Producția de chitină și chitosan din ciuperci

Ultrasonication este o metodă extrem de eficientă pentru a elibera chitina și chitosanul din surse fungice, ar fi ciupercile. Chitina și chitosanul trebuie depolimerizate și deacetilate în prelucrarea în aval pentru a obține un biopolimer de înaltă calitate. Depolimerizarea și deacetilarea asistată ultrasonically este o tehnică extrem de eficientă, simplă și rapidă, care are ca rezultat chitosani de înaltă calitate cu greutate moleculară mare și biodisponibilitate superioară.

Chitina derivată din ciuperci și chitosan prin ultrasonication

Ciupercile comestibile și medicinale, cum ar fi Lentinus edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi sau reishi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (ciuperci buton), Hericium erinaceus (coama leului), Cordyceps sinensis (ciuperca omidă), Grifola frondosa (găină-de-lemn), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, coada curcanului) și multe alte specii de ciuperci sunt utilizate pe scară largă ca hrană și pentru extracția compușilor bioactivi. Aceste ciuperci, precum și reziduurile de prelucrare (deșeuri de ciuperci) pot fi utilizate pentru a produce chitosan. Ultrasonication nu numai că promovează eliberarea de chitină din structura peretelui celular fungic, dar, de asemenea, conduce conversia chitinei în chitosan valoros prin depolimerizare asistată ultrasonically și deacetilare.

 

Ultrasonication intens folosind un sistem cu ultrasunete de tip sondă este o tehnică utilizată pentru a promova depolimerizarea și deacetilarea chitinei, ceea ce duce la formarea de chitosan. Chitina este o polizaharidă naturală găsită în exoscheletele crustaceelor, insectelor și pereților celulari ai anumitor ciuperci. Chitosanul este derivat din chitină prin îndepărtarea grupărilor acetil din molecula de chitină.

Procedura cu ultrasunete pentru chitina fungica la chitosan de conversie

Atunci când ultrasonication intens este aplicat pentru producerea de chitosan din chitină, o suspensie de chitină este sonicated cu intensitate de înaltă intensitate, unde cu ultrasunete de joasă frecvență, de obicei în intervalul de 20 kHz la 30 kHz. Procesul generează cavitație acustică intensă, care se referă la formarea, creșterea și prăbușirea bulelor microscopice de vid în lichid. Cavitația generează forțe de forfecare extrem de ridicate, temperaturi ridicate (până la câteva mii de grade Celsius) și presiuni (până la câteva sute de atmosfere) în lichidul care înconjoară bulele de cavitație. Aceste condiții extreme contribuie la descompunerea polimerului de chitină și la deacetilarea ulterioară.
 

 

Depolimerizarea cu ultrasunete a chitinei

Depolimerizarea chitinei are loc prin efectele combinate ale forțelor mecanice, cum ar fi microstreamingul și jetul de lichid, precum și prin reacții chimice inițiate ultrasonically induse de radicalii liberi și alte specii reactive formate în timpul cavitației. Undele de înaltă presiune generate în timpul cavitației determină lanțurile de chitină să sufere stres de forfecare, ducând la scindarea polimerului în fragmente mai mici.

Deacetilarea cu ultrasunete a chitinei

În plus față de depolimerizare, ultrasonication intense, de asemenea, promovează deacetilarea chitinei. Deacetilarea implică îndepărtarea grupărilor acetil din molecula de chitină, ceea ce duce la formarea chitosanului. Energia ultrasonică intensă, în special temperaturile ridicate și presiunile generate în timpul cavitației, accelerează reacția de deacetilare. Condițiile reactive create de cavitație ajută la ruperea legăturilor acetil din chitină, ducând la eliberarea acidului acetic și conversia chitinei în chitosan.
În general, ultrasonication intens îmbunătățește atât procesele de depolimerizare, cât și cele de deacetilare prin furnizarea energiei mecanice și chimice necesare pentru a descompune polimerul de chitină și pentru a facilita conversia la chitosan. Această tehnică oferă o metodă rapidă și eficientă pentru producerea chitosanului din chitină, cu numeroase aplicații în diverse industrii, inclusiv farmaceutică, agricultură și inginerie biomedicală.

Producția industrială de chitosan din ciuperci cu ultrasunete de putere

Producția comercială de chitină și chitosan se bazează în principal pe deșeurile industriilor marine (de exemplu, pescuitul, recoltarea crustaceelor etc.). Diferitele surse de materii prime au ca rezultat calități diferite de chitină și chitosan, rezultând fluctuațiile de producție și de calitate datorate variațiilor sezoniere ale pescuitului. În plus, chitosanul derivat din surse fungice oferă proprietăți superioare, cum ar fi lungimea omogenă a polimerului și o solubilitate mai mare în comparație cu chitosanul din surse marine. (cf. Ghormade et al., 2017) Pentru a furniza chitosan uniform, extracția chitinei din speciile fungice a devenit o producție alternativă stabilă. Producția de chitină și citiosan din ciuperci poate fi ușor și fiabilă realizată folosind tehnologia de extracție cu ultrasunete și deacetilare. Sonicare intensă perturbă structurile celulare pentru a elibera chitina și promovează transferul de masă în solvenți apoși pentru randamente superioare de chitină și eficiență de extracție. Deacetilarea ulterioară cu ultrasunete transformă chitina în chitosanul valoros. Ambele, extracție cu chitina cu ultrasunete și deacetilare la chitosan pot fi scalate liniar la orice nivel de producție comercială.

Rezultatele cercetării pentru chitina cu ultrasunete și deacetilarea chitosanului

Zhu et al. (2018) concluzionează în studiul lor că deacetilarea cu ultrasunete s-a dovedit a fi un progres crucial, transformând β-chitină în chitosan cu 83-94% deacetilare la temperaturi reduse de reacție. Imaginea din stânga prezintă o imagine SEM de chitosan deacetilat ultrasonically (90 W, 15 min, 20 w? v% NaOH, 1:15 (g: ml) (imagine și studiu: © Zhu et al., 2018)
În protocolul lor, soluția de NaOH (20 g/v %) a fost preparată prin dizolvarea fulgilor de NaOH în apă DI. Soluția alcalină a fost apoi adăugată la sedimentul GLSP (0,5 g) la un raport solid-lichid de 1:20 (g: ml) într-un tub de centrifugă. Chitosanul a fost adăugat la NaCl (40 ml, 0,2 M) și acid acetic (0,1 M) la un raport volumic de soluție de 1:1. Suspensia a fost apoi supusă ultrasunetelor la o temperatură ușoară de 25 ° C timp de 60 de minute folosind un ultrasonicator de tip sondă (250W, 20kHz). (cf. Zhu et al., 2018)
 
Pandit et al. (2021) au constatat că rata de degradare pentru soluțiile de chitosan este rareori afectată de concentrațiile de acid utilizate pentru solubilizarea polimerului și depinde în mare măsură de temperatura, intensitatea undelor cu ultrasunete și rezistența ionică a mediului utilizat pentru dizolvarea polimerului. (cf. Pandit et al., 2021)
 
Într-un alt studiu, Zhu et al. (2019) a folosit pulberi de spori Ganoderma lucidum ca materie primă fungică și a investigat deacetilarea asistată ultrasonically și efectele parametrilor de procesare, ar fi timpul de sonicare, raportul solid-lichid, concentrația NaOH, și puterea de iradiere asupra gradului de deacetilare (DD) a chitosan. Cea mai mare valoare DD a fost obținută la următorii parametri ultrasonici: 20 min sonicare la 80W, 10% (g:ml) NaOH, 1:25 (g:ml). Morfologia suprafeței, grupurile chimice, stabilitatea termică și cristalinitatea chitosanului obținut ultrasonically au fost examinate folosind SEM, FTIR, TG și XRD. Echipa de cercetare raportează o îmbunătățire semnificativă a gradului de deacetilare (DD), vâscozitatea dinamică ([η]) și greutatea moleculară (Mv ̄) a chitosanului produs ultrasonically. Rezultatele au subliniat tehnica de deacetilare cu ultrasunete a ciupercilor o metodă de producție foarte puternică pentru chitosan, care este potrivit pentru aplicații biomedicale. (cf. Zhu et al., 2019)

Calitate superioară a chitosanului cu depolimerizare cu ultrasunete și deacetilare

Procesele ultrasonically conduse de extracție și depolimerizare chitină? chitosan sunt controlabile cu precizie și parametrii procesului cu ultrasunete pot fi ajustate la materiile prime și calitatea produsului final vizat (de exemplu, greutatea moleculară, gradul de deacetilare). Acest lucru permite adaptarea procesului cu ultrasunete la factorii externi și stabilirea parametrilor optimi pentru rezultate și eficiență superioare.
Ultrasonically chitosan deacetilat arată biodisponibilitate excelentă și biocompatibilitate. Atunci când biopolimerii chitosan pregătiți ultrasonically sunt comparați cu chitosanul derivat termic în ceea ce privește proprietățile biomedicale, chitosanul produs ultrasonically prezintă o viabilitate semnificativ îmbunătățită a fibroblastelor (celula L929) și o activitate antibacteriană îmbunătățită atât pentru Escherichia coli (E. coli), cât și pentru Staphylococcus aureus (S. aureus).
(cf. Zhu et al., 2018)
 

Echipamente cu ultrasunete de înaltă performanță pentru prelucrarea chitinei și chitosanului

Fragmentarea chitinei și decetilarea chitinei la chitosan necesită echipamente cu ultrasunete puternice și fiabile, care pot furniza amplitudini mari, oferă un control precis asupra parametrilor procesului și pot fi operate 24/7 sub sarcină grea și în medii solicitante. Hielscher Ultrasonics gama de produse îndeplinește aceste cerințe în mod fiabil. Pe lângă performanța remarcabilă cu ultrasunete, ultrasonicators Hielscher se mândresc cu eficiență energetică ridicată, ceea ce reprezintă un avantaj economic semnificativ – mai ales atunci când este angajat în producția comercială pe scară largă.
Hielscher ultrasonicators sunt sisteme de înaltă performanță, care pot fi echipate cu accesorii, ar fi sonotrodes, boostere, reactoare sau celule de flux, în scopul de a se potrivi nevoilor dumneavoastră de proces într-un mod optim. Cu afișaj color digital, opțiunea de a preseta sonicare rulează, înregistrarea automată a datelor pe un card SD integrat, control de la distanță al browserului și multe alte caracteristici, ultrasonicators Hielscher asigură cel mai înalt control al procesului și ușurința în utilizare. Împreună cu robustețe și capacitate portantă grea, sistemele cu ultrasunete Hielscher sunt calul de lucru de încredere în producție. 
Fragmentarea și deacetilarea chitinei necesită ultrasunete puternice pentru a obține conversia vizată și un produs final de chitosan de înaltă calitate. În special pentru fragmentarea fulgilor de chitină și etapele de depolimerizare? deacetilare, amplitudinile mari și presiunile ridicate sunt cruciale. Hielscher Ultrasonics procesoare industriale cu ultrasunete livra cu ușurință amplitudini foarte mari. Amplitudinile de până la 200μm pot fi rulate continuu în funcționare 24/7. Pentru amplitudini chiar mai mari, sonotrodes cu ultrasunete personalizate sunt disponibile. Capacitatea de putere a sistemelor cu ultrasunete Hielscher permite depolimerizarea eficientă și rapidă și deacetilarea într-un proces sigur și ușor de utilizat.
 

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre:

---

---

Tratamentul sinergic cu chitină îmbunătățit prin ultrasonication

Pentru a depăși dezavantajele (adică eficiență scăzută, cost ridicat al energiei, timp lung de procesare, solvenți toxici) ale deacetliei tradiționale chimice și enzimatice de chitină, ultrasunetele de înaltă intensitate au fost integrate în prelucrarea chitinei și chitosanului. Sonicare de mare intensitate și efectele rezultate ale cavitației acustice duce la o scindare rapidă a lanțurilor polimerice și reduce polidispersia, promovând astfel sinteza chitosan. În plus, forțele de forfecare cu ultrasunete intensifică transferul de masă în soluție, astfel încât reacția chimică, hidrolitică sau enzimatică sunt îmbunătățite. Tratamentul cu chitină cu ultrasunete poate fi combinat cu tehnicile deja existente de prelucrare a chitinei, ar fi metodele chimice, hidroliza sau procedurile enzimatice.

Deacetilare chimică asistată ultrasonically și depolimerizare

Deoarece chitina este un biopolimer nereactiv și insolubil, trebuie să treacă prin etapele procesului de demineralizare, deproteinizare și depolimerizare? deacetilare pentru a obține chitosan solubil și bioeligibil. Aceste etape ale procesului implică tratamente cu acizi puternici, cum ar fi HCl și baze puternice, cum ar fi NaOH și KOH. Deoarece aceste etape convenționale ale procesului sunt ineficiente, lente și necesită energii mari, intensificarea procesului prin sonicare îmbunătățește semnificativ producția de chitosan. Aplicarea ultrasunetelor de putere crește randamentele și calitatea chitosanului, reduce procesul de la zile la câteva ore, permite solvenți mai blânzi și face întregul proces mai eficient din punct de vedere energetic.

Deproteinizarea îmbunătățită ultrasonically a chitinei

Vallejo-Dominguez et al. (2021) au constatat în investigația lor privind deproteinizarea chitinei că “Aplicarea ultrasunetelor pentru producerea de biopolimeri a redus conținutul de proteine, precum și dimensiunea particulelor de chitină. Chitosanul cu grad ridicat de deacetilare și greutate moleculară medie a fost produs prin asistență cu ultrasunete.”

Hidroliza cu ultrasunete pentru depolimerizarea chitinei

Pentru hidroliza chimică, fie acizi, fie alcalii sunt utilizați pentru a deacetila chitina, totuși deacetilarea alcalină (de exemplu, hidroxid de sodiu NaOH) este utilizată pe scară mai largă. Hidroliza acidă este o metodă alternativă la deacetilarea chimică tradițională, în care soluțiile de acid organic sunt utilizate pentru depolimerizarea chitinei și chitosanului. Metoda de hidroliză acidă este utilizată mai ales atunci când greutatea moleculară a chitinei și chitosanului trebuie să fie omogenă. Acest proces convențional de hidroliză este cunoscut ca lent și intensiv din punct de vedere energetic și al costurilor. Necesarul de acizi puternici, temperaturile și presiunile ridicate sunt factori care transformă procesul de chitosan hidrolitic într-o procedură foarte costisitoare și consumatoare de timp. Acizii utilizați necesită procese în aval, cum ar fi neutralizarea și desalinizarea.
Odată cu integrarea ultrasunetelor de mare putere în procesul de hidroliză, cerințele de temperatură și presiune pentru scindarea hidrolitică a chitinei și chitosanului pot fi reduse semnificativ. În plus, sonicare permite concentrații mai mici de acid sau utilizarea de acizi mai blânzi. Acest lucru face ca procesul să fie mai durabil, mai eficient, mai rentabil și mai ecologic.

Deacetilare chimică asistată ultrasonically

Dezintegrarea chimică și deacteilarea chitinei și chitosanului se realizează în principal prin tratarea chitinei sau chitosanului cu acizi minerali (de exemplu, acid clorhidric HCl), nitrit de sodiu (NaNO₂) sau peroxid de hidrogen (H₂O₂). Ecografia îmbunătățește rata de deacetilare, scurtând astfel timpul de reacție necesar pentru a obține gradul vizat de deacetilare. Acest lucru înseamnă sonicare reduce timpul necesar de procesare de 12-24 ore la câteva ore. În plus, sonicare permite concentrații chimice semnificativ mai mici, de exemplu 40% (g? g) hidroxid de sodiu folosind sonicare în timp ce 65% (w? g) sunt necesare fără utilizarea ultrasunetelor.

Deacetilare cu ultrasunete-enzimatică

În timp ce deacetilarea enzimatică este o formă de procesare ușoară, inofensivă din punct de vedere ecologic, eficiența și costurile sale sunt neeconomice. Datorită izolării și purificării complexe, intensive și costisitoare în aval a enzimelor din produsul final, deacetilarea enzimatică a chitinei nu este implementată în producția comercială, ci este utilizată numai în laboratorul de cercetare științifică.
Pre-tratament cu ultrasunete înainte de fragmente enzimatice de deacetlytation molecule de chitină, mărind astfel suprafața și făcând mai multă suprafață disponibilă pentru enzime. Sonicare de înaltă performanță ajută la îmbunătățirea deacetilării enzimatice și face procesul mai economic.