Chitin og Chitosan Produktion fra svampe

Ultralydbehandling er en yderst effektiv metode til frigivelse af chitin og chitosan fra svampekilder såsom svampe. Chitin og chitosan skal depolymeriseres og deacetyleres i downstream-forarbejdning for at opnå en biopolymer af høj kvalitet. Ultralydassisteret depolymerisering og deacetylering er en yderst effektiv, enkel og hurtig teknik, som resulterer i chitosiner af høj kvalitet med høj molekylvægt og overlegen biotilgængelighed.

Svampe-afledt kitin og kitosan via ultralydbehandling

Spiselige og medicinske svampe såsom Lentinus edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi eller reishi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (knapsvampe), Hericium erinaceus (løvemanke), Cordyceps sinensis (larvesvamp), Grifola frondosa (træhøne), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, kalkunhale) og mange andre svampearter bruges i vid udstrækning som mad og til udvinding af bioaktive forbindelser. Disse svampe samt forarbejdningsrester (svampeaffald) kan bruges til at producere chitosan. Ultralydbehandling fremmer ikke kun frigivelsen af chitin fra svampecellevægsstrukturen, men driver også omdannelsen af chitin til værdifuld chitosan via ultralydassisteret depolymerisation og deacetylering.

 

Intens ultralydbehandling ved hjælp af et sonde-type ultralydssystem er en teknik, der bruges til at fremme depolymerisation og deacetylering af kitin, hvilket fører til dannelsen af chitosan. Chitin er et naturligt forekommende polysaccharid, der findes i exoskeletter af krebsdyr, insekter og cellevæggene hos visse svampe. Chitosan er afledt af chitin ved at fjerne acetylgrupperne fra chitinmolekylet.

Ultralydsprocedure for konvertering af svampechitin til chitosan

Når intens ultralydbehandling anvendes til produktion af chitosan fra kitin, sonikeres en chitinsuspension med højintensive, lavfrekvente ultralydsbølger, typisk i området 20 kHz til 30 kHz. Processen genererer intens akustisk kavitation, som refererer til dannelse, vækst og kollaps af mikroskopiske vakuumbobler i væsken. Kavitation genererer lokaliserede ekstremt høje forskydningskræfter, høje temperaturer (op til flere tusinde grader Celsius) og tryk (op til flere hundrede atmosfærer) i væsken omkring kavitationsboblerne. Disse ekstreme forhold bidrager til nedbrydningen af chitinpolymeren og den efterfølgende deacetylering.
 

 

Ultralyd depolymerisering af chitin

Depolymerisationen af chitin sker gennem de kombinerede virkninger af mekaniske kræfter, såsom mikrostreaming og væskestråle, såvel som ved ultralydsinitierede kemiske reaktioner induceret af frie radikaler og andre reaktive arter dannet under kavitation. De højtryksbølger, der genereres under kavitation, får kitinkæderne til at gennemgå forskydningsspænding, hvilket resulterer i en skærning af polymeren i mindre fragmenter.

Ultralyd deacetylering af kitin

Ud over depolymerisering fremmer intens ultralydbehandling også deacetylering af chitin. Deacetylering involverer fjernelse af acetylgrupper fra chitinmolekylet, hvilket fører til dannelse af chitosan. Intens ultralydsenergi, især de høje temperaturer og tryk, der genereres under kavitation, fremskynder deacetyleringsreaktionen. De reaktive betingelser, der skabes af kavitation, hjælper med at bryde acetylbindingerne i kitin, hvilket resulterer i frigivelse af eddikesyre og omdannelse af chitin til chitosan.
Samlet set forbedrer intens ultralydbehandling både depolymerisations- og deacetyleringsprocesserne ved at tilvejebringe den nødvendige mekaniske og kemiske energi til at nedbryde chitinpolymeren og lette omdannelsen til chitosan. Denne teknik tilbyder en hurtig og effektiv metode til produktion af chitosan fra kitin med adskillige anvendelser i forskellige industrier, herunder lægemidler, landbrug og biomedicinsk teknik.

Industriel chitosanproduktion fra svamp med Power Ultrasound

Kommerciel chitin- og chitosanproduktion er hovedsagelig baseret på affald fra de marine industrier (dvs. fiskeri, skaldyrsfangst osv.). Forskellige råvarekilder resulterer i forskellige chitin- og chitosankvaliteter, hvilket skyldes produktions- og kvalitetsudsving på grund af sæsonbestemte fiskerivariationer. Desuden tilbyder chitosan afledt af svampekilder angiveligt overlegne egenskaber som homogen polymerlængde og større opløselighed sammenlignet med chitosan fra marine kilder. (jf. Ghormade et al., 2017) For at levere ensartet kitosan er udvinding af kitin fra svampearter blevet en stabil alternativ produktion. Chitin- og citiosanproduktion fra svampe kan nemt og pålideligt opnås ved hjælp af ultralydsekstraktion og deacetyleringsteknologi. Intens sonikering forstyrrer cellestrukturer for at frigive chitin og fremmer masseoverførsel i vandige opløsningsmidler for overlegne chitinudbytter og ekstraktionseffektivitet. Efterfølgende ultralydsdeacetylering omdanner kitinet til det værdifulde chitosan. Både ultralyd chitinekstraktion og deacetylering til chitosan kan skaleres lineært til ethvert kommercielt produktionsniveau.

Forskningsresultater for ultralyd chitin og chitosan deacetylering

Zhu et al. (2018) konkluderer i deres undersøgelse, at ultralydsdeacetylering har vist sig at være et afgørende gennembrud, der omdanner β-chitin til chitosan med 83-94% deacetylering ved reducerede reaktionstemperaturer. Billedet til venstre viser et SEM-billede af ultralydsdeacetyleret 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-opløsning (20 w/v %) fremstillet ved at opløse NaOH-flager i DI-vand. Alkaliopløsningen blev derefter tilsat GLSP-sediment (0,5 g) i et faststof-væske-forhold på 1:20 (g: ml) i et centrifugerør. Chitosan blev tilsat NaCl (40 ml, 0,2 M) og eddikesyre (0,1 M) i et opløsningsvolumenforhold på 1:1. Suspensionen blev derefter udsat for ultralyd ved en mild temperatur på 25 ° C i 60 minutter ved hjælp af en sonde-type ultralydsapparat (250W, 20kHz). (jf. Zhu et al., 2018)
 
Pandit et al. (2021) fandt, at nedbrydningshastigheden for chitosanopløsninger sjældent påvirkes af koncentrationerne af syre, der bruges til at opløse polymeren og i høj grad afhænger af temperaturen, intensiteten af ultralydsbølger og ionstyrken af det medie, der bruges til at opløse polymeren. (jf. Pandit et al., 2021)
 
I en anden undersøgelse, Zhu et al. (2019) brugte Ganoderma lucidum-sporepulvere som svamperåmateriale og undersøgte ultralydassisteret deacetylering og virkningerne af behandlingsparametre såsom sonikeringstid, faststof-til-væske-forhold, NaOH-koncentration og bestrålingseffekt på graden af deacetylering (DD) af chitosan. Den højeste DD-værdi blev opnået ved følgende ultralydsparametre: 20 minutters sonikering ved 80W, 10% (g: ml) NaOH, 1: 25 (g: ml). Overflademorfologien, kemiske grupper, termisk stabilitet og krystallinitet af den ultralydsopnåede chitosan blev undersøgt ved hjælp af SEM, FTIR, TG og XRD. Forskerholdet rapporterer en signifikant forbedring af graden af deacetylering (DD), dynamisk viskositet ([η]) og molekylvægt (Mv ̄) af den ultralydsproducerede chitosan. Resultaterne understregede ultralydsdeacetyleringsteknikken af svampe, en meget potent produktionsmetode til chitosan, som er velegnet til biomedicinske applikationer. (jf. Zhu et al., 2019)

Overlegen chitosankvalitet med ultralydsdepolymerisering og deacetylering

Ultralydsdrevne processer med chitin / chitosanekstraktion og depolymerisering er præcist kontrollerbare, og ultralydsprocesparametre kan justeres til råmaterialerne og den målrettede slutproduktkvalitet (f.eks. Molekylvægt, grad af deacetylering). Dette gør det muligt at tilpasse ultralydsprocessen til eksterne faktorer og indstille optimale parametre for overlegent resultat og effektivitet.
Ultrasonisk deacetyleret chitosan viser fremragende biotilgængelighed og biokompatibilitet. Når ultralydsfremstillede chitosanbiopolymerer sammenlignes med termisk afledt chitosan med hensyn til biomedicinske egenskaber, udviser den ultralydsproducerede 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)
 

Højtydende ultralydsudstyr til chitin- og chitosanbehandling

Fragmenteringen af chitin og decetyleringen af chitin til chitosan kræver kraftfuldt og pålideligt ultralydsudstyr, der kan levere høje amplituder, giver 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 til kommerciel storskalaproduktion.
Hielscher ultralydsapparater er højtydende systemer, der kan udstyres med tilbehør såsom sonotroder, boostere, reaktorer eller flowceller for at matche dine procesbehov på en optimal måde. Med digitalt farvedisplay, muligheden for forudindstillede sonikeringskørsler, automatisk dataoptagelse på et integreret SD-kort, fjernstyring af browser og mange flere funktioner, Hielscher ultralydapparater sikrer højeste proceskontrol og brugervenlighed. Parret med robusthed og tung bæreevne er Hielscher ultralydssystemer din pålidelige arbejdshest i produktionen. 
Chitinfragmentering og deacetylering kræver kraftig ultralyd for at opnå den målrettede konvertering og et endeligt chitosanprodukt af høj kvalitet. Især for fragmenteringen af chitinflagerne og depolymerisations- / deacetyleringstrinene er høje amplituder og forhøjede tryk afgørende. Hielscher Ultrasonics industrielle ultralydsprocessorer leverer let meget høje amplituder. Amplituder på op til 200 μm kan køres kontinuerligt i 24/7 drift. For endnu højere amplituder er tilpassede ultralydssonotroder tilgængelige. Effektkapaciteten i Hielscher ultralydssystemer giver mulighed for effektiv og hurtig depolymerisering og deacetylering i en sikker og brugervenlig proces.
 

Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater:

---

---

Synergistisk kitinbehandling forbedret ved ultralydbehandling

For at overvinde ulemperne (dvs. lav effektivitet, høje energiomkostninger, lang behandlingstid, giftige opløsningsmidler) ved traditionel kemisk og enzymatisk chitin-deacetlytion, er ultralyd med høj intensitet blevet integreret i chitin- og chitosanbehandling. Højintensitet sonikering og de deraf følgende virkninger af akustisk kavitation fører til en hurtig slicsion af polymerkæder og reducerer polydispersiteten og derved fremmer syntesen af chitosan. Desuden intensiverer ultralydsforskydningskræfter masseoverførsel i opløsningen, så kemisk, hydrolytisk eller enzymatisk reaktion forbedres. Ultralyd kitinbehandling kan kombineres med allerede eksisterende kitinbehandlingsteknikker såsom kemiske metoder, hydrolyse eller enzymatiske procedurer.

Ultralydassisteret kemisk deacetylering og depolymerisering

Da chitin er en ikke-reaktiv og uopløselig biopolymer, skal den gennemgå procestrinene med demineralisering, deproteinisering og depolymerisering / deacetylering for at opnå opløselig og biotilgængelig chitosan. Disse procestrin involverer behandlinger med stærke syrer såsom 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 chitosanudbyttet og kvaliteten, reducerer processen fra dage til et par timer, giver mulighed for mildere opløsningsmidler og gør hele processen mere energieffektiv.

Ultralyd forbedret deproteinisering af kitin

Vallejo-Dominguez et al. (2021) fandt i deres undersøgelse af chitin-deproteinisering, at “Anvendelse af ultralyd til fremstilling af biopolymerer reducerede proteinindholdet såvel som partikelstørrelsen af kitin. Chitosan med høj deacetyleringsgrad og medium molekylvægt blev produceret gennem ultralydshjælp.”

Ultralydshydrolyse til chitindepolymerisering

Til kemisk hydrolyse bruges enten syrer eller baser til at deacetylere chitin, men alkalideacetylering (f.eks. natriumhydroxid NaOH) er mere udbredt. Syrehydrolyse er en alternativ metode til den traditionelle kemiske deacetylering, hvor organiske syreopløsninger bruges til at depolymerisere chitin og chitosan. Metoden til syrehydrolyse bruges mest, når molekylvægten af chitin og chitosan skal være homogen. Denne konventionelle hydrolyseproces er kendt som langsom og energi- og omkostningskrævende. Kravet om stærke syrer, høje temperaturer og tryk er faktorer, der gør den hydrolytiske chitosanproces til en meget dyr og tidskrævende procedure. De anvendte syrer kræver downstream-processer såsom neutralisering og afsaltning.
Med integrationen af ultralyd med høj effekt i hydrolyseprocessen kan temperatur- og trykkravene til den hydrolytiske spaltning af chitin og chitosan sænkes betydeligt. Desuden giver sonikering mulighed for lavere syrekoncentrationer eller anvendelse af mildere syrer. Dette gør processen mere bæredygtig, effektiv, omkostningseffektiv og mere miljøvenlig.

Ultralydassisteret kemisk deacetylering

Kemisk opløsning og deacteylering af chitin og chitosan opnås hovedsageligt ved at behandle chitin eller chitosan med mineralsyrer (f.eks. saltsyre HCl), natriumnitrit (NaNO₂) eller hydrogenperoxid (H₂O₂). Ultralyd forbedrer deacetyleringshastigheden og forkorter derved den reaktionstid, der kræves for at opnå den ønskede grad af deacetylering. Dette 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) kræves uden brug af ultralyd.

Ultralyd-enzymatisk deacetylering

Mens enzymatisk deacetylering er en mild, miljøvenlig forarbejdningsform, er dens effektivitet og omkostninger uøkonomiske. På grund af kompleks, arbejdskrævende og dyr downstream-isolering og oprensning af enzymer fra slutproduktet implementeres enzymatisk chitindeacetylering ikke i kommerciel produktion, men bruges kun i videnskabelige forskningslaboratorier.
Ultralydsforbehandling før enzymatisk deacetlytation fragmenterer chitinmolekyler og forstørrer derved overfladearealet og gør mere overflade tilgængelig for enzymerne. Højtydende sonikering hjælper med at forbedre enzymatisk deacetylering og gør processen mere økonomisk.