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。

キノコのキチンとキトサン

レンチヌス・エドード(椎茸)、ガノデマーマ・ルシダム(霊芝または霊芝)、イノノトゥス・オブリクウス(チャガ)、アガリカス・ビスポルス(ボタンキノコ)、ヘリシウム・エルなどの食用および薬用キノコ (ライオンのたてがみ), 冬虫のしずみ (毛虫菌), グリフォラ フロンドーサ (木の鶏), トラメテス versicolor (コリオールス versicolor, ポリポラス versicolor, 七面鳥テール)および他の多くの真菌種は、食品として、および生理活性化合物の抽出のために広く使用されています。これらのキノコは、加工残渣(キノコ廃棄物)と同様、キトサンを生産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、超音波脱重法を介して貴重なキトサンへのチオンの変換を駆動します。

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脱アセチル化は、超音波処理によって促進される

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Ultrasonic extractor UIP4000hdT for extraction en deacetylation of chitin from mushrooms

超音波は、キノコからチチンを抽出するために使用されます。さらに、超音波はキトサンを得るためにキチンの脱アセチル化を促進する。

超音波は、高品質のキノコ抽出物を生成するために、迅速かつ軽度の抽出方法です。ビデオでは、UP400Stは食用キノコからの多糖類の抽出に使用されます。

22mmプローブを備えたUP400Stを使用した冷たいキノコ抽出

キチンこれは、N-アセチルグルコサミンポリマー(β ポリ-(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、イカやイカの細胞壁、真菌の細胞壁に広く見られる天然の多糖類です。キノコ細胞壁の構造に埋め込まれ、キチンは真菌細胞壁の形状および剛性を担う。多くの用途に対して、キチンは脱重合プロセスを介してキトサンとして知られているその脱アセチル化誘導体に変換される。
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) 高温で強アルカリで切断されます。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、工業生産規模では化学的脱アセチル化が好ましい技術であり、酵素的脱アセチル化は、脱アセチラーゼ酵素のコストが高く、キトサン収率が低いため、効率が著しく低い。 超音波処理は、(1→4)/β結合(脱重合)の化学的分解を強化し、キチンの脱アセチル化に影響を与え、高品質のキトサンを得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。

超音波を用いてキノコから工業的な千歳山生産

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。

Ultrasonic extraction and deacetylation  of fungal chitin give high-quality chitosan.

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)

Ultrasonic chitin extraction from mushrooms with the UP400ST probe-type ultrasonicator (400W, 24kHz)

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

超音波処理による高効率千歳合成

従来の化学的および酵素的なキチンの脱アセチの欠点(すなわち、低効率、高エネルギーコスト、長い処理時間、有毒溶剤)を克服するために、高強度超音波は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として得られる効果は、ポリマー鎖の急速な切り分けにつながり、多分散性を減少させ、キトサンの合成を促進する。さらに、超音波剪断力は、化学的、加水分解性、または酵素反応が強化されるように溶液中の物質移動を強化する。

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

バジェホ・ドミンゲスら(2021)は、知人の調査で、生体高分子の製造に対する超音波の適用が、タンパク質含有量と、チチンの粒子サイズを減少させたことを発見した。高脱アセチル化度および中分子量のキトサンは、超音波支援を通じて製造された。

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。

キチン超音波・キトサン脱アセチル化の研究成果

Sonochemically deacetylated chitin results in high-quality chitosan.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)
そのプロトコルでは、NaOH溶液(20 w/v%)は、DI水中にNaOHフレークを溶解することによって調製された。次いで、アルカリ溶液を、1:20(g:mL)の固体液体比でGLSP堆積物(0.5g)に遠心チューブに添加した。 キトサンをNaCl(40mL,0.2M)及び酢酸(0.1M)に1:1溶液体積比で添加した。その後、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分間超音波を受けた。(cf Zhuら、2018年)
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) ガノデルマルシダム胞子粉末を真菌原料として使用し、超音波支援脱アセチル化と超音波処理時間、固体液体比、NaOH濃度、キトサンの脱アセチル化度に対する照射力(DD)の効果を調査した。最高のDD値は、次の超音波パラメータで得られました: 20分超音波処理で 80W, 10%(g:ml) NaOH, 1:25 (g:ml).表面形態、化学基、熱安定性、および超音波で得られたキトサンの結晶性を、SEM、FTIR、TG、およびXRDを用いて調べた。 研究チームは、超音波で生産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)の有意な増強を報告している。この結果は、生物医学用途に適したキトサン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。(cf. Zhuら, 2019)

Chitins and chitosans from mushroom can be efficiently extracted using probe-type ultrasonication.

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

Industrial ultrasonic tank reactor with high-performance ultrasonic probe for chitin deacetylation

超音波反応器付き 2000W超音波プローブ キノコからのキチン抽出とその後の脱重合/脱アセチル化用(ソノトロード)

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超音波脱アセチル化と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)

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)に結合する場合、超音波は、高圧/低圧サイクルを交互に引き起こす液体を通過する。低圧サイクルでは、微小な真空気泡(いわゆるキャビテーションバブル)が作成され、いくつかの圧力サイクルで成長します。ある大きさでは、気泡がより多くのエネルギーを吸収できない場合、高圧サイクル中に激しく爆発する。バブルの爆発は、強烈なキャビテーション(またはソノメカ)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4000Kと1000atmまでの非常に高温と圧力によって特徴付けられます。また、対応する高温と圧力差。フルテアモア、マイクロ乱流、最大100m/sの速度を持つ液体流れが生成されます。キチンとキチンのキトサンの超音波抽出は、キチン脱重合および脱アセチル化だけでなく、主にソノメカニカル効果によって引き起こされます:攪拌および乱流は、細胞を破壊し、物質移動を促進し、また、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ができます。
超音波によるチチン抽出の作業原理: 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。
超音波による脱重合と脱アセチル化の働く原理: ポリマー鎖は、気泡の周りのせん断場に引っ掛かっており、崩壊する空洞の近くのポリマーコイルの鎖セグメントは、それ以上離れたものよりも高速で移動します。その後、ポリマーセグメントと溶媒の相対的な動きのためにポリマー鎖上に応力が生成され、これらは切断を引き起こすのに十分です。このプロセスは、ポリマー溶液の他の剪断効果〜2°に似ており、非常によく似た結果を与えます。(cf. 価格ら, 1994)

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真菌性キチン・キトサン加工用の高性能超音波装置

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)

4kW ultrasonicator for industrial chitin / chitosan processing from crustacean and fungiキチンの断片化とキトサンへのキチンの脱セチル化は、高振幅を提供することができ、プロセスパラメータを正確に制御可能にし、重負荷下で、厳しい環境で24時間365日動作することができる強力で信頼性の高い超音波装置を必要とします。ヒールシャー超音波の製品範囲は、確実にこれらの要件を満たします。優れた超音波性能に加えて、ヒールシャー超音波装置は、重要な経済的利点である高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装置は、最適な方法であなたのプロセスのニーズに合わせてソトロード、ブースター、リアクタや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。堅牢性と重い耐荷重容量と組み合わせることで、ヒールシャー超音波システムは、生産であなたの信頼性の高い作業馬です。
キチンの断片化と脱アセチル化は、標的変換と高品質の最終的なキトサン製品を得るために強力な超音波を必要とします。特にキチンフレークの断片化および脱重合/脱アセチル化ステップでは、高振幅および高い圧力が重要である。ヒールシャー超音波の産業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の振幅は、24時間365日の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高速な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:

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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Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

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


High performance ultrasonics! Hielscher's product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.

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。