キチンとキノコからのキトサン生産

超音波処理は、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、高品質の生体高分子を得るためには、下流工程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、単純かつ迅速な技術である。

キノコ由来のキチンとキトサンの超音波処理による

Lentinus edodes(シイタケ)、Ganoderma lucidum(霊芝または霊芝)、Inonotus obliquus(チャーガ)、Agaricus bisporus(ボタンマッシュルーム)、Hericium erinaceus(ライオンのたてがみ)、Cordyceps sinensis(毛虫菌)、Grifola frondosa(ヘン・オブ・ザ・ウッド)、Trametes versicolor(Coriolus versicolor、Polyporus versicolor、turkeytail)、その他多くの真菌種などの食用および薬用キノコは、食品や生理活性化合物の抽出に広く使用されています。これらのキノコは、処理残渣(キノコ廃棄物)と同様に、キトサンを製造するために使用することができます。超音波処理は、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キチンの貴重なキトサンへの変換も促進します。

キチンのキトサンへ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る

プローブ型超音波システムを使用した強力な超音波処理は、キチンの解重合と脱アセチル化を促進し、キトサンの形成をもたらす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りキチンに由来します。

真菌キチンからキトサンへの変換のための超音波手順

キチンからキトサンを製造するために強烈な超音波処理を適用すると、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ます。このプロセスでは、液体中の微細な真空気泡の形成、成長、崩壊を指す強力な音響キャビテーションが発生します。キャビテーションは、キャビテーション気泡の周囲の液体中に局所的な極端に高いせん断力、高温(摂氏数千度まで)、圧力(数百気圧まで)を発生させます。これらの極端な条件は、キチンポリマーの分解とそれに続く脱アセチル化の一因となります。
 

2つのキノコ種からのキチンとキトサンのSEM画像:a)L.vellereusからのキチン。b)P.ribisからのキチン。c)L.vellereusのChitosan。d) P. ribis由来のキトサン。写真と研究:© Erdoğan et al., 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、およびキャビテーション中に形成されるフリーラジカルや他の活性種によって誘発される超音波で開始される化学反応によって行われます。キャビピット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、ポリマーが細かく切り裂かれます。

キチンの超音波脱アセチル化

解重合に加えて、強力な超音波処理もキチンの脱アセチル化を促進します。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、キトサンの形成につながります。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生じる反応性条件は、キチン質のアセチル結合を切断するのを助け、酢酸の放出とキチンのキトサンへの変換をもたらします。
全体として、強力な超音波処理は、キチンポリマーを分解し、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、生物医学工学など、さまざまな業界で数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

商業的なキチンとキトサンの生産は、主に海洋産業(つまり、漁業、貝の収穫など)の廃棄物に基づいています。原材料の供給源が異なれば、キチンとキトサンの品質も異なり、季節的な漁業の変動による生産と品質の変動が生じます。さらに、真菌源に由来するキトサンは、海洋源からのキトサンと比較した場合、均質なポリマー長やより大きな溶解度などの優れた特性を提供すると報告されています。(参考:Ghormade et al., 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ます。真菌からのキチンおよびシチオサンの生産は、超音波抽出および脱アセチル化技術を用いて容易かつ確実に達成することができる。強力な超音波処理は、キチンを放出するために細胞構造を破壊し、優れたキチン収率および抽出効率のために水性溶媒中で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する。超音波キチン抽出およびキトサンへの脱アセチル化は、いずれも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。(写真と研究:© Zhu et al., 2019)

超音波キチンおよびキトサン脱アセチル化の研究結果

(2018)は、彼らの研究で、超音波脱アセチル化が重要なブレークスルーであることが証明されたと結論付けています。これは、反応温度の低下で83〜94%の脱アセチル化でβ-キチンをキトサンに変換します。左の写真は、超音波脱アセチル化キトサン(90W、15分、20w? v%NaOH、1:15(g:mL)のSEM画像を示しています。 (写真と研究:© Zhu et al., 2018)
彼らのプロトコルでは、NaOHフレークを脱イオン水に溶解することにより、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(0.5g)に固液比1:20(g:mL)で遠心チューブに添加しました。キトサンをNaCl(40 mL、0.2 M)および酢酸(0.1 M)に1:1の溶液容量比で添加しました。次いで、懸濁液をプローブ型超音波装置(250W、20kHz)を用いて、25°Cの穏やかな温度で60分間超音波にかけた。(cf Zhu et al., 2018)
 
Pandit et al.(2021)は、キトサン溶液の分解速度がポリマーの可溶化に使用される酸の濃度にほとんど影響されず、温度、超音波の強度、およびポリマーを溶解するために使用される媒体のイオン強度に大きく依存することを発見しました。(Pandit et al., 2021参照)
 
別の研究では、Zhuら(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および超音波処理時間、固液比、NaOH濃度、および照射力などの処理パラメータがキトサンの脱アセチル化(DD)の程度に及ぼす影響を調査した。最高のDD値は、次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を用いて調べた。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 ̄)の程度の大幅な向上を報告しています。結果は、生物医学的応用に適したキトサンの非常に強力な生産方法である真菌の超音波脱アセチル化技術を強調しました。(cf. Zhu et al., 2019)

超音波解重合および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解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、原材料および目標とする最終製品の品質(例えば、分子量、脱アセチル化の程度)に合わせて調整することができる。これにより、超音波プロセスを外部要因に適応させ、優れた結果と効率のための最適なパラメータを設定することができます。
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および生体適合性を示す。超音波で調製され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のキトサンと比較すると、超音波で製造されたキトサンは、大腸菌(大腸菌)と黄色ブドウ球菌(黄色ブドウ球菌)の両方に対して、線維芽細胞(L929細胞)の生存率と抗菌活性の増強を示します。
(cf. Zhu et al., 2018)
 

a) gladius、b) 超音波処理されたgladius、c) β-キチン、d) 超音波処理されたβ-キチン、e) キトサンの100×倍率での走査型電子顕微鏡(SEM)画像(出典:Preto et al. 2017)

キチンおよびキトサン加工用の高性能超音波装置

キチンの断片化およびキチンのキトサンへの脱セチル化は、高振幅を提供できる、プロセスパラメータに対する正確な制御性を提供し、高負荷下および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を必要とする。ヒールシャー超音波製品群は、これらの要件を確実に満たします。優れた超音波性能に加えて、ヒールシャー超音波装置は、大き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 – 特に商業的な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、ソノトロード、ブースター、反応器、フローセルなどのアクセサリを装備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、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カードに自動データ記録、リモートブラウザ制御、その他多くの機能、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できる働き馬です。
キチンの断片化と脱アセチル化には、標的変換と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が必要です。特にキチンフレークの断片化と解重合/脱アセチル化ステップでは、高振幅と高圧が重要です。ヒールシャー超音波工業用超音波プロセッサは、非常に高い振幅を簡単に提供します。最大200μmの振幅を24/7操作で連続運転できます。さらに高い振幅のために、カスタマイズされた超音波ソノ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。
 

超音波処理によって改善された相乗的キチン治療

従来の化学的および酵素的キチン脱アセトリションの欠点(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のプロセシングに統合されました。高強度超音波処理および音響キャビテーションの結果として生じる効果は、ポリマー鎖の急速な切断をもたらし、それによってキトサンの合成を促進する多分散性を低下させる。さらに、超音波せん断力は溶液中の物質移動を激化させ、化学的、加水分解的、または酵素的反応が促進されます。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のような既存のキチン処理技術と組み合わせることができる。

超音波支援化学脱アセチル化および解重合

キチンは非反応性で不溶性の生体高分子であるため、可溶性でバイオアクセス可能なキトサンを得るためには、脱灰、脱タンパク、および解重合/脱アセチル化のプロセスステップを経る必要があります。これらのプロセスステップには、HClなどの強酸とNaOHやKOHなどの強塩基による処理が含まれます。これらの従来のプロセスステップは非効率的で、遅く、高エネルギーを必要とするため、超音波処理によるプロセス強化はキトサン生産を大幅に改善します。パワー超音波の適用は、キトサンの収量と品質を向上させ、プロセスを数日から数時間に短縮し、より穏やかな溶媒を可能にし、プロセス全体をよりエネルギー効率の高いものにします。

キチンの超音波改善された除タンパク

Vallejo-Dominguez et al. (2021) は、キチンの脱タンパク化に関する調査で、 “生体高分子の製造に超音波を適用すると、キチンのタンパク質含有量と粒子サイズが減少しました。高脱アセチル化度と中分子量のキトサンを超音波補助により作製した。”

キチン解重合のための超音波加水分解

化学的加水分解では、酸またはアルカリのいずれかを使用してキチンを脱アセチル化しますが、アルカリ脱アセチル化(水酸化ナトリウムNaOHなど)がより広く使用されています。酸加水分解は、キチンとキトサンを解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に代わる方法です。酸加水分解の方法は、主に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使用されます。この従来の加水分解プロセスは、時間がかかり、エネルギーとコストを大量に消費することが知られています。強酸、高温および圧力の条件は非常に高価で、時間のかかるプロシージャに加水分解のキトサンプロセスを回す要因です。使用される酸には、中和や脱塩などの下流プロセスが必要です。
高出力超音波を加水分解プロセスに統合することで、キチンとキトサンの加水分解切断に必要な温度と圧力を大幅に下げることができます。さらに、超音波処理は、より低い酸濃度またはより穏やかな酸の使用を可能にする。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、環境にやさしいものになります。

超音波支援化学脱アセチル化

キチンおよびキトサンの化学的崩壊および脱活性は、主にキチンまたはキトサンを鉱酸(塩酸HClなど)、亜硝酸ナトリウム(NaNO)で処理することによって達成されます₂)、または過酸化水素(H₂O₂).超音波は脱アセチル化率を向上させ、それにより、目標度の脱アセチル化を得るのに必要な反応時間を短縮します。これは、超音波処理により、必要な処理時間が12〜24時間に短縮されることを意味します。さらに、超音波処理は、超音波を使用せずに65%(w? w)が必要である一方で、超音波処理を使用して40%(w? w)の水酸化ナトリウムなど、化学濃度を大幅に下げることができます。

超音波酵素脱アセチル化

酵素的脱アセチル化は穏やかで環境に優しい加工形態ですが、その効率とコストは非経済的です。最終製品からの酵素の複雑で労働集約的で高価な下流の単離と精製のため、酵素的キチン脱アセチル化は商業生産では実施されず、科学研究ラボでのみ使用されます。
酵素的脱アセトリテーション前の超音波前処理は、キチン分子を断片化し、それによって表面積を拡大し、酵素のためにより多くの表面を利用可能にする。高性能超音波処理は、酵素的脱アセチル化を改善し、プロセスをより経済的にするのを助けます。