Chitin og Chitosan Produktion fra svampe

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

Svampeafledt Chitin og Chitosan 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 (høne-af-træet), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, kalkunhale) 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 svampecellevægsstrukturen, men driver også omdannelsen af chitin til værdifuld chitosan via ultralydassisteret depolymerisering og deacetylation.

Ultralyd Deacetylering af chitin til chitosan

Depolymerisering og deacetylation af chitin til chitosan fremmes ved sonikering

Anmodning om oplysninger




Bemærk vores Fortrolighedspolitik.


Ultralydsekstraktor UIP4000hdT til ekstraktion en deacetylering af chitin fra svampe

Ultralydbehandling bruges til at udvinde chitin fra svampe. Desuden fremmer ultralyd depolymerisering og deacetylering af chitin for at opnå chitosan af høj kvalitet.

This video demonstrates the highly efficient extraction of lion's mane mushrooms using the Hielscher UP200Ht ultrasonic homogenizer. Ultrasonic extraction is the perfect technique for producing high-quality, full-spectrum extracts containing polysaccharides such as beta glucans, as well as hericenones and erinacins.

Lion's Mane Mushroom Extraction Using the Ultrasonicator UP200Ht

Videominiaturebillede

 

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

Ultralydsprocedure for svampechitin til chitosankonvertering

Når intens ultralydbehandling anvendes til produktion af chitosan fra chitin, sonikeres en chitinsuspension med højintensitet, lavfrekvente ultralydbølger, typisk i området fra 20 kHz til 30 kHz. Processen genererer intens akustisk kavitation, som refererer til dannelse, vækst og sammenbrud 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 deacetylation.
 

Chitins og chitosans fra svampe kan effektivt ekstraheres ved hjælp af sonde-type ultralydbehandling.

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

 

Ultralyd depolymerisering af Chitin

Depolymeriseringen af chitin sker gennem de kombinerede virkninger af mekaniske kræfter, såsom mikrostreaming og væskestråle, såvel som ved ultralydinitierede kemiske reaktioner induceret af frie radikaler og andre reaktive arter dannet under kavitation. Højtryksbølgerne, der genereres under kavitation, får chitinkæderne til at gennemgå forskydningsspænding, hvilket resulterer i opdeling af polymeren i mindre fragmenter.

Ultralyd deacetylation af Chitin

Ud over depolymerisering fremmer intens ultralydbehandling også deacetylation af chitin. Deacetylation involverer fjernelse af acetylgrupper fra chitinmolekylet, hvilket fører til dannelsen af chitosan. Intens ultralydsenergi, især de høje temperaturer og tryk, der genereres under kavitation, fremskynder deacetylationsreaktionen. De reaktive tilstande skabt ved kavitation hjælper med at bryde acetylbindingerne i chitin, hvilket resulterer i frigivelse af eddikesyre og omdannelse af chitin til chitosan.
Samlet set forbedrer intens ultralydbehandling både depolymeriserings- og deacetylationsprocesserne 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 chitin, med mange anvendelser i forskellige industrier, herunder lægemidler, landbrug og biomedicinsk teknik.

Industriel Chitosan-produktion fra svampe med Power 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.

Ultralydsekstraktion og deacetylering af svampechitin giver chitosan af høj kvalitet.

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

Ultralyd chitin ekstraktion fra svampe med UP400ST sonde-type ultralydsapparat (400W, 24kHz)

ultralydator UP400St til svampeudvinding: Sonikering giver et højt udbytte af bioaktive forbindelser som polysaccharider chitin og chitosan

Forskningsresultater for Ultralyd Chitin og Chitosan Deacetylation

Sonokemisk deacetyleret chitin resulterer i chitosan af høj kvalitet.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-opløsning (20 w/v%) fremstillet ved at opløse NaOH-flager i DI-vand. Alkaliopløsningen blev derefter tilsat GLSP-sediment (0,5 g) i et fast-væske-forhold på 1:20 (g: ml) i et centrifugerør. Chitosan blev tilsat 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 ultralydator (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 lucidum sporepulver som svamperåmateriale og undersøgte ultralydassisteret deacetylation og virkningerne af behandlingsparametre såsom 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). Overflademorfologien, kemiske grupper, termisk stabilitet og krystallinitet af den ultralyd opnåede chitosan blev undersøgt under anvendelse af SEM, FTIR, TG og XRD. Forskerholdet rapporterer en signifikant forbedring af graden af deacetylation (DD), dynamisk viskositet ([η]) og molekylvægt (Mv ̄) af ultralydproduceret chitosan. Resultaterne understregede ultralyd deacetylation teknik af svampe en meget potent produktionsmetode for chitosan, som er egnet til biomedicinske anvendelser. (jf. Zhu et al., 2019)

Dette videoklip viser effektiv ekstraktion af bioaktive forbindelser fra medicinske svampe. Hielscher ultralyd homogenisator UP400St er meget udbredt til at producere høj kvalitet svampeekstrakter.

Ultralydsekstraktion af bioaktive forbindelser fra medicinske svampe

Videominiaturebillede

Overlegen Chitosan-kvalitet med ultralyddepolymerisering og 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)
 

Ultralyd deacetylering af chition til chitosan

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)

Højtydende ultralydsudstyr til Chitin og Chitosan behandling

4kW ultralydsapparat til industriel chitin / chitosan forarbejdning fra krebsdyr og svampeFragmenteringen af chitin og decetylering af chitin til chitosan kræver kraftigt og pålideligt ultralydsudstyr, der kan levere høje amplituder, giver præcis styrbarhed over procesparametrene og kan betjenes 24/7 under tung belastning og i krævende miljøer. Hielscher Ultrasonics produktsortiment opfylder disse krav pålideligt. Udover fremragende ultralyd ydeevne, Hielscher ultralydapparater prale 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. Med digital farvevisning, mulighed for forudindstillede sonikeringskørsler, automatisk dataoptagelse på et integreret SD-kort, fjernstyring af browseren og mange flere funktioner, sikrer Hielscher ultralydapparater højeste proceskontrol og brugervenlighed. Parret med robusthed og tung bæreevne er Hielscher ultralydssystemer din pålidelige arbejdshest i produktionen. 
Chitinfragmentering og deacetylation kræver kraftig ultralyd for at opnå den målrettede konvertering og et endeligt chitosanprodukt af høj kvalitet. Især for fragmenteringen af chitinflagerne og depolymeriserings- / deacetylationstrinnene er høje amplituder og forhøjede tryk afgørende. Hielscher Ultrasonics industrielle ultralydsprocessorer leverer nemt meget høje amplituder. Amplituder på op til 200 μm kan kontinuerligt køres i 24/7 drift. For endnu højere amplituder er tilpassede ultralydsonotroder tilgængelige. Hielscher ultralydssystemers effektkapacitet giver mulighed for effektiv og hurtig depolymerisering og deacetylation i en sikker og brugervenlig proces.
 

Anmodning om oplysninger




Bemærk vores Fortrolighedspolitik.


Industriel ultralydstankreaktor med højtydende ultralydsonde (sonotrode) til chitin-deacetylation

Ultralydreaktor med 2000W ultralydssonde UIP2000hdT til chitinekstraktion fra svampe og efterfølgende depolymerisering / deacetylation

Tabellen nedenfor giver dig en indikation af den omtrentlige forarbejdningskapacitet hos vores ultralydapparater:

Batch Volumen Strømningshastighed Anbefalede enheder
1 til 500 ml 10 til 200 ml / min UP100H
10 til 2000 ml 20 til 400 ml / min Uf200 ः t, UP400St
0.1 til 20L 0.2 til 4L / min UIP2000hdT
10 til 100 l 2 til 10 l / min UIP4000hdT
na 10 til 100 l / min UIP16000
na større klynge af UIP16000

Kontakt os! / Spørg Os!

Bed om mere information

Brug venligst nedenstående formular til at anmode om yderligere oplysninger om ultralydsprocessorer, programmer og pris. Vi vil være glade for at diskutere din proces med dig og tilbyde dig et ultralydssystem, der opfylder dine krav!









Bemærk venligst, at vores Fortrolighedspolitik.




Synergistisk Chitinbehandling forbedret ved ultralydbehandling

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

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 chitindeproteinisering, at “Anvendelse af ultralyd til fremstilling af biopolymerer reducerede proteinindholdet såvel som partikelstørrelsen af chitin. Chitosan med høj deacetylationsgrad og medium molekylvægt blev produceret gennem ultralydhjælp.”

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.

Ultralyd højforskydning homogenisatorer anvendes i lab, bench-top, pilot og industriel forarbejdning.

Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralydhomogenisatorer til blanding af applikationer, dispersion, emulgering og udvinding på laboratorium, pilot og industriel skala.

Litteratur / Referencer

 
 
 

Fakta Værd at vide

Hvordan virker ultralydsudvinding og deacetylation af chitin?

Når effekt ultralydbølger er par i en væske eller gylle (fx en suspension bestående af chitin i et opløsningsmiddel), ultralydbølgerne rejse gennem væsken forårsager vekslende højt tryk / lavtrykscyklusser. Under lavtrykscyklusser oprettes små vakuumbobler (såkaldte kavitationsbobler), som vokser over flere trykcyklusser. Ved en vis størrelse, når boblerne ikke kan absorbere mere energi, imploderer de voldsomt under en højtrykscyklus. Bobleimplosionen er kendetegnet ved intense kavitationelle (såkaldte sonomekaniske) kræfter. Disse sonomekaniske forhold forekommer lokalt i kavitationel hot-spot og er kendetegnet ved meget høje temperaturer og tryk på henholdsvis op til 4000K og 1000atm; samt tilsvarende høje temperatur- og trykforskelle. Furtehrmore, mikroturbulenser og væskestrømme med hastigheder på op til 100 m / s genereres. Ultralydsekstraktion af chitin og chitosan fra svampe og krebsdyr samt chitindepolymerisering og deacetylation skyldes hovedsageligt sonomekaniske virkninger: agitation og turbulenser forstyrrer celler og fremmer masseoverførsel og kan også skære polymerkæder i kombination med sure eller alkaliske opløsningsmidler.

Arbejdsprincip for Chitinekstraktion 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 fanges i det ultralydgenererede forskydningsfelt omkring en kavitationsboble, og kædesegmenterne af polymerspolen nær et kollapsende hulrum vil bevæge sig med en højere hastighed end dem længere væk. Der produceres derefter spændinger på polymerkæden på grund af den relative bevægelse af polymersegmenterne og opløsningsmidlerne, og disse er tilstrækkelige til at forårsage spaltning. Processen ligner således andre skæreeffekter i polymeropløsninger ~2° og giver meget lignende resultater. (jf. Price et al., 1994)

Chitin

Chitin er en N-acetylglucosaminpolymer (poly-(β-(1-4)-N-acetyl-D-glucosamin), er et naturligt forekommende polysaccharid, der i vid udstrækning findes i exoskelettet hos hvirvelløse dyr som krebsdyr og insekter, det indre skelet af blæksprutter og blæksprutter samt svampens cellevægge. Indlejret i strukturen af svampecellevægge er chitin ansvarlig for formen og stivheden af svampecellevæggen. Til mange applikationer omdannes chitin til dets 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 signifikant mindre effektiv på grund af de høje omkostninger ved deacetylaseenzymerne og de opnåede lave chitosanudbytter. Ultralydbehandling bruges til at intensivere den kemiske nedbrydning af (1→4)-/β-bindingen (depolymerisering) og effekt deacetylation af chitin for at opnå høj kvalitet chitosan.
Når sonikering anvendes som forbehandling for enzymatisk deacetylation, chitosan udbytte og kvalitet er forbedret, også.


Højtydende ultralyd! Hielschers produktsortiment dækker hele spektret fra den kompakte lab ultralydsprocessor over bench-top enheder til fuldindustrielle ultralydssystemer.

Hielscher Ultrasonics fremstiller højtydende ultralyd homogenisatorer fra Lab til industriel størrelse.


Vi vil være glade for at diskutere din proces.

Lad os komme i kontakt.