Производство хитина и хитозана из грибов
Ультразвуковое исследование является высокоэффективным методом высвобождения хитина и хитозана из грибковых источников, таких как грибы. Хитин и хитозан должны быть деполимеризованы и деацетилированы в процессе последующей обработки, чтобы получить высококачественный биополимер. Ультразвуковая деполимеризация и деацетилирование являются высокоэффективным, простым и быстрым методом, который позволяет получать высококачественные хитозаны с высокой молекулярной массой и превосходной биодоступностью.
Хитин и хитозан грибного происхождения 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 (гусеница), Grifola frondosa (лесная курица), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, индюшачий хвост) и многие другие виды грибов широко используются в пищу и для извлечения биологически активных соединений. Эти грибы, а также отходы переработки (грибные отходы) могут быть использованы для производства хитозана. Ультразвуковое исследование не только способствует высвобождению хитина из структуры клеточной стенки гриба, но и приводит к превращению хитина в ценный хитозан посредством ультразвуковой деполимеризации и деацетилирования.
Интенсивное ультразвуковое исследование с использованием ультразвуковой системы зондового типа — это метод, используемый для стимулирования деполимеризации и деацетилирования хитина, что приводит к образованию хитозана. Хитин — это полисахарид природного происхождения, который содержится в экзоскелетах ракообразных, насекомых и клеточных стенках некоторых грибов. Хитозан получают из хитина путем удаления ацетильных групп из молекулы хитина.
Ультразвуковая процедура для превращения хитина грибов в хитозан
Когда для получения хитозана из хитина применяется интенсивное ультрасомнение, на химиновую суспензию обрабатывают ультразвуком 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 схлопыванию микроскопических вакуумных пузырьков в жидкости. Кавитация создает локализованные чрезвычайно высокие сдвиговые силы, 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.

СЭМ-изображения хитинов и хитозанов двух видов грибов: а) хитина от L. vellereus; б) хитин из P. ribis; в) Хитозан от L.vellereus; г) хитозан от P. ribis.
фото и исследование: © Erdoğan et al., 2017
Ультразвуковая деполимеризация хитина
Деполимеризация хитина происходит за счет комбинированного воздействия механических сил, таких как микроструйное и струйное выделение жидкости, а также за счет инициируемых ультразвуком химических реакций, индуцированных свободными радикалами и другими реактивными веществами, образующимися при кавитации. Волны высокого давления, образующиеся во время кавитации, вызывают напряжение сдвига в цепях хитина, что приводит к расщеплению полимера на более мелкие фрагменты.
Ультразвуковое деацетилирование хитина
Помимо деполимеризации, интенсивное ультразвуковое исследование также способствует деацетилированию хитина. Деацетилирование включает в себя 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, интенсивное ультразвуковое излучение усиливает процессы деполимеризации и деацетилирования, обеспечивая необходимую механическую и химическую энергию для разрушения полимера хитина 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 гриба с помощью мощного ультразвука
Коммерческое производство хитина и хитозана в основном основано на отходах морской промышленности (т.е. рыболовства, добычи моллюсков и т.д.). Различные источники сырья приводят к различному качеству хитина и хитозана, что приводит к колебаниям производства и качества из-за сезонных колебаний промысла. Кроме того, хитозан, полученный из грибных источников, обладает, как сообщается, превосходными свойствами, такими как однородная длина полимера и большая растворимость, по сравнению с хитозаном из морских источников. (ср. Ghormade et al., 2017) Для того, чтобы обеспечить единообразный хитозан, извлечение хитина из видов грибов стало стабильным альтернативным производством. Получение хитина и цитиозана из грибов может быть легко и надежно достигнуто с помощью технологии ультразвуковой экстракции и деацетилирования. Интенсивная ультразвук разрушает клеточные структуры, высвобождая хитин, и способствует массопереносу в водных растворителях, обеспечивая превосходный выход хитина и эффективность экстракции. Последующее ультразвуковое деацетилирование превращает хитин в ценный хитозан. Как ультразвуковая экстракция хитина, так и деацетилирование в хитозан могут быть линейно масштабированы до любого коммерческого уровня производства.

Ультразвуковой аппарат УП400Ст для экстракции грибов: Ультразвуковая обработка дает высокие выходы биоактивных соединений, таких как полисахариды хитин и хитозан
Результаты исследований ультразвукового деацетилирования хитина и хитозана
Zhu et al. (2018) в своем исследовании пришли к выводу, что ультразвуковое деацетилирование оказалось решающим прорывом, превращая β-хитин в хитозан с 83–94% деацетилированием при пониженных температурах реакции. На рисунке слева показано СЭМ-изображение ультразвукового деацетилированного хитозана (90 Вт, 15 мин, 20 Вт/об% NaOH, 1:15 (г: мл) (фото и исследование: © Zhu et al., 2018)
В их протоколе раствор NaOH (20 мас.%) готовили путем растворения хлопьев NaOH в деионизированной воде. Затем раствор щелочи добавляли в осадок GLSP (0,5 г) в соотношении твердого и жидкого веществ 1:20 (г:мл) в центрифужную пробирку. Хитозан добавляли к NaCl (40 мл, 0,2 М) и уксусной кислоте (0,1 М) в соотношении объема раствора 1:1. Затем суспензию подвергали ультразвуку при умеренной температуре 25°C в течение 60 мин с помощью ультразвукового аппарата зондового типа (250 Вт, 20 кГц). (ср. Zhu et al., 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 сырья для грибов и исследовали деацетилирование с помощью ультразвука и влияние таких параметров обработки, как время ультразвука, соотношение твердого и жидкого веществ, концентрация NaOH и мощность облучения, на степень деацетилирования (DD) хитозана. Наибольшее значение DD было получено при следующих ультразвуковых параметрах: 20 min sonication при 80W, 10% (г:мл) NaOH, 1:25 (г:мл). Морфология поверхности, химические группы, термическая стабильность и кристалличность полученного ультразвуком хитозана были изучены с помощью SEM, FTIR, TG и XRD. Исследовательская группа сообщает о значительном увеличении степени деацетилирования (DD), динамической вязкости ([η]) и молекулярной массы (Mv ̄) хитозана, полученного ультразвуком. Результаты подчеркивают метод ультразвукового деацетилирования грибов, который является высокоэффективным методом производства хитозана, который подходит для биомедицинских применений. (ср. Zhu et al., 2019)
Превосходное качество хитозана с ультразвуковой деполимеризацией и деацетилированием
Ультразвуковые процессы экстракции и деполимеризации хитина/хитозана точно контролируются, а параметры ультразвукового процесса могут быть отрегулированы в зависимости от сырья и целевого качества конечного продукта (например, молекулярной массы, степени деацетилирования). Это позволяет адаптировать процесс ультразвукового исследования к внешним факторам и установить оптимальные параметры для достижения наилучшего результата и эффективности.
Ультразвуковой деацетилированный хитозан демонстрирует отличную биодоступность и биосовместимость. Когда биополимеры хитозана, полученные ультразвуком, сравнивают с хитозаном, полученным термическим способом, с точки зрения биомедицинских свойств, полученный ультразвуком хитозан демонстрирует значительно улучшенную жизнеспособность фибробластов (клеток L929) и повышенную антибактериальную активность как для Escherichia coli (E. coli), так и для золотистого стафилококка (S. aureus).
(ср. Zhu et al., 2018)

Изображения с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) с увеличением 100× а) гладиуса, б) гладиуса, обработанного ультразвуком, в) β-хитина, г) обработанного ультразвуком β-хитина и д) хитозана (источник: Preto et al. 2017)
Высокопроизводительное ультразвуковое оборудование для обработки хитина и хитозана
Для фрагментации хитина и децетилирования хитина в хитозан требуется мощное и надежное ультразвуковое оборудование, которое может обеспечивать высокую амплитуду, обеспечивает точное управление параметрами процесса и может работать 24 часа в сутки 7 дней в неделю при большой нагрузке и в сложных условиях. Ассортимент продукции Hielscher Ultrasonics надежно удовлетворяет этим требованиям. Помимо выдающихся ультразвуковых характеристик, ультразвуковые аппараты Hielscher могут похвастаться высокой энергоэффективностью, что является значительным экономическим преимуществом – особенно при использовании на коммерческом крупносерийном производстве.
Ультразвуковые аппараты Hielscher – это высокопроизводительные системы, которые могут быть оснащены такими аксессуарами, как сонотроды, бустеры, реакторы или проточные ячейки, чтобы оптимально соответствовать потребностям вашего технологического процесса. Благодаря цифровому цветному дисплею, возможности предварительной настройки сеансов ультразвуковой обработки, автоматической записи данных на встроенную SD-карту, дистанционному управлению через браузер и многим другим функциям, ультразвуковые аппараты Hielscher обеспечивают высочайший уровень управления процессом 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 требуют мощного ультразвука для получения целевой конверсии и конечного продукта хитозана высокого качества. Особенно для фрагментации хитиновых хлопьев и этапов деполимеризации/деацетилирования решающее значение имеют высокие амплитуды и повышенное давление. Промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher Ultrasonics легко обеспечивают очень высокую амплитуду. 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.

Ультразвуковой реактор с Ультразвуковой датчик мощностью 2000 Вт UIP2000hdT для извлечения хитина из грибов и последующей деполимеризации/деацетилирования
Объем партии | Расход | Рекомендуемые устройства |
---|---|---|
от 1 до 500 мл | От 10 до 200 мл/мин | УП100Ч |
от 10 до 2000 мл | от 20 до 400 мл/мин | УП200Хт, УП400Ст |
0.1 до 20 л | 0от 0,2 до 4 л/мин | УИП2000HDT |
От 10 до 100 л | От 2 до 10 л/мин | УИП4000HDT |
н.а. | От 10 до 100 л/мин | UIP16000 |
н.а. | больше | Кластер UIP16000 |
Свяжитесь с нами! / Спросите нас!
Синергетическое лечение хитином, улучшенное с помощью ультразвука
Для преодоления недостатков (т.е. низкой эффективности, высоких энергозатрат, длительного времени обработки, токсичных растворителей) традиционного химического и ферментативного деацетлионного производства хитина в обработку хитина и хитозана был интегрирован ультразвук высокой интенсивности. Высокая интенсивность ультразвука и возникающие в результате этого эффекты акустической кавитации приводят к быстрому расщеплению полимерных цепей и снижению полидисперсности, тем самым способствуя синтезу хитозана. Кроме того, ультразвуковые сдвиговые силы усиливают массоперенос в растворе, что усиливает химическую, гидролитическую или ферментативную реакцию. Ультразвуковая обработка хитином может сочетаться с уже существующими методами обработки хитина, такими как химические методы, гидролиз или ферментативные процедуры.
Химическое деацетилирование и деполимеризация с помощью ультразвука
Поскольку хитин является нереакционноспособным и нерастворимым биополимером, он должен пройти технологические этапы деминерализации, депротеинизации и деполимеризации/деацетилирования для получения растворимого и биоприемлемого хитозана. Эти этапы процесса включают обработку сильными кислотами, такими как HCl, и сильными основаниями, такими как NaOH и KOH. Поскольку эти традиционные технологические операции неэффективны, медленны и требуют высоких энергий, интенсификация процесса с помощью ультразвуковой обработки значительно улучшает производство хитозана. Применение силового ультразвука повышает выход и качество хитозана, сокращает процесс с нескольких дней до нескольких часов, позволяет использовать более мягкие растворители и делает весь процесс более энергоэффективным.
Ультразвуковая улучшенная депротеинизация хитина
Vallejo-Dominguez et al. (2021) обнаружили в своем исследовании депротеинизации хитина, что “Применение ультразвука для производства биополимеров снизило содержание белка, а также размер частиц хитина. Хитозан с высокой степенью деацетилирования и среднемолекулярной массой получали с помощью ультразвука.”
Ультразвуковой гидролиз для деполимеризации хитина
Для химического гидролиза для деацетилирования хитина используются либо кислоты, либо щелочи, однако более широко используется щелочное деацетилирование (например, гидроксид натрия NaOH). Кислотный гидролиз является альтернативным методом традиционного химического деацетилирования, при котором растворы органических кислот используются для деполимеризации хитина и хитозана. Метод кислотного гидролиза чаще всего используется, когда молекулярная масса хитина и хитозана должна быть однородной. Этот традиционный процесс гидролиза известен как медленный, энергоемкий и дорогостоящий. Потребность в сильных кислотах, высокие температуры и давления являются факторами, которые превращают процесс гидролитического хитозана в очень дорогую и трудоемкую процедуру. Используемые кислоты требуют последующих процессов, таких как нейтрализация и обессоливание.
Благодаря интеграции мощного ультразвука в процесс гидролиза требования к температуре и давлению для гидролитического расщепления хитина и хитозана могут быть значительно снижены. Кроме того, ультразвуковая обработка позволяет снизить концентрацию кислот или использовать более мягкие кислоты. Это делает процесс более устойчивым, эффективным, экономичным и экологически чистым.
Ультразвуковое химическое деацетилирование
Химический распад и деактиилирование хитина и хитозана в основном достигается путем обработки хитина или хитозана минеральными кислотами (например, соляной кислотой HCl), нитритом натрия (NaNO)2), или перекись водорода (H2O2). Ультразвук улучшает скорость деацетилирования, тем самым сокращая время реакции, необходимое для получения целевой степени деацетилирования. Это означает, что ультразвуковая обработка сокращает необходимое время обработки с 12-24 часов до нескольких часов. Кроме того, ультразвуковая обработка позволяет значительно снизить концентрацию химических веществ, например, 40% (по массе) гидроксида натрия с использованием ультразвука, в то время как 65% (по массе) требуется без использования ультразвука.
Ультразвуково-ферментативное деацетилирование
Несмотря на то, что ферментативное деацетилирование является мягкой, экологически безопасной формой обработки, его эффективность и стоимость нерентабельны. В связи со сложными, трудоемкими и дорогостоящими последующими процессами выделения и очистки ферментов от конечного продукта, ферментативное деацетилирование хитина не внедряется в промышленное производство, а используется только в научно-исследовательских лабораториях.
Ультразвуковая предварительная обработка перед ферментативным деацетлитированием фрагментирует молекулы хитина, тем самым увеличивая площадь поверхности и делая большую поверхность доступной для ферментов. Высокоэффективная ультразвук помогает улучшить ферментативное деацетилирование и делает процесс более экономичным.
Литература / Литература
- Ospina Álvarez S.P., Ramírez Cadavid D.A., Escobar Sierra D.M., Ossa Orozco C.P., Rojas Vahos D.F., Zapata Ocampo P., Atehortúa L. (2014): Comparison of extraction methods of chitin from Ganoderma lucidum mushroom obtained in submerged culture. Biomed Research International 2014.
- Valu M.V., Soare L.C., Sutan N.A., Ducu C., Moga S., Hritcu L., Boiangiu R.S., Carradori S. (2020): Optimization of Ultrasonic Extraction to Obtain Erinacine A and Polyphenols with Antioxidant Activity from the Fungal Biomass of Hericium erinaceus. Foods, Dec 18;9(12), 2020.
- Erdoğan, Sevil & Kaya, Murat & Akata, Ilgaz (2017): Chitin extraction and chitosan production from cell wall of two mushroom species (Lactarius vellereus and Phyllophora ribis). AIP Conference Proceedings 2017.
- Zhu, L., Chen, X., Wu, Z., Wang, G., Ahmad, Z., & Chang, M. (2019): Optimization conversion of chitosan from Ganoderma lucidum spore powder using ultrasound‐assisted deacetylation: Influence of processing parameters. Journal of Food Processing and Preservation 2019.
- Li-Fang Zhu, Jing-Song Li, John Mai, Ming-Wei Chang (2019): Ultrasound-assisted synthesis of chitosan from fungal precursors for biomedical applications. Chemical Engineering Journal, Volume 357, 2019. 498-507.
- Zhu, Lifang; Yao, Zhi-Cheng; Ahmad, Zeeshan; Li, Jing-Song; Chang, Ming-Wei (2018): Synthesis and Evaluation of Herbal Chitosan from Ganoderma Lucidum Spore Powder for Biomedical Applications. Scientific Reports 8, 2018.
- G.J. Price, P.J. West, P.F. Smith (1994): Control of polymer structure using power ultrasound. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 1, Issue 1, 1994. S51-S57.
Факты, которые стоит знать
Как работает ультразвуковая экстракция и деацетилирование хитина?
Когда мощные ультразвуковые волны соединяются в жидкость или суспензию (например, суспензию, состоящую из хитина в растворителе), ультразвуковые волны проходят через жидкость, вызывая чередование циклов высокого и низкого давления. Во время циклов низкого давления образуются мельчайшие вакуумные пузырьки (так называемые кавитационные пузырьки), которые растут в течение нескольких циклов давления. При определенном размере, когда пузырьки не могут поглощать больше энергии, они сильно схлопываются во время цикла высокого давления. Имплозия пузырьков характеризуется интенсивными кавитационными (так называемыми сономеханическими) силами. Эти сономеханические условия возникают локально в кавитационной горячей точке и характеризуются очень высокими температурами и давлениями до 4000 К и 1000 атм соответственно; а также соответствующие высокие перепады температур и давления. Кроме того, образуются микротурбулентности и потоки жидкости со скоростями до 100 м/с. Ультразвуковая экстракция хитина и хитозана из грибов и ракообразных, а также деполимеризация и деацетилирование хитина в основном вызваны сономеханическими эффектами: перемешивание и турбулентность разрушают клетки и способствуют массопереносу, а также могут разрезать полимерные цепи в сочетании с кислотными или щелочными растворителями.
Принцип работы экстракции хитина с помощью ультразвука
Ультразвуковая экстракция эффективно разрушает клеточную структуру грибов и высвобождает внутриклеточные соединения из клеточной стенки и внутренней части клетки (т.е. полисахариды, такие как хитин и хитозан и другие биологически активные фитохимические вещества) в растворитель. Ультразвуковая экстракция основана на принципе работы акустической кавитации. Эффектами ультразвуковой/акустической кавитации являются высокие поперечные силы, турбулентности и интенсивные перепады давления. Эти сономеханические силы разрушают клеточные структуры, такие как клеточные стенки хитинового гриба, способствуют массообмену между биоматериалом гриба и растворителем и приводят к очень высокому выходу экстракта в рамках быстрого процесса. Кроме того, ультразвуковая обработка способствует стерилизации экстрактов, убивая бактерии и микробы. Микробная инактивация с помощью ультразвука является результатом разрушительных кавитационных сил, воздействующих на клеточную мембрану, производства свободных радикалов и локального нагревания.
Принцип работы деполимеризации и деацетилирования с помощью ультразвука
Полимерные цепи попадают в создаваемое ультразвуком поле сдвига вокруг кавитационного пузыря, и сегменты цепи полимерной катушки вблизи разрушающейся полости будут двигаться с более высокой скоростью, чем те, которые находятся дальше. Затем на полимерной цепи возникают напряжения из-за относительного движения полимерных сегментов и растворителей, и их достаточно, чтобы вызвать расщепление. Таким образом, процесс похож на другие эффекты сдвига в полимерных растворах ~2° и дает очень похожие результаты. (ср. Прайс и др., 1994)
хитин
Хитин представляет собой N-ацетилглюкозаминовый полимер (поли-(β-(1–4)-N-ацетил-D-глюкозамин), представляет собой полисахарид природного происхождения, широко распространенный в экзоскелете беспозвоночных, таких как ракообразные и насекомые, во внутреннем скелете кальмаров и каракатиц, а также в клеточных стенках грибов. Встраиваясь в структуру клеточных стенок гриба, хитин отвечает за форму и жесткость клеточной стенки гриба. Во многих случаях хитин преобразуется в его деацетилированное производное, известное как хитозан, в процессе деполимеризации.
Хитозан является самым распространенным и самым ценным производным хитина. Представляет собой высокомолекулярный полисахарид, связанный гликозидом b-1,4, состоящий из N-ацетилглюкозамина и глюкозамина.
Хитозан может быть получен химическим или ферментативным путем N-деацетилирование. В процессе деацетилирования, вызванного химическими веществами, ацетильная группа (R-NHCOCH3) отщепляется сильной щелочью при высоких температурах. В качестве альтернативы хитозан может быть синтезирован путем ферментативного деацетилирования. Тем не менее, в промышленных масштабах химическое деацетилирование является предпочтительным методом, поскольку ферментативное деацетилирование значительно менее эффективно из-за высокой стоимости ферментов деацетилазы и низкого получаемого хитозана. Ультразвуковое исследование используется для интенсификации химического разложения (1→4)-/β-связи (деполимеризация) и деацетилирования хитина с получением высококачественного хитозана.
Когда ультразвук применяется в качестве предварительной обработки для ферментативного деацетилирования, выход и качество хитозана также улучшаются.

Hielscher Ultrasonics производит высокопроизводительные ультразвуковые гомогенизаторы от лаборатория Кому промышленного размера.