Produksi Kitin dan Kitosan dari Jamur

Ultrasonikasi merupakan metode yang sangat efisien untuk melepaskan kitin dan kitosan dari sumber fungi seperti jamur. Kitin dan kitosan harus didepolimerisasi dan dideasetilasi dalam pemrosesan hilir untuk memperoleh biopolimer berkualitas tinggi. Depolimerisasi dan deasetilasi berbantuan ultrasonik merupakan teknik yang sangat efektif, sederhana, dan cepat, yang menghasilkan kitosan berkualitas tinggi dengan berat molekul tinggi dan bioavailabilitas unggul.

Kitin dan Kitosan dari Jamur melalui Ultrasonikasi

Jamur pangan 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 (jamur ayam hutan), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, ekor kalkun) dan banyak spesies fungi lainnya banyak digunakan sebagai pangan dan untuk ekstraksi senyawa bioaktif. Jamur-jamur ini serta residu pemrosesannya (limbah jamur) dapat digunakan untuk menghasilkan kitosan. Ultrasonikasi tidak hanya mendorong pelepasan kitin dari struktur dinding sel fungi, tetapi juga mendorong konversi kitin menjadi kitosan yang bernilai melalui depolimerisasi dan deasetilasi berbantuan ultrasonik.

Depolimerisasi dan deasetilasi kitin menjadi kitosan ditingkatkan oleh sonikasi

Ultrasonikasi intensif menggunakan sistem ultrasonik tipe probe merupakan teknik yang digunakan untuk mendorong depolimerisasi dan deasetilasi kitin, sehingga menghasilkan kitosan. Kitin merupakan polisakarida alami yang terdapat pada eksoskeleton krustasea, serangga, dan dinding sel fungi tertentu. Kitosan diperoleh dari kitin dengan menghilangkan gugus asetil dari molekul kitin.

Prosedur Ultrasonik untuk Konversi Kitin Fungi menjadi Kitosan

Ketika ultrasonikasi intensif diterapkan untuk memproduksi kitosan dari kitin, suspensi kitin disonikasi dengan gelombang ultrasonik berintensitas tinggi dan berfrekuensi rendah, biasanya dalam rentang 20 kHz hingga 30 kHz. Proses ini menghasilkan kavitasi akustik yang intensif, yaitu pembentukan, pertumbuhan, dan keruntuhan gelembung vakum mikroskopis di dalam cairan. Kavitasi menghasilkan gaya geser yang sangat tinggi, suhu tinggi (hingga beberapa ribu derajat Celsius), dan tekanan tinggi (hingga beberapa ratus atmosfer) secara lokal di dalam cairan yang mengelilingi gelembung kavitasi. Kondisi ekstrem ini berkontribusi pada penguraian polimer kitin dan deasetilasi berikutnya.
 

Citra SEM kitin dan kitosan 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 penelitian: © Erdoğan et al., 2017

Depolimerisasi Kitin secara Ultrasonik

Depolimerisasi kitin terjadi melalui efek gabungan gaya mekanis, seperti aliran mikro dan semburan cairan, serta reaksi kimia yang diprakarsai secara ultrasonik dan diinduksi oleh radikal bebas serta spesies reaktif lainnya yang terbentuk selama kavitasi. Gelombang bertekanan tinggi yang dihasilkan selama kavitasi menyebabkan rantai kitin mengalami tegangan geser, sehingga polimer terputus menjadi fragmen yang lebih kecil.

Deasetilasi Kitin secara Ultrasonik

Selain depolimerisasi, ultrasonikasi intensif juga mendorong deasetilasi kitin. Deasetilasi melibatkan penghilangan gugus asetil dari molekul kitin, sehingga menghasilkan kitosan. Energi ultrasonik yang intensif, khususnya suhu dan tekanan tinggi yang dihasilkan selama kavitasi, mempercepat reaksi deasetilasi. Kondisi reaktif yang diciptakan oleh kavitasi membantu memutus ikatan asetil dalam kitin, sehingga menghasilkan pelepasan asam asetat dan konversi kitin menjadi kitosan.
Secara keseluruhan, ultrasonikasi intensif meningkatkan proses depolimerisasi maupun deasetilasi dengan menyediakan energi mekanis dan kimia yang diperlukan untuk menguraikan polimer kitin dan memfasilitasi konversinya menjadi kitosan. Teknik ini menawarkan metode yang cepat dan efisien untuk memproduksi kitosan dari kitin, dengan berbagai aplikasi di beragam industri, termasuk farmasi, pertanian, dan rekayasa biomedis.

Produksi Kitosan Industri dari Jamur dengan Ultrasonik Berdaya Tinggi

Produksi kitin dan kitosan komersial terutama menggunakan limbah industri kelautan (yaitu penangkapan ikan, pemanenan kerang, dll.). Sumber bahan baku yang berbeda menghasilkan kualitas kitin dan kitosan yang berbeda, sehingga terjadi fluktuasi produksi dan kualitas akibat variasi penangkapan ikan musiman. Selain itu, kitosan dari sumber fungi dilaporkan menawarkan sifat unggul seperti panjang polimer yang homogen dan kelarutan yang lebih tinggi dibandingkan dengan kitosan dari sumber laut. (bdk. Ghormade et al., 2017) Untuk memasok kitosan yang seragam, ekstraksi kitin dari spesies fungi telah menjadi alternatif produksi yang stabil. Produksi kitin dan kitosan dari fungi dapat dilakukan dengan mudah dan andal menggunakan teknologi ekstraksi dan deasetilasi ultrasonik. Sonikasi intensif merusak struktur sel untuk melepaskan kitin dan mendorong perpindahan massa dalam pelarut berair untuk menghasilkan rendemen kitin dan efisiensi ekstraksi yang unggul. Deasetilasi ultrasonik berikutnya mengubah kitin menjadi kitosan yang bernilai. Baik ekstraksi kitin secara ultrasonik maupun deasetilasinya menjadi kitosan dapat ditingkatkan skalanya secara linier hingga tingkat produksi komersial apa pun.

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

Hasil Penelitian Deasetilasi Kitin dan Kitosan secara Ultrasonik

Zhu et al. (2018) menyimpulkan dalam penelitian mereka bahwa deasetilasi ultrasonik terbukti menjadi terobosan penting, mengubah β-kitin menjadi kitosan dengan deasetilasi 83–94% pada suhu reaksi yang lebih rendah. Gambar di sebelah kiri menunjukkan citra SEM kitosan yang dideasetilasi secara ultrasonik (90 W, 15 min, 20 w/v% NaOH, 1:15 (g: mL) (gambar dan penelitian: © Zhu et al., 2018)
Dalam protokol mereka, larutan NaOH (20 w/v %) disiapkan dengan melarutkan serpihan NaOH dalam air deionisasi. Larutan alkali kemudian ditambahkan ke sedimen GLSP (0,5 g) dengan rasio padatan terhadap cairan 1:20 (g: mL) di dalam tabung sentrifugasi. Kitosan ditambahkan ke NaCl (40 mL, 0,2 M) dan asam asetat (0,1 M) dengan rasio volume larutan 1:1. Suspensi tersebut kemudian diberi perlakuan ultrasonik pada suhu ringan 25°C selama 60 min menggunakan sonikator tipe probe (250W, 20kHz). (bdk. 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 sebagian besar bergantung pada suhu, intensitas gelombang ultrasonik, serta kekuatan ionik medium yang digunakan untuk melarutkan polimer. (bdk. Pandit et al., 2021)
 
Dalam penelitian lain, Zhu et al. (2019) menggunakan serbuk spora Ganoderma lucidum sebagai bahan baku fungi dan menyelidiki deasetilasi berbantuan ultrasonik serta pengaruh parameter pemrosesan seperti waktu sonikasi, rasio padatan terhadap cairan, konsentrasi NaOH, dan daya iradiasi terhadap derajat deasetilasi (DD) kitosan. Nilai DD tertinggi diperoleh pada parameter ultrasonik berikut: sonikasi selama 20 min 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 signifikan pada derajat deasetilasi (DD), viskositas dinamis ([η]), dan berat molekul (Mv¯) kitosan yang diproduksi secara ultrasonik. Hasil tersebut menegaskan bahwa teknik deasetilasi fungi secara ultrasonik merupakan metode produksi kitosan yang sangat efektif dan sesuai untuk aplikasi biomedis. (bdk. Zhu et al., 2019)

Kualitas Kitosan Unggul dengan Depolimerisasi dan Deasetilasi Ultrasonik

Proses ekstraksi dan depolimerisasi kitin / kitosan yang digerakkan secara ultrasonik dapat dikendalikan dengan presisi, dan parameter proses ultrasonik dapat disesuaikan dengan bahan baku serta kualitas produk akhir yang ditargetkan (misalnya, berat molekul, derajat deasetilasi). Hal ini memungkinkan penyesuaian proses ultrasonik terhadap faktor eksternal dan penetapan parameter optimal untuk hasil dan efisiensi yang unggul.
Kitosan yang dideasetilasi secara ultrasonik menunjukkan bioavailabilitas dan biokompatibilitas yang sangat baik. Jika biopolimer kitosan yang disiapkan secara ultrasonik dibandingkan dengan kitosan yang diperoleh secara termal dalam hal sifat biomedis, kitosan yang diproduksi secara ultrasonik menunjukkan viabilitas fibroblas (sel L929) yang meningkat secara signifikan dan aktivitas antibakteri yang lebih tinggi terhadap Escherichia coli (E. coli) maupun Staphylococcus aureus (S. aureus).
(bdk. Zhu et al., 2018)
 

Citra mikroskopi elektron pemindai (SEM) pada perbesaran 100× dari a) gladius, b) gladius yang diberi perlakuan ultrasonik, c) β-kitin, d) β-kitin yang diberi perlakuan ultrasonik, dan e) kitosan (sumber: Preto et al. 2017)

Peralatan Ultrasonik Berkinerja Tinggi untuk Pemrosesan Kitin dan Kitosan

Fragmentasi kitin dan deasetilasi kitin menjadi kitosan memerlukan peralatan ultrasonik yang kuat dan andal, yang mampu menghasilkan amplitudo tinggi, menawarkan kendali presisi atas parameter proses, serta dapat dioperasikan 24/7 dengan beban berat dan dalam lingkungan yang menuntut. Rangkaian produk Hielscher Ultrasonics memenuhi persyaratan ini secara andal. Selain kinerja ultrasonik yang luar biasa, sonikator Hielscher memiliki efisiensi energi yang tinggi, yang merupakan keuntungan ekonomis signifikan – khususnya ketika digunakan dalam produksi komersial berskala besar.
Sonikator Hielscher merupakan sistem berkinerja tinggi yang dapat dilengkapi dengan aksesori seperti sonotrode, penguat amplitudo, reaktor, atau sel alir untuk memenuhi kebutuhan proses Anda secara optimal. Dengan layar warna digital, opsi pengaturan awal siklus sonikasi, pencatatan data otomatis pada kartu SD terintegrasi, kendali jarak jauh melalui peramban, dan banyak fitur lainnya, sonikator Hielscher memastikan kendali proses dan kemudahan penggunaan terbaik. Dipadukan dengan ketangguhan dan kapasitas menanggung beban berat, sistem ultrasonik Hielscher menjadi perangkat andalan Anda dalam produksi. Fragmentasi dan deasetilasi kitin memerlukan ultrasonik yang kuat untuk memperoleh konversi yang ditargetkan dan produk akhir kitosan berkualitas tinggi. Khususnya untuk fragmentasi serpihan kitin serta tahap depolimerisasi / deasetilasi, amplitudo tinggi dan tekanan yang ditingkatkan sangat penting. Prosesor ultrasonik industri Hielscher Ultrasonics dengan mudah menghasilkan amplitudo yang sangat tinggi. Amplitudo hingga 200µm dapat dijalankan terus-menerus dalam operasi 24/7. Untuk amplitudo yang lebih tinggi lagi, tersedia sonotrode ultrasonik yang dibuat khusus. Kapasitas daya sistem ultrasonik Hielscher memungkinkan depolimerisasi dan deasetilasi yang efisien dan cepat dalam proses yang aman dan mudah digunakan.
 

Perlakuan Kitin Sinergis yang Ditingkatkan dengan Ultrasonikasi

Untuk mengatasi kelemahan (yaitu efisiensi rendah, biaya energi tinggi, waktu pemrosesan lama, pelarut beracun) deasetilasi kitin secara kimia dan enzimatis tradisional, ultrasonik berintensitas tinggi telah diintegrasikan ke dalam pemrosesan kitin dan kitosan. Sonikasi berintensitas tinggi dan efek kavitasi akustik yang dihasilkannya menyebabkan pemutusan rantai polimer secara cepat dan mengurangi polidispersitas, sehingga mendorong sintesis kitosan. Selain itu, gaya geser ultrasonik mengintensifkan perpindahan massa dalam larutan sehingga reaksi kimia, hidrolitik, atau enzimatis meningkat. Perlakuan kitin secara ultrasonik dapat dikombinasikan dengan teknik pemrosesan kitin yang sudah ada, seperti metode kimia, hidrolisis, atau prosedur enzimatis.

Deasetilasi dan Depolimerisasi Kimia Berbantuan Ultrasonik

Karena kitin merupakan biopolimer yang tidak reaktif dan tidak larut, kitin harus melalui tahap proses demineralisasi, deproteinasi, dan depolimerisasi / deasetilasi untuk memperoleh kitosan yang larut dan bioaksesibel. Tahap-tahap proses ini melibatkan perlakuan dengan asam kuat seperti HCl dan basa kuat seperti NaOH dan KOH. Karena tahap-tahap proses konvensional ini tidak efisien, lambat, dan memerlukan energi tinggi, intensifikasi proses melalui sonikasi meningkatkan produksi kitosan secara signifikan. Penerapan ultrasonik berdaya tinggi meningkatkan rendemen dan kualitas kitosan, mempersingkat proses dari beberapa hari menjadi beberapa jam, memungkinkan penggunaan pelarut yang lebih ringan, dan membuat keseluruhan proses lebih hemat energi.

Deproteinasi Kitin yang Ditingkatkan secara Ultrasonik

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

Hidrolisis Ultrasonik untuk Depolimerisasi Kitin

Untuk hidrolisis kimia, asam maupun alkali digunakan untuk mendeasetilasi kitin, tetapi deasetilasi alkali (misalnya, natrium hidroksida NaOH) lebih banyak digunakan. Hidrolisis asam merupakan metode alternatif terhadap deasetilasi kimia tradisional, yang menggunakan larutan asam organik untuk mendepolimerisasi kitin dan kitosan. Metode hidrolisis asam paling sering digunakan ketika berat molekul kitin dan kitosan harus homogen. Proses hidrolisis konvensional ini dikenal lambat serta memerlukan energi dan biaya tinggi. Kebutuhan akan asam kuat, suhu tinggi, dan tekanan tinggi merupakan faktor yang menjadikan proses kitosan hidrolitik sebagai prosedur yang sangat mahal dan memakan waktu. Asam yang digunakan memerlukan proses hilir seperti netralisasi dan penghilangan garam.
Dengan integrasi ultrasonik berdaya tinggi ke dalam proses hidrolisis, kebutuhan suhu dan tekanan untuk pemutusan 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 proses lebih berkelanjutan, efisien, hemat biaya, dan lebih ramah lingkungan.

Deasetilasi Kimia Berbantuan Ultrasonik

Disintegrasi dan deasetilasi kimia kitin dan kitosan terutama dilakukan dengan memberi perlakuan pada kitin atau kitosan menggunakan asam mineral (misalnya, asam klorida HCl), natrium nitrit (NaNO₂), atau hidrogen peroksida (H₂O₂). Ultrasonik meningkatkan laju deasetilasi sehingga mempersingkat waktu reaksi yang diperlukan untuk memperoleh derajat deasetilasi yang ditargetkan. Ini berarti sonikasi mengurangi waktu pemrosesan yang diperlukan dari 12–24 jam menjadi beberapa jam. Selain itu, sonikasi memungkinkan konsentrasi bahan kimia yang jauh lebih rendah, misalnya natrium hidroksida 40% (w/w) dengan sonikasi, sementara 65% (w/w) diperlukan tanpa penggunaan ultrasonik.

Deasetilasi Ultrasonik-Enzimatis

Meskipun deasetilasi enzimatis merupakan bentuk pemrosesan yang ringan dan ramah lingkungan, efisiensi dan biayanya tidak ekonomis. Karena isolasi dan pemurnian enzim dari produk akhir pada tahap hilir rumit, padat karya, dan mahal, deasetilasi kitin enzimatis tidak diterapkan dalam produksi komersial, tetapi hanya digunakan di laboratorium penelitian ilmiah.
Praperlakuan ultrasonik sebelum deasetilasi enzimatis memecah molekul kitin menjadi fragmen sehingga memperbesar luas permukaan dan menyediakan lebih banyak permukaan bagi enzim. Sonikasi berkinerja tinggi membantu meningkatkan deasetilasi enzimatis dan membuat proses lebih ekonomis.