Παραγωγή χιτίνης και χιτοζάνης από μανιτάρια
Υπερήχους είναι μια εξαιρετικά αποτελεσματική μέθοδος για την απελευθέρωση χιτίνης και χιτοζάνης από μυκητιακές πηγές όπως τα μανιτάρια. Η χιτίνη και η χιτοζάνη πρέπει να αποπολυμεριστούν και να αποακετυλιωθούν σε κατάντη επεξεργασία προκειμένου να ληφθεί ένα υψηλής ποιότητας βιοπολυμερές. Υπερήχων υποβοηθούμενος αποπολυμερισμός και αποακετυλίωση είναι μια εξαιρετικά αποτελεσματική, απλή και ταχεία τεχνική, η οποία οδηγεί σε υψηλής ποιότητας χιτοζάνες με υψηλό μοριακό βάρος και ανώτερη βιοδιαθεσιμότητα.
Μανιτάρι που προέρχονται χιτίνη και χιτοζάνη μέσω υπερήχων
Βρώσιμα και φαρμακευτικά μανιτάρια όπως Lentinus edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi ή reishi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (μανιτάρια-κουμπιά), Hericium erinaceus (χαίτη λιονταριών), Cordyceps sinensis (μύκητας κάμπιας), Grifola frondosa (κότα του ξύλου), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, turkeytail) και πολλά άλλα είδη μυκήτων χρησιμοποιούνται ευρέως ως τρόφιμα και για την εκχύλιση βιοδραστικών ενώσεων. Αυτά τα μανιτάρια καθώς και τα υπολείμματα επεξεργασίας (απόβλητα μανιταριών) μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή χιτοζάνης. Υπερήχους όχι μόνο προωθεί την απελευθέρωση της χιτίνης από τη δομή του κυτταρικού τοιχώματος των μυκήτων, αλλά επίσης οδηγεί τη μετατροπή της χιτίνης σε πολύτιμη χιτοζάνη μέσω υπερήχων υποβοηθούμενου αποπολυμερισμού και αποακετυλίωσης.
Ο αποπολυμερισμός και η αποακετυλίωση της χιτίνης στη χιτοζάνη προωθείται με υπερήχους
Υπερήχους χρησιμοποιείται για την εξαγωγή χιτίνης από μανιτάρια. Επιπλέον, ο υπέρηχος προάγει τον αποπολυμερισμό και την αποακετυλίωση της χιτίνης προκειμένου να ληφθεί υψηλής ποιότητας χιτοζάνη.
Έντονη υπερήχους χρησιμοποιώντας ένα σύστημα υπερήχων τύπου καθετήρα είναι μια τεχνική που χρησιμοποιείται για την προώθηση του αποπολυμερισμού και της αποακετυλίωσης της χιτίνης, οδηγώντας στο σχηματισμό χιτοζάνης. Η χιτίνη είναι ένας φυσικός πολυσακχαρίτης που βρίσκεται στους εξωσκελετούς καρκινοειδών, εντόμων και στα κυτταρικά τοιχώματα ορισμένων μυκήτων. Η χιτοζάνη προέρχεται από χιτίνη αφαιρώντας τις ακετυλομάδες από το μόριο χιτίνης.
Υπερήχων διαδικασία για μυκητιακή χιτίνη σε χιτοζάνη μετατροπή
Όταν εφαρμόζεται έντονη υπερήχους για την παραγωγή χιτοζάνης από χιτίνη, ένα εναιώρημα χιτίνης υπερήχων με υψηλής έντασης, χαμηλής συχνότητας κύματα υπερήχων, συνήθως στην περιοχή από 20 kHz έως 30 kHz. Η διαδικασία δημιουργεί έντονη ακουστική σπηλαίωση, η οποία αναφέρεται στο σχηματισμό, την ανάπτυξη και την κατάρρευση μικροσκοπικών φυσαλίδων κενού στο υγρό. Η σπηλαίωση δημιουργεί εντοπισμένες δυνάμεις εξαιρετικά υψηλής διάτμησης, υψηλές θερμοκρασίες (έως αρκετές χιλιάδες βαθμούς Κελσίου) και πιέσεις (έως και αρκετές εκατοντάδες ατμόσφαιρες) στο υγρό που περιβάλλει τις φυσαλίδες σπηλαίωσης. Αυτές οι ακραίες συνθήκες συμβάλλουν στη διάσπαση του πολυμερούς χιτίνης και στην επακόλουθη αποακετυλίωση.
SEM εικόνες χιτινών και χιτοζάνων από δύο είδη μανιταριών: α) Χιτίνη από L. vellereus. β) Χιτίνη από P. ribis. γ) Χιτοζάνη από L.vellereus. δ) χιτοζάνη από P. ribis.
εικόνα και μελέτη: © Erdoğan et al., 2017
Υπερήχων αποπολυμερισμός της χιτίνης
Ο αποπολυμερισμός της χιτίνης συμβαίνει μέσω των συνδυασμένων επιδράσεων μηχανικών δυνάμεων, όπως η μικροροή και η εκτόξευση υγρών, καθώς και από χημικές αντιδράσεις που προκαλούνται από υπερήχους που προκαλούνται από ελεύθερες ρίζες και άλλα αντιδραστικά είδη που σχηματίζονται κατά τη διάρκεια της σπηλαίωσης. Τα κύματα υψηλής πίεσης που δημιουργούνται κατά τη διάρκεια της σπηλαίωσης προκαλούν τις αλυσίδες χιτίνης να υποστούν διατμητική τάση, με αποτέλεσμα τη διάσπαση του πολυμερούς σε μικρότερα θραύσματα.
Υπερήχων αποακετυλίωση της χιτίνης
Εκτός από τον αποπολυμερισμό, έντονη υπερήχους προωθεί επίσης την αποακετυλίωση της χιτίνης. Η αποακετυλίωση περιλαμβάνει την απομάκρυνση των ακετυλομάδων από το μόριο χιτίνης, οδηγώντας στο σχηματισμό χιτοζάνης. Η έντονη υπερηχητική ενέργεια, ιδιαίτερα οι υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις που δημιουργούνται κατά τη διάρκεια της σπηλαίωσης, επιταχύνουν την αντίδραση αποακετυλίωσης. Οι αντιδραστικές συνθήκες που δημιουργούνται από τη σπηλαίωση βοηθούν στη διάσπαση των δεσμών ακετυλίου στη χιτίνη, με αποτέλεσμα την απελευθέρωση οξικού οξέος και τη μετατροπή της χιτίνης σε χιτοζάνη.
Συνολικά, έντονη υπερήχους ενισχύει τόσο τις διαδικασίες αποπολυμερισμού όσο και αποακετυλίωσης παρέχοντας την απαραίτητη μηχανική και χημική ενέργεια για να σπάσει το πολυμερές χιτίνης και να διευκολύνει τη μετατροπή σε χιτοζάνη. Αυτή η τεχνική προσφέρει μια γρήγορη και αποτελεσματική μέθοδο για την παραγωγή χιτοζάνης από χιτίνη, με πολυάριθμες εφαρμογές σε διάφορες βιομηχανίες, συμπεριλαμβανομένων των φαρμακευτικών προϊόντων, της γεωργίας και της βιοϊατρικής μηχανικής.
Βιομηχανική Παραγωγή Χιτοζάνης από Μανιτάρια με Υπερήχους Ισχύος
Η εμπορική παραγωγή χιτίνης και χιτοζάνης βασίζεται κυρίως στα απόβλητα των θαλάσσιων βιομηχανιών (π.χ. αλιεία, συλλογή οστρακοειδών κ.λπ.). Διαφορετικές πηγές πρώτων υλών έχουν ως αποτέλεσμα διαφορετικές ποιότητες χιτίνης και χιτοζάνης, με αποτέλεσμα την παραγωγή και τις διακυμάνσεις της ποιότητας λόγω εποχιακών αλιευτικών διακυμάνσεων. Επιπλέον, η χιτοζάνη που προέρχεται από πηγές μυκήτων προσφέρει σύμφωνα με πληροφορίες ανώτερες ιδιότητες όπως ομοιογενές μήκος πολυμερούς και μεγαλύτερη διαλυτότητα σε σύγκριση με τη χιτοζάνη από θαλάσσιες πηγές. (πρβλ. Ghormade et al., 2017) Προκειμένου να παρασχεθεί ομοιόμορφη χιτοζάνη, η εκχύλιση χιτίνης από είδη μυκήτων έχει γίνει μια σταθερή εναλλακτική παραγωγή. Η παραγωγή χιτίνης και κιτιοσάνης από μύκητες μπορεί εύκολα και αξιόπιστα να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας τεχνολογία εκχύλισης και αποακετυλίωσης με υπερήχους. Έντονη υπερήχηση διαταράσσει τις κυτταρικές δομές για να απελευθερώσει χιτίνη και προωθεί τη μεταφορά μάζας σε υδατικούς διαλύτες για ανώτερες αποδόσεις χιτίνης και αποτελεσματικότητα εκχύλισης. Η επακόλουθη υπερηχητική αποακετυλίωση μετατρέπει τη χιτίνη στην πολύτιμη χιτοζάνη. Και οι δύο, υπερήχων εκχύλιση χιτίνης και αποακετυλίωση σε χιτοζάνη μπορεί να είναι γραμμικά κλιμακωθεί σε οποιοδήποτε εμπορικό επίπεδο παραγωγής.
Κατεργασία με υπερήχους εντείνει την παραγωγή μυκητιακής χιτοζάνης και καθιστά την παραγωγή πιο αποτελεσματική και οικονομική.
(εικόνα και μελέτη: © Zhu et al., 2019)
Υπερήχων UP400St για την εκχύλιση μανιταριών: Κατεργασία με υπερήχους δίνει υψηλές αποδόσεις βιοδραστικών ενώσεων όπως οι πολυσακχαρίτες χιτίνη και χιτοζάνη
Ερευνητικά αποτελέσματα για υπερήχων χιτίνη και χιτοζάνη αποακετυλίωση
Οι Zhu et al. (2018) καταλήγουν στη μελέτη τους ότι η υπερηχητική αποακετυλίωση έχει αποδειχθεί ότι είναι μια κρίσιμη ανακάλυψη, μετατρέποντας την β-χιτίνη σε χιτοζάνη με 83-94% αποακετυλίωση σε μειωμένες θερμοκρασίες αντίδρασης. Η εικόνα αριστερά δείχνει μια εικόνα SEM της υπερηχητικά αποακετυλιωμένης χιτοζάνης (90 W, 15 λεπτά, 20 w / v% NaOH, 1:15 (g: mL) (εικόνα και μελέτη: © Zhu et al., 2018)
Στο πρωτόκολλό τους, παρασκευάστηκε διάλυμα NaOH (20 w/v%) με διάλυση νιφάδων NaOH σε απελευθερωμένο νερό. Το αλκαλικό διάλυμα στη συνέχεια προστέθηκε στο ίζημα GLSP (0,5 g) σε αναλογία στερεού-υγρού 1:20 (g: mL) σε σωλήνα φυγοκέντρισης. Χιτοζάνη προστέθηκε σε NaCl (40 ml, 0,2 M) και οξικό οξύ (0,1 M) σε αναλογία όγκου διαλύματος 1:1. Το εναιώρημα στη συνέχεια υποβλήθηκε σε υπερηχογράφημα σε ήπια θερμοκρασία 25 ° C για 60 λεπτά χρησιμοποιώντας έναν υπερηχητικό τύπο καθετήρα (250W, 20kHz). (βλ. Zhu et al., 2018)
Οι Pandit et al. (2021) διαπίστωσαν ότι ο ρυθμός αποικοδόμησης για διαλύματα χιτοζάνης σπάνια επηρεάζεται από τις συγκεντρώσεις οξέος που χρησιμοποιούνται για τη διαλυτοποίηση του πολυμερούς και εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία, την ένταση των κυμάτων υπερήχων και την ιοντική ισχύ των μέσων που χρησιμοποιούνται για τη διάλυση του πολυμερούς. (πρβλ. Pandit et al., 2021)
Σε μια άλλη μελέτη, οι Zhu et al. (2019) χρησιμοποίησαν σκόνες σπορίων Ganoderma lucidum ως μυκητιακή πρώτη ύλη και διερεύνησαν την υπερηχητικά υποβοηθούμενη αποακετυλίωση και τις επιδράσεις παραμέτρων επεξεργασίας όπως ο χρόνος υπερήχων, η αναλογία στερεών προς υγρών, η συγκέντρωση NaOH και η ισχύς ακτινοβολίας στον βαθμό αποακετυλίωσης (DD) της χιτοζάνης. Η υψηλότερη τιμή DD ελήφθη στις ακόλουθες παραμέτρους υπερήχων: 20 λεπτά υπερήχηση σε 80W, 10% (g: ml) NaOH, 1: 25 (g: ml). Η επιφανειακή μορφολογία, οι χημικές ομάδες, η θερμική σταθερότητα και η κρυσταλλικότητα της χιτοζάνης που λαμβάνεται με υπερήχους εξετάστηκαν χρησιμοποιώντας τα SEM, FTIR, TG και XRD. Η ερευνητική ομάδα αναφέρει σημαντική ενίσχυση του βαθμού αποακετυλίωσης (DD), δυναμικού ιξώδους ([η]) και μοριακού βάρους (Mv ̄) της υπερηχητικά παραγόμενης χιτοζάνης. Τα αποτελέσματα υπογράμμισαν την τεχνική αποακετυλίωσης υπερήχων των μυκήτων, μια εξαιρετικά ισχυρή μέθοδο παραγωγής για χιτοζάνη, η οποία είναι κατάλληλη για βιοϊατρικές εφαρμογές. (πρβλ. Zhu et al., 2019)
Ανώτερη ποιότητα χιτοζάνης με υπερηχητικό αποπολυμερισμό και αποακετυλίωση
Υπερήχων οδηγούνται διαδικασίες της χιτίνης / χιτοζάνης εκχύλιση και αποπολυμερισμός είναι ακριβώς ελεγχόμενες και υπερήχων παραμέτρους διαδικασίας μπορούν να προσαρμοστούν στις πρώτες ύλες και τη στοχευμένη ποιότητα του τελικού προϊόντος (π.χ., μοριακό βάρος, βαθμός αποακετυλίωσης). Αυτό επιτρέπει την προσαρμογή της διαδικασίας υπερήχων σε εξωτερικούς παράγοντες και τον καθορισμό βέλτιστων παραμέτρων για ανώτερο αποτέλεσμα και αποτελεσματικότητα.
Υπερήχων αποακετυλιωμένη χιτοζάνη δείχνει εξαιρετική βιοδιαθεσιμότητα και βιοσυμβατότητα. Όταν τα υπερηχητικά παρασκευασμένα βιοπολυμερή χιτοζάνης συγκρίνονται με τη θερμικά παραγόμενη χιτοζάνη όσον αφορά τις βιοϊατρικές ιδιότητες, η υπερηχητικά παραγόμενη χιτοζάνη παρουσιάζει σημαντικά βελτιωμένη βιωσιμότητα ινοβλαστών (κυττάρων L929) και ενισχυμένη αντιβακτηριακή δράση τόσο για το Escherichia coli (E. coli) όσο και για τον χρυσίζοντα σταφυλόκοκκο (S. aureus).
(πρβλ. Zhu et al., 2018)
Εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) σε μεγέθυνση 100× α) gladius, β) gladius που έχει υποστεί επεξεργασία με υπερήχους, γ) β-χιτίνη, δ) β-χιτίνη που έχει υποστεί επεξεργασία με υπερήχους και ε) χιτοζάνη (πηγή: Preto et al. 2017)
Εξοπλισμός υπερήχων υψηλής απόδοσης για την επεξεργασία χιτίνης και χιτοζάνης
Ο κατακερματισμός της χιτίνης και η δεκυλίωση της χιτίνης σε χιτοζάνη απαιτεί ισχυρό και αξιόπιστο εξοπλισμό υπερήχων που μπορεί να προσφέρει υψηλά πλάτη, προσφέρει ακριβή δυνατότητα ελέγχου των παραμέτρων της διαδικασίας και μπορεί να λειτουργήσει 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα υπό βαρύ φορτίο και σε απαιτητικά περιβάλλοντα. Hielscher Υπέρηχοι σειρά προϊόντων πληροί αυτές τις απαιτήσεις αξιόπιστα. Εκτός από την εξαιρετική απόδοση υπερήχων, Hielscher υπερήχων διαθέτουν υψηλή ενεργειακή απόδοση, η οποία είναι ένα σημαντικό οικονομικό πλεονέκτημα – ειδικά όταν απασχολούνται σε εμπορική παραγωγή μεγάλης κλίμακας.
Hielscher υπερήχων είναι συστήματα υψηλής απόδοσης που μπορούν να εξοπλιστούν με αξεσουάρ όπως sonotrodes, ενισχυτές, αντιδραστήρες ή κύτταρα ροής, προκειμένου να ταιριάζει με τις ανάγκες της διαδικασίας σας με τον βέλτιστο τρόπο. Με ψηφιακή έγχρωμη οθόνη, την επιλογή να προκαθορίσει υπερήχους τρέχει, αυτόματη καταγραφή δεδομένων σε μια ενσωματωμένη κάρτα SD, απομακρυσμένο έλεγχο του προγράμματος περιήγησης και πολλά άλλα χαρακτηριστικά, Hielscher ultrasonicators εξασφαλίζουν τον υψηλότερο έλεγχο της διαδικασίας και φιλικότητα προς το χρήστη. Σε συνδυασμό με την ευρωστία και τη βαριά φέρουσα ικανότητα, Hielscher υπερήχων συστήματα είναι αξιόπιστο άλογο εργασίας σας στην παραγωγή.
Ο κατακερματισμός της χιτίνης και η αποακετυλίωση απαιτούν ισχυρό υπερηχογράφημα για να επιτευχθεί η στοχευμένη μετατροπή και ένα τελικό προϊόν χιτοζάνης υψηλής ποιότητας. Ειδικά για τον κατακερματισμό των νιφάδων χιτίνης και τα βήματα αποπολυμερισμού / αποακετυλίωσης, τα υψηλά πλάτη και οι αυξημένες πιέσεις είναι ζωτικής σημασίας. Hielscher Υπέρηχοι βιομηχανικοί επεξεργαστές υπερήχων παρέχουν εύκολα πολύ υψηλά πλάτη. Πλάτη έως 200μm μπορούν να λειτουργούν συνεχώς σε 24 ώρες το 24ωρο, 7 ημέρες την εβδομάδα λειτουργία. Για ακόμη υψηλότερα πλάτη, διατίθενται προσαρμοσμένα υπερηχητικά sonotrodes. Η ικανότητα ισχύος των συστημάτων υπερήχων Hielscher επιτρέπει τον αποτελεσματικό και γρήγορο αποπολυμερισμό και αποακετυλίωση σε μια ασφαλή και φιλική προς το χρήστη διαδικασία.
Υπερηχητικός αντιδραστήρας με Αισθητήρας υπερήχων 2000W UIP2000hdT για εκχύλιση χιτίνης από μανιτάρια και επακόλουθο αποπολυμερισμό / αποακετυλίωση
| Όγκος παρτίδας | Ροή | Προτεινόμενες συσκευές |
|---|---|---|
| 1 έως 500mL | 10 έως 200mL/min | UP100Η |
| 10 έως 2000mL | 20 έως 400mL / λεπτό | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 έως 20L | 0.2 έως 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 έως 100L | 2 έως 10L / λεπτό | UIP4000hdT |
| μ.δ. | 10 έως 100L / λεπτό | UIP16000 |
| μ.δ. | μεγαλύτερου | σύμπλεγμα UIP16000 |
Επικοινωνήστε μαζί μας! / Ρωτήστε μας!
Συνεργιστική θεραπεία χιτίνης βελτιώθηκε με υπερήχους
Προκειμένου να ξεπεραστούν τα μειονεκτήματα (δηλ. χαμηλή απόδοση, υψηλό ενεργειακό κόστος, μεγάλος χρόνος επεξεργασίας, τοξικοί διαλύτες) της παραδοσιακής χημικής και ενζυματικής αποξετλύωσης χιτίνης, υπερηχογράφημα υψηλής έντασης έχει ενσωματωθεί στην επεξεργασία χιτίνης και χιτοζάνης. Η υπερήχηση υψηλής έντασης και τα επακόλουθα αποτελέσματα της ακουστικής σπηλαίωσης οδηγούν σε ταχεία διάσπαση πολυμερών αλυσίδων και μειώνουν την πολυδιασπορά, προωθώντας έτσι τη σύνθεση της χιτοζάνης. Επιπλέον, οι υπερηχητικές δυνάμεις διάτμησης εντείνουν τη μεταφορά μάζας στο διάλυμα, έτσι ώστε να ενισχυθεί η χημική, υδρολυτική ή ενζυματική αντίδραση. Υπερήχων χιτίνη θεραπεία μπορεί να συνδυαστεί με ήδη υπάρχουσες τεχνικές επεξεργασίας χιτίνης, όπως χημικές μεθόδους, υδρόλυση ή ενζυματικές διαδικασίες.
Υπερήχων υποβοηθούμενη χημική αποακετυλίωση και αποπολυμερισμός
Δεδομένου ότι η χιτίνη είναι ένα μη δραστικό και αδιάλυτο βιοπολυμερές, πρέπει να υποβληθεί στα στάδια της διαδικασίας αφαλάτωσης, αποπρωτεϊνοποίησης και αποπολυμερισμού / αποακετυλίωσης προκειμένου να ληφθεί διαλυτή και βιοπροσβάσιμη χιτοζάνη. Αυτά τα βήματα της διαδικασίας περιλαμβάνουν θεραπείες με ισχυρά οξέα όπως το HCl και ισχυρές βάσεις όπως το NaOH και το KOH. Δεδομένου ότι αυτά τα συμβατικά βήματα διαδικασίας είναι αναποτελεσματικά, αργά, και απαιτούν υψηλές ενέργειες, εντατικοποίηση της διαδικασίας με υπερήχους βελτιώνει σημαντικά την παραγωγή χιτοζάνης. Η εφαρμογή υπερήχων αυξάνει τις αποδόσεις και την ποιότητα της χιτοζάνης, μειώνει τη διαδικασία από ημέρες σε λίγες ώρες, επιτρέπει ηπιότερους διαλύτες και καθιστά την όλη διαδικασία πιο ενεργειακά αποδοτική.
Υπερήχων βελτιωμένη αποπρωτεϊνοποίηση της χιτίνης
Οι Vallejo-Dominguez et al. (2021) διαπίστωσαν στην έρευνά τους για την αποπρωτεΐνη χιτίνης ότι η “Η εφαρμογή υπερήχων για την παραγωγή βιοπολυμερών μείωσε την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνες καθώς και το μέγεθος σωματιδίων της χιτίνης. Χιτοζάνη υψηλού βαθμού αποακετυλίωσης και μεσαίου μοριακού βάρους παρήχθη μέσω υπερηχογραφικής βοήθειας.”
Υδρόλυση υπερήχων για τον αποπολυμερισμό χιτίνης
Για τη χημική υδρόλυση, είτε οξέα είτε αλκάλια χρησιμοποιούνται για την αποακετυλιωμένη χιτίνη, ωστόσο η αλκαλική αποακετυλίωση (π.χ. υδροξείδιο του νατρίου NaOH) χρησιμοποιείται ευρύτερα. Η όξινη υδρόλυση είναι μια εναλλακτική μέθοδος στην παραδοσιακή χημική αποακετυλίωση, όπου τα διαλύματα οργανικού οξέος χρησιμοποιούνται για τον αποπολυμερισμό της χιτίνης και της χιτοζάνης. Η μέθοδος της όξινης υδρόλυσης χρησιμοποιείται κυρίως όταν το μοριακό βάρος της χιτίνης και της χιτοζάνης πρέπει να είναι ομοιογενές. Αυτή η συμβατική διαδικασία υδρόλυσης είναι γνωστή ως αργή και εντατική σε ενέργεια και κόστος. Η απαίτηση ισχυρών οξέων, υψηλών θερμοκρασιών και πιέσεων είναι παράγοντες που μετατρέπουν την υδρολυτική διαδικασία χιτοζάνης σε μια πολύ δαπανηρή και χρονοβόρα διαδικασία. Τα οξέα που χρησιμοποιούνται απαιτούν κατάντη διεργασίες όπως η εξουδετέρωση και η αφαλάτωση.
Με την ενσωμάτωση υπερήχων υψηλής ισχύος στη διαδικασία υδρόλυσης, οι απαιτήσεις θερμοκρασίας και πίεσης για την υδρολυτική διάσπαση της χιτίνης και της χιτοζάνης μπορούν να μειωθούν σημαντικά. Επιπλέον, υπερήχηση επιτρέπει χαμηλότερες συγκεντρώσεις οξέος ή τη χρήση ηπιότερων οξέων. Αυτό καθιστά τη διαδικασία πιο βιώσιμη, αποδοτική, οικονομικά αποδοτική και φιλικότερη προς το περιβάλλον.
Υπερήχων υποβοηθούμενη χημική αποακετυλίωση
Η χημική αποσύνθεση και αποδακτυλίωση της χιτίνης και της χιτοζάνης επιτυγχάνεται κυρίως με την κατεργασία χιτίνης ή χιτοζάνης με ανόργανα οξέα (π.χ. υδροχλωρικό οξύ HCl), νιτρώδες νάτριο (NaNO2), ή υπεροξείδιο του υδρογόνου (H2O2). Ο υπέρηχος βελτιώνει τον ρυθμό αποακετυλίωσης μειώνοντας έτσι τον χρόνο αντίδρασης που απαιτείται για την επίτευξη του στοχευόμενου βαθμού αποακετυλίωσης. Αυτό σημαίνει υπερήχηση μειώνει τον απαιτούμενο χρόνο επεξεργασίας 12-24 ώρες σε λίγες ώρες. Επιπλέον, υπερήχηση επιτρέπει σημαντικά χαμηλότερες χημικές συγκεντρώσεις, για παράδειγμα 40% (w / w) υδροξείδιο του νατρίου χρησιμοποιώντας υπερήχους, ενώ 65% (w / w) απαιτούνται χωρίς τη χρήση υπερήχων.
Υπερήχων-ενζυματική αποακετυλίωση
Ενώ η ενζυματική αποακετυλίωση είναι μια ήπια, φιλική προς το περιβάλλον μορφή επεξεργασίας, η αποτελεσματικότητα και το κόστος της είναι αντιοικονομικά. Λόγω της πολύπλοκης, έντασης εργασίας και δαπανηρής απομόνωσης και καθαρισμού των ενζύμων από το τελικό προϊόν, η ενζυματική αποακετυλίωση χιτίνης δεν εφαρμόζεται στην εμπορική παραγωγή, αλλά χρησιμοποιείται μόνο σε εργαστήριο επιστημονικής έρευνας.
Υπερήχων προεπεξεργασία πριν από την ενζυματική deacetlytation θραύσματα μόρια χιτίνης διευρύνοντας έτσι την επιφάνεια και καθιστώντας περισσότερη επιφάνεια διαθέσιμη για τα ένζυμα. Υπερήχηση υψηλής απόδοσης βοηθά στη βελτίωση της ενζυματικής αποακετυλίωσης και καθιστά τη διαδικασία πιο οικονομική.
Hielscher Υπέρηχοι κατασκευάζει υψηλής απόδοσης υπερήχων ομογενοποιητές για την ανάμειξη εφαρμογών, διασπορά, γαλακτωματοποίηση και εκχύλιση σε εργαστήριο, πιλοτική και βιομηχανική κλίμακα.
Βιβλιογραφία / Αναφορές
- Ospina Álvarez S.P., Ramírez Cadavid D.A., Escobar Sierra D.M., Ossa Orozco C.P., Rojas Vahos D.F., Zapata Ocampo P., Atehortúa L. (2014): Comparison of extraction methods of chitin from Ganoderma lucidum mushroom obtained in submerged culture. Biomed Research International 2014.
- Valu M.V., Soare L.C., Sutan N.A., Ducu C., Moga S., Hritcu L., Boiangiu R.S., Carradori S. (2020): Optimization of Ultrasonic Extraction to Obtain Erinacine A and Polyphenols with Antioxidant Activity from the Fungal Biomass of Hericium erinaceus. Foods, Dec 18;9(12), 2020.
- Erdoğan, Sevil & Kaya, Murat & Akata, Ilgaz (2017): Chitin extraction and chitosan production from cell wall of two mushroom species (Lactarius vellereus and Phyllophora ribis). AIP Conference Proceedings 2017.
- Zhu, L., Chen, X., Wu, Z., Wang, G., Ahmad, Z., & Chang, M. (2019): Optimization conversion of chitosan from Ganoderma lucidum spore powder using ultrasound‐assisted deacetylation: Influence of processing parameters. Journal of Food Processing and Preservation 2019.
- Li-Fang Zhu, Jing-Song Li, John Mai, Ming-Wei Chang (2019): Ultrasound-assisted synthesis of chitosan from fungal precursors for biomedical applications. Chemical Engineering Journal, Volume 357, 2019. 498-507.
- Zhu, Lifang; Yao, Zhi-Cheng; Ahmad, Zeeshan; Li, Jing-Song; Chang, Ming-Wei (2018): Synthesis and Evaluation of Herbal Chitosan from Ganoderma Lucidum Spore Powder for Biomedical Applications. Scientific Reports 8, 2018.
- G.J. Price, P.J. West, P.F. Smith (1994): Control of polymer structure using power ultrasound. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 1, Issue 1, 1994. S51-S57.
Γεγονότα που αξίζει να γνωρίζετε
Πώς υπερήχων εκχύλιση και αποακετυλίωση της χιτίνης εργασίας?
Όταν τα κύματα υπερήχων ισχύος είναι ζευγάρια σε υγρό ή πολτό (π.χ. ένα εναιώρημα που αποτελείται από χιτίνη σε διαλύτη), τα υπερηχητικά κύματα ταξιδεύουν μέσω του υγρού προκαλώντας εναλλασσόμενους κύκλους υψηλής πίεσης / χαμηλής πίεσης. Κατά τη διάρκεια κύκλων χαμηλής πίεσης, δημιουργούνται λεπτές φυσαλίδες κενού (οι λεγόμενες φυσαλίδες σπηλαίωσης), οι οποίες αναπτύσσονται σε αρκετούς κύκλους πίεσης. Σε ένα ορισμένο μέγεθος, όταν οι φυσαλίδες δεν μπορούν να απορροφήσουν περισσότερη ενέργεια, εκρήγνυνται βίαια κατά τη διάρκεια ενός κύκλου υψηλής πίεσης. Η κατάρρευση φυσαλίδων χαρακτηρίζεται από έντονες σπηλαιωτικές (λεγόμενες ηχηρές) δυνάμεις. Αυτές οι ηχομηχανικές συνθήκες συμβαίνουν τοπικά στο θερμό σημείο σπηλαίωσης και χαρακτηρίζονται από πολύ υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις έως 4000K και 1000atm, αντίστοιχα. καθώς και αντίστοιχες διαφορές υψηλής θερμοκρασίας και πίεσης. Επιπλέον, δημιουργούνται μικροαναταράξεις και υγρά ρεύματα με ταχύτητες έως 100m/s. Υπερήχων εκχύλιση χιτίνης και χιτοζάνης από μύκητες και καρκινοειδή, καθώς και αποπολυμερισμός χιτίνης και αποακετυλίωση προκαλούνται κυρίως από sonomechanical επιδράσεις: η διέγερση και οι αναταράξεις διαταράσσουν τα κύτταρα και προάγουν τη μεταφορά μάζας και μπορούν επίσης να κόψουν πολυμερείς αλυσίδες σε συνδυασμό με όξινους ή αλκαλικούς διαλύτες.
Αρχή εργασίας της εκχύλισης χιτίνης μέσω υπερήχων
Υπερήχων εκχύλιση σπάει αποτελεσματικά την κυτταρική δομή των μανιταριών και απελευθερώνει τις ενδοκυτταρικές ενώσεις από το κυτταρικό τοίχωμα και το εσωτερικό των κυττάρων (δηλαδή, πολυσακχαρίτες όπως χιτίνη και χιτοζάνη και άλλα βιοδραστικά φυτοχημικά) στο διαλύτη. Η εκχύλιση με υπερήχους βασίζεται στην αρχή λειτουργίας της ακουστικής σπηλαίωσης. Τα αποτελέσματα της υπερηχητικής / ακουστικής σπηλαίωσης είναι δυνάμεις υψηλής διάτμησης, αναταράξεις και έντονες διαφορές πίεσης. Αυτές οι ηχομηχανικές δυνάμεις σπάνε τις κυτταρικές δομές όπως τα χιτινώδη κυτταρικά τοιχώματα μανιταριών, προάγουν τη μεταφορά μάζας μεταξύ βιοϋλικού μύκητα και διαλύτη και οδηγούν σε πολύ υψηλές αποδόσεις εκχυλίσματος μέσα σε μια ταχεία διαδικασία. Επιπλέον, κατεργασία με υπερήχους προωθεί την αποστείρωση των εκχυλισμάτων σκοτώνοντας βακτήρια και μικρόβια. Η μικροβιακή αδρανοποίηση με υπερήχους είναι αποτέλεσμα των καταστροφικών δυνάμεων σπηλαίωσης στην κυτταρική μεμβράνη, της παραγωγής ελεύθερων ριζών και της τοπικής θέρμανσης.
Αρχή εργασίας του αποπολυμερισμού και της αποακετυλίωσης μέσω υπερήχων
Οι πολυμερείς αλυσίδες αλιεύονται στο υπερηχητικά παραγόμενο πεδίο διάτμησης γύρω από μια φυσαλίδα σπηλαίωσης και τα τμήματα αλυσίδας του πηνίου πολυμερούς κοντά σε μια κοιλότητα κατάρρευσης θα κινηθούν με μεγαλύτερη ταχύτητα από αυτά που βρίσκονται πιο μακριά. Στη συνέχεια παράγονται τάσεις στην πολυμερή αλυσίδα λόγω της σχετικής κίνησης των πολυμερών τμημάτων και των διαλυτών και αυτές επαρκούν για να προκαλέσουν διάσπαση. Η διαδικασία είναι έτσι παρόμοια με άλλα αποτελέσματα διάτμησης σε πολυμερή διαλύματα ~ 2° και δίνει πολύ παρόμοια αποτελέσματα. (πρβλ. Price κ.ά., 1994)
Χιτίνη
Η χιτίνη είναι ένα πολυμερές Ν-ακετυλογλυκοζαμίνης (πολυ-(β-(1-4)-Ν-ακετυλο-D-γλυκοζαμίνη), είναι ένας φυσικός πολυσακχαρίτης που βρίσκεται ευρέως στον εξωσκελετό ασπόνδυλων όπως καρκινοειδή και έντομα, στον εσωτερικό σκελετό καλαμαριών και σουπιών καθώς και στα κυτταρικά τοιχώματα μυκήτων. Ενσωματωμένη στη δομή των κυτταρικών τοιχωμάτων των μανιταριών, η χιτίνη είναι υπεύθυνη για το σχήμα και την ακαμψία του μυκητιακού κυτταρικού τοιχώματος. Για πολλές εφαρμογές, η χιτίνη μετατρέπεται στο αποακετυλιωμένο παράγωγό της, γνωστό ως χιτοζάνη μέσω μιας διαδικασίας αποπολυμερισμού.
Χιτοζάνη είναι το πιο κοινό και πιο πολύτιμο παράγωγο της χιτίνης. Είναι ένας πολυσακχαρίτης υψηλού μοριακού βάρους που συνδέεται με β-1,4 γλυκοσίδη, αποτελούμενος από Ν-ακετυλο-γλυκοζαμίνη και γλυκοζαμίνη.
Η χιτοζάνη μπορεί να προκύψει μέσω χημικών ή ενζυματικών N-αποακετυλίωση. Στη χημικά καθοδηγούμενη διαδικασία αποακετυλίωσης, η ακετυλική ομάδα (R-NHCOCH3) διασπάται από ισχυρά αλκάλια σε υψηλές θερμοκρασίες. Εναλλακτικά, η χιτοζάνη μπορεί να συντεθεί μέσω ενζυματικής αποακετυλίωσης. Ωστόσο, σε κλίμακα βιομηχανικής παραγωγής η χημική αποακετυλίωση είναι η προτιμώμενη τεχνική, δεδομένου ότι η ενζυματική αποακετυλίωση είναι σημαντικά λιγότερο αποτελεσματική λόγω του υψηλού κόστους των ενζύμων αποακετυλάσης και των χαμηλών αποδόσεων χιτοζάνης που επιτυγχάνονται. Υπερήχους χρησιμοποιείται για να εντείνει τη χημική αποικοδόμηση του (1→4)-/β-σύνδεση (αποπολυμερισμός) και να επιφέρει την αποακετυλίωση της χιτίνης για να αποκτήσει υψηλής ποιότητας χιτοζάνη.
Όταν υπερήχηση εφαρμόζεται ως προ-επεξεργασία για την ενζυματική αποακετυλίωση, χιτοζάνη απόδοση και ποιότητα βελτιώνεται, πάρα πολύ.
Hielscher Υπέρηχοι κατασκευάζει υψηλής απόδοσης υπερήχων ομογενοποιητές από εργαστήριο προς βιομηχανικό μέγεθος.