Ultraheliuur on väga tõhus meetod kitiini ja kitosaani vabastamiseks seenallikatest, näiteks seentest. Kvaliteetse biopolümomeetri saamiseks tuleb kitiin ja kitosaan deatsetüülida. Ultraheli abil deatsetülatsioon on väga tõhus, lihtne ja kiire tehnika, mille tulemuseks on kvaliteetsed chitosanid, millel on kõrge 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.

 

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 rakuseinte eksoskelettides. 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.
 

 

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 võimsuse ultraheliga

Kaubanduslik kitiini ja kitosaani tootmine põhineb peamiselt meretööstuse jäätmetel (st kalapüük, karpkalade koristamine jne). Erinevad tooraineallikad põhjustavad erinevaid kitiini ja kitosaani omadusi, mis tulenevad tootmisest ja hooajalistest kalapüügi erinevustest tingitud kvaliteedi kõikumistest. Lisaks pakub seenallikatest saadud kitosaan teadaolevalt paremaid omadusi, nagu homogeenne polümeeri pikkus ja suurem lahustuvus võrreldes mereallikatest pärit kitosaaniga. (vrd Ghormade et al., 2017) Ühtlase kitosaani tarnimiseks on kitiini ekstraheerimine seenliikidest muutunud stabiilseks alternatiivseks tootmiseks. Seente kitiini ja tsitiosani tootmist saab ultraheli ekstraheerimise ja deatsetülatsioonitehnoloogia abil kergesti ja usaldusväärselt saavutada. Intensiivne ultrahelitöötlus häirib rakustruktuure kitiini vabastamiseks ja soodustab massiülekannet veelahust lahustites, et tagada hea kitiini saagikus ja ekstraheerimise efektiivsus. Järgnev ultraheli deatsetülatsioon muudab kitiini väärtuslikuks kitosaaniks. Nii ultraheli kitiini ekstraheerimist kui ka deatsetüülimist chitosanile saab lineaarselt skaleerida mis tahes kaubandusliku tootmistasemeni.

Ultraheli kitiini ja kitosaani deatsetüülimise uurimistulemused

Zhu jt (2018) järeldavad oma uuringus, et ultraheli deatsetülatsioon on osutunud oluliseks läbimurdeks, muutes β-kitiini chitosaniks 83–94% deatsetüülimisega vähendatud reaktsioonitemperatuuril. Vasakul pildil on SEM-pilt ultraheli deatsetüülitud kitosaanist (90 W, 15 min, 20 w/ v% NaOH, 1:15 (g: mL) (pilt ja uuring: © Zhu jt, 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)
 
Pandit jt (2021) leidsid, et kitosaanilahuste lagunemise kiirust mõjutavad harva polümeeri lahustumiseks kasutatava happe kontsentratsioonid ja see sõltub suuresti polümeeri lahustamiseks kasutatava meedia temperatuurist, intensiivsusest ja ioonilisest tugevusest. (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). Ultraheli 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

Ultrahelipõhised kitiini / kitosaani ekstraheerimise ja depolümerisatsiooni protsessid on täpselt kontrollitavad ja ultraheli protsessi parameetreid saab kohandada tooraine ja sihitud lõpptoote kvaliteediga (nt molekulmass, deatsetüülimise aste). See võimaldab kohandada ultraheliprotsessi väliste teguritega ja seada optimaalsed parameetrid suurepärase tulemuse ja tõhususe saavutamiseks.
Ultraheli deatsetüülitud kitosaan näitab suurepärast biosaadavust ja biosobivust. 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 aureus (S. aureus).
(vrd Zhu et al., 2018)
 

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 suuremahulises kaubanduslikus tootmises.
Hielscheri ultrasonikaatorid on suure jõudlusega süsteemid, mida saab varustada selliste tarvikutega nagu sonotroodid, süütevõimendid, reaktorid või voolurakud, et sobitada teie protsessi vajadusi optimaalselt. Digitaalse värviekraaniga on tagatud ultrahelitöötluse eelseadistamise võimalus, automaatne andmete salvestamine integreeritud SD-kaardile, brauseri kaugjuhtimine ja palju muid funktsioone, kõrgeim protsessi juhtimine ja kasutajasõbralikkus. Koos töökindluse 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 depolümerisatsiooni ja deatsetüülimist turvalises ja kasutajasõbralikus protsessis.
 

Alljärgnev tabel annab teile ülevaate meie ultrahelihitiste ligikaudse töötlemisvõimsusest:

---

---

Sünergistlik kitiiniravi paranes ultraheliga

Traditsioonilise keemilise ja ensümaatilise kitiini deatsetlüsatsiooni puuduste (st madala efektiivsuse, kõrge energiakulu, pika töötlemisaja, toksiliste lahustite) 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 mittereageeriv ja lahustumatu biopolümeer, peab see lahustuva ja bioatüssiivse tštosaani saamiseks läbima demineraliseerimise, deproteiniseerimise ja depolümerisatsiooni / deatsetüülimise protsessietapid. Need protsessietapid hõlmavad tugeva happega ravi, nagu HCl ja tugevad alused nagu NaOH ja KOH. Kuna need tavapärased protsessietapid on ebaefektiivsed, aeglased ja nõuavad suuri energiaid, parandab protsessi intensiivistamine ultrahelitöötluse teel märkimisväärselt chitosani tootmist. Võimsus ultraheli rakendamine suurendab kitosaani saagikust ja kvaliteeti, vähendab protsessi päevadest mõne tunnini, võimaldab kergemaid lahusteid ja muudab kogu protsessi energiatõhusamaks.

Chitini 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 chitiini depolümerisatsiooniks

Keemilise hüdrolüüsi puhul kasutatakse kitiini deatsetüütimiseks kas happeid või leelisi, kuid leelise deatsetüülimist (nt naatriumhüdroksiid NaOH) kasutatakse laialdasemalt. Happe hüdrolüüs on vahelduv meetod traditsioonilisele keemilisele deatsetüülimisele, kus chitiini 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 ja energia- ja kulumahukaks. Tugevate hapete, kõrgete temperatuuride ja rõhkude nõue on tegurid, mis muudavad hüdrolüütilise kitosaani protsessi väga kulukaks ja aeganõudvaks protseduuriks. Kasutatavad happed vajavad järgnevaid protsesse, nagu neutraliseerimine ja soolamine.
Suure võimsusega ultraheli integreerimisega hüdrolüüsiprotsessi saab kitiini ja kitosaani hüdrolüütilise lõhustumise temperatuuri ja rõhu nõudeid oluliselt vähendada. Lisaks võimaldab ultrahelitöötlus vähendada happe kontsentratsiooni või kasutada kergemaid happeid. See muudab protsessi jätkusuutlikumaks, tõhusamaks, kulutõhusamaks ja keskkonnasõbralikumaks.

Ultraheli abil keemiline deatsetüülimine

Kitiini ja kitosaani keemiline lagunemine ja deatsetülatsioon saavutatakse peamiselt kitiini või kitosaani töötlemisel mineraalhapetega (nt soolhape HCl), naatriumnitritiga (NaNO).₂) või vesinikperoksiid (H₂O₂). Ultraheli parandab deatsetülatsioonikiirust, lühendades seeläbi reaktsiooniaega, mis on vajalik deatsetülatsiooni sihipärase astme saamiseks. See tähendab, et ultrahelitöötlus vähendab nõutavat töötlemisaega 12-24 tundi mõne tunnini. Lisaks võimaldab ultrahelitöötlus oluliselt vähendada keemilisi kontsentratsioone, näiteks 40% (w / w) naatriumhüdroksiidi ultrahelitöötluse abil, samas kui 65% (w / w) on vajalik ilma ultraheli kasutamiseta.

Ultraheli-ensümaatiline deatsetüülimine

Kuigi ensümaatiline deatsetüülimine on kerge, keskkonnasõbraliku töötlemisvormiga, on selle tõhusus ja kulud ebamajanduslikud. Ensüümide keerulise, töömahuka ja kuluka järgneva isolatsiooni ning lõpptootest puhastamise tõttu ei rakendata ensümaatilise kitiini deatsetülatsiooni kaubanduslikus tootmises, vaid kasutatakse ainult teadusuuringute laboris.
Ultraheli eeltöötlus enne ensümaatilise deatsematlütatsiooni fragmente chitiini molekulid, suurendades seeläbi pindala ja muutes ensüümidele rohkem pinda kättesaadavaks. Suure jõudlusega ultrahelitöötlus aitab parandada ensümaatilist deatsetüülimist ja muudab protsessi ökonoomsemaks.