Produção de quitina e quitosana a partir de cogumelos

A ultrassonicação é um método altamente eficiente para libertar quitina e quitosana de fontes fúngicas, como os cogumelos. A quitina e a quitosana têm de ser despolimerizadas e desacetiladas nas etapas de processamento subsequentes para se obter um biopolímero de elevada qualidade. A despolimerização e a desacetilação assistidas por ultrassons constituem uma técnica altamente eficaz, simples e rápida, que permite obter quitosanas de elevada qualidade, com elevado peso molecular e biodisponibilidade superior.

Quitina e quitosana derivadas de cogumelos por ultrassonicação

Cogumelos comestíveis e medicinais como Lentinus edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi ou reishi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (cogumelo-de-paris), Hericium erinaceus (juba-de-leão), Cordyceps sinensis (fungo-da-lagarta), Grifola frondosa (galinha-dos-bosques), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, cauda-de-peru) e muitas outras espécies de fungos são amplamente utilizados como alimento e para a extração de compostos bioativos. Estes cogumelos, bem como os resíduos de processamento (resíduos de cogumelos), podem ser utilizados para produzir quitosana. A ultrassonicação não só promove a libertação de quitina da estrutura da parede celular fúngica, como também impulsiona a conversão da quitina em quitosana de valor através da despolimerização e da desacetilação assistidas por ultrassons.

A despolimerização e a desacetilação da quitina para obter quitosana são promovidas pela sonicação

A ultrassonicação intensa com um sistema ultrassónico do tipo sonda é uma técnica utilizada para promover a despolimerização e a desacetilação da quitina, conduzindo à formação de quitosana. A quitina é um polissacárido de ocorrência natural presente nos exoesqueletos de crustáceos e insetos e nas paredes celulares de determinados fungos. A quitosana é obtida a partir da quitina pela remoção dos grupos acetilo da molécula de quitina.

Procedimento ultrassónico para a conversão de quitina fúngica em quitosana

Quando se aplica ultrassonicação intensa para produzir quitosana a partir de quitina, uma suspensão de quitina é sonicada com ondas ultrassónicas de elevada intensidade e baixa frequência, normalmente entre 20 kHz e 30 kHz. O processo gera cavitação acústica intensa, que corresponde à formação, ao crescimento e ao colapso de bolhas microscópicas de vácuo no líquido. A cavitação gera forças de cisalhamento localizadas extremamente elevadas, temperaturas elevadas (até vários milhares de graus Celsius) e pressões elevadas (até várias centenas de atmosferas) no líquido que rodeia as bolhas de cavitação. Estas condições extremas contribuem para a degradação do polímero de quitina e para a desacetilação subsequente.
 

Imagens de SEM de quitinas e quitosanas de duas espécies de cogumelos: a) quitina de L. vellereus; b) quitina de P. ribis; c) quitosana de L.vellereus; d) quitosana de P. ribis.
imagem e estudo: © Erdoğan et al., 2017

Despolimerização ultrassónica da quitina

A despolimerização da quitina ocorre pelos efeitos combinados de forças mecânicas, como microcorrentes e jatos de líquido, bem como por reações químicas iniciadas por ultrassons e induzidas por radicais livres e outras espécies reativas formadas durante a cavitação. As ondas de alta pressão geradas durante a cavitação sujeitam as cadeias de quitina a tensões de cisalhamento, provocando a cisão do polímero em fragmentos mais pequenos.

Desacetilação ultrassónica da quitina

Além da despolimerização, a ultrassonicação intensa também promove a desacetilação da quitina. A desacetilação envolve a remoção dos grupos acetilo da molécula de quitina, conduzindo à formação de quitosana. A energia ultrassónica intensa, em particular as temperaturas e pressões elevadas geradas durante a cavitação, acelera a reação de desacetilação. As condições reativas criadas pela cavitação ajudam a romper as ligações dos grupos acetilo na quitina, resultando na libertação de ácido acético e na conversão da quitina em quitosana.
De um modo geral, a ultrassonicação intensa melhora tanto os processos de despolimerização como os de desacetilação, fornecendo a energia mecânica e química necessária para degradar o polímero de quitina e facilitar a conversão em quitosana. Esta técnica oferece um método rápido e eficiente para produzir quitosana a partir de quitina, com numerosas aplicações em diversos setores, incluindo o farmacêutico, a agricultura e a engenharia biomédica.

Produção industrial de quitosana a partir de cogumelos com ultrassons de potência

A produção comercial de quitina e quitosana baseia-se principalmente em resíduos das indústrias marítimas (isto é, pesca, apanha de marisco, etc.). Diferentes fontes de matéria-prima dão origem a diferentes qualidades de quitina e quitosana, com flutuações de produção e qualidade devido às variações sazonais da pesca. Além disso, segundo os relatos, a quitosana derivada de fontes fúngicas apresenta propriedades superiores, como um comprimento homogéneo das cadeias poliméricas e maior solubilidade, em comparação com a quitosana de fontes marinhas. (cf. Ghormade et al., 2017) Para fornecer quitosana uniforme, a extração de quitina de espécies fúngicas tornou-se uma alternativa de produção estável. A produção de quitina e quitosana a partir de fungos pode ser realizada de forma fácil e fiável com tecnologia de extração e desacetilação ultrassónica. A sonicação intensa rompe as estruturas celulares para libertar quitina e promove a transferência de massa em solventes aquosos, proporcionando rendimentos de quitina e eficiência de extração superiores. A desacetilação ultrassónica subsequente converte a quitina em quitosana de valor. Tanto a extração ultrassónica de quitina como a desacetilação para obter quitosana podem ser ampliadas linearmente para qualquer nível de produção comercial.

A sonicação intensifica a produção de quitosana fúngica e torna a produção mais eficiente e económica.
(imagem e estudo: © Zhu et al., 2019)

Resultados de investigação sobre a desacetilação ultrassónica de quitina e quitosana

Zhu et al. (2018) concluem no seu estudo que a desacetilação ultrassónica demonstrou ser um avanço crucial, convertendo β-quitina em quitosana com 83–94% de desacetilação a temperaturas de reação reduzidas. A imagem à esquerda mostra uma imagem de SEM de quitosana desacetilada por ultrassons (90 W, 15 min, 20 w/v% NaOH, 1:15 (g: mL) (imagem e estudo: © Zhu et al., 2018)
No seu protocolo, a solução de NaOH (20 w/v %) foi preparada dissolvendo flocos de NaOH em água desionizada. A solução alcalina foi depois adicionada ao sedimento de GLSP (0,5 g), numa relação sólido-líquido de 1:20 (g: mL), num tubo de centrifugação. Adicionou-se quitosana a NaCl (40 mL, 0,2 M) e ácido acético (0,1 M), numa relação de volumes das soluções de 1:1. A suspensão foi depois submetida a ultrassons a uma temperatura moderada de 25°C durante 60 min, utilizando um sonicador do tipo sonda (250W, 20kHz). (cf Zhu et al., 2018)
 
Pandit et al. (2021) verificaram que a velocidade de degradação das soluções de quitosana raramente é afetada pelas concentrações de ácido utilizadas para solubilizar o polímero e depende em grande medida da temperatura, da intensidade das ondas ultrassónicas e da força iónica dos meios utilizados para dissolver o polímero. (cf. Pandit et al., 2021)
 
Noutro estudo, Zhu et al. (2019) utilizaram pós de esporos de Ganoderma lucidum como matéria-prima fúngica e investigaram a desacetilação assistida por ultrassons e os efeitos de parâmetros de processamento, como o tempo de sonicação, a relação sólido-líquido, a concentração de NaOH e a potência de irradiação, sobre o grau de desacetilação (DD) da quitosana. O valor mais elevado de DD foi obtido com os seguintes parâmetros ultrassónicos: 20 min de sonicação a 80W, 10% (g:ml) de NaOH, 1:25 (g:ml). A morfologia da superfície, os grupos químicos, a estabilidade térmica e a cristalinidade da quitosana obtida por ultrassons foram examinados por SEM, FTIR, TG e XRD. A equipa de investigação relata um aumento significativo do grau de desacetilação (DD), da viscosidade dinâmica ([η]) e do peso molecular (Mv¯) da quitosana produzida por ultrassons. Os resultados evidenciaram que a técnica de desacetilação ultrassónica de fungos é um método de produção de quitosana altamente eficaz, adequado para aplicações biomédicas. (cf. Zhu et al., 2019)

Qualidade superior da quitosana com despolimerização e desacetilação ultrassónicas

Os processos de extração e despolimerização de quitina / quitosana acionados por ultrassons podem ser controlados com precisão, e os parâmetros do processo ultrassónico podem ser ajustados às matérias-primas e à qualidade pretendida para o produto final (por exemplo, peso molecular, grau de desacetilação). Isto permite adaptar o processo ultrassónico a fatores externos e definir parâmetros ótimos para obter resultados e eficiência superiores.
A quitosana desacetilada por ultrassons apresenta excelente biodisponibilidade e biocompatibilidade. Quando os biopolímeros de quitosana preparados por ultrassons são comparados com a quitosana obtida por via térmica quanto às propriedades biomédicas, a quitosana produzida por ultrassons apresenta uma viabilidade significativamente melhorada dos fibroblastos (células L929) e uma atividade antibacteriana reforçada tanto contra Escherichia coli (E. coli) como contra Staphylococcus aureus (S. aureus).
(cf. Zhu et al., 2018)
 

Imagens de microscopia eletrónica de varrimento (SEM), com uma ampliação de 100×, de a) gládio, b) gládio tratado com ultrassons, c) β-quitina, d) β-quitina tratada com ultrassons e e) quitosana (fonte: Preto et al. 2017)

Equipamento ultrassónico de elevado desempenho para o processamento de quitina e quitosana

A fragmentação da quitina e a desacetilação da quitina para obter quitosana requerem equipamento ultrassónico potente e fiável, capaz de fornecer amplitudes elevadas, permitir o controlo preciso dos parâmetros do processo e funcionar 24/7 sob cargas elevadas e em ambientes exigentes. A gama de produtos da Hielscher Ultrasonics satisfaz estes requisitos de forma fiável. Além do excelente desempenho ultrassónico, os sonicadores Hielscher apresentam uma elevada eficiência energética, o que constitui uma vantagem económica significativa – especialmente quando utilizados na produção comercial em grande escala.
Os sonicadores Hielscher são sistemas de elevado desempenho que podem ser equipados com acessórios como sonotrodos, amplificadores de amplitude, reatores ou células de fluxo, para se adaptarem de forma ótima às necessidades do seu processo.
 Com um ecrã digital a cores, a opção de predefinir ciclos de sonicação, o registo automático de dados num cartão SD integrado, o controlo remoto através de um navegador e muitas outras funcionalidades, os sonicadores Hielscher asseguram o mais elevado nível de controlo do processo e de facilidade de utilização. Combinando robustez e capacidade para suportar cargas elevadas, os sistemas ultrassónicos Hielscher são o seu equipamento de trabalho fiável na produção. 
A fragmentação e a desacetilação da quitina requerem ultrassons potentes para obter a conversão pretendida e um produto final de quitosana de elevada qualidade. Especialmente para a fragmentação dos flocos de quitina e para as etapas de despolimerização / desacetilação, amplitudes elevadas e pressões altas são cruciais. Os processadores ultrassónicos industriais da Hielscher Ultrasonics fornecem facilmente amplitudes muito elevadas. É possível trabalhar continuamente com amplitudes de até 200µm em funcionamento 24/7. Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultrassónicos personalizados. A capacidade de potência dos sistemas ultrassónicos Hielscher permite uma despolimerização e uma desacetilação eficientes e rápidas, num processo seguro e fácil de utilizar.
 

Tratamento sinérgico da quitina melhorado pela ultrassonicação

Para ultrapassar as desvantagens (isto é, baixa eficiência, custos energéticos elevados, longos tempos de processamento, solventes tóxicos) da desacetilação química e enzimática tradicional da quitina, foram integrados ultrassons de elevada intensidade no processamento de quitina e quitosana. A sonicação de elevada intensidade e os efeitos resultantes da cavitação acústica conduzem a uma cisão rápida das cadeias poliméricas e reduzem a polidispersidade, promovendo assim a síntese de quitosana. Além disso, as forças de cisalhamento ultrassónicas intensificam a transferência de massa na solução, melhorando as reações químicas, hidrolíticas ou enzimáticas. O tratamento ultrassónico da quitina pode ser combinado com técnicas de processamento de quitina já existentes, como métodos químicos, hidrólise ou procedimentos enzimáticos.

Desacetilação e despolimerização químicas assistidas por ultrassons

Como a quitina é um biopolímero não reativo e insolúvel, tem de passar pelas etapas de desmineralização, desproteinização e despolimerização / desacetilação para se obter quitosana solúvel e bioacessível. Estas etapas envolvem tratamentos com ácidos fortes, como HCl, e bases fortes, como NaOH e KOH. Como estas etapas convencionais são ineficientes, lentas e exigem grandes quantidades de energia, a intensificação do processo por sonicação melhora significativamente a produção de quitosana. A aplicação de ultrassons de potência aumenta os rendimentos e a qualidade da quitosana, reduz a duração do processo de dias para algumas horas, permite utilizar solventes menos agressivos e torna todo o processo mais eficiente em termos energéticos.

Desproteinização da quitina melhorada por ultrassons

Vallejo-Dominguez et al. (2021) verificaram, na sua investigação sobre a desproteinização da quitina, que a “aplicação de ultrassons para a produção de biopolímeros reduziu o teor de proteínas, bem como o tamanho das partículas de quitina. Foi produzida quitosana com elevado grau de desacetilação e peso molecular médio com assistência de ultrassons.”

Hidrólise ultrassónica para a despolimerização da quitina

Na hidrólise química, utilizam-se ácidos ou álcalis para desacetilar a quitina; no entanto, a desacetilação alcalina (por exemplo, com hidróxido de sódio NaOH) é mais amplamente utilizada. A hidrólise ácida é um método alternativo à desacetilação química tradicional, no qual se utilizam soluções de ácidos orgânicos para despolimerizar a quitina e a quitosana. O método de hidrólise ácida é utilizado sobretudo quando o peso molecular da quitina e da quitosana tem de ser homogéneo. Este processo de hidrólise convencional é conhecido por ser lento e exigir elevados consumos de energia e custos. A necessidade de ácidos fortes, temperaturas elevadas e pressões altas são fatores que tornam o processo hidrolítico da quitosana um procedimento muito dispendioso e demorado. Os ácidos utilizados exigem processos subsequentes, como neutralização e dessalinização.
Com a integração de ultrassons de elevada potência no processo de hidrólise, os requisitos de temperatura e pressão para a clivagem hidrolítica da quitina e da quitosana podem ser significativamente reduzidos. Além disso, a sonicação permite utilizar concentrações de ácido mais baixas ou ácidos menos agressivos. Isto torna o processo mais sustentável, eficiente, económico e mais respeitador do ambiente.

Desacetilação química assistida por ultrassons

A desintegração química e a desacetilação da quitina e da quitosana são realizadas principalmente através do tratamento da quitina ou da quitosana com ácidos minerais (por exemplo, ácido clorídrico HCl), nitrito de sódio (NaNO₂) ou peróxido de hidrogénio (H₂O₂). Os ultrassons melhoram a velocidade de desacetilação, reduzindo assim o tempo de reação necessário para obter o grau de desacetilação pretendido. Isto significa que a sonicação reduz o tempo de processamento necessário de 12–24 horas para algumas horas. Além disso, a sonicação permite utilizar concentrações químicas significativamente mais baixas, por exemplo, 40% (w/w) de hidróxido de sódio com sonicação, enquanto são necessários 65% (w/w) sem a utilização de ultrassons.

Desacetilação ultrassónica-enzimática

Embora a desacetilação enzimática seja uma forma de processamento suave e ambientalmente benigna, a sua eficiência e os seus custos tornam-na economicamente inviável. Devido ao isolamento e à purificação subsequentes das enzimas a partir do produto final, que são complexos, exigem muito trabalho e são dispendiosos, a desacetilação enzimática da quitina não é implementada na produção comercial, sendo utilizada apenas em laboratórios de investigação científica.
O pré-tratamento ultrassónico antes da desacetilação enzimática fragmenta as moléculas de quitina, aumentando assim a área superficial e disponibilizando mais superfície para as enzimas. A sonicação de elevado desempenho ajuda a melhorar a desacetilação enzimática e torna o processo mais económico.