Producción de quitina y quitosano a partir de setas

La ultrasonicación es un método muy eficiente para liberar quitina y quitosano de fuentes fúngicas como las setas. La quitina y el quitosano deben someterse a despolimerización y desacetilación en las etapas posteriores de procesamiento para obtener un biopolímero de alta calidad. La despolimerización y la desacetilación asistidas por ultrasonidos constituyen una técnica muy eficaz, sencilla y rápida que permite obtener quitosanos de alta calidad con un alto peso molecular y una biodisponibilidad superior.

Quitina y quitosano derivados de setas mediante ultrasonicación

Las setas comestibles y medicinales como Lentinus edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi o reishi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (champiñones), Hericium erinaceus (melena de león), Cordyceps sinensis (hongo de la oruga), Grifola frondosa (gallina de los bosques), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, cola de pavo) y muchas otras especies de hongos se utilizan ampliamente como alimento y para la extracción de compuestos bioactivos. Estas setas, así como los residuos de su procesamiento, pueden utilizarse para producir quitosano. La ultrasonicación no solo favorece la liberación de quitina de la estructura de la pared celular fúngica, sino que también impulsa la conversión de la quitina en quitosano de gran valor mediante despolimerización y desacetilación asistidas por ultrasonidos.

Este vídeo demuestra la extracción altamente eficiente de hongos melena de león con el homogeneizador ultrasónico Hielscher UP200Ht. La extracción ultrasónica es la técnica perfecta para producir extractos de alta calidad y espectro completo que contienen polisacáridos como los betaglucanos, además de hericenonas y erinacinas.

 

La ultrasonicación intensa mediante un sistema ultrasónico de sonda es una técnica utilizada para favorecer la despolimerización y la desacetilación de la quitina, lo que conduce a la formación de quitosano. La quitina es un polisacárido natural presente en los exoesqueletos de crustáceos e insectos y en las paredes celulares de determinados hongos. El quitosano se obtiene de la quitina mediante la eliminación de los grupos acetilo de la molécula de quitina.

Procedimiento ultrasónico para convertir quitina fúngica en quitosano

Cuando se aplica ultrasonicación intensa para producir quitosano a partir de quitina, una suspensión de quitina se somete a sonicación con ondas ultrasónicas de alta intensidad y baja frecuencia, normalmente en el intervalo de 20 kHz a 30 kHz. El proceso genera una intensa cavitación acústica, que consiste en la formación, el crecimiento y el colapso de burbujas microscópicas de vacío en el líquido. La cavitación genera localmente fuerzas de cizallamiento extremadamente elevadas, altas temperaturas (de hasta varios miles de grados Celsius) y presiones (de hasta varios cientos de atmósferas) en el líquido que rodea las burbujas de cavitación. Estas condiciones extremas contribuyen a la degradación del polímero de quitina y a su posterior desacetilación.
 

 

Despolimerización ultrasónica de la quitina

La despolimerización de la quitina se produce por los efectos combinados de fuerzas mecánicas, como las microcorrientes y los chorros de líquido, así como por reacciones químicas iniciadas mediante ultrasonidos e inducidas por radicales libres y otras especies reactivas formadas durante la cavitación. Las ondas de alta presión generadas durante la cavitación someten las cadenas de quitina a esfuerzos de cizallamiento, lo que provoca la escisión del polímero en fragmentos más pequeños.

Desacetilación ultrasónica de la quitina

Además de la despolimerización, la ultrasonicación intensa también favorece la desacetilación de la quitina. La desacetilación consiste en eliminar los grupos acetilo de la molécula de quitina, lo que conduce a la formación de quitosano. La intensa energía ultrasónica, en particular las altas temperaturas y presiones generadas durante la cavitación, acelera la reacción de desacetilación. Las condiciones reactivas creadas por la cavitación ayudan a romper los enlaces de los grupos acetilo de la quitina, lo que da lugar a la liberación de ácido acético y a la conversión de la quitina en quitosano.
En conjunto, la ultrasonicación intensa mejora tanto la despolimerización como la desacetilación al aportar la energía mecánica y química necesaria para degradar el polímero de quitina y facilitar su conversión en quitosano. Esta técnica ofrece un método rápido y eficiente para producir quitosano a partir de quitina, con numerosas aplicaciones en diversas industrias, entre ellas la farmacéutica, la agricultura y la ingeniería biomédica.

Producción industrial de quitosano a partir de setas con ultrasonidos de potencia

La producción comercial de quitina y quitosano se basa principalmente en residuos de las industrias marinas (es decir, pesca, recolección de mariscos, etc.). Las distintas fuentes de materias primas dan lugar a diferentes calidades de quitina y quitosano, con fluctuaciones de producción y calidad debidas a las variaciones estacionales de la pesca. Además, según se ha informado, el quitosano derivado de fuentes fúngicas ofrece propiedades superiores, como una longitud homogénea de las cadenas poliméricas y una mayor solubilidad, en comparación con el quitosano de fuentes marinas. (cf. Ghormade et al., 2017) Para suministrar quitosano uniforme, la extracción de quitina de especies fúngicas se ha convertido en una alternativa de producción estable. La producción de quitina y citiosan a partir de hongos puede realizarse de forma sencilla y fiable mediante tecnología de extracción y desacetilación ultrasónicas. La sonicación intensa rompe las estructuras celulares para liberar quitina y favorece la transferencia de masa en disolventes acuosos, lo que proporciona mayores rendimientos de quitina y una mayor eficiencia de extracción. La posterior desacetilación ultrasónica convierte la quitina en quitosano de gran valor. Tanto la extracción ultrasónica de quitina como su desacetilación para obtener quitosano pueden escalarse linealmente a cualquier nivel de producción comercial.

Resultados de investigación sobre la desacetilación ultrasónica de quitina y quitosano

Zhu et al. (2018) concluyen en su estudio que la desacetilación ultrasónica ha demostrado ser un avance decisivo, al convertir β-quitina en quitosano con un grado de desacetilación del 83–94% a temperaturas de reacción reducidas. La imagen de la izquierda muestra una imagen de SEM de quitosano desacetilado mediante ultrasonidos (90 W, 15 min, 20 w/v% NaOH, 1:15 (g: mL) (imagen y estudio: © Zhu et al., 2018)
En su protocolo, se preparó una solución de NaOH (20 w/v %) disolviendo escamas de NaOH en agua desionizada. A continuación, se añadió la solución alcalina al sedimento de GLSP (0,5 g) en un tubo de centrifugación, con una relación sólido-líquido de 1:20 (g: mL). Se añadió quitosano a NaCl (40 mL, 0,2 M) y ácido acético (0,1 M) con una relación de volúmenes de solución de 1:1. Después, la suspensión se sometió a ultrasonidos a una temperatura moderada de 25 °C durante 60 min mediante un ultrasonicador de sonda (250 W, 20 kHz). (cf Zhu et al., 2018)
 
Pandit et al. (2021) observaron que la velocidad de degradación de las soluciones de quitosano rara vez se ve afectada por las concentraciones de ácido utilizadas para solubilizar el polímero y depende en gran medida de la temperatura, la intensidad de las ondas ultrasónicas y la fuerza iónica de los medios utilizados para disolver el polímero. (cf. Pandit et al., 2021)
 
En otro estudio, Zhu et al. (2019) utilizaron polvo de esporas de Ganoderma lucidum como materia prima fúngica e investigaron la desacetilación asistida por ultrasonidos y los efectos de parámetros de procesamiento como el tiempo de sonicación, la relación sólido-líquido, la concentración de NaOH y la potencia de irradiación sobre el grado de desacetilación (DD) del quitosano. El valor más alto de DD se obtuvo con los siguientes parámetros ultrasónicos: 20 min de sonicación a 80 W, 10% (g:ml) de NaOH, 1:25 (g:ml). La morfología superficial, los grupos químicos, la estabilidad térmica y la cristalinidad del quitosano obtenido mediante ultrasonidos se examinaron mediante SEM, FTIR, TG y XRD. El equipo de investigación informa de un aumento significativo del grado de desacetilación (DD), la viscosidad dinámica ([η]) y el peso molecular (Mv¯) del quitosano producido mediante ultrasonidos. Los resultados destacaron que la técnica de desacetilación ultrasónica de hongos es un método de producción de quitosano de gran eficacia, adecuado para aplicaciones biomédicas. (cf. Zhu et al., 2019)

Calidad superior del quitosano mediante despolimerización y desacetilación ultrasónicas

Los procesos de extracción y despolimerización de quitina / quitosano impulsados por ultrasonidos pueden controlarse con precisión, y los parámetros del proceso ultrasónico pueden ajustarse a las materias primas y a la calidad deseada del producto final (por ejemplo, peso molecular y grado de desacetilación). Esto permite adaptar el proceso ultrasónico a factores externos y establecer parámetros óptimos para obtener mejores resultados y una mayor eficiencia.
El quitosano desacetilado mediante ultrasonidos presenta una excelente biodisponibilidad y biocompatibilidad. Al comparar las propiedades biomédicas de los biopolímeros de quitosano preparados mediante ultrasonidos con las del quitosano obtenido por vía térmica, el quitosano producido mediante ultrasonidos presenta una viabilidad de los fibroblastos (células L929) significativamente mayor y una actividad antibacteriana mejorada frente a Escherichia coli (E. coli) y Staphylococcus aureus (S. aureus).
(cf. Zhu et al., 2018)
 

Equipos ultrasónicos de alto rendimiento para el procesamiento de quitina y quitosano

La fragmentación de la quitina y la decetylation de la quitina para obtener quitosano requieren equipos ultrasónicos potentes y fiables que puedan proporcionar amplitudes elevadas, permitan controlar con precisión los parámetros del proceso y puedan funcionar 24/7 bajo cargas elevadas y en entornos exigentes. La gama de productos de Hielscher Ultrasonics cumple estos requisitos de forma fiable. Además de un rendimiento ultrasónico sobresaliente, los ultrasonicadores Hielscher ofrecen una elevada eficiencia energética, lo que supone una ventaja económica significativa – especialmente cuando se emplean en la producción comercial a gran escala.
Los ultrasonicadores Hielscher son sistemas de alto rendimiento que pueden equiparse con accesorios como sonotrodos, amplificadores de amplitud, reactores o celdas de flujo para adaptarse de manera óptima a las necesidades de su proceso. Con una pantalla digital en color, la posibilidad de preconfigurar ciclos de sonicación, el registro automático de datos en una tarjeta SD integrada, el control remoto mediante navegador y muchas otras funciones, los ultrasonicadores Hielscher garantizan el máximo control del proceso y facilidad de uso. Gracias a su robustez y capacidad para soportar cargas elevadas, los sistemas ultrasónicos Hielscher son equipos de trabajo fiables para su producción. La fragmentación y la desacetilación de la quitina requieren ultrasonidos potentes para lograr la conversión deseada y un producto final de quitosano de alta calidad. Las amplitudes elevadas y las presiones altas son cruciales, especialmente para la fragmentación de las escamas de quitina y las etapas de despolimerización / desacetilación. Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher Ultrasonics proporcionan fácilmente amplitudes muy elevadas. Pueden funcionar de forma continua con amplitudes de hasta 200 µm en operación 24/7. Para amplitudes aún mayores, se ofrecen sonotrodos ultrasónicos personalizados. La capacidad de potencia de los sistemas ultrasónicos Hielscher permite una despolimerización y una desacetilación eficientes y rápidas en un proceso seguro y fácil de utilizar.
 

La siguiente tabla ofrece una indicación de la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros ultrasonicadores:

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Tratamiento sinérgico de la quitina mejorado mediante ultrasonicación

Para superar los inconvenientes (es decir, baja eficiencia, elevado coste energético, largos tiempos de procesamiento y disolventes tóxicos) de la deacetlytion química y enzimática tradicional de la quitina, se han integrado ultrasonidos de alta intensidad en el procesamiento de quitina y quitosano. La sonicación de alta intensidad y los efectos resultantes de la cavitación acústica provocan una rápida escisión de las cadenas poliméricas y reducen la polidispersidad, favoreciendo así la síntesis de quitosano. Además, las fuerzas de cizallamiento ultrasónicas intensifican la transferencia de masa en la solución, lo que mejora las reacciones químicas, hidrolíticas o enzimáticas. El tratamiento ultrasónico de la quitina puede combinarse con técnicas de procesamiento de quitina ya existentes, como métodos químicos, hidrólisis o procedimientos enzimáticos.

Desacetilación y despolimerización químicas asistidas por ultrasonidos

Dado que la quitina es un biopolímero no reactivo e insoluble, debe someterse a las etapas de desmineralización, desproteinización y despolimerización / desacetilación para obtener quitosano soluble y bioaccesible. Estas etapas del proceso implican tratamientos con ácidos fuertes como HCl y bases fuertes como NaOH y KOH. Como estas etapas convencionales son ineficientes, lentas y requieren grandes cantidades de energía, la intensificación del proceso mediante sonicación mejora significativamente la producción de quitosano. La aplicación de ultrasonidos de potencia aumenta los rendimientos y la calidad del quitosano, reduce la duración del proceso de días a unas pocas horas, permite utilizar disolventes más suaves y mejora la eficiencia energética de todo el proceso.

Desproteinización de la quitina mejorada mediante ultrasonidos

Vallejo-Dominguez et al. (2021) observaron en su investigación sobre la desproteinización de la quitina que la «aplicación de ultrasonidos para la producción de biopolímeros redujo el contenido de proteínas, así como el tamaño de partícula de la quitina. Mediante la asistencia de ultrasonidos se produjo quitosano con un alto grado de desacetilación y un peso molecular medio».

Hidrólisis ultrasónica para la despolimerización de la quitina

En la hidrólisis química se utilizan ácidos o álcalis para desacetilar la quitina; sin embargo, la desacetilación alcalina (por ejemplo, con hidróxido de sodio NaOH) se emplea más ampliamente. La hidrólisis ácida es un método alternativo a la desacetilación química tradicional, en el que se utilizan soluciones de ácidos orgánicos para despolimerizar la quitina y el quitosano. El método de hidrólisis ácida se utiliza principalmente cuando el peso molecular de la quitina y el quitosano debe ser homogéneo. Este proceso de hidrólisis convencional se caracteriza por ser lento y por su elevado consumo energético y coste. La necesidad de ácidos fuertes, altas temperaturas y presiones son factores que convierten el proceso hidrolítico del quitosano en un procedimiento muy costoso y prolongado. Los ácidos utilizados requieren procesos posteriores, como neutralización y desalación.
Con la integración de ultrasonidos de alta potencia en el proceso de hidrólisis, pueden reducirse significativamente los requisitos de temperatura y presión para la escisión hidrolítica de la quitina y el quitosano. Además, la sonicación permite utilizar concentraciones de ácido más bajas o ácidos más suaves. Esto hace que el proceso sea más sostenible, eficiente, rentable y respetuoso con el medio ambiente.

Desacetilación química asistida por ultrasonidos

La desintegración química y la deacteylation de quitina y quitosano se logran principalmente tratando la quitina o el quitosano con ácidos minerales (por ejemplo, ácido clorhídrico HCl), nitrito de sodio (NaNO₂) o peróxido de hidrógeno (H₂O₂). Los ultrasonidos mejoran la velocidad de desacetilación, acortando así el tiempo de reacción necesario para obtener el grado de desacetilación deseado. Esto significa que la sonicación reduce el tiempo de procesamiento necesario de 12–24 horas a unas pocas horas. Además, la sonicación permite utilizar concentraciones de sustancias químicas significativamente más bajas; por ejemplo, 40% (w/w) de hidróxido de sodio con sonicación, mientras que sin ultrasonidos se requiere 65% (w/w).

Desacetilación ultrasónica-enzimática

Aunque la desacetilación enzimática es una forma de procesamiento suave y respetuosa con el medio ambiente, su eficiencia y sus costes la hacen económicamente inviable. Debido a la complejidad, la elevada necesidad de mano de obra y el alto coste del aislamiento y la purificación posteriores de las enzimas del producto final, la desacetilación enzimática de la quitina no se aplica en la producción comercial, sino únicamente en laboratorios de investigación científica.
El pretratamiento ultrasónico previo a la deacetlytation enzimática fragmenta las moléculas de quitina, aumentando así la superficie y haciendo que haya más superficie disponible para las enzimas. La sonicación de alto rendimiento ayuda a mejorar la desacetilación enzimática y hace que el proceso sea más económico.