버섯에서 키틴과 키토산 생산

초음파는 버섯과 같은 곰팡이 공급원에서 키틴과 키토산을 방출하는 매우 효율적인 방법입니다. 키틴과 키토산은 고품질 생체 고분자를 얻기 위해 다운스트림 공정에서 해중합 및 탈아세틸화되어야 합니다. 초음파 보조 해중합 및 탈아세틸화는 매우 효과적이고 간단하며 신속한 기술로, 분자량이 높고 생체이용률이 우수한 고품질 키토산을 얻을 수 있습니다.

초음파를 통한 버섯 유래 키틴과 키토산

Lentinus edodes (표고 버섯), Ganoderma lucidum (Lingzhi 또는 영지버섯), Inonotus obliquus (차가버섯), Agaricus bisporus (단추 버섯), Hericium erinaceus (사자 갈기), Cordyceps sinensis (애벌레 곰팡이), Grifola frondosa (나무의 암탉), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, turkeytail) 및 기타 많은 곰팡이 종은 식품 및 생체 활성 화합물 추출을 위해 널리 사용됩니다. 이 버섯은 잔류물(버섯 폐기물)을 처리하는 것뿐만 아니라 키토산을 생산하는 데 사용할 수 있습니다. 초음파는 곰팡이 세포벽 구조에서 키틴의 방출을 촉진할 뿐만 아니라 초음파 보조 해중합 및 탈아세틸화를 통해 키틴을 가치 있는 키토산으로 전환합니다.

 

프로브 형 초음파 시스템을 사용한 강렬한 초음파는 키틴의 해중합 및 탈아세틸화를 촉진하여 키토산의 형성을 유도하는 데 사용되는 기술입니다. 키틴(Kitin)은 갑각류, 곤충의 외골격 및 특정 균류의 세포벽에서 발견되는 자연적으로 발생하는 다당류입니다. 키토산은 키틴 분자에서 아세틸기를 제거하여 키틴에서 파생됩니다.

진균 키틴에서 키토산으로의 전환을 위한 초음파 절차

키틴에서 키토산 생산에 강렬한 초음파가 적용되면 키틴 현탁액은 일반적으로 20kHz에서 30kHz 범위의 고강도, 저주파 초음파로 초음파 처리됩니다. 이 과정은 강렬한 음향 캐비테이션을 생성하며, 이는 액체에서 미세한 진공 기포의 형성, 성장 및 붕괴를 나타냅니다. 캐비테이션은 캐비테이션 기포를 둘러싼 액체에서 국부적으로 매우 높은 전단력, 고온(최대 섭씨 수천 도) 및 압력(최대 수백 기압)을 생성합니다. 이러한 극한 조건은 키틴 중합체의 파괴와 그에 따른 탈아세틸화에 기여합니다.
 

 

키틴의 초음파 해중합

키틴의 해중합은 마이크로스트리밍 및 액체 분사와 같은 기계적 힘의 결합된 효과뿐만 아니라 캐비테이션 중에 형성된 자유 라디칼 및 기타 반응성 종에 의해 유도된 초음파로 시작된 화학 반응을 통해 발생합니다. 캐비테이션 중에 생성된 고압파는 키틴 사슬이 전단 응력을 겪게 하여 폴리머가 더 작은 조각으로 절단되도록 합니다.

키틴의 초음파 탈아세틸화

해중합 외에도 강렬한 초음파는 키틴질의 탈아세틸화를 촉진합니다. 탈아세틸화는 키틴 분자에서 아세틸기를 제거하는 것을 포함하며, 이는 키토산의 형성으로 이어집니다. 강렬한 초음파 에너지, 특히 캐비테이션 중에 생성되는 고온 및 압력은 탈아세틸화 반응을 가속화합니다. 캐비테이션에 의해 생성된 반응성 조건은 키틴의 아세틸 결합을 끊는 데 도움이 되어 아세트산이 방출되고 키틴이 키토산으로 전환됩니다.
전반적으로, 강렬한 초음파는 키틴 폴리머를 분해하고 키토산으로의 전환을 용이하게하는 데 필요한 기계적 및 화학적 에너지를 제공함으로써 해중합 및 탈아세틸화 과정을 모두 향상시킵니다. 이 기술은 키틴에서 키토산을 생산하기 위한 빠르고 효율적인 방법을 제공하며 제약, 농업 및 생물 의학 공학을 포함한 다양한 산업 분야에서 수많은 응용 분야를 제공합니다.

Power Ultrasound를 가진 버섯에서 산업 키토산 생산

상업적인 키틴 및 키토산 생산은 주로 해양 산업(예: 어업, 조개류 채취 등)의 폐기물을 기반으로 합니다. 원료의 공급원에 따라 키틴과 키토산 품질이 달라지며, 이는 계절적 어획량 변동으로 인한 생산 및 품질 변동의 결과입니다. 또한, 곰팡이 공급원에서 유래한 키토산은 해양 공급원에서 추출한 키토산과 비교할 때 균일한 고분자 길이와 더 큰 용해도와 같은 우수한 특성을 제공하는 것으로 보고되었습니다. (Ghormade et al., 2017 참조) 균일한 키토산을 공급하기 위해 곰팡이 종에서 키틴을 추출하는 것이 안정적인 대체 생산이 되었습니다. 균류에서 키틴 및 시티오산 생산은 초음파 추출 및 탈아세틸화 기술을 사용하여 쉽고 안정적으로 달성할 수 있습니다. 강렬한 초음파 처리는 세포 구조를 파괴하여 키틴을 방출하고 수성 용매의 질량 전달을 촉진하여 우수한 키틴 수율과 추출 효율성을 제공합니다. 후속 초음파 탈아세틸화는 키틴을 귀중한 키토산으로 변환합니다. 초음파 키틴 추출과 키토산으로의 탈아세틸화는 모든 상업적 생산 수준으로 선형적으로 확장할 수 있습니다.

초음파 키틴과 키토산 탈아세틸화에 대한 연구 결과

Zhu et al. (2018)은 연구에서 초음파 탈아세틸화가 감소된 반응 온도에서 83–94%의 탈아세틸화로 β-키틴을 키토산으로 전환하는 중요한 돌파구로 입증되었다고 결론지었습니다. 왼쪽 그림은 초음파 탈아세틸화 키토산(90W, 15분, 20w/v% NaOH, 1:15(g: mL))의 SEM 이미지를 보여줍니다. (그림 및 연구: © Zhu et al., 2018)
그들의 프로토콜에서, NaOH 용액 (20 w / v %)은 NaOH 플레이크를 DI 물에 용해시켜 제조되었습니다. 그런 다음 알칼리 용액을 GLSP 침전물(0.5g)에 1:20(g: mL)의 고체-액체 비율로 원심분리기 튜브에 첨가했습니다. 키토산을 NaCl(40mL, 0.2M) 및 아세트산(0.1M)에 1:1 용액 부피 비율로 첨가했습니다. 그런 다음 현탁액을 프로브 형 초음파 발생기 (250W, 20kHz)를 사용하여 25 ° C의 온화한 온도에서 60 분 동안 초음파를 실시했습니다. (Zhu et al., 2018 참조)
 
Pandit et al. (2021)은 키토산 용액의 분해 속도가 고분자를 용해시키는 데 사용되는 산 농도에 거의 영향을 받지 않으며 온도, 초음파의 강도 및 고분자를 용해하는 데 사용되는 매체의 이온 강도에 크게 의존한다는 것을 발견했습니다. (참조: Pandit et al., 2021)
 
또 다른 연구에서 Zhu et al. (2019)는 Ganoderma lucidum 포자 분말을 곰팡이 원료로 사용하고 초음파 보조 탈아세틸화와 초음파 처리 시간, 고체 대 액체 비율, NaOH 농도 및 방사선 조사력과 같은 처리 매개 변수가 키토산의 탈아세틸화(DD) 정도에 미치는 영향을 조사했습니다. 가장 높은 DD 값은 다음 초음파 매개 변수에서 얻어졌습니다 : 80W에서 20 분 초음파 처리, 10 % (g : ml) NaOH, 1 : 25 (g : ml). 초음파로 얻은 키토산의 표면 형태, 화학 그룹, 열 안정성 및 결정도는 SEM, FTIR, TG 및 XRD를 사용하여 검사했습니다. 연구팀은 초음파로 생산된 키토산의 탈아세틸화(DD), 동적 점도([η]) 및 분자량(Mv ̄)의 정도가 크게 향상되었다고 보고합니다. 그 결과는 생물 의학 응용에 적합한 키토산의 매우 강력한 생산 방법인 균류의 초음파 탈아세틸화 기술을 강조했습니다. (Zhu et al., 2019 참조)

초음파 해중합 및 탈아세틸화를 통한 우수한 키토산 품질

키틴/키토산 추출 및 해중합의 초음파 구동 공정은 정밀하게 제어할 수 있으며 초음파 공정 매개변수는 원료 및 목표 최종 제품 품질(예: 분자량, 탈아세틸화 정도)에 맞게 조정할 수 있습니다. 이를 통해 초음파 과정을 외부 요인에 적응시키고 우수한 결과와 효율성을 위해 최적의 매개 변수를 설정할 수 있습니다.
초음파로 탈아세틸화된 키토산은 우수한 생체이용률과 생체적합성을 보여줍니다. 초음파로 제조된 키토산 생체 고분자를 생체 의학적 특성과 관련하여 열에서 파생된 키토산과 비교할 때, 초음파로 생성된 키토산은 대장균(E. coli)과 황색포도상구균(S. aureus) 모두에 대해 섬유아세포(L929 세포) 생존력과 향상된 항균 활성을 나타냅니다.
(Zhu et al., 2018 참조)
 

키틴(chinin) 및 키토산(chitosan) 처리를 위한 고성능 초음파 장비

키틴의 단편화와 키틴에서 키토산으로의 데세틸화는 높은 진폭을 제공할 수 있고, 공정 매개변수에 대한 정밀한 제어성을 제공하며, 과부하 및 까다로운 환경에서 24/7 작동할 수 있는 강력하고 신뢰할 수 있는 초음파 장비를 필요로 합니다. Hielscher 초음파 제품 범위는 이러한 요구 사항을 안정적으로 충족합니다. 뛰어난 초음파 성능 외에도 Hielscher 초음파기는 높은 에너지 효율을 자랑하며 이는 상당한 경제적 이점입니다 – 특히 상업적인 대규모 생산에 고용될 때.
Hielscher 초음파기는 최적의 방식으로 공정 요구 사항을 충족시키기 위해 소노트로드, 부스터, 반응기 또는 플로우 셀과 같은 액세서리를 장착 할 수있는 고성능 시스템입니다. 디지털 컬러 디스플레이, 초음파 처리 실행 사전 설정 옵션, 통합 SD 카드의 자동 데이터 기록, 원격 브라우저 제어 및 더 많은 기능을 갖춘 Hielscher 초음파기는 최고의 공정 제어 및 사용자 친화성을 보장합니다. 견고 함과 무거운 하중을 견디는 능력과 함께 Hielscher 초음파 시스템은 생산에서 신뢰할 수있는 작업 말입니다. 
키틴 단편화 및 탈아세틸화는 표적 변환과 고품질의 최종 키토산 제품을 얻기 위해 강력한 초음파가 필요합니다. 특히 키틴 플레이크의 단편화와 해중합/탈아세틸화 단계에서는 높은 진폭과 높은 압력이 중요합니다. Hielscher 초음파 산업용 초음파 프로세서는 매우 높은 진폭을 쉽게 제공합니다. 최대 200μm의 진폭을 24/7 작동에서 연속적으로 실행할 수 있습니다. 더 높은 진폭을 위해 맞춤형 초음파 소노트로드를 사용할 수 있습니다. Hielscher 초음파 시스템의 전력 용량은 안전하고 사용자 친화적 인 공정으로 효율적이고 빠른 해중합 및 탈아세틸화를 가능하게합니다.
 

아래 표는 초음파기의 대략적인 처리 용량을 나타냅니다.

---

---

초음파로 개선 된 시너지 키틴 치료

전통적인 화학 및 효소 키틴 탈acetlytion의 단점(즉, 낮은 효율성, 높은 에너지 비용, 긴 처리 시간, 독성 용매)을 극복하기 위해 고강도 초음파가 키틴 및 키토산 공정에 통합되었습니다. 고강도 초음파 처리와 그에 따른 음향 캐비테이션 효과는 고분자 사슬의 빠른 절단으로 이어지고 다분산성을 감소시켜 키토산의 합성을 촉진합니다. 또한, 초음파 전단력은 용액에서의 물질 전달을 강화하여 화학적, 가수분해 또는 효소 반응을 향상시킵니다. 초음파 키틴 처리는 화학적 방법, 가수 분해 또는 효소 절차와 같은 기존의 키틴 처리 기술과 결합 될 수 있습니다.

초음파 보조 화학 탈아세틸화 및 해중합

키틴은 비반응성 및 불용성 생체 고분자이기 때문에 용해성 및 생체 수용성 키토산을 얻기 위해 탈염, 탈단백질화 및 해중합/탈아세틸화의 공정 단계를 거쳐야 합니다. 이러한 공정 단계에는 HCl과 같은 강산과 NaOH 및 KOH와 같은 강염기를 사용한 처리가 포함됩니다. 이러한 기존의 공정 단계는 비효율적이고 느리며 높은 에너지를 요구하기 때문에 초음파 처리에 의한 공정 강화는 키토산 생산을 크게 향상시킵니다. 파워 초음파의 적용은 키토산 수율과 품질을 증가시키고, 공정을 며칠에서 몇 시간으로 단축하고, 더 약한 용매를 허용하고, 전체 공정을 보다 에너지 효율적으로 만듭니다.

초음파로 개선된 키틴의 탈단백질화

Vallejo-Dominguez et al. (2021)은 키틴 탈단백질화에 대한 조사에서 “생체 고분자 생산을 위해 초음파를 적용하면 단백질 함량과 키틴의 입자 크기가 감소했습니다. 탈아세틸화도가 높고 분자량이 중간 인 키토산은 초음파 보조를 통해 생산되었습니다.”

키틴 해중합을 위한 초음파 가수분해

화학적 가수분해의 경우 키틴을 탈아세틸화하기 위해 산 또는 알칼리가 사용되지만 알칼리 탈아세틸화(예: 수산화나트륨 NaOH)가 더 널리 사용됩니다. 산 가수분해는 유기산 용액을 사용하여 키틴과 키토산을 해중합하는 전통적인 화학적 탈아세틸화에 대한 대체 방법입니다. 산성 가수분해 방법은 키틴과 키토산의 분자량이 균일해야 할 때 주로 사용됩니다. 이 기존의 가수분해 공정은 느리고 에너지 및 비용 집약적인 것으로 알려져 있습니다. 강산, 고온 및 압력의 요구 사항은 가수분해 키토산 공정을 매우 비싸고 시간이 많이 걸리는 절차로 바꾸는 요인입니다. 사용되는 산은 중화 및 탈염과 같은 다운스트림 공정이 필요합니다.
고출력 초음파를 가수분해 공정에 통합하면 키틴과 키토산의 가수분해 절단에 대한 온도 및 압력 요구 사항을 크게 낮출 수 있습니다. 또한, 초음파 처리는 더 낮은 산 농도 또는 더 약한 산의 사용을 허용합니다. 이를 통해 공정이 보다 지속 가능하고 효율적이며 비용 효율적이고 환경 친화적입니다.

초음파 보조 화학 탈아세틸화

키틴과 키토산의 화학적 붕괴 및 탈활성화는 주로 키틴 또는 키토산을 무기산(예: 염산 HCl), 아질산나트륨(NaNO₂) 또는 과산화수소(H₂O₂). 초음파는 탈아세틸화 속도를 향상시켜 목표한 탈아세틸화 정도를 얻는 데 필요한 반응 시간을 단축합니다. 이는 초음파 처리가 12-24 시간의 필수 처리 시간을 몇 시간으로 단축한다는 것을 의미합니다. 또한, 초음파 처리는 초음파를 사용하지 않고 65 % (w / w)가 필요한 반면 초음파를 사용하면 40 % (w / w)의 수산화 나트륨과 같이 상당히 낮은 화학 농도를 허용 할 수 있습니다.

초음파-효소 탈아세틸화

효소 탈아세틸화는 온화하고 환경 친화적인 처리 형태이지만 효율성과 비용이 비경제적입니다. 복잡하고 노동 집약적이며 비용이 많이 드는 다운스트림 분리 및 최종 제품에서 효소를 정제하기 때문에 효소 키틴 탈아세틸화는 상업적 생산에서는 구현되지 않고 과학 연구 실험실에서만 사용됩니다.
효소 탈acetlytation 전에 초음파 전처리는 그로 인하여 표면적을 확대하고 효소를 위해 더 많은 표면을 이용할 수 있게 하는 파편을 만듭니다. 고성능 초음파 처리는 효소 탈아세틸화를 개선하고 공정을 보다 경제적으로 만드는 데 도움이 됩니다.