تولید کیتین و کیتوزان از قارچ

امواج فراصوت یک روش بسیار کارآمد برای انتشار کیتین و کیتوزان از منابع قارچی مانند قارچ است. کیتین و کیتوزان باید در فرآوری پایین دستی پلیمریزه و داستیله شوند تا یک بیوپلیمر با کیفیت بالا به دست آید. دپلیمریزاسیون با کمک التراسونیک و داستیلاسیون یک روش بسیار کارآمد ، ساده و سریع است که منجر به کیتوزان با کیفیت بالا با وزن مولکولی بالا و فراهمی زیستی برتر می شود.

کیتین و کیتوزان مشتق شده از قارچ از طریق امواج فراصوت

قارچ خوراکی و دارویی مانند Lentinus edodes (shiitake), گانودرما lucidum (Lingzhi یا reishi), obliquus Inonotus (chaga), Agaricus bisporus (قارچ دکمه ای), Hericium erinaceus (یال شیر), سرچماقی sinensis (قارچ کاترپیلار), Grifola frondosa (مرغ از چوب), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, بوقلمون) و بسیاری از گونه های قارچی دیگر به طور گسترده ای به عنوان مواد غذایی و برای استخراج ترکیبات فعال زیستی استفاده می شود. از این قارچ ها و همچنین باقیمانده های فرآوری (ضایعات قارچ) می توان برای تولید کیتوزان استفاده کرد. امواج فراصوت نه تنها ترویج انتشار کیتین از ساختار دیواره سلولی قارچ، بلکه تبدیل کیتین به کیتوزان با ارزش از طریق دپلیمریزاسیون با کمک اولتراسونیک و داستیلاسیون درایو.

دپلیمریزاسیون و داستیلاسیون کیتین به کیتوزان با فراصوت ترویج می شود

امواج فراصوت شدید با استفاده از یک سیستم مافوق صوت از نوع کاوشگر یک تکنیک مورد استفاده برای ترویج دپلیمریزاسیون و داستیلاسیون کیتین است که منجر به تشکیل کیتوزان می شود. کیتین یک پلی ساکارید طبیعی است که در اسکلت بیرونی سخت پوستان، حشرات و دیواره های سلولی قارچ های خاص یافت می شود. کیتوزان با حذف گروه های استیل از مولکول کیتین از کیتین مشتق می شود.

روش اولتراسونیک برای تبدیل قارچ کیتین به کیتوزان

هنگامی که سونوگرافی شدید برای تولید کیتوزان از کیتین اعمال می شود، یک سوسپانسیون کیتین با شدت بالا، امواج اولتراسوند با فرکانس پایین، به طور معمول در محدوده 20 کیلوهرتز تا 30 کیلوهرتز، فراصوت می شود. این فرآیند کاویتاسیون صوتی شدیدی ایجاد می کند که به تشکیل، رشد و فروپاشی حباب های خلاء میکروسکوپی در مایع اشاره دارد. کاویتاسیون نیروهای برشی بسیار بالا موضعی، دمای بالا (تا چند هزار درجه سانتیگراد) و فشارها (تا چند صد اتمسفر) را در مایع اطراف حباب های حفره ایجاد می کند. این شرایط شدید به تجزیه پلیمر کیتین و داستیلاسیون متعاقب آن کمک می کند.
 

تصاویر SEM از کیتین ها و کیتوزان ها از دو گونه قارچ: الف) کیتین از L. vellereus. ب) کیتین از P. ribis. ج) کیتوزان از L.vellereus. د) کیتوزان از P. ribis.
تصویر و مطالعه: © اردوغان و همکاران، 2017

دپلیمریزاسیون التراسونیک کیتین

دپلیمریزاسیون کیتین از طریق اثرات ترکیبی نیروهای مکانیکی مانند microstreaming و جت مایع و همچنین توسط واکنش های شیمیایی ناشی از التراسونیک ناشی از رادیکال های آزاد و سایر گونه های واکنشی تشکیل شده در طول کاویتاسیون رخ می دهد. امواج پرفشار تولید شده در طول کاویتاسیون باعث می شود زنجیره های کیتین تحت تنش برشی قرار گیرند و در نتیجه پلیمر به قطعات کوچکتر تقسیم شود.

داستیلاسیون اولتراسونیک کیتین

علاوه بر دپلیمریزاسیون، سونوگرافی شدید نیز ترویج داستیلاسیون کیتین. داستیلاسیون شامل حذف گروه های استیل از مولکول کیتین است که منجر به تشکیل کیتوزان می شود. انرژی اولتراسونیک شدید، به ویژه دما و فشار بالا تولید شده در طول کاویتاسیون، واکنش داستیلاسیون را تسریع می کند. شرایط واکنشی ایجاد شده توسط کاویتاسیون به شکستن پیوندهای استیل در کیتین کمک می کند و در نتیجه اسید استیک آزاد می شود و کیتین به کیتوزان تبدیل می شود.
به طور کلی، فراصوت شدید افزایش هر دو فرایند depolymerization و deacetylation با ارائه انرژی مکانیکی و شیمیایی لازم برای شکستن پلیمر کیتین و تسهیل تبدیل به کیتوزان. این تکنیک روشی سریع و کارآمد برای تولید کیتوزان از کیتین ارائه می دهد که کاربردهای متعددی در صنایع مختلف از جمله داروسازی، کشاورزی و مهندسی زیست پزشکی دارد.

تولید کیتوزان صنعتی از قارچ با سونوگرافی قدرت

تولید تجاری کیتین و کیتوزان عمدتا بر اساس ضایعات صنایع دریایی (یعنی ماهیگیری، برداشت صدف و غیره) است. منابع مختلف مواد اولیه منجر به کیفیت های مختلف کیتین و کیتوزان می شود که منجر به نوسانات تولید و کیفیت به دلیل تغییرات فصلی ماهیگیری می شود. علاوه بر این، کیتوزان مشتق شده از منابع قارچی خواص برتری مانند طول پلیمر همگن و حلالیت بیشتر در مقایسه با کیتوزان از منابع دریایی را ارائه می دهد. (رجوع کنید به قرماد و همکاران، 2017) به منظور تامین کیتوزان یکنواخت، استخراج کیتین از گونه های قارچی به یک تولید جایگزین پایدار تبدیل شده است. تولید کیتین و سیتیوزان از قارچ ها را می توان به راحتی و قابل اعتماد با استفاده از استخراج مافوق صوت و تکنولوژی deacetylation به دست آورد. فراصوت شدید مختل ساختار سلولی به انتشار کیتین و ترویج انتقال جرم در حلال های آبی برای بازده کیتین برتر و بهره وری استخراج. داستیلاسیون اولتراسونیک بعدی کیتین را به کیتوزان ارزشمند تبدیل می کند. هر دو، استخراج کیتین اولتراسونیک و داستیلاسیون به کیتوزان را می توان به صورت خطی به هر سطح تولید تجاری مقیاس کرد.

فراصوت تولید کیتوزان قارچی را تشدید می کند و تولید را کارآمدتر و مقرون به صرفه تر می کند.
(تصویر و مطالعه: © ژو و همکاران، 2019)

نتایج تحقیقات برای التراسونیک کیتین و داستیلاسیون کیتوزان

ژو و همکاران (2018) در مطالعه خود نتیجه گرفتند که داستیلاسیون اولتراسونیک ثابت کرده است که یک پیشرفت حیاتی است و تبدیل β-کیتین به کیتوزان با 83-94٪ داستیلاسیون در دمای واکنش کاهش یافته است. تصویر سمت چپ نشان می دهد یک تصویر SEM از التراسونیک deacetylated کیتوزان (90 W، 15 دقیقه، 20 w/v٪ NaOH، 1:15 (گرم: میلی لیتر) (تصویر و مطالعه: © ژو و همکاران، 2018)
در پروتکل آنها، محلول هیدروکسید سدیم (20 درصد وزنی/حجمی) با حل پرک های هیدروکسید سدیم در آب DI تهیه شد. سپس محلول قلیایی به رسوب GLSP (5/0 گرم) با نسبت جامد به مایع 1:20 (گرم: میلی لیتر) در یک لوله سانتریفیوژ اضافه شد. کیتوزان به کلرید سدیم (40 میلی لیتر، 2/0 مولار) و اسید استیک (1/0 مولار) با نسبت حجمی محلول 1:1 اضافه شد. سپس سوسپانسیون تحت سونوگرافی در دمای ملایم 25 درجه سانتیگراد به مدت 60 دقیقه با استفاده از یک اولتراسونیک از نوع پروب (250W، 20kHz) قرار گرفت. (cf Zhu و همکاران، 2018)
 
پاندیت و همکاران (2021) دریافتند که میزان تخریب محلول های کیتوزان به ندرت تحت تأثیر غلظت اسید مورد استفاده برای حل کردن پلیمر قرار می گیرد و تا حد زیادی به دما، شدت امواج اولتراسوند و قدرت یونی محیط مورد استفاده برای حل کردن پلیمر بستگی دارد. (رجوع کنید به پاندیت و همکاران، 2021)
 
در مطالعه دیگری ، Zhu و همکاران (2019) از پودرهای اسپور گانودرما lucidum به عنوان ماده اولیه قارچی استفاده کردند و داستیلاسیون با کمک اولتراسونیک و اثرات پارامترهای پردازش مانند زمان فراصوت ، نسبت جامد به مایع ، غلظت NaOH و قدرت تابش بر درجه داستیلاسیون (DD) کیتوزان را بررسی کردند. بالاترین مقدار DD در پارامترهای اولتراسونیک زیر به دست آمد: 20 دقیقه فراصوت در 80W، 10٪ (گرم: میلی لیتر) NaOH، 1:25 (گرم: میلی لیتر). مورفولوژی سطحی، گروه های شیمیایی، پایداری حرارتی و تبلور کیتوزان به دست آمده از طریق امواج فراصوت با استفاده از SEM، FTIR، TG و XRD مورد بررسی قرار گرفت. تیم تحقیقاتی گزارش افزایش قابل توجهی از درجه داستیلاسیون (DD), ویسکوزیته دینامیکی ([η]) و وزن مولکولی (Mv ̄) از کیتوزان مافوق صوت تولید. نتایج نشان داد که تکنیک داستیلاسیون اولتراسونیک قارچ ها یک روش تولید بسیار قوی برای کیتوزان است که برای کاربردهای زیست پزشکی مناسب است. (رجوع کنید به ژو و همکاران، 2019)

کیفیت برتر کیتوزان با دپلیمریزاسیون اولتراسونیک و داستیلاسیون

فرآیندهای التراسونیک رانده شده از استخراج کیتین / کیتوزان و دپلیمریزاسیون دقیقا قابل کنترل هستند و پارامترهای فرآیند مافوق صوت را می توان به مواد اولیه و کیفیت محصول نهایی هدف (به عنوان مثال، وزن مولکولی، درجه داستیلاسیون) تنظیم کرد. این اجازه می دهد تا فرآیند سونوگرافی را با عوامل خارجی تطبیق دهید و پارامترهای بهینه را برای نتیجه برتر و کارایی تعیین کنید.
التراسونیک deacetylated کیتوزان نشان می دهد فراهمی زیستی و زیست سازگاری عالی. هنگامی که بیوپلیمرهای کیتوزان التراسونیک آماده شده با کیتوزان مشتق شده حرارتی در مورد خواص زیست پزشکی مقایسه می شوند، کیتوزان التراسونیک تولید شده به طور قابل توجهی بهبود فیبروبلاست (سلول L929) زنده ماندن و افزایش فعالیت ضد باکتریایی برای هر دو اشریشیا کلی (E. کلی) و استافیلوکوکوس اورئوس (استافیلوکوکوس اورئوس).
(رجوع کنید به ژو و همکاران، 2018)
 

تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) در بزرگنمایی 100× از الف) گلادیوس، ب) گلادیوس تحت درمان با سونوگرافی، ج) β-کیتین، د) β-کیتین تحت درمان با سونوگرافی و ه) کیتوزان (منبع: پرتو و همکاران 2017)

تجهیزات اولتراسونیک با کارایی بالا برای پردازش کیتین و کیتوزان

تکه تکه شدن کیتین و دستیل شدن کیتین به کیتوزان به تجهیزات اولتراسونیک قدرتمند و قابل اعتماد نیاز دارد که می تواند دامنه های بالایی را ارائه دهد، قابلیت کنترل دقیق پارامترهای فرآیند را ارائه می دهد و می تواند 24/7 تحت بار سنگین و در محیط های سخت کار کند. Hielscher مافوق صوت طیف وسیعی از محصولات این الزامات را به طور قابل اعتمادی برآورده می کند. علاوه بر عملکرد سونوگرافی برجسته، مافوق صوت Hielscher دارای بهره وری انرژی بالا، که یک مزیت اقتصادی قابل توجهی است – به خصوص هنگامی که در تولید تجاری در مقیاس بزرگ استفاده می شود.
مافوق صوت Hielscher سیستم های با کارایی بالا است که می تواند با لوازم جانبی مانند sonotrodes مجهز, بوستر, راکتورها و یا سلول های جریان به منظور مطابقت با نیازهای فرآیند خود را در شیوه ای بهینه. با صفحه نمایش رنگ دیجیتال, گزینه ای برای اجرای فراصوت از پیش تنظیم, ضبط خودکار داده ها بر روی یک کارت SD یکپارچه, کنترل مرورگر از راه دور و بسیاری از ویژگی های دیگر, مافوق صوت Hielscher اطمینان از بالاترین کنترل فرآیند و کاربر پسند. همراه با استحکام و ظرفیت تحمل بار سنگین، سیستم های اولتراسونیک Hielscher اسب کار قابل اعتماد خود را در تولید هستند. 
تکه تکه شدن و داستیلاسیون کیتین برای به دست آوردن تبدیل هدفمند و محصول نهایی کیتوزان با کیفیت بالا نیاز به سونوگرافی قدرتمند دارد. به خصوص برای تکه تکه شدن پوسته های کیتین و مراحل دپلیمریزاسیون / داستیلاسیون ، دامنه های بالا و فشارهای بالا بسیار مهم است. Hielscher مافوق صوت صنعتی پردازنده های اولتراسونیک به راحتی ارائه دامنه بسیار بالا. دامنه های تا 200 میکرومتر را می توان به طور مداوم در عملیات 24/7 اجرا کرد. برای دامنه های حتی بالاتر ، سونوترودهای اولتراسونیک سفارشی در دسترس هستند. ظرفیت قدرت سیستم های اولتراسونیک Hielscher اجازه می دهد تا برای depolymerization کارآمد و سریع و deacetylation در یک فرایند امن و کاربر پسند.
 

درمان کیتین سینرژیک با سونوگرافی بهبود یافته است

به منظور غلبه بر اشکالات (یعنی راندمان کم، هزینه انرژی بالا، زمان پردازش طولانی، حلال های سمی) از deacetlytion شیمیایی سنتی و آنزیمی کیتین، سونوگرافی با شدت بالا در پردازش کیتین و کیتوزان ادغام شده است. فراصوت با شدت بالا و اثرات ناشی از کاویتاسیون صوتی منجر به شکافت سریع زنجیره های پلیمری و کاهش پلی پراکندگی، در نتیجه ترویج سنتز کیتوزان. علاوه بر این، نیروهای برشی اولتراسونیک انتقال جرم را در محلول تشدید می کنند به طوری که واکنش شیمیایی، هیدرولیتیک یا آنزیمی افزایش می یابد. درمان کیتین اولتراسونیک را می توان با تکنیک های پردازش کیتین در حال حاضر موجود مانند روش های شیمیایی، هیدرولیز یا روش های آنزیمی ترکیب کرد.

التراسونیک به کمک داستیلاسیون شیمیایی و دپلیمریزاسیون

از آنجا که کیتین یک بیوپلیمر غیر واکنشی و نامحلول است ، باید مراحل فرآیند دمینرالیزاسیون ، پروتئین زدایی و دپلیمریزاسیون / داستیلاسیون را طی کند تا کیتوزان محلول و زیست پذیر بدست آید. این مراحل فرآیند شامل تیمارهایی با اسیدهای قوی مانند HCl و بازهای قوی مانند NaOH و KOH است. به عنوان این مراحل فرایند مرسوم ناکارآمد هستند, آهسته, و نیاز به انرژی بالا, تشدید فرایند توسط فراصوت را بهبود می بخشد تولید کیتوزان به طور قابل توجهی. استفاده از سونوگرافی قدرت باعث افزایش بازده و کیفیت کیتوزان می شود، فرآیند را از چند روز به چند ساعت کاهش می دهد، حلال های ملایم تری را امکان پذیر می کند و کل فرآیند را از نظر انرژی کارآمدتر می کند.

التراسونیک بهبود پروتئین زدایی از کیتین

Vallejo-Dominguez و همکاران (2021) در بررسی خود در مورد پروتئین زدایی کیتین دریافتند که “استفاده از امواج فراصوت برای تولید بیوپلیمرها باعث کاهش محتوای پروتئین و همچنین اندازه ذرات کیتین شد. کیتوزان با درجه داستیلاسیون بالا و وزن مولکولی متوسط با کمک فراصوت تولید شد.”

هیدرولیز التراسونیک برای دپلیمریزاسیون کیتین

برای هیدرولیز شیمیایی ، از اسیدها یا قلیاها برای داستیله کردن کیتین استفاده می شود ، با این حال از داستیلاسیون قلیایی (به عنوان مثال هیدروکسید سدیم NaOH) بیشتر استفاده می شود. هیدرولیز اسیدی یک روش متناوب برای داستیلاسیون شیمیایی سنتی است که در آن از محلول های اسید آلی برای دپلیمریزه کردن کیتین و کیتوزان استفاده می شود. روش هیدرولیز اسیدی بیشتر زمانی استفاده می شود که وزن مولکولی کیتین و کیتوزان باید همگن باشد. این فرآیند هیدرولیز معمولی به عنوان آهسته و انرژی بر و هزینه بر شناخته می شود. نیاز به اسیدهای قوی، دما و فشار بالا عواملی هستند که فرآیند کیتوزان هیدرولیتیک را به یک روش بسیار پرهزینه و زمان بر تبدیل می کنند. اسیدهای مورد استفاده نیاز به فرآیندهای پایین دستی مانند خنثی سازی و نمک زدایی دارند.
با ادغام اولتراسوند با قدرت بالا در فرآیند هیدرولیز، دما و فشار مورد نیاز برای شکاف هیدرولیتیک کیتین و کیتوزان را می توان به میزان قابل توجهی کاهش داد. علاوه بر این, فراصوت اجازه می دهد تا برای غلظت اسید پایین تر و یا استفاده از اسیدهای خفیف تر. این فرآیند را پایدارتر، کارآمدتر، مقرون به صرفه تر و سازگار با محیط زیست می کند.

داستیلاسیون شیمیایی با کمک اولتراسونیک

تجزیه شیمیایی و داکتیلاسیون کیتین و کیتوزان عمدتا با درمان کیتین یا کیتوزان با اسیدهای معدنی (به عنوان مثال، اسید کلریدریک هیدروکلریک)، نیتریت سدیم (NaNO) حاصل می شود._H2S)، یا پراکسید هیدروژن (H_H2SO_H2S). سونوگرافی نرخ داستیلاسیون را بهبود می بخشد و در نتیجه زمان واکنش مورد نیاز برای به دست آوردن درجه هدفمند داستیلاسیون را کوتاه می کند. این بدان معناست که فراصوت زمان پردازش مورد نیاز 12-24 ساعت را به چند ساعت کاهش می دهد. علاوه بر این، فراصوت اجازه می دهد تا برای غلظت های شیمیایی به طور قابل توجهی پایین تر، به عنوان مثال 40٪ (W / W) هیدروکسید سدیم با استفاده از فراصوت در حالی که 65٪ (W / W) بدون استفاده از سونوگرافی مورد نیاز است.

داستیلاسیون اولتراسونیک-آنزیمی

در حالی که داستیلاسیون آنزیمی یک فرم پردازش ملایم و خوش خیم از نظر زیست محیطی است، کارایی و هزینه های آن غیراقتصادی است. به دلیل جداسازی و خالص سازی آنزیم ها از محصول نهایی پیچیده، کار فشرده و پرهزینه است، داستیلاسیون کیتین آنزیمی در تولید تجاری اجرا نمی شود، بلکه فقط در آزمایشگاه تحقیقات علمی استفاده می شود.
قبل از درمان اولتراسونیک قبل از deacetlytation آنزیمی قطعات مولکول های کیتین در نتیجه بزرگ شدن سطح و ساخت سطح بیشتر در دسترس برای آنزیم ها. فراصوت با کارایی بالا کمک می کند تا به بهبود داستیلاسیون آنزیمی و باعث می شود روند اقتصادی تر.