Produzione di chitina e chitosano dai funghi

L'ultrasuonazione è un metodo altamente efficiente per rilasciare chitina e chitosano da fonti fungine come i funghi. La chitina e il chitosano devono essere deacetilati nella lavorazione a valle per ottenere un biopolimero di alta qualità. La deacetilazione assistita da ultrasuoni è una tecnica altamente efficace, semplice e rapida, che produce chitosani di alta qualità con un alto peso molecolare e una biodisponibilità superiore.

Chitina e chitosano dai funghi

Funghi commestibili e medicinali come Lentinus edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi o reishi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (funghi bottoni), Hericium erinaceus (criniera di leone), Cordyceps sinensis (fungo caterpillar), Grifola frondosa (gallina del bosco), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, coda di tacchino) e molte altre specie di funghi sono ampiamente utilizzati come cibo e per l'estrazione di composti bioattivi. Questi funghi così come i residui di lavorazione (scarti di funghi) possono essere utilizzati per produrre chitosano. L'ultrasuonazione non solo promuove il rilascio della chitina dalla struttura della parete cellulare del fungo, ma guida anche la conversione della chitina in chitosano prezioso attraverso la depolimerizzazione ultrasonica.

Deacetilazione ultrasonica della chitina al chitosano

La deacetilazione della chitina in chitosano è promossa dalla sonicazione.

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Ultrasonic extractor UIP4000hdT for extraction en deacetylation of chitin from mushrooms

Gli ultrasuoni sono utilizzati per estrarre la chitina dai funghi. Inoltre, gli ultrasuoni promuovono la deacetilazione della chitina per ottenere il chitosano.

L'ultrasuoni è un metodo di estrazione veloce e delicato per produrre un estratto di funghi di alta qualità. Nel video, un UP400St viene utilizzato per l'estrazione di polisaccaridi dai funghi commestibili.

Estrazione a freddo dei funghi utilizzando UP400St con sonda da 22 mm

Chitinache è un polimero N-acetilglucosamina (poli-(β-(1-4)-N-acetil-D-glucosamina), è un polisaccaride naturale ampiamente presente nell'esoscheletro di invertebrati come crostacei e insetti, lo scheletro interno di calamari e seppie e le pareti cellulari dei funghi. Incorporata nella struttura delle pareti cellulari dei funghi, la chitina è responsabile della forma e della rigidità della parete cellulare dei funghi. Per molte applicazioni, la chitina viene convertita nel suo derivato deacetilato, noto come chitosano, attraverso un processo di depolimerizzazione.
Chitosano è il derivato più comune e più prezioso della chitina. È un polisaccaride ad alto peso molecolare legato da b-1,4 glicoside, composto da N-acetil-glucosamina e glucosamina.
Il chitosano può essere derivato per via chimica o enzimatica n-deacetilazione. Nel processo di deacetilazione guidato chimicamente, il gruppo acetilico (R-NHCOCH3) viene scisso da forti alcali ad alte temperature. In alternativa, il chitosano può essere sintetizzato tramite deacetilazione enzimatica. Tuttavia, su scala di produzione industriale la deacetilazione chimica è la tecnica preferita, poiché la deacetilazione enzimatica è significativamente meno efficiente a causa dell'alto costo degli enzimi deacetilasi e delle basse rese di chitosano ottenute. L'ultrasuonazione è usata per intensificare la degradazione chimica del legame (1→4)-/β (depolimerizzazione) ed effettuare la deacetilazione della chitina per ottenere chitosano di alta qualità. Quando la sonicazione viene applicata come pre-trattamento per la deacetilazione enzimatica, anche la resa e la qualità del chitosano vengono migliorate.

Produzione industriale di chitosano da funghi con ultrasuoni

La produzione commerciale di chitina e chitosano si basa principalmente sugli scarti delle industrie marine (cioè pesca, raccolta di molluschi ecc.). Diverse fonti di materie prime danno luogo a diverse qualità di chitina e chitosano, con conseguenti fluttuazioni della produzione e della qualità dovute alle variazioni stagionali della pesca. Inoltre, il chitosano derivato da fonti fungine offre proprietà superiori come la lunghezza omogenea del polimero e una maggiore solubilità rispetto al chitosano proveniente da fonti marine. (cfr. Ghormade et al., 2017) Per fornire chitosano uniforme, l'estrazione di chitina da specie fungine è diventata una produzione alternativa stabile. La produzione di chitina e citiosano dai funghi può essere ottenuta facilmente e in modo affidabile utilizzando l'estrazione ad ultrasuoni e la tecnologia di deacetilazione. La sonicazione intensa interrompe le strutture cellulari per rilasciare la chitina e promuove il trasferimento di massa nei solventi acquosi per ottenere rendimenti superiori di chitina ed efficienza di estrazione. La successiva deacetilazione ultrasonica converte la chitina nel prezioso chitosano. Sia l'estrazione ultrasonica della chitina che la deacetilazione in chitosano possono essere scalate linearmente a qualsiasi livello di produzione commerciale.

Ultrasonic extraction and deacetylation  of fungal chitin give high-quality chitosan.

La sonicazione intensifica la produzione di chitosano fungino e rende la produzione più efficiente ed economica.
(immagine e studio: © Zhu et al., 2019)

Ultrasonic chitin extraction from mushrooms with the UP400ST probe-type ultrasonicator (400W, 24kHz)

ultrasuonatore UP400St per l'estrazione dei funghi: La sonicazione dà alte rese di composti bioattivi come i polisaccaridi chitina e chitosano

Sintesi di chitosano altamente efficiente tramite sonicazione

Al fine di superare gli svantaggi (cioè, bassa efficienza, alto costo energetico, lunghi tempi di lavorazione, solventi tossici) della tradizionale deacetilazione chimica ed enzimatica della chitina, gli ultrasuoni ad alta intensità sono stati integrati nella lavorazione della chitina e del chitosano. La sonicazione ad alta intensità e i conseguenti effetti di cavitazione acustica portano ad una rapida scissione delle catene polimeriche e riducono la polidispersità, promuovendo così la sintesi del chitosano. Inoltre, le forze di taglio ultrasoniche intensificano il trasferimento di massa nella soluzione in modo da potenziare la reazione chimica, idrolitica o enzimatica.

Deacetilazione e depolimerizzazione chimica assistita dagli ultrasuoni

Poiché la chitina è un biopolimero non reattivo e insolubile, deve subire le fasi del processo di demineralizzazione, deproteinizzazione e depolimerizzazione/deacetilazione per ottenere chitosano solubile e bioaccessibile. Queste fasi del processo comportano trattamenti con acidi forti come l'HCl e basi forti come NaOH e KOH. Poiché queste fasi del processo convenzionale sono inefficienti, lente e richiedono elevate energie, l'intensificazione del processo mediante sonicazione migliora significativamente la produzione di chitosano. L'applicazione del power-ultrasound aumenta la resa e la qualità del chitosano, riduce il processo da giorni a poche ore, permette l'uso di solventi più blandi e rende l'intero processo più efficiente dal punto di vista energetico.

Deproteinizzazione migliorata ad ultrasuoni della chitina

Vallejo-Dominguez et al. (2021) hanno trovato nella loro indagine sulla deproteinizzazione della chitina che "l'applicazione di ultrasuoni per la produzione di biopolimeri ha ridotto il contenuto proteico così come la dimensione delle particelle di chitina. Il chitosano di alto grado di deacetilazione e di peso molecolare medio è stato prodotto attraverso l'assistenza degli ultrasuoni.

Idrolisi a ultrasuoni per la depolimerizzazione della chitina

Per l'idrolisi chimica, sia gli acidi che gli alcali sono usati per deacetilare la chitina, tuttavia la deacetilazione alcalina (per esempio, idrossido di sodio NaOH) è più ampiamente usata. L'idrolisi acida è un metodo alternativo alla tradizionale deacetilazione chimica, dove le soluzioni di acido organico sono usate per depolimerizzare la chitina e il chitosano. Il metodo dell'idrolisi acida è utilizzato soprattutto quando il peso molecolare della chitina e del chitosano deve essere omogeneo. Questo processo di idrolisi convenzionale è noto come lento e dispendioso in termini di energia e di costi. Il requisito di acidi forti, temperature e pressioni elevate sono fattori che trasformano il processo idrolitico del chitosano in una procedura molto costosa e dispendiosa in termini di tempo. Gli acidi utilizzati richiedono processi a valle come la neutralizzazione e la desalinizzazione.
Con l'integrazione di ultrasuoni ad alta potenza nel processo di idrolisi, i requisiti di temperatura e pressione per la scissione idrolitica di chitina e chitosano possono essere significativamente ridotti. Inoltre, la sonicazione permette concentrazioni di acido inferiori o l'uso di acidi più blandi. Questo rende il processo più sostenibile, efficiente, economico e rispettoso dell'ambiente.

Deacetilazione chimica assistita da ultrasuoni

La disintegrazione chimica e la deacteilazione della chitina e del chitosano si ottiene principalmente trattando la chitina o il chitosano con acidi minerali (per esempio, acido cloridrico HCl), nitrito di sodio (NaNO2), o perossido di idrogeno (H2O2). Gli ultrasuoni migliorano il tasso di deacetilazione accorciando così il tempo di reazione necessario per ottenere il grado di deacetilazione desiderato. Ciò significa che la sonicazione riduce il tempo di lavorazione richiesto da 12-24 ore a poche ore. Inoltre, la sonicazione permette concentrazioni chimiche significativamente più basse, per esempio il 40% (w/w) di idrossido di sodio usando la sonicazione mentre il 65% (w/w) è richiesto senza l'uso degli ultrasuoni.

Deacetilazione ultrasonica-enzimatica

Mentre la deacetilazione enzimatica è una forma di lavorazione delicata e rispettosa dell'ambiente, la sua efficienza e i suoi costi sono antieconomici. A causa del complesso, laborioso e costoso isolamento a valle e della purificazione degli enzimi dal prodotto finale, la deacetilazione enzimatica della chitina non è implementata nella produzione commerciale, ma è usata solo nei laboratori di ricerca scientifica.
Il pre-trattamento a ultrasuoni prima della deacetilazione enzimatica frammenta le molecole di chitina, allargando così l'area superficiale e rendendo più superficie disponibile per gli enzimi. La sonicazione ad alte prestazioni aiuta a migliorare la deacetilazione enzimatica e rende il processo più economico.

Risultati della ricerca per la deacetilazione ultrasonica di chitina e chitosano

Sonochemically deacetylated chitin results in high-quality chitosan.Zhu et al. (2018) concludono nel loro studio che la deacetilazione ultrasonica si è dimostrata una svolta cruciale, convertendo la β-chitina in chitosano con 83-94% di deacetilazione a temperature di reazione ridotte. L'immagine a sinistra mostra un'immagine SEM del chitosano deacetilato ad ultrasuoni (90 W, 15 min, 20 w/v% NaOH, 1:15 (g: mL) (immagine e studio: © Zhu et al., 2018)
Nel loro protocollo, la soluzione di NaOH (20 w/v %) è stata preparata sciogliendo i fiocchi di NaOH in acqua DI. La soluzione alcalina è stata poi aggiunta al sedimento GLSP (0,5 g) in un rapporto solido-liquido di 1:20 (g: mL) in un tubo da centrifuga. Il chitosano è stato aggiunto a NaCl (40 mL, 0,2 M) e all'acido acetico (0,1 M) in un rapporto di volume di soluzione 1:1. La sospensione è stata quindi sottoposta a ultrasuoni a una temperatura mite di 25°C per 60 min utilizzando un ultrasuonatore di tipo sonda (250W, 20kHz). (cfr. Zhu et al., 2018)
Pandit et al. (2021) hanno scoperto che il tasso di degradazione delle soluzioni di chitosano è raramente influenzato dalle concentrazioni di acido utilizzate per solubilizzare il polimero e dipende in gran parte dalla temperatura, dall'intensità delle onde ultrasoniche e dalla forza ionica dei mezzi utilizzati per dissolvere il polimero. (cfr. Pandit et al., 2021)

In un altro studio, Zhu et al. (2019) hanno utilizzato polveri di spore di Ganoderma lucidum come materia prima fungina e hanno studiato la deacetilazione assistita da ultrasuoni e gli effetti dei parametri di lavorazione come il tempo di sonicazione, il rapporto solido-liquido, la concentrazione di NaOH e la potenza di irradiazione sul grado di deacetilazione (DD) del chitosano. Il più alto valore di DD è stato ottenuto con i seguenti parametri ultrasonici: 20 min di sonicazione a 80W, 10% (g:ml) NaOH, 1:25 (g:ml). La morfologia superficiale, i gruppi chimici, la stabilità termica e la cristallinità del chitosano ottenuto con gli ultrasuoni sono stati esaminati utilizzando il SEM, l'FTIR, il TG e l'XRD. Il team di ricerca riporta un miglioramento significativo del grado di deacetilazione (DD), della viscosità dinamica ([η]) e del peso molecolare (Mv¯) del chitosano prodotto con gli ultrasuoni. I risultati hanno sottolineato la tecnica di deacetilazione ultrasonica dei funghi un metodo di produzione altamente potente per il chitosano, che è adatto per applicazioni biomediche. (cfr. Zhu et al., 2019)

Chitins and chitosans from mushroom can be efficiently extracted using probe-type ultrasonication.

Immagini al SEM di chitine e chitosani da due specie di funghi: a) Chitina da L. vellereus; b) Chitina da P. ribis; c) Chitosano da L.vellereus; d) chitosano da P. ribis.
immagine e studio: © Erdoğan et al., 2017

Industrial ultrasonic tank reactor with high-performance ultrasonic probe for chitin deacetylation

Reattore ad ultrasuoni con Sonda ad ultrasuoni 2000W (sonotrodo) per l'estrazione di chitina dai funghi e successiva depolimerizzazione / deacetilazione

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Qualità superiore del chitosano con la deacetilazione a ultrasuoni

I processi ad ultrasuoni di estrazione e depolimerizzazione della chitina / chitosano sono controllabili con precisione e i parametri del processo ad ultrasuoni possono essere regolati in base alle materie prime e alla qualità del prodotto finale desiderato (ad esempio, peso molecolare, grado di deacetilazione). Questo permette di adattare il processo a ultrasuoni a fattori esterni e di impostare parametri ottimali per un risultato e un'efficienza superiori.
Il chitosano deacetilato ad ultrasuoni mostra un'eccellente biodisponibilità e biocompatibilità. Quando i biopolimeri di chitosano preparati con gli ultrasuoni vengono confrontati con il chitosano derivato termicamente per quanto riguarda le proprietà biomediche, il chitosano prodotto con gli ultrasuoni mostra una vitalità dei fibroblasti (cellule L929) significativamente migliorata e una maggiore attività antibatterica sia per l'Escherichia coli (E. coli) che per lo Staphylococcus aureus (S. aureus).
(cfr. Zhu et al., 2018)

Come funziona l'estrazione a ultrasuoni e la deacetilazione della chitina?

Quando le onde ultrasoniche di potenza sono accoppiate in un liquido o liquame (ad esempio, una sospensione costituita da chitina in un solvente), le onde ultrasoniche viaggiano attraverso il liquido causando cicli alternati di alta pressione / bassa pressione. Durante i cicli a bassa pressione, si creano minuscole bolle di vuoto (le cosiddette bolle di cavitazione), che crescono per diversi cicli di pressione. Ad una certa dimensione, quando le bolle non possono assorbire più energia, implodono violentemente durante un ciclo ad alta pressione. L'implosione delle bolle è caratterizzata da intense forze cavitazionali (o sonomeccaniche). Queste condizioni sonomeccaniche si verificano localmente nell'hot-spot cavitazionale e sono caratterizzate da temperature e pressioni molto elevate, fino a 4000K e 1000atm, rispettivamente; così come da corrispondenti differenziali di temperatura e pressione elevati. Inoltre, vengono generate micro-turbolenze e flussi di liquido con velocità fino a 100m/s. L'estrazione a ultrasuoni di chitina e chitosano da funghi e crostacei, così come la depolimerizzazione e la deacetilazione della chitina sono causate principalmente da effetti sonomeccanici: l'agitazione e le turbolenze distruggono le cellule e promuovono il trasferimento di massa e possono anche tagliare le catene polimeriche in combinazione con solventi acidi o alcalini.
Principio di funzionamento dell'estrazione della chitina tramite ultrasuoni: L'estrazione a ultrasuoni rompe efficacemente la struttura cellulare dei funghi e rilascia i composti intracellulari dalla parete cellulare e dall'interno delle cellule (cioè polisaccaridi come la chitina e il chitosano e altri fitochimici bioattivi) nel solvente. L'estrazione a ultrasuoni si basa sul principio di funzionamento della cavitazione acustica. Gli effetti della cavitazione ultrasonica/acustica sono forze di taglio elevate, turbolenze e intensi differenziali di pressione. Queste forze sonomeccaniche rompono le strutture cellulari come le pareti cellulari chitinose dei funghi, promuovono il trasferimento di massa tra il biomateriale del fungo e il solvente e portano a rese di estratto molto elevate in un processo rapido. Inoltre, la sonicazione promuove la sterilizzazione degli estratti uccidendo batteri e microbi. L'inattivazione microbica mediante sonicazione è il risultato delle forze cavitazionali distruttive della membrana cellulare, della produzione di radicali liberi e del riscaldamento localizzato.
Principio di funzionamento della depolimerizzazione e deacetilazione tramite ultrasuoni: Le catene polimeriche sono catturate nel campo di taglio intorno a una bolla e i segmenti di catena della bobina polimerica vicino a una cavità che collassa si muoveranno a una velocità maggiore di quelli più lontani. Si producono quindi delle sollecitazioni sulla catena polimerica dovute al movimento relativo dei segmenti polimerici e dei solventi e queste sono sufficienti a causare il clivaggio. Il processo è quindi simile ad altri effetti di taglio in soluzioni polimeriche ~2° e dà risultati molto simili. (cfr. Price et al., 1994)

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Attrezzatura a ultrasuoni ad alte prestazioni per la lavorazione della chitina e del chitosano dei funghi

Deacetilazione ultrasonica della chizione al chitosano

Immagini al microscopio elettronico a scansione (SEM) con un ingrandimento di 100× di a) gladio, b) gladio trattato ad ultrasuoni, c) β-chitina, d) β-chitina trattata ad ultrasuoni ed e) chitosano (fonte: Preto et al. 2017).

4kW ultrasonicator for industrial chitin / chitosan processing from crustacean and fungiLa frammentazione della chitina e la decetilazione della chitina in chitosano richiedono apparecchiature a ultrasuoni potenti e affidabili, in grado di fornire ampiezze elevate, di offrire un controllo preciso dei parametri di processo e di funzionare 24 ore su 24, 7 giorni su 7, in condizioni di carico elevato e in ambienti difficili. La gamma di prodotti Hielscher Ultrasonics soddisfa questi requisiti in modo affidabile. Oltre alle eccezionali prestazioni degli ultrasuoni, gli ultrasuonatori Hielscher vantano un'elevata efficienza energetica, che rappresenta un significativo vantaggio economico – specialmente quando sono impiegati nella produzione commerciale su larga scala.
Gli ultrasuonatori Hielscher sono sistemi ad alte prestazioni che possono essere equipaggiati con accessori come sonotrodi, booster, reattori o celle di flusso per soddisfare in modo ottimale le vostre esigenze di processo.Con il display digitale a colori, la possibilità di preimpostare i cicli di sonicazione, la registrazione automatica dei dati su una scheda SD integrata, il controllo remoto tramite browser e molte altre caratteristiche, sono garantiti il massimo controllo del processo e la facilità d'uso. Abbinati alla robustezza e alla grande capacità di carico, i sistemi a ultrasuoni Hielscher sono il vostro cavallo di battaglia affidabile nella produzione. La frammentazione e la deacetilazione della chitina richiedono potenti ultrasuoni per ottenere una conversione mirata e un prodotto finale di chitosano di alta qualità. Soprattutto per la frammentazione dei fiocchi di chitina e le fasi di depolimerizzazione/deacetilazione, sono fondamentali ampiezze elevate e pressioni elevate. I processori a ultrasuoni industriali della Hielscher Ultrasonics forniscono facilmente ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200µm possono essere eseguite continuamente in funzionamento 24/7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. La capacità di potenza dei sistemi a ultrasuoni Hielscher permette una deacetilazione efficiente e veloce in un processo sicuro e facile da usare.
La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni:

Volume di batch Portata Dispositivi raccomandati
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
n.a. 10 - 100L/min UIP16000
n.a. più grande cluster di UIP16000

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Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori ad ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni di miscelazione, dispersione, emulsificazione ed estrazione in laboratorio, pilota e su scala industriale.



Letteratura / Referenze


High performance ultrasonics! Hielscher's product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.

Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni da laboratorio a dimensione industriale.