Kitin és kitozán előállítása gombából

Az ultrahangos kezelés rendkívül hatékony módszer a kitin és a kitozán felszabadítására gombás forrásokból, például gombákból. A kitint és a kitozánt depolimerizálni és deacetilálni kell a lefelé irányuló feldolgozás során, hogy kiváló minőségű biopolimert kapjunk. Az ultrahanggal segített depolimerizáció és deacetiláció rendkívül hatékony, egyszerű és gyors technika, amely kiváló minőségű, nagy molekulatömegű és kiváló biológiai hozzáférhetőségű kitozánokat eredményez.

Gomba eredetű kitin és kitozán keresztül ultrahangos kezelés

Az ehető és gyógygombákat, mint például a Lentinus edodes (shiitake), a Ganoderma lucidum (Lingzhi vagy reishi), az Inonotus obliquus (chaga), az Agaricus bisporus (csiperkegomba), a Hericium erinaceus (oroszlánsörény), a Cordyceps sinensis (hernyógomba), a Grifola frondosa (tyúk), a Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, pulykafarkú) és sok más gombafajt széles körben használják élelmiszerként és bioaktív vegyületek kivonására. Ezek a gombák, valamint a feldolgozási maradékok (gombahulladék) felhasználhatók kitozán előállítására. Az ultrahangos kezelés nemcsak elősegíti a kitin felszabadulását a gombás sejtfalszerkezetből, hanem a kitin értékes kitozánná történő átalakítását is ultrahanggal segített depolimerizációval és deacetilezéssel.

A kitin kitozánná történő depolimerizációját és deacetilációját szonikálással segítik elő

Az intenzív ultrahangos kezelés szonda típusú ultrahangos rendszerrel olyan technika, amelyet a kitin depolimerizációjának és deacetilációjának elősegítésére használnak, ami kitozán kialakulásához vezet. A kitin egy természetben előforduló poliszacharid, amely rákfélék, rovarok exoskeletonjaiban és bizonyos gombák sejtfalában található. A kitozán kitinből származik az acetilcsoportok eltávolításával a kitinmolekulából.

Ultrahangos eljárás gombás kitin-kitozán átalakításhoz

Amikor intenzív ultrahangos kezelést alkalmaznak a kitozán kitinből történő előállítására, a kitin szuszpenziót nagy intenzitású, alacsony frekvenciájú ultrahanghullámokkal ultrahanggal ultrahangozzák, jellemzően 20 kHz és 30 kHz között. A folyamat intenzív akusztikus kavitációt generál, amely mikroszkopikus vákuumbuborékok kialakulására, növekedésére és összeomlására utal a folyadékban. A kavitáció lokalizált, rendkívül nagy nyíróerőket, magas hőmérsékletet (több ezer Celsius fokig) és nyomást (akár több száz atmoszféra) generál a kavitációs buborékokat körülvevő folyadékban. Ezek a szélsőséges körülmények hozzájárulnak a kitinpolimer lebontásához és az azt követő deacetilációhoz.
 

SEM képek két gombafaj kitinjeiről és kitozánjairól: a) L. vellereusból származó kitin; b) P. ribisből származó kitin; c) L. vellereusból származó kitozán; d) P. ribisből származó kitozán.
kép és tanulmány: © Erdoğan et al., 2017

A kitin ultrahangos depolimerizációja

A kitin depolimerizációja a mechanikai erők együttes hatása, mint például a mikrostreaming és a folyadéksugár, valamint a szabad gyökök és más, a kavitáció során képződött reaktív fajok által kiváltott ultrahanggal kezdeményezett kémiai reakciók révén történik. A kavitáció során keletkező nagynyomású hullámok miatt a kitinláncok nyírófeszültségen mennek keresztül, ami a polimer kisebb darabokra való olcolását eredményezi.

A kitin ultrahangos deacetilációja

A depolimerizáció mellett az intenzív ultrahangos kezelés elősegíti a kitin deacetilációját is. A deacetiláció magában foglalja az acetilcsoportok eltávolítását a kitinmolekulából, ami kitozán képződéséhez vezet. Az intenzív ultrahangos energia, különösen a kavitáció során keletkező magas hőmérséklet és nyomás, felgyorsítja a deacetilációs reakciót. A kavitáció által létrehozott reaktív körülmények segítenek megszakítani az acetilkötéseket a kitinben, ami ecetsav felszabadulását és a kitin kitozánná történő átalakulását eredményezi.
Összességében, intenzív ultrahangos kezelés fokozza mind a depolimerizációs, mind a deacetilációs folyamatokat azáltal, hogy biztosítja a szükséges mechanikai és kémiai energiát a kitin polimer lebontásához és a kitozánná való átalakulás megkönnyítéséhez. Ez a technika gyors és hatékony módszert kínál a kitozán kitinből történő előállítására, számos alkalmazással a különböző iparágakban, beleértve a gyógyszeripart, a mezőgazdaságot és az orvosbiológiai technikát.

Ipari kitozán előállítás gombából teljesítmény ultrahanggal

A kereskedelmi kitin- és kitozántermelés főként a tengeri iparágak hulladékain alapul (pl. halászat, kagylóhalászat stb.). A különböző nyersanyagforrások eltérő kitin és kitozán minőséget eredményeznek, ami a szezonális halászati változások miatti termelési és minőségi ingadozásokat eredményez. Ezenkívül a gombás forrásokból származó kitozán állítólag jobb tulajdonságokkal rendelkezik, mint például a homogén polimer hossza és a nagyobb oldhatóság, összehasonlítva a tengeri forrásokból származó kitozánnal. (vö. Ghormade et al., 2017) Az egységes kitozán biztosítása érdekében a kitin gombafajokból történő kivonása stabil alternatív termeléssé vált. A gombákból származó kitin és citiosan termelés könnyen és megbízhatóan elérhető ultrahangos extrakciós és deacetilációs technológiával. Az intenzív szonikálás megzavarja a sejtszerkezeteket a kitin felszabadítására, és elősegíti a vizes oldószerekben történő tömegátadást a kiváló kitinhozam és az extrakciós hatékonyság érdekében. Az ezt követő ultrahangos deacetiláció átalakítja a kitint értékes kitozánná. Mind az ultrahangos kitin extrakció, mind a kitozán deacetilációja lineárisan skálázható bármely kereskedelmi termelési szintre.

Az ultrahangos kezelés fokozza a gombás kitozán termelését, és hatékonyabbá és gazdaságosabbá teszi a termelést.
(kép és tanulmány: © Zhu et al., 2019)

Az ultrahangos kitin és a kitozán deacetiláció kutatási eredményei

Zhu et al. (2018) tanulmányukban arra a következtetésre jutnak, hogy az ultrahangos deacetiláció döntő áttörésnek bizonyult, a β-kitint kitozánná alakítva 83–94% -os deacetilációval csökkentett reakcióhőmérsékleten. A bal oldali képen ultrahanggal deacetilált kitozán (90 W, 15 perc, 20 w / v% NaOH, 1:15 (g: ml) (kép és tanulmány: © Zhu et al., 2018)
Protokolljukban NaOH-oldatot (20 tömeg/térfogat%) készítettek NaOH-pelyhek DI vízben való feloldásával. Az alkálioldatot ezután 1:20 (g: ml) szilárd-folyadék arányban GLSP üledékhez (0,5 g: ml) adtuk centrifugacsőbe. A kitozánt NaCl-hoz (40 ml, 0,2 M) és ecetsavhoz (0,1 M) adtuk 1:1 oldattérfogat-arányban. A szuszpenziót ezután ultrahangnak vetettük alá 25 ° C enyhe hőmérsékleten 60 percig szonda típusú ultrahangos készülékkel (250W, 20kHz). (vö. Zhu et al., 2018)
 
Pandit et al. (2021) megállapította, hogy a kitozánoldatok lebomlási sebességét ritkán befolyásolja a polimer oldásához használt sav koncentrációja, és nagyban 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 spóraporokat használt gombás nyersanyagként, és ultrahanggal segített deacetilációt és a feldolgozási paraméterek, például az ultrahangos idő, a szilárd anyag és a folyadék aránya, a NaOH koncentráció és a besugárzási teljesítmény hatását vizsgálta a kitozán deacetilációjának (DD) mértékére. A legmagasabb DD értéket a következő ultrahangos paraméterekkel kaptuk: 20 perc ultrahangos kezelés 80W-on, 10% (g: ml) NaOH, 1:25 (g: ml). Az ultrahanggal kapott kitozán felületi morfológiáját, kémiai csoportjait, hőstabilitását és kristályosságát a SEM, FTIR, TG és XRD segítségével vizsgáltuk. A kutatócsoport az ultrahanggal előállított kitozán deacetilációjának (DD), dinamikus viszkozitásának ([η]) és molekulatömegének (Mv ̄) jelentős javulásáról számol be. Az eredmények aláhúzták a gombák ultrahangos deacetilációs technikáját, amely rendkívül hatékony kitozán termelési módszer, amely alkalmas orvosbiológiai alkalmazásokra. (vö. Zhu et al., 2019)

Kiváló kitozán minőség ultrahangos depolimerizációval és deacetilációval

A kitin / kitozán extrakció és depolimerizáció ultrahanggal vezérelt folyamatai pontosan szabályozhatók, és az ultrahangos folyamatparaméterek beállíthatók a nyersanyagokhoz és a megcélzott végtermék minőségéhez (pl. molekulatömeg, deacetiláció mértéke). Ez lehetővé teszi az ultrahang folyamat külső tényezőkhöz való igazítását és az optimális paraméterek beállítását a kiváló eredmény és hatékonyság érdekében.
Az ultrahanggal deacetilált kitozán kiváló biológiai hozzáférhetőséget és biokompatibilitást mutat. Amikor az ultrahanggal előállított kitozán biopolimereket összehasonlítják a termikusan származtatott kitozánnal az orvosbiológiai tulajdonságok tekintetében, az ultrahanggal előállított kitozán jelentősen javított fibroblaszt (L929 sejt) életképességet és fokozott antibakteriális aktivitást mutat mind az Escherichia coli (E. coli), mind a Staphylococcus aureus (S. aureus) esetében.
(vö. Zhu et al., 2018)
 

Pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) képek 100×os nagyításban a) gladius, b) ultrahanggal kezelt gladius, c) β-kitin, d) ultrahanggal kezelt β-kitin és e) kitozán (forrás: Preto et al. 2017)

Nagy teljesítményű ultrahangos berendezések kitin és kitozán feldolgozásához

A kitin töredezettsége és a kitin kitozánra történő decetilezése erőteljes és megbízható ultrahangos berendezéseket igényel, amelyek nagy amplitúdókat tudnak biztosítani, pontos szabályozhatóságot kínálnak a folyamatparaméterek felett, és 24/7 nagy terhelés alatt és igényes környezetben működtethetők. A Hielscher Ultrasonics termékcsalád megbízhatóan teljesíti ezeket a követelményeket. A kiemelkedő ultrahang teljesítmény mellett a Hielscher ultrasonicators nagy energiahatékonysággal büszkélkedhet, ami jelentős gazdasági előny – különösen akkor, ha nagyüzemi kereskedelemben alkalmazzák.
A Hielscher ultrahangos készülékek nagy teljesítményű rendszerek, amelyek felszerelhetők olyan kiegészítőkkel, mint a sonotrodes, boosterek, reaktorok vagy áramlási cellák annak érdekében, hogy optimális módon megfeleljenek a folyamat igényeinek. A digitális színes kijelzővel, az előre beállított szonikációs futtatások lehetőségével, az integrált SD-kártyán történő automatikus adatrögzítéssel, távoli böngészővezérléssel és még sok más funkcióval, a Hielscher ultrahangos készülékek biztosítják a legmagasabb folyamatszabályozást és a felhasználóbarátságot. Párosulva robusztussággal és nehéz teherbíró képességgel, Hielscher ultrahangos rendszerek a megbízható munka ló a termelésben. 
A kitin töredezettsége és deacetilációja erőteljes ultrahangot igényel a célzott átalakítás és a kiváló minőségű végső kitozán termék eléréséhez. Különösen a kitinpelyhek töredezettsége és a depolimerizációs / deacetilációs lépések esetében döntő fontosságú a nagy amplitúdó és a magas nyomás. Hielscher Ultrasonics ipari ultrahangos processzorok könnyen szállít nagyon nagy amplitúdókat. Akár 200 μm-es amplitúdók is folyamatosan működtethetők 24/7 üzemben. Még nagyobb amplitúdók esetén testreszabott ultrahangos sonotrodes áll rendelkezésre. A Hielscher ultrahangos rendszerek teljesítménykapacitása lehetővé teszi a hatékony és gyors depolimerizációt és deacetilációt biztonságos és felhasználóbarát folyamatban.
 

Szinergikus kitin kezelés javított ultrahangos kezelés

A hagyományos kémiai és enzimatikus kitin deacetlytion hátrányainak (azaz alacsony hatékonyság, magas energiaköltség, hosszú feldolgozási idő, mérgező oldószerek) leküzdése érdekében a nagy intenzitású ultrahangot integrálták a kitin és a kitozán feldolgozásába. A nagy intenzitású szonikálás és az ebből eredő akusztikus kavitáció hatásai a polimer láncok gyors ollózásához vezetnek, és csökkentik a polidiszperzitást, ezáltal elősegítve a kitozán szintézisét. Továbbá, ultrahangos nyíróerők fokozzák a tömegátadást az oldatban, hogy a kémiai, hidrolitikus vagy enzimatikus reakció fokozódjon. Az ultrahangos kitinkezelés kombinálható a már meglévő kitinfeldolgozási technikákkal, például kémiai módszerekkel, hidrolízissel vagy enzimatikus eljárásokkal.

Ultrahanggal segített kémiai deacetiláció és depolimerizáció

Mivel a kitin nem reaktív és oldhatatlan biopolimer, az oldható és biológiailag leválasztható kitozán előállítása érdekében a demineralizáció, a deproteinizáció és a depolimerizáció / deacetiláció folyamatlépésein kell átesnie. Ezek a folyamatlépések erős savakkal, például HCl-lel és erős bázisokkal, például NaOH-val és KOH-val történő kezeléseket foglalnak magukban. Mivel ezek a hagyományos folyamatlépések nem hatékonyak, lassúak és nagy energiákat igényelnek, a folyamat intenzívebbé tétele szonikálással jelentősen javítja a kitozán termelést. A teljesítmény-ultrahang alkalmazása növeli a kitozán hozamát és minőségét, csökkenti a folyamatot napokról néhány órára, enyhébb oldószereket tesz lehetővé, és az egész folyamatot energiahatékonyabbá teszi.

A kitin ultrahanggal javított deproteinizációja

Vallejo-Dominguez et al. (2021) a kitin deproteinizáció vizsgálata során megállapította, hogy a “Az ultrahang alkalmazása biopolimerek előállításához csökkentette a kitin fehérjetartalmát és részecskeméretét. A magas deacetilációs fokú és közepes molekulatömegű kitozánt ultrahang segítségével állítottuk elő.”

Ultrahangos hidrolízis kitin depolimerizációhoz

A kémiai hidrolízishez savakat vagy lúgokat használnak a kitin deacetilálására, azonban az alkáli deacetilációt (pl. nátrium-hidroxid NaOH) szélesebb körben használják. A savas hidrolízis a hagyományos kémiai deacetiláció alternatív módszere, ahol szerves savoldatokat használnak a kitin és a kitozán depolimerizálására. A savas hidrolízis módszerét többnyire akkor alkalmazzák, ha a kitin és a kitozán molekulatömegének homogénnek kell lennie. Ezt a hagyományos hidrolízis folyamatot lassúnak, energia- és költségigényesnek nevezik. Az erős savak, a magas hőmérséklet és nyomás olyan tényezők, amelyek a hidrolitikus kitozán folyamatot nagyon drága és időigényes eljárássá teszik. Az alkalmazott savak olyan későbbi folyamatokat igényelnek, mint a semlegesítés és a sótalanítás.
A nagy teljesítményű ultrahang integrálásával a hidrolízis folyamatába a kitin és a kitozán hidrolitikus hasításának hőmérséklet- és nyomáskövetelményei jelentősen csökkenthetők. Továbbá, szonikálás lehetővé teszi alacsonyabb savkoncentrációk vagy enyhébb savak használata. Ez fenntarthatóbbá, hatékonyabbá, költséghatékonyabbá és környezetbarátabbá teszi a folyamatot.

Ultrahanggal segített kémiai deacetiláció

A kitin és a kitozán kémiai szétesését és deaktilezációját főként kitin vagy kitozán ásványi savakkal (pl. sósav, HCl), nátrium-nitrittel (NaNO) történő kezelésével érik el₂) vagy hidrogén-peroxid (H₂O₂). Az ultrahang javítja a deacetilációs sebességet, ezáltal lerövidíti a célzott deacetilációs fok eléréséhez szükséges reakcióidőt. Ez azt jelenti, hogy az ultrahangos kezelés csökkenti a szükséges feldolgozási időt 12-24 óra néhány órára. Továbbá, szonikálás lehetővé teszi jelentősen alacsonyabb kémiai koncentrációk, például 40% (tömeg / tömeg) nátrium-hidroxid szonikálással, míg 65% (w / w) szükséges ultrahang használata nélkül.

Ultrahangos-enzimatikus deacetiláció

Míg az enzimatikus deacetiláció enyhe, környezetkímélő feldolgozási forma, hatékonysága és költségei gazdaságtalanok. Az enzimek komplex, munkaigényes és költséges későbbi izolálása és tisztítása miatt a végtermékből az enzimatikus kitin-deacetilációt nem valósítják meg a kereskedelmi termelésben, hanem csak tudományos kutatólaboratóriumban használják.
Ultrahangos előkezelés előtt enzimatikus deacetlitation fragments kitin molekulák, ezáltal növelve a felület és több felület áll rendelkezésre az enzimek. A nagy teljesítményű szonikálás segít javítani az enzimatikus deacetilációt és gazdaságosabbá teszi a folyamatot.