Производство хитина и хитозана из грибов

Обработка ультразвуком – высокоэффективный метод высвобождения хитина и хитозана из грибного сырья, например плодовых тел грибов. Для получения высококачественного биополимера хитин и хитозан необходимо подвергнуть деполимеризации и деацетилированию на последующих этапах переработки. Деполимеризация и деацетилирование при содействии ультразвука – высокоэффективный, простой и быстрый метод, позволяющий получать высококачественные хитозаны с высокой молекулярной массой и превосходной биодоступностью.

Получение хитина и хитозана из грибов с помощью обработки ультразвуком

Съедобные и лекарственные грибы, такие как Lentinus edodes (шиитаке), Ganoderma lucidum (линчжи, или рейши), Inonotus obliquus (чага), Agaricus bisporus (шампиньон двуспоровый), Hericium erinaceus (ежовик гребенчатый), Cordyceps sinensis (кордицепс китайский), Grifola frondosa (гриб-баран), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, трутовик разноцветный), и многие другие виды грибов широко используются в пищу и для экстракции биоактивных соединений. Эти грибы, а также остатки их переработки (грибные отходы) можно использовать для производства хитозана. Обработка ультразвуком не только способствует высвобождению хитина из структуры клеточной стенки грибов, но и обеспечивает превращение хитина в ценный хитозан посредством деполимеризации и деацетилирования при содействии ультразвука.

В этом видео демонстрируется высокоэффективная экстракция ежовика гребенчатого с помощью ультразвукового гомогенизатора Hielscher UP200Ht. Ультразвуковая экстракция идеально подходит для получения высококачественных экстрактов полного спектра, содержащих полисахариды, такие как бета-глюканы, а также гериценоны и эринацины.

 

Интенсивная обработка ультразвуком с использованием ультразвуковой системы зондового типа применяется для содействия деполимеризации и деацетилированию хитина, приводящим к образованию хитозана. Хитин – природный полисахарид, содержащийся в экзоскелетах ракообразных и насекомых, а также в клеточных стенках некоторых грибов. Хитозан получают из хитина путём удаления ацетильных групп из молекулы хитина.

Ультразвуковой способ превращения грибного хитина в хитозан

При использовании интенсивной обработки ультразвуком для производства хитозана из хитина суспензию хитина обрабатывают высокоинтенсивными низкочастотными ультразвуковыми волнами, обычно в диапазоне от 20 kHz до 30 kHz. В ходе процесса возникает интенсивная акустическая кавитация, то есть образование, рост и схлопывание микроскопических вакуумных пузырьков в жидкости. Кавитация создаёт локальные чрезвычайно высокие силы сдвига, высокие температуры (до нескольких тысяч градусов Цельсия) и давления (до нескольких сотен атмосфер) в жидкости, окружающей кавитационные пузырьки. Эти экстремальные условия способствуют разрушению полимера хитина и последующему деацетилированию.
 

 

Ультразвуковая деполимеризация хитина

Деполимеризация хитина происходит под совместным воздействием механических сил, таких как микропотоки и струи жидкости, а также химических реакций, инициируемых ультразвуком и вызываемых свободными радикалами и другими реакционноспособными частицами, образующимися при кавитации. Волны высокого давления, возникающие при кавитации, подвергают цепи хитина напряжению сдвига, что приводит к расщеплению полимера на более мелкие фрагменты.

Ультразвуковое деацетилирование хитина

Помимо деполимеризации, интенсивная обработка ультразвуком также способствует деацетилированию хитина. Деацетилирование включает удаление ацетильных групп из молекулы хитина, что приводит к образованию хитозана. Интенсивная ультразвуковая энергия, в особенности высокие температуры и давления, возникающие при кавитации, ускоряет реакцию деацетилирования. Условия повышенной реакционной способности, создаваемые кавитацией, способствуют разрыву связей ацетильных групп в хитине, что приводит к высвобождению уксусной кислоты и превращению хитина в хитозан.
В целом интенсивная обработка ультразвуком усиливает процессы как деполимеризации, так и деацетилирования, обеспечивая механическую и химическую энергию, необходимую для разрушения полимера хитина и облегчения его превращения в хитозан. Этот метод позволяет быстро и эффективно производить хитозан из хитина для многочисленных применений в различных отраслях, включая фармацевтику, сельское хозяйство и биомедицинскую инженерию.

Промышленное производство хитозана из грибов с помощью мощного ультразвука

Коммерческое производство хитина и хитозана основано главным образом на отходах морских промыслов (то есть рыболовства, добычи моллюсков и ракообразных и т. д.). Различные источники сырья дают хитин и хитозан разного качества, что приводит к колебаниям объёмов производства и качества из-за сезонных изменений в рыболовстве. Кроме того, как сообщается, хитозан из грибного сырья обладает превосходящими свойствами, такими как однородная длина полимерных цепей и более высокая растворимость, по сравнению с хитозаном из морского сырья. (см. Ghormade et al., 2017) Для обеспечения поставок однородного хитозана экстракция хитина из различных видов грибов стала стабильным альтернативным способом производства. Производство хитина и хитозана из грибов можно легко и надёжно осуществлять с помощью технологии ультразвуковой экстракции и деацетилирования. Интенсивная обработка ультразвуком разрушает клеточные структуры для высвобождения хитина и способствует массопереносу в водных растворителях, обеспечивая превосходный выход хитина и эффективность экстракции. Последующее ультразвуковое деацетилирование превращает хитин в ценный хитозан. Как ультразвуковую экстракцию хитина, так и его деацетилирование с получением хитозана можно линейно масштабировать до любого уровня коммерческого производства.

Результаты исследований ультразвукового деацетилирования хитина и хитозана

Zhu et al. (2018) в своём исследовании приходят к выводу, что ультразвуковое деацетилирование стало важнейшим прорывом, позволяющим превращать β-хитин в хитозан со степенью деацетилирования 83–94% при пониженных температурах реакции. На изображении слева показан полученный методом сканирующей электронной микроскопии (SEM) снимок хитозана, деацетилированного с помощью ультразвука (90 W, 15 min, 20 w/v% NaOH, 1:15 (g: mL) (изображение и исследование: © Zhu et al., 2018)
Согласно их протоколу, раствор NaOH (20 w/v %) готовили растворением хлопьев NaOH в деионизированной воде. Затем щелочной раствор добавляли к осадку GLSP (0,5 g) в центрифужной пробирке при соотношении твёрдой и жидкой фаз 1:20 (g: mL). Хитозан добавляли к NaCl (40 mL, 0,2 M) и уксусной кислоте (0,1 M) при соотношении объёмов растворов 1:1. Затем суспензию подвергали обработке ультразвуком при умеренной температуре 25°C в течение 60 min с помощью ультразвукового аппарата зондового типа (250W, 20kHz). (см. Zhu et al., 2018)
 
Pandit et al. (2021) установили, что скорость деградации растворов хитозана редко зависит от концентраций кислоты, используемой для растворения полимера, и в значительной степени определяется температурой, интенсивностью ультразвуковых волн и ионной силой среды, используемой для растворения полимера. (см. Pandit et al., 2021)
 
В другом исследовании Zhu et al. (2019) использовали порошки спор Ganoderma lucidum в качестве грибного сырья и исследовали деацетилирование при содействии ультразвука и влияние параметров обработки, таких как продолжительность обработки ультразвуком, соотношение твёрдой и жидкой фаз, концентрация NaOH и мощность облучения, на степень деацетилирования (DD) хитозана. Наивысшее значение DD было получено при следующих ультразвуковых параметрах: обработка ультразвуком в течение 20 min при 80W, 10% (g:ml) NaOH, 1:25 (g:ml). Морфологию поверхности, химические группы, термическую стабильность и кристалличность хитозана, полученного с помощью ультразвука, исследовали методами SEM, FTIR, TG и XRD. Исследовательская группа сообщает о значительном повышении степени деацетилирования (DD), динамической вязкости ([η]) и молекулярной массы (Mv¯) хитозана, произведённого с помощью ультразвука. Результаты подчеркнули, что ультразвуковое деацетилирование грибного сырья является высокоэффективным методом производства хитозана, пригодного для биомедицинских применений. (см. Zhu et al., 2019)

Превосходное качество хитозана благодаря ультразвуковой деполимеризации и деацетилированию

Процессы экстракции и деполимеризации хитина / хитозана, осуществляемые с помощью ультразвука, поддаются точному контролю, а параметры ультразвукового процесса можно адаптировать к сырью и целевому качеству конечного продукта (например, молекулярной массе, степени деацетилирования). Это позволяет адаптировать ультразвуковой процесс к внешним факторам и устанавливать оптимальные параметры для достижения превосходных результатов и эффективности.
Хитозан, деацетилированный с помощью ультразвука, обладает отличной биодоступностью и биосовместимостью. При сравнении биомедицинских свойств хитозановых биополимеров, полученных с помощью ультразвука, с хитозаном, полученным термическим способом, хитозан, произведённый с помощью ультразвука, демонстрирует значительно повышенную жизнеспособность фибробластов (клеток L929) и усиленную антибактериальную активность в отношении как Escherichia coli (E. coli), так и Staphylococcus aureus (S. aureus).
(см. Zhu et al., 2018)
 

Высокопроизводительное ультразвуковое оборудование для переработки хитина и хитозана

Фрагментация хитина и деацетилирование хитина с получением хитозана требуют мощного и надёжного ультразвукового оборудования, способного обеспечивать высокие амплитуды, точный контроль параметров процесса и работу в режиме 24/7 при высокой нагрузке и в сложных условиях. Ассортимент продукции Hielscher Ultrasonics надёжно удовлетворяет этим требованиям. Помимо выдающейся эффективности ультразвуковой обработки, ультразвуковые аппараты Hielscher отличаются высокой энергоэффективностью, что является значительным экономическим преимуществом – особенно при использовании в крупномасштабном коммерческом производстве.
Ультразвуковые аппараты Hielscher – высокопроизводительные системы, которые можно оснащать такими принадлежностями, как сонотроды, бустеры, реакторы или проточные ячейки, чтобы оптимально удовлетворять потребности вашего процесса.
 Благодаря цифровому цветному дисплею, возможности предварительной настройки циклов обработки ультразвуком, автоматической записи данных на встроенную SD-карту, дистанционному управлению через браузер и многим другим функциям ультразвуковые аппараты Hielscher обеспечивают наивысший уровень контроля процесса и удобства использования. В сочетании с прочностью и способностью выдерживать высокие нагрузки ультразвуковые системы Hielscher становятся вашим надёжным рабочим инструментом на производстве. 
Фрагментация и деацетилирование хитина требуют мощного ультразвука для достижения целевого превращения и получения высококачественного конечного продукта – хитозана. Особенно важны высокие амплитуды и повышенные давления для фрагментации хлопьев хитина и этапов деполимеризации / деацетилирования. Промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher Ultrasonics легко обеспечивают очень высокие амплитуды. Амплитуды до 200µm могут поддерживаться непрерывно в режиме работы 24/7. Для ещё более высоких амплитуд доступны ультразвуковые сонотроды, изготовленные по индивидуальному заказу. Мощность ультразвуковых систем Hielscher позволяет проводить эффективную и быструю деполимеризацию и деацетилирование в рамках безопасного и удобного для пользователя процесса.
 

Приведённая ниже таблица даёт представление о приблизительной производительности наших ультразвуковых аппаратов:

---

---

Синергетическая обработка хитина, улучшенная с помощью ультразвука

Для преодоления недостатков (то есть низкой эффективности, высоких затрат на энергию, длительного времени обработки, токсичных растворителей) традиционного химического и ферментативного деацетилирования хитина в переработку хитина и хитозана был внедрён высокоинтенсивный ультразвук. Высокоинтенсивная обработка ультразвуком и возникающие при этом эффекты акустической кавитации приводят к быстрому расщеплению полимерных цепей и уменьшают полидисперсность, тем самым способствуя синтезу хитозана. Кроме того, ультразвуковые силы сдвига интенсифицируют массоперенос в растворе, усиливая химические, гидролитические или ферментативные реакции. Ультразвуковую обработку хитина можно сочетать с уже существующими технологиями его переработки, такими как химические методы, гидролиз или ферментативные процедуры.

Химическое деацетилирование и деполимеризация при содействии ультразвука

Поскольку хитин является нереакционноспособным и нерастворимым биополимером, для получения растворимого и биодоступного хитозана он должен пройти этапы деминерализации, депротеинизации и деполимеризации / деацетилирования. Эти этапы включают обработку сильными кислотами, такими как HCl, и сильными основаниями, такими как NaOH и KOH. Поскольку эти традиционные этапы неэффективны, медленны и требуют больших затрат энергии, интенсификация процесса посредством обработки ультразвуком значительно улучшает производство хитозана. Применение мощного ультразвука повышает выход и качество хитозана, сокращает продолжительность процесса с нескольких дней до нескольких часов, позволяет использовать более мягкие растворители и делает весь процесс более энергоэффективным.

Депротеинизация хитина, улучшенная с помощью ультразвука

Vallejo-Dominguez et al. (2021) в своём исследовании депротеинизации хитина установили, что «применение ультразвука для производства биополимеров уменьшило содержание белка, а также размер частиц хитина. При содействии ультразвука был получен хитозан с высокой степенью деацетилирования и средней молекулярной массой».

Ультразвуковой гидролиз для деполимеризации хитина

При химическом гидролизе для деацетилирования хитина используют кислоты или щёлочи, однако щелочное деацетилирование (например, с помощью гидроксида натрия NaOH) применяется более широко. Кислотный гидролиз – альтернативный традиционному химическому деацетилированию метод, при котором для деполимеризации хитина и хитозана используют растворы органических кислот. Метод кислотного гидролиза преимущественно применяют, когда молекулярная масса хитина и хитозана должна быть однородной. Этот традиционный процесс гидролиза известен своей медленностью, высокой энергоёмкостью и затратностью. Необходимость использования сильных кислот, высоких температур и давлений превращает гидролитическое получение хитозана в очень дорогую и длительную процедуру. Используемые кислоты требуют последующих процессов, таких как нейтрализация и обессоливание.
При внедрении ультразвука высокой мощности в процесс гидролиза требования к температуре и давлению для гидролитического расщепления хитина и хитозана можно значительно снизить. Кроме того, обработка ультразвуком позволяет снизить концентрации кислот или использовать более мягкие кислоты. Это делает процесс более устойчивым, эффективным, экономичным и экологичным.

Химическое деацетилирование при содействии ультразвука

Химическое разрушение и деацетилирование хитина и хитозана осуществляют главным образом обработкой хитина или хитозана минеральными кислотами (например, соляной кислотой HCl), нитритом натрия (NaNO₂) или перекисью водорода (H₂O₂). Ультразвук повышает скорость деацетилирования, тем самым сокращая время реакции, необходимое для достижения целевой степени деацетилирования. Это означает, что обработка ультразвуком сокращает необходимое время обработки с 12–24 часов до нескольких часов. Кроме того, обработка ультразвуком позволяет значительно снизить концентрации химических веществ, например использовать 40% (w/w) гидроксида натрия при обработке ультразвуком, тогда как без использования ультразвука требуется 65% (w/w).

Ультразвуковое ферментативное деацетилирование

Хотя ферментативное деацетилирование является мягким и экологически безопасным способом обработки, его эффективность и затраты делают его экономически нецелесообразным. Из-за сложного, трудоёмкого и дорогостоящего последующего выделения и очистки ферментов из конечного продукта ферментативное деацетилирование хитина не применяется в коммерческом производстве, а используется только в научно-исследовательских лабораториях.
Предварительная обработка ультразвуком перед ферментативным деацетилированием фрагментирует молекулы хитина, тем самым увеличивая площадь поверхности и делая большую её часть доступной для ферментов. Высокоэффективная обработка ультразвуком помогает улучшить ферментативное деацетилирование и делает процесс более экономичным.