Ultrasonication ass eng héich effizient Method fir Chitin a Chitosan aus Pilzquellen wéi Champignonen ze befreien. Chitin a Chitosan mussen an der Downstream Veraarbechtung deacetyléiert ginn fir e qualitativ héichwäertegt Biopolymer ze kréien. Ultraschall-assistéiert Deacetylatioun ass eng héich effizient, einfach a séier Technik, déi zu héichqualitativen Chitosaner mat héije Molekulargewiicht a superior Bioverfügbarkeet resultéiert.

Chitin a Chitosan aus Champignonen

Iess- a Medizinpilze wéi Lentinus edodes (Shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi oder Reishi), Inonotus obliquus (Chaga), Agaricus bisporus (Knäppepilze), Hericium erinaceus (Léiweman), Cordyceps sinensis (Grifola frondosa), Hen-of-the-Holz), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, Tierkeischwanz) a vill aner Pilzearten gi wäit als Liewensmëttel a fir d'Extraktioun vu bioaktive Verbindungen benotzt. Dës Champignonen wéi och d'Veraarbechtungsreschter (Pilzoffall) kënne benotzt ginn fir Chitosan ze produzéieren. Ultrasonication fördert net nëmmen d'Verëffentlechung vu Chitin aus der Pilzzellmauerstruktur, awer féiert och d'Konversioun vu Chition a wäertvoll Chitosan iwwer Ultraschall Depolymeriséierung.

Deacetylatioun vum Chitin an Chitosan gëtt duerch Sonikatioun gefördert

Chitin, wat en N-Acetylglucosamin-Polymer ass (Poly-(β-(1-4)-N-acetyl-D-Glucosamin), ass en natierlecht optriedende Polysaccharid, deen wäit am Exoskelett vun Invertebraten wéi Krustaceaen an Insekten, dem banneschten Skelett fonnt gëtt. vun Squid a Cuttlefish wéi och d'Zellmauere vu Pilze.Abgebaut an d'Struktur vun de Pilzzellmaueren ass Chitin verantwortlech fir d'Form an d'Steifheet vun der Pilzzellmauer. Fir vill Uwendungen gëtt Chitin a seng deacetyléiert Derivat ëmgewandelt, bekannt als Chitosan iwwer en Depolymeriséierungsprozess.
Chitosan ass déi allgemeng a wäertvollst Derivat vu Chitin. Et ass en héichmolekulare Gewiicht Polysaccharid verbonne mat b-1,4 Glycoside, besteet aus N-Acetyl-Glucosamin a Glucosamin.
Chitosan kann duerch chemesch oder enzymatesch ofgeleet ginn n- Deacetylatioun. Am chemesch ugedriwwenen Deacetylatiounsprozess ass d'Acetylgrupp (R-NHCOCH₃) gëtt duerch staark Alkali bei héijen Temperaturen ofgeschnidden. Alternativ kann Chitosan iwwer enzymatesch Deacetylatioun synthetiséiert ginn. Wéi och ëmmer, op industrieller Produktiounsskala ass chemesch Deacetylatioun déi bevorzugt Technik, well enzymatesch Deacetylatioun wesentlech manner effizient ass wéinst den héije Käschte vun den Deacetylase-Enzymen an den niddrege Chitosan-Ausbezuelen. Ultrasonication gëtt benotzt fir d'chemesch Degradatioun vun der (1→4) -/β-Verbindung (Depolymeriséierung) ze verstäerken an d'Deacetylatioun vu Chitin auszeféieren fir qualitativ héichwäerteg Chitosan ze kréien. Wann d'Sonicatioun als Pre-Behandlung fir déi enzymatesch Deacetylatioun applizéiert gëtt, gëtt d'Chitosan-Ausbezuelung an d'Qualitéit och verbessert.

Industriell Chitosan Produktioun vu Mushroom mat Ultraschall

Kommerziell Chitin a Chitosan Produktioun ass haaptsächlech baséiert op Offall vun der Marine Industrien (dh Fëscherei, Shell Fësch Recolte etc.). Verschidde Quelle vu Rohmaterial resultéieren zu verschiddene Chitin a Chitosan Qualitéiten, entstinn Produktioun a Qualitéitsschwankungen wéinst saisonal Fëschvariatioune. Ausserdeem bitt Chitosan ofgeleet vu Pilzquellen angeblech superior Eegeschafte wéi homogen Polymerlängt a méi Solubilitéit am Verglach mam Chitosan aus Marinequellen. (cf. Ghormade et al., 2017) Fir eenheetlech Chitosan ze liwweren, ass d'Extraktioun vu Chitin aus Pilzarten eng stabil alternativ Produktioun ginn. Chitin a Citiosan Produktioun vu Pilze kann einfach an zouverlässeg erreecht ginn duerch Ultraschallextraktioun an Deacetylatiounstechnologie. Intens Sonikatioun stéiert Zellstrukturen fir Chitin ze verëffentlechen a fördert Massentransfer an wässerleche Léisungsmëttel fir super Chitin-Ausbezuelen an Extraktiounseffizienz. Duerno Ultraschall Deacetylatioun konvertéiert de Chitin an de wäertvollen Chitosan. Béid, Ultraschall Chitin Extraktioun an Deacetylatioun zu Chitosan kënne linear op all kommerziell Produktiounsniveau skaléiert ginn.

Sonication verstäerkt d'Produktioun vu Pilz Chitosan a mécht d'Produktioun méi effizient a ekonomesch.
(Bild a Studie: © Zhu et al., 2019)

Héich effizient Chitosan Synthese iwwer Sonication

Fir d'Nodeeler ze iwwerwannen (dh geréng Effizienz, héich Energiekäschten, laang Veraarbechtungszäit, gëfteg Léisungsmëttel) vun traditioneller chemescher an enzymatescher Chitin Deacetlytion, gouf héichintensitéit Ultraschall an d'Chitin a Chitosan Veraarbechtung integréiert. Héich Intensitéit Sonikatioun an déi entstinn Effekter vun der akustescher Kavitatioun féieren zu enger schneller Ofkierzung vu Polymerketten a reduzéieren d'Polydispersitéit, doduerch d'Synthese vu Chitosan förderen. Ausserdeem verstäerken d'Ultraschallschéierkräften d'Masstransfer an der Léisung sou datt chemesch, hydrolytesch oder enzymatesch Reaktioun verstäerkt gëtt.

Ultraschall assistéiert chemesch Deacetylatioun an Depolymeriséierung

Zënter Chitin en net-reaktiven an onlösleche Biopolymer ass, muss et d'Prozess Schrëtt vun Demineraliséierung, Deproteiniséierung an Depolymeriséierung / Deacetylatioun erliewen fir löslech a bioaccessibel Chitosan ze kréien. Dës Prozess Schrëtt involvéiert Behandlungen mat staarke Säuren wéi HCl a staarke Basen wéi NaOH a KOH. Well dës konventionell Prozessschrëtt ineffizient, lues a verlaangen héich Energien, verbessert d'Verstäerkung vum Prozess duerch Sonikatioun d'Chitosanproduktioun wesentlech. D'Applikatioun vum Power-Ultraschall erhéicht d'Chitosan-Ausbezuelen a Qualitéit, reduzéiert de Prozess vun Deeg op e puer Stonnen, erlaabt méi mëll Léisungsmëttelen a mécht de ganze Prozess méi energieeffizient.

Ultraschall verbessert Deproteiniséierung vu Chitin

Vallejo-Dominguez et al. (2021) fonnt an hirer Untersuchung vun der Chitin Deproteiniséierung datt d'Uwendung vum Ultraschall fir d'Produktioun vu Biopolymeren de Proteingehalt souwéi d'Partikelgréisst vum Chitin reduzéiert huet. Chitosan vun héijen Deacetylatiounsgrad a mëttelmolekulare Gewiicht gouf duerch Ultraschallhëllef produzéiert.

Ultrasonic Hydrolyse fir Chitin Depolymeriséierung

Fir chemesch Hydrolyse ginn entweder Säuren oder Alkalien benotzt fir Chitin ze deacetyléieren, awer Alkali-Deacetyléierung (zB Natriumhydroxid NaOH) gëtt méi wäit benotzt. Säurehydrolyse ass eng alternativ Method zu der traditioneller chemescher Deacetylatioun, wou organesch Säureléisungen benotzt gi fir Chitin a Chitosan ze depolymeriséieren. D'Methode vun der Säurehydrolyse gëtt meeschtens benotzt wann d'molekulare Gewiicht vu Chitin a Chitosan homogen muss sinn. Dëse konventionelle Hydrolyseprozess ass bekannt als lues an energie- a kaschtintensiv. D'Ufuerderung vu staarken Säuren, héijen Temperaturen an Drock si Faktoren, déi den hydrolytesche Chitosan-Prozess zu enger ganz deier an Zäitopwänneg Prozedur maachen. Déi benotzt Säuren erfuerderen Downstream Prozesser wéi Neutraliséierung an Entsalting.
Mat der Integratioun vum High-Power Ultraschall an den Hydrolyseprozess kënnen d'Temperatur- an Drockfuerderunge fir d'hydrolytesch Spaltung vu Chitin a Chitosan wesentlech erofgesat ginn. Ausserdeem erlaabt d'Sonicatioun méi niddereg Säurekonzentratioune oder d'Benotzung vu milder Säuren. Dëst mécht de Prozess méi nohalteg, effizient, kosteneffektiv an ëmweltfrëndlech.

Ultraschall assistéiert chemesch Deacetylatioun

Chemesch Desintegratioun an Deakteylatioun vu Chitin a Chitosan gëtt haaptsächlech duerch d'Behandlung vu Chitin oder Chitosan mat Mineralsäuren (zB Salzsäure HCl), Natriumnitrit (NaNO) erreecht.₂), oder Waasserstoffperoxid (H₂O₂). Ultraschall verbessert den Deacetylatiounsquote an doduerch d'Reaktiounszäit verkierzt fir de gezielte Grad vun Deacetylatioun ze kréien. Dëst bedeit datt d'Sonicatioun déi erfuerderlech Veraarbechtungszäit vun 12-24 Stonnen op e puer Stonnen reduzéiert. Ausserdeem erlaabt d'Sonicatioun wesentlech méi niddereg chemesch Konzentratioune, zum Beispill 40% (w/w) Natriumhydroxid mat Hëllef vu Sonikatioun, während 65% (w/w) ouni Ultraschall erfuerderlech sinn.

Ultraschall-enzymatesch Deacetylatioun

Wärend enzymatesch Deacetylatioun eng mëll, ëmweltfrëndlech Veraarbechtungsform ass, sinn hir Effizienz a Käschten onekonomesch. Wéinst komplexer, Aarbechtsintensiv an deier Downstream Isolatioun a Reinigung vun Enzymen aus dem Endprodukt, gëtt enzymatesch Chitin Deacetylatioun net a kommerziell Produktioun ëmgesat, awer nëmmen am wëssenschaftleche Fuerschungslabo benotzt.
Ultraschall Pre-Behandlung virun enzymatesch Deacetlytation Fragmenter Chitin Molekülle domat d'Uewerfläch vergréissert a méi Uewerfläch fir d'Enzyme verfügbar. High-Performance Sonication hëlleft der enzymatesch Deacetylatioun ze verbesseren an de Prozess méi ekonomesch ze maachen.

Fuerschungsresultater fir Ultraschall Chitin a Chitosan Deacetylatioun

Zhu et al. (2018) schléissen an hirer Studie datt d'Ultraschall Deacetylatioun als en entscheedende Duerchbroch bewisen huet, β-Chitin an Chitosan ëmgewandelt mat 83-94% Deacetylatioun bei reduzéierter Reaktiounstemperaturen. D'Bild lénks weist e SEM Bild vun ultraschall deacetyléierte Chitosan (90 W, 15 min, 20 w/v% NaOH, 1:15 (g: mL) (Bild a Studie: © Zhu et al., 2018)
An hirem Protokoll gouf NaOH Léisung (20 w / v %) virbereet andeems NaOH Flakelen am DI Waasser opgeléist goufen. D'Alkali-Léisung gouf dann zu GLSP-Sediment (0,5 g) bei engem festen-flëssege Verhältnis vun 1:20 (g: ml) an en Zentrifugeröhre bäigefüügt. Chitosan gouf zu NaCl (40 ml, 0,2 M) an Essigsäure (0,1 M) an engem 1:1 Léisungsvolumenverhältnis bäigefüügt. D'Suspension gouf duerno Ultraschall bei enger mëller Temperatur vu 25 ° C fir 60 min mat engem Sonde-Typ Ultraschall (250W, 20kHz) ënnerworf. (cf Zhu et al., 2018)
Pandit et al. (2021) fonnt datt den Taux vun der Degradatioun fir Chitosan-Léisungen selten beaflosst gëtt vun de Konzentratioune vun der Säure, déi benotzt gëtt fir de Polymer ze solubiliséieren an hänkt haaptsächlech vun der Temperatur, der Intensitéit vun den Ultraschallwellen, an der Ionescher Stäerkt vun de Medien of, déi benotzt gi fir de Polymer opzeléisen. (cf. Pandit et al., 2021)

An enger anerer Etude, Zhu et al. (2019) benotzt Ganoderma lucidum Sporepulver als Pilz Rohmaterial an ënnersicht ultraschall-assistéiert Deacetylatioun an d'Effekter vun Veraarbechtungsparameter wéi Sonikatiounszäit, Feststoff-zu-Flësseg Verhältnis, NaOH Konzentratioun, a Bestrahlungskraaft op de Grad vun Deacetylatioun (DD) vum chitosan. Den héchsten DD Wäert gouf bei de folgenden Ultraschallparameter kritt: 20 min Sonikatioun bei 80W, 10% (g: ml) NaOH, 1:25 (g: ml). D'Uewerfläch Morphologie, chemesch Gruppen, thermesch Stabilitéit, an crystallinity vun der ultraschall kritt Chitosan sech mat der SEM iwwerpréift, FTIR, TG, an XRD. D'Fuerschungsteam bericht eng bedeitend Verbesserung vum Grad vun der Deacetylatioun (DD), dynamescher Viskositéit ([η]) a Molekulargewiicht (Mv¯) vum ultraschall produzéierte Chitosan. D'Resultater ënnersträichen d'Ultraschall Deacetylatiounstechnik vu Pilze eng héich potent Produktiounsmethod fir Chitosan, déi fir biomedizinesch Uwendungen gëeegent ass. (cf. Zhu et al., 2019)

SEM-Biller vu Chitinen a Chitosanen aus zwou Champignonsarten: a) Chitin vu L. vellereus; b) Chitin aus P. ribis; c) Chitosan aus L.vellereus; d) Chitosan aus P. ribis.
Bild a Studie: © Erdoğan et al., 2017

Superior Chitosan Qualitéit mat Ultraschall Deacetylatioun

Ultraschall-ugedriwwen Prozesser vun der Chitin / Chitosan Extraktioun an Depolymeriséierung si präzis kontrolléierbar an Ultraschallprozessparameter kënnen op d'Rohmaterialien an d'geziilt Endproduktqualitéit ugepasst ginn (zB Molekulargewiicht, Grad vun Deacetylatioun). Dëst erlaabt den Ultraschallprozess un extern Faktoren unzepassen an optimal Parameteren fir super Resultat an Effizienz ze setzen.
Ultraschall deacetyléiert Chitosan weist exzellent Bioverfügbarkeet a Biokompatibilitéit. Wann ultraschall preparéiert Chitosan Biopolymere mat thermesch ofgeleete Chitosan iwwer biomedizinesch Eegeschafte verglach ginn, weist den ultraschall produzéierte Chitosan wesentlech verbesserte Fibroblast (L929 Zell) Viabilitéit a verstäerkt antibakteriell Aktivitéit fir béid Escherichia coli (E. coli) a Staphylococcus aureus (S. aureus).
(cf. Zhu et al., 2018)

Wéi funktionnéiert Ultraschall Extraktioun an Deacetylatioun vu Chitin?

Wann Kraaft Ultraschallwellen Koppelen an eng Flëssegkeet oder Schlamm sinn (zB eng Suspension besteet aus Chitin an engem Léisungsmëttel), reesen d'Ultraschallwellen duerch d'Flëssegkeet a verursaachen alternéierend Héichdrock- / Nidderdrockzyklen. Wärend Déifdrockzyklen entstinn Minutt Vakuumblasen (sougenannte Kavitatiounsblasen), déi iwwer verschidden Drockzyklen wuessen. Bei enger gewësser Gréisst, wann d'Blasen net méi Energie absorbéiere kënnen, implodéiere se während engem Héichdrockzyklus gewalteg. D'Bubble Implosioun ass charakteriséiert duerch intensiv kavitational (oder sonomechanesch) Kräften. Dës sonomechanical Konditiounen geschéien lokal am cavitational Hot-Spot a sinn duerch ganz héich Temperaturen an Drock vun bis zu 4000K respektiv 1000atm charakteriséiert; souwéi entspriechend Héichtemperatur- an Drockdifferenzen. Ausserdeem ginn Mikroturbulenzen a Flëssegstroum mat Geschwindegkeete vu bis zu 100m/s generéiert. Ultraschall Extraktioun vu Chitin a Chitosan aus Pilze a Krustaceaen wéi och Chitin Depolymeriséierung an Deacetylatioun ginn haaptsächlech duerch sonomechanesch Effekter verursaacht: d'Agitatioun an d'Turbulenzen stéieren Zellen a förderen Massentransfer a kënnen och Polymerketten a Kombinatioun mat sauer oder alkalesche Léisungsmëttel schneiden.
Aarbechtsprinzip vun der Chitin Extraktioun iwwer Ultraschall: Ultrasonic Extraktioun brécht effizient d'Zellstruktur vu Champignonen a befreit d'intrazellulär Verbindungen aus der Zellmauer an Zellinterieur (dh Polysacchariden wéi Chitin a Chitosan an aner bioaktiv Phytochemikalien) an de Léisungsmëttel. Ultrasonic Extraktioun baséiert op dem Aarbechtsprinzip vun der akustescher Kavitatioun. D'Effekter vun der Ultraschall / akustescher Kavitatioun sinn héich Schéierkräften, Turbulenzen an intensiven Drockdifferenzielle. Dës sonomechanesch Kräfte briechen cellulär Strukturen wéi déi chitinös Pilzzellmaueren, förderen Massentransfer tëscht Pilzbiomaterial a Léisungsmëttel a féieren zu ganz héijen Extraktrendementer bannent engem schnelle Prozess. Zousätzlech fördert d'Sonicatioun d'Steriliséierung vun Extrakten andeems se Bakterien a Mikroben ëmbréngen. Mikrobieller Inaktivéierung duerch Sonikatioun ass e Resultat vun den zerstéierende Kavitatiounskräften op d'Zellmembran, d'Produktioun vu fräi Radikale a lokaliséierter Heizung.
Aarbechtsprinzip vun Depolymeriséierung an Deacetylatioun iwwer Ultraschall: D'Polymerketten ginn am Schéierfeld ronderëm eng Bubble gefaangen an d'Kettesegmenter vun der Polymerspiral no bei engem zesummeklappende Kavitéit wäerte sech mat enger méi héijer Geschwindegkeet bewegen wéi déi méi wäit ewech. Spannungen ginn dann op der Polymerkette produzéiert wéinst der relativer Bewegung vun de Polymersegmenter a Léisungsmëttelen an dës si genuch fir Spaltung ze verursaachen. De Prozess ass also ähnlech wéi aner Schéiereffekter a Polymerléisungen ~ 2 ° a gëtt ganz ähnlech Resultater. (cf. Price et al., 1994)

High-Performance Ultrasonic Ausrüstung fir Pilz Chitin a Chitosan Veraarbechtung

Scannen Elektronmikroskopie (SEM) Biller an enger Vergréisserung vun 100 × vun engem) Gladius, b) Ultraschall behandelt Gladius, c) β-Chitin, d) Ultraschall behandelt β-Chitin, an e) Chitosan (Quell: Preto et al. 2017)

D'Fragmentatioun vu Chitin an d'Decetylatioun vu Chitin op Chitosan erfuerdert mächteg an zouverlässeg Ultraschallausrüstung, déi héich Amplituden liwwere kann, bitt präzis Kontrollbarkeet iwwer d'Prozessparameter a kann 24/7 ënner schwéierer Belaaschtung an an usprochsvollen Ëmfeld operéiert ginn. Hielscher Ultrasonics 'Produktpalette erfëllt dës Ufuerderungen zouverlässeg. Nieft aussergewéinlecher Ultraschallleistung hunn Hielscher Ultraschaller mat héijer Energieeffizienz, wat e wesentleche wirtschaftleche Virdeel ass. – besonnesch wann se op kommerziell grouss-Skala Produktioun Employéen.
Hielscher Ultraschaller sinn héich performant Systemer déi mat Accessoiren wéi Sonotroden, Boosteren, Reaktoren oder Flowzellen ausgestatt kënne ginn fir Äre Prozessbedürfnisser op eng optimal Manéier ze passen. Mat digitale Faarfdisplay, d'Optioun fir d'Sonicatioun virzestellen, automatesch Datenopnam op enger integréierter SD Kaart, Fernbrowser Kontroll a vill méi Features, héchste Prozesskontrolle a Benotzerfrëndlechkeet si gesuergt. Gepaart mat Robustheet a schwéierer Belaaschtungskapazitéit, Hielscher Ultraschallsystemer sinn Är zouverléisseg Aarbechtspäerd an der Produktioun. Chitin Fragmentatioun an Deacetylatioun erfuerdert mächteg Ultraschall fir déi geziilte Konversioun ze kréien an e finalt Chitosan Produkt vu héich Qualitéit. Besonnesch fir d'Fragmentatioun vun de Chitin Flakelen an d'Depolymeriséierung / Deacetylatiounsschrëtt sinn héich Amplituden an erhöhten Drock entscheedend. Hielscher Ultrasonics 'industriell Ultrasonic Prozessoren liwweren einfach ganz héich Amplituden. Amplituden vu bis zu 200µm kënne kontinuéierlech a 24/7 Operatioun lafen. Fir nach méi héich Amplituden sinn personaliséiert Ultraschall Sonotroden verfügbar. D'Kraaftkapazitéit vun Hielscher Ultraschallsystemer erlaabt eng effizient a séier Deacetylatioun an engem sécheren a userfrëndleche Prozess.
D'Tabellner ënnert Iech en Indikatioun vun der ongeféieren Veraarbechtkapazitéit vun eisem Ultraschall: