Qo'ziqorinlardan xitin va xitozan ishlab chiqarish

Ultrasonikatsiya qo'ziqorin kabi qo'ziqorin manbalaridan xitin va xitozanni chiqarishning yuqori samarali usuli hisoblanadi. Yuqori sifatli biopolimerni olish uchun xitin va xitozan quyi oqimda deatsetillangan bo'lishi kerak. Ultratovushli deasetilatsiya yuqori samarali, sodda va tezkor usul bo'lib, yuqori molekulyar og'irlik va yuqori bioavailability bilan yuqori sifatli xitosanlarga olib keladi.

Qo'ziqorinlardan Chitin va Chitosan

Lentinus edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi yoki reishi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (tugmacha qo'ziqorinlari), Hericium erinaceus (sherning yelesi), Cordyceps sinensis (katerpila), Grippillar kabi qutulish mumkin va dorivor qo'ziqorinlar yog'och tovuqi), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, turkeytail) va boshqa ko'plab qo'ziqorin turlari oziq-ovqat sifatida va bioaktiv birikmalarni olish uchun keng qo'llaniladi. Ushbu qo'ziqorinlar, shuningdek, qayta ishlash qoldiqlari (qo'ziqorin chiqindilari) xitozan ishlab chiqarish uchun ishlatilishi mumkin. Ultrasonikatsiya nafaqat qo'ziqorin hujayra devori tuzilishidan xitinning chiqarilishiga yordam beradi, balki ultratovushli depolimerizatsiya orqali chitionning qimmatli xitosanga aylanishiga ham yordam beradi.

Xitinning xitozanga dezetilatsiyasi sonikasyon bilan yordam beradi

chitinN-asetilglyukosamin polimeri (poli-(b-(1-4)-N-asetil-D-glyukozamin) boʻlgan umurtqasiz hayvonlar, masalan, qisqichbaqasimonlar va hasharotlar ekzoskeletida keng tarqalgan tabiiy polisaxarid, ichki skelet. kalamar va qisqichbaqasimon baliqlarning hamda zamburug‘larning hujayra devorlari.Qo‘ziqorin hujayra devorlarining tuzilishiga kiritilgan xitin zamburug‘ hujayra devorining shakli va qattiqligi uchun javobgardir.Ko‘pgina ilovalar uchun xitin o‘zining deatsetillangan hosilasiga aylanadi. depolimerizatsiya jarayoni orqali xitosan.
chitosan xitinning eng keng tarqalgan va eng qimmatli hosilasi hisoblanadi. Bu N-asetil-glyukozamin va glyukozamindan tashkil topgan b-1,4 glikozid bilan bog'langan yuqori molekulyar og'irlikdagi polisakkariddir.
Chitosan kimyoviy yoki fermentativ yo'l bilan olinishi mumkin n- deasetilatsiya. Kimyoviy deasetilatsiya jarayonida asetil guruhi (R-NHCOCH₃) yuqori haroratda kuchli gidroksidi tomonidan parchalanadi. Shu bilan bir qatorda, xitosanni fermentativ deatsetilatsiya orqali sintez qilish mumkin. Biroq, sanoat ishlab chiqarish miqyosida kimyoviy deatsetilatsiya afzal ko'rilgan usuldir, chunki deatsetilaz fermentlarining yuqori narxi va olingan xitosanning past mahsuldorligi tufayli fermentativ deatsetilatsiya sezilarli darajada kam samarali bo'ladi. Ultrasonikatsiya (1→4)-/b-bog'lanishning (depolimerizatsiya) kimyoviy degradatsiyasini kuchaytirish va yuqori sifatli xitosan olish uchun xitinning deasetilatsiyasini ta'sir qilish uchun ishlatiladi. Enzimatik deatsetilatsiya uchun oldindan davolash sifatida sonikatsiya qo'llanilganda, xitosanning hosildorligi va sifati ham yaxshilanadi.

Ultratovushli qo'ziqorinlardan sanoat chitosan ishlab chiqarish

Tijoriy xitin va xitozan ishlab chiqarish asosan dengiz sanoati chiqindilariga (ya'ni baliq ovlash, qobiqli baliqlarni yig'ish va boshqalar) asoslangan. Turli xil xom ashyo manbalari turli xil xitin va xitosan sifatlariga olib keladi, bu esa mavsumiy baliq ovlash o'zgarishi tufayli ishlab chiqarish va sifatning o'zgarishiga olib keladi. Bundan tashqari, qo'ziqorin manbalaridan olingan xitosan dengiz manbalaridan olingan xitosan bilan solishtirganda bir hil polimer uzunligi va ko'proq eruvchanligi kabi yuqori xususiyatlarni taqdim etadi. (Qarang: Ghormade va boshq., 2017) Yagona xitosan bilan ta'minlash uchun zamburug'li turlardan xitin olish barqaror alternativ ishlab chiqarishga aylandi. Qo'ziqorinlardan xitin va sitiosan ishlab chiqarish ultratovushli ekstraktsiya va deasetilatsiya texnologiyasidan foydalangan holda oson va ishonchli bo'lishi mumkin. Kuchli sonikatsiya xitinni chiqarish uchun hujayra tuzilmalarini buzadi va xitinning yuqori rentabelligi va ekstraktsiya samaradorligi uchun suvli erituvchilarda massa o'tkazilishiga yordam beradi. Keyinchalik ultratovushli deasetilatsiya xitinni qimmatli xitosanga aylantiradi. Ultrasonik xitin ekstraktsiyasi va xitosanga deasetilatsiya har qanday tijorat ishlab chiqarish darajasiga chiziqli ravishda o'lchanishi mumkin.

Sonication qo'ziqorin chitosan ishlab chiqarishni kuchaytiradi va ishlab chiqarishni yanada samarali va tejamkor qiladi.
(rasm va tadqiqot: © Zhu va boshqalar, 2019)

Sonication orqali yuqori samarali xitosan sintezi

An'anaviy kimyoviy va fermentativ xitin deatsetlitsiyasining kamchiliklarini (ya'ni, past samaradorlik, yuqori energiya narxi, uzoq ishlov berish muddati, zaharli erituvchilar) bartaraf etish uchun yuqori intensivlikdagi ultratovush xitin va xitozanni qayta ishlashga birlashtirildi. Yuqori intensiv sonikatsiya va natijada akustik kavitatsiyaning ta'siri polimer zanjirlarining tez parchalanishiga olib keladi va polidispersiyani kamaytiradi va shu bilan xitosan sintezini rag'batlantiradi. Bundan tashqari, ultratovush kesish kuchlari kimyoviy, gidrolitik yoki fermentativ reaktsiyani kuchaytirish uchun eritmadagi massa o'tkazuvchanligini kuchaytiradi.

Ultratovush yordamida kimyoviy deasetilatsiya va depolimerizatsiya

Xitin reaktiv bo'lmagan va erimaydigan biopolimer bo'lganligi sababli, eriydigan va biologik kirish mumkin bo'lgan xitosanni olish uchun u demineralizatsiya, deproteinizatsiya va depolimerizatsiya / deasetilatsiya jarayonlaridan o'tishi kerak. Ushbu jarayon bosqichlari HCl kabi kuchli kislotalar va NaOH va KOH kabi kuchli asoslar bilan ishlov berishni o'z ichiga oladi. Ushbu an'anaviy jarayon bosqichlari samarasiz, sekin va yuqori energiya talab qilganligi sababli, sonikatsiya orqali jarayonni kuchaytirish xitosan ishlab chiqarishni sezilarli darajada yaxshilaydi. Quvvatli ultratovushni qo'llash xitosan rentabelligi va sifatini oshiradi, jarayonni bir necha kundan bir necha soatgacha qisqartiradi, yumshoqroq erituvchilarga imkon beradi va butun jarayonni energiya tejamkor qiladi.

Chitinning ultratovushli takomillashtirilgan deproteinizatsiyasi

Vallexo-Dominges va boshqalar. (2021) xitinning deproteinizatsiyasi bo'yicha tadqiqotlarida "biopolimerlarni ishlab chiqarish uchun ultratovushni qo'llash oqsil tarkibini, shuningdek, xitinning zarracha hajmini kamaytirdi. Ultratovush yordamida yuqori deasetilatsiya darajasi va o'rta molekulyar og'irlikdagi xitosan ishlab chiqarilgan.

Chitin depolimerizatsiyasi uchun ultratovushli gidroliz

Kimyoviy gidroliz uchun xitinni deatsetillash uchun kislotalar yoki ishqorlar ishlatiladi, ammo gidroksidi deatsetilizatsiya (masalan, natriy gidroksid NaOH) kengroq qo'llaniladi. Kislota gidrolizi an'anaviy kimyoviy deasetilatsiyaga muqobil usul bo'lib, u erda organik kislota eritmalari xitin va xitozanni depolimerizatsiya qilish uchun ishlatiladi. Kislota gidrolizi usuli asosan xitin va xitozanning molekulyar og'irligi bir hil bo'lishi kerak bo'lganda qo'llaniladi. Ushbu an'anaviy gidroliz jarayoni sekin va energiya va ko'p xarajat sifatida tanilgan. Kuchli kislotalarga bo'lgan talab, yuqori harorat va bosim gidrolitik xitosan jarayonini juda qimmat va vaqt talab qiladigan jarayonga aylantiradigan omillardir. Amaldagi kislotalar neytrallash va tuzsizlantirish kabi quyi oqim jarayonlarini talab qiladi.
Yuqori quvvatli ultratovushni gidroliz jarayoniga integratsiyalashgan holda, xitin va xitosanning gidrolitik bo'linishi uchun harorat va bosim talablari sezilarli darajada kamayishi mumkin. Bundan tashqari, sonikatsiya past kislota kontsentratsiyasini yoki yumshoqroq kislotalarni qo'llash imkonini beradi. Bu jarayonni yanada barqaror, samarali, tejamkor va ekologik toza qiladi.

Ultratovush yordamida kimyoviy deasetilatsiya

Xitin va xitozanning kimyoviy parchalanishi va deaktilyatsiyasi asosan xitin yoki xitosanni mineral kislotalar (masalan, xlorid kislota HCl), natriy nitrit (NaNO) bilan davolash orqali amalga oshiriladi.₂) yoki vodorod periks (H₂The₂). Ultratovush deatsetillanish tezligini yaxshilaydi va shu bilan maqsadli deasetilatsiya darajasini olish uchun zarur bo'lgan reaktsiya vaqtini qisqartiradi. Bu shuni anglatadiki, sonikatsiya 12-24 soat talab qilinadigan ishlov berish vaqtini bir necha soatgacha qisqartiradi. Bundan tashqari, sonikatsiya kimyoviy konsentratsiyalarni sezilarli darajada kamaytirishga imkon beradi, masalan, ultratovush yordamida 40% (w/w) natriy gidroksid, ultratovush ishlatmasdan esa 65% (w/w) talab qilinadi.

Ultrasonik-enzimatik deasetilatsiya

Enzimatik deatsetilatsiya engil, ekologik jihatdan xavfsiz ishlov berish shakli bo'lsa-da, uning samaradorligi va xarajatlari iqtisodiy emas. Fermentlarni yakuniy mahsulotdan murakkab, ko'p mehnat talab qiladigan va qimmat quyi oqim izolyatsiyasi va tozalash tufayli fermentativ xitin deasetilatsiyasi tijorat ishlab chiqarishda qo'llanilmaydi, faqat ilmiy tadqiqot laboratoriyasida qo'llaniladi.
Enzimatik deatsetlitatsiyadan oldin ultratovushli dastlabki ishlov berish xitin molekulalarini parchalaydi, shu bilan sirt maydonini kengaytiradi va fermentlar uchun ko'proq sirt mavjud bo'ladi. Yuqori samarali sonikatsiya fermentativ deasetilatsiyani yaxshilashga yordam beradi va jarayonni yanada tejamkor qiladi.

Ultrasonik xitin va xitozan deasetilatsiyasi uchun tadqiqot natijalari

Zhu va boshqalar. (2018) o'z tadqiqotlarida ultratovushli deatsetilatsiya muhim yutuq bo'lib, b-xitinni past reaktsiya haroratida 83-94% deasetilatsiya bilan xitosanga aylantirgan degan xulosaga keldi. Chapdagi rasmda ultratovushli deatsetillangan xitozanning SEM tasviri ko'rsatilgan (90 Vt, 15 min, 20 v/v% NaOH, 1:15 (g: ml) (rasm va tadqiqot: © Zhu va boshqalar, 2018)
Ularning protokolida NaOH eritmasi (20 w/v %) NaOH parchalarini DI suvida eritib tayyorlangan. Keyin gidroksidi eritmasi GLSP cho'kindisiga (0,5 g) qattiq-suyuqlik nisbati 1:20 (g: ml) bilan santrifüj naychasiga qo'shildi. Chitosan NaCl (40 ml, 0,2 M) va sirka kislotasiga (0,1 M) 1: 1 eritma hajmi nisbatida qo'shildi. Keyin suspenziya prob tipidagi ultratovush apparati (250W, 20kHz) yordamida 60 daqiqa davomida 25 ° C yumshoq haroratda ultratovushga duchor qilindi. (Chju va boshq., 2018 yilga qarang)
Pandit va boshqalar. (2021) xitosan eritmalarining parchalanish tezligi polimerni eritish uchun ishlatiladigan kislota kontsentratsiyasidan kamdan-kam ta'sir qilishini va ko'p jihatdan haroratga, ultratovush to'lqinlarining intensivligiga va polimerni eritish uchun ishlatiladigan vositaning ion kuchiga bog'liqligini aniqladi. (qarang. Pandit va boshqalar, 2021)

Boshqa bir tadqiqotda, Zhu va boshqalar. (2019) Ganoderma lucidum spora kukunlarini qo'ziqorin xom ashyosi sifatida ishlatgan va ultratovush yordamida deasetilatsiyani va ishlov berish parametrlarining sonikatsiya vaqti, qattiq-suyuqlik nisbati, NaOH kontsentratsiyasi va nurlanish kuchining deatsetilatsiya darajasiga (DD) ta'sirini o'rgangan. xitozan. Eng yuqori DD qiymati quyidagi ultratovush parametrlarida olingan: 80W da 20 min sonication, 10% (g: ml) NaOH, 1:25 (g: ml). Ultrasonik usulda olingan xitosanning sirt morfologiyasi, kimyoviy guruhlari, termal barqarorligi va kristalligi SEM, FTIR, TG va XRD yordamida tekshirildi. Tadqiqot guruhi ultratovush yordamida ishlab chiqarilgan xitosanning deatsetillanish darajasi (DD), dinamik yopishqoqligi ([ē]) va molekulyar og'irligi (Mv¯) sezilarli darajada yaxshilanganligi haqida xabar beradi. Natijalar zamburug'larning ultratovushli deasetilatsiya texnikasini ta'kidladi, bu biomedikal ilovalar uchun mos bo'lgan xitosan uchun juda kuchli ishlab chiqarish usuli. (Qarang: Zhu va boshqalar, 2019)

Ikki qo'ziqorin turidagi xitinlar va xitozanlarning SEM tasvirlari: a) L. vellereusdan olingan xitin; b) P. ribisdan olingan xitin; v) L.vellereusdan olingan xitozan; d) P. ribisdan olingan xitozan.
rasm va tadqiqot: © Erdog'an va boshqalar, 2017

Ultrasonik deasetilatsiya bilan yuqori sifatli xitosan

Xitin / xitosanni olish va depolimerizatsiya qilishning ultratovushli jarayonlari aniq boshqariladi va ultratovushli jarayon parametrlari xom ashyo va maqsadli yakuniy mahsulot sifatiga (masalan, molekulyar og'irlik, deasetilatsiya darajasi) moslashtirilishi mumkin. Bu ultratovush jarayonini tashqi omillarga moslashtirish va yuqori natija va samaradorlik uchun optimal parametrlarni o'rnatish imkonini beradi.
Ultrasonik deatsetillangan xitosan mukammal bioavailability va bio-uyg'unligini ko'rsatadi. Ultrasonik usulda tayyorlangan xitosan biopolimerlari biotibbiyot xususiyatlariga ko'ra termal olingan xitosan bilan solishtirilganda, ultratovush usulida ishlab chiqarilgan xitosan fibroblast (L929 hujayra) hayotiyligini sezilarli darajada yaxshilaydi va Escherichia coli (E. coli) va Staphylococcus aureus (S. aureus) uchun antibakterial faollikni oshiradi.
(Qarang: Zhu va boshqalar, 2018)

Chitinning ultratovushli ekstraktsiyasi va deasetilatsiyasi qanday ishlaydi?

Quvvatli ultratovush to'lqinlari suyuqlik yoki atala (masalan, erituvchidagi xitindan iborat suspenziya) bo'lganda, ultratovush to'lqinlari suyuqlik orqali o'tib, o'zgaruvchan yuqori bosim / past bosim davrlarini keltirib chiqaradi. Past bosimli tsikllar davomida bir necha bosim davrlarida o'sadigan daqiqali vakuum pufakchalari (kavitatsiya pufakchalari deb ataladi) hosil bo'ladi. Muayyan o'lchamda, pufakchalar ko'proq energiyani o'zlashtira olmasa, ular yuqori bosimli aylanish jarayonida kuchli portlashadi. Pufakchaning portlashi kuchli kavitatsion (yoki sonomexanik) kuchlar bilan tavsiflanadi. Bu sonomexanik sharoitlar kavitatsion issiq nuqtada mahalliy ravishda yuzaga keladi va mos ravishda 4000K va 1000atm gacha bo'lgan juda yuqori harorat va bosim bilan tavsiflanadi; shuningdek, mos keladigan yuqori harorat va bosim farqlari. Bundan tashqari, 100 m/s gacha tezlikda mikro turbulentlik va suyuqlik oqimlari hosil bo'ladi. Qo'ziqorin va qisqichbaqasimonlardan xitin va xitosanning ultratovushli ekstraktsiyasi, shuningdek, xitinning depolimerizatsiyasi va deasetilatsiyasi asosan sonomexanik ta'sirlardan kelib chiqadi: qo'zg'alish va turbulentlik hujayralarni buzadi va massa o'tkazilishini rag'batlantiradi, shuningdek kislotali yoki gidroksidi erituvchilar bilan birgalikda polimer zanjirlarini kesishi mumkin.
Ultrasonikatsiya orqali xitin olishning ishlash printsipi: Ultrasonik ekstraktsiya qo'ziqorinlarning hujayra tuzilishini samarali ravishda buzadi va hujayra devori va hujayra ichidagi hujayra ichidagi birikmalarni (ya'ni, xitin va xitozan kabi polisaxaridlar va boshqa bioaktiv fitokimyoviy moddalar) erituvchiga chiqaradi. Ultrasonik ekstraksiya akustik kavitatsiyaning ishlash printsipiga asoslanadi. Ultrasonik / akustik kavitatsiyaning ta'siri yuqori kesish kuchlari, turbulentlik va kuchli bosim farqlari. Ushbu sonomexanik kuchlar xitinoz qo'ziqorin hujayra devorlari kabi hujayra tuzilmalarini buzadi, qo'ziqorin biomateriali va erituvchi o'rtasida massa almashinuvini ta'minlaydi va tez jarayonda juda yuqori ekstrakt hosil bo'lishiga olib keladi. Bundan tashqari, sonikatsiya bakteriyalar va mikroblarni o'ldirish orqali ekstraktlarni sterilizatsiya qilishga yordam beradi. Sonikatsiya orqali mikrobial inaktivatsiya hujayra membranasiga zarar etkazuvchi kavitatsion kuchlar, erkin radikallarni ishlab chiqarish va mahalliy isitish natijasidir.
Ultrasonikatsiya orqali depolimerizatsiya va deasetilatsiyaning ishlash printsipi: Polimer zanjirlari qabariq atrofidagi siljish maydonida ushlanib qoladi va polimer lasanining yiqilib borayotgan bo'shliq yaqinidagi zanjir segmentlari uzoqroqdagilarga qaraganda yuqori tezlikda harakatlanadi. Keyinchalik polimer segmentlari va erituvchilarning nisbiy harakati tufayli polimer zanjirida stresslar hosil bo'ladi va ular parchalanishni keltirib chiqarish uchun etarli. Shunday qilib, jarayon ~ 2 ° polimer eritmalaridagi boshqa kesish effektlariga o'xshaydi va juda o'xshash natijalar beradi. (qarang. Price va boshqalar, 1994)

Fungal Chitin va Chitosanni qayta ishlash uchun yuqori samarali ultratovushli uskunalar

100 × a) gladius, b) ultratovush bilan ishlov berilgan gladius, c) ch-xitin, d) ultratovush bilan ishlov berilgan β-xitin va e) xitosan (manba: Preto va boshqalar) . 2017)

Xitinning parchalanishi va xitinning xitosanga desetilatsiyasi kuchli va ishonchli ultratovush uskunasini talab qiladi, ular yuqori amplitudalarni ta'minlaydi, jarayon parametrlari ustidan aniq nazoratni ta'minlaydi va og'ir yuk ostida va talabchan muhitda 24/7 ishlashi mumkin. Hielscher Ultrasonics mahsulot assortimenti ushbu talablarni ishonchli bajaradi. Ajoyib ultratovush ishlashi bilan bir qatorda, Hielscher ultratovush apparatlari yuqori energiya samaradorligi bilan faxrlanadi, bu muhim iqtisodiy afzallikdir. – ayniqsa, tijorat yirik ishlab chiqarishda ishlaganda.
Hielscher ultrasonikatorlari sizning jarayoningiz ehtiyojlarini optimal tarzda qondirish uchun sonotrodlar, kuchaytirgichlar, reaktorlar yoki oqim hujayralari kabi aksessuarlar bilan jihozlanishi mumkin bo'lgan yuqori samarali tizimlardir. Raqamli rangli displey yordamida sonikatsiya ishlarini oldindan sozlash imkoniyati, o'rnatilgan SD-kartada avtomatik ma'lumotlarni yozib olish, brauzerni masofadan boshqarish va boshqa ko'plab xususiyatlar, eng yuqori jarayonni boshqarish va foydalanuvchilarga qulaylik ta'minlanadi. Chidamlilik va og'ir yuk ko'tarish qobiliyati bilan birlashtirilgan Hielscher ultratovush tizimlari ishlab chiqarishdagi ishonchli ish otingizdir. Chitinning parchalanishi va deasetilatsiyasi maqsadli konversiyani va yuqori sifatli yakuniy xitosan mahsulotini olish uchun kuchli ultratovushni talab qiladi. Ayniqsa, xitin parchalarini parchalash va depolimerizatsiya/deatsetilatsiya bosqichlari uchun yuqori amplitudalar va ko'tarilgan bosimlar juda muhimdir. Hielscher Ultrasonics sanoat ultratovushli protsessorlari juda yuqori amplitudalarni osongina etkazib beradi. 200µm gacha bo'lgan amplitudalar 24/7 ishda uzluksiz ishlashi mumkin. Bundan ham yuqori amplitudalar uchun moslashtirilgan ultratovushli sonotrodlar mavjud. Hielscher ultratovush tizimlarining quvvat quvvati xavfsiz va foydalanuvchilarga qulay jarayonda samarali va tez deasetilatsiyaga imkon beradi.
Quyidagi jadval sizga bizning ultrasonicators taxminiy qayta ishlash quvvatiga ega ekanligidan dalolat beradi: