Huby (Fungi) tvoria samostatnú ríšu eukaryotických organizmov, ktorých fylogenetický pôvod bol dlho nejasný. Dnes vieme, že ríša húb sa oddelila od spoločného predka so živočíchmi, ktorým boli pravdepodobne bičíkaté prvoky zo skupiny opistokonty (Opisthokonta), približne pred 1 miliardou rokov. Molekulárna biológia potvrdila, že huby majú napriek značnej morfologickej podobnosti s nižšími rastlinami (Thallobionta) evolučne oveľa bližšie k živočíchom.
Bunka húb je typická eukaryotická bunka, ktorá kombinuje znaky rastlinnej aj živočíšnej ríše, no má aj úplne špecifické vlastnosti. Podobne ako rastlinné bunky, aj bunky húb obsahujú bunkovú stenu a vakuoly. Bunková stena húb však neobsahuje rastlinnú celulózu, ale polysacharid chitín (výnimkou sú riasovky s celulózovou stenou). Chitín buduje aj vonkajšiu kostru mnohých živočíchov (napríklad hmyzu), kde plní mechanickú funkciu. Od rastlín huby zásadne odlišuje fakt, že ich bunky nikdy neobsahujú plastidy a nedokážu fotosyntetizovať. Sú to prísne heterotrofné organizmy.
Jedlé a liečivé huby, ako sú Lentinus edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi alebo reishi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (gombíkové huby), Hericium erinaceus (levia hriva), Cordyceps sinensis (húsenica), Grifola frondosa (sliepka), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, morčací chvost) a mnoho ďalších druhov húb sa široko používajú ako potrava a na extrakciu bioaktívnych zlúčenín. Tieto huby, ako aj zvyšky spracovania (hubový odpad), sa môžu použiť na výrobu chitosanu.
Komerčná výroba chitínu a chitosanu je založená najmä na odpade z námorného priemyslu (t. j. rybolov, zber mäkkýšov atď.). Rôzne zdroje surovín vedú k rôznym kvalitám chitínu a chitosanu, čo je výsledkom výkyvov výroby a kvality v dôsledku sezónnych výkyvov rybolovu. S cieľom zabezpečiť jednotný chitosan sa extrakcia chitínu z druhov húb stala stabilnou alternatívnou výrobou. Okrem toho chitosan získaný z hubových zdrojov ponúka údajne vynikajúce vlastnosti, ako je homogénna dĺžka polyméru a väčšia rozpustnosť v porovnaní s chitozánom z morských zdrojov (porovnaj Ghormade et al., 2017).
Chitín a Chitosan: Kľúčové biopolyméry
Čo je chitín?
Chitín je prirodzene sa vyskytujúci polysacharid nachádzajúci sa v exoskeletoch kôrovcov, hmyzu a bunkových stenách určitých húb. Chitín je polymér N-acetylglukozamínu (poly-(β-(1-4)-N-acetyl-D-glukozamín), je prirodzene sa vyskytujúci polysacharid široko sa vyskytujúci v exoskelete bezstavovcov, ako sú kôrovce a hmyz.
Prechod od chitínu k chitosanu
Pretože chitín je nereaktívny a nerozpustný biopolymér, musí prejsť procesnými krokmi demineralizácie, deproteinizácie a depolymerizácie / deacetylácie, aby sa získal rozpustný a bioacetabilný chitosan. Tieto procesné kroky zahŕbajú ošetrenie silnými kyselinami, ako je HCl, a silnými zásadami, ako sú NaOH a KOH.
Depolymerizácia chitínu nastáva kombinovanými účinkami mechanických síl, ako je mikroprúdenie a tryskanie kvapaliny, ako aj ultrazvukom iniciovanými chemickými reakciami indukovanými voľnými radikálmi a inými reaktívnymi látkami vznikajúcimi počas kavitácie. Okrem depolymerizácie intenzívna ultrazvuková signalizácia podporuje aj deacetyláciu chitínu. Deacetylácia zahŕňa odstránenie acetylových skupín z molekuly chitínu, čo vedie k tvorbe chitosanu.
Ultrazvukom asistovaná extrakcia a spracovanie chitínu a chitosanu
Ultrazvuk je vysoko účinná metóda na uvoľňovanie chitínu a chitosanu zo zdrojov húb. Produkciu chitínu a chitosanu z húb je možné ľahko a spoľahlivo dosiahnuť pomocou ultrazvukovej extrakcie a technológie deacetylácie.
Princíp ultrazvukovej kavitácie
Ultrazvuková extrakcia je založená na akustickej kavitácii a jej hydrodynamických šmykových silách. Keď sa na výrobu chitosanu z chitínu aplikuje intenzívna ultrazvuková ultrazvuk, chitínová suspenzia sa sonikuje vysokointenzívnymi, nízkofrekvenčnými ultrazvukovými vlnami, zvyčajne v rozsahu 20 kHz až 30 kHz. Tento proces vytvára intenzívnu akustickú kavitáciu, ktorá sa týka tvorby, rastu a kolapsu mikroskopických vákuových bublín v kvapaline. Kavitácia vytvára lokalizované extrémne vysoké šmykové sily, vysoké teploty (až niekoľko tisíc stupňov Celzia) a tlaky (až niekoľko stoviek atmosfér) v kvapaline obklopujúcej kavitačné bubliny. Počas implózie bublín sa lokálne vyskytujú extrémne podmienky, ako sú veľmi vysoké teplotné a tlakové rozdiely, prúdenie kvapaliny a šmykové sily. Tieto intenzívne sily rozbíjajú bunky (rastlín a tkanív) tak, že vnútrobunkový materiál (napr. polysacharidy, terpény, bielkoviny, flavóny atď.) sa uvoľňujú do rozpúšťadla. Ďalej sa vytvárajú mikroturbulencie a prúdy kvapalín s rýchlosťou až 100 m/s.
Výhody ultrazvuku pri extrakcii chitínu
Intenzívna sonikácia narúša bunkové štruktúry, aby sa uvoľnil chitín a podporuje prenos hmoty vo vodných rozpúšťadlách pre vynikajúce výťažky chitínu a účinnosť extrakcie. Ultrazvuková extrakcia účinne rozbíja bunkovú štruktúru húb a uvoľňuje intracelulárne zlúčeniny z bunkovej steny a vnútra bunky (t. j. polysacharidy, ako je chitín a chitosan a iné bioaktívne fytochemikálie) do rozpúšťadla.
Ultrazvuková extrakcia je jednoduchá, lacná, rýchla a efektívna technológia, ktorá zintenzívňuje extrakciu kvapalina-pevná látka a vyniká tradičnými extrakčnými technikami. Hlavné výhody ultrazvukovej extrakcie tuhých látok a kvapalín sú založené na rýchlejšej kinetike extrakcie a prenose hmoty, ako aj na zvýšení výťažku extraktu. Ďalšou výhodou je možnosť spustiť proces extrakcie pri nižších teplotách, čím sa zabráni degradácii termocitlivých zlúčenín. Okrem toho sonikácia podporuje sterilizáciu extraktov zabíjaním baktérií a mikróbov.
Obrovskou výhodou ultrazvukovej extrakcie je široký výber rozpúšťadiel. V závislosti od cieľových zlúčenín, ktoré sa majú izolovať, je možné ultrazvukom asistovať extrakciu húb vo vode alebo rozpúšťadlách, ako je etanol, metanol, izopropanol atď. Keďže huby obsahujú väčšinou vo vode rozpustné cieľové zložky a len niekoľko vo vode nerozpustných zložiek, extrakcia vo vode alebo vodnom etanole je bežne preferovanou metódou.
Ultrazvukom asistovaná depolymerizácia a deacetylácia chitínu
Chitín a chitosan musia byť depolymerizované a deacetylované v následnom spracovaní, aby sa získal vysokokvalitný biopolymér. Ultrazvukom asistovaná depolymerizácia a deacetylácia je vysoko účinná, jednoduchá a rýchla technika, ktorej výsledkom sú vysokokvalitné chitozány s vysokou molekulovou hmotnosťou a vynikajúcou biologickou dostupnosťou. Intenzívna ultrasonikácia pomocou ultrazvukového systému typu sondy je technika používaná na podporu depolymerizácie a deacetylácie chitínu, čo vedie k tvorbe chitosanu.
Intenzívna ultrazvuková energia, najmä vysoké teploty a tlaky generované počas kavitácie, urýchľujú deacetylačnú reakciu. Celkovo intenzívna ultrasonikácia zlepšuje procesy depolymerizácie aj deacetylácie tým, že poskytuje potrebnú mechanickú a chemickú energiu na rozklad chitínového polyméru a uľahčuje premenu na chitosan. Ultrazvuk zlepšuje rýchlosť deacetylácie, čím skracuje reakčný čas potrebný na dosiahnutie cieľového stupňa deacetylácie. To znamená, že sonikácia skracuje požadovaný čas spracovania z 12-24 hodín na niekoľko hodín.
S cieľom prekonať nevýhody (t. j. nízka účinnosť, vysoké náklady na energiu, dlhý čas spracovania, toxické rozpúšťadlá) tradičnej chemickej a enzymatickej deacetylácie chitínu bol do spracovania chitínu a chitosanu integrovaný ultrazvuk s vysokou intenzitou. Vysoká intenzita sonikácie a výsledné účinky akustické kavitácie vedú k rýchlemu štiepeniu polymérnych reťazcov a znižujú polydisperzitu, čím podporujú syntézu chitosanu. Okrem toho ultrazvukové šmykové sily zintenzívňujú prenos hmoty v roztoku, takže sa zvyšuje chemická, hydrolytická alebo enzymatická reakcia. Keďže tieto konvenčné procesné kroky sú neefektívne, pomalé a vyžadujú vysoké energie, intenzifikácia procesu sonikáciou výrazne zlepšuje produkciu chitosanu. Integráciou vysokovýkonného ultrazvuku do procesu hydrolýzy je možné výrazne znížiť požiadavky na teplotu a tlak pre hydrolytické štiepenie chitínu a chitosanu. Okrem toho sonikacia umožňuje nižšie koncentrácie kyselín alebo použitie miernejších kyselín. Ultrazvuková predbežná úprava pred enzymatickou deacetyláciou fragmentuje molekuly chitínu, čím sa zväčšuje povrch a sprístupňuje sa viac povrchu pre enzýmy.
Porovnanie tradičných a ultrazvukových metód spracovania chitínu/chitosanu
| Metóda | Výhody | Nevýhody | Čas spracovania | Energetická náročnosť | Toxické rozpúšťadlá | Kvalita chitosanu |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Tradičné chemické | Overená metóda | Nízka účinnosť, vysoké náklady na energiu, potreba silných kyselín/zásad, výkyvy kvality | 12-24 hodín | Vysoká | Áno (silné kyseliny/zásady) | Variabilná, menej homogénna |
| Tradičné enzymatické | Mierne podmienky, ekologicky šetrné | Nízka účinnosť, vysoké náklady na enzýmy, neekonomické | Dlhé | Nízka | Nie | Dobrá, ale menej efektívna produkcia |
| Ultrazvukom asistované | Vysoká účinnosť, jednoduchosť, rýchlosť, nižšie teploty, vysoká biologická dostupnosť, homogénna dĺžka polyméru | Vyžaduje špecializované ultrazvukové zariadenie | Niekoľko hodín | Nižšia (oproti chemickým) | Flexibilný výber (voda, etanol) | Vysoká, homogénna molekulová hmotnosť |
Aplikácie a výskum v oblasti hubového chitínu a chitosanu
Ultrazvukovo deacetylovaný chitosan vykazuje vynikajúcu biologickú dostupnosť a biokompatibilitu. Keď sa ultrazvukom pripravené chitozánové biopolyméry porovnajú s tepelne odvodeným chitozánom z hľadiska biomedicínskych vlastností, ultrazvukom vyrobený chitosan vykazuje významne zlepšenú životaschopnosť fibroblastov (bunka L929) a zvýšenú antibakteriálnu aktivitu pre Escherichia coli (E. coli) aj Staphylococcus aureus (S. aureus).
Štúdie a optimalizácia procesov
Zhu et al. (2018) vo svojej štúdii dospeli k záveru, že ultrazvuková deacetylácia sa ukázala ako zásadný prelom, ktorý premenil β-chitín na chitosan s 83-94% deacetyláciou pri znížených reakčných teplotách. V ich protokole bol roztok NaOH (20 w/v %) pripravený rozpustením vločiek NaOH vo vode DI. Alkalický roztok sa potom pridal do sedimentu GLSP (0,5 g) v pomere pevná látka-kvapalina 1:20 (g: ml) do odstredivkovej skúmavky. Chitosan sa pridal k NaCl (40 ml, 0,2 M) a kyseline octovej (0,1 M) v objemovom pomere roztoku 1:1. Suspenzia bola potom podrobená ultrazvuku pri miernej teplote 25 °C počas 60 minút pomocou ultrazvuku typu sondy (250 W, 20 kHz).
Pandit et al. (2021) zistili, že rýchlosť degradácie roztokov chitosanu je zriedka ovplyvnená koncentráciami kyseliny použitej na rozpustenie polyméru a do značnej miery závisí od teploty, intenzity ultrazvukových vĺn a iónovej sily média použitého na rozpustenie polyméru.
V ďalšej štúdii Zhu et al. (2019) použili prášky spór Ganoderma lucidum ako hubovú surovinu a skúmali ultrazvukom asistovanú deacetyláciu a účinky parametrov spracovania, ako je doba sonikacie, pomer pevnej látky k kvapaline, koncentrácia NaOH a ožiarovacia sila na stupeň deacetylácie (DD) chitosanu. Najvyššia hodnota DD bola získaná pri nasledujúcich ultrazvukových parametroch: 20 min sonikácia pri 80 W, 10 % (g: ml) NaOH, 1:25 (g: ml). Povrchová morfológia, chemické skupiny, tepelná stabilita a kryštalinita ultrazvukom získaného chitozánu boli skúmané pomocou SEM, FTIR, TG a XRD. Výskumný tím uvádza významné zvýšenie stupňa deacetylácie (DD), dynamickej viskozity ([η]) a molekulovej hmotnosti (Mv ̄) ultrazvukom produkovaného chitosanu. Výsledky zdôraznili ultrazvukovú deacetylačnú techniku húb, vysoko účinnú výrobnú metódu pre chitosan, ktorá je vhodná pre biomedicínske aplikácie.
Vallejo-Dominguez et al. (2021) pri svojom skúmaní deproteinizácie chitínu zistili, že „Aplikácia ultrazvuku na výrobu biopolymérov znížila obsah bielkovín, ako aj veľkosť častíc chitínu.“
Iné bioaktívne zlúčeniny z húb a ich extrakcia
Medicinálne huby sú od staroveku známe svojimi výnimočnými zdravotnými výhodami. V poslednej dobe sa liečivé huby menia na bežnú komoditu na zlepšenie zdravia a zvýšenie energie. Aby ste mohli zažiť celé spektrum zdraviu podporných účinkov liečivých húb, musia sa z buniek húb uvoľňovať zlúčeniny ako polysacharidy, triterpenoidy a ďalšie bioaktívne látky. Intenzívnou ultrazvukovou ultrazvukom sú bunkové steny húb (ktoré sú vyrobené z chitínu) perforované a lyzované, takže chemické zlúčeniny ako polysacharidy, vitamíny atď. sa uvoľňujú do okolitého rozpúšťadla. Polysacharidy sú dôležité bioaktívne zlúčeniny nachádzajúce sa v liečivých hubách. Používajú sa ako biochemicky aktívne zlúčeniny na farmaceutické a nutraceutické podávanie, majú pozitívne účinky, ako je imunitná regulácia, na zvrátenie alebo prevenciu poškodenia žiarením, proti zrážaniu krvi, ako aj protirakovinové, antivírusové a hypoglykemické aktivity.
Ultrazvuková extrakcia je vynikajúcou technikou na izoláciu bioaktívnych zlúčenín z rastlín, ako sú Reishi, Lions Mane, Cordyceps, Shiitake, Chaga atď. Hericium erinaceus (levia hriva) je jedlá a liečivá huba patriaca do skupiny zubných húb. Reishi (Ganoderma lucidum, tiež známy ako Ling Zhi / Lingzhi, Mannentake, Huba nesmrteľnosti) je polypórová huba, ktorú ľahko spoznáte podľa červeno lakovanej čiapky v tvare obličky. Huba Reishi produkuje skupinu triterpénov, takzvaných ganoderických kyselín. Kyseliny ganoderové vykazujú molekulárnu štruktúru, ktorá je podobná štruktúre steroidných hormónov. Okrem toho medzi ďalšie zlúčeniny nachádzajúce sa v Reishi patria polysacharidy (napr. beta-glukán), kumarín, manitol a alkaloidy. Steroly izolované z huby zahŕňajú ganoderol, kyselinu ganoderenovú, ganoderiol, ganodermanontriol, lucidadiol a ganodermadiol.
Coriolus versicolor (Trametes versicolor, Polyporus versicolor; hovorovo nazývaná huba z morčacieho chvosta, Yun Zhi, Kawaratake) obsahuje polysacharidy PSK, PSP a Kresin, ako aj glukány B-1,3 a B-1,4. Polysacharidy sa používajú na zlepšenie imunitných funkcií u pacientov s určitými druhmi rakoviny, ak sa používajú spolu s chemoterapiou. Cordyceps sinensis (Ophiocordyceps sinensis; tiež známa ako čínska húsenicová huba, Dong Chong Xia Cao, yartsa gunbu) je ďalšia huba s výnimočnými antioxidačnými vlastnosťami. Maitake (Grifola frondosa; Huba oblaková, Hui Shu Hua, sliepka, baraná hlava, ovčia hlava) je polypórová huba, u ktorej sa preukázalo, že stimuluje vrodený imunitný systém aj adaptívny imunitný systém. Výskum zistil, že Maitake stimuluje imunitný systém pacientov s rakovinou prsníka.
Extrakcia psilocybínu
Psilocybín je halucinogénna látka prítomná v magických hubách. Pre pohodlnú konzumáciu a spoľahlivé dávkovanie sa psilocybín bežne extrahuje a používa vo forme tinktúr alebo obohatených potravín. Keďže ultrazvuková extrakcia poskytuje vysoký výťažok psilocybínu vo veľmi rýchlom čase extrakcie, ultrazvuk je preferovanou extrakčnou technikou na efektívnu výrobu vysokokvalitného psilocybínu z húb. Ultrazvuková extrakcia materiálu z magických húb funguje veľmi dobre s etanolom alebo metanolom ako rozpúšťadlom. Pre dosiahnutie najlepších výsledkov sa odporúča používať sušené huby. Pred ultrazvukom by sa mal sušený hubový materiál rozomlieť, aby sa zabezpečila veľká plocha pre prenos hmoty medzi hubou a rozpúšťadlom. Ultrazvukové ošetrenie rozbije bunkové steny huby, takže molekuly psilocybínu a psilocínu sa uvoľnia do rozpúšťadla. Účinnosť húb sa môže veľmi líšiť, pretože huby sú prírodným produktom, ktorý sa vyvíja v reakcii na svoje prostredie. Rôzne časti húb sa líšia aj účinnosťou (napr. čiapka a stonka môžu mať rôzne koncentrácie psychoaktívnych zlúčenín).
Ultrazvukové zariadenia pre spracovanie húb
Fragmentácia chitínu a deacetylácia chitínu na chitozán si vyžaduje výkonné a spoľahlivé ultrazvukové zariadenie, ktoré dokáže poskytnúť vysoké amplitúdy, ponúka presnú kontrolovateľnosť parametrov procesu a môže byť prevádzkované 24 hodín denne, 7 dní v týždni pri veľkom zaťažení a v náročných prostrediach. Sortiment výrobkov Hielscher Ultrasonics tieto požiadavky spoľahlivo spĺňa. Ultrazvukové prístroje Hielscher sú vysokovýkonné systémy, ktoré môžu byť vybavené príslušenstvom, ako sú sonotrody, zosilňovače, reaktory alebo prietokové články, aby optimálne vyhovovali potrebám vášho procesu.
Vďaka digitálnemu farebnému displeju, možnosti prednastavenia ultrazvukových cyklov, automatickému záznamu údajov na integrovanú SD kartu, diaľkovému ovládaniu prehliadača a mnohým ďalším funkciám zaisťujú ultrazvukové procesory Hielscher najvyššiu kontrolu procesu a užívateľskú prívetivosť. V spojení s robustnosťou a veľkou nosnosťou sú ultrazvukové systémy Hielscher vaším spoľahlivým ťažným koňom vo výrobe. Priemyselné ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics ľahko poskytujú veľmi vysoké amplitúdy. Amplitúdy až 200 μm je možné nepretržite prevádzkovať v prevádzke 24 hodín denne, 7 dní v týždni. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii prispôsobené ultrazvukové sonotródy.
Moderné využitie hubových materiálov: Protipožiarna izolácia z mycélia
Austrálski vedci objavili novú udržateľnú metódu ochrany budov pred ohňom pomocou húb. V prelomovom vývoji, ktorý by mohol navždy zmeniť prístup k požiarnej izolácii v stavebníctve, výskumníci z RMIT University v austrálskom Melbourne objavili novú udržateľnú metódu ochrany budov pred ohňom pomocou húb. Táto inovácia, založená na využití mycéliových panelov, predstavuje zelenú alternatívu k tradičným, často toxickým materiálom používaným v stavebníctve.
Mycéliové panely, ktoré sú vyvíjané na RMIT, sú vyrábané z hubovej siete rastúcej na organickom odpade a v tme. Výskumníci upravujú chemické zloženie húb, čím zlepšujú ich protipožiarne vlastnosti. Vytvárajú plátky mycélia podobné tapetám, ktoré sú tenké ako papier a nevyžadujú rozdrvenie siete vlákien mycélia. Nová metóda, ktorú výskumníci navrhli, umožňuje pestovanie čistých mycéliových listov, ktoré sa dajú vrstviť a upravovať pre rôzne účely. Proces zahŕňa použitie špecifických podmienok rastu a chemikálií na vytvorenie tenkého, rovnomerného a ohňovzdorného materiálu.
Mycélium preukázalo silný potenciál ako ohňovzdorný materiál. Pri vystavení ohňu alebo sálavému teplu vytvára tepelnú ochrannú zuhoľnatenú vrstvu, ktorá môže výrazne zvýšiť odolnosť materiálu voči plameňom. Na rozdiel od tradičných kompozitných obkladových panelov, ktoré môžu počas horenia uvoľňovať toxické výpary a dym, obklady z mycélia sú ekologicky šetrné. Hlavným cieľom tohto výskumu je vytvoriť biologicky odvodené, protipožiarne obklady, ktoré by mohli predchádzať tragédiám spôsobeným vysoko horľavými obkladmi. Táto technológia by mohla byť kľúčová pre budúcnosť stavebníctva, keďže je nielen bezpečnejšia, ale aj ekologická. Mycélium ako izolácia je jasným konkurentom, pretože je nielen lacné, ale nemá žiadny dopad na ľudské zdravie.
„Spomaľovače horenia obsahujúce bromid, jodid, fosfor a dusík sú účinné, ale majú nepriaznivé účinky na zdravie a životné prostredie,“ povedala Kandareová. „Predstavujú zdravotné a environmentálne obavy, pretože karcinogény a neurotoxíny, ktoré môžu uniknúť a pretrvávať v prostredí, poškodzujú život rastlín a zvierat.“
