Ultratingulli është një metodë shumë efikase për lirimin e kitinës dhe kitozanit nga burime kërpudhore si kërpudhat. Kitina dhe kitozani duhet të deacetilohen në përpunimin e rrjedhës së poshtme në mënyrë që të përftohet një biopolimer me cilësi të lartë. Deacetilimi i asistuar me ultratinguj është një teknikë shumë efikase, e thjeshtë dhe e shpejtë, e cila rezulton në kitozanë me cilësi të lartë me peshë të lartë molekulare dhe biodisponibilitet superior.

Chitin dhe Chitosan që rrjedhin nga kërpudhat nëpërmjet ultrazërit

Kërpudhat e ngrënshme dhe mjekësore si Lentinus edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi ose reishi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (kërpudha me butona), Hericium erinaceus (mane luani), Cordyceps sinensis (kërpudha vemje), pula e drurit), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, bishti i gjelit) dhe shumë lloje të tjera të kërpudhave përdoren gjerësisht si ushqim dhe për nxjerrjen e përbërjeve bioaktive. Këto kërpudha si dhe mbetjet e përpunimit (mbeturinat e kërpudhave) mund të përdoren për të prodhuar kitozan. Ultrasonikimi jo vetëm që promovon lirimin e kitinës nga struktura e murit qelizor të kërpudhave, por gjithashtu nxit shndërrimin e kitinës në kitozan të vlefshëm nëpërmjet depolimerizimit dhe deacetilimit të ndihmuar me ultratinguj.

 

Ultrasonikimi intensiv duke përdorur një sistem tejzanor të tipit sondë është një teknikë e përdorur për të nxitur depolimerizimin dhe deacetilimin e kitinës, duke çuar në formimin e kitozanit. Kitina është një polisaharid natyral që gjendet në ekzoskeletet e krustaceve, insekteve dhe mureve qelizore të disa kërpudhave. Kitozani rrjedh nga kitina duke hequr grupet acetil nga molekula e kitinës.

Procedura tejzanor për konvertimin e kitinit fungal në kitosan

Kur aplikohet ultratingulli intensiv për prodhimin e kitozanit nga kitina, një pezullim kitin sonikohet me valë ultratinguj me intensitet të lartë dhe me frekuencë të ulët, zakonisht në rangun prej 20 kHz deri në 30 kHz. Procesi gjeneron kavitacion akustik intensiv, i cili i referohet formimit, rritjes dhe kolapsit të flluskave mikroskopike të vakumit në lëng. Kavitacioni gjeneron forca të lokalizuara me prerje jashtëzakonisht të lartë, temperatura të larta (deri në disa mijëra gradë Celsius) dhe presione (deri në disa qindra atmosfera) në lëngun që rrethon flluskat e kavitacionit. Këto kushte ekstreme kontribuojnë në zbërthimin e polimerit të kitinës dhe deacetilimin e mëvonshëm.
 

 

Depolimerizimi tejzanor i Kitinës

Depolimerizimi i kitinës ndodh përmes efekteve të kombinuara të forcave mekanike, të tilla si rrjedhja e mikroorganizmave dhe derdhja e lëngjeve, si dhe nga reaksionet kimike të inicuara në mënyrë ultrasonike të shkaktuara nga radikalet e lira dhe specie të tjera reaktive të formuara gjatë kavitacionit. Valët me presion të lartë të krijuara gjatë kavitacionit bëjnë që zinxhirët e kitinës t'i nënshtrohen stresit prerës, duke rezultuar në prerjen e polimerit në fragmente më të vogla.

Deacetilimi tejzanor i kitinës

Përveç depolimerizimit, ultratingulli intensiv gjithashtu promovon deacetilimin e kitinës. Deacetilimi përfshin heqjen e grupeve acetil nga molekula e kitinës, duke çuar në formimin e kitozanit. Energjia e fortë ultrasonike, veçanërisht temperaturat dhe presionet e larta të krijuara gjatë kavitacionit, përshpejtojnë reagimin e deacetilimit. Kushtet reaktive të krijuara nga kavitacioni ndihmojnë në thyerjen e lidhjeve acetil në kitinë, duke rezultuar në lirimin e acidit acetik dhe shndërrimin e kitinës në kitozan.
Në përgjithësi, ultratingulli intensiv rrit si proceset e depolimerizimit ashtu edhe 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 kitosanit nga kitina, me aplikime të shumta në industri të ndryshme, duke përfshirë farmaceutikën, bujqësinë dhe inxhinierinë biomjekësore.

Prodhimi Industrial Chitosan nga Mushroom me Ultratinguj Fuqi

Prodhimi komercial i kitinës dhe kitozanit bazohet kryesisht në mbetjet e industrive detare (p.sh. peshkimi, vjelja e guaskës etj.). Burime të ndryshme të lëndës së parë rezultojnë në cilësi të ndryshme të kitinës dhe kitozanit, si rezultat i luhatjeve të prodhimit dhe cilësisë për shkak të variacioneve sezonale të peshkimit. Për më tepër, kitozani që rrjedh nga burimet kërpudhore ofron veti të raportuara superiore si gjatësia homogjene e polimerit dhe tretshmëri më e madhe kur krahasohet me kitozanin nga burimet detare. (krh. Ghormade et al., 2017) Për të furnizuar chitosan uniforme, nxjerrja e kitinës nga speciet mykotike është bërë një prodhim alternativ i qëndrueshëm. Prodhimi i kitinës dhe citiozanit nga kërpudhat mund të arrihet lehtësisht dhe i besueshëm duke përdorur teknologjinë e nxjerrjes dhe deacetilimit me ultratinguj. Sonicizimi intensiv prish strukturat qelizore për të çliruar kitinën dhe nxit transferimin e masës në tretës ujorë për rendimente superiore të kitinës dhe efikasitet të nxjerrjes. Deacetilimi i mëpasshëm me ultratinguj e konverton kitinën në kitozan të vlefshëm. Të dyja, nxjerrja tejzanor e kitinës dhe deacetilimi në kitosan mund të shkallëzohen në mënyrë lineare në çdo nivel prodhimi tregtar.

Rezultatet e Kërkimit për Kitin tejzanor dhe Deacetilimin Kitosan

Zhu et al. (2018) konkludojnë në studimin e tyre se deacetilimi tejzanor ka rezultuar të jetë një zbulim thelbësor, duke shndërruar β-kitinën në kitozan me 83-94% deacetilim në temperatura të reduktuara të reagimit. Figura majtas tregon një imazh SEM të kitozanit të deacetiluar me ultratinguj (90 W, 15 min, 20 w/v% NaOH, 1:15 (g: mL) (foto dhe studim: © Zhu et al., 2018)
Në protokollin e tyre, tretësira NaOH (20 w/v %) përgatitej duke tretur thekon NaOH në ujë DI. Zgjidhja e alkalit u shtua më pas në sedimentin GLSP (0,5 g) në një raport të ngurtë-lëng prej 1:20 (g: mL) në një tub centrifuge. Kitozanit iu shtua NaCl (40 mL, 0.2 M) dhe acidit acetik (0.1 M) në një raport vëllimi tretësirë 1:1. Pezullimi më pas iu nënshtrua ultrazërit në një temperaturë të butë prej 25°C për 60 minuta duke përdorur një ultrasonikë të tipit sondë (250W, 20 kHz). (krh Zhu et al., 2018)
 
Pandit etj. (2021) zbuloi se shkalla e degradimit për solucionet e kitozanit ndikohet rrallë nga përqendrimet e acidit të përdorur për të tretur polimerin dhe varet kryesisht nga temperatura, intensiteti i valëve ultratinguj dhe forca jonike e medias së përdorur për të shpërndarë polimerin. (krh. Pandit et al., 2021)
 
Në një studim tjetër, Zhu et al. (2019) përdori pluhurat e sporeve të Ganoderma lucidum si lëndë të parë kërpudhore dhe hetoi deacetilimin e ndihmuar me ultratinguj dhe efektet e parametrave të përpunimit si koha e sonikimit, raporti i ngurtë ndaj lëngut, përqendrimi i NaOH dhe fuqia e rrezatimit në shkallën e deacetilimit (DD) e kitosanit. Vlera më e lartë e DD u mor në parametrat e mëposhtëm tejzanor: 20 min sonikacion në 80W, 10% (g:ml) NaOH, 1:25 (g:ml). Morfologjia e sipërfaqes, grupet kimike, stabiliteti termik dhe kristaliniteti i kitozanit të marrë në mënyrë ultrasonike u ekzaminuan duke përdorur SEM, FTIR, TG dhe XRD. Ekipi hulumtues raporton një rritje të konsiderueshme të shkallës së deacetilimit (DD), viskozitetit dinamik ([η]) dhe peshës molekulare (Mv¯) të kitozanit të prodhuar me ultratinguj. Rezultatet nënvizuan teknikën e deacetilimit me ultratinguj të kërpudhave, një metodë shumë e fuqishme e prodhimit të kitosanit, e cila është e përshtatshme për aplikime biomjekësore. (krh. Zhu et al., 2019)

Cilësi superiore e Chitosanit me Depolimerizim dhe Deacetilim tejzanor

Proceset e nxjerrjes dhe depolimerizimit të kitinës/kitozanit, të drejtuara nga ultratingulli, janë saktësisht të kontrollueshme dhe parametrat e procesit tejzanor mund të përshtaten me lëndët e para dhe cilësinë e synuar të produktit përfundimtar (p.sh. pesha molekulare, shkalla e deacetilimit). Kjo lejon përshtatjen e procesit të ultrazërit me faktorët e jashtëm dhe vendosjen e parametrave optimalë për rezultat dhe efikasitet më të lartë.
Kitozani i deacetiluar me ultratinguj tregon biodisponibilitet dhe biokompatibilitet të shkëlqyer. Kur biopolimerët e kitozanit të përgatitur në mënyrë ultrasonike krahasohen me kitozanin e përftuar termikisht për sa i përket vetive biomjekësore, kitozani i prodhuar në mënyrë ultrasonike shfaq qëndrueshmëri të përmirësuar ndjeshëm të fibroblastit (qeliza L929) dhe aktivitet antibakterial të përmirësuar si për Escherichia coli (E. coli) ashtu edhe për Staphylococcus aureus (S. aureus).
(krh. Zhu et al., 2018)
 

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

Fragmentimi i kitinës dhe decetilimi i kitinës në kitosan kërkon pajisje të fuqishme dhe të besueshme tejzanor që mund të japin amplituda të larta, ofrojnë kontrollueshmëri të saktë mbi parametrat e procesit dhe mund të operohen 24/7 nën ngarkesë të rëndë dhe në mjedise kërkuese. Gama e produkteve Hielscher Ultrasonics i plotëson këto kërkesa në mënyrë të besueshme. Përveç performancës së jashtëzakonshme të ultrazërit, ultrasonikët Hielscher mburren me efikasitet të lartë të energjisë, që është një avantazh i rëndësishëm ekonomik – veçanërisht kur përdoret në prodhim komercial në shkallë të gjerë.
Ultrasonikët Hielscher janë sisteme me performancë të lartë që mund të pajisen me pajisje të tilla si sonotrode, përforcues, reaktorë ose qeliza rrjedhëse në mënyrë që të përputhen me nevojat tuaja të procesit në një mënyrë optimale. Me ekranin dixhital me ngjyra, sigurohet opsioni për të paracaktuar ekzekutimet e sonication, regjistrimi automatik i të dhënave në një kartë SD të integruar, kontrolli në distancë i shfletuesit dhe shumë veçori të tjera, kontrolli më i lartë i procesit dhe lehtësia e përdorimit. Të kombinuara me qëndrueshmërinë dhe kapacitetin e rëndë të ngarkesës, sistemet tejzanor Hielscher janë kali juaj i besueshëm i punës në prodhim. Fragmentimi dhe deacetilimi i kitinës kërkon ultratinguj të fuqishëm për të marrë konvertimin e synuar dhe një produkt përfundimtar kitozan me cilësi të lartë. Veçanërisht për copëzimin e thekoneve të kitinës dhe hapat e depolimerizimit/deacetilimit, amplituda të larta dhe presione të ngritura janë vendimtare. Procesorët tejzanor industrial Hielscher Ultrasonics ofrojnë lehtësisht amplituda shumë të larta. Amplituda deri në 200µm mund të funksionojë vazhdimisht në funksionim 24/7. Për amplituda edhe më të larta, ofrohen sonotrode tejzanor të personalizuara. Kapaciteti i fuqisë së sistemeve tejzanor Hielscher lejon depolimerizimin dhe deacetilimin efikas dhe të shpejtë në një proces të sigurt dhe miqësor për përdoruesit.
 

Tabela më poshtë ju jep një tregues të kapacitetit të përafërt të përpunimit të ultrasonicators tonë:

---

---

Trajtimi sinergjik i kitinës i përmirësuar me ultratinguj

Për të kapërcyer të metat (d.m.th., efikasiteti i ulët, kostoja e lartë e energjisë, koha e gjatë e përpunimit, tretësit toksikë) të deacitimit tradicional kimik dhe enzimatik të kitinës, ultratingulli me intensitet të lartë është integruar në përpunimin e kitinës dhe kitozanit. Sonicizimi me intensitet të lartë dhe efektet rezultuese të kavitacionit akustik çojnë në një prerje të shpejtë të zinxhirëve të polimerit dhe reduktojnë polidispersitetin, duke nxitur kështu sintezën e kitozanit. Për më tepër, forcat e qethjes tejzanor intensifikojnë transferimin e masës në tretësirë në mënyrë që reagimi kimik, hidrolitik ose enzimatik të përmirësohet. Trajtimi tejzanor i kitinës mund të kombinohet me teknikat ekzistuese të përpunimit të kitinës si metodat kimike, hidroliza ose procedurat enzimatike.

Deacetilimi dhe depolimerizimi kimik me ndihmën e ultrazërit

Meqenëse kitina është një biopolimer jo reaktiv dhe i patretshëm, ajo duhet t'i nënshtrohet hapave të procesit të demineralizimit, deproteinizimit dhe depolimerizimit/deacetilimit në mënyrë që të përftohet kitozani i tretshëm dhe i bioaksesueshëm. Këto hapa të procesit përfshijnë trajtime me acide të forta si HCl dhe baza të forta si NaOH dhe KOH. Meqenëse këto hapa të zakonshëm të procesit janë joefikas, të ngadaltë dhe kërkojnë energji të larta, intensifikimi i procesit me anë të sonikacionit përmirëson ndjeshëm prodhimin e kitozanit. Aplikimi i ultrazërit të fuqisë rrit rendimentin dhe cilësinë e kitozanit, zvogëlon procesin nga ditë në disa orë, lejon tretës më të butë dhe e bën të gjithë procesin më efikas në energji.

Deproteinizimi i përmirësuar në mënyrë tejzanor i kitinës

Vallejo-Dominguez etj. (2021) gjetën në hetimin e tyre për deproteinizimin e kitinës se “aplikimi i ultrazërit për prodhimin e biopolimerëve reduktoi përmbajtjen e proteinave si dhe madhësinë e grimcave të kitinës. Kitozani i shkallës së lartë të deacetilimit dhe peshës molekulare të mesme u prodhua përmes asistencës me ultratinguj.”

Hidroliza tejzanor për depolimerizimin e kitinës

Për hidrolizën kimike, ose acidet ose alkalet përdoren për të deacetiluar kitinën, megjithatë deacetilimi alkal (p.sh., hidroksidi i natriumit NaOH) përdoret më gjerësisht. Hidroliza e acidit është një metodë alternative ndaj deacetilimit kimik tradicional, ku solucionet e acidit organik përdoren për të depolimerizuar kitinën dhe kitozanin. Metoda e hidrolizës së acidit përdoret kryesisht kur pesha molekulare e kitinës dhe kitozanit duhet të jetë homogjene. Ky proces konvencional i hidrolizës njihet si i ngadalshëm dhe me energji dhe kosto intensive. Kërkesat për acide të forta, temperaturat dhe presionet e larta janë faktorë që e kthejnë procesin hidrolitik të kitozanit në një procedurë shumë të shtrenjtë dhe që kërkon shumë kohë. Acidet e përdorura kërkojnë procese në rrjedhën e poshtme si neutralizimi dhe shkripëzimi.
Me integrimin e ultrazërit me fuqi të lartë në procesin e hidrolizës, kërkesat për temperaturë dhe presion për ndarjen hidrolitike të kitinës dhe kitozanit mund të ulen ndjeshëm. Për më tepër, sonikimi lejon përqendrime më të ulëta të acidit ose përdorimin e acideve më të buta. Kjo e bën procesin më të qëndrueshëm, efikas, me kosto efektive dhe më miqësor ndaj mjedisit.

Deacetilimi kimik i asistuar me ultratinguj

Shpërbërja kimike dhe deakteilimi i kitinës dhe kitozanit arrihet kryesisht duke trajtuar kitinën ose kitozanin me acide minerale (p.sh. acid klorhidrik HCl), nitrit natriumi (NaNO₂), ose peroksid hidrogjeni (H₂O₂). Ultratingulli përmirëson shkallën e deacetilimit duke shkurtuar kështu kohën e reagimit të kërkuar për të marrë shkallën e synuar të deacetilimit. Kjo do të thotë se sonication redukton kohën e nevojshme të përpunimit prej 12-24 orë në disa orë. Për më tepër, sonikimi lejon përqendrime kimike dukshëm më të ulëta, për shembull 40% (w/w) hidroksid natriumi duke përdorur sonication ndërsa 65% (w/w) kërkohen pa përdorimin e ultrazërit.

Deacetilimi tejzanor-enzimatik

Përderisa deacetilimi enzimatik është një formë përpunimi e butë, beninje për mjedisin, efikasiteti dhe kostot e tij janë joekonomike. Për shkak të izolimit kompleks, intensiv të punës dhe të shtrenjtë në rrjedhën e poshtme dhe pastrimit të enzimave nga produkti përfundimtar, deacetilimi enzimatik i kitinës nuk zbatohet në prodhimin komercial, por përdoret vetëm në laboratorin e kërkimit shkencor.
Trajtimi paraprak me ultratinguj përpara deacelitimit enzimatik copëton molekulat e kitinës duke zgjeruar kështu sipërfaqen dhe duke bërë më shumë sipërfaqe të disponueshme për enzimat. Sonicizimi me performancë të lartë ndihmon në përmirësimin e deacetilimit enzimatik dhe e bën procesin më ekonomik.