Ultrasonication je zelo učinkovita metoda za sprostitev chitin in chitosan iz glivičnih virov, kot so gobe. Chitin in chitosan morata biti depolimerizirana in deacetilizirana pri obdelavi navzdol, da se pridobi visokokakovostni biopolimer. Ultrazvočno podprta depolimerizacija in deacetilacija je zelo učinkovita, preprosta in hitra tehnika, ki ima za posledico visokokakovostne chitosans z visoko molekulsko težo in vrhunsko biološko uporabnostjo.

Goba-Izpeljani Chitin in Chitosan prek ultrasonication

Jedilne in zdravilne gobe, kot so Lentinus edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi ali reishi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (gumb gobe ), Hericium erinaceus (lavovska griva), Cordyceps sinensis (gusjenica gljivica), Grifola frondosa (kokoša od drva), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, puretail) i mnoge druge vrste gvava se u širokom spektru hrane i za ekstrakcije bioaktivnih jedinjenja. Te gobe in ostanki predelave (gobasti odpadki) se lahko uporabljajo za proizvodnjo chitosana. Ultrasonication ne samo spodbuja sproščanje chitina iz glivične celične stenske strukture, ampak tudi spodbuja pretvorbo chitina v dragoceni chitosan preko ultrazvočno podprto depolimerizacijo in deacetilacijo.

 

Intenzivna ultrasonication z uporabo ultrazvočnega sistema tipa sonde je tehnika, ki se uporablja za spodbujanje depolimerizacije in deacetilacije chitina, kar vodi v nastanek chitosan. Chitin je naravno pojavlja polisaharid najdemo v eksoskeletov rakov, žuželk, in celičnih sten nekaterih gliv. Chitosan izhaja iz chitina z odstranitvijo acetilnih skupin iz molekule kitina.

Ultrazvočni postopek za glivični chitin v chitosan pretvorbo

Pri intenzivni ultrazvočni uporabi za proizvodnjo chitosan iz chitin, chitin vzmetenje je sonicated z visoko intenzivnostjo, nizko frekvenčni ultrazvočni valovi, običajno v območju od 20 kHz do 30 kHz. Proces ustvarja intenzivno akustično kavitacijo, ki se nanaša na nastanek, rast in kolaps mikroskopskih vakumskih mehurčkov v tekočini. Kavitacija ustvarja lokalizirane okončine visoko ščijenih sil, visoke temperature (do več tisoč stopinj Celzija) in pritiske (do nekaj sto atmosfer) v tekočini, ki obdaja mehurčke kavitacije. Ti ekstremni pogoji prispevajo k razgraditvi chitin polimera in posledične deacetilacije.
 

 

Ultrazvočna depolimerizacija chitina

Depolimerizacija chitina se pojavi skozi kombinirane učinke mehanskih sil, kot so mikrostreaming in tekoče sesanje, kot tudi z ultrazvočno začetimi kemičnimi reakcijami, ki jih povzročijo prosti radikali in druge reaktivne vrste, ki nastanejo med kavitacijo. Visokotlačni valovi, ki nastanejo med kavitacijo, povzročijo, da so chitin verige pod stresom, kar ima za posledico raztrganje polimera v manjše fragmente.

Ultrazvočna deacetilacija chitina

Poleg depolimerizacije intenzivna ultrasonication spodbuja tudi deacetilacijo chitina. Deacetilacija vključuje odstranitev acetilnih skupin iz molekule kitina, kar vodi v nastanek chitosana. Intenzivna ultrazvočna energija, zlasti visoke temperature in pritiski, ki nastanejo med kavitacijo, pospešijo deacetilacijo reakcije. Reaktivni pogoji, ustvarjeni s kavitacijo, pomagajo prekiniti acetil povezave v kitinu, kar ima za posledico sproščanje ocete kisline in pretvorbo chitina v chitosan.
Na splošno intenzivna ultrasonication povečuje tako procese depolimerizacije kot deacetilacije z zagotavljanjem potrebne mehanske in kemične energije za razčlenitev chitin polimera in olajša pretvorbo v chitosan. Ta tehnika ponuja hitro in učinkovito metodo za proizvodnjo chitosana iz chitina, s številnimi uporabami v različnih panogah, vključno s farmacevtiki, kmetijstvom in biomediško tehniko.

Industrijska chitosan proizvodnja iz Goba z Moč ultrazvok

Komercialna proizvodnja chitina in chitosana temelji predvsem na odpadkih morskih industrij (to je ribolov, nabiranje školjk itd.). Različni viri surovin povzročijo različne lastnosti kitina in chitosana, ki so posledica proizvodnje in nihanja kakovosti zaradi sezonskih ribolovnih sprememb. Poleg tega chitosan, pridobljen iz glivičnih virov, ponuja domnevno vrhunske lastnosti, kot so homogena dolžina polimera in večja topnost v primerjavi s chitosan iz morskih virov. (prim. Ghormade et al., 2017) Za dobavo enotnega chitosana je ekstrakcija chitina iz glivičnih vrst postala stabilna alternativna proizvodnja. Chitin in citiosan proizvodnjo iz gliv je mogoče enostavno in zanesljivo doseči z ultrazvočno ekstrakcijo in deacetilacijo tehnologije. Intenzivna sonication moti celične strukture za sprostitev chitin in spodbuja prenos mase v keho topila za vrhunske kitin donosov in ekstrakcijo učinkovitost. Posledična ultrazvočna deacetilacija pretvori chitin v dragoceni chitosan. Oboje, ultrazvočno chitin ekstrakcijo in deacetilacijo na chitosan lahko lineano lestvico na kateri koli komercialni ravni proizvodnje.

Rezultati raziskav za ultrazvočni chitin in chitosan deacetylation

Zhu et al. (2018) v svoji študiji ugotavljajo, da se je ultrazvočna deacetilacija izkazala za odločilen preboj, s pretvorbo β-chitina v chitosan z 83–94% deacetilacijo pri zmanjšanih temperaturah reakcije. Slika levo prikazuje SEM sliko ultrazvočno deacetilnega chitosana (90 W, 15 min, 20 w/v% NaOH, 1:15 (g: mL) (slika in študija: © Zhu et al., 2018)
V svojem protokolu so raztopino naOH (20 w/v %) pripravili z raztapljanjem naOH kosmiči v vodi DI. Nato je bila alkalna raztopina dodana sedimentu GLSP (0,5 g) v trdno tekočem razmerju 1:20 (g: ml) v centrifugno cev. Zdravilo NaCl (40 ml, 0,2 M) in ocetni kislini (0,1 M) je bilo dodano zdravilu NaCl (40 ml, 0,2 M) in ocetni kislini (0,1 M) v razmerju 1:1 prostornine raztopine. Vzmetenje je bilo nato podvrženo ultrazvoku pri blagi temperaturi 25 °C 60 min z ultrazvočnim senzorjem tipa sonde (250W, 20kHz). (cf Zhu et al., 2018)
 
Pandit et al. (2021) je ugotovil, da je stopnja razgradnje za raztopine chitosan redko prizadeta zaradi koncentracije kisline, ki se uporablja za topitev polimera in je v veliki meri odvisna od temperature, intenzivnosti ultrazvočnih valov in ionske trdnosti medija, ki se uporablja za raztapljanje polimera. (prim. Pandit et al., 2021)
 
V drugi študiji so Zhu et al. (2019) je ganoderma lucidum spore u prahu za gljivične surovine i proučio ultrasonično potamnjenu deacetilaciju i efekte procesnih parametra, na primer vreme sonikacije, razmerje čvrstih i tečnih tečnosti, koncentraciju NaOH i iracijacijsku moč na stopnjo deacetilacije (DD) chitosana. Najvišja DD vrednost je bila pridobljena pri naslednjih ultrazvočnih parametrih: 20 min sonication na 80W, 10% (g:ml) NaOH, 1:25 (g:ml). Površinsko morfologijo, kemične skupine, toplotno stabilnost in kristalnost ultrazvočno pridobljenega chitosana so preučili z uporabo SEM, FTIR, TG in XRD. Raziskovalna skupina poroča o znatni izboljšavi stopnje deacetilacije (DD), dinamične viskoznosti ([η]) in molekulske teže (Mv ) ultrazvočno proizvedenega chitosana. Rezultati so poudarili ultrazvočno deacetilacijo tehniko gliv zelo močna metoda proizvodnje za chitosan, ki je primerna za biomedične aplikacije. (prim. Zhu et al., 2019)

Vrhunska chitosan kakovost z ultrazvočno depolimerizacijo in deacetilacijo

Ultrazvočno-pogon procesi chitin / chitosan ekstrakcije in depolymerization so natančno nadzorovati in ultrazvočni proces parametri se lahko prilagodijo surovinam in ciljno kakovost končnega izdelka (npr. molekularna teža, stopnja deacetilacije). To omogoča prilagoditev ultrazvočnega procesa zunanjim dejavnikom in nastavitev optimalnih parametrov za boljši izid in učinkovitost.
Ultrazvočno deacetylted chitosan kaže odlično biološko uporabnost in biokompatibilnost. Če se ultrazvočno pripravljeni biopolimerji chitosana primerjajo s termoizvedenim chitosanom v zvezi z biološkimi lastnostmi, Ultrasonično proizvedeni chitosan izlaže znatno bolje fibroblast (L929 cell) sposobnost i pojašnjenje antibakterijske aktivnosti i za Escherichia coli (E. coli) i Staphylococcus aureus (S. aureus).
(prim. Zhu et al., 2018)
 

Visokozmogična ultrazvočna oprema za obdelavo chitina in chitosana

Razdrobljenost chitina in zakašnjenje chitina v chitosan zahteva močno in zanesljivo ultrazvočno opremo, ki lahko dobavi visoke amplitude, ponuja natančno kontrolno sposobnost nad parametri procesa in se lahko upravlja 24/7 pod težko obremenitvijo in v zahtevnih okoljih. Hielscher Ultrasonics paleta izdelkov izpolnjuje te zahteve zanesljivo. Poleg izjemnih ultrazvočnih zmogljivosti, Hielscher ultrasonicatorji se ponašajo z visoko energetsko učinkovitostjo, kar je pomembna ekonomična prednost – zlasti pri komercialni obsežni proizvodnji.
Hielscher ultrasonicatorji so visokozmogljivostni sistemi, ki so lahko opremljeni z dodatki, kot so sonotrodi, Boosters, reaktori i flow cells kako bi se na optimalen način uklopili u potrebe vašeg procesa. S digitalnim prikazom u coloru, opcija za predsetiranje sonication runs, automatic recording data on the integrated SD card, remote browser control and many more features, Hielscher ultrasonicators ensure highest process control and user-friendliness. V paru z robustno in težko nosilno zmogljivostjo, Hielscher ultrazvočni sistemi so vaš zanesljiv delovni konj v proizvodnji. 
Drobitev chitina in deacetilacija zahteva močan ultrazvok za pridobitev ciljno pretvorbo in končni chitosan izdelek visoke kakovosti. Še posebej za fragmentacijo chitin kosmiči in depolymerization / deacetylation koraki, visoke amplitude in povišani pritiski so ključnega pomena. Hielscher Ultrasonics industrijski ultrazvočni procesorji enostavno dostaviti zelo visoke amplitude. Amplitude do 200μm se lahko neprekinjeno zaženejo v 24/7 operaciji. Za še višje amplitude so na voljo prilagojeni ultrazvočni sonotrodi. Zmogljivost hielscher ultrazvočnih sistemov omogoča učinkovito in hitro depolimerizacijo in deacetilacijo v varnem in uporabniku prijaznem procesu.
 

V spodnji tabeli vam daje podatek o približni zmogljivosti obdelave naših ultrasonicators:

---

---

Sinergična chitin zdravljenje izboljšana z ultrasonication

Za premagovanje pomanjkljivosti (torej nizke učinkovitosti, visokih stroškov energije, dolgega časa predelave, strupenih topil) tradicionalne kemijske in encimske deaketlytion chitin, je bil ultrazvok visoke intenzivnosti vključen v chitin in chitosan predelavo. Visoka intenzivnost sonication in posledica učinki akustične kavitacije vodijo do hitre razsežnosti polimernih verig in zmanjšajo polidisperznost in s tem spodbujajo sintezo chitosana. Poleg tega ultrazvočne omejevanje sile okrepijo masni prenos v raztopini, tako da se poveča kemična, hidrolitična ali encimska reakcija. Ultrazvočno obdelavo kitina lahko kombiniramo z že obstoječimi tehnikami obdelave kitina, kot so kemične metode, hidroliza ali encimski postopki.

Ultrazvočno podprta kemijska deacetilacija in depolimerizacija

Ker je chitin nereaktiven in netopen biopolimer, mora opraviti proces korake demineralizacije, deproteinizacije in depolimerizacije / deacetilacije, da bi dobili topno in bioacessible chitosan. Ti procesni koraki vključujejo zdravljenje z močnimi kislinami, kot so HCl in močne baze, kot sta NaOH in KOH. Ker so ti običajni procesni koraki neučinkoviti, počasni in zahtevajo visoke energije, se z sonifikacijo procesov znatno izboljša proizvodnja chitosana. Uporaba power-ultrazvok povečuje chitosan pridelke in kakovost, zmanjšuje proces iz dni v nekaj ur, omogoča blažja topila, in naredi celoten proces bolj energetsko učinkovit.

Ultrazvočno izboljšana deproteinizacija chitina

Vallejo-Dominguez et al. (2021) so v preiskavi deproteinizacije kitina ugotovili, da je “uporaba ultrazvoka za proizvodnjo biopolimerov je zmanjšala vsebnost beljakovin in velikost delcev chitina. Chitosan visoke stopnje deacetilacije in srednje molekulske mase je bil proizveden z ultrazvočno pomočjo.”

Ultrazvočna hidroliza za depolimerizacijo chitina

Za kemično hidrolizo se za deacetilacijo kitina uporabljajo bodisi kisline bodisi alkalne kisline, vendar se bolj razširjena uporablja alkalna deacetilacija (npr. natrijev hidroksid NaOH). Kislinska hidroliza je alternativna metoda tradicionalne kemijske deacetilacije, kjer se za depolimerizacijo chitina in chitosana uporabljajo raztopine organske kisline. Metoda kislinske hidrolize se večinoma uporablja, kadar mora biti molekularna teža chitina in chitosana homogena. Ta običajni proces hidrolize je znan kot počasen in energijsko- in stroškovno intenzivni. Zahteva po močnih kislinah, visokih temperaturah in tlakih so dejavniki, ki hidrolitični chitosan proces spremenijo v zelo drag in dolgotrajen postopek. Uporabljene kisline zahtevajo nadaljnje procese, kot sta nevtralizacija in desaliranje.
Z vključitvijo ultrazvoka visoke moči v proces hidrolize se lahko temperature in tlačne zahteve za hidrolitični dekolte chitina in chitosana bistveno znižajo. Poleg tega sonication omogoča nižje koncentracije kisline ali uporabo blažje kisline. S tem je proces bolj trajnosten, učinkovit, stroškovno učinkovit in okolju prijaznejši.

Ultrazvočno podprta kemijska deacetilacija

Kemična dešitepelacija in deakteilacija chitina in chitosana se doseže predvsem z obdelavo kitina ali chitosana z mineralnimi kislinami (npr. klorovodikova kislina HCl), natrijev nitrit (NaNO₂) ali vodikov peroksid (H₂O₂). Ultrazvok izboljša stopnjo deacetilacije in s tem skrajša reakcijski čas, potreben za pridobitev ciljne stopnje deacetilacije. To pomeni, da sonication skrajša zahtevani čas obdelave 12-24 ur na nekaj ur. Poleg tega sonication omogoča znatno nižje kemične koncentracije, na primer 40 % (w/w) natrijev hidroksid z uporabo sonikacije, medtem ko je brez uporabe ultrazvoka potrebno 65 % (w/w).

Ultrazvočno-encimska deacetilacija

Medtem ko je encimska deacetilacija blaga, okoljsko benigna oblika obdelave, so njegova učinkovitost in stroški neekonomični. Zaradi zapletene, delovno intenzivne in drage dolvodne ločenosti in prečišcenja encimov iz končnega izdelka se encimska deacetilacija chitina ne izvaja v komercialni proizvodnji, ampak se uporablja le v znanstveno-raziskovalnem laboratoriju.
Ultrazvočno pred zdravljenjem, preden encimska deaketlacijo fragmenti chitin molekule s tem poveča površino in da več površine na voljo za encime. Visokozmogijina sonication pomaga izboljšati encimsko deacetilacijo in postopek ekonomičnosti.