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 işleminde depolimerize edilmeli ve deasetilize edilmelidir. Ultrasonik destekli depolimerizasyon ve deasetilasyon yüksek moleküler ağırlık ve üstün biyoyararlanım ile yüksek kaliteli kitosanlar ile sonuçlanan son derece etkili, basit ve hızlı bir tekniktir.

Ultrasonikasyon yoluyla 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 (odun 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 kitinin değerli kitosana dönüştürülmesini de sağlar.

 

Bir prob tipi ultrasonik sistem kullanarak yoğun ultrasonikasyon, kitinin depolimerizasyonunu ve deasetilasyonunu teşvik etmek için kullanılan ve kitosan oluşumuna yol açan bir tekniktir. Kitin, kabukluların, böceklerin ve bazı mantarların hücre duvarlarının dış iskeletlerinde bulunan doğal olarak oluşan bir polisakkarittir. Kitosan kitin molekülünden asetil gruplarının çıkarılmasıyla kitinden elde edilir.

Mantar kitin kitosan dönüşüm için ultrasonik prosedür

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

 

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 oluşan yüksek basınçlı dalgalar, kitin zincirlerinin kayma stresine maruz kalmasına neden olur ve bu da polimerin daha küçük parçalara ayrılmasına neden olur.

Kitinin Ultrasonik Deasetilasyonu

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

Power Ultrason ile Mantardan Endüstriyel Kitosan Üretimi

Ticari kitin ve kitosan üretimi esas olarak deniz endüstrilerinin atıklarına (balıkçılık, kabuklu balık hasadı vb.) dayanmaktadır. Farklı hammadde kaynakları, mevsimsel balıkçılık varyasyonları nedeniyle üretim ve kalite dalgalanmalarına neden olan farklı kitin ve kitosan nitelikleri ile sonuçlanır. Ayrıca, mantar kaynaklarından elde edilen chitosan, deniz kaynaklarından gelen kitosan ile karşılaştırıldığında homojen polimer uzunluğu ve daha fazla çözünürlük gibi üstün özellikler sunmaktadır. (cf. Ghormade vd., 2017) Tek tip chitosan tedarik etmek için, mantar türlerinden kitin çıkarılması istikrarlı bir alternatif üretim haline gelmiştir. Mantarlardan chitin ve citiosan üretimi ultrasonik ekstraksiyon ve deacetylation teknolojisi kullanılarak kolayca ve güvenilir bir şekilde elde edilebilir. Yoğun sonication chitin serbest bırakmak için hücre yapıları bozar ve üstün kitin verim ve ekstraksiyon verimliliği için sulu çözücülerde kütle transferini teşvik eder. Sonraki ultrasonik deacetylation değerli chitosan içine kitin dönüştürür. Her ikisi de, ultrasonik kitin ekstraksiyonu ve chitosan deacetylation herhangi bir ticari üretim seviyesine doğrusal olarak ölçeklendirilebilir.

Ultrasonik Kitin ve Chitosan Deacetylation için Araştırma Sonuçları

Zhu ve arkadaşları (2018), çalışmalarında ultrasonik deacetylation'ın çok önemli bir atılım olduğunu kanıtladığını ve β-chitin'i azaltılmış reaksiyon sıcaklıklarında% 83-94 deacetylation ile chitosan'a dönüştürdüğünü sonuçlandırıyor. Resimde ultrasonik olarak deacetylated chitosan bir SEM görüntüsü gösterir (90 W, 15 dk, 20 w/v% NaOH, 1:15 (g: mL) (resim ve çalışma: © Zhu ve ark., 2018)
Protokollerinde NaOH çözeltisi ( w/v) NaOH pullarının DI suyunda çözülmesiyle hazırlanmıştır. Alkali çözeltisi daha sonra GLSP tortusuna (0.5 g) 1:20 (g: mL) katı-sıvı oranında bir santrifüj tüpüne ilave edildi. Kitosan, NaCl (40 mL, 0.2 M) ve asetik aside (0.1 M) 1: 1 çözelti hacim oranında eklendi. Süspansiyon daha sonra bir prob tipi ultrasonicator (250W, 20kHz) kullanılarak 60 dakika boyunca 25 ° C'lik hafif bir sıcaklıkta ultrasona tabi tutuldu. (cf Zhu ve ark., 2018)
 
Pandit ve ark. (2021), kitosan çözeltileri için bozulma oranının polimeri çözünürlüklendirmek için kullanılan asit konsantrasyonlarından nadiren etkilendiğini ve büyük ölçüde polimeri çözmek için kullanılan ortamın sıcaklığına, yoğunluğuna ve iyonik gücüne bağlı olduğunu buldu. (cf. Pandit vd., 2021)
 
Başka bir çalışmada, Zhu ve ark. (2019) Ganoderma lucidum spor tozlarını mantar hammaddesi olarak kullandılar ve ultrasonik olarak yardımlı deasetilasyon ve sonikasyon süresi, katı-sıvı oranı, NaOH konsantrasyonu ve ışınlama gücü gibi işleme parametrelerinin kitosan'ın deasetilasyon (DD) derecesi üzerindeki etkilerini araştırdılar. 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 kararlılığı ve kristalliği SEM, FTIR, TG ve XRD kullanılarak incelendi. Araştırma ekibi, ultrasonik olarak üretilen kitosanın deasetilasyon (DD), dinamik viskozite ([η]) ve moleküler ağırlığının (Mv ̄) derecesinde 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 ark., 2019)

Ultrasonik Depolimerizasyon ve Deasetilasyon ile Üstün Kitosan Kalitesi

Ultrasonik tahrikli chitin / chitosan ekstraksiyon ve depolymerizasyon süreçleri hassas kontrol edilebilir ve ultrasonik proses parametreleri hammadde ve hedeflenen son ürün kalitesine ayarlanabilir (örneğin, moleküler ağırlık, deacetylation derecesi). Bu, ultrason işlemini dış etkenlere uyarlamaya ve üstün sonuç ve verimlilik için optimum parametreleri ayarlamaya izin verir.
Ultrasonik deacetylated chitosan mükemmel biyoyararlanılılık ve biyouyumluluk gösterir. Ultrasonik olarak hazırlanan chitosan biyopolimerler biyomedikal özelliklerle ilgili olarak termal olarak türetilmiş chitosan ile karşılaştırıldığında, ultrasonik olarak üretilen chitosan hem Escherichia coli (E. coli) hem de Staphylococcus aureus (S. aureus) için önemli ölçüde geliştirilmiş fibroblast (L929 hücre) canlılığı ve gelişmiş antibakteriyel aktivite sergiler.
(cf. Zhu vd., 2018)
 

Kitin ve Kitosan İşleme için Yüksek Performanslı Ultrasonik Ekipmanlar

Kitinin parçalanması ve kitinin kitosana desetilasyonu, yüksek genlikler sunabilen, proses parametreleri üzerinde hassas kontrol edilebilirlik sunan ve ağır yük altında ve zorlu ortamlarda 7/24 çalıştırılabilen güçlü ve güvenilir ultrasonik ekipman gerektirir. Hielscher Ultrasonics 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 istihdam edildiğinde.
Hielscher ultrasonicators en uygun şekilde işlem ihtiyaçlarını karşılamak için sonotrodes, güçlendiriciler, reaktörler veya akış hücreleri gibi aksesuarlar ile donatılabilir yüksek performanslı sistemlerdir. Dijital renkli ekran, önceden ayarlanmış sonikasyon çalışır, entegre bir SD kartta otomatik veri kaydı, uzaktan tarayıcı kontrolü ve daha birçok özellik ile, Hielscher ultrasonicators en yüksek işlem kontrolü ve kullanıcı dostu sağlar. Sağlamlık ve ağır yük taşıma kapasitesi ile eşleştirilmiş, Hielscher ultrasonik sistemler üretimde güvenilir çalışma atınız vardır. 
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 adımları için yüksek genlikler ve yüksek basınçlar çok önemlidir. Hielscher Ultrasonics endüstriyel ultrasonik işlemciler kolayca çok yüksek genlikler teslim eder. 200μm'ye kadar genlikler 7/24 çalışmada sürekli olarak çalıştırılabilir. Daha yüksek genlikler için, özelleştirilmiş ultrasonik sonotrodlar mevcuttur. Hielscher ultrasonik sistemlerin güç kapasitesi, güvenli ve kullanıcı dostu bir süreçte verimli ve hızlı depolimerizasyon ve deasetilasyon sağlar.
 

Aşağıdaki tablo size bizim ultrasonicators yaklaşık işleme kapasitesinin bir göstergesidir:

---

---

Sinerjik kitin tedavisi ultrasonikasyon ile geliştirildi

Geleneksel kimyasal ve enzimatik kitin deasetilsyonunun 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 geliştirilir. Ultrasonik kitin tedavisi, kimyasal yöntemler, hidroliz veya enzimatik prosedürler gibi zaten var olan kitin işleme teknikleri ile birleştirilebilir.

Ultrasonik Destekli Kimyasal Deasetylation ve Depolymerization

Kitin reaktif olmayan ve çözünmeyen bir biyopolimer olduğundan, çözünür ve biyoakessil chitosan elde etmek için demineralizasyon, deproteinizasyon ve depolimerizasyon / deacetylation işlem adımlarından geçmelidir. Bu işlem adımları, HCl gibi güçlü asitler ve NaOH ve KOH gibi güçlü bazlarla tedavileri içerir. Bu geleneksel proses adımları verimsiz, yavaş ve yüksek enerji talep ettiği için, sonication ile süreç yoğunlaşması chitosan üretimini önemli ölçüde artırır. Güç ultrason uygulaması chitosan verim ve kalitesini artırır, süreci günlerden birkaç saate indirir, daha hafif çözücülere izin verir ve tüm süreci daha enerji verimli hale getirir.

Ultrasonik Geliştirilmiş Deproteinizasyon Chitin

Vallejo-Dominguez ve ark. (2021), kitin deproteinizasyonu araştırmalarında “Biyopolimerlerin üretimi için ultrason uygulaması, protein içeriğini ve kitinin parçacık boyutunu azaltmıştır. Yüksek deasetilasyon derecesine ve orta molekül ağırlığa sahip kitosan, ultrason yardımı ile üretildi.”

Chitin Depolymerization için Ultrasonik Hidroliz

Kimyasal hidroliz için, chitin'i deacetylate etmek için asitler veya alkaliler kullanılır, ancak alkali deacetylation (örneğin sodyum hidroksit NaOH) daha yaygın olarak kullanılır. Asit hidrolizi, chitin ve chitosan'ı depolimerize etmek için organik asit çözeltilerinin kullanıldığı geleneksel kimyasal deaetilasyon için alternativ bir yöntemdir. Asit hidrolizi yöntemi çoğunlukla kitin ve kitosan moleküler ağırlığının homojen olması gerektiğinde kullanılır. Bu geleneksel hidroliz işlemi yavaş ve enerji ve maliyet yoğun olarak bilinir. Güçlü asitlerin, yüksek sıcaklıkların ve basınçların gerekliliği, hidrolitik chitosan işlemini çok pahalı ve zaman alıcı bir prosedüre dönüştüren faktörlerdir. Kullanılan asitler nötralizasyon ve tuzdan arındırma gibi aşağı akış işlemleri gerektirir.
Yüksek güçlü ultrasonun hidroliz sürecine entegrasyonu ile, kitin ve kitosan hidrolitik bölünme için sıcaklık ve basınç gereksinimleri önemli ölçüde azaltılabilir. Ayrıca, sonication daha düşük asit konsantrasyonları veya daha hafif asitlerin kullanımına izin verir. Bu da süreci daha sürdürülebilir, verimli, uygun maliyetli ve çevre dostu hale getirir.

Ultrasonik Destekli Kimyasal Deacetylation

Kitin ve chitosan'ın kimyasal parçalanması ve devre dışı bırakılması esas olarak kitin veya kitosan mineral asitler (örneğin, hidroklorik asit HCl), sodyum nitrit (NaNO) ile tedavi edilerek elde edilir.₂veya hidrojen peroksit (H₂O₂). Ultrason deacetylation oranını artırır, böylece hedeflenen deacetylation derecesini elde etmek için gereken reaksiyon süresini kısaltır. Bu, sonication'ın 12-24 saatlik gerekli işlem süresini birkaç saate düşürdüğü anlamına gelir. Ayrıca, sonication önemli ölçüde daha düşük kimyasal konsantrasyonları sağlar, örneğin 40% (w / w) sodyum hidroksit sonication kullanarak iken% 65 (w / w) ultrason kullanmadan gereklidir.

Ultrasonik-Enzymatic Deacetylation

Enzymatic deacetylation hafif, çevreye duyarlı bir işleme formu olsa da, verimliliği ve maliyetlerikonomik değildir. Karmaşık, emek yoğun ve pahalı aşağı akış izolasyonu ve enzimlerin son üründen arındırılması nedeniyle, enzymatic chitin deacetylation ticari üretimde uygulanmaz, sadece bilimsel araştırma laboratuvarında kullanılır.
Ultrasonik ön tedavi öncesi enzymatic deacetlytation parçaları kitin molekülleri böylece yüzey alanını büyütmek ve enzimler için daha fazla yüzey kullanılabilir hale getirmek. Yüksek performanslı sonication enzymatic deacetylation geliştirmek için yardımcı olur ve süreci daha ekonomik hale getirir.