Mantarlardan Kitin ve Kitosan Üretimi

Ultrasonication, mantar gibi mantar kaynaklarından kitin ve kitosan serbest bırakmak için oldukça etkili bir yöntemdir. Kitin ve kitosan, yüksek kaliteli bir biyopolimer elde etmek için aşağı akış işlemede depolimerize edilmeli ve deasetillenmelidir. Ultrasonik destekli depolimerizasyon ve deasetilasyon, yüksek moleküler ağırlıklı ve üstün biyoyararlanıma sahip yüksek kaliteli kitosanlar ile sonuçlanan oldukça etkili, basit ve hızlı bir tekniktir.

Ultrasonikasyon ile mantar türevi kitin ve kitosan

Lentinus edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi veya reishi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (düğme mantarları), Hericium erinaceus (aslan yelesi), Cordyceps sinensis (tırtıl mantarı), Grifola frondosa (orman tavuğu), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, hindi kuyruğu) ve diğer birçok mantar türü gibi yenilebilir ve tıbbi mantarlar, gıda olarak ve biyoaktif bileşiklerin ekstraksiyonu için yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu mantarların yanı sıra işleme artıkları (mantar atıkları) kitosan üretmek için kullanılabilir. Ultrasonication sadece mantar hücre duvarı yapısından kitin salınımını teşvik etmekle kalmaz, aynı zamanda ultrasonik destekli depolimerizasyon ve deasetilasyon yoluyla kitin değerli kitosan dönüşümünü de sağlar.

Kitinin kitosana depolimerizasyonu ve deasetilatasyonu sonikasyon ile desteklenir

Prob tipi ultrasonik sistem kullanarak yoğun ultrasonikasyon, kitin depolimerizasyonunu ve deasetilasyonunu teşvik etmek için kullanılan bir tekniktir, bu da kitosan oluşumuna yol açar. Kitin, kabukluların, böceklerin dış iskeletlerinde ve bazı mantarların hücre duvarlarında bulunan doğal olarak oluşan bir polisakkarittir. Kitosan, kitin molekülünden asetil gruplarının uzaklaştırılmasıyla kitinden elde edilir.

Fungal Kitin'den Kitosan Dönüşümüne için Ultrasonik Prosedür

Kitinden kitosan üretimi için yoğun ultrasonikasyon uygulandığında, tipik olarak 20 kHz ila 30 kHz aralığında, yüksek yoğunluklu, düşük frekanslı ultrason dalgaları ile bir kitin süspansiyonu sonikleştirilir. İşlem, sıvıdaki mikroskobik vakum kabarcıklarının oluşumunu, büyümesini ve çökmesini ifade eden yoğun akustik kavitasyon üretir. Kavitasyon, kavitasyon kabarcıklarını çevreleyen sıvıda lokalize aşırı yüksek kesme kuvvetleri, yüksek sıcaklıklar (birkaç bin santigrat dereceye kadar) ve basınçlar (birkaç yüz atmosfere kadar) üretir. Bu aşırı koşullar, kitin polimerinin parçalanmasına ve müteakip deasetilasyona katkıda bulunur.
 

İki mantar türünden kitin ve kitosanların SEM görüntüleri: a) L. vellereus'tan kitin; b) P. ribis'ten kitin; c) L.vellereus'tan kitosan; d) P. ribis'ten kitosan.
resim ve çalışma: © Erdoğan ve ark., 2017

Kitinin Ultrasonik Depolimerizasyonu

Kitinin depolimerizasyonu, mikro akış ve sıvı püskürtme gibi mekanik kuvvetlerin birleşik etkilerinin yanı sıra, kavitasyon sırasında oluşan serbest radikaller ve diğer reaktif türler tarafından indüklenen ultrasonik olarak başlatılan kimyasal reaksiyonlarla gerçekleşir. Kavitasyon sırasında üretilen yüksek basınç dalgaları, kitin zincirlerinin kesme gerilimine maruz kalmasına neden olur ve bu da polimerin daha küçük parçalara bölünmesine neden olur.

Kitin Ultrasonik Deasetilasyonu

Depolimerizasyona ek olarak, yoğun ultrasonikasyon ayrıca kitin deasetilasyonunu da teşvik eder. Deasetilasyon, kitin molekülünden asetil gruplarının uzaklaştırılmasını içerir ve bu da kitosan oluşumuna yol açar. Yoğun ultrasonik enerji, özellikle kavitasyon sırasında oluşan yüksek sıcaklıklar ve basınçlar, deasetilasyon reaksiyonunu hızlandırır. Kavitasyonun yarattığı reaktif koşullar, kitindeki asetil bağlarının kırılmasına yardımcı olur, bu da asetik asidin salınmasına ve kitinin kitosana dönüşmesine neden olur.
Genel olarak, yoğun ultrasonikasyon, kitin polimerini parçalamak ve kitosana dönüşümü kolaylaştırmak için gerekli mekanik ve kimyasal enerjiyi sağlayarak hem depolimerizasyon hem de deasetilasyon işlemlerini geliştirir. Bu teknik, ilaç, tarım ve biyomedikal mühendisliği dahil olmak üzere çeşitli endüstrilerde çok sayıda uygulama ile kitinden kitosan üretimi için hızlı ve verimli bir yöntem sunar.

Power Ultrasound ile Mantardan Endüstriyel Kitosan Üretimi

Ticari kitin ve kitosan üretimi esas olarak denizcilik endüstrilerinin (yani balıkçılık, kabuklu balık hasadı vb.) atıklarına dayanmaktadır. Farklı hammadde kaynakları, mevsimsel balıkçılık değişikliklerinden kaynaklanan üretim ve kalite dalgalanmalarına neden olan farklı kitin ve kitosan kalitelerine neden olur. Ayrıca, mantar kaynaklarından elde edilen kitosan, deniz kaynaklarından elde edilen kitosan ile karşılaştırıldığında homojen polimer uzunluğu ve daha fazla çözünürlük gibi üstün özellikler sunduğu bildirilmektedir. (bkz. Ghormade ve diğerleri, 2017) Tek tip kitosan tedarik etmek için, mantar türlerinden kitin ekstraksiyonu istikrarlı bir alternatif üretim haline gelmiştir. Mantarlardan kitin ve citiosan üretimi, ultrasonik ekstraksiyon ve deasetilasyon teknolojisi kullanılarak kolay ve güvenilir bir şekilde elde edilebilir. Yoğun sonikasyon, kitini serbest bırakmak için hücre yapılarını bozar ve üstün kitin verimi ve ekstraksiyon verimliliği için sulu çözücülerde kütle transferini teşvik eder. Daha sonraki ultrasonik deasetilasyon, kitini değerli kitosana dönüştürür. Hem ultrasonik kitin ekstraksiyonu hem de kitosana deasetilasyon, herhangi bir ticari üretim seviyesine doğrusal olarak ölçeklendirilebilir.

Sonikasyon, mantar kitosan üretimini yoğunlaştırır ve üretimi daha verimli ve ekonomik hale getirir.
(resim ve çalışma: © Zhu ve ark., 2019)

Ultrasonik Kitin ve Kitosan Deasetilasyonu için Araştırma Sonuçları

Zhu ve ark. (2018) çalışmalarında, ultrasonik deasetilasyonun, β-kitini düşük reaksiyon sıcaklıklarında% 83-94 deasetilasyon ile kitosana dönüştürerek çok önemli bir atılım olduğu kanıtlanmıştır. Soldaki resim, ultrasonik olarak deasetillenmiş kitosanın (90 W, 15 dk, 20 w / v% NaOH, 1:15 (g: mL) bir SEM görüntüsünü göstermektedir. (resim ve çalışma: © Zhu ve ark., 2018)
Protokollerinde, NaOH pullarının DI suyunda çözülmesiyle NaOH çözeltisi (% 20 a/h) hazırlandı. Alkali çözelti daha sonra 1:20 (g: mL) katı-sıvı oranında GLSP tortusuna (0.5 g) bir santrifüj tüpüne ilave edildi. Kitosan, NaCl (40 mL, 0.2 M) ve asetik aside (0.1 M) 1: 1 çözelti hacim oranında ilave edildi. Süspansiyon daha sonra prob tipi bir ultrasonikatör (250W, 20kHz) kullanılarak 60 dakika boyunca 25 ° C'lik hafif bir sıcaklıkta ultrasona tabi tutuldu. (cf Zhu ve diğerleri, 2018)
 
Pandit ve ark. (2021), kitosan çözeltileri için bozunma hızının, polimeri çözündürmek için kullanılan asit konsantrasyonlarından nadiren etkilendiğini ve büyük ölçüde polimeri çözmek için kullanılan ortamın sıcaklığına, ultrason dalgalarının yoğunluğuna ve iyonik kuvvetine bağlı olduğunu buldu. (bkz. Pandit ve diğerleri, 2021)
 
Başka bir çalışmada, Zhu ve ark. (2019), Ganoderma lucidum spor tozlarını mantar hammaddesi olarak kullandı ve ultrasonik destekli deasetilasyon ve sonikasyon süresi, katı-sıvı oranı, NaOH konsantrasyonu ve ışınlama gücü gibi işleme parametrelerinin kitosanın deasetilasyon derecesi (DD) üzerindeki etkilerini araştırdı. En yüksek DD değeri aşağıdaki ultrasonik parametrelerde elde edildi: 80W'da 20 dakika sonikasyon,% 10 (g: ml) NaOH, 1: 25 (g: ml). Ultrasonik olarak elde edilen kitosanın yüzey morfolojisi, kimyasal grupları, termal stabilitesi ve kristalliği SEM, FTIR, TG ve XRD kullanılarak incelendi. Araştırma ekibi, ultrasonik olarak üretilen kitosanın deasetilasyon (DD), dinamik viskozite ([η]) ve moleküler ağırlığında (Mv ̄) önemli bir artış olduğunu bildirmektedir. Sonuçlar, biyomedikal uygulamalar için uygun olan kitosan için oldukça güçlü bir üretim yöntemi olan mantarların ultrasonik deasetilasyon tekniğinin altını çizdi. (bkz. Zhu ve diğerleri, 2019)

Ultrasonik Depolimerizasyon ve Deasetilasyon ile Üstün Kitosan Kalitesi

Ultrasonik tahrikli kitin / kitosan ekstraksiyonu ve depolimerizasyon işlemleri hassas bir şekilde kontrol edilebilir ve ultrasonik işlem parametreleri hammaddelere ve hedeflenen son ürün kalitesine (örneğin, moleküler ağırlık, deasetilasyon derecesi) göre ayarlanabilir. Bu, ultrason işleminin dış faktörlere uyarlanmasına ve üstün sonuç ve verimlilik için optimum parametrelerin ayarlanmasına olanak tanır.
Ultrasonik olarak deasetillenmiş kitosan mükemmel biyoyararlanım ve biyouyumluluk gösterir. Ultrasonik olarak hazırlanmış kitosan biyopolimerleri, biyomedikal özellikler açısından termal olarak türetilmiş kitosan ile karşılaştırıldığında, ultrasonik olarak üretilen kitosan, hem Escherichia coli (E. coli) hem de Staphylococcus aureus (S. aureus) için önemli ölçüde geliştirilmiş fibroblast (L929 hücresi) canlılığı ve gelişmiş antibakteriyel aktivite sergiler.
(bkz. Zhu ve diğerleri, 2018)
 

10×0 büyütmeli taramalı elektron mikroskobu (SEM) a) gladius, b) ultrason ile tedavi edilmiş gladius, c) β-kitin, d) ultrasonla tedavi edilmiş β-kitin ve e) kitosan (kaynak: Preto ve ark. 2017)

Kitin ve Kitosan İşleme için Yüksek Performanslı Ultrasonik Ekipman

Kitinin parçalanması ve kitinin kitosana desetilasyonu, yüksek genlikler sağlayabilen, proses parametreleri üzerinde hassas kontrol edilebilirlik sunan ve ağır yük altında ve zorlu ortamlarda 7/24 çalıştırılabilen güçlü ve güvenilir ultrasonik ekipman gerektirir. Hielscher Ultrasonik ürün yelpazesi bu gereksinimleri güvenilir bir şekilde yerine getirir. Olağanüstü ultrason performansının yanı sıra, Hielscher ultrasonicators önemli bir ekonomik avantaj olan yüksek enerji verimliliğine sahiptir – özellikle ticari büyük ölçekli üretimde kullanıldığında.
Hielscher ultrasonicators, proses ihtiyaçlarınızı en iyi şekilde karşılamak için sonotrodlar, güçlendiriciler, reaktörler veya akış hücreleri gibi aksesuarlarla donatılabilen yüksek performanslı sistemlerdir. Dijital renkli ekran, sonikasyon çalıştırmalarını önceden ayarlama seçeneği, entegre bir SD kartta otomatik veri kaydı, uzaktan tarayıcı kontrolü ve daha birçok özellik ile Hielscher ultrasonicators en yüksek işlem kontrolü ve kullanıcı dostu olmasını sağlar. Sağlamlık ve ağır yük taşıma kapasitesi ile eşleştirildiğinde, Hielscher ultrasonik sistemler üretimde güvenilir iş gücünüzdür. 
Kitin parçalanması ve deasetilasyonu, hedeflenen dönüşümü ve yüksek kalitede nihai bir kitosan ürününü elde etmek için güçlü ultrason gerektirir. Özellikle kitin pullarının parçalanması ve depolimerizasyon / deasetilasyon aşamaları için yüksek genlikler ve yüksek basınçlar çok önemlidir. Hielscher Ultrasonik endüstriyel ultrasonik işlemciler kolayca çok yüksek genlikler sunar. 200μm'ye kadar genlikler 7/24 çalışmada sürekli olarak çalıştırılabilir. Daha da yüksek genlikler için, özelleştirilmiş ultrasonik sonotrodlar mevcuttur. Hielscher ultrasonik sistemlerin güç kapasitesi, güvenli ve kullanıcı dostu bir süreçte verimli ve hızlı depolimerizasyon ve deasetilasyona izin verir.
 

Sinerjik Kitin Tedavisi Ultrasonikasyon ile Geliştirilmiş

Geleneksel kimyasal ve enzimatik kitin deasetlyasyonunun dezavantajlarının (yani düşük verimlilik, yüksek enerji maliyeti, uzun işlem süresi, toksik çözücüler) üstesinden gelmek için, yüksek yoğunluklu ultrason kitin ve kitosan işlemeye entegre edilmiştir. Yüksek yoğunluklu sonikasyon ve akustik kavitasyonun ortaya çıkan etkileri, polimer zincirlerinin hızlı bir şekilde kesilmesine yol açar ve polidispersiteyi azaltır, böylece kitosan sentezini teşvik eder. Ayrıca, ultrasonik kesme kuvvetleri, çözeltideki kütle transferini yoğunlaştırır, böylece kimyasal, hidrolitik veya enzimatik reaksiyon artar. Ultrasonik kitin tedavisi, kimyasal yöntemler, hidroliz veya enzimatik prosedürler gibi halihazırda mevcut olan kitin işleme teknikleriyle birleştirilebilir.

Ultrasonik Destekli Kimyasal Deasetilasyon ve Depolimerizasyon

Kitin, reaktif olmayan ve çözünmeyen bir biyopolimer olduğundan, çözünür ve biyoerişilebilir kitosan elde etmek için demineralizasyon, deproteinizasyon ve depolimerizasyon / deasetilasyon işlem aşamalarından geçmelidir. Bu işlem adımları, HCl gibi güçlü asitler ve NaOH ve KOH gibi güçlü bazlarla yapılan işlemleri içerir. Bu konvansiyonel işlem adımları verimsiz, yavaş ve yüksek enerjiler gerektirdiğinden, sonikasyon ile işlem yoğunlaştırması kitosan üretimini önemli ölçüde artırır. Güç ultrason uygulaması, kitosan verimini ve kalitesini artırır, işlemi günlerden birkaç saate düşürür, daha hafif çözücülere izin verir ve tüm süreci daha enerji verimli hale getirir.

Kitinin Ultrasonik Olarak Geliştirilmiş Deproteinizasyonu

Vallejo-Dominguez ve ark. (2021), kitin deproteinizasyonu araştırmalarında şu buldu: “Biyopolimerlerin üretimi için ultrason uygulaması, kitinin partikül boyutunun yanı sıra protein içeriğini de azalttı. Ultrason yardımı ile yüksek deasetilasyon derecesi ve orta molekül ağırlıklı kitosan üretildi.”

Kitin Depolimerizasyonu için Ultrasonik Hidroliz

Kimyasal hidroliz için, kitini deasetillemek için asitler veya alkaliler kullanılır, ancak alkali deasetilasyon (örneğin, sodyum hidroksit NaOH) daha yaygın olarak kullanılır. Asit hidrolizi, kitin ve kitosanı depolimerize etmek için organik asit çözeltilerinin kullanıldığı geleneksel kimyasal deasetilasyona alternatif bir yöntemdir. Asit hidrolizi yöntemi çoğunlukla kitin ve kitosanın moleküler ağırlığının homojen olması gerektiğinde kullanılır. Bu geleneksel hidroliz işlemi yavaş, enerji ve maliyet yoğun olarak bilinir. Güçlü asitlerin, yüksek sıcaklıkların ve basınçların gerekliliği, hidrolitik kitosan işlemini çok pahalı ve zaman alıcı bir prosedüre dönüştüren faktörlerdir. Kullanılan asitler, nötralizasyon ve tuzdan arındırma gibi sonraki işlemler gerektirir.
Yüksek güçlü ultrasonun hidroliz işlemine entegrasyonu ile, kitin ve kitosanın hidrolitik bölünmesi için sıcaklık ve basınç gereksinimleri önemli ölçüde azaltılabilir. Ayrıca, sonikasyon daha düşük asit konsantrasyonlarına veya daha hafif asitlerin kullanımına izin verir. Bu, süreci daha sürdürülebilir, verimli, uygun maliyetli ve çevre dostu hale getirir.

Ultrasonik Destekli Kimyasal Deasetilasyon

Kitin ve kitosanın kimyasal parçalanması ve deakteilasyonu esas olarak kitin veya kitosanın mineral asitler (örneğin, hidroklorik asit HCl), sodyum nitrit (NaNO) ile işlenmesiyle elde edilir₂) veya hidrojen peroksit (H₂O₂). Ultrason, deasetilasyon oranını iyileştirir, böylece hedeflenen deasetilasyon derecesini elde etmek için gereken reaksiyon süresini kısaltır. Bu, sonikasyonun 12-24 saatlik gerekli işlem süresini birkaç saate düşürdüğü anlamına gelir. Ayrıca, sonikasyon önemli ölçüde daha düşük kimyasal konsantrasyonlara izin verir, örneğin% 40 (a / a) sodyum hidroksit sonikasyon kullanarak% 65 (a / a) ultrason kullanılmadan gereklidir.

Ultrasonik-Enzimatik Deasetilasyon

Enzimatik deasetilasyon hafif, çevreye zarar vermeyen bir işleme şekli olsa da, verimliliği ve maliyetleri ekonomik değildir. Enzimlerin son üründen karmaşık, emek yoğun ve pahalı aşağı akış izolasyonu ve saflaştırılması nedeniyle, enzimatik kitin deasetilasyonu ticari üretimde uygulanmaz, sadece bilimsel araştırma laboratuvarında kullanılır.
Enzimatik deasetlitasyondan önce ultrasonik ön işlem, kitin moleküllerini parçalar, böylece yüzey alanını genişletir ve enzimler için daha fazla yüzey kullanılabilir hale getirir. Yüksek performanslı sonikasyon, enzimatik deasetilasyonu geliştirmeye yardımcı olur ve süreci daha ekonomik hale getirir.