Ultrasonication is a highly efficient method to release chitin and chitosan from fungal sources such as mushrooms. Chitin and chitosan must be depolymerized and deacetylated in down-stream processing in order to obtain a high-quality biopolymer. Ultrasonically-assisted depolymerization and deacetylation is a highly efficacious, simple and rapid technique, which results in high-quality chitosans with high molecular weight and superior bioavailability.

Kitin dan Kitosan yang Berasal dari Jamur melalui Ultrasonikasi

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 (hen-of-the-wood), Trametes versicolor (Coriolus versicolor, Polyporus versicolor, turkeytail) dan banyak spesies jamur lainnya banyak digunakan sebagai makanan dan untuk ekstraksi senyawa bioaktif. Jamur ini serta mengolah residu (limbah jamur) dapat digunakan untuk memproduksi kitosan. Ultrasonication tidak hanya mempromosikan pelepasan kitin dari struktur dinding sel jamur, tetapi juga mendorong konversi kitin menjadi kitosan berharga melalui ultrasonically dibantu depolimerisasi dan deacetylation.

 

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 eksoskeleton 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 runtuhnya gelembung vakum mikroskopis dalam cairan. Kavitasi menghasilkan gaya geser ekstrem tinggi yang terlokalisasi, 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.
 

 

Ultrasonik Depolimerisasi Kitin

Depolimerisasi kitin terjadi melalui efek gabungan dari kekuatan mekanik, seperti microstreaming dan liquid jetting, serta oleh reaksi kimia ultrasonically dimulai yang disebabkan oleh radikal bebas dan spesies reaktif lainnya yang terbentuk selama kavitasi. Gelombang tekanan tinggi yang dihasilkan selama kavitasi menyebabkan rantai kitin mengalami tegangan geser, menghasilkan pemotongan polimer menjadi fragmen yang lebih kecil.

Ultrasonic Deacetylation Kitin

Selain depolimerisasi, ultrasonikasi intens juga mempromosikan deasetilasi kitin. Deasetilasi melibatkan penghapusan gugus asetil dari molekul kitin, yang mengarah pada pembentukan kitosan. Energi ultrasonik yang intens, terutama suhu tinggi dan tekanan 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 intens meningkatkan proses depolimerisasi dan deasetilasi dengan menyediakan energi mekanik dan kimia yang diperlukan untuk memecah polimer kitin dan memfasilitasi konversi ke 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.

Industri Produksi Kitosan dari Jamur dengan Power Ultrasound

Produksi kitin dan chitosan komersial terutama didasarkan pada limbah industri kelautan (yaitu memancing, memanen ikan kerang, dll.). Sumber bahan baku yang berbeda menghasilkan kualitas kitin dan chitosan yang berbeda, yang dihasilkan dari fluktuasi produksi dan kualitas karena variasi penangkapan ikan musiman. Selain itu, chitosan yang berasal dari sumber jamur menawarkan sifat yang dilaporkan unggul seperti panjang polimer homogen dan kelarutan yang lebih besar bila dibandingkan dengan chitosan dari sumber laut. (cf. Ghormade et al., 2017) Untuk memasok chitosan 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 ekstraksi ultrasonik dan teknologi deacetylation. Sonikasi intens mengganggu struktur sel untuk melepaskan kitin dan mempromosikan transfer massa dalam pelarut berair untuk hasil kitin unggul dan efisiensi ekstraksi. Deacetylation ultrasonik berikutnya mengubah kitin menjadi chitosan yang berharga. Keduanya, ekstraksi kitin ultrasonik dan deacetylation ke chitosan dapat diskalakan secara linear ke tingkat produksi komersial apa pun.

Hasil Penelitian untuk Ultrasonic Chitin dan Chitosan Deacetylation

Zhu et al. (2018) menyimpulkan dalam studi mereka bahwa deacetylation ultrasonik telah terbukti menjadi terobosan penting, mengubah β-chitin menjadi chitosan dengan deacetylation 83-94% pada suhu reaksi yang berkurang. Gambar kiri menunjukkan gambar SEM chitosan ultrasonik deacetylated (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%) disiapkan dengan melarutkan serpihan NaOH dalam air DI. Larutan alkali kemudian ditambahkan ke sedimen GLSP (0,5 g) dengan rasio 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 dikenakan ultrasound pada suhu ringan 25 ° C selama 60 menit menggunakan ultrasonikator tipe probe (250W, 20kHz). (lihat Zhu et al., 2018)
 
Pandit et al. (2021) menemukan bahwa tingkat degradasi untuk larutan chitosan jarang dipengaruhi oleh konsentrasi asam yang digunakan untuk solubilize polimer dan sangat tergantung pada suhu, intensitas gelombang ultrasound, dan kekuatan ionik dari media yang digunakan untuk melarutkan polimer. (cf. Pandit et al., 2021)
 
Dalam studi lain, Zhu et al. (2019) menggunakan bubuk spora Ganoderma lucidum sebagai bahan baku jamur dan menyelidiki deasetilasi ultrasonically dibantu dan efek dari parameter pengolahan seperti waktu sonikasi, rasio padat-ke-cair, 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, kelompok 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 deacetylation (DD), viskositas dinamis ([η]) dan berat molekul (Mv ̄) dari kitosan ultrasonically diproduksi. Hasilnya menggarisbawahi teknik deasetilasi ultrasonik jamur, metode produksi yang sangat ampuh untuk kitosan, yang cocok untuk aplikasi biomedis. Zhu et al., 2019)

Kualitas Chitosan Unggul dengan Depolimerisasi dan Deasetilasi Ultrasonik

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

Peralatan Ultrasonik Kinerja Tinggi untuk Pengolahan Kitin dan Kitosan

Fragmentasi kitin dan deketilasi kitin menjadi 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. Berbagai produk Hielscher Ultrasonics memenuhi persyaratan ini dengan andal. Selain kinerja ultrasound yang luar biasa, ultrasonikator Hielscher membanggakan efisiensi energi tinggi, yang merupakan keuntungan ekonomis yang signifikan – Terutama ketika digunakan pada produksi skala besar komersial.
Ultrasonikator Hielscher adalah sistem berkinerja tinggi yang dapat dilengkapi dengan aksesori seperti sonotrodes, penguat, reaktor atau sel aliran agar sesuai dengan kebutuhan proses Anda secara optimal. Dengan tampilan warna digital, pilihan untuk mengatur sonikasi berjalan, perekaman data otomatis pada kartu SD terintegrasi, kontrol browser jarak jauh dan banyak lagi fitur, ultrasonikator Hielscher memastikan kontrol proses tertinggi dan keramahan pengguna. Dipasangkan dengan ketahanan dan kapasitas menahan beban berat, sistem ultrasonik Hielscher adalah kuda kerja andal Anda 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. Hielscher Ultrasonics prosesor ultrasonik industri dengan mudah memberikan amplitudo yang sangat tinggi. Amplitudo hingga 200μm dapat terus dijalankan dalam operasi 24/7. Untuk amplitudo yang lebih tinggi, sonotrodes ultrasonik yang disesuaikan tersedia. Kapasitas daya sistem ultrasonik Hielscher memungkinkan depolimerisasi dan deasetilasi yang efisien dan cepat dalam proses yang aman dan ramah pengguna.
 

Tabel di bawah ini memberi Anda indikasi perkiraan kapasitas pemrosesan ultrasonikator kami:

---

---

Perawatan kitin sinergis ditingkatkan dengan ultrasonikasi

Untuk mengatasi kelemahan (yaitu, efisiensi rendah, biaya energi tinggi, waktu pemrosesan yang lama, pelarut beracun) dari kimia tradisional dan deacetlytion kitin enzimatik, ultrasound intensitas tinggi telah diintegrasikan ke dalam pemrosesan kitin dan kitosan. Sonikasi intensitas tinggi dan efek yang dihasilkan dari kavitasi akustik menyebabkan pemotongan cepat rantai polimer dan mengurangi polidispersi, 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.

Deacetylation Kimia dan Depolimerisasi Kimia yang Dibantu Secara Ultrasonik

Karena kitin adalah biopolimer non-reaktif dan tidak larut, ia harus menjalani langkah-langkah proses demineralisasi, deproteinisasi dan depolimerisasi / deacetylation untuk mendapatkan chitosan 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 menuntut energi tinggi, intensifikasi proses dengan sonikasi meningkatkan produksi chitosan secara signifikan. Penerapan power-ultrasound meningkatkan hasil dan kualitas chitosan, mengurangi proses dari hari ke beberapa jam, memungkinkan pelarut yang lebih ringan, dan membuat seluruh proses lebih hemat energi.

Deproteinisasi Chitin yang Ditingkatkan Secara Ultrasonik

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

Hidrolisis Ultrasonik untuk Depolimerisasi Chitin

Untuk hidrolisis kimia, baik asam atau alkali digunakan untuk deacetylate chitin, namun deacetylation alkali (misalnya, natrium hidroksida NaOH) lebih banyak digunakan. Hidrolisis asam adalah metode alternativ untuk deacetylation kimia tradisional, di mana larutan asam organik digunakan untuk depolimerize chitin dan chitosan. Metode hidrolisis asam sebagian besar digunakan ketika berat molekul kitin dan chitosan harus homogen. Proses hidrolisis konvensional ini dikenal sebagai lambat dan intensif energi dan biaya. Kebutuhan asam kuat, suhu tinggi dan tekanan adalah faktor yang mengubah proses chitosan hidrolitik menjadi prosedur yang sangat mahal dan memakan waktu. Asam yang digunakan membutuhkan proses hilir seperti netralisasi dan desalting.
Dengan integrasi ultrasound berdaya tinggi ke dalam proses hidrolisis, persyaratan suhu dan tekanan untuk pembelahan hidrolitik kitin dan chitosan 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 ramah lingkungan.

Deacetylation Kimia yang Dibantu Secara Ultrasonik

Disintegrasi kimia dan deaktasi kitin dan chitosan terutama dicapai dengan mengobati kitin atau chitosan dengan asam mineral (misalnya, asam klorida HCl), natrium nitrit (NaNO).₂Atau hidrogen peroksida (H₂O₂). USG meningkatkan tingkat deacetylation sehingga memperpendek waktu reaksi yang diperlukan untuk mendapatkan tingkat deacetylation yang ditargetkan. Ini berarti sonikasi mengurangi waktu pemrosesan yang diperlukan 12-24 jam hingga 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 ultrasound.

Deacetylation Ultrasonik-Enzimatik

Sementara deacetylation 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, deacetylation chitin enzimatik tidak diimplementasikan dalam produksi komersial, tetapi hanya digunakan di laboratorium penelitian ilmiah.
Ultrasonic pra-pengobatan sebelum fragmen deacetlytation enzimatik molekul kitin sehingga memperbesar luas permukaan dan membuat lebih banyak permukaan tersedia untuk enzim. Sonikasi berkinerja tinggi membantu meningkatkan deacetylation enzimatik dan membuat prosesnya lebih ekonomis.