Производство хитина и хитозана из грибов

Ультразвук является высокоэффективным методом высвобождения хитина и хитозана из грибковых источников, таких как грибы. Хитин и хитозан должны быть деацетилированы при обработке в нисходящем потоке, чтобы получить высококачественный биополимер. Ультразвуковая деацетилирование является высокоэффективным, простым и быстрым методом, который приводит к высококачественным хитозанам с высокой молекулярной массой и превосходной биодоступностью.

Хитин и хитозан из грибов

Пищевые и лекарственные грибы, такие как Lentinus edodes (шиитаке), Ganoderma lucidum (Lingzhi или reishi), Inonotus obliquus (чага), Agaricus bisporus (пуговичные грибы), Hericium erinaceus (львиная грива), Cordyceps sinensis (гриб гусеницы), Grifola frondosa (курица из дерева), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, turkeytail) и многие другие виды грибов широко используются в качестве пищи и для экстракции биологически активных соединений. Эти грибы, а также остатки переработки (грибные отходы) могут быть использованы для производства хитозана. Ультразвуковое колонизация не только способствует высвобождению хитина из структуры клеточной стенки грибка, но и стимулирует превращение хитозана в ценный хитозан посредством ультразвуковой деполимеризации.

Деацетилирование хитина к хитозану способствует звукоции

Хитин, который представляет собой N-ацетилглюкозаминовый полимер (поли-(β-(1-4)-N-ацетил-D-глюкозамин), является природным полисахаридом, широко встречающимся в экзоскелете беспозвоночных, таких как ракообразные и насекомые, внутреннем скелете кальмаров и каракатиц, а также клеточных стенках грибов. Встроенный в структуру клеточных стенок грибов, хитин отвечает за форму и жесткость клеточной стенки гриба. Для многих применений хитин превращается в свое деацетилированное производное, известное как хитозан, посредством процесса деполимеризации.
Хитозан является наиболее распространенным и наиболее ценным производным хитина. Представляет собой высокомолекулярный полисахарид, связанный гликозидом b-1,4, состоящий из N-ацетил-глюкозамина и глюкозамина.
Хитозан может быть получен с помощью химических или ферментативных веществ N- деацетилирование. В процессе химического деацетилирования ацетильная группа (R-NHCOCH)₃) расщепляется сильной щелочью при высоких температурах. Альтернативно, хитозан может быть синтезирован посредством ферментативного деацетилирования. Однако в масштабах промышленного производства химическое деацетилирование является предпочтительным методом, поскольку ферментативное деацетилирование значительно менее эффективно из-за высокой стоимости ферментов деацетилазы и низких получаемых выходов хитозана. Ультразвук используется для усиления химической деградации (1→4)-/β-связи (деполимеризации) и воздействия на деацетилирование хитина для получения высококачественного хитозана. Когда ультразвук применяется в качестве предварительной обработки для ферментативного деацетилирования, выход и качество хитозана также улучшаются.

Промышленное производство хитозана из грибов с ультразвуком

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.

Ультразвук усиливает выработку грибкового хитозана и делает производство более эффективным и экономичным.
(фото и исследование: © Чжу и др., 2019)

Высокоэффективный синтез хитозана с помощью ультразвука

Чтобы преодолеть недостатки (т.е. низкую эффективность, высокую энергоемкость, длительное время обработки, токсичные растворители) традиционной химической и ферментативной деацелитии хитина, высокоинтенсивный ультразвук был интегрирован в обработку хитина и хитозана. Высокая интенсивность ультразвука и вытекающие из этого эффекты акустической кавитации приводят к быстрому расщепанию полимерных цепей и снижению полидисперсности, тем самым способствуя синтезу хитозана. Кроме того, ультразвуковые сдвиговые силы усиливают массоперенос в растворе, так что химическая, гидролитическая или ферментативная реакция усиливается.

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

Vallejo-Dominguez et al. (2021) обнаружили в своем исследовании депротеинизации хитина, что «применение ультразвука для производства биополимеров снижает содержание белка, а также размер частиц хитина. Хитозан высокой степени деацетилирования и средней молекулярной массы продуцировали с помощью ультразвуковой помощи.

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.

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 б/об)) готовили путем растворения хлопьев NaOH в воде DI. Затем раствор щелочи добавляли в осадок GLSP (0,5 г) в соотношении твердое и жидкое вещество 1:20 (г: мл) в центрифужную трубку. 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 мин 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 и жидкого вещества, концентрация NaOH и мощность облучения на степень деацетилирования (DD) хитозана. Наибольшее значение ДД было получено при следующих ультразвуковых параметрах: 20 мин ультразвуковой обработки 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 производимого хитозана. Результаты подчеркнули, что ультразвуковой метод деацетилирования грибов является высокоэффективным методом производства хитозана, который подходит для биомедицинских применений. (ср. Чжу и др., 2019)

SEM изображения хитинов и хитозанов из двух видов грибов: а) Хитин из L. vellereus; б) Хитин из P. ribis; в) Хитозан от L.vellereus; г) хитозан из P. ribis.
фото и исследование: © Эрдоган и др., 2017

Превосходное качество хитозана с ультразвуковым 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)

Как работает ультразвуковая экстракция и деацетилирование хитина?

Когда силовые ультразвуковые волны соединяются в жидкость или суспензию (например, суспензию, состоящую из хитина в растворителе), ультразвуковые волны проходят через жидкость, вызывая чередование циклов высокого давления / низкого давления. Во время циклов низкого давления создаются мельчайные вакуумные пузырьки (так называемые кавитационные пузырьки), которые растут в течение нескольких циклов давления. При определенном размере, когда пузырьки не могут поглотить больше энергии, они сильно взрываются во время цикла высокого давления. Пузырьковая имплозия характеризуется интенсивными кавитационными (или 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 давлений. Образуются фуртехмор, микроребулентности 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 кислыми или щелочными растворителями.
Принцип работы экстракции хитина ультразвуком: Ультразвуковая экстракция эффективно разрушает клеточную структуру грибов и высвобождает внутриклеточные соединения из клеточной стенки и внутренней части клетки (то есть 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 силы высокого сдвига, турбулентности и интенсивные перепады давления. Эти сономеханические силы разрушают клеточные структуры, такие как хитиновые клеточные стенки грибов, способствуют массопереносу между биоматериалом гриба и растворителем и приводят к очень высоким выходам экстракта в рамках быстрого процесса. Кроме того, ультразвук способствует стерилизации экстрактов, убивая бактерии и микробы. Микробная инактивация ультразвуком является результатом разрушительных кавитационных сил на клеточную мембрану, производства свободных радикалов и локализованного нагрева.
Принцип работы деполимеризации и деацетилирования с помощью ультразвука: Полимерные цепи попадают в поле сдвига вокруг пузыря, и сегменты цепи полимерной катушки вблизи разрушающейся полости будут двигаться с более высокой скоростью, чем те, которые находятся дальше. Затем на полимерной цепи образуются напряжения из-за относительного движения полимерных сегментов и растворителей, и их достаточно, чтобы вызвать расщепление. Таким образом, процесс аналогичен другим эффектам сдвига в полимерных растворах ~ 2° и дает очень похожие результаты. (см. Прайс и др., 1994)

Высокопроизводительное ультразвуковое оборудование для переработки грибков хитина и хитозана

Сканирование электронной микроскопии (SEM) изображения в увеличение 100 "а) гладиус, б) ультразвуковой лечения гладиуса, в) К-хитин, г) ультразвуковой лечения хитин, и е) хитозан (источник: Preto и др. 2017)

Фрагментация хитина и децетилирование хитина в хитозан требует мощного и надежного ультразвукового оборудования, которое может обеспечить высокие амплитуды, обеспечивает точную управляемость параметрами процесса и может работать 24/7 при большой нагрузке и в сложных условиях. Ассортимент продукции Hielscher Ultrasonics надежно соответствует этим требованиям. Помимо выдающихся ультразвуковых характеристик, 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 аксессуарами, такими как сонотроды, бустеры, реакторы или проточные ячейки, чтобы оптимально соответствовать вашим потребностям процесса. С цифровым цветным дисплеем обеспечивается возможность предустановленных запусков ультразвука, автоматическая запись данных на встроенную SD-карту, дистанционное управление браузером и многие другие функции, высочайшее управление процессом и удобство для пользователя. В сочетании с прочностью и большой несущей способностью ультразвуковые системы Hielscher являются вашей надежной рабочей лошадкой в производстве. 
Фрагментация и деацетилирование хитина требует мощного ультразвука для получения целенаправленной конверсии и конечного продукта хитозана высокого качества. Особенно для фрагментации хитиновых хлопьев и этапов деполимеризации / деацетилирования решающее значение имеют высокие амплитуды и повышенные давления. 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 деацетилирование в безопасном и удобном для пользователя процессе.
В приведенной ниже таблице приведена приблизительная производительность наших ультразвуковых аппаратов: