Siêu âm là một phương pháp hiệu quả cao để giải phóng chitin và chitosan từ các nguồn nấm như nấm. Chitin và chitosan phải được khử mùi trong chế biến down-stream để có được biopolymer chất lượng cao. Deacetylation hỗ trợ siêu âm là một kỹ thuật có hiệu quả cao, đơn giản và nhanh chóng, dẫn đến chitosans chất lượng cao với trọng lượng phân tử cao và khả dụng sinh học vượt trội.

Chitin và Chitosan từ nấm

Nấm ăn được và dược liệu như Lentinus edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi hoặc linh chi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (nấm nút), Hericium erinaceus (bờm sư tử), Cordyceps sinensis (nấm sâu bướm), Grifola frondosa (hen-of-the-wood), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, turkeytail) và nhiều loài nấm khác được sử dụng rộng rãi làm thức ăn và để khai thác các hợp chất hoạt tính sinh học. Những loại nấm này cũng như chế biến dư lượng (chất thải nấm) có thể được sử dụng để sản xuất chitosan. Siêu âm không chỉ thúc đẩy việc giải phóng chitin từ cấu trúc thành tế bào nấm, mà còn thúc đẩy chuyển đổi chition thành chitosan có giá trị thông qua khử trùng siêu âm.

Deacetylation của chitin để chitosan được thúc đẩy bởi sonication

chitin, là một polyme N-acetylglucosamine (poly-(β-(1–4)-N-acetyl-D-glucosamine), là một polysaccharide tự nhiên được tìm thấy rộng rãi trong bộ xương ngoài của động vật không xương sống như động vật giáp xác và côn trùng, bộ xương bên trong của mực và mực nang cũng như thành tế bào của nấm. Nhúng vào cấu trúc của thành tế bào nấm, chitin chịu trách nhiệm về hình dạng và độ cứng của thành tế bào nấm. Đối với nhiều ứng dụng, chitin được chuyển đổi thành dẫn xuất của nó, được gọi là chitosan thông qua một quá trình khử trùng.
chitosan là dẫn xuất phổ biến nhất và có giá trị nhất của chitin. Nó là một polysaccharide trọng lượng phân tử cao được liên kết bởi b-1,4 glycoside, bao gồm từ N-acetyl-glucosamine và glucosamine.
Chitosan có thể có nguồn gốc thông qua hóa chất hoặc enzyme N-deacetylation. Trong quá trình deacetylation điều khiển bằng hóa học, nhóm acetyl (R-NHCOCH₃) bị phân tách bởi kiềm mạnh ở nhiệt độ cao. Ngoài ra, chitosan có thể được tổng hợp thông qua deacetylation enzyme. Tuy nhiên, trên quy mô sản xuất công nghiệp, deacetyl hóa học là kỹ thuật ưa thích, vì deacetyl hóa enzyme kém hiệu quả hơn đáng kể do chi phí cao của các enzyme deacetylase và năng suất chitosan thấp thu được. Siêu âm được sử dụng để tăng cường sự suy thoái hóa học của (1→4) - / β liên kết (depolymerization) và tác dụng deacetyl hóa chitin để có được chitosan chất lượng cao. Khi sonication được áp dụng như là điều trị trước cho deacetylation enzyme, năng suất chitosan và chất lượng cũng được cải thiện.

Sản xuất Chitosan công nghiệp từ nấm với siêu âm

Sản xuất chitin và chitosan thương mại chủ yếu dựa trên chất thải của các ngành công nghiệp hàng hải (tức là đánh bắt cá, thu hoạch cá vỏ, v.v.). Các nguồn nguyên liệu khác nhau dẫn đến các chất lượng chitin và chitosan khác nhau, dẫn đến biến động sản xuất và chất lượng do các biến thể đánh bắt theo mùa. Hơn nữa, chitosan có nguồn gốc từ các nguồn nấm cung cấp các đặc tính vượt trội được báo cáo như chiều dài polymer đồng nhất và độ hòa tan lớn hơn khi so sánh với chitosan từ các nguồn biển. (xem. Ghormade et al., 2017) Để cung cấp chitosan đồng đều, việc khai thác chitin từ các loài nấm đã trở thành một sản phẩm thay thế ổn định. Sản xuất chitin và citiosan từ nấm có thể dễ dàng và đáng tin cậy đạt được bằng cách sử dụng công nghệ chiết xuất và deacetyl hóa siêu âm. Sonication cường độ cao phá vỡ cấu trúc tế bào để giải phóng chitin và thúc đẩy chuyển khối lượng trong dung môi nước cho năng suất chitin vượt trội và hiệu quả chiết xuất. Deacetylation siêu âm tiếp theo chuyển đổi chitin thành chitosan có giá trị. Cả hai, chiết xuất chitin siêu âm và deacetylation đến chitosan có thể được mở rộng tuyến tính đến bất kỳ mức độ sản xuất thương mại nào.

Sonication tăng cường sản xuất nấm chitosan và làm cho việc sản xuất hiệu quả và kinh tế hơn.
(Ảnh và nghiên cứu: © Zhu et al., 2019)

Tổng hợp Chitosan hiệu quả cao thông qua Sonication

Để khắc phục những nhược điểm (tức là hiệu quả thấp, chi phí năng lượng cao, thời gian xử lý lâu dài, dung môi độc hại) của hóa chất truyền thống và chitin enzyme deacetlytion, siêu âm cường độ cao đã được tích hợp vào chế biến chitin và chitosan. Sonication cường độ cao và các hiệu ứng kết quả của cavitation âm thanh dẫn đến một scission nhanh chóng của chuỗi polymer và làm giảm polydispersity, do đó thúc đẩy sự tổng hợp của chitosan. Hơn nữa, lực cắt siêu âm tăng cường chuyển khối lượng trong dung dịch để phản ứng hóa học, thủy phân hoặc enzyme được tăng cường.

Deacetyl hóa học hỗ trợ siêu âm và khử trùng

Vì chitin là một chất phân tích sinh học không phản ứng và không hòa tan, nó phải trải qua các bước quy trình khử khoáng, khử trùng và khử trùng / deacetyl hóa để có được chitosan hòa tan và sinh học. Các bước quy trình này liên quan đến các phương pháp điều trị bằng axit mạnh như HCl và các bazơ mạnh như NaOH và KOH. Vì các bước quy trình thông thường này không hiệu quả, chậm và đòi hỏi năng lượng cao, quá trình tăng cường bằng sonication cải thiện đáng kể sản xuất chitosan. Việc áp dụng siêu âm điện làm tăng năng suất và chất lượng chitosan, giảm quá trình từ vài ngày xuống còn vài giờ, cho phép dung môi nhẹ hơn và làm cho toàn bộ quá trình tiết kiệm năng lượng hơn.

Siêu âm cải thiện deproteinization chitin

Vallejo-Dominguez et al. (2021) đã tìm thấy trong cuộc điều tra của họ về việc khử chứng chitin rằng "ứng dụng siêu âm để sản xuất biopolymers làm giảm hàm lượng protein cũng như kích thước hạt của chitin. Chitosan có mức độ deacetylation cao và trọng lượng phân tử trung bình được sản xuất thông qua hỗ trợ siêu âm.

Thủy phân siêu âm cho khử trùng Chitin

Đối với thủy phân hóa học, axit hoặc kiềm được sử dụng để khử trùng chitin, tuy nhiên kiềm deacetylation (ví dụ: natri hydroxit NaOH) được sử dụng rộng rãi hơn. Thủy phân axit là một phương pháp xen kẽ để khử hóa học truyền thống, trong đó các dung dịch axit hữu cơ được sử dụng để khử trùng chitin và chitosan. Phương pháp thủy phân axit chủ yếu được sử dụng khi trọng lượng phân tử của chitin và chitosan phải đồng nhất. Quá trình thủy phân thông thường này được gọi là chậm và tốn nhiều năng lượng và chi phí. Yêu cầu của axit mạnh, nhiệt độ cao và áp suất là những yếu tố biến quá trình chitosan thủy phân thành một thủ tục rất tốn kém và tốn thời gian. Các axit được sử dụng đòi hỏi các quá trình hạ lưu như trung hòa và khử muối.
Với sự tích hợp của siêu âm công suất cao vào quá trình thủy phân, các yêu cầu nhiệt độ và áp suất cho sự phân tách thủy phân của chitin và chitosan có thể được giảm đáng kể. Hơn nữa, sonication cho phép nồng độ axit thấp hơn hoặc sử dụng axit nhẹ hơn. Điều này làm cho quá trình này bền vững hơn, hiệu quả hơn, tiết kiệm chi phí và thân thiện với môi trường hơn.

Deacetylation hóa học hỗ trợ siêu âm

Sự tan rã hóa học và khử trùng của chitin và chitosan chủ yếu đạt được bằng cách điều trị chitin hoặc chitosan bằng axit khoáng (ví dụ: axit hydrochloric HCl), natri nitrit (NaNO₂), hoặc hydrogen peroxide (H₂các₂). Siêu âm cải thiện tỷ lệ deacetylation do đó rút ngắn thời gian phản ứng cần thiết để có được mức độ deacetylation mục tiêu. Điều này có nghĩa là sonication làm giảm thời gian xử lý cần thiết từ 12-24 giờ xuống còn vài giờ. Hơn nữa, sonication cho phép nồng độ hóa học thấp hơn đáng kể, ví dụ 40% (w / w) natri hydroxit sử dụng sonication trong khi 65% (w / w) được yêu cầu mà không cần sử dụng siêu âm.

Siêu âm-Enzym Deacetylation

Trong khi khử ẩm enzyme là một hình thức chế biến nhẹ, lành tính với môi trường, hiệu quả và chi phí của nó là không kinh tế. Do sự cô lập và thanh lọc enzyme ở hạ lưu phức tạp, mạnh mẽ và tốn kém từ sản phẩm cuối cùng, enzyme chitin deacetylation không được thực hiện trong sản xuất thương mại, mà chỉ được sử dụng trong phòng thí nghiệm nghiên cứu khoa học.
Siêu âm trước khi xử lý trước khi khử men mảnh phân tử chitin do đó mở rộng diện tích bề mặt và làm cho bề mặt có sẵn nhiều hơn cho các enzyme. Sonication hiệu suất cao giúp cải thiện deacetylation enzyme và làm cho quá trình kinh tế hơn.

Kết quả nghiên cứu cho chitin siêu âm và Chitosan Deacetylation

Zhu et al. (2018) kết luận trong nghiên cứu của họ rằng deacetylation siêu âm đã được chứng minh là một bước đột phá quan trọng, chuyển đổi β-chitin thành chitosan với 83-94% deacetylation ở nhiệt độ phản ứng giảm. Hình ảnh bên trái cho thấy một hình ảnh SEM của chitosan siêu âm khử trùng (90 W, 15 phút, 20 w / v% NaOH, 1:15 (g: mL) (ảnh và nghiên cứu: © Zhu et al., 2018)
Trong giao thức của họ, dung dịch NaOH (20 w / v %) đã được chuẩn bị bằng cách hòa tan các mảnh NaOH trong nước DI. Dung dịch kiềm sau đó được thêm vào trầm tích GLSP (0,5 g) với tỷ lệ chất lỏng rắn là 1:20 (g: mL) vào ống ly tâm. Chitosan được thêm vào NaCl (40 mL, 0,2 M) và axit axetic (0,1 M) với tỷ lệ thể tích dung dịch 1: 1. Hệ thống treo sau đó được siêu âm ở nhiệt độ nhẹ 25 ° C trong 60 phút bằng cách sử dụng máy siêu âm kiểu đầu dò (250W, 20kHz). (xem Zhu et al., 2018)
Pandit et al. (2021) phát hiện ra rằng tốc độ suy thoái đối với các dung dịch chitosan hiếm khi bị ảnh hưởng bởi nồng độ axit được sử dụng để hòa tan polymer và phần lớn phụ thuộc vào nhiệt độ, cường độ của sóng siêu âm và sức mạnh ion của phương tiện truyền thông được sử dụng để hòa tan polymer. (xem. Pandit et al., 2021)

Trong một nghiên cứu khác, Zhu et al. (2019) đã sử dụng bột bào tử Ganoderma lucidum làm nguyên liệu nấm và điều tra deacetylation hỗ trợ siêu âm và ảnh hưởng của các thông số xử lý như thời gian sonication, tỷ lệ rắn-chất lỏng, nồng độ NaOH và sức mạnh chiếu xạ trên mức độ deacetylation (DD) của chitosan. Giá trị DD cao nhất thu được ở các thông số siêu âm sau: 20 phút sonication ở 80W, 10% (g: ml) NaOH, 1:25 (g: ml). Hình thái bề mặt, các nhóm hóa học, sự ổn định nhiệt và tinh thể của chitosan thu được bằng siêu âm đã được kiểm tra bằng SEM, FTIR, TG và XRD. Nhóm nghiên cứu báo cáo một sự tăng cường đáng kể về mức độ deacetylation (DD), độ nhớt động ([η]) và trọng lượng phân tử (Mv ̄) của chitosan được sản xuất bằng siêu âm. Kết quả nhấn mạnh kỹ thuật deacetyl hóa siêu âm của nấm một phương pháp sản xuất rất mạnh cho chitosan, phù hợp với các ứng dụng y sinh học. (xem. Zhu et al., 2019)

Sem hình ảnh của chitins và chitosans từ hai loài nấm: a) Chitin từ L. vellereus; b) Chitin từ P. ribis; c) Chitosan từ L.vellereus; d) chitosan từ P. ribis.
Hình ảnh và nghiên cứu: © Erdoğan et al., 2017

Chất lượng Chitosan vượt trội với deacetylation siêu âm

Các quy trình siêu âm của chiết xuất chitin / chitosan và khử trùng có thể kiểm soát chính xác và các thông số quá trình siêu âm có thể được điều chỉnh theo nguyên liệu thô và chất lượng sản phẩm cuối cùng được nhắm mục tiêu (ví dụ: trọng lượng phân tử, mức độ deacetylation). Điều này cho phép điều chỉnh quá trình siêu âm với các yếu tố bên ngoài và thiết lập các thông số tối ưu cho kết quả và hiệu quả vượt trội.
Chitosan khử siêu âm cho thấy khả dụng sinh học tuyệt vời và khả năng tương thích sinh học. Khi các chất phân hủy sinh học chitosan được chuẩn bị siêu âm được so sánh với chitosan có nguồn gốc từ nhiệt liên quan đến tính chất y sinh học, chitosan được sản xuất bằng siêu âm thể hiện khả năng tồn tại nguyên bào sợi (tế bào L929) được cải thiện đáng kể và tăng cường hoạt động kháng khuẩn cho cả Escherichia coli (E. coli) và Staphylococcus aureus (S. aureus).
(xem. Zhu et al., 2018)

Khai thác siêu âm và deacetylation của Chitin hoạt động như thế nào?

Khi sóng siêu âm điện là các cặp vợ chồng thành chất lỏng hoặc bùn (ví dụ, hệ thống treo bao gồm chitin trong dung môi), sóng siêu âm đi qua chất lỏng gây ra các chu kỳ áp suất cao / áp suất thấp xen kẽ. Trong chu kỳ áp suất thấp, bong bóng chân không phút (cái gọi là bong bóng cavitation) được tạo ra, phát triển qua nhiều chu kỳ áp suất. Ở một kích thước nhất định, khi các bong bóng không thể hấp thụ nhiều năng lượng hơn, chúng nổ tung dữ dội trong một chu kỳ áp suất cao. Sự nổ bong bóng được đặc trưng bởi các lực cavitational (hoặc cơ học sonomechanical) dữ dội. Những điều kiện cơ học này xảy ra cục bộ ở điểm nóng khoang và được đặc trưng bởi nhiệt độ và áp suất rất cao lên tới 4000K và 1000atm, tương ứng; cũng như chênh lệch nhiệt độ và áp suất cao tương ứng. Furtehrmore, các nhiễu loạn vi mô và dòng chất lỏng với vận tốc lên tới 100m / s được tạo ra. Chiết xuất siêu âm chitin và chitosan từ nấm và động vật giáp xác cũng như khử độc chitin và deacetyl hóa chủ yếu là do tác dụng sonomechanical: sự khuấy động và nhiễu loạn phá vỡ các tế bào và thúc đẩy chuyển khối lượng và cũng có thể cắt chuỗi polymer kết hợp với dung môi axit hoặc kiềm.
Nguyên tắc làm việc của chiết xuất chitin thông qua siêu âm: Chiết xuất siêu âm có hiệu quả phá vỡ cấu trúc tế bào của nấm và giải phóng các hợp chất nội bào từ thành tế bào và nội thất tế bào (tức là polysaccharides như chitin và chitosan và các chất phytochemical hoạt tính sinh học khác) vào dung môi. Khai thác siêu âm dựa trên nguyên tắc làm việc của cavitation âm thanh. Tác động của cavitation siêu âm / âm thanh là lực cắt cao, nhiễu loạn và chênh lệch áp suất cường độ cao. Những lực cơ học này phá vỡ các cấu trúc tế bào như thành tế bào nấm chitinous, thúc đẩy chuyển khối lượng giữa vật liệu sinh học nấm và dung môi và dẫn đến năng suất chiết xuất rất cao trong một quá trình nhanh chóng. Ngoài ra, sonication thúc đẩy khử trùng chiết xuất bằng cách tiêu diệt vi khuẩn và vi khuẩn. Bất hoạt vi khuẩn bằng sonication là kết quả của các lực cavitational phá hủy đến màng tế bào, sản xuất các gốc tự do và sưởi ấm cục bộ.
Nguyên tắc làm việc của depolymerization và deacetylation thông qua siêu âm: Các chuỗi polymer bị bắt trong trường cắt xung quanh bong bóng và các đoạn chuỗi của cuộn dây polymer gần một khoang sụp đổ sẽ di chuyển với vận tốc cao hơn so với những người xa hơn. Căng thẳng sau đó được tạo ra trên chuỗi polymer do chuyển động tương đối của các đoạn polymer và dung môi và chúng đủ để gây ra sự phân tách. Do đó, quá trình này tương tự như các hiệu ứng cắt khác trong các dung dịch polymer ~ 2 ° và cho kết quả rất giống nhau. (xem. Giá et al., 1994)

Thiết bị siêu âm hiệu suất cao để xử lý Chitin nấm và Chitosan

Kính hiển vi điện tử quét (SEM) hình ảnh trong một phóng đại của 100 × một) Gladius, b) siêu âm được xử lý Gladius, c) β-chitin, d) siêu âm xử lý β-chitin, và e) chitosan (nguồn: Preto et al. 2017)

Sự phân mảnh của chitin và sự suy giảm chitin sang chitosan đòi hỏi thiết bị siêu âm mạnh mẽ và đáng tin cậy có thể cung cấp biên độ cao, cung cấp khả năng kiểm soát chính xác các thông số quy trình và có thể được vận hành 24/7 dưới tải nặng và trong môi trường đòi hỏi khắt khe. Phạm vi sản phẩm của Hielscher Ultrasonics đáp ứng các yêu cầu này một cách đáng tin cậy. Bên cạnh hiệu suất siêu âm vượt trội, máy siêu âm Hielscher tự hào có hiệu quả năng lượng cao, đó là một lợi thế kinh tế đáng kể – đặc biệt là khi sử dụng trong sản xuất thương mại quy mô lớn.
Máy siêu âm Hielscher là hệ thống hiệu suất cao có thể được trang bị các phụ kiện như sonotrodes, bộ tăng cường, lò phản ứng hoặc tế bào dòng chảy để phù hợp với nhu cầu quy trình của bạn một cách tối ưu. Với màn hình màu kỹ thuật số, tùy chọn cài đặt sẵn chạy sonication, ghi dữ liệu tự động trên thẻ SD tích hợp, điều khiển trình duyệt từ xa và nhiều tính năng khác, điều khiển quy trình cao nhất và thân thiện với người dùng được đảm bảo. Kết hợp với độ mạnh và khả năng chịu tải nặng, hệ thống siêu âm Hielscher là con ngựa làm việc đáng tin cậy của bạn trong sản xuất. 
Sự phân mảnh và deacetylation chitin đòi hỏi siêu âm mạnh mẽ để có được sự chuyển đổi mục tiêu và một sản phẩm chitosan cuối cùng có chất lượng cao. Đặc biệt là đối với sự phân mảnh của các mảnh chitin và các bước khử trùng / deacetylation, biên độ cao và áp suất cao là rất quan trọng. Bộ xử lý siêu âm công nghiệp của Hielscher Ultrasonics dễ dàng cung cấp biên độ rất cao. Biên độ lên đến 200μm có thể chạy liên tục trong hoạt động 24/7. Đối với biên độ cao hơn, sonotrodes siêu âm tùy chỉnh có sẵn. Công suất của các hệ thống siêu âm Hielscher cho phép deacetylation hiệu quả và nhanh chóng trong một quá trình an toàn và thân thiện với người dùng.
Bảng dưới đây cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của máy siêu âm: