Produksi Kitin dan Kitosan dari Jamur

Ultrasonikasi adalah metode yang sangat efisien untuk melepaskan kitin dan kitosan dari sumber jamur seperti jamur. Kitin dan kitosan harus didepolimerisasi dan dideasetilasi dalam pemrosesan hilir untuk mendapatkan biopolimer berkualitas tinggi. Depolimerisasi dan deasetilasi yang dibantu ultrasonik adalah teknik yang sangat berkhasiat, sederhana dan cepat, yang menghasilkan kitosa berkualitas tinggi dengan berat molekul tinggi dan ketersediaan hayati yang unggul.

Kitin dan Kitosan yang Berasal dari Jamur melalui Ultrasonication

Jamur yang dapat dimakan dan obat seperti Lentinus edodes (shiitake), Ganoderma lucidum (Lingzhi atau reishi), Inonotus obliquus (chaga), Agaricus bisporus (jamur kancing), Hericium erinaceus (surai singa), Cordyceps sinensis (jamur ulat), Grifola frondosa (ayam kayu), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, turkeytail) dan banyak spesies jamur lainnya banyak digunakan sebagai makanan dan untuk ekstraksi senyawa bioaktif. Jamur ini serta residu pengolahan (limbah jamur) dapat digunakan untuk menghasilkan kitosan. Ultrasonikasi tidak hanya mempromosikan pelepasan kitin dari struktur dinding sel jamur, tetapi juga mendorong konversi kitin menjadi kitosan yang berharga melalui depolimerisasi dan deasetilasi yang dibantu ultrasonik.

Depolimerisasi dan deasetilasi kitin menjadi kitosan dipromosikan oleh sonikasi

Ultrasonikasi intens menggunakan sistem ultrasonik tipe probe adalah teknik yang digunakan untuk mempromosikan depolimerisasi dan deasetilasi kitin, yang mengarah pada pembentukan kitosan. Kitin adalah polisakarida alami yang ditemukan di kerangka luar krustasea, serangga, dan dinding sel jamur tertentu. Kitosan berasal dari kitin dengan menghilangkan gugus asetil dari molekul kitin.

Prosedur Ultrasonik untuk Konversi Kitin Jamur ke Kitosan

Ketika ultrasonikasi intens diterapkan untuk produksi kitosan dari kitin, suspensi kitin disonikasi dengan intensitas tinggi, gelombang ultrasound frekuensi rendah, biasanya dalam kisaran 20 kHz hingga 30 kHz. Proses ini menghasilkan kavitasi akustik yang intens, yang mengacu pada pembentukan, pertumbuhan, dan keruntuhan gelembung vakum mikroskopis dalam cairan. Kavitasi menghasilkan gaya geser sangat tinggi lokal, suhu tinggi (hingga beberapa ribu derajat Celcius) dan tekanan (hingga beberapa ratus atmosfer) dalam cairan yang mengelilingi gelembung kavitasi. Kondisi ekstrem ini berkontribusi pada pemecahan polimer kitin dan deasetilasi berikutnya.
 

Gambar SEM kitin dan kitosa dari dua spesies jamur: a) Kitin dari L. vellereus; b) Kitin dari P. ribis; c) Kitosan dari L.vellereus; d) kitosan dari P. ribis.
gambar dan studi: © Erdoğan et al., 2017

Depolimerisasi Ultrasonik Kitin

Depolimerisasi kitin terjadi melalui efek gabungan gaya mekanis, seperti microstreaming dan jet cair, serta oleh reaksi kimia yang dimulai secara ultrasonik yang diinduksi oleh radikal bebas dan spesies reaktif lainnya yang terbentuk selama kavitasi. Gelombang tekanan tinggi yang dihasilkan selama kavitasi menyebabkan rantai kitin mengalami tegangan geser, mengakibatkan pemotongan polimer menjadi fragmen yang lebih kecil.

Deasetilasi Ultrasonik Kitin

Selain depolimerisasi, ultrasonication yang intens juga mempromosikan deasetilasi kitin. Deasetilasi melibatkan pengangkatan gugus asetil dari molekul kitin, yang mengarah pada pembentukan kitosan. Energi ultrasonik yang intens, terutama suhu dan tekanan tinggi yang dihasilkan selama kavitasi, mempercepat reaksi deasetilasi. Kondisi reaktif yang diciptakan oleh kavitasi membantu memutus hubungan asetil dalam kitin, menghasilkan pelepasan asam asetat dan konversi kitin menjadi kitosan.
Secara keseluruhan, ultrasonikasi yang intens meningkatkan proses depolimerisasi dan deasetilasi dengan menyediakan energi mekanik dan kimia yang diperlukan untuk memecah polimer kitin dan memfasilitasi konversi menjadi kitosan. Teknik ini menawarkan metode yang cepat dan efisien untuk produksi kitosan dari kitin, dengan berbagai aplikasi di berbagai industri, termasuk farmasi, pertanian, dan teknik biomedis.

Produksi Kitosan Industri dari Jamur dengan Power Ultrasound

Produksi kitin dan kitosan komersial terutama didasarkan pada limbah industri kelautan (yaitu penangkapan ikan, pemanenan kerang, dll.). Sumber bahan baku yang berbeda menghasilkan kualitas kitin dan kitosan yang berbeda, akibat fluktuasi produksi dan kualitas karena variasi penangkapan ikan musiman. Selain itu, kitosan yang berasal dari sumber jamur menawarkan sifat yang dilaporkan unggul seperti panjang polimer homogen dan kelarutan yang lebih besar jika dibandingkan dengan kitosan dari sumber laut. (lih. Ghormade et al., 2017) Untuk memasok kitosan yang seragam, ekstraksi kitin dari spesies jamur telah menjadi produksi alternatif yang stabil. Produksi kitin dan citiosan dari jamur dapat dengan mudah dan dapat diandalkan dicapai dengan menggunakan teknologi ekstraksi ultrasonik dan deasetilasi. Sonikasi yang intens mengganggu struktur sel untuk melepaskan kitin dan meningkatkan perpindahan massa dalam pelarut berair untuk hasil kitin yang unggul dan efisiensi ekstraksi. Deasetilasi ultrasonik berikutnya mengubah kitin menjadi kitosan yang berharga. Keduanya, ekstraksi kitin ultrasonik dan deasetilasi ke kitosan dapat diskalakan secara linier ke tingkat produksi komersial apa pun.

Sonikasi mengintensifkan produksi kitosan jamur dan membuat produksi lebih efisien dan ekonomis.
(gambar dan studi: © Zhu et al., 2019)

Hasil Penelitian untuk Deasetilasi Kitin Ultrasonik dan Kitosan

Zhu et al. (2018) menyimpulkan dalam studi mereka bahwa deasetilasi ultrasonik telah terbukti menjadi terobosan penting, mengubah β-kitin menjadi kitosan dengan deasetilasi 83-94% pada suhu reaksi yang berkurang. Gambar kiri menunjukkan gambar SEM kitosan deasetilasi ultrasonik (90 W, 15 menit, 20 w/v% NaOH, 1:15 (g: mL) (gambar dan studi: © Zhu et al., 2018)
Dalam protokol mereka, larutan NaOH (20 w/v%) dibuat dengan melarutkan serpihan NaOH dalam air DI. Larutan alkali kemudian ditambahkan ke sedimen GLSP (0,5 g) dengan perbandingan padat-cair 1:20 (g: mL) ke dalam tabung centrifuge. Kitosan ditambahkan ke NaCl (40 mL, 0,2 M) dan asam asetat (0,1 M) pada rasio volume larutan 1:1. Suspensi kemudian dikenai ultrasound pada suhu ringan 25 °C selama 60 menit menggunakan ultrasonicator tipe probe (250W, 20kHz). (lihat Zhu et al., 2018)
 
Pandit et al. (2021) menemukan bahwa laju degradasi larutan kitosan jarang dipengaruhi oleh konsentrasi asam yang digunakan untuk melarutkan polimer dan sangat tergantung pada suhu, intensitas gelombang ultrasound, dan kekuatan ionik media yang digunakan untuk melarutkan polimer. (lih. Pandit et al., 2021)
 
Dalam studi lain, Zhu et al. (2019) menggunakan bubuk spora Ganoderma lucidum sebagai bahan baku jamur dan menyelidiki deasetilasi yang dibantu ultrasonik dan efek parameter pemrosesan seperti waktu sonikasi, rasio padat-ke-cairan, konsentrasi NaOH, dan daya iradiasi pada tingkat deasetilasi (DD) kitosan. Nilai DD tertinggi diperoleh pada parameter ultrasonik berikut: sonikasi 20 menit pada 80W, 10% (g: ml) NaOH, 1: 25 (g: ml). Morfologi permukaan, gugus kimia, stabilitas termal, dan kristalinitas kitosan yang diperoleh secara ultrasonik diperiksa menggunakan SEM, FTIR, TG, dan XRD. Tim peneliti melaporkan peningkatan yang signifikan dari tingkat deasetilasi (DD), viskositas dinamis ([η]) dan berat molekul (Mv ̄) dari kitosan yang diproduksi secara ultrasonik. Hasilnya menggarisbawahi teknik deasetilasi ultrasonik jamur, metode produksi yang sangat ampuh untuk kitosan, yang cocok untuk aplikasi biomedis. (lih. Zhu et al., 2019)

Kualitas Kitosan Unggul dengan Depolimerisasi dan Deasetilasi Ultrasonik

Proses ekstraksi dan depolimerisasi kitin / kitosan yang digerakkan secara ultrasonik dapat dikontrol secara tepat dan parameter proses ultrasonik dapat disesuaikan dengan bahan baku dan kualitas produk akhir yang ditargetkan (misalnya, berat molekul, tingkat deasetilasi). Hal ini memungkinkan untuk menyesuaikan proses ultrasound dengan faktor eksternal dan untuk menetapkan parameter optimal untuk hasil dan efisiensi yang unggul.
Kitosan deasetilasi ultrasonik menunjukkan ketersediaan hayati dan biokompatibilitas yang sangat baik. Ketika biopolimer kitosan yang disiapkan secara ultrasonik dibandingkan dengan kitosan yang diturunkan secara termal mengenai sifat biomedis, kitosan yang diproduksi secara ultrasonik menunjukkan peningkatan viabilitas fibroblas (sel L929) yang meningkat secara signifikan dan peningkatan aktivitas antibakteri untuk Escherichia (E.) dan Staphylococcus aureus (S. aureus).
(lih. Zhu et al., 2018)
 

Pemindaian gambar mikroskop elektron (SEM) dalam perbesaran 100× a) gladius, b) gladius yang diolah dengan ultrasound, c) β-kitin, d) β-kitin yang diolah dengan ultrasound, dan e) kitosan (sumber: Preto et al. 2017)

Peralatan Ultrasonik Kinerja Tinggi untuk Pemrosesan Kitin dan Kitosan

Fragmentasi kitin dan desetylasi kitin ke kitosan membutuhkan peralatan ultrasonik yang kuat dan andal yang dapat memberikan amplitudo tinggi, menawarkan kemampuan kontrol yang tepat atas parameter proses dan dapat dioperasikan 24/7 di bawah beban berat dan di lingkungan yang menuntut. Rangkaian produk Hielscher Ultrasonics memenuhi persyaratan ini dengan andal. Selain kinerja ultrasound yang luar biasa, ultrasonicators Hielscher membanggakan efisiensi energi yang tinggi, yang merupakan keuntungan ekonomi yang signifikan – terutama ketika digunakan pada produksi skala besar komersial.
Ultrasonicators Hielscher adalah sistem berkinerja tinggi yang dapat dilengkapi dengan aksesori seperti sonotrodes, booster, reaktor atau sel aliran agar sesuai dengan kebutuhan proses Anda dengan cara yang optimal. Dengan tampilan warna digital, opsi untuk menjalankan sonikasi setreset, perekaman data otomatis pada kartu SD terintegrasi, kontrol browser jarak jauh dan banyak fitur lainnya, ultrasonicators Hielscher memastikan kontrol proses tertinggi dan keramahan pengguna. Dipasangkan dengan kekokohan dan daya dukung beban yang berat, sistem ultrasonik Hielscher adalah pekerja keras Anda yang andal dalam produksi. 
Fragmentasi dan deasetilasi kitin membutuhkan ultrasound yang kuat untuk mendapatkan konversi yang ditargetkan dan produk kitosan akhir berkualitas tinggi. Khusus untuk fragmentasi serpihan kitin dan langkah depolimerisasi / deasetilasi, amplitudo tinggi dan tekanan tinggi sangat penting. Prosesor ultrasonik industri Hielscher Ultrasonics dengan mudah menghasilkan amplitudo yang sangat tinggi. Amplitudo hingga 200μm dapat terus dijalankan dalam operasi 24/7. Untuk amplitudo yang lebih tinggi, sonotrode ultrasonik yang disesuaikan tersedia. Kapasitas daya sistem ultrasonik Hielscher memungkinkan depolimerisasi dan deasetilasi yang efisien dan cepat dalam proses yang aman dan ramah pengguna.
 

Perawatan Kitin Sinergis Ditingkatkan dengan Ultrasonication

Untuk mengatasi kelemahan (yaitu, efisiensi rendah, biaya energi tinggi, waktu pemrosesan yang lama, pelarut beracun) dari deasetliti kitin kimia dan enzimatik tradisional, ultrasound intensitas tinggi telah diintegrasikan ke dalam pemrosesan kitin dan kitosa. Sonikasi intensitas tinggi dan efek yang dihasilkan dari kavitasi akustik menyebabkan guntingan rantai polimer yang cepat dan mengurangi polidispersitas, sehingga mempromosikan sintesis kitosan. Selanjutnya, gaya geser ultrasonik mengintensifkan perpindahan massa dalam larutan sehingga reaksi kimia, hidrolitik, atau enzimatik ditingkatkan. Perawatan kitin ultrasonik dapat dikombinasikan dengan teknik pemrosesan kitin yang sudah ada seperti metode kimia, hidrolisis atau prosedur enzimatik.

Deasetilasi dan Depolimerisasi Kimia Berbantuan Ultrasonik

Karena kitin adalah biopolimer non-reaktif dan tidak larut, ia harus menjalani langkah-langkah proses demineralisasi, deproteinisasi dan depolimerisasi / deasetilasi untuk mendapatkan kitosan yang larut dan bioacessible. Langkah-langkah proses ini melibatkan perawatan dengan asam kuat seperti HCl dan basa kuat seperti NaOH dan KOH. Karena langkah-langkah proses konvensional ini tidak efisien, lambat, dan membutuhkan energi tinggi, intensifikasi proses dengan sonikasi meningkatkan produksi kitosan secara signifikan. Penerapan power-ultrasound meningkatkan hasil dan kualitas kitosaan, mengurangi proses dari hari menjadi beberapa jam, memungkinkan pelarut yang lebih ringan, dan membuat seluruh proses lebih hemat energi.

Deproteinisasi kitin yang ditingkatkan secara ultrasonik

Vallejo-Dominguez et al. (2021) menemukan dalam penyelidikan mereka tentang deproteinisasi kitin bahwa “Penerapan USG untuk produksi biopolimer mengurangi kandungan protein serta ukuran partikel kitin. Kitosan dengan derajat deasetilasi tinggi dan berat molekul sedang diproduksi melalui bantuan ultrasound.”

Hidrolisis Ultrasonik untuk Depolimerisasi Kitin

Untuk hidrolisis kimia, asam atau alkali digunakan untuk deasetilasi kitin, namun deasetilasi alkali (misalnya, natrium hidroksida NaOH) lebih banyak digunakan. Hidrolisis asam adalah metode alternatif untuk deasetilasi kimia tradisional, di mana larutan asam organik digunakan untuk mendepolimerisasi kitin dan kitosan. Metode hidrolisis asam banyak digunakan ketika berat molekul kitin dan kitosan harus homogen. Proses hidrolisis konvensional ini dikenal sebagai proses yang lambat dan intensif energi dan biaya. Kebutuhan asam kuat, suhu dan tekanan tinggi adalah faktor yang mengubah proses kitosan hidrolitik menjadi prosedur yang sangat mahal dan memakan waktu. Asam yang digunakan memerlukan proses hilir seperti netralisasi dan desalting.
Dengan integrasi ultrasound berdaya tinggi ke dalam proses hidrolisis, persyaratan suhu dan tekanan untuk pembelahan hidrolitik kitin dan kitosan dapat diturunkan secara signifikan. Selain itu, sonikasi memungkinkan konsentrasi asam yang lebih rendah atau penggunaan asam yang lebih ringan. Hal ini membuat prosesnya lebih berkelanjutan, efisien, hemat biaya, dan ramah lingkungan.

Deasetilasi Kimia Berbantuan Ultrasonik

Disintegrasi kimia dan deacteylation kitin dan kitosan terutama dicapai dengan mengolah kitin atau kitosan dengan asam mineral (misalnya, asam klorida HCl), natrium nitrit (NaNO₂), atau hidrogen peroksida (H₂O₂). Ultrasonografi meningkatkan laju deasetilasi sehingga mempersingkat waktu reaksi yang diperlukan untuk mendapatkan tingkat deasetilasi yang ditargetkan. Ini berarti sonikasi mengurangi waktu pemrosesan yang diperlukan 12-24 jam menjadi beberapa jam. Selain itu, sonikasi memungkinkan konsentrasi kimia yang jauh lebih rendah, misalnya 40% (w / w) natrium hidroksida menggunakan sonikasi sementara 65% (w / w) diperlukan tanpa menggunakan USG.

Deasetilasi Ultrasonik-Enzimatik

Sementara deasetilasi enzimatik adalah bentuk pemrosesan yang ringan dan ramah lingkungan, efisiensi dan biayanya tidak ekonomis. Karena isolasi hilir yang kompleks, padat karya, dan mahal dan pemurnian enzim dari produk akhir, deasetilasi kitin enzimatik tidak diimplementasikan dalam produksi komersial, tetapi hanya digunakan di laboratorium penelitian ilmiah.
Pra-perawatan ultrasonik sebelum fragmen deasetlytasi enzimatik molekul kitin sehingga memperbesar luas permukaan dan membuat lebih banyak permukaan tersedia untuk enzim. Sonikasi kinerja tinggi membantu meningkatkan deasetilasi enzimatik dan membuat prosesnya lebih ekonomis.