La ultrasonicación es un método muy eficaz para liberar la quitina y el quitosano de fuentes fúngicas como las setas. La quitina y el quitosano deben despolimerizarse y desacetilarse en el procesamiento posterior para obtener un biopolímero de alta calidad. La despolimerización y desacetilación asistida por ultrasonidos es una técnica muy eficaz, sencilla y rápida, que permite obtener quitosanos de alta calidad con un peso molecular elevado y una biodisponibilidad superior.

Quitina y quitosano derivados de hongos mediante ultrasonidos

Hongos comestibles y medicinales como Lentinus edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi o reishi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (champiñón), Hericium erinaceus (melena de león), Cordyceps sinensis (hongo oruga), Grifola frondosa (gallina de la madera), 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. Estos hongos, así como los residuos de su procesamiento (desechos de hongos), pueden utilizarse para producir quitosano. La ultrasonicación no sólo promueve la liberación de la quitina de la estructura de la pared celular fúngica, sino que también impulsa la conversión de la quitina en valioso quitosano mediante la despolimerización y la desacetilación asistidas por ultrasonidos.

 

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

Procedimiento ultrasónico para la conversión de quitina fúngica en quitosano

Cuando se aplica la ultrasonicación intensa para la producción de quitosano a partir de quitina, se sonicaba una suspensión de quitina con ondas ultrasónicas de alta intensidad y baja frecuencia, normalmente en el rango de 20 kHz a 30 kHz. El proceso genera una intensa cavitación acústica, que se refiere a la formación, crecimiento y colapso de burbujas microscópicas de vacío en el líquido. La cavitación genera fuerzas de cizallamiento extremadamente altas localizadas, altas temperaturas (hasta varios miles de grados Celsius) y presiones (hasta varios cientos de atmósferas) en el líquido que rodea las burbujas de cavitación. Estas condiciones extremas contribuyen a la ruptura 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 el microflujo y el chorro de líquido, así como por reacciones químicas iniciadas por ultrasonidos e inducidas por radicales libres y otras especies reactivas formadas durante la cavitación. Las ondas de alta presión generadas durante la cavitación hacen que las cadenas de quitina sufran tensiones 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 promueve la desacetilación de la quitina. La desacetilación implica la eliminación de los grupos acetilo de la molécula de quitina, lo que conduce a la formación de quitosano. La energía ultrasónica intensa, en particular las altas temperaturas y presiones generadas durante la cavitación, aceleran la reacción de desacetilación. Las condiciones reactivas creadas por la cavitación ayudan a romper los enlaces acetilo de la quitina, lo que da lugar a la liberación de ácido acético y a la conversión de quitina en quitosano.
En general, la ultrasonicación intensa mejora tanto los procesos de despolimerización como de desacetilación al proporcionar la energía mecánica y química necesaria para romper el polímero de quitina y facilitar la conversión en quitosano. Esta técnica ofrece un método rápido y eficaz para la producción de quitosano a partir de quitina, con numerosas aplicaciones en diversas industrias, como la farmacéutica, la agrícola y la de ingeniería biomédica.

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

La producción comercial de quitina y quitosano se basa principalmente en los residuos de las industrias marinas (es decir, la pesca, la recogida de moluscos, etc.). Las distintas fuentes de materia prima dan lugar a diferentes calidades de quitina y quitosano, con las consiguientes fluctuaciones de producción y calidad debidas a las variaciones estacionales de la pesca. Además, el quitosano derivado de fuentes fúngicas ofrece propiedades supuestamente superiores, como la longitud homogénea del polímero 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 estable de producción. La producción de quitina y citiosano a partir de hongos puede lograrse de forma fácil y fiable utilizando la tecnología de extracción y desacetilación por ultrasonidos. La sonicación intensa altera las estructuras celulares para liberar la quitina y favorece la transferencia de masa en disolventes acuosos para obtener rendimientos superiores de quitina y eficiencia de extracción. La posterior desacetilación ultrasónica convierte la quitina en el valioso quitosano. Tanto la extracción ultrasónica de quitina como la desacetilación a quitosano pueden escalarse linealmente a cualquier nivel de producción comercial.

Resultados de la 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 crucial, convirtiendo la β-quitina en quitosano con un 83-94% de desacetilación a temperaturas de reacción reducidas. La imagen de la izquierda muestra una imagen SEM de quitosano desacetilado por ultrasonidos (90 W, 15 min, 20 p/v% NaOH, 1:15 (g: mL) (imagen y estudio: © Zhu et al., 2018)
En su protocolo, la solución de NaOH (20 p/v %) se preparó disolviendo copos de NaOH en agua desionizada. A continuación, la solución alcalina se añadió al sedimento GLSP (0,5 g) en una proporción sólido-líquido de 1:20 (g: mL) en un tubo de centrífuga. El quitosano se añadió a NaCl (40 mL, 0,2 M) y ácido acético (0,1 M) en una proporción de volumen de solución de 1:1. La suspensión se sometió a ultrasonidos y se disolvió en agua. A continuación, la suspensión se sometió a ultrasonidos a una temperatura suave de 25 °C durante 60 min utilizando un ultrasonicador tipo sonda (250 W, 20 kHz). (cf Zhu et al., 2018)
 
Pandit et al. (2021) descubrieron 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 del medio utilizado para disolver el polímero. (cf. Pandit et al., 2021)
 
En otro estudio, Zhu et al. (2019) utilizaron polvos de esporas de Ganoderma lucidum como materia prima fúngica e investigaron la desacetilación asistida por ultrasonidos y los efectos de los parámetros de procesamiento como el tiempo de sonicación, la relación sólido-líquido, la concentración de NaOH y la potencia de irradiación en el grado de desacetilación (DD) del quitosano. El mayor valor de DD se obtuvo con los siguientes parámetros ultrasónicos: 20 min de sonicación a 80W, 10% (g:ml) de NaOH, 1:25 (g:ml). La morfología de la superficie, los grupos químicos, la estabilidad térmica y la cristalinidad del quitosano obtenido por ultrasonidos se examinaron mediante SEM, FTIR, TG y XRD. El equipo de investigación informa de una mejora significativa del grado de desacetilación (DD), la viscosidad dinámica ([η]) y el peso molecular (Mv¯) del quitosano producido por ultrasonidos. Los resultados subrayaron la técnica de desacetilación ultrasónica de hongos un método de producción altamente potente para el quitosano, que es adecuado para aplicaciones biomédicas. (cf. Zhu et al., 2019)

Calidad superior del quitosano gracias a la despolimerización y desacetilación por ultrasonidos

Los procesos de extracción y despolimerización de quitina/quitosano por ultrasonidos se pueden controlar con precisión y los parámetros del proceso ultrasónico se pueden ajustar a las materias primas y a la calidad del producto final deseado (por ejemplo, peso molecular, grado de desacetilación). Esto permite adaptar el proceso de ultrasonidos a factores externos y establecer parámetros óptimos para obtener un resultado y una eficacia superiores.
El quitosano desacetilado por ultrasonidos presenta una biodisponibilidad y una biocompatibilidad excelentes. Cuando los biopolímeros de quitosano preparados por ultrasonidos se comparan con el quitosano derivado térmicamente en cuanto a propiedades biomédicas, el quitosano producido por ultrasonidos muestra una viabilidad de fibroblastos (célula L929) significativamente mejorada y una mayor actividad antibacteriana tanto para Escherichia coli (E. coli) como para 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 desacetilación de la quitina en quitosano requieren equipos ultrasónicos potentes y fiables que puedan suministrar amplitudes elevadas, ofrezcan una capacidad de control precisa de los parámetros del proceso y puedan funcionar 24 horas al día, 7 días a la semana, bajo cargas pesadas y en entornos exigentes. La gama de productos de Hielscher Ultrasonics cumple estos requisitos de forma fiable. Además de un excelente rendimiento de ultrasonidos, los ultrasonicadores de Hielscher cuentan con una alta eficiencia energética, lo que supone una importante ventaja económica. – 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, boosters, reactores o celdas de flujo para adaptarse de forma óptima a las necesidades de su proceso.Gracias a su pantalla digital en color, la posibilidad de preajustar los ciclos de sonicación, el registro automático de datos en una tarjeta SD integrada, el control remoto mediante navegador y muchas más funciones, los ultrasonidos de Hielscher garantizan el máximo control del proceso y una gran facilidad de uso. Junto con su robustez y su gran capacidad de carga, los sistemas de ultrasonidos de Hielscher son su caballo de batalla fiable en la producción. La fragmentación y desacetilación de la quitina requiere ultrasonidos potentes para obtener la conversión deseada y un producto final de quitosano de alta calidad. Especialmente para la fragmentación de las escamas de quitina y los pasos de despolimerización / desacetilación, son cruciales altas amplitudes y elevadas presiones. Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher Ultrasonics proporcionan fácilmente amplitudes muy altas. Amplitudes de hasta 200µm pueden funcionar continuamente en operación 24/7. Para amplitudes aún mayores, se dispone de sonotrodos ultrasónicos personalizados. La capacidad de potencia de los sistemas de ultrasonidos de Hielscher permite una eficiente y rápida despolimerización y desacetilación en un proceso seguro y fácil de usar.
 

En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

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Mejora del tratamiento sinérgico de la quitina mediante ultrasonidos

Para superar los inconvenientes (es decir, baja eficacia, alto coste energético, largo tiempo de procesamiento, disolventes tóxicos) de la deactilación química y enzimática tradicional de la quitina, se han integrado los ultrasonidos de alta intensidad en el procesamiento de la quitina y el 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 del quitosano. Además, las fuerzas de cizallamiento ultrasónicas intensifican la transferencia de masa en la solución, de modo que se potencian 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. Estos pasos del proceso implican tratamientos con ácidos fuertes como el HCl y bases fuertes como el NaOH y el KOH. Como estos pasos convencionales del proceso son ineficaces, lentos y exigen grandes cantidades de energía, la intensificación del proceso mediante sonicación mejora significativamente la producción de quitosano. La aplicación de ultrasonidos potentes aumenta el rendimiento y la calidad del quitosano, reduce el proceso de días a unas horas, permite utilizar disolventes más suaves y hace que todo el proceso sea más eficiente desde el punto de vista energético.

Desproteinización de la quitina mejorada por ultrasonidos

Vallejo-Dominguez et al. (2021) descubrieron en su investigación de la desproteinización de la quitina que la “La aplicación de ultrasonidos para la producción de biopolímeros redujo el contenido de proteínas, así como el tamaño de las partículas de quitina. Se produjo quitosano de alto grado de desacetilación y peso molecular medio mediante ultrasonidos.”

Hidrólisis ultrasónica para la despolimerización de la quitina

Para la hidrólisis química, se utilizan ácidos o álcalis para desacetilar la quitina, aunque la desacetilación con álcalis (por ejemplo, hidróxido de sodio NaOH) está más extendida. 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 sobre todo cuando el peso molecular de la quitina y el quitosano debe ser homogéneo. Este proceso de hidrólisis convencional es conocido por ser lento y costoso en energía y costes. La necesidad de ácidos fuertes, altas temperaturas y presiones son factores que convierten el proceso hidrolítico del quitosano en un procedimiento muy caro y que requiere mucho tiempo. Los ácidos utilizados requieren procesos posteriores como la neutralización y la desalinización.
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 reducir las concentraciones de ácido o utilizar 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 desacteilación de la quitina y el quitosano se consiguen 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 concentraciones químicas significativamente más bajas, por ejemplo un 40% (p/p) de hidróxido de sodio utilizando la sonicación, mientras que se requiere un 65% (p/p) sin el uso de ultrasonidos.

Desacetilación ultrasónica-enzimática

Aunque la desacetilación enzimática es una forma de procesado suave y respetuosa con el medio ambiente, su eficacia y sus costes no son rentables. Debido a que el aislamiento y la purificación de las enzimas del producto final son complejos, laboriosos y caros, la desacetilación enzimática de la quitina no se aplica en la producción comercial, sino sólo en los laboratorios de investigación científica.
El pretratamiento ultrasónico antes de la desacetilación enzimática fragmenta las moléculas de quitina, ampliando 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.