Chitin och Chitosan Produktion från svamp

Ultraljud är en mycket effektiv metod för att frigöra chitin och chitosan från svampkällor som svampar. Chitin och chitosan måste avacetyleras vid bearbetning av nedströms för att få en biopolymer av hög kvalitet. Ultraljud-assisterad deacetylation är en mycket effektiv, enkel och snabb teknik, vilket resulterar i högkvalitativa chitosans med hög molekylvikt och överlägsen biotillgänglighet.

Chitin och Chitosan från svamp

Ätbara och medicinska svampar som Lentinus edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi eller reishi), Inonotus snedquus (chaga), Agaricus bisporus (knappsvamp), Hericium erinaceus (lejonman), Cordyceps sinensis (larvsvamp), Grifola frondosa (trähöna), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, polyporus versicolor, polypor Dessa svampar samt bearbetning av rester (svampavfall) kan användas för att producera chitosan. Ultraljud främjar inte bara frisättningen av kitin från svampcellens väggstruktur, men driver också omvandlingen av chition till värdefull chitosan via ultraljud depolymerisering.

Ultraljud deacetylation av chitinen till Chitosan

Deacetylering av chitinen till Chitosan främjas av ultraljudsbehandling

Informationsförfrågan




Notera vår Integritetspolicy.


Ultrasonic extractor UIP4000hdT for extraction en deacetylation of chitin from mushrooms

Ultraljud används för att extrahera chitin från svampar. Dessutom främjar ultraljud deacetyleringen av chitin för att få chitosan.

Ultraljud är en snabb och mild extraktionsmetod för att producera högkvalitativ svamp extrakt. I videon används en UP400St för extraktion av polysackarider från ätbara svampar.

Kall svampextraktion med UP400St med 22mm sond

Chitinen, som är en N-acetylglucosaminpolymer (poly-(β-(1–4)-N-acetyl-D-glukosamin), är en naturligt förekommande polysackarid som ofta finns i exoskelettet av ryggradslösa djur som kräftdjur och insekter, bläckfiskens och bläckfiskens inre skelett samt svampens cellväggar. Inbäddad i strukturen hos svampcellväggar är chitin ansvarig för svampcellväggens form och styvhet. För många applikationer omvandlas chitin till dess avacetylerade derivat, känd som chitosan via en depolymeriseringsprocess.
Chitosan är det vanligaste och mest värdefulla derivatet av chitin. Det är en polysackarid med hög molekylvikt kopplad till b-1,4 glykosid, bestående av N-acetyl-glukosamin och glukosamin.
Chitosan kan härledas genom kemiska eller enzymatiska N-deacetylation. I den kemiskt drivna deacetyleringsprocessen ska acetylgruppen (R-NHCOCH3) klyvs av stark alkali vid höga temperaturer. Alternativt kan chitosan syntetiseras via enzymatisk deacetylation. På 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 chitosanutbyten som erhålls. Ultraljud används för att intensifiera den kemiska nedbrytningen av (1→4)-/β-linkage (depolymerization) och effekt deacetyleringen av chitin för att erhålla högkvalitativ chitosan. När ultraljudsbehandling tillämpas som förbehandling för enzymatiska deacetylation, chitosan avkastning och kvalitet förbättras också.

Industriell Chitosan produktion från svamp med ultraljud

Kommersiell kirtin- och chitosanproduktion baseras huvudsakligen på avfall från den marina industrin (dvs. fiske, skaldjursskörd osv.). Olika råvarukällor resulterar i olika chitin- och chitosankvaliteter, vilket beror på produktion och kvalitetsfluktuationer på grund av säsongsbetonade fiskevariationer. Dessutom erbjuder chitosan som härrör från svampkällor enligt uppgift överlägsna egenskaper som homogen polymerlängd och större löslighet jämfört med chitosan från marina källor. (jfr Ghormade m.fl., 2017) För att leverera enhetlig chitosan har utvinning av kitin från svamparter blivit en stabil alternativ produktion. Chitin och citiosan produktion från svampar kan enkelt och pålitligt uppnås med hjälp av ultraljud extraktion och deacetylation teknik. Intensiv ultraljudsbehandling stör cell strukturer att frigöra kitin och främjar mass överföring i vattenhaltiga lösningsmedel för överlägsen chitin avkastning och extraktion effektivitet. Efterföljande ultraljud deacetylation omvandlar chitin till den värdefulla chitosan. Båda, ultraljud chitin extraktion och deacetylation till chitosan kan skalas linjärt till någon kommersiell produktionsnivå.

Ultrasonic extraction and deacetylation  of fungal chitin give high-quality chitosan.

Ultraljudsbehandling intensifierar produktionen av svamp chitosan och gör produktionen mer effektiv och ekonomisk.
(bild och studie: © Zhu et al., 2019)

Ultrasonic chitin extraction from mushrooms with the UP400ST probe-type ultrasonicator (400W, 24kHz)

ultraljudsapparat UP400St för svampextraktion: Ultraljudsbehandling ger höga utbyten av bioaktiva föreningar såsom polysackarider chitin och chitosan

Högeffektiv Chitosan syntes via ultraljudsbehandling

För att övervinna nackdelarna (dvs. låg effektivitet, hög energikostnad, lång bearbetningstid, giftiga lösningsmedel) av traditionell kemisk och enzymatisk chitinavakutlytion har högintensiv ultraljud integrerats i chitin- och chitosanbehandling. Hög intensitet ultraljudsbehandling och de resulterande effekterna av akustisk kavitation leder till en snabb scission av polymer kedjor och minska polydispersity, vilket främja syntesen av chitosan. Dessutom intensifierar ultraljud skjuvning krafter massöverföring i lösningen så att kemiska, hydrolytiska eller enzymatiska reaktion förbättras.

Ultraljudsassisterad kemisk deacetylering och depolymerisering

Eftersom chitin är en icke-reaktiv och olöslig biopolymer, måste den genomgå processstegen för demineralisering, deproteinisering och depolymerisering / deacetylation för att få löslig och bioacessible chitosan. Dessa processteg innebär behandlingar med starka syror som HCl och starka baser som NaOH och KOH. Eftersom dessa konventionella process steg är ineffektiva, långsam och kräver höga energier, process intensifiering genom ultraljudsbehandling förbättrar chitosan produktion avsevärt. Tillämpningen av effekt-ultraljud ökar chitosanutbyten och kvalitet, minskar processen från dagar till några timmar, möjliggör mildare lösningsmedel och gör hela processen mer energieffektiv.

Ultraljud förbättrad deproteinisering av chitin

(2021) fann i sin undersökning av chitindeproteinisering att "applicering av ultraljud för produktion av biopolymerer minskade proteinhalten samt partikelstorleken på chitin. Chitosan av hög deacetylation grad och medel molekylvikt producerades genom ultraljud hjälp.

Ultraljud Hydrolys för Chitin Depolymerization

För kemisk hydrolys används antingen syror eller alkalier för att avacetylat chitin, men alkaliavacetylering (t.ex. natriumhydroxid NaOH) används i större utsträckning. Syrahydrolys är en alternativmetod för traditionell kemisk deacetylering, där organiska syralösningar används för att avpolymerisera chitin och chitosan. Metoden för syrahydrolys används främst när molekylvikten för chitin och chitosan måste vara homogen. Denna konventionella hydrolysprocess kallas långsam och energi- och kostnadsintensiv. Kravet på starka syror, höga temperaturer och tryck är faktorer som förvandlar den hydrolytiska chitosprocessen till ett mycket dyrt och tidskrävande förfarande. De syror som används kräver nedströmsprocesser som neutralisering och avsaltning.
Med integrationen av högeffekt ultraljud i hydrolysprocessen kan temperatur- och tryckkraven för den hydrolytiska klyvningen av chitin och chitosan 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 upplösning och deacteylation av chitin och chitosan uppnås främst genom behandling av chitin eller chitosan med mineralsyror (t.ex. saltsyra HCl), natriumnitrit (NaNO2), eller väteperoxid (H2den2). Ultraljud förbättrar deacetylationshastigheten och förkortar därmed den reaktionstid som krävs för att erhålla den riktade graden av deacetylation. Detta innebär ultraljudsbehandling minskar den erforderliga behandlingstiden på 12-24 timmar till några timmar. Dessutom möjliggör ultraljudsbehandling betydligt lägre kemiska koncentrationer, till exempel 40% (w/w) natriumhydroxid med ultraljudsbehandling medan 65% (w/w) krävs utan användning av ultraljud.

Ultraljud-enzymatisk deacetylering

Medan 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, genomförs enzymatisk chitindeacetylering inte i kommersiell produktion, utan används endast i vetenskapligt forskningslabb.
Ultraljud förbehandling före enzymatiska deacetlytation fragment chitin molekyler därmed utvidga ytan och göra mer yta tillgänglig för enzymerna. Högpresterande ultraljudsbehandling bidrar till att förbättra enzymatiska deacetylation och gör processen mer ekonomisk.

Forskningsresultat för ultraljud chitin och chitosan deacetylation

Sonochemically deacetylated chitin results in high-quality chitosan.(2018) drar i sin studie slutsatsen att ultraljud deacetylation har visat sig vara ett avgörande genombrott, omvandla β-chitin till chitosan med 83-94% deacetylation vid minskade reaktionstemperaturer. Bilden till vänster visar en SEM-bild av ultraljud deacetylated chitosan (90 W, 15 min, 20 w /v% NaOH, 1:15 (g: mL) (bild och studie: © Zhu et al., 2018)
I sitt protokoll framställdes NaOH-lösningen (20 w/v %) genom upplösning av NaOH-flingor i DI-vatten. Alkalilösningen tillsattes sedan till GLSP sediment (0,5 g) vid ett fast vätskeförhållande på 1:20 (g: ml) i ett centrifugrör. Chitosan tillsattes till NaCl (40 ml, 0,2 M) och ättiksyra (0,1 M) vid ett volymförhållande på 1:1 lösning. Suspensionen utsattes sedan för ultraljud vid en mild temperatur på 25 °C i 60 min med hjälp av en ultraljudsmaskin av sondtyp (250W, 20kHz). (jfr Zhu et al., 2018)
(2021) fann att nedbrytningshastigheten för chitosanlösningar sällan påverkas av koncentrationerna av syra som används för att solubilisera polymeren och beror till stor del på temperaturen, intensiteten hos ultraljudsvågor och jonstyrka hos de medier som används för att lösa upp polymeren. (jfr. Pandit et al., 2021)

I en annan studie, Zhu et al. (2019) använde Ganoderma lucidum spor pulver som svamp råvara och undersökte ultraljud-assisterad deacetylation och effekterna av bearbetning parametrar såsom ultraljudsbehandling tid, fast-till-vätska förhållande, NaOH koncentration, och bestrålning makt på graden av deacetylation (DD) av chitosan. Det högsta DD-värdet erhölls vid följande ultraljud parametrar: 20 min ultraljudsbehandling vid 80W, 10% (g:ml) NaOH, 1:25 (g:ml). Ytan morfologi, kemiska grupper, termisk stabilitet och kristallinitet av ultraljud erhålls chitosan undersöktes med hjälp av SEM, FTIR, TG och XRD. Forskargruppen rapporterar en betydande förbättring av graden av deacetylation (DD), dynamisk viskositet ([η]) och molekylvikt (Mv ́) av ultraljud produceras chitosan. Resultaten underströk ultraljud deacetylation teknik av svampar en mycket potent produktionsmetod för chitosan, som är lämplig för biomedicinska tillämpningar. (jfr Zhu et al., 2019)

Chitins and chitosans from mushroom can be efficiently extracted using probe-type ultrasonication.

SEM bilder av chitiner och chitosans från två svamparter: a) Chitin från L. vellereus; b) Chitin från P. ribis; c) Chitosan från L.vellereus; d) chitosan från P. ribis.
bild och studie: © Erdoğan et al., 2017

Industrial ultrasonic tank reactor with high-performance ultrasonic probe for chitin deacetylation

Ultraljudsreaktor med 2000W ultraljud sond (sonotrode) för chitinextraktion från svamp och efterföljande depolymerisering / deacetylering

Informationsförfrågan




Notera vår Integritetspolicy.


Överlägsen Chitosan-kvalitet med ultraljudsdeacetylering

Ultraljudsdrivna processer av chitin / chitosan extraktion och depolymerisering är exakt kontrollerbara och ultraljud processparametrar kan justeras till råvarorna och den riktade slutproduktkvaliteten (t.ex. molekylvikt, grad av deacetylation). Detta gör det möjligt att anpassa ultraljudsprocessen till externa faktorer och ställa in optimala parametrar för överlägset resultat och effektivitet.
Ultraljud deacetylated chitosan visar utmärkt biotillgänglighet och biokompatibilitet. När ultraljud beredda chitosan biopolymerer jämförs med termiskt härledda chitosan när det gäller biomedicinska egenskaper, den ultraljudsproducerade chitosan uppvisar avsevärt förbättrad fibroblast (L929 cell) livskraft och förbättrad antibakteriell aktivitet för både Escherichia coli (E. coli) och Staphylococcus aureus (S. aureus).
(jfr Zhu et al., 2018)

Hur fungerar ultraljud extraktion och deacetylation av chitin?

När effekt ultraljud vågor är par i en vätska eller uppslamning (t.ex. en suspension bestående av chitin i ett lösningsmedel), ultraljud vågor färdas genom vätskan orsakar alternerande högtryck / lågtryck cykler. Under lågtryckscykler skapas minutvakuumbubblor (så kallade kavitationsbubblor), som växer under flera tryckcykler. Vid en viss storlek, när bubblorna inte kan absorbera mer energi, imploderar de våldsamt under en högtryckscykel. Bubbla implosion kännetecknas av intensiva kavitationella (eller sonomechanical) krafter. Dessa sonomekaniska förhållanden förekommer lokalt i cavitational hot-spot och kännetecknas av mycket höga temperaturer och tryck på upp till 4000K respektive 1000atm. samt motsvarande höga temperatur- och tryckskillnader. Furtehrmore genereras mikroturbulenser och vätskeströmmar med hastigheter på upp till 100 m/s. Ultraljud extraktion av chitin och chitosan från svampar och kräftdjur samt chitin depolymerization och deacetylation orsakas främst av sonomechanical effekter: agitation och turbulens stör celler och främja massöverföring och kan också skära polymerkedjor i kombination med sura eller alkaliska lösningsmedel.
Arbetsprincip för chitin extraktion via ultraljud: Ultraljud extraktion bryter effektivt cellstrukturen av svampar och släpper ut de intracellulära föreningarna från cellväggen och cellinteriör (dvs. polysackarider som chitin och chitosan och andra bioaktiva fytokemikalier) i lösningsmedlet. Ultraljud extraktion är baserad på arbetsprincipen för akustisk kavitation. Effekterna av ultraljud / akustisk kavitation är hög skjuvning krafter, turbulenser och intensiva tryckskillnader. Dessa sonomechanical krafter bryta cellulära strukturer såsom de chitinösa svamp cell väggar, främja massöverföring mellan svamp biomaterial och lösningsmedel och resultera i mycket höga extrakt utbyten inom en snabb process. Dessutom främjar ultraljudsbehandling sterilisering av extrakt genom att döda bakterier och mikrober. Mikrobiell inaktivering genom ultraljudsbehandling är ett resultat av destruktiva kavitationskrafter till cellmembranet, produktion av fria radikaler och lokaliserad uppvärmning.
Arbetsprincip för depolymerisering och deacetylering via ultraljud: Polymerkedjorna fastnar i skjuvfältet runt en bubbla och polymerspolens kedjesegment nära en kollapsande hålighet kommer att röra sig med högre hastighet än de längre bort. Påfrestningar uppstår sedan på polymerkedjan på grund av polymersegmentens och lösningsmedelens relativa rörelse och dessa är tillräckliga för att orsaka klyvning. Processen liknar därmed andra skjuveffekter i polymerlösningar ~2° och ger mycket liknande resultat. (jfr. Pris et al., 1994)

Informationsförfrågan




Notera vår Integritetspolicy.


Högpresterande ultraljudsutrustning för svamp chitin och chitosan bearbetning

Ultraljud deacetylation av chition till Chitosan

Scanning elektronmikroskopi (SEM) bilder i en förstoring av 100 × a) gladius, b) ultraljud-behandlade gladius, c) β-Chitin, d) ultraljud-behandlade β-Chitin, och e) Chitosan (Källa: Preto et al. 2017)

4kW ultrasonicator for industrial chitin / chitosan processing from crustacean and fungiFragmenteringen av chitin och deklalering av chitin till chitosan kräver kraftfull och pålitlig ultraljudsutrustning som kan leverera höga amplituder, erbjuder exakt kontroll 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 ultrasonicators höga energieffektivitet, vilket är en betydande ekonomisk fördel – särskilt när de används i kommersiell storskalig produktion.
Hielscher ultrasonicators 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 säkerställs alternativet att förinställa ultraljudskörningar, automatisk datainspelning på ett integrerat SD-kort, fjärrwebbläsare och många fler funktioner, högsta processkontroll och användarvänlighet. I kombination med robusthet och tung bärande kapacitet är Hielscher ultraljudssystem din pålitliga arbetshäst i produktion. 
Chitin fragmentering och deacetylation kräver kraftfull ultraljud för att få den riktade omvandlingen och en slutlig chitosan produkt av hög kvalitet. Speciellt för fragmenteringen av chitinflingorna och depolymeriserings- / deacetylationsstegen är höga amplituder och förhöjda tryck avgörande. Hielscher Ultrasonics industriella ultraljud processorer levererar lätt mycket höga amplituder. Amplituder på upp till 200 μm kan köras kontinuerligt i 24/7 drift. För ännu högre amplituder finns anpassade ultraljud sonotrodes tillgängliga. Kraften kapacitet hielscher ultraljud system möjliggör effektiv och snabb deacetylering i en säker och användarvänlig process.
Nedanstående tabell ger dig en indikation på hur mycket våra ultraljudsapparater kan hantera:

batch Volym Flödeshastighet Rekommenderade Devices
1 till 500 ml 10 till 200 ml / min UP100H
10 till 2000 ml 20 till 400 ml / min Uf200 ः t, UP400St
0.1 till 20L 0.2 till 4L / min UIP2000hdT
10 till 100 liter 2 till 10 1 / min UIP4000hdT
n.a. 10 till 100 l / min UIP16000
n.a. större kluster av UIP16000

Kontakta oss! / Fråga oss!

Be om mer information

Använd formuläret nedan för att begära ytterligare information om ultraljudprocessorer, applikationer och pris. Vi kommer gärna att diskutera din process med dig och att erbjuda dig ett ultraljudssystem som uppfyller dina krav!









Observera att våra Integritetspolicy.


Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljudshomogenisatorer för blandning av applikationer, spridning, emulgering och utvinning på labb, pilot och industriell skala.



Litteratur / Referenser


High performance ultrasonics! Hielscher's product range covers the full spectrum from the compact lab ultrasonicator over bench-top units to full-industrial ultrasonic systems.

Hielscher Ultrasonics tillverkar högpresterande ultraljud homogenisatorer från Labb till industriell storlek.