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ダウンストリーム処理で脱アセチル化する必要があります。超音波支援脱アセチル化は、高分子量と優れたバイオアベイラビリティと高品質のキトサンをもたらす、非常に有効性、シンプルかつ迅速な技術です。

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。

 

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。

キチン超音波・キトサン脱アセチル化の研究成果

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)

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)
 

キチンおよびキトサン処理のための高性能超音波装置

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では、超音波処理の実行をプリセットするオプション、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、最高のプロセス制御と使いやすさが保証されます。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。
 

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：

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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。