Produção de quitina e quitosano a partir de cogumelos

Ultrasonication é um método altamente eficiente para liberar quitina e quitosana de fontes fúngicas, como cogumelos. A quitina e o quitosano devem ser despolimerizados e desacetilados no processamento a jusante, a fim de obter um biopolímero de alta qualidade. A despolimerização e a desacetilação assistidas por ultra-sons é uma técnica altamente eficaz, simples e rápida, que resulta em quitosanos de alta qualidade com elevado peso molecular e biodisponibilidade superior.

Quitina e quitosana derivadas de cogumelos por ultrassom

Os cogumelos comestíveis e medicinais, como o Lentinus edodes (shiitake), o Ganoderma lucidum (Lingzhi ou reishi), o Inonotus obliquus (chaga), o Agaricus bisporus (cogumelos de botão), o Hericium erinaceus (juba de leão), o Cordyceps sinensis (fungo da lagarta), Grifola frondosa (galinha-do-mato), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, rabo-de-cavalo) e muitas outras espécies de fungos são amplamente utilizadas como alimento e para a extração de compostos bioactivos. Estes cogumelos, bem como resíduos de processamento (resíduos de cogumelos) pode ser usado para produzir quitosana. Ultrasonication não só promove a liberação de quitina da estrutura da parede celular fúngica, mas também impulsiona a conversão de quitina em quitosana valiosa via despolimerização ultrassonicamente assistida e desacetilação.

 

Ultrassom intenso usando um sistema de ultrassom tipo sonda é uma técnica usada para promover a despolimerização e desacetilação de quitina, levando à formação de quitosana. A quitina é um polissacárido natural que se encontra nos exoesqueletos de crustáceos, insectos e nas paredes celulares de certos fungos. O quitosano é derivado da quitina através da remoção dos grupos acetilo da molécula de quitina.

Procedimento ultrassónico para a conversão de quitina fúngica em quitosano

Quando a ultrassonografia 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 freqüência, 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 localizadas, altas temperaturas (até vários milhares de graus Celsius) e pressões (até várias centenas de atmosferas) no líquido que circunda as bolhas de cavitação. Estas condições extremas contribuem para a quebra do polímero de quitina e para a desacetilação subsequente.
 

 

Despolimerização ultra-sónica de quitina

A despolimerização da quitina ocorre através dos efeitos combinados de forças mecânicas, como o microstreaming e o jato de líquido, bem como por reacções químicas iniciadas por ultra-sons, induzidas por radicais livres e outras espécies reactivas formadas durante a cavitação. As ondas de alta pressão geradas durante a cavitação fazem com que as cadeias de quitina sofram tensão de cisalhamento, resultando na cisão do polímero em fragmentos mais pequenos.

Desacetilação ultra-sónica da quitina

Para além da despolimerização, ultra-sons intensos também promove a desacetilação de quitina. A desacetilação envolve a remoção de grupos acetil da molécula de quitina, levando à formação de quitosana. A energia ultra-sónica intensa, particularmente as altas temperaturas e pressões geradas durante a cavitação, aceleram a reação de desacetilação. As condições reactivas criadas pela cavitação ajudam a quebrar as ligações acetil na quitina, resultando na libertação de ácido acético e na conversão da quitina em quitosano.
Em geral, a ultrassonografia intensa melhora tanto os processos de despolimerização quanto de 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 quitosano a partir de quitina, com inúmeras aplicações em várias indústrias, incluindo produtos farmacêuticos, agricultura e engenharia biomédica.

Produção industrial de quitosana a partir de cogumelos com ultra-sons de potência

A produção comercial de quitina e quitosano baseia-se principalmente nos resíduos das indústrias marinhas (ou seja, pesca, apanha de marisco, etc.). Diferentes fontes de matéria-prima resultam em diferentes qualidades de quitina e quitosana, resultando em flutuações de produção e qualidade devido a variações sazonais da pesca. Além disso, o quitosano derivado de fontes fúngicas apresenta propriedades superiores, como o comprimento homogéneo do polímero e uma maior solubilidade, quando comparado com o quitosano de fontes marinhas. (cf. Ghormade et al., 2017) A fim de fornecer quitosano uniforme, a extração de quitina de espécies fúngicas tornou-se uma alternativa estável de produção. A produção de quitina e citiosan a partir de fungos pode ser facilmente e confiável alcançada usando a tecnologia de extração ultra-sônica e desacetilação. A sonicação intensa perturba as estruturas celulares para libertar a quitina e promove a transferência de massa em solventes aquosos para rendimentos superiores de quitina e eficiência de extração. A desacetilação ultra-sónica subsequente converte a quitina no valioso quitosano. Ambos, extração de quitina ultra-sônica e desacetilação para quitosana pode ser linearmente escalado para qualquer nível de produção comercial.

Resultados da investigação sobre a desacetilação ultra-sónica da quitina e do quitosano

Zhu et al. (2018) concluem em seu estudo que a desacetilação ultrassônica provou ser um avanço crucial, convertendo β-quitina em quitosana com 83-94% de desacetilação a temperaturas reduzidas de reação. A imagem à esquerda mostra uma imagem SEM de quitosana desacetilada ultrassonicamente (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 p/v %) foi preparada dissolvendo flocos de NaOH em água desionizada. A solução alcalina foi então adicionada ao sedimento de GLSP (0,5 g) numa proporção sólido-líquido de 1:20 (g: mL) num tubo de centrifugação. A quitosana foi adicionada a NaCl (40 mL, 0,2 M) e ácido acético (0,1 M) numa proporção de volume de solução de 1:1. A suspensão foi então submetida a ultrassom a uma temperatura suave de 25°C por 60 min usando um ultrassonicador tipo sonda (250W, 20kHz). (cf. Zhu et al., 2018)
 
Pandit et al. (2021) verificaram que a taxa de degradação das soluções de quitosano raramente é afetada pelas concentrações de ácido utilizadas para solubilizar o polímero e depende em grande medida da temperatura, da intensidade das ondas de ultra-sons e da força iónica do meio utilizado para dissolver o polímero. (cf. Pandit et al., 2021)
 
Em outro estudo, Zhu et al. (2019) utilizaram pós de esporos de Ganoderma lucidum como matéria-prima fúngica e investigaram a desacetilação assistida por ultrassom e os efeitos dos parâmetros de processamento como tempo de sonicação, razão sólido-líquido, concentração de NaOH e potência de irradiação sobre o grau de desacetilação (DD) de quitosana. O valor mais alto de DD foi obtido nos seguintes parâmetros ultra-sônicos: 20 min de sonicação a 80W, 10% (g: ml) NaOH, 1:25 (g: ml). A morfologia da superfície, grupos químicos, estabilidade térmica e cristalinidade da quitosana ultrassonicamente obtida foram examinados usando o SEM, FTIR, TG e XRD. A equipe de pesquisa relata um aumento significativo do grau de desacetilação (DD), viscosidade dinâmica ([η]) e peso molecular (Mv¯) do quitosano ultrassonicamente produzido. Os resultados sublinharam 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 do quitosano com despolimerização e desacetilação por ultra-sons

Os processos ultrassônicos de extração e despolimerização de quitina / quitosana são precisamente controláveis e os parâmetros do processo ultrassônico podem ser ajustados às matérias-primas e à qualidade do produto final desejado (por exemplo, peso molecular, grau de desacetilação). Isto permite adaptar o processo de ultra-sons a factores externos e definir parâmetros óptimos para um resultado superior e eficiência.
A quitosana ultrassonicamente desacetilada mostra excelente biodisponibilidade e biocompatibilidade. Quando os biopolímeros de quitosano preparados por ultra-sons são comparados com o quitosano derivado termicamente em relação às propriedades biomédicas, o quitosano produzido por ultra-sons apresenta uma viabilidade significativamente melhorada dos fibroblastos (células L929) e uma maior atividade antibacteriana tanto para Escherichia coli (E. coli) como para Staphylococcus aureus (S. aureus).
(cf. Zhu et al., 2018)
 

Equipamento de ultra-sons de elevado desempenho para o processamento de quitina e quitosano

A fragmentação da quitina e a desacetilação da quitina em quitosano requerem um equipamento de ultra-sons potente e fiável, capaz de fornecer amplitudes elevadas, que ofereça um controlo preciso dos parâmetros do processo e que possa funcionar 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. Para além do excelente desempenho dos ultra-sons, os ultrassons da Hielscher apresentam uma elevada eficiência energética, o que constitui uma vantagem económica significativa – especialmente quando utilizados na produção comercial em grande escala.
Hielscher ultrasonicators são sistemas de alto desempenho que podem ser equipados com acessórios como sonotrodes, boosters, reatores ou células de fluxo, a fim de atender às suas necessidades de processo de uma maneira ideal.Com display digital a cores, a opção de predefinir execuções de sonicação, gravação automática de dados em um cartão SD integrado, controle remoto do navegador e muitos outros recursos, os ultrassonicadores Hielscher garantem o mais alto controle de processo e facilidade de uso. Emparelhado com robustez e capacidade de carga pesada, sistemas ultra-sônicos Hielscher são o seu cavalo de trabalho confiável na produção. A fragmentação e a desacetilação da quitina requerem 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. Hielscher Ultrasonics processadores ultra-sônicos industriais facilmente entregar amplitudes muito elevadas. Amplitudes de até 200µm podem ser executadas continuamente em operação 24/7. Para amplitudes ainda maiores, sonotrodos ultra-sônicos personalizados estão disponíveis. A capacidade de energia dos sistemas ultra-sônicos Hielscher permitir a despolimerização eficiente e rápida e desacetilação em um processo seguro e user-friendly.
 

O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons:

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Tratamento sinérgico da quitina melhorado por ultra-sons

A fim de ultrapassar os inconvenientes (isto é, baixa eficiência, elevado custo energético, longo tempo de processamento, solventes tóxicos) da tradicional desacetilação química e enzimática da quitina, os ultra-sons de alta intensidade foram integrados no processamento da quitina e do quitosano. A sonicação de alta intensidade e os efeitos resultantes da cavitação acústica conduzem a uma rápida cisão das cadeias poliméricas e reduzem a polidispersão, promovendo assim a síntese do quitosano. Além disso, as forças de cisalhamento ultra-sónicas intensificam a transferência de massa na solução, de modo que a reação química, hidrolítica ou enzimática é reforçada. O tratamento ultrassónico da quitina pode ser combinado com técnicas de processamento de quitina já existentes, tais como métodos químicos, hidrólise ou procedimentos enzimáticos.

Desacetilação e despolimerização química assistida por ultra-sons

Uma vez que a quitina é um biopolímero não reativo e insolúvel, tem de ser submetida às etapas do processo de desmineralização, desproteinização e despolimerização / desacetilação para obter quitosano solúvel e bioacessível. Estas etapas do processo envolvem tratamentos com ácidos fortes, como o HCl, e bases fortes, como o NaOH e o KOH. Uma vez que estes passos do processo convencional são ineficientes, lentos e exigem energias elevadas, a intensificação do processo por sonicação melhora significativamente a produção de quitosano. A aplicação de ultra-sons de potência aumenta os rendimentos e a qualidade do quitosano, reduz o processo de dias para algumas horas, permite solventes mais suaves e torna todo o processo mais eficiente em termos energéticos.

Desproteinização de quitina melhorada por ultra-sons

Vallejo-Dominguez et al. (2021) verificaram, na sua investigação da desproteinização da quitina, que a “A aplicação de ultra-sons para a produção de biopolímeros reduziu o teor de proteínas, bem como o tamanho das partículas de quitina. O quitosano com elevado grau de desacetilação e peso molecular médio foi produzido com a ajuda de ultra-sons.”

Hidrólise ultra-sónica para a despolimerização da quitina

Na hidrólise química, são utilizados ácidos ou álcalis para desacetilar a quitina, embora a desacetilação alcalina (por exemplo, hidróxido de sódio NaOH) seja mais utilizada. A hidrólise ácida é um método alternativo à desacetilação química tradicional, em que são utilizadas soluções de ácido orgânico para despolimerizar a quitina e o quitosano. O método de hidrólise ácida é sobretudo utilizado quando o peso molecular da quitina e do quitosano tem de ser homogéneo. Este processo de hidrólise convencional é conhecido por ser lento e por consumir muita energia e custos. A necessidade de ácidos fortes, temperaturas e pressões elevadas são factores que tornam o processo hidrolítico do quitosano num procedimento muito dispendioso e moroso. Os ácidos utilizados requerem processos a jusante, como a neutralização e a dessalinização.
Com a integração de ultra-sons de alta potência no processo de hidrólise, os requisitos de temperatura e pressão para a clivagem hidrolítica da quitina e do quitosano podem ser significativamente reduzidos. Além disso, a sonicação permite concentrações de ácido mais baixas ou a utilização de ácidos mais suaves. Isto torna o processo mais sustentável, eficiente, económico e amigo do ambiente.

Desacetilação química assistida por ultra-sons

A desintegração química e a desacteilação da quitina e do quitosano são efectuadas principalmente através do tratamento da quitina ou do quitosano com ácidos minerais (por exemplo, ácido clorídrico HCl), nitrito de sódio (NaNO₂), ou peróxido de hidrogénio (H₂O₂). Os ultra-sons melhoram a taxa de desacetilação, encurtando 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 concentrações químicas significativamente mais baixas, por exemplo, 40% (p/p) de hidróxido de sódio utilizando a sonicação, enquanto 65% (p/p) são necessários sem a utilização de ultra-sons.

Desacetilação ultra-sónica-enzimática

Embora a desacetilação enzimática seja uma forma de processamento suave e respeitadora do ambiente, a sua eficiência e custos não são económicos. Devido ao isolamento e purificação complexos, trabalhosos e dispendiosos das enzimas a jusante do produto final, a desacetilação enzimática da quitina não é implementada na produção comercial, sendo apenas utilizada em laboratórios de investigação científica.
O pré-tratamento ultrassónico antes da desacetilação enzimática fragmenta as moléculas de quitina, aumentando assim a área de superfície e tornando-a mais disponível para as enzimas. A sonicação de alto desempenho ajuda a melhorar a desacetilação enzimática e torna o processo mais económico.