Kitin és kitozán előállítása gombákból

Az ultrahangos kezelés rendkívül hatékony módszer a kitin és a kitozán felszabadítására gombaforrásokból, például kalapos gombákból. A kiváló minőségű biopolimer előállításához a kitint és a kitozánt az utófeldolgozás során depolimerizálni és dezacetilezni kell. Az ultrahanggal segített depolimerizáció és dezacetilezés rendkívül hatásos, egyszerű és gyors technika, amely nagy molekulatömegű és kiváló biológiai hozzáférhetőségű, kiváló minőségű kitozánokat eredményez.

Gombákból származó kitin és kitozán ultrahangos kezeléssel

Az ehető és gyógygombákat, például a Lentinus edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi vagy reishi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (kétspórás csiperke), Hericium erinaceus (süngomba), Cordyceps sinensis (kínai hernyógomba), Grifola frondosa (bokrosgomba), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, lepketapló) fajokat és számos más gombafajt széles körben használják élelmiszerként és bioaktív vegyületek extrakciójára. Ezek a gombák, valamint a feldolgozási maradékok (gombahulladék) kitozán előállítására használhatók. Az ultrahangos kezelés nemcsak elősegíti a kitin felszabadulását a gombák sejtfalszerkezetéből, hanem az ultrahanggal segített depolimerizáció és dezacetilezés révén a kitin értékes kitozánná alakítását is előmozdítja.

Ez a videó a süngomba rendkívül hatékony extrakcióját mutatja be a Hielscher UP200Ht ultrahangos homogenizátorával. Az ultrahangos extrakció ideális eljárás kiváló minőségű, teljes spektrumú kivonatok előállítására, amelyek poliszacharidokat, például béta-glükánokat, valamint hericenonokat és erinacinokat tartalmaznak.

 

A szondás ultrahangos rendszerrel végzett intenzív ultrahangos kezelés olyan technika, amelyet a kitin depolimerizációjának és dezacetilezésének elősegítésére használnak, és amely kitozán képződéséhez vezet. A kitin természetben előforduló poliszacharid, amely a rákfélék és a rovarok külső vázában, valamint bizonyos gombák sejtfalában található. A kitozánt a kitinből állítják elő a kitinmolekula acetilcsoportjainak eltávolításával.

Ultrahangos eljárás a gombákból származó kitin kitozánná alakítására

Amikor intenzív ultrahangos kezelést alkalmaznak kitozán kitinből történő előállítására, a kitinszuszpenziót nagy intenzitású, alacsony frekvenciájú ultrahanghullámokkal kezelik, jellemzően a 20 kHz–30 kHz tartományban. A folyamat intenzív akusztikus kavitációt hoz létre, amely mikroszkopikus vákuumbuborékok képződését, növekedését és összeomlását jelenti a folyadékban. A kavitáció a kavitációs buborékokat körülvevő folyadékban helyileg rendkívül nagy nyíróerőket, magas hőmérsékletet (akár több ezer Celsius-fokot) és nagy nyomást (akár több száz atmoszférát) hoz létre. Ezek a szélsőséges körülmények hozzájárulnak a kitinpolimer lebontásához és az azt követő dezacetilezéshez.
 

 

A kitin ultrahangos depolimerizációja

A kitin depolimerizációja mechanikai erők, például mikroáramlás és folyadéksugár-képződés együttes hatására, valamint a kavitáció során képződő szabad gyökök és más reaktív részecskék által kiváltott, ultrahanggal elindított kémiai reakciók révén megy végbe. A kavitáció során keletkező nagy nyomású hullámok nyírófeszültségnek teszik ki a kitinláncokat, ami a polimer kisebb darabokra hasadását eredményezi.

A kitin ultrahangos dezacetilezése

A depolimerizáció mellett az intenzív ultrahangos kezelés a kitin dezacetilezését is elősegíti. A dezacetilezés során acetilcsoportokat távolítanak el a kitinmolekulából, ami kitozán képződéséhez vezet. Az intenzív ultrahangenergia, különösen a kavitáció során kialakuló magas hőmérséklet és nagy nyomás, felgyorsítja a dezacetilezési reakciót. A kavitáció által létrehozott reaktív körülmények elősegítik a kitin acetilkötéseinek felhasadását, ami ecetsav felszabadulását és a kitin kitozánná alakulását eredményezi.
Összességében az intenzív ultrahangos kezelés mind a depolimerizációs, mind a dezacetilezési folyamatot fokozza azáltal, hogy biztosítja a kitinpolimer lebontásához és a kitozánná alakítás elősegítéséhez szükséges mechanikai és kémiai energiát. Ez a technika gyors és hatékony módszert kínál kitozán kitinből történő előállítására, számos alkalmazási lehetőséggel a különböző ágazatokban, többek között a gyógyszeriparban, a mezőgazdaságban és az orvosbiológiai mérnöki területen.

Kitozán ipari előállítása gombákból teljesítményultrahanggal

A kereskedelmi célú kitin- és kitozánelőállítás főként a tengeri iparágak hulladékaira épül (azaz a halászat, a kagylók és rákfélék begyűjtése stb. hulladékaira). A különböző nyersanyagforrások eltérő kitin- és kitozánminőséget eredményeznek, így a halászat szezonális változásai miatt a termelés és a minőség is ingadozik. Emellett a gombaforrásokból származó kitozán a beszámolók szerint kedvezőbb tulajdonságokat, például egyenletes polimerlánchosszt és jobb oldhatóságot kínál a tengeri forrásokból származó kitozánhoz képest. (vö. Ghormade et al., 2017) Az egyenletes minőségű kitozán biztosítása érdekében a kitin gombafajokból történő extrakciója stabil alternatív előállítási módszerré vált. Ultrahangos extrakciós és dezacetilezési technológiával a kitin és a kitozán gombákból történő előállítása könnyen és megbízhatóan megvalósítható. Az intenzív ultrahangos kezelés a kitin felszabadítása érdekében feltárja a sejtszerkezeteket, és elősegíti az anyagátadást a vizes oldószerekben a jobb kitinhozam és extrakciós hatékonyság érdekében. Az ezt követő ultrahangos dezacetilezés a kitint értékes kitozánná alakítja. Mind az ultrahangos kitinextrakció, mind a kitozánná történő dezacetilezés lineárisan felskálázható bármilyen kereskedelmi termelési szintre.

A kitin és a kitozán ultrahangos dezacetilezésének kutatási eredményei

Zhu et al. (2018) tanulmányukban arra a következtetésre jutottak, hogy az ultrahangos dezacetilezés döntő áttörésnek bizonyult: csökkentett reakcióhőmérsékleten a β-kitint 83–94%-os dezacetilezettségű kitozánná alakítja. A bal oldali kép ultrahanggal dezacetilezett kitozán SEM-képét mutatja (90 W, 15 min, 20 w/v% NaOH, 1:15 (g: mL) (kép és tanulmány: © Zhu et al., 2018)
Protokolljukban a NaOH-oldatot (20 w/v %) NaOH-pelyhek ionmentesített vízben történő feloldásával készítették el. A lúgoldatot ezután centrifugacsőben lévő GLSP-üledékhez (0,5 g) adták, 1:20 (g: mL) szilárd–folyadék arány mellett. A kitozánt NaCl-hoz (40 mL, 0,2 M) és ecetsavhoz (0,1 M) adták, az oldatok 1:1 térfogataránya mellett. A szuszpenziót ezután mérsékelt, 25°C-os hőmérsékleten 60 min időtartamig ultrahangos kezelésnek vetették alá egy szondás ultrahangos készülékkel (250W, 20kHz). (vö. Zhu et al., 2018)
 
Pandit et al. (2021) megállapították, hogy a kitozánoldatok lebomlási sebességét ritkán befolyásolja a polimer oldatba viteléhez használt sav koncentrációja, és az nagymértékben függ a hőmérséklettől, az ultrahanghullámok intenzitásától és a polimer feloldásához használt közeg ionerősségétől. (vö. Pandit et al., 2021)
 
Egy másik tanulmányban Zhu et al. (2019) Ganoderma lucidum spóraport használtak gombaeredetű nyersanyagként, és az ultrahanggal segített dezacetilezést, valamint az olyan feldolgozási paramétereknek a kitozán dezacetilezettségi fokára (DD) gyakorolt hatását vizsgálták, mint az ultrahangos kezelés időtartama, a szilárd–folyadék arány, a NaOH-koncentráció és a besugárzási teljesítmény. A legmagasabb DD-értéket a következő ultrahangos paraméterek mellett érték el: 20 min ultrahangos kezelés 80W teljesítménnyel, 10% (g:ml) NaOH, 1:25 (g:ml). Az ultrahanggal előállított kitozán felületi morfológiáját, kémiai csoportjait, hőstabilitását és kristályosságát SEM, FTIR, TG és XRD segítségével vizsgálták. A kutatócsoport az ultrahanggal előállított kitozán dezacetilezettségi fokának (DD), dinamikai viszkozitásának ([η]) és molekulatömegének (Mv¯) jelentős növekedéséről számol be. Az eredmények alátámasztották, hogy a gombák ultrahangos dezacetilezési technikája rendkívül hatásos előállítási módszer az orvosbiológiai alkalmazásokra alkalmas kitozánhoz. (vö. Zhu et al., 2019)

Kiváló kitozánminőség ultrahangos depolimerizációval és dezacetilezéssel

A kitin / kitozán ultrahanggal végzett extrakciós és depolimerizációs folyamatai pontosan szabályozhatók, és az ultrahangos folyamat paraméterei a nyersanyagokhoz és a végtermék megcélzott minőségéhez igazíthatók (pl. molekulatömeg, dezacetilezettségi fok). Ez lehetővé teszi az ultrahangos folyamat külső tényezőkhöz való igazítását és az optimális paraméterek beállítását a kiváló eredmény és hatékonyság érdekében.
Az ultrahanggal dezacetilezett kitozán kiváló biológiai hozzáférhetőséget és biokompatibilitást mutat. Amikor az ultrahanggal előállított kitozán-biopolimereket orvosbiológiai tulajdonságaik tekintetében összehasonlítják a termikus úton előállított kitozánnal, az ultrahanggal előállított kitozán jelentősen jobb fibroblaszt-életképességet (L929 sejtek) és fokozott antibakteriális aktivitást mutat mind az Escherichia coli (E. coli), mind a Staphylococcus aureus (S. aureus) esetében.
(vö. Zhu et al., 2018)
 

Nagy teljesítményű ultrahangos berendezések a kitin és a kitozán feldolgozásához

A kitin fragmentálásához és a kitin kitozánná történő dezacetilezéséhez nagy teljesítményű és megbízható ultrahangos berendezés szükséges, amely nagy amplitúdót képes biztosítani, lehetővé teszi a folyamatparaméterek pontos szabályozását, és nagy terhelés mellett, igényes környezetben is üzemeltethető 24/7 üzemben. A Hielscher Ultrasonics termékkínálata megbízhatóan teljesíti ezeket a követelményeket. A kiemelkedő ultrahangos teljesítmény mellett a Hielscher ultrahangos készülékei nagy energiahatékonysággal rendelkeznek, ami jelentős gazdasági előny – különösen kereskedelmi célú, nagyüzemi termelésben alkalmazva.
A Hielscher ultrahangos készülékei nagy teljesítményű rendszerek, amelyek olyan tartozékokkal szerelhetők fel, mint a szonotródák, amplitúdóerősítők, reaktorok vagy átfolyó cellák, hogy optimálisan megfeleljenek az Ön folyamatigényeinek.
 A digitális színes kijelzővel, az ultrahangos kezelési ciklusok előzetes beállításának lehetőségével, a beépített SD-kártyára történő automatikus adatrögzítéssel, a böngészőn keresztüli távoli vezérléssel és számos további funkcióval a Hielscher ultrahangos készülékei a legmagasabb szintű folyamatszabályozást és felhasználóbarát működést biztosítják. Robusztusságukkal és nagy teherbírásukkal párosulva a Hielscher ultrahangos rendszerei megbízható igáslovai az Ön termelésének. 
A kitin fragmentálásához és dezacetilezéséhez nagy teljesítményű ultrahang szükséges a megcélzott átalakulás és a kiváló minőségű kitozán végtermék eléréséhez. Különösen a kitinpelyhek fragmentálásához és a depolimerizációs / dezacetilezési lépésekhez kulcsfontosságú a nagy amplitúdó és a megnövelt nyomás. A Hielscher Ultrasonics ipari ultrahangos processzorai könnyedén biztosítanak nagyon nagy amplitúdókat. Akár 200µm amplitúdóval is folyamatosan működtethetők 24/7 üzemben. Még nagyobb amplitúdókhoz egyedi ultrahangos szonotródák állnak rendelkezésre. A Hielscher ultrahangos rendszereinek teljesítménykapacitása hatékony és gyors depolimerizációt és dezacetilezést tesz lehetővé biztonságos és felhasználóbarát folyamatban.
 

Az alábbi táblázat tájékoztatást ad ultrahangos készülékeink hozzávetőleges feldolgozási kapacitásáról:

---

---

Ultrahangos kezeléssel javított szinergikus kitinkezelés

A kitin hagyományos kémiai és enzimes dezacetilezésének hátrányai (azaz az alacsony hatékonyság, a magas energiaköltség, a hosszú feldolgozási idő és a mérgező oldószerek) leküzdése érdekében nagy intenzitású ultrahangot építettek be a kitin és a kitozán feldolgozásába. A nagy intenzitású ultrahangos kezelés és az ennek következtében fellépő akusztikus kavitáció hatásai a polimerláncok gyors hasadásához vezetnek, és csökkentik a polidiszperzitást, ezáltal elősegítve a kitozán szintézisét. Emellett az ultrahangos nyíróerők fokozzák az anyagátadást az oldatban, így a kémiai, hidrolitikus vagy enzimes reakciók is intenzívebbé válnak. Az ultrahangos kitinkezelés már meglévő kitinfeldolgozási technikákkal, például kémiai módszerekkel, hidrolízissel vagy enzimes eljárásokkal kombinálható.

Ultrahanggal segített kémiai dezacetilezés és depolimerizáció

Mivel a kitin nem reaktív és oldhatatlan biopolimer, az oldható és biológiailag hozzáférhető kitozán előállításához demineralizációs, fehérjementesítési és depolimerizációs / dezacetilezési folyamatlépéseken kell átesnie. Ezek a folyamatlépések erős savakkal, például HCl-dal, és erős bázisokkal, például NaOH-dal és KOH-dal történő kezeléseket foglalnak magukban. Mivel ezek a hagyományos folyamatlépések alacsony hatékonyságúak, lassúak és nagy energiaigényűek, az ultrahangos kezeléssel történő folyamatintenzifikálás jelentősen javítja a kitozán előállítását. A teljesítményultrahang alkalmazása növeli a kitozán hozamát és minőségét, napokról néhány órára rövidíti a folyamatot, lehetővé teszi enyhébb oldószerek használatát, és energiahatékonyabbá teszi az egész folyamatot.

A kitin ultrahanggal javított fehérjementesítése

Vallejo-Dominguez et al. (2021) a kitin fehérjementesítésének vizsgálata során megállapították, hogy „az ultrahang alkalmazása biopolimerek előállítására csökkentette a kitin fehérjetartalmát és részecskeméretét is. Ultrahangos segítséggel nagy dezacetilezettségi fokú és közepes molekulatömegű kitozánt állítottak elő.”

Ultrahangos hidrolízis a kitin depolimerizációjához

A kémiai hidrolízishez savakat vagy lúgokat használnak a kitin dezacetilezésére, azonban a lúgos dezacetilezést (pl. nátrium-hidroxiddal, NaOH-dal) szélesebb körben alkalmazzák. A savas hidrolízis a hagyományos kémiai dezacetilezés alternatív módszere, amelyben szerves savak oldatait használják a kitin és a kitozán depolimerizálására. A savas hidrolízis módszerét főként akkor alkalmazzák, amikor a kitin és a kitozán molekulatömegének egyenletesnek kell lennie. Ez a hagyományos hidrolízisfolyamat közismerten lassú, energia- és költségigényes. Az erős savak, a magas hőmérséklet és a nagy nyomás szükségessége olyan tényezők, amelyek a hidrolitikus kitozáneljárást nagyon költséges és időigényes folyamattá teszik. Az alkalmazott savak utófeldolgozási folyamatokat, például semlegesítést és sómentesítést tesznek szükségessé.
A nagy teljesítményű ultrahang hidrolízisfolyamatba történő beépítésével jelentősen csökkenthetők a kitin és a kitozán hidrolitikus hasításához szükséges hőmérséklet- és nyomásértékek. Az ultrahangos kezelés emellett alacsonyabb savkoncentrációt vagy enyhébb savak használatát teszi lehetővé. Ez fenntarthatóbbá, hatékonyabbá, költséghatékonyabbá és környezetbarátabbá teszi a folyamatot.

Ultrahanggal segített kémiai dezacetilezés

A kitin és a kitozán kémiai szétesését és dezacetilezését főként a kitin vagy a kitozán ásványi savakkal (pl. sósavval, HCl-dal), nátrium-nitrittel (NaNO₂) vagy hidrogén-peroxiddal (H₂O₂) történő kezelésével érik el. Az ultrahang javítja a dezacetilezés sebességét, ezáltal lerövidíti a megcélzott dezacetilezettségi fok eléréséhez szükséges reakcióidőt. Ez azt jelenti, hogy az ultrahangos kezelés a szükséges feldolgozási időt 12–24 óráról néhány órára csökkenti. Emellett az ultrahangos kezelés jelentősen alacsonyabb vegyszerkoncentrációkat tesz lehetővé, például ultrahangos kezelés mellett 40% (w/w) nátrium-hidroxidot, míg ultrahang alkalmazása nélkül 65% (w/w) szükséges.

Ultrahangos-enzimes dezacetilezés

Bár az enzimes dezacetilezés enyhe és környezetkímélő feldolgozási forma, hatékonysága és költségei miatt nem gazdaságos. Az enzimek végtermékből történő, összetett, munkaigényes és költséges utólagos elkülönítése és tisztítása miatt a kitin enzimes dezacetilezését nem alkalmazzák kereskedelmi termelésben, hanem csak tudományos kutatólaboratóriumban használják.
Az enzimes dezacetilezés előtti ultrahangos előkezelés fragmentálja a kitinmolekulákat, ezáltal növeli a felületet, és több felületet tesz hozzáférhetővé az enzimek számára. A nagy teljesítményű ultrahangos kezelés segít javítani az enzimes dezacetilezést, és gazdaságosabbá teszi a folyamatot.