キノコ生産のキチンとキトサン

超音波は、キノコなどの真菌源からキチンとキトサンを放出するための非常に効率的な方法です。キチンとキトサンは、高品質のバイオポリマーを得るために、下流プロセスで解重合および脱アセチル化する必要があります。超音波支援解重合および脱アセチル化は、高分子量および優れたバイオアベイラビリティを有する高品質のキトサンをもたらす、非常に効果的で、シンプルで迅速な技術です。

超音波によるキノコ由来のキチンとキトサン

レンチヌスエドデス(シイタケ)、霊芝(霊芝または霊芝)、イノノトゥスオブリクウス(チャーガ)、アガリクスビスポラス(ボタンキノコ)、ヘリシウムエリナセウス(ライオンのたてがみ)、冬虫夏草(毛虫の真菌)、グリフォラフロンドサ(木の鶏)、トラメテスヴェルシカラー(コリオラスヴェルシカラー、ポリポラスヴェルシカラー、ターキーテール)および他の多くの真菌種などの食用および薬用キノコは、食品として、および生理活性化合物の抽出に広く使用されています。これらのキノコと処理残渣(キノコ廃棄物)を使用して、キトサンを製造することができます。超音波は、真菌細胞壁構造からのキチンの放出を促進するだけでなく、超音波支援解重合および脱アセチル化を介して貴重なキトサンへのキチンの変換を促進します。

キトサンへのチチンの超音波脱アセチル化

キトサンへのキチンの解重合および脱アセチル化は、超音波処理によって促進されます

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キノコからのキチンの抽出アン脱アセチル化のための超音波抽出器UIP4000hdT

超音波は、キノコからキチンを抽出するために使用されます。さらに、超音波は、高品質のキトサンを得るためにキチンの解重合および脱アセチル化を促進する。

This video demonstrates the highly efficient extraction of lion's mane mushrooms using the Hielscher UP200Ht ultrasonic homogenizer. Ultrasonic extraction is the perfect technique for producing high-quality, full-spectrum extracts containing polysaccharides such as beta glucans, as well as hericenones and erinacins.

Lion's Mane Mushroom Extraction Using the Ultrasonicator UP200Ht

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プローブ型超音波システムを使用した強烈な超音波は、キトサンの形成につながる、キチンの解重合および脱アセチル化を促進するために使用される技術です。キチンは、甲殻類、昆虫、および特定の真菌の細胞壁の外骨格に見られる天然に存在する多糖類です。キトサンは、キチン分子からアセチル基を除去することによってキチンから誘導される。

キトサン変換への真菌キチンのための超音波手順

強烈な超音波がキチンからキトサンの生産に適用されるとき、キチン懸濁液は、典型的には20kHz〜30kHzの範囲の高強度、低周波超音波で超音波処理される。このプロセスは、液体中の微細な真空気泡の形成、成長、および崩壊を指す強烈な音響キャビテーションを生成します。キャビテーションは、キャビテーション気泡を取り囲む液体に局所的な極端に高いせん断力、高温(摂氏数千度まで)、および圧力(最大数百気圧)を生成します。これらの極端な条件は、キチンポリマーの分解およびそれに続く脱アセチル化に寄与する。
 

キノコからキチンとキトサンは、プローブ型超音波を使用して効率的に抽出することができます。

2つのキノコ種からのキチンとキトサンのSEM画像:a)L.ヴェレレウスのキチン;b) ピチンからピチンは、P. リビス;c) L.ヴェレレウスのキトサン;d)P.リビスのキトサン。
絵と研究: © エルドアンら, 2017

 

キチンの超音波解重合

キチンの解重合は、マイクロストリーミングや液体噴射などの機械的な力の複合効果、ならびにキャビテーション中に形成されたフリーラジカルおよび他の反応性種によって誘発される超音波開始化学反応によって起こる。キャビテーション中に発生する高圧波により、キチン鎖にせん断応力がかかり、ポリマーがより小さな断片に切断されます。

キチンの超音波脱アセチル化

解重合に加えて、強烈な超音波はまた、キチンの脱アセチル化を促進する。脱アセチル化は、キチン分子からのアセチル基の除去を含み、キトサンの形成をもたらす。強烈な超音波エネルギー、特にキャビテーション中に発生する高温高圧は、脱アセチル化反応を加速します。キャビテーションによって作り出される反応条件は、キチン中のアセチル結合を切断するのを助け、その結果、酢酸の放出およびキチンのキトサンへの変換をもたらす。
全体的に、強烈な超音波は、キチンポリマーを破壊し、キトサンへの変換を促進するために必要な機械的および化学的エネルギーを提供することにより、解重合および脱アセチル化プロセスの両方を強化します。この技術は、キチンからキトサンを製造するための迅速かつ効率的な方法を提供し、製薬、農業、生物医学工学を含むさまざまな産業で多くの用途があります。

パワー超音波によるキノコからの工業用キトサン生産

商業キチンとキトサン生産は、主に海洋産業の廃棄物(すなわち、漁業、貝の収穫など)に基づいています。原料の異なるソースは、異なるキチンとキトサンの資質をもたらし、季節的な漁業の変動による生産と品質の変動をもたらします。さらに、真菌源由来のキトサンは、海洋源からのキトサンと比較した場合、均質なポリマー長さや溶解度の向上など、優れた特性を提供すると伝えられている。(cf. ゴーメイドら, 2017)均一なキトサンを供給するために、真菌種からのキチンの抽出は安定した代替生産となっている。キチンとシチオーサンの真菌からの生産は、超音波抽出および脱アセチル化技術を使用して簡単かつ信頼性の高いことができます。強烈な超音波処理は、キチンを放出する細胞構造を破壊し、優れたキチン収率と抽出効率のための水性溶媒中の物質移動を促進する。その後の超音波脱アセチル化は、キチンを貴重なキトサンに変換します。両方とも、キトサンへの超音波キチン抽出および脱アセチル化は、任意の商業生産レベルに直線的にスケーリングすることができる。

超音波抽出と真菌キチンの脱アセチル化は、高品質のキトサンを与えます。

超音波処理は、真菌キトサンの生産を強化し、生産をより効率的かつ経済的にします。
(絵と研究:©朱ら、2019)

UP400STプローブ式超音波処理器(400W、24kHz)を用いたキノコからの超音波キチン抽出

超音波処理器 UP400St キノコ抽出用:超音波処理は、キチンやキトサン多糖などの生理活性化合物の高い収率を与えます

キチン超音波・キトサン脱アセチル化の研究成果

ソノ化学的に脱アセチル化チチンは、高品質のキトサンをもたらす。Zhu et al. (2018) 超音波脱アセチル化は、反応温度の低下で83-94%の脱アセチル化でキトサンにβキチンを変換し、重要なブレークスルーであることが証明されていることを彼らの研究で結論付けます。左の写真は、超音波脱アセチル化キトサンのSEM画像を示しています(90 W、15分、20 w/v%NaOH、1:15(g:mL) (写真と研究:©・ジューら、2018)
彼らのプロトコルでは、NaOHフレークをDI水に溶解することによってNaOH溶液(20 w / v%)を調製しました。次に、アルカリ溶液をGLSP沈殿物(0.5 g)に1:20(g:mL)の固液比で遠沈管に添加しました。キトサンをNaCl(40 mL、0.2 M)と酢酸(0.1 M)に1:1の溶液容量比で加えました。次いで、懸濁液を、プローブ型超音波装置(250W、20kHz)を用いて60分間、25°Cの穏やかな温度で超音波にかけた。(cf Zhu et al., 2018)
 
Pandit et al. (2021) キトサン溶液の分解速度は、ポリマーを可溶化するために利用される酸濃度の影響をほとんど受けず、ポリマーを溶解するために使用される媒体の温度、強度、およびイオン強度に大きく依存することを発見した。(2021年パンピットら)
 
別の研究では、Zhu et al. (2019)は、真菌原料として霊芝胞子粉末を使用し、超音波支援脱アセチル化と、超音波処理時間、固液比、NaOH濃度、照射力などの処理パラメータの影響を調査しましたキトサンの脱アセチル化(DD)の程度。最高のDD値は、以下の超音波パラメータで得られた:80W、10%(g:ml)NaOH、1:25(g:ml)で20分間の超音波処理。超音波で得られたキトサンの表面形態、化学基、熱安定性、および結晶化度を、SEM、FTIR、TG、およびXRDを使用して調べました。研究チームは、超音波で生成されたキトサンの脱アセチル化(DD)、動的粘度([η])および分子量(Mv ̄)の程度の有意な増強を報告する。結果は、生物医学的用途に適しているキトサンのための非常に強力な製造方法である真菌の超音波脱アセチル化技術を強調した。(参照:朱ら、2019年)

このビデオクリップは、薬用キノコからの生理活性化合物の効率的な抽出を示しています。ヒールシャー超音波ホモジナイザーUP400Stは、高品質のキノコ抽出物を生成するために広く使用されています。

薬用キノコからの生理活性化合物の超音波抽出

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超音波解重合と脱アセチル化による優れたキトサン品質

キチン/キトサン抽出および脱重合の超音波駆動プロセスは正確に制御可能であり、超音波プロセスパラメータは、原材料とターゲット製品の品質(例えば、分子量、脱アセチル化の程度)に調整することができます。これは外的な要因に超音波プロセスを適応させ、優秀な結果および効率のための最適な変数を設定することを可能にする。
超音波脱アセチル化キトサンは、優れたバイオアベイラビリティと生体適合性を示しています。超音波で作製したキトサン生体高分子を生物医学的特性に関して熱由来キトサンと比較すると、超音波生成キトサンは、大腸菌(大腸菌)および黄色ブドウ球菌(S.アウレウス)の両方に対して線維芽細胞(L929細胞)の生存率を有意に改善し、抗菌活性を高める。
(cf. Zhuら, 2018)
 

キトサンへのチションの超音波脱アセチル化

走査電子顕微鏡(SEM)画像を100×倍率で、グラディウス、b)超音波処理グラディウス、c)β-キチン、d)超音波処理β-チチン、およびe)キトサン(出典:Preto et al. 2017)

キチンおよびキトサン処理のための高性能超音波装置

甲殻類および真菌からの産業キチン/キトサン処理用4kW超音波処理器キチンの断片化とキトサンへのキチンのデセチル化には、高振幅を提供し、プロセスパラメータの正確な制御性を提供し、重い負荷と要求の厳しい環境で24/7を操作できる強力で信頼性の高い超音波装置が必要です。ヒールシャー超音波製品範囲は、確実にこれらの要件を満たしています。優れた超音波性能に加えて、ヒールシャー超音波処理器は、重要な経済的利点である高いエネルギー効率を誇っています – 特に、商業用大規模生産に採用される場合。
ヒールシャー超音波処理器は、最適な方法であなたのプロセスのニーズに一致させるために、ソノトロード、ブースター、リアクターまたはフローセルなどのアクセサリーを装備することができる高性能システムです。 デジタルカラーディスプレイ、プリセット超音波処理の実行、統合されたSDカードへの自動データ記録、リモートブラウザ制御とより多くの機能で、ヒールシャー超音波処理器は最高のプロセス制御と使いやすさを保証します。堅牢性と重い耐荷重能力と組み合わせて、ヒールシャー超音波システムは、生産におけるあなたの信頼性の高い作業馬です。
キチンの断片化および脱アセチル化は、標的変換および高品質の最終キトサン生成物を得るために強力な超音波を必要とする。特にキチンフレークの断片化および解重合/脱アセチル化ステップでは、高振幅および高圧が重要である。ヒールシャー超音波産業用超音波プロセッサは、簡単に非常に高い振幅を提供します。最大200μmの振幅を24/7動作で連続的に実行できます。さらに高い振幅のために、カスタマイズされた超音波ソトロードが利用可能です。ヒールシャー超音波システムの電力容量は、安全でユーザーフレンドリーなプロセスで効率的かつ迅速な解重合と脱アセチル化を可能にします。
 

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キチン脱アセチル化のための高性能超音波プローブ(ソノトロード)を備えた産業用超音波タンク反応器

超音波反応器付き 2000W超音波プローブ UIP2000hdT キノコからのキチン抽出とその後の解重合/脱アセチル化

下の表は私達のultrasonicatorsのおおよその処理能力の目安を与えます:

バッチ容量 流量 推奨デバイス
500mLの1〜 200mL /分で10 UP100H
2000mlの10〜 20 400mLの/分 Uf200ःトンUP400St
00.1 20Lへ 04L /分の0.2 UIP2000hdT
100Lへ10 10L /分で2 UIP4000hdT
N.A。 10 100L /分 UIP16000
N.A。 大きな のクラスタ UIP16000

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超音波処理によって改善された相乗的なキチン治療

従来の化学的および酵素的キチン脱アセトの欠点(すなわち、低効率、高エネルギーコスト、長い処理時間、有毒溶媒)を克服するために、高強度超音波がキチンおよびキトサン処理に統合されている。高強度超音波処理と音響キャビテーションの結果効果は、ポリマー鎖の急速な切断につながり、多分散度を低下させ、それによってキトサンの合成を促進します。さらに、超音波せん断力は、化学的、加水分解的、または酵素的反応が増強されるように、溶液中の物質移動を強める。超音波キチン処理は、化学的方法、加水分解または酵素的手順などの既存のキチン処理技術と組み合わせることができます。

超音波アシスト化学脱アセチル化および脱重合

キチンは非反応性および不溶性の生体高分子であるため、溶解性および生体アセシス性キトサンを得るためには、脱塩、脱タンパク化、脱重合/脱アセチル化のプロセスステップを経なければならない。これらのプロセスステップには、HClなどの強い酸とNaOHやKOHなどの強力な塩基を使用した処理が含まれます。これらの従来のプロセスステップは非効率的で、遅く、高エネルギーを要求するので、超音波処理によるプロセスの激化はキトサン生産を大幅に改善する。パワー超音波の適用はキトサンの収量および質を増加させ、数日から数時間にプロセスを減らし、穏やかな溶媒を可能にし、全体のプロセスをよりエネルギー効率が高くする。

チチンの超音波改善された脱蛋白化

Vallejo-Dominguezら(2021)は、キチンの除タンパク化の調査で、 “生体高分子の生産のための超音波の適用は、タンパク質含有量だけでなく、キチンの粒子サイズを減少させた。高脱アセチル化度および中分子量のキトサンを超音波補助によって製造した。”

キチン脱重合用超音波加水分解

化学加水分解の場合、キチンを脱アセチル化するために酸またはアルカリのいずれかが使用されるが、アルカリ脱アセチル化(例えば、水酸化ナトリウムNaOH)がより広く使用されている。酸加水分解は、キチンとキトサンを脱重合するために有機酸溶液を使用する従来の化学的脱アセチル化への交流法です。酸加水分解の方法は、キチンとキトサンの分子量が均一でなければならない場合に主に使用されます。この従来の加水分解プロセスは、低速でエネルギー集約的でコスト集約的であると知られています。強酸、高温および圧力の要件は、加水分解キトサンプロセスを非常に高価で時間のかかる手順に変える要因です。使用される酸は、中和や脱塩などの下流工程を必要とします。
加水分解プロセスへの高出力超音波の統合により、キチンとキトサンの加水分解切断の温度および圧力要件が大幅に低下する可能性があります。さらに、超音波処理は、低酸濃度または穏やかな酸の使用を可能にします。これにより、プロセスはより持続可能で効率的で、費用対効果が高く、環境に配慮しやすくなります。

超音波支援化学脱アセチル化

キチンとキトサンの化学的崩壊と脱アクテアシル化は、主にキチンまたはキトサンを鉱酸(例えば塩酸HCl)、亜硝酸ナトリウム(NaNO)で処理することによって達成される2)、または過酸化水素(H)2ザ・2).超音波は、それによって脱アセチル化の標的度を得るために必要な反応時間を短縮する脱アセチル化速度を向上させる。これは、超音波処理は、数時間に12〜24時間の必要な処理時間を短縮することを意味します。さらに、超音波処理は、超音波処理を使用して40%(w/w)水酸化ナトリウムなどの大幅に低い化学濃度を可能にし、超音波処理を使用して65%(w/w)が超音波を使用せずに必要とされます。

超音波酵素型脱アセチル化

酵素的脱アセチル化は穏やかで環境に良性の処理形態ですが、その効率とコストは不経済です。複雑で、労働が激しく、高価な下流の分離と、最終的な製品からの酵素の精製のために、酵素的なキチン脱アセチル化は、商業生産では実装されていませんが、科学研究所でのみ使用されます。
酵素脱アセト分解フラグメントの前に超音波前処理は、それによって表面積を拡大し、酵素のために利用可能なより多くの表面を作る分子を断片。高性能超音波処理は、酵素的な脱アセチル化を改善するのに役立ち、プロセスをより経済的にします。

超音波高剪断ホモジナイザーは、実験室、ベンチトップ、パイロット、産業加工で使用されます。

ヒールシャー超音波は、ラボ、パイロット、工業規模でアプリケーション、分散、乳化および抽出を混合するための高性能超音波ホモジナイザーを製造しています。

文献 / 参考文献

 
 
 

知る価値のある事実

チチンの超音波抽出と脱アセチル化はどのように機能しますか?

パワー超音波が液体またはスラリー(例えば、溶媒中のキチンからなる懸濁液)に結合されると、超音波は液体を通って移動し、高圧/低圧サイクルを交互にする。低圧サイクル中に、微細な真空気泡(いわゆるキャビテーション気泡)が生成され、それはいくつかの圧力サイクルにわたって成長する。特定のサイズでは、気泡がより多くのエネルギーを吸収できない場合、それらは高圧サイクル中に激しく爆発します。気泡の爆縮は、強烈なキャビテーション(いわゆるソノメカニック)力によって特徴付けられる。これらのソノメカニカル条件は、キャビテーションホットスポットで局所的に発生し、それぞれ最大4000Kおよび1000atmの非常に高い温度および圧力によって特徴付けられる。対応する高温と圧力の差と同様に。さらに、最大100m/sの速度の微小乱流および液体流が生成されます。真菌および甲殻類からのキチンおよびキトサンの超音波抽出ならびにキチン解重合および脱アセチル化は、主にソノメカニカル効果によって引き起こされる:攪拌および乱流は細胞を破壊し、物質移動を促進し、酸性またはアルカリ性溶媒と組み合わせてポリマー鎖を切断することもできる。

超音波によるキチン抽出の動作原理

超音波抽出は、キノコの細胞構造を効率的に分解し、細胞壁および細胞内部(すなわち、キチンおよびキトサンおよび他の生理活性植物化学物質などの多糖類)から細胞内化合物を溶媒に放出する。超音波抽出は、音響キャビテーションの働く原理に基づいています。超音波/音響キャビテーションの効果は、高せん断力、乱流および激しい圧力差です。これらのソノメカニカルな力は、キチナスキノコ細胞壁のような細胞構造を破壊し、菌の生体材料と溶媒との間の物質移動を促進し、迅速なプロセス内で非常に高い抽出収率をもたらす。さらに、超音波処理は、細菌や微生物を殺すことによって抽出物の殺菌を促進します。超音波処理による微生物不活性化は、細胞膜への破壊的なキャビテーション力、フリーラジカルの産生、および局在加熱の結果である。

超音波による解重合および脱アセチル化の動作原理

ポリマー鎖は、キャビテーション気泡の周りの超音波生成せん断場に捕捉され、崩壊キャビティ近くのポリマーコイルの鎖セグメントは、遠く離れたものよりも高速で移動します。次に、ポリマーセグメントと溶媒の相対運動によりポリマー鎖に応力が発生し、これらは切断を引き起こすのに十分です。したがって、このプロセスは、ポリマー溶液~2°の他のせん断効果と同様であり、非常によく似た結果をもたらします。(参照:プライスら、1994年)

キチン

キチンはN-アセチルグルコサミンポリマー(ポリ-(β-(1-4)-N-アセチル-D-グルコサミン)であり、甲殻類や昆虫などの無脊椎動物の外骨格、イカやイカの内骨格、真菌の細胞壁に広く見られる天然多糖類です。キノコ細胞壁の構造に埋め込まれたキチンは、真菌細胞壁の形状と剛性に関与しています。多くの用途では、キチンは解重合プロセスを介してキトサンとして知られる脱アセチル化誘導体に変換されます。
キトサン キチンの最も一般的かつ最も貴重な誘導体である。これは、B-1,4配糖体により連結された高分子量多糖であり、N-アセチルグルコサミンとグルコサミンから構成される。
キトサンは化学的または酵素的に導くことができる n個-脱アセチル化。化学的に駆動された脱アセチル化プロセスにおいて、アセチル基(R-NHCOCH)3)は高温で強アルカリによって切断されます。あるいは、キトサンは酵素的脱アセチル化を介して合成することができる。しかしながら、工業的生産規模では、酵素的脱アセチル化は、脱アセチル化酵素のコストが高く、得られるキトサン収率が低いために効率が著しく低いため、好ましい技術である。超音波は、(1→4)/β結合(解重合)の化学的分解を強化し、高品質のキトサンを得るためにキチンの脱アセチル化に影響を与えるために使用されます。
酵素型解酸分解の前処理として超音波処理を適用すると、キトサンの収量と品質も向上します。


高性能超音波!ヒールシャーの製品範囲は、完全工業用超音波システムにベンチトップユニット上のコンパクトラボ超音波装置から完全なスペクトルをカバーしています。

ヒールシャー超音波は、から高性能超音波ホモジナイザーを製造しています ラボ産業サイズ。


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