Виробництво хітину і хітозану з грибів
Ультразвук є високоефективним методом звільнення хітину і хітозану з грибкових джерел, таких як гриби. Хітин і хітозан необхідно деацетилювати при обробці вниз-потоку, щоб отримати якісний біополімер. Ультразвукова деацетилювання є високоефективною, простою та швидкою технікою, що призводить до високоякісних хітозанів з високою молекулярною масою та чудовою біодоступністю.
Хітин і хітозан, отримані з грибів за допомогою ультразвуку
Їстівні та лікарські гриби, такі як Lentinus edodes (шиітаке), Ganoderma lucidum (лінчжі або рейша), Inonotus obliquus (чага), Agaricus bisporus (гриби-кнопки), Hericium erinaceus (грива левів), Cordyceps sinensis (гриб-гусениця), Grifola frondosa (курочка з дерева), Trametes versicolor (Коріолюс лишай, Polyporus лишай, індичка) і багато інших видів грибів широко використовуються в їжу і для вилучення біологічно активних сполук. Ці гриби, а також переробні залишки (грибні відходи) можуть бути використані для отримання хітозану. Ультразвукове дослідження не тільки сприяє вивільненню хітину зі структури стінки грибкової клітини, але також призводить до перетворення хітину в цінний хітозан за допомогою ультразвукової деполімеризації та деацетилювання.
Деполімеризація та деацетилювання хітину до хітозану сприяє ультразвуковій обробці
Ультразвукове дослідження використовується для вилучення хітину з грибів. Крім того, ультразвук сприяє деполімеризації та деацетилюванню хітину з метою отримання високоякісного хітозану.
Інтенсивне ультразвукове дослідження за допомогою ультразвукової системи зондового типу - це метод, який використовується для сприяння деполімеризації та деацетилюванню хітину, що призводить до утворення хітозану. Хітин - це природний полісахарид, знайдений в екзоскелетах ракоподібних, комах і клітинних стінках деяких грибів. Хітозан отримують з хітину шляхом видалення ацетильних груп з молекули хітину.
Ультразвукова процедура перетворення грибкового хітину в хітозан
Коли інтенсивне ультразвукове дослідження застосовується для виробництва хітозану з хітину, суспензія хітину обробляється ультразвуком високої інтенсивності, низькочастотних ультразвукових хвиль, як правило, в діапазоні від 20 кГц до 30 кГц. Процес породжує інтенсивну акустичну кавітацію, яка відноситься до утворення, росту і колапсу мікроскопічних вакуумних бульбашок в рідині. Кавітація генерує локалізовані надзвичайно високі зсувні сили, високі температури (до декількох тисяч градусів Цельсія) і тиск (до декількох сотень атмосфер) в рідині, що оточує кавітаційні бульбашки. Ці екстремальні умови сприяють розщепленню полімеру хітину і подальшої деацетилювання.
SEM зображення хітинів і хітосанів з двох видів грибів: а) Хітина з L. vellereus; б) Хітін з П. рибіс; в) Хітозан від Л.веллерея; г) хітозан від П. рібіс.
фото і дослідження: © Ердоган та ін., 2017
Ультразвукова деполімеризація хітину
Деполімеризація хітину відбувається за допомогою комбінованого впливу механічних сил, таких як мікропотокове та рідке струмене, 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 піддаватися напрузі зсуву, що призводить до розрізання полімеру на більш дрібні фрагменти.
Ультразвукове деацетилювання хітину
На додаток до 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 і тиск, що утворюються під час кавітації, прискорюють реакцію деацетилювання. Реактивні умови, створювані кавітацією, допомагають розірвати ацетильні зв'язки в хітині, в результаті чого відбувається вивільнення оцтової кислоти і перетворення хітину в хітозан.
В цілому, інтенсивне ультразвукове дослідження покращує як процеси деполімеризації, так і деацетилювання, забезпечуючи необхідну механічну та хімічну енергію для розщеплення хітинового полімеру та полегшення перетворення в хітозан. Ця техніка пропонує швидкий і ефективний метод виробництва хітозану з хітину, з численним застосуванням у різних галузях промисловості, включаючи фармацевтику, сільське господарство та біомедичну інженерію.
Промислове виробництво хітозану з гриба з ультразвуком потужності
Комерційне виробництво хітину і хітозану в основному базується на відходах морської промисловості (наприклад, рибальство, заготівля молюсків і т.д.). Різні джерела сировини призводять до різних хітинових і хітозанових якостей, в результаті чого виробництво і коливання якості обумовлені сезонними коливаннями риболовлі. Крім того, хітозан, отриманий з грибкових джерел, пропонує, як повідомляється, чудові властивості, такі як однорідна довжина полімеру і більша розчинність в порівнянні з хітозаном з морських джерел. (пор. Гормаде та ін., 2017) Для того, щоб постачати рівномірний хітозан, видобуток хітину з грибкових видів став стабільним альтернативним виробництвом. Виробництво хітину і цитіосана з грибів може бути легко і надійно досягнуто за допомогою ультразвукової екстракції та технології деацетилювання. Інтенсивна ультразвукова звуження порушує клітинні структури для вивільнення хітину і сприяє масовому перенесенню у водних розчинниках для чудових врожаїв 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.
Ультразвукова інтенсифікація посилює вироблення грибкового хітозану і робить виробництво більш ефективним і економічним.
(фото та дослідження: © Чжу та ін., 2019)
ультраакулятор UP400St для видобутку грибів: Ультразвукова суміш дає високі врожаї біологічно активних сполук, таких як полісахариди хітин і хітозан
Результати досліджень для ультразвукового хітину та деацетилювання хітозану
Чжу та ін. (2018) роблять висновок у своєму дослідженні, що ультразвукова деацетилювання виявилася вирішальним проривом, перетворюючи β-хітин в хітозан з деацетилюванням 83-94% при знижених температурах реакції. На зображенні ліворуч показано зображення SEM ультразвукового деацетилованого хітозану (90 Вт, 15 хв, 20 вт / в% NaOH, 1:15 (g: mL) (фото і дослідження: © Чжу та ін., 2018)
У їхньому протоколі розчин NaOH (20 вт/об %) готували шляхом розчинення пластівців NaOH у воді DI. Потім розчин лугу додавали в осад GLSP (0,5 г) при твердо-рідкому співвідношенні 1:20 (г: мл) в пробірку для центрифуги. Хітозан додавали до NaCl (40 мл, 0,2 М) і оцтової кислоти (0,1 М) при співвідношенні об'єму розчину 1:1. Потім суспензію піддавали ультразвуку при м'якій температурі 25 ° C протягом 60 хв за допомогою ультразвукового пристрою зондового типу (250 Вт, 20 кГц). (пор Чжу та ін., 2018)
Pandit et al. (2021) виявив, що швидкість деградації розчинів хітозану рідко залежить від концентрацій кислоти, що використовується для розчинення полімеру, і багато в чому залежить від температури, інтенсивності ультразвукових хвиль та іонної сили середовища, що використовується для розчинення полімеру. (пор. Пандіт та ін., 2021)
В іншому дослідженні Чжу та ін. (2019) використовували порошки спор Ganoderma lucidum як грибкову сировину та досліджували ультразвукове деацетилювання та вплив параметрів обробки, таких як час ультразвукової обробки, співвідношення твердих речовин до рідини, концентрація NaOH та потужність опромінення на ступінь деацетилювання (DD) хітозану. Найвище значення DD було отримано при наступних ультразвукових параметрах: 20 хв ультразвукової обробки при 80 Вт, 10% (г: мл) NaOH, 1: 25 (г: мл). Морфологія поверхні, хімічні групи, термічна стабільність та кристалічність ультразвуково отриманого хітозану були вивчені за допомогою SEM, FTIR, TG та XRD. Дослідницька група повідомляє про значне підвищення ступеня деацетилювання (DD), динамічної в'язкості ([η]) та молекулярної маси (Mv ̄) ультразвукового хітозану. Результати підкреслили ультразвукову техніку деацетилювання грибів, дуже потужний метод виробництва хітозану, який підходить для біомедичних застосувань. (пор. Чжу та ін., 2019)
Чудова якість хітозану з ультразвуковою деполімеризацією та деацетилюванням
Ультразвукові процеси екстракції та деполімеризації хітину / хітозану точно контролюються, а параметри ультразвукового процесу можуть бути скориговані під сировину та цільову якість кінцевого продукту (наприклад, молекулярна вага, ступінь деацетилювання). Це дозволяє адаптувати процес ультразвуку до зовнішніх факторів і встановити оптимальні параметри для вищого результату і ефективності.
Ультразвуково деацетилований хітозан показує відмінну біодоступність і біосумісність. Коли ультразвуково підготовлені біополімери хітозану порівнюються з термічно отриманим хітозаном щодо біомедичних властивостей, ультразвуковий хітозан демонструє значно поліпшену життєздатність фібробластів (L929 cell) та підвищену антибактеріальну активність як для кишкової палички (E. coli), так і для золотистого стафілокока (S. aureus).
(пор. Чжу та ін., 2018)
Сканування електронно-мікроскопії (SEM) зображень у збільшенні 100 × a) Gladius, b) УЗД-оброблені Gladius, c) β-хіцин, d) УЗД-оброблені β-хіцин, і е) хітозан (джерело: Прету та ін. 2017)
Високопродуктивне ультразвукове обладнання для обробки хітину та хітозану
Фрагментація хітину та децетилювання хітину до хітозану вимагає потужного та надійного ультразвукового обладнання, яке може доставляти високі амплітуди, забезпечує точну контрольованість параметрів процесу та може працювати 24/7 під великим навантаженням та у вимогливих середовищах. Асортимент продукції Hielscher Ultrasonics надійно відповідає цим вимогам. Окрім видатних показників ультразвуку, ультразвукові апарати Hielscher можуть похвалитися високою енергоефективністю, що є значною економічною перевагою – особливо при виробництві на комерційному великомасштабному виробництві.
Ультразвукові апарати Hielscher - це високопродуктивні системи, які можуть бути оснащені аксесуарами, такими як сонотроди, прискорювачі, реактори або проточні клітини, щоб оптимально відповідати потребам вашого процесу. Завдяки цифровому кольоровому дисплею забезпечується можливість попередньо встановлених ультразвукових запусків, автоматичний запис даних на інтегровану SD-карту, віддалене керування браузером та багато інших функцій, найвищий контроль процесу та зручність у використанні. У поєднанні з надійністю та важкою несучою здатністю, ультразвукові системи Hielscher є вашим надійним робочим конем у виробництві.
Фрагментація хітину та деацетилювання вимагає потужного ультразвуку для отримання цілеспрямованої конверсії та кінцевого високоякісного продукту хітозану. Особливо для фрагментації пластівців хітину та етапів деполімеризації / деацетилювання вирішальне значення мають високі амплітуди та підвищений тиск. Hielscher Ultrasonics промислові ультразвукові процесори легко доставляють дуже високі амплітуди. Амплітуди до 200 мкм можна безперервно запускати в режимі 24/7. Для ще більш високих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди. Потужність ультразвукових систем Hielscher дозволяє ефективно і швидко проводити деполімеризацію і деацетилювання в безпечному і зручному процесі.
Ультразвуковий реактор з 2000Вт ультразвуковий зонд UIP2000hdT для екстракції хітину з грибів і подальшої деполімеризації / деацетилювання
| пакетний Обсяг | швидкість потоку | Рекомендовані пристрої |
|---|---|---|
| Від 1 до 500мл | Від 10 до 200мл / хв | UP100H |
| Від 10 до 2000мл | Від 20 до 400мл / хв | UP200Ht, UP400St |
| 0.1 до 20 л | 0.2 до 4л / хв | UIP2000hdT |
| Від 10 до 100 л | Від 2 до 10 л / хв | UIP4000hdT |
| застосовується | Від 10 до 100 л / хв | UIP16000 |
| застосовується | більший | кластер UIP16000 |
Зв'яжіться з нами! / Запитати нас!
Синергетичне лікування хітином, покращене ультразвуком
Для того, щоб подолати недоліки (тобто низьку ефективність, високу вартість енергії, тривалий час обробки, токсичні розчинники) традиційної хімічної та ферментативної деацетляції хітину, високоінтенсивний ультразвук був інтегрований в обробку хітину та хітозану. Високоінтенсивна ультразвукова обробка та отримані ефекти акустичної кавітації призводять до швидкого розрізання полімерних ланцюгів і зменшують полідисперсність, тим самим сприяючи синтезу хітозану. Крім того, ультразвукові сили зсуву посилюють масообмін у розчині, так що хімічна, гідролітична або ферментативна реакція посилюється. Ультразвукове лікування хітином можна поєднувати з уже існуючими методами обробки хітину, такими як хімічні методи, гідроліз або ферментативні процедури.
Ультразвукова хімічна деацетилювання та деполімеризація
Оскільки хітин є нереактивним і нерозчинним біополімером, він повинен пройти технологічні етапи демінералізації, депротеїнізації та деполімеризації / деацетилювання з метою отримання розчинного і біоацесійного хітозану. Ці етапи процесу включають лікування сильними кислотами, такими як HCl, і сильними основами, такими як NaOH і KOH. Оскільки ці звичайні кроки процесу неефективні, повільні і вимагають високих енергій, інтенсифікація процесу ультразвуком значно покращує виробництво хітозану. Застосування силового ультразвуку підвищує врожайність і якість хітозану, скорочує процес з днів до декількох годин, дозволяє давати більш м'які розчинники, робить весь процес більш енергоефективним.
Ультразвуково покращена депротеїнізація хітину
Vallejo-Dominguez et al. (2021) виявили у своєму дослідженні депротеїнізації хітину, що “Застосування ультразвуку для виробництва біополімерів зменшило вміст білка, а також розмір частинок хітину. Хітозан високого ступеня деацетилювання та середньої молекулярної маси був отриманий за допомогою ультразвукової допомоги.”
Ультразвуковий гідроліз для деполімеризації хітину
Для хімічного гідролізу для деацетилатату хітину використовуються або кислоти, або луги, однак більш широко використовується лужне деацетилювання лугу (наприклад, гідроксид натрію NaOH). Кислотний гідроліз є змінним методом традиційного хімічного деацетилювання, де розчини органічної кислоти використовуються для деполімеризації хітину і хітозану. Метод кислотного гідролізу в основному використовується, коли молекулярна маса хітину і хітозану повинна бути однорідною. Цей звичайний процес гідролізу відомий як повільний і енерго- і економічно інтенсивний. Потреба в сильних кислотах, високих температурах і тиску є факторами, які перетворюють гідролітичний процес хітозану в дуже дорогу і трудомістку процедуру. Використовувані кислоти вимагають процесів, таких як нейтралізація і опріснення.
При інтеграції ультразвуку високої потужності в процес гідролізу вимоги до температури і тиску для гідролітичного розщеплення хітину і хітозану можуть бути значно знижені. Крім того, ультразвуком дозволяє знизити концентрацію кислоти або використовувати більш м'які кислоти. Це робить процес більш стійким, ефективним, економічно ефективним і екологічним.
Ультразвукова хімічна деацетилювання
Хімічна дезінтеграція і деактилювання хітину і хітозану в основному досягається шляхом обробки хітину або хітозану мінеральними кислотами (наприклад, соляною кислотою HCl), нітритом натрію (NaNO).2), або перекис водню (H2О.2). Ультразвук покращує швидкість деацетилювання, тим самим скорочуючи час реакції, необхідний для отримання цільового ступеня деацетилювання. Це означає, що ультразвуком скорочується необхідний час обробки від 12-24 годин до декількох годин. Крім того, ультразвукова речовина дозволяє значно знизити хімічні концентрації, наприклад, 40% (вт / вт) гідроксиду натрію з використанням ультразвукової обробки, в той час як 65% (ж / ж) необхідні без використання ультразвуку.
Ультразвуково-ферментативна деацетилювання
Хоча ферментативна деацетилювання є м'якою, екологічно доброякісною формою обробки, її ефективність і витрати є неекономічними. Завдяки складній, трудомісткій і дорогій ізоляції і очищенню ферментів від кінцевого продукту ферментативна деацетилювання хітину не реалізується в комерційному виробництві, а використовується тільки в науково-дослідній лабораторії.
Ультразвукова попередня обробка перед ферментативним деацетлітацією фрагментів молекул хітину тим самим збільшує площу поверхні і робить більше поверхні доступною для ферментів. Високопродуктивна ультразвукова обробка допомагає поліпшити ферментативну деацетилювання і робить процес більш економічним.
Hielscher Ultrasonics виробляє високоефотозні ультразвукові гомогенізатори для змішування застосувань, дисперсії, емульгування та екстракції в лабораторних, пілотних і промислових масштабах.
Література/довідники
- Ospina Álvarez S.P., Ramírez Cadavid D.A., Escobar Sierra D.M., Ossa Orozco C.P., Rojas Vahos D.F., Zapata Ocampo P., Atehortúa L. (2014): Comparison of extraction methods of chitin from Ganoderma lucidum mushroom obtained in submerged culture. Biomed Research International 2014.
- Valu M.V., Soare L.C., Sutan N.A., Ducu C., Moga S., Hritcu L., Boiangiu R.S., Carradori S. (2020): Optimization of Ultrasonic Extraction to Obtain Erinacine A and Polyphenols with Antioxidant Activity from the Fungal Biomass of Hericium erinaceus. Foods, Dec 18;9(12), 2020.
- Erdoğan, Sevil & Kaya, Murat & Akata, Ilgaz (2017): Chitin extraction and chitosan production from cell wall of two mushroom species (Lactarius vellereus and Phyllophora ribis). AIP Conference Proceedings 2017.
- Zhu, L., Chen, X., Wu, Z., Wang, G., Ahmad, Z., & Chang, M. (2019): Optimization conversion of chitosan from Ganoderma lucidum spore powder using ultrasound‐assisted deacetylation: Influence of processing parameters. Journal of Food Processing and Preservation 2019.
- Li-Fang Zhu, Jing-Song Li, John Mai, Ming-Wei Chang (2019): Ultrasound-assisted synthesis of chitosan from fungal precursors for biomedical applications. Chemical Engineering Journal, Volume 357, 2019. 498-507.
- Zhu, Lifang; Yao, Zhi-Cheng; Ahmad, Zeeshan; Li, Jing-Song; Chang, Ming-Wei (2018): Synthesis and Evaluation of Herbal Chitosan from Ganoderma Lucidum Spore Powder for Biomedical Applications. Scientific Reports 8, 2018.
- G.J. Price, P.J. West, P.F. Smith (1994): Control of polymer structure using power ultrasound. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 1, Issue 1, 1994. S51-S57.
Факти варті знати
Як працює ультразвукова екстракція та деацетилювання хітину?
Коли ультразвукові хвилі потужності є парами в рідину або суспензію (наприклад, суспензія, що складається з хітину в розчиннику), ультразвукові хвилі проходять через рідину, викликаючи чергування циклів високого тиску / низького тиску. Під час циклів низького тиску створюються хвилинні вакуумні бульбашки (так звані кавітаційні бульбашки), які ростуть протягом декількох циклів тиску. При певному розмірі, коли бульбашки не можуть поглинути більше енергії, вони сильно вибухають під час циклу високого тиску. Імплозія бульбашки характеризується інтенсивними кавітаційними (так званими сономеханічними) силами. Ці сономеханічні умови виникають локально в кавітаційній гарячій точці і характеризуються дуже високими температурами та тиском до 4000K та 1000atm відповідно; а також відповідні диференціали високої температури і тиску. Утворюються фуртермори, мікротурбулентності та рідкі потоки зі швидкістю до 100 м/с. Ультразвукова екстракція хітину та хітозану з грибів та ракоподібних, а також деполімеризація хітину та деацетилювання в основному викликані сономеханічними ефектами: хвилювання та турбулентності порушують клітини та сприяють масовому перенесенню, а також можуть розрізати полімерні ланцюги в поєднанні з кислотними або лужними розчинниками.
Принцип роботи вилучення хітину за допомогою ультразвуку
Ультразвукова екстракція ефективно порушує клітинну структуру грибів і вивільняє внутрішньоклітинні сполуки з клітинної стінки та внутрішньої частини клітини (тобто полісахариди, такі як хітин і хітозан та інші біологічно активні фітохімічні речовини) в розчинник. Ультразвукова екстракція заснована на робочому принципі акустичної кавітації. Вплив ультразвукової / акустичної кавітації - це сили високого зсуву, турбулентності та диференціалу інтенсивного тиску. Ці сономеханічні сили руйнують клітинні структури, такі як стінки хітинових грибних клітин, сприяють масовому перенесенню між біоматеріалом гриба і розчинником і призводять до дуже високих врожаїв екстрактів в рамках швидкого процесу. Крім того, ультразвуком сприяє стерилізації екстрактів, вбиваючи бактерії і мікроби. Мікробна інактивація ультразвуком є результатом руйнівних кавітаційних сил клітинної мембрани, вироблення вільних радикалів і локалізованого нагрівання.
Принцип роботи деполімеризації та деацетилювання за допомогою ультразвуку
Полімерні ланцюги потрапляють у ультразвуково генероване поле зсуву навколо кавітаційної бульбашки, а сегменти ланцюга полімерної котушки поблизу порожнини, що руйнується, будуть рухатися з більшою швидкістю, ніж ті, що далі. Потім на полімерному ланцюгу утворюються напруги через відносний рух полімерних сегментів і розчинників, і їх достатньо, щоб викликати розщеплення. Таким чином, процес схожий на інші ефекти зсуву в полімерних розчинах ~ 2 ° і дає дуже схожі результати. (пор. Прайс та ін., 1994)
хітин
Хітин є полімером N-ацетилглюкозаміну (полі-(β-(1-4)-N-ацетил-D-глюкозамін), є природним полісахаридом, широко поширеним в екзоскелеті безхребетних, таких як ракоподібні та комахи, внутрішньому скелеті кальмарів і каракатиць, а також клітинних стінках грибів. Вбудований в структуру клітинних стінок грибів, хітин відповідає за форму і жорсткість клітинної стінки гриба. Для багатьох застосувань хітин перетворюється в його деацетильоване похідне, відоме як хітозан за допомогою процесу деполімеризації.
хітозану є найбільш поширеним і найціннішим похідним хітину. Це високомолекулярний полісахарид, пов'язаний з b-1,4 глікозидом, що складається з N-ацетил-глюкозаміну і глюкозаміну.
Хітозан може бути отриманий за допомогою хімічних або ферментативних н-деацетилювання. У хімічно керованому процесі деацетилювання ацетильна група (R-NHCOCH)3) відщеплюється сильною лугом при високих температурах. Крім того, хітозан може бути синтезований за допомогою ферментативного деацетилювання. Однак у масштабах промислового виробництва хімічна деацетилювання є кращою технікою, оскільки ферментативне деацетилювання значно менш ефективне через високу вартість ферментів деацетилази та низькі отримані врожаї хітозану. Ультразвукове дослідження використовується для посилення хімічної деградації (1→4)-/β-зчеплення (деполімеризація) та ефекту деацетилювання хітину для отримання високоякісного хітозану.
При застосуванні ультразвуку в якості попередньої обробки ферментативного деацетилювання також поліпшується врожайність і якість хітозану.
Hielscher Ультразвук виробляє високоемоціивні ультразвукові гомогенізатори з Лабораторія до промислових розмірів.