Produktioun vu Chitin a Chitosan aus Champignonen

D’Ultraschallbehandlung ass eng héicheffizient Method, fir Chitin a Chitosan aus Pilzquelle wéi Champignone fräizesetzen. Chitin a Chitosan mussen an der nofolgender Veraarbechtung depolymeriséiert an deacetyléiert ginn, fir e qualitativ héichwäertege Biopolymer ze kréien. Duerch Ultraschall ënnerstëtzten Depolymeriséierung an Deacetyléierung ass eng héichwierksam, einfach a séier Technik, déi qualitativ héichwäerteg Chitosane mat héijem Molekulargewiicht an iwwerleeëner Bioverfügbarkeet liwwert.

Chitin a Chitosan aus Champignonen duerch Ultraschallbehandlung

Iess- an Heelpilze wéi Lentinus edodes (Shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi oder Reishi), Inonotus obliquus (Chaga), Agaricus bisporus (Champignonen), Hericium erinaceus (Léiwemänn), Cordyceps sinensis (Raupepilz), Grifola frondosa (Bëschhong), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, Tierkeschwanz) a vill aner Pilzaarte gi wäit verbreet als Liewensmëttel a fir d’Extraktioun vu bioaktive Verbindunge benotzt. Dës Pilzen an och d’Veraarbechtungsreschter (Pilzoffäll) kënne benotzt ginn, fir Chitosan ze produzéieren. D’Ultraschallbehandlung fërdert net nëmmen d’Fräisetzung vu Chitin aus der Zellwandstruktur vun de Pilzen, mee dreift och d’Ëmwandlung vu Chitin a wäertvolle Chitosan duerch eng ultraschallënnerstëtzten Depolymeriséierung an Deacetyléierung un.

Dëse Video demonstréiert déi héicheffizient Extraktioun vum Igelstachelbart mam Hielscher UP200Ht Ultraschallhomogenisator. D'Ultraschallextraktioun ass déi ideal Technik fir héichwäerteg Vollspektrumextrakter ze produzéieren, déi Polysaccharide wéi Beta-Glucanen, souwéi Hericenonen an Erinacinen enthalen.

 

Eng intensiv Ultraschallbehandlung mat engem Ultraschallsystem mat Sond ass eng Technik, déi benotzt gëtt, fir d’Depolymeriséierung an d’Deacetyléierung vu Chitin ze fërderen, wat zur Bildung vu Chitosan féiert. Chitin ass en natierlech virkommende Polysaccharid, deen an den Exoskeletter vu Krustendéieren an Insekten an an den Zellwänn vu bestëmmte Pilze virkënnt. Chitosan gëtt aus Chitin gewonnen, andeems d’Acetylgruppen aus dem Chitinmoleküll ewechgeholl ginn.

Ultraschallverfare fir d’Ëmwandlung vu Pilzchitin a Chitosan

Wann eng intensiv Ultraschallbehandlung fir d’Produktioun vu Chitosan aus Chitin agesat gëtt, gëtt eng Chitinsuspensioun mat Ultraschallwelle vun héijer Intensitéit an niddreger Frequenz behandelt, typescherweis am Beräich vun 20 kHz bis 30 kHz. De Prozess erzeugt intensiv akustesch Kavitatioun, dat heescht d’Bildung, de Wuesstem an den Zesummebroch vu mikroskopesche Vakuumblosen an der Flëssegkeet. D’Kavitatioun erzeugt lokal extrem héich Schéierkräften, héich Temperaturen (bis zu e puer dausend Grad Celsius) an Drécker (bis zu e puer honnert Atmosphären) an der Flëssegkeet ronderëm d’Kavitatiounsblosen. Dës extrem Bedéngungen droen zum Ofbau vum Chitinpolymer an zur uschléissender Deacetyléierung bäi.
 

 

Depolymeriséierung vu Chitin duerch Ultraschall

D’Depolymeriséierung vu Chitin geschitt duerch déi kombinéiert Wierkunge vu mechanesche Kräfte wéi Mikrostréimungen a Flëssegkeetsstralen, souwéi duerch cheemesch Reaktiounen, déi duerch Ultraschall initiéiert ginn an duerch fräi Radikaler an aner reaktiv Spezies ausgeléist ginn, déi sech wärend der Kavitatioun bilden. D’Héichdrockwellen, déi wärend der Kavitatioun entstinn, setzen d’Chitinketten enger Schéierspannung aus, wouduerch de Polymer a méi kleng Fragmenter gespléckt gëtt.

Deacetyléierung vu Chitin duerch Ultraschall

Nieft der Depolymeriséierung fërdert eng intensiv Ultraschallbehandlung och d’Deacetyléierung vu Chitin. Bei der Deacetyléierung ginn Acetylgruppen aus dem Chitinmoleküll ewechgeholl, wouduerch Chitosan entsteet. Intensiv Ultraschallenergie, besonnesch déi héich Temperaturen an Drécker, déi wärend der Kavitatioun entstinn, beschleunegt d’Deacetyléierungsreaktioun. Déi reaktiv Bedéngungen, déi duerch d’Kavitatioun entstinn, hëllefen, d’Acetylbindungen am Chitin ze spalten, wouduerch Essegsaier fräigesat gëtt a Chitin a Chitosan ëmgewandelt gëtt.
Insgesamt verstäerkt eng intensiv Ultraschallbehandlung souwuel d’Depolymeriséierungs- wéi och d’Deacetyléierungsprozesser, andeems si déi néideg mechanesch a cheemesch Energie liwwert, fir de Chitinpolymer ofzebauen an d’Ëmwandlung a Chitosan ze erliichteren. Dës Technik bitt eng séier an effizient Method fir d’Produktioun vu Chitosan aus Chitin, mat ville Gebrauchsméiglechkeeten a verschiddenen Industrieberäicher, dorënner d’Pharmaindustrie, d’Landwirtschaft an d’biomedezinesch Ingenieurswiesen.

Industriell Produktioun vu Chitosan aus Champignone mat Leeschtungsultraschall

Déi kommerziell Produktioun vu Chitin a Chitosan baséiert haaptsächlech op Offäll aus de Mieresindustrien (d. h. Fëscherei, Ernte vu Schuelendéieren asw.). Verschidde Rohstoffquelle féieren zu ënnerschiddleche Chitin- a Chitosanqualitéiten, wouduerch et wéinst saisonale Schwankungen an der Fëscherei zu Schwankunge bei der Produktioun an der Qualitéit kënnt. Ausserdeem bitt Chitosan aus Pilzquellen de Berichter no besser Eegenschafte wéi eng eenheetlech Polymerlängt an eng méi grouss Léislëchkeet am Verglach mat Chitosan aus Mieresquellen. (cf. Ghormade et al., 2017) Fir eenheetleche Chitosan ze liwweren, huet sech d’Extraktioun vu Chitin aus Pilzaarten als stabil Produktiounsalternativ etabléiert. Chitin a Chitosan kënnen duerch Ultraschallextraktioun an Deacetyléierung einfach an zouverlässeg aus Pilze produzéiert ginn. Eng intensiv Ultraschallbehandlung brécht Zellstrukturen op, fir Chitin fräizesetzen, a fërdert de Stofftransport a waasserbaséierte Léisungsmëttel, fir méi héich Chitinausbezuelen an eng besser Extraktiounseffizienz z’erreechen. Déi uschléissend Ultraschalldeacetyléierung wandelt de Chitin an de wäertvolle Chitosan ëm. Souwuel d’Ultraschallextraktioun vu Chitin wéi och d’Deacetyléierung zu Chitosan kënne linear op all kommerziell Produktiounsniveau skaléiert ginn.

Fuerschungsresultater zur Ultraschalldeacetyléierung vu Chitin a Chitosan

Zhu et al. (2018) kommen an hirer Studie zur Conclusioun, datt sech d’Ultraschalldeacetyléierung als entscheedenden Duerchbroch erwisen huet, bei deem β-Chitin bei reduzéierte Reaktiounstemperaturen a Chitosan mat engem Deacetyléierungsgrad vun 83–94% ëmgewandelt gëtt. D’Bild lénks weist eng SEM-Opnam vu Chitosan, deen duerch Ultraschall deacetyléiert gouf (90 W, 15 min, 20 w/v% NaOH, 1:15 (g: mL) (Bild a Studie: © Zhu et al., 2018)
An hirem Protokoll gouf eng NaOH-Léisung (20 w/v %) preparéiert, andeems NaOH-Flacken an deioniséiertem Waasser opgeléist goufen. D’Alkaliléisung gouf duerno an engem Zentrifugeréier un d’GLSP-Sediment (0,5 g) bei engem Feststoff-Flëssegkeetsverhältnis vun 1:20 (g: mL) bäigefüügt. Chitosan gouf zu NaCl (40 mL, 0,2 M) an Essigsäure (0,1 M) bei engem Volumeverhältnis vun de Léisunge vun 1:1 bäigefüügt. D’Suspensioun gouf duerno bei enger mëller Temperatur vu 25°C fir 60 min mat engem Sonden-Ultraschallapparat (250W, 20kHz) mat Ultraschall behandelt. (kuckt Zhu et al., 2018)
 
Pandit et al. (2021) hu festgestallt, datt d’Ofbaugeschwindegkeet vu Chitosanléisunge seele vun de Konzentratioune vun der Säure beaflosst gëtt, déi benotzt gëtt, fir de Polymer opzeléisen, an haaptsächlech vun der Temperatur, der Intensitéit vun den Ultraschallwellen an der Ionenstäerkt vun de Medie ofhänkt, déi benotzt ginn, fir de Polymer opzeléisen. (kuckt Pandit et al., 2021)
 
An enger anerer Etüd hunn Zhu et al. (2019) Sporepolver vu Ganoderma lucidum als Pilzréimaterial benotzt an déi ultraschallënnerstëtzt Deacetyléierung souwéi d’Auswierkunge vu Veraarbechtungsparameteren, wéi der Dauer vun der Ultraschallbehandlung, dem Feststoff-Flëssegkeetsverhältnis, der NaOH-Konzentratioun an der Beschallungsleeschtung, op den Deacetyléierungsgrad (DD) vum Chitosan ënnersicht. Den héchsten DD-Wäert gouf bei follgenden Ultraschallparameteren erreecht: 20 min Ultraschallbehandlung bei 80W, 10% (g:ml) NaOH, 1:25 (g:ml). D’Uewerflächemorphologie, déi chemesch Gruppen, déi thermesch Stabilitéit an d’Kristallinitéit vum duerch Ultraschall gewonnene Chitosan goufe mat SEM, FTIR, TG an XRD ënnersicht. D’Fuerschungsequipe bericht iwwer eng bedeitend Erhéijung vum Deacetyléierungsgrad (DD), der dynamescher Viskositéit ([η]) an dem Molekulargewiicht (Mv¯) vum duerch Ultraschall produzéierte Chitosan. D’Resultater hunn ënnerstrach, datt d’Ultraschalldeacetyléierung vu Pilzen eng héichwierksam Produktiounsmethod fir Chitosan ass, dat fir biomedizinesch Uwendunge gëeegent ass. (kuckt Zhu et al., 2019)

Iwwerleeë Qualitéit vu Chitosan duerch Ultraschalldepolymeriséierung an Ultraschalldeacetyléierung

Duerch Ultraschall ugedriwwe Prozesser fir d’Extraktioun an d’Depolymeriséierung vu Chitin / Chitosan kënne präzis gesteiert ginn, an d’Ultraschallprozessparametere kënnen un d’Réimaterialien an un déi ugestrieft Qualitéit vum Endprodukt ugepasst ginn (z. B. Molekulargewiicht, Deacetyléierungsgrad). Dëst erlaabt et, den Ultraschallprozess un extern Faktoren unzepassen an optimal Parametere fir iwwerleeë Resultater an Effizienz anzestellen.
Duerch Ultraschall deacetyléiert Chitosan weist eng exzellent Bioverfügbarkeet a Biokompatibilitéit. Wa mat Ultraschall hiergestallte Chitosanbiopolymere mat thermesch gewonnene Chitosan hinsichtlich hire biomedizineschen Eegenschafte verglach ginn, weist den duerch Ultraschall produzéierte Chitosan eng bedeitend verbessert Liewensfäegkeet vu Fibroblasten (L929-Zellen) an eng verstäerkt antibakteriell Wierkung souwuel géint Escherichia coli (E. coli) wéi och géint Staphylococcus aureus (S. aureus).
(kuckt Zhu et al., 2018)
 

Héichleeschtungsultraschallausrüstung fir d’Veraarbechtung vu Chitin a Chitosan

D’Fragmentéierung vu Chitin an d’Deacetyléierung vu Chitin zu Chitosan erfuerderen eng leeschtungsstaark an zouverlässeg Ultraschallausrüstung, déi héich Amplitudë liwwere kann, eng präzis Kontroll vun de Prozessparameter erméiglecht an 24/7 ënner héijer Belaaschtung an an usprochsvollen Ëmfeld bedriwwe ka ginn. D’Produktpalette vun Hielscher Ultrasonics erfëllt dës Ufuerderungen zouverlässeg. Nieft enger aussergewéinlecher Ultraschallleeschtung bidden d’Ultraschallapparater vun Hielscher eng héich Energieeffizienz, wat e wesentleche wirtschaftleche Virdeel ass – besonnesch beim Asaz an der kommerzieller Groussproduktioun.
D’Ultraschallapparater vun Hielscher sinn Héichleeschtungssystemer, déi mat Accessoirë wéi Sonotroden, Boosteren, Reakteren oder Duerchflosszellen ekipéiert kënne ginn, fir optimal op d’Ufuerderunge vun Ärem Prozess ofgestëmmt ze sinn.
 Mat engem digitale Faarfdisplay, der Méiglechkeet, Ultraschallbehandlungen am Viraus anzestellen, enger automatescher Datenopzeechnung op enger integréierter SD-Kaart, Fernsteierung iwwer de Browser a ville weidere Funktioune garantéieren d’Ultraschallapparater vun Hielscher héchst Prozesskontroll a Benotzerfrëndlechkeet. A Kombinatioun mat hirer Robustheet an hirer héijer Belaaschtbarkeet sinn d’Ultraschallsystemer vun Hielscher Är zouverlässeg Aarbechtspäerd an der Produktioun. 
D’Fragmentéierung an d’Deacetyléierung vu Chitin erfuerderen e leeschtungsstaarken Ultraschall, fir déi ugestrieft Ëmwandlung an e qualitativ héichwäertegt Chitosan-Endprodukt ze kréien. Besonnesch fir d’Fragmentéierung vun de Chitinflacken an d’Schrëtt vun der Depolymeriséierung / Deacetyléierung sinn héich Amplituden an erhéichten Dréck entscheedend. Déi industriell Ultraschallprozessoren vun Hielscher Ultrasonics liwweren ouni Weideres ganz héich Amplituden. Amplitudë vu bis zu 200µm kënne kontinuéierlech am 24/7-Betrib agesat ginn. Fir nach méi héich Amplitudë si personaliséiert Ultraschallsonotroden disponibel. D’Leeschtungskapazitéit vun den Ultraschallsystemer vun Hielscher erméiglecht eng effizient a séier Depolymeriséierung an Deacetyléierung an engem sécheren a benotzerfrëndleche Prozess.
 

D’Tabell hei ënnendrënner gëtt Iech en Iwwerbléck iwwer déi ongeféier Veraarbechtungskapazitéit vun eisen Ultraschallapparater:

---

---

Synergetesch Chitinbehandlung duerch Ultraschall verbessert

Fir d’Nodeeler (d. h. niddreg Effizienz, héich Energiekäschten, laang Veraarbechtungszäit, gëfteg Léisungsmëttel) vun der traditioneller cheemescher an enzymatescher Deacetyléierung vu Chitin ze iwwerwannen, gouf Ultraschall mat héijer Intensitéit an d’Veraarbechtung vu Chitin a Chitosan integréiert. D’Ultraschallbehandlung mat héijer Intensitéit an déi doraus resultéierend Effekter vun der akustescher Kavitatioun féieren zu enger séierer Spaltung vun de Polymerketten a reduzéieren d’Polydispersitéit, wouduerch d’Synthees vu Chitosan gefërdert gëtt. Ausserdeem verstäerken d’Schéierkräften, déi duerch Ultraschall entstinn, de Stofftransport an der Léisung, soudatt cheemesch, hydrolytesch oder enzymatesch Reaktioune verstäerkt ginn. D’Ultraschallbehandlung vu Chitin ka mat scho bestoenden Technike fir d’Chitinveraarbechtung kombinéiert ginn, wéi cheemesch Methoden, Hydrolys oder enzymatesch Verfahren.

Ultraschallënnerstëtzt cheemesch Deacetyléierung an Depolymeriséierung

Well Chitin en net reaktiven an onléisleche Biopolymer ass, muss et d’Prozessschrëtt vun der Demineraliséierung, Deproteiniséierung an Depolymeriséierung / Deacetyléierung duerchlafen, fir léislechen a biozougängleche Chitosan ze kréien. Dës Prozessschrëtt ëmfaasse Behandlunge mat staarke Saieren ewéi HCl a staarke Basen ewéi NaOH a KOH. Well dës konventionell Prozessschrëtt ineffizient a lues sinn a vill Energie erfuerderen, verbessert d’Prozessintensivéierung duerch Ultraschallbehandlung d’Chitosanproduktioun däitlech. Den Asaz vu leeschtungsstaarkem Ultraschall erhéicht d’Chitosanausbezuelen an d’Qualitéit, verkierzt de Prozess vun Deeg op e puer Stonnen, erméiglecht den Asaz vu méi mëlle Léisungsmëttel a mécht de ganze Prozess méi energieeffizient.

Duerch Ultraschall verbessert Deproteiniséierung vu Chitin

Vallejo-Dominguez et al. (2021) hunn an hirer Ënnersichung iwwer d’Deproteiniséierung vu Chitin festgestallt, datt d'”Uwendung vun Ultraschall fir d’Produktioun vu Biopolymeren de Proteingehalt souwéi d’Partikelgréisst vum Chitin reduzéiert huet. Mat Ultraschallënnerstëtzung gouf Chitosan mat engem héijen Deacetyléierungsgrad an engem mëttlere Molekulargewiicht produzéiert.”

Ultraschallhydrolys fir d’Depolymeriséierung vu Chitin

Fir déi cheemesch Hydrolys ginn entweder Saieren oder Alkalie benotzt, fir Chitin ze deacetyléieren, woubäi d’alkalesch Deacetyléierung (z. B. mat Natriumhydroxid NaOH) méi heefeg agesat gëtt. D’Saierhydrolys ass eng alternativ Method zur traditioneller cheemescher Deacetyléierung, bei där Léisunge vun organesche Saiere benotzt ginn, fir Chitin a Chitosan ze depolymeriséieren. D’Method vun der Saierhydrolys gëtt meeschtens benotzt, wann d’Molekulargewiicht vu Chitin a Chitosan homogen muss sinn. Dëse konventionellen Hydrolysprozess ass als lues an energie- a käschtenintensiv bekannt. De Besoin u staarke Saieren, héijen Temperaturen an héijen Drécker ass e Faktor, deen zesumme mat deenen aneren de hydrolytesche Chitosanprozess zu enger ganz deierer an zäitopwänneger Prozedur mécht. Déi benotzt Saiere verlaangen nogeschalt Prozesser wéi Neutraliséierung an Entsalzung.
Duerch d’Integratioun vu leeschtungsstaarkem Ultraschall an den Hydrolysprozess kënnen déi néideg Temperaturen an Drécker fir d’hydrolytesch Spaltung vu Chitin a Chitosan däitlech erofgesat ginn. Ausserdeem erméiglecht d’Ultraschallbehandlung méi niddreg Saierkonzentratiounen oder den Asaz vu méi mëlle Saieren. Doduerch gëtt de Prozess méi nohalteg, effizient, käschtegënschteg an ëmweltfrëndlech.

Ultraschallënnerstëtzt cheemesch Deacetyléierung

Déi cheemesch Zersetzung an Deacetyléierung vu Chitin a Chitosan ginn haaptsächlech erreecht, andeems Chitin oder Chitosan mat Mineralsaieren (z. B. Salzsaier HCl), Natriumnitrit (NaNO₂) oder Waasserstoffperoxid (H₂O₂) behandelt gëtt. Ultraschall verbessert d’Deacetyléierungsquot a verkierzt domat d’Reaktiounszäit, déi néideg ass, fir den ugestriefte Deacetyléierungsgrad z’erreechen. Dat bedeit, datt d’Ultraschallbehandlung déi néideg Veraarbechtungszäit vun 12–24 Stonnen op e puer Stonne reduzéiert. Ausserdeem erméiglecht d’Ultraschallbehandlung däitlech méi niddreg Chemikaliekonzentratiounen, zum Beispill 40% (w/w) Natriumhydroxid beim Asaz vun Ultraschall, wärend ouni Ultraschall 65% (w/w) néideg sinn.

Ultraschallenzymatesch Deacetyléierung

Obwuel d’enzymatesch Deacetyléierung eng mëll, ëmweltschounend Veraarbechtungsform ass, ass si wat hir Effizienz a Käschten ugeet onwirtschaftlech. Wéinst der komplexer, aarbechtsintensiver an deierer nogeschalter Isolatioun a Rengegung vun den Enzymen aus dem Endprodukt gëtt d’enzymatesch Deacetyléierung vu Chitin net an der kommerzieller Produktioun ëmgesat, mee nëmmen am wëssenschaftleche Fuerschungslabo benotzt.
Eng Virbehandlung mat Ultraschall virun der enzymatescher Deacetyléierung fragmentéiert d’Chitinmoleküllen, vergréissert doduerch hir Uewerfläch a mécht méi Uewerfläch fir d’Enzymen zougänglech. Eng leeschtungsstaark Ultraschallbehandlung hëlleft, d’enzymatesch Deacetyléierung ze verbesseren, a mécht de Prozess méi wirtschaftlech.