Produktion av kitin och kitosan från svamp
Ultraljud är en mycket effektiv metod för att frigöra kitin och kitosan från svampkällor som svampar. Kitin och kitosan måste depolymeriseras och deacetyleras i nedströmsbearbetning för att erhålla en biopolymer av hög kvalitet. Ultraljudsassisterad depolymerisering och deacetylering är en mycket effektiv, enkel och snabb teknik, som resulterar i högkvalitativa kitosaner med hög molekylvikt och överlägsen biotillgänglighet.
Svamp-härledd kitin och kitosan via ultraljud
Ätbara och medicinska svampar som Lentinus edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi eller reishi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (knappsvamp), Hericium erinaceus (lejonman), Cordyceps sinensis (larvsvamp), Grifola frondosa (trähöna), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, kalkonsvans) och många andra svamparter används i stor utsträckning som livsmedel och för utvinning av bioaktiva föreningar. Dessa svampar samt bearbetningsrester (svampavfall) kan användas för att producera kitosan. Ultraljud främjar inte bara frisättningen av kitin från svampens cellväggsstruktur, utan driver också omvandlingen av kitin till värdefull kitosan via ultraljudsassisterad depolymerisering och deacetylering.
Intensiv ultraljud med hjälp av en sond-typ ultraljudssystem är en teknik som används för att främja depolymerisering och deacetylering av kitin, vilket leder till bildandet av kitosan. Kitin är en naturligt förekommande polysackarid som finns i exoskeletten hos kräftdjur, insekter och cellväggarna hos vissa svampar. Kitosan härrör från kitin genom att ta bort acetylgrupperna från kitinmolekylen.
Ultraljud förfarande för svamp kitin till kitosan konvertering
När intensiv ultraljud tillämpas för produktion av kitosan från kitin, är en kitinsuspension ultraljudsbehandlad med högintensiva, lågfrekventa ultraljudsvågor, vanligtvis i intervallet 20 kHz till 30 kHz. Processen genererar intensiv akustisk kavitation, som hänvisar till bildning, tillväxt och kollaps av mikroskopiska vakuumbubblor i vätskan. Kavitation genererar lokala, extremt höga skjuvkrafter, höga temperaturer (upp till flera tusen grader Celsius) och tryck (upp till flera hundra atmosfärer) i vätskan som omger kavitationsbubblorna. Dessa extrema förhållanden bidrar till nedbrytningen av kitinpolymeren och den efterföljande deacetyleringen.

SEM-bilder av kitiner och kitosaner från två svamparter: a) Chitin från L. vellereus; b) Kitin från P. ribis; c) Chitosan från L.vellereus; d) kitosan från P. ribis.
bild och studie: © Erdoğan et al., 2017
Ultraljud depolymerisation av kitin
Depolymerisationen av kitin sker genom de kombinerade effekterna av mekaniska krafter, såsom mikroströmning och vätskejetting, samt genom ultraljudsinitierade kemiska reaktioner inducerade av fria radikaler och andra reaktiva arter som bildas under kavitation. De högtrycksvågor som genereras under kavitation gör att kitinkedjorna utsätts för skjuvspänning, vilket resulterar i att polymeren skärs i mindre fragment.
Ultraljud Deacetylering av Chitin
Förutom depolymerisering främjar intensiv ultraljud också deacetylering av kitin. Deacetylering innebär att acetylgrupper avlägsnas från kitinmolekylen, vilket leder till att kitosan bildas. Intensiv ultraljudsenergi, särskilt de höga temperaturerna och trycken som genereras under kavitation, påskyndar deacetylerreaktionen. De reaktiva förhållandena som skapas av kavitation hjälper till att bryta acetylbindningarna i kitin, vilket resulterar i frisättning av ättiksyra och omvandling av kitin till kitosan.
Sammantaget, intensiv ultraljud förbättrar både depolymerisering och deacetylering processer genom att ge den nödvändiga mekaniska och kemiska energin för att bryta ner kitin polymer och underlätta omvandlingen till kitosan. Denna teknik erbjuder en snabb och effektiv metod för framställning av kitosan från kitin, med många tillämpningar inom olika industrier, inklusive läkemedel, jordbruk och biomedicinsk teknik.
Industriell kitosanproduktion från svamp med kraft ultraljud
Den kommersiella produktionen av kitin och kitosan är huvudsakligen baserad på avfall från den marina industrin (t.ex. fiske, skaldjursskörd osv.). Olika råvarukällor leder till olika kvaliteter av kitin och kitosan, vilket beror på variationer i produktion och kvalitet på grund av säsongsvariationer i fisket. Dessutom erbjuder kitosan som härrör från svampkällor enligt uppgift överlägsna egenskaper som homogen polymerlängd och större löslighet jämfört med kitosan från marina källor. (jfr Ghormade et al., 2017) För att leverera enhetlig kitosan har extraktion av kitin från svamparter blivit en stabil alternativ produktion. Produktion av kitin och citiosan från svampar kan enkelt och tillförlitligt uppnås med hjälp av ultraljud extraktion och deacetylerteknik. Intensiv ultraljudsbehandling stör cellstrukturer för att frigöra kitin och främjar massöverföring i vattenhaltiga lösningsmedel för överlägsen kitin utbyten och extraktionseffektivitet. Efterföljande ultraljud deacetylering omvandlar kitin till den värdefulla kitosan. Båda, ultraljud kitin extraktion och deacetylering till kitosan kan linjärt skalas till någon kommersiell produktionsnivå.

Ultraljud UP400St för svampextraktion: Ultraljudsbehandling ger höga utbyten av bioaktiva föreningar såsom polysackariderna kitin och kitosan
Forskningsresultat för Ultraljud kitin och kitosan deacetylering
Zhu et al. (2018) drar slutsatsen i sin studie att ultraljudsdeacetylering har visat sig vara ett avgörande genombrott, som omvandlar β-kitin till kitosan med 83–94% deacetylering vid minskade reaktionstemperaturer. Bilden till vänster visar en SEM-bild av ultraljudsdeacetylerad kitosan (90 W, 15 min, 20 w/v% NaOH, 1:15 (g: ml) (Bild och studie: © Zhu et al., 2018)
I deras protokoll framställdes NaOH-lösning (20 w/v %) genom att lösa upp NaOH-flingor i DI-vatten. Alkalilösningen tillsattes sedan till GLSP-sediment (0,5 g) i ett förhållande mellan fasta ämnen och vätskor på 1:20 (g: ml) i ett centrifugrör. Kitosan tillsattes till NaCl (40 ml, 0,2 M) och ättiksyra (0,1 M) i ett volymförhållande på 1:1 lösning. Suspensionen utsattes sedan för ultraljud vid en mild temperatur på 25 °C i 60 minuter med hjälp av en ultraljudsapparat av sondtyp (250W, 20kHz). (jfr Zhu et al., 2018)
Pandit et al. (2021) fann att nedbrytningshastigheten för kitosanlösningar sällan påverkas av koncentrationerna av syra som används för att solubilisera polymeren och beror till stor del på temperaturen, intensiteten hos ultraljudsvågor och jonstyrkan hos mediet som används för att lösa upp polymeren. (jfr Pandit et al., 2021)
I en annan studie använde Zhu et al. (2019) Ganoderma lucidum sporpulver som svampråvara och undersökte ultraljudsassisterad deacetylering och effekterna av bearbetningsparametrar som ultraljudsbehandling, förhållande mellan fast och flytande ämne, NaOH-koncentration och bestrålningseffekt på graden av deacetylering (DD) av kitosan. Det högsta DD-värdet erhölls vid följande ultraljudsparametrar: 20 min ultraljudsbehandling vid 80W, 10% (g:ml) NaOH, 1:25 (g:ml). Ytmorfologin, de kemiska grupperna, den termiska stabiliteten och kristalliniteten hos den ultraljudsmässigt erhållna kitosan undersöktes med hjälp av SEM, FTIR, TG och XRD. Forskargruppen rapporterar en signifikant förbättring av graden av deacetylering (DD), dynamisk viskositet ([η]) och molekylvikt (Mv ̄) hos den ultraljudsproducerade kitosanen. Resultaten underströk ultraljudsdeacetyleringtekniken hos svampar, en mycket potent produktionsmetod för kitosan, som är lämplig för biomedicinska tillämpningar. (jfr Zhu et al., 2019)
Överlägsen kitosankvalitet med ultraljudsdepolymerisering och deacetylering
Ultraljudsdrivna processer för kitin / kitosanextraktion och depolymerisation är exakt kontrollerbara och ultraljudsprocessparametrar kan anpassas till råvarorna och den riktade slutproduktkvaliteten (t.ex. molekylvikt, grad av deacetylering). Detta gör det möjligt att anpassa ultraljudsprocessen till externa faktorer och att ställa in optimala parametrar för överlägset resultat och effektivitet.
Ultraljudsdeacetylerad kitosan visar utmärkt biotillgänglighet och biokompatibilitet. När ultraljudsmässigt framställda kitosanbiopolymerer jämförs med termiskt härledd kitosan när det gäller biomedicinska egenskaper, uppvisar den ultraljudsproducerade kitosan signifikant förbättrad fibroblast (L929-cell) viabilitet och förbättrad antibakteriell aktivitet för både Escherichia coli (E. coli) och Staphylococcus aureus (S. aureus).
(jfr Zhu et al., 2018)

Svepelektronmikroskopibilder (SEM) i en förstoring på 100 × av a) gladius, b) ultraljudsbehandlad gladius, c) β-kitin, d) ultraljudsbehandlad β-kitin och e) kitosan (källa: Preto et al. 2017)
Högpresterande ultraljudsutrustning för bearbetning av kitin och kitosan
Fragmenteringen av kitin och deketyleringen av kitin till kitosan kräver kraftfull och pålitlig ultraljudsutrustning som kan leverera höga amplituder, erbjuder exakt kontrollerbarhet över processparametrarna och kan användas 24/7 under tung belastning och i krävande miljöer. Hielscher Ultrasonics produktsortiment uppfyller dessa krav på ett tillförlitligt sätt. Förutom enastående ultraljudsprestanda har Hielscher ultraljudsapparater hög energieffektivitet, vilket är en betydande ekonomisk fördel – särskilt när de används i kommersiell storskalig produktion.
Hielscher ultraljudsapparater är högpresterande system som kan utrustas med tillbehör som sonotrodes, boosters, reaktorer eller flödesceller för att matcha dina processbehov på ett optimalt sätt. Med digital färgdisplay, möjlighet att förinställa ultraljudsbehandling, automatisk datainspelning på ett integrerat SD-kort, fjärrkontroll webbläsarkontroll och många fler funktioner, Hielscher ultraljudsapparater säkerställa högsta processkontroll och användarvänlighet. I kombination med robusthet och tung bärförmåga är Hielschers ultraljudssystem din pålitliga arbetshäst i produktionen.
Kitinfragmentering och deacetylering kräver kraftfullt ultraljud för att erhålla den riktade omvandlingen och en slutlig kitosanprodukt av hög kvalitet. Speciellt för fragmenteringen av kitinflingorna och depolymerisations-/deacetyleringstegen är höga amplituder och förhöjda tryck avgörande. Hielscher Ultrasonics industriella ultraljudsprocessorer levererar lätt mycket höga amplituder. Amplituder på upp till 200 μm kan köras kontinuerligt i 24/7 drift. För ännu högre amplituder finns anpassade ultraljudssonotroder tillgängliga. Effektkapaciteten hos Hielschers ultraljudssystem möjliggör effektiv och snabb depolymerisering och deacetylering i en säker och användarvänlig process.

Ultraljudsreaktor med 2000W ultraljudssond UIP2000hdT för kitinextraktion från svamp och efterföljande depolymerisation/deacetylering
Batchvolym | Flöde | Rekommenderade enheter |
---|---|---|
1 till 500 ml | 10 till 200 ml/min | UP100H |
10 till 2000 ml | 20 till 400 ml/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 till 20L | 0.2 till 4L/min | UIP2000hdT |
10 till 100L | 2 till 10L/min | UIP4000hdT |
N.A. | 10 till 100 L/min | UIP16000 |
N.A. | Större | kluster av UIP16000 |
Kontakta oss! / Fråga oss!
Synergistisk kitin behandling förbättras av ultraljud
För att övervinna nackdelarna (dvs. låg effektivitet, höga energikostnader, lång bearbetningstid, giftiga lösningsmedel) med traditionell kemisk och enzymatisk kitindeacetlytion, har högintensivt ultraljud integrerats i kitin- och kitosanbearbetning. Ultraljudsbehandling med hög intensitet och de resulterande effekterna av akustisk kavitation leder till en snabb klippning av polymerkedjor och minskar polydispersiteten, vilket främjar syntesen av kitosan. Dessutom intensifierar ultraljudsskjuvkrafter massöverföringen i lösningen så att kemiska, hydrolytiska eller enzymatiska reaktioner förbättras. Ultraljudskitbehandling kan kombineras med redan befintliga kitinbearbetningstekniker såsom kemiska metoder, hydrolys eller enzymatiska procedurer.
Ultraljudsassisterad kemisk deacetylering och depolymerisation
Eftersom kitin är en icke-reaktiv och olöslig biopolymer måste den genomgå processtegen för demineralisering, deproteinisering och depolymerisering / deacetylering för att erhålla löslig och biotillgänglig kitosan. Dessa processteg involverar behandlingar med starka syror som HCl och starka baser som NaOH och KOH. Eftersom dessa konventionella processteg är ineffektiva, långsamma och kräver höga energier, förbättrar processintensifiering genom ultraljudsbehandling kitosanproduktionen avsevärt. Tillämpningen av kraft-ultraljud ökar kitosanutbytet och kvaliteten, minskar processen från dagar till några timmar, möjliggör mildare lösningsmedel och gör hela processen mer energieffektiv.
Ultraljudsförbättrad deproteinisering av kitin
Vallejo-Dominguez et al. (2021) fann i sin undersökning av kitindeproteinisering att “Applicering av ultraljud för produktion av biopolymerer minskade proteinhalten samt partikelstorleken hos kitin. Kitosan med hög deacetyleringgrad och medelmolekylvikt framställdes med hjälp av ultraljud.”
Ultraljudshydrolys för kitindepolymerisering
För kemisk hydrolys används antingen syror eller alkalier för att deacetylera kitin, men alkalisk deacetylering (t.ex. natriumhydroxid NaOH) används i större utsträckning. Sur hydrolys är en alternativ metod till den traditionella kemiska deacetyleringen, där organiska syralösningar används för att depolymerisera kitin och kitosan. Metoden för sur hydrolys används mest när molekylvikten för kitin och kitosan måste vara homogen. Denna konventionella hydrolysprocess är känd som långsam och energi- och kostnadskrävande. Kravet på starka syror, höga temperaturer och tryck är faktorer som gör den hydrolytiska kitosanprocessen till en mycket dyr och tidskrävande procedur. De syror som används kräver nedströmsprocesser som neutralisering och avsaltning.
Med integreringen av ultraljud med hög effekt i hydrolysprocessen kan temperatur- och tryckkraven för den hydrolytiska klyvningen av kitin och kitosan sänkas avsevärt. Dessutom möjliggör ultraljudsbehandling lägre syrakoncentrationer eller användning av mildare syror. Detta gör processen mer hållbar, effektiv, kostnadseffektiv och miljövänligare.
Ultraljudsassisterad kemisk deacetylering
Kemisk sönderdelning och deakteylering av kitin och kitosan uppnås huvudsakligen genom att behandla kitin eller kitosan med mineralsyror (t.ex. saltsyra HCl), natriumnitrit (NaNO2) eller väteperoxid (H2O2). Ultraljud förbättrar deacetylerhastigheten och förkortar därmed den reaktionstid som krävs för att uppnå den önskade graden av deacetylering. Detta innebär att ultraljudsbehandling minskar den nödvändiga bearbetningstiden på 12-24 timmar till några timmar. Dessutom, ultraljudsbehandling möjliggör betydligt lägre kemiska koncentrationer, till exempel 40% (w / w) natriumhydroxid med hjälp av ultraljudsbehandling medan 65% (w / w) krävs utan användning av ultraljud.
Ultraljud-enzymatisk deacetylering
Även om enzymatisk deacetylering är en mild, miljövänlig bearbetningsform, är dess effektivitet och kostnader oekonomiska. På grund av komplex, arbetsintensiv och dyr nedströms isolering och rening av enzymer från slutprodukten implementeras inte enzymatisk kitindeacetylering i kommersiell produktion, utan används endast i vetenskapliga forskningslaboratorier.
Ultraljud förbehandling före enzymatisk deacetlytation fragmenterar kitinmolekyler och därmed förstorar ytan och gör mer yta tillgänglig för enzymerna. Högpresterande ultraljudsbehandling hjälper till att förbättra enzymatisk deacetylering och gör processen mer ekonomisk.
Litteratur / Referenser
- Ospina Álvarez S.P., Ramírez Cadavid D.A., Escobar Sierra D.M., Ossa Orozco C.P., Rojas Vahos D.F., Zapata Ocampo P., Atehortúa L. (2014): Comparison of extraction methods of chitin from Ganoderma lucidum mushroom obtained in submerged culture. Biomed Research International 2014.
- Valu M.V., Soare L.C., Sutan N.A., Ducu C., Moga S., Hritcu L., Boiangiu R.S., Carradori S. (2020): Optimization of Ultrasonic Extraction to Obtain Erinacine A and Polyphenols with Antioxidant Activity from the Fungal Biomass of Hericium erinaceus. Foods, Dec 18;9(12), 2020.
- Erdoğan, Sevil & Kaya, Murat & Akata, Ilgaz (2017): Chitin extraction and chitosan production from cell wall of two mushroom species (Lactarius vellereus and Phyllophora ribis). AIP Conference Proceedings 2017.
- Zhu, L., Chen, X., Wu, Z., Wang, G., Ahmad, Z., & Chang, M. (2019): Optimization conversion of chitosan from Ganoderma lucidum spore powder using ultrasound‐assisted deacetylation: Influence of processing parameters. Journal of Food Processing and Preservation 2019.
- Li-Fang Zhu, Jing-Song Li, John Mai, Ming-Wei Chang (2019): Ultrasound-assisted synthesis of chitosan from fungal precursors for biomedical applications. Chemical Engineering Journal, Volume 357, 2019. 498-507.
- Zhu, Lifang; Yao, Zhi-Cheng; Ahmad, Zeeshan; Li, Jing-Song; Chang, Ming-Wei (2018): Synthesis and Evaluation of Herbal Chitosan from Ganoderma Lucidum Spore Powder for Biomedical Applications. Scientific Reports 8, 2018.
- G.J. Price, P.J. West, P.F. Smith (1994): Control of polymer structure using power ultrasound. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 1, Issue 1, 1994. S51-S57.
Fakta som är värda att veta
Hur fungerar ultraljud extraktion och deacetylering av kitin?
När kraftfulla ultraljudsvågor kopplas ihop till en vätska eller slurry (t.ex. en suspension bestående av kitin i ett lösningsmedel), färdas ultraljudsvågorna genom vätskan och orsakar omväxlande högtrycks- / lågtryckscykler. Under lågtryckscykler skapas små vakuumbubblor (så kallade kavitationsbubblor) som växer över flera tryckcykler. Vid en viss storlek, när bubblorna inte kan absorbera mer energi, imploderar de våldsamt under en högtryckscykel. Bubbelimplosionen karakteriseras av intensiva kavitationella (så kallade sonomekaniska) krafter. Dessa sonomekaniska förhållanden uppstår lokalt i den kavitationella hot-spot och kännetecknas av mycket höga temperaturer och tryck på upp till 4000K respektive 1000atm; samt motsvarande höga temperatur- och tryckskillnader. Dessutom genereras mikroturbulens och vätskeströmmar med hastigheter på upp till 100 m/s. Ultraljud extraktion av kitin och kitosan från svampar och kräftdjur samt kitindepolymerisering och deacetylering orsakas huvudsakligen av sonomekaniska effekter: omrörning och turbulens stör celler och främjar massöverföring och kan också klippa polymerkedjor i kombination med sura eller alkaliska lösningsmedel.
Arbetsprincip för kitin extraktion via ultraljud
Ultraljudsextraktion bryter effektivt cellstrukturen hos svampar och frigör de intracellulära föreningarna från cellväggen och cellens inre (dvs. polysackarider som kitin och kitosan och andra bioaktiva fytokemikalier) i lösningsmedlet. Ultraljudsextraktion är baserad på arbetsprincipen för akustisk kavitation. Effekterna av ultraljud / akustisk kavitation är höga skjuvkrafter, turbulens och intensiva tryckskillnader. Dessa sonomekaniska krafter bryter cellulära strukturer som de kitinösa svampcellväggarna, främjar massöverföring mellan svampbiomaterial och lösningsmedel och resulterar i mycket höga extraktutbyten inom en snabb process. Dessutom främjar ultraljudsbehandling sterilisering av extrakt genom att döda bakterier och mikrober. Mikrobiell inaktivering genom ultraljudsbehandling är ett resultat av de destruktiva kavitationskrafterna på cellmembranet, produktionen av fria radikaler och lokal uppvärmning.
Arbetsprincip för depolymerisation och deacetylering via ultraljud
Polymerkedjorna fångas i det ultraljudsgenererade skjuvfältet runt en kavitationsbubbla och polymerspolens kedjesegment nära ett kollapsande kavitet kommer att röra sig med en högre hastighet än de längre bort. Spänningar produceras sedan på polymerkedjan på grund av den relativa rörelsen hos polymersegmenten och lösningsmedlen och dessa är tillräckliga för att orsaka klyvning. Processen liknar därmed andra skjuveffekter i polymerlösningar ~2° och ger mycket liknande resultat. (jfr Price et al., 1994)
Chitinen
Kitin är en N-acetylglukosaminpolymer (poly-(β-(1-4)-N-acetyl-D-glukosamin), är en naturligt förekommande polysackarid som ofta finns i exoskelettet hos ryggradslösa djur som kräftdjur och insekter, det inre skelettet hos bläckfisk och bläckfisk samt cellväggarna hos svampar. Kitin är inbäddat i strukturen av svampcellväggar och är ansvarigt för formen och styvheten hos svampens cellvägg. För många tillämpningar omvandlas kitin till dess deacetylerade derivat, känt som kitosan, via en depolymerisationsprocess.
Chitosan är det vanligaste och mest värdefulla derivatet av kitin. Det är en polysackarid med hög molekylvikt bunden av b-1,4-glykosid, sammansatt av N-acetylglukosamin och glukosamin.
Kitosan kan härledas genom kemiska eller enzymatiska N-deacetylering. I den kemiskt drivna deacetyleringsprocessen är acetylgruppen (R-NHCOCH3) spjälkas av av stark alkali vid höga temperaturer. Alternativt kan kitosan syntetiseras via enzymatisk deacetylering. I industriell produktionsskala är dock kemisk deacetylering den föredragna tekniken, eftersom enzymatisk deacetylering är betydligt mindre effektiv på grund av den höga kostnaden för deacetylasenzymerna och de låga kitosanutbyten som erhålls. Ultraljud används för att intensifiera den kemiska nedbrytningen av (1→4)-/β-bindningen (depolymerisering) och påverka deacetyleringen av kitin för att erhålla högkvalitativ kitosan.
När ultraljudsbehandling tillämpas som förbehandling för enzymatisk deacetylering, kitosan utbyte och kvalitet förbättras också.

Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljudshomogenisatorer från labb till industriell storlek.