मशरूम से काइटिन और काइटोसान का उत्पादन
अल्ट्रासोनिकेशन, मशरूम जैसे कवकीय स्रोतों से काइटिन और काइटोसान मुक्त करने की एक अत्यधिक कुशल विधि है। उच्च गुणवत्ता वाला जैवबहुलक प्राप्त करने के लिए आगे के प्रसंस्करण में काइटिन और काइटोसान का विबहुलकीकरण और डीएसीटिलीकरण करना आवश्यक है। अल्ट्रासोनिक सहायता से विबहुलकीकरण और डीएसीटिलीकरण एक अत्यंत प्रभावी, सरल और तीव्र तकनीक है, जिससे उच्च आणविक भार और बेहतर जैवउपलब्धता वाले उच्च गुणवत्ता के काइटोसान प्राप्त होते हैं।
अल्ट्रासोनिकेशन द्वारा मशरूम से प्राप्त काइटिन और काइटोसान
Lentinus edodes (शीताके), Ganoderma lucidum (लिंगझी या रीशी), Inonotus obliquus (चागा), Agaricus bisporus (बटन मशरूम), Hericium erinaceus (लायन्स मेन), Cordyceps sinensis (कैटरपिलर फंगस), Grifola frondosa (हेन-ऑफ-द-वुड), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, टर्कीटेल) जैसे खाद्य और औषधीय मशरूम तथा कवकों की अनेक अन्य प्रजातियों का व्यापक रूप से भोजन के रूप में और जैवसक्रिय यौगिकों के निष्कर्षण के लिए उपयोग किया जाता है। इन मशरूमों के साथ-साथ प्रसंस्करण के अवशेषों (मशरूम अपशिष्ट) का उपयोग भी काइटोसान के उत्पादन के लिए किया जा सकता है। अल्ट्रासोनिकेशन न केवल कवकीय कोशिका भित्ति की संरचना से काइटिन के मुक्त होने को बढ़ावा देता है, बल्कि अल्ट्रासोनिक सहायता से विबहुलकीकरण और डीएसीटिलीकरण के माध्यम से काइटिन को मूल्यवान काइटोसान में बदलने की प्रक्रिया को भी आगे बढ़ाता है।
सोनिकेशन, काइटिन के विबहुलकीकरण और डीएसीटिलीकरण द्वारा उसे काइटोसान में बदलने को बढ़ावा देता है
अल्ट्रासोनिकेशन का उपयोग मशरूम से काइटिन निकालने के लिए किया जाता है। इसके अतिरिक्त, उच्च गुणवत्ता वाला काइटोसान प्राप्त करने के लिए अल्ट्रासाउंड काइटिन के विबहुलकीकरण और डीएसीटिलीकरण को बढ़ावा देता है।
प्रोब-प्रकार की अल्ट्रासोनिक प्रणाली का उपयोग करके किया जाने वाला तीव्र अल्ट्रासोनिकेशन एक ऐसी तकनीक है, जिसका उपयोग काइटिन के विबहुलकीकरण और डीएसीटिलीकरण को बढ़ावा देने के लिए किया जाता है, जिससे काइटोसान बनता है। काइटिन एक प्राकृतिक रूप से पाया जाने वाला पॉलीसैकेराइड है, जो क्रस्टेशियनों और कीटों के बाह्यकंकालों तथा कुछ कवकों की कोशिका भित्तियों में पाया जाता है। काइटिन अणु से एसीटिल समूहों को हटाकर काइटोसान प्राप्त किया जाता है।
कवकीय काइटिन को काइटोसान में बदलने की अल्ट्रासोनिक प्रक्रिया
जब काइटिन से काइटोसान के उत्पादन के लिए तीव्र अल्ट्रासोनिकेशन का उपयोग किया जाता है, तो काइटिन के निलंबन का उच्च तीव्रता और कम आवृत्ति वाली अल्ट्रासाउंड तरंगों से सोनिकेशन किया जाता है, जो आमतौर पर 20 kHz से 30 kHz की सीमा में होती हैं। यह प्रक्रिया तीव्र ध्वनिक कैविटेशन उत्पन्न करती है, जिसका अर्थ है तरल में सूक्ष्म निर्वात बुलबुलों का बनना, बढ़ना और ध्वस्त होना। कैविटेशन बुलबुलों के आसपास के तरल में कैविटेशन स्थानीय रूप से अत्यंत उच्च अपरूपण बल, उच्च तापमान (कई हज़ार डिग्री सेल्सियस तक) और दाब (कई सौ वायुमंडल तक) उत्पन्न करता है। ये चरम परिस्थितियाँ काइटिन बहुलक के टूटने और उसके बाद होने वाले डीएसीटिलीकरण में योगदान देती हैं।
मशरूम की दो प्रजातियों से प्राप्त काइटिन और काइटोसान की SEM छवियाँ: a) L. vellereus से प्राप्त काइटिन; b) P. ribis से प्राप्त काइटिन; c) L.vellereus से प्राप्त काइटोसान; d) P. ribis से प्राप्त काइटोसान।
चित्र और अध्ययन: © Erdoğan et al., 2017
काइटिन का अल्ट्रासोनिक विबहुलकीकरण
काइटिन का विबहुलकीकरण सूक्ष्मप्रवाह और तरल जेट प्रवाह जैसे यांत्रिक बलों के संयुक्त प्रभावों के साथ-साथ अल्ट्रासोनिक रूप से आरंभ होने वाली रासायनिक अभिक्रियाओं द्वारा होता है, जिन्हें कैविटेशन के दौरान बनने वाले मुक्त मूलक और अन्य अभिक्रियाशील स्पीशीज़ प्रेरित करते हैं। कैविटेशन के दौरान उत्पन्न उच्च दाब वाली तरंगें काइटिन शृंखलाओं को अपरूपण प्रतिबल के अधीन करती हैं, जिसके परिणामस्वरूप बहुलक छोटे खंडों में टूट जाता है।
काइटिन का अल्ट्रासोनिक डीएसीटिलीकरण
विबहुलकीकरण के अलावा, तीव्र अल्ट्रासोनिकेशन काइटिन के डीएसीटाइलेशन को भी बढ़ावा देता है। डीएसीटाइलेशन में काइटिन अणु से एसीटिल समूहों को हटाया जाता है, जिससे काइटोसैन बनता है। तीव्र अल्ट्रासोनिक ऊर्जा, विशेष रूप से कैविटेशन के दौरान उत्पन्न उच्च तापमान और दाब, डीएसीटाइलेशन अभिक्रिया को तेज़ करते हैं। कैविटेशन से उत्पन्न अभिक्रियाशील परिस्थितियाँ काइटिन में एसीटिल बंधों को तोड़ने में मदद करती हैं, जिससे एसीटिक अम्ल मुक्त होता है और काइटिन काइटोसैन में परिवर्तित होता है।
कुल मिलाकर, तीव्र अल्ट्रासोनिकेशन काइटिन बहुलक को तोड़ने और काइटोसैन में उसके रूपांतरण को सुगम बनाने के लिए आवश्यक यांत्रिक और रासायनिक ऊर्जा प्रदान करके विबहुलकीकरण और डीएसीटाइलेशन, दोनों प्रक्रियाओं को बेहतर बनाता है। यह तकनीक काइटिन से काइटोसैन के उत्पादन की एक तेज़ और कुशल विधि प्रदान करती है, जिसके औषधि उद्योग, कृषि और जैवचिकित्सा अभियांत्रिकी सहित विभिन्न उद्योगों में अनेक अनुप्रयोग हैं।
उच्च-शक्ति अल्ट्रासाउंड से मशरूम से काइटोसैन का औद्योगिक उत्पादन
काइटिन और काइटोसैन का व्यावसायिक उत्पादन मुख्यतः समुद्री उद्योगों के अपशिष्ट (अर्थात मछली पकड़ने, कवचधारी समुद्री जीवों के संग्रह आदि से उत्पन्न अपशिष्ट) पर आधारित है। कच्चे माल के विभिन्न स्रोतों से काइटिन और काइटोसैन की अलग-अलग गुणवत्ता प्राप्त होती है, जिससे मछली पकड़ने में मौसमी बदलावों के कारण उत्पादन और गुणवत्ता में उतार-चढ़ाव आते हैं। इसके अलावा, कथित तौर पर कवकीय स्रोतों से प्राप्त काइटोसैन में समुद्री स्रोतों से प्राप्त काइटोसैन की तुलना में एकसमान बहुलक शृंखला लंबाई और अधिक घुलनशीलता जैसे बेहतर गुण होते हैं। (देखें Ghormade et al., 2017) एकसमान काइटोसैन की आपूर्ति के लिए कवकीय प्रजातियों से काइटिन का निष्कर्षण एक स्थिर वैकल्पिक उत्पादन विधि बन गया है। अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण और डीएसीटाइलेशन तकनीक का उपयोग करके कवकों से काइटिन और काइटोसैन का उत्पादन आसानी से और विश्वसनीय रूप से किया जा सकता है। तीव्र सोनिकेशन काइटिन को मुक्त करने के लिए कोशिकीय संरचनाओं को विघटित करता है और काइटिन की बेहतर प्राप्ति तथा निष्कर्षण दक्षता के लिए जलीय विलायकों में द्रव्यमान अंतरण को बढ़ावा देता है। इसके बाद किया जाने वाला अल्ट्रासोनिक डीएसीटाइलेशन काइटिन को मूल्यवान काइटोसैन में परिवर्तित करता है। अल्ट्रासोनिक काइटिन निष्कर्षण और काइटोसैन में रूपांतरण के लिए डीएसीटाइलेशन, दोनों को किसी भी व्यावसायिक उत्पादन स्तर तक रैखिक रूप से बढ़ाया जा सकता है।
सोनिकेशन कवकीय काइटोसैन के उत्पादन को तीव्र करता है और उत्पादन को अधिक कुशल तथा किफ़ायती बनाता है।
(चित्र और अध्ययन: © Zhu et al., 2019)
अल्ट्रासोनिकेटर UP400St मशरूम निष्कर्षण के लिए: सोनिकेशन से काइटिन और काइटोसैन जैसे पॉलीसैकराइड सहित जैवसक्रिय यौगिकों की उच्च प्राप्ति होती है
काइटिन और काइटोसैन के अल्ट्रासोनिक डीएसीटाइलेशन के शोध परिणाम
Zhu et al. (2018) अपने अध्ययन में निष्कर्ष निकालते हैं कि अल्ट्रासोनिक डीएसीटाइलेशन एक निर्णायक उपलब्धि साबित हुआ है, जो कम अभिक्रिया तापमान पर β-काइटिन को 83–94% डीएसीटाइलेशन वाले काइटोसैन में परिवर्तित करता है। बाईं ओर का चित्र अल्ट्रासोनिक रूप से डीएसीटाइलेट किए गए काइटोसैन का SEM चित्र दिखाता है (90 W, 15 min, 20 w/v% NaOH, 1:15 (g: mL) (चित्र और अध्ययन: © Zhu et al., 2018)
उनके प्रोटोकॉल में, NaOH के फ्लेक्स को विआयनीकृत (DI) जल में घोलकर NaOH विलयन (20 w/v %) तैयार किया गया। इसके बाद एक अपकेंद्रित्र नली में GLSP तलछट (0.5 g) में 1:20 (g: mL) के ठोस-द्रव अनुपात पर क्षार विलयन मिलाया गया। काइटोसान को NaCl (40 mL, 0.2 M) और ऐसिटिक अम्ल (0.1 M) में 1:1 के विलयन आयतन अनुपात पर मिलाया गया। इसके बाद प्रोब-प्रकार के अल्ट्रासोनिकेटर (250W, 20kHz) का उपयोग करके निलंबन को 25°C के सौम्य तापमान पर 60 min तक अल्ट्रासाउंड से उपचारित किया गया। (cf Zhu et al., 2018)
Pandit et al. (2021) ने पाया कि काइटोसान विलयनों के निम्नीकरण की दर बहुलक को घोलने के लिए प्रयुक्त अम्ल की सांद्रताओं से शायद ही कभी प्रभावित होती है और मुख्यतः तापमान, अल्ट्रासाउंड तरंगों की तीव्रता तथा बहुलक को घोलने के लिए प्रयुक्त माध्यमों की आयनिक प्रबलता पर निर्भर करती है। (cf. Pandit et al., 2021)
एक अन्य अध्ययन में, Zhu et al. (2019) ने कवकीय कच्चे माल के रूप में Ganoderma lucidum के बीजाणु चूर्ण का उपयोग किया और अल्ट्रासाउंड-सहायित डीऐसीटिलीकरण तथा काइटोसान के डीऐसीटिलीकरण की मात्रा (DD) पर सोनिकेशन समय, ठोस-द्रव अनुपात, NaOH सांद्रता और विकिरण शक्ति जैसे प्रसंस्करण मापदंडों के प्रभावों की जाँच की। निम्नलिखित अल्ट्रासोनिक मापदंडों पर उच्चतम DD मान प्राप्त हुआ: 80W पर 20 min सोनिकेशन, 10% (g:ml) NaOH, 1:25 (g:ml)। अल्ट्रासाउंड द्वारा प्राप्त काइटोसान की सतही आकारिकी, रासायनिक समूहों, तापीय स्थिरता और क्रिस्टलीयता की जाँच SEM, FTIR, TG और XRD का उपयोग करके की गई। शोध दल ने अल्ट्रासाउंड द्वारा उत्पादित काइटोसान के डीऐसीटिलीकरण की मात्रा (DD), गतिशील श्यानता ([η]) और आणविक भार (Mv¯) में उल्लेखनीय वृद्धि की सूचना दी है। परिणामों ने रेखांकित किया कि कवकों के अल्ट्रासोनिक डीऐसीटिलीकरण की तकनीक काइटोसान के उत्पादन की एक अत्यधिक प्रभावी विधि है, जो जैवचिकित्सकीय अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है। (cf. Zhu et al., 2019)
अल्ट्रासोनिक विबहुलकीकरण और डीऐसीटिलीकरण से काइटोसान की उत्कृष्ट गुणवत्ता
अल्ट्रासाउंड द्वारा संचालित काइटिन / काइटोसान निष्कर्षण और विबहुलकीकरण की प्रक्रियाओं को सटीक रूप से नियंत्रित किया जा सकता है और अल्ट्रासोनिक प्रक्रिया मापदंडों को कच्चे माल तथा अंतिम उत्पाद की लक्षित गुणवत्ता (जैसे, आणविक भार, डीऐसीटिलीकरण की मात्रा) के अनुसार समायोजित किया जा सकता है। इससे अल्ट्रासाउंड प्रक्रिया को बाहरी कारकों के अनुरूप ढालना और उत्कृष्ट परिणाम तथा दक्षता के लिए इष्टतम मापदंड निर्धारित करना संभव होता है।
अल्ट्रासाउंड द्वारा डीऐसीटिलीकृत काइटोसान उत्कृष्ट जैवउपलब्धता और जैवसंगतता दर्शाता है। जब जैवचिकित्सकीय गुणों के संदर्भ में अल्ट्रासाउंड द्वारा तैयार काइटोसान जैवबहुलकों की तुलना तापीय विधि से प्राप्त काइटोसान से की जाती है, तो अल्ट्रासाउंड द्वारा उत्पादित काइटोसान में फाइब्रोब्लास्ट (L929 कोशिका) की जीवित रहने की क्षमता में उल्लेखनीय सुधार और Escherichia coli (E. coli) तथा Staphylococcus aureus (S. aureus), दोनों के विरुद्ध बढ़ी हुई जीवाणुरोधी सक्रियता दिखाई देती है।
(cf. Zhu et al., 2018)
100× आवर्धन पर स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) की छवियाँ: a) ग्लेडियस, b) अल्ट्रासाउंड से उपचारित ग्लेडियस, c) β-काइटिन, d) अल्ट्रासाउंड से उपचारित β-काइटिन, और e) काइटोसान (स्रोत: Preto et al. 2017)
काइटिन और काइटोसान प्रसंस्करण के लिए उच्च-प्रदर्शन अल्ट्रासोनिक उपकरण
काइटिन के खंडन और काइटिन को काइटोसैन में बदलने के लिए उसके डीएसीटिलीकरण हेतु शक्तिशाली और विश्वसनीय अल्ट्रासोनिक उपकरण आवश्यक हैं, जो उच्च आयाम प्रदान कर सकें, प्रक्रिया के मापदंडों पर सटीक नियंत्रण दे सकें और भारी भार तथा चुनौतीपूर्ण परिवेश में 24/7 चलाए जा सकें। Hielscher Ultrasonics की उत्पाद शृंखला इन आवश्यकताओं को विश्वसनीय रूप से पूरा करती है। उत्कृष्ट अल्ट्रासाउंड प्रदर्शन के अलावा, Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर उच्च ऊर्जा दक्षता भी प्रदान करते हैं, जो एक महत्वपूर्ण आर्थिक लाभ है – विशेष रूप से बड़े पैमाने पर व्यावसायिक उत्पादन में उपयोग किए जाने पर।
Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर उच्च प्रदर्शन वाली प्रणालियाँ हैं, जिन्हें आपकी प्रक्रिया की आवश्यकताओं के अनुरूप सर्वोत्तम ढंग से अनुकूलित करने के लिए सोनोट्रोड, बूस्टर, रिएक्टर या प्रवाह सेल जैसे सहायक उपकरणों से सुसज्जित किया जा सकता है।
डिजिटल रंगीन डिस्प्ले, सोनिकेशन चक्रों को पहले से निर्धारित करने के विकल्प, एकीकृत SD कार्ड पर स्वचालित डेटा रिकॉर्डिंग, ब्राउज़र के माध्यम से दूरस्थ नियंत्रण और कई अन्य सुविधाओं के साथ, Hielscher अल्ट्रासोनिकेटर उच्चतम प्रक्रिया नियंत्रण और उपयोग में सुगमता सुनिश्चित करते हैं। मजबूती और भारी भार वहन करने की क्षमता के साथ, Hielscher अल्ट्रासोनिक प्रणालियाँ उत्पादन में आपकी विश्वसनीय कार्यसाधक हैं।
काइटिन के खंडन और डीएसीटिलीकरण में लक्षित रूपांतरण और उच्च गुणवत्ता वाला अंतिम काइटोसैन उत्पाद प्राप्त करने के लिए शक्तिशाली अल्ट्रासाउंड आवश्यक है। विशेष रूप से काइटिन के शल्कों के खंडन और विबहुलकीकरण / डीएसीटिलीकरण के चरणों के लिए उच्च आयाम और बढ़े हुए दाब अत्यंत महत्वपूर्ण हैं। Hielscher Ultrasonics के औद्योगिक अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर आसानी से बहुत उच्च आयाम प्रदान करते हैं। 200µm तक के आयामों पर 24/7 संचालन लगातार किया जा सकता है। इससे भी अधिक आयामों के लिए, आवश्यकतानुसार अनुकूलित अल्ट्रासोनिक सोनोट्रोड उपलब्ध हैं। Hielscher अल्ट्रासोनिक प्रणालियों की शक्ति क्षमता एक सुरक्षित और उपयोग में सुगम प्रक्रिया में कुशल और तेज़ विबहुलकीकरण तथा डीएसीटिलीकरण संभव बनाती है।
अल्ट्रासोनिक रिएक्टर, जिसमें 2000W अल्ट्रासाउंड प्रोब UIP2000hdT लगा है और जिसका उपयोग मशरूम से काइटिन के निष्कर्षण तथा उसके बाद विबहुलकीकरण / डीएसीटिलीकरण के लिए किया जाता है
| बैच का आयतन | प्रवाह दर | अनुशंसित उपकरण |
|---|---|---|
| 1 से 500mL | 10 से 200mL/min | UP100H |
| 10 से 2000mL | 20 से 400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 से 20L | 0.2 से 4L/min | UIP2000hdT |
| 10 से 100L | 2 से 10L/min | UIP4000hdT |
| n.a. | 10 से 100L/min | UIP16000 |
| n.a. | इससे अधिक | इनका समूह: UIP16000 |
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अल्ट्रासोनिकेशन से बेहतर बनाया गया सहक्रियात्मक काइटिन उपचार
काइटिन के पारंपरिक रासायनिक और एंज़ाइमी डीएसीटिलीकरण की कमियों (अर्थात कम दक्षता, उच्च ऊर्जा लागत, लंबा प्रसंस्करण समय, विषैले विलायक) को दूर करने के लिए, उच्च तीव्रता वाले अल्ट्रासाउंड को काइटिन और काइटोसैन के प्रसंस्करण में एकीकृत किया गया है। उच्च तीव्रता वाला सोनिकेशन और उससे उत्पन्न ध्वनिक कैविटेशन के प्रभाव बहुलक शृंखलाओं को तेज़ी से तोड़ते हैं और बहुपरिक्षेपिता को कम करते हैं, जिससे काइटोसैन के संश्लेषण को बढ़ावा मिलता है। इसके अलावा, अल्ट्रासोनिक अपरूपण बल विलयन में द्रव्यमान अंतरण को तीव्र करते हैं, जिससे रासायनिक, जलअपघटनी या एंज़ाइमी अभिक्रियाएँ बढ़ती हैं। अल्ट्रासोनिक काइटिन उपचार को पहले से मौजूद काइटिन प्रसंस्करण तकनीकों, जैसे रासायनिक विधियों, जलअपघटन या एंज़ाइमी प्रक्रियाओं के साथ संयोजित किया जा सकता है।
अल्ट्रासोनिक सहायता से रासायनिक डीएसीटिलीकरण और विबहुलकीकरण
चूँकि काइटिन एक अभिक्रियाहीन और अघुलनशील जैवबहुलक है, इसलिए घुलनशील और जैवसुलभ काइटोसैन प्राप्त करने के लिए इसे विखनिजीकरण, प्रोटीन निष्कासन और विबहुलकीकरण / डीएसीटिलीकरण के प्रक्रिया चरणों से गुजरना आवश्यक है। इन प्रक्रिया चरणों में HCl जैसे प्रबल अम्लों और NaOH तथा KOH जैसे प्रबल क्षारों से उपचार शामिल हैं। चूँकि ये पारंपरिक प्रक्रिया चरण अकुशल और धीमे हैं तथा इनमें अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है, इसलिए सोनिकेशन द्वारा प्रक्रिया का तीव्रीकरण काइटोसैन उत्पादन में उल्लेखनीय सुधार करता है। उच्च शक्ति वाले अल्ट्रासाउंड का उपयोग काइटोसैन की प्राप्ति और गुणवत्ता बढ़ाता है, प्रक्रिया की अवधि को कई दिनों से घटाकर कुछ घंटे कर देता है, अपेक्षाकृत सौम्य विलायकों का उपयोग संभव बनाता है और पूरी प्रक्रिया को अधिक ऊर्जा दक्ष बनाता है।
अल्ट्रासोनिकेशन से काइटिन के प्रोटीन निष्कासन में सुधार
Vallejo-Dominguez et al. (2021) ने काइटिन के विप्रोटीनीकरण पर अपने अध्ययन में पाया कि “जैवबहुलकों के उत्पादन के लिए अल्ट्रासाउंड के उपयोग से काइटिन की प्रोटीन सामग्री और कण आकार दोनों कम हुए। अल्ट्रासाउंड की सहायता से उच्च डीएसीटिलीकरण स्तर और मध्यम आणविक भार वाला काइटोसैन उत्पादित किया गया।”
काइटिन के विबहुलकीकरण के लिए अल्ट्रासोनिक जलअपघटन
रासायनिक जलअपघटन में काइटिन के डीएसीटिलीकरण के लिए अम्लों या क्षारों का उपयोग किया जाता है, हालांकि क्षारीय डीएसीटिलीकरण (जैसे, सोडियम हाइड्रॉक्साइड NaOH द्वारा) अधिक व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। अम्लीय जलअपघटन पारंपरिक रासायनिक डीएसीटिलीकरण की एक वैकल्पिक विधि है, जिसमें काइटिन और काइटोसैन के विबहुलकीकरण के लिए कार्बनिक अम्लों के विलयनों का उपयोग किया जाता है। अम्लीय जलअपघटन की विधि का उपयोग अधिकतर तब किया जाता है जब काइटिन और काइटोसैन का आणविक भार एकसमान होना आवश्यक हो। यह पारंपरिक जलअपघटन प्रक्रिया धीमी होने तथा अधिक ऊर्जा और लागत की आवश्यकता के लिए जानी जाती है। प्रबल अम्लों, उच्च तापमानों और उच्च दाबों की आवश्यकता ऐसे कारक हैं जो जलअपघटन द्वारा काइटोसैन के प्रसंस्करण को बहुत महंगी और समय लेने वाली प्रक्रिया बनाते हैं। उपयोग किए गए अम्लों के कारण उदासीनीकरण और विलवणीकरण जैसी अनुवर्ती प्रक्रियाओं की आवश्यकता होती है।
जलअपघटन प्रक्रिया में उच्च शक्ति वाले अल्ट्रासाउंड को एकीकृत करने से काइटिन और काइटोसैन के जलअपघटनी विदलन के लिए आवश्यक तापमान और दाब को काफी कम किया जा सकता है। इसके अलावा, सोनिकेशन से कम अम्ल सांद्रताओं या अपेक्षाकृत मृदु अम्लों का उपयोग संभव होता है। इससे प्रक्रिया अधिक संधारणीय, कुशल, किफायती और पर्यावरण के अधिक अनुकूल बनती है।
अल्ट्रासोनिक सहायता से रासायनिक डीएसीटिलीकरण
काइटिन और काइटोसैन का रासायनिक विघटन और डीएसीटिलीकरण मुख्यतः काइटिन या काइटोसैन को खनिज अम्लों (जैसे, हाइड्रोक्लोरिक अम्ल HCl), सोडियम नाइट्राइट (NaNO2), या हाइड्रोजन पेरॉक्साइड (H2O2) से उपचारित करके किया जाता है। अल्ट्रासाउंड डीएसीटिलीकरण की दर बढ़ाता है, जिससे लक्षित डीएसीटिलीकरण स्तर प्राप्त करने के लिए आवश्यक अभिक्रिया समय कम हो जाता है। इसका अर्थ है कि सोनिकेशन आवश्यक प्रसंस्करण समय को 12–24 घंटे से घटाकर कुछ घंटे कर देता है। इसके अलावा, सोनिकेशन से रसायनों की काफी कम सांद्रताओं का उपयोग संभव होता है, उदाहरण के लिए सोनिकेशन का उपयोग करने पर 40% (w/w) सोडियम हाइड्रॉक्साइड, जबकि अल्ट्रासाउंड का उपयोग किए बिना 65% (w/w) की आवश्यकता होती है।
अल्ट्रासोनिक–एंजाइमी डीएसीटिलीकरण
हालांकि एंजाइमी डीएसीटिलीकरण एक मृदु और पर्यावरण के लिए अहानिकारक प्रसंस्करण विधि है, लेकिन इसकी दक्षता और लागत इसे आर्थिक रूप से अलाभकारी बनाती हैं। अंतिम उत्पाद से एंजाइमों के जटिल, श्रमसाध्य और महंगे अनुवर्ती पृथक्करण और शुद्धिकरण के कारण, काइटिन का एंजाइमी डीएसीटिलीकरण वाणिज्यिक उत्पादन में नहीं अपनाया जाता, बल्कि केवल वैज्ञानिक अनुसंधान प्रयोगशालाओं में उपयोग किया जाता है।
एंजाइमी डीएसीटिलीकरण से पहले अल्ट्रासोनिक पूर्वोपचार काइटिन अणुओं को खंडित करता है, जिससे पृष्ठीय क्षेत्रफल बढ़ता है और एंजाइमों के लिए अधिक सतह उपलब्ध होती है। उच्च प्रदर्शन वाला सोनिकेशन एंजाइमी डीएसीटिलीकरण को बेहतर बनाने में मदद करता है और प्रक्रिया को अधिक किफायती बनाता है।
Hielscher Ultrasonics प्रयोगशाला, पायलट और औद्योगिक पैमाने पर मिश्रण संबंधी अनुप्रयोगों, परिक्षेपण, पायसीकरण और निष्कर्षण के लिए उच्च प्रदर्शन वाले अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र बनाता है।
साहित्य / संदर्भ
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- Valu M.V., Soare L.C., Sutan N.A., Ducu C., Moga S., Hritcu L., Boiangiu R.S., Carradori S. (2020): Optimization of Ultrasonic Extraction to Obtain Erinacine A and Polyphenols with Antioxidant Activity from the Fungal Biomass of Hericium erinaceus. Foods, Dec 18;9(12), 2020.
- Erdoğan, Sevil & Kaya, Murat & Akata, Ilgaz (2017): Chitin extraction and chitosan production from cell wall of two mushroom species (Lactarius vellereus and Phyllophora ribis). AIP Conference Proceedings 2017.
- Zhu, L., Chen, X., Wu, Z., Wang, G., Ahmad, Z., & Chang, M. (2019): Optimization conversion of chitosan from Ganoderma lucidum spore powder using ultrasound‐assisted deacetylation: Influence of processing parameters. Journal of Food Processing and Preservation 2019.
- Li-Fang Zhu, Jing-Song Li, John Mai, Ming-Wei Chang (2019): Ultrasound-assisted synthesis of chitosan from fungal precursors for biomedical applications. Chemical Engineering Journal, Volume 357, 2019. 498-507.
- Zhu, Lifang; Yao, Zhi-Cheng; Ahmad, Zeeshan; Li, Jing-Song; Chang, Ming-Wei (2018): Synthesis and Evaluation of Herbal Chitosan from Ganoderma Lucidum Spore Powder for Biomedical Applications. Scientific Reports 8, 2018.
- G.J. Price, P.J. West, P.F. Smith (1994): Control of polymer structure using power ultrasound. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 1, Issue 1, 1994. S51-S57.
जानने योग्य तथ्य
काइटिन का अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण और डीएसीटिलीकरण कैसे काम करता है?
जब पावर अल्ट्रासाउंड तरंगों को किसी द्रव या स्लरी (जैसे, किसी विलायक में काइटिन का निलंबन) में संचारित किया जाता है, तो अल्ट्रासोनिक तरंगें द्रव में प्रवाहित होकर बारी-बारी से उच्च-दाब / निम्न-दाब चक्र उत्पन्न करती हैं। निम्न-दाब चक्रों के दौरान, अत्यंत सूक्ष्म निर्वात बुलबुले (जिन्हें कैविटेशन बुलबुले कहा जाता है) बनते हैं, जो कई दाब चक्रों के दौरान बढ़ते हैं। एक निश्चित आकार पर पहुँचने के बाद, जब बुलबुले और अधिक ऊर्जा अवशोषित नहीं कर पाते, तो वे उच्च-दाब चक्र के दौरान तीव्रता से अंतःस्फोटित होते हैं। बुलबुलों के अंतःस्फोट की विशेषता तीव्र कैविटेशन बल (जिन्हें सोनोमैकेनिकल बल कहा जाता है) हैं। ये सोनोमैकेनिकल स्थितियाँ कैविटेशन हॉट-स्पॉट में स्थानीय रूप से उत्पन्न होती हैं और इनमें क्रमशः 4000K और 1000atm तक के अत्यंत उच्च तापमान और दाब होते हैं; साथ ही तापमान और दाब में तदनुरूप बड़े अंतर भी होते हैं। इसके अतिरिक्त, सूक्ष्म विक्षोभ और 100m/s तक के वेग वाली द्रव धाराएँ उत्पन्न होती हैं। कवकों और क्रस्टेशियनों से काइटिन और काइटोसैन का अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण तथा काइटिन का विबहुलकीकरण और डीएसीटिलीकरण मुख्यतः सोनोमैकेनिकल प्रभावों के कारण होते हैं: द्रव की हलचल और विक्षोभ कोशिकाओं का विघटन करते हैं और द्रव्यमान स्थानांतरण को बढ़ावा देते हैं तथा अम्लीय या क्षारीय विलायकों के साथ मिलकर बहुलक शृंखलाओं को भी काट सकते हैं।
अल्ट्रासोनिकेशन द्वारा काइटिन निष्कर्षण का कार्य सिद्धांत
अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण मशरूम की कोशिकीय संरचना को कुशलतापूर्वक तोड़ता है और कोशिका भित्ति तथा कोशिका के अंदर से अंतःकोशिकीय यौगिकों (अर्थात्, काइटिन और काइटोसैन जैसे पॉलीसैकराइड तथा अन्य जैवसक्रिय पादप रसायन) को विलायक में मुक्त करता है। अल्ट्रासोनिक निष्कर्षण ध्वनिक कैविटेशन के कार्य सिद्धांत पर आधारित है। अल्ट्रासोनिक / ध्वनिक कैविटेशन के प्रभावों में उच्च अपरूपण बल, विक्षोभ और तीव्र दाब अंतर शामिल हैं। ये सोनोमैकेनिकल बल काइटिनयुक्त मशरूम कोशिका भित्तियों जैसी कोशिकीय संरचनाओं को तोड़ते हैं, कवकीय जैवपदार्थ और विलायक के बीच द्रव्यमान स्थानांतरण को बढ़ावा देते हैं और एक तीव्र प्रक्रिया में अत्यधिक निष्कर्ष प्राप्ति देते हैं। इसके अतिरिक्त, सोनिकेशन बैक्टीरिया और सूक्ष्मजीवों को मारकर निष्कर्षों के निर्जीवीकरण को बढ़ावा देता है। सोनिकेशन द्वारा सूक्ष्मजीवी निष्क्रियण कोशिका झिल्ली पर विनाशकारी कैविटेशन बलों, मुक्त मूलकों के उत्पादन और स्थानीय तापन का परिणाम है।
अल्ट्रासोनिकेशन द्वारा विबहुलकीकरण और डीएसीटिलीकरण का कार्य सिद्धांत
बहुलक शृंखलाएँ कैविटेशन बुलबुले के चारों ओर अल्ट्रासोनिक रूप से उत्पन्न अपरूपण क्षेत्र में फँस जाती हैं और ढहती हुई गुहिका के पास स्थित बहुलक कुंडली के शृंखला खंड, उससे दूर स्थित खंडों की तुलना में अधिक वेग से गति करते हैं। इसके बाद बहुलक खंडों और विलायकों की सापेक्ष गति के कारण बहुलक शृंखला पर प्रतिबल उत्पन्न होते हैं, जो शृंखला को तोड़ने के लिए पर्याप्त होते हैं। इस प्रकार यह प्रक्रिया बहुलक विलयनों में होने वाले अन्य अपरूपण प्रभावों ~2° के समान है और बहुत मिलते-जुलते परिणाम देती है। (cf. Price et al., 1994)
काइटिन
काइटिन एक N-एसिटाइलग्लूकोसामीन बहुलक (poly-(β-(1–4)-N-acetyl-D-glucosamine) है, जो प्राकृतिक रूप से पाया जाने वाला एक पॉलीसैकराइड है और क्रस्टेशियनों तथा कीटों जैसे अकशेरुकी जीवों के बाह्यकंकाल, स्क्विड और कटलफिश के अंतःकंकाल तथा कवकों की कोशिका भित्तियों में व्यापक रूप से पाया जाता है। मशरूम की कोशिका भित्तियों की संरचना में समाहित काइटिन, कवकीय कोशिका भित्ति के आकार और कठोरता के लिए उत्तरदायी है। कई अनुप्रयोगों के लिए, काइटिन को विबहुलकीकरण प्रक्रिया द्वारा उसके डीएसीटिलीकृत व्युत्पन्न में परिवर्तित किया जाता है, जिसे काइटोसैन कहा जाता है।
काइटोसैन काइटिन का सबसे सामान्य और सबसे मूल्यवान व्युत्पन्न है। यह उच्च आणविक भार वाला एक पॉलीसैकराइड है, जो b-1,4 ग्लाइकोसाइड द्वारा जुड़ा होता है और N-एसिटाइल-ग्लूकोसामीन तथा ग्लूकोसामीन से बना होता है।
काइटोसैन को प्राप्त करने के लिए रासायनिक या एंज़ाइमी N-डीएसीटिलीकरण का उपयोग किया जा सकता है। रासायनिक रूप से संचालित डीएसीटिलीकरण प्रक्रिया में, एसिटाइल समूह (R-NHCOCH3) को उच्च तापमान पर प्रबल क्षार द्वारा अलग किया जाता है। वैकल्पिक रूप से, काइटोसैन का संश्लेषण एंज़ाइमी डीएसीटाइलेशन द्वारा किया जा सकता है। हालांकि, औद्योगिक उत्पादन पैमाने पर रासायनिक डीएसीटाइलेशन पसंदीदा तकनीक है, क्योंकि डीएसीटाइलेज़ एंज़ाइमों की उच्च लागत और प्राप्त काइटोसैन की कम उपज के कारण एंज़ाइमी डीएसीटाइलेशन की दक्षता काफी कम होती है। उच्च गुणवत्ता वाला काइटोसैन प्राप्त करने के लिए (1→4)-/β-बंध के रासायनिक अपघटन (विबहुलकीकरण) को तीव्र करने और काइटिन का डीएसीटाइलेशन करने के लिए अल्ट्रासोनिकेशन का उपयोग किया जाता है।
जब एंज़ाइमी डीएसीटाइलेशन से पहले पूर्व-उपचार के रूप में सोनिकेशन किया जाता है, तो काइटोसैन की उपज और गुणवत्ता भी बेहतर होती है।
Hielscher Ultrasonics उच्च-प्रदर्शन वाले अल्ट्रासोनिक होमोजेनाइज़र बनाता है, जिनका आकार प्रयोगशाला स्तर से लेकर औद्योगिक स्तर तक होता है।