Sản xuất chitin và chitosan từ nấm

Xử lý bằng siêu âm là phương pháp có hiệu quả cao để giải phóng chitin và chitosan từ các nguồn nấm, chẳng hạn như nấm ăn. Chitin và chitosan phải được phân cắt mạch polymer và khử acetyl trong các công đoạn xử lý tiếp theo để thu được polymer sinh học chất lượng cao. Phân cắt mạch polymer và khử acetyl có hỗ trợ siêu âm là kỹ thuật có hiệu quả cao, đơn giản và nhanh chóng, tạo ra chitosan chất lượng cao với khối lượng phân tử cao và sinh khả dụng vượt trội.

Thu nhận chitin và chitosan từ nấm bằng siêu âm

Các loại nấm ăn và nấm dược liệu như Lentinus edodes (nấm hương), Ganoderma lucidum (nấm linh chi hay reishi), Inonotus obliquus (nấm chaga), Agaricus bisporus (nấm mỡ), Hericium erinaceus (nấm hầu thủ), Cordyceps sinensis (đông trùng hạ thảo), Grifola frondosa (nấm gà rừng), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, nấm đuôi gà tây) và nhiều loài nấm khác được sử dụng rộng rãi làm thực phẩm và để chiết xuất các hợp chất có hoạt tính sinh học. Những loại nấm này cũng như phụ phẩm chế biến (phế thải nấm) có thể được sử dụng để sản xuất chitosan. Xử lý bằng siêu âm không chỉ thúc đẩy giải phóng chitin khỏi cấu trúc thành tế bào nấm mà còn thúc đẩy chuyển hóa chitin thành chitosan có giá trị thông qua quá trình phân cắt mạch polymer và khử acetyl có hỗ trợ siêu âm.

Xử lý bằng siêu âm thúc đẩy quá trình phân cắt mạch polymer và khử acetyl của chitin để tạo thành chitosan

Xử lý siêu âm cường độ cao bằng hệ thống siêu âm dạng đầu dò là kỹ thuật được sử dụng để thúc đẩy quá trình phân cắt mạch polymer và khử acetyl của chitin, dẫn đến sự hình thành chitosan. Chitin là một polysaccharide có trong tự nhiên, được tìm thấy trong bộ xương ngoài của động vật giáp xác, côn trùng và thành tế bào của một số loài nấm. Chitosan được tạo ra từ chitin bằng cách loại bỏ các nhóm acetyl khỏi phân tử chitin.

Quy trình siêu âm chuyển hóa chitin từ nấm thành chitosan

Khi áp dụng xử lý siêu âm cường độ cao để sản xuất chitosan từ chitin, huyền phù chitin được xử lý bằng sóng siêu âm cường độ cao, tần số thấp, thường trong khoảng từ 20 kHz đến 30 kHz. Quá trình này tạo ra hiện tượng xâm thực âm mạnh, tức là sự hình thành, phát triển và sụp đổ của các bọt chân không cực nhỏ trong chất lỏng. Hiện tượng xâm thực tạo ra lực cắt cực lớn, nhiệt độ cao (lên đến vài nghìn độ C) và áp suất cao (lên đến vài trăm atmôtphe) tại các vùng cục bộ trong chất lỏng bao quanh các bọt xâm thực. Những điều kiện khắc nghiệt này góp phần phá vỡ polymer chitin và thúc đẩy quá trình khử acetyl tiếp theo.
 

Ảnh SEM của chitin và chitosan 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 và cộng sự, 2017

Phân cắt mạch polymer chitin bằng siêu âm

Quá trình phân cắt mạch polymer chitin xảy ra thông qua tác động kết hợp của các lực cơ học, chẳng hạn như dòng chảy vi mô và tia chất lỏng, cũng như các phản ứng hóa học được khởi phát bằng siêu âm do các gốc tự do và các tiểu phân phản ứng khác hình thành trong quá trình xâm thực gây ra. Các sóng áp suất cao được tạo ra trong quá trình xâm thực khiến các chuỗi chitin chịu ứng suất cắt, dẫn đến sự phân cắt polymer thành các đoạn nhỏ hơn.

Khử acetyl của chitin bằng siêu âm

Ngoài việc phân cắt mạch polyme, xử lý siêu âm cường độ cao còn thúc đẩy quá trình khử acetyl của chitin. Quá trình khử acetyl loại bỏ các nhóm acetyl khỏi phân tử chitin, dẫn đến sự hình thành chitosan. Năng lượng siêu âm mạnh, đặc biệt là nhiệt độ và áp suất cao sinh ra trong quá trình xâm thực, làm tăng tốc phản ứng khử acetyl. Các điều kiện phản ứng do xâm thực tạo ra giúp phá vỡ các liên kết acetyl trong chitin, dẫn đến việc giải phóng axit axetic và chuyển đổi chitin thành chitosan.
Nhìn chung, xử lý siêu âm cường độ cao tăng cường cả quá trình phân cắt mạch polyme và khử acetyl bằng cách cung cấp năng lượng cơ học và hóa học cần thiết để phân cắt polyme chitin và tạo thuận lợi cho quá trình chuyển đổi thành chitosan. Kỹ thuật này cung cấp một phương pháp nhanh chóng và hiệu quả để sản xuất chitosan từ chitin, với nhiều ứng dụng trong các ngành khác nhau, bao gồm dược phẩm, nông nghiệp và kỹ thuật y sinh.

Sản xuất chitosan công nghiệp từ nấm bằng siêu âm công suất cao

Việc sản xuất chitin và chitosan thương mại chủ yếu dựa vào chất thải của các ngành khai thác hải sản (tức là đánh bắt cá, thu hoạch động vật có vỏ, v.v.). Các nguồn nguyên liệu khác nhau tạo ra chitin và chitosan có chất lượng khác nhau, dẫn đến những biến động về sản xuất và chất lượng do hoạt động đánh bắt thay đổi theo mùa. Hơn nữa, chitosan có nguồn gốc từ nấm được báo cáo là có các đặc tính vượt trội như chiều dài mạch polyme đồng đều và độ hòa tan cao hơn so với chitosan có nguồn gốc từ biển. (xem Ghormade và cộng sự, 2017) Để cung cấp chitosan đồng nhất, việc chiết xuất chitin từ các loài nấm đã trở thành một phương thức sản xuất thay thế ổn định. Việc sản xuất chitin và chitosan từ nấm có thể được thực hiện dễ dàng và đáng tin cậy bằng công nghệ chiết xuất và khử acetyl bằng siêu âm. Xử lý siêu âm cường độ cao phá vỡ cấu trúc tế bào để giải phóng chitin và thúc đẩy truyền khối trong dung môi nước, mang lại hiệu suất thu hồi chitin và hiệu quả chiết xuất vượt trội. Quá trình khử acetyl bằng siêu âm tiếp theo chuyển đổi chitin thành chitosan có giá trị. Cả quá trình chiết xuất chitin bằng siêu âm và khử acetyl thành chitosan đều có thể được mở rộng quy mô theo tỷ lệ tuyến tính đến bất kỳ quy mô sản xuất thương mại nào.

Xử lý siêu âm tăng cường quá trình sản xuất chitosan từ nấm, giúp quá trình sản xuất hiệu quả và kinh tế hơn.
(hình ảnh và nghiên cứu: © Zhu và cộng sự, 2019)

Kết quả nghiên cứu về quá trình khử acetyl của chitin và chitosan bằng siêu âm

Zhu và cộng sự (2018) kết luận trong nghiên cứu của họ rằng khử acetyl bằng siêu âm đã chứng tỏ là một bước đột phá quan trọng, chuyển đổi β-chitin thành chitosan với mức độ khử acetyl 83–94% ở nhiệt độ phản ứng thấp hơn. Hình bên trái là ảnh SEM của chitosan được khử acetyl bằng siêu âm (90 W, 15 min, 20 w/v% NaOH, 1:15 (g: mL) (hình ảnh và nghiên cứu: © Zhu và cộng sự, 2018)
Trong quy trình của họ, dung dịch NaOH (20 w/v %) được chuẩn bị bằng cách hòa tan NaOH dạng vảy trong nước khử ion (DI). Sau đó, dung dịch kiềm được thêm vào phần lắng GLSP (0,5 g) trong ống ly tâm với tỷ lệ rắn–lỏng là 1:20 (g: mL). Chitosan được thêm vào NaCl (40 mL, 0,2 M) và axit axetic (0,1 M) với tỷ lệ thể tích dung dịch là 1:1. Sau đó, huyền phù được xử lý bằng siêu âm ở nhiệt độ nhẹ 25°C trong 60 min bằng thiết bị siêu âm dạng đầu dò (250W, 20kHz). (xem Zhu et al., 2018)
 
Pandit et al. (2021) nhận thấy tốc độ phân hủy của các dung dịch chitosan ít khi bị ảnh hưởng bởi nồng độ axit được sử dụng để hòa tan polyme và phụ thuộc phần lớn vào nhiệt độ, cường độ sóng siêu âm và lực ion của môi trường dùng để hòa tan polyme. (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 nghiên cứu quá trình khử acetyl có hỗ trợ siêu âm cũng như ảnh hưởng của các thông số xử lý như thời gian xử lý siêu âm, tỷ lệ rắn–lỏng, nồng độ NaOH và công suất chiếu siêu âm đến độ khử acetyl (DD) của chitosan. Giá trị DD cao nhất đạt được với các thông số siêu âm sau: xử lý siêu âm trong 20 min ở 80W, NaOH 10% (g:ml), 1:25 (g:ml). Hình thái bề mặt, các nhóm hóa học, độ ổn định nhiệt và độ kết tinh của chitosan thu được bằng siêu âm được khảo sát bằng SEM, FTIR, TG và XRD. Nhóm nghiên cứu báo cáo sự gia tăng đáng kể về độ khử acetyl (DD), độ nhớt động lực ([η]) và khối lượng phân tử (Mv¯) của chitosan được sản xuất bằng siêu âm. Các kết quả nhấn mạnh rằng kỹ thuật khử acetyl nấm bằng siêu âm là một phương pháp sản xuất chitosan có hiệu quả rất cao, phù hợp với các ứng dụng y sinh. (xem Zhu et al., 2019)

Chất lượng chitosan vượt trội nhờ khử trùng hợp và khử acetyl bằng siêu âm

Các quá trình chiết xuất và khử trùng hợp chitin / chitosan bằng siêu âm có thể được kiểm soát chính xác, và các thông số của quá trình siêu âm có thể được điều chỉnh theo nguyên liệu và chất lượng sản phẩm cuối cùng mong muốn (ví dụ: khối lượng phân tử, độ khử acetyl). Điều này cho phép điều chỉnh quá trình siêu âm theo các yếu tố bên ngoài và thiết lập các thông số tối ưu để đạt kết quả và hiệu quả vượt trội.
Chitosan được khử acetyl bằng siêu âm thể hiện sinh khả dụng và tính tương thích sinh học tuyệt vời. Khi so sánh các polyme sinh học chitosan được điều chế bằng siêu âm với chitosan thu được bằng phương pháp nhiệt về các đặc tính y sinh, chitosan được sản xuất bằng siêu âm cho thấy khả năng sống của nguyên bào sợi (tế bào L929) được cải thiện đáng kể và hoạt tính kháng khuẩn được tăng cường đối với cả Escherichia coli (E. coli) và Staphylococcus aureus (S. aureus).
(xem Zhu et al., 2018)
 

Ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) ở độ phóng đại 100× của a) mai mực, b) mai mực được xử lý bằng siêu âm, c) β-chitin, d) β-chitin được xử lý bằng siêu âm và e) chitosan (nguồn: Preto et al. 2017)

Thiết bị siêu âm hiệu suất cao để xử lý chitin và chitosan

Việc phân mảnh chitin và khử acetyl chitin thành chitosan đòi hỏi thiết bị siêu âm mạnh mẽ và đáng tin cậy, có thể tạo ra biên độ cao, cho phép kiểm soát chính xác các thông số quá trình và có thể vận hành 24/7 dưới tải nặng và trong môi trường khắc nghiệt. Dòng sản phẩm của Hielscher Ultrasonics đáp ứng các yêu cầu này một cách đáng tin cậy. Bên cạnh hiệu năng siêu âm vượt trội, các thiết bị siêu âm Hielscher còn có hiệu suất năng lượng cao, mang lại lợi thế kinh tế đáng kể – đặc biệt khi được sử dụng trong sản xuất thương mại quy mô lớn.
Các thiết bị siêu âm Hielscher là những hệ thống hiệu năng cao có thể được trang bị các phụ kiện như đầu phát siêu âm, bộ khuếch đại biên độ, buồng phản ứng hoặc buồng dòng chảy để đáp ứng tối ưu nhu cầu quy trình của bạn.
 Với màn hình màu kỹ thuật số, tùy chọn cài đặt trước các chu trình xử lý siêu âm, chức năng ghi dữ liệu tự động trên thẻ SD tích hợp, điều khiển từ xa qua trình duyệt và nhiều tính năng khác, các thiết bị siêu âm Hielscher đảm bảo khả năng kiểm soát quá trình và mức độ thân thiện với người dùng cao nhất. Kết hợp độ bền chắc và khả năng chịu tải nặng, các hệ thống siêu âm Hielscher là thiết bị chủ lực đáng tin cậy trong sản xuất của bạn. 
Việc phân mảnh và khử acetyl chitin đòi hỏi siêu âm công suất cao để đạt được mức chuyển hóa mục tiêu và sản phẩm chitosan cuối cùng có chất lượng cao. Đặc biệt, đối với việc phân mảnh các mảnh chitin và các bước giải trùng hợp / khử acetyl, biên độ cao và áp suất cao đóng vai trò then chốt. Các thiết bị xử lý siêu âm công nghiệp của Hielscher Ultrasonics dễ dàng tạo ra biên độ rất cao. Có thể duy trì liên tục biên độ lên đến 200µm khi vận hành 24/7. Đối với biên độ cao hơn nữa, có các đầu phát siêu âm được chế tạo theo yêu cầu. Khả năng cung cấp công suất của các hệ thống siêu âm Hielscher cho phép giải trùng hợp và khử acetyl hiệu quả, nhanh chóng trong một quy trình an toàn và thân thiện với người dùng.
 

Xử lý chitin hiệp đồng được cải thiện bằng siêu âm

Để khắc phục những hạn chế (tức là hiệu quả thấp, chi phí năng lượng cao, thời gian xử lý dài, dung môi độc hại) của phương pháp khử acetyl chitin truyền thống bằng hóa chất và enzyme, siêu âm cường độ cao đã được tích hợp vào quá trình xử lý chitin và chitosan. Xử lý siêu âm cường độ cao cùng các hiệu ứng xâm thực âm phát sinh dẫn đến sự cắt đứt nhanh chóng các chuỗi polyme và làm giảm độ đa phân tán, qua đó thúc đẩy quá trình tổng hợp chitosan. Hơn nữa, lực cắt do siêu âm tăng cường sự truyền khối trong dung dịch, nhờ đó các phản ứng hóa học, thủy phân hoặc enzyme được tăng cường. Xử lý chitin bằng siêu âm có thể được kết hợp với các kỹ thuật xử lý chitin hiện có như phương pháp hóa học, thủy phân hoặc quy trình sử dụng enzyme.

Khử acetyl và giải trùng hợp bằng hóa chất có hỗ trợ siêu âm

Vì chitin là một polyme sinh học không phản ứng và không hòa tan, nên phải trải qua các bước khử khoáng, khử protein và giải trùng hợp / khử acetyl để thu được chitosan hòa tan và có khả năng tiếp cận sinh học. Các bước này bao gồm xử lý bằng các axit mạnh như HCl và các bazơ mạnh như NaOH và KOH. Do các bước xử lý thông thường này kém hiệu quả, chậm và đòi hỏi nhiều năng lượng, việc tăng cường quá trình bằng xử lý siêu âm cải thiện đáng kể việc sản xuất chitosan. Ứng dụng siêu âm công suất cao làm tăng hiệu suất thu hồi và chất lượng chitosan, rút ngắn quá trình từ nhiều ngày xuống còn vài giờ, cho phép sử dụng dung môi dịu hơn và giúp toàn bộ quá trình sử dụng năng lượng hiệu quả hơn.

Khử protein chitin được cải thiện bằng siêu âm

Trong nghiên cứu về quá trình loại protein khỏi chitin, Vallejo-Dominguez et al. (2021) nhận thấy rằng “việc ứng dụng siêu âm để sản xuất các polyme sinh học đã làm giảm hàm lượng protein cũng như kích thước hạt chitin. Chitosan có độ khử acetyl cao và khối lượng phân tử trung bình đã được sản xuất với sự hỗ trợ của siêu âm.”

Thủy phân bằng siêu âm để khử trùng hợp chitin

Trong quá trình thủy phân hóa học, axit hoặc kiềm được sử dụng để khử acetyl của chitin, tuy nhiên, khử acetyl bằng kiềm (ví dụ: natri hydroxit NaOH) được sử dụng rộng rãi hơn. Thủy phân bằng axit là một phương pháp thay thế cho quá trình khử acetyl hóa học truyền thống, trong đó các dung dịch axit hữu cơ được sử dụng để khử trùng hợp chitin và chitosan. Phương pháp thủy phân bằng axit chủ yếu được sử dụng khi khối lượng phân tử của chitin và chitosan cần phải đồng nhất. Quá trình thủy phân thông thường này được biết đến là chậm, tiêu tốn nhiều năng lượng và chi phí. Yêu cầu sử dụng axit mạnh, nhiệt độ cao và áp suất cao là những yếu tố khiến quá trình xử lý chitosan bằng thủy phân trở thành một quy trình rất tốn kém và mất nhiều thời gian. Các axit được sử dụng đòi hỏi phải có các công đoạn xử lý tiếp theo như trung hòa và khử muối.
Khi tích hợp siêu âm công suất cao vào quá trình thủy phân, các yêu cầu về nhiệt độ và áp suất để phân cắt chitin và chitosan bằng thủy phân có thể giảm đáng kể. Hơn nữa, xử lý bằng siêu âm cho phép sử dụng nồng độ axit thấp hơn hoặc các axit dịu hơn. Điều này giúp quá trình trở nên bền vững hơn, hiệu quả hơn, tiết kiệm chi phí hơn và thân thiện hơn với môi trường.

Khử acetyl bằng hóa chất có hỗ trợ siêu âm

Quá trình phân rã và khử acetyl bằng hóa chất của chitin và chitosan chủ yếu được thực hiện bằng cách xử lý chitin hoặc chitosan với các axit vô cơ (ví dụ: axit clohydric HCl), natri nitrit (NaNO₂), hoặc hydro peroxit (H₂O₂). Siêu âm cải thiện tốc độ khử acetyl, qua đó rút ngắn thời gian phản ứng cần thiết để đạt được độ khử acetyl mục tiêu. Điều này có nghĩa là xử lý bằng siêu âm làm giảm thời gian xử lý cần thiết từ 12–24 giờ xuống còn vài giờ. Hơn nữa, xử lý bằng siêu âm cho phép sử dụng nồng độ hóa chất thấp hơn đáng kể, ví dụ: natri hydroxit ở nồng độ 40% (w/w) khi sử dụng siêu âm, trong khi cần nồng độ 65% (w/w) nếu không sử dụng siêu âm.

Khử acetyl bằng siêu âm kết hợp enzym

Mặc dù khử acetyl bằng enzym là một hình thức xử lý nhẹ và ít gây hại cho môi trường, hiệu suất và chi phí của phương pháp này không mang lại tính kinh tế. Do việc tách và tinh sạch enzym khỏi sản phẩm cuối ở các công đoạn sau phức tạp, tốn nhiều công sức và chi phí, khử acetyl chitin bằng enzym không được triển khai trong sản xuất thương mại mà chỉ được sử dụng trong phòng thí nghiệm nghiên cứu khoa học.
Tiền xử lý bằng siêu âm trước khi khử acetyl bằng enzym làm phân mảnh các phân tử chitin, qua đó tăng diện tích bề mặt và tạo thêm bề mặt để enzym tiếp cận. Xử lý bằng siêu âm hiệu năng cao giúp cải thiện quá trình khử acetyl bằng enzym và làm cho quá trình có tính kinh tế hơn.