Produzione di chitina e chitosano dai funghi

Il trattamento a ultrasuoni è un metodo altamente efficiente per liberare chitina e chitosano da fonti fungine come i funghi. La chitina e il chitosano devono essere depolimerizzati e deacetilati nelle fasi di lavorazione a valle per ottenere un biopolimero di alta qualità. La depolimerizzazione e la deacetilazione assistite da ultrasuoni costituiscono una tecnica altamente efficace, semplice e rapida, che consente di ottenere chitosani di alta qualità con elevato peso molecolare e biodisponibilità superiore.

Chitina e chitosano derivati dai funghi mediante trattamento a ultrasuoni

Funghi commestibili e medicinali come Lentinus edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi o reishi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (champignon), Hericium erinaceus (criniera di leone), Cordyceps sinensis (fungo bruco), Grifola frondosa (gallina dei boschi), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, coda di tacchino) e molte altre specie fungine sono ampiamente utilizzati come alimenti e per l’estrazione di composti bioattivi. Questi funghi, così come i residui di lavorazione (scarti dei funghi), possono essere utilizzati per produrre chitosano. Il trattamento a ultrasuoni non solo favorisce il rilascio della chitina dalla struttura della parete cellulare fungina, ma promuove anche la conversione della chitina in prezioso chitosano mediante depolimerizzazione e deacetilazione assistite da ultrasuoni.

Questo video dimostra l’estrazione altamente efficiente dei funghi criniera di leone con l’omogeneizzatore a ultrasuoni Hielscher UP200Ht. L’estrazione a ultrasuoni è la tecnica ideale per produrre estratti di alta qualità a spettro completo contenenti polisaccaridi come i beta-glucani, nonché ericenoni ed erinacine.

 

Il trattamento intenso a ultrasuoni mediante un sistema a ultrasuoni a sonda è una tecnica utilizzata per favorire la depolimerizzazione e la deacetilazione della chitina, portando alla formazione di chitosano. La chitina è un polisaccaride presente in natura negli esoscheletri dei crostacei e degli insetti e nelle pareti cellulari di alcuni funghi. Il chitosano si ottiene dalla chitina rimuovendo i gruppi acetile dalla molecola di chitina.

Procedura a ultrasuoni per la conversione della chitina fungina in chitosano

Quando si applica un trattamento intenso a ultrasuoni per produrre chitosano dalla chitina, una sospensione di chitina viene sottoposta a sonicazione con onde ultrasoniche ad alta intensità e bassa frequenza, tipicamente nell’intervallo da 20 kHz a 30 kHz. Il processo genera un’intensa cavitazione acustica, che consiste nella formazione, crescita e implosione di microscopiche bolle di vuoto nel liquido. La cavitazione genera localmente forze di taglio estremamente elevate, alte temperature (fino a diverse migliaia di gradi Celsius) e pressioni (fino a diverse centinaia di atmosfere) nel liquido che circonda le bolle di cavitazione. Queste condizioni estreme contribuiscono alla degradazione del polimero di chitina e alla successiva deacetilazione.
 

 

Depolimerizzazione della chitina mediante ultrasuoni

La depolimerizzazione della chitina avviene attraverso gli effetti combinati di forze meccaniche, come microflussi e getti di liquido, nonché attraverso reazioni chimiche avviate dagli ultrasuoni e indotte da radicali liberi e altre specie reattive formatesi durante la cavitazione. Le onde ad alta pressione generate durante la cavitazione sottopongono le catene di chitina a sollecitazioni di taglio, provocando la scissione del polimero in frammenti più piccoli.

Deacetilazione della chitina mediante ultrasuoni

Oltre alla depolimerizzazione, il trattamento intenso a ultrasuoni favorisce anche la deacetilazione della chitina. La deacetilazione comporta la rimozione dei gruppi acetile dalla molecola di chitina, portando alla formazione di chitosano. L’intensa energia ultrasonica, in particolare le alte temperature e pressioni generate durante la cavitazione, accelera la reazione di deacetilazione. Le condizioni reattive create dalla cavitazione aiutano a rompere i legami dei gruppi acetile nella chitina, determinando il rilascio di acido acetico e la conversione della chitina in chitosano.
Nel complesso, il trattamento intenso a ultrasuoni migliora sia i processi di depolimerizzazione sia quelli di deacetilazione, fornendo l’energia meccanica e chimica necessaria per degradare il polimero di chitina e facilitare la conversione in chitosano. Questa tecnica offre un metodo rapido ed efficiente per produrre chitosano dalla chitina, con numerose applicazioni in vari settori, tra cui quello farmaceutico, l’agricoltura e l’ingegneria biomedica.

Produzione industriale di chitosano dai funghi con ultrasuoni di potenza

La produzione commerciale di chitina e chitosano si basa principalmente sugli scarti delle industrie marine (cioè pesca, raccolta di molluschi e crostacei, ecc.). Le diverse fonti di materia prima determinano qualità differenti di chitina e chitosano, con conseguenti fluttuazioni della produzione e della qualità dovute alle variazioni stagionali della pesca. Inoltre, secondo quanto riportato, il chitosano derivato da fonti fungine offre proprietà superiori, come una lunghezza omogenea delle catene polimeriche e una maggiore solubilità rispetto al chitosano proveniente da fonti marine. (cfr. Ghormade et al., 2017) Per fornire chitosano uniforme, l’estrazione della chitina da specie fungine è diventata un’alternativa produttiva stabile. La produzione di chitina e chitosano dai funghi può essere realizzata facilmente e in modo affidabile utilizzando la tecnologia di estrazione e deacetilazione a ultrasuoni. La sonicazione intensa disgrega le strutture cellulari per liberare la chitina e favorisce il trasferimento di massa nei solventi acquosi, consentendo rese di chitina ed efficienza di estrazione superiori. La successiva deacetilazione a ultrasuoni converte la chitina in prezioso chitosano. Sia l’estrazione della chitina a ultrasuoni sia la deacetilazione a chitosano possono essere scalate linearmente a qualsiasi livello di produzione commerciale.

Risultati della ricerca sulla deacetilazione di chitina e chitosano mediante ultrasuoni

Zhu et al. (2018) concludono nel loro studio che la deacetilazione a ultrasuoni si è dimostrata un progresso decisivo, convertendo la β-chitina in chitosano con una deacetilazione dell’83–94% a temperature di reazione ridotte. L’immagine a sinistra mostra un’immagine SEM di chitosano deacetilato mediante 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 scaglie di NaOH in acqua deionizzata. La soluzione alcalina è stata quindi aggiunta al sedimento GLSP (0,5 g) in una provetta da centrifuga, con un rapporto solido-liquido di 1:20 (g: mL). Il chitosano è stato aggiunto a NaCl (40 mL, 0,2 M) e acido acetico (0,1 M) con un rapporto volumetrico delle soluzioni di 1:1. La sospensione è stata quindi sottoposta a ultrasuoni a una temperatura moderata di 25°C per 60 min utilizzando un sonicatore a sonda (250W, 20kHz). (cfr. Zhu et al., 2018)
 
Pandit et al. (2021) hanno riscontrato che la velocità di degradazione delle soluzioni di chitosano è raramente influenzata dalle concentrazioni dell’acido utilizzato per solubilizzare il polimero e dipende in larga misura dalla temperatura, dall’intensità delle onde ultrasoniche e dalla forza ionica dei mezzi utilizzati per sciogliere 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 di parametri di processo quali il tempo di sonicazione, il rapporto solido-liquido, la concentrazione di NaOH e la potenza di irraggiamento sul grado di deacetilazione (DD) del chitosano. Il valore più elevato 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 mediante ultrasuoni sono stati esaminati utilizzando SEM, FTIR, TG e XRD. Il gruppo di ricerca riporta un aumento significativo del grado di deacetilazione (DD), della viscosità dinamica ([η]) e del peso molecolare (Mv¯) del chitosano prodotto mediante ultrasuoni. I risultati hanno evidenziato che la tecnica di deacetilazione dei funghi mediante ultrasuoni è un metodo di produzione altamente efficace per il chitosano, adatto alle applicazioni biomediche. (cfr. Zhu et al., 2019)

Qualità superiore del chitosano con depolimerizzazione e deacetilazione mediante ultrasuoni

I processi di estrazione e depolimerizzazione di chitina / chitosano indotti dagli ultrasuoni sono controllabili con precisione e i parametri del processo a ultrasuoni possono essere adattati alle materie prime e alla qualità desiderata del prodotto finale (ad esempio, peso molecolare, grado di deacetilazione). Ciò consente di adattare il processo a ultrasuoni ai fattori esterni e di impostare parametri ottimali per ottenere risultati ed efficienza superiori.
Il chitosano deacetilato mediante ultrasuoni presenta un’eccellente biodisponibilità e biocompatibilità. Quando si confrontano le proprietà biomediche dei biopolimeri di chitosano preparati mediante ultrasuoni con quelle del chitosano ottenuto termicamente, il chitosano prodotto mediante ultrasuoni mostra una vitalità dei fibroblasti (cellule L929) significativamente migliore e una maggiore attività antibatterica sia contro Escherichia coli (E. coli) sia contro Staphylococcus aureus (S. aureus).
(cfr. Zhu et al., 2018)
 

Apparecchiature a ultrasuoni ad alte prestazioni per la lavorazione di chitina e chitosano

La frammentazione della chitina e la deacetilazione della chitina a chitosano richiedono apparecchiature a ultrasuoni potenti e affidabili, in grado di fornire ampiezze elevate, offrire un controllo preciso dei parametri di processo e funzionare 24/7 sotto carichi elevati e in ambienti impegnativi. La gamma di prodotti Hielscher Ultrasonics soddisfa questi requisiti in modo affidabile. Oltre alle eccezionali prestazioni ultrasoniche, i sonicatori Hielscher vantano un’elevata efficienza energetica, che rappresenta un significativo vantaggio economico – soprattutto quando vengono impiegati nella produzione commerciale su larga scala.
I sonicatori Hielscher sono sistemi ad alte prestazioni che possono essere dotati di accessori come sonotrodi, booster, reattori o celle di flusso, per soddisfare in modo ottimale le esigenze del vostro processo.
 Con un 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 funzionalità, i sonicatori Hielscher garantiscono il massimo controllo del processo e la massima facilità d’uso. Grazie alla robustezza e alla capacità di sostenere carichi elevati, i sistemi a ultrasuoni Hielscher sono strumenti di lavoro affidabili per la vostra produzione. 
La frammentazione e la deacetilazione della chitina richiedono ultrasuoni potenti per ottenere la conversione desiderata e un prodotto finale di chitosano di alta qualità. Soprattutto per la frammentazione delle scaglie di chitina e le fasi di depolimerizzazione / deacetilazione, sono fondamentali ampiezze elevate e pressioni alte. I processori a ultrasuoni industriali Hielscher Ultrasonics forniscono facilmente ampiezze molto elevate. È possibile mantenere continuamente ampiezze fino a 200µm durante il funzionamento 24/7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati. La capacità di potenza dei sistemi a ultrasuoni Hielscher consente una depolimerizzazione e una deacetilazione efficienti e rapide, in un processo sicuro e facile da utilizzare.
 

La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori:

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Trattamento sinergico della chitina migliorato mediante ultrasuoni

Per superare gli svantaggi (cioè bassa efficienza, elevati costi energetici, lunghi tempi di trattamento, solventi tossici) della deacetilazione chimica ed enzimatica tradizionale della chitina, gli ultrasuoni ad alta intensità sono stati integrati nella lavorazione di chitina e chitosano. La sonicazione ad alta intensità e i conseguenti effetti della cavitazione acustica determinano una rapida scissione delle catene polimeriche e riducono la polidispersità, favorendo così la sintesi del chitosano. Inoltre, le forze di taglio ultrasoniche intensificano il trasferimento di massa nella soluzione, potenziando le reazioni chimiche, idrolitiche o enzimatiche. Il trattamento della chitina a ultrasuoni può essere combinato con tecniche di lavorazione della chitina già esistenti, come metodi chimici, idrolisi o procedure enzimatiche.

Deacetilazione chimica e depolimerizzazione assistite da ultrasuoni

Poiché la chitina è un biopolimero non reattivo e insolubile, deve essere sottoposta alle fasi di demineralizzazione, deproteinizzazione e depolimerizzazione / deacetilazione per ottenere chitosano solubile e bioaccessibile. Queste fasi di processo comportano trattamenti con acidi forti come HCl e basi forti come NaOH e KOH. Poiché queste fasi convenzionali sono inefficienti, lente e richiedono molta energia, l’intensificazione del processo mediante sonicazione migliora significativamente la produzione di chitosano. L’applicazione degli ultrasuoni di potenza aumenta le rese e la qualità del chitosano, riduce la durata del processo da giorni a poche ore, consente l’uso di solventi più blandi e rende l’intero processo più efficiente dal punto di vista energetico.

Deproteinizzazione della chitina migliorata mediante ultrasuoni

Vallejo-Dominguez et al. (2021) hanno riscontrato nella loro ricerca sulla deproteinizzazione della chitina che l'”applicazione degli ultrasuoni per la produzione di biopolimeri ha ridotto il contenuto proteico e la dimensione delle particelle di chitina. Grazie all’assistenza degli ultrasuoni è stato prodotto chitosano con un elevato grado di deacetilazione e un peso molecolare medio.”

Idrolisi a ultrasuoni per la depolimerizzazione della chitina

Per l’idrolisi chimica si utilizzano acidi o alcali per deacetilare la chitina; tuttavia, la deacetilazione alcalina (ad esempio con idrossido di sodio NaOH) è più ampiamente utilizzata. L’idrolisi acida è un metodo alternativo alla deacetilazione chimica tradizionale, nel quale vengono utilizzate soluzioni di acidi organici per depolimerizzare chitina e chitosano. Il metodo dell’idrolisi acida viene utilizzato soprattutto quando il peso molecolare di chitina e chitosano deve essere omogeneo. Questo processo di idrolisi convenzionale è noto per essere lento e oneroso in termini di energia e costi. La necessità di acidi forti, alte temperature e pressioni elevate è tra i fattori che rendono il processo idrolitico del chitosano una procedura molto costosa e dispendiosa in termini di tempo. Gli acidi utilizzati richiedono processi a valle come neutralizzazione e desalinizzazione.
Integrando ultrasuoni ad alta potenza nel processo di idrolisi, è possibile ridurre significativamente i requisiti di temperatura e pressione per la scissione idrolitica di chitina e chitosano. Inoltre, la sonicazione consente concentrazioni di acido inferiori o l’uso di acidi più blandi. Ciò rende il processo più sostenibile, efficiente, conveniente e rispettoso dell’ambiente.

Deacetilazione chimica assistita da ultrasuoni

La disgregazione chimica e la deacetilazione di chitina e chitosano si ottengono principalmente trattando la chitina o il chitosano con acidi minerali (ad esempio acido cloridrico HCl), nitrito di sodio (NaNO₂) o perossido di idrogeno (H₂O₂). Gli ultrasuoni aumentano la velocità di deacetilazione, abbreviando così il tempo di reazione necessario per ottenere il grado di deacetilazione desiderato. Ciò significa che la sonicazione riduce il tempo di trattamento richiesto da 12–24 ore a poche ore. Inoltre, la sonicazione consente concentrazioni di sostanze chimiche significativamente inferiori, ad esempio il 40% (w/w) di idrossido di sodio con la sonicazione, mentre senza ultrasuoni è necessario il 65% (w/w).

Deacetilazione enzimatica a ultrasuoni

Sebbene la deacetilazione enzimatica sia una forma di trattamento blanda e rispettosa dell’ambiente, la sua efficienza e i suoi costi la rendono antieconomica. A causa delle operazioni a valle di isolamento e purificazione degli enzimi dal prodotto finale, complesse, laboriose e costose, la deacetilazione enzimatica della chitina non viene attuata nella produzione commerciale, ma viene utilizzata soltanto nei laboratori di ricerca scientifica.
Il pretrattamento a ultrasuoni prima della deacetilazione enzimatica frammenta le molecole di chitina, aumentando così l’area superficiale e rendendo disponibile una maggiore superficie per gli enzimi. La sonicazione ad alte prestazioni contribuisce a migliorare la deacetilazione enzimatica e rende il processo più economico.