Chitin och Chitosan Produktion från svamp

Ultraljud är en mycket effektiv metod för att frigöra kitin och kitosan från svampkällor som svamp. Chitin och kitosan måste depolymeriseras och deacetyleras i nedströms bearbetning för att erhålla en högkvalitativ biopolymer. Ultraljud-assisterad depolymerisation och deacetylering är en mycket effektiv, enkel och snabb teknik, vilket resulterar i högkvalitativa kitosaner med hög molekylvikt och överlägsen biotillgänglighet.

Svamp-härledd Chitin och Chitosan via ultraljud

Ätliga 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, turkeytail) och många andra svamparter används ofta som mat och för utvinning av bioaktiva föreningar. Dessa svampar, liksom bearbetningsrester (svampavfall), kan användas för att producera kitosan. Ultraljud främjar inte bara frisättningen av kitin från svampcellväggstrukturen, men driver också omvandlingen av kitin till värdefull kitosan via ultraljud-assisterad depolymerisation och deacetylation.

Ultraljud deacetylation av chitinen till Chitosan

Depolymerisation och deacetylering av kitin till chitosan främjas av ultraljudsbehandling

Informationsförfrågan




Notera vår Integritetspolicy.


Ultraljud extractor UIP4000hdT för extraktion en deacetylation av chitin från svamp

Ultraljud används för att extrahera kitin från svamp. Vidare främjar ultraljud depolymerisation och deacetylering av kitin för att erhålla högkvalitativ kitosan.

This video demonstrates the highly efficient extraction of lion's mane mushrooms using the Hielscher UP200Ht ultrasonic homogenizer. Ultrasonic extraction is the perfect technique for producing high-quality, full-spectrum extracts containing polysaccharides such as beta glucans, as well as hericenones and erinacins.

Lion's Mane Mushroom Extraction Using the Ultrasonicator UP200Ht

Video miniatyr

 

Intensiv ultraljud med hjälp av en sond-typ ultraljud system är en teknik som används för att främja depolymerisation och deacetylering av kitin, vilket leder till bildandet av kitosan. Chitin är en naturligt förekommande polysackarid som finns i exoskelett av kräftdjur, insekter och cellväggarna hos vissa svampar. Chitosan härrör från kitin genom att avlägsna acetylgrupperna från kitinmolekylen.

Ultraljud förfarande för svamp Chitin till Chitosan konvertering

När intensiv ultraljud tillämpas för produktion av kitosan från kitin, en kitin suspension är sonicated med hög intensitet, lågfrekventa ultraljud vågor, 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 lokaliserade 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.
 

Chitiner och chitosans från svamp kan effektivt extraheras med hjälp av sond-typ ultraljud.

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

 

Ultraljud depolymerisation av kitin

Depolymerisationen av kitin sker genom de kombinerade effekterna av mekaniska krafter, såsom mikroströmning och vätskesprutning, liksom genom ultraljud initierade kemiska reaktioner inducerade av fria radikaler och andra reaktiva arter bildade under kavitation. Högtrycksvågorna som genereras under kavitation orsakar kitinkedjorna att genomgå skjuvspänning, vilket resulterar i att polymeren delas upp i mindre fragment.

Ultraljud deacetylation av Chitin

Förutom depolymerisering främjar intensiv ultraljud också deacetylering av kitin. Deacetylering innebär avlägsnande av acetylgrupper från kitinmolekylen, vilket leder till bildandet av kitosan. Intensiv ultraljud energi, särskilt de höga temperaturer och tryck som genereras under kavitation, påskynda deacetylation reaktion. De reaktiva förhållanden som skapas av kavitation hjälper till att bryta acetylbindningarna i kitin, vilket resulterar i frisättning av ättiksyra och omvandling av kitin till kitosan.
Övergripande, intensiv ultraljud förbättrar både depolymerisation och deacetylation processer genom att tillhandahålla den nödvändiga mekaniska och kemiska energi för att bryta ner kitin polymer och underlätta omvandlingen till kitosan. Denna teknik erbjuder en snabb och effektiv metod för produktion av kitosan från kitin, med många tillämpningar inom olika branscher, inklusive läkemedel, jordbruk och biomedicinsk teknik.

Industriell kitosanproduktion från svamp med Power 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.

Ultraljud extraktion och deacetylation av svamp chitin ger högkvalitativ chitosan.

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

Ultraljud chitin extraktion från svampar med UP400ST sond-typ ultrasonicator (400W, 24kHz)

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

Forskningsresultat för ultraljud chitin och chitosan deacetylation

Sonochemically deacetylated chitin resulterar i högkvalitativ 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 deras protokoll framställdes NaOH-lösning (20 w/v%) genom upplösning av NaOH-flingor i DI-vatten. Alkalilösningen tillsattes sedan till GLSP-sediment (0,5 g) vid ett fast-vätskeförhållande av 1:20 (g: ml) i ett centrifugrör. Chitosan tillsattes till NaCl (40 ml, 0,2 M) och ättiksyra (0,1 M) vid ett lösningsvolymförhållande på 1: 1. Suspensionen utsattes sedan för ultraljud vid en mild temperatur på 25 ° C i 60 minuter med hjälp av en sond-typ ultrasonicator (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)
 
(2019) använde Ganoderma lucidum sporpulver som svampråvara och undersökte ultraljud-assisterad deacetylering och effekterna av bearbetningsparametrar såsom ultraljudsbehandling tid, fast-till-vätska förhållande, NaOH koncentration, och bestrålning effekt på graden av deacetylation (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, kemiska grupper, termisk stabilitet och kristallinitet hos ultraljud erhållen chitosan undersöktes med användning av SEM, FTIR, TG och XRD. Forskargruppen rapporterar en signifikant förbättring av graden av deacetylering (DD), dynamisk viskositet ([η]) och molekylvikt (Mv ̄) av ultraljud producerade kitosan. Resultaten underströk ultraljudsdeacetyleringstekniken för svampar, en mycket potent produktionsmetod för kitosan, som är lämplig för biomedicinska tillämpningar. (jfr Zhu et al., 2019)

Detta videoklipp visar effektiv extraktion av bioaktiva föreningar från medicinska svampar. Hielscher ultraljud homogenisator UP400St används ofta för att producera högkvalitativa svamp extrakt.

Ultraljud utvinning av bioaktiva föreningar från medicinska svampar

Video miniatyr

Överlägsen Chitosan kvalitet med ultraljud depolymerisation och deacetylation

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)
 

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)

Högpresterande ultraljudsutrustning för Chitin och Chitosan bearbetning

4kW ultrasonicator för industriell chitin / chitosan bearbetning från kräftdjur och svamparFragmenteringen av kitin och decetylering 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 ultraljud prestanda, Hielscher ultrasonicators skryta hög energi effektivitet, 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 färgskärm, möjlighet att förinställa ultraljudsbehandling körningar, automatisk datainspelning på ett integrerat SD-kort, fjärrkontroll webbläsare kontroll och många fler funktioner, Hielscher ultrasonicators säkerställa högsta process kontroll och användarvänlighet. Parat med robusthet och tung bärförmåga är Hielscher ultraljudssystem din pålitliga arbetshäst i produktionen. 
Chitinfragmentering och deacetylering kräver kraftfull ultraljud för att erhålla den riktade omvandlingen och en slutlig kitosanprodukt av hög kvalitet. Speciellt för fragmenteringen av kitinflingorna och depolymerisations- / deacetyleringsstegen är höga amplituder och förhöjda tryck avgörande. Hielscher Ultrasonics industriella ultraljud processorer levererar enkelt mycket höga amplituder. Amplituder på upp till 200 μm kan köras kontinuerligt i 24/7 drift. För ännu högre amplituder, anpassade ultraljud sonotrodes finns tillgängliga. Kraftkapaciteten hos Hielscher ultraljudssystem möjliggör effektiv och snabb depolymerisation och deacetylering i en säker och användarvänlig process.
 

Informationsförfrågan




Notera vår Integritetspolicy.


Industriell ultraljudstankreaktor med högpresterande ultraljudssond (sonotrode) för kitindeacetylering

Ultraljudsreaktor med 2000W ultraljudssond UIP2000hdT för kitinextraktion från svamp och efterföljande depolymerisation / deacetylering

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.




Synergistisk Chitin behandling förbättras av ultraljud

För att övervinna nackdelarna (dvs. låg effektivitet, hög energikostnad, lång bearbetningstid, giftiga lösningsmedel) av traditionell kemisk och enzymatisk kitindiaktion har högintensiv ultraljud integrerats i kitin- och kitosanbehandling. Högintensiv ultraljudsbehandling och de resulterande effekterna av akustisk kavitation leder till en snabb uppdelning av polymerkedjor och minskar polydispersiteten, vilket främjar syntesen av kitosan. Dessutom intensifierar ultraljudsskjuvkrafter massöverföringen i lösningen så att kemisk, hydrolytisk eller enzymatisk reaktion förbättras. Ultraljud kitin behandling kan kombineras med redan befintliga chitin bearbetningstekniker såsom kemiska metoder, hydrolys eller enzymatiska förfaranden.

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

Vallejo-Dominguez et al. (2021) fann i sin undersökning av kitindeproteinisering att “Applicering av ultraljud för produktion av biopolymerer minskade proteininnehållet såväl som partikelstorleken hos kitin. Chitosan med hög deacetyleringsgrad och medelmolekylvikt producerades genom ultraljudshjälp.”

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.

Ultraljud hög skjuvning homogenisatorer används i labb, bänk-top, pilot och industriell bearbetning.

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

Litteratur / Referenser

 
 
 

Fakta Värt att veta

Hur fungerar ultraljud extraktion och deacetylation av chitin?

När makt ultraljud vågor är par i en vätska eller uppslamning (t.ex. en suspension bestående av kitin i ett lösningsmedel), ultraljud vågor färdas genom vätskan orsakar alternerande högt tryck / lågtryckscykler. Under lågtryckscykler skapas minutvakuumbubblor (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 kännetecknas av intensiva kavitationella (så kallade sonomekaniska) 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. Dessutom genereras mikroturbulenser och vätskeströmmar med hastigheter på upp till 100 m/s. Ultraljud utvinning av kitin och chitosan från svampar och kräftdjur samt kitin depolymerisation och deacetylering orsakas huvudsakligen av sonomekaniska effekter: agitation och turbulenser störa celler och främja massöverföring och kan också skära polymerkedjor i kombination med sura eller alkaliska lösningsmedel.

Arbetsprincip för Chitin utvinning 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 depolymerisation och deacetylation via ultraljud

Polymerkedjorna fångas i det ultraljud genererade skjuvfältet runt en kavitationsbubbla och kedjesegmenten av polymerspolen nära en kollapsande hålighet kommer att röra sig med 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 således andra skjuvningseffekter i polymerlösningar ~2° och ger mycket liknande resultat. (jfr Price m.fl., 1994)

Chitinen

Chitin 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 av bläckfisk och bläckfisk samt cellväggarna hos svampar. Inbäddad i svampcellväggarnas struktur är kitin ansvarig för svampcellväggens form och styvhet. För många applikationer omvandlas kitin till dess deacetylerade derivat, känt som kitosan via en depolymerisationsprocess.
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 kitosan syntetiseras via enzymatisk deacetylering. På industriell produktionsskala är emellertid kemisk deacetylering den föredragna tekniken, eftersom enzymatisk deacetylering är signifikant mindre effektiv på grund av den höga kostnaden för deacetylasenzymerna och de låga chitosanutbytena som erhålls. Ultraljud används för att intensifiera den kemiska nedbrytningen av (1→4)-/β-bindningen (depolymerisation) och effekt deacetylering av kitin för att erhålla högkvalitativ kitosan.
När ultraljudsbehandling tillämpas som förbehandling för enzymatiska deacetylation, chitosan avkastning och kvalitet förbättras också.


Högpresterande ultraljud! Hielschers produktsortiment täcker hela spektrumet från den kompakta labb ultrasonicator över bänkenheter till fullindustriella ultraljudssystem.

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


Vi diskuterar gärna din process.

Låt oss komma i kontakt.