Producția de chitină și chitosan din ciuperci

Ultrasonicarea este o metodă extrem de eficientă pentru eliberarea chitinei și a chitosanului din surse fungice, cum ar fi ciupercile. Chitina și chitosanul trebuie depolimerizate și deacetilate în etapele de procesare din aval pentru a obține un biopolimer de înaltă calitate. Depolimerizarea și deacetilarea asistate de ultrasunete reprezintă o tehnică extrem de eficace, simplă și rapidă, care conduce la chitosani de înaltă calitate, cu masă moleculară mare și biodisponibilitate superioară.

Chitină și chitosan derivate din ciuperci prin ultrasonicare

Ciupercile comestibile și medicinale, precum Lentinus edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi sau reishi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (ciuperci champignon), Hericium erinaceus (coama leului), Cordyceps sinensis (ciuperca omidă), Grifola frondosa (găina pădurii), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, coada curcanului) și multe alte specii de ciuperci sunt utilizate pe scară largă ca aliment și pentru extracția compușilor bioactivi. Aceste ciuperci, precum și reziduurile de procesare (deșeuri de ciuperci), pot fi utilizate pentru producerea chitosanului. Ultrasonicarea nu doar favorizează eliberarea chitinei din structura peretelui celular fungic, ci și stimulează conversia chitinei în chitosan valoros prin depolimerizare și deacetilare asistate de ultrasunete.

Acest videoclip demonstrează extracția de înaltă eficiență a ciupercilor coama leului folosind omogenizatorul cu ultrasunete Hielscher UP200Ht. Extracția cu ultrasunete este tehnica ideală pentru obținerea unor extracte de înaltă calitate, cu spectru complet, care conțin polizaharide precum beta-glucanii, precum și hericenone și erinacine.

Ultrasonicarea intensă cu ajutorul unui sistem cu ultrasunete cu sondă este o tehnică utilizată pentru a favoriza depolimerizarea și deacetilarea chitinei, ducând la formarea chitosanului. Chitina este o polizaharidă naturală prezentă în exoscheletele crustaceelor, ale insectelor și în pereții celulari ai anumitor ciuperci. Chitosanul este obținut din chitină prin îndepărtarea grupărilor acetil din molecula de chitină.

Procedura cu ultrasunete pentru conversia chitinei fungice în chitosan

Atunci când ultrasonicarea intensă este aplicată pentru producerea chitosanului din chitină, o suspensie de chitină este sonicată cu unde ultrasonice de intensitate ridicată și frecvență joasă, de regulă în intervalul de la 20 kHz la 30 kHz. Procesul generează cavitație acustică intensă, care se referă la formarea, creșterea și colapsul bulelor microscopice de vid din lichid. Cavitația generează local forțe de forfecare extrem de ridicate, temperaturi ridicate (de până la câteva mii de grade Celsius) și presiuni ridicate (de până la câteva sute de atmosfere) în lichidul din jurul bulelor de cavitație. Aceste condiții extreme contribuie la descompunerea polimerului de chitină și la deacetilarea ulterioară.

 

Depolimerizarea chitinei cu ultrasunete

Depolimerizarea chitinei are loc prin efectele combinate ale forțelor mecanice, cum ar fi microcurenții (microstreaming) și jeturile de lichid, precum și prin reacții chimice inițiate de ultrasunete, induse de radicalii liberi și de alte specii reactive formate în timpul cavitației. Undele de înaltă presiune generate în timpul cavitației supun lanțurile de chitină unei solicitări de forfecare, ceea ce duce la scindarea polimerului în fragmente mai mici.

Deacetilarea chitinei cu ultrasunete

Pe lângă depolimerizare, ultrasonicarea intensă favorizează și deacetilarea chitinei. Deacetilarea presupune îndepărtarea grupărilor acetil din molecula de chitină, ducând la formarea chitosanului. Energia ultrasonică intensă, în special temperaturile și presiunile ridicate generate în timpul cavitației, accelerează reacția de deacetilare. Condițiile reactive create de cavitație contribuie la ruperea legăturilor acetil din chitină, având ca rezultat eliberarea acidului acetic și conversia chitinei în chitosan.
În ansamblu, ultrasonicarea intensă îmbunătățește atât procesul de depolimerizare, cât și pe cel de deacetilare, furnizând energia mecanică și chimică necesară pentru descompunerea polimerului de chitină și facilitând conversia în chitosan. Această tehnică oferă o metodă rapidă și eficientă pentru producerea chitosanului din chitină, cu numeroase aplicații în diverse industrii, inclusiv industria farmaceutică, agricultura și ingineria 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 (adică pescuit, recoltarea crustaceelor și a moluștelor etc.). Sursele diferite de materie primă conduc la calități diferite de chitină și chitosan, rezultând fluctuații de producție și de calitate cauzate de variațiile sezoniere ale pescuitului. În plus, chitosanul derivat din surse fungice oferă, potrivit datelor raportate, proprietăți superioare, precum 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 specii fungice a devenit o alternativă stabilă de producție. Producția de chitină și chitosan din ciuperci poate fi realizată ușor și fiabil cu ajutorul tehnologiei de extracție și deacetilare cu ultrasunete. Sonicarea intensă distruge structurile celulare pentru a elibera chitina și favorizează transferul de masă în solvenții apoși, pentru randamente superioare de chitină și o eficiență superioară a extracției. Deacetilarea ulterioară cu ultrasunete transformă chitina în chitosanul valoros. Atât extracția chitinei cu ultrasunete, cât și deacetilarea în chitosan pot fi scalate liniar la orice nivel de producție comercială.

Rezultate ale cercetării privind deacetilarea chitinei și a chitosanului cu ultrasunete

Zhu et al. (2018) concluzionează în studiul lor că deacetilarea cu ultrasunete s-a dovedit a fi o descoperire crucială, transformând β-chitina în chitosan cu o deacetilare de 83–94% la temperaturi de reacție reduse. Imaginea din stânga prezintă o imagine SEM a chitosanului deacetilat cu ultrasunete (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 w/v %) a fost preparată prin dizolvarea fulgilor de NaOH în apă deionizată. 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 volumetric al soluțiilor de 1:1. Suspensia a fost apoi supusă ultrasunetelor la o temperatură moderată de 25°C timp de 60 min, folosind un ultrasonicator cu sondă (250W, 20kHz). (cf Zhu et al., 2018)

Pandit et al. (2021) au constatat că viteza de degradare a soluțiilor de chitosan este rareori influențată de concentrațiile de acid utilizate pentru solubilizarea polimerului și depinde în mare măsură de temperatură, de intensitatea undelor ultrasonice și de tăria ionică a mediului utilizat pentru dizolvarea polimerului. (cf. Pandit et al., 2021)

Într-un alt studiu, Zhu et al. (2019) au utilizat pulberi de spori de Ganoderma lucidum ca materie primă fungică și au investigat deacetilarea asistată de ultrasunete, precum și efectele parametrilor de procesare, cum ar fi durata sonicării, raportul solid‐lichid, concentrația de NaOH și puterea de iradiere, asupra gradului de deacetilare (DD) al chitosanului. Cea mai mare valoare DD a fost obținută la următorii parametri ultrasonici: 20 min de sonicare la 80W, 10% (g:ml) NaOH, 1:25 (g:ml). Morfologia suprafeței, grupările chimice, stabilitatea termică și cristalinitatea chitosanului obținut cu ultrasunete au fost examinate prin SEM, FTIR, TG și XRD. Echipa de cercetare raportează o îmbunătățire semnificativă a gradului de deacetilare (DD), a vâscozității dinamice ([η]) și a masei moleculare (Mv¯) a chitosanului produs cu ultrasunete. Rezultatele au evidențiat tehnica de deacetilare cu ultrasunete a ciupercilor ca metodă de producție extrem de eficace pentru chitosan, adecvată pentru aplicații biomedicale. (cf. Zhu et al., 2019)

Calitate superioară a chitosanului prin depolimerizare și deacetilare cu ultrasunete

Procesele de extracție și depolimerizare a chitinei / chitosanului realizate cu ultrasunete sunt controlabile cu precizie, iar parametrii procesului ultrasonic pot fi ajustați în funcție de materiile prime și de calitatea vizată a produsului final (de exemplu, masa moleculară, gradul de deacetilare). Acest lucru permite adaptarea procesului cu ultrasunete la factorii externi și stabilirea parametrilor optimi pentru rezultate și eficiență superioare.
Chitosanul deacetilat cu ultrasunete prezintă o biodisponibilitate și o biocompatibilitate excelente. Atunci când biopolimerii de chitosan preparați cu ultrasunete sunt comparați cu chitosanul obținut pe cale termică în ceea ce privește proprietățile biomedicale, chitosanul produs cu ultrasunete prezintă o viabilitate semnificativ îmbunătățită a fibroblastelor (celule L929) și o activitate antibacteriană sporită atât împotriva Escherichia coli (E. coli), cât și a Staphylococcus aureus (S. aureus).
(cf. Zhu et al., 2018)

Echipamente cu ultrasunete de înaltă performanță pentru procesarea chitinei și a chitosanului

Fragmentarea chitinei și deacetilarea chitinei în chitosan necesită echipamente cu ultrasunete puternice și fiabile, care pot furniza amplitudini ridicate, oferă un control precis asupra parametrilor de proces și pot funcționa 24/7 la sarcini mari și în medii solicitante. Gama de produse Hielscher Ultrasonics îndeplinește aceste cerințe în mod fiabil. Pe lângă performanța ultrasonică remarcabilă, ultrasonicatoarele Hielscher se remarcă printr-o eficiență energetică ridicată, ceea ce reprezintă un avantaj economic semnificativ – mai ales atunci când sunt utilizate în producția comercială la scară largă.
Ultrasonicatoarele Hielscher sunt sisteme de înaltă performanță care pot fi echipate cu accesorii precum sonotrode, boostere, reactoare sau celule de flux, pentru a corespunde în mod optim nevoilor procesului dumneavoastră. Cu afișaj digital color, opțiunea de presetare a ciclurilor de sonicare, înregistrarea automată a datelor pe un card SD integrat, control de la distanță prin browser și multe alte funcții, ultrasonicatoarele Hielscher asigură cel mai înalt control al procesului și ușurință în utilizare. Alături de robustețe și capacitatea de a suporta sarcini mari, sistemele cu ultrasunete Hielscher sunt „calul de povară” fiabil al dumneavoastră 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 pentru etapele de depolimerizare / deacetilare, amplitudinile ridicate și presiunile ridicate sunt esențiale. Procesoarele industriale cu ultrasunete Hielscher Ultrasonics furnizează cu ușurință amplitudini foarte ridicate. Amplitudini de până la 200µm pot fi menținute continuu în regim 24/7. Pentru amplitudini și mai ridicate, sunt disponibile sonotrode ultrasonice personalizate. Capacitatea de putere a sistemelor cu ultrasunete Hielscher permite o depolimerizare și o deacetilare eficiente și rapide, într-un proces sigur și ușor de utilizat.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre:

---

---

Tratarea sinergică a chitinei îmbunătățită prin ultrasonicare

Pentru a depăși dezavantajele (adică eficiența scăzută, costul energetic ridicat, timpul lung de procesare, solvenții toxici) ale deacetilării chimice și enzimatice tradiționale a chitinei, ultrasunetele de intensitate ridicată au fost integrate în procesarea chitinei și a chitosanului. Sonicarea de intensitate ridicată și efectele rezultate ale cavitației acustice duc la o scindare rapidă a lanțurilor polimerice și reduc polidispersitatea, favorizând astfel sinteza chitosanului. În plus, forțele de forfecare ultrasonice intensifică transferul de masă în soluție, astfel încât reacțiile chimice, hidrolitice sau enzimatice sunt îmbunătățite. Tratarea chitinei cu ultrasunete poate fi combinată cu tehnicile deja existente de procesare a chitinei, cum ar fi metodele chimice, hidroliza sau procedurile enzimatice.

Deacetilare și depolimerizare chimică asistate de ultrasunete

Deoarece chitina este un biopolimer nereactiv și insolubil, aceasta trebuie supusă etapelor de proces de demineralizare, deproteinizare și depolimerizare / deacetilare pentru a obține chitosan solubil și bioaccesibil. Aceste etape de proces implică tratamente cu acizi tari, precum HCl, și baze tari, precum NaOH și KOH. Întrucât aceste etape convenționale de proces sunt ineficiente, lente și necesită energii ridicate, intensificarea procesului prin sonicare îmbunătățește semnificativ producția de chitosan. Aplicarea ultrasunetelor de putere crește randamentele și calitatea chitosanului, reduce durata procesului de la zile la câteva ore, permite utilizarea unor solvenți mai blânzi și face întregul proces mai eficient din punct de vedere energetic.

Deproteinizarea chitinei îmbunătățită cu ultrasunete

Vallejo-Dominguez et al. (2021) au constatat în investigația lor privind deproteinizarea chitinei că „aplicarea ultrasunetelor pentru producerea biopolimerilor a redus conținutul de proteine, precum și dimensiunea particulelor de chitină. Chitosanul cu grad ridicat de deacetilare și masă moleculară medie a fost produs cu asistența ultrasunetelor.”

Hidroliza cu ultrasunete pentru depolimerizarea chitinei

Pentru hidroliza chimică se utilizează fie acizi, fie baze pentru deacetilarea chitinei; totuși, deacetilarea alcalină (de exemplu, cu hidroxid de sodiu NaOH) este mai larg utilizată. Hidroliza acidă este o metodă alternativă la deacetilarea chimică tradițională, în care se folosesc soluții de acizi organici pentru depolimerizarea chitinei și a chitosanului. Metoda hidrolizei acide este utilizată mai ales atunci când masa moleculară a chitinei și a chitosanului trebuie să fie omogenă. Acest proces convențional de hidroliză este cunoscut ca fiind lent și intensiv din punct de vedere energetic și al costurilor. Necesitatea acizilor tari, a temperaturilor și a presiunilor ridicate reprezintă factori care transformă procesul hidrolitic de obținere a chitosanului într-o procedură foarte costisitoare și consumatoare de timp. Acizii utilizați necesită procese în aval, precum neutralizarea și desalinizarea.
Prin integrarea ultrasunetelor de mare putere în procesul de hidroliză, cerințele de temperatură și presiune pentru scindarea hidrolitică a chitinei și a chitosanului pot fi reduse semnificativ. În plus, sonicarea permite concentrații mai mici de acid sau utilizarea unor acizi mai blânzi. Acest lucru face procesul mai sustenabil, mai eficient, mai rentabil și mai prietenos cu mediul.

Deacetilare chimică asistată de ultrasunete

Dezintegrarea chimică și deacetilarea chitinei și a chitosanului se realizează în principal prin tratarea chitinei sau a chitosanului cu acizi minerali (de exemplu, acid clorhidric HCl), nitrit de sodiu (NaNO₂) sau peroxid de hidrogen (H₂O₂). Ultrasunetele îmbunătățesc viteza de deacetilare, scurtând astfel timpul de reacție necesar pentru a obține gradul de deacetilare vizat. Aceasta înseamnă că sonicarea reduce timpul de procesare necesar de 12–24 de ore la câteva ore. În plus, sonicarea permite concentrații de substanțe chimice semnificativ mai mici, de exemplu 40% (w/w) hidroxid de sodiu cu sonicare, în timp ce fără utilizarea ultrasunetelor sunt necesari 65% (w/w).

Deacetilare ultrasonico-enzimatică

Deși deacetilarea enzimatică este o formă de procesare blândă și ecologică, eficiența și costurile sale sunt neeconomice. Din cauza izolării și purificării complexe, laborioase și costisitoare a enzimelor din produsul final în etapele din aval, deacetilarea enzimatică a chitinei nu este implementată în producția comercială, ci este utilizată doar în laboratoarele de cercetare științifică.
Pretratarea cu ultrasunete înainte de deacetilarea enzimatică fragmentează moleculele de chitină, mărind astfel aria suprafeței și punând mai multă suprafață la dispoziția enzimelor. Sonicarea de înaltă performanță contribuie la îmbunătățirea deacetilării enzimatice și face procesul mai economic.