Produção de quitina e quitosana a partir de cogumelos

A ultrassonografia 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 por ultrassom

Cogumelos comestíveis e medicinais como Lentinus edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi ou reishi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (cogumelos-botão), Hericium erinaceus (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. Esses cogumelos, bem como os resíduos de processamento (resíduos de cogumelos), podem ser usados para produzir quitosana. A ultrassonografia não apenas promove a liberação de quitina da estrutura da parede celular do fungo, mas também impulsiona a conversão da quitina em quitosana valiosa por meio de despolimerização e desacetilação assistidas por ultrassom.

 

A ultrassonografia intensa usando um sistema ultrassônico do 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 acetil da molécula de quitina.

Procedimento ultrassônico para conversão de quitina fúngica em quitosana

Quando a ultrassonografia intensa é aplicada para a produção de quitosana a partir da quitina, uma suspensão de quitina é sonicada com ondas de ultrassom de alta intensidade e baixa frequência, normalmente na faixa de 20 kHz a 30 kHz. O processo gera intensa cavitação acústica, que se refere à formação, crescimento e colapso de bolhas microscópicas de vácuo no líquido. A cavitação gera forças de cisalhamento localizadas 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. Essas condições extremas contribuem para a quebra do polímero de quitina e a subsequente desacetilação.
 

 

Despolimerização ultrassônica de quitina

A despolimerização da quitina ocorre através dos efeitos combinados de forças mecânicas, como microfluxo e jateamento de líquidos, bem como por reações químicas iniciadas por ultrassom 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 tensão de cisalhamento, resultando na cisão do polímero em fragmentos menores.

Desacetilação ultrassônica de quitina

Além da despolimerização, a ultrassonografia intensa também promove a desacetilação da quitina. A desacetilação envolve a remoção de grupos acetil da molécula de quitina, levando à formação de quitosana. A intensa energia ultrassônica, 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 ultrassonografia 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 da quitina, com inúmeras aplicações em várias indústrias, incluindo farmacêutica, agricultura e engenharia biomédica.

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

A produção comercial de quitina e quitosana baseia-se principalmente em resíduos das indústrias marítimas (ou seja, pesca, apanha de mariscos, etc.). Diferentes fontes de matéria-prima resultam em diferentes qualidades de quitina e quitosana, resultantes de flutuações de produção e qualidade devido às variações sazonais da pesca. Além disso, a quitosana derivada de fontes fúngicas oferece propriedades supostamente superiores, como comprimento homogêneo do polímero e maior solubilidade quando comparada à quitosana de fontes marinhas. (cf. Ghormade et al., 2017) Com o objetivo de fornecer quitosana 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 obtida de forma fácil e confiável usando a tecnologia de extração ultrassônica e desacetilação. A sonicação intensa interrompe as estruturas celulares para liberar quitina e promove a transferência de massa em solventes aquosos para rendimentos superiores de quitina e eficiência de extração. A desacetilação ultrassônica subsequente converte a quitina em quitosana valiosa. Tanto a extração ultrassônica de quitina quanto a desacetilação em quitosana podem ser dimensionadas linearmente para qualquer nível de produção comercial.

Resultados de pesquisa para quitina ultrassônica e desacetilação de quitosana

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 em temperaturas de reação reduzidas. A imagem à esquerda mostra uma imagem SEM de quitosana desacetilada por ultrassom (90 W, 15 min, 20 w/v% NaOH, 1:15 (g: mL) (imagem e estudo: © Zhu et al., 2018)
Em seu protocolo, a 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. A quitosana foi adicionada ao NaCl (40 mL, 0,2 M) e ácido acético (0,1 M) na proporção de 1:1 do volume da solução. A suspensão foi então submetida a ultrassom a uma temperatura amena de 25°C por 60 min usando um ultrassonicador tipo sonda (250W, 20kHz). (cf Zhu et al., 2018)
 
Pandit et al. (2021) descobriram que a taxa de degradação das soluções de quitosana 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 do meio usado para dissolver o polímero. (cf. Pandit et al., 2021)
 
Em outro estudo, Zhu et al. (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, proporção 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 ultrassônicos: sonicação de 20 min a 80W, NaOH a 10% (g:ml), 1:25 (g:ml). A morfologia da superfície, os grupos químicos, a estabilidade térmica e a cristalinidade da quitosana obtida por ultrassom foram examinadas usando 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 ̄) da quitosana produzida por ultrassom. Os resultados sublinharam a técnica de desacetilação ultrassônica 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 e desacetilação ultrassônica

Os processos ultrassônicos de extração e despolimerização de quitina / quitosana são controláveis com precisão e os parâmetros do processo ultrassônico podem ser ajustados às matérias-primas e à qualidade do produto final (por exemplo, peso molecular, grau de desacetilação). Isso permite adaptar o processo de ultrassom a fatores externos e definir parâmetros ideais para resultados e eficiência superiores.
A quitosana desacetilada por ultrassom apresenta excelente biodisponibilidade e biocompatibilidade. Quando os biopolímeros de quitosana preparados por ultrassom são comparados à quitosana derivada termicamente em relação às propriedades biomédicas, a quitosana produzida por ultrassom exibe viabilidade de fibroblastos significativamente melhorada (célula L929) e atividade antibacteriana aprimorada para Escherichia coli (E. coli) e Staphylococcus aureus (S. aureus).
(cf. Zhu et al., 2018)
 

Equipamento ultrassônico de alto desempenho para processamento de quitina e quitosana

A fragmentação da quitina e a decetilação 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 linha de produtos Hielscher Ultrasonics atende a esses requisitos de forma confiável. Além do excelente desempenho de ultrassom, os ultrassônicos Hielscher apresentam alta eficiência energética, o que é uma vantagem econômica significativa – especialmente quando empregado na produção comercial em larga escala.
Os ultrassônicos Hielscher são sistemas de alto desempenho que podem ser equipados com acessórios como sonotrodos, boosters, reatores ou células de fluxo para atender às necessidades do seu processo de maneira ideal. Com display digital colorido, 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 ultrasonicadores Hielscher garantem o mais alto controle do processo e facilidade de uso. Emparelhado com robustez e capacidade de carga pesada, os sistemas ultrassônicos Hielscher são o seu cavalo de trabalho confiável na produção. 
A fragmentação e desacetilação da quitina requerem um 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 fornecem 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, estão disponíveis sonotrodos ultrassônicos personalizados. A capacidade de potência dos sistemas ultrassônicos Hielscher permite uma despolimerização e desacetilação eficientes e rápidas em um processo seguro e fácil de usar.
 

A tabela abaixo fornece uma indicação da capacidade aproximada de processamento de nossos ultrassônicos:

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Tratamento sinérgico com 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 desacetilização química e enzimática tradicional da 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 ultrassônicas intensificam a transferência de massa na solução, de modo que a reação química, hidrolítica ou enzimática seja aprimorada. O tratamento ultrassônico da quitina pode ser combinado com as técnicas de processamento já existentes da quitina, tais como métodos químicos, hidrólise ou procedimentos enzimáticos.

Desacetilação e despolimerização química assistida por ultrassom

Como a quitina é um biopolímero não reativo e insolúvel, ela deve passar pelas etapas do processo de desmineralização, desproteinização e despolimerização/desacetilação para obtenção de quitosana 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 do processo são ineficientes, lentas e exigem altas energias, a intensificação do processo por sonicação melhora significativamente a produção de quitosana. A aplicação de ultrassom aumenta o rendimento e a qualidade da quitosana, reduz o processo de dias para algumas horas, permite solventes mais suaves e torna todo o processo mais eficiente em termos de energia.

Desproteinização da quitina melhorada por ultrassom

Vallejo-Dominguez et al. (2021) descobriram em sua investigação da desproteinização da quitina que o “A aplicação de ultrassom para a produção de biopolímeros reduziu o teor de proteína, bem como o tamanho de partícula da quitina. A quitosana de alto grau de desacetilação e peso molecular médio foi produzida por meio de auxílio de ultrassom.”

Hidrólise ultrassônica para despolimerização de quitina

Para hidrólise química, ácidos ou álcalis são usados para desacetilar a quitina, no entanto, a desacetilação alcalina (por exemplo, hidróxido de sódio NaOH) é mais amplamente utilizada. A hidrólise ácida é um método alternativo à desacetilação química tradicional, onde soluções de ácidos orgânicos são usadas para despolimerizar quitina e quitosana. O método de hidrólise ácida é usado principalmente quando o peso molecular da quitina e da quitosana deve ser homogêneo. Este processo de hidrólise convencional é conhecido como lento e intensivo em energia e custoso. A necessidade de ácidos fortes, altas temperaturas e pressões são fatores que tornam o processo de quitosana hidrolítica um procedimento muito caro e demorado. Os ácidos usados requerem processos a jusante, como neutralização e dessalinização.
Com a integração do ultrassom de alta 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 concentrações ácidas mais baixas ou o uso de ácidos mais suaves. Isso torna o processo mais sustentável, eficiente, econômico e ecologicamente correto.

Desacetilação Química Assistida por Ultrassom

A desintegração química e a desacteilação da quitina e da quitosana são obtidas principalmente pelo tratamento da quitina ou quitosana com ácidos minerais (por exemplo, ácido clorídrico HCl), nitrito de sódio (NaNO₂) ou peróxido de hidrogênio (H₂O₂). O ultrassom melhora a taxa de desacetilação, reduzindo assim o tempo de reação necessário para obter o grau desejado de desacetilação. Isso significa que a sonicação reduz o tempo de processamento necessário de 12 a 24 horas para algumas horas. Além disso, a sonicação permite concentrações químicas significativamente mais baixas, por exemplo, 40% (p/p) de hidróxido de sódio usando sonicação, enquanto 65% (p/p) são necessários sem o uso de ultrassom.

Desacetilação Ultrassônica-Enzimática

Embora a desacetilação enzimática seja uma forma de processamento suave e ambientalmente benigna, sua eficiência e custos não são econômicos. Devido ao isolamento e purificação complexos, trabalhosos e caros de enzimas do produto final, a desacetilação enzimática da quitina não é implementada na produção comercial, mas usada apenas em laboratório de pesquisa científica.
O pré-tratamento ultrassônico antes da desacetilitação enzimática fragmenta as moléculas de quitina, ampliando assim a área de superfície e disponibilizando mais superfície para as enzimas. A sonicação de alto desempenho ajuda a melhorar a desacetilação enzimática e torna o processo mais econômico.