Productie van chitine en chitosan uit paddestoelen

Ultrasoonbehandeling is een zeer efficiënte methode om chitine en chitosan vrij te maken uit schimmelbronnen zoals paddenstoelen. Chitine en chitosan moeten in een later stadium worden gedeacetyleerd om een biopolymeer van hoge kwaliteit te verkrijgen. Ultrasoon-geassisteerde deacetylering 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 paddenstoelen

Eetbare en geneeskrachtige paddenstoelen zoals Lentinus edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi of reishi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (knopzwammen), Hericium erinaceus (leeuwenmanen), Cordyceps sinensis (rupszwam), Grifola frondosa (henneschimmel), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, kalkoenstaart) en vele andere paddestoelsoorten worden op grote schaal gebruikt als voedingsmiddel en voor de extractie van bioactieve verbindingen. Zowel deze paddestoelen als verwerkingsresiduen (afval van paddestoelen) kunnen worden gebruikt om chitosan te produceren. Ultrasoonbehandeling bevordert niet alleen het vrijkomen van chitine uit de schimmelcelwandstructuur, maar stuurt ook de omzetting van chitine in waardevol chitosan via ultrasone depolymerisatie.

Ultrasone deacetylering van chitine naar Chitosan

Deacetylering van chitine naar chitosan wordt bevorderd door de sonificatie.

Informatieaanvraag




Let op onze Privacybeleid.


Ultrasonic extractor UIP4000hdT for extraction en deacetylation of chitin from mushrooms

Ultrasoonbehandeling wordt gebruikt om chitine uit paddestoelen te extraheren. Bovendien bevordert ultrageluid de deacetylering van chitine om chitosan te verkrijgen.

Ultrasoonbehandeling is een snelle en milde extractiemethode om paddenstoelenextract van hoge kwaliteit te produceren. In de video wordt een UP400St gebruikt voor de extractie van polysacchariden uit eetbare paddenstoelen.

Koude paddestoel extractie met behulp van UP400St met 22mm sonde

chitinechitine, een N-acetylglucosaminepolymeer (poly-(β-(1-4)-N-acetyl-D-glucosamine), is een natuurlijk voorkomende polysacharide die veel voorkomt in het exoskelet van ongewervelde dieren zoals schaaldieren en insecten, het inwendige skelet van inktvissen en pijlinktvissen, en de celwanden van schimmels. Ingebed in de structuur van de celwanden van paddestoelen is chitine verantwoordelijk voor de vorm en de stijfheid van de schimmelcelwand. Voor vele toepassingen wordt chitine via een depolymerisatieproces omgezet in zijn gedeacetyleerd derivaat, bekend als chitosan.
chitosan is het meest voorkomende en meest waardevolle derivaat van chitine. Het is een polysacharide met een hoog moleculair gewicht, verbonden door b-1,4 glycoside, bestaande uit N-acetyl-glucosamine en glucosamine.
Chitosan kan worden verkregen door chemische of enzymatische n-deacetylering. In het chemisch gestuurde deacetylatieproces wordt de acetylgroep (R-NHCOCH3) wordt afgesplitst door sterke alkali bij hoge temperaturen. Als alternatief kan chitosan worden gesynthetiseerd via enzymatische deacetylering. Op industriële productieschaal wordt echter de voorkeur gegeven aan chemische deacetylering, aangezien enzymatische deacetylering aanzienlijk minder efficiënt is als gevolg van de hoge kosten van de deacetylase-enzymen en de lage opbrengst aan chitosan. Ultrasoonbehandeling wordt gebruikt om de chemische afbraak van de (1→4)-/β-binding (depolymerisatie) te intensiveren en de deacetylering van chitine te bewerkstelligen, zodat chitosan van hoge kwaliteit wordt verkregen. Wanneer sonicatie wordt toegepast als voorbehandeling voor de enzymatische deacetylering, wordt ook de opbrengst en de kwaliteit van chitosan verbeterd.

Industriële productie van chitosan uit champignons met ultrageluid

De commerciële productie van chitine en chitosan is hoofdzakelijk gebaseerd op afval van de mariene industrie (d.w.z. visserij, schelpdieroogst, enz.). Verschillende bronnen van grondstoffen resulteren in verschillende chitine- en chitosankwaliteiten, met als gevolg schommelingen in productie en kwaliteit door seizoensgebonden visserijvariaties. Bovendien biedt chitosan afkomstig van schimmelbronnen naar verluidt superieure eigenschappen zoals homogene polymeerlengte en grotere oplosbaarheid in vergelijking met chitosan afkomstig van mariene bronnen. (cf. Ghormade et al., 2017) Om uniform chitosan te kunnen leveren, is de extractie van chitine uit schimmelsoorten een stabiele alternatieve productie geworden. Chitine en citiosan productie uit schimmels kan gemakkelijk en betrouwbaar worden bereikt met behulp van ultrasone extractie en deacetylatie technologie. Intense sonicatie verstoort celstructuren 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 chitine-extractie als de deacetylering tot chitosan kunnen lineair worden opgeschaald tot elk commercieel productieniveau.

Ultrasonic extraction and deacetylation  of fungal chitin give high-quality chitosan.

Sonificatie intensiveert de productie van schimmelchitosan en maakt de productie efficiënter en economischer.
(foto en studie: © Zhu et al., 2019)

Ultrasonic chitin extraction from mushrooms with the UP400ST probe-type ultrasonicator (400W, 24kHz)

ultrasonicator UP400St voor de extractie van paddenstoelen: Sonificatie geeft een hoge opbrengst aan bioactieve stoffen zoals de polysacchariden chitine en chitosan

Zeer efficiënte synthese van chitosan via sonificatie

Om de nadelen (d.w.z. laag rendement, hoge energiekosten, lange verwerkingstijd, giftige oplosmiddelen) van de traditionele chemische en enzymatische chitine deacetlytie te overwinnen, is ultrageluid met hoge intensiteit geïntegreerd in de chitine- en chitosanverwerking. Sonisatie 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 afschuifkrachten de massaoverdracht in de oplossing, zodat chemische, hydrolytische of enzymatische reacties worden versterkt.

Ultrasoon-ondersteunde 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 bioacessible 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 traag zijn en veel energie vergen, verbetert een intensivering van het proces door 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 energie-efficiënter.

Ultrasoon verbeterde deproteïnisering van chitine

Vallejo-Dominguez et al. (2021) ontdekten in hun onderzoek naar chitine deproteïnisatie dat de "toepassing van ultrageluid voor de productie van biopolymeren zowel het eiwitgehalte als de deeltjesgrootte van chitine verminderde. Chitosan met een hoge deacetylatiegraad en een gemiddeld moleculair gewicht werd geproduceerd met behulp van ultrageluid.

Ultrasone hydrolyse voor chitine depolymerisatie

Voor chemische hydrolyse worden zuren of alkaliën gebruikt om chitine te deacetyleren, hoewel alkali-deacetylering (b.v. natriumhydroxide NaOH) op grotere schaal wordt toegepast. 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 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 drukken zijn factoren die het hydrolytische chitosanproces tot een zeer dure en tijdrovende procedure maken. De gebruikte zuren vereisen downstream-processen zoals neutralisatie en ontzouten.
Door de integratie van ultrasoon geluid met hoog vermogen in het hydrolyseproces kunnen de temperatuur- en drukvereisten voor de hydrolytische splitsing van chitine en chitosan aanzienlijk worden verlaagd. Bovendien kunnen door sonicatie lagere zuurconcentraties worden bereikt of mildere zuren worden gebruikt. Dit maakt het proces duurzamer, efficiënter, kosteneffectiever en milieuvriendelijker.

Ultrasoon-ondersteunde chemische deacetylering

Chemische desintegratie en deacteylering van chitine en chitosan wordt voornamelijk bereikt door chitine of chitosan te behandelen met minerale zuren (bv. zoutzuur HCl), natriumnitriet (NaNO2), of waterstofperoxide (H2de2). Ultrasoon geluid verbetert de deacetyleringssnelheid en verkort daardoor de reactietijd die nodig is om de beoogde deacetyleringsgraad te bereiken. Dit betekent dat sonicatie de vereiste verwerkingstijd van 12-24 uur terugbrengt tot een paar uur. Bovendien kunnen door sonicatie aanzienlijk lagere chemische concentraties worden bereikt, bijvoorbeeld 40% (m/m) natriumhydroxide bij gebruik van sonicatie, terwijl 65% (m/m) nodig is zonder het gebruik van ultrageluid.

Ultrasone enzymatische deacetylering

Hoewel enzymatische deacetylering een milde, milieuvriendelijke verwerkingsvorm is, zijn de efficiëntie en de kosten oneconomisch. Vanwege de complexe, arbeidsintensieve en dure stroomafwaartse isolatie en zuivering van enzymen uit het eindproduct wordt enzymatische chitine-deacetylering niet in de commerciële productie toegepast, maar alleen in wetenschappelijke onderzoekslaboratoria.
Ultrasone voorbehandeling vóór enzymatische deacetylering fragmenteert de chitinemoleculen, waardoor het oppervlak wordt vergroot en er meer oppervlakte beschikbaar komt voor de enzymen. Hoogwaardige sonificatie helpt de enzymatische deacetylering te verbeteren en maakt het proces economischer.

Onderzoeksresultaten voor ultrasone deacetylering van chitine en chitosan

Sonochemically deacetylated chitin results in high-quality chitosan.Zhu et al. (2018) concluderen in hun studie dat ultrasone deacetylatie een cruciale doorbraak is gebleken, waarbij β-chitine wordt omgezet in chitosan met 83-94% deacetylatie bij gereduceerde 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 ultrageluid bij een milde temperatuur van 25°C gedurende 60 min met behulp van een sondetype ultrasoonapparaat (250W, 20kHz). (cf Zhu et al., 2018)
Pandit et al. (2021) ontdekten dat de degradatiesnelheid van chitosanoplossingen zelden wordt beïnvloed door de concentraties zuur die worden gebruikt om het polymeer op te lossen en grotendeels afhangt van de temperatuur, de intensiteit van de ultrageluidsgolven en de ionensterkte van de media die worden gebruikt om het polymeer op te lossen. (cf. Pandit et al., 2021)

In een andere studie gebruikten Zhu et al. (2019) sporenpoeders van Ganoderma lucidum als schimmelgrondstof en onderzochten ze ultrasone deacetylatie en de effecten van verwerkingsparameters zoals sonicatietijd, verhouding vast-vloeibaar, NaOH-concentratie en bestralingsvermogen op de deacetylatiegraad (DD) van chitosan. De hoogste DD-waarde werd verkregen bij de volgende ultrasone parameters: 20 min sonicatie bij 80 W, 10% (g:ml) NaOH, 1:25 (g:ml). De oppervlaktemorfologie, de chemische groepen, de thermische stabiliteit en de kristalliniteit van het ultrasoon verkregen chitosan werden onderzocht met behulp van SEM, FTIR, TG en XRD. Het onderzoeksteam rapporteert een aanzienlijke verbetering van de deacetylatiegraad (DD), de dynamische viscositeit ([η]) en het molecuulgewicht (Mv¯) van het ultrasoon geproduceerde chitosan. De resultaten onderstreepten de ultrasone deacetyleringstechniek van schimmels een zeer krachtige productiemethode voor chitosan, die geschikt is voor biomedische toepassingen. (cf. Zhu et al., 2019)

Chitins and chitosans from mushroom can be efficiently extracted using probe-type ultrasonication.

SEM-beelden van chitinen en chitosanen van twee paddestoelsoorten: a) Chitine van L. vellereus; b) Chitine van P. ribis; c) Chitosan van L.vellereus; d) chitosan van P. ribis.
foto en studie: © Erdoğan et al., 2017

Industrial ultrasonic tank reactor with high-performance ultrasonic probe for chitin deacetylation

Ultrasone reactor met 2000W ultrageluidsonde (sonotrode) voor chitine-extractie uit paddestoelen en daaropvolgende depolymerisatie / deacetylatie

Informatieaanvraag




Let op onze Privacybeleid.


Superieure Chitosan kwaliteit met ultrasone deacetylatie

Ultrasoon gestuurde processen van chitine / chitosan extractie en depolymerisatie zijn nauwkeurig controleerbaar en ultrasone procesparameters kunnen worden aangepast aan de grondstoffen en de beoogde eindproductkwaliteit (b.v. moleculair gewicht, mate van deacetylatie). Dit maakt het mogelijk het ultrasoon proces aan te passen aan externe factoren en optimale parameters in te stellen voor superieure resultaten en efficiëntie.
Ultrasoon gedeacetyleerd chitosan vertoont een uitstekende biologische beschikbaarheid en biocompatibiliteit. Wanneer ultrasoon bereide chitosanbiopolymeren worden vergeleken met thermisch verkregen chitosan wat betreft biomedische eigenschappen, vertoont het ultrasoon geproduceerde chitosan een aanzienlijk verbeterde levensvatbaarheid van fibroblasten (L929-cellen) en een verbeterde antibacteriële activiteit voor zowel Escherichia coli (E. coli) als Staphylococcus aureus (S. aureus).
(cf. Zhu et al., 2018)

Hoe werkt ultrasone extractie en deacetylering van chitine?

Wanneer krachtige ultrasone golven in een vloeistof of slurry (b.v. een suspensie bestaande uit chitine in een oplosmiddel) worden ingebracht, reizen de ultrasone golven door de vloeistof waardoor afwisselend hoge-druk/lage-druk cycli ontstaan. Tijdens lagedrukcycli ontstaan minuscule vacuümbelletjes (zogenaamde cavitatiebelletjes), die gedurende verscheidene drukcycli groter worden. Bij een bepaalde grootte, wanneer de bellen niet meer meer energie kunnen opnemen, imploderen zij heftig tijdens een hogedrukcyclus. De belimplosie wordt gekenmerkt door intense cavitatie- (of sonomechanische) krachten. Deze sonomechanische omstandigheden doen zich plaatselijk voor in de cavitatie hot-spot en worden gekenmerkt door zeer hoge temperaturen en drukken tot 4000 K en 1000atm, respectievelijk; alsook door overeenkomstige hoge temperatuur- en drukverschillen. Bovendien worden micro-turbulenties en vloeistofstromen met snelheden tot 100 m/s opgewekt. Ultrasone extractie van chitine en chitosan uit schimmels en schaaldieren alsmede chitine depolymerisatie en deacetylatie worden voornamelijk veroorzaakt door sonomechanische effecten: de agitatie en turbulenties verstoren cellen en bevorderen massaoverdracht en kunnen ook polymeerketens doorsnijden in combinatie met zure of alkalische oplosmiddelen.
Werkingsprincipe van chitine-extractie door middel van ultrasoonbehandeling: Ultrasone extractie breekt de celstructuur van paddenstoelen op efficiënte wijze en zorgt ervoor dat de intracellulaire verbindingen uit de celwand en de celinhoud (d.w.z. polysachariden zoals chitine en chitosan en andere bioactieve fytochemicaliën) vrijkomen in het oplosmiddel. Ultrasone extractie is gebaseerd op het werkingsprincipe van akoestische cavitatie. De effecten van ultrasone/akoestische cavitatie zijn hoge afschuifkrachten, turbulenties en intense drukverschillen. Deze sonomechanische krachten breken celstructuren zoals de chitineuze paddenstoelcelwanden, bevorderen de massaoverdracht tussen het biomateriaal van de paddenstoel en het oplosmiddel en resulteren in zeer hoge extractopbrengsten binnen een snel proces. Bovendien bevordert sonicatie de sterilisatie van extracten door het doden van bacteriën en microben. Microbiële inactivering door sonicatie is het resultaat van de destructieve cavitatiekrachten op het celmembraan, de productie van vrije radicalen en plaatselijke verhitting.
Werkingsprincipe van depolymerisatie en deacetylatie door middel van ultrasoonbehandeling: De polymeerketens worden gevangen in het afschuifveld rond een luchtbel en de ketensegmenten van de polymeerspoel in de buurt van een instortende holte zullen met een hogere snelheid bewegen dan die verder weg. Er worden dan spanningen op de polymeerketen veroorzaakt door de relatieve beweging van de polymeersegmenten en de oplosmiddelen en deze zijn voldoende om splitsing te veroorzaken. Het proces is dus vergelijkbaar met andere afschuivingseffecten in polymeeroplossingen ~2° en geeft zeer vergelijkbare resultaten. (cf. Price et al., 1994)

Informatieaanvraag




Let op onze Privacybeleid.


Ultrasone apparatuur met hoge prestaties voor de verwerking van schimmelchitine en -chitosan

Ultrasone deacetylering van de kieling tot chitosan

Aftasten van elektronenmicroscopie (SEM) beelden in een vergroting van 100× van a) gladius, b) met ultrasound behandelde gladius, c) β-chitine, d) met ultrasound behandelde β-chitine, en e) chitosan (bron: Preto et al. 2017).

4kW ultrasonicator for industrial chitin / chitosan processing from crustacean and fungiVoor de fragmentatie van chitine en de decetylering van chitine tot chitosan is krachtige en betrouwbare ultrasoonapparatuur nodig die hoge amplitudes kan leveren, de procesparameters nauwkeurig kan regelen 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 bieden Hielscher ultrasoonapparaten een hoog energierendement, wat een belangrijk economisch voordeel is – vooral bij grootschalige commerciële productie.
Hielscher ultrasoonapparaten zijn krachtige systemen die kunnen worden uitgerust met accessoires zoals sonotrodes, boosters, reactors of flowcellen om optimaal aan uw procesbehoeften te voldoen.Met een digitaal kleurendisplay, de mogelijkheid om vooraf sonicaties in te stellen, automatische gegevensregistratie op een geïntegreerde SD-kaart, bediening via een browser op afstand en nog veel meer functies, zijn de hoogste procesbeheersing en gebruiksvriendelijkheid gegarandeerd. In combinatie met robuustheid en zware belastbaarheid zijn Hielscher ultrasoon systemen uw betrouwbare werkpaard in de productie. Chitinefragmentatie en deacetylatie vereisen krachtig ultrageluid om de beoogde conversie en een chitosan eindproduct van hoge kwaliteit te verkrijgen. Vooral voor de fragmentatie van de chitinevlokken en de depolymerisatie/deacetylatiestappen zijn hoge amplitudes en verhoogde druk van cruciaal belang. De industriële ultrasoonprocessoren van Hielscher Ultrasonics leveren met gemak zeer hoge amplitudes. Amplitudes tot 200µm kunnen continu worden uitgevoerd in 24/7 bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotrodes beschikbaar. De kracht van Hielscher ultrasoon systemen maakt efficiënte en snelle deacetylatie mogelijk in een veilig en gebruikersvriendelijk proces.
Onderstaande tabel geeft een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze ultrasonicators:

batch Volume Stroomsnelheid Aanbevolen apparaten
1 tot 500 ml 10 tot 200 ml / min UP100H
10 tot 2000 ml 20 tot 400 ml / min Uf200 ः t, UP400St
0.1 tot 20L 0.2 tot 4L / min UIP2000hdT
10 tot 100L 2 tot 10 l / min UIP4000hdT
na 10 tot 100 l / min UIP16000
na grotere cluster van UIP16000

Neem contact met ons op! / Vraag ons!

Vraag voor meer informatie

Gebruik het onderstaande formulier om aanvullende informatie aan te vragen over ultrasone processoren, toepassingen en prijs. Wij bespreken graag uw proces met u en bieden u een ultrasoon systeem aan dat aan uw eisen voldoet!









Let op onze Privacybeleid.


Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

Hielscher Ultrasonics produceert hoogwaardige ultrasone homogenisatoren voor mengtoepassingen, dispersie, emulsificatie en extractie op laboratorium-, pilot- en industriële schaal.



Literatuur / Referenties


High performance ultrasonics! Hielscher's product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.

Hielscher Ultrasonics vervaardigt hoogwaardige ultrasone homogenisatoren van Laboratorium naar industrieel formaat.