Mantardan Kitin ve Chitosan Üretimi

Ultrasonication mantar gibi mantar kaynaklarından chitin ve chitosan serbest bırakmak için son derece verimli bir yöntemdir. Chitin ve chitosan, yüksek kaliteli bir biyopolimer elde etmek için aşağı akış işlemede deaetilize edilmelidir. Ultrasonik destekli deacetylation, yüksek moleküler ağırlığa ve üstün biyoyararlantıya sahip yüksek kaliteli chitosanlarla sonuçlanan son derece etkili, basit ve hızlı bir tekniktir.

Mantarlardan Chitin ve Chitosan

Lentinus edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi veya reishi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (düğme mantarı), Hericium erin gibi yenilebilir ve tıbbi mantarlaraceus (aslan yelesi), Cordyceps sinensis (tırtıl mantarı), Grifola frondosa (ahşabın hen), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, turkeytail) ve diğer birçok mantar türü gıda olarak ve biyoaktif bileşiklerin çıkarılması için yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu mantarların yanı sıra işleme artıkları (mantar atıkları) chitosan üretmek için kullanılabilir. Ultrasonication sadece mantar hücre duvar yapısından kitin salınımını teşvik etmekle kalmaz, aynı zamanda ultrasonik depolimerizasyon yoluyla chition'ın değerli chitosan'a dönüştürülmesini de sağlar.

KitinN-asetilglukozamin polimer (poli-(β-(1–4)-N-asetil-D-glukozamin), kabuklular ve böcekler gibi omurgasızların dış iskeletinde, kalamar ve mürekkepbalıklarının iç iskeletinde ve mantarların hücre duvarlarında yaygın olarak bulunan doğal olarak oluşan bir polisakkarittir. Mantar hücre duvarlarının yapısına gömülü olan kitin, mantar hücre duvarının şeklinden ve sertliğinden sorumludur. Birçok uygulama için, kitin, depolimerizasyon işlemi ile chitosan olarak bilinen deaetillenmiş türevine dönüştürülür.
Kitosan kitinin en yaygın ve en değerli türevidir. N-asetil-glukozamin ve glukozamin'den oluşan b-1,4 glikosit ile bağlantılı yüksek moleküler ağırlıklı bir polisakkarittir.
Chitosan kimyasal veya enzmatik yoluyla türetilebilir N--deacetylation. Kimyasal tahrikli deacetylation işleminde asetil grubu (R-NHCOCH₃) yüksek sıcaklıklarda güçlü alkali ile bölünür. Alternatif olarak, chitosan enzimatik deacetylation yoluyla sentezlenebilir. Bununla birlikte, endüstriyel üretim ölçeğinde kimyasal deacetylation tercih edilen tekniktir, çünkü enzmatik deacetylation, deacetylaz enzimlerinin yüksek maliyeti ve elde edilen düşük chitosan verimi nedeniyle önemli ölçüde daha az verimlidir. Ultrasonication (1→4)-/β-linkage kimyasal bozulma (depolymerization) yoğunlaştırmak ve yüksek kaliteli chitosan elde etmek için kitin deacetylation etkisi için kullanılır. Sonication enzymatic deacetylation için ön tedavi olarak uygulandığında, chitosan verim ve kalite de iyileştirilir.

Ultrason ile Mantardan Endüstriyel Chitosan 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.

Sonication ile Yüksek Verimli Chitosan Sentezi

Geleneksel kimyasal ve enzymatic chitin deacetlytion'ın dezavantajlarını (yani düşük verimlilik, yüksek enerji maliyeti, uzun işlem süresi, toksik çözücüler) aşmak için, yüksek yoğunluklu ultrason kitin ve kitosan işlemeye entegre edilmiştir. Yüksek yoğunluklu sonikasyon ve akustik kavitasyonun ortaya çıkan etkileri polimer zincirlerin hızlı bir şekilde kesilmesine ve polidispersitenin azaltılmasına yol açar, böylece kitosan sentezini teşvik eder. Ayrıca, ultrasonik kesme kuvvetleri çözeltide kütle transferini yoğunlaştırarak kimyasal, hidrolitik veya enzymatic reaksiyonun arttırıcı hale getirilmesini sağlayan bir güçtür.

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 uygulamasının protein içeriğini ve kitin parçacık boyutunu azalttığını buldu. Ultrason yardımı ile yüksek deacetylation derecesi ve orta moleküler ağırlıklı chitosan 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.

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 çözünmesiyle hazırlandı. Alkali çözeltisi daha sonra GLSP tortusuna (0,5 g) 1:20 (g: mL) katı-sıvı oranında bir santrifüj tüpüne eklendi. Chitosan, NaCl (40 mL, 0.2 M) ve asetik aside (0.1 M) 1:1 çözelti hacim oranında eklendi. Süspansiyon daha sonra prob tipi ultrasonicator (250W, 20kHz) kullanılarak 60 dakika boyunca 25 ° C hafif bir sıcaklıkta ultrasona tabi tutuldu. (cf Zhu vd., 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 arkadaşları (2019) mantar hammaddesi olarak Ganoderma lucidum spor tozlarını kullandı ve ultrasonik destekli deacetylation ve sonication time, solid-to-liquid ratio, NaOH konsantrasyonu ve ışınlama gücü gibi işleme parametrelerinin chitosan'ın deacetylation (DD) derecesi üzerindeki etkilerini araştırdı. En yüksek DD değeri aşağıdaki ultrasonik parametrelerde elde edildi: 80W'da 20 dakika sonication, 10% (g:ml) NaOH, 1:25 (g:ml). Ultrasonik olarak elde edilen chitosan'ın yüzey morfolojisi, kimyasal grupları, termal stabilitesi ve kristalliği SEM, FTIR, TG ve XRD kullanılarak incelendi. Araştırma ekibi, ultrasonik olarak üretilen chitosan'ın deacetylation (DD), dinamik viskozite ([η]) ve moleküler ağırlık (Mv ̄) derecesinin önemli bir şekilde arttırılmasını rapor ediyor. Sonuçlar, mantarların ultrasonik deacetylation tekniğinin altını çizdi, biyomedikal uygulamalar için uygun olan chitosan için son derece güçlü bir üretim yöntemi. (cf. Zhu vd., 2019)

Ultrasonik Deacetylation ile Üstün Chitosan 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)

Ultrasonik Ekstraksiyon ve Chitin Deacetylation Nasıl Çalışır?

Güç ultrason dalgaları bir sıvı veya bulamaç çiftler olduğunda (örneğin, bir çözücüde kitin oluşan bir süspansiyon), ultrasonik dalgalar alternatif yüksek basınç / düşük basınç döngüleri neden sıvı yoluyla hareket eder. Düşük basınç döngüleri sırasında, birkaç basınç döngüsünde büyüyen dakika vakum kabarcıkları (kavitasyon kabarcıkları olarak adlandırılır) oluşturulur. Belirli bir boyutta, kabarcıklar daha fazla enerji ememediğinde, yüksek basınç döngüsü sırasında şiddetli bir şekilde patlarlar. Kabarcık patlaması yoğun kavitasyonel (veya sonomekanik) kuvvetlerle karakterizedir. Bu sonomekanik koşullar kavitasyonel sıcak noktada lokal olarak meydana gelir ve sırasıyla 4000K ve 1000atm'ye kadar çok yüksek sıcaklıklar ve basınçlarla karakterize edilir; yanı sıra karşılık gelen yüksek sıcaklık ve basınç farkları. Furtehrmore, mikro türbülanslar ve 100m/s hıza kadar sıvı akışları üretilir. Mantar ve kabukluların yanı sıra kitin depolimerizasyon ve deacetylation ultrasonik ekstraksiyon esas olarak sonomekanik etkilerden kaynaklanır: ajitasyon ve türbülanslar hücreleri bozar ve kütle transferini teşvik eder ve ayrıca asidik veya alkali çözücülerle birlikte polimer zincirlerini kesebilir.
Ultrasonication ile kitin ekstraksiyon çalışma prensibi: Ultrasonik ekstraksiyon verimli mantarların hücre yapısını kırar ve hücre duvarından ve hücre iç hücre içi hücre içi bileşikleri (yani, kitin ve kitosan ve diğer biyoaktif fitokimyasallar gibi polisakkaritler) çözücüye serbest bırakır. Ultrasonik ekstraksiyon akustik kavitasyon çalışma prensibine dayanmaktadır. Ultrasonik / akustik kavitasyonun etkileri yüksek kesme kuvvetleri, türbülanslar ve yoğun basınç farklarıdır. Bu sonomekanik kuvvetler, tüylü mantar hücre duvarları gibi hücresel yapıları kırar, mantar biyomalzeme ve çözücü arasında kütle transferini teşvik eder ve hızlı bir işlem içinde çok yüksek ekstrakt verimine neden olur. Ek olarak, sonication bakteri ve mikropları öldürerek özlerin sterilizasyonunu teşvik eder. Sonikasyon ile mikrobiyal inaktivasyon, hücre zarı, serbest radikallerin üretimi ve lokalize ısıtmaya yönelik yıkıcı kavitasyonel kuvvetlerin bir sonucudur.
Ultrasonication yoluyla depolymerization ve deacetylation çalışma prensibi: Polimer zincirleri bir kabarcığın etrafındaki kesme alanına yakalanır ve çöken bir boşluğun yakınındaki polimer bobinin zincir parçaları daha uzak olanlardan daha yüksek bir hızda hareket eder. Daha sonra polimer segmentlerinin ve çözücülerin bağıl hareketi nedeniyle polimer zincirinde gerilmeler üretilir ve bunlar bölünmeye neden olmak için yeterlidir. Bu nedenle işlem, polimer çözeltilerindeki diğer kesme etkilerine benzer ~2° ve çok benzer sonuçlar verir. (cf. Fiyat vd., 1994)

Mantar Chitin ve Chitosan İşleme için Yüksek Performanslı Ultrasonik Ekipman

Kitinin parçalanması ve kitinin chitosan'a deklasasyonu, 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, proses ihtiyaçlarınızı en uygun şekilde karşılamak için sonotrodes, booster, reaktörler veya akış hücreleri gibi aksesuarlarla donatılabilen yüksek performanslı sistemlerdir. Dijital renkli ekran ile, önceden ayarlanmış sonication çalıştırmaları seçeneği, entegre bir SD kartta otomatik veri kaydı, uzaktan tarayıcı kontrolü ve daha birçok özellik, en yüksek proses kontrolü ve kullanıcı dostuluğu sağlanır. Sağlamlık ve ağır yük taşıma kapasitesi ile eşleştirilmiş Hielscher ultrasonik sistemleri üretimde güvenilir iş atınizdır. 
Kitin parçalanması ve deaetilasyonu, hedeflenen dönüşümü ve yüksek kaliteli son bir chitosan ürününü elde etmek için güçlü ultrason gerektirir. Özellikle kitin pullarının parçalanması ve depolimerizasyon / deacetylation adımları için yüksek genlikler ve yüksek basınçlar çok önemlidir. Hielscher Ultrasonics'in endüstriyel ultrasonik işlemcileri kolayca çok yüksek genlikler sunar. 200μm'ye kadar genlikler 7/24 çalışma halinde sürekli çalıştırılabilir. Daha da yüksek genlikler için, özelleştirilmiş ultrasonik sonotrodes mevcuttur. Hielscher ultrasonik sistemlerin güç kapasitesi güvenli ve kullanıcı dostu bir süreçte verimli ve hızlı deacetylation sağlar.
Aşağıdaki tablo size bizim ultrasonicators yaklaşık işleme kapasitesinin bir göstergesidir: