Productie van chitine en chitosan uit paddenstoelen

Ultrasone behandeling is een zeer efficiënte methode om chitine en chitosan vrij te maken uit schimmelbronnen zoals paddenstoelen. Chitine en chitosan moeten tijdens de verdere verwerking worden gedepolymeriseerd en gedeacetyleerd om een hoogwaardig biopolymeer te verkrijgen. Ultrasoon ondersteunde depolymerisatie en deacetylering zijn een zeer doeltreffende, eenvoudige en snelle techniek die hoogwaardige chitosanen met een hoog molecuulgewicht en een superieure biologische beschikbaarheid oplevert.

Chitine en chitosan uit paddenstoelen via ultrasone behandeling

Eetbare en medicinale paddenstoelen zoals Lentinus edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi of reishi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (champignons), Hericium erinaceus (pruikzwam), Cordyceps sinensis (rupsen schimmel), Grifola frondosa (eikhaas), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, gewoon elfenbankje) en vele andere schimmelsoorten worden veel gebruikt als voedsel en voor de extractie van bioactieve verbindingen. Deze paddenstoelen en de reststromen van de verwerking (paddenstoelenafval) kunnen worden gebruikt om chitosan te produceren. Ultrasone behandeling bevordert niet alleen het vrijkomen van chitine uit de celwandstructuur van schimmels, maar stimuleert ook de omzetting van chitine in waardevol chitosan via ultrasoon ondersteunde depolymerisatie en deacetylering.

Deze video demonstreert de uiterst efficiënte extractie van pruikzwammen met de ultrasone homogenisator UP200Ht van Hielscher. Ultrasone extractie is de ideale techniek om hoogwaardige breedspectrumextracten te produceren die polysachariden zoals bètaglucanen bevatten, evenals hericenonen en erinacinen.

 

Intensieve ultrasone behandeling met een ultrasoon systeem met sonde is een techniek die wordt gebruikt om de depolymerisatie en deacetylering van chitine te bevorderen, waardoor chitosan wordt gevormd. Chitine is een van nature voorkomend polysacharide dat wordt aangetroffen in de exoskeletten van schaaldieren en insecten en in de celwanden van bepaalde schimmels. Chitosan wordt uit chitine verkregen door de acetylgroepen uit het chitinemolecuul te verwijderen.

Ultrasone procedure voor de omzetting van chitine uit schimmels in chitosan

Wanneer intensieve ultrasone behandeling wordt toegepast voor de productie van chitosan uit chitine, wordt een chitinesuspensie gesoniceerd met ultrasone golven met een hoge intensiteit en een lage frequentie, doorgaans in het bereik van 20 kHz tot 30 kHz. Het proces genereert intense akoestische cavitatie, waarmee de vorming, groei en het imploderen van microscopische vacuümbellen in de vloeistof worden bedoeld. Cavitatie genereert plaatselijk extreem hoge afschuifkrachten, hoge temperaturen (tot enkele duizenden graden Celsius) en hoge drukken (tot enkele honderden atmosfeer) in de vloeistof rond de cavitatiebellen. Deze extreme omstandigheden dragen bij aan de afbraak van het chitinepolymeer en de daaropvolgende deacetylering.
 

 

Ultrasone depolymerisatie van chitine

De depolymerisatie van chitine vindt plaats door de gecombineerde effecten van mechanische krachten, zoals microstromingen en vloeistofstralen, en door ultrasoon geïnitieerde chemische reacties die worden opgewekt door vrije radicalen en andere reactieve deeltjes die tijdens cavitatie worden gevormd. De hogedrukgolven die tijdens cavitatie ontstaan, stellen de chitineketens bloot aan afschuifspanning, waardoor het polymeer in kleinere fragmenten wordt gesplitst.

Ultrasone deacetylering van chitine

Naast depolymerisatie bevordert intensieve ultrasone behandeling ook de deacetylering van chitine. Deacetylering omvat de verwijdering van acetylgroepen uit het chitinemolecuul, waardoor chitosan wordt gevormd. Intense ultrasone energie, met name de hoge temperaturen en drukken die tijdens cavitatie ontstaan, versnelt de deacetyleringsreactie. De reactieve omstandigheden die door cavitatie worden gecreëerd, helpen de acetylbindingen in chitine te verbreken, waardoor azijnzuur vrijkomt en chitine wordt omgezet in chitosan.
Over het geheel genomen versterkt intensieve ultrasone behandeling zowel de depolymerisatie als de deacetylering door de benodigde mechanische en chemische energie te leveren om het chitinepolymeer af te breken en de omzetting in chitosan te vergemakkelijken. Deze techniek biedt een snelle en efficiënte methode voor de productie van chitosan uit chitine, met talrijke toepassingen in uiteenlopende sectoren, waaronder de farmaceutische industrie, de landbouw en de biomedische technologie.

Industriële productie van chitosan uit paddenstoelen met hoogvermogenultrageluid

De commerciële productie van chitine en chitosan is voornamelijk gebaseerd op afval uit maritieme sectoren (d.w.z. visserij, het oogsten van schelpdieren enz.). Verschillende grondstofbronnen leiden tot verschillende kwaliteiten van chitine en chitosan, met productie- en kwaliteitsschommelingen als gevolg van seizoensgebonden variaties in de visserij. Bovendien biedt chitosan uit schimmelbronnen naar verluidt superieure eigenschappen, zoals een homogene polymeerlengte en een grotere oplosbaarheid, vergeleken met chitosan uit mariene bronnen. (vgl. Ghormade et al., 2017) Om chitosan van uniforme kwaliteit te leveren, is de extractie van chitine uit schimmelsoorten een stabiel productiealternatief geworden. De productie van chitine en chitosan uit schimmels kan eenvoudig en betrouwbaar worden gerealiseerd met ultrasone extractie- en deacetyleringstechnologie. Intensieve sonicatie breekt celstructuren open om chitine vrij te maken en bevordert de massaoverdracht in waterige oplosmiddelen voor superieure chitineopbrengsten en extractie-efficiëntie. De daaropvolgende ultrasone deacetylering zet de chitine om in het waardevolle chitosan. Zowel de ultrasone extractie van chitine als de deacetylering tot chitosan kan lineair worden opgeschaald naar elk commercieel productieniveau.

Onderzoeksresultaten voor ultrasone deacetylering van chitine en chitosan

Zhu et al. (2018) concluderen in hun onderzoek dat ultrasone deacetylering een cruciale doorbraak is gebleken, waarbij β-chitine bij verlaagde reactietemperaturen wordt omgezet in chitosan met 83–94% deacetylering. De afbeelding links toont een SEM-beeld van ultrasoon gedeacetyleerd chitosan (90 W, 15 min, 20 w/v% NaOH, 1:15 (g: mL) (afbeelding en onderzoek: © Zhu et al., 2018)
In hun protocol werd een NaOH-oplossing (20 w/v %) bereid door NaOH-vlokken op te lossen in gedeïoniseerd water. De alkalische oplossing werd vervolgens in een centrifugebuis toegevoegd aan GLSP-sediment (0,5 g) bij een verhouding tussen vaste stof en vloeistof van 1:20 (g: mL). Chitosan werd toegevoegd aan NaCl (40 mL, 0,2 M) en azijnzuur (0,1 M) bij een volumeverhouding van de oplossingen van 1:1. De suspensie werd vervolgens bij een milde temperatuur van 25°C gedurende 60 min blootgesteld aan ultrageluid met een sonicator met sonde (250W, 20kHz). (vgl. Zhu et al., 2018)
 
Pandit et al. (2021) ontdekten dat de afbraaksnelheid van chitosanoplossingen zelden wordt beïnvloed door de concentraties van het zuur dat wordt gebruikt om het polymeer op te lossen, en grotendeels afhangt van de temperatuur, de intensiteit van de ultrasone golven en de ionsterkte van de media die worden gebruikt om het polymeer op te lossen. (vgl. Pandit et al., 2021)
 
In een ander onderzoek gebruikten Zhu et al. (2019) sporenpoeders van Ganoderma lucidum als schimmelgrondstof en onderzochten zij ultrasoon ondersteunde deacetylering en de effecten van procesparameters zoals sonicatietijd, de verhouding tussen vaste stof en vloeistof, de NaOH-concentratie en het bestralingsvermogen op de deacetyleringsgraad (DD) van chitosan. De hoogste DD-waarde werd verkregen bij de volgende ultrasone parameters: 20 min sonicatie bij 80W, 10% (g:ml) NaOH, 1:25 (g:ml). De oppervlaktemorfologie, chemische groepen, thermische stabiliteit en kristalliniteit van het ultrasoon verkregen chitosan werden onderzocht met SEM, FTIR, TG en XRD. Het onderzoeksteam meldt een significante verbetering van de deacetyleringsgraad (DD), dynamische viscositeit ([η]) en het molecuulgewicht (Mv¯) van het ultrasoon geproduceerde chitosan. De resultaten onderstreepten dat de ultrasone deacetyleringstechniek voor schimmels een zeer krachtige productiemethode voor chitosan is, die geschikt is voor biomedische toepassingen. (vgl. Zhu et al., 2019)

Superieure chitosankwaliteit met ultrasone depolymerisatie en deacetylering

Ultrasoon aangedreven processen voor de extractie en depolymerisatie van chitine / chitosan zijn nauwkeurig regelbaar en de ultrasone procesparameters kunnen worden afgestemd op de grondstoffen en de beoogde kwaliteit van het eindproduct (bijv. molecuulgewicht, deacetyleringsgraad). Hierdoor kan het ultrasone proces worden aangepast aan externe factoren en kunnen optimale parameters worden ingesteld voor superieure resultaten en efficiëntie.
Ultrasoon gedeacetyleerd chitosan vertoont een uitstekende biologische beschikbaarheid en biocompatibiliteit. Wanneer ultrasoon bereide chitosanbiopolymeren wat betreft biomedische eigenschappen worden vergeleken met thermisch verkregen chitosan, vertoont het ultrasoon geproduceerde chitosan een significant verbeterde levensvatbaarheid van fibroblasten (L929-cellen) en een verhoogde antibacteriële activiteit tegen zowel Escherichia coli (E. coli) als Staphylococcus aureus (S. aureus).
(vgl. Zhu et al., 2018)
 

Ultrasone apparatuur met hoge prestaties voor de verwerking van chitine en chitosan

De fragmentatie van chitine en de deacetylering van chitine tot chitosan vereisen krachtige en betrouwbare ultrasone apparatuur die hoge amplitudes kan leveren, nauwkeurige regeling van de procesparameters biedt en 24/7 onder zware belasting en in veeleisende omgevingen kan worden gebruikt. Het productassortiment van Hielscher Ultrasonics voldoet op betrouwbare wijze aan deze eisen. Naast uitstekende ultrasone prestaties hebben sonicators van Hielscher een hoge energie-efficiëntie, wat een aanzienlijk economisch voordeel is – vooral bij gebruik in commerciële productie op grote schaal.
Sonicators van Hielscher zijn systemen met hoge prestaties die kunnen worden uitgerust met accessoires zoals sonotrodes, boosters, reactoren of doorstroomcellen om optimaal aan uw procesbehoeften te voldoen.
Met een digitaal kleurendisplay, de mogelijkheid om sonicatiecycli vooraf in te stellen, automatische gegevensregistratie op een geïntegreerde SD-kaart, bediening op afstand via een browser en vele andere functies bieden sonicators van Hielscher de hoogste mate van procescontrole en gebruiksvriendelijkheid. Dankzij hun robuustheid en hoge belastbaarheid zijn ultrasone systemen van Hielscher uw betrouwbare werkpaard in de productie.
Chitinefragmentatie en deacetylering vereisen krachtig ultrageluid om de beoogde omzetting en een hoogwaardig chitosaneindproduct te verkrijgen. Vooral voor de fragmentatie van de chitinevlokken en de depolymerisatie- / deacetyleringsstappen zijn hoge amplitudes en verhoogde drukken cruciaal. Industriële ultrasone processoren van Hielscher Ultrasonics leveren eenvoudig zeer hoge amplitudes. Amplitudes tot 200µm kunnen continu in 24/7-bedrijf worden toegepast. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotrodes beschikbaar. De vermogenscapaciteit van ultrasone systemen van Hielscher maakt efficiënte en snelle depolymerisatie en deacetylering mogelijk in een veilig en gebruiksvriendelijk proces.
 

De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicators:

---

---

Synergistische chitinebehandeling verbeterd door ultrasone behandeling

Om de nadelen (d.w.z. lage efficiëntie, hoge energiekosten, lange verwerkingstijd, giftige oplosmiddelen) van traditionele chemische en enzymatische deacetylering van chitine te overwinnen, is ultrageluid met hoge intensiteit geïntegreerd in de verwerking van chitine en chitosan. Sonicatie met hoge intensiteit en de daaruit voortvloeiende effecten van akoestische cavitatie leiden tot een snelle splitsing van polymeerketens en verminderen de polydispersiteit, waardoor de synthese van chitosan wordt bevorderd. Bovendien intensiveren ultrasone afschuifkrachten de massaoverdracht in de oplossing, zodat chemische, hydrolytische of enzymatische reacties worden versterkt. Ultrasone chitinebehandeling kan worden gecombineerd met bestaande technieken voor chitineverwerking, zoals chemische methoden, hydrolyse of enzymatische procedures.

Ultrasoon ondersteunde chemische deacetylering en depolymerisatie

Omdat chitine een niet-reactief en onoplosbaar biopolymeer is, moet het de processtappen demineralisatie, deproteïnisatie en depolymerisatie / deacetylering ondergaan om oplosbaar en biologisch toegankelijk chitosan te verkrijgen. Deze processtappen omvatten behandelingen met sterke zuren zoals HCl en sterke basen zoals NaOH en KOH. Omdat deze conventionele processtappen inefficiënt en traag zijn en veel energie vereisen, verbetert procesintensivering door sonicatie de productie van chitosan aanzienlijk. De toepassing van hoogvermogenultrageluid verhoogt de opbrengst en kwaliteit van chitosan, verkort het proces van dagen tot enkele uren, maakt mildere oplosmiddelen mogelijk en maakt het gehele proces energiezuiniger.

Ultrasoon verbeterde deproteïnisatie van chitine

Vallejo-Dominguez et al. (2021) ontdekten in hun onderzoek naar de deproteïnisatie van chitine dat de “toepassing van ultrageluid voor de productie van biopolymeren zowel het eiwitgehalte als de deeltjesgrootte van chitine verminderde. Met ondersteuning van ultrageluid werd chitosan met een hoge deacetyleringsgraad en een gemiddeld molecuulgewicht geproduceerd.”

Ultrasone hydrolyse voor de depolymerisatie van chitine

Voor chemische hydrolyse worden zuren of alkaliën gebruikt om chitine te deacetyleren, maar deacetylering met alkaliën (bijv. natriumhydroxide NaOH) wordt vaker toegepast. Zure hydrolyse is een alternatieve methode voor de traditionele chemische deacetylering, waarbij oplossingen van organische zuren worden gebruikt om chitine en chitosan te depolymeriseren. De methode van zure hydrolyse wordt vooral gebruikt wanneer het molecuulgewicht van chitine en chitosan homogeen moet zijn. Dit conventionele hydrolyseproces staat bekend als traag en energie- en kostenintensief. De noodzaak van sterke zuren, hoge temperaturen en hoge drukken maakt het hydrolytische chitosanproces tot een zeer dure en tijdrovende procedure. De gebruikte zuren vereisen vervolgprocessen zoals neutralisatie en ontzouting.
Door de integratie van hoogvermogenultrageluid in het hydrolyseproces kunnen de vereiste temperatuur en druk voor de hydrolytische splitsing van chitine en chitosan aanzienlijk worden verlaagd. Bovendien maakt sonicatie lagere zuurconcentraties of het gebruik van mildere zuren mogelijk. Dit maakt het proces duurzamer, efficiënter, kosteneffectiever en milieuvriendelijker.

Ultrasoon ondersteunde chemische deacetylering

Chemische desintegratie en deacetylering van chitine en chitosan worden voornamelijk gerealiseerd door chitine of chitosan te behandelen met minerale zuren (bijv. zoutzuur HCl), natriumnitriet (NaNO₂), of waterstofperoxide (H₂O₂). Ultrageluid verhoogt de deacetyleringssnelheid en verkort daardoor de reactietijd die nodig is om de beoogde deacetyleringsgraad te verkrijgen. Dit betekent dat sonicatie de vereiste verwerkingstijd van 12–24 uur terugbrengt tot enkele uren. Bovendien maakt sonicatie aanzienlijk lagere concentraties van chemicaliën mogelijk, bijvoorbeeld 40% (w/w) natriumhydroxide bij gebruik van sonicatie, terwijl zonder ultrageluid 65% (w/w) vereist is.

Ultrasoon-enzymatische deacetylering

Hoewel enzymatische deacetylering een milde, milieuvriendelijke verwerkingsmethode is, zijn de efficiëntie en de kosten ervan economisch ongunstig. Vanwege de complexe, arbeidsintensieve en dure isolatie en zuivering van enzymen uit het eindproduct tijdens de verdere verwerking wordt enzymatische deacetylering van chitine niet toegepast in commerciële productie, maar alleen gebruikt in laboratoria voor wetenschappelijk onderzoek.
Ultrasone voorbehandeling vóór enzymatische deacetylering fragmenteert chitinemoleculen, waardoor het oppervlak groter wordt en meer oppervlak beschikbaar komt voor de enzymen. Sonicatie met hoge prestaties helpt de enzymatische deacetylering te verbeteren en maakt het proces economischer.