Kitiini ja kitosaani tootmine seentest

Ultraheli on väga tõhus meetod kitiini ja kitosaani vabastamiseks seenallikatest, näiteks seentest. Kitiin ja kitosaan peavad olema depolümeriseeritud ja deatsetüülitud allavoolu töötlemisel, et saada kvaliteetne biopolümeer. Ultraheli abil depolümeriseerimine ja deatsetüülimine on väga tõhus, lihtne ja kiire tehnika, mille tulemuseks on kvaliteetsed kitosaanid, millel on suur molekulmass ja suurepärane biosaadavus.

Seenest saadud kitiin ja kitosaan ultraheli abil

Toiduna ja bioaktiivsete ühendite ekstraheerimiseks kasutatakse laialdaselt söödavaid ja raviseeni, nagu Lentinus edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi või reishi), Inonotus obliquus (must pässik), Agaricus bisporus (nööpseened), Hericium erinaceus (lõvikarva), Cordyceps sinensis (rööviku seen), Grifola frondosa (kana-of-the-wood), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, kalkunisaba) ja paljud teised seeneliigid. Neid seeni ja jääkide töötlemist (seenejäätmeid) saab kasutada kitosaani tootmiseks. Ultraheli mitte ainult ei soodusta kitiini vabanemist seente rakuseina struktuurist, vaid juhib ka kitiini muundamist väärtuslikuks kitosaaniks ultraheli abil depolümerisatsiooni ja deatsetüülimise kaudu.

Kitiini depolümerisatsiooni ja deatsetüülimist kitosaaniks soodustab ultrahelitöötlus

Intensiivne ultraheliuuring sondi tüüpi ultraheli süsteemi abil on tehnika, mida kasutatakse kitiini depolümerisatsiooni ja deatsetüülimise edendamiseks, mis viib kitosaani moodustumiseni. Kitiin on looduslikult esinev polüsahhariid, mida leidub koorikloomade, putukate ja teatud seente rakuseintes. Kitosaan saadakse kitiinist, eemaldades kitiinimolekulist atsetüülrühmad.

Ultraheli protseduur seente kitiini muundamiseks kitosaaniks

Kui kitosaani tootmiseks kitiinist rakendatakse intensiivset ultraheli, töödeldakse kitiini suspensiooni suure intensiivsusega, madala sagedusega ultraheli lainetega, tavaliselt vahemikus 20 kHz kuni 30 kHz. Protsess tekitab intensiivse akustilise kavitatsiooni, mis viitab mikroskoopiliste vaakummullide moodustumisele, kasvule ja kokkuvarisemisele vedelikus. Kavitatsioon tekitab kavitatsioonimulle ümbritsevas vedelikus lokaliseeritud äärmiselt kõrge nihkejõud, kõrged temperatuurid (kuni mitu tuhat kraadi Celsiuse järgi) ja rõhud (kuni mitusada atmosfääri). Need äärmuslikud tingimused aitavad kaasa kitiini polümeeri lagunemisele ja sellele järgnevale deatsetüülimisele.
 

SEM-pildid kitiinidest ja kitosaanidest kahest seeneliigist: a) L. vellereuse kitiin; b) P. ribis'est saadud kitiin; c) kitosaan L.vellereusest; d) kitosaan P. ribisest.
pilt ja uuring: © Erdoğan et al., 2017

kitiini ultraheli depolümerisatsioon

Kitiini depolümerisatsioon toimub mehaaniliste jõudude, näiteks mikrovoolide ja vedelikujoa kombineeritud mõjude kaudu, samuti ultraheli algatatud keemiliste reaktsioonide kaudu, mis on indutseeritud vabade radikaalide ja teiste kavitatsiooni käigus moodustunud reaktiivsete liikide poolt. Kavitatsiooni ajal tekkivad kõrgsurvelained põhjustavad kitiini ahelate nihkepinget, mille tulemuseks on polümeeri lõhenemine väiksemateks fragmentideks.

Kitiini ultraheli deatsetüülimine

Lisaks depolümerisatsioonile soodustab intensiivne ultraheliuuring ka kitiini deatsetüülimist. Deatsetüülimine hõlmab atsetüülrühmade eemaldamist kitiinimolekulist, mis viib kitosaani moodustumiseni. Intensiivne ultraheli energia, eriti kavitatsiooni ajal tekkinud kõrged temperatuurid ja rõhud, kiirendavad deatsetüülimisreaktsiooni. Kavitatsiooniga tekitatud reaktiivsed tingimused aitavad katkestada atsetüülsidemeid kitiinis, mille tulemuseks on äädikhappe vabanemine ja kitiini muundumine kitosaaniks.
Üldiselt suurendab intensiivne ultraheliuuring nii depolümerisatsiooni kui ka deatsetüülimisprotsesse, pakkudes vajalikku mehaanilist ja keemilist energiat kitiini polümeeri lagundamiseks ja kitosaaniks muundamise hõlbustamiseks. See meetod pakub kiiret ja tõhusat meetodit kitosaani tootmiseks kitiinist, millel on arvukalt rakendusi erinevates tööstusharudes, sealhulgas farmaatsiatööstuses, põllumajanduses ja biomeditsiinitehnikas.

Tööstuslik kitosaani tootmine seenest koos võimsuse ultraheliga

Kaubanduslik kitiini ja kitosaani tootmine põhineb peamiselt meretööstuse jäätmetel (st kalapüük, karpide ja vähiliste püük jne). Erinevad tooraineallikad põhjustavad erinevaid kitiini ja kitosaani omadusi, mis tulenevad tootmisest ja hooajalistest kalapüügierinevustest tingitud kvaliteedikõikumistest. Lisaks pakub seeneallikatest saadud kitosaan väidetavalt paremaid omadusi, nagu homogeenne polümeeri pikkus ja suurem lahustuvus võrreldes mereallikatest pärit kitosaaniga. (vrd Ghormade et al., 2017) Ühtlase kitosaani tarnimiseks on kitiini ekstraheerimine seeneliikidest muutunud stabiilseks alternatiivseks tootmiseks. Kitiini ja tsitiosani tootmist seentest saab kergesti ja usaldusväärselt saavutada ultraheli ekstraheerimise ja deatsetüülimise tehnoloogia abil. Intensiivne ultrahelitöötlus häirib rakustruktuure kitiini vabastamiseks ja soodustab massiülekannet vesilahustites, et saavutada parem kitiini saagis ja ekstraheerimise efektiivsus. Järgnev ultraheli deatsetüülimine muudab kitiini väärtuslikuks kitosaaniks. Nii ultraheli kitiini ekstraheerimist kui ka deatsetüülimist kitosaanile saab lineaarselt skaleerida mis tahes kaubanduslikule tootmistasemele.

Sonikatsioon intensiivistab seente kitosaani tootmist ja muudab tootmise tõhusamaks ja ökonoomsemaks.
(pilt ja uuring: © Zhu et al., 2019)

Ultraheli kitiini ja kitosaani deatsetüülimise uurimistulemused

(2018) järeldavad oma uuringus, et ultraheli deatsetüülimine on osutunud oluliseks läbimurdeks, muutes β-kitiini kitosaaniks 83–94% deatsetüülimisega vähendatud reaktsioonitemperatuuridel. Vasakul pildil on SEM-pilt ultraheli deatsetüülitud kitosaanist (90 W, 15 min, 20 w / v% NaOH, 1:15 (g: ml) (pilt ja uuring: © Zhu et al., 2018)
Nende protokollis valmistati NaOH lahus (20 w/v %) NaOH helveste lahustamisel DI vees. Seejärel lisati leeliselahus GLSP settele (0,5 g) tahke vedeliku suhtega 1:20 (g: ml) tsentrifuugiküvetti. Kitosaan lisati NaCl-le (40 ml, 0,2 M) ja äädikhappele (0,1 M) lahuse mahu suhtega 1:1. Seejärel tehti suspensioonile ultraheli kergel temperatuuril 25 ° C 60 minutit, kasutades sondi tüüpi ultrasonikaatorit (250W, 20kHz). (vrd Zhu et al., 2018)
 
(2021) leidsid, et kitosaani lahuste lagunemiskiirust mõjutavad harva polümeeri lahustamiseks kasutatava happe kontsentratsioonid ja see sõltub suuresti polümeeri lahustamiseks kasutatud keskkonna temperatuurist, ultrahelilainete intensiivsusest ja ioontugevusest. (vrd Pandit et al., 2021)
 
Teises uuringus kasutasid Zhu jt (2019) seente toorainena Ganoderma lucidum spooripulbreid ja uurisid ultraheli abil deatsetüülimist ning selliste töötlemisparameetrite mõju nagu ultrahelitöötluse aeg, tahke ja vedeliku suhe, NaOH kontsentratsioon ja kiiritusvõimsus kitosaani deatsetüülimise (DD) astmele. Kõrgeim DD väärtus saadi järgmistel ultraheli parameetritel: 20 min ultrahelitöötlus 80W juures, 10% (g:ml) NaOH, 1:25 (g:ml). Ultraheliga saadud kitosaani pinna morfoloogiat, keemilisi rühmi, termilist stabiilsust ja kristallilisust uuriti SEM, FTIR, TG ja XRD abil. Uurimisrühm teatab ultraheli toodetud kitosaani deatsetüülimise (DD), dünaamilise viskoossuse ([η]) ja molekulmassi (Mv ̄) olulisest suurenemisest. Tulemused rõhutasid seente ultraheli deatsetüülimise tehnikat, mis on kitosaani jaoks väga tugev tootmismeetod, mis sobib biomeditsiinilisteks rakendusteks. (vrd Zhu et al., 2019)

Suurepärane kitosaani kvaliteet ultraheli depolümerisatsiooni ja deatsetüülimisega

Kitiini / kitosaani ekstraheerimise ja depolümerisatsiooni ultraheli juhitud protsessid on täpselt kontrollitavad ja ultraheli protsessi parameetreid saab kohandada toorainete ja sihitud lõpptoote kvaliteediga (nt molekulmass, deatsetüülimise aste). See võimaldab kohandada ultraheliprotsessi väliste teguritega ja seada optimaalsed parameetrid parema tulemuse ja efektiivsuse saavutamiseks.
Ultraheli deatsetüülitud kitosaan näitab suurepärast biosaadavust ja bioühilduvust. Kui ultraheli valmistatud kitosaani biopolümeere võrreldakse biomeditsiiniliste omaduste osas termiliselt saadud kitosaaniga, on ultraheli toodetud kitosaanil oluliselt paranenud fibroblasti (L929 rakk) elujõulisus ja suurenenud antibakteriaalne aktiivsus nii Escherichia coli (E. coli) kui ka Staphylococcus aureuse (S. aureus) puhul.
(vrd Zhu et al., 2018)
 

Skaneerivad elektronmikroskoopia (SEM) kujutised suurendusega 100× a) gladius, b) ultraheliga töödeldud gladius, c) β-kitiin, d) ultraheliga töödeldud β-kitiin ja e) kitosaan (allikas: Preto et al. 2017)

Suure jõudlusega ultraheli seadmed kitiini ja kitosaani töötlemiseks

Kitiini killustumine ja kitiini detüülimine kitosaaniks nõuab võimsaid ja usaldusväärseid ultraheli seadmeid, mis suudavad pakkuda kõrgeid amplituudi, pakuvad täpset kontrollitavust protsessi parameetrite üle ja mida saab kasutada 24/7 suure koormuse all ja nõudlikes keskkondades. Hielscher Ultrasonics tootevalik vastab nendele nõuetele usaldusväärselt. Lisaks silmapaistvale ultraheliuuringule on Hielscheri ultrasonikaatoritel kõrge energiatõhusus, mis on märkimisväärne majanduslik eelis – eriti kui seda kasutatakse kaubanduslikus suuremahulises tootmises.
Hielscheri ultrasonikaatorid on suure jõudlusega süsteemid, mida saab varustada selliste tarvikutega nagu sonotroodid, süütevõimendid, reaktorid või voolurakud, et need vastaksid teie protsessi vajadustele optimaalsel viisil. Digitaalse värviekraaniga on võimalus ultrahelitöötluse eelseadistamiseks, automaatne andmete salvestamine integreeritud SD-kaardile, brauseri kaugjuhtimine ja palju muid funktsioone, Hielscheri ultrasonikaatorid tagavad kõrgeima protsessi juhtimise ja kasutajasõbralikkuse. Koos vastupidavuse ja suure kandevõimega on Hielscheri ultraheli süsteemid teie usaldusväärne tööhobune tootmises. 
Kitiini killustumine ja deatsetüülimine nõuab võimsat ultraheli, et saada sihipärane muundamine ja kvaliteetne kitosaani lõpptoode. Eriti kitiinihelveste killustumise ja depolümerisatsiooni / deatsetüülimise etappide jaoks on üliolulised suured amplituudid ja kõrgendatud rõhk. Hielscher Ultrasonics tööstuslikud ultraheli protsessorid pakuvad kergesti väga kõrgeid amplituudi. Amplituudid kuni 200 μm saab pidevalt käivitada 24/7 operatsioonis. Veelgi suuremate amplituudide jaoks on saadaval kohandatud ultraheli sonotroodid. Hielscheri ultraheli süsteemide võimsus võimaldab tõhusat ja kiiret depolümeriseerimist ja deatsetüülimist turvalises ja kasutajasõbralikus protsessis.
 

Sünergistlik kitiiniravi paranes ultraheliga

Traditsioonilise keemilise ja ensümaatilise kitiini deatsetlüsatsiooni puuduste (st madal efektiivsus, kõrge energiakulu, pikk töötlemisaeg, toksilised lahustid) ületamiseks on kitiini ja kitosaani töötlemisse integreeritud suure intensiivsusega ultraheli. Suure intensiivsusega ultrahelitöötlus ja sellest tulenevad akustilise kavitatsiooni mõjud põhjustavad polümeerahelate kiiret lõhenemist ja vähendavad polüdisperssust, soodustades seeläbi kitosaani sünteesi. Lisaks intensiivistavad ultraheli nihkejõud lahuses massiülekannet, nii et paraneb keemiline, hüdrolüütiline või ensümaatiline reaktsioon. Ultraheli kitiini töötlemist saab kombineerida juba olemasolevate kitiini töötlemise meetoditega, nagu keemilised meetodid, hüdrolüüs või ensümaatilised protseduurid.

Ultraheli abil keemiline deatsetüülimine ja depolümeriseerimine

Kuna kitiin on mittereaktiivne ja lahustumatu biopolümeer, peab see lahustuva ja bioatsessiivse kitosaani saamiseks läbima demineraliseerimise, deproteiniseerimise ja depolümerisatsiooni / deatsetüülimise protsessietapid. Need protsessietapid hõlmavad ravi tugevate hapetega nagu HCl ja tugevate alustega nagu NaOH ja KOH. Kuna need tavapärased protsessietapid on ebaefektiivsed, aeglased ja nõuavad suuri energiaid, parandab protsessi intensiivistamine ultrahelitöötlusega kitosaani tootmist märkimisväärselt. Võimsuse-ultraheli kasutamine suurendab kitosaani saagikust ja kvaliteeti, vähendab protsessi päevadest mõne tunnini, võimaldab kergemaid lahusteid ja muudab kogu protsessi energiatõhusamaks.

Kitiini ultraheli täiustatud deproteiniseerimine

Vallejo-Dominguez jt (2021) leidsid kitiini deproteiniseerimise uurimisel, et “ultraheli kasutamine biopolümeeride tootmiseks vähendas nii valgusisaldust kui ka kitiini osakeste suurust. Kõrge deatsetüülimisastme ja keskmise molekulmassiga kitosaan toodeti ultraheli abil.”

Ultraheli hüdrolüüs kitiini depolümerisatsiooniks

Keemilise hüdrolüüsi puhul kasutatakse kitiini deatsetüleerimiseks kas happeid või leeliseid, kuid leelise deatsetüülimist (nt naatriumhüdroksiid NaOH) kasutatakse laialdasemalt. Happe hüdrolüüs on traditsioonilise keemilise deatsetüülimise vahelduv meetod, kus kitiini ja kitosaani depolümeriseerimiseks kasutatakse orgaanilisi happelahuseid. Happe hüdrolüüsi meetodit kasutatakse enamasti siis, kui kitiini ja kitosaani molekulmass peab olema homogeenne. Seda tavapärast hüdrolüüsiprotsessi nimetatakse aeglaseks ning energia- ja kulumahukaks. Tugevate hapete, kõrge temperatuuri ja rõhu nõue on tegurid, mis muudavad hüdrolüütilise kitosaani protsessi väga kulukaks ja aeganõudvaks protseduuriks. Kasutatavad happed vajavad järgnevaid protsesse, nagu neutraliseerimine ja soolatustamine.
Suure võimsusega ultraheli integreerimisega hüdrolüüsiprotsessi saab kitiini ja kitosaani hüdrolüütilise lõhustamise temperatuuri ja rõhu nõudeid oluliselt vähendada. Lisaks võimaldab ultrahelitöötlus madalamaid happe kontsentratsioone või kergemate hapete kasutamist. See muudab protsessi jätkusuutlikumaks, tõhusamaks, kulutõhusamaks ja keskkonnasõbralikumaks.

Ultraheli abil keemiline deatsetüülimine

Kitiini ja kitosaani keemiline lagunemine ja deatsetüülimine saavutatakse peamiselt kitiini või kitosaani töötlemisel mineraalhapetega (nt vesinikkloriidhape HCl), naatriumnitritiga (NaNO)₂) või vesinikperoksiidi (H₂O₂). Ultraheli parandab deatsetüülimise kiirust, lühendades seeläbi reaktsiooniaega, mis on vajalik deatsetüülimise sihipärase astme saamiseks. See tähendab, et ultrahelitöötlus vähendab vajalikku töötlemisaega 12-24 tundi mõne tunnini. Lisaks võimaldab ultrahelitöötlus oluliselt madalamaid keemilisi kontsentratsioone, näiteks 40% (w / w) naatriumhüdroksiidi, kasutades ultrahelitöötlust, samas kui 65% (w / w) on vajalik ilma ultraheli kasutamiseta.

Ultraheli-ensümaatiline deatsetüülimine

Kuigi ensümaatiline deatsetüülimine on kerge, keskkonnasõbralik töötlemisvorm, on selle tõhusus ja kulud ebamajanduslikud. Ensüümide keerulise, töömahuka ja kuluka järgneva isoleerimise ja lõpptootest puhastamise tõttu ei rakendata ensümaatilist kitiini deatsetüülimist kaubanduslikus tootmises, vaid seda kasutatakse ainult teadusuuringute laboris.
Ultraheli eeltöötlus enne ensümaatilise deatsetlütatsiooni fragmente kitiini molekule, suurendades seeläbi pindala ja muutes ensüümidele rohkem pinda kättesaadavaks. Suure jõudlusega ultrahelitöötlus aitab parandada ensümaatilist deatsetüülimist ja muudab protsessi ökonoomsemaks.