L'ultrasonication est une méthode très efficace pour libérer la chitine et le chitosane de sources fongiques telles que les champignons. La chitine et le chitosane doivent être dépolymérisés et désacétylés lors du traitement en aval afin d'obtenir un biopolymère de haute qualité. La dépolymérisation et la désacétylation assistées par ultrasons sont des techniques très efficaces, simples et rapides, qui permettent d'obtenir des chitosanes de haute qualité avec un poids moléculaire élevé et une biodisponibilité supérieure.

Chitine et chitosane dérivés de champignons par ultrasons

Les champignons comestibles et médicinaux tels que Lentinus edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi ou reishi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (champignons de Paris), Hericium erinaceus (crinière de lion), Cordyceps sinensis (champignon chenille), Grifola frondosa (paille de bois), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, queue de dindon) et de nombreuses autres espèces de champignons sont largement utilisées comme aliments et pour l'extraction de composés bioactifs. Ces champignons ainsi que les résidus de traitement (déchets de champignons) peuvent être utilisés pour produire du chitosane. Les ultrasons favorisent non seulement la libération de la chitine de la structure de la paroi cellulaire des champignons, mais aussi la conversion de la chitine en chitosane précieux par dépolymérisation et désacétylation assistées par ultrasons.

 

L'ultrasonication intense à l'aide d'un système ultrasonique à sonde est une technique utilisée pour promouvoir la dépolymérisation et la désacétylation de la chitine, conduisant à la formation de chitosane. La chitine est un polysaccharide naturel présent dans les exosquelettes des crustacés et des insectes, ainsi que dans les parois cellulaires de certains champignons. Le chitosane est dérivé de la chitine en retirant les groupes acétyles de la molécule de chitine.

Procédure ultrasonique pour la conversion de la chitine fongique en chitosane

Lors de l'application d'ultrasons intenses pour la production de chitosane à partir de chitine, une suspension de chitine est sonifiée avec des ondes ultrasonores de haute intensité et de basse fréquence, typiquement dans la gamme de 20 kHz à 30 kHz. Ce processus génère une cavitation acoustique intense, c'est-à-dire la formation, la croissance et l'effondrement de bulles de vide microscopiques dans le liquide. La cavitation génère des forces de cisaillement localisées extrêmement élevées, des températures élevées (jusqu'à plusieurs milliers de degrés Celsius) et des pressions (jusqu'à plusieurs centaines d'atmosphères) dans le liquide entourant les bulles de cavitation. Ces conditions extrêmes contribuent à la rupture du polymère de chitine et à la désacétylation qui s'ensuit.
 

 

Dépolymérisation ultrasonique de la chitine

La dépolymérisation de la chitine se produit sous l'effet combiné de forces mécaniques, telles que le microstreaming et le jet de liquide, et de réactions chimiques déclenchées par les ultrasons et induites par des radicaux libres et d'autres espèces réactives formées pendant la cavitation. Les ondes de haute pression générées pendant la cavitation soumettent les chaînes de chitine à une contrainte de cisaillement, ce qui entraîne la scission du polymère en fragments plus petits.

Déacétylation ultrasonique de la chitine

Outre la dépolymérisation, l'ultrasonisation intense favorise également la désacétylation de la chitine. La désacétylation implique l'élimination des groupes acétyles de la molécule de chitine, ce qui conduit à la formation de chitosane. L'énergie ultrasonique intense, en particulier les températures et pressions élevées générées par la cavitation, accélère la réaction de désacétylation. Les conditions réactives créées par la cavitation contribuent à rompre les liaisons acétyles de la chitine, ce qui entraîne la libération d'acide acétique et la conversion de la chitine en chitosane.
Dans l'ensemble, les ultrasons intenses améliorent les processus de dépolymérisation et de désacétylation en fournissant l'énergie mécanique et chimique nécessaire pour décomposer le polymère de chitine et faciliter la conversion en chitosane. Cette technique offre une méthode rapide et efficace pour la production de chitosane à partir de la chitine, avec de nombreuses applications dans diverses industries, y compris les produits pharmaceutiques, l'agriculture et l'ingénierie biomédicale.

