초음파는 버섯과 같은 곰팡이 공급원에서 키틴과 키토산을 방출하는 매우 효율적인 방법입니다. 키틴과 키토산은 고품질의 바이오폴리머를 얻기 위해 다운스트림 공정에서 해중합 및 탈아세틸화되어야 합니다. 초음파 보조 해중합 및 탈아세틸화는 매우 효과적이고 간단하며 신속한 기술로, 높은 분자량과 우수한 생체 이용률을 가진 고품질 키토산을 생성합니다.

초음파를 통한 버섯 유래 키틴과 키토산

Lentinus edodes (표고 버섯), Ganoderma lucidum (Lingzhi 또는 reishi), 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 생리 활성 화합물의 추출에 널리 사용됩니다. 이러한 버섯 처리 잔류물(버섯 폐기물)은 키토산을 생산하는 데 사용할 수 있습니다. 초음파는 곰팡이 세포벽 구조에서 키틴의 방출을 촉진할 뿐만 아니라 초음파 보조 해중합 및 탈아세틸화를 통해 키틴을 귀중한 키토산으로 전환시킵니다.

 

프로브 형 초음파 시스템을 사용하는 강렬한 초음파는 키틴의 해중합 및 탈아세틸화를 촉진하여 키토산의 형성을 유도하는 데 사용되는 기술입니다. 키틴은 갑각류, 곤충 및 특정 균류의 세포벽의 외골격에서 발견되는 자연 발생 다당류입니다. 키토산은 키틴 분자에서 아세틸기를 제거하여 키틴에서 유래합니다.

곰팡이 키틴에서 키토산으로의 전환을 위한 초음파 절차

키틴에서 키토산의 생산을 위해 강렬한 초음파가 적용될 때, 키틴 현탁액은 일반적으로 20kHz에서 30kHz 범위의 고강도, 저주파 초음파로 초음파 처리됩니다. 이 과정은 강렬한 음향 캐비테이션을 생성하는데, 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 폴리머의 분해와 그에 따른 탈아세틸화에 기여합니다.
 

 

키틴의 초음파 해중합

키틴의 해중합은 기계적 힘의 결합 된 효과를 통해 발생합니다., 마이크로 스트리밍 및 액체 분사와 같은, 뿐만 아니라 캐비테이션 동안 형성된 자유 라디칼 및 기타 반응성 종에 의해 유도 된 초음파 개시 화학 반응에 의해. 캐비테이션 중에 생성된 고압파는 키틴 사슬이 전단 응력을 받도록 하여 폴리머가 더 작은 조각으로 절단되는 결과를 낳습니다.

키틴의 초음파 탈아세틸화

해중합 외에도 강렬한 초음파는 키틴의 탈아세틸화를 촉진합니다. 탈아세틸화는 키틴 분자에서 아세틸기를 제거하여 키토산을 형성합니다. 강렬한 초음파 에너지, 특히 캐비테이션 중에 발생하는 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 촉진하는 데 필요한 기계적 및 화학적 에너지를 제공함으로써 해중합 및 탈아세틸화 공정을 모두 향상시킵니다. 이 기술은 제약, 농업 및 생물 의학 공학을 포함한 다양한 산업 분야의 수많은 응용 분야와 함께 키틴에서 키토산을 생산하기 위한 빠르고 효율적인 방법을 제공합니다.

파워 초음파를 가진 버섯에서 산업 키토산 생산

상업용 치틴 과 치토산 생산은 주로 해양 산업의 폐기물 (즉, 낚시, 조개 물고기 수확 등)을 기반으로합니다. 원료의 다른 소스는 계절 어업 변화로 인해 생산 및 품질 변동의 결과로 다른 치틴과 키토산 자질을 초래한다. 또한, 곰팡이 공급원에서 유래한 키토산은 해양 공급원으로부터 키토산과 비교할 때 균일한 폴리머 길이와 용해도가 큰 우수한 특성을 제공한다. (2017년 고르마데 외) 균일한 키토산을 공급하기 위해 곰팡이 종에서 치틴을 추출하는 것이 안정적인 대체 생산이되었습니다. 곰팡이에서 치틴과 티토산 생산은 초음파 추출 및 deacetylation 기술을 사용하여 쉽고 신뢰할 수 있습니다. 강렬한 초음파 처리는 세포 구조를 방해하여 키틴을 방출하고 우수한 치틴 수율 및 추출 효율을 위해 수성 용매에서 질량 전달을 촉진합니다. 후속 초음파 탈염은 귀중 한 키토산으로 치틴을 변환. 둘 다, 초음파 치틴 추출 및 키토산에 의한 탈염은 상업적 생산 수준으로 선형적으로 확장될 수 있다.

초음파 치틴과 치토산 탈염에 대한 연구 결과

Zhu et al. (2018)는 초음파 탈염이 반응 온도 감소시 83-94 %의 탈염으로 β 치토산으로 변환하는 중요한 돌파구로 입증되었다는 연구에서 결론을 내렸습니다. 왼쪽 사진은 초음파 해독 된 키토산 (90 W, 15 분, 20 w / v % NaOH, 1:15 (g : mL)의 SEM 이미지를 보여줍니다. (사진 및 연구: © 주 외, 2018)
그들의 프로토콜에서, NaOH 용액 (20 w / v %)은 DI 물에 NaOH 플레이크를 용해시켜 제조되었다. 이어서, 알칼리 용액을 GLSP 침전물(0.5 g)에 1:20(g:mL)의 고체-액체 비율로 원심분리 튜브에 첨가하였다. 키토산을 NaCl(40mL, 0.2M)과 아세트산(0.1M)을 1:1 용액 부피비로 첨가했습니다. 그런 다음 현탁액을 프로브 형 초음파 처리기 (250W, 20kHz)를 사용하여 25 ° C의 온화한 온도에서 60 분 동안 초음파를 실시했습니다. (Zhu et al., 2018 참조)
 
판디트 외(2021)는 키토산 용액의 분해율이 거의 고분자를 용해시키는 데 사용되는 산의 농도에 의해 영향을 받지 않으며, 주로 고분자를 용해시키는 데 사용되는 매체의 온도, 강도 및 이온 강도에 따라 달라지는 것을 발견했다. (2021년 판다트 등)
 
또 다른 연구에서, Zhu et al. (2019)는 Ganoderma lucidum 포자 분말을 곰팡이 원료로 사용하고 초음파 보조 탈아세틸화 및 초음파 처리 시간, 고체 대 액체 비율, NaOH 농도 및 조사 능력과 같은 처리 매개 변수가 키토산의 탈아세틸화 (DD) 정도에 미치는 영향을 조사했습니다. 가장 높은 DD 값은 다음 초음파 매개 변수에서 얻어졌다 : 80W에서 20 분 초음파 처리, 10 % (g : ml) NaOH, 1:25 (g : ml). 초음파로 얻어진 키토산의 표면 형태, 화학 그룹, 열 안정성 및 결정성은 SEM, FTIR, TG 및 XRD를 사용하여 조사되었습니다. 연구팀은 초음파로 생산 된 키토산의 탈아세틸화 정도 (DD), 동적 점도 ([η]) 및 분자량 (Mv ̄)의 상당한 향상을보고합니다. 결과는 생물 의학 응용 분야에 적합한 키토산에 대한 매우 강력한 생산 방법 인 곰팡이의 초음파 탈아세틸화 기술을 강조했습니다. (Zhu et al., 2019 참조)

초음파 해중합 및 탈염을 통한 우수한 키토산 품질

치틴/키토산 추출 및 비합합의 초음파 중심 공정은 정밀하게 제어가능하고 초음파 공정 파라미터는 원료 및 표적 최종 제품 품질(예를 들어, 분자량, 절세도)에 조절될 수 있다. 이를 통해 초음파 공정을 외부 요인에 적응시키고 우수한 결과와 효율성을 위한 최적의 매개 변수를 설정할 수 있습니다.
초음파 해독 된 키토산은 우수한 생체 이용률과 생체 적합성을 보여줍니다. 초음파제조된 키토산 바이오폴리머가 생의학 특성에 관한 열유래 키토산과 비교될 경우, 초음파 생산된 키토산은 에체리치아 대장균(대장균)과 황색포도상구균(Sureus)에 대해 섬유아세포(L929 cell)의 생존력과 향상된 항균 활성을 나타낸다.
(2018년 주외)
 

키틴 및 키토산 가공을 위한 고성능 초음파 장비

키틴의 단편화와 키토산에 대한 키틴의 decetylation은 높은 진폭을 제공 할 수있는 강력하고 신뢰할 수있는 초음파 장비가 필요하며, 공정 매개 변수에 대한 정밀한 제어 가능성을 제공하며 무거운 하중 및 까다로운 환경에서 24/7 작동 할 수 있습니다. Hielscher 초음파 제품군은 이러한 요구 사항을 안정적으로 충족합니다. 뛰어난 초음파 성능 외에도 Hielscher 초음파 는 높은 에너지 효율을 자랑하며 이는 상당한 경제적 이점입니다 – 특히 상업용 대규모 생산에 고용될 때.
Hielscher 초음파 는 최적의 방식으로 공정 요구 사항을 충족하기 위해 sonotrodes, 부스터, 반응기 또는 유동 세포와 같은 액세서리를 장착 할 수있는 고성능 시스템입니다. 디지털 컬러 디스플레이, 초음파 처리 실행을 미리 설정하는 옵션, 통합 SD 카드에 자동 데이터 기록, 원격 브라우저 제어 및 더 많은 기능을 갖춘 Hielscher 초음파 는 최고의 공정 제어와 사용자 친화성을 보장합니다. 견고성과 무거운 하중 지지력과 짝을 이루는 Hielscher 초음파 시스템은 생산에서 신뢰할 수 있는 작업 말입니다. 
키틴 단편화 및 탈아세틸화는 표적 전환과 고품질의 최종 키토산 제품을 얻기 위해 강력한 초음파가 필요합니다. 특히 키틴 플레이크의 단편화와 해중합/탈아세틸화 단계의 경우 높은 진폭과 높은 압력이 중요합니다. Hielscher 초음파 산업용 초음파 프로세서는 매우 높은 진폭을 쉽게 제공합니다. 최대 200μm의 진폭은 24/7 작동에서 연속적으로 실행할 수 있습니다. 더 높은 진폭을 위해, 사용자 정의 초음파 sonotrodes를 사용할 수 있습니다. Hielscher 초음파 시스템의 전력 용량은 안전하고 사용자 친화적 인 공정에서 효율적이고 빠른 해중합 및 탈아세틸화를 허용합니다.
 

아래 표는 초음파 장비의 대략적인 처리 용량을 보여줍니다.

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초음파로 개선 된 시너지 키틴 치료

단점을 극복하기 위해 (즉, 저효율, 높은 에너지 비용, 긴 처리 시간, 독성 용매) 전통적인 화학 및 효소 키틴 deacetlytion, 고강도 초음파는 키틴과 키토산 처리에 통합되었습니다. 고강도 초음파 처리 및 음향 캐비테이션의 결과적인 효과는 폴리머 사슬의 빠른 절단으로 이어지고 다 분산을 감소시켜 키토산의 합성을 촉진합니다. 또한, 초음파 전단력은 용액의 질량 전달을 강화하여 화학적, 가수 분해 또는 효소 반응이 향상됩니다. 초음파 키틴 처리는 화학적 방법, 가수 분해 또는 효소 절차와 같은 기존 키틴 처리 기술과 결합 될 수 있습니다.

초음파 보조 화학 적 분화 및 비합화

치틴은 비반응성 및 불용성 바이오 폴리머이기 때문에 수용성 및 생체 수용 성 키토산을 얻기 위해 탈염, 탈단백질화 및 염합 /탈합의 공정 단계를 거쳐야합니다. 이러한 공정 단계는 HCl과 같은 강한 산과 NaOH 및 KOH와 같은 강한 염기와 같은 처리를 포함합니다. 이러한 종래의 공정 단계는 비효율적이고 느리며 높은 에너지를 요구하므로 초음파 처리에 의한 공정 강화는 키토산 생산을 크게 향상시킵니다. 전력 초음파의 적용은 키토산 수율과 품질을 증가시키고, 공정을 며칠에서 몇 시간으로 줄이고, 온화한 용매를 허용하며, 전체 공정을 에너지 효율을 높입니다.

치틴의 초음파 개선 된 단백질화

Vallejo-Dominguez et al. (2021)은 키틴 탈단백에 대한 조사에서 “생체 고분자 생산을 위해 초음파를 적용하면 단백질 함량과 키틴의 입자 크기가 감소했습니다. 높은 탈아세틸화 정도와 중간 분자량의 키토산은 초음파 보조를 통해 생산되었습니다.”

치틴 디폴리제이화를 위한 초음파 소수분해

화학 적 가수 분해의 경우, 산 또는 알칼리는 치틴을 탈세화하는 데 사용되지만 알칼리 탈아세틸화 (예 : 수산화 나트륨 NaOH)가 더 널리 사용됩니다. 산성 가수분해는 전통적인 화학 적 탈염에 대한 교류법으로, 유기산 용액이 치틴과 키토산을 비합합하는 데 사용됩니다. 산성 가수 분해 방법은 치틴과 키토산의 분자량이 균질해야 할 때 주로 사용됩니다. 이 기존의 가수 분해 공정은 느리고 에너지 및 비용 집약적이라고합니다. 강한 산, 고온 및 압력의 요구 사항은 가수 분해 키토산 공정을 매우 비싸고 시간이 많이 소요되는 절차로 바꾸는 요인입니다. 사용된 산은 중화 및 탈염과 같은 다운스트림 공정을 필요로 합니다.
고전력 초음파를 가수분해 공정에 통합하면 치틴과 키토산의 가수분해절단에 대한 온도 및 압력 요구사항이 현저히 낮아질 수 있다. 또한 초음파 처리는 낮은 산 농도 또는 온화한 산의 사용을 허용합니다. 이를 통해 이 공정은 지속 가능하고 효율적이며 비용 효율적이며 환경 친화적입니다.

초음파 보조 화학 적 탈염

치틴과 키토산의 화학적 분해 및 분해는 주로 치틴 또는 키토산을 미네랄산(예: 염산 HCl), 아질산 나트륨(NaNO)으로 처리하여 달성됩니다.₂) 또는 과산화수소(H)₂영형₂). 초음파는 탈염율을 향상시켜 표적 정도의 탈염정도를 얻는 데 필요한 반응 시간을 단축시킨다. 즉, 초음파 처리는 12-24 시간의 필요한 처리 시간을 몇 시간으로 줄입니다. 더욱이 초음파 처리는 초음파 처리를 사용하는 동안 40 %(w /w) 수산화 나트륨과 초음파 를 사용하지 않고 65 %(w / w)가 필요합니다.

초음파 효소 탈염

효소 탈아세틸화는 온화하고 환경적으로 양성적인 가공 형태이지만 효율성과 비용은 비경제적입니다. 최종 제품에서 효소의 복잡하고 노동 강렬하며 값비싼 다운스트림 격리 및 정제로 인해 효소 치틴 탈염은 상업적 생산에서 구현되지 않고 과학 연구 실험실에서만 사용됩니다.
효소 탈염 전에 초음파 전처리는 치틴 분자를 단편화하여 표면적을 확대하고 효소에 더 많은 표면을 사용할 수 있게 합니다. 고성능 초음파 처리는 효소 탈염을 개선하는 데 도움이 프로세스를 더 경제적으로 만든다.