Chitin un Chitosan ražošana no sēnēm

Ultrasonication ir ļoti efektīva metode, lai atbrīvotu hitīnu un hitozānu no sēnīšu avotiem, piemēram, sēnēm. Lai iegūtu augstas kvalitātes biopolimēru, hitīnam un hitozānam jābūt depolimerizētam un deacetilētam lejupējā pārstrādē. Ultrasoniski atbalstīta depolimerizācija un deacetilācija ir ļoti efektīva, vienkārša un ātra tehnika, kas rada augstas kvalitātes hitozānus ar augstu molekulmasu un izcilu biopieejamību.

No sēnēm iegūts hitīns un hitozāns, izmantojot ultrasonication

Ēdamās un ārstnieciskās sēnes, piemēram, Lentinus edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi vai reishi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (pogu sēnes), Hericium erinaceus (lauvas krēpes), Cordyceps sinensis (kāpuru sēne), Grifola frondosa (vista no koka), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, tītara) un daudzas citas sēņu sugas, tiek plaši izmantotas kā pārtika un bioaktīvo savienojumu ekstrakcija. Šīs sēnes, kā arī pārstrādes atlikumus (sēņu atkritumus) var izmantot hitozāna ražošanai. Ultrasonication ne tikai veicina hitīna izdalīšanos no sēnīšu šūnu sienas struktūras, bet arī virza hitīna pārveidošanu par vērtīgu hitozānu, izmantojot ultrasoniski atbalstītu depolimerizāciju un deacetilēšanu.

 

Intensīva ultrasonication, izmantojot zondes tipa ultraskaņas sistēmu, ir metode, ko izmanto, lai veicinātu hitīna depolimerizāciju un deacetilēšanu, kā rezultātā veidojas hitozāns. Chitīns ir dabiski sastopams polisaharīds, kas atrodams vēžveidīgo, kukaiņu un dažu sēņu šūnu sienu eksoskeletos. Hitozāns ir iegūts no hitīna, noņemot acetilgrupas no hitīna molekulas.

Ultraskaņas procedūra sēnīšu hitīna pārvēršanai hitozānā

Ja hitozāna ražošanai no hitīna tiek izmantota intensīva ultrasonikācija, hitīna suspensija tiek apstrādāta ar augstas intensitātes, zemas frekvences ultraskaņas viļņiem, parasti diapazonā no 20 kHz līdz 30 kHz. Process rada intensīvu akustisko kavitāciju, kas attiecas uz mikroskopisku vakuuma burbuļu veidošanos, augšanu un sabrukumu šķidrumā. Kavitācija rada lokalizētus ekstremāli augstus bīdes spēkus, augstu temperatūru (līdz vairākiem tūkstošiem grādu pēc Celsija) un spiedienu (līdz vairākiem simtiem atmosfēru) šķidrumā, kas ieskauj kavitācijas burbuļus. Šie ekstremālie apstākļi veicina hitīna polimēra sadalīšanos un sekojošu deacetilēšanu.
 

 

Chitin ultraskaņas depolimerizācija

Chitīna depolimerizācija notiek, apvienojot mehānisko spēku iedarbību, piemēram, mikrostraumēšanu un šķidruma strūklu, kā arī ultrasoniski ierosinātas ķīmiskās reakcijas, ko izraisa brīvie radikāļi un citas reaktīvās sugas, kas veidojas kavitācijas laikā. Kavitācijas laikā radītie augstspiediena viļņi izraisa hitīna ķēdes bīdes spriegumu, kā rezultātā polimērs tiek sadalīts mazākos fragmentos.

Chitin ultraskaņas deacetilēšana

Papildus depolimerizācijai intensīva ultrasonication arī veicina hitīna deacetilāciju. Deacetilēšana ietver acetilgrupu noņemšanu no hitīna molekulas, kas izraisa hitozāna veidošanos. Intensīva ultraskaņas enerģija, jo īpaši augstās temperatūras un spiediens, kas rodas kavitācijas laikā, paātrina deacetilēšanas reakciju. Kavitācijas radītie reaktīvie apstākļi palīdz izjaukt acetilsaites hitīnā, kā rezultātā etiķskābe izdalās un hitīns pārvēršas hitozānā.
Kopumā intensīva ultrasonication uzlabo gan depolimerizācijas, gan deacetilēšanas procesus, nodrošinot nepieciešamo mehānisko un ķīmisko enerģiju, lai sadalītu hitīna polimēru un atvieglotu pāreju uz hitozānu. Šī metode piedāvā ātru un efektīvu metodi hitozāna ražošanai no hitīna, ar daudziem pielietojumiem dažādās nozarēs, tostarp farmācijā, lauksaimniecībā un biomedicīnas inženierijā.

Rūpnieciskā hitozāna ražošana no sēnēm ar jaudas ultraskaņu

Komerciālā hitīna un hitozāna ražošana galvenokārt balstās uz jūras rūpniecības atkritumiem (t. i., zvejniecību, čaulgliemju ieguvi utt.). Dažādi izejvielu avoti rada atšķirīgas hitīna un hitozāna īpašības, ko izraisa ražošanas un kvalitātes svārstības sezonas zvejas variāciju dēļ. Turklāt tiek ziņots, ka hitozāns, kas iegūts no sēnīšu avotiem, piedāvā labākas īpašības, piemēram, viendabīgu polimēra garumu un lielāku šķīdību, salīdzinot ar hitozānu no jūras avotiem. (sk. Ghormade et al., 2017) Lai piegādātu vienotu hitozānu, hitīna ieguve no sēnīšu sugām ir kļuvusi par stabilu alternatīvu ražošanu. Chitin un citiosan ražošanu no sēnēm var viegli un droši sasniegt, izmantojot ultraskaņas ekstrakcijas un deacetilācijas tehnoloģiju. Intensīva ultraskaņas apstrāde traucē šūnu struktūras, lai atbrīvotu hitīnu, un veicina masas pārnesi ūdens šķīdinātājos, lai iegūtu izcilu hitīna ražu un ekstrakcijas efektivitāti. Turpmākā ultraskaņas deacetilācija pārvērš hitīnu par vērtīgo hitozānu. Gan ultraskaņas hitīna ekstrakciju, gan deacetilāciju līdz hitozānam var lineāri mērogot līdz jebkuram komerciālam ražošanas līmenim.

Pētījumu rezultāti ultraskaņas hitīnam un hitozāna deacetilācijai

(2018) savā pētījumā secina, ka ultraskaņas deacetilācija ir izrādījusies izšķirošs sasniegums, pārveidojot β-hitīnu hitozānā ar 83–94% deacetilāciju pazeminātā reakcijas temperatūrā. Kreisajā attēlā redzams SEM attēls ar ultrasoniski deacetilētu hitozānu (90 W, 15 min, 20 w / v% NaOH, 1:15 (g: ml) (attēls un pētījums: © Zhu et al., 2018)
Protokolā NaOH šķīdums (20 m/V %) tika sagatavots, izšķīdinot NaOH pārslas DI ūdenī. Pēc tam sārma šķīdumu centrifūgas mēģenē pievienoja GLSP nogulsnēm (0,5 g) ar cieta šķidruma attiecību 1:20 (g: ml). Hitozāns tika pievienots NaCl (40 ml, 0,2 M) un etiķskābei (0,1 M) ar šķīduma tilpuma attiecību 1:1. Pēc tam suspensija tika pakļauta ultraskaņai vieglā temperatūrā 25 ° C 60 minūtes, izmantojot zondes tipa ultrasonikatoru (250W, 20kHz). (sal. ar Zhu et al., 2018)
 
(2021) konstatēja, ka hitozāna šķīdumu noārdīšanās ātrumu reti ietekmē skābes koncentrācijas, ko izmanto polimēra šķīdināšanai, un lielā mērā tas ir atkarīgs no temperatūras, ultraskaņas viļņu intensitātes un polimēra izšķīdināšanai izmantotā materiāla jonu stipruma. (sal.: Pandit et al., 2021)
 
(2019) izmantoja Ganoderma lucidum sporu pulverus kā sēnīšu izejvielu un pētīja ultrasoniski atbalstītu deacetilāciju un apstrādes parametru, piemēram, ultraskaņas laika, cietā un šķidruma attiecības, NaOH koncentrācijas un apstarošanas jaudas, ietekmi uz hitozāna deacetilēšanas pakāpi (DD). Augstākā DD vērtība tika iegūta ar šādiem ultraskaņas parametriem: 20 min ultraskaņas apstrāde pie 80W, 10% (g:ml) NaOH, 1:25 (g:ml). Izmantojot SEM, FTIR, TG un XRD, tika pārbaudīta ultrasoniski iegūtā hitozāna virsmas morfoloģija, ķīmiskās grupas, termiskā stabilitāte un kristāliskums. Pētnieku grupa ziņo par ultraskaņas hitozāna deacetilēšanas pakāpes (DD), dinamiskās viskozitātes ([η]) un molekulmasas (Mv ̄) ievērojamu uzlabošanos. Rezultāti uzsvēra sēnīšu ultraskaņas deacetilācijas tehniku, kas ir ļoti spēcīga hitozāna ražošanas metode, kas ir piemērota biomedicīnas lietojumiem. (sk. Zhu et al., 2019)

Augstākā hitozāna kvalitāte ar ultraskaņas depolimerizāciju un deacetilēšanu

Ultrasoniski virzīti hitīna / hitozāna ekstrakcijas un depolimerizācijas procesi ir precīzi kontrolējami, un ultraskaņas procesa parametrus var pielāgot izejvielām un mērķa gala produkta kvalitātei (piemēram, molekulmasai, deacetilēšanas pakāpei). Tas ļauj pielāgot ultraskaņas procesu ārējiem faktoriem un noteikt optimālus parametrus, lai nodrošinātu izcilu iznākumu un efektivitāti.
Ultrasoniski deacetilēts hitozāns parāda lielisku biopieejamību un bioloģisko saderību. Kad ultrasoniski sagatavoti hitozāna biopolimēri tiek salīdzināti ar termiski iegūtu hitozānu attiecībā uz biomedicīnas īpašībām, ultrasoniski ražotajam hitozānam piemīt ievērojami uzlabota fibroblastu (L929 šūnu) dzīvotspēja un uzlabota antibakteriālā aktivitāte gan Escherichia coli (E. coli), gan Staphylococcus aureus (S. aureus).
(sal. ar Zhu et al., 2018)
 

Augstas veiktspējas ultraskaņas iekārtas hitīna un hitozāna apstrādei

Chitīna sadrumstalotībai un hitīna decetilācijai uz hitozānu ir nepieciešama jaudīga un uzticama ultraskaņas iekārta, kas var nodrošināt augstas amplitūdas, piedāvā precīzu procesa parametru vadāmību un to var darbināt 24/7 ar lielu slodzi un prasīgā vidē. Hielscher Ultrasonics produktu klāsts droši atbilst šīm prasībām. Bez izcilas ultraskaņas veiktspējas, Hielscher ultrasonikatori lepojas ar augstu enerģijas efektivitāti, kas ir ievērojama ekonomiska priekšrocība – jo īpaši, ja to izmanto komerciālā liela mēroga ražošanā.
Hielscher ultrasonikatori ir augstas veiktspējas sistēmas, kuras var aprīkot ar piederumiem, piemēram, sonotrodes, pastiprinātājiem, reaktoriem vai plūsmas šūnām, lai optimāli atbilstu jūsu procesa vajadzībām. Ar digitālo krāsu displeju, iespēju iepriekš iestatīt ultraskaņas apstrādi, automātisku datu ierakstīšanu integrētā SD kartē, attālo pārlūka vadību un daudzām citām funkcijām, Hielscher ultrasonikatori nodrošina visaugstāko procesa kontroli un lietotājdraudzīgumu. Pārī ar izturību un smagu nestspēju, Hielscher ultraskaņas sistēmas ir jūsu uzticamais darba zirgs ražošanā. 
Chitīna sadrumstalotībai un deacetilācijai nepieciešama spēcīga ultraskaņa, lai iegūtu mērķtiecīgu konversiju un augstas kvalitātes galīgo hitozāna produktu. Īpaši attiecībā uz hitīna pārslu sadrumstalotību un depolimerizācijas / deacetilācijas soļiem, izšķiroša nozīme ir augstām amplitūdām un paaugstinātam spiedienam. Hielscher Ultrasonics rūpnieciskie ultraskaņas procesori viegli nodrošina ļoti augstas amplitūdas. Amplitūdas līdz 200 μm var nepārtraukti darbināt 24/7 darbībā. Vēl augstākām amplitūdām ir pieejami pielāgoti ultraskaņas sonotrodes. Hielscher ultraskaņas sistēmu jauda ļauj efektīvi un ātri depolimerizēt un deacetilēt drošā un lietotājam draudzīgā procesā.
 

Zemāk redzamajā tabulā ir sniegta norāde par mūsu ultrasonikatoru aptuveno apstrādes jaudu:

---

---

Sinerģiska hitīna ārstēšana, ko uzlabo ultrasonication

Lai pārvarētu tradicionālās ķīmiskās un fermentatīvās hitīna deacetlīzes trūkumus (t.i., zemu efektivitāti, augstas enerģijas izmaksas, ilgu apstrādes laiku, toksiskus šķīdinātājus), augstas intensitātes ultraskaņa ir integrēta hitīna un hitozāna apstrādē. Augstas intensitātes ultraskaņas apstrāde un no tās izrietošās akustiskās kavitācijas sekas izraisa strauju polimēru ķēžu sadalīšanu un samazina polidispersitāti, tādējādi veicinot hitozāna sintēzi. Turklāt ultraskaņas bīdes spēki pastiprina masas pārnesi šķīdumā, lai uzlabotu ķīmisko, hidrolītisko vai fermentatīvo reakciju. Ultraskaņas hitīna apstrādi var apvienot ar jau esošajām hitīna apstrādes metodēm, piemēram, ķīmiskajām metodēm, hidrolīzi vai fermentatīvām procedūrām.

Ultrasoniski atbalstīta ķīmiskā deacetilēšana un depolimerizācija

Tā kā hitīns ir nereaģējošs un nešķīstošs biopolimērs, tam jāveic demineralizācijas, deproteinizācijas un depolimerizācijas / deacetilēšanas procesa posmi, lai iegūtu šķīstošu un bioacesējamu hitozānu. Šie procesa soļi ietver apstrādi ar spēcīgām skābēm, piemēram, HCl, un spēcīgām bāzēm, piemēram, NaOH un KOH. Tā kā šie parastie procesa soļi ir neefektīvi, lēni un prasa augstu enerģiju, procesa intensifikācija ar ultraskaņu ievērojami uzlabo hitozāna ražošanu. Jaudas ultraskaņas pielietošana palielina hitozāna ražu un kvalitāti, samazina procesu no dienām līdz dažām stundām, ļauj izmantot maigākus šķīdinātājus un padara visu procesu energoefektīvāku.

Ultrasoniski uzlabota hitīna deproteinizācija

(2021), pētot hitīna deproteinizāciju, konstatēja, ka “Ultraskaņas pielietošana biopolimēru ražošanai samazināja olbaltumvielu saturu, kā arī hitīna daļiņu izmēru. Ar ultraskaņas palīdzību tika ražots hitozāns ar augstu deacetilēšanas pakāpi un vidēju molekulmasu.”

Ultraskaņas hidrolīze hitīna depolimerizācijai

Ķīmiskajai hidrolīzei hitīna deacetilēšanai izmanto vai nu skābes, vai sārmus, tomēr sārmu deacetilāciju (piemēram, nātrija hidroksīdu NaOH) izmanto plašāk. Skābes hidrolīze ir alternativ metode tradicionālajai ķīmiskajai deacetilācijai, kur organisko skābju šķīdumi tiek izmantoti hitīna un hitozāna depolimerizācijai. Skābes hidrolīzes metodi galvenokārt izmanto, ja hitīna un hitozāna molekulmasai jābūt viendabīgai. Šo parasto hidrolīzes procesu sauc par lēnu un energoietilpīgu un rentablu. Prasība pēc spēcīgām skābēm, augstām temperatūrām un spiedieniem ir faktori, kas hidrolītiskā hitozāna procesu pārvērš par ļoti dārgu un laikietilpīgu procedūru. Izmantotajām skābēm nepieciešami pakārtotie procesi, piemēram, neitralizācija un atsāļošana.
Integrējot lieljaudas ultraskaņu hidrolīzes procesā, temperatūras un spiediena prasības hitīna un hitozāna hidrolītiskajai šķelšanai var ievērojami pazemināt. Turklāt ultraskaņas apstrāde ļauj samazināt skābes koncentrāciju vai izmantot maigākas skābes. Tas padara procesu ilgtspējīgāku, efektīvāku, rentablāku un videi draudzīgāku.

Ultrasoniski atbalstīta ķīmiskā deacetilācija

Hitīna un hitozāna ķīmisko sadalīšanos un deaktiilāciju galvenokārt panāk, apstrādājot hitīnu vai hitozānu ar minerālskābēm (piemēram, sālsskābi HCl), nātrija nitrītu (NaNO₂), vai ūdeņraža peroksīdu (H₂O₂). Ultraskaņa uzlabo deacetilēšanas ātrumu, tādējādi saīsinot reakcijas laiku, kas nepieciešams, lai iegūtu mērķtiecīgu deacetilācijas pakāpi. Tas nozīmē, ka ultraskaņas apstrāde samazina nepieciešamo apstrādes laiku no 12-24 stundām līdz dažām stundām. Turklāt ultraskaņas apstrāde ļauj ievērojami samazināt ķīmiskās koncentrācijas, piemēram, 40% (w / w) nātrija hidroksīda, izmantojot ultraskaņu, bet 65% (w / w) ir nepieciešami, neizmantojot ultraskaņu.

Ultraskaņas-fermentatīvā deacetilācija

Lai gan fermentatīvā deacetilēšana ir viegla, videi labvēlīga pārstrādes forma, tās efektivitāte un izmaksas ir neekonomiskas. Sakarā ar sarežģītu, darbietilpīgu un dārgu pakārtoto fermentu izolāciju un attīrīšanu no galaprodukta, fermentatīvā hitīna deacetilācija netiek īstenota komerciālajā ražošanā, bet tiek izmantota tikai zinātniskās pētniecības laboratorijā.
Ultraskaņas pirmapstrāde pirms fermentatīvās deacetlitācijas fragmentiem hitīna molekulas, tādējādi palielinot virsmas laukumu un padarot fermentiem pieejamu vairāk virsmas. Augstas veiktspējas ultraskaņas apstrāde palīdz uzlabot fermentatīvo deacetilāciju un padara procesu ekonomiskāku.