Productie van chitine en chitosan uit champignons

Ultrasoonbehandeling is een zeer efficiënte methode om chitine en chitosan vrij te maken uit schimmelbronnen zoals paddenstoelen. Chitine en chitosan moeten worden gedepolymeriseerd en gedeacetyleerd in de downstreamverwerking om een biopolymeer van hoge kwaliteit te verkrijgen. De ultrasoon ondersteunde depolymerisatie en deacetylatie is een zeer efficiënte, eenvoudige en snelle techniek die resulteert in chitosanen van hoge kwaliteit met een hoog moleculair gewicht en een superieure biologische beschikbaarheid.

Chitine en chitosan uit champignons via ultrasoonbehandeling

Eetbare en medicinale paddenstoelen zoals Lentinus edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi of reishi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (knoppaddenstoelen), Hericium erinaceus (leeuwenmanen), Cordyceps sinensis (rupsschimmel), Grifola frondosa (houthoen), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, kalkoenstaart) en vele andere schimmelsoorten worden veel gebruikt als voedsel en voor de extractie van bioactieve stoffen. Deze paddenstoelen en verwerkingsresiduen (paddenstoelafval) kunnen worden gebruikt om chitosan te produceren. Ultrasoon gebruik bevordert niet alleen het vrijkomen van chitine uit de schimmelcelwandstructuur, maar stimuleert ook de omzetting van chitine in waardevol chitosan via ultrasoon ondersteunde depolymerisatie en deacetylering.

 

Intensieve ultrasoonbehandeling met een ultrasoon systeem van het probe-type is een techniek die wordt gebruikt om de depolymerisatie en deacetylatie van chitine te bevorderen, wat leidt tot de vorming van chitosan. Chitine is een natuurlijk voorkomende polysacharide die voorkomt in het exoskelet van schaaldieren, insecten en de celwanden van bepaalde schimmels. Chitosan wordt afgeleid van chitine door de acetylgroepen uit het chitinemolecuul te verwijderen.

Ultrasone procedure voor de omzetting van schimmelchitine in chitosan

Wanneer intense ultrasone trillingen worden toegepast voor de productie van chitosan uit chitine, wordt een chitinesuspensie gesoneerd met ultrasone golven met hoge intensiteit en lage frequentie, meestal in het bereik van 20 kHz tot 30 kHz. Het proces genereert intense akoestische cavitatie, wat verwijst naar de vorming, groei en instorting van microscopische vacuümbellen in de vloeistof. Cavitatie genereert plaatselijke extreem hoge schuifkrachten, hoge temperaturen (tot enkele duizenden graden Celsius) en drukken (tot enkele honderden atmosferen) in de vloeistof die de cavitatiebellen omringt. 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 microstroming en vloeistofverstuiving, en door ultrasonisch geïnitieerde chemische reacties geïnduceerd door vrije radicalen en andere reactieve species gevormd tijdens cavitatie. De hogedrukgolven die worden gegenereerd tijdens cavitatie zorgen ervoor dat de chitineketens schuifspanning ondergaan, wat resulteert in het uiteenvallen van het polymeer in kleinere fragmenten.

Ultrasone deacetylering van chitine

Naast depolymerisatie bevordert intense ultrasoonbehandeling ook de deacetylering van chitine. Bij deacetylatie worden acetylgroepen uit de chitinemolecule verwijderd, wat leidt tot de vorming van chitosan. Intense ultrasone energie, met name de hoge temperaturen en druk die tijdens cavitatie worden gegenereerd, versnellen de deacetyleringsreactie. De reactieve omstandigheden die door cavitatie worden gecreëerd, helpen de acetylverbindingen in chitine te verbreken, wat resulteert in het vrijkomen van azijnzuur en de omzetting van chitine in chitosan.
Over het algemeen verbetert intense ultrasoonbehandeling zowel het depolymerisatie- als het deacetylatieproces door de noodzakelijke 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 talloze toepassingen in verschillende industrieën, waaronder de farmaceutische industrie, landbouw en biomedische techniek.

Industriële Chitosan Productie uit Paddenstoel met Ultrasoon Vermogen

De commerciële productie van chitine en chitosan is voornamelijk gebaseerd op afval van de mariene industrie (d.w.z. visserij, schelpdieroogst, enz.). Verschillende bronnen van grondstoffen resulteren in verschillende kwaliteiten chitine en chitosan, wat leidt tot schommelingen in productie en kwaliteit als gevolg van seizoensgebonden variaties in de visvangst. Bovendien biedt chitosan uit schimmelbronnen naar verluidt superieure eigenschappen zoals homogene polymeerlengte en een grotere oplosbaarheid in vergelijking met chitosan uit mariene bronnen. (cf. Ghormade et al., 2017) Om uniforme chitosan te leveren, is de extractie van chitine uit schimmelsoorten een stabiel productiealternatief geworden. De productie van chitine en citiosan uit schimmels kan eenvoudig en betrouwbaar worden bereikt met behulp van ultrasone extractie en deacetyleringstechnologie. Intense sonicatie verstoort de celstructuren om chitine vrij te maken en bevordert de massaoverdracht in waterige oplosmiddelen voor een superieure chitineopbrengst en extractie-efficiëntie. Daaropvolgende ultrasone deacetylering zet de chitine om in het waardevolle chitosan. Zowel de ultrasone chitine-extractie als deacetylering tot chitosan kan lineair worden geschaald tot elk commercieel productieniveau.

Onderzoeksresultaten voor Ultrasone Chitine- en Chitosan-deacetylering

Zhu et al. (2018) concluderen in hun studie dat ultrasone deacetylering een cruciale doorbraak blijkt te zijn, waarbij β-chitine wordt omgezet in chitosan met 83-94% deacetylering bij lagere reactietemperaturen. De afbeelding links toont een SEM-beeld van ultrasoon gedeacetyleerd chitosan (90 W, 15 min, 20 w/v% NaOH, 1:15 (g: ml) (foto en studie: © Zhu et al., 2018)
In hun protocol werd NaOH-oplossing (20 w/v %) bereid door NaOH-vlokken op te lossen in DI-water. De alkalioplossing werd vervolgens toegevoegd aan GLSP sediment (0,5 g) in een vast-vloeistofverhouding van 1:20 (g: ml) in een centrifugebuis. Chitosan werd toegevoegd aan NaCl (40 mL, 0,2 M) en azijnzuur (0,1 M) in een volumeverhouding van 1:1 oplossing. De suspensie werd vervolgens onderworpen aan ultrasoon geluid bij een milde temperatuur van 25 °C gedurende 60 minuten met behulp van een ultrasone sensor van het probe-type (250 W, 20 kHz). (vgl. Zhu et al., 2018)
 
Pandit et al. (2021) ontdekten dat de afbraaksnelheid voor chitosanoplossingen zelden wordt beïnvloed door de zuurconcentraties die worden gebruikt om het polymeer op te lossen en grotendeels afhangt van de temperatuur, de intensiteit van de ultrasone geluidsgolven en de ionische sterkte van de media die worden gebruikt om het polymeer op te lossen. (Zie Pandit et al., 2021)
 
In een ander onderzoek gebruikten Zhu et al. (2019) Ganoderma lucidum spore poeders als fungale grondstof en onderzochten ultrasoon ondersteunde deacetylatie en de effecten van verwerkingsparameters zoals sonicatietijd, vast-vloeibaar verhouding, NaOH-concentratie en bestralingsvermogen op de mate van deacetylatie (DD) van chitosan. De hoogste DD-waarde werd verkregen bij de volgende ultrasoonparameters: 20 minuten sonicatie bij 80 W, 10% (g:ml) NaOH, 1:25 (g:ml). De oppervlaktemorfologie, chemische groepen, thermische stabiliteit en kristalliniteit van het ultrasoon verkregen chitosan werden onderzocht met behulp van SEM, FTIR, TG en XRD. Het onderzoeksteam rapporteerde een significante verbetering van de mate van deacetylering (DD), dynamische viscositeit ([η]) en moleculair gewicht (Mv¯) van het ultrasoon geproduceerde chitosan. De resultaten onderstreepten dat de ultrasone deacetylatietechniek van schimmels een zeer krachtige productiemethode voor chitosan is, die geschikt is voor biomedische toepassingen. (cf. Zhu et al., 2019)

Superieure kwaliteit van chitosan met ultrasone depolymerisatie en deacetylering

Ultrasoon aangestuurde processen van chitine/chitosan extractie en depolymerisatie zijn nauwkeurig controleerbaar en ultrasone procesparameters kunnen worden aangepast aan de grondstoffen en de beoogde eindproductkwaliteit (bijv. moleculair gewicht, mate van deacetylering). Hierdoor kan het ultrasone proces worden aangepast aan externe factoren en kunnen optimale parameters worden ingesteld voor een superieur resultaat en efficiëntie.
Ultrasoon gedeacetyleerd chitosan vertoont een uitstekende biologische beschikbaarheid en biocompatibiliteit. Wanneer ultrasoon bereide chitosan biopolymeren worden vergeleken met thermisch verkregen chitosan voor wat betreft biomedische eigenschappen, vertoont het ultrasoon geproduceerde chitosan significant verbeterde levensvatbaarheid voor fibroblasten (L929 cellen) en verbeterde antibacteriële activiteit voor 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

Voor het fragmenteren van chitine en het decetyleren van chitine tot chitosan is krachtige en betrouwbare ultrasone apparatuur nodig die hoge amplitudes kan leveren, de procesparameters nauwkeurig kan regelen en 24/7 kan werken onder zware belasting en in veeleisende omgevingen. Het productassortiment van Hielscher Ultrasonics voldoet op betrouwbare wijze aan deze eisen. Naast uitstekende ultrasone prestaties bieden Hielscher ultrasone apparaten een hoge energie-efficiëntie, wat een aanzienlijk economisch voordeel is. – vooral bij gebruik in commerciële grootschalige productie.
Hielscher ultrasone systemen zijn krachtige systemen die kunnen worden uitgerust met accessoires zoals sonotrodes, boosters, reactoren of flowcellen om optimaal aan uw procesbehoeften te voldoen.Met het digitale kleurendisplay, de optie om sonicatieruns vooraf in te stellen, automatische gegevensregistratie op een geïntegreerde SD-kaart, browserbediening op afstand en nog veel meer functies, zorgen Hielscher ultrasone systemen voor de hoogste procescontrole en gebruiksvriendelijkheid. In combinatie met hun robuustheid en zware belastbaarheid zijn de Hielscher ultrasone systemen uw betrouwbare werkpaard in de productie. Voor chitinefragmentatie en deacetylatie is krachtig ultrasoon geluid nodig voor een doelgerichte conversie en een chitosan eindproduct van hoge kwaliteit. Vooral voor het fragmenteren van de chitinevlokken en de depolymerisatie/deacetylatiestappen zijn hoge amplitudes en hoge drukken cruciaal. De industriële ultrasoonprocessoren van Hielscher Ultrasonics leveren gemakkelijk zeer hoge amplitudes. Amplituden tot 200 µm kunnen continu worden gebruikt, 24/7. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotroden beschikbaar. Het vermogen van de Hielscher ultrasone systemen maakt efficiënte en snelle depolymerisatie en deacetylatie mogelijk in een veilig en gebruiksvriendelijk proces.
 

De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines:

---

---

Synergetische chitinebehandeling verbeterd door ultrasoonbehandeling

Om de nadelen (zoals lage efficiëntie, hoge energiekosten, lange verwerkingstijd, giftige oplosmiddelen) van traditionele chemische en enzymatische chitine deacetlytie te overwinnen, is ultrageluid met hoge intensiteit geïntegreerd in de verwerking van chitine en chitosan. Sonicatie met hoge intensiteit en de resulterende 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 schuifkrachten de massaoverdracht in de oplossing, zodat chemische, hydrolytische of enzymatische reacties worden versterkt. Ultrasone chitinebehandeling kan worden gecombineerd met reeds bestaande chitineverwerkingstechnieken zoals chemische methoden, hydrolyse of enzymatische procedures.

Ultrasoon gestuurde chemische deacetylering en depolymerisatie

Aangezien chitine een niet-reactief en onoplosbaar biopolymeer is, moet het de processtappen van demineralisatie, deproteïnisatie en depolymerisatie? deacetylatie ondergaan om oplosbaar en bioacessibel chitosan te verkrijgen. Deze processtappen omvatten behandelingen met sterke zuren zoals HCl en sterke basen zoals NaOH en KOH. Aangezien deze conventionele processtappen inefficiënt en langzaam zijn en veel energie kosten, verbetert procesintensivering door middel van sonicatie de chitosanproductie aanzienlijk. De toepassing van power-ultrasound verhoogt de opbrengst en kwaliteit van chitosan, verkort het proces van dagen tot een paar uur, maakt mildere oplosmiddelen mogelijk en maakt het hele proces energiezuiniger.

Ultrasoon verbeterde deproteïnisering van chitine

Vallejo-Dominguez et al. (2021) vonden in hun onderzoek naar chitine deproteïnisatie dat de “Toepassing van ultrageluid voor de productie van biopolymeren verminderde het eiwitgehalte en de deeltjesgrootte van chitine. Chitosan met een hoge deacetyleringsgraad en een gemiddeld molecuulgewicht werd geproduceerd met behulp van ultrageluid.”

Ultrasone hydrolyse voor depolymerisatie van chitine

Voor chemische hydrolyse worden zuren of alkaliën gebruikt om chitine te deacetyleren, maar alkalideacetylatie (bijv. natriumhydroxide NaOH) wordt meer gebruikt. Zure hydrolyse is een alternatieve methode voor de traditionele chemische deacetylering, waarbij organische zuuroplossingen worden gebruikt om chitine en chitosan te depolymeriseren. De methode van zure hydrolyse wordt meestal gebruikt als het moleculaire gewicht van chitine en chitosan homogeen moet zijn. Dit conventionele hydrolyseproces staat bekend als langzaam en energie- en kostenintensief. Het gebruik van sterke zuren, hoge temperaturen en drukken zijn factoren die het hydrolytische chitosanproces tot een zeer dure en tijdrovende procedure maken. De gebruikte zuren vereisen stroomafwaartse processen zoals neutralisatie en ontzouting.
Met de integratie van ultrageluid met hoog vermogen in het hydrolyseproces kunnen de temperatuur en druk die nodig zijn 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 gestuurde chemische deacetylering

Chemische desintegratie en deacteylatie van chitine en chitosan vindt voornamelijk plaats door chitine of chitosan te behandelen met minerale zuren (bijv. zoutzuur HCl), natriumnitriet (NaNO₂) of waterstofperoxide (H₂O₂). Ultrasoon geluid verbetert de deacetyleringssnelheid waardoor de reactietijd die nodig is om de beoogde deacetyleringsgraad te bereiken wordt verkort. Dit betekent dat sonicatie de benodigde verwerkingstijd van 12-24 uur terugbrengt tot een paar uur. Bovendien maakt ultrasone trillingen aanzienlijk lagere chemische concentraties mogelijk, bijvoorbeeld 40% (m/m) natriumhydroxide met behulp van ultrasone trillingen, terwijl 65% (m/m) nodig is zonder het gebruik van ultrasone trillingen.

Ultrasoon-enzymatische deacetylering

Hoewel enzymatische deacetylering een milde, milieuvriendelijke verwerkingsmethode is, zijn de efficiëntie en de kosten ervan oneconomisch. Vanwege de complexe, arbeidsintensieve en dure isolatie en zuivering van enzymen uit het eindproduct wordt enzymatische deacetylering van chitine niet toegepast in commerciële productie, maar alleen gebruikt in wetenschappelijke onderzoekslaboratoria.
Ultrasone voorbehandeling vóór enzymatische deacetlytatie fragmenteert chitinemoleculen waardoor het oppervlak groter wordt en er meer oppervlak beschikbaar is voor de enzymen. Krachtige sonicatie helpt de enzymatische deacetylering te verbeteren en maakt het proces economischer.