Producción de quitina y quitosano a partir de hongos

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 ser desacetilados en el procesamiento posterior para obtener un biopolímero de alta calidad. La 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 de las setas

Setas comestibles y medicinales como Lentinus edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi o reishi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (setas de botón), 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 del 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 de los hongos, sino que también impulsa la conversión de la quitina en valioso quitosano mediante la despolimerización por ultrasonidos.

Deacetilación ultrasónica de quitina a quitosano

La desacetilación de la quitina al quitosano es promovida por la sonicación

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Ultrasonic extractor UIP4000hdT for extraction en deacetylation of chitin from mushrooms

La ultrasonicación se utiliza para extraer la quitina de las setas. Además, los ultrasonidos favorecen la desacetilación de la quitina para obtener quitosano.

La ultrasonicación es un método de extracción rápido y suave para producir extracto de hongos de alta calidad. En el vídeo, se utiliza un UP400St para la extracción de polisacáridos de setas comestibles.

Extracción de champiñón frío usando el UP400St con una sonda de 22mm

quitinaLa quitina, que es un polímero de N-acetilglucosamina (poli-(β-(1-4)-N-acetil-D-glucosamina), es un polisacárido natural que se encuentra ampliamente en el exoesqueleto de invertebrados como los crustáceos y los insectos, en el esqueleto interno de los calamares y las sepias, así como en las paredes celulares de los hongos. Incrustada en la estructura de las paredes celulares de los hongos, la quitina es responsable de la forma y la rigidez de la pared celular fúngica. Para muchas aplicaciones, la quitina se convierte en su derivado desacetilado, conocido como quitosano, mediante un proceso de despolimerización.
quitosano es el derivado más común y más valioso de la quitina. Es un polisacárido de alto peso molecular unido por un glucósido b-1,4, compuesto por N-acetil-glucosamina y glucosamina.
El quitosano puede obtenerse por vía química o enzimática norte-desacetilación. En el proceso de desacetilación por vía química, el grupo acetilo (R-NHCOCH3) se escinde mediante álcalis fuertes a altas temperaturas. Como alternativa, el quitosano puede sintetizarse mediante desacetilación enzimática. Sin embargo, en la escala de producción industrial, la desacetilación química es la técnica preferida, ya que la desacetilación enzimática es significativamente menos eficiente debido al alto coste de las enzimas desacetilasas y a los bajos rendimientos de quitosano obtenidos. La ultrasonicación se utiliza para intensificar la degradación química del enlace (1→4)-/β (despolimerización) y efectuar la desacetilación de la quitina para obtener un quitosano de alta calidad. Cuando se aplica la sonicación como pretratamiento para la desacetilación enzimática, también se mejora el rendimiento y la calidad del quitosano.

Producción industrial de quitosano a partir de hongos con ultrasonidos

La producción comercial de quitina y quitosano se basa principalmente en los residuos de las industrias marinas (es decir, la pesca, la recolección de mariscos, etc.). Las diferentes fuentes de materia prima dan lugar a diferentes calidades de quitina y quitosano, lo que provoca fluctuaciones de producción y calidad debido a las variaciones estacionales de la pesca. Además, el quitosano derivado de fuentes fúngicas ofrece, según se informa, propiedades 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 producción alternativa estable. 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 los 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 de quitina por ultrasonidos como la desacetilación a quitosano pueden escalarse linealmente a cualquier nivel de producción comercial.

Ultrasonic extraction and deacetylation  of fungal chitin give high-quality chitosan.

La sonicación intensifica la producción de quitosano fúngico y hace que la producción sea más eficiente y económica.
(Imagen y estudio: © Zhu et al., 2019)

Ultrasonic chitin extraction from mushrooms with the UP400ST probe-type ultrasonicator (400W, 24kHz)

ultrasonido UP400St para la extracción de hongos: La sonicación proporciona altos rendimientos de compuestos bioactivos como los polisacáridos quitina y quitosano

Síntesis de quitosano altamente eficiente mediante sonicación

Para superar los inconvenientes (es decir, la baja eficacia, el alto coste energético, el largo tiempo de procesamiento y los disolventes tóxicos) de la desacetlización 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 conducen a una rápida escisión de las cadenas de polímeros 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.

Desacetilación y despolimerización química asistida por ultrasonidos

Dado que la quitina es un biopolímero no reactivo e insoluble, debe someterse a las etapas del proceso 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 del proceso convencional son ineficientes, lentos y exigen altas energías, la intensificación del proceso mediante la sonicación mejora significativamente la producción de quitosano. La aplicación del ultrasonido de potencia aumenta el rendimiento y la calidad del quitosano, reduce el proceso de días a unas pocas horas, permite utilizar disolventes más suaves y hace que todo el proceso sea más eficiente desde el punto de vista energético.

Mejora de la desproteinización de la quitina mediante ultrasonidos

Vallejo-Dominguez et al. (2021) encontraron 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 las partículas de quitina. Se produjo quitosano de alto grado de desacetilación y de peso molecular medio mediante la asistencia de 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) es más utilizada. 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 su lentitud y por su alto coste energético. 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 desalación.
Con la integración de los ultrasonidos de alta potencia en el proceso de hidrólisis, los requisitos de temperatura y presión para la escisión hidrolítica de la quitina y el quitosano pueden reducirse considerablemente. 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 desactilación de la quitina y el quitosano se consigue 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 a 24 horas a unas pocas horas. Además, la sonicación permite reducir significativamente las concentraciones químicas, por ejemplo el 40% (p/p) de hidróxido de sodio utilizando la sonicación, mientras que se requiere el 65% (p/p) sin el uso de ultrasonidos.

Desacetilación ultrasónica-enzimática

Aunque la desacetilación enzimática es una forma de procesamiento suave y respetuosa con el medio ambiente, su eficacia y sus costes son poco rentables. Debido a que el aislamiento y la purificación de las enzimas del producto final son complejos, laboriosos y costosos, la desacetilación enzimática de la quitina no se aplica en la producción comercial, sino que sólo se utiliza 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.

Resultados de la investigación sobre la desacetilación ultrasónica de la quitina y el quitosano

Sonochemically deacetylated chitin results in high-quality chitosan.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 del 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 destilada. La solución alcalina se añadió entonces al sedimento de GLSP (0,5 g) en una proporción sólido-líquido de 1:20 (g: mL) en un tubo de centrífuga. El quitosano se añadió al NaCl (40 mL, 0,2 M) y al ácido acético (0,1 M) en una proporción de volumen de solución de 1:1. A continuación, la suspensión se sometió a ultrasonidos a una temperatura suave de 25 °C durante 60 minutos utilizando un ultrasonido tipo sonda (250 W, 20 kHz). (cf Zhu et al., 2018)
Pandit et al. (2021) descubrieron que la tasa 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 de ultrasonido 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 valor más alto 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 que la técnica de desacetilación ultrasónica de los hongos es un método de producción muy potente para el quitosano, que es adecuado para aplicaciones biomédicas. (cf. Zhu et al., 2019)

Chitins and chitosans from mushroom can be efficiently extracted using probe-type ultrasonication.

Imágenes SEM de quitinas y quitosanos de dos especies de hongos: a) quitina de L. vellereus; b) quitina de P. ribis; c) quitosano de L.vellereus; d) quitosano de P. ribis.
imagen y estudio: © Erdoğan et al., 2017

Industrial ultrasonic tank reactor with high-performance ultrasonic probe for chitin deacetylation

Reactor ultrasónico con Sonda de ultrasonidos de 2000W (sonotrodo) para la extracción de quitina de los hongos y su posterior despolimerización/desacetilación

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Calidad superior del quitosano con la desacetilación ultrasónica

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 los factores externos y establecer los parámetros óptimos para obtener un resultado y una eficacia superiores.
El quitosano desacetilado por ultrasonidos muestra una excelente biodisponibilidad y biocompatibilidad. Cuando se comparan los biopolímeros de quitosano preparados por ultrasonidos con el quitosano derivado térmicamente en lo que respecta a las propiedades biomédicas, el quitosano producido por ultrasonidos presenta una viabilidad de los fibroblastos (células 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)

¿Cómo funciona la extracción y desacetilación de quitina por ultrasonidos?

Cuando se acoplan ondas ultrasónicas potentes en un líquido o lodo (por ejemplo, una suspensión de quitina en un disolvente), las ondas ultrasónicas se desplazan por el líquido provocando ciclos alternos de alta y baja presión. Durante los ciclos de baja presión, se crean diminutas burbujas de vacío (las llamadas burbujas de cavitación), que crecen durante varios ciclos de presión. Al llegar a un determinado tamaño, cuando las burbujas no pueden absorber más energía, implosionan violentamente durante un ciclo de alta presión. La implosión de las burbujas se caracteriza por intensas fuerzas de cavitación (o sonomecánicas). Estas condiciones sonomecánicas se producen localmente en el punto caliente de cavitación y se caracterizan por temperaturas y presiones muy elevadas, de hasta 4000K y 1000atm, respectivamente; así como por los correspondientes diferenciales de temperatura y presión elevados. Además, se generan microturbulencias y corrientes de líquido con velocidades de hasta 100m/s. La extracción por ultrasonidos de la quitina y el quitosano de hongos y crustáceos, así como la despolimerización y desacetilación de la quitina, se deben principalmente a los efectos sonomecánicos: la agitación y las turbulencias interrumpen las células y promueven la transferencia de masa y también pueden cortar las cadenas de polímeros en combinación con disolventes ácidos o alcalinos.
Principio de funcionamiento de la extracción de quitina por ultrasonidos: La extracción por ultrasonidos rompe eficazmente la estructura celular de los hongos y libera los compuestos intracelulares de la pared y el interior de la célula (es decir, polisacáridos como la quitina y el quitosano y otros fitoquímicos bioactivos) en el disolvente. La extracción por ultrasonidos se basa en el principio de funcionamiento de la cavitación acústica. Los efectos de la cavitación ultrasónica/acústica son las fuerzas de cizallamiento elevadas, las turbulencias y los diferenciales de presión intensos. Estas fuerzas sonomecánicas rompen estructuras celulares como las paredes celulares de los hongos, promueven la transferencia de masa entre el biomaterial de los hongos y el disolvente y dan lugar a rendimientos de extracto muy elevados en un proceso rápido. Además, la sonicación favorece la esterilización de los extractos al eliminar las bacterias y los microbios. La inactivación microbiana por sonicación es el resultado de las fuerzas de cavitación destructivas de la membrana celular, la producción de radicales libres y el calentamiento localizado.
Principio de funcionamiento de la despolimerización y desacetilación por ultrasonidos: Las cadenas de polímero quedan atrapadas en el campo de cizallamiento alrededor de una burbuja y los segmentos de la cadena de la bobina de polímero cercanos a una cavidad que colapsa se moverán a mayor velocidad que los más alejados. Se producen entonces tensiones en la cadena del polímero debido al movimiento relativo de los segmentos del polímero y los disolventes, y éstas son suficientes para provocar la escisión. El proceso es, pues, similar a otros efectos de cizallamiento en soluciones de polímeros ~2° y da resultados muy similares. (cf. Price et al., 1994)

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Equipo de ultrasonidos de alto rendimiento para el procesamiento de quitina y quitosano fúngicos

Desacetilación ultrasónica de la chición al quitosano

Imágenes de microscopía electrónica de barrido (SEM) con un aumento de 100× de a) gladio, b) gladio tratado con ultrasonido, c) β-chitin, d) β-chitin tratado con ultrasonido, y e) quitosano (fuente: Preto et al. 2017)

4kW ultrasonicator for industrial chitin / chitosan processing from crustacean and fungiLa fragmentación de la quitina y la desacetilación de la quitina a quitosano requiere equipos ultrasónicos potentes y fiables que puedan suministrar altas amplitudes, ofrezcan un control preciso de los parámetros del proceso y puedan funcionar 24 horas al día, 7 días a la semana, bajo una gran carga y en entornos exigentes. La gama de productos de Hielscher Ultrasonics cumple con estos requisitos de forma fiable. Además de un excelente rendimiento de los ultrasonidos, los ultrasonidos de Hielscher cuentan con una alta eficiencia energética, lo que supone una importante ventaja económica – especialmente cuando se emplea en la producción comercial a gran escala.
Los ultrasonidos de Hielscher son sistemas de alto rendimiento que pueden equiparse con accesorios como sonotrodos, reforzadores, reactores o celdas de flujo para adaptarse a las necesidades de su proceso de forma óptima.Gracias a la pantalla digital en color, la posibilidad de preconfigurar los ciclos de sonicación, el registro automático de datos en una tarjeta SD integrada, el control remoto mediante navegador y muchas otras funciones, se garantiza el máximo control del proceso y la facilidad de uso. Junto con la robustez y la gran capacidad de carga, los sistemas de ultrasonidos de Hielscher son su caballo de batalla fiable en la producción. La fragmentación y la desacetilación de la quitina requieren potentes ultrasonidos 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 las altas amplitudes y las elevadas presiones. Los procesadores industriales de ultrasonidos de Hielscher Ultrasonics proporcionan fácilmente amplitudes muy altas. Amplitudes de hasta 200µm pueden funcionar continuamente en operación 24/7. Para amplitudes aún mayores, hay disponibles sonotrodos ultrasónicos personalizados. La capacidad de potencia de los sistemas de ultrasonidos de Hielscher permite una desacetilación eficiente y rápida en un proceso seguro y fácil de usar.
En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores:

Volumen del lote Tasa de flujo Dispositivos recomendados
1 a 500 mL 10 a 200 mL/min. UP100H
10 a 2000 mL 20 a 400 mL/min. UP200Ht, UP400St
0,1 a 20 L 0,2 a 4 L/min UIP2000hdT
10 a 100 L 2 a 10 L/min UIP4000hdT
n.a. 10 a 100 L/min UIP16000
n.a. mayor Grupo de UIP16000

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Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento para aplicaciones de mezcla, dispersión, emulsificación y extracción a escala de laboratorio, piloto e industrial.



Literatura / Referencias


High performance ultrasonics! Hielscher's product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.

Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrasónicos de alto rendimiento de laboratorio a tamaño industrial.