Ultrazvukom je vysoko efektívna metóda na uvoľnenie chitínu a chitosanu z hubových zdrojov, ako sú huby. Chitín a chitosan sa musia deacetylovať pri spracovaní down-streamom, aby sa získal vysokokvalitný biopolymér. Rozpúšťadle-asistovaná deacetylácia je vysoko účinná, jednoduchá a rýchla technika, ktorá má za následok vysoko kvalitné chitosany s vysokou molekulovou hmotnosťou a vynikajúcou biologickou dostupnosťou.

Chitín a Chitosan z húb

Jedlé a liečivé huby ako Lentinus edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi alebo reishi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (gombíkové huby), Hericium erinaceus (levia hriva), Cordyceps sinensis (húsenica huba), Grifola frondosa (slieľa dreva), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, turkeytail) a mnoho ďalších druhov húb sú široko používané ako potrava a na extrakciu bioaktívnych zlúčenín. Tieto huby, ako aj spracovanie zvyškov (hubového odpadu) sa môžu použiť na výrobu chitosanu. Ultrazvukom nielen podporuje uvoľňovanie chitínu zo štruktúry hubovej bunkovej steny, ale tiež poháňa konverziu chition na cenný chitosan prostredníctvom ultrazvukovej depolymerizácie.

Deacetylation chitín na CHITOSAN je podporovaná ultrazvukom

chitín, čo je N-acetylglukozamínový polymér (poly-(β-(1-4)-N-acetyl-D-glukozamín), je prirodzene sa vyskytujúci polysacharid široko nachádzajúci sa v exoskeletóne bezstavovcov, ako je kôrovce a hmyz, vnútorná kostra kalmára a sépie, ako aj bunkové steny húb. Chitín, ktorý je vložený do štruktúry hubových bunkových stien, je zodpovedný za tvar a tuhosť hubovej bunkovej steny. Pre mnoho aplikácií sa chitín konvertuje na deacetylovaný derivát, známy ako chitosan prostredníctvom depolymerizačného procesu.
Chitosan Je najbežnejším a najcennejším derivátom chitínu. Je to polysacharid s vysokou molekulovou hmotnosťou spojený s glykozidom b-1,4, zložený z N-acetyl-glukozamínu a glukozamínu.
Chitosan sa môže získavať chemickým alebo enzymatickým N-deacetylácia. V chemicky poháňanom procese deacetylácie sa acetylová skupina (R-NHCOCH₃) je pri vysokých teplotách odštiepená silnými alkalickými. Prípadne môže byť chitosan syntetizovaný enzymatickou deacetyláciou. V priemyselnom výrobnom meradle je však uprednostňovanou technikou chemická deacetylácia, pretože enzymatická deacetylácia je výrazne menej účinná kvôli vysokým nákladom enzýmov deacetylázy a získaným nízkym výnosom chitosanu. Ultrazvukom sa používa na zintenzívnenie chemickej degradácie (1→4)-/ β-linkage (depolymerizácia) a účinok deacetylácie chitínu na získanie vysoko kvalitného chitosanu. Keď sa ultrazvukom aplikuje ako predbežná liečba enzymatickej deacetylácie, zlepšuje sa aj výťažnosť a kvalita chitosanu.

Priemyselná chitosanová výroba z húb s ultrazvukom

Komerčná výroba chitínu a chitosanu je založená hlavne na odpade z morského priemyslu (t. j. rybolov, zber rýb v škrupine atď.). Rôzne zdroje surovín vedú k rôznym vlastnostiam chitínu a chitosanu, čo je výsledkom kolísania výroby a kvality v dôsledku sezónnych zmien rybolovu. Okrem toho chitosan získaný z hubových zdrojov ponúka údajne vynikajúce vlastnosti, ako je homogénna dĺžka polyméru a väčšia rozpustnosť v porovnaní s chitosanom z morských zdrojov. (porovnaj Ghormade et al., 2017) S cieľom dodávať jednotný chitosan sa extrakcia chitínu z plesňových druhov stala stabilnou alternatívnou produkciou. Chitín a citiosan výroba z húb možno ľahko a spoľahlivo dosiahnuť pomocou ultrazvukovej extrakcie a deacetylačnej technológie. Intenzívna ultrazvukom narúša bunkové štruktúry, aby uvoľnila chitín a podporuje prenos hmoty vo ých rozpúšťadlách pre vynikajúce výnosy chitínu a účinnosť extrakcie. Následná ultrazvuková deacetylácia premieňa chitín na cenný chitosan. Ultrazvuková extrakcia chitínu a deacetylácia na chitosan môže byť lineárne zmenšená na akúkoľvek komerčnú úroveň výroby.

Ultrazvukom zintenzívňuje výrobu hubového chitosanu a robí výrobu efektívnejšou a hospodárnejšou.
(obrázok a štúdia: © Zhu et al., 2019)

Vysoko efektívna syntéza chitosanu prostredníctvom ultrazvukom

Na prekonanie nevýhod (t. j. nízkej účinnosti, vysokých nákladov na energiu, dlhého spracovania, toxických rozpúšťadiel) tradičnej chemickej a enzymatickej deacetlycie chitínu bol ultrazvuk s vysokou intenzitou integrovaný do spracovania chitínu a chitosanu. Ultrazvukom s vysokou intenzitou a z toho vyplývajúce účinky akustickej kavitácie vedú k rýchlemu rezu polymérnych reťazcov a znižujú polydisperzitu, čím podporujú syntézu chitosanu. Okrem toho ultrazvukové šmykové sily zintenzívnia prenos hmoty v roztoku tak, aby sa zlepšila chemická, hydrolytická alebo enzymatická reakcia.

Rozpúšťadle-asistovaná chemická deacetylácia a depolymerizácia

Keďže chitín je nereaktívny a nerozpustný biopolymér, musí prejsť procesnými krokmi demineralizácie, deproteinizácie a depolymerizácie / deacetylácie, aby sa získal rozpustný a biologicky prenosný chitosan. Tieto kroky procesu zahŕňajú ošetrenie silnými kyselinami, ako je HCl a silné bázy, ako sú NaOH a KOH. Keďže tieto konvenčné procesné kroky sú neefektívne, pomalé a vyžadujú vysokú energiu, procesná intenzifikácia ultrazvukom výrazne zlepšuje produkciu chitosanu. Aplikácia výkon-ultrazvuku zvyšuje výnosy a kvalitu chitosanu, znižuje proces z dní na niekoľko hodín, umožňuje miernejšie rozpúšťadlá a robí celý proces energeticky efektívnejším.

Rozpúšťadle vylepšená deproteinizácia chitínu

Vallejo-Dominguez et al. (2021) zistil pri skúmaní deproteinizácie chitínu, že "aplikácia ultrazvuku na produkciu biopolymérov znížila obsah bielkovín, ako aj veľkosť častíc chitínu. Chitosan s vysokým stupňom deacetylácie a strednej molekulovej hmotnosti bol vyrobený pomocou ultrazvukovej pomoci.

Ultrazvuková hydrolýza pre chitínovú depolymerizáciu

Na deacetyláciu chitínu sa používajú buď kyseliny alebo zásady, avšak vo väčšej miere sa používa alkalická deacetylácia (napr. hydroxid sodný NaOH). Kyslá hydrolýza je striedavá metóda tradičnej chemickej deacetylácie, kde sa roztoky organických kyselín používajú na depolymerizáciu chitínu a chitosanu. Metóda kyslej hydrolýzy sa väčšinou používa, keď molekulová hmotnosť chitínu a chitosanu musí byť homogénna. Tento konvenčný proces hydrolýzy je známy ako pomalý a energeticky a nákladovo náročný. Požiadavka silných kyselín, vysokých teplôt a tlakov sú faktory, ktoré menia hydrolytický chitosanový proces na veľmi drahý a časovo náročný postup. Použité kyseliny vyžadujú následné procesy, ako je neutralizácia a odsoľovanie.
S integráciou vysokovýkonného ultrazvuku do procesu hydrolýzy sa môžu výrazne znížiť požiadavky na teplotu a tlak na hydrolytické štiepenie chitínu a chitosanu. Okrem toho ultrazvukom umožňuje nižšie koncentrácie kyseliny alebo použitie miernejších kyselín. Vďaka tomu je tento proces udržateľnejší, efektívnejší, nákladovo efektívnejší a šetrnejší k životnému prostrediu.

Rozpúšťadle-asistovaná chemická deacetylácia

Chemická dezintegrácia a detatilácia chitínu a chitosanu sa dosahuje hlavne ošetrením chitínu alebo chitosanu minerálnymi kyselinami (napr. kyselina chlorovodíková HCl), dusitanom sodným (NaNO₂) alebo peroxid vodíka (H₂O₂). Ultrazvuk zlepšuje rýchlosť deacetylácie, čím skracuje reakčný čas potrebný na dosiahnutie cieleného stupňa deacetylácie. To znamená, že ultrazvukom skracuje požadovanú dobu spracovania 12-24 hodín na niekoľko hodín. Okrem toho ultrazvukom umožňuje výrazne nižšie chemické koncentrácie, napríklad 40% (hm.) hydroxid sodný pomocou ultrazvukom, zatiaľ čo 65% (w/ w) je potrebných bez použitia ultrazvuku.

Ultrazvuková-enzymatická deacetylácia

Zatiaľ čo enzymatická deacetylácia je mierna, environmentálne benígna spracovateľská forma, jej účinnosť a náklady sú neekonomické. Vzhľadom na komplexnú, pracovne intenzívnu a nákladnú následnú izoláciu a čistenie enzýmov z konečného produktu sa enzymatická deacetylácia chitínu nevykonáva v komerčnej výrobe, ale používa sa len vo vedecko-výskumnom laboratóriu.
Ultrazvuková predbežná liečba pred enzymatickou deacetlytáciou fragmentuje chitínové molekuly, čím zväčšuje plochu povrchu a vytvára viac povrchu k dispozícii pre enzýmy. Vysokovýkonná ultrazvukom pomáha zlepšiť enzymatickú deacetyláciu a robí proces ekonomickejším.

Výsledky výskumu ultrazvukového chitínu a chitosan deacetylácie

Zhu et al. (2018) záver vo svojej štúdii, že ultrazvuková deacetylácia sa ukázala ako kľúčový prielom, premena β-chitín na chitosan s 83-94% deacetyláciou pri znížených reakčných teplotách. Obrázok vľavo ukazuje SEM obraz rozpúšťadle deacetylovaného chitosanu (90 W, 15 min, 20 w / v% NaOH, 1:15 (g: ml) (obrázok a štúdia: © Zhu et al., 2018)
Vo svojom protokole bol roztok NaOH (20 w/v %) pripravený rozpustením vločiek NaOH vo vode DI. Alkalický roztok sa potom pridal do sedimentu GLSP (0,5 g) v pomere pevnej kvapaliny 1:20 (g: ml) do odstredivej trubice. Chitosan sa pridal do NaCl (40 ml, 0, 2 M) a kyseliny octovej (0, 1 M) v pomere objemu roztoku 1: 1. Suspenzia bola potom podrobená ultrazvuku pri miernej teplote 25 ° C po dobu 60 minút pomocou ultrasonicator typu sondy (250W, 20kHz). (porov. Zhu et al., 2018)
Pandit et al. (2021) zistil, že rýchlosť degradácie chitosanových roztokov je zriedka ovplyvnená koncentráciami kyseliny používanej na rozpustnosť polyméru a do značnej miery závisí od teploty, intenzity ultrazvukových vĺn a iónovej sily médií používaných na rozpustenie polyméru. (porovnaj Pandit et al., 2021)

V inej štúdii Zhu et al. (2019) použili prášky Ganoderma lucidum spóry ako hubovú surovinu a skúmali rozpúšťadle asistovanú deacetyláciu a účinky parametrov spracovania, ako je čas ultrazvukom, pomer tuhý k kvapaline, koncentrácia NaOH a ožarovací výkon na stupni deacetylácie (DD) chitosanu. Najvyššia hodnota DD bola získaná pri nasledujúcich ultrazvukových parametroch: 20 min ultrazvukom pri 80W, 10% (g:ml) NaOH, 1:25 (g:ml). Povrchová morfológia, chemické skupiny, tepelná stabilita a kryštalita rozpúšťadle získaného chitosanu boli skúmané pomocou SEM, FTIR, TG a XRD. Výskumný tím hlási významné zvýšenie stupňa deacetylácie (DD), dynamickej viskozity ([η]) a molekulovej hmotnosti (Mv ̄) rozpúšťadle vyrobeného chitosanu. Výsledky podčiarkli ultrazvukovú deacetylačnú techniku húb vysoko silnú výrobnú metódu pre chitosan, ktorý je vhodný pre biomedicínske aplikácie. (porov. Zhu et al., 2019)

SEM obrázky chitínov a chitozanov z dvoch druhov húb: a) chitín z L. vellereus; b) chitín z P. ribis; c) Chitosan z L.vellereus; d) chitosan od P. ribis.
obrázok a štúdia: © Erdoğan et al., 2017

Vynikajúca kvalita chitosanu s ultrazvukovou deacetyláciou

Rozpúšťadle-riadený procesy chitín / chitosan extrakcie a depolymerization sú presne kontrolovateľné a ultrazvukové proces parametre môžu byť upravené na suroviny a cielený konečný produkt kvality (napr. molekulová hmotnosť, stupeň deacetylácie). To umožňuje prispôsobiť ultrazvukový proces vonkajším faktorom a nastaviť optimálne parametre pre vynikajúci výsledok a účinnosť.
Rozpúšťadle deacetylovaný chitosan vykazuje vynikajúcu biologickú dostupnosť a biokompatibilitu. Keď sa rozpúšťadle pripravené chitosan biopolyméry porovnávajú s tepelne odvodeným chitosanom, pokiaľ ide o biomedicínske vlastnosti, rozpúšťadle produkovaný chitosan vykazuje výrazne zlepšenú fibrómovú (L929 buniek) životaschopnosť a zvýšenú antibakteriálnu aktivitu pre Escherichia coli (E. coli) a Staphylococcus aureus (S. aureus).
(porov. Zhu et al., 2018)

Ako ultrazvuková extrakcia a deacetylácia chitínu funguje?

Keď sú výkonové ultrazvukové vlny páry do kvapaliny alebo kalu (napr. suspenzia pozostávajúca z chitínu v rozpúšťadle), ultrazvukové vlny prechádzajú kvapalinou a spôsobujú striedajúce sa vysokotlakové / nízkotlakové cykly. Počas nízkotlakových cyklov vznikajú minútové vákuové bubliny (tzv. kavitačné bubliny), ktoré rastú počas niekoľkých tlakových cyklov. V určitej veľkosti, keď bubliny nemôžu absorbovať viac energie, prudko implodujú počas vysokotlakového cyklu. Bublinová implózia je charakterizovaná intenzívnymi kavitačnými (alebo sonomechanickými) silami. Tieto sonomechanické podmienky sa vyskytujú lokálne v kavitačnom horúcom mieste a vyznačujú sa veľmi vysokými teplotami a tlakmi až do 4000K a 1000atm; ako aj zodpovedajúce teplotné a tlakové diferenciály. Vznikajú furtehrmore, mikro turbulencie a kvapalné prúdy s rýchlosťou do 100 m/s. Ultrazvuková extrakcia chitínu a chitosanu z húb a kôrovcov, ako aj chitínová depolymerizácia a deacetylácia sú spôsobené hlavne sonomechanickými účinkami: agitácia a turbulencie narúšajú bunky a podporujú prenos hmoty a môžu tiež rezať polymérne reťazce v kombinácii s kyslými alebo alkalickými rozpúšťadlami.
Pracovný princíp extrakcie chitínu ultrazvukom: Ultrazvuková extrakcia účinne rozbije bunkovú štruktúru húb a uvoľňuje intracelulárne zlúčeniny z bunkovej steny a vnútra buniek (tj polysacharidy, ako je chitín a chitosan a iné bioaktívne fytochemikálie) do rozpúšťadla. Ultrazvuková extrakcia je založená na pracovnom princípe akustickej kavitácie. Účinky ultrazvukovej / akustickej kavitácie sú vysoké šmykové sily, turbulencie a intenzívne tlakové diferenciály. Tieto sonomechanické sily rozbíjajú bunkové štruktúry, ako sú steny chitínových hubových buniek, podporujú hromadný prenos medzi hubami biomateriál a rozpúšťadlom a vedú k veľmi vysokým výnosom extraktu v rýchlom procese. Okrem toho ultrazvukom podporuje sterilizáciu extraktov zabíjaním baktérií a mikróbov. Mikrobiálna inaktivácia ultrazvukom je výsledkom deštruktívnych kavitačných síl bunkovej membrány, produkcie voľných radikálov a lokalizovaného vykurovania.
Pracovný princíp depolymerizácie a deacetylácie ultrazvukom: Polymérne reťaze sú zachytené v šmykovom poli okolo bubliny a reťazové segmenty polymérnej cievky v blízkosti kolabujúceho dutiny sa budú pohybovať vyššou rýchlosťou ako tie ďalej. Napätie sa potom vytvára na polymérnom reťazci v dôsledku relatívneho pohybu polymérnych segmentov a rozpúšťadiel a sú dostatočné na to, aby spôsobili štiepenie. Tento proces je teda podobný iným strihacim účinkom v polymérnych roztokoch ~2° a poskytuje veľmi podobné výsledky. (porov. Cena a kol., 1994)

Vysokovýkonné ultrazvukové zariadenia pre hubové chitínové a chitosanové spracovanie

Skenovanie elektrónovej mikroskopie (SEM) obrázky v zväčšenie 100 × a) Gladius, b) ultrazvuk-liečených Gladius, c) β-chitin, d) ultrazvuk-liečených β-chitin, a e) chitosan (Zdroj: preto et al. 2017)

Fragmentácia chitínu a dektylácia chitínu na chitosan vyžaduje silné a spoľahlivé ultrazvukové zariadenia, ktoré môžu dodávať vysoké amplitúdy, ponúkajú presnú kontrolu nad parametrami procesu a môžu byť prevádzkované 24/7 pri ťažkom zaťažení a v náročných prostrediach. Hielscher Ultrasonics 'produktový rad spĺňa tieto požiadavky spoľahlivo. Okrem vynikajúceho ultrazvukového výkonu sa Hielscher ultrasonicators môžu pochváliť vysokou energetickou účinnosťou, čo je významná ekonomická výhoda – najmä ak sa používajú v komerčnej veľkovýrobe.
Hielscher ultrasonicators sú vysoko výkonné systémy, ktoré môžu byť vybavené príslušenstvom, ako sú sonotródy, boostery, reaktory alebo prietokové bunky, aby zodpovedali vašim potrebám procesu optimálnym spôsobom. S digitálnym farebným displejom je zabezpečená možnosť prednastavenia ultrazvukom, automatické zaznamenávanie údajov na integrovanej SD karte, diaľkové ovládanie prehliadača a mnoho ďalších funkcií, najvyššie riadenie procesu a užívateľská prívetivosť. V kombinácii s robustnosťou a ťažkou nosnosťou, Hielscher ultrazvukové systémy sú váš spoľahlivý pracovný kôň vo výrobe. 
Fragmentácia chitínu a deacetylácia vyžaduje silný ultrazvuk na dosiahnutie cielenej konverzie a konečný chitosan vysoko kvalitný produkt. Najmä pre fragmentáciu chitínových vločiek a depolymerizačné / deacetylačné kroky sú rozhodujúce vysoké amplitúdy a zvýšené tlaky. Hielscher Ultrasonics 'priemyselné ultrazvukové procesory ľahko dodať veľmi vysoké amplitúdy. Amplitúdy až do 200 μm môžu byť nepretržite bežia v prevádzke 24/7. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii prispôsobené ultrazvukové sonotródy. Výkonová kapacita Hielscher ultrazvukových systémov umožňuje efektívnu a rýchlu deacetyláciu v bezpečnom a užívateľsky prívetivom procese.
Nasledujúca tabuľka vám uvádza približnú spracovateľskú kapacitu našich ultrazvukov: