امواج فراصوت یک روش بسیار کارآمد برای آزاد کردن کیتین و کیتوسان از منابع قارچی مانند قارچ است. کیتین و کیتوسان باید در پردازش جریان پایین به منظور به دست آوردن یک بیوپولیمر با کیفیت بالا deacetylated. deacetylation به کمک مافوق صوت بسیار موثر، ساده و سریع تکنیک است، که در نتیجه کیتوسان با کیفیت بالا با وزن مولکولی بالا و در دسترس زیستی برتر است.

کیتین و کیتوسان از قارچ

قارچ های خوراکی و دارویی مانند لنتینوس ادود (شیتاکه)، گانودرما لوسیدوم (لینگزی یا ریشی)، اینونوتوس مایلکوس (چاگا)، آگاریکوس بیسپوروس (قارچ دکمه ای)، هریچیوم erinaceus (مانی شیر) ، Cordyceps sinensis (قارچ کاترپیلار) ، Grifola frondosa (مرغ از چوب) ، Trametes versicolor (کوریولوس versicolor ، پلی پوروس versicolor ، بوقلمون دم) و بسیاری از گونه های قارچ دیگر به طور گسترده ای به عنوان غذا و برای استخراج ترکیبات زیست فعال استفاده می شود. از این قارچ ها و همچنین فرآوری باقی مانده ها (زباله های قارچی) می توان برای تولید کیتوسان استفاده کرد. امواج فراصوت نه تنها ترویج انتشار کیتین از ساختار دیواره سلول قارچی, بلکه درایوهای تبدیل چیشن به کیتوسان با ارزش از طریق depolymerization مافوق صوت.

داستیله کیتین به کیتوزان توسط روش فراصوت ترویج می شود

کیتین، که یک پلیمر N-استیل گلوکوسآمین (پلی(β-(۱–۴)-N-استیل-دی-گلوکوسآمین است، پلی ساکریدی است که به طور طبیعی رخ می دهد به طور گسترده ای در exoskeleton بی مهرگان مانند سخت پوستان و حشرات یافت می شود، اسکلت داخلی ماهی مرکب و cuttlefish و همچنین دیواره های سلولی قارچ. کیتین که در ساختار دیواره های سلول قارچ تعبیه شده است، مسئول شکل و سفتی دیواره سلولی قارچی است. برای بسیاری از کاربردها، کیتین به مشتق deacetylated خود تبدیل می شود که از طریق یک فرایند depolymerization به کیتوسان معروف است.
کیتوزان رایج ترین و با ارزش ترین مشتق کیتین است. این پلی ساکرید با وزن مولکولی بالا مرتبط با b-1,4 گلیکوساید است, تشکیل شده از N-استیل گلوکوسآمین و گلوکوسآمین.
کیتوسان را می توان از طریق شیمیایی یا آنزیمی به دست آورد N-داستیلاسیون در فرایند deacetylation شیمیایی رانده شده، گروه استیل (R-NHCOCH₃) توسط آلکالی قوی در دماهای بالا کلاف می شود. متناوباً کیتوسان را می توان از طریق داستیلاسیون آنزیمی سنتز کرد. با این حال، در مقیاس تولید صنعتی deacetylation شیمیایی تکنیک ترجیح داده شده است، از آنجا که deacetylation آنزیمی به طور قابل توجهی کمتر کارآمد با توجه به هزینه بالای آنزیم های deacetylase و عملکرد کیتوسان پایین به دست آمده است. امواج فراصوت استفاده می شود برای تشدید تخریب شیمیایی از (1→4)-/β پیوند (depolymerization) و اثر deacetylation کیتین برای به دست آوردن کیتوسان با کیفیت بالا. هنگامی که فراصوت به عنوان قبل از درمان برای deacetylation آنزیمی اعمال می شود, عملکرد کیتوسان و کیفیت بهبود یافته است, بیش از حد.

تولید صنعتی کیتوسان از قارچ با سونوگرافی

تولید کیتین تجاری و کیتوسان عمدتاً بر پایه هدر رفتن صنایع دریایی (به نام ماهیگیری، برداشت ماهی پوسته و غیره) است. منابع مختلف مواد اولیه منجر به کیفیت های مختلف کیتین و کیتوسان می شود که نتیجه آن نوسانات تولید و کیفیت ناشی از تغییرات فصلی ماهیگیری است. علاوه بر این، کیتوسان مشتق شده از منابع قارچی ارائه می دهد خواص بنا به گزارش برتر مانند طول پلیمر همگن و محلول پذیری بیشتر زمانی که با کیتوسان از منابع دریایی مقایسه می شود. (cf. Ghormade et al., 2017) به منظور عرضه کیتوسان یکنواخت، استخراج کیتین از گونه های قارچی به یک تولید جایگزین پایدار تبدیل شده است. تولید کیتین و سیتیوسان از قارچ ها را می توان به راحتی و قابل اعتماد با استفاده از استخراج مافوق صوت و فن آوری deacetylation به دست آورد. فراصوت شدید ساختارهای سلولی را برای آزاد کردن کیتین مختل می کند و انتقال جرم در حلال های آبی را برای بازده برتر کیتین و کارایی استخراج ترویج می کند. پس از آن deacetylation مافوق صوت تبدیل کیتین به کیتوسان با ارزش. هر دو، استخراج کیتین مافوق صوت و deacetylation به کیتوسان را می توان خطی به هر سطح تولید تجاری مقیاس.

فراصوت تولید کیتوسان قارچی را تشدید می کند و تولید را کارآمدتر و اقتصادی تر می کند.
(تصویر و مطالعه: © Zhu et al., 2019)

سنتز کیتوسان بسیار کارآمد از طریق فراصوت

به منظور غلبه بر اشکالات (به عنوان نمونه، کارایی پایین، هزینه انرژی بالا، زمان پردازش طولانی، حلال های سمی) از مواد شیمیایی سنتی و آنزیمی کیتین deacetlytion، سونوگرافی با شدت بالا به پردازش کیتین و کیتوسان یکپارچه شده است. فراصوت با شدت بالا و اثرات ناشی از حفره صوتی منجر به یک قیچی سریع از زنجیره های پلیمری و کاهش پلی پراش، در نتیجه ترویج سنتز کیتوسان. علاوه بر این، نیروهای براری مافوق صوت تشدید انتقال جرم در محلول به طوری که واکنش شیمیایی، هیدرولتیک، و یا آنزیمی افزایش یافته است.

فوق صوت به کمک Deacetylation شیمیایی و Depolymerization

از آنجا که کیتین یک بیوپولیمر غیر واکنش پذیر و نامحلول است، باید مراحل فرایند دمینرالیزاسیون، دپروتئینیزاسیون و depolymerization / deacetylation را به منظور به دست آوردن کیتوسان محلول و زیست تهدید پذیر انجام دهد. این مراحل فرایند شامل درمان با اسیدهای قوی مانند HCl و بازهای قوی مانند NaOH و KOH. از آنجا که این مراحل فرایند معمولی ناکارآمد، کند، و انرژی های بالا تقاضا هستند، شدت فرایند توسط فراصوت تولید کیتوسان را به طور قابل توجهی بهبود می بخشد. کاربرد سونوگرافی قدرت بازده و کیفیت کیتوسان را افزایش می دهد، فرایند را از روزها به چند ساعت کاهش می دهد، اجازه می دهد تا برای حلال های خفیف تر، و باعث می شود کل فرایند انرژی کارآمدتر است.

مافوق صوت بهبود Deproteinization از چیتین

Vallejo-Dominguez et al. (2021) در بررسی خود از پروتئین زدایی کیتین دریافتند که «کاربرد سونوگرافی برای تولید بیوپولیمرها باعث کاهش محتوای پروتئین و همچنین اندازه ذرات کیتین شده است. کیتوسان با درجه deacetylation بالا و وزن مولکولی متوسط از طریق کمک سونوگرافی تولید شد.

هیدرولیز مافوق صوت برای Depolymerization کیتین

برای هیدرولیز شیمیایی، یا اسیدها یا قلیایی ها برای deacetylate chitin استفاده می شود، با این حال deacetylation قلیایی (به عنوان مانند، سدیم هیدروکسید NaOH) به طور گسترده تری استفاده می شود. هیدرولیز اسید یک روش آلترناتیو به deacetylation شیمیایی سنتی است، که در آن از محلول های اسید آلی برای depolymerize کیتین و کیتوسان استفاده می شود. روش هیدرولیز اسید بیشتر زمانی مورد استفاده قرار می گیرد که وزن مولکولی کیتین و کیتوسان باید همگن باشد. این فرایند هیدرولیز معمولی به عنوان کند و انرژی و هزینه فشرده شناخته می شود. نیاز اسیدهای قوی، دماها و فشارهای بالا عواملی هستند که فرایند کیتوسان هیدرولیتیک را به یک روش بسیار گران قیمت و زمان بر تبدیل می کنند. اسیدهای مورد استفاده نیاز به فرایندهای پایین دست مانند خنثی سازی و نمک زدایی دارند.
با ادغام سونوگرافی با قدرت بالا به فرایند هیدرولیز، دما و فشار مورد نیاز برای کلاف هیدرولیتیک کیتین و کیتوسان را می توان به طور 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 باعث می شود این روند پایدارتر، کارآمدتر، مقرون به صرفه تر و محیط زیست دوست تر باشد.

فوق صوت به کمک Deacetylation شیمیایی

فروپاشی شیمیایی و غیر فعال سازی کیتین و کیتوسان عمدتاً با درمان کیتین یا کیتوسان با اسیدهای معدنی (به عنوان مثال، هیدروکلریک اسید HCl)، سدیم نیتریت (NaNO) به دست می آورد_H2S) ، یا پراکسید هیدروژن (H_H2Sاميد_H2S). سونوگرافی را بهبود می بخشد نرخ deacetylation در نتیجه کوتاه کردن زمان واکنش مورد نیاز برای به دست آوردن درجه هدفمند از deacetylation. یعنی فراصوت زمان پردازش مورد نیاز ۱۲ تا ۲۴ ساعت را تا 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.

دی استیلاسیون اولتراسونیک-آنزیمی

در حالی که deacetylation آنزیمی یک فرم پردازش خفیف، زیست محیطی خوش خیم است، کارایی و هزینه های آن غیر اقتصادی است. به دلیل جداسازی پیچیده، شدید کار و گران قیمت پایین دست و تصفیه آنزیم ها از محصول نهایی، دی استیلاسیون کیتین آنزیمی در تولید تجاری اجرا نمی شود، بلکه تنها در آزمایشگاه تحقیقات علمی مورد استفاده قرار می گیرد.
پیش درمان مافوق صوت قبل از آنزیمی deacetlytation قطعات مولکول های کیتین در نتیجه بزرگ کردن سطح و ساخت سطح بیشتر در دسترس برای آنزیم ها. فراصوت با کارایی بالا به بهبود داستیلاسیون آنزیمی کمک می کند و فرایند را اقتصادی تر می کند.

نتایج تحقیقات برای کیتین مافوق صوت و Deacetylation کیتوسان

ژو و همکاران (2018) نتیجه گیری در مطالعه خود را که deacetylation مافوق صوت ثابت کرده است که دستیابی به موفقیت بسیار مهم, تبدیل β- کیتین به کیتوسان با 83–94٪ deacetylation در کاهش درجه حرارت واکنش. تصویر سمت چپ نشان می دهد یک تصویر SEM از کیتوسان مافوق صوت deacetylated (90 W, 15 دقیقه, 20 w/v٪ NaOH, 1:15 (گرم: میلی ال) (تصویر و مطالعه: © ژو و همکاران، ۲۰۱۸)
در پروتکل آنها محلول NaOH (20 w/v ٪) با حل کردن دانه های NaOH در آب DI تهیه شد. سپس محلول آلکالی با نسبت جامد-مایع ۱:۲۰ (گرم: میلی L) به یک لوله سانتیریفیوژ به محلول GLSP (۰٫۵ گرم) اضافه شد. کیتوسان با نسبت حجم محلول ۱:۱ به NaCl (۴۰ میلی ال، ۰٫۲ متر) و اسید استیک (۰٫۱ متر) اضافه شد. سپس تعلیق در دمای خفیف ۲۵ درجه سانتی گراد به مدت ۶۰ دقیقه با استفاده از مافوق صوت از نوع کاوشگر (۲۵۰ وات، ۲۰کیلوهرتز) مورد سونوگرافی قرار گرفت. (cf Zhu et al., 2018)
پاندیت و همکاران (۲۰۲۱) دریافتند که میزان تخریب محلول های کیتوسان به ندرت تحت تأثیر غلظت اسید مورد استفاده برای حل پلیمر قرار می گیرد و تا حد زیادی به دما، شدت امواج سونوگرافی، و قدرت یونی رسانه های مورد استفاده برای حل پلیمر بستگی دارد. (cf. Pandit et al., 2021)

در یک مطالعه دیگر، ژو و همکاران (2019) استفاده از پودر اسپور Ganoderma lucidum به عنوان مواد اولیه قارچی و بررسی deacetylation مافوق صوت ‐ کمک و اثرات پارامترهای پردازش مانند زمان فراصوت، جامد‐به‐ نسبت مایع، غلظت NaOH، و قدرت تابش بر درجه deacetylation (DD) کیتوسان. بیشترین مقدار DD در پارامترهای مافوق صوت زیر به دست آمد: 20 دقیقه فراصوت در 80W، 10٪ (g:ml) NaOH، 1:25 (g:ml). ریولوژی سطحی، گروه های شیمیایی، پایداری حرارتی، و کریستالی بودن کیتوسان به دست آمده مافوق صوت با استفاده از SEM، FTIR، TG و XRD مورد بررسی قرار گرفت. تیم تحقیقاتی گزارش افزایش قابل توجهی از درجه deacetylation (DD) ، ویسکوزیته پویا ([η]) و وزن مولکولی (Mv ̄) از کیتوسان مافوق صوت تولید شده است. نتایج زیر خط تکنیک deacetylation مافوق صوت از قارچ ها یک روش تولید بسیار قوی برای کیتوسان, است که مناسب برای برنامه های کاربردی زیست پزشکی. (cf. Zhu et al., 2019)

تصاویر SEM از کیتین ها و کیتوسان ها از دو گونه قارچ: a) Chitin از L. vellereus; ب) چیتین از P. ribis; ج) کیتوسان از L.vellereus؛ d) chitosan from P. ribis.
picture and study: © Erdoğan et al., 2017

کیفیت برتر کیتوسان با Deacetylation مافوق صوت

فرایندهای مافوق صوت رانده شده از کیتین / استخراج کیتوسان و depolymerization دقیقا قابل کنترل هستند و پارامترهای فرایند مافوق صوت را می توان به مواد اولیه و هدف قرار دادن کیفیت محصول نهایی (به عنوان نمونه، وزن مولکولی، درجه deacetylation) تنظیم شده است. این اجازه می دهد تا برای انطباق فرایند سونوگرافی به عوامل خارجی و به مجموعه پارامترهای مطلوب برای نتیجه برتر و بهره وری.
مافوق صوت deacetylated کیتوسان نشان می دهد فراهمی زیستی عالی و زیست سازش پذیری. هنگامی که بیوپولیمرهای کیتوسان که به صورت مافوق صوت آماده شده اند با کیتوسان مشتق شده حرارتی در مورد خواص زیست پزشکی مقایسه می شوند، نمایشگاه های کیتوسان تولید مافوق صوت به طور قابل توجهی بهبود فیبروبلاست (سلول L929) زنده ماندن و افزایش فعالیت ضد باکتری برای هر دو اشریشیا کلی (اشریشیا کلی) و استافیلوکوس اورئوس (S. aureus).
(cf. Zhu et al., 2018)

چگونه استخراج مافوق صوت و Deacetylation از کار Chitin؟

هنگامی که امواج سونوگرافی قدرت زوج را به مایع یا دوغاب (به عنوان مانند، تعلیق متشکل از کیتین در حلال)، امواج مافوق صوت را از طریق مایع باعث متناوب چرخه فشار بالا / کم فشار سفر می کنند. در طول چرخه های کم فشار، حباب های خلاء دقیقه ای (به اصطلاح حباب حفره ای) ایجاد می شوند که بر فراز چندین چرخه فشار رشد می کنند. در اندازه خاصی، هنگامی که حباب ها نمی توانند انرژی بیشتری را جذب کنند، در طول یک چرخه با فشار بالا با خشونت نفوذ می کنند. نفوذ حباب توسط نیروهای شدید حفره ای (یا سونومکانیکی) مشخص می شود. این شرایط سونومکانیکی به صورت محلی در نقطه گرم حفره ای رخ می دهد و به ترتیب با دماها و فشارهای بسیار بالا تا 4000K و 1000atm مشخص می شود؛ و همچنین دیال های دما و فشار بالا مربوطه. فورتهرمور، اغتشاشات خرد و جریان های مایع با سرعت تا ۱۰۰ متر بر s تولید می شوند. استخراج مافوق صوت کیتین و کیتوسان از قارچ ها و سخت پوستان و همچنین depolymerization کیتین و deacetylation عمدتا ناشی از اثرات sonomechanical: بی قراری و اغتشاش سلول ها را مختل و ترویج انتقال جرم و همچنین می تواند زنجیره های پلیمری در ترکیب با حلال های اسیدی یا قلیایی برش.
اصل کار استخراج کیتین از طریق امواج فراصوت: استخراج مافوق صوت به طور کارآمد می شکند ساختار سلول قارچ و آزاد ترکیبات داخل سلولی از دیواره سلول و داخلی سلول (به عنوان یکی از, پلی ساکریدها مانند کیتین و کیتوسان و دیگر فیتوشیمیایی های زیست فعال) را به حلال. استخراج مافوق صوت بر اساس اصل کار حفره صوتی است. اثرات حفره مافوق صوت / صوتی هستند نیروهای بلند براری, اغتشاشات و دیال فشار شدید. این نیروهای سونومکانیکی ساختارهای سلولی مانند دیواره های سلولی قارچ کیتینی را می شکنند، انتقال جرم بین بیومتریال قارچ و حلال را ترویج می کنند و منجر به بازده عصاره بسیار بالا در یک فرایند سریع می شوند. علاوه بر این, فراصوت ترویج عقیم سازی عصاره با کشتن باکتری ها و میکروب ها. غیر فعال سازی میکروبی توسط فراصوت ناشی از نیروهای حفره ای مخرب به غشای سلولی، تولید رادیکال های آزاد، و گرمایش محلی شده است.
اصل کار depolymerization و deacetylation از طریق امواج فراصوت: زنجیره های پلیمری در میدان براری در اطراف یک حباب گرفتار می شوند و بخش های زنجیره ای کویل پلیمری در نزدیکی حفره ای در حال فروپاشی با سرعت بالاتری نسبت به کسانی که دورتر هستند حرکت خواهند کرد. سپس تنش ها بر روی زنجیره پلیمر به دلیل حرکت نسبی بخش ها و حلال های پلیمری تولید می شوند و این ها برای ایجاد کلافگی کافی هستند. این فرایند به این ترتیب شبیه به دیگر اثرات shearing در محلول های پلیمر ~ 2 درجه و نتایج بسیار مشابه می دهد. (cf. Price et al., 1994)

تجهیزات مافوق صوت با کارایی بالا برای چیتین قارچی و پردازش کیتوسان

تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) در بزرگنمایی ۱۰۰ × a) gladius ، b) اولتراسوند تحت درمان با gladius ، c) β-کیتین ، d) اولتراسوند تحت درمان β-کیتین ، و e) کیتوزان (منبع: Preto و همکاران ۲۰۱۷)

تکه تکه شدن کیتین و decetylation از کیتین به کیتوسان نیاز به تجهیزات مافوق صوت قدرتمند و قابل اعتماد است که می تواند دامنه های بالا ارائه می دهد، ارائه می دهد کنترل دقیق بیش از پارامترهای فرایند و می تواند عمل 24/7 تحت بار سنگین و در محیط های خواستار. Hielscher 'محدوده محصول Ultrasonics 'fulfils این الزامات قابل اعتماد است. علاوه بر عملکرد سونوگرافی برجسته, Hielscher ultrasonicators به رخ کشیدن بهره وری انرژی بالا, است که یک مزیت اقتصادی قابل توجهی – به خصوص هنگامی که در تولید تجاری در مقیاس بزرگ به کار گرفته شده است.
Hielscher ultrasonicators سیستم های با کارایی بالا است که می تواند با لوازم جانبی مانند sonotrodes مجهز, تقویت کننده, راکتور و یا سلول های جریان به منظور مطابقت با نیازهای فرایند خود را در شیوه ای مطلوب. با نمایش رنگ دیجیتال, گزینه ای برای از پیش تنظیم فراصوت اجرا می شود, ضبط اطلاعات خودکار بر روی یک کارت یکپارچه SD, کنترل مرورگر از راه دور و بسیاری از ویژگی های بیشتر, بالاترین کنترل فرایند و کاربر دوستی تضمین. جفت شده با استحکام و سنگین بار تحمل ظرفیت، سیستم های مافوق صوت Hielscher اسب کار قابل اعتماد خود را در تولید هستند. 
تکه تکه شدن کیتین و deacetylation نیاز به سونوگرافی قدرتمند برای به دست آوردن تبدیل هدفمند و یک محصول کیتوسان نهایی با کیفیت بالا. به خصوص برای تکه تکه شدن پولک های کیتین و مراحل depolymerization / deacetylation، دامنه های بالا و فشارهای بالا بسیار مهم هستند. Hielscher مافوق صوت 'پردازنده های صنعتی مافوق صوت به راحتی ارائه دامنه های بسیار بالا. دامنه تا 200μm می تواند به طور مداوم در 24/7 عمل اجرا شود. حتی برای دامنه های بالاتر، sonotrodes مافوق صوت سفارشی در دسترس هستند. ظرفیت قدرت از سیستم های مافوق صوت Hielscher اجازه می دهد برای deacetylation کارآمد و سریع در یک فرایند امن و کاربر پسند.
جدول زیر به شما می دهد که نشانه ای از ظرفیت پردازش تقریبی ultrasonicators ما: