Виробництво хітину і хітозану з грибів

Ультразвук є високоефективним методом вивільнення хітину та хітозану з грибкових джерел, таких як гриби. Хітин і хітозан повинні бути деполімеризовані і деацетильовані в подальшій обробці, щоб отримати високоякісний біополімер. Ультразвукова деполімеризація та деацетилювання є високоефективним, простим та швидким методом, результатом якого є високоякісні хітозани з високою молекулярною масою та чудовою біодоступністю.

Хітин і хітозан, отримані з грибів за допомогою ультразвуку

Їстівні та лікувальні гриби, такі як Lentinus edodes (шиітаке), Ganoderma lucidum (Лінчжі або рейші), Inonotus obliquus (чага), Agaricus bisporus (гриби-гудзики), Hericium erinaceus (левова грива), Cordyceps sinensis (гриб-гусениця), Grifola frondosa (курка з дерева), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, індичий хвіст) та багато інших видів грибів, які використовуються в їжу та для вилучення біологічно активних сполук. Ці гриби, а також залишки переробки (грибні відходи) можуть бути використані для виробництва хітозану. Ультразвук не тільки сприяє вивільненню хітину зі структури клітинної стінки гриба, але й стимулює перетворення хітину в цінний хітозан за допомогою ультразвукової деполімеризації та деацетилювання.

 

Інтенсивне ультразвукове дослідження з використанням ультразвукової системи зондового типу - це методика, яка використовується для сприяння деполімеризації та деацетилюванню хітину, що призводить до утворення хітозану. Хітин - це природний полісахарид, який міститься в екзоскелетах ракоподібних, комах і клітинних стінках деяких грибів. Хітозан отримують з хітину шляхом видалення ацетильних груп з молекули хітину.

Ультразвукова процедура при перетворенні грибкового хітину в хітозан

Коли для виробництва хітозану з хітину застосовують інтенсивне ультразвукове випромінювання, суспензію хітину ультразвукують високоінтенсивними низькочастотними ультразвуковими хвилями, як правило, в діапазоні від 20 кГц до 30 кГц. Процес породжує інтенсивну акустичну кавітацію, яка відноситься до утворення, росту та руйнування мікроскопічних вакуумних бульбашок у рідині. Кавітація створює локалізовані надзвичайно високі зсувні сили, високі температури (до кількох тисяч градусів за Цельсієм) і тиск (до кількох сотень атмосфер) у рідині, що оточує кавітаційні бульбашки. Ці екстремальні умови сприяють розпаду полімеру хітину і подальшого деацетилювання.
 

 

Ультразвукова деполімеризація хітину

Деполімеризація хітину відбувається за допомогою комбінованого впливу механічних сил, таких як мікропотокове та струменеве струмінь рідини, а також за допомогою ультразвуково ініційованих хімічних реакцій, індукованих вільними радикалами та іншими реактивними видами, що утворюються під час кавітації. Хвилі високого тиску, що утворюються під час кавітації, змушують хітинові ланцюги зазнавати напруги зсуву, що призводить до розщеплення полімеру на більш дрібні фрагменти.

Ультразвукове деацетилювання хітину

Крім деполімеризації, інтенсивне ультразвукове дослідження також сприяє деацетилюванню хітину. Деацетилювання передбачає видалення ацетильних груп з молекули хітину, що призводить до утворення хітозану. Інтенсивна ультразвукова енергія, особливо високі температури та тиск, що виникають під час кавітації, прискорюють реакцію деацетилювання. Реактивні умови, створені кавітацією, сприяють розриву ацетильних зв'язків у хітині, що призводить до вивільнення оцтової кислоти та перетворення хітину в хітозан.
Загалом інтенсивний ультразвук посилює процеси деполімеризації та деацетилювання, забезпечуючи необхідну механічну та хімічну енергію для розщеплення полімеру хітину та полегшення перетворення на хітозан. Ця техніка пропонує швидкий і 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 і хітозану в основному базується на відходах морської промисловості (наприклад, рибальства, заготівлі черепашок і т.д.). Різні джерела сировини призводять до різних якостей хітину та хітозану, що є результатом коливань виробництва та якості через сезонні коливання рибальства. Крім того, хітозан, отриманий з грибкових джерел, демонструє, як повідомляється, чудові властивості, такі як однорідна довжина полімеру та більша розчинність у порівнянні з хітозаном з морських джерел. (пор. Ghormade та ін., 2017) Для того, щоб забезпечити однорідний хітозан, екстракція хітину з видів грибів стала стабільним альтернативним виробництвом. Виробництво хітину і цитіозану з грибів можна легко і надійно досягти за допомогою технології ультразвукової екстракції і деацетилювання. Інтенсивна ультразвукова діагностика порушує клітинні структури для вивільнення хітину та сприяє перенесенню маси у водних розчинниках для кращого виходу хітину та ефективності екстракції. Подальше ультразвукове деацетилювання перетворює хітин в цінний хітозан. Як ультразвукова екстракція хітину, так і деацетилювання до хітозану можуть бути лінійно масштабовані до будь-якого комерційного рівня виробництва.

Результати досліджень при ультразвуковому деацетилюванні хітину та хітозану

Zhu et al. (2018) у своєму дослідженні роблять висновок, що ультразвукове деацетилювання виявилося вирішальним проривом, перетворюючи β-хітин на хітозан із 83–94% деацетилюванням при знижених температурах реакції. На малюнку ліворуч показано зображення SEM ультразвуково деацетильованого хітозану (90 Вт, 15 хв, 20 w/v% NaOH, 1:15 (г: мл) (малюнок і дослідження: © Zhu et al., 2018)
У їхньому протоколі розчин NaOH (20 w/v %) був приготовлений шляхом розчинення пластівців NaOH у воді DI. Потім розчин лугу додавали до осаду GLSP (0,5 г) у співвідношенні тверда речовина до рідини 1:20 (г: мл) у центрифужну пробірку. Хітозан додавали до NaCl (40 мл, 0,2 М) та оцтової кислоти (0,1 М) у співвідношенні об'єму розчину 1:1. Потім суспензію піддавали ультразвуковій обробці при помірній температурі 25 ° C протягом 60 хв за допомогою зондового ультразвукового апарату (250 Вт, 20 кГц). (пор. Чжу та ін., 2018)
 
Pandit et al. (2021) виявили, що на швидкість деградації розчинів хітозану рідко впливають концентрації кислоти, яка використовується для розчинення полімеру, і значною мірою залежить від температури, інтенсивності ультразвукових хвиль та іонної сили середовищ, які використовуються для розчинення полімеру. (пор. Пандіт та ін., 2021)
 
В іншому дослідженні Zhu et al. (2019) використовували порошки спор Ganoderma lucidum як грибкову сировину та досліджували деацетилювання за допомогою ультразвуку та вплив таких параметрів обробки, як час звуку, співвідношення твердої речовини та рідини, концентрація NaOH та потужність опромінення на ступінь деацетилювання (DD) хітозану. Найбільше значення ДД було отримано при наступних ультразвукових параметрах: 20 хв УЗД при 80W, 10% (г:мл) NaOH, 1:25 (г:мл). Морфологію поверхні, хімічні групи, термічну стабільність і кристалічність хітозану, отриманого ультразвуковим шляхом, досліджували за допомогою SEM, FTIR, TG і XRD. Дослідницька група повідомляє про значне підвищення ступеня деацетилювання (DD), динамічної в'язкості ([η]) і молекулярної маси (Mv ̄) хітозану, отриманого ультразвуком. Результати підкреслили методику ультразвукового деацетилювання грибів, високопотужний метод виробництва хітозану, який підходить для біомедичних застосувань. (пор. Чжу та ін., 2019)

Неперевершена якість хітозану з ультразвуковою деполімеризацією та деацетилюванням

Ультразвукові процеси екстракції та деполімеризації хітину / хітозану точно контролюються, а параметри ультразвукового процесу можуть бути скориговані відповідно до сировини та цільової якості кінцевого продукту (наприклад, молекулярна маса, ступінь деацетилювання). Це дозволяє адаптувати процес ультразвуку до зовнішніх факторів і встановити оптимальні параметри для досягнення кращого результату і ефективності.
Ультразвуково деацетильований хітозан показує відмінну біодоступність і біосумісність. Коли біополімери хітозану порівнюють з хітозаном, отриманим термічно отриманим за допомогою біомедичних властивостей, хітозан, отриманий ультразвуком, демонструє значно покращену життєздатність фібробластів (клітин L929) та підвищену антибактеріальну активність як для кишкової палички (E. coli), так і для золотистого стафілокока (S. aureus).
(пор. Чжу та ін., 2018)
 

Високопродуктивне ультразвукове обладнання для обробки хітином і хітозаном

Фрагментація хітину та децетилювання хітину до хітозану вимагає потужного та надійного ультразвукового обладнання, яке може видавати високі амплітуди, забезпечує точний контроль параметрів процесу та може працювати 24/7 при великому навантаженні та у вимогливих умовах. Асортимент продукції Hielscher Ultrasonics надійно відповідає цим вимогам. Крім видатних ультразвукових характеристик, ультразвукові апарати Hielscher можуть похвалитися високою енергетичною ефективністю, що є значною економічною перевагою – Особливо при використанні на комерційному великосерійному виробництві.
Ультразвукові апарати Hielscher - це високопродуктивні системи, які можуть бути оснащені аксесуарами, такими як сонотроди, бустери, реактори або проточні комірки, щоб оптимально відповідати потребам вашого процесу. Завдяки цифровому кольоровому дисплею, можливості попередньо встановити ультразвукові проходи, автоматичному запису даних на вбудовану SD-карту, дистанційному керуванню браузером та багатьом іншим функціям, ультразвукові апарати Hielscher забезпечують найвищий контроль процесу та зручність використання. У поєднанні з міцністю та великою вантажопідйомністю ультразвукові системи Hielscher стануть вашою надійною робочою конячкою на виробництві. 
Фрагментація та деацетилювання хітину вимагає потужного ультразвуку для отримання цілеспрямованого перетворення та кінцевого продукту хітозану високої якості. Особливо для дроблення хітинових пластівців і етапів деполімеризації / деацетилювання вирішальне значення мають високі амплітуди і підвищений тиск. Промислові ультразвукові процесори Hielscher Ultrasonics легко видають дуже високі амплітуди. Амплітуди до 200 мкм можуть безперервно працювати в режимі 24/7. Для ще більш високих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди. Потужність ультразвукових систем Hielscher дозволяє проводити ефективну та швидку деполімеризацію та деацетилювання в безпечному та зручному для користувача процесі.
 

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів:

---

---

Синергічне лікування хітином, покращене ультразвуковою діагностикою

Щоб подолати недоліки (тобто низьку ефективність, високу вартість енергії, тривалий час обробки, токсичні розчинники) традиційної хімічної та ферментативної деацетлітії хітину, високоінтенсивний ультразвук був інтегрований у обробку хітину та хітозану. Ультразвукова обробка високої інтенсивності і викликані нею ефекти акустичної кавітації призводять до швидкого розщеплення полімерних ланцюгів і зниження полідисперсності, тим самим сприяючи синтезу хітозану. Крім того, ультразвукові зсувні сили посилюють масообмін у розчині, що призводить до посилення хімічної, гідролітичної або ферментативної реакції. Лікування ультразвуковим хітином можна поєднувати з уже існуючими методами обробки хітину, такими як хімічні методи, гідроліз або ферментативні процедури.

Хімічне деацетилювання та деполімеризація за допомогою ультразвуку

Оскільки хітин є нереактивним і нерозчинним біополімером, він повинен пройти етапи процесу демінералізації, депротеїнізації і деполімеризації / деацетилювання з метою отримання розчинного і біоацесируемого хітозану. Ці етапи процесу включають обробку сильними кислотами, такими як HCl, і сильними основами, такими як NaOH і KOH. Оскільки ці звичайні етапи процесу неефективні, повільні та вимагають високих енергій, інтенсифікація процесу шляхом ультразвукового дослідження значно покращує виробництво хітозану. Застосування енергетичного ультразвуку збільшує вихід і якість хітозану, скорочує процес з днів до декількох годин, дозволяє використовувати більш м'які розчинники і робить весь процес більш енергоефективним.

Ультразвуково покращена депротеїнізація хітину

Vallejo-Dominguez et al. (2021) у своєму дослідженні депротеїнізації хітину виявили, що “Застосування ультразвуку для виробництва біополімерів дозволило знизити вміст білка, а також розмір частинок хітину. Хітозан високого ступеня деацетилювання і середньої молекулярної маси був отриманий за допомогою ультразвуку.”

Ультразвуковий гідроліз для деполімеризації хітину

Для хімічного гідролізу використовують або кислоти, або луги для деацетилювання хітину, однак більш широко використовується лужне деацетилювання (наприклад, гідроксид натрію NaOH). Кислотний гідроліз є альтернативним методом традиційного хімічного деацетилювання, коли розчини органічних кислот використовуються для деполімеризації хітину та хітозану. Метод кислотного гідролізу в основному використовується тоді, коли молекулярна маса хітину і хітозану повинна бути однорідною. Цей традиційний процес гідролізу відомий як повільний і енерго- та витратний. Потреба в сильних кислотах, високих температурах і тиску є факторами, які перетворюють гідролітичний процес хітозану в дуже дорогу і трудомістку процедуру. Використовувані кислоти вимагають подальших процесів, таких як нейтралізація та знесолення.
Завдяки інтеграції ультразвуку високої потужності в процес гідролізу вимоги до температури та тиску для гідролітичного розщеплення хітину та хітозану можуть бути значно знижені. Крім того, ультразвук дозволяє досягти нижчих концентрацій кислот або використовувати більш м'які кислоти. Це робить процес більш стійким, ефективним, економічно вигідним та екологічно чистим.

Хімічне деацетилювання за допомогою ультразвуку

Хімічний розпад і деактейлювання хітину і хітозану в основному досягається обробкою хітину або хітозану мінеральними кислотами (наприклад, соляною кислотою HCl), нітритом натрію (NaNO₂), або перекис водню (Н₂O₂). Ультразвук покращує швидкість деацетилювання, тим самим скорочуючи час реакції, необхідний для отримання цільового ступеня деацетилювання. Це означає, що ультразвук скорочує необхідний час обробки з 12-24 годин до декількох годин. Крім того, ультразвукове дослідження дозволяє отримати значно нижчі хімічні концентрації, наприклад, 40% (w/w) гідроксиду натрію за допомогою ультразвуку, тоді як 65% (w/w) потрібні без використання ультразвуку.

Ультразвуково-ферментативне деацетилювання

Незважаючи на те, що ферментативне деацетилювання є м'якою, екологічно безпечною формою обробки, його ефективність і витрати є невигідними. У зв'язку зі складним, трудомістким і дорогим подальшим виділенням і очищенням ферментів від кінцевого продукту, ферментативне деацетилювання хітину не впроваджується в промисловому виробництві, а використовується тільки в науково-дослідних лабораторіях.
Ультразвукова попередня обробка перед ферментативною деацетлітацією фрагментує молекули хітину, тим самим збільшуючи площу поверхні і роблячи більш доступною для ферментів поверхню. Високоефективне ультразвукове дослідження сприяє поліпшенню ферментативного деацетилювання і робить процес більш економічним.