Սնկերից խիտինի և խիտոզանի արտադրություն
Ուլտրաձայնային մշակումը բարձր արդյունավետությամբ մեթոդ է սնկային աղբյուրներից, օրինակ՝ սնկերից, խիտին և խիտոզան ազատելու համար։ Բարձրորակ կենսապոլիմեր ստանալու համար խիտինը և խիտոզանը պետք է ենթարկվեն դեպոլիմերացման և դեացետիլացման հետագա մշակման փուլերում։ Ուլտրաձայնի օժանդակությամբ դեպոլիմերացումը և դեացետիլացումը խիստ արդյունավետ, պարզ և արագ տեխնիկա է, որի արդյունքում ստացվում են բարձր մոլեկուլային զանգվածով և առավել բարձր կենսամատչելիությամբ բարձրորակ խիտոզաններ։
Սնկերից խիտինի և խիտոզանի ստացում ուլտրաձայնային մշակմամբ
Ուտելի և դեղաբուժական սնկերը, ինչպիսիք են Lentinus edodes (շիիտակե), Ganoderma lucidum (լինչժի կամ ռեյշի), Inonotus obliquus (չագա), Agaricus bisporus (շամպինիոններ), Hericium erinaceus (առյուծի բաշ), Cordyceps sinensis (թրթուրային սունկ), Grifola frondosa (անտառի հավ), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, հնդկահավի պոչ), և սնկերի բազմաթիվ այլ տեսակներ լայնորեն օգտագործվում են որպես սնունդ և կենսաակտիվ միացությունների էքստրակցիայի համար։ Այս սնկերը, ինչպես նաև մշակման մնացորդները (սնկային թափոնները) կարող են օգտագործվել խիտոզանի արտադրության համար։ Ուլտրաձայնային մշակումը ոչ միայն նպաստում է սնկային բջջապատի կառուցվածքից խիտինի ազատմանը, այլև խթանում է խիտինի փոխակերպումը արժեքավոր խիտոզանի՝ ուլտրաձայնի օժանդակությամբ դեպոլիմերացման և դեացետիլացման միջոցով։
Ուլտրաձայնային մշակումը նպաստում է խիտինի դեպոլիմերացմանը և դեացետիլացմանը՝ այն փոխակերպելով խիտոզանի
Ուլտրաձայնային մշակումն օգտագործվում է սնկերից խիտինի էքստրակցիայի համար։ Բացի այդ, ուլտրաձայնը նպաստում է խիտինի դեպոլիմերացմանը և դեացետիլացմանը՝ բարձրորակ խիտոզան ստանալու նպատակով։
Զոնդային տիպի ուլտրաձայնային համակարգով ինտենսիվ ուլտրաձայնային մշակումը տեխնիկա է, որն օգտագործվում է խիտինի դեպոլիմերացմանը և դեացետիլացմանը նպաստելու համար՝ հանգեցնելով խիտոզանի առաջացմանը։ Խիտինը բնական պոլիսախարիդ է, որը հանդիպում է խեցգետնակերպերի և միջատների արտաքին կմախքներում, ինչպես նաև որոշ սնկերի բջջապատերում։ Խիտոզանը ստացվում է խիտինից՝ խիտինի մոլեկուլից ացետիլային խմբերը հեռացնելու միջոցով։
Սնկային խիտինը խիտոզանի փոխակերպելու ուլտրաձայնային ընթացակարգ
Երբ խիտինից խիտոզան արտադրելու համար կիրառվում է ինտենսիվ ուլտրաձայնային մշակում, խիտինի կախույթը մշակվում է բարձր ինտենսիվությամբ, ցածր հաճախականությամբ ուլտրաձայնային ալիքներով՝ սովորաբար 20 kHz–30 kHz միջակայքում։ Գործընթացն առաջացնում է ինտենսիվ ակուստիկ կավիտացիա, որը հեղուկում մանրադիտակային վակուումային պղպջակների առաջացումն է, աճը և փլուզումը։ Կավիտացիոն պղպջակները շրջապատող հեղուկում կավիտացիան առաջացնում է տեղային չափազանց մեծ սահքային ուժեր, բարձր ջերմաստիճաններ (մինչև մի քանի հազար աստիճան Ցելսիուս) և ճնշումներ (մինչև մի քանի հարյուր մթնոլորտ)։ Այս ծայրահեղ պայմանները նպաստում են խիտինի պոլիմերի քայքայմանը և հետագա դեացետիլացմանը։
Սնկերի երկու տեսակներից ստացված խիտինների և խիտոզանների սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակային (SEM) պատկերները՝ a) խիտին՝ L. vellereus տեսակից, b) խիտին՝ P. ribis տեսակից, c) խիտոզան՝ L.vellereus տեսակից, d) խիտոզան՝ P. ribis տեսակից։
պատկերը և հետազոտությունը՝ © Erdoğan et al., 2017
Խիտինի ուլտրաձայնային դեպոլիմերացում
Խիտինի դեպոլիմերացումը տեղի է ունենում մեխանիկական ուժերի, օրինակ՝ միկրոհոսքերի և հեղուկի շիթերի համակցված ազդեցությամբ, ինչպես նաև ուլտրաձայնով նախաձեռնվող քիմիական ռեակցիաների միջոցով, որոնք հարուցվում են կավիտացիայի ընթացքում առաջացած ազատ ռադիկալներով և այլ ռեակցունակ մասնիկներով։ Կավիտացիայի ընթացքում առաջացող բարձր ճնշման ալիքները խիտինի շղթաները ենթարկում են սահքային լարման, ինչի արդյունքում պոլիմերը տրոհվում է ավելի փոքր բեկորների։
Խիտինի ուլտրաձայնային դեացետիլացում
Բացի դեպոլիմերացումից, ինտենսիվ ուլտրաձայնային մշակումը նաև նպաստում է խիտինի դեացետիլացմանը։ Դեացետիլացումը ներառում է խիտինի մոլեկուլից ացետիլային խմբերի հեռացումը՝ հանգեցնելով խիտոզանի առաջացմանը։ Ինտենսիվ ուլտրաձայնային էներգիան, մասնավորապես՝ կավիտացիայի ընթացքում առաջացող բարձր ջերմաստիճաններն ու ճնշումները, արագացնում են դեացետիլացման ռեակցիան։ Կավիտացիայի ստեղծած ռեակցիոն պայմաններն օգնում են խզել խիտինի ացետիլային կապերը՝ հանգեցնելով քացախաթթվի ազատմանը և խիտինի փոխակերպմանը խիտոզանի։
Ընդհանուր առմամբ, ինտենսիվ ուլտրաձայնային մշակումն ուժեղացնում է ինչպես դեպոլիմերացման, այնպես էլ դեացետիլացման գործընթացները՝ ապահովելով խիտինի պոլիմերի քայքայման և խիտոզանի փոխակերպումը դյուրացնելու համար անհրաժեշտ մեխանիկական ու քիմիական էներգիան։ Այս տեխնիկան խիտինից խիտոզան ստանալու արագ և արդյունավետ մեթոդ է՝ բազմաթիվ կիրառություններով տարբեր ոլորտներում, այդ թվում՝ դեղագործության, գյուղատնտեսության և կենսաբժշկական ճարտարագիտության մեջ։
Սնկերից խիտոզանի արդյունաբերական արտադրություն՝ հզոր ուլտրաձայնի միջոցով
Խիտինի և խիտոզանի առևտրային արտադրությունը հիմնականում հիմնված է ծովային արդյունաբերության ճյուղերի (այսինքն՝ ձկնորսության, խեցեմորթների հավաքման և այլնի) թափոնների վրա։ Հումքի տարբեր աղբյուրները հանգեցնում են խիտինի և խիտոզանի որակի տարբերությունների՝ առաջացնելով արտադրության և որակի տատանումներ՝ ձկնորսության սեզոնային փոփոխությունների պատճառով։ Բացի այդ, ըստ հաղորդումների, սնկային աղբյուրներից ստացված խիտոզանը ծովային աղբյուրներից ստացված խիտոզանի համեմատ ունի ավելի լավ հատկություններ, ինչպիսիք են պոլիմերային շղթաների միատեսակ երկարությունը և ավելի մեծ լուծելիությունը։ (տես Ghormade et al., 2017) Միատեսակ խիտոզան մատակարարելու նպատակով սնկային տեսակներից խիտինի էքստրակցիան դարձել է արտադրության կայուն այլընտրանք։ Սնկերից խիտինի և խիտոզանի արտադրությունը կարելի է հեշտությամբ և հուսալիորեն իրականացնել՝ կիրառելով ուլտրաձայնային էքստրակցիայի և դեացետիլացման տեխնոլոգիան։ Ինտենսիվ ուլտրաձայնային մշակումը քայքայում է բջջային կառուցվածքները՝ խիտինն ազատելու համար, և նպաստում է ջրային լուծիչներում զանգվածափոխանակությանը՝ ապահովելով խիտինի ավելի բարձր ելք և էքստրակցիայի ավելի բարձր արդյունավետություն։ Հետագա ուլտրաձայնային դեացետիլացումը խիտինը փոխակերպում է արժեքավոր խիտոզանի։ Թե՛ խիտինի ուլտրաձայնային էքստրակցիայի, թե՛ խիտոզան ստանալու համար դեացետիլացման մասշտաբը կարելի է գծային կերպով մեծացնել մինչև առևտրային արտադրության ցանկացած մակարդակ։
Ուլտրաձայնային մշակումն ինտենսիվացնում է սնկային խիտոզանի արտադրությունը և այն դարձնում ավելի արդյունավետ ու տնտեսապես շահավետ։
(պատկերը և ուսումնասիրությունը՝ © Zhu et al., 2019)
UP400St ուլտրաձայնային սարքը սնկերի էքստրակցիայի համար. ուլտրաձայնային մշակումն ապահովում է կենսաակտիվ միացությունների բարձր ելք, օրինակ՝ խիտին և խիտոզան պոլիսախարիդների
Խիտինի և խիտոզանի ուլտրաձայնային դեացետիլացման հետազոտությունների արդյունքները
Zhu et al. (2018) իրենց ուսումնասիրության մեջ եզրակացնում են, որ ուլտրաձայնային դեացետիլացումն ապացուցել է իր վճռորոշ բեկումնային նշանակությունը՝ ռեակցիայի նվազեցված ջերմաստիճաններում β-խիտինը փոխակերպելով խիտոզանի՝ դեացետիլացման 83–94% աստիճանով։ Ձախ կողմի պատկերը ցույց է տալիս ուլտրաձայնով դեացետիլացված խիտոզանի սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակային (SEM) պատկերը (90 W, 15 min, 20 w/v% NaOH, 1:15 (g: mL) (պատկերը և ուսումնասիրությունը՝ © Zhu et al., 2018)
Նրանց արձանագրության համաձայն՝ NaOH լուծույթը (20 w/v %) պատրաստվել է՝ NaOH փաթիլները լուծելով դեիոնացված (DI) ջրում։ Այնուհետև ալկալու լուծույթն ավելացվել է ցենտրիֆուգման փորձանոթում գտնվող GLSP նստվածքին (0,5 g)՝ պինդ նյութի և հեղուկի 1:20 (g: mL) հարաբերակցությամբ։ Խիտոզանն ավելացվել է NaCl (40 mL, 0,2 M) և քացախաթթվի (0,1 M) լուծույթներին՝ լուծույթների ծավալների 1:1 հարաբերակցությամբ։ Այնուհետև կախույթը ենթարկվել է ուլտրաձայնային մշակման՝ 25°C մեղմ ջերմաստիճանում, 60 min տևողությամբ՝ զոնդային տիպի ուլտրաձայնային սարքի (250W, 20kHz) միջոցով։ (տե՛ս Zhu et al., 2018)
Pandit et al. (2021) պարզել են, որ խիտոզանի լուծույթների քայքայման արագության վրա պոլիմերը լուծելի դարձնելու համար օգտագործվող թթվի կոնցենտրացիաները հազվադեպ են ազդում, և այն մեծապես կախված է ջերմաստիճանից, ուլտրաձայնային ալիքների ինտենսիվությունից և պոլիմերը լուծելու համար օգտագործվող միջավայրի իոնական ուժից։ (տե՛ս Pandit et al., 2021)
Մեկ այլ ուսումնասիրության մեջ Zhu et al. (2019) որպես սնկային հումք օգտագործել են Ganoderma lucidum տեսակի սպորների փոշիներ և ուսումնասիրել ուլտրաձայնի օժանդակությամբ դեացետիլացումը, ինչպես նաև մշակման այնպիսի պարամետրերի ազդեցությունը խիտոզանի դեացետիլացման աստիճանի (DD) վրա, ինչպիսիք են ուլտրաձայնային մշակման տևողությունը, պինդ նյութի և հեղուկի հարաբերակցությունը, NaOH կոնցենտրացիան և ճառագայթման հզորությունը։ DD ամենաբարձր արժեքը ստացվել է ուլտրաձայնային մշակման հետևյալ պարամետրերի դեպքում՝ 20 min ուլտրաձայնային մշակում՝ 80W հզորությամբ, 10% (g:ml) NaOH, 1:25 (g:ml)։ Ուլտրաձայնային եղանակով ստացված խիտոզանի մակերևույթի ձևաբանությունը, քիմիական խմբերը, ջերմային կայունությունը և բյուրեղայնությունն ուսումնասիրվել են SEM, FTIR, TG և XRD մեթոդներով։ Հետազոտական խումբը հաղորդում է ուլտրաձայնային եղանակով արտադրված խիտոզանի դեացետիլացման աստիճանի (DD), դինամիկ մածուցիկության ([η]) և մոլեկուլային զանգվածի (Mv¯) զգալի բարձրացման մասին։ Արդյունքներն ընդգծել են, որ սնկերի ուլտրաձայնային դեացետիլացման տեխնիկան խիտոզանի արտադրության խիստ արդյունավետ մեթոդ է, որը հարմար է կենսաբժշկական կիրառությունների համար։ (տե՛ս Zhu et al., 2019)
Խիտոզանի գերազանց որակ՝ ուլտրաձայնային դեպոլիմերացմամբ և դեացետիլացմամբ
Ուլտրաձայնով իրականացվող խիտինի / խիտոզանի արդյունահանման և դեպոլիմերացման գործընթացները ճշգրիտ կառավարելի են, իսկ ուլտրաձայնային գործընթացի պարամետրերը կարելի է հարմարեցնել հումքին և վերջնական արտադրանքի նպատակային որակին (օրինակ՝ մոլեկուլային զանգվածին, դեացետիլացման աստիճանին)։ Սա թույլ է տալիս ուլտրաձայնային գործընթացը հարմարեցնել արտաքին գործոններին և սահմանել օպտիմալ պարամետրեր՝ գերազանց արդյունք և արդյունավետություն ապահովելու համար։
Ուլտրաձայնային եղանակով դեացետիլացված խիտոզանն ունի գերազանց կենսամատչելիություն և կենսահամատեղելիություն։ Երբ ուլտրաձայնային եղանակով պատրաստված խիտոզանային կենսապոլիմերները կենսաբժշկական հատկությունների առումով համեմատվում են ջերմային եղանակով ստացված խիտոզանի հետ, ուլտրաձայնային եղանակով արտադրված խիտոզանը ցուցաբերում է ֆիբրոբլաստների (L929 բջիջների) զգալիորեն բարելավված կենսունակություն և ուժեղացված հակաբակտերիալ ակտիվություն ինչպես Escherichia coli (E. coli), այնպես էլ Staphylococcus aureus (S. aureus) տեսակների նկատմամբ։
(տե՛ս Zhu et al., 2018)
Սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակման (SEM) պատկերներ՝ 100× խոշորացմամբ. a) գլադիուս, b) ուլտրաձայնով մշակված գլադիուս, c) β-խիտին, d) ուլտրաձայնով մշակված β-խիտին և e) խիտոզան (աղբյուր՝ Preto et al. 2017)
Բարձր արտադրողականությամբ ուլտրաձայնային սարքավորումներ՝ խիտինի և խիտոզանի մշակման համար
Խիտինի մասնատման և խիտինը խիտոզանի վերածելու նպատակով դեացետիլացման համար անհրաժեշտ է հզոր և հուսալի ուլտրաձայնային սարքավորում, որը կարող է ապահովել բարձր ամպլիտուդներ, թույլ է տալիս ճշգրիտ կառավարել գործընթացի պարամետրերը և կարող է աշխատել 24/7 ռեժիմով՝ մեծ բեռնվածության տակ և պահանջկոտ միջավայրերում։ Hielscher Ultrasonics ընկերության արտադրատեսականին հուսալիորեն բավարարում է այս պահանջները։ Բացի ուլտրաձայնային աշխատանքի գերազանց ցուցանիշներից, Hielscher ուլտրաձայնային սարքերն առանձնանում են բարձր էներգաարդյունավետությամբ, ինչը զգալի տնտեսական առավելություն է՝ հատկապես առևտրային լայնածավալ արտադրությունում կիրառելիս։
Hielscher ուլտրաձայնային սարքերը բարձր արդյունավետությամբ համակարգեր են, որոնք կարող են համալրվել այնպիսի պարագաներով, ինչպիսիք են սոնոտրոդները, ամպլիտուդի ուժեղացուցիչները, ռեակտորները կամ հոսքային բջիջները՝ ձեր գործընթացի կարիքներին օպտիմալ կերպով համապատասխանելու համար։ Թվային գունավոր էկրանի, ուլտրաձայնային մշակման ցիկլերը նախապես սահմանելու հնարավորության, ներկառուցված SD քարտի վրա տվյալների ավտոմատ գրանցման, զննարկիչով հեռակառավարման և բազմաթիվ այլ գործառույթների շնորհիվ Hielscher ուլտրաձայնային սարքերն ապահովում են գործընթացի վերահսկման և օգտագործման հարմարավետության ամենաբարձր մակարդակը։ Ամրության և մեծ բեռնվածություններին դիմակայելու կարողության շնորհիվ Hielscher ուլտրաձայնային համակարգերը ձեր հուսալի աշխատող ուժն են արտադրությունում։ Խիտինի մասնատման և դեացետիլացման համար անհրաժեշտ է հզոր ուլտրաձայն՝ փոխակերպման նպատակային աստիճանին հասնելու և բարձրորակ վերջնական խիտոզանային արտադրանք ստանալու համար։ Հատկապես խիտինի փաթիլների մասնատման և դեպոլիմերացման / դեացետիլացման փուլերում բարձր ամպլիտուդներն ու բարձրացված ճնշումները վճռորոշ են։ Hielscher Ultrasonics ընկերության արդյունաբերական ուլտրաձայնային պրոցեսորները հեշտությամբ ապահովում են շատ բարձր ամպլիտուդներ։ Մինչև 200µm ամպլիտուդներով հնարավոր է անընդհատ աշխատել 24/7 ռեժիմով։ Էլ ավելի բարձր ամպլիտուդների համար հասանելի են անհատական պատվերով պատրաստվող ուլտրաձայնային սոնոտրոդներ։ Hielscher ուլտրաձայնային համակարգերի հզորությունը թույլ է տալիս արդյունավետ և արագ իրականացնել դեպոլիմերացումն ու դեացետիլացումը՝ անվտանգ և օգտագործման համար հարմար գործընթացով։
Ուլտրաձայնային ռեակտոր՝ համալրված 2000W հզորությամբ UIP2000hdT ուլտրաձայնային զոնդով սնկերից խիտինի արդյունահանման և հետագա դեպոլիմերացման / դեացետիլացման համար
| Խմբաքանակի ծավալ | Հոսքի ծավալային արագություն | Առաջարկվող սարքեր |
|---|---|---|
| 1–500mL | 10–200mL/min | UP100H |
| 10–2000mL | 20–400mL/min | UP200Ht, UP400St |
| 0,1–20L | 0,2–4L/min | UIP2000hdT |
| 10–100L | 2–10L/min | UIP4000hdT |
| Կիրառելի չէ | 10–100L/min | UIP16000 |
| Կիրառելի չէ | Ավելի մեծ | Համախումբ՝ կազմված հետևյալ սարքերից՝ UIP16000 |
Կապվե՛ք մեզ հետ։ / Հարցրե՛ք մեզ։
Ուլտրաձայնային մշակմամբ բարելավված խիտինի սիներգիկ մշակում
Խիտինի ավանդական քիմիական և ֆերմենտային դեացետիլացման թերությունները (այսինքն՝ ցածր արդյունավետությունը, էներգիայի բարձր ծախսերը, մշակման երկար տևողությունը, թունավոր լուծիչները) հաղթահարելու նպատակով խիտինի և խիտոզանի մշակման մեջ ներդրվել է բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնը։ Բարձր ինտենսիվության ուլտրաձայնային մշակումը և դրա արդյունքում առաջացող ակուստիկ կավիտացիայի ազդեցությունները հանգեցնում են պոլիմերային շղթաների արագ ճեղքման և նվազեցնում պոլիդիսպերսությունը՝ դրանով նպաստելով խիտոզանի սինթեզին։ Բացի այդ, ուլտրաձայնային սահքի ուժերն ուժեղացնում են լուծույթում զանգվածափոխանակությունը, ինչի շնորհիվ ուժեղանում են քիմիական, հիդրոլիտիկ կամ ֆերմենտային ռեակցիաները։ Խիտինի ուլտրաձայնային մշակումը կարելի է համակցել խիտինի մշակման արդեն գոյություն ունեցող տեխնոլոգիաների հետ, ինչպիսիք են քիմիական մեթոդները, հիդրոլիզը կամ ֆերմենտային ընթացակարգերը։
Ուլտրաձայնի օժանդակությամբ քիմիական դեացետիլացում և դեպոլիմերացում
Քանի որ խիտինը ռեակցիոնունակություն չունեցող և անլուծելի կենսապոլիմեր է, լուծելի և կենսահասանելի խիտոզան ստանալու համար այն պետք է անցնի հանքանյութերի հեռացման, սպիտակուցազերծման և դեպոլիմերացման / դեացետիլացման տեխնոլոգիական փուլերը։ Այս փուլերը ներառում են մշակում ուժեղ թթուներով, օրինակ՝ HCl, և ուժեղ հիմքերով, օրինակ՝ NaOH և KOH։ Քանի որ այս ավանդական տեխնոլոգիական փուլերն անարդյունավետ են, դանդաղ և մեծ էներգածախս են պահանջում, ուլտրաձայնային մշակմամբ գործընթացի ինտենսիվացումը զգալիորեն բարելավում է խիտոզանի արտադրությունը։ Հզոր ուլտրաձայնի կիրառումը մեծացնում է խիտոզանի ելքը և բարձրացնում որակը, գործընթացի տևողությունը մի քանի օրից կրճատում է մինչև մի քանի ժամ, թույլ է տալիս օգտագործել ավելի մեղմ ազդեցությամբ լուծիչներ և ամբողջ գործընթացը դարձնում է ավելի էներգաարդյունավետ։
Ուլտրաձայնով բարելավված խիտինի սպիտակուցազերծում
Խիտինի ապասպիտակուցացման վերաբերյալ իրենց հետազոտության ընթացքում Vallejo-Dominguez et al. (2021) պարզել են, որ «կենսապոլիմերների արտադրության համար ուլտրաձայնի կիրառումը նվազեցրել է ինչպես սպիտակուցի պարունակությունը, այնպես էլ խիտինի մասնիկների չափը։ Ուլտրաձայնի օժանդակությամբ ստացվել է դեացետիլացման բարձր աստիճանով և միջին մոլեկուլային զանգվածով խիտոզան»։
Ուլտրաձայնային հիդրոլիզ՝ խիտինի դեպոլիմերացման համար
Քիմիական հիդրոլիզի դեպքում խիտինի դեացետիլացման համար օգտագործվում են թթուներ կամ ալկալիներ, սակայն ալկալային դեացետիլացումը (օրինակ՝ նատրիումի հիդրօքսիդով՝ NaOH) ավելի լայնորեն է կիրառվում։ Թթվային հիդրոլիզն ավանդական քիմիական դեացետիլացման այլընտրանքային մեթոդ է, որի դեպքում խիտինի և խիտոզանի դեպոլիմերացման համար օգտագործվում են օրգանական թթուների լուծույթներ։ Թթվային հիդրոլիզի մեթոդը հիմնականում կիրառվում է, երբ խիտինի և խիտոզանի մոլեկուլային զանգվածը պետք է համասեռ լինի։ Այս ավանդական հիդրոլիզի գործընթացը հայտնի է որպես դանդաղ, էներգատար և ծախսատար գործընթաց։ Ուժեղ թթուների, բարձր ջերմաստիճանների և ճնշումների անհրաժեշտությունն այն գործոններից է, որոնք խիտոզանի հիդրոլիտիկ մշակումը դարձնում են շատ թանկարժեք և ժամանակատար ընթացակարգ։ Օգտագործվող թթուները պահանջում են հետագա գործընթացներ, ինչպիսիք են չեզոքացումը և աղազերծումը։
Հիդրոլիզի գործընթացում բարձր հզորության ուլտրաձայնի ներդրմամբ հնարավոր է զգալիորեն նվազեցնել խիտինի և խիտոզանի հիդրոլիտիկ ճեղքման համար պահանջվող ջերմաստիճանն ու ճնշումը։ Բացի այդ, ուլտրաձայնային մշակումը հնարավորություն է տալիս օգտագործել թթուների ավելի ցածր կոնցենտրացիաներ կամ ավելի մեղմ թթուներ։ Սա գործընթացը դարձնում է ավելի կայուն, արդյունավետ, տնտեսապես շահավետ և շրջակա միջավայրի համար ավելի բարենպաստ։
Ուլտրաձայնի օժանդակությամբ քիմիական դեացետիլացում
Խիտինի և խիտոզանի քիմիական քայքայումն ու դեացետիլացումը հիմնականում իրականացվում են խիտինը կամ խիտոզանը հանքային թթուներով (օրինակ՝ աղաթթվով՝ HCl), նատրիումի նիտրիտով (NaNO2), կամ ջրածնի պերօքսիդով (H2O2) մշակելով։ Ուլտրաձայնը մեծացնում է դեացետիլացման արագությունը՝ այդպիսով կրճատելով դեացետիլացման նպատակային աստիճանին հասնելու համար պահանջվող ռեակցիայի տևողությունը։ Սա նշանակում է, որ ուլտրաձայնային մշակումը պահանջվող մշակման տևողությունը 12–24 ժամից կրճատում է մինչև մի քանի ժամ։ Բացի այդ, ուլտրաձայնային մշակումը հնարավորություն է տալիս օգտագործել քիմիական նյութերի զգալիորեն ավելի ցածր կոնցենտրացիաներ, օրինակ՝ ուլտրաձայնային մշակման դեպքում օգտագործվում է 40% (w/w) նատրիումի հիդրօքսիդ, մինչդեռ առանց ուլտրաձայնի կիրառման պահանջվում է 65% (w/w)։
Ուլտրաձայնային–ֆերմենտային դեացետիլացում
Թեև ֆերմենտային դեացետիլացումը մշակման մեղմ և շրջակա միջավայրի համար անվնաս ձև է, դրա արդյունավետությունն ու ծախսերը տնտեսապես շահավետ չեն։ Վերջնական արտադրանքից ֆերմենտների հետագա անջատման և մաքրման բարդ, աշխատատար ու թանկարժեք գործընթացների պատճառով խիտինի ֆերմենտային դեացետիլացումը չի կիրառվում առևտրային արտադրությունում, այլ օգտագործվում է միայն գիտահետազոտական լաբորատորիայում։
Ֆերմենտային դեացետիլացումից առաջ ուլտրաձայնային նախամշակումը մասնատում է խիտինի մոլեկուլները՝ այդպիսով մեծացնելով մակերեսի մակերեսը և ֆերմենտների համար հասանելի դարձնելով ավելի մեծ մակերես։ Բարձր արդյունավետությամբ ուլտրաձայնային մշակումը նպաստում է ֆերմենտային դեացետիլացման բարելավմանը և գործընթացը դարձնում է ավելի տնտեսապես շահավետ։
Hielscher Ultrasonics ընկերությունն արտադրում է բարձր արդյունավետությամբ ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորներ՝ լաբորատոր, փորձնական և արդյունաբերական մասշտաբներով խառնման, դիսպերսման, էմուլգացման և էքստրակցիայի կիրառությունների համար։
Գրականություն / Հղումներ
- Ospina Álvarez S.P., Ramírez Cadavid D.A., Escobar Sierra D.M., Ossa Orozco C.P., Rojas Vahos D.F., Zapata Ocampo P., Atehortúa L. (2014): Comparison of extraction methods of chitin from Ganoderma lucidum mushroom obtained in submerged culture. Biomed Research International 2014.
- 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.
Փաստեր, որոնք արժե իմանալ
Ինչպե՞ս են իրականացվում խիտինի ուլտրաձայնային էքստրակցիան և դեացետիլացումը։
Երբ հզոր ուլտրաձայնային ալիքների էներգիան հաղորդվում է հեղուկին կամ խյուսին (օրինակ՝ լուծիչում խիտինից կազմված կախույթին), ուլտրաձայնային ալիքները տարածվում են հեղուկի միջով՝ առաջացնելով բարձր ճնշման / ցածր ճնշման հերթագայվող ցիկլեր։ Ցածր ճնշման ցիկլերի ընթացքում առաջանում են վակուումային մանր պղպջակներ (այսպես կոչված կավիտացիոն պղպջակներ), որոնք մեծանում են ճնշման մի քանի ցիկլերի ընթացքում։ Որոշակի չափի հասնելիս, երբ պղպջակներն այլևս չեն կարող կլանել ավելի շատ էներգիա, դրանք բարձր ճնշման ցիկլի ընթացքում ուժգին փլուզվում են դեպի ներս։ Պղպջակների փլուզումը բնութագրվում է ինտենսիվ կավիտացիոն (այսպես կոչված սոնոմեխանիկական) ուժերով։ Այս սոնոմեխանիկական պայմանները տեղային կերպով առաջանում են կավիտացիոն թեժ կետում և բնութագրվում են շատ բարձր ջերմաստիճաններով ու ճնշումներով՝ համապատասխանաբար մինչև 4000K և 1000atm, ինչպես նաև ջերմաստիճանի և ճնշման համապատասխան մեծ տարբերություններով։ Բացի այդ, առաջանում են միկրոտուրբուլենտություններ և հեղուկի հոսքեր՝ մինչև 100m/s արագություններով։ Սնկերից և խեցգետնակերպերից խիտինի ու խիտոզանի ուլտրաձայնային էքստրակցիան, ինչպես նաև խիտինի դեպոլիմերացումն ու դեացետիլացումը հիմնականում պայմանավորված են սոնոմեխանիկական ազդեցություններով. խառնումն ու տուրբուլենտությունները քայքայում են բջիջները և նպաստում զանգվածափոխանակությանը, իսկ թթվային կամ ալկալային լուծիչների հետ համատեղ կարող են նաև կտրել պոլիմերային շղթաները։
Ուլտրաձայնային մշակմամբ խիտինի էքստրակցիայի աշխատանքի սկզբունքը
Ուլտրաձայնային էքստրակցիան արդյունավետորեն քայքայում է սնկերի բջջային կառուցվածքը և բջջապատից ու բջջի ներսից ներբջջային միացությունները (այսինքն՝ պոլիսախարիդներ, ինչպիսիք են խիտինն ու խիտոզանը, և այլ կենսաակտիվ ֆիտոքիմիական նյութեր) ազատում է լուծիչի մեջ։ Ուլտրաձայնային էքստրակցիան հիմնված է ակուստիկ կավիտացիայի աշխատանքի սկզբունքի վրա։ Ուլտրաձայնային / ակուստիկ կավիտացիայի ազդեցություններն են մեծ սահքային ուժերը, տուրբուլենտությունները և ճնշման մեծ տարբերությունները։ Այս սոնոմեխանիկական ուժերը քայքայում են բջջային կառուցվածքները, օրինակ՝ սնկերի խիտինային բջջապատերը, նպաստում են սնկային կենսանյութի և լուծիչի միջև զանգվածափոխանակությանը և արագ գործընթացում ապահովում են էքստրակտի շատ բարձր ելքեր։ Բացի այդ, ուլտրաձայնային մշակումը նպաստում է էքստրակտների մանրէազերծմանը՝ ոչնչացնելով բակտերիաներն ու մանրէները։ Ուլտրաձայնային մշակմամբ մանրէների ապաակտիվացումը բջջաթաղանթի վրա կավիտացիոն ուժերի քայքայիչ ազդեցության, ազատ ռադիկալների առաջացման և տեղային տաքացման արդյունք է։
Ուլտրաձայնային մշակմամբ դեպոլիմերացման և դեացետիլացման աշխատանքի սկզբունքը
Պոլիմերային շղթաները հայտնվում են կավիտացիոն պղպջակի շուրջ ուլտրաձայնով առաջացած սահքի դաշտում, և փլուզվող խոռոչին մոտ գտնվող պոլիմերային կծիկի շղթայական հատվածները շարժվում են ավելի մեծ արագությամբ, քան ավելի հեռու գտնվողները։ Այնուհետև պոլիմերային հատվածների և լուծիչների հարաբերական շարժման հետևանքով պոլիմերային շղթայում առաջանում են լարումներ, որոնք բավարար են շղթայի ճեղքում առաջացնելու համար։ Այսպիսով, գործընթացը նման է պոլիմերային լուծույթներում սահքի այլ ազդեցություններին ~2° և տալիս է շատ նման արդյունքներ։ (հմմտ. Price et al., 1994)
Խիտին
Խիտինը N-ացետիլգլյուկոզամինի պոլիմեր է (պոլի-(β-(1–4)-N-ացետիլ-D-գլյուկոզամին), բնական պոլիսախարիդ, որը լայնորեն հանդիպում է անողնաշարավորների, օրինակ՝ խեցգետնակերպերի և միջատների արտաքին կմախքում, կաղամարների և սեպիաների ներքին կմախքում, ինչպես նաև սնկերի բջջապատերում։ Ընդգրկված լինելով սնկերի բջջապատերի կառուցվածքում՝ խիտինը պայմանավորում է սնկային բջջապատի ձևն ու կոշտությունը։ Բազմաթիվ կիրառությունների համար խիտինը դեպոլիմերացման գործընթացով փոխակերպվում է իր դեացետիլացված ածանցյալին, որը հայտնի է որպես խիտոզան։
Խիտոզանը խիտինի ամենատարածված և ամենաարժեքավոր ածանցյալն է։ Այն բարձր մոլեկուլային զանգվածով պոլիսախարիդ է՝ կապված b-1,4 գլիկոզիդով և կազմված N-ացետիլգլյուկոզամինից ու գլյուկոզամինից։
Խիտոզան կարելի է ստանալ քիմիական կամ ֆերմենտային N-դեացետիլացման միջոցով։ Քիմիական դեացետիլացման գործընթացում ացետիլային խումբը (R-NHCOCH3) պոկվում է ուժեղ ալկալիի ազդեցությամբ՝ բարձր ջերմաստիճաններում։ Այլընտրանքորեն, խիտոզանը կարող է սինթեզվել ֆերմենտային դեացետիլացման միջոցով։ Սակայն արդյունաբերական արտադրության մասշտաբով քիմիական դեացետիլացումը նախընտրելի եղանակն է, քանի որ ֆերմենտային դեացետիլացումը զգալիորեն պակաս արդյունավետ է՝ դեացետիլազ ֆերմենտների բարձր արժեքի և ստացվող խիտոզանի ցածր ելքի պատճառով։ Ուլտրաձայնային մշակումը կիրառվում է (1→4)-/β-կապի քիմիական քայքայումը (դեպոլիմերացումը) ինտենսիվացնելու և խիտինի դեացետիլացումն իրականացնելու համար՝ բարձրորակ խիտոզան ստանալու նպատակով։
Երբ ուլտրաձայնային մշակումն օգտագործվում է որպես նախնական մշակում՝ ֆերմենտային դեացետիլացումից առաջ, խիտոզանի ելքն ու որակը նույնպես բարելավվում են։
Hielscher Ultrasonics արտադրում է բարձր արդյունավետությամբ ուլտրաձայնային հոմոգենիզատորներ՝ լաբորատոր չափերից մինչև արդյունաբերական չափեր։