Παραγωγή χιτίνης και χιτοζάνης από μανιτάρια
Η κατεργασία με υπερήχους είναι μια ιδιαίτερα αποδοτική μέθοδος για την απελευθέρωση χιτίνης και χιτοζάνης από μυκητιακές πηγές, όπως τα μανιτάρια. Η χιτίνη και η χιτοζάνη πρέπει να υποστούν αποπολυμερισμό και αποακετυλίωση στα επόμενα στάδια επεξεργασίας, προκειμένου να ληφθεί ένα βιοπολυμερές υψηλής ποιότητας. Ο υποβοηθούμενος από υπερήχους αποπολυμερισμός και η υποβοηθούμενη από υπερήχους αποακετυλίωση αποτελούν μια ιδιαίτερα αποτελεσματική, απλή και ταχεία τεχνική, η οποία αποδίδει χιτοζάνες υψηλής ποιότητας με υψηλό μοριακό βάρος και ανώτερη βιοδιαθεσιμότητα.
Χιτίνη και χιτοζάνη από μανιτάρια μέσω κατεργασίας με υπερήχους
Βρώσιμα και φαρμακευτικά μανιτάρια, όπως τα Lentinus edodes (σιιτάκε), Ganoderma lucidum (λίνγκζι ή ρέισι), Inonotus obliquus (τσάγκα), Agaricus bisporus (μανιτάρια κουμπιά), Hericium erinaceus (χαίτη του λιονταριού), Cordyceps sinensis (μύκητας της κάμπιας), Grifola frondosa (όρνιθα του δάσους), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, ουρά γαλοπούλας) και πολλά άλλα είδη μυκήτων, χρησιμοποιούνται ευρέως ως τρόφιμα και για την εκχύλιση βιοδραστικών ενώσεων. Αυτά τα μανιτάρια, καθώς και τα υπολείμματα της επεξεργασίας τους (απόβλητα μανιταριών), μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή χιτοζάνης. Η κατεργασία με υπερήχους όχι μόνο προάγει την απελευθέρωση της χιτίνης από τη δομή του κυτταρικού τοιχώματος των μυκήτων, αλλά επίσης προωθεί τη μετατροπή της χιτίνης σε πολύτιμη χιτοζάνη μέσω αποπολυμερισμού και αποακετυλίωσης υποβοηθούμενων από υπερήχους.
Ο αποπολυμερισμός και η αποακετυλίωση της χιτίνης προς χιτοζάνη προάγονται από την κατεργασία με υπερήχους
Η κατεργασία με υπερήχους χρησιμοποιείται για την εκχύλιση χιτίνης από μανιτάρια. Επιπλέον, οι υπέρηχοι προάγουν τον αποπολυμερισμό και την αποακετυλίωση της χιτίνης, προκειμένου να ληφθεί χιτοζάνη υψηλής ποιότητας.
Η έντονη κατεργασία με υπερήχους με χρήση συστήματος υπερήχων τύπου καθετήρα είναι μια τεχνική που χρησιμοποιείται για την προαγωγή του αποπολυμερισμού και της αποακετυλίωσης της χιτίνης, οδηγώντας στον σχηματισμό χιτοζάνης. Η χιτίνη είναι ένας φυσικός πολυσακχαρίτης που απαντά στους εξωσκελετούς των καρκινοειδών και των εντόμων, καθώς και στα κυτταρικά τοιχώματα ορισμένων μυκήτων. Η χιτοζάνη προκύπτει από τη χιτίνη με την αφαίρεση των ακετυλομάδων από το μόριο της χιτίνης.
Διαδικασία μετατροπής μυκητιακής χιτίνης σε χιτοζάνη με υπερήχους
Όταν εφαρμόζεται έντονη κατεργασία με υπερήχους για την παραγωγή χιτοζάνης από χιτίνη, ένα εναιώρημα χιτίνης υποβάλλεται σε κατεργασία με υπερηχητικά κύματα υψηλής έντασης και χαμηλής συχνότητας, συνήθως στην περιοχή από 20 kHz έως 30 kHz. Η διεργασία δημιουργεί έντονη ακουστική σπηλαίωση, η οποία συνίσταται στον σχηματισμό, την ανάπτυξη και την κατάρρευση μικροσκοπικών φυσαλίδων κενού μέσα στο υγρό. Η σπηλαίωση δημιουργεί τοπικά εξαιρετικά υψηλές δυνάμεις διάτμησης, υψηλές θερμοκρασίες (έως και 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 της χιτίνης και στην επακόλουθη αποακετυλίωση.
Εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) χιτινών και χιτοζανών από δύο είδη μανιταριών: a) Χιτίνη από L. vellereus· b) Χιτίνη από P. ribis· c) Χιτοζάνη από L.vellereus· d) χιτοζάνη από P. ribis.
εικόνα και μελέτη: © Erdoğan et al., 2017
Αποπολυμερισμός της χιτίνης με υπερήχους
Ο αποπολυμερισμός της χιτίνης πραγματοποιείται μέσω της συνδυασμένης δράσης μηχανικών δυνάμεων, όπως οι μικροροές και ο σχηματισμός πιδάκων υγρού, καθώς και μέσω χημικών αντιδράσεων που εκκινούν με υπερήχους και προκαλούνται από ελεύθερες ρίζες και άλλα δραστικά χημικά είδη που σχηματίζονται κατά τη σπηλαίωση. Τα κύματα υψηλής πίεσης που δημιουργούνται κατά τη σπηλαίωση υποβάλλουν τις αλυσίδες της χιτίνης σε διατμητική τάση, με αποτέλεσμα τη διάσπαση του πολυμερούς σε μικρότερα τμήματα.
Αποακετυλίωση της χιτίνης με υπερήχους
Εκτός από τον αποπολυμερισμό, η έντονη κατεργασία με υπερήχους προάγει επίσης την αποακετυλίωση της χιτίνης. Η αποακετυλίωση περιλαμβάνει την απομάκρυνση ακετυλομάδων από το μόριο της χιτίνης, οδηγώντας στον σχηματισμό χιτοζάνης. Η έντονη ενέργεια των υπερήχων, και ιδιαίτερα οι υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις που δημιουργούνται κατά τη σπηλαίωση, επιταχύνει την αντίδραση αποακετυλίωσης. Οι συνθήκες χημικής δραστικότητας που δημιουργούνται από τη σπηλαίωση συμβάλλουν στη διάσπαση των δεσμών των ακετυλομάδων στη χιτίνη, με αποτέλεσμα την απελευθέρωση οξικού οξέος και τη μετατροπή της χιτίνης σε χιτοζάνη.
Συνολικά, η έντονη κατεργασία με υπερήχους ενισχύει τόσο τον αποπολυμερισμό όσο και την αποακετυλίωση, παρέχοντας την απαραίτητη μηχανική και χημική ενέργεια για τη διάσπαση του πολυμερούς της χιτίνης και τη διευκόλυνση της μετατροπής του σε χιτοζάνη. Η τεχνική αυτή προσφέρει μια ταχεία και αποδοτική μέθοδο παραγωγής χιτοζάνης από χιτίνη, με πολυάριθμες εφαρμογές σε διάφορους κλάδους, όπως η φαρμακευτική, η γεωργία και η βιοϊατρική μηχανική.
Βιομηχανική παραγωγή χιτοζάνης από μανιτάρια με υπερήχους ισχύος
Η εμπορική παραγωγή χιτίνης και χιτοζάνης βασίζεται κυρίως σε απόβλητα των κλάδων θαλάσσιας εκμετάλλευσης (δηλαδή της αλιείας, της συλλογής οστρακοειδών κ.λπ.). Οι διαφορετικές πηγές πρώτων υλών οδηγούν σε διαφορετικές ποιότητες χιτίνης και χιτοζάνης, με αποτέλεσμα διακυμάνσεις στην παραγωγή και την ποιότητα λόγω των εποχικών μεταβολών της αλιείας. Επιπλέον, η χιτοζάνη που προέρχεται από μυκητιακές πηγές φέρεται να προσφέρει ανώτερες ιδιότητες, όπως ομοιογενές μήκος πολυμερικών αλυσίδων και μεγαλύτερη διαλυτότητα, σε σύγκριση με τη χιτοζάνη θαλάσσιας προέλευσης. (πρβλ. Ghormade et al., 2017) Για την παροχή χιτοζάνης με ομοιόμορφα χαρακτηριστικά, η εκχύλιση χιτίνης από είδη μυκήτων έχει καθιερωθεί ως σταθερή εναλλακτική μέθοδος παραγωγής. Η παραγωγή χιτίνης και χιτοζάνης από μύκητες μπορεί να πραγματοποιηθεί εύκολα και αξιόπιστα με τη χρήση τεχνολογίας εκχύλισης και αποακετυλίωσης με υπερήχους. Η έντονη κατεργασία με υπερήχους διαρρηγνύει τις κυτταρικές δομές για την απελευθέρωση χιτίνης και προάγει τη μεταφορά μάζας σε υδατικούς διαλύτες, εξασφαλίζοντας ανώτερες αποδόσεις χιτίνης και αποδοτικότητα εκχύλισης. Η επακόλουθη αποακετυλίωση με υπερήχους μετατρέπει τη χιτίνη στην πολύτιμη χιτοζάνη. Τόσο η εκχύλιση χιτίνης με υπερήχους όσο και η αποακετυλίωσή της προς χιτοζάνη μπορούν να κλιμακωθούν γραμμικά σε οποιοδήποτε επίπεδο εμπορικής παραγωγής.
Η κατεργασία με υπερήχους εντατικοποιεί την παραγωγή μυκητιακής χιτοζάνης και καθιστά την παραγωγή αποδοτικότερη και οικονομικότερη.
(εικόνα και μελέτη: © Zhu et al., 2019)
Συσκευή υπερήχων UP400St για εκχύλιση μανιταριών: Η κατεργασία με υπερήχους παρέχει υψηλές αποδόσεις βιοδραστικών ενώσεων, όπως οι πολυσακχαρίτες χιτίνη και χιτοζάνη
Ερευνητικά αποτελέσματα για την αποακετυλίωση χιτίνης και χιτοζάνης με υπερήχους
Οι Zhu et al. (2018) καταλήγουν στη μελέτη τους στο συμπέρασμα ότι η αποακετυλίωση με υπερήχους έχει αποδειχθεί καθοριστικό επίτευγμα, μετατρέποντας τη β-χιτίνη σε χιτοζάνη με αποακετυλίωση 83–94% σε μειωμένες θερμοκρασίες αντίδρασης. Η εικόνα στα αριστερά παρουσιάζει μια μικρογραφία ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) χιτοζάνης αποακετυλιωμένης με υπερήχους (90 W, 15 min, 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 απιονισμένο νερό (DI). Στη συνέχεια, το αλκαλικό διάλυμα προστέθηκε σε ίζημα GLSP (0,5 g), σε σωλήνα φυγοκέντρησης, με αναλογία στερεού προς υγρό 1:20 (g: mL). Προστέθηκε χιτοζάνη σε NaCl (40 mL, 0,2 M) και οξικό οξύ (0,1 M), με αναλογία όγκων διαλυμάτων 1:1. Το εναιώρημα υποβλήθηκε κατόπιν σε υπερήχους σε ήπια θερμοκρασία 25°C για 60 min, με χρήση συσκευής υπερήχων τύπου καθετήρα (250W, 20kHz). (πρβλ. Zhu et al., 2018)
Οι Pandit et al. (2021) διαπίστωσαν ότι ο ρυθμός αποικοδόμησης των διαλυμάτων χιτοζάνης σπάνια επηρεάζεται από τις συγκεντρώσεις του οξέος που χρησιμοποιείται για τη διαλυτοποίηση του πολυμερούς και εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία, την ένταση των υπερηχητικών κυμάτων 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 υποβοηθούμενη από υπερήχους αποακετυλίωση και τις επιδράσεις παραμέτρων επεξεργασίας, όπως ο χρόνος κατεργασίας με υπερήχους, η αναλογία στερεού προς υγρό, η συγκέντρωση NaOH και η ισχύς ακτινοβόλησης, στον βαθμό αποακετυλίωσης (DD) της χιτοζάνης. Η υψηλότερη τιμή DD επιτεύχθηκε με τις ακόλουθες παραμέτρους υπερήχων: κατεργασία με υπερήχους για 20 min στα 80W, 10% (g:ml) NaOH, 1:25 (g:ml). Η μορφολογία της επιφάνειας, οι χημικές ομάδες, η θερμική σταθερότητα και η κρυσταλλικότητα της χιτοζάνης που ελήφθη με υπερήχους εξετάστηκαν με χρήση SEM, FTIR, TG και XRD. Η ερευνητική ομάδα αναφέρει σημαντική αύξηση του βαθμού αποακετυλίωσης (DD), του δυναμικού ιξώδους ([η]) και του μοριακού βάρους (Mv¯) της χιτοζάνης που παράχθηκε με υπερήχους. Τα αποτελέσματα ανέδειξαν την τεχνική αποακετυλίωσης μυκήτων με υπερήχους ως μια ιδιαίτερα αποτελεσματική μέθοδο παραγωγής χιτοζάνης κατάλληλης για βιοϊατρικές εφαρμογές. (πρβλ. Zhu et al., 2019)
Ανώτερη ποιότητα χιτοζάνης με αποπολυμερισμό και αποακετυλίωση με υπερήχους
Οι διεργασίες εκχύλισης και αποπολυμερισμού χιτίνης / χιτοζάνης με υπερήχους μπορούν να ελέγχονται με ακρίβεια και οι παράμετροι της διεργασίας υπερήχων μπορούν να προσαρμόζονται στις πρώτες ύλες και στην επιδιωκόμενη ποιότητα του τελικού προϊόντος (π.χ. μοριακό βάρος, βαθμός αποακετυλίωσης). Αυτό επιτρέπει την προσαρμογή της διεργασίας υπερήχων σε εξωτερικούς παράγοντες και τον καθορισμό βέλτιστων παραμέτρων για ανώτερα αποτελέσματα και αποδοτικότητα.
Η χιτοζάνη που έχει αποακετυλιωθεί με υπερήχους παρουσιάζει εξαιρετική βιοδιαθεσιμότητα και βιοσυμβατότητα. Όταν τα βιοπολυμερή χιτοζάνης που παρασκευάζονται με υπερήχους συγκρίνονται ως προς τις βιοϊατρικές τους ιδιότητες με χιτοζάνη που λαμβάνεται με θερμική επεξεργασία, η χιτοζάνη που παράγεται με υπερήχους παρουσιάζει σημαντικά βελτιωμένη βιωσιμότητα των ινοβλαστών (κυττάρων L929) και ενισχυμένη αντιβακτηριακή δράση τόσο έναντι του Escherichia coli (E. coli) όσο και έναντι του Staphylococcus aureus (S. aureus).
(πρβλ. Zhu et al., 2018)
Εικόνες ηλεκτρονικής μικροσκοπίας σάρωσης (SEM) σε μεγέθυνση 100× των εξής: a) γλαδίου, b) γλαδίου κατεργασμένου με υπερήχους, c) β-χιτίνης, d) β-χιτίνης κατεργασμένης με υπερήχους και e) χιτοζάνης (πηγή: Preto et al. 2017)
Εξοπλισμός υπερήχων υψηλών επιδόσεων για την επεξεργασία χιτίνης και χιτοζάνης
Ο κατακερματισμός της χιτίνης και η αποακετυλίωσή της σε χιτοζάνη απαιτούν ισχυρό και αξιόπιστο εξοπλισμό υπερήχων που μπορεί να παρέχει μεγάλα πλάτη ταλάντωσης, προσφέρει ακριβή έλεγχο των παραμέτρων της διεργασίας και μπορεί να λειτουργεί 24/7 υπό μεγάλο φορτίο και σε απαιτητικά περιβάλλοντα. Η σειρά προϊόντων της Hielscher Ultrasonics ανταποκρίνεται αξιόπιστα σε αυτές τις απαιτήσεις. Εκτός από την εξαιρετική απόδοση υπερήχων, οι συσκευές υπερήχων της Hielscher διαθέτουν υψηλή ενεργειακή απόδοση, η οποία αποτελεί σημαντικό οικονομικό πλεονέκτημα – ιδιαίτερα όταν χρησιμοποιούνται σε εμπορική παραγωγή μεγάλης κλίμακας.
Οι συσκευές υπερήχων της Hielscher είναι συστήματα υψηλών επιδόσεων που μπορούν να εξοπλιστούν με παρελκόμενα όπως ηχοτρόδια, ενισχυτές πλάτους ταλάντωσης, αντιδραστήρες ή κυψελίδες ροής, ώστε να ανταποκρίνονται με τον βέλτιστο τρόπο στις ανάγκες της διεργασίας σας.
Με ψηφιακή έγχρωμη οθόνη, δυνατότητα προκαθορισμού κύκλων κατεργασίας με υπερήχους, αυτόματη καταγραφή δεδομένων σε ενσωματωμένη κάρτα SD, απομακρυσμένο έλεγχο μέσω προγράμματος περιήγησης και πολλές ακόμη λειτουργίες, οι συσκευές υπερήχων της Hielscher εξασφαλίζουν τον μέγιστο έλεγχο της διεργασίας και τη μέγιστη ευχρηστία. Σε συνδυασμό με τη στιβαρότητα και την ικανότητά τους να αντέχουν μεγάλα φορτία, τα συστήματα υπερήχων της Hielscher αποτελούν τον αξιόπιστο στυλοβάτη σας στην παραγωγή.
Ο κατακερματισμός και η αποακετυλίωση της χιτίνης απαιτούν ισχυρούς υπερήχους για την επίτευξη της επιδιωκόμενης μετατροπής και ενός τελικού προϊόντος χιτοζάνης υψηλής ποιότητας. Ιδιαίτερα για τον κατακερματισμό των νιφάδων χιτίνης και τα στάδια αποπολυμερισμού / αποακετυλίωσης, τα μεγάλα πλάτη ταλάντωσης και οι αυξημένες πιέσεις είναι καθοριστικής σημασίας. Οι βιομηχανικοί επεξεργαστές υπερήχων της Hielscher Ultrasonics παρέχουν εύκολα πολύ μεγάλα πλάτη ταλάντωσης. Πλάτη ταλάντωσης έως 200µm μπορούν να διατηρούνται συνεχώς σε λειτουργία 24/7. Για ακόμη μεγαλύτερα πλάτη ταλάντωσης, διατίθενται ηχοτρόδια υπερήχων κατασκευασμένα κατά παραγγελία. Η ισχύς που μπορούν να παρέχουν τα συστήματα υπερήχων της Hielscher επιτρέπει αποδοτικό και γρήγορο αποπολυμερισμό και αποακετυλίωση σε μια ασφαλή και εύχρηστη διεργασία.
Αντιδραστήρας υπερήχων με κεφαλή υπερήχων 2000W UIP2000hdT για την εκχύλιση χιτίνης από μανιτάρια και τον επακόλουθο αποπολυμερισμό / αποακετυλίωση
| Όγκος παρτίδας | Παροχή | Προτεινόμενες συσκευές |
|---|---|---|
| 1 έως 500mL | 10 έως 200mL/min | UP100H |
| 10 έως 2000mL | 20 έως 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1 έως 20L | 0,2 έως 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 έως 100L | 2 έως 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 έως 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | μεγαλύτερη | συστοιχία συσκευών UIP16000 |
Επικοινωνήστε μαζί μας! / Ρωτήστε μας!
Συνεργιστική επεξεργασία χιτίνης βελτιωμένη με κατεργασία με υπερήχους
Για να ξεπεραστούν τα μειονεκτήματα (δηλαδή η χαμηλή απόδοση, το υψηλό ενεργειακό κόστος, ο μεγάλος χρόνος επεξεργασίας και οι τοξικοί διαλύτες) της παραδοσιακής χημικής και ενζυμικής αποακετυλίωσης της χιτίνης, οι υπέρηχοι υψηλής έντασης έχουν ενσωματωθεί στην επεξεργασία χιτίνης και χιτοζάνης. Η κατεργασία με υπερήχους υψηλής έντασης και οι επακόλουθες επιδράσεις της ακουστικής σπηλαίωσης οδηγούν σε ταχεία διάσπαση των πολυμερικών αλυσίδων και μειώνουν την πολυδιασπορά, προάγοντας έτσι τη σύνθεση χιτοζάνης. Επιπλέον, οι δυνάμεις διάτμησης που προκαλούνται από τους υπερήχους εντείνουν τη μεταφορά μάζας στο διάλυμα, ενισχύοντας έτσι τις χημικές, υδρολυτικές ή ενζυμικές αντιδράσεις. Η επεξεργασία της χιτίνης με υπερήχους μπορεί να συνδυαστεί με ήδη υπάρχουσες τεχνικές επεξεργασίας χιτίνης, όπως χημικές μεθόδους, υδρόλυση ή ενζυμικές διαδικασίες.
Χημική αποακετυλίωση και αποπολυμερισμός με υποβοήθηση υπερήχων
Καθώς η χιτίνη είναι ένα μη δραστικό και αδιάλυτο βιοπολυμερές, πρέπει να υποβληθεί στα στάδια απομάκρυνσης ανόργανων συστατικών, αποπρωτεΐνωσης και αποπολυμερισμού / αποακετυλίωσης, ώστε να ληφθεί διαλυτή και βιοπροσβάσιμη χιτοζάνη. Αυτά τα στάδια της διεργασίας περιλαμβάνουν επεξεργασίες με ισχυρά οξέα όπως το HCl και ισχυρές βάσεις όπως το NaOH και το KOH. Καθώς αυτά τα συμβατικά στάδια της διεργασίας είναι μη αποδοτικά, αργά και απαιτούν μεγάλες ποσότητες ενέργειας, η εντατικοποίηση της διεργασίας με κατεργασία με υπερήχους βελτιώνει σημαντικά την παραγωγή χιτοζάνης. Η εφαρμογή υπερήχων ισχύος αυξάνει την απόδοση και την ποιότητα της παραγόμενης χιτοζάνης, μειώνει τη διάρκεια της διεργασίας από ημέρες σε λίγες ώρες, επιτρέπει τη χρήση ηπιότερων διαλυτών και καθιστά ολόκληρη τη διεργασία ενεργειακά αποδοτικότερη.
Αποπρωτεΐνωση της χιτίνης βελτιωμένη με υπερήχους
Οι Vallejo-Dominguez et al. (2021) διαπίστωσαν στην έρευνά τους για την αποπρωτεΐνωση της χιτίνης ότι η «εφαρμογή υπερήχων για την παραγωγή βιοπολυμερών μείωσε την περιεκτικότητα σε πρωτεΐνες καθώς και το μέγεθος των σωματιδίων της χιτίνης. Με την υποβοήθηση υπερήχων παρήχθη χιτοζάνη υψηλού βαθμού αποακετυλίωσης και μέσου μοριακού βάρους.»
Υδρόλυση με υπερήχους για τον αποπολυμερισμό της χιτίνης
Για τη χημική υδρόλυση χρησιμοποιούνται είτε οξέα είτε αλκάλια για την αποακετυλίωση της χιτίνης, ωστόσο η αλκαλική αποακετυλίωση (π.χ. με υδροξείδιο του νατρίου NaOH) χρησιμοποιείται ευρύτερα. Η όξινη υδρόλυση αποτελεί εναλλακτική μέθοδο της παραδοσιακής χημικής αποακετυλίωσης, στην οποία χρησιμοποιούνται διαλύματα οργανικών οξέων 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 διεργασία υδρόλυσης είναι γνωστή ως αργή και ενεργοβόρα, με υψηλό κόστος. Η απαίτηση για ισχυρά οξέα, υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις αποτελεί παράγοντα που καθιστά την υδρολυτική διεργασία της χιτοζάνης πολύ δαπανηρή και χρονοβόρα. Τα οξέα που χρησιμοποιούνται απαιτούν μεταγενέστερες διεργασίες, όπως εξουδετέρωση και αφαλάτωση.
Με την ενσωμάτωση υπερήχων υψηλής ισχύος στη διεργασία υδρόλυσης, οι απαιτήσεις θερμοκρασίας και πίεσης για την υδρολυτική διάσπαση της χιτίνης και της χιτοζάνης μπορούν να μειωθούν σημαντικά. Επιπλέον, η κατεργασία με υπερήχους επιτρέπει χαμηλότερες συγκεντρώσεις οξέων ή τη χρήση ηπιότερων οξέων. Αυτό καθιστά τη διεργασία πιο βιώσιμη, αποδοτική, οικονομικά αποδοτική και φιλικότερη προς το περιβάλλον.
Χημική αποακετυλίωση υποβοηθούμενη από υπερήχους
Η χημική αποσύνθεση και αποακετυλίωση 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). Οι υπέρηχοι αυξάνουν την ταχύτητα αποακετυλίωσης, μειώνοντας έτσι τον χρόνο αντίδρασης που απαιτείται για την επίτευξη του επιδιωκόμενου βαθμού αποακετυλίωσης. Αυτό σημαίνει ότι η κατεργασία με υπερήχους μειώνει τον απαιτούμενο χρόνο επεξεργασίας από 12–24 ώρες σε λίγες ώρες. Επιπλέον, η κατεργασία με υπερήχους επιτρέπει σημαντικά χαμηλότερες συγκεντρώσεις χημικών ουσιών, για παράδειγμα 40% (w/w) υδροξείδιο του νατρίου με κατεργασία με υπερήχους, ενώ χωρίς τη χρήση υπερήχων απαιτείται 65% (w/w).
Υπερηχητική-ενζυμική αποακετυλίωση
Παρότι η ενζυμική αποακετυλίωση αποτελεί ήπια, περιβαλλοντικά αβλαβή μορφή επεξεργασίας, η αποδοτικότητα και το κόστος της την καθιστούν οικονομικά ασύμφορη. Λόγω της πολύπλοκης, εντάσεως εργασίας και δαπανηρής απομόνωσης και καθαρισμού των ενζύμων από το τελικό προϊόν σε μεταγενέστερα στάδια, η ενζυμική αποακετυλίωση της χιτίνης δεν εφαρμόζεται στην εμπορική παραγωγή, αλλά χρησιμοποιείται μόνο σε εργαστήρια επιστημονικής έρευνας.
Η προκατεργασία με υπερήχους πριν από την ενζυμική αποακετυλίωση κατακερματίζει τα μόρια της χιτίνης, αυξάνοντας έτσι το εμβαδόν της επιφάνειας και καθιστώντας μεγαλύτερη επιφάνεια διαθέσιμη για τα ένζυμα. Η κατεργασία με υπερήχους υψηλών επιδόσεων συμβάλλει στη βελτίωση της ενζυμικής αποακετυλίωσης και καθιστά τη διεργασία οικονομικότερη.
Η Hielscher Ultrasonics κατασκευάζει ομογενοποιητές υπερήχων υψηλών επιδόσεων για εφαρμογές ανάμειξης, διασποράς, γαλακτωματοποίησης και εκχύλισης σε εργαστηριακή, 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.
Χρήσιμες πληροφορίες
Πώς λειτουργούν η εκχύλιση και η αποακετυλίωση της χιτίνης με υπερήχους;
Όταν κύματα υπερήχων ισχύος συζεύγνυνται με ένα υγρό ή έναν πολτό (π.χ. ένα εναιώρημα χιτίνης σε διαλύτη), τα υπερηχητικά κύματα διαδίδονται μέσα στο υγρό προκαλώντας εναλλασσόμενους κύκλους υψηλής / χαμηλής πίεσης. Κατά τους κύκλους χαμηλής πίεσης, δημιουργούνται μικροσκοπικές φυσαλίδες κενού (οι λεγόμενες φυσαλίδες σπηλαίωσης), οι οποίες μεγαλώνουν κατά τη διάρκεια αρκετών κύκλων πίεσης. Όταν φτάσουν σε ένα ορισμένο μέγεθος και δεν μπορούν πλέον να απορροφήσουν περισσότερη ενέργεια, καταρρέουν βίαια κατά τη διάρκεια ενός κύκλου υψηλής πίεσης. Η κατάρρευση των φυσαλίδων χαρακτηρίζεται από έντονες δυνάμεις σπηλαίωσης (τις λεγόμενες ηχομηχανικές δυνάμεις). Αυτές οι ηχομηχανικές συνθήκες εμφανίζονται τοπικά στη θερμή εστία σπηλαίωσης και χαρακτηρίζονται από πολύ υψηλές θερμοκρασίες και πιέσεις έως 4000K και 1000atm, αντίστοιχα, καθώς και από αντίστοιχες μεγάλες διαφορές θερμοκρασίας και πίεσης. Επιπλέον, δημιουργούνται μικροστροβιλισμοί και ρεύματα υγρού με ταχύτητες έως 100m/s. Η εκχύλιση χιτίνης και χιτοζάνης από μύκητες και καρκινοειδή με υπερήχους, καθώς και ο αποπολυμερισμός και η αποακετυλίωση της χιτίνης, οφείλονται κυρίως σε ηχομηχανικές επιδράσεις: η ανάδευση και οι στροβιλισμοί προκαλούν κυτταρική διάρρηξη και προάγουν τη μεταφορά μάζας, ενώ μπορούν επίσης να διασπάσουν πολυμερικές αλυσίδες σε συνδυασμό με όξινους ή αλκαλικούς διαλύτες.
Αρχή λειτουργίας της εκχύλισης χιτίνης με υπερήχους
Η εκχύλιση με υπερήχους διασπά αποτελεσματικά την κυτταρική δομή των μανιταριών και απελευθερώνει τις ενδοκυτταρικές ενώσεις από το κυτταρικό τοίχωμα και το εσωτερικό των κυττάρων (δηλαδή πολυσακχαρίτες όπως η χιτίνη και η χιτοζάνη και άλλες βιοδραστικές φυτοχημικές ενώσεις) στον διαλύτη. Η εκχύλιση με υπερήχους βασίζεται στην αρχή λειτουργίας της ακουστικής σπηλαίωσης. Οι επιδράσεις της υπερηχητικής / ακουστικής σπηλαίωσης είναι ισχυρές δυνάμεις διάτμησης, στροβιλισμοί και έντονες διαφορές πίεσης. Αυτές οι ηχομηχανικές δυνάμεις διασπούν κυτταρικές δομές, όπως τα χιτινώδη κυτταρικά τοιχώματα των μανιταριών, προάγουν τη μεταφορά μάζας μεταξύ του βιοϋλικού των μυκήτων και του διαλύτη και οδηγούν σε πολύ υψηλές αποδόσεις εκχύλισης μέσω μιας ταχείας διαδικασίας. Επιπλέον, η κατεργασία με υπερήχους προάγει την αποστείρωση των εκχυλισμάτων θανατώνοντας βακτήρια και μικρόβια. Η μικροβιακή αδρανοποίηση με κατεργασία με υπερήχους είναι αποτέλεσμα της καταστροφικής δράσης των δυνάμεων σπηλαίωσης στην κυτταρική μεμβράνη, της παραγωγής ελεύθερων ριζών και της τοπικής θέρμανσης.
Αρχή λειτουργίας του αποπολυμερισμού και της αποακετυλίωσης με υπερήχους
Οι πολυμερικές αλυσίδες παγιδεύονται στο πεδίο διάτμησης που δημιουργείται από τους υπερήχους γύρω από μια φυσαλίδα σπηλαίωσης και τα τμήματα της πολυμερικής σπείρας που βρίσκονται κοντά σε μια καταρρέουσα κοιλότητα κινούνται με μεγαλύτερη ταχύτητα από εκείνα που βρίσκονται μακρύτερα. Στη συνέχεια αναπτύσσονται τάσεις στην πολυμερική αλυσίδα λόγω της σχετικής κίνησης των πολυμερικών τμημάτων και των διαλυτών, οι οποίες επαρκούν για να προκαλέσουν διάσπαση. Η διαδικασία είναι επομένως παρόμοια με άλλες επιδράσεις διάτμησης σε διαλύματα πολυμερών ~2° και δίνει πολύ παρόμοια αποτελέσματα. (πρβλ. Price et al., 1994)
Χιτίνη
Η χιτίνη είναι ένα πολυμερές N-ακετυλογλυκοζαμίνης (πολυ-(β-(1–4)-N-ακετυλο-D-γλυκοζαμίνη), ένας φυσικός πολυσακχαρίτης που απαντά ευρέως στον εξωσκελετό ασπόνδυλων όπως τα καρκινοειδή και τα έντομα, στον εσωτερικό σκελετό των καλαμαριών και των σουπιών, καθώς και στα κυτταρικά τοιχώματα των μυκήτων. Ενσωματωμένη στη δομή των κυτταρικών τοιχωμάτων των μανιταριών, η χιτίνη είναι υπεύθυνη για το σχήμα και την ακαμψία του κυτταρικού τοιχώματος των μυκήτων. Για πολλές εφαρμογές, η χιτίνη μετατρέπεται στο αποακετυλιωμένο παράγωγό της, γνωστό ως χιτοζάνη, μέσω μιας διαδικασίας αποπολυμερισμού.
Η χιτοζάνη είναι το πιο κοινό και το πολυτιμότερο παράγωγο της χιτίνης. Είναι ένας πολυσακχαρίτης υψηλού μοριακού βάρους με γλυκοζιτικούς δεσμούς b-1,4, που αποτελείται από N-ακετυλογλυκοζαμίνη και γλυκοζαμίνη.
Η χιτοζάνη μπορεί να παραχθεί μέσω χημικής ή ενζυμικής N-αποακετυλίωσης. Στη χημική διαδικασία αποακετυλίωσης, η ακετυλομάδα (R-NHCOCH3) αποσπάται με ισχυρό αλκάλιο σε υψηλές θερμοκρασίες. Εναλλακτικά, η χιτοζάνη μπορεί να συντεθεί μέσω ενζυμικής αποακετυλίωσης. Ωστόσο, σε κλίμακα βιομηχανικής παραγωγής, η χημική αποακετυλίωση είναι η προτιμώμενη τεχνική, καθώς η ενζυμική αποακετυλίωση είναι σημαντικά λιγότερο αποδοτική λόγω του υψηλού κόστους των ενζύμων αποακετυλάσης και των χαμηλών αποδόσεων χιτοζάνης που επιτυγχάνονται. Η κατεργασία με υπερήχους χρησιμοποιείται για την εντατικοποίηση της χημικής αποδόμησης του δεσμού (1→4)-/β (αποπολυμερισμός) και την πραγματοποίηση της αποακετυλίωσης της χιτίνης, ώστε να παραχθεί χιτοζάνη υψηλής ποιότητας.
Όταν η κατεργασία με υπερήχους εφαρμόζεται ως προκατεργασία για την ενζυμική αποακετυλίωση, βελτιώνονται επίσης η απόδοση και η ποιότητα της χιτοζάνης.
Η Hielscher Ultrasonics κατασκευάζει ομογενοποιητές υπερήχων υψηλής απόδοσης από εργαστηριακή έως βιομηχανική κλίμακα.