Ultrasonication é um método altamente eficiente para liberar quitina e quitosana de fontes fúngicas como cogumelos. A quitina e a quitosana devem ser despolimerizadas e desacetiladas no processamento a jusante para obter um biopolímero de alta qualidade. A despolimerização e desacetilação assistida por ultrassom é uma técnica altamente eficaz, simples e rápida, que resulta em quitosanas de alta qualidade, com alto peso molecular e biodisponibilidade superior.

Quitina e quitosana derivadas de cogumelos via ultra-sonicação

Cogumelos comestíveis e medicinais como Lentinus edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi ou reishi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (cogumelos botão), Hericium erinaceus (juba de leões), Cordyceps sinensis (fungo lagarta), Grifola frondosa (galinha-da-madeira), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, rabo de peru) e muitas outras espécies de fungos são amplamente utilizados como alimento e para a extração de compostos bioativos. Estes cogumelos, bem como resíduos de processamento (resíduos de cogumelos) podem ser usados para produzir quitosana. Ultrasonication não só promove a liberação de quitina da estrutura da parede celular do fungo, mas também impulsiona a conversão de quitina em quitosana valiosa via despolimerização assistida por ultrassom e desacetilação.

 

Ultrasonicação intensa usando um sistema ultra-sônico tipo sonda é uma técnica usada para promover a despolimerização e desacetilação da quitina, levando à formação de quitosana. A quitina é um polissacarídeo natural encontrado nos exoesqueletos de crustáceos, insetos e nas paredes celulares de certos fungos. A quitosana é derivada da quitina, removendo os grupos acetila da molécula de quitina.

Procedimento ultra-sônico para conversão de quitina fúngica em quitosana

Quando ultrassonicação intensa é aplicada para a produção de quitosana a partir de quitina, uma suspensão de quitina é sonicada com ondas de ultrassom de alta intensidade e baixa frequência, tipicamente na faixa de 20 kHz a 30 kHz. O processo gera cavitação acústica intensa, que se refere à formação, crescimento e colapso de bolhas de vácuo microscópicas no líquido. A cavitação gera forças de cisalhamento extremamente altas, altas temperaturas (até vários milhares de graus Celsius) e pressões (até várias centenas de atmosferas) no líquido ao redor das bolhas de cavitação. Estas condições extremas contribuem para a degradação do polímero de quitina e a subsequente desacetilação.
 

 

Despolimerização ultra-sônica de quitina

A despolimerização da quitina ocorre através dos efeitos combinados de forças mecânicas, tais como microfluxo e jateamento líquido, bem como por reações químicas iniciadas ultrassonicamente induzidas por radicais livres e outras espécies reativas formadas durante a cavitação. As ondas de alta pressão geradas durante a cavitação fazem com que as cadeias de quitina sofram tensões de cisalhamento, resultando na cisão do polímero em fragmentos menores.

Desacetilação ultra-sônica de quitina

Além da despolimerização, a ultrassonografia intensa também promove a desacetilação da quitina. A desacetilação envolve a remoção de grupos acetila da molécula de quitina, levando à formação de quitosana. Energia ultra-sônica intensa, particularmente as altas temperaturas e pressões geradas durante a cavitação, aceleram a reação de desacetilação. As condições reativas criadas pela cavitação ajudam a quebrar as ligações acetil na quitina, resultando na liberação de ácido acético e na conversão de quitina em quitosana.
No geral, a ultrasonicação intensa melhora os processos de despolimerização e desacetilação, fornecendo a energia mecânica e química necessária para quebrar o polímero de quitina e facilitar a conversão em quitosana. Esta técnica oferece um método rápido e eficiente para a produção de quitosana a partir de quitina, com inúmeras aplicações em várias indústrias, incluindo farmacêutica, agricultura e engenharia biomédica.

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

A produção comercial de quitina e cebolinha baseia-se principalmente em resíduos das indústrias marinhas (ou seja, pesca, colheita de peixes de concha etc.). Diferentes fontes de matéria-prima resultam em diferentes qualidades de quitatina e chitosan, resultando em flutuações de produção e qualidade devido às variações sazonais da pesca. Além disso, o chitosan derivado de fontes fúngicas oferece propriedades supostamente superiores, como comprimento de polímero homogêneo e maior solubilidade quando comparado com o quitosan de fontes marinhas. (cf. Ghormade et al., 2017) Para fornecer chitosan uniforme, a extração de quitina de espécies fúngicas tornou-se uma produção alternativa estável. A produção de chitina e citiosan a partir de fungos pode ser facilmente e confiável alcançada usando a tecnologia de extração ultrassônica e deacetilação. A sonicação intensa interrompe as estruturas celulares para liberar a quittina e promove a transferência de massa em solventes aquosos para rendimentos superiores de quitina e eficiência de extração. A deacetilação ultrassônica subsequente converte a quitina no valioso quitosan. Ambos, a extração ultrassônica da quitina e a deacetilação ao quitosan podem ser escaladas linearmente para qualquer nível de produção comercial.

Resultados da pesquisa para deacetilação de quitina ultrassônica e cebolinha

Zhu et al. (2018) concluíram em seu estudo que a dessatilação ultrassônica provou ser um avanço crucial, convertendo β-quitina em quitan com 83-94% de deacetilação a temperaturas de reação reduzidas. A imagem à esquerda mostra uma imagem SEM de chitosan ultrasonicamente deacetilado (90 W, 15 min, 20 w/v% NaOH, 1:15 (g: mL) (foto e estudo: © Zhu et al., 2018)
Em seu protocolo, solução de NaOH (20 p/v %) foi preparada dissolvendo flocos de NaOH em água DI. A solução alcalina foi então adicionada ao sedimento GLSP (0,5 g) na proporção sólido-líquido de 1:20 (g:mL) em um tubo de centrífuga. Quitosana foi adicionada a NaCl (40 mL, 0,2 M) e ácido acético (0,1 M) na proporção do volume da solução de 1:1. A suspensão foi então submetida a ultrassom a uma temperatura amena de 25°C por 60 min usando um ultrasonicator do tipo sonda (250W, 20kHz). (cf Zhu et al., 2018)
 
Pandit et al. (2021) descobriram que a taxa de degradação para soluções chitosanas raramente é afetada pelas concentrações de ácido utilizadas para solubilizar o polímero e depende em grande parte da temperatura, intensidade das ondas de ultrassom e força iônica da mídia usada para dissolver o polímero. (cf. Pandit et al., 2021)
 
Em outro estudo, Zhu e colaboradores (2019) usaram pós de esporos de Ganoderma lucidum como matéria-prima fúngica e investigaram a desacetilação assistida por ultrassom e os efeitos de parâmetros de processamento, como tempo de sonicação, relação sólido-líquido, concentração de NaOH e poder de irradiação no grau de desacetilação (DD) da quitosana. O maior valor de DD foi obtido nos seguintes parâmetros ultra-sônicos: 20 min de sonicação a 80W, 10% (g:ml) de NaOH, 1:25 (g:ml). A morfologia superficial, grupos químicos, estabilidade térmica e cristalinidade da quitosana obtida ultrassonicamente foram examinados usando MEV, FTIR, TG e DRX. A equipe de pesquisa relata um aumento significativo do grau de desacetilação (DD), viscosidade dinâmica ([η]) e peso molecular (Mv ̄) da quitosana produzida ultrassonicamente. Os resultados destacaram a técnica de desacetilação ultra-sônica de fungos um método de produção altamente potente para quitosana, que é adequado para aplicações biomédicas. (Cf. Zhu et al., 2019)

Qualidade superior de quitosana com despolimerização ultra-sônica e desacetilação

Processos ultrasonicamente orientados de extração e despolimerização de quitina/quitan são precisamente controláveis e parâmetros de processo ultrassônico podem ser ajustados às matérias-primas e à qualidade do produto final direcionado (por exemplo, peso molecular, grau de deacetilação). Isso permite adaptar o processo de ultrassom a fatores externos e definir parâmetros ideais para um resultado superior e eficiência.
O quitosan ultrasonicamente deacetilado mostra excelente biodisponibilidade e biocompatibilidade. Quando biopolímeros chitosanos ultrasonicamente preparados são comparados com quitosan termicamente derivados em relação às propriedades biomédicas, o quitossano produzido ultrasonicamente apresenta viabilidade de fibroblasto (célula L929) e atividade antibacteriana aprimorada tanto para Escherichia coli (E. coli) quanto Staphylococcus aureus (S. aureus).
(cf. Zhu et al., 2018)
 

Equipamento ultra-sônico de alto desempenho para processamento de quitina e quitosana

A fragmentação da quitina e a desacetilação da quitina em quitosana requerem equipamentos ultrassônicos poderosos e confiáveis que possam fornecer altas amplitudes, ofereçam controlabilidade precisa sobre os parâmetros do processo e possam ser operados 24 horas por dia, 7 dias por semana, sob carga pesada e em ambientes exigentes. A gama de produtos Hielscher Ultrasonics cumpre estes requisitos de forma fiável. Além do excelente desempenho de ultrassom, os ultrasonicators Hielscher possuem alta eficiência energética, o que é uma vantagem econômica significativa – especialmente quando empregado em produção comercial em grande escala.
Os ultrasonicators Hielscher são sistemas de alto desempenho que podem ser equipados com acessórios como sonotrodos, boosters, reatores ou células de fluxo para atender às suas necessidades de processo de maneira ideal. Com display digital colorido, a opção de executar sonicação predefinida, gravação automática de dados em um cartão SD integrado, controle remoto do navegador e muitos outros recursos, os ultrasonicators Hielscher garantem o mais alto controle de processo e facilidade de uso. Emparelhados com robustez e capacidade de suporte de carga pesada, os sistemas ultrassônicos Hielscher são seu cavalo de batalha confiável na produção. 
A fragmentação e desacetilação da quitina requer ultrassom poderoso para obter a conversão direcionada e um produto final de quitosana de alta qualidade. Especialmente para a fragmentação dos flocos de quitina e as etapas de despolimerização/desacetilação, altas amplitudes e pressões elevadas são cruciais. Os processadores ultrassônicos industriais Hielscher Ultrasonics oferecem facilmente amplitudes muito altas. Amplitudes de até 200μm podem ser executadas continuamente em operação 24 horas por dia, 7 dias por semana. Para amplitudes ainda maiores, sonotrodos ultrassônicos personalizados estão disponíveis. A capacidade de potência dos sistemas ultrassônicos Hielscher permite a despolimerização e desacetilação eficientes e rápidas em um processo seguro e fácil de usar.
 

A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximado de nossos ultrasonicators:

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Tratamento sinérgico de quitina melhorado por ultrassom

A fim de superar as desvantagens (ou seja, baixa eficiência, alto custo de energia, longo tempo de processamento, solventes tóxicos) da tradicional acetilação química e enzimática de quitina, o ultrassom de alta intensidade foi integrado ao processamento de quitina e quitosana. A sonicação de alta intensidade e os efeitos resultantes da cavitação acústica levam a uma rápida cisão das cadeias poliméricas e reduzem a polidispersidade, promovendo assim a síntese de quitosana. Além disso, as forças de cisalhamento ultra-sônico intensificam a transferência de massa na solução para que a reação química, hidrolítica ou enzimática seja aprimorada. O tratamento ultra-sônico com quitina pode ser combinado com técnicas de processamento de quitina já existentes, como métodos químicos, hidrólise ou procedimentos enzimáticos.

Deacetilação química ultrasonicamente assistida e despolimerização

Uma vez que a quitina é um biopolímero não reativo e insolúvel, deve passar pelas etapas processtivas de desmineralização, desproteinização e despomerização/deacetilação, a fim de obter quitosan solúvel e bioacessível. Essas etapas do processo envolvem tratamentos com ácidos fortes, como hcl e bases fortes como NaOH e KOH. Como essas etapas convencionais de processo são ineficientes, lentas e exigem altas energias, a intensificação do processo por sônica melhora significativamente a produção de chitosan. A aplicação do power-ultrasound aumenta os rendimentos e qualidade da chitosan, reduz o processo de dias para algumas horas, permite solventes mais leves e torna todo o processo mais eficiente em termos de energia.

Desproteinização ultrasonicamente melhorada da quitina

(2021) constataram em sua investigação sobre a desproteinização da quitina que o “A aplicação de ultrassom para a produção de biopolímeros reduziu o teor de proteínas, bem como o tamanho de partículas de quitina. Quitosana de alto grau de desacetilação e médio peso molecular foi produzida através de auxílio ultrassonográfico.”

Hidrólise Ultrassônica para Depolimerização de Chitin

Para hidrólise química, ácidos ou alcalinos são usados para deacetilar a quitina, porém a deacetilação alcalina (por exemplo, hidróxido de sódio NaOH) é mais amplamente utilizada. A hidrólise ácida é um método alternado para a tradicional deacetilação química, onde soluções de ácido orgânico são usadas para despolimerizar a quitina e a quitan. O método de hidrólise ácida é usado principalmente quando o peso molecular da quitina e da cebolinha deve ser homogêneo. Este processo convencional de hidrólise é conhecido como lento e energético e intensivo em custos. A exigência de ácidos fortes, altas temperaturas e pressões são fatores que transformam o processo de chitosan hidrolítico em um procedimento muito caro e demorado. Os ácidos utilizados requerem processos a jusante, como neutralização e dessalização.
Com a integração do ultrassom de alta potência no processo de hidrólise, os requisitos de temperatura e pressão para o decote hidrolítico da quitina e da quitan podem ser significativamente reduzidos. Além disso, a sônica permite menores concentrações de ácido ou o uso de ácidos mais leves. Isso torna o processo mais sustentável, eficiente, econômico e ambiental-amigável.

Deacetilação química ultrasonicamente assistida

A desintegração química e a desaactlação da quitina e da cebolinha são obtidas principalmente pelo tratamento de quitina ou cebolinha com ácidos minerais (por exemplo, ácido clorídrico HCl), nitrito de sódio (NaNO₂), ou peróxido de hidrogênio (H₂O₂). O ultrassom melhora a taxa de deacetilação, encurtando assim o tempo de reação necessário para obter o grau de deacetilação direcionado. Isso significa que a sônica reduz o tempo de processamento necessário de 12-24 horas para algumas horas. Além disso, a sônica permite concentrações químicas significativamente menores, por exemplo, 40% (w/w) hidróxido de sódio usando sônica, enquanto 65% (w/w) são necessários sem o uso de ultrassom.

Deacetilação Ultrassônica-Enzimática

Embora a deacetilação enzimática seja uma forma de processamento leve e ambientalmente benigna, sua eficiência e custos não são econômicos. Devido ao complexo, intenso e caro isolamento a jusante e purificação de enzimas do produto final, a deacetilação de quitina enzimática não é implementada na produção comercial, mas apenas usada em laboratório de pesquisa científica.
Pré-tratamento ultrassônico antes da deacetlytação enzimática fragmenta moléculas de chitina, ampliando assim a área da superfície e disponibilizando mais superfície para as enzimas. A sônica de alto desempenho ajuda a melhorar a deacetilação enzimática e torna o processo mais econômico.