká účinnost, vysoké náklady na energii, dlouhá doba zpracování, toxická rozpouštědla) tradiční chemické a enzymatické chitinové deacetlyce, byl do zpracování chitinu a chitosanu integrován ultrazvuk s vysokou intenzitou. Vysoká intenzita sonikace a výsledné účinky akustické kavitace vedou k rychlému štěpení polymerních řetězců a snižují polydisperzitu, čímž podporují syntézu chitosanu. Kromě toho ultrazvukové smykové síly zesilují přenos hmoty v roztoku, takže se zvyšuje chemická, hydrolytická nebo enzymatická reakce.

Ultrazvukem asistovaná chemická deacetylace a depolymerizace

Vzhledem k tomu, že chitin je nereaktivní a nerozpustný biopolymer, musí projít procesními kroky demineralizace, deproteinizace a depolymerizace / deacetylace, aby se získal rozpustný a bioacesovatelný chitosan. Tyto kroky procesu zahrnují ošetření silnými kyselinami, jako je HCl, a silnými zásadami, jako jsou NaOH a KOH. Vzhledem k tomu, že tyto konvenční procesní kroky jsou neefektivní, pomalé a vyžadují vysoké energie, intenzifikace procesu sonikací výrazně zlepšuje produkci chitosanu. Aplikace power-ultrazvuku zvyšuje výnosy a kvalitu chitosanu, snižuje proces ze dnů na několik hodin, umožňuje mírnější rozpouštědla a činí celý proces energeticky účinnějším.

Ultrazvukem vylepšená deproteinizace Chitinu

Vallejo-Dominguez et al. (2021) zjistili ve svém výzkumu deproteinizace chitinu, že "aplikace ultrazvuku pro výrobu biopolymerů snížila obsah bílkovin i velikost částic chitinu. Chitosan s vysokým stupněm deacetylace a střední molekulovou hmotností byl vyroben ultrazvukovou asistencí.

Ultrazvuková hydrolýza pro depolymerizaci Chitinu

Pro chemickou hydrolýzu se k deacetylaci chitinu používají buď kyseliny nebo zásady, avšak alkalická deacetylace (např. Hydroxid sodný NaOH) se používá více. Kyselá hydrolýza je alternativní metodou k tradiční chemické deacetylaci, kde se k depolymerizaci chitinu a chitosanu používají organické kyselé roztoky. Metoda kyselé hydrolýzy se většinou používá, když molekulová hmotnost chitinu a chitosanu musí být homogenní. Tento konvenční proces hydrolýzy je známý jako pomalý a energeticky a nákladově náročný. Požadavek silných kyselin, vysokých teplot a tlaků jsou faktory, které mění proces hydrolytického chitosanu na velmi nákladný a časově náročný postup. Použité kyseliny vyžadují následné procesy, jako je neutralizace a odsolování.
Díky integraci vysoce výkonného ultrazvuku do procesu hydrolýzy lze výrazně snížit požadavky na teplotu a tlak pro hydrolytické štěpení chitinu a chitosanu. Kromě toho sonikace umožňuje nižší koncentrace kyselin nebo použití mírnějších kyselin. Díky tomu je tento proces udržitelnější, efektivnější, nákladově efektivnější a šetrnější k životnímu prostředí.

Ultrazvukem asistovaná chemická deacetylace

Chemického rozpadu a deakteylace chitinu a chitosanu se dosahuje hlavně ošetřením chitinu nebo chitosanu minerálními kyselinami (např. kyselinou chlorovodíkovou HCl), dusitanem sodným (NaNO)₂) nebo peroxid vodíku (H₂Ó₂). Ultrazvuk zlepšuje rychlost deacetylace, čímž zkracuje reakční dobu potřebnou k dosažení cíleného stupně deacetylace. To znamená, že sonikace snižuje požadovanou dobu zpracování 12-24 hodin na několik hodin. Kromě toho sonikace umožňuje výrazně nižší chemické koncentrace, například 40% (w / w) hydroxid sodný pomocí sonikace, zatímco 65% (w / w) jsou vyžadovány bez použití ultrazvuku.

Ultrazvuková enzymatická deacetylace

Zatímco enzymatická deacetylace je mírná, ekologicky příznivá forma zpracování, její účinnost a náklady jsou neekonomické. Vzhledem ke složité, pracné a nákladné následné izolaci a čištění enzymů z konečného produktu není enzymatická chitinová deacetylace implementována v komerční výrobě, ale používá se pouze ve vědecko-výzkumné laboratoři.
Ultrazvuková předúprava před enzymatickou deacetlytací fragmenty molekul chitinu, čímž se zvětšuje povrchová plocha a zpřístupňuje se enzymům více povrchu. Vysoce výkonná sonikace pomáhá zlepšit enzymatickou deacetylaci a činí proces ekonomičtějším.

Výsledky výzkumu pro ultrazvukové Chitin a Chitosan Deacetylation

Zhu et al. (2018) dospěli ve své studii k závěru, že ultrazvuková deacetylace se ukázala jako zásadní průlom, který přeměňuje β-chitin na chitosan s 83-94% deacetylací při snížených reakčních teplotách. Obrázek vlevo ukazuje SEM obraz ultrazvukem deacetylovaného chitosanu (90 W, 15 min, 20 w / v% NaOH, 1:15 (g: mlL) (obrázek a studie: © Zhu et al., 2018)
V jejich protokolu byl roztok NaOH (20 w/v %) připraven rozpuštěním NaOH vloček v DI vodě. Alkalický roztok byl poté přidán do sedimentu GLSP (0,5 g) v poměru pevných látek a kapalin 1:20 (g: ml) do odstředivkové trubice. Chitosan byl přidán do NaCl (40 ml, 0,2 M) a kyseliny octové (0,1 M) v poměru objemu roztoku 1:1. Suspenze byla poté podrobena ultrazvuku při mírné teplotě 25 ° C po dobu 60 minut pomocí ultrazvukového typu sondy (250W, 20kHz). (srov. Zhu et al., 2018)
Pandit et al. (2021) zjistili, že rychlost degradace roztoků chitosanu je zřídka ovlivněna koncentracemi kyseliny použité k rozpouštění polymeru a do značné míry závisí na teplotě, intenzitě ultrazvukových vln a iontové síle média použitého k rozpuštění polymeru. (srov. Pandit et al., 2021)

V jiné studii Zhu et al. (2019) použili prášky spór Ganoderma lucidum jako houbovou surovinu a zkoumali ultrazvukem asistovanou deacetylaci a účinky parametrů zpracování, jako je doba sonikace, poměr pevné látky k kapalině, koncentrace NaOH a ozařovací síla na stupeň deacetylace (DD) chitosanu. Nejvyšší hodnota DD byla získána při následujících ultrazvukových parametrech: 20 min sonikace při 80W, 10% (g: ml) NaOH, 1:25 (g: ml). Povrchová morfologie, chemické skupiny, tepelná stabilita a krystalinita ultrazvukem získaného chitosanu byly zkoumány pomocí SEM, FTIR, TG a XRD. Výzkumný tým hlásí významné zvýšení stupně deacetylace (DD), dynamické viskozity ([η]) a molekulové hmotnosti (Mv ̄) ultrazvukem vyráběného chitosanu. Výsledky podtrhl ultrazvukovou deacetylační techniku hub vysoce účinnou výrobní metodu pro chitosan, která je vhodná pro biomedicínské aplikace. (srov. Zhu et al., 2019)

SEM snímky chitinů a chitosanů ze dvou druhů hub: a) Chitin z L. vellereus; b) Chitin z P. ribis; c) Chitosan z L.vellereus; d) chitosan z P. ribis.
obrázek a studie: © Erdoğan et al., 2017

Vynikající kvalita Chitosan s ultrazvukovou deacetylací

Ultrazvukem řízené procesy extrakce a depolymerizace chitinu / chitosanu jsou přesně kontrolovatelné a ultrazvukové parametry procesu lze přizpůsobit surovinám a cílové kvalitě konečného produktu (např. Molekulová hmotnost, stupeň deacetylace). To umožňuje přizpůsobit ultrazvukový proces vnějším faktorům a nastavit optimální parametry pro vynikající výsledek a účinnost.
Ultrazvukem deacetylovaný chitosan vykazuje vynikající biologickou dostupnost a biokompatibilitu. Když jsou ultrazvukem připravené biopolymery chitosanu srovnávány s tepelně odvozeným chitosanem, pokud jde o biomedicínské vlastnosti, ultrazvukem vyráběný chitosan vykazuje významně zlepšenou životaschopnost fibroblastů (buňka L929) a zvýšenou antibakteriální aktivitu jak pro Escherichia coli (E. coli), tak pro Staphylococcus aureus (S. aureus).
(srov. Zhu et al., 2018)

Jak funguje ultrazvuková extrakce a deacetylace Chitinu?

Když jsou ultrazvukové vlny párem do kapaliny nebo kejdy (např. Suspenze skládající se z chitinu v rozpouštědle), ultrazvukové vlny procházejí kapalinou a způsobují střídavé vysokotlaké / nízkotlaké cykly. Během nízkotlakých cyklů se vytvářejí minutové vakuové bubliny (tzv. Kavitační bubliny), které rostou v průběhu několika tlakových cyklů. Při určité velikosti, kdy bubliny nemohou absorbovat více energie, prudce implodují během vysokotlakého cyklu. Imploze bublin je charakterizována intenzivními kavitačními (nebo sonomechanickými) silami. Tyto sonomechanické podmínky se vyskytují lokálně v kavitačním horkém místě a jsou charakterizovány velmi vysokými teplotami a tlaky až do 4000K a 1000atm; stejně jako odpovídající vysoké teplotní a tlakové rozdíly. Generují se furtehrmore, mikrotembulence a proudy kapaliny s rychlostí až 100 m/s. Ultrazvuková extrakce chitinu a chitosanu z hub a korýšů, stejně jako chitinová depolymerizace a deacetylace jsou způsobeny hlavně sonomechanickými účinky: míchání a turbulence narušují buňky a podporují přenos hmoty a mohou také řezat polymerní řetězce v kombinaci s kyselými nebo alkalickými rozpouštědly.
Pracovní princip extrakce chitinu pomocí ultrazvuku: Ultrazvuková extrakce účinně rozbíjí buněčnou strukturu hub a uvolňuje intracelulární sloučeniny z buněčné stěny a buněčného vnitřku (tj. Polysacharidy, jako je chitin a chitosan a další bioaktivní fytochemikálie) do rozpouštědla. Ultrazvuková extrakce je založena na pracovním principu akustické kavitace. Účinky ultrazvukové / akustické kavitace jsou vysoké smykové síly, turbulence a intenzivní tlakové rozdíly. Tyto sonomechanické síly rozbíjejí buněčné struktury, jako jsou buněčné stěny chitinových hub, podporují přenos hmoty mezi biomateriálem houby a rozpouštědlem a vedou k velmi vysokým výtěžkům extraktu v rychlém procesu. Navíc sonikace podporuje sterilizaci extraktů zabíjením bakterií a mikrobů. Mikrobiální inaktivace sonikací je výsledkem destruktivních kavitačních sil na buněčnou membránu, produkce volných radikálů a lokalizovaného ohřevu.
Pracovní princip depolymerizace a deacetylace pomocí ultrazvuku: Polymerní řetězce jsou zachyceny ve smykovém poli kolem bubliny a segmenty řetězu polymerní cívky v blízkosti kolabující dutiny se budou pohybovat vyšší rychlostí než ty vzdálenější. Napětí jsou pak produkována na polymerním řetězci v důsledku relativního pohybu polymerních segmentů a rozpouštědel a jsou dostatečná k tomu, aby způsobila štěpení. Proces je tedy podobný jiným smykovým účinkům v polymerních roztocích ~2° a poskytuje velmi podobné výsledky. (srov. Price et al., 1994)

Vysoce výkonná ultrazvuková zařízení pro zpracování houbového chitinu a chitosanu

Skenovací elektronové mikroskopie (SEM) ve zvětšení 100 x a Gladius, b) Ultrazvukový mikroskop, c) β-chitin, d) Ultrazvukový β-Chitin a e chitosan (zdroj: Preto et al. 2017)

Fragmentace chitinu a decetylace chitinu na chitosan vyžaduje výkonné a spolehlivé ultrazvukové zařízení, které může dodávat vysoké amplitudy, nabízí přesnou ovladatelnost nad procesními parametry a může být provozováno 24/7 při velkém zatížení a v náročných prostředích. Hielscher Ultrasonics' sortiment splňuje tyto požadavky spolehlivě. Kromě vynikajícího ultrazvukového výkonu se hielscher ultrasonicators mohou pochlubit vysokou energetickou účinností, což je významná ekonomická výhoda – zejména pokud jsou zaměstnáni v komerční velkovýrobě.
Hielscher ultrasonicators jsou vysoce výkonné systémy, které mohou být vybaveny příslušenstvím, jako jsou sonotrody, boostery, reaktory nebo průtokové buňky, aby odpovídaly vašim procesním potřebám optimálním způsobem. S digitálním barevným displejem, možností přednastavených sonikačních běhů, automatickým záznamem dat na integrované SD kartě, dálkovým ovládáním prohlížeče a mnoha dalšími funkcemi, nejvyšší kontrolou procesu a uživatelskou přívětivostí. Ve spojení s robustností a těžkou nosností jsou ultrazvukové systémy Hielscher vaším spolehlivým pracovním koněm ve výrobě. 
Fragmentace a deacetylace chitinu vyžaduje silný ultrazvuk k získání cílené konverze a konečného chitosanového produktu vysoké kvality. Zejména pro fragmentaci chitinových vloček a kroky depolymerizace / deacetylace jsou rozhodující vysoké amplitudy a zvýšené tlaky. Hielscher Ultrasonics' průmyslové ultrazvukové procesory snadno dodávají velmi vysoké amplitudy. Amplitudy až 200 μm mohou být nepřetržitě provozovány v provozu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici přizpůsobené ultrazvukové sonotrody. Výkonová kapacita ultrazvukových systémů Hielscher umožňuje efektivní a rychlou deacetylaci v bezpečném a uživatelsky přívětivém procesu.
Níže uvedená tabulka vám dává informaci o přibližné zpracovatelské kapacity našich ultrasonicators: