Produção de Chitina e Cebolinha de Cogumelos

A ultrassônica é um método altamente eficiente para liberar quitina e cebolinha de fontes fúngicas, como cogumelos. A quitina e a cebolinha devem ser desacetiladas no processamento do fluxo baixo, a fim de obter um biopolímero de alta qualidade. A deacetilação ultrasonicamente assistida é uma técnica altamente eficaz, simples e rápida, que resulta em quitosans de alta qualidade com alto peso molecular e biodisponibilidade superior.

Cebolinha e Cebolinha de Cogumelos

Cogumelos comestíveis e medicinais como Lentino edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi ou reishi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (cogumelos de botão), Hericium erinace (juba de leão), Cordyceps sinensis (fungo de lagarta), Grifola frondosa (galinha-da-madeira), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, rabo de peru) e muitas outras espécies de fungos são amplamente utilizadas como alimento e para a extração de compostos bioativos. Estes cogumelos, bem como resíduos de processamento (resíduos de cogumelos) podem ser usados para produzir quitosan. A ultrassonização não só promove a liberação da quitina da estrutura da parede celular fúngica, mas também impulsiona a conversão da chition em chitosan valioso via despolimerização ultrassônica.

Desacetilação ultra-sônica de quitina para quitosana

A desacetilação da quitina à quitosana é promovida por sonicação

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Ultrasonic extractor UIP4000hdT for extraction en deacetylation of chitin from mushrooms

Ultrassônica é usada para extrair quitina de cogumelos. Além disso, o ultrassom promove a desacetilação da quitina para a obtenção de quitosan.

A ultrassônica é um método de extração rápido e leve para produzir extrato de cogumelo de alta qualidade. No vídeo, um UP400St é usado para a extração de polissacarídeos de cogumelos comestíveis.

Extração de cogumelo frio usando UP400St com sonda de 22mm

Quitina, que é um polímero de n-acetilglucosamina (poli-(β-(1-4)-N-acetil-D-glucosamina), é um polissacarídeo de ocorrência natural amplamente encontrado no exoesqueleto de invertebrados como crustáceos e insetos, o esqueleto interno de lula e cuttlefish, bem como as paredes celulares de fungos. Incorporada na estrutura das paredes celulares dos cogumelos, a quitina é responsável pela forma e rigidez da parede celular fúngica. Para muitas aplicações, a quitina é convertida em sua derivada deacetilada, conhecida como chitosan através de um processo de despomerização.
Quitosana é o derivado mais comum e mais valioso da quitina. É um polissacarídeo de alto peso molecular ligado por b-1,4 glicoside, composto de N-acetil-glucosamina e glucosamina.
Chitosan pode ser derivado através de químico ou enzimático N- deacetilação. No processo de deacetilação quimicamente conduzido, o grupo acetil (R-NHCOCH3) é cortado por alcalino forte a altas temperaturas. Alternativamente, o quitosano pode ser sintetizado através da deacetilação enzimática. No entanto, na escala de produção industrial a deacetilação química é a técnica preferida, uma vez que a deacetilação enzimática é significativamente menos eficiente devido ao alto custo das enzimas deacetilados e aos baixos rendimentos de chitosan obtidos. A ultrassonicação é usada para intensificar a degradação química da (1→4)-/β-linkage (despomerização) e efetuar a desacetilação da quitina para obter chitosan de alta qualidade. Quando a sônica é aplicada como pré-tratamento para a deacetilação enzimática, o rendimento e a qualidade da chitosana também são melhorados.

Produção industrial de chitosan a partir de cogumelo com ultrassom

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.

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

A sonicação intensifica a produção de chitosan fúngico e torna a produção mais eficiente e econômica.
(foto e estudo: © Zhu et al., 2019)

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

ultrassônico UP400St para extração de cogumelos: A sônica dá altos rendimentos de compostos bioativos, como a quitina de polissacarídeos e a cebolinha

Síntese chitosana altamente eficiente via Sonication

Para superar as desvantagens (ou seja, baixa eficiência, alto custo de energia, longo tempo de processamento, solventes tóxicos) da tradicional deacetação química e enzimática da quitina, o ultrassom de alta intensidade foi integrado ao processamento de quitina e quitan. A sônicação de alta intensidade e os efeitos resultantes da cavitação acústica levam a uma rápida cisão das cadeias de polímeros e reduzem a polidispersidade, promovendo assim a síntese do quitosano. Além disso, as forças de cisalhamento ultrassônico intensificam a transferência de massa na solução para que a reação química, hidrolítica ou enzimática seja aprimorada.

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

Vallejo-Dominguez et al. (2021) descobriram em sua investigação sobre a desproteinização da quitina que a "aplicação de ultrassom para a produção de biopolímeros reduziu o teor de proteínas, bem como o tamanho das partículas de quitina. O quitosan de alto grau de deacetilação e peso molecular médio foi produzido através da assistência ao ultrassom.

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.

Resultados da pesquisa para deacetilação de quitina ultrassônica e cebolinha

Sonochemically deacetylated chitin results in high-quality chitosan.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, a solução NaOH (20 w/v %) foi preparada pela dissolução de flocos NaOH em água DI. A solução alcalina foi então adicionada ao sedimento GLSP (0,5 g) a uma relação líquido-sólido de 1:20 (g: mL) em um tubo de centrífuga. Chitosan foi adicionado ao NaCl (40 mL, 0,2 M) e ácido acético (0,1 M) a uma razão de volume de solução de 1:1. A suspensão foi então submetida a ultrassom a uma temperatura amena de 25°C por 60 min usando um ultrassônico 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 et al. (2019) utilizaram os pós de esporos de Ganoderma lucidum como matéria-prima fúngica e investigaram a deacetilação ultrasonicamente assistida e os efeitos de parâmetros de processamento como tempo de sonicação, relação sólido‐-líquido, concentração de NaOH e poder de irradiação sobre o grau de deacetilação (DD) do chitosan. O maior valor DD foi obtido nos seguintes parâmetros ultrassônicos: 20 min de sônica a 80W, 10% (g:ml) NaOH, 1:25 (g:ml). A morfologia superficial, grupos químicos, estabilidade térmica e cristalina do quitosan obtido ultrasonicamente foram examinados utilizando-se o SEM, FTIR, TG e XRD. A equipe de pesquisa relata um aumento significativo do grau de deacetilação (DD), viscosidade dinâmica ([η]) e peso molecular (Mv İ) do quitosan produzido ultrasonicamente. Os resultados destacaram a técnica de deacetilação ultrassônica dos fungos um método de produção altamente potente para o quitosano, adequado para aplicações biomédicas. (cf. Zhu et al., 2019)

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

Imagens sem de quitinas e chitosans de duas espécies de cogumelos: a) Chitin de L. vellereus; b) Chitin de P. ribis; c) Chitosan de L.vellereus; d) chitosan de P. ribis.
imagem e estudo: © Erdoğan et al., 2017

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

Reator ultrassônico com Sonda de ultrassom de 2000W (sonotrode) para extração de quitina de cogumelos e despolimerização/ deacetilação subsequente

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Qualidade Chitosan Superior com Deacetilação Ultrassônica

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)

Como funciona a extração ultrassônica e a deacetilação da quitina?

Quando as ondas de ultrassom de energia são casais em um líquido ou chorume (por exemplo, uma suspensão constituída por quitina em um solvente), as ondas ultrassônicas viajam através do líquido causando ciclos alternados de alta pressão / baixa pressão. Durante ciclos de baixa pressão, são criadas bolhas de vácuo minúsculas (as chamadas bolhas de cavitação), que crescem ao longo de vários ciclos de pressão. Em um certo tamanho, quando as bolhas não conseguem absorver mais energia, elas implodem violentamente durante um ciclo de alta pressão. A implosão da bolha é caracterizada por intensas forças cavitacionais (ou sonomecânicas). Essas condições sonomecânicas ocorrem localmente no ponto quente cavitacional e são caracterizadas por temperaturas e pressões muito altas de até 4000K e 1000atm, respectivamente; bem como correspondentes diferenciais de alta temperatura e pressão. Furtehrmore, micro-turbulências e fluxos líquidos com velocidades de até 100m/s são gerados. A extração ultrassônica de quitina e cebolinha de fungos e crustáceos, bem como a despomerização e desacetilação da quitina são causadas principalmente por efeitos sonolecânicos: a agitação e as turbulências perturbam as células e promovem a transferência de massa e também podem cortar cadeias de polímeros em combinação com solventes ácidos ou alcalinos.
Princípio de trabalho da extração de quitina via ultrassônica: A extração ultrassônica quebra eficientemente a estrutura celular dos cogumelos e libera os compostos intracelulares da parede celular e do interior celular (ou seja, polissacarídeos como a quitina e a quitan e outros fitoquímicos bioativos) no solvente. A extração ultrassônica baseia-se no princípio de trabalho da cavitação acústica. Os efeitos da cavitação ultrassônica/acústica são forças de alta cisalhamento, turbulências e intensos diferenciais de pressão. Essas forças sonomecânicas quebram estruturas celulares como as paredes celulares de cogumelos chitinous, promovem a transferência de massa entre o biomaterial do fungo e o solvente e resultam em rendimentos extratos muito altos dentro de um processo rápido. Além disso, a sônica promove a esterilização de extratos matando bactérias e micróbios. A inativação microbiana por sônica é resultado das forças cavitacionais destrutivas à membrana celular, da produção de radicais livres e do aquecimento localizado.
Princípio de trabalho de despolimerização e deacetilação via ultrassônica: As correntes de polímeros são presas no campo de tesoura em torno de uma bolha e os segmentos de cadeia da bobina de polímero perto de uma cavidade em colapso se moverão a uma velocidade maior do que aqueles mais distantes. As tensões são então produzidas na cadeia do polímero devido ao movimento relativo dos segmentos e solventes do polímero e estes são suficientes para causar decote. O processo é, portanto, semelhante a outros efeitos de shearing em soluções de polímero ~2° e dá resultados muito semelhantes. (cf. Price et al., 1994)

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Equipamento ultrassônico de alto desempenho para processamento de chitina fúngica e chitosan

Desacetilação ultra-sônica de chition para quitosana

Imagens de microscopia eletrônica de varredura (MEV) em uma ampliação de 100 × de a) gladius, b) gladius tratados por ultrassom, c) β-quitina, d) β-quitina tratada por ultrassom e e) quitosana (fonte: preto et al. 2017)

4kW ultrasonicator for industrial chitin / chitosan processing from crustacean and fungiA fragmentação da quitina e a decetilação da quitina à cebolinha requer equipamentos ultrassônicos poderosos e confiáveis que podem fornecer altas amplitudes, oferecem controlabilidade precisa sobre os parâmetros do processo e podem ser operados 24 horas por dia, 7 dias por semana sob carga pesada e em ambientes exigentes. A gama de produtos da Hielscher Ultrasonics cumpre esses requisitos de forma confiável. Além do excelente desempenho do ultrassom, os ultrassonicadores hielscher possuem alta eficiência energética, o que é uma vantagem econômica significativa – especialmente quando empregado em produção comercial em grande escala.
Os ultrassonicadores hielscher são sistemas de alto desempenho que podem ser equipados com acessórios como sonotrodes, boosters, reatores ou células de fluxo para atender às necessidades do seu processo de uma maneira ideal. Com a exibição de cores digitais, a opção de predefinição de sonication runs, gravação automática de dados em um cartão SD integrado, controle remoto do navegador e muito mais recursos, maior controle de processo e simpatia do usuário são assegurados. Emparelhados com robustez e capacidade de carga pesada, os sistemas ultrassônicos Hielscher são o seu cavalo de trabalho confiável na produção. 
A fragmentação e a deacetilação da quitina requer um ultrassom poderoso para obter a conversão direcionada e um produto quitosano final de alta qualidade. Especialmente para a fragmentação dos flocos de quitina e os passos de despomerização/deacetilação, altas amplitudes e pressões elevadas são cruciais. Os processadores ultrassônicos industriais da Hielscher Ultrasonics fornecem facilmente amplitudes muito altas. Amplitudes de até 200μm podem ser continuamente executadas em operação 24/7. Para amplitudes ainda maiores, sonotrodes ultrassônicos personalizados estão disponíveis. A capacidade de potência dos sistemas ultrassônicos Hielscher permite uma deacetilação eficiente e rápida em um processo seguro e fácil de usar.
A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximado de nossos ultrasonicators:

Volume batch Quociente de vazão Dispositivos Recomendados
1 a 500mL 10 a 200 mL / min UP100H
10 a 2000 mL 20 a 400 mL / min UP200Ht, UP400St
0.1 a 20L 00,2 a 4 L / min UIP2000hdT
10 a 100L 2 de 10L / min UIP4000hdT
n / D. 10 a 100L / min UIP16000
n / D. maior aglomerado de UIP16000

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

A Hielscher Ultrasonics fabrica homogeneizadores ultrassônicos de alto desempenho para aplicações de mistura, dispersão, emulsificação e extração em escala laboratoria, piloto e industrial.



Literatura / Referências


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 fabrica homogeneizadores ultrassônicos de alto desempenho de Laboratório para tamanho industrial.