Prodhimi i kitinës dhe kitozanit nga kërpudhat

Trajtimi me ultratinguj është një metodë shumë efikase për çlirimin e kitinës dhe kitozanit nga burime kërpudhore, siç janë kërpudhat. Kitina dhe kitozani duhet t’i nënshtrohen depolimerizimit dhe deacetilimit gjatë përpunimit të mëtejshëm për të përftuar një biopolimer me cilësi të lartë. Depolimerizimi dhe deacetilimi i asistuar me ultratinguj është një teknikë shumë e efektshme, e thjeshtë dhe e shpejtë, e cila jep kitozane me cilësi të lartë, me peshë molekulare të lartë dhe biodisponueshmëri superiore.

Kitina dhe kitozani të përftuar nga kërpudhat nëpërmjet trajtimit me ultratinguj

Kërpudhat e ngrënshme dhe mjekësore, si Lentinus edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi ose reishi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (shampinjonët), Hericium erinaceus (krifa e luanit), Cordyceps sinensis (kërpudha e vemjes), Grifola frondosa (pula e pyllit), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, bishti i gjelit të detit) dhe shumë lloje të tjera kërpudhash, përdoren gjerësisht si ushqim dhe për ekstraktimin e përbërjeve bioaktive. Këto kërpudha, si dhe mbetjet e përpunimit (mbetjet e kërpudhave), mund të përdoren për të prodhuar kitozan. Trajtimi me ultratinguj jo vetëm që nxit çlirimin e kitinës nga struktura e murit qelizor të kërpudhave, por gjithashtu mundëson shndërrimin e kitinës në kitozan të vlefshëm nëpërmjet depolimerizimit dhe deacetilimit të asistuar me ultratinguj.

Kjo video demonstron ekstraktimin me efikasitet të lartë të kërpudhës krifa e luanit duke përdorur homogjenizuesin me ultratinguj Hielscher UP200Ht. Ekstraktimi me ultratinguj është teknika ideale për prodhimin e ekstrakteve me cilësi të lartë dhe spektër të plotë, që përmbajnë polisakaride si beta-glukanet, si dhe hericenone e erinacina.

 

Trajtimi intensiv me ultratinguj duke përdorur një sistem ultrasonik me sondë është një teknikë që përdoret për të nxitur depolimerizimin dhe deacetilimin e kitinës, duke çuar në formimin e kitozanit. Kitina është një polisakarid natyror që gjendet në ekzoskeletet e krustaceve dhe insekteve, si dhe në muret qelizore të disa kërpudhave. Kitozani përftohet nga kitina duke larguar grupet acetil nga molekula e kitinës.

Procedura me ultratinguj për shndërrimin e kitinës kërpudhore në kitozan

Kur trajtimi intensiv me ultratinguj zbatohet për prodhimin e kitozanit nga kitina, një suspension kitine trajtohet me valë ultrasonike me intensitet të lartë dhe frekuencë të ulët, zakonisht në intervalin nga 20 kHz deri në 30 kHz. Procesi gjeneron kavitacion akustik intensiv, që i referohet formimit, rritjes dhe kolapsit të flluskave mikroskopike të vakumit në lëng. Kavitacioni gjeneron lokalisht forca jashtëzakonisht të larta prerëse, temperatura të larta (deri në disa mijëra gradë Celsius) dhe presione të larta (deri në disa qindra atmosfera) në lëngun që rrethon flluskat e kavitacionit. Këto kushte ekstreme kontribuojnë në shpërbërjen e polimerit të kitinës dhe deacetilimin pasues.
 

 

Depolimerizimi i kitinës me ultratinguj

Depolimerizimi i kitinës ndodh nëpërmjet efekteve të kombinuara të forcave mekanike, si mikrorrjedhjet dhe rrymat në formë currilash të lëngut, si dhe nëpërmjet reaksioneve kimike të nisura nga ultratingujt dhe të induktuara nga radikalet e lira dhe specie të tjera reaktive që formohen gjatë kavitacionit. Valët me presion të lartë të gjeneruara gjatë kavitacionit bëjnë që zinxhirët e kitinës t’i nënshtrohen sforcimit prerës, duke shkaktuar ndarjen e polimerit në fragmente më të vogla.

Deacetilimi i kitinës me ultratinguj

Përveç depolimerizimit, trajtimi intensiv me ultratinguj nxit edhe deacetilimin e kitinës. Deacetilimi përfshin largimin e grupeve acetil nga molekula e kitinës, duke çuar në formimin e kitozanit. Energjia intensive ultrasonike, veçanërisht temperaturat dhe presionet e larta të gjeneruara gjatë kavitacionit, përshpejtojnë reaksionin e deacetilimit. Kushtet reaktive të krijuara nga kavitacioni ndihmojnë në këputjen e lidhjeve të grupeve acetil në kitinë, duke rezultuar në çlirimin e acidit acetik dhe shndërrimin e kitinës në kitozan.
Në përgjithësi, trajtimi intensiv me ultratinguj përmirëson si procesin e depolimerizimit, ashtu edhe atë të deacetilimit, duke siguruar energjinë e nevojshme mekanike dhe kimike për të zbërthyer polimerin e kitinës dhe për të lehtësuar shndërrimin në kitozan. Kjo teknikë ofron një metodë të shpejtë dhe efikase për prodhimin e kitozanit nga kitina, me zbatime të shumta në industri të ndryshme, përfshirë industrinë farmaceutike, bujqësinë dhe inxhinierinë biomjekësore.

Prodhimi industrial i kitozanit nga kërpudhat me ultratinguj me fuqi të lartë

Prodhimi tregtar i kitinës dhe kitozanit bazohet kryesisht në mbetjet e industrive detare (d.m.th. peshkimi, mbledhja e molusqeve me guaskë etj.). Burimet e ndryshme të lëndës së parë japin kitinë dhe kitozan me cilësi të ndryshme, duke sjellë luhatje në prodhim dhe cilësi për shkak të ndryshimeve sezonale të peshkimit. Për më tepër, sipas raportimeve, kitozani i përftuar nga burime kërpudhore ofron veti superiore, si gjatësia homogjene e polimerit dhe tretshmëria më e madhe, krahasuar me kitozanin nga burime detare. (cf. Ghormade et al., 2017) Për të siguruar kitozan me cilësi të njëtrajtshme, ekstraktimi i kitinës nga llojet e kërpudhave është bërë një alternativë e qëndrueshme prodhimi. Prodhimi i kitinës dhe kitozanit nga kërpudhat mund të realizohet lehtë dhe në mënyrë të besueshme duke përdorur teknologjinë e ekstraktimit dhe deacetilimit me ultratinguj. Trajtimi intensiv me ultratinguj shpërbën strukturat qelizore për të çliruar kitinën dhe nxit transferimin e masës në tretës ujorë për rendimente superiore të kitinës dhe efikasitet superior të ekstraktimit. Deacetilimi pasues me ultratinguj e shndërron kitinën në kitozanin e vlefshëm. Si ekstraktimi i kitinës me ultratinguj, ashtu edhe deacetilimi në kitozan mund të shkallëzohen në mënyrë lineare në çdo nivel prodhimi tregtar.

Rezultatet e kërkimeve për deacetilimin e kitinës dhe kitozanit me ultratinguj

Zhu et al. (2018) arrijnë në përfundimin në studimin e tyre se deacetilimi me ultratinguj është dëshmuar si një përparim vendimtar, duke e shndërruar β-kitinën në kitozan me 83–94% deacetilim në temperatura të reduktuara të reaksionit. Figura majtas paraqet një imazh SEM të kitozanit të deacetiluar me ultratinguj (90 W, 15 min, 20 w/v% NaOH, 1:15 (g: mL) (figura dhe studimi: © Zhu et al., 2018)
Në protokollin e tyre, tretësira e NaOH (20 w/v %) u përgatit duke tretur petëza NaOH në ujë të dejonizuar (DI). Tretësira alkaline më pas iu shtua sedimentit GLSP (0,5 g) në një raport të ngurtë–lëng prej 1:20 (g: mL) në një tub centrifugimi. Kitozani iu shtua NaCl (40 mL, 0,2 M) dhe acidit acetik (0,1 M) në një raport vëllimor të tretësirave prej 1:1. Suspensioni më pas iu nënshtrua ultratingujve në një temperaturë të moderuar prej 25°C për 60 min duke përdorur një aparat ultrasonik me sondë (250W, 20kHz). (shih Zhu et al., 2018)
 
Pandit et al. (2021) konstatuan se shpejtësia e degradimit të tretësirave të kitozanit ndikohet rrallë nga përqendrimet e acidit të përdorur për të tretur polimerin dhe varet kryesisht nga temperatura, intensiteti i valëve ultrasonike dhe forca jonike e mjediseve të përdorura për të tretur polimerin. (shih Pandit et al., 2021)
 
Në një studim tjetër, Zhu et al. (2019) përdorën pluhura sporesh të Ganoderma lucidum si lëndë të parë kërpudhore dhe studiuan deacetilimin e asistuar me ultratinguj dhe efektet e parametrave të përpunimit, si koha e sonikimit, raporti i fazës së ngurtë ndaj lëngut, përqendrimi i NaOH dhe fuqia e rrezatimit, mbi shkallën e deacetilimit (DD) të kitozanit. Vlera më e lartë e DD u arrit me parametrat ultrasonikë të mëposhtëm: sonikim për 20 min në 80W, 10% (g:ml) NaOH, 1:25 (g:ml). Morfologjia e sipërfaqes, grupet kimike, qëndrueshmëria termike dhe kristaliniteti i kitozanit të përftuar me ultratinguj u ekzaminuan duke përdorur SEM, FTIR, TG dhe XRD. Ekipi kërkimor raporton një rritje të konsiderueshme të shkallës së deacetilimit (DD), viskozitetit dinamik ([η]) dhe masës molekulare (Mv¯) të kitozanit të prodhuar me ultratinguj. Rezultatet theksuan se teknika e deacetilimit të kërpudhave me ultratinguj është një metodë shumë efikase për prodhimin e kitozanit, i cili është i përshtatshëm për zbatime biomjekësore. (shih Zhu et al., 2019)

Cilësi superiore e kitozanit me depolimerizim dhe deacetilim me ultratinguj

Proceset e nxjerrjes dhe depolimerizimit të kitinës / kitozanit të nxitura nga ultratingujt mund të kontrollohen me saktësi dhe parametrat e procesit ultrasonik mund të përshtaten sipas lëndëve të para dhe cilësisë së synuar të produktit përfundimtar (p.sh., masa molekulare, shkalla e deacetilimit). Kjo mundëson përshtatjen e procesit ultrasonik ndaj faktorëve të jashtëm dhe përcaktimin e parametrave optimalë për rezultate dhe efikasitet superior.
Kitozani i deacetiluar me ultratinguj shfaq biodisponueshmëri dhe biopërputhshmëri të shkëlqyer. Kur biopolimeret e kitozanit të përgatitura me ultratinguj krahasohen me kitozanin e përftuar termikisht për sa u përket vetive biomjekësore, kitozani i prodhuar me ultratinguj shfaq qëndrueshmëri jetësore dukshëm më të mirë të fibroblasteve (qeliza L929) dhe aktivitet antibakterial të shtuar si kundër Escherichia coli (E. coli), ashtu edhe kundër Staphylococcus aureus (S. aureus).
(shih Zhu et al., 2018)
 

Pajisje ultrasonike me performancë të lartë për përpunimin e kitinës dhe kitozanit

Fragmentimi i kitinës dhe deacetilimi i kitinës në kitozan kërkojnë pajisje ultrasonike të fuqishme dhe të besueshme, të cilat mund të sigurojnë amplituda të larta, ofrojnë kontroll të saktë mbi parametrat e procesit dhe mund të funksionojnë 24/7 nën ngarkesë të rëndë dhe në mjedise me kërkesa të larta. Gama e produkteve të Hielscher Ultrasonics i përmbush me besueshmëri këto kërkesa. Përveç performancës së jashtëzakonshme ultrasonike, ultrasonikatorët Hielscher kanë efikasitet të lartë energjetik, çka përbën një avantazh të rëndësishëm ekonomik – veçanërisht kur përdoren në prodhim tregtar në shkallë të gjerë.
Ultrasonikatorët Hielscher janë sisteme me performancë të lartë që mund të pajisen me aksesorë si sonotroda, përforcues amplitude, reaktorë ose qeliza rrjedhjeje për t’iu përshtatur në mënyrë optimale nevojave të procesit tuaj.
 Me ekran dixhital me ngjyra, mundësinë për të paracaktuar ciklet e sonikimit, regjistrimin automatik të të dhënave në një kartë SD të integruar, kontrollin në distancë përmes shfletuesit dhe shumë funksione të tjera, ultrasonikatorët Hielscher sigurojnë nivelin më të lartë të kontrollit të procesit dhe të lehtësisë së përdorimit. Të kombinuara me qëndrueshmërinë dhe aftësinë për të përballuar ngarkesa të rënda, këto veçori i bëjnë sistemet ultrasonike Hielscher mbështetjen tuaj të besueshme në prodhim. 
Fragmentimi dhe deacetilimi i kitinës kërkojnë ultratinguj të fuqishëm për të arritur shndërrimin e synuar dhe një produkt përfundimtar kitozani me cilësi të lartë. Veçanërisht për fragmentimin e petëzave të kitinës dhe hapat e depolimerizimit / deacetilimit, amplitudat e larta dhe presionet e ngritura janë thelbësore. Procesorët ultrasonikë industrialë të Hielscher Ultrasonics sigurojnë lehtësisht amplituda shumë të larta. Amplituda deri në 200µm mund të mbahen vazhdimisht gjatë funksionimit 24/7. Për amplituda edhe më të larta, ofrohen sonotroda ultrasonike të personalizuara. Kapaciteti i fuqisë së sistemeve ultrasonike Hielscher mundëson depolimerizim dhe deacetilim efikas dhe të shpejtë në një proces të sigurt dhe të lehtë për përdoruesin.
 

Tabela më poshtë ju jep një ide për kapacitetin e përafërt të përpunimit të ultrasonikatorëve tanë:

---

---

Trajtimi sinergjik i kitinës i përmirësuar nga sonikimi

Për të kapërcyer mangësitë (d.m.th., efikasitetin e ulët, koston e lartë të energjisë, kohën e gjatë të përpunimit, tretësit toksikë) e deacetilimit tradicional kimik dhe enzimatik të kitinës, ultratingujt me intensitet të lartë janë integruar në përpunimin e kitinës dhe kitozanit. Sonikimi me intensitet të lartë dhe efektet e kavitacionit akustik që rezultojnë prej tij çojnë në çarje të shpejtë të zinxhirëve polimerikë dhe zvogëlojnë polidispersitetin, duke nxitur kështu sintezën e kitozanit. Për më tepër, forcat prerëse ultrasonike intensifikojnë transferimin e masës në tretësirë, duke përmirësuar reaksionet kimike, hidrolitike ose enzimatike. Trajtimi ultrasonik i kitinës mund të kombinohet me teknika tashmë ekzistuese të përpunimit të kitinës, si metodat kimike, hidroliza ose procedurat enzimatike.

Deacetilimi dhe depolimerizimi kimik të asistuar nga ultratingujt

Meqë kitina është një biopolimer joreaktiv dhe i patretshëm, ajo duhet t’u nënshtrohet hapave të procesit të demineralizimit, deproteinizimit dhe depolimerizimit / deacetilimit për të përftuar kitozan të tretshëm dhe të aksesueshëm biologjikisht. Këta hapa të procesit përfshijnë trajtime me acide të forta si HCl dhe baza të forta si NaOH dhe KOH. Meqë këta hapa konvencionalë të procesit janë joefikasë, të ngadaltë dhe kërkojnë sasi të mëdha energjie, intensifikimi i procesit përmes sonikimit e përmirëson ndjeshëm prodhimin e kitozanit. Zbatimi i ultratingujve të fuqishëm rrit rendimentin dhe cilësinë e kitozanit, shkurton procesin nga disa ditë në pak orë, mundëson përdorimin e tretësve më të butë dhe e bën të gjithë procesin më efikas nga ana energjetike.

Deproteinizimi i kitinës i përmirësuar nga ultratingujt

Vallejo-Dominguez et al. (2021) konstatuan në studimin e tyre mbi deproteinizimin e kitinës se “përdorimi i ultratingujve për prodhimin e biopolimerëve uli përmbajtjen e proteinave, si dhe madhësinë e grimcave të kitinës. Me ndihmën e ultratingujve u prodhua kitozan me shkallë të lartë deacetilimi dhe peshë molekulare mesatare.”

Hidroliza me ultratinguj për depolimerizimin e kitinës

Për hidrolizën kimike përdoren acide ose alkale për të deacetiluar kitinën, megjithatë deacetilimi alkalin (p.sh., me hidroksid natriumi NaOH) përdoret më gjerësisht. Hidroliza acide është një metodë alternative ndaj deacetilimit kimik tradicional, ku tretësirat e acideve organike përdoren për të depolimerizuar kitinën dhe kitozanin. Metoda e hidrolizës acide përdoret kryesisht kur pesha molekulare e kitinës dhe e kitozanit duhet të jetë homogjene. Ky proces konvencional i hidrolizës njihet si i ngadaltë, me konsum të lartë energjie dhe kosto të lartë. Nevoja për acide të forta, temperatura dhe presione të larta janë faktorë që e kthejnë procesin hidrolitik të kitozanit në një procedurë shumë të kushtueshme dhe që kërkon shumë kohë. Acidet e përdorura kërkojnë procese të mëtejshme, si neutralizimi dhe heqja e kripërave.
Me integrimin e ultratingujve me fuqi të lartë në procesin e hidrolizës, kërkesat për temperaturë dhe presion për çarjen hidrolitike të kitinës dhe kitozanit mund të ulen ndjeshëm. Për më tepër, sonikimi mundëson përqendrime më të ulëta të acideve ose përdorimin e acideve më të buta. Kjo e bën procesin më të qëndrueshëm, më efikas, më ekonomik dhe më miqësor ndaj mjedisit.

Deacetilimi kimik i asistuar me ultratinguj

Shpërbërja kimike dhe deacetilimi i kitinës dhe kitozanit realizohen kryesisht duke trajtuar kitinën ose kitozanin me acide minerale (p.sh., acid klorhidrik HCl), nitrit natriumi (NaNO₂), ose peroksid hidrogjeni (H₂O₂). Ultratingujt rrisin shpejtësinë e deacetilimit, duke shkurtuar kështu kohën e reaksionit të nevojshme për të arritur shkallën e synuar të deacetilimit. Kjo do të thotë se sonikimi e zvogëlon kohën e nevojshme të përpunimit nga 12–24 orë në disa orë. Për më tepër, sonikimi mundëson përqendrime dukshëm më të ulëta të substancave kimike, për shembull 40% (w/w) hidroksid natriumi kur përdoret sonikimi, ndërsa pa përdorimin e ultratingujve nevojiten 65% (w/w).

Deacetilimi enzimatik me ultratinguj

Ndonëse deacetilimi enzimatik është një formë e butë përpunimi, e padëmshme për mjedisin, efikasiteti dhe kostot e tij e bëjnë atë joekonomik. Për shkak të izolimit dhe pastrimit të mëtejshëm të enzimave nga produkti përfundimtar, që janë procese komplekse, të kushtueshme dhe që kërkojnë shumë punë, deacetilimi enzimatik i kitinës nuk zbatohet në prodhimin tregtar, por përdoret vetëm në laboratorin e kërkimit shkencor.
Paratrajtimi me ultratinguj përpara deacetilimit enzimatik fragmenton molekulat e kitinës, duke rritur kështu sipërfaqen dhe duke vënë më shumë sipërfaqe në dispozicion të enzimave. Sonikimi me performancë të lartë ndihmon në përmirësimin e deacetilimit enzimatik dhe e bën procesin më ekonomik.