キノコからのキチンとキトサンの製造

超音波処理は、キノコなどの菌類由来の原料からキチンとキトサンを放出させる、非常に効率的な方法です。高品質のバイオポリマーを得るには、後工程でキチンとキトサンを解重合し、脱アセチル化する必要があります。超音波を利用した解重合と脱アセチル化は、非常に効果的で簡単かつ迅速な技術であり、高分子量と優れた生物学的利用能を備えた高品質のキトサンが得られます。

超音波処理によるキノコ由来のキチンとキトサン

Lentinus edodes（シイタケ）、Ganoderma lucidum（霊芝またはレイシ）、Inonotus obliquus（チャーガ）、Agaricus bisporus（マッシュルーム）、Hericium erinaceus（ヤマブシタケ）、Cordyceps sinensis（冬虫夏草）、Grifola frondosa（マイタケ）、Trametes versicolor（Coriolus versicolor、Polyporus versicolor、カワラタケ）などの食用・薬用キノコや、その他多くの菌類は、食品として、また生理活性化合物の抽出に広く利用されています。これらのキノコや加工残渣（キノコ廃棄物）は、キトサンの製造に使用できます。超音波処理は、菌類の細胞壁構造からのキチンの放出を促進するだけでなく、超音波を利用した解重合と脱アセチル化によって、キチンから価値の高いキトサンへの変換も促進します。

キチンからキトサンへの解重合と脱アセチル化は、超音波処理によって促進されます

プローブ型超音波システムを用い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、キトサンを生成するための技術です。キチンは、甲殻類や昆虫の外骨格、および特定の菌類の細胞壁に存在する天然の多糖です。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得られます。

菌類由来のキチンをキトサンに変換する超音波処理手順

キチンからキトサンを製造するために強力な超音波処理を適用する場合、キチン懸濁液に、通常20 kHz–30 kHzの範囲の高強度・低周波超音波を照射します。この工程では、強力な音響キャビテーションが発生します。音響キャビテーションとは、液体中で微小な真空気泡が形成され、成長し、崩壊する現象です。キャビテーションは、その気泡を取り囲む液体中に、局所的で極めて強いせん断力、高温（最高で摂氏数千度）、高圧（最高で数百気圧）を発生させます。これらの極限条件は、キチンポリマーの分解と、その後の脱アセチル化に寄与します。
 

二種のキノコ由来のキチンとキトサンのSEM画像：a) L. vellereus由来のキチン；b) P. ribis由来のキチン；c) L.vellereus由来のキトサン；d) P. ribis由来のキトサン。
画像と研究：© Erdoğan et al., 2017

キチンの超音波解重合

キチンの解重合は、微小流動や液体ジェットなどの機械的な力と、キャビテーション中に生成されるフリーラジカルやその他の反応性化学種によって誘起される、超音波で開始する化学反応との複合作用によって起こります。キャビテーション中に発生する高圧波によってキチン鎖にせん断応力が加わり、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

強力な超音波処理は、解重合に加えて、キチンの脱アセチル化も促進します。脱アセチル化では、キチン分子からアセチル基が除去され、キトサンが生成されます。強力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と高圧は、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の高い条件は、キチンのアセチル結合の切断を助け、酢酸の放出とキチンから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てキトサンへの変換を促進するために必要な機械的・化学的エネルギーを供給し、解重合と脱アセチル化の両工程を強化します。この技術は、キチンからキトサンを迅速かつ効率的に製造する方法であり、医薬品、農業、生体医工学を含むさまざまな産業で多くの用途があります。

高出力超音波によるキノコからのキトサンの工業的製造

商業的なキチンとキトサンの製造は、主に水産業（漁業、貝類の採取など）の廃棄物を原料としています。原料の供給源が異なると、得られるキチンとキトサンの品質も異なるため、漁業の季節変動に伴って生産と品質が変動します。さらに、菌類由来のキトサンは、海洋由来のキトサンと比較して、均一なポリマー鎖長やより高い溶解性などの優れた特性を備えると報告されています。（cf. Ghormade et al., 2017）均一なキトサンを供給するため、菌類からのキチン抽出は、安定した代替製造法となっています。菌類からのキチンとキトサンの製造は、超音波抽出および脱アセチル化技術を用いることで、容易かつ確実に実現できます。強力な超音波処理は細胞構造を破砕してキチンを放出させ、水系溶媒中の物質移動を促進することで、優れたキチン収率と抽出効率をもたらします。その後の超音波脱アセチル化によって、キチンは価値の高いキトサンに変換されます。超音波によるキチン抽出とキトサンへの脱アセチル化は、いずれもあらゆる商業生産規模へ線形にスケールアップできます。

超音波処理は菌類由来のキトサンの製造を強化し、製造をより効率的かつ経済的にします。
（画像と研究：© Zhu et al., 2019）

キチンとキトサンの超音波脱アセチル化に関する研究結果

Zhu et al. (2018)は研究において、超音波脱アセチル化が重要な画期的技術であることが実証され、低下させた反応温度でβ-キチンを脱アセチル化度83–94%のキトサンに変換できると結論づけています。左の画像は、超音波で脱アセチル化したキトサンのSEM画像です（90 W, 15 min, 20 w/v% NaOH, 1:15 (g: mL) （画像と研究：© Zhu et al., 2018）
このプロトコルでは、NaOHフレークを脱イオン水に溶解して、NaOH溶液（20 w/v %）を調製しました。次に、このアルカリ溶液を、遠心管内のGLSP沈殿物（0.5 g）に固液比1:20 (g: mL)で添加しました。キトサンを、溶液体積比1:1のNaCl（40 mL, 0.2 M）と酢酸（0.1 M）に添加しました。その後、プローブ型超音波処理装置（250W, 20kHz）を用いて、懸濁液を25°Cという穏やかな温度で60 min超音波処理しました。（cf Zhu et al., 2018）
 
Pandit et al. (2021)は、キトサン溶液の分解速度は、ポリマーの可溶化に用いる酸の濃度による影響をほとんど受けず、主に温度、超音波の強度、およびポリマーの溶解に用いる媒体のイオン強度に依存することを明らかにしました。（cf. Pandit et al., 2021）
 
別の研究では、Zhu et al. (2019)がGanoderma lucidumの胞子粉末を菌類原料として使用し、超音波を利用した脱アセチル化と、超音波処理時間、固液比、NaOH濃度、照射出力などの処理パラメーターがキトサンの脱アセチル化度（DD）に及ぼす影響を調査しました。最も高いDD値は、80Wで20 minの超音波処理、10% (g:ml) NaOH、1:25 (g:ml)という超音波処理条件で得られました。超音波によって得られたキトサンの表面形態、化学基、熱安定性、結晶性は、SEM、FTIR、TG、XRDを用いて調べられました。研究チームは、超音波で製造したキトサンの脱アセチル化度（DD）、動粘性係数（[η]）、分子量（Mv¯）が有意に向上したと報告しています。結果は、菌類の超音波脱アセチル化技術が、生体医療用途に適したキトサンの非常に有効な製造方法であることを示しました。（cf. Zhu et al., 2019）

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

超音波によるキチン / キトサンの抽出と解重合の工程は精密に制御でき、超音波処理パラメーターを原料と目標とする最終製品の品質（分子量、脱アセチル化度など）に合わせて調整できます。これにより、超音波処理を外的要因に適応させ、優れた結果と効率を得るための最適なパラメーターを設定できます。
超音波で脱アセチル化したキトサンは、優れた生物学的利用能と生体適合性を示します。超音波で調製したキトサンバイオポリマーを、熱処理で得られたキトサンと生体医療特性について比較すると、超音波で製造したキトサンは、線維芽細胞（L929細胞）の生存率が有意に改善され、Escherichia coli（E. coli）とStaphylococcus aureus（S. aureus）の両方に対する抗菌活性も向上しています。
（cf. Zhu et al., 2018）
 

倍率100×の走査型電子顕微鏡（SEM）画像：a）軟甲、b）超音波処理した軟甲、c）β-キチン、d）超音波処理したβ-キチン、e）キトサン（出典：Preto et al. 2017）

キチンとキトサンの処理用高性能超音波装置

キチンの断片化と、キチンからキトサンへの脱アセチル化には、高振幅を供給でき、処理パラメーターを精密に制御でき、高負荷かつ過酷な環境下で24/7運転が可能な、強力で信頼性の高い超音波装置が必要です。Hielscher Ultrasonicsの製品群は、これらの要件を確実に満たします。Hielscherの超音波処理装置は、卓越した超音波性能に加えて高いエネルギー効率を備えており、特に商業的な大規模生産に使用する場合、これは大きな経済的利点となります。
Hielscherの超音波処理装置は、ソノトロード、ブースター、リアクター、フローセルなどの付属品を装備することで、工程のニーズに最適に対応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、超音波処理の運転を事前設定するオプション、内蔵SDカードへの自動データ記録、ブラウザーによる遠隔制御など、多くの機能により、Hielscherの超音波処理装置は最高水準の工程制御と使いやすさを実現します。堅牢性と高負荷への耐久性を兼ね備えたHielscherの超音波システムは、生産現場で頼れる主力装置です。
キチンの断片化と脱アセチル化には、目標とする変換と高品質の最終キトサン製品を得るために、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 / 脱アセチル化の工程では、高振幅と高圧が不可欠です。Hielscher Ultrasonicsの産業用超音波処理装置は、非常に高い振幅を容易に供給します。最大200µmの振幅で、24/7の連続運転が可能です。さらに高い振幅に対応する、特注の超音波ソノトロードも利用できます。Hielscherの超音波システムの出力能力により、安全で使いやすい工程で、効率的かつ迅速な解重合と脱アセチル化が可能になります。
 

超音波処理によって改善される相乗的なキチン処理

従来の化学的・酵素的なキチン脱アセチル化の欠点（低効率、高いエネルギーコスト、長い処理時間、有毒な溶媒）を克服するため、高強度超音波がキチンとキトサンの処理に導入されています。高強度の超音波処理と、それによって生じる音響キャビテーションの作用は、ポリマー鎖の迅速な切断をもたらし、多分散性を低減することで、キトサンの合成を促進します。さらに、超音波によるせん断力は溶液中の物質移動を強化し、化学反応、加水分解反応、酵素反応を促進します。超音波によるキチン処理は、化学的方法、加水分解、酵素処理など、既存のキチン処理技術と組み合わせることができます。

超音波を利用した化学的脱アセチル化と解重合

キチンは反応性が低く不溶性のバイオポリマーであるため、可溶性で生体が利用できるキトサンを得るには、脱灰、脱タンパク、解重合 / 脱アセチル化の工程を経る必要があります。これらの工程には、HClなどの強酸や、NaOHおよびKOHなどの強塩基による処理が含まれます。これらの従来工程は効率が低く、時間がかかり、大きなエネルギーを必要とするため、超音波処理による工程の強化は、キトサン製造を大幅に改善します。高出力超音波の適用は、キトサンの収率と品質を向上させ、工程を数日から数時間に短縮し、より穏やかな溶媒の使用を可能にするとともに、工程全体のエネルギー効率を高めます。

超音波によって改善されるキチンの脱タンパク

Vallejo-Dominguez et al. (2021)は、キチンの脱タンパクに関する研究で、「バイオポリマー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径が低減した。超音波の補助によって、高い脱アセチル化度と中程度の分子量を持つキトサンが製造された」と報告しています。

キチンの解重合のための超音波加水分解

化学的加水分解では、酸またはアルカリを用いてキチンを脱アセチル化しますが、アルカリによる脱アセチル化（例えば水酸化ナトリウムNaOH）がより広く用いられています。酸加水分解は、従来の化学的脱アセチル化に代わる方法であり、有機酸溶液を使用してキチンとキトサンを解重合します。酸加水分解法は、主にキチンとキトサンの分子量を均一にする必要がある場合に用いられます。この従来の加水分解工程は、時間がかかり、エネルギーとコストを多く要することが知られています。強酸、高温、高圧が必要であることは、キトサンの加水分解工程を非常に高価で時間のかかる手順にする要因です。使用した酸には、中和や脱塩などの後工程が必要です。
加水分解工程に高出力超音波を導入すると、キチンとキトサンの加水分解による切断に必要な温度と圧力を大幅に低減できます。さらに、超音波処理によって、酸の濃度を低くすることや、より穏やかな酸を使用することが可能になります。これにより、工程は持続可能性、効率、費用対効果が高まり、環境にもより優しくなります。

超音波を利用した化学的脱アセチル化

キチンとキトサンの化学的分解と脱アセチル化は、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（NaNO₂）、または過酸化水素（H₂O₂）で処理することによって行われます。超音波は脱アセチル化速度を高めることで、目標とする脱アセチル化度を得るために必要な反応時間を短縮します。つまり、超音波処理は、必要な処理時間を12–24時間から数時間に短縮します。さらに、超音波処理により、薬品濃度を大幅に低くすることができます。例えば、水酸化ナトリウムは、超音波処理を使用する場合には40% (w/w)で済みますが、超音波を使用しない場合には65% (w/w)が必要です。

超音波・酵素脱アセチル化

酵素による脱アセチル化は、穏やかで環境に優しい処理方法ですが、その効率とコストの面では経済的ではありません。最終製品から酵素を分離・精製する後工程が複雑で、多大な労力と費用を要するため、キチンの酵素的脱アセチル化は商業生産では実施されておらず、科学研究の実験室でのみ使用されています。
酵素的脱アセチル化の前に超音波前処理を行うと、キチン分子が断片化され、表面積が増大して、酵素が作用できる表面が増えます。高性能の超音波処理は酵素的脱アセチル化の改善に役立ち、工程をより経済的にします。