Production industrielle de chitosane à partir de champignons à l'aide d'ultrasons de puissance

La production commerciale de chitine et de chitosan est principalement basée sur les déchets des industries marines (c'est-à-dire la pêche, la récolte de coquillages, etc.). Les différentes sources de matières premières donnent lieu à des qualités de chitine et de chitosan différentes, ce qui entraîne des fluctuations de production et de qualité dues aux variations saisonnières de la pêche. En outre, le chitosan dérivé de sources fongiques offre des propriétés apparemment supérieures, comme une longueur de polymère homogène et une plus grande solubilité, par rapport au chitosan provenant de sources marines. (cf. Ghormade et al., 2017) Afin de fournir un chitosan uniforme, l'extraction de la chitine à partir d'espèces fongiques est devenue une production alternative stable. La production de chitine et de citiosan à partir de champignons peut être réalisée de manière simple et fiable en utilisant la technologie d'extraction et de désacétylation par ultrasons. La sonication intense perturbe les structures cellulaires pour libérer la chitine et favorise le transfert de masse dans les solvants aqueux pour des rendements supérieurs de chitine et une efficacité d'extraction. La désacétylation ultrasonique ultérieure convertit la chitine en chitosane de valeur. L'extraction de la chitine par ultrasons et la désacétylation du chitosane peuvent être mises à l'échelle de façon linéaire pour tout niveau de production commerciale.

Résultats de recherche pour la désacétylation ultrasonique de la chitine et du chitosan

Zhu et al. (2018) concluent dans leur étude que la désacétylation par ultrasons s'est avérée être une percée cruciale, convertissant la β-chitine en chitosane avec une désacétylation de 83 à 94 % à des températures de réaction réduites. L'image de gauche montre une image SEM de chitosane désacétylé par ultrasons (90 W, 15 min, 20 p/v% NaOH, 1:15 (g : mL). (photo et étude : © Zhu et al., 2018)
Dans leur protocole, la solution de NaOH (20 % w/v) a été préparée en dissolvant des paillettes de NaOH dans de l'eau DI. La solution alcaline a ensuite été ajoutée aux sédiments de GLSP (0,5 g) à un ratio solide-liquide de 1:20 (g : mL) dans un tube à centrifuger. Le chitosane a été ajouté à du NaCl (40 ml, 0,2 M) et à de l'acide acétique (0,1 M) dans un rapport de volume de solution 1:1. La suspension a ensuite été soumise à des ultrasons à une température douce de 25°C pendant 60 min à l'aide d'un ultrasonateur de type sonde (250W, 20kHz). (cf. Zhu et al., 2018)
 
Pandit et al. (2021) ont constaté que la vitesse de dégradation des solutions de chitosan est rarement affectée par les concentrations d'acide utilisées pour solubiliser le polymère et dépend largement de la température, de l'intensité des ondes ultrasonores et de la force ionique du milieu utilisé pour dissoudre le polymère. (cf. Pandit et al., 2021)
 
Dans une autre étude, Zhu et al. (2019) ont utilisé des poudres de spores de Ganoderma lucidum comme matière première fongique et ont étudié la désacétylation assistée par ultrasons et les effets des paramètres de traitement tels que le temps de sonication, le rapport solide/liquide, la concentration de NaOH et la puissance d'irradiation sur le degré de désacétylation (DD) du chitosane. La valeur de DD la plus élevée a été obtenue avec les paramètres ultrasoniques suivants : 20 minutes de sonication à 80W, 10% (g:ml) de NaOH, 1:25 (g:ml). La morphologie de surface, les groupes chimiques, la stabilité thermique et la cristallinité du chitosane obtenu par ultrasons ont été examinés à l'aide du SEM, du FTIR, du TG et du XRD. L'équipe de recherche rapporte une amélioration significative du degré de désacétylation (DD), de la viscosité dynamique ([η]) et du poids moléculaire (Mv¯) du chitosane produit par ultrasons. Les résultats soulignent que la technique de désacétylation ultrasonique des champignons est une méthode de production très puissante pour le chitosane, qui convient aux applications biomédicales. (cf. Zhu et al., 2019)

Qualité supérieure du chitosan grâce à la dépolymérisation et à la désacétylation par ultrasons

Les processus d'extraction et de dépolymérisation de la chitine et du chitosane par ultrasons sont contrôlables avec précision et les paramètres du processus ultrasonique peuvent être ajustés aux matières premières et à la qualité du produit final visé (par exemple, le poids moléculaire, le degré de désacétylation). Cela permet d'adapter le processus ultrasonique aux facteurs externes et de définir des paramètres optimaux pour un résultat et une efficacité supérieurs.
Le chitosan désacétylé par ultrasons présente une excellente biodisponibilité et biocompatibilité. Lorsque les biopolymères de chitosane préparés par ultrasons sont comparés au chitosane dérivé thermiquement en ce qui concerne les propriétés biomédicales, le chitosane produit par ultrasons présente une viabilité des fibroblastes (cellules L929) nettement améliorée et une activité antibactérienne accrue pour Escherichia coli (E. coli) et Staphylococcus aureus (S. aureus).
(cf. Zhu et al., 2018)
 

Équipement ultrasonique haute performance pour la transformation de la chitine et du chitosane

La fragmentation de la chitine et la décétylation de la chitine en chitosane nécessitent un équipement ultrasonique puissant et fiable, capable de délivrer des amplitudes élevées, d'offrir un contrôle précis des paramètres du processus et de fonctionner 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, sous une charge importante et dans des environnements exigeants. La gamme de produits Hielscher Ultrasonics répond à ces exigences de manière fiable. Outre leurs performances exceptionnelles en matière d'ultrasons, les appareils à ultrasons Hielscher offrent un rendement énergétique élevé, ce qui constitue un avantage économique considérable. – surtout lorsqu'ils sont utilisés pour une production commerciale à grande échelle.
Les ultrasons Hielscher sont des systèmes de haute performance qui peuvent être équipés d'accessoires tels que des sonotrodes, des amplificateurs, des réacteurs ou des cellules d'écoulement afin de répondre de manière optimale aux besoins de votre processus.Avec un affichage numérique en couleur, la possibilité de prérégler des cycles de sonication, l'enregistrement automatique des données sur une carte SD intégrée, la commande à distance par navigateur et bien d'autres caractéristiques, les ultrasons Hielscher garantissent un contrôle optimal du processus et une grande facilité d'utilisation. Associés à la robustesse et à la capacité de charge élevée, les systèmes à ultrasons Hielscher sont votre cheval de bataille fiable en production. La fragmentation et la désacétylation de la chitine nécessitent des ultrasons puissants pour obtenir une conversion ciblée et un produit final de chitosane de haute qualité. Pour la fragmentation des flocons de chitine et les étapes de dépolymérisation/désacétylation, de fortes amplitudes et des pressions élevées sont cruciales. Les processeurs ultrasoniques industriels de Hielscher Ultrasonics peuvent facilement fournir des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu'à 200µm peuvent être exploitées en continu, 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles. La puissance des systèmes à ultrasons Hielscher permet une dépolymérisation et une désacétylation efficaces et rapides dans le cadre d'un processus sûr et convivial.
 

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicators:

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Traitement synergique de la chitine amélioré par ultrasons

Afin de surmonter les inconvénients (faible efficacité, coût énergétique élevé, longue durée de traitement, solvants toxiques) de la désacétylation chimique et enzymatique traditionnelle de la chitine, des ultrasons de haute intensité ont été intégrés dans le traitement de la chitine et du chitosane. La sonication à haute intensité et les effets de cavitation acoustique qui en résultent entraînent une scission rapide des chaînes de polymères et réduisent la polydispersité, favorisant ainsi la synthèse du chitosane. En outre, les forces de cisaillement ultrasoniques intensifient le transfert de masse dans la solution, ce qui favorise les réactions chimiques, hydrolytiques ou enzymatiques. Le traitement ultrasonique de la chitine peut être combiné avec des techniques de traitement de la chitine déjà existantes, telles que les méthodes chimiques, l'hydrolyse ou les procédures enzymatiques.

Déacétylation et dépolymérisation chimiques assistées par ultrasons

La chitine étant un biopolymère non réactif et insoluble, elle doit subir les étapes de déminéralisation, déprotéinisation et dépolymérisation/désacétylation afin d'obtenir un chitosane soluble et bioaccessible. Ces étapes impliquent des traitements avec des acides forts tels que HCl et des bases fortes telles que NaOH et KOH. Comme ces étapes conventionnelles du processus sont inefficaces, lentes et demandent beaucoup d'énergie, l'intensification du processus par sonication améliore considérablement la production de chitosane. L'application d'ultrasons puissants augmente les rendements et la qualité du chitosane, réduit le processus de plusieurs jours à quelques heures, permet l'utilisation de solvants plus doux et rend l'ensemble du processus plus économe en énergie.

Déprotéinisation de la chitine améliorée par ultrasons

Vallejo-Dominguez et al. (2021) ont constaté, dans leur étude de la déprotéinisation de la chitine, que le “L'application des ultrasons pour la production de biopolymères a réduit la teneur en protéines ainsi que la taille des particules de chitine. Le chitosane à haut degré de désacétylation et à poids moléculaire moyen a été produit grâce à l'assistance des ultrasons.”

Hydrolyse ultrasonique pour la dépolymérisation de la chitine

Pour l'hydrolyse chimique, on utilise soit des acides soit des alcalis pour désacétyler la chitine, mais la désacétylation alcaline (par exemple, l'hydroxyde de sodium NaOH) est plus largement utilisée. L'hydrolyse acide est une méthode alternative à la désacétylation chimique traditionnelle, où des solutions d'acides organiques sont utilisées pour dépolymériser la chitine et le chitosan. La méthode de l'hydrolyse acide est surtout utilisée lorsque le poids moléculaire de la chitine et du chitosan doit être homogène. Ce procédé d'hydrolyse classique est connu pour être lent et gourmand en énergie et en coûts. La nécessité d'utiliser des acides forts, des températures et des pressions élevées sont des facteurs qui font du procédé d'hydrolyse du chitosane une procédure très coûteuse et longue. Les acides utilisés nécessitent des processus en aval tels que la neutralisation et le dessalage.
Grâce à l'intégration d'ultrasons de forte puissance dans le processus d'hydrolyse, les exigences en matière de température et de pression pour le clivage hydrolytique de la chitine et du chitosan peuvent être considérablement réduites. En outre, la sonication permet de réduire les concentrations d'acide ou d'utiliser des acides plus doux. Cela rend le processus plus durable, plus efficace, plus rentable et plus respectueux de l'environnement.

Déacétylation chimique assistée par ultrasons

La désintégration chimique et la désactylation de la chitine et du chitosane sont principalement réalisées en traitant la chitine ou le chitosane avec des acides minéraux (par exemple, l'acide chlorhydrique HCl), le nitrite de sodium (NaNO₂), ou du peroxyde d'hydrogène (H₂la₂). Les ultrasons améliorent la vitesse de désacétylation et raccourcissent ainsi le temps de réaction nécessaire pour obtenir le degré de désacétylation visé. En d'autres termes, la sonication réduit le temps de traitement requis de 12 à 24 heures à quelques heures. En outre, la sonication permet d'obtenir des concentrations chimiques nettement plus faibles, par exemple 40 % (p/p) d'hydroxyde de sodium en utilisant la sonication alors que 65 % (p/p) sont nécessaires sans l'utilisation des ultrasons.

Déacétylation enzymatique par ultrasons

Bien que la désacétylation enzymatique soit une forme de traitement douce et respectueuse de l'environnement, son efficacité et ses coûts ne sont pas rentables. En raison de l'isolement et de la purification complexes, coûteux et nécessitant beaucoup de travail des enzymes du produit final, la désacétylation enzymatique de la chitine n'est pas mise en œuvre dans la production commerciale, mais uniquement dans les laboratoires de recherche scientifique.
Le prétraitement par ultrasons avant la désacétylation enzymatique fragmente les molécules de chitine, élargissant ainsi la surface et rendant plus de surface disponible pour les enzymes. La sonication haute performance permet d'améliorer la désacétylation enzymatique et rend le processus plus économique.