Production de chitine et de chitosane à partir de champignons

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 constituent une technique très efficace, simple et rapide, qui permet d’obtenir des chitosanes de haute qualité, de poids moléculaire élevé et d’une biodisponibilité supérieure.

Chitine et chitosane issus de champignons par ultrasonication

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 (poule des bois), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, queue de dinde) et de nombreuses autres espèces fongiques sont largement utilisés comme aliments et pour l’extraction de composés bioactifs. Ces champignons ainsi que les résidus de transformation (déchets de champignons) peuvent servir à produire du chitosane. L’ultrasonication favorise non seulement la libération de la chitine de la structure de la paroi cellulaire fongique, mais entraîne également la conversion de la chitine en chitosane de valeur par dépolymérisation et désacétylation assistées par ultrasons.

Cette vidéo présente l’extraction hautement efficace du champignon crinière de lion à l’aide de l’homogénéisateur à ultrasons Hielscher UP200Ht. L’extraction par ultrasons est la technique idéale pour produire des extraits de haute qualité à spectre complet contenant des polysaccharides tels que les bêta-glucanes, ainsi que des héricénones et des érinacines.

L’ultrasonication intense au moyen d’un système à ultrasons de type sonde est une technique utilisée pour favoriser 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, des insectes et dans les parois cellulaires de certains champignons. Le chitosane est obtenu à partir de la chitine en éliminant les groupes acétyle de la molécule de chitine.

Procédé ultrasonique de conversion de la chitine fongique en chitosane

Lorsque l’ultrasonication intense est appliquée à la production de chitosane à partir de chitine, une suspension de chitine est soumise à des ondes ultrasonores de haute intensité et de basse fréquence, généralement comprises entre 20 kHz et 30 kHz. Le procédé 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 localement des forces de cisaillement extrêmement élevées, des températures élevées (jusqu’à plusieurs milliers de degrés Celsius) et des pressions élevées (jusqu’à plusieurs centaines d’atmosphères) dans le liquide entourant les bulles de cavitation. Ces conditions extrêmes contribuent à la dégradation du polymère de chitine et à la désacétylation qui s’ensuit.

 

Dépolymérisation ultrasonique de la chitine

La dépolymérisation de la chitine résulte des effets combinés de forces mécaniques, telles que les micro-courants (microstreaming) et les jets de liquide, ainsi que de réactions chimiques initiées par ultrasons, induites par les 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.

Désacétylation ultrasonique de la chitine

Outre la dépolymérisation, l’ultrasonication intense favorise également la désacétylation de la chitine. La désacétylation consiste à éliminer les groupes acétyle de la molécule de chitine, ce qui conduit à la formation de chitosane. L’énergie ultrasonore intense, en particulier les températures et pressions élevées générées pendant la cavitation, accélère la réaction de désacétylation. Les conditions réactives créées par la cavitation contribuent à rompre les liaisons acétyle de la chitine, entraînant la libération d’acide acétique et la conversion de la chitine en chitosane.
Dans l’ensemble, l’ultrasonication intense améliore les processus de dépolymérisation et de désacétylation en fournissant l’énergie mécanique et chimique nécessaire pour dégrader le polymère de chitine et faciliter sa conversion en chitosane. Cette technique offre une méthode rapide et efficace de production de chitosane à partir de chitine, avec de nombreuses applications dans divers secteurs, notamment l’industrie pharmaceutique, l’agriculture et le génie biomédical.

Production industrielle de chitosane à partir de champignons par ultrasons de puissance

La production commerciale de chitine et de chitosane repose principalement sur les déchets des industries marines (c.-à-d. pêche, récolte de coquillages et crustacés, etc.). Les différentes sources de matière première donnent des qualités de chitine et de chitosane différentes, ce qui entraîne des fluctuations de production et de qualité dues aux variations saisonnières de la pêche. En outre, le chitosane issu de sources fongiques offrirait des propriétés supérieures, comme une longueur de polymère homogène et une meilleure solubilité, par rapport au chitosane d’origine marine. (cf. Ghormade et al., 2017) Afin de fournir un chitosane uniforme, l’extraction de la chitine à partir d’espèces fongiques est devenue une production alternative stable. La production de chitine et de chitosane à partir de champignons peut être réalisée facilement et de manière fiable grâce à la technologie d’extraction et de désacétylation par ultrasons. La sonication intense rompt les structures cellulaires pour libérer la chitine et favorise le transfert de masse dans les solvants aqueux, pour des rendements en chitine et une efficacité d’extraction supérieurs. La désacétylation ultrasonique qui suit convertit la chitine en chitosane de valeur. L’extraction ultrasonique de la chitine comme la désacétylation en chitosane peuvent être mises à l’échelle de façon linéaire jusqu’à n’importe quel niveau de production commerciale.

Résultats de recherche sur la désacétylation ultrasonique de la chitine et du chitosane

Zhu et al. (2018) concluent dans leur étude que la désacétylation ultrasonique s’est révélée être une avancée décisive, convertissant la β-chitine en chitosane avec un taux de désacétylation de 83–94% à des températures de réaction réduites. L’image de gauche montre une image MEB de chitosane désacétylé par ultrasons (90 W, 15 min, 20 w/v% NaOH, 1:15 (g: mL) (image et étude : © Zhu et al., 2018)
Dans leur protocole, une solution de NaOH (20 w/v %) a été préparée en dissolvant des paillettes de NaOH dans de l’eau déminéralisée. La solution alcaline a ensuite été ajoutée au sédiment de GLSP (0,5 g) selon un rapport 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) selon un rapport volumique de solution de 1:1. La suspension a ensuite été soumise aux ultrasons à une température modérée de 25°C pendant 60 min à l’aide d’un ultrasonicateur de type sonde (250W, 20kHz). (cf Zhu et al., 2018)

Pandit et al. (2021) ont constaté que la vitesse de dégradation des solutions de chitosane 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 ainsi que les effets de paramètres de traitement tels que la durée de sonication, le rapport solide‐liquide, la concentration en 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 min de sonication à 80W, 10% (g:ml) 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 examinées par MEB, FTIR, TG et DRX. 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 de chitosane très performante, adaptée aux applications biomédicales. (cf. Zhu et al., 2019)

Qualité supérieure du chitosane grâce à la dépolymérisation et à la désacétylation ultrasoniques

Les procédés ultrasoniques d’extraction et de dépolymérisation de la chitine / du chitosane sont contrôlables avec précision, et les paramètres du procédé ultrasonique peuvent être ajustés aux matières premières et à la qualité visée du produit final (p. ex. poids moléculaire, degré de désacétylation). Cela permet d’adapter le procédé ultrasonique aux facteurs externes et de définir des paramètres optimaux pour un résultat et une efficacité supérieurs.
Le chitosane désacétylé par ultrasons présente une excellente biodisponibilité et biocompatibilité. Lorsque les biopolymères de chitosane préparés par ultrasons sont comparés au chitosane obtenu par voie thermique en termes de propriétés biomédicales, le chitosane produit par ultrasons présente une viabilité des fibroblastes (cellules L929) nettement améliorée et une activité antibactérienne accrue contre Escherichia coli (E. coli) et Staphylococcus aureus (S. aureus).
(cf. Zhu et al., 2018)

Équipements ultrasoniques haute performance pour le traitement de la chitine et du chitosane

La fragmentation de la chitine et la désacétylation de la chitine en chitosane nécessitent un équipement ultrasonique puissant et fiable, capable de fournir des amplitudes élevées, offrant une contrôlabilité précise des paramètres du procédé et pouvant fonctionner 24/7 sous forte charge et dans des environnements exigeants. La gamme de produits de Hielscher Ultrasonics répond de manière fiable à ces exigences. Outre des performances ultrasonores exceptionnelles, les ultrasonicateurs Hielscher se distinguent par une efficacité énergétique élevée, ce qui constitue un avantage économique important – en particulier lorsqu’ils sont employés pour une production commerciale à grande échelle.
Les ultrasonicateurs Hielscher sont des systèmes haute performance qui peuvent être équipés d’accessoires tels que des sonotrodes, des boosters, des réacteurs ou des cellules à circulation afin de répondre de manière optimale aux besoins de votre procédé. Avec un écran couleur numérique, la possibilité de prérégler des cycles de sonication, l’enregistrement automatique des données sur une carte SD intégrée, la commande à distance via navigateur et bien d’autres fonctions, les ultrasonicateurs Hielscher garantissent un contrôle optimal du procédé et une grande convivialité. Associés à leur robustesse et à leur capacité à supporter de fortes charges, les systèmes ultrasoniques Hielscher sont votre bête de somme fiable en production. La fragmentation et la désacétylation de la chitine nécessitent des ultrasons puissants pour obtenir la conversion visée et un chitosane final de haute qualité. En particulier pour la fragmentation des flocons de chitine et les étapes de dépolymérisation / désacétylation, des amplitudes élevées et des pressions accrues sont essentielles. Les processeurs ultrasoniques industriels de Hielscher Ultrasonics fournissent aisément des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu’à 200µm peuvent être maintenues en continu en fonctionnement 24/7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles. La capacité de puissance des systèmes ultrasoniques Hielscher permet une dépolymérisation et une désacétylation efficaces et rapides dans un procédé sûr et convivial.

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

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Traitement synergique de la chitine amélioré par ultrasonication

Afin de surmonter les inconvénients (c.-à-d. faible efficacité, coût énergétique élevé, longue durée de traitement, solvants toxiques) de la désacétylation chimique et enzymatique traditionnelle de la chitine, les ultrasons de haute intensité ont été intégrés au traitement de la chitine et du chitosane. La sonication de haute intensité et les effets de cavitation acoustique qui en résultent entraînent une scission rapide des chaînes 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, de sorte que les réactions chimiques, hydrolytiques ou enzymatiques sont améliorées. 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 procédés enzymatiques.

Désacétylation et dépolymérisation chimiques assistées par ultrasons

La chitine étant un biopolymère non réactif et insoluble, elle doit passer par les étapes de déminéralisation, de déprotéinisation et de 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. Ces étapes conventionnelles étant inefficaces, lentes et énergivores, l’intensification du procédé par sonication améliore considérablement la production de chitosane. L’application d’ultrasons de puissance augmente les rendements et la qualité du chitosane, réduit la durée du procédé de plusieurs jours à quelques heures, permet d’utiliser des solvants plus doux et rend l’ensemble du procédé plus économe en énergie.

Déprotéinisation de la chitine améliorée par ultrasons

Vallejo-Dominguez et al. (2021) ont constaté, dans leur étude sur la déprotéinisation de la chitine, que « l’application des ultrasons pour la production de biopolymères a réduit la teneur en protéines ainsi que la taille des particules de la chitine. Un chitosane à degré de désacétylation élevé et à poids moléculaire moyen a été produit grâce à l’assistance ultrasonique. »

Hydrolyse ultrasonique pour la dépolymérisation de la chitine

Pour l’hydrolyse chimique, on utilise soit des acides, soit des bases pour désacétyler la chitine, mais la désacétylation alcaline (p. ex. hydroxyde de sodium NaOH) est plus largement utilisée. L’hydrolyse acide est une méthode alternative à la désacétylation chimique traditionnelle, dans laquelle des solutions d’acides organiques sont utilisées pour dépolymériser la chitine et le chitosane. La méthode d’hydrolyse acide est surtout employée lorsque le poids moléculaire de la chitine et du chitosane doit être homogène. Ce procédé d’hydrolyse conventionnel est connu pour être lent et gourmand en énergie et en coûts. La nécessité d’acides forts, de températures et de pressions élevées sont des facteurs qui font du procédé hydrolytique de production de chitosane une opération très coûteuse et chronophage. Les acides utilisés nécessitent des procédés en aval tels que la neutralisation et le dessalement.
Grâce à l’intégration d’ultrasons de haute puissance dans le procédé d’hydrolyse, les exigences de température et de pression pour le clivage hydrolytique de la chitine et du chitosane peuvent être considérablement réduites. En outre, la sonication permet des concentrations d’acide plus faibles ou l’utilisation d’acides plus doux. Le procédé devient ainsi plus durable, plus efficace, plus rentable et plus respectueux de l’environnement.

Désacétylation chimique assistée par ultrasons

La désintégration et la désacétylation chimiques de la chitine et du chitosane sont principalement réalisées en traitant la chitine ou le chitosane avec des acides minéraux (p. ex. acide chlorhydrique HCl), du nitrite de sodium (NaNO₂) ou du peroxyde d’hydrogène (H₂O₂). Les ultrasons améliorent la vitesse de désacétylation, raccourcissant ainsi le temps de réaction nécessaire pour atteindre le degré de désacétylation visé. Concrètement, la sonication réduit la durée de traitement requise de 12–24 heures à quelques heures. En outre, la sonication permet des concentrations chimiques nettement plus faibles, par exemple 40% (w/w) d’hydroxyde de sodium avec sonication, alors que 65% (w/w) sont nécessaires sans recours aux ultrasons.

Désacétylation ultrasonique-enzymatique

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 en aval des enzymes à partir du produit final, complexes, laborieux et coûteux, la désacétylation enzymatique de la chitine n’est pas mise en œuvre dans la production commerciale, mais uniquement utilisée en laboratoire de recherche scientifique.
Le prétraitement ultrasonique avant la désacétylation enzymatique fragmente les molécules de chitine, ce qui augmente la surface spécifique et rend davantage de surface accessible aux enzymes. La sonication haute performance contribue à améliorer la désacétylation enzymatique et rend le procédé plus économique.