Виробництво хітину та хітозану з грибів

Ультразвукова обробка є високоефективним методом вивільнення хітину та хітозану з грибних джерел, таких як гриби. Хітин і хітозан повинні бути деполімеризовані та деацетильовані при подальшій обробці, щоб отримати високоякісний біополімер. Ультразвуково-асистована деполімеризація та деацетилювання є високоефективною, простою та швидкою технікою, яка призводить до отримання високоякісних хітозанів з високою молекулярною масою та покращеною біодоступністю.

Хітин і хітозан з грибів за допомогою ультразвукової обробки

Їстівні та лікарські гриби, такі як Lentinus edodes (шиїтаке), Ganoderma lucidum (лінчжі або рейші), Inonotus obliquus (чага), Agaricus bisporus (печериці), Hericium erinaceus (їжовик гребінчастий), Cordyceps sinensis (кордицепс), Grifola frondosa (грифола кудрява), Trametes versicolor (trametes versicolor, polyporus versicolor, трутовик різнокольоровий) та багато інших видів грибів, широко використовуються як їжа та для екстракції біоактивних сполук. Ці гриби, а також залишки переробки (грибні відходи) можна використовувати для виробництва хітозану. Ультразвукова обробка не лише сприяє вивільненню хітину зі структури клітинної стінки грибів, але й стимулює перетворення хітину на цінний хітозан за допомогою ультразвуково-асистованої деполімеризації та деацетилювання.

У цьому відео продемонстровано високоефективну екстракцію їжовика гребінчастого за допомогою ультразвукового гомогенізатора Hielscher UP200Ht. Ультразвукова екстракція – ідеальна технологія для отримання високоякісних екстрактів повного спектра, що містять полісахариди, зокрема бета-глюкани, а також гериценони та еринацини.

Інтенсивна ультразвукова обробка за допомогою ультразвукової системи зондового типу є технікою, що використовується для сприяння деполімеризації та деацетилюванню хітину, що призводить до утворення хітозану. Хітин – це природний полісахарид, що міститься в екзоскелетах ракоподібних, комах і клітинних стінках деяких грибів. Хітозан походить від хітину шляхом видалення ацетильних груп з молекули хітину.

Ультразвукова процедура перетворення грибного хітину на хітозан

Коли інтенсивна ультразвукова обробка застосовується для виробництва хітозану з хітину, суспензія хітину піддається ультразвуковій обробці високоінтенсивними низькочастотними ультразвуковими хвилями, зазвичай у діапазоні від 20 kHz до 30 kHz. Процес генерує інтенсивну акустичну кавітацію, яка полягає у формуванні, зростанні та колапсі мікроскопічних вакуумних бульбашок у рідині. Кавітація генерує локальні надзвичайно високі зсувні сили, високі температури (до кількох тисяч градусів Цельсія) та тиски (до кількох сотень атмосфер) у рідині навколо кавітаційних бульбашок. Ці екстремальні умови сприяють розщепленню полімеру хітину та подальшому деацетилюванню.

 

Ультразвукова деполімеризація хітину

Деполімеризація хітину відбувається через комбіновані ефекти механічних сил, таких як мікрострумені та рідинні струмені, а також через хімічні реакції, ініційовані ультразвуком, спричинені вільними радикалами та іншими реакційноздатними частинками, що утворюються під час кавітації. Хвилі високого тиску, що генеруються під час кавітації, змушують ланцюги хітину зазнавати напруження зсуву, що призводить до розриву полімеру на менші фрагменти.

Ультразвукове деацетилювання хітину

Крім деполямеризації, інтенсивна ультразвукова обробка також сприяє деацетилюванню хітину. Деацетилювання передбачає видалення ацетильних груп з молекули хітину, що призводить до утворення хітозану. Інтенсивна ультразвукова енергія, особливо високі температури та тиски, що генеруються під час кавітації, прискорюють реакцію деацетилювання. Реакційні умови, створені кавітацією, допомагають розривати ацетильні зв’язки в хітині, в результаті чого відбувається виділення оцтової кислоти та перетворення хітину на хітозан.
Загалом інтенсивна ультразвукова обробка посилює як процеси деполямеризації, так і деацетилювання, забезпечуючи необхідну механічну та хімічну енергію для розщеплення полімеру хітину та сприяння перетворенню на хітозан. Ця техніка пропонує швидкий та ефективний метод виробництва хітозану з хітину, який має численні застосування в різних галузях промисловості, включаючи фармацевтику, сільське господарство та біомедичну інженерію.

Промислове виробництво хітозану з грибів за допомогою потужного ультразвуку

Комерційне виробництво хітину та хітозану переважно базується на відходах морської промисловості (наприклад, рибальство, збір молюсків тощо). Різні джерела сировини призводять до різної якості хітину та хітозану, що спричиняє коливання виробництва та якості через сезонні зміни у рибальстві. Крім того, хітозан, отриманий із грибних джерел, за повідомленнями, має кращі властивості, такі як однорідна довжина полімеру та більша розчинність, порівняно з хітозаном із морських джерел. (див. Ghormade et al., 2017) Для забезпечення однорідного хітозану екстракція хітину з грибних видів стала стабільною альтернативою виробництва. Виробництво хітину та хітозану з грибів може бути легко та надійно здійснено за допомогою технології ультразвукової екстракції та деацетилювання. Інтенсивна ультразвукова обробка руйнує клітинні структури для вивільнення хітину та сприяє масопереносу у водних розчинниках для досягнення вищих виходів хітину та ефективності екстракції. Подальше ультразвукове деацетилювання перетворює хітин на цінний хітозан. Як ультразвукова екстракція хітину, так і деацетилювання до хітозану можуть бути лінійно масштабовані до будь-якого рівня комерційного виробництва.

Результати досліджень ультразвукового деацетилювання хітину та хітозану

Zhu et al. (2018) у своєму дослідженні приходять до висновку, що ультразвукове деацетилювання виявилося важливим проривом, перетворюючи β-хітин на хітозан із 83–94% деацетилювання при знижених температурах реакції. Зображення ліворуч показує SEM-зображення ультразвуково деацетильованого хітозану (90 W, 15 min, 20 w/v% NaOH, 1:15 (g: mL) (зображення та дослідження: © Zhu et al., 2018)
У їхньому протоколі розчин NaOH (20 w/v %) готували шляхом розчинення пластин NaOH у деіонізованій воді. Лужний розчин потім додавали до осаду GLSP (0,5 г) у співвідношенні тверде–рідке 1:20 (г: mL) у пробірку для центрифугування. Хітозан додавали до NaCl (40 mL, 0,2 M) та оцтової кислоти (0,1 M) у співвідношенні об’ємів розчинів 1:1. Суспензію потім піддавали ультразвуковій обробці при м’якій температурі 25°C протягом 60 хв, використовуючи ультразвуковий гомогенізатор зондового типу (250W, 20kHz). (див. Zhu et al., 2018)

Pandit et al. (2021) виявили, що швидкість деградації розчинів хітозану рідко залежить від концентрацій кислоти, використаної для розчинення полімеру, і значною мірою залежить від температури, інтенсивності ультразвукових хвиль та іонної сили середовища, використаного для розчинення полімеру. (див. Pandit et al., 2021)

В іншому дослідженні Zhu et al. (2019) використовували порошки спор Ganoderma lucidum як грибну сировину та досліджували ультразвуково-асистоване деацетилювання та вплив таких параметрів обробки, як час ультразвукової обробки, співвідношення тверде–рідке, концентрація NaOH та потужність опромінення, на ступінь деацетилювання (DD) хітозану. Найвище значення DD було отримано за наступних ультразвукових параметрів: 20 хв ультразвукової обробки при 80W, 10% (g:ml) NaOH, 1:25 (g:ml). Морфологію поверхні, хімічні групи, термічну стабільність та кристалічність хітозану, отриманого за допомогою ультразвуку, досліджували за допомогою SEM, FTIR, TG та XRD. Дослідницька група повідомляє про значне підвищення ступеня деацетилювання (DD), динамічної в’язкості ([η]) та молекулярної маси (Mv¯) хітозану, виробленого за допомогою ультразвуку. Результати підкреслили, що метод ультразвукового деацетилювання грибів є високоефективним методом виробництва хітозану, який підходить для біомедичних застосувань. (див. Zhu et al., 2019)

Вища якість хітозану завдяки ультразвуковій деполімеризації та деацетилюванню

Процеси екстракції та деполімеризації хітину / хітозану, керовані ультразвуком, є точно контрольованими, а ультразвукові параметри процесу можна налаштувати відповідно до сировини та цільової якості кінцевого продукту (наприклад, молекулярна маса, ступінь деацетилювання). Це дозволяє адаптувати ультразвуковий процес до зовнішніх факторів та встановити оптимальні параметри для досягнення найкращого результату та ефективності.
Хітозан, деацетильований за допомогою ультразвуку, демонструє чудову біодоступність та біосумісність. При порівнянні біополімерів хітозану, отриманих за допомогою ультразвуку, з хітозаном, отриманим термічним методом, щодо біомедичних властивостей, хітозан, вироблений за допомогою ультразвуку, демонструє значно покращену життєздатність фібробластів (клітини L929) та посилену антибактеріальну активність як для Escherichia coli (E. coli), так і для Staphylococcus aureus (S. aureus).
(див. Zhu et al., 2018)

Високопродуктивне ультразвукове обладнання для обробки хітину та хітозану

Фрагментація хітину та деацетилювання хітину в хітозан вимагають потужного та надійного ультразвукового обладнання, яке може забезпечувати високі амплітуди, пропонує точну керованість параметрів процесу та може працювати цілодобово (24/7) під великим навантаженням і в складних умовах. Асортимент продукції Hielscher Ultrasonics надійно відповідає цим вимогам. Крім видатної ефективності ультразвуку, ультразвукові системи Hielscher вирізняються високою енергоефективністю, що є значною економічною перевагою, особливо при використанні в комерційному виробництві великих масштабів.
Ультразвукові системи Hielscher – це високоефективні системи, які можна обладнати аксесуарами, такими як сонотроди, підсилювачі, реактори або проточні комірки, щоб оптимально відповідати потребам вашого процесу. З цифровим кольоровим дисплеєм, можливістю попереднього налаштування режимів ультразвукової обробки, автоматичним записом даних на вбудовану SD-карту, дистанційним керуванням через браузер та багатьма іншими функціями, ультразвукові системи Hielscher забезпечують найвищий рівень контролю процесу та зручність використання. Поєднуючи надійність та високу вантажопідйомність, ультразвукові системи Hielscher є вашим надійним робочим конем у виробництві. Фрагментація хітину та деацетилювання вимагають потужного ультразвуку для отримання цільової конверсії та кінцевого продукту хітозану високої якості. Особливо для фрагментації пластівців хітину та етапів деполімеризації / деацетилювання критично важливими є високі амплітуди та підвищений тиск. Промислові ультразвукові процесори Hielscher Ultrasonics легко забезпечують дуже високі амплітуди. Амплітуди до 200µm можуть підтримуватися безперервно в режимі роботи 24/7. Для ще вищих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди. Потужність ультразвукових систем Hielscher дозволяє здійснювати ефективну та швидку деполімеризацію та деацетилювання в безпечному та зручному для користувача процесі.

Нижче наведена таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність обробки наших ультразвукових систем:

---

---

Синергічна обробка хітину, покращена ультразвуковою обробкою

Щоб подолати недоліки (тобто низьку ефективність, високі енерговитрати, тривалий час обробки, токсичні розчинники) традиційного хімічного та ферментативного деацетилювання хітину, інтенсивний ультразвук було інтегровано в обробку хітину та хітозану. Інтенсивна ультразвукова обробка та результуючі ефекти акустичної кавітації призводять до швидкого розриву полімерних ланцюгів та зменшення полідисперсності, сприяючи таким чином синтезу хітозану. Крім того, ультразвукові зсувні сили інтенсифікують масоперенесення в розчині, так що хімічні, гідролітичні або ферментативні реакції посилюються. Ультразвукова обробка хітину може поєднуватися з вже існуючими техніками обробки хітину, такими як хімічні методи, гідроліз або ферментативні процедури.

Хімічне деацетилювання та деполімеризація за ультразвукової допомоги

Оскільки хітин є нереакційноздатним та нерозчинним біополімером, він повинен пройти етапи процесу демінералізації, депротеїнізації та деполімеризації / деацетилювання, щоб отримати розчинний та біодоступний хітозан. Ці етапи процесу включають обробку сильними кислотами, такими як HCl, та сильними основами, такими як NaOH та KOH. Оскільки ці традиційні етапи процесу є неефективними, повільними та вимагають високих енерговитрат, інтенсифікація процесу за допомогою ультразвукової обробки значно покращує виробництво хітозану. Застосування потужного ультразвуку збільшує вихід та якість хітозану, скорочує процес від днів до кількох годин, дозволяє використовувати м’якші розчинники та робить весь процес більш енергоефективним.

Ультразвукове покращення депротеїнізації хітину

Vallejo-Dominguez et al. (2021) у своєму дослідженні депротеїнізації хітину виявили, що “застосування ультразвуку для виробництва біополімерів зменшило вміст білка, а також розмір частинок хітину. Хітозан із високим ступенем деацетилювання та середньою молекулярною масою був отриманий за допомогою ультразвукової обробки.”

Ультразвуковий гідроліз для деполямеризації хітину

Для хімічного гідролізу використовуються або кислоти, або луги для деацетилювання хітину, проте лужне деацетилювання (наприклад, гідроксид натрію NaOH) використовується ширше. Кислотний гідроліз є альтернативним методом традиційного хімічного деацетилювання, де розчини органічних кислот використовуються для деполямеризації хітину та хітозану. Метод кислотного гідролізу переважно використовується, коли молекулярна маса хітину та хітозану повинна бути однорідною. Цей традиційний процес гідролізу відомий як повільний, енерго- та коштовний. Потреба у сильних кислотах, високих температурах і тисках є факторами, які перетворюють процес гідролітичного отримання хітозану на дуже дорогий і тривалий. Використовувані кислоти потребують наступних процесів, таких як нейтралізація та демінералізація.
З інтеграцією високоефективного ультразвуку в процес гідролізу вимоги до температури та тиску для гідролітичного розщеплення хітину та хітозану можуть бути значно знижені. Крім того, ультразвукова обробка дозволяє використовувати нижчі концентрації кислот або м’якші кислоти. Це робить процес більш сталим, ефективним, економічним та екологічно чистим.

Хімічне деацетилювання за допомогою ультразвуку

Хімічна деструкція та деацетилювання хітину та хітозану переважно досягаються шляхом обробки хітину або хітозану мінеральними кислотами (наприклад, хлоридною кислотою HCl), нітритом натрію (NaNO₂), або пероксидом водню (H₂O₂). Ультразвук покращує швидкість деацетилювання, скорочуючи таким чином час реакції, необхідний для досягнення цільового ступеня деацетилювання. Це означає, що ультразвукова обробка зменшує необхідний час обробки з 12-24 годин до кількох годин. Крім того, ультразвукова обробка дозволяє використовувати значно нижчі концентрації хімічних речовин, наприклад, 40% (w/w) гідроксиду натрію за допомогою ультразвукової обробки, тоді як без використання ультразвуку потрібно 65% (w/w).

Ультразвуково-ферментативне деацетилювання

Хоча ферментативне деацетилювання є м’якою, екологічно безпечною формою обробки, його ефективність та витрати є неекономічними. Через складні, трудомісткі та дорогі наступні процеси ізоляції та очищення ферментів від кінцевого продукту, ферментативне деацетилювання хітину не впроваджується у комерційне виробництво, а використовується лише в наукових дослідницьких лабораторіях.
Попередня ультразвукова обробка перед ферментативним деацетилюванням фрагментує молекули хітину, збільшуючи таким чином площу поверхні та роблячи більше поверхні доступною для ферментів. Високоефективна ультразвукова обробка допомагає покращити ферментативне деацетилювання та робить процес більш економічним.