Ultrasonication is a highly efficient method to release chitin and chitosan from fungal sources such as mushrooms. Chitin and chitosan must be depolymerized and deacetylated in down-stream processing in order to obtain a high-quality biopolymer. Ultrasonically-assisted depolymerization and deacetylation is a highly efficacious, simple and rapid technique, which results in high-quality chitosans with high molecular weight and superior bioavailability.

Хитин и хитозан, полученные из грибов, с помощью ультразвука

Съедобные и лекарственные грибы, такие как Lentinus edodes (шиитаке), Ganoderma lucidum (Линчжи или рейши), Inonotus obliquus (чага), Agaricus bisporus (шампиньоны), Hericium erinaceus (львиная грива), Cordyceps sinensis (гусеничный гриб), Grifola frondosa (курица лесная), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, индюшачий хвост) и многие другие виды грибов широко используются в пищу и для экстракции биологически активных соединений. Эти грибы, а также остатки переработки (грибные отходы) могут быть использованы для производства хитозана. Ультразвук не только способствует высвобождению хитина из структуры клеточной стенки гриба, но также способствует превращению хитина в ценный хитозан посредством ультразвуковой деполимеризации и деацетилирования.

 

Интенсивная ультразвуковая обработка с использованием ультразвуковой системы зондового типа - это метод, используемый для содействия деполимеризации и деацетилированию хитина, что приводит к образованию хитозана. Хитин — это встречающийся в природе полисахарид, содержащийся в экзоскелетах ракообразных, насекомых и клеточных стенках некоторых грибов. Хитозан получают из хитина путем удаления ацетильных групп из молекулы хитина.

Ультразвуковая процедура превращения грибкового хитина в хитозан

Когда интенсивный ультразвук применяется для производства хитозана из хитина, суспензия хитина обрабатывается ультразвуком с помощью высокоинтенсивных низкочастотных ультразвуковых волн, обычно в диапазоне от 20 кГц до 30 кГц. Этот процесс генерирует интенсивную акустическую кавитацию, которая относится к образованию, росту и коллапсу микроскопических вакуумных пузырьков в жидкости. Кавитация генерирует локализованные чрезвычайно высокие сдвиговые силы, высокие температуры (до нескольких тысяч градусов по Цельсию) и давления (до нескольких сотен атмосфер) в жидкости, окружающей кавитационные пузырьки. Эти экстремальные условия способствуют расщеплению хитинового полимера и последующему деацетилированию.
 

 

Ультразвуковая деполимеризация хитина

Деполимеризация хитина происходит за счет комбинированного воздействия механических сил, таких как микропоток и струйная струя жидкости, а также за счет инициированных ультразвуком химических реакций, индуцированных свободными радикалами и другими реакционноспособными веществами, образующимися во время кавитации. Волны высокого давления, генерируемые во время кавитации, заставляют хитиновые цепи подвергаться напряжению сдвига, что приводит к расщеплению полимера на более мелкие фрагменты.

Ультразвуковое деацетилирование хитина

В дополнение к деполимеризации, интенсивный ультразвук также способствует деацетилированию хитина. Деацетилирование включает удаление ацетильных групп из молекулы хитина, что приводит к образованию хитозана. Интенсивная ультразвуковая энергия, особенно высокие температуры и давления, возникающие во время кавитации, ускоряют реакцию деацетилирования. Реакционноспособные условия, создаваемые кавитацией, помогают разорвать ацетильные связи в хитине, что приводит к высвобождению уксусной кислоты и превращению хитина в хитозан.
В целом, интенсивный ультразвук усиливает процессы деполимеризации и деацетилирования, обеспечивая необходимую механическую и химическую энергию для разрушения хитинового полимера и облегчения превращения в хитозан. Этот метод предлагает быстрый и эффективный метод производства хитозана из хитина, имеющий множество применений в различных отраслях промышленности, включая фармацевтику, сельское хозяйство и биомедицинскую инженерию.

Промышленное производство хитозана из грибов с помощью силового ультразвука

Коммерческое производство хитина и хитозана в основном основано на отходах морской промышленности (например, рыболовство, добыча моллюсков и т. Д.). Различные источники сырья приводят к различным качествам хитина и хитозана, что приводит к колебаниям производства и качества из-за сезонных колебаний рыболовства. Кроме того, хитозан, полученный из грибковых источников, как сообщается, обладает превосходными свойствами, такими как длина однородного полимера и большая растворимость по сравнению с хитозаном из морских источников. (ср. Гормаде и др., 2017) Для того, чтобы обеспечить однородный хитозан, извлечение хитина из грибковых видов стало стабильным альтернативным производством. Производство хитина и цитиозана из грибов может быть легко и надежно достигнуто с использованием технологии ультразвуковой экстракции и деацетилирования. Интенсивное ультразвуковое насыщение разрушает клеточные структуры с высвобождением хитина и способствует массопереносу в водных растворителях для повышения выходов хитина и эффективности экстракции. Последующее ультразвуковое деацетилирование превращает хитин в ценный хитозан. Как ультразвуковая экстракция хитина, так и деацетилирование до хитозана могут быть линейно масштабированы до любого уровня коммерческого производства.

Результаты исследований ультразвукового деацетилирования хитина и хитозана

Zhu et al. (2018) пришли к выводу в своем исследовании, что ультразвуковое деацетилирование оказалось решающим прорывом, превращая β-хитин в хитозан с 83-94% деацетилированием при пониженных температурах реакции. На рисунке слева показано изображение ультразвукового деацетилированного хитозана (90 Вт, 15 мин, 20 мас./об.% NaOH, 1:15 (г: мл) (фото и исследование: © Чжу и др., 2018)
В их протоколе раствор NaOH (20 мас./об.) был приготовлен путем растворения хлопьев NaOH в деионизированной воде. Затем раствор щелочи добавляли в осадок GLSP (0,5 г) в соотношении твердая и жидкая фаза 1:20 (г: мл) в центрифужную пробирку. Хитозан добавляли к NaCl (40 мл, 0,2 М) и уксусной кислоте (0,1 М) в объемном соотношении раствора 1:1. Затем суспензию подвергали ультразвуку при умеренной температуре 25 °C в течение 60 минут с использованием ультразвукового аппарата зондового типа (250 Вт, 20 кГц). (ср. Чжу и др., 2018)
 
Pandit et al. (2021) обнаружили, что скорость деградации растворов хитозана редко зависит от концентраций кислоты, используемой для солюбилизации полимера, и в значительной степени зависит от температуры, интенсивности ультразвуковых волн и ионной силы среды, используемой для растворения полимера. (ср. Пандит и др., 2021)
 
В другом исследовании Zhu et al. (2019) использовали порошки спор Ganoderma lucidum в качестве грибкового сырья и исследовали ультразвуковое деацетилирование и влияние параметров обработки, таких как время обработки ультразвуком, соотношение твердого вещества к жидкости, концентрация NaOH и мощность облучения на степень деацетилирования (DD) хитозана. Наибольшее значение DD было получено при следующих ультразвуковых параметрах: 20-минутная обработка ультразвуком при 80 Вт, 10% (г: мл) NaOH, 1:25 (г: мл). Морфологию поверхности, химические группы, термическую стабильность и кристалличность ультразвукового хитозана исследовали с помощью SEM, FTIR, TG и XRD. Исследовательская группа сообщает о значительном повышении степени деацетилирования (DD), динамической вязкости ([η]) и молекулярной массы (Mv ̄) ультразвукового хитозана. Результаты подчеркнули, что метод ультразвукового деацетилирования грибов является высокоэффективным методом производства хитозана, который подходит для биомедицинских применений. (ср. Чжу и др., 2019)

Превосходное качество хитозана с ультразвуковой деполимеризацией и деацетилированием

Ультразвуковые процессы экстракции и деполимеризации хитина / хитозана точно контролируются, и параметры ультразвукового процесса могут быть скорректированы в соответствии с сырьем и целевым качеством конечного продукта (например, молекулярная масса, степень деацетилирования). Это позволяет адаптировать ультразвуковой процесс к внешним факторам и задавать оптимальные параметры для превосходного результата и эффективности.
Ультразвуково деацетилированный хитозан демонстрирует отличную биодоступность и биосовместимость. Когда ультразвуковые биополимеры хитозана сравнивают с термически полученным хитозаном в отношении биомедицинских свойств, ультразвуковой производимый хитозан демонстрирует значительно улучшенную жизнеспособность фибробластов (клетка L929) и повышенную антибактериальную активность как для Escherichia coli (E. coli), так и для Staphylococcus aureus (S. aureus).
(ср. Чжу и др., 2018)
 

Высокопроизводительное ультразвуковое оборудование для обработки хитина и хитозана

Фрагментация хитина и децетилирование хитина до хитозана требует мощного и надежного ультразвукового оборудования, которое может обеспечивать высокие амплитуды, обеспечивает точное управление параметрами процесса и может работать 24/7 при большой нагрузке и в сложных условиях. Ассортимент продукции Hielscher Ultrasonics надежно отвечает этим требованиям. Помимо выдающейся ультразвуковой производительности, ультразвуковые аппараты Hielscher могут похвастаться высокой энергоэффективностью, что является значительным экономическим преимуществом – особенно при использовании на коммерческом крупномасштабном производстве.
Ультразвуковые аппараты Hielscher - это высокопроизводительные системы, которые могут быть оснащены такими аксессуарами, как сонотроды, бустеры, реакторы или проточные ячейки, чтобы оптимально соответствовать вашим потребностям процесса. Благодаря цифровому цветному дисплею, возможности предварительной настройки прогонов обработки ультразвуком, автоматической записи данных на встроенную SD-карту, удаленному управлению браузером и многим другим функциям, ультразвуковые аппараты Hielscher обеспечивают высочайший контроль процесса и удобство использования. В сочетании с прочностью и высокой несущей способностью, ультразвуковые системы Hielscher являются вашей надежной рабочей лошадкой в производстве. 
Фрагментация хитина и деацетилирование требует мощного ультразвука для получения целенаправленного превращения и конечного продукта хитозана высокого качества. Особенно для фрагментации хитиновых чешуек и стадий деполимеризации / деацетилирования решающее значение имеют высокие амплитуды и повышенное давление. Промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher Ultrasonics легко обеспечивают очень высокие амплитуды. Амплитуды до 200 мкм могут непрерывно работать в режиме 24/7. Для еще более высоких амплитуд доступны индивидуальные ультразвуковые сонотроды. Мощность ультразвуковых систем Hielscher позволяет эффективно и быстро проводить деполимеризацию и деацетилирование в безопасном и удобном для пользователя процессе.
 

В приведенной ниже таблице приведена приблизительная производительность наших ультразвуковых аппаратов:

---

---

Синергетическое лечение хитином улучшено ультразвуком

Чтобы преодолеть недостатки (т. е. низкую эффективность, высокую стоимость энергии, длительное время обработки, токсичные растворители) традиционного химического и ферментативного деацетлитирования хитина, высокоинтенсивный ультразвук был интегрирован в обработку хитина и хитозана. Высокоинтенсивная обработка ультразвуком и результирующие эффекты акустической кавитации приводят к быстрому разрыву полимерных цепей и снижению полидисперсности, тем самым способствуя синтезу хитозана. Кроме того, ультразвуковые силы сдвига усиливают массоперенос в растворе, так что химическая, гидролитическая или ферментативная реакция усиливается. Ультразвуковая обработка хитином может сочетаться с уже существующими методами обработки хитина, такими как химические методы, гидролиз или ферментативные процедуры.

Ультразвуковая химическая деацетилизация и деполимеризация

Поскольку хитин является нереакционноспособным и нерастворимым биополимером, он должен пройти технологические этапы деминерализации, депротеинизации и деполимеризации/деацетилирования с целью получения растворимого и биоусыпного хитозана. Эти этапы процесса включают обработку сильными кислотами, такими как HCl, и сильными основаниями, такими как NaOH и KOH. Поскольку эти традиционные технологические этапы неэффективны, медленны и требуют высоких энергий, интенсификация процесса с помощью обработки ультразвуком значительно улучшает выработку хитозана. Применение силового ультразвука повышает выход и качество хитозана, сокращает процесс с нескольких дней до нескольких часов, позволяет получить более мягкие растворители и делает весь процесс более энергоэффективным.

Ультразвуковая улучшенная депротеинизация хитина

Вальехо-Домингес и др. (2021) обнаружили в своем исследовании депротеинизации хитина, что “Применение ультразвука для производства биополимеров привело к снижению содержания белка, а также размера частиц хитина. Хитозан высокой степени деацетилирования и средней молекулярной массы был получен с помощью ультразвука.”

Ультразвуковой гидролиз для деполимеризации хитина

Для химического гидролиза для деацетилирования хитина используются либо кислоты, либо щелочи, однако щелочное деацетилирование (например, гидроксид натрия NaOH) используется более широко. Кислотный гидролиз является альтернативным методом традиционного химического деацетилирования, где растворы органических кислот используются для деполимеризации хитина и хитозана. Метод кислотного гидролиза в основном используется, когда молекулярная масса хитина и хитозана должна быть однородной. Этот традиционный процесс гидролиза известен как медленный и энерго- и затратоемкий. Потребность в сильных кислотах, высоких температурах и давлениях являются факторами, которые превращают процесс гидролитического хитозана в очень дорогую и трудоемкую процедуру. Используемые кислоты требуют последующих процессов, таких как нейтрализация и обессоливание.
С интеграцией мощного ультразвука в процесс гидролиза требования к температуре и давлению для гидролитического расщепления хитина и хитозана могут быть значительно снижены. Кроме того, ультразвуковая мяк позволяет снизить концентрацию кислот или использовать более мягкие кислоты. Это делает процесс более устойчивым, эффективным, экономичным и экологически более экологичной.

Ультразвуковая химическая деацетилирование

Химический распад и деактилирование хитина и хитозана в основном достигается путем обработки хитина или хитозана минеральными кислотами (например, соляной кислотой HCl), нитритом натрия (NaNO).₂) или перекись водорода (H)₂О₂). Ультразвук улучшает скорость деацетилирования, тем самым сокращая время реакции, необходимое для получения целевой степени деацетилирования. Это означает, что обработка ультразвуком сокращает требуемое время обработки от 12-24 часов до нескольких часов. Кроме того, ультразвуковая усвоение позволяет значительно снизить химические концентрации, например, 40% (мас./мас.) гидроксида натрия с использованием ультразвуковой работы, в то время как 65% (мас./мас.) требуется без использования ультразвука.

Ультразвуковое ферментативное деацетилирование

Хотя ферментативное деацетилирование является мягкой, экологически чистой формой обработки, его эффективность и затраты неэкономичны. Из-за сложного, трудоемкой и дорогостоящей последующей изоляции и очистки ферментов из конечного продукта ферментативное деацетилирование хитина не реализуется в промышленном производстве, а используется только в научно-исследовательской лаборатории.
Ультразвуковая предварительная обработка перед ферментативной деацелитацией фрагментирует молекулы хитина, тем самым увеличивая площадь поверхности и делая большую поверхность доступной для ферментов. Высокоэффективная обработка ультразвуком помогает улучшить ферментативное деацетилирование и делает процесс более экономичным.