Chitin og Chitosan Produktion fra svampe

Ultralydbehandling er en meget effektiv metode til at frigive chitin og chitosan fra svampekilder som svampe. Chitin og chitosan skal deacetyleres i down-stream-behandling for at opnå en biopolymer af høj kvalitet. Ultralydassisteret deacetylation er en meget effektiv, enkel og hurtig teknik, hvilket resulterer i chitosaner af høj kvalitet med høj molekylvægt og overlegen biotilgængelighed.

Chitin og Chitosan fra svampe

Spiselige og medicinske svampe som Lentinus edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi eller reishi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (knapsvampe), Hericium erinaceus (løvemanke), Cordyceps sinensis (larvesvamp), Grifola frondosa (høne-of-the-træ), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, turkeytail) og mange andre svampearter anvendes i vid udstrækning som mad og til udvinding af bioaktive forbindelser. Disse svampe samt forarbejdning af rester (svampeaffald) kan bruges til at producere chitosan. Ultralydbehandling fremmer ikke kun frigivelsen af chitin fra svampecellevæggens struktur, men driver også omdannelsen af chition til værdifuld chitosan via ultralyddepolymerisering.

Deacetylering af chitin til chitosan fremmes ved sonikering

Chitin, som er en N-acetylglucosamin polymer (poly-(β-(1-4)-N-acetyl-D-glucosamin), er en naturligt forekommende polysaccharid, der findes bredt i exoskelet af hvirvelløse dyr som krebsdyr og insekter, det indre skelet af blæksprutter og blæksprutter samt svampenes cellevægge. Indlejret i strukturen af champignon celle vægge, chitin er ansvarlig for form og stivhed af svampecellevæggen. For mange applikationer omdannes chitin til sit deacetylerede derivat, kendt som chitosan via en depolymeriseringsproces.
Chitosan er den mest almindelige og mest værdifulde afledt af chitin. Det er en høj molekylvægt polysaccharid forbundet med b-1,4 glycoside, sammensat af N-acetyl-glucosamin og glucosamin.
Chitosan kan udledes gennem kemiske eller enzymatiske N- Deacetylation. I den kemisk drevne deacetylationsproces er acetylgruppen (R-NHCOCH₃) spaltes af stærk alkali ved høje temperaturer. Alternativt kan chitosan syntetiseres via enzymatisk deacetylation. På industriel produktionsskala er kemisk deacetylation imidlertid den foretrukne teknik, da enzymatisk deacetylation er betydeligt mindre effektiv på grund af de høje omkostninger ved deacetylase enzymer og de lave chitosanudbytte, der opnås. Ultralydbehandling bruges til at intensivere den kemiske nedbrydning af (1→4)-/β-linkage (depolymerisering) og effekt deacetylation af chitin for at opnå chitosan af høj kvalitet. Når sonikering anvendes som forbehandling for enzymatisk deacetylation, chitosan udbytte og kvalitet er forbedret, også.

Industriel Chitosan Produktion fra champignon med ultralyd

Kommerciel chitin- og chitosanproduktion er hovedsagelig baseret på affald fra havindustrien (dvs. fiskeri, høst af skalfisk osv.). Forskellige råvarekilder resulterer i forskellige chitin- og chitosankvaliteter, hvilket resulterer i produktions- og kvalitetsudsving på grund af sæsonbestemte fiskerivariationer. Desuden tilbyder chitosan afledt af svampekilder efter sigende overlegne egenskaber som homogen polymerlængde og større opløselighed sammenlignet med chitosan fra marine kilder. (jf. Ghormade et al., 2017) For at levere ensartet chitosan er udvindingen af chitin fra svampearter blevet en stabil alternativ produktion. Chitin og citiosan produktion fra svampe kan nemt og pålideligt opnås ved hjælp af ultralydsudvinding og deacetylationsteknologi. Intens sonikering forstyrrer cellestrukturer til at frigive chitin og fremmer masseoverførsel i vandige opløsningsmidler for overlegen chitin udbytter og ekstraktion effektivitet. Efterfølgende ultralyd deacetylation konverterer chitin til den værdifulde chitosan. Begge, ultralyd chitin ekstraktion og deacetylation til chitosan kan lineært skaleres til ethvert kommercielt produktionsniveau.

Sonikering intensiverer produktionen af svampe chitosan og gør produktionen mere effektiv og økonomisk.
(billede og undersøgelse: © Zhu et al., 2019)

Meget effektiv Chitosan Syntese via Sonikering

For at overvinde ulemperne (dvs. lav effektivitet, høje energiomkostninger, lang behandlingstid, giftige opløsningsmidler) af traditionelle kemiske og enzymatiske chitin deacetlytion er højintensiv ultralyd blevet integreret i chitin og chitosanbehandling. Høj intensitet sonikering og de deraf følgende virkninger af akustisk kavitation føre til en hurtig scission af polymer kæder og reducere polydispersitet, og dermed fremme syntesen af chitosan. Desuden intensiverer ultralydsforskydningskræfter masseoverførsel i opløsningen, så kemisk, hydrolytisk eller enzymatisk reaktion forbedres.

Ultralydsassisteret kemisk deacetylation og depolymerisering

Da chitin er en ikke-reaktiv og uopløselig biopolymer, skal den gennemgå procestrinene med demineralisering, deproteinisering og depolymerisering / deacetylation for at opnå opløselig og bioacessible chitosan. Disse procestrin involverer behandlinger med stærke syrer som HCl og stærke baser som NaOH og KOH. Da disse konventionelle procestrin er ineffektive, langsomme og kræver høje energier, forbedrer procesintensivering ved sonikering chitosanproduktionen betydeligt. Anvendelsen af power-ultralyd øger chitosan udbytter og kvalitet, reducerer processen fra dage til et par timer, giver mulighed for mildere opløsningsmidler, og gør hele processen mere energieffektiv.

Ultralyd forbedret deproteinering af Chitin

Vallejo-Dominguez et al. (2021) fandt i deres undersøgelse af chitin deproteinisering, at "anvendelsen af ultralyd til produktion af biopolymers reducerede proteinindholdet samt partikelstørrelsen af chitin. Chitosan af høj deacetylation grad og medium molekylvægt blev produceret gennem ultralyd bistand.

Ultralyd hydrolyse til Chitin Depolymerization

Til kemisk hydrolyse anvendes enten syrer eller alkalier til at afskrive chitin, men alkalidestruks (f.eks. natriumhydroxid NaOH) anvendes mere bredt. Syrehydralyse er en alternativ metode til den traditionelle kemiske deacetylation, hvor organiske syreopløsninger bruges til at afpolymerisere chitin og chitosan. Metoden til syrehydralyse anvendes for det meste, når molekylvægten af chitin og chitosan skal være homogen. Denne konventionelle hydrolyse proces er kendt som langsom og energi-og omkostningskrævende. Kravet om stærke syrer, høje temperaturer og tryk er faktorer, der gør den hydrolytiske chitosan proces til en meget dyr og tidskrævende procedure. De anvendte syrer kræver downstream-processer såsom neutralisering og afsaltning.
Med integrationen af høj effekt ultralyd i hydrolyseprocessen kan temperatur- og trykkravene til den hydrolytiske kavalergang af chitin og chitosan sænkes betydeligt. Desuden giver sonikering mulighed for lavere syrekoncentrationer eller brug af mildere syrer. Dette gør processen mere bæredygtig, effektiv, omkostningseffektiv og miljøvenlig.

Ultralyd assisteret kemisk deacetylation

Kemisk opløsning og deacteylation af chitin og chitosan opnås hovedsageligt ved behandling af chitin eller chitosan med mineralsyrer (f.eks. saltsyre HCl), natriumnitrit (NaNO₂), eller brintoverilte (H₂den₂). Ultralyd forbedrer deacetylationshastigheden og forkorter derved den reaktionstid, der kræves for at opnå den målrettede grad af deacetylation. Det betyder, at sonikering reducerer den krævede behandlingstid på 12-24 timer til et par timer. Desuden giver sonikering mulighed for betydeligt lavere kemiske koncentrationer, for eksempel 40% (w / w) natriumhydroxid ved hjælp af sonikering, mens 65% (w / w) er påkrævet uden brug af ultralyd.

Ultralyd-enzymatisk deacetylation

Mens enzymatisk deacetylation er en mild, miljøvenlig behandlingsform, er dens effektivitet og omkostninger uøkonomiske. På grund af kompleks, arbejdsintensiv og dyr downstream-isolering og rensning af enzymer fra slutproduktet implementeres enzymatisk chitin deacetylation ikke i kommerciel produktion, men anvendes kun i videnskabeligt forskningslaboratorium.
Ultralyd forbehandling før enzymatisk deacetlytation fragmenter chitin molekyler derved udvide overfladearealet og gøre mere overflade til rådighed for enzymerne. Højtydende sonikering hjælper med at forbedre enzymatisk deacetylation og gør processen mere økonomisk.

Forskningsresultater for Ultralyd Chitin og Chitosan Deacetylation

Zhu et al. (2018) konkluderer i deres undersøgelse, at ultralydsdeacetylation har vist sig at være et afgørende gennembrud, der omdanner β-chitin til chitosan med 83-94% deacetylation ved reducerede reaktionstemperaturer. Billedet til venstre viser et SEM-billede af ultralyd deacetyleret chitosan (90 W, 15 min, 20 w/v% NaOH, 1:15 (g: mL) (billede og undersøgelse: © Zhu et al., 2018)
I deres protokol blev NaOH-opløsningen (20 w/v %) udarbejdet ved at opløse NaOH-flager i DI-vand. Alkaliopløsningen blev derefter tilsat GLSP-sediment (0,5 g) ved et fast væskeforhold på 1:20 (g: mL) i et centrifugerør. Chitosan blev tilsat til NaCl (40 ml, 0,2 M) og eddikesyre (0,1 M) ved et 1:1 opløsningsvolumenforhold. Suspensionen blev derefter udsat for ultralyd ved en mild temperatur på 25 ° C i 60 minutter ved hjælp af en sonde-type ultralydsprocessor (250W, 20kHz). (jf. Zhu et al., 2018)
Pandit et al. (2021) fandt, at nedbrydningshastigheden for chitosanopløsninger sjældent påvirkes af koncentrationerne af syre, der anvendes til at opløse polymeren og i høj grad afhænger af temperaturen, intensiteten af ultralydbølger og ionsyre af de medier, der bruges til at opløse polymeren. (jf. Pandit et al., 2021)

I en anden undersøgelse brugte Zhu et al. (2019) Ganoderma lucidumsporepulver som svamperåmateriale og undersøgte ultralydassisteret deacetylation og virkningerne af behandlingsparametre som sonikeringstid, fast-til-væske-forhold, NaOH-koncentration og bestrålingskraft på graden af deacetylation (DD) af chitosan. Den højeste DD-værdi blev opnået ved følgende ultralydsparametre: 20 min sonikering ved 80W, 10% (g:ml) NaOH, 1:25 (g:ml). Overfladen morfologi, kemiske grupper, termisk stabilitet, og krystallinkitet af ultralyd opnået chitosan blev undersøgt ved hjælp af SEM, FTIR, TG, og XRD. Forskerholdet rapporterer en betydelig forbedring af graden af deacetylation (DD), dynamisk viskositet ([η]) og molekylvægt (Mv ̄) af ultralydproduceret chitosan. Resultaterne understregede ultralydsdeacetylationsteknikken af svampe en meget potent produktionsmetode til chitosan, som er egnet til biomedicinske applikationer. (jf. Zhu et al., 2019)

SEM billeder af chitins og chitosans fra to svampearter: a) Chitin fra L. vellereus; b) Chitin fra P. ribis; c) Chitosan fra L.vellereus; d) chitosan fra P. ribis.
billede og undersøgelse: © Erdoğan et al., 2017

Overlegen Chitosan kvalitet med ultralyd deacetylation

Ultralydsdrevne processer af chitin / chitosan ekstraktion og depolymerisering er præcist kontrollerbare, og ultralydsprocesparametre kan justeres til råmaterialerne og den målrettede slutproduktkvalitet (f.eks. molekylvægt, grad af deacetylation). Dette gør det muligt at tilpasse ultralydsprocessen til eksterne faktorer og indstille optimale parametre for overlegent resultat og effektivitet.
Ultralyd deacetyleret chitosan viser fremragende biotilgængelighed og biokompatibilitet. Når ultralyd tilberedte chitosan biopolymers sammenlignes med termisk afledt chitosan med hensyn til biomedicinske egenskaber, udviser de ultralydproducerede chitosan signifikant forbedret fibroblast (L929 celle) levedygtighed og forbedret antibakteriel aktivitet for både Escherichia coli (E. coli) og Staphylococcus aureus (S. aureus).
(jf. Zhu et al., 2018)

Hvordan virker ultralydsudvinding og deacetylation af chitin?

Når effekt ultralydbølger er par i en væske eller gylle (f.eks. en suspension bestående af chitin i et opløsningsmiddel), bevæger ultralydbølgerne sig gennem væsken, hvilket forårsager vekslende højtryks- / lavtrykscyklusser. Under lavtrykscyklusser skabes små vakuumbobler (såkaldte kavitationsbobler), som vokser over flere trykcyklusser. På en vis størrelse, når boblerne ikke kan absorbere mere energi, imploderer de voldsomt under en højtrykscyklus. Boble implosionen er karakteriseret ved intense kavitationelle (eller sonomekaniske) kræfter. Disse sonomekaniske forhold forekommer lokalt i kavitational hot-spot og er kendetegnet ved meget høje temperaturer og tryk på op til henholdsvis 4000K og 1000atm; samt tilsvarende høje temperatur- og trykforskelle. Furtehrmore, mikroturbulenser og flydende strømme med hastigheder på op til 100 m/ s genereres. Ultralydsekstraktion af chitin og chitosan fra svampe og krebsdyr samt chitindepolymerisering og deacetylation er hovedsageligt forårsaget af sonomekaniske virkninger: agitation og turbulenser forstyrrer celler og fremmer masseoverførsel og kan også skære polymerkæder i kombination med sure eller alkaliske opløsningsmidler.
Arbejdsprincip for chitinudvinding via ultralydbehandling: Ultralydsudvinding bryder effektivt svampenes cellestruktur og frigiver de intracellulære forbindelser fra cellevæggen og celleinteriøret (dvs. polysaccharider som chitin og chitosan og andre bioaktive fytokemikalier) i opløsningsmidlet. Ultralydsudvinding er baseret på arbejdsprincippet for akustisk kavitation. Virkningerne af ultralyd / akustisk kavitation er højforskydningskræfter, turbulenser og intense trykforskelle. Disse sonomekaniske kræfter bryde cellulære strukturer såsom chitinous champignon celle vægge, fremme masseoverførsel mellem svamp biomateriale og opløsningsmiddel og resultere i meget høje ekstrakt udbytter inden for en hurtig proces. Derudover fremmer sonikering sterilisering af ekstrakter ved at dræbe bakterier og mikrober. Mikrobiel inaktivering ved sonikering er et resultat af de destruktive kavitationskræfter til cellemembranen, produktionen af frie radikaler og lokaliseret opvarmning.
Arbejdsprincip for depolymerisering og deacetylation via ultralydbehandling: Polymerkæderne er fanget i forskydningsfeltet omkring en boble, og kædesegmenterne af polymerspolen nær et kollapsende hulrum vil bevæge sig med en højere hastighed end dem længere væk. Der produceres derefter belastninger på polymerkæden på grund af polymersegmenternes og opløsningsmidlernes relative bevægelse, og disse er tilstrækkelige til at forårsage kavalergang. Processen ligner således andre klipning effekter i polymer løsninger ~ 2 ° og giver meget lignende resultater. (jf. Price et al., 1994)

Højtydende ultralydsudstyr til svampe chitin og chitosan-behandling

Scanning Electron mikroskopi (SEM) billeder i en forstørrelse på 100 × af a) gladius, b) ultralyd-behandlede gladius, c) β-chitin, d) ultralyd-behandlet β-chitin, og e) chitosan (kilde: Preto et al. 2017)

Fragmenteringen af chitin og bedrag af chitin til chitosan kræver kraftfuldt og pålideligt ultralydsudstyr, der kan levere høje amplituder, tilbyder præcis kontrollerbarhed over procesparametrene og kan betjenes 24/7 under tung belastning og i krævende miljøer. Hielscher Ultrasonics' produktsortiment opfylder disse krav pålideligt. Udover fremragende ultralydsydelse kan Hielscher ultralydapparater prale af høj energieffektivitet, hvilket er en betydelig økonomisk fordel – især når de anvendes på kommerciel storproduktion.
Hielscher ultralydapparater er højtydende systemer, der kan udstyres med tilbehør som sonotroder, boostere, reaktorer eller flowceller for at matche dine procesbehov på en optimal måde. Parret med robusthed og tung bæreevne er Hielscher ultralydssystemer din pålidelige arbejdshest i produktionen. 
Chitin fragmentering og deacetylation kræver kraftig ultralyd for at opnå den målrettede konvertering og et endeligt chitosan produkt af høj kvalitet. Især for fragmenteringen af chitinflagerne og depolymeriserings- / deacetylationstrinene er høje amplituder og forhøjede tryk afgørende. Hielscher Ultrasonics industrielle ultralydsprocessorer leverer nemt meget høje amplituder. Amplituder på op til 200μm kan kontinuerligt køres i 24/7 drift. For endnu højere amplituder er tilpassede ultralydsrikkeroder tilgængelige. Hielscher ultralydssystemers effektkapacitet giver mulighed for effektiv og hurtig deacetylation i en sikker og brugervenlig proces.
Tabellen nedenfor giver dig en indikation af den omtrentlige forarbejdningskapacitet hos vores ultralydapparater